alberts
bray
hopkin
johnson
lewis
raff
2n Έκδοσn
ιατρικές εκδόσεις
n.x.
πασχαλίδης
roberts
walter
Τα αμινοξέα και Ία σύμβολά Ίους
Κωδlκόνια
ασπαρτικό οξύ
GAC GM AGA
D
ισολευκίνη
Asp Glu Arg Lys His Asn Gln Ser Thr Tyr Ala Gly Val Leu Ile
πρoiΊίνη
Ρω
Ρ
φαινυλαλανίνη
Phe Met Trp Cys
F
Υλουταμικό οξύ αΡΥινίνη λυσίνη ιmιδίνη ασπαραΥίνη
Υλουταμίνη σερίνη
θρεονίνη τυροσίνη
αλανίνη
Υλυκίνη βαλίνη
λευκίνη
μεθειονίνη τρυmοφάνη
κυmεινη
Ε
R Κ
ΑΜ
Η
CAC MC CM AGC ACA UAC GCA GGA GUA
Ν
Q S Τ Υ
Α
G V L
υυΑ
Ι
AUA CCA UUC AUG UGG UGC
Μ
W C
Κωδικόνια ΤΕΡΜΑΤΙΣΜΟΥ
υΜ
GAU GAG AGG MG CAU
CGA
CGC
CGG
CGU
UCA ACG
UCC ACU
UCG
UCU
GCG GGG GUG CUA
GCU GGU GUU CUC
CUG
CUU
Μυ
CAG AGU ACC UAU GCC GGC GUC UUG AUC CCC
Αυυ
CCG
CCU
υυυ
UGU UAG
UGA
Ηλεκτραρνητικά πολικά αμινοξέα: πράσινο, ηλεκφοθετικά πολικά αμινοξέα: μαύρο, μη φορτισμένα πολικά αμινοξέα: κόκκινο, πολικά αμινοξέα: μπλε
Μήκος
Όγκος
1 km (χιλιόμετρο) 1 m (μέτρο) 1 cm (εκαωmόμετρο) 1 mm (χιλιοmόμετρο) 1 μm (μικρόμετρο) 1 nm (νανόμετρο) 1 Α (Angstr6m) ΜάΖα
10-2 m 10-3 m 10-6 m 10-9 m 10-10 m
10-31 10-61 10-91
Συγκένφωση
103 g
1 Μ (molar) 1 mM (millimolar) 1 μΜ (micromolar) 1 ηΜ (nanomolar)
10-3 g 10-6 g 10-9 g
1 mole 1 c (θερμίδα)
(
1 kg (χιλιόΥραμμο) 1 g (Υραμμάριο) 1 mg (xιiΊιoσι:oyραμμάριo) = 1 μg (μιιφΟΥραμμάριο) 1 ng (νανΟΥραμμάριο) =
11 (λίτρο) 1 ml (χιλιοmόλιτρο) 1 μΙ (μικρόλιτρο) 1 ηl (νανόλιτρο)
1 mole/l 10-3 Μ 10-6 Μ 10-9 Μ
=
6.02 χ 1023 μόρια/Ι
Χρήσιμες ΟΊαθερές, ΜεΊαΊροπές και Ορισμοί
6.02 χ 1023 μόρια ποσό θερμότητας που απαιτείται Υια ν' αυξηθεί η θερμοκρασία 1 g νερού
κατά
1 kcal (xιiΊιoθερμίδα) 11 νερό 1 d (dalton)
=
1°C 103 c = 4.18 kJ (xιiΊιoθερμίδες) 1 kg (mους 4°C)
κατά προσέν/ιση, η μάΖα ενός ατόμου
ΜάΖα της Γης
υδΡΟΥόνου (1.7 χ 10-24 g) 103 d 1024 kg
Γονιδίωμα βακτηρίων
0.5-5 χ 106 ΖεύΥη νουκλεοτιδίων
1 kd (kilodalton)
(ανάλΟΥα με 10 βακτήριο)
Γονιδίωμα ανθρώπου
3 χ 109 ΖεύΥη νουκλεοτιδίων (απλοειδές)
Βαοιι<έs Αρχέs
Ι{uιιαρικήs Βιολογίαs Εισαγωγή στη Μοριαι<ή Βιολογία του Ι(υττάρου Δεύτερη 'Εκδοση
Τόμοs Επιμέλεια:
Νικόλαος Aνάγvoυ Παναγιώια ΠαπαΖαφείρη
Ιωσήφ Παπαμαιθαιάκης
11 Bruce Alberts 8 Dennis Bray Karen Hopkin 8 Alexander Johnson Julian Lewis 8 Martin Raff Keith Roberts 8 Peter Walter
Κώστας Σιαμαιόπουλος Μετάφραση:
Κώστας Σιαμαιόπουλος Πρόλογοι των Καθηγητών:
Φώιη Καφάιου
Κώστα Κριμπά
Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ. Πασχαλίδης
Επιμέλεια:
Νικόλαος Π. Aνάvνoυ ΠαναΥιώτα ΠαπαΖαφείρη
Καθηγητής Βιολογίας Ιατρικής Σχολής Πανεπιστημίου Αθηνών
Επ. Καθηγήτρια Φυσιολογίας Ζώων και Ανθρώπου Τμήμα Βιολογίας Πανεπιστημίου Αθηνών
Ιωσήφ Παπαματθαιάκης
Καθηγητής Μοριακής Βιολογίας
Τμήμα Βιολογίας Πανεπιστημίου Κρήτης
Κώστας Σταματόπουλος
Ιατρός Αιματολόγος, Αιματολογική Κλινική και Μονάδα Μεταμόσχευσης Αιμοποιητικών Κυπάρων, ΠΓΝΘ 'Τ.Πανανικολάου"
ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΦΡΑΣΗΣ:
PGCP enterprises Ltd
IS8N-set: 960-399-388-3
IS8N:
960-399-390-5
111111111111111111111111
9789603 993902
Copyright © 2006 ΙΑΤΡΙΚΕΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΠΧ ΠΑΣΧΜΙΔΗΣ Ε.Π.Ε. 14, Αθήνα 11527, Τηλ.: 010.7789.125 - 010.7793.012,010.7483.148,010.7489.411, FAX: 010.7759.421
Τετραπόλεως
Τα δικαιώματα της ελληνικής έκδοσης του παρόντος βιβλίου ανήκουν στον εκδοτικό οίκο "π.χ. Πασxaλίδης». Η δημοσίευση φωτογραφιών, η μερική ή ολική ανατύπωση, καθώς και η λήψη φωτοαντιγράφων από το βιβλίο απαγορεύονται χωρίς την έγγραφη άδεια του εκδότη.
essential cell biology second edition
Bruce Alberts • Dennis Bray Karen Hopkin • Alexander Johnson Julian Lewis • Martin Raff Keith Roberts • Peter Walter
GS
Garland Science Taylor & Francis Group
Gαrlαnd Science Vice President: Denise Schanck Managing Production Editor: Emma Hunt Proofreader and Layout: Emma Hunt Senior Editorial Assistants: lCirsten Jenner, Frances Morgan Editorial Assistant: Lilith Wood Text Editors: Elizabeth Zayatz, E!eanor Lawrence Copy Editors: Richard Mickey, Christine Gregory Book and Cover Design: Blink Studio, London Illustrator: Nige! Orme Cover Illustration: Jose Ortega Indexer: Merral!-Ross International Ltd. Manufacturing: Nige! Eyre and Marion Morrow
Essentiαl Cell Biology 2 Interαctίve Artistic and Scientific Direction: PeterWa!ter Narrated by: Julie Theriot Production Design and Deve!opment: Michael Morales
Bruce Alberts received his Ph.D. from Harvard University and is President of the National Academy of Sciences and Professor of Biochemistry and Biophysics at the University of California, San Francisco. Dennis Bray received his Ph.D. from Massachusetts Institute ofTechno!ogy and is currently a Medical Research Council Fellow ίn the Department of Zoo!ogy, University of Cambridge. Karen Hopkin received her Ph.D. ίn biochemistry from the Albert Einstein College of Medicine ίn the Bronx and is a sclence writer ίn Cambridge, Massachusetts. Alexander Johnson received his Ph.D. from Harvard University and is a Professor of Microbio!ogy and Immuno!ogy and Co-Director ofthe Biochemistry and Molecular Biology Program at the University of California, San Francisco. Julian Lewis received his D.Phil. from the University of Oxford and ls a Principa! Scientist at the London Research Institute of Cancer Research υκ. Martin Raff recelved his M.D. from McGill University and ls at the Medical Research Council Laboratory for Molecu!ar Cell Bio!ogy and Cell Bio!ogy Unit and ίη the Bio!ogy Department at University College London. Keith Roberts received his Ph.D. from the University of Cambridge and is Associate Research Director at tlle John Innes Centre, Norwich. PeterWalter recelved his Ph.D. from The Rockefeller University ίη New York and is Professor and Chairman of the Department of Biochemistry and Biophysics at the University of California, San Francisco, and an Investigator of the Howard Hughes Medical Institute.
© by Bruce Alberts, Dennis Bray, Karen Hopkin, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and PeterWalter.
ΑΙΙ
rights reserved. Νο part of this book covered by the copyright hereon may be reproduced or used ίn any format ίη any form or by any means-graphic, electronic, or mechanicaI, including photocopying, recording, taping, or information storage and retrieval systems-without permission of the publisher.
Published by Garland Science, a member of the Taylor & Francis Group, 29West 35th Street, NewYork, ΝΥ 10001-2299, USA and 4 Park Square, Milton Park, Abingdon, ΟΧ14 4RN, υκ. Printed in Spain. 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Essential cell biology / Bruce Alberts ... [et al.].-- 2nd ed. p.cm. ISBN 0-8153-3480-X.-ISBN 0-8153-3481-8 (pbk.J ι. Cytology.2. Molecular biology. 3. Biochemistry. Ι. Alberιs, Bruce. QH581.2.E782003 57 1.6-dc2 Ι 2003011505
Πρόλογοs
2 llS ΑγγλικήsΈκδοσns
« Το κλειδί για κάθε ΒιοΛογικό πρόΒΛnμα πρέπει ν' αναΖnτnθεί
στο κύτταρο, επειδιi κάθε Ζωντανός οργανισμός είναι, ιi κάποτε υπιiρξε, ένα κύτταρο» Ε.Β. Wίlson, κυπαρικός βιολόγος
(1925)
Στα ογδόντα χρόνια που μεσολάβησαν από την εποχή του
Wilson, οι
yvώσεις μας για τις λειτουργίες των κυπάρων πραγματικά μεταμορφώθηκαν. Η απάντηση στο θεμελιώδες ερώτημα
-
πώς αποθηκεύουν, χρησιμοποιούν
και μεταβιβάΖουν κληρονομικές πληροφορίες τα κύπαρα
- είναι πλέον yvω
στή και άνοιξε νέους ορίΖοντες στη μελέτη των κυπάρων και των οργανι σμών. Αυτή η επανάσταση στη βιολογία είναι μια από τις μεγάλες «περιπέτει ες» του ανθρώπινου πνεύματος. Σήμερα, από τη σκοπιά της κυπαρικής βιο λογίας, μπορούμε να ερμηνεύσουμε τους βασικούς μηχανισμούς της Ζωής και ν' αρΧίσουμε να σχεδιάΖουμε μια ολοκληρωμένη εικόνα για την εντυπω σιακή ποικΙλότητα των οργανισμών και των φαινομένων που σχετίζονται με τη Ζωή, από τη χημεία ενός βακτηρίου ή τη διαμόρφωση του σχήματος ενός
φύλ/ου έως τις διεργασίες που μας επιτρέπουν να μιλάμε, να περπατάμε και να εξερευνούμε τον κόσμο γύρω μας. Επίσης, μπορούμε ν' αναΖητήσουμε την προέλευση των ίδιων των χημικών συστατικών μας μέσω των γενετικών
οδηγιών που τις προκαθορίΖουν, οι οποίες είναι αξιοσημείωτα κοινές σε ευ ρύτατο φάσμα οργανισμών. Υπό αυτό το πρίσμα, ο άνθρωπος συγγενεύει στενά με όλα τα έμβια όντα.
Οι νέες yvώσεις έφεραν πολ/ά πρακτικά οφέλη, μεταξύ άλ/ων σημαντι κή πρόοδο στην υγεία και την ευμάρεια του ανθρώπου. Ταυτόχρονα, υποκί νησαν ηθικά ερωτήματα και έντονες συΖητήσεις σχετικά με Ζητήματα όπως ο
γενετικός έλεγχος για κληρονομικά νοσήματα, η εκτίμηση των πιθανών πε ριβαλ/οντικών κινδύνων, η γενετική τροποποίηση φυτών και Ζώων, η χρησι
μοποίηση της μοριακής βιολογίας στην ιατροδικαστική και το ενδεχόμενο της αναπαραγωγικής κλωνοποίησης στον άνθρωπο. Αυτά είναι μόνο μερικά από τα σημαντικά Ζητήματα που πρέπει να εξετάσουμε. Η επιτυχής εφαρμο γή των νέων yvώσεων προϋποθέτει πολ/ές δύσκολες αποφάσεις εκ μέρους της κοινωνίας: έξυπνες αποφάσεις μπορεί να ληφθούν μόνο αν υπάρχει στοιχειώδης κατανόησης της κυπαρικής βιολογίας.
Η αρχική επιδίωξή μας κατά τη συν/ραφή του βιβλίου ήταν να δώσουμε μια απλή ερμηνεία των λειτουργιών των Ζωντανών κυπάρων. Με τον όρο «λειτουργίες», κυρίως εwοούμε τον τρόπο με τον οποίο συνεργάΖΟνται τα
vίί
μόρια του κυπάρου
- ιδίως οι πρωτεϊνες, ΤΟ DΝΑ και ΤΟ RNA - ώσΙε να δη
μιουργήσουν ένα σύσΙημα που φέφεlΟΙ, μεlΟκινείlΟΙ, αυξάνει, διαφείlΟΙ και ανlΟποκρίνεlΟΙ σε ερεθίσμαlΟ: με άλλα λόγια, ένα ΖωνlΟνό σύσΙημα. Με τον όρο «απλή», εwοούμε μια ερμηνεία εύληπω για αναγνώσΙες χωρίς προη γούμενες γνώσεις μοριακής βιολογίας. Συνειδητοποιήσαμε ων ανάγκη για μια σύντομη, σαφή περιγραφή των βασικών αρΧών ως βιολογίας του κυπά ρου ενώ γράφαμε ΤΟ βιβλίο ήδη βρίσκεlΟΙ σΙην τέlΟρτη
MoJecuJar BioJogy οΙ the CeJJ (MBoC), ΤΟ οποίο έκδοση. Το MBoC είναι ένα μεγάλο εγχειρίδιο,
ΤΟ οποίο αΠΕUθύνεlOΙ σε προπωχιακούς και μεlΟπωχιακούς φΟlΙητές με κα
λό επίπεδο γνώσεων βιολογίας του κυπάρου και εξειδίκευση σΙους 1Ομείς ως βιολογίας ή ως ιαφικής. Πολ/οί φοιτητές όπως επίσης και καλ/ιεργημέ νοι άνθρωποι χωρίς όμως κανένα υπόβαθρο βιολογικών γνώσεων οι οποίοι επιθυμούν μια εισαγωγή σΙη βιολογία 1Ου κυπάρου θα δυσKOλΕU1Oύν με ης
λεπιομέρειες 1Ου
MBoC. ΑνΙίθεlΟ, 10 παρόν βιβλίο αποσκοπείνα παρουσιά
σει ης βασικές αρχές ως βιολογίας 1Ου κυπάρου που είναι απαραίτητες σε
όποιον ενδιαφερθείγια 10 βιοϊαφlκά όπως επίσης και 10 ευρύτερα βιολογι κά ΖητήμαlΟ που επηρεάΖουνω Ζωή μας.
Το βιβλίο που κροιάτε σΙα χέρια σας είναι όσο μικρό και απλό γίνεlΟι. Ε πίσης, περιορίσαμετην ειδική ορολογία σιο ελάΧlσΙΟ δυνοιό. Σω δεύτερη έκδοση αναθεωρήσαμεΤΟ βιβλίο σε μια προσπάθειανα συμπεριλάβουμεης
νέες εξελίξεις, με έμφαση σΙα γονlδlώμαlΟ: για 10 λόγο αυτό, συμπεριλάβα
με μια επισκόπηση1Ου ανθρώπινουγονlδlώμα1Οςκαι ένα νέο κεφάλαιο για ων εξέλιξη Των γονιδίων και των γονιδιωμάτων. ΙκανοποιώνΙας10 αίωμα πολ/ών αναγνωσΙώνως πρώως έκδοσης, γράψαμε επίσης ένα κεφάλαιο με ανΙlκείμενοω γενεηκή, ω μείωση και ω μοριακή βάση ως κληρονομl κόωlΟς. Επίσης, σΙη δεύτερη έκδοση υπάρχουν πολ/ές νέες παράγραφοι για ΖητήμαlΟ που παρουσιάΖΟνΙαισυχνά σΙlς ειδήσεις, όπως 10 αρχέγονα κύπαρα, η κλωνοποίηση, οι DΝΑ μlκροσυσΙοlχίες,ο προγραμμαησμένος
κυπαρικός θάνατος και ο καρκίνος. Σε κάθε κεφάλαιο ως δεύτερης έκδο σης υπάρχει μια «ΙσΙορlκή Αναδρομή»: σε αυτά 10 ένθεlΟ γίνεlΟΙ αναφορά
σε κλασικές και σύγχρονες προσεγγίσεις σε σημανΙlκά ερωτήμαlΟως βιο λογίας και παρουσlάΖΟνΙαlοι νέες ιδέες που απορρέουναπό 10 πειραμαηκά
αποτελέσμαlΟ.Όπως και σΙην πρώω έκδοση, ia διαγράμμαlΟ τονίΖουν βα σικά σημεία και αποφεύγουν ης περlπές λεΠ1Ομέρεlες. Οι βασικοί όροι γρά φονΙαι με ένΙονα γράμμαlΟ όlΟν πρω1ΟαναφέρονΙαι και επίσης συμπερl
λαμβάνΟνΙαl σιο εικονογραφημένο γλωσσάριο σιο τέλος 1Ου βιβλίου. Σε κάθε κεφάλαιο 1Ου βιβλίου υπάρχουν πολ/ές ερωτήσεις που αποσκο
πούν να προκαλέσουν τους φΟlΙητές να σκεφ1Ούν και να ελέγξουν πόσο κα λά καlΟνόησαν όσα διάβασαν. Πολ/ές εΡωΤήσεις έχουν ως επιδίωξη να θέ
σουν ω γνώση σε ευρύτερο βιολογικό πλαίσιο, αρκετές έχουν πάνω από μια σωσΙή απάνΙηση, ενώ, τέλος, κάποιες εΡωΤήσεις υποκινούν υποθέσεις. Οι
απανΙήσεlς σΙlς ερωτήσεις δίνονΙαι σιο τέλος 1Ου βιβλίου. Σε πολ/ές περι πτώσεις, οι απανΙήσεις πραγμα1Οποιούν έναν σχολιασμό ή δίνουν μια εναλ λακηκή προοπηκή για θέμαlΟ που παρουσlάσΙηκαν σιο κείμενο. Για όσους
επιθυμούν να εμβαθύνουν περισσόπρο σΙη βιολογία 1Ου κυπάρου και ιδίως
νίίί
πρόλογος 2 ης ΑγΥλlκής Έκδοσης
να καταλάβουν καλύτερα ης πληροφορίες που προσφέρουν οι πειραμαηκές
αναλύσεις, συνΙσΤούμε 10 βιβλίο
MoJecuJar BioJogy
οΕ
the CeJJ, Fourth
Edition: Α ProbJems Approach, των John Wilson και Tim Hunt. Οι συΥΥραφείς Της πρώτης έκδοσης με χαρά υποδέχονται σΤη συΥΥραφι κή ομάδα Την βιοχημικό
Karen Hopkin
η οποία σήμερα ασχολείται με Τη
συγγραφή εΠΙσΤημονικών βιβλίων. Βασική αρμοδιόΤητα Της
Karen
ήταν να
κάνει 10 βιβλίο κατανοπτό και ευχάρισΤΟ σΤο διάβασμα. Κάθε κεφάλαιο 1Ου βιβλίου είναι προϊόν συλ/ογικής προσπάθειας:τα προσχέδια κυκλοφόρη
σαν πολύ από συΥΥραφέασε συΥΥραφέα. Πολ/οίήταν εκείνοι που μας βοή θησαν: τα ονόμοτά1Ους αναφέρονταισΤις ΕυχαΡΙσΤίες. ΩσΤόσο, θα ήταν πα ράλειψη αν δεν εκφράΖαμειδιαίτερες ευχαΡΙσΤίεςσΤον ΒίΗ SuHivan, έμπειρο δάσκαλο γενεηκής, ο οποίος συνέβαλε αποφασΙσΤικά σΤη διαμόρφωση 1Ου νέου κεφαλαίου με θέμα Γενεηκή, Μείωση και Μοριακή Βάση της Κληρονο μικόΤητας.
Παρά ης προσπάθειές μας 10 βιβλίο αναπόφευκταθα έχει λάθη. Παρα
καλούμε 1Ους αναγνώσΤ.ες που θα εν1ΟπίσουνΤυχόν λάθη να μας 10 γνωρί σουν
(
[email protected])
ώσΤε να τα διορθώσουμε σΤην επόμενη εκτύ
πωση.
Πρόλογος 2 ης Αγγλικής Έκδοσης
ίχ
Ευχαριοιίεs Συγγραφέων
Οι συΥΥραφείς επιθυμούν να τονίσουν τη σημανπκή συνεισφορά πολ/ών καθηγητών απ' όλο τον κόσμο στην προετοιμασία της 2 σων χρησιμοποίησαν στα μαθήματά τους την
ης
Έκδοσης, ιδίως ό
1n Έκδοση του
βιβλίου και
πρότειναν ποικίλες βελτιώσεις. Είμαστε ευγνώμονες για τις υποδείξεις τους. Ιδιαίτερες ευχαριστίες εκφράΖουμε στην διάβασε με κριτικό πνεύμα όλη την
Dr. Linda Matsuuchi,
1n Έκδοση
η οποία
και καθοδήγησε την αναθε
ώρηση του βιβλίου.
Οι «ιστορικές αναδρομές» σε κάθε κεφάλαιο γράφηκαν με την επίβλεψη των καθηγητών
John Andersland, Western Kentucky University James D. Berger, University οί British Columbia David Bourgaize, Whittier College Anand Chandrasekhar, University οί Missouri David L. Gard, University οί Utah Paul Overvoorde, Macalester College Neil Simister, Brandeis University Efthimios M.C. Skoulakis, Texas Α&Μ University Lawrence Wiseman, College οί William and Mary Επίσης εκφράΖουμε ευχαριστίες στους ακόλουθους έμπειρους κριτές, των οποίων οι υποδείξεις σε ειδικά Ζητήματα επέφεραν σημαντικές βελτιώ
2n Έκδοση: Scott Hawley, Stowers lnstitute, Missouri Maynard Olson, University οί Washington
σεις στη
Η βοήθεια των εργαΖομένων στον Εκδοτικό Οίκο
Garland ήταν
ανεκτί
μητη. Ο
Nigel Orme επεξεργάστηκε σε ηλεκτρονικό υπολογιστή τα πρωτότυ πα σχέδια του συγγραφέα Keith Roberts με φαντασία και επιδεξιότητα. Η Emma Hunt ήταν υπεύθυνη για τη μορφοποίηση του βιβλίου και επέβλεψε την έκδοσή του. Η Elizabeth Zayatz και η Eleanor Lawrence έλεγξαν την τε λική μορφή κάθε κεφαλαίου. Οι Adam Sendroff και Jane Mackarell συγκέ ντρωσαν τις γνώμες και υποδείξεις πολ/ών διδασκόντων. Η Denise Schanck, Αντιπρόεδρος του Εκδοτικού Οίκου Garland, ενορΧήστρωσε όλες αυτές τις δραστηριότητες με ευγένεια αλ/ά και αποφασιστικότητα. Τέλος, ίσως το ση μαντικότερο, είμαστε ευγνώμονες στις οικογένειες και στους συναδέλφους μας για την υποστήριξη και την υπομονή τους.
Πρόλογοs του Καθηγητή Φώτη Καφάτου
Το να μεταφράΖεις κλασικό επιστημονικό βιβλίο δημιουργικά είναι μεγάλη συνεισφορά στην καλ/ιέργεια της επιστήμης στη χώρα μας και στον ελ/ηνικό λό γο. Το βιβλίο και η μετάφραση τούτη αποτελούν παράδειγμα.
Όraν ο Alberts και οι συνεργάτες του έγραψαν την
«MOPlQKrJ BJoiΊoyfa του Κυτ
τάρου», το σύΥΥραμμα αποτέλεσε ορόσημο στη διεθνή επιστημονική βιβλιογραφία.
Εξέφρασε με πρωτόγνωρο τρόπο, αλ/ά επίσης καλ/ιέργησε μιαν ευρεία και ταΧύτα τα αναmυσσόμενη περιοχή στην καρδιά της σύγχρονης Βιολογίας. Για πρώτη φορά παρουσιάστηκαν η Βιολογική Χημεία, η Μοριακή Βιολογία και η Κυπαρική Βιολο γία όχι σαν ανεξάρτητες εξειδικεύσεις αλ/ά σαν αλ/ηλένδετες προσπελάσεις της ί διας πραγματικότητας: της λειτουργίας της Ζωής από το μοριακό μέΧρι και το κυπα
ρικό επίπεδο. Αυτό το βιβλίο υπήρξε για πολ/ούς νέους βιολόγους (και όχι μόνο αυ τούς) ο μίτος της Αριάδνης, που τους επέφεψε να γνωρίσουν σ' όλη της την πολυ πλοκότητα και σ' όλο της το βάθος τη μοριακή Ζωή των κυπάρων . Το βιβλίο αυτό ή
ταν τόσο σημαντικό που θεώρησα καλό να το χρησιμοποιήσω σαν σύΥΥραμμα για τους πρωτοετείς φοιτητές του Χάρβαρντ, που τότε δίδασκα. Εκεί όμως αποδείχθηκε δύσκολο. Το βάθος της πληροφορίας του λειτουργεί εις βάρος της κατανόησής του από όσους ακόμα δεν έχουν αποκτήσει καλές βάσεις. Το κενό του εισαγωγικού βιβλίου ήρθε να καλύψει, το
1998, το
βιβλίο «Βασι
κές ΑρΧές ΚυπαρικΩς ΒlΟiΊογfας: ΕισαγωγΩ στΩ ΜοριοκΩ BlOiΊoyfQ του Κυττά
ρου», γραμμένο από τους ίδιους συΥΥραφείς. Πέτυχε το σκοπό του γιατί έστρεψε τους προβολείς του από τη λεπτομέρεια στη γενική αρχή αλ/ά και γιατί διατήρησε τα άλ/α χαρακτηριστικά του προκατόχου του βιβλίου: τη συνθετική προσπέλαση των επιστημών, την έμφαση στη λογική των έμβιων συστημάτων που μετατρέπει την πληροφορία σε κατανόηση και τη Ζωντάνια της σχεδόν προφορικής γλώσ
σας. Η Ελ/ηνική έκδοση διατηρεί ακέραια αυτά τα χαρακτηριστικά, κάνοντας το
βιβλίο πραγματικά προσιτό αλλά, ταυτόχρονα, και ανατρεπτικό των καθιερωμέ νων. Το βιβλίο προσφέρει ουσιαστική παιδεία. ΑνοΧύρωτο από πομπώδεις εκ φράσεις, είναι σαφώς ακατάλ/ηλο για αποστήθιση. Σε προκαλεί να το παλέψεις,
να το καταλάβεις και να το επαναεκφράσεις στον εαυτό σου. Σ' αυτό είναι πολύ τιμα τα εύγλωπά του σχήματα και εικόνες που συνοδεύονται από ουσιαστικές ε πεξηγήσεις των βασικών μηχανισμών, οι πίνακες που οργανώνουν τη γνώση και
οι ερωτήσεις που δεν Ζητούν αναμασημένο κείμενο, αλ/ά λύσεις προβλημάτων.
Πράγμα που είναι εφικτό μόνο αν έχεις αφομοιώσει τις έwοιες. Και τότε ανακα λύπτεις πραγματικά τον κόσμο της Ζωής, μια εμπειρία τόσο συγκλονιστική όσο και όταν καταλάβεις πώς YEwIouvroι τ' άστρα ή οι πυρήνες των ατόμων.
Το κύπαρο ανακαλύφθηκε τον πίων. Τον
19o αιώνα,
1γ αιώνα, την εποχή
των πρώτων μικροσκο
η κυπαρική θεωρία το κατανόησε σαν τη βασική λειτουργι
κή μονάδα της Ζωής και της αναπαραγωγής της. Η θεωρία αυτή απετέλεσε τη δεύτερη μεγάλη γενίκευση της Βιολογίας, μετά τη θεωρία της εξέλιξης μέσω της 0ύ
φυσικής επιλογής. Στα μέσα του 20 αιώνα, όταν αναπτύΧθηκε η κλασική μορια κή βιολογία, φάνηκε προσωρινά πως το κύπαρο εκτοπίστηκε από το προσκήνιο.
Σ' αυτή την περίοδο, η προσοχή στράφηκε στο τί είναι γονίδιο, τί γενετικός κώδι-
Χί
κας, πώς γίνεται η ροή των πληροφοριών από το γονίδιο-DΝΑ σης λειτουργικές πρωτεΊ'νες, πώς ρυθμίζεται η έκφραση του γονιδίου. Με άλλα λόγια, η επανάστα ση της σύγχρονης Βιολογίας ξεκίνησε από την κατανόηση των μακρομορίων και
της αναπαραγωγής τους, από την κατανόηση των βασικών συστατικών του κυπά ρου και όΧΙ του ίδιο του κυπάρου. Όταν όμως τη δεκαετία του
τεχνολογία του ανασυνδυασμένου
DNA, η Μοριακή
'70 αναπτύΧθηκε η
Βιολογία μπόρεσε να περά
σει από τα απλούστερα έμβια συστήματα (τους ιούς και τα βακτήρια) στους πολύ πιο σύνθετους ευκαρυώτες. Ήρθε τότε αντιμέτωπη με την πολυπλοκότητα του ευ καρυωτικού κυπάρου, δηλαδή τη μονάδα της λειτουργίας και αναπαραγωγής
των ανώτερων πολυκύπαρων οργανισμών. Έτσι αναδύθηκε η Μοριακή Κυπαρι κή Βιολογία. Μια συνθετική επιστήμη που επεκτείνεται από τη βάση της Μορια
κής Βιολογίας μέχρι την κατανόηση των υπερμοριακών δομών του κυπάρου, του ίδιου του κυπάρου, της λειτουργίας του και του ρόλο του στην ανάπτυξη του πο λυκύπαρου οργανισμού. Και μέσα σε 1Ο χρόνια ήρθε το βιβλίο «Μοριακή ΒιοΛο γία του Κυπάρου» να την παρουσιάσει σαν οργανωμένη επιστήμη. Μέσα σε
20
χρόνια, ήρθε το παρόν δεύτερο βιβλίο, οι «Βασικές Αρχές Κυπαρικής ΒιοΛογίας» να την εισαγάγει στους φοιτητές που ξεκινούν τη μελέτη των Επιστημών της Ζω ής, της Βιολογίας και των εφαρμογών της στην Ιατρική, τη Φαρμακευτική, τη Γε
ωπονία, τη Βιοτεχνολογία. Αλλά όχι μόνο στους νέους φοιτητές. Ο νέος αιώνας θα είναι η εποχή της Βιολογίας. Η γνώση της θα αποτελέσει α νάγκη του πολιτισμού μας. Θα χρειαστούμε σαν μέλη της σύγχρονης εποΧής να
κατανοήσουμε και να χεΙΡιζόμαστε τις έwοιές της. Θα χρειαστούμε βιβλία Βιολο γίας που ακόμα δεν γράφηκαν, βιβλία εύγλωπα και προσιτά στο ευρύτερο κοινό. Βήμα προς αυτή την κατεύθυνση είναι βιβλία κατανοητά από τους μη ειδικούς ε πιστήμονες. Και εδώ βλέπω ένα δεύτερο ρόλο για τις «Βασικές Αρχές Κυπαρικής ΒιοΛογίας». Θα φανεί πολύ χρήσιμο βιβλίο για όσους έχουν επιστημονική παι δεία και περιέργεια ή επαΥΥελματική ανάγκη να καταλάβουν τις εξελίξεις στη Βιο λογία, όπως γιατροί, καθηγητές, βιολόγοι άλλων ειδικοτήτων. Ο πρόλογος στην πρώτη έκδοση του συΥΥράμματος αρμόΖει και στη δεύτερη, που φυσικά είναι ενημερωμένη και εκσυγχρονισμένη. Απαιτεί όμως ειδική ανα φορά στη Χριστίνα Ζιούδρου, που πρωτεργάστησε στην αρχική έκδοση και δεν έ Ζησε να μετάσχει στη δεύτερη. Η Χριστίνα υπήρξε μορφή των θετικών επιστημών αλλά και της ευρύτερης διανόησης στη χώρα μας. Ξεκινώντας με δασκάλους τον
Λεωνίδα Ζέρβα και τον
Joseph Frutton, πήρε
καθηγητική θέση στο
Yale και μετά
υπήρξε ιδρυτικό και συνεΧές στέλεχος του Δημοκρίτου, θερμοκοιτίδας της έρευ νας και της μεταπτυχιακής εκπαίδευσης κατά τις πρώτες δεκαετίες της μεταπολε
μικής Ελλάδας. Αργότερα πέρασε στην Πανεπιστημια~ή Εκπαίδευση, ως Καθη γήτρια Βιοχημείας στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου Κρήτης, και επέστρε
ψε στο Δημόκριτο μετά τη συνταξιοδότησή της. Αλλά αν και η παρουσία της στην πανεπιστημιακή έδρα ήταν σύντομη, η προσφορά της στην παιδεία ήταν βαθειά
και μακρόχρονη. Παιδαγώγησε διαδοχικές γενιές νέων με τις γνώσεις, το ήθος και το πάθος της. Απαιτούσε πολλά, όπως έδινε πολλά
-
σε φίλους, σε μεταπτυ
χιακούς φοιτητές και σε νέους επιστήμονες που καθοδηγούσε. Προς τη γνήσια ε πιστήμη, χωρίς έπαρση ή δόγματα, είτε συμβιβασμούς. Πάντα επιστήμη ρέουσα,
με γνώμονα της ανανεούμενη αλλά και ανατρεπτική αλήθεια, και γι' αυτό συναρ
παστική. Αυτό το επιστημονικό πνεύμα αναγνώρισε στο βιβλίο τούτο, και γι' αυτό το μετέφρασε - δώρο κι αυτό στους νέους.
Φωmς Κ. Καφάτος ΚαθηΥητής ΑνοσΟΥενωμlκής Πανεηιστήμιο Κρήτης και
Imperial College, London
xii
Πρόλογος του Καθηγητή Φώτη Καφάτου
Πρόλογοs του Καθηγητή Κώστα Κριμπά
Στα τέλη του 190υ αιώνα, το 1896, δημοσιεύεται το βιβλίο «The Cell ίη Development and Inheritance» του διασήμου αμερικανού εμβρυο/\όγου και κυτταρο/\όγου Edmund Beecher Wilson. Στο βιβλίο αυτό ο Ε.Β. Wilson συ νοψίΖει όλες τις μέΧρι τότε γνώσεις για το κύτταρο (η κυτταρολογία άρχισε στις αρχές του 190υ αιώνα), πραγματοποιεί μια ολοκληρωμένη σύνθεση και
τέμνει μεταξύ αντικρουόμενων απόψεων και θεωριών. Γι' αυτόν τον λόγο θε ωρήθηκε ως η Βίβλος της κυτταρολογίας. Ο
Wilson δεν
ήταν τυχαίος κυττα
ρο/\όγος: αυτός και οι μαθητές του αντελήφθησαν την λειτουργία των φυλε τικών χρωμοσωμάτων, ο μαθητής του
το
1902,
W.S. Sutton είναι εκείνος που πρώτος,
προτείνει την υπόθεση ότι τα γονίδια εδράΖονται στα χρωμοσώμα
τα, ο ίδιος ο
Wilson είναι πρόεδρος του Τμήματος Ζωολογίας στο Πανεπι Columbia της Νέας γόρκης, στο οποίον ο νεώτερος συνάδελφός του, ο Thomas Hunt Morgan και η ομάδα του αποκαλύπτουν τον μηχανισμό της κληρονομικότητας δουλεύοντας με δροσόφιλες. Το 1900 το βιβλίο του WiIson πραγματοποιεί την δεύτερη έκδοσή του. Η τρίτη και τελευταία έκδοση εμφανίΖεται το 1925 με λίγο αλ/αγμένο τίτλο, «The Cell ίη Development and Heredity». Για χρόνια υπήρξε το βασικό βιβλίο κυτταρολογίας, κυκλοφόρησε στήμιο
στην αΥΥλική του έκδοση και στην Ελ/άδα. Εκατό περίπου χρόνια μετά έρχεται το βιβλίο των
Bruce Alberts, Dennis Bray, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Robers & James Watson «Molecular Biology of the Cell», ένα έργο που θυμίζει πολύ το βιβλίο του Wilson. Όπως και εκείνο αποτελεί μια σύνοψη των γνώσεών μας για το κύτταρο στο μορια κό όμως επίπεδο, γνώσεων που κατά δραματικό τρόπο αυξήθηκαν, ούτως ώστε να καθίσταται πια δυνατή μια αφήγηση σε αυτό το επίπεδο. Όπως και
το βιβλίο του
1983, την
Wilson
δεύτερη το
πραγματοποιεί και αυτό τρεις εκδόσεις, την πρώτη το
1989, την τρίτη το 1994.
Στην πρώτη έκδοση οι συγ
γραφείς αναφέρονται στον πνευματικό τους πρόγονο, τον
Wilson,
παραθέ
τοντας απόσπασμα από το έργο του.
Μεταξύ των δύο αυτών βιβλίων υπάρχει ένα διάστημα εκατό περίπου ε τών, στο οποίο μπορούμε να εντοπίσουμε τα πρωταρχικά στάδια της σύνθε σης της «Μοριακής Βιολογίας του Κυττάρου»: πρώτα στις σημειώσεις του
S.E. Luria «36 Lectures ίη Biology» του 1975, κατόπιν στο βιβλίο του James D. Watson «Molecular Biology of the Gene». Αυτό το έργο [με τρεις εκδόσεις το 1965,1970, και 1976] αντικαθίσταται από βιβλίο με τον ίδιο τίτλο με πέντε συΥΥραφείς. Είναι ο προπομπός της «Μοριακής Βιολογίας του Κυττάρου». Οι ομοιότητες αυτού του τελευταίου έργου, της «Μοριακής Βιολογίας του Κυττάρου», με το έργο του
Wilson φθάνουν
όμως ως εδώ: αντί ενός συΥΥρα
φέως, του έργου επιλαμβάνεται ομάδα συΥΥραφέων, οι τομείς που εξετάΖΟ νται είναι πολύ περισσότεροι, η μορφολογική περιγραφή αντικαθίσταται από
Χίίί
την πειραματική και βιοχημική αντιμετώπιση. Το ανά χείρας βιβλίο
«Essential Cell Biology: An /ntroduction to the Molecular Biology οΙ the Cell» των Α!
berts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts και Wa!ter (έκδοση 1998) υπό τον Ελληνικό τίτλο «Βασικές ΑρΧές [Ως Κιπraρικnς ΒlΟΛογιας: Εισαγωγn στΩ
MOPlOKn ΒlΟΛογια
roυ Κυπάρου» (έκδοση
1999) είναι μια σύνοψη για το ευ
ρύτερο κοινό της έκδοσης της «Μοριακής Βιολογίας του Κυπάρου». Σύνοψη μεν, αλλά με ένα νέο κείμενο γραμμένο για τις ανάγκες της επι κοινωνίας με ένα ευρύτερο κοινό, που στοχεύει στην ενημέρωσή του και στη
μετάδοση της γνώσης μιας σύνθετης επιστήμης. Η κατανόηση προϋποθέτει τεχνικές γνώσεις που ένα ευπαίδευτο κοινό δεν έχει κατ' ανάγκην. Οι συγ γραφείς είναι άξιοι συγχαρητηρίων, διότι κατάφεραν με τις ελάχιστες δυνα τές προϋποθέσεις να δώσουν με γλαφυρό τρόπο τις απαραίτητες γνώσεις για
τον νέο άνθρωπο που θέλει να συμμετέχει και πρέπει να θέλει να συμμετά σχει στην επιστημονική πρόοδο, που καθημερινά αλ/άΖει την Ζωή μας και την κατανόηση του κόσμου γύρω μας. Στα πολύ τρυφερά νεανικά μου χρό
νια, για να παραφράσω τον Πετράρχη, όλοι οι φιλόδοξοι και πνευματικά α νήσυχοι νέοι θέλαν να σπουδάσουν θεωρητική φυσική, ατομική φυσική, πυ ρηνική φυσική, κλπ. Ήταν η εποΧή, μετά τη χρήση των ατομικών βομβών,
που φανερωνόταν στο μεγάλο κοινό η επαναστατική αλλαγή στις γνώσεις και στην κατανόηση της δομής της ύλης και της ενέργειας. Σήμερα η κατά
σταση έχει μεταβληθεί. Είναι οι δεκαετίες της βιολογίας. Από το
πρόταση της δομής του ΟΝΑ από τους J.
1953 με την Watson και F. Crick, εισήλθαμε σε
μιαν άλ/η εποΧή, σε μια εποχή κατά την οποίαν καταλαβαίνομε το φαινόμε νο της Ζωής στο έσχατο επίπεδο, το μοριακό. Δεν νοείται μορφωμένος άν θρωπος να αγνοεί τί έχει συμβεί και τί σήμερα συμβαίνει σε αυτόν τον τομέα.
Το
«Essentia! Bio!ogy: Εισαγωγή στη Μοριακή Βιολογία του Κυπάρου» των A!berts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts & Wa1ter αποτελεί απαραίτητο εισαγωγικό κείμενο, αλλά με πληρότητα παρουσίασης, πολύτιμο βοήθημα
γι' αυτόν τον σκοπό. Το κείμενο συνοδεύεται από σχήματα και εικόνες που το καθιστούν ευανάγνωστο και Ζωντανό. Τελειώνοντας θέλω να προσθέσω λίγα λόγια επαίνου για την μετάφρα ση. Η μετάφραση είναι αρίστη, σε όντως «καλά» ελ/ηνικά. Οι τεχνικοί όροι
έχουν μεταφραστεί με τον καλύτερο δυνατό τρόπο (διατηρώ ελάχιστες επι φυλάξεις). Πρέπει εδώ να σημειωθεί ότι και σε αυτΘν τον τομέα οι Έλ/ηνες επιστήμονες δεν ομονοούν, πολ/ές φορές ανάλογα με την ειδικότητά τους και το κοινό που απευθύνονται χρησιμοποιούν άλ/η εκδοχή για τον ίδιο ό ρο. Είναι εμφανής η προσοχή και ο κόπος πόυ κατέβαλε η συνάδελφος κα
θηγήτρια Χριστίνα Ζιούδρου στην άρτια απόδοση του έργου στα ελ/ηνικά. Σκέφτομαι ότι αν μια κακή τύχη επέτρεπε την στιγμιαία εξόντωση στη Χώρα
μας όλων όσοι είναι άνω των πενήντα ετών, η ελ/ηνική γλώσσα με τις λεπτές αποχρώσεις της, τις κομψές και πολ/απλές εκφραστικές της δυνατότητες θα είχε χαθεί! Εύχομαι το έργο τούτο να αποτελέσει επίσης και την απαρχή ο
μοιογενοποίησης της επιστημονικής ορολογίας στη γλώσσα μας.
Kώσrας Κριμπάς Ακαδημαϊκός, Ομόημος Καθηγητής της Ιστορίας και Φιλοσοφίας
της Βιολογίας στο Πανεπιστήμιο Αθηνών
Χίv
Πρόλογος του Καθηγητή Κώστα Κριμπά
ΠρόλΟΥΟS ιου ΚαθnΥnιή Νικόλαου Aνάγvoυ
Η επιστήμη δεν μπορεί και δεν πρέπει να είναι μια άσκηση του νου
- πό
σο μάλ/ον μια επιστήμη όπως η Βιολογία, που βρίσκει τόσο γρήγορα πρα κτικές εφαρμογές στην κοινωνία μας.
Ο μικρόκοσμος του κυπάρου, με ένα μαγικά φυσικό τρόπο, προεκτείνε ται πλέον στην καθημερινότητά μας και την αλ/άΖει: από την υποβοηθούμε
νη αναπαραγωγή ως τις σύγχρονες προβλέψεις των γενετιστών για τα κλη ρονομικά νοσήματα και το αμφιλεγόμενο Ζήτημα της κλωνοποίησης και των σχεδιασμών της γονιδιακής θεραπείας, η επιστήμη της Βιολογίας εγείρει Ζητήματα και οφείλει να παρέχει νέα γνώση, βαθύτερη κατανόηση και ρηξι
κέλευθες λύσεις. Οι μεταβολές στη προπτυχιακή εκπαίδευση στη Βιολογία, ακολούθησαν την εντυπωσιακή ταχύτατη συσσώρευση των βιολογικών πληροφοριών με την ανάπτυξη ενός ευρύτατου πλαισίου διδακτικών τεχνικών και την υιοθέτη ση της αντίληψης για άμεση και ενεργό συμμετοχή των φοιτητών στο θεωρη
τικό και στο πρακτικό σκέλος της εκπαίδευσης, σε σημείο που το εύρος των μεταβολών, να θεωρείται εξίσου σημαντικό με εκείνο των εξελίξεων στην νέα Βιολογία. Η υλοποίηση όλων αυτών των καινοτομιών στην εκπαίδευση δεν θα ήταν εφικτή, εάν δεν είχαν δημιουργηθεί παράλληλα πρωτοβουλίες από φωτισμένους επιστήμονες-δασκάλους για τη συν/ραφή πραγματικά εκ παιδευτικών πηγών με ένα εντελώς καινούριο πνεύμα. Η τεράστια παγκόσμια επιτυχία της πρώτης έκδοσης του βιβλίου
Cell Biology: Αη Introduction to the Molecular Biology of the Cell,
Essential
βασίστηκε
στις καινοτόμες παιδαγωγικές προσεν/ίσεις στη σύγχρονη διδασκαλία της Βιο λογίας, με κύριο χαρακτηριστικό τη συνθετική και διεπιστημονική προσέν/ιση
σε βασικά ερωτήματα της Ζωής, παρουσιασμένα με ένα συναρπαστικό τρόπο. Η συγγραφική ομάδα, με επικεφαλής τον Καθηγητή
Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Σαν Φρανσίσκο
Bruce Alberts του (UCSF) και μέχρι πρό
σφατα Πρόεδρο της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών των ΗΠΑ, όλοι διεθνώς
καταξιωμένοι επιστήμονες για την έρευνά τους, τη διδασκαλία τους, τη συγ γραφική τους δεινότητα και την ηγετική τους θέση στην επιστημονική εκπαί δευση, διατηρώντας μια Ζωντανή επαφή με τους αναγνώστες, τους φοιτητές και τους κριτικούς της Πρώτης έκδοσης και λαμβάνοντας υπ' όψιν τα σχόλιά τους, διατήρησαν το επιτυχημένο προφίλ της Πρώτης έκδοσης και προχώ
ρησαν στη Δεύτερη αναθεωρημένη έκδοση, αναΖητώντας νέους επιπρόσθε τους τρόπους για την συστηματικότερη μετάδοση της βιολογικής γνώσης αλ λά και την ομαλή ενσωμάτωση της νέας γνώσης που δημιουργήθηκε, υιοθε
τώντας ένα μοναδικό τρόπο, που τη συνδέει με την προηγούμενη γνώση. Στα νέα στοιχεία της Δεύτερης έκδοσης κυριαρχούν τα νέα κεφάλαια με έμφαση στην σύγχρονη Μοριακή Γενετική και Γονιδιωματική, καθώς και τα
χν
ένθετα τμήματα που ονόμασαν How We Κnow, δηλαδή 10 πώς φθάσαμεσων τρέχουσαΥνώση, με μια ΙΟίορικήΑναδρομήπου περιγράφειμε αφηγημαηκό
τρόπο, πως επιτελείται η πειραμαηκή επιοιήμη, με κλασσικά και σύγχρονα πειράματα και αποτελεί εξαίρε1Ο υπόδειγματης γεφύρωσηςτων Υνώσεων α πό τη μια γενιά Οίην άλλη, με οιαθερό πάντα Υνώμονατη συνθεηκή σκέψη. Η Δεύτερη έκδοση αντανακλά ένα βήμα παραπέρα, καθώς ενσωμοτώνει όλες ης νέες εξελίξεις Οίην επιοιήμη της Βιολογίας, αντικρύΖει με τόλμη ης προκλήσεις1Ου μέλ/οντος και υπενθυμίΖειτην ΙΟίορική πορεία της προβλη μαπκής καίριων Ζητημάτωντης εΠΙΟίήμης μας. Υπάρχει, άραγε, καλύτερος τρόπος να διδαχθούνοι νέοι εΠΙΟίήμονεςόχι μόνο τα εΠΙΟίημονικάδεδομέ να, αλ/ά και την διαλεκπκή που θα προσδιορίΖειπάντα 10 εΠΙΟίημονικό έρ γο και την ηθική 1Ους;
Η ενθουσιώδηςαποδοχήτης μεταφρασμένηςΠρώτης έκδοσης από 1Ους
σπουδαΟίέςτων βιολογικών και ιατρικών εΠΙΟίημών, αλ/ά και η Ζωντανή προσωπική μου εμπειρία τα τελευταία πέντε χρόνια με 1Ους φοιτητές μας της Ιατρικής Σχολής 1Ου ΠανεΠΙΟίημίουΑθηνών και 1Ους υπόλοιπους αναΥνώ Οίες, μας γεμίΖουν ηθική ικανοποίησηγια την εκπαιδευπκήμας επιλογή και
μας επιτρέπουννα δούμε πιο αισιόδοξα αλ/ά συγχρόνως και απαιτηπκά 10 θαυμαΟίό πεδίο της νέας Βιολογίας και εκείνο της συνεχούς βελτίωσηςτης
Ζωντανής διδασκαλίαςτης. Μια τέ1Οια δυναμική διδασκαλίαείναι σίγουρο ό π θα δημιουργήσειμια νέα γενιά ολοκληρωμένωνανθρώπων-εΠΙΟίημόνων και θα βοηθήσει οίΟ χτίσιμο ενός ασφαλέΟίερουκόσμου με τη συνένωσή τους σε πιο ορθολογΙΟίικούςσχημαπσμούς, βασισμένους Οίην επιοιήμη, χωρίς ψήγματα δογμαπσμού. Το έργο αυτό, καταξιωμένο οίΟ ελ/ηνικό αναγνωΟίικό κοινό ήδη από την Πρώτη 1Ου έκδοση, είχε τα ηχοχρώματαμιας μεγάλης εΠΙΟίήμονοςη ο
ποία δεν βρίσκεται πλέον ανάμεσά μας, της Χριοιίνας Ζιούδρου, Οίη μνήμη της οποίας με πολ/ή συγκίνηση αφιερώνουμετην παρούσα έκδοση σαν ε λάχιΟίΟ φόρο πμής για την συνεισφοράτης Οίην επιοιήμη και Οίην εκπαί
δευση Οίη Χώρα μας. Βέβαια, όλα αυτά θα ήταν χωρίς αντικείμενοαν τόσο οι συγγραφείς, όσο οι μεταφραοιέςκαι οι επιμελητέςτης ελ/ηνικής έκδοσης, 1Ους οποίους ευ χαΡΙΟίώ θερμότατα, δεν είχαν καταθέσει οίΟ έργο αυτό όλη 1Ους την εΠΙΟίη μονική αρπότητα και 10 μεράκι 1Ους χαρίΖοντας στην ελ/ηνική εΠΙΟίημονική
κοινότητα ένα σύγχρονο, διδακπκό και γλωσσικά άρπο ανάΥνωσμα. Τον ί
διο ενθουσιασμόκαι εξαίρετη επαΥΥελμαπκήσυνέπεια έδειξαν και Οίη Δεύ τερη έκδοση όλοι οι συντελεοιέςτων Ιατρικών ΕκδόσεωνΠΧ. Πασχαλίδης, 1Ους οποίους ιδιαίτερα ευχαριοιώ.
Τέλος, οι συντελεΟίέςτης έκδοσης, θέλουμε να παρακαλέσουμεθερμά 1Ους φίλους αναΥνώΟίεςκαι φοιτητές, να μας ενημερώσουνΟίην ηλεκτρονι
κή διεύθυνση (
[email protected]) για τυΧόν λάθη που θα εντο πίσουν, ώοιε να διορθωθούν Οίη επόμενη έκδοση.
Νικόλαος Π. ΑνάΥνου Καθηγητής Βιολογίας
Ιατρικής Σχολής Πανεπισrημίoυ Αθηνών
xvί
Πρόλογος του Καθηγητή Νικόλαου Aνάγvoυ
Πρόλογοs
rns
Χριστίναs Ζιουδρου στην
1η Έκδοση
Η αξιοσημείωτη ανάπωξη των βιολογικών επιαημών τα τελευταία είκοσι χρόνια ε πέφεψε την κατανόηση εις βάθος πολ/ών σημαντικών θεμάτων της βιολογίας του κυτ τάρoυ. Αναμφίβολα η πρόοδος αυτή επιβάλει όχι μόνο την διαφορετική προσέΥΥιση των ερευνητικών προβλημάτων, αλλά και την αλλαγή του τρόπου διδασκαλίας των μα θημάτων της κυτταρικής και μοριακής βιολογίας.
Οι συΥΥραφείς του βιβλίου
''Essential CelI Biology: Αη lntroduction ίη the Molec-
ular Biology οΕ the CelI" αον πρόλογό
τους αναφέρουν ότι οι λόγοι που τους ώθη
σαν αη συΥΥραφή αυτού του βιβλίου ήταν η αναγνώριση ότι οι γνώσεις της κυπαρι κής και μοριακής βιολογίας έχουν αυξηθεί υπερβολικά ώαε υπερβαίνουν τις δυνα τότητες των φοιτητών της βιολογίας και ιατρικής να αφομοιώσουν και να συγκρατή
σουν την τρέχουσα πληροφορία, χωρίς ένα στέρεο υπόβαθρο των βασικών εν/οιών της βιολογίας του κυπάρου.
Ο σκοπός αυτού του βιβλίου είναι να δώσει αους φοιτητές των βιολογικών επι αημών και της ιατρικής μια περιληmική, σύντομη αλλά ακριβή και εις βάθος παρου σίαση των βασικών εν/οιών της βιολογίας του κυπάρου, που να περιλαμβάνει όμως και μια γεύση των πιο πρόσφατων σχετικών επιαημονικών ευρημάτων ώαε να κε ντρίζεται η περιέργεια και το ενδιαφέρον των φοιτητών. Το Βιβλίο παρέχει τις βάσεις για την κατανόηση αο μοριακό επίπεδο, πως λειτουργεί το κύπαρο, πως χρησιμο
ποιεί και παράγει ενέργεια, πως διατηρεί τη δομή του, πως αναγνωρίζει και επεξερ γάΖεται μηνύματα, πως αναmύσσεται και μεγαλώνει, πως προαατεύεται από εισβο λείς και πως πεθαίνει. Το περιεχόμενο του Βιβλίου μπορεί να χωρισθεί σε τέσσερις ενότητες. Στα πρώτα πέvrε κεφάλωα παρουσιάΖοvrω:
-
Τα ευκαρυωτικά κύπαρα κω τα οργαvίδιά τους, οι ομοιότητες κω ποικιλότητες τωv ευκαρυωτικώv κω 6ακτηριακώv κυπάρωv, καθώς κω οι πρότυποι οργαvισμοί που χρησιμοποιούvrω για
-
rnv έρευvα
6ιοΛογικώv πρ06Λημάτωv κω εφαρμογώv.
Τα μόρια τωv κυπάρωv, αμιvοξέα, vουκί'1εϊvικά οξέα, ίΊιπίδια κί'1π. καθώς κω οι τύποι τωv δεσμώv με τους οποίους aί'1ί'1ηΛοσυvδέοvrω τα μακρομόρια.
- Πώς τα κύπαρα χρησιμοποιούv εvέργεια,
η οξείδωση κω αvαγωγn τωv μορίωv,
οι 6ασικές έvvοιες της εVΖυμικnς κατάλυσης, η απεΛευθέρωση εΛεύθερης εvέρ γειας κω ο καθορισμός της κατεύθυvσης τωv χημικώv αvrιδράσεωv καθώς κω τα εvεργοποιημέvα μόρια φορείς που συμμετέχουv σε 6ιοσυvθέσεις.
-
Πώς τα κύπαρα αποκτούv εvέργεια από
rnv αποδόμηση
σαΚΧάρωv κω Λιπιδίωv,
πως ρυθμίΖετω κω οργαvώvετω ο μετα60Λισμός κω υπό ποια μορφιΊ αποθηκεύ
ovrol οι τροφές. Στο πέμmο Κεφάλωο αvαmύσσεrω Λεmομερώς η δομιΊ και η ποικιί'10μορφία τωv στερεοδομώv τωv πρωτεϊvώv, τα χαρακτηριστικά δομικά μοτί6α τους, ο ρόΛος τους ως
εvδοκυπάρια και εξωκυπάρια δομικά στοιχεία, ως έVΖυμα, ως αvrισώματα, καθώς και οι τρόποι με τους οποίους διασυvδέοvrαι με άΜα πρωτεϊvικά και μικρά μόρια. Επι nί'1έοv, δίvεται έμφαση στις ποικωες μεrα6oί'1ές διαμόρφωσης που υφίσταvrαι τα έVΖυ μα κατά τη Λειτουργία τους καθώς και οι πρωτειvες που εμπί'1έκοvrαι σε μεrακιvnσεις όπως οι κιvητnριες πρωτειvες και οι πρωτεϊvικές μηχαvές που προωθούvrαι από
rnv
υδρόΛυση τριφωσφορικώv vουκί'1εοτιδίωv. Στα ειδικά παραρτιΊματα του Kεφaί'1αίOυ napoualΆZovrGl οι μέθοδοι αvάλυσης και προσδιορισμού της δομιΊς τωv πρωτεϊvώv. Η δεύτερη εvότητα περιί'1αμ6άvει τα ΚεφάΛαια
-
Τη δομιΊ και ιδιότητες του
DNA,
6 έως 10 που πραγματεύοvrαι: DNA, τις αΛ-
τov μηχαvισμό της αvrιγραφnς του
χνίί
i\αγές που υφίσrαται το
DNA από μεταλ/άξεις
και άλ/ες αιτίες, καθώς και τους μπ
χαvισμούς τπς επιδιόρθωσής του.
- Tnv μεταγραφή
του
DNA σε RNA, rnv συρραφn
του
RNA σε mRNA, τov pnXGVIRNA σrnv πρoέi\ευσn τπς
σμό σύvθεσnς τωv πρωτεϊvώv, καθώς και τov ρόi\ο του Ζωής ως μόρlΟ πi\προφορίας και έVΖυμο.
-
Τπ δομή τωv ευκαρυωτικώv χρωμοσωμάτωv, τις διάφορες φάσεις συσκευασίας του
DNA σrα χρωμοσώματα,
καθώς και τπ ρύθμισπ και τov έi\εγχο τπς έκφρασπς
τωv γοvιδίωv.
-
Τπ γεvετική ΠΟ1κιi\ότπτα τωv Βακτnρίωv,
rnv προέi\ευσπ
και τις ππγές τωv γεvετι
κώv αλ/αγώv του γοvιδιώματος τωv ευκαρυωτικώv κυπάρωv, καθώς και τπ φυΛε
τική αvαπαραγωγή και
-
rnv αvακατάταξn τωv γοvιδίωv κατά τπ μείωσπ. DNA: Περιγράφονται περιi\nmικά ΟΙ μέθοδΟ1 αvάi\υσnς τπς αΛ i\πi\ουχίας του DNA, ο υΒριδισμός τωv vουκi'\εϊvικώv οξέωv, μέθοδΟ1 κi'\ωvοποίn σnς του DNA, n δπμlΟυργία ΒιΒi\ιωθnvώv DNA, n αi\υσιδωτn αντIoρασn τπς ποi\υ Τεχvοi\ογία του
μεράσπς, μέθοδΟ1 γεvετικής μnχαvικής, μεταλ/αγμέvOl OpyaVIσpOf, δIaγοvιδια κά Ζώα με αvασυvδυασμέvα γοvίδIa καθώς και
n δυvατότnτα παραγωγής σπά
vιωv πρωτεϊvώv.
Η τρίτπ εvότnτα περιi'\αμΒάvει τα Kεφάi'\αια
11 έως 16 όπου περιγράφεται n δο
μή και Λειτουργία τωv υπόi\Ο1πωv κυπαρικώv σrΟ1χείωv:
-
Η δομή τπς i\ιπιδικής διπi\oσr01Bάδας τωv κυπαρικώv μεμΒραvώv και ΟΙ μεμΒρα
-
ΗΛειτουργία τωv μεμΒραvώv και n δIaπερατότπτά τους σε ιόντα και άΜα μόρια με
vικές πρωτείvες που εvσωματώvοvrαι
n δIaπερvούv τπ μεμΒράvn.
εvεργό και παθπτική μεταφορά, ΟΙ διάφορΟ1 τύΠOlιοvrικώv διαύi\ωv και ο τρόπος
που εΜγχονται,
n δπμlΟυργία του δυvαμικού τπς μεμΒράvnς,
καθώς επίσπς και
n
i\ειτουργία τωv ιοvrικώv διαύi\ωv τωv vευρικώv κυπάρωv και ο ρόΛος τους σrπ σπ ματoδότπσn.
- Περιγράφεται i\εmομερώς n δομn και n i\ειτουργία τωv μιτοχοvδρίωv και n παρα γωγή εvέργειας κατά rnv οξειδωτική φωσφορυΝωσπ, n δομή τωv xi'\ωροπΛασrώv και n παραγωγn εvέργειας κατά τπ φωτοσύvθεσn, καθώς και n πρoέΛευσn τωv μι τοχοvδρίωv και xi'\ωροπi\ασrώv.
-
Τα εvδοκυπάρια οργαvίδIa που περιΒάλ/ονται από μεμΒράvες, ΟΙ
pnxaVIapo!
διαi\ογnς και μεταφοράς τωv πρωτεϊvώv μεταξύ τωv οργαvιδίωv, καθώς και ΟΙ διεργασίες του εΜγχου, τπς έκκρισπς τωv πρωτεϊvώv και ΟΙ pnXGVIσpOf εvδοκυτ τάρωσπς.
-
Η κυπαρική σπματοδότπσπ,
συvδέοvrαι με G-πρωτείvες
n KvuapIKn εΠΙΚΟ1vωvία μέσω υποδοχέωv που δια n με έVΖυμα και ΟΙ pnxavIσpo!μεταΒίΒασπς τωv σπ
μάτωv μέσα σro κύπαρο.
-
Τα συσrαΤΙKά του κυπαροσκεΛετού, τα εvδιάμεσα ιvίδια, ΟΙ μικροσωΛnvίσκοι και τα vnμάτια τπς ακτίvnς,
n διάταξπ και n Λειτουργία τους, καθώς και ΟΙ πρωτεϊνες με
τις οποίες διασυvδέοvrαι για τπ διεκπεραίωσπ μιας συγκεκριμέvnς i\ειτουργίας, ό πως n μυϊκή συσroi1ιi.
Τέi\ος τα τρία τεi\ευταία Κεφάi\αια
17 έως 19 που αποτεi\ούv rnv τέταρτπ
εvότn
τα αvαφέροvrαι:
- Irnv KvuapIKn διαίρεσn,
τις φάσεις του κυπαρικού Kύκi'\Oυ, τπ μίτωσπ,
rnv κυπα
POKfVnσn και τπ μείωσπ, σrα συσrήματα εi\έγχου του κυπαρικού Kύκi'\Oυ, σrov έ i\εγχο του αριθμού τωv κυπάρωv τωv ποi\υκύπαρωv οργαvισμώv και σroυς πε ριορισμούς τπς δIaίρεσπς τωv κυπάρωv, καθώς και σrov μnχαvισμό του προ γραμματισμέvου κυπαρικού θαvάτου.
-
Στα είδπ τωv ισrώv, σro εξωκυπάρlΟ σrρώμα και τπ σύσrασή του, σrα επιθπi\ιακά φύλ/α και σroυς κυπαρικούς συvδέσμους μεταξύ κυπάρωv, σroυς μnχάvισμούς αvαvέωσnς τωv διαφορετικώv ισrώv και σrnv απορύθμισή τους από τov KaPKfVO.
χνίίί
Πρόλογος της Χριστίνας Ζιούδρου στην 1η Έκδοση
Τέλος αναφέρετω η ανάmυξη των σπονδυλωτών όπου συμμετέχουν συγκεκριμέ να γονίδια, καθώς κω σηματοδοτικές πληροφορίες από γειτονικά κύπαρα που δημιουργούν KuuaplKn "pvnpn" για τη διαφοροποίησητων κυπάρωνκω ότι πα
ρόμοια γονίδια χρησιμOΠOΙOύVΤωσε όλο το Ζωικό 8ασιΩειο για την τοποθέτηση κω διαφοροποίησητων κυπάρωνκατά την ανάmυξη. Ένα κύριο χαρακτηρισηκότου Bιβλfoυ αυτού είναι όη το κύπαρο δεν αvτιμετωπίzε ται, όπως ooνηθΊZεται, ως έμβια μονάδα που περικλείεταιαπό μεμβράνη, η οποία περιέ χει ένα Tεράσno αριθμό μακρομορίωνκαι μικρών μορίων που ooγKΡOύOVΤαιΤυχαία κα θώς διαxέovταιγια να παράγουνκυπαρικά πρoϊόvτα. Σε όλη την έκταση του βιβλfoυ, το
κύπαρο ως zωvτανή μονάδα χαρακτηρίζεταιαπό πειθαρχημένηεσωτερική αΡXlίεΚΤOνι κή δομή, όπου σχεδόν κάθε KUΠαρική διεργασία μέσα ΟίΟ κύπαρο διεκπεραιώνεταια πό ooγKΡOTήμαίQπρωτεϊνών που περιέχουν πολ/ά διαφορετικά πρωτεϊνικά μόρια, ης πρωτεϊνικέςμηχανές. Καθώς λειτoυργOύνίQπρωτεϊνικά αυτά ooγKΡOTήμαίQ,ένα ή πε
ρισσότεραπρωτεϊνικάμεί'Ίn που ooγKΡOΤOύντη μηχανή υφίOίαvταιαλ/αγές διαμόρφω σης, ω οποίες πρoωθoύvταιαπό την υδρόλυσηίΡιφωσφορικώννουκλεοηδίωνκυρίως ΑΤΡ ή
GTP. Επειδή
ω διεργασίες αυτές εκλύουν ελεύθερη ενέργεια οι αvτιδράσεις
προχωρούν προς μια κατεύθυνση και προσδίδουν ΟίΟ κύπαρο δομική τάξη και λει τουργική ΠΙOίόTηίQ. Συγχρόνως πολ/ές πρωτεϊνικές μηχανές αλ/πλεπιδρούν με άλ/α πρωτεϊVΙKά ooγKΡOTήμαTα και έιοι 'Ίο κύπαρο μπορεί να θεωρηθεί' σαν ένα μικροσκο πικό εργΟΟίάOlο που περιέχει ένα περπεχνο δίκτυο διαπλεκόμενων "αλυOlοων ooναρ μολόγησης" που η καθεμία τους αΠOTεΓιείίQΙ από μια ομάδα ooνεργαzόμενων πρωTεϊvι κών μηχανών" (Albeτts ϊVΙKά ooγKΡOTήμαίQ
Cell92:291-294, 1998). Στο Bιβλfo αναφέρovται πολ/ά πρωτε όπως, η αvτιγραφική μηχανή του DNA, το σύΟίημα της μυϊκής 00-
Οίολής, η αποδόμησητων πρωτεϊνώνKGίά τον κυπαρικόκύκλο από ίQ πρωτεοσωμάηα, ίQ πρωτεϊνικά ooμπλέyμαίQKGίά Τη ρύθμιση Των γονιδίων, την πρωτεϊνοσύνθεση,τη ooρραφήτου ΗΝΑ και ίQ πρωτεϊνικάooOίήμαίQμεταφοράςκαι άλ/α. Ένα άλ/ο χαρακτηΡΙΟίικόίΟυ Βιβλίου είναι ίQ ένθείQ παραΡTήμαίQσε πολ/ά κε
φάλαια, ίQ οποία προσφέρουνπεριληmική και απεικονΙΟίικήπληροφορίαόχι μόνο σε χημικούςτύπους και ΣXήμGία αλλά σύvτoμες περιγραφέςμεταβολικώνοδών και αναλυηκώνμεθόδων, μεθόδων απομόνωσης και προσδιορισμούτης δομής των πρωτεϊνών, ενώ οι τεχνολογίεςίΟυ αναooνδυασμένoυΟΝΑ, Της κλωνοποίησηςκαι άλλες περιλαμβάνovταιΟίΟ Κεφάλαιο 10 και προσφέρουν μια εύληmη KαίQνόηση της τεχνολογίας ίΟυ ΟΝΑ.
Πολύ σημαVΤΙKό για Τη μελέΤη και αφομοίωση Της ύλης που περιέχεται ΟίΟ Βι βλίο είναι ω πολ/ές ερωτήσεις με ης απαvτήσεις ίΟυς ΟίΟ τέλος ίΟυ Βιβλίου, που
βοηθούν ίΟν φOlίΠίή να εμπεδώσει ης γνώσεις ίΟυ και να αναπτύξει Την κριηκή ίΟυ σκέψη.
Η ραγδαία πρόοδος της Μοριακής Βιολογίας που οδήγησε Οίη σημερινή εποχή Της τεχνολογίας ίΟυ αναooνδυαzόμενoυ ΟΝΑ και Της κλωνοποίησης, πιθανόν δημι ούργησε την αΠGίπλή εvτύπωση όη η ερευνηηκή προσέΥΥιση βιολογικών και βιοϊα ίΡικών προβλημάτων είναι πολύ εύκολη και προσιτή. EvτoύίOις, η KαίQνόηση εις βά
θος και η πειΡαμαηκή προσέΥΥιση οιουδήποτε θέματος ή ερωτήματος Της μοριακής και κυπαρικής βιολογίας απαιτεί Τη γνώση και χρήση Των βασικών αρχών Της χημεί
ας και Της φυσικής. Εξάλ/ου η ορθολογική KαίQνόηση Της Ζωής ίΟυ κυπάρου είναι εφικτή μόνο όίQν εKφράZείQΙ με Τη διεθνή γλώσσα της χημείας και Της φυσικής, η γλώσσα που προσπαθεί να ερμηνεύσει από πού ερχόμαΟίε, ποιοί είμαΟίε, πού πάμε
και πώς θα μπορέσουμε να φθάσουμε εκεί που πάμε. Οι πρωίΟετείς και δευτεροετείς φOlίηTές, ω οποίω Οίην επερχόμενη χιλιετία θα επιλέξουν να ασχοληθούν σοβαρά με ης βιολογικές εΠΙΟίήμες και την ιαίΡική, θα Ζήσουν και θα δουλέψουν σε μια εποχή μετά την ολοκλήρωση της αλ/ηλουχίας του
ανθρώπινου γονιδιώματος και Των γονιδιωμάΤων πολ/ών άλλων οργανισμών. Πι-
Πρόλογος της Χριστίνας Ζιούδρου στην 1η Έκδοση
χίχ
θανότοτα οι μελ/οντικές ανακαλύψεις και πρόοδοι σrη μοριακή και κυπαρική βιο λογία θα προέλθουν από την προσπάθεια διερεύνησης και κατανόησης εις βάθος καίριων προβλημάτων όπως η εμβρυϊκή ανάπτυξη και κυπαρική διαφοροποίηση, το γήρας, ο προγραμματισμένος κυπαρικός θάνοτος, η κυπαρική επικοινωνία, η λειτουργία του εγκεφάλου, της μνήμης, της συμπεριφοράς, η μελέτη και αντιμετώ πιση ασθενειών yνωσrής και άyνωσrης αιτιολογίας και πολ/ών άλλων κυπαρικών
διεργασιών. Οι προσεΥΥίσεις αυτές εκτός από τις πληροφορίες που θα παρέχει η α νάΥνωση του ανθρώπινου γονιδιώματος και η φυσιολογία, προϋποθέτουν ένα γερό υπόβαθρο Υνώσεων της χημείας, της θερμοδυναμικής, της κινητικής και τη δυνατό
τητα χρησιμοποίησης νεότερων και πιο εξελιγμένων φυσικών μεθόδων και τεχνο λογιών για διερεύνηση σro κυπαρικό, μοριακό και υπομοριακό επίπεδο. Στο σrάδιo αυτό της εκπαίδευσής τους, το Βιβλίο αυτό παρέχει σroυς φοιτητές έ
να εύκολα αφομοιώσιμο υπόβαθρο των απαραίτητων χημικών και φυσικών Υνώσε ων για την κατανόηση της βιολογίας του κυπάρου σro μοριακό επίπεδο.
Για την απόδοση σrα Ελ/ηνικά της πρώτης Έκδοσης με τίτλο "ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡ
ΧΕΣ rnς ΒΙΟΛΟΠΑΣ του ΚΥΤΤΑΡΟΥ: ΕΙΣΑΓΩΓΉ σrn ΜΟΡΙΑΚΉ ΒΙΟΛΟΠΑ του ΚΥΠΑΡΟΥ" φροντίσαμε όσο το δυνατό να διατηρήσουμε το ύφος της γραφής των συΥΥραφέων. Με απoσrρoφή προς τον πομπώδη επισrημoνΙKό λόγο προσπαθήσα
με να μεταφράσουμε τα κείμενα με την ελευθερία του Ζωντανού προφορικού λό γου, ελπίΖοντας να διατηρήσουμε Ζωηρό το ενδιαφέρον του αναγνώσrη φοιτητή. Παρόλα αυτά δεν μπορέσαμε να αποφύγουμε καθιερωμένες εκφράσεις. Στη μετάφραση των επισrημoνΙKών όρων διατηρήσαμε την καθιερωμένη Ελ/η
νική ορολογία και συμβουλευθήκαμε έμπειρους συναδέλφους σrα ποικίλα θέματα του βιβλίου: τον Αργύρη Eυσrρατιάδη Καθηγητή Γενετικής και Αναπτυξιακής Βιο
λογίας του Πανεπισrημίoυ Columbia, τον ΕυάΥΥελο Κανελ/άκη Ομότιμο Καθηγητή του Πανεπισrημίoυ
Yale, τον Kώσrα
Κριμπά Καθηγητή της lσroρίας και Φιλοσοφίας
της Βιολογίας, Τμήμα Μεθοδολογίας, lσroρίας και θεωρίας της Eπισrήμης του Πα νεπισrημίoυ Αθηνών, τον Μιχάλη Κοπιδάκη Καθηγητή της Κλασικής Φιλολογίας
Τμήμα Μεθοδολογίας, lσroρίας και θεωρίας της Eπισrήμης του Πανεπισrημίoυ Αθηνών, τον ΑΖαρία Καραμανλίδη Καθηγητή Ανατομικής και lσroλoγίας, Τμήμα
Κτηνιατρικής του Aρισroτελείoυ Πανεπισrημίoυ θεσσαλονίκης, την Ρένα Λεκανί δου Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Μοριακής Βιολογίας του Πανεπισrημίoυ Αθηνών και την Σόνια Τσιτίλου Επίκουρη Καθηγήτρια Μοριακής Βιολογίας του Πανεπισrη μίου Αθηνών, τον Ηλία Αγγελόπουλο Λέκτωρα Ψυχιατρικής, Τμήμα Ιατρικής του
Πανεπισrημίoυ Αθηνών, τους οποίους και ευxαρισroύμε θερμά. Στους μη καθιε ρωμένους επισrημOνΙKOύς όρους καθώς και περιφρασrΙKές ορολογίες, προς απο φυγή παρεξηγήσεων παραθέτουμε την αΥΥλική έκφρόση ή όρο σε παρένθεση. Στη γραφή των αριθμών διατηρήσαμε το σύσrημα που είναι καθιερωμένο σ' ό
λα τα ξενόγλωσσα επισrημOνΙKά περιοδικά και βιβλία, βάΖοντας τελεία
καδικούς αριθμούς και κόμμα
(,)
(.)
σroυς δε
σrις χιλιάδες και εκατομμύρια.
θα θέλαμε να ευxαρισrήσoυμε την Κα Ελένη Γεωργάτσου, η οποία με καρτερικό τητα και υπομονή δακτυλογράφησε και σε?υ.δοποίησε τα κείμενα και κυρίως για τις ε
πανειλημμένες διορθώσεις των κειμένων. Επίσης θέλουμε να ευxαρισrήσoυμε τους κ.κ. Περικl\ή Πασχαλίδη και τους γιούς του Xρήσro και Γιώργο Πασχαλίδη για τη βοή θεια που μας παρείχαν σrη διάρκεια της μετάφρασης και έκδοσης αυτού του Βιβλίου. Αναμφίβολα η πρώτη έκδοση της ελ/ηνικής μετάφρασης του Βιβλίου περιέχει ορθογραφικές αβλεψίες και πιθανόν άλ/α λάθη για τα οποία Ζητούμε τη συμπάθεια και την ανοχή των αναyνωσrών. Μετά το Ευρετήριο σro τέλος του Βιβλίου έχει προ
σrεθεί ένας κοτάλογος Διορθώσεων και θα παρακαλούσαμε τους xρήσrες και ανα yνώσrες αυτού του Βιβλίου να τον λάβουν υπόψη τους.
Χριστίνα Ζιούδρουt
χχ
Πρόλογος της Χριστίνας Ζιούδρου στην 1η Έκδοση
Πρόλογοs του Μεταφραστή
Η απόδοση οια Ελ/ηνικά ως 2
ης
Έκδοσης του βιβλίου «ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡ
ΧΕΣ ΚΥΠΑΡΙΚΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΜΟΡΙΑΚΗ ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΚΥΠΑΡΟΥ» κινήθηκε οιο πλαίσιο που είχε θέσει η αείμνηοιη Χριοιί
να Ζιούδρου κατά την προετοιμασία της φέρει οιον Πρόλογό της
1ης έκδοσης. Όπως εύγλωπα ανα οιην 1η Έκδοση: «... προσπαθήσαμε να μεταφρά
σουμε τα κείμενα με την ελευθερία του Ζωντανού προφορικού λόγου, ελπί Ζοντας να διατηρήσουμε Ζωντανό το ενδιαφέρον του αναΥνώοιη
... ». Αυτό
ε
πιχειρήσαμε να πετύχουμε και οιη 2 Έκδοση, παρά τις δυσκολίες που συ
η
ναντήσαμε από την απo~σία της Χριοιίνας. Σω μετάφραση των επιοιημονικών όρων διατηρήσαμε την καθιερωμένη Ελ/ηνική ορολογία και συχνά ανατρέξαμε οιο «Ερμηνευτικό Λεξικό Κυπα ρικής και Μοριακής Βιολογίας» των Ιατρικών Εκδόσεων ΠΧ Πασχαλίδης.
Για λήμματα σχετικά πρόσφατα, τα οποία πολ/ές φορές αποτελούν ΑΥΥλι κούς νεολογισμούς αμφίβολης γλωσσικής ποιότητας, αφού συμβουλευθή
καμε έμπειρους συναδέλφους, καταλήξαμε σε περιφραοιική απόδοση, ενώ κάποιες φορές εγκαταλείψαμε οποιαδήποτε απόπειρα μετάφρασης (π.χ.
prions).
Στη γραφή των αριθμών διατηρήσαμε το σύοιημα που είναι καθιε
ρωμένο σε όλα τα ξενόγλωσσα βιβλία, βάΖοντας τελεία
(.)
οιους δεκαδικούς
αριθμούς και κόμμα{,) οιις Χιλιάδες και οια εκατομμύρια. Αναμφίβολα το βι βλίο περιέχει ορθογραφικές αβλεψίες και πιθανόν άλλα λάθη για τα οποία Ζητάμε την ανοχή και συμπάθεια των αναΥνωοιών. Επιθυμούμε να ευχαριοιήσουμε ιδιαίτερα την Κα. Ελένη Γεωργάτσου, η ο
ποία δακτυλογράφησε και σελιδοποίησε εξαιρετικά τα κείμενα. Η εμπειρία και ο επαΥΥελματισμός της Κας. Γεωργάτσου υπήρξαν καθοριοιικής σημασίας για την έκδοση του βιβλίου. Επίσης, ευχαριοιούμε την Κα. Μαρία Ντε Κολ για τη συνεργασία και την αποτελεσματικότητά της οιην προετοιμασία ως έκδοσης.
Τέλος, εκφράζουμε θερμές ευχαριοιίες οιους κ.κ. Περικί\ή, Χρήοιο και Γιώρ γο Πασχαλίδη για ω βοήθεια που μας παρείχαν κατά ω διάρκεια της μετά φρασης και έκδοσης του βιβλίου. Είναι πάντα ευχάριοιο να συνεργάζεσαι με
καλούς επαΥΥελματίες που επίσης, το κυριότερο, είναι και καλοί φίλοι Η μετάφραση της 2
ης
ΑΥΥλικής έκδοσης του βιβλίου θα ήταν αδύναω χω
ρίς ων εμπειρία που απέκτησα δουλεύοντας μαΖί με την Χριοιίνα Ζιούδρου. Η Χριοιίνα σκεφτόταν, μιλούσε και έγραφε Ζωντανά, σύγχρονα και εμπνευ σμένα. Της οφείλω πολ/ά, κυρίως όμως την ευχαριοιώ για την εμπιοιοσύνη
που μου έδειξε αλλά και για το γεγονός ότι με έκανε να ξανανιώσω εμπιοιο σύνη οιους θεσμούς της διδασκαλίας και της έρευνας.
Κώστας Σταματ6πουλος
ΧΧί
ΣυνΟΠIlκά Περιεχόμενα και Ειδικά Παραρτήματα
ΤΟΜΟΣΙ Κεφάλαιο
Εισαγωγή στα Κύπαρα
1
Παράρτημα Παράρτημα
1-1 1-2
IσroΡΙKή Αναδρομή
Κεφάλαιο
2
Φωτονικό και ηλεκτρονικό μικροσκόπιο Οι κοινοί μηχανισμοί της Ζωής
8 31 38
Χημική Σύσταση των Κυπάρων
47
Κύπαρα: Τα κύρια XαρακτηρισrΙKά των Ζωικών, φυτικών και βακτηριακών κυπάρων
IσroΡΙKή Αναδρομή
Τι είναι τα μακρομόρια;
Παράρτημα
Χημικοί δεσμοί και ομάδες
Παράρτημα
Παράρτημα Παράρτημα Παράρτημα Παράρτημα Παράρτημα
2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7
1
74 82 84 86 88 90 92
Οι χημικές ιδιότητες του νερού Επισκόπηση μερικών ειδών σακχάρων
Λιπαρά οξέα και άλ/α λιπίδια Τα
20 αμινοξέα των πρωτεϊνών
Επισκόπηση των νoυκiΊεoτιδίων Τα κύρια είδη ασθενών μη ομοιοπολικών δεσμών που εξασφαλίζουν τη συνοχή των μακρομορίων
Κεφάλαιο
3
Παράρτημα
3-1
ΙσroΡΙKή Αναδρομή
94
Ενέργεια, Κατάλυση και Βιοσύνθεση
99
Ελεύθερη ενέργεια και βιολογικές αντιδράσεις
116
Αξιοποίηση δεδομένων κινητικής ενΖύμων για τη μελέτη και τροποποίηση
μεταβολικών οδών
Κεφάλαιο
Δομή και Λειτουργία των Πρωτεϊνών
4
Παράρτημα
124
4-1
143
Λίγα παραδείγματα μερικών λειτουργιών που εκτελούν οι πρωτεΊνες
ΙσroΡΙKή Αναδρομή
Μελέτη της πρωτεϊνικής δομής
Παράρτημα
Τέσσερις διαφορετικοί τύποι απεικόνισης μιας μικρής πρωτεΊνης
Παράρτημα Παράρτημα Παράρτημα
Παράρτημα
Κεφάλαιο
4-2 4-3 4-4 4-5 4-6
5
ΙσroΡΙKή Αναδρομή
Κεφάλαιο
6
ΙσroΡΙKή Αναδρομή
Κεφάλαιο
7
Λύση και κiΊασματoπoίηση κυπάρων Διαχωρισμός πρωτεϊνών με χρωματογραφία Διαχωρισμός πρωτεϊνών με ηλεκτροφόρηση
Αντισώματα
ΟΝΑ και Χρωμοσώματα Τα γονίδια αποτελούνται από
201 DNA
Avτιγραφή, Επιδιόρθωση και Ανασυνδυασμός του
Κεφάλαιο
8
ΙσroΡΙKή Αναδρομή
Κεφάλαιο
9
ΙσroΡΙKή Αναδρομή
205
DNA
Αφετηρίες αντιγραφής
233 237
Από ΊΟ ΟΝΑ στις Πρωτε'ί'νες: Πώς ΔιαβάΖουν τα Κύπαρα
το Γονιδίωμα ΙσroΡΙKή Αναδρομή
144 155 158 192 194 195 196
275
Πώς «έσπασε» ο γενετικός κώδικας
Τα Χρωμοσώματα και η Ρύθμιση των Γονιδίων Ρύθμιση γονιδίων - Η ισroρία του
eve
Εξέλιξη των Γονιδίων και των Γονιδιωμάτων Απογραφή γονιδίων
295
323 343
357 384
χχίίί
Κεφάλαιο
10
Ιστορική Αναδρομή
Κεφάλαιο
11
Ιστορική Αναδρομή
Κεφάλαιο
12
Ιστορική Αναδρομή
Η Τεχνολογία του ΟΝΑ
395
Ανάλυση της αλ/ηλουχίας του ανθρώπινου γονιδιώματος
Δομή των Μεμβρανών
449
Μέτρηση της Μεμβρανικής Ροής
13
Παράρωμα
13-1
473
Μεμβρανlκή Μεταφορά
479
Το καλαμάρι αποκαλύπτει τα μυστικά ως μεμβρανικής διεγερσιμόωτας
ΤΟΜΟΣ Κεφάλαιο
10 βημάτων ως γλυκόλυσης
Ιστορική Αναδρομή
Η ανακάλυψη του κύκλου του κιτρικού οξέος
Παράρωμα
Ο πλήρης κύκλος του κιτρικού οξέος
Κεφάλαιο
13-2
14
Παραγωγή ΕνέργεlOς στα ΜιτοχόνδρlO και στους ΧΛωροπλάστες
Ιστορική Αναδρομή
Πώς η χημειωσμωτική σύΖευξη προωθεί ω σύνθεση του ΑΤΡ
Παράρωμα
Οξειδοαναγωγικά δυναμικά
Κεφάλαιο
14-1
15
Ιστορική Αναδρομή
Κεφάλαιο
16
Ιστορική Αναδρομή
Κεφάλαιο
17
Ιστορική Αναδρομή
Κεφάλαιο 18 Ιστορική Αναδρομή
Κεφάλαιο 19 Παράρωμα
19-1
Ιστορική Αναδρομή
Κεφάλαιο 20
Ενδοκυπάρια Διαμερίσματα και Μεταφορά Παρακολούθηση της μετακίνησης πρωτεϊνών και κυστιδίων
Κυπαρική Επικοινωνία Ξεδιαλύνοντας τις σηματοδοτικές οδούς του κυπάρου
Κυπαροσκελετός ΑναΖητώντας κινητήριες πρωτεινες
Έλεγχος του Κυπαρικού Κύκλου και Κυπαρικός Θάνατος Ανακάλυψη των κυκλινών και των Cd κινασών
Κυπαρική Διαίρεση Τα κύρια στάδια της φάσης Μ σ' ένα Ζωικό κύπαρο Συναρμολόγηση ως μιτωτικής ατράκτου
Γενεηκή, Μείωση και η Μοριακή Βάση της Κληρονομικότητας
Ιστορική Αναδρομή
Ερμηνεία των χαρτών ως γενετικής σύνδεσης
Παράρτημα 20-1
Βασικές αρχές της κλασικής γενετικής
Κεφάλαιο 21 Παράρτημα
21-1
Ιστορική Αναδρομή
χχίν
Ιστοί και Καρκίνος Οι κυπαρικοί τύποι και οι ιστοί από τους οποίους δομούνται τα ανώτερα φυτά Κατανόηση των γονιδίων με κρίσιμο ρόλο στην καρκινογένεση
Συνοπτικά περιεχόμενα και Ειδικά Παραρτήματα
512
11
Τα Κύπαρα Αποκτούν ΕνέργεlO από ης Τροφές Λεπτομερής παρουσίαση των
409
527 532 542 546
559 568 581
615 644
661 696
711 728
759 768
793 800 804
819 848 851
867 872 913
Περιεχόμενα
ΤΟΜΟΣΙ Κεφάλαιο
1
Εισαγωγή στα Κύπαρα
1
Ομοιότηω και ποικιί\ότηω των κυπάρων
2
Τα κύπαρα εμφανίζουν μεγάλη ΠOΙKιi\ότηω ως
Οι χλωροπλάστες παγιδεύουν ενέργεια από το ηλιακό φως ..21 Οι εσωτερικές μεμβράνες δημιουργούν ενδοκυπάρια
προς την εμφάνιση και τη λειτουργία τους Όλα IG zωvτανά κύπαρα έχουν παρόμοια βασική χημεία
διαμερίσμαω με διαφορετικές λειτουργίες
2 4
Το κυπαροδιάλυμα είναι ένα πυκνό υδατικό διάλυμα
5
Ο κυπαροσκελετός είναι υπεύθυνος για τις κινήσεις
μεγάλων και μικρών μορίων
Όλα IG σημερινά κύπαρα προφανώς εξελίΧθηκαν
από τον ίδιο πρόγονο Τα κύπαρα παρέχουν τις πληροφορίες για τη μορφή, τη
..6 7
Η εφεύρεση του φωτονικού μικροσκοπίου οδήγησε στην ανακάλυψη των κυπάρων
οργανίδια, ακόμα και μόρια Οι προκαρυώτες είναι η πιο ετερογενής ομάδα κυπάρων
Το κυπαρόπλασμα δεν είναι καθόλου στατικό Τα ευκαρυωτικά κύπαρα ίσως αναπτύχθηκαν ως άρπαγες Πρότυποι οργανισμοί
8
Με το μικροσκόπιο μπορεf να γίνουν ορατά κύπαρα, Το προκαρυωτικό κύπαρο
Οι μοριακοί βιοί\όγοι έχουν εΠΙKεvτρωθεί στο Ε.
Το ευκαρυωτικό κύπαρο Ο πυρήνας είναι η αποθήκη πληροφοριών του κυπάρου
coli
Η μαγιά της μπύρας είναι ένα απί\ό ευκαρυωτικό κύπαρο
9 15 17
Το
Arabidopsis έχει
επιλεγεί μέσα από
18 19 19
Η σύγκριση της αλληλουχίας του γονιδιώματος διαφορε
27 29 30 32 33 34
300,000 είδη
ως πρότυπο φυτό
35
Ο κόσμος των Ζώων αvτιπρoσωπεύεIαΙ από μια μύγα,
Ο κόσμος των προκαρυωτών διαιρείται σε δύο επικράτειες: IG ευβακτήρια και IG αρχαιοβακτήρια
26
του κυπάρου
λειτουργία και την περίπλοκη συμπεριφορά των κυπάρων Τα κύπαρα κάτω από το μικροσκόπιο
23
ένα σκουλήκι, έναν ΠOVΤΙKό και τον
Homo sapiens
35
τικών οργανισμών αποκα!\ύmει την κοινή καωγωγή
της Ζωής
40
Τα μιτοΧόνδρια παράγουν ενέργεια από τις τροφές για τις ανάγκες του κυπάρου
Κεφάλαιο
2
19
Χημική Σύσταση ιων Κυπάρων
Χημικοί δεσμοί Τα κύπαρα KατασKευάZOVΤαι από μικρό αριθμό ατόμων
48 48
Τα εξώΙαΙα ηλεκτρόνια καθορίζουν τις αλληλεπιδράσεις
μεωξύ των ατόμων
47 Τα σάκχαρα είναι πηγές ενέργειας για IG κύπαρα και δομικά στοιχεία για τους πολυσακχαρίτες μεμβρανών
50
IOVΤΙKOί δεσμοί σxηματίzovται με κέρδος και απώλεια ηλεκτρονίων
Τα αμινοξέα είναι IG δομικά στοιχεία των πρωτεϊνών
53
συνεισφορά ηλεκτρονίων Υπάρχουν τρία διαφορετικά είδη ομοιοπολικών δεσμών
Το νερό συγκρατείΙαΙ με δεσμούς υδρογόνου
και του ΗΝΑ
.55 .. .56 57 58
Τα μακρομόρια στα κύπαρα υπομονάδων
Τα μόρια των κυπάρων Ένα κύπαρο σχηματίΖεται από ενώσεις άνθρακα
73
Το ακριβές σχήμα ενός μακρομορίου καθορίΖεΙαΙ
από μη ομοιοπολικούς δεσμούς
60 61 62
69 72
Τα μακρομόρια περιέχουν μια ειδική αλ/ηλουΧία
Σε υδατικό περιβάλ/ον, ορισμένα ποικίλα μόρια
σχηματίζουν οξέα και βάσεις
65 68
Τα νουκλεοτίδια είναι IG δομικά στοιχεία του ΟΝΑ
Ομοιοπολικοί δεσμοί σxηματίzovται με κοινή Οι ομοιοπολικοί δεσμοί ποικίλλουν ως προς την ισχύ τους
63
Τα λιπαρά οξέα είναι συστατικά των κυπαρικών
76
Οι μη ομοιοπολικοί δεσμοί επιτρέπουν σ' ένα μακρομόριο
να συνδέεται με άλ/α επιi\εγμένα μόρΙα
77
Τα κύπαρα περιέχουν τέσσερις κύριες οικογένειες
μικρών οργανικών μορίων
Κεφάλαιο
3
62
Ενέργεια, Καιάλυση και Βιοσύνθεση
Κατάλυση και η χρησιμοποίηση ενέργειας από IG κύπαρα.. ΙΟ1 Η βιολογική τάξη επιτυγχάνεται με την έκλυση
θερμικής ενέργειας από IG κύπαρα
99
Οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί χρησιμοποιούν το ηλιακό φως για να συνθέσουν οργανικά μόρια
102
105
Τα κύπαρα αποκτούν ενέργεια από την οξείδωση
χχv
οργανικών μορίων
106
ηλεκιρονίων
Οι ημές ν max και ~ μετρούν την επίδοση των ενΖύμων
107
Ο σχημαησμός ενός ενεργοποιημένου φορέα είναι
συΖευΥμένος με μια ενεργειακά ευνοϊκή ανΙίδραση
Τα ένζυμα χαμηλώνουν τα «φράγματα» που παρεμπο-
δίΖουνης χημικές ανIlδράσεις
..109
ποιημένο μόριο-φορέας
112
για τη σύνδεση δύο μορίων
της ελεύθερης ενέργειας και την κατεύθυνση μιας
Το ΝΑΟΗ και το
Κεφάλαιο
4
aίΊίΊηλOυXία των αμινοξέων της
133
Η σύνθεση βιολογικών πολυμερών προϋποθέτει παροχή
ενέργειας
119
134
χαμηλότερη ενέργεια
Οι θέσεις σύνδεσης των ανΙισωμάτων εμφανίΖουν
145
Τα ένΖυμα είναι ισχυροί και πολύ ειδικοί KατaίΊύτες
δομική ευελιξία
148
Οι πρωτείνες αποκιούν επιπρόσθετες λειτουργίες όταν
150
Πώς ελέγχονΙαι οι πρωτείνες
συνδέονΙαι ισχυρά με μικρά μόρια
Η α-έλικα και το β-mυχωτό φύλ/ο είναι κοινά πρότυπα
πτύχωσης Έλικες ΣΧηματίΖΟνΙαι εύκολα στις βιολογικές δομές
πυρήνα πολ/ών πρωτεϊνών
μόνο λίγες είναι χρήσιμες
161 161
Οι πρωτε'ίνες συγκροτούνΙαι σε ινίδια, φύλ/α ή σφαίρες Μερικά είδη πρωτεϊνών έχουν επίμηκες, ινώδες σχήμα
163 164
με ομοιοπολικές διασυνδέσεις Οι πρωτε'ίνες συνδέΟνΙαι με άλ/α μόρια
5
165 167 168
φωσφορυλίωση των πρωτεϊνών
184 GTP επίσης
ρυθμίΖΟνΙαι με κύκλους προσθήκης/απώλειας μιας φωσφορικής ομάδας στα κύπαρα αξιοποιώνΙας την υδρόλυση νουκλεοηδίων
αλυσίδες νουκλεοηδίων
170 171 171
λειτουργούν σαν πρωτεϊνικές μηχανές
κληρονομικότητα Το ευκαρυωηκό ΟΝΑ συσκευάζεται σε χρωμοσώματα Τα χρωμοσώματα περιέχουν μακριές σειρές γονιδίων
203
λειτουργία των πρωτεϊνών αυξάνουν την ταΧύτητα των
αναKaίΊύψεων
190
" εσοφασικά χρωμοσώματα οργανώνΟνΙαl μέσα
στον πυρήνα Το ΟΝΑ των χρωμοσωμάτων είναι πολύ συμπυκνωμένο
203 .209 210 211 212
217 218
Τα νουκλεοσωμάηα είναι οι βασικές μονάδες της δομής της χρωματίνης
Τα χρωμοσώματα βρίσκονΙαι σε διαφορεηκές κατα-
στάσεις κατά τη διάρκεια της Ζωής ενός κυπάρου
189
201
Η δομή του ΟΝΑ διαθέτει έναν μηχανισμό για την
Η δομή των ευκαρυωηκών χρωμοσωμάτων
.186
Οι πρωτεΤνες συχνά σχηματίΖουν μεγάλα σύμπλοκα που
ΟΝΑ και ΧρωμοσώμαΊα
Η δομή και η λειτουργία του ΟΝΑ
185
Ευρείας κλίμακας μελέτες με ανΙΙ'5-είμενο τη δομή και τη
Ένα μόριο ΟΝΑ αποτελείται από δύο συμπληρωμαηκές
πφιεχόμενα
183
Οι κινητήριες πρωτείνες δημιουργούν μεγάλες μετακινήσεις
Οι εξωκυπάριες πρωτε'ίνες συχνά σταθεροποιούνΙαι
Ο τρόπος λειτουργίας των πρωτεϊνών
181
Αλ/αγή διαμόρφωσης μπορεί να προκληθεί με
Οι πρωτε'ίνες που συνδέΟνΙαι με το
Οι μεγάλες πρωτε'ίνες συχνά περιέχουν δύο ή και
περισσότερες πολυπεmιδικές αλυσίδες
σε ρύθμιση από άλ/α μόρια Τα αλ/οστερικά ένΖυμα έχουν δύο θέσεις σύνδεσης που αλ/ηλεπιδρούν
Από ης πολ/ές δυνατές πολυπεmιδικές διαμορφώσεις Οι πρωτείνες μπορεί να ταξινομηθούν σε οικογένειες
178 181
Η καταλυηκή δράση των ενΖύμων συχνά υπόκειται
153 153
β-Πτυχωτά φύλ/α σχηματίΖουν συμπαγείς δομές στον Επίπεδα οργάνωσης των πρωτεϊνών
173 174 176
Η λυσΟΖύμη δείχνει πώς λειτουργεί ένα ένΖυμο
Οι πρωτείνες εμφανίζουν μεγάλη ποικιλία περίπλοκων
στερεοδομών
143
145
Οι πρωτείνες mυΧώνΟVIαι στη διαμόρφωση με τη
ri
μόρια-φορείς
118
Το σχήμα μιας πρωτείνης καθορίζεται από την
α
131
Δομή και ΛεlΙουργία Ίων ΠρωΊεϊνών
Το σχήμα και η δομή των πρωτεϊνών
ΚεφάλOlο
129 σημανΙικοί φορείς
Στα κύπαρα υπάρχουν πολ/ά άλ/α ενεργοποιημένα
Η ταχεία διάχυση επιτρέπει στα ένΖυμα να βρίσκουν
τα υποστρώματά τους
NADPH είναι
ηλεκιρονίων
113
Η σταθερά ισορροπίας υποδηλώνει την ισχύ των
μοριακών aίΊίΊηλεπιδράσεων
128
Η ενέργεια που αποθηκεύεται στο ΑΤΡ συχνά αξιοποιείται
Η συγκέντρωση των ανΙιδρώνΙων επηρεάζει τη μεταβολή
ανΙίδρασης
127
Το ΑΤΡ είναι το ευρύτερα χρησιμοποιούμενο ενεργο-
Η μεταβολή ελεύθερης ενέργειας μιας ανΙίδρασης καθορίζει αν μπορεί να πραγματοποιηθεί
..122 123
Ενεργοποιημένα μόρια-φορείς και βιοσύνθεση
Η οξείδωση και η αναγωγή προϋποθέτουν μεταφορά
219
Τα χρωμοσώματα έχουν διάφορα επίπεδα συσκευασίας του
DNA
221
Τα μεσοφασlκά χρωμοσώματα περιέχουν συμπυκνωμένες
aίΊίΊά και πιο εκιενείς μορφές χρωματίνης
223
Αλ/αγές στη δομή των νουκλεοσωματίων επιτρέπουν
215
πρόσβαση στο
DNA
224
Κεφάλαιο
Ανηγραφή, Επιδιόρθωση και Ανασυνδυασμός του
6
Ανnγραφή του
DNA
234
Η ανnγραφή του ΟΝΑ διευκολύνεται από το Ζευγάρωμα των βάσεων
234
Η σταθερότητα των γονιδίων βασίΖεται στην επιδιόρθωση
235
Η υψηλή πιστότητα διατήρησης του ΟΝΑ σημαίνει ότι
Η σύνθεση του νέου ΟΝΑ πραγματοποιείται στις διΧάλες
αvτιγραφής Η ΟΝΑ πολυμεράση διορθώνει τα λάθη της
ως εκκινητές για τη
255
244
για να σχηματίσουν μια «αvτιγραφΙKή μηχανή»
Η αvτιγραφή του ΟΝΑ είναι σχετικά καλά κατανοητή
DNA.
Ο ομόλογος ανασυνδυασμός προκαλεί αvταλ/αγή
258
Ανασυνδυασμός μπορεί να συμβεί και μεταξύ μη ομόλογων αλ/ηλουχιών
DNA
260
Τα κινητά γενετικά στοιχεία κωδικοποιούν τα συστατικά
248 249 249
Δύο οικογένειες μεταθετών αλ/ηλουχιών αποτελούν ένα
250
Οι ρετροϊοί αναστρέφουν τη φυσιολογική ροή των
που απαιIOύVΤαι για τη μετακίνησή τους
Οι μεταλ/άξεις μπορεί να έχουν σοβαρές επιπτώσεις σ' έναν οργανισμό
257 257
DNA.
246
Η τελομεράση αvτιγράφει τα άκρα των ευκαρυωτικών
χρωμοσωμάτων
αλ/ηλουΧίες
Ανασυνδυασμός του
γενετικών πληροφοριών με ακρίβεια
Στη διχάλα αvτιγpαφής, διάφορες πρωτεΤνες συνεpγάzovται
Επιδιόρθωση του
DNA
251 253
συγγενικά είδη έχουν πρωτείνες με πολύ παρόμοιες
236 .241 242
Η διχάλα αvτιγpαφής είναι ασύμμετρη
σύνθεση του
«ανnγραφική μηχανή»
του
αvτιγραφής
RNA δρουν DNA.
233
Το ΟΝΑ υφίσταται συνεχώς βλάβες μέσα στα κύπαρα
Η σύνθεση του ΟΝΑ ξεκινά από σημεία έναρξης της
Βραχέα τμήματα
DNA
.261
μεγάλο κλάσμα του ανθρώπινου γονιδιώματος
ξεγεύγουν από τα κύπαρα
Ένα σύστημα επιδιόρθωσης των αταίριαστων βάσεων
262
Οι ιοί είναι κινητά γενετικά στοιχεία που μπορούν να
263
γενετικών πληροφοριών
264
του ΟΝΑ αφαιρεί τα λάθη που διαφεύγουν από την
Κεφάλαιο
Από το ΟΝΑ σης ΠρωτεΊνες: Πώς ΔιαβάΖουν 10 Κύπαρα 10 Γονιδίωμα
7
Από το ΟΝΑ στο
RNA.
Τμήματα ιου ΟΝΑ μεταγράφovται σε
276 277
RNA
Η μεταγραφή παράγει
RNA συμπληρωματικό ένα κλώνο του DNA. Στα κύπαρα παράγovται αρκετά είδη RNA
με τον
278 281
285 286
Τα ώριμα ευκαρυωτικά
RNA
mRNA εξάγovται
287
mRNA τελικά
290
το κύπαρο Από το
RNA στις πρωτεΤνες mRNA αποκωδικοποιείται
Μια αλ/ηλουΧία
Τριών νουκλεοτιδίων
Ειδικά κωδικόνια του
300 303
mRNA σηματοδοιούν
τη θέση
Οι πρωτεlνες παράγovται σε πολυριβοσωμάτια προκαρυώτες xρησιμoπoιoύvται ως αvτιβιoτιKά
ποσότητα κάθε πρωτεΤνης μέσα σ' ένα κύπαρο πολ/ά στάδια Το
απoδoμoύvται από
Τα αρΧέγονα κύπαρα ίσως είχαν ιvτρόνια στα γονίδιά τους
στα
.305 307 307 309
Ανάμεσα στο ΟΝΑ και τις πρωτεΤνες παρεμ6άλ/ovται
επιλεκτικά
από τον πυρήνα Τα μόρια του
RNA αποκωδικοποιείται
Ο έλεγχος της αποδόμησης των πρωτεϊνών ρυθμίΖει την
Τα ιvτpόνια απoμαKpύνovται με τη διεργασία της
αποκοπής και συρραφής του
Το μήνυμα του
299
Αναστολείς της πρωτεϊνοσύνθεσης στους
Τα ευκαρυωτικά γονίδια διαKόπτovται από μη
κωδικοποιητικές αλ/ηλουΧίες
κατάλ/ηλα αμινοξέα
έναρξης και το σημείο λήξης της πρωτεϊνοσύνθεσης
υφίσταvται
επεξεργασία στον πυρήνα
295 tRNA με τα
Το ριβοσωμάτιο είναι ένα ριβοένΖυμο
282 RNA των ευκαρυωτών
τα αμινοξέα στα
ριβοσωμάτια
από πού ν' αρΧίσει και πού να
τελειώσει Τα μόρια του
tRNA συvταιpιάzoυν mRNA
κωδικόνια του
Ειδικά ένΖυμα συνδέουν τα μόρια
Πάνω στο ΟΝΑ υπάρχουν σήματα που υποδεικνύουν στην
RNA πολυμεράση
Τα μόρια του
275
291 292 293
310 312 312
της Ζωής
Η αυτοκατάλυση είναι προϋπόθεση της Ζωής Το
RNA μπορεί ν'
αποθηκεύει πληροφορίες και να
καταλύει χημικές αντιδράσεις Το
ανά ομάδες
RNA και η προέλευση
RNA θεωρείται
DNA
313 315
Περιεχόμενα
ΧXVίί
ότι εξελίΧθηκε πριν από το
294
Κεφάλαιο
Τα Χρωμοσώματα και η ΡύθμΙση των Γονιδίων'
8
Μια σύνοψη της έκφρασης των γονιδίων
324
Τα διαφορετικά είδη κυπάρων ενός πολυκύπαρου οργανισμού περιέχουν το ίδιο
DNA
324
του υπό την επίδραση εξωγενών σημάτων
326
Οι μοριακοί μηχανισμοί που δημιουργούν
DNA
πρωτεϊνών
341
Η έκφραση διαφόρων γονιδίων μπορεί να συvrονισθεί
328
Ο συνδυαστικός έλεγχος δημιουργεί διάφορους
330
Σταθερά πρότυπα έκφρασης των γονιδίων μπορεί
333
Ο σχηματισμός ενός oίΊόκiΊηρoυ οργάνου μπορεί να
από μια πρωτε'ϊνη
342
κυπαρικούς τύπους
ενεργοποιητές τα ενεργοποιούν το οπερόνιο της λακτόΖης
348
πυροδοτηθεί από μια μόνη ρυθμιστική πρωτε'ϊνη
Η έναρξη της μεταγραφής των ευκαρυωτικών γονιδίων
είναι μια περίπλοκη διεργασία
346
να μεταβιβαστούν στα θυγατρικά κύπαρα
Ένας ενεργοποιητής και ένας καταστολέας ελέγχουν
333
γονιδίων
349
χρειάΖεται γενικούς
Εξέλιξη των Γονιδίων ΚΟΙ των Γονιδιωμάτων
9
Δημιουργία γενετικής ποικιίΊότητας
γενετικές αλ/αγές που προσφέρουν στον οργανισμό
359
Οι διαφορές ανάμεσα στις αλ/ηλουΧίες του γονιδιώματος
ένα πλεονέκτημα επιλογής
στην εξέλιξη
Αλ/αγές του γονιδιώματος προκαλούvrαι από αποτυΧία των μηχανισμών αvrιγραφής και συvrήρησης του
DNA δημιουργούν
συγγενικών γονιδίων μέσα στο ίδιο κύπαρο
365
376
ακόμα και οι πιο απομακρυσμένες εξελικτικές σχέσεις
Η γενετική ποικιλία του ανθρώπινου γονιδιώματος
368 .369 371
Η σύγκριση του
δείχνει πώς διατάσσοvrαι τα γονιδιά μας
380
συνεισφέρει στη μοναδικότητά μας
DNA μας με το DNA συγγενών
382 οργανισμών
συμβάλ/ει στην ερμηνεία του ανθρώπινου γονιδιώματος
Αύξηση κυπάρων σε τρυβλίο καλ/ιέργειας
...384
Το ανθρώπωο γονιδίωμα περιέχει πληθώρα πληροφοριών προς αποΚρυmογράφηση
.386
395 397
Η διατήρηση ευκαρυωτικών κυπάρων σε καλ/ιέργεια
398 .398
Τεχνικές ανάίΊυσης του
παρουσιάΖει ειδικές δυσκολίες
Απομόνωση ομοιογενών κυπαρικών πληθυσμών
από έναν ιστό
377 .379
367
Η Τεχνολογία του ΟΝΑ
Απομόνωση και καλ/ιέργεια κυπάρων
περιεχόμενα
αναλώσιμο
Η αλ/ηλουΧία νoυκiΊεoτιδίων του ανθρώπινου γονιδιώματος
Μεγαλύτερη πιθανότητα να διατηρηθούν έχουν οι
10
DNA" είναι
Εξέταση του ανθρώπινου γονιδιώματος
Η εξέλιξη των γονιδιωμάτων έχει επιταχυνθεί από
ΟΡιΖόvrια μεταφορά γονιδίων μεταξύ οργανισμών
375
366
Νέα γονίδια μπορεί επίσης να δημιουργηθούν με
Το γενεαίΊογικό δέvrρο της Ζωής
DNA
Η σύγκριση των γονιδιωμάτων υποδηλώνει ότι το
«άχρηστο
Νέα γονίδια μπορεί να δημιουργηθούν με επανάληψη
τη μετακίνηση μεταθετών στοιχείων
......374
Η διατήρηση της αλ/ηλουΧίας επιτρέπει ν' ανιχνευθούν
πλούσια πηγή γενετικής καινοτομίας για τους
ανακάτεμα εξονίων
χιμπαΤΖή έχουν παρόμοια οργάνωση και αλ/ηλουχία σαν νησίδες διατηρημένου
364
Οι διπλασιασμοί γονιδίων και η απόκiΊιση γονιδίων είναι
του ίδιου εξονίου
372
Αλ/ηλουΧίες με σημαvrική λειτουργία προβάλ/ουν
DNA
εξελισσόμενους οργανισμούς
κατά το οποίο εξελίΧθηκαν ανεξάρτητα
Το γονιδίωμα του ανθρώπου και το γονιδίωμα του
362
Η εξέλιξη της οικογένειας γονιδίων σφαιρίνη ς δείχνει στην εξέλιξη των οργανισμών
371
δύο ειδών είναι ανάλογες του χρονικού διαστήματος
DNA ...361
οικογένειες
πώς συνεισφέρουν οι διπλασιασμοί του
357
358
Πέvrε κύρια είδη γενετικών αλ/αγών συνεισφέρουν
xxvίίί
340
327 328
Οι καταστολείς αδρανοποιούν τα γονίδια, ενώ οι
ΚεφάλOlο
339
εξειδικευμένους τύπους κυπάρων
Η μεταγραφή ελέγχεται από πρωτε'ϊνες που προσδένοvrαι
Οι διπλασιασμοί του
σε νoυκiΊεoσωμάτια
Τα ευκαρυωτικά γονίδια ρυθμίΖοvrαι από συνδυασμούς
RNA προς τις πρωτε'ϊνες
ΚεφάλαlΟ
DNA του υποκινητή
μπορεί να επηρεάσει την έναρξη της μεταγραφής
DNA
Πώς λειτουργούν οι μοριακοί διακόπτες
RNA πολυμεράση
338
326
Η έκφραση των γονιδίων μπορεί να ρυθμιστεί σε πολ/ά
Η ευκαρυωτική
ελέγχουν την έκφραση των γονιδίων από κάποια
απόσταση
σύνολα πρωτεϊνών
σε ρυθμιστικές αλ/ηλουΧίες του
336
Η συσκευασία του
Ένα κύπαρο μπορεί ν' αλ/άξει την έκφραση των γονιδίων
μέσω του
μεταγραφικούς παράγοvrες Οι ρυθμιστικές πρωτεΙνες των ευκαρυωτικών γονιδίων
Διαφορετικά είδη κυπάρων παράγουν διαφορετικά
από τα βήματα κατά μήκος της οδού από το
323
DNA
Οι νoυκiΊεάσες περιορισμού κόβουν τα μόρια του
.400 400
DNA σε ειδικές
θέσεις
402
Εξειδικευμένα πλασμίδια χρησιμοποιούνται ως φορείς
403
Τα ανθρώπινα γονίδω απομονώνονται με κλωνοποίηση
404 408 411
Οι
412
Γενετική μηχανική
γω την κλωνοποίηση του
Η ηλεκτροφόρηση σε πηκτή διαχωρίΖει κλάσματα
DNA διαφορετικού
μεγέθους
Καθορισμός της αλληλουχίας των νουκλεοτιδίων των κλασμάτων του
DNA.
ΑναΖήτηση γονιδίων σε αλληλουχίες γονιδιωμάτων
Υβριδισμός νουκλεϊνικών οξέων Ο υβριδισμός του
DNA διευκολύνει
Ο υβριδισμός σε
DNA μικροσυστοιχίες
Η τεχνική του υβριδισμού
in situ χρησιμοποιείται
για
Η λιγκάση του
DNA DNA ενώνει
416 417
417
433
Οι μεταλλαγμένοι οργανισμοί είναι το καλύτερο μέσο για
435 436
Τα διαγονιδωκά φυτά είναι σημαντικά τόσο στη βιολογία όσο και στη γεωργία
440
419 Δομή των Μεμβρανών
Η λιπιδική διπλοστιβάδα
449 451
Μω πολυπεmιδlκή αλυσίδα συνήθως δωπερνά τη
451 455
Οι μεμβρανlκές πρωτεΊνες μπορεί να δωλυτοποιηθούν
456 458
Πλήρη δομικά στοιχεία έχουν προσδιοριστεί μόνο
Τα λιπίδια των μεμβρανών σχηματίζουν διπλοστιβάδες στο νερό Η λιπιδlκή διπλοστιβάδα είναι ένα δισδιάστατο ρευστό
διπλοστιβάδα ως α-έλικα
Η ρευστότητα της λιπιδlκής διπλοστιβάδας εξαρτάται από τη σύστασή της
Η λιπιδική διπλοστιβάδα είναι ασύμμετρη του κυπάρου
Μεμβρανlκές πρωτείνες
με απορρυπαντικά και ν' απομονωθούν σε καθαρή
464
γω λίγες μεμβρανlκές πρωτείνες
464
Η κυπαρική μεμβράνη ενισχύεται από τον μεμβρανlκό
459 460
Οι μεμβρανlκές πρωτείνες διασυνδέονται με τη λιπιδlκή διπλοστιβάδα κατά διάφορους τρόπους
462
κατάσταση
Η ασυμμετρία των λιπιδίων δημιουργείται στο εσωτερικό
Κεφάλαιο 12
πού και πότε θα εκφραστεί ένα γονίδιο
Γενετική τροποποίηση Ζώων
Αντιγραφή ανασυνδυασμένου ΟΝΑ μέσα σε βακτηρωκά
Κεφάλαιο 11
431
ν' αποκαλυφθεί η λειτουργία ενός γονιδίου
τους για το σχηματισμό ενός μορίου ανασυνδυασμένου
κύπαρα
Παραγωγή σπάνιων κυπαρικών πρωτεϊνών σε μεγάλη Γενετικώς τροποποιημένα γονίδω μπορεί ν' αποκαλύψουν
κλάσματα του ΟΝΑ μεταξύ
DNA
426 431 431
κλίμακα με κλωνοποίηση του ΟΝΑ
τον εντοπισμό αλληλουχιών νουκλεϊνικών οξέων Κλωνοποίηση του
Η αλυσιδωτή αντίδραση της πολυμεράσης επαυξάνει
Πώς κατασκευάΖονται εντελώς νέα μόρω ΟΝΑ
414
σε κύπαρα ή χρωμοσώματα
DNA 421 cDNA βιβλιοθήκες αντιπροσωπεύουν τα μόρια του mRNA που παράγονται σε έναν συγκεκριμένο ιστό .........424 επιλεγμένες αλληλουχίες ΟΝΑ
καταγράφει
ταυτόχρονα την έκφραση χιλιάδων γονιδίων
419
του
την προγεwητική
διάγνωση των γενετικών νοσημάτων
DNA.
φλοιό Η κυπαρική επιφάνεω καλύmεται από υδατάνθρακες Τα κύπαρα μπορούν να περιορίζουν τη μετακίνηση
461
των μεμβρανικών πρωτεϊνών
..471
ΜεμβρανικήΜεταφορά
ΑρΧές της μεμβρανικήςμεταφοράς
479 480
Οι συγκεντρώσεις των ιόντων στο εσωτερικό του κυπάρου
προσθήκη μιας φωσφορικής ομάδας
481
Η αντλία
482
Οι αντλίες Ca2+ δωτηρούν χαμηλές τις ενδοκυπάριες συγκεντρώσεις του Ca2+
483 484
Τα φυτά, οι μύκητες και τα βακτήρω χρησιμοποιούν
Τα δωλυτά μόρω δωπερνούν τις μεμβράνες με παθητική ή ενεργό μεταφορά Οι πρωτείνες-φορείς και οι λειτουργίες τους
Οι ηλεκτρικές δυνάμεις και οι βαθμιδώσεις της συγκέντρωσης
προωθούν την παθητική μεταφορά
485
Η ενεργός μεταφορά μετακινεί τα διαλυτά μόρω αντίθετα από την ηλεκτροχημική βαθμίδωσή τους Τα Ζωικά κύπαρα χρησιμοποιούν την ενέργεια
488 490
Τα Ζωικά κύπαρα χρησιμοποιούν τη βαθμίδωση του
Οι πρωτείνες μεμβρανικής μεταφοράς δωκρίνονται σε δύο κύριες κατηγορίες: φορείς και δίαυλοι
Na+ Na+-Κ+ προωθείται από την παροδική
480
Οι λlΠlδlKές διπλοστιβάδες είναι αδιαπέραστες από
διαλυτές ουσίες και ιόντα
της υδρόλυσης του ΑΤΡ για ν' αποβάλλουν Η αντλία
δωφέρουν πολύ από τις συγκεντρώσεις στο εξωκυπάριο περιβάλλον
467 469
Na+ γω την ενεργό πρόσληψη θρεπτικών ουσιών Na+-Κ+ βοηθά στη διατήρηση της ωσμωτικής
490
ισορροπίας των Ζωικών κυπάρων
494 495
τις βαθμιδώσεις του Η+ για την ενεργό μεμβρανlκή μεταφορά
Ιοντικοί δίαυλοι κω το δυναμικό της μεμβράνης
496 497
Οι ιοντικοί δίαυλοι επιλέγουν τα ιόντα και ελέγχονται
487
από αυτά
Οι ιοντικοί δίαυλοι ανοιγοκλείνουν τυχαία
Περιεχόμενα
498 500
ΧΧίΧ
Οι ελεΥΧόμενοι από το δυναμικό δίαυλοι Ca +των νευρικών 2
Ερεθίσματα διαφορετικών ειδών επηρεάΖουν το
ανΟΙΥοκλείσιμο των ιοντικών διαύλων
503
Οι ελεΥΧόμενοι από την τάση ιοντικοί δίαυλοι αποκρίνονται στο δυναμικό της μεμβράνης
504
Το δυναμικό της μεμβράνης καθορίΖεται από τη διαπερα-
..514
διαβιβαστές μετατρέπουν τα χημικά σήματα σε
ηλεκτρικά
τότητα της μεμβράνης σε συΥκεκριμένα ιόντα
505 508
Ιοντικοί δίαυλοι και σηματοδότηση σε νευρικά κύπαρα
Τα δυναμικά ενέΡΥειας εξασφαλίζουν ταχύτατη επικοινωνία σε μεΥάλες αποστάσεις
516
Οι νευρώνες δέχονται τόσο διεΥερτικά όσο και ανασταλτικά ερεθίσματα
517
Οι ιοντικοί δίαυλοι που ελέΥΧΟνται από νευροδιαβιβαστές
509
Τα δυναμικά ενέΡΥειας συνήθως δημιουΡΥούνται από
διαύλους
απολήξεων μετατρέπουν τα ηλεκτρικά σήματα σε χημικά
Στα κύπαρα-στόχους οι δίαυλοι που ελέΥχονταl από
είναι βασικοί στόΧοι των ψυχοτρόπων φαρμάκων
519
Οι συναmlκές συνδέσεις μας επιτρέπουν να σκεφτόμαστε,
Na+ που ελέΥχΟνται από το δυναμικό
510
να ενεΡΥούμε και να θυμόμαστε
520
ΤΟΜΟΣΙΙ Κεφάλαιο
13
Τα Κύπαρα Αποκτούν Ενέργεια από τις Τροφές
Η αποδόμηση των σακχάρων και των λιπιδίων
528 528 531 533
Τα μόρια των τροφών αποδομούνται σε τρία στάδια Η Υλυκόλυση είναι μια σημαντική οδός παραΥωΥής ΑΤΡ Οι Ζυμώσεις παράΥουν ΑΤΡ υπό αναερόβιες συνθήκες
....533
Τόσο τα σάκχαρα όσο και τα λίπη αποδομούνταl σε
14
541
Ο μεταβολισμός ΟΡΥανώνεται και ρυθμίζεται
Παραγωγή Ενέργειας σΙα ΜlιοΧόνδρια και σΙους ΧλωροπλάσΙες
τους μ' έναν μηχανισμό που βασίΖεται στις μεμβράνες
Τα μιτοΧόνδρια και η οξειδωτική φωσφορυλίωση εσωτερική μεμβράνη και δύο εσωτερικά διαμερίσματα
Ηλεκτρόνια υψηλής ενέΡΥειας παράΥΟνται από τον
ενέΡΥεια σε ΑΤΡ
πρωτονίων διαμέσου της μεμβράνης
Ιόντα μετάλλων που προσδένονται ισχυρά σε πρωτείνες
ποσότητες ενέρΥειας
'
σχηματίΖουν ευέλικτους φορείς ηλεκτρονίων
...567
Η οξειδάση του κυτοχρώματος καταλύει την αναΥωΥή
571
Ο μηχανισμός άντλησης των Η+ σύντομα θ' αποκαλυ-
572
Η αναπνοή είναι εντυπωσιακά αποτελεσματική
του οξυΥόνου φθεί σε ατομικό επίπεδο
Η συΖευΥμένη μεταφορά διαμέσου της εσωτερικής
Χλωροπλάστες και φωτοσύνθεση
.582 583 585 587 590 590
Οι χλωροπλάστες μοιάζουν με τα μιτοΧόνδρια, διαθέτουν
μιτοχονδριακής μεμβράνης προωθείται από την ηλεκτροχημική βαθμίδωση των πρωτονίων
580
565
Η βαθμίδωση των πρωτονίων προωθεί τη σύνθεση
τουΑΤΡ
579
Το οξειδο-αναΥωΥικό δυναμικό είναι ένα μέτρο της συΥΥένειας Υια τα ηλεκτρόνια
Η μεταφορά ηλεκτρονίων δημιουΡΥεί μια βαθμίδωση
575
όμως ένα επιπλέον διαμέρισμα
591
Οι χλωροπλάστες αιχμαλωτίζουν ενέΡΥεια από το ηλιακό
Οι βαθμιδώσεις των πρωτονίων παράΥουν το μεΥα!\ύτερο
576
Η ταχεία μετατροπή του
ADP σε ΑΤΡ στα μιτοχόνδρια διατηρεί τον ενδοκυπάριο ΜΥΟ ATP:ADP σε
Περιεχόμενα
Τα πρωτόνια μετακινούνται εύκολα από τη μεταφορά
Η μεταφορά των ηλεκτρονίων απελευθερώνει μεΥάλες
Τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται κατά μήκος μιας αλυσίδας πρωτεϊνών της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης
559 .578
565
Μια χημειωσμωτική διεΡΥασία μετατρέπει την οξειδωτική
μέρος του ΑΤΡ ενός κυπάρου
πρωτονίων των ηλεκτρονίων
....562
κύκλο του κιτρικού οξέος
552 553
Αλυσίδες μεταφοράς ηλεκτρονίων και άντληση
560 562
Ένα μιτοΧόνδριο περιέχει μια εξωτερική μεμβράνη, μια
χχχ
552
Πολ/ές βιοσυνθετικές οδοί αρχίζουν με Υλυκόλυση ή
Τα κύπαρα αποκτούν το μεΥαλύτεΡΟ μέρος της ενέΡΥειάς
υψηλά επίπεδα
549
Στα φυτικά κύπαρα οι χλωροπλάστες και τα μιτοΧόνδρια
με τον κύκλο του κιτρικού οξέος
NADH με σε CO 2
548 549
Οι ΟΡΥανισμοί αποθηκεύουν μόρια των τροφών σε ειδικές
537
Ο κύκλος του κιτρικού οξέος παράΥεl
Κεφάλαιο
τη σύνθεση του μεΥαλύτερου μέρους του ΑΤΡ Αποθήκευση και χρησιμοποίηση των τροφών
συνεΡΥάΖΟνται
ακετυλο-CοΑ στα μιτοχόνδρια οξείδωση των ακετυλομάδων
Στα περισσότερα κύπαρα η μεταφορά ηλεκτρονίων προωθεί
«αποθήκες»
Η Υλυκόλυση δείχενl πώς επιτυΥΧάνουν τα ένζυμα τη
σύΖευξη της οξείδωσης με την αποθήκευση ενέΡΥειας
527
φως και τη χρησιμοποιούν Υια τη δέσμευση του άνθρακα ...593 Τα διεΥεΡμένα μόρια της χλωροφύλ/ης διοχετεύουν
ενέΡΥεια σ' ένα κέντρο αντίδρασης
577
Η φωτεινή ενέΡΥεια προωθεί τη σύνθεση των ΑΤΡ
595
και ΝΑDΡΗ
596
Η δέσμευση του άνθρακα καταλύεται από την
καρβοξυλάση της διφωσφορικής ριβουλόΖης
599
παράγεται σουκρόΖη και άμυλο
603
απαιτήσεις από το περιβάλ/ον τους Ο τρόπος Ζωής του
Στους xλωρoπi\άστες από τη δέσμευση του άνθρακα Η προέλευση των χλωροπλαστών και των μιτοχονδρίων
πλεονέκτημα στα αρΧέγονα βακτήρια Τα φωτοσυνθετικά βακτήρια είχαν ακόμα λιγότερες
600 601
604
Methanococcus υΠOδπi\ώνεl
ότι η
χημειωσμωτική σύΖευξη είναι αρΧέγονη διεργασία
606
Η οξειδωτική φωσφορυλίωση προσέφερε ένα εξελικτικό
Κεφάλαιο 15
ΕνδοκυπάριαΔιαμερίσματακαι Μεταφορά
Μεμβρανικάοργανίδια
616
Η εκβλάστηση των κυστιδίων προωθείται από τη
616
Η εξειδικευμένη προσάραξη των κυστιδίων εξαρτάται
619 621
Οδοί έκκρισης
622
Η έξοδος από το ΕΔ ελέγχεται για να διασφαλιστεί
623
Οι πρωτε'ϊνες τροποποιούνται περισσότερο και
624
Οι εκκριτικές πρωτε'ίνες απελευθερώνονται από το
Τα ευκαρυωτικά κύπαρα περιέχουν βασικές ομάδες οργανιδίων που περιβάλ/ονται από μεμβράνες
συγκρότηση ενός πρωτεϊνικού καλύμματος
Τα μεμβρανlκά οργανίδια εξελίχθηκαν με διάφορους
τρόπους Διαλογή των πρωτεϊνών
από τις
Οι πρωτε'ϊνες εισάγονται στα οργανίδια με τρεις μηχανισμούς
μιτοΧόνδρια και στους χλωροπλάστες
627
630
Τα κυστίδια μεταφοράς διακινούν διαλυτές πρωτε'ϊνες
Κεφάλαιο 16
Οδοί ενδοκυπάρωσης σωματίδια
648
πινοκυπάρωση
650
εξασφαλίζεται μέσω υποδοΧέων
631 633
και μεμβράνες μεταξύ διαμερισμάτων
646 647
Στα Ζωικά κύπαρα η εξειδικευμένη ενδοκυπάρωση
μιας διαμεμβρανικής πρωτε'ϊνης στη λιπιδlκή
διπλοστιβάδα
650
Η διαλογή των μακρομορίων μετά την ενδοκυπάρωση γίνεται στα ενδοσωμάτια
652
Τα λυσοσωμάτια είναι τα κύρια οργανίδια ενδοκυτ-
634
τάριας πέψης
653
Κυπαρική Επικοινωνία
Γενικές αρΧές της κυπαρικής σηματοδότησης Τα σήματα δρουν σε μικρή ή μεγάλη απόσταση
Κάθε κύπαρο απαντά σε λίγα σήματα
661 662 663 665
Οι υποδοχείς μεταδίδουν σήματα μέσω ενδοκυπάριων σηματοδοτικών οδών
σε τρεις κύριες κατηγορίες
669
Η οδός του κυκλικού ΑΜΡ ενεργοποιεί ένΖυμα και
670
Η οδός των φωσφολιπιδίων lνοσιτόλης οδηγεί σε
672
αύξηση του ενδοκυπάριου Ca2+ 2 Τα σήματα των ιόντων Ca + πυροδοτούν πολ/ές
674
Οι ενδοκυπάριες σηματοδοτικές ακολουθίες μπορεί να
ένΖυμα
σαν μοριακοί διακόmες
683
βιολογικές διεργασίες
Πολ/ές ενδοκυπάριες σηματοδοτικές πρωτε'ϊνες δρουν
678 680 682
γονίδια
Οι υποδοχείς που συνδέονται με διαύλους ιόντων μετατρέπουν τα χημικά σήματα σε ηλεκτρlκά
ενεργοποιεί υπομονάδες των πρωτεϊνών αυτών Ορισμένες G-πρωτε'ϊνες ενεργοποιούν μεμβρανlκά
Οι υποδοχείς της κυπαρικής επιφάνειας κατατάσσονται
677
Η διέγερση των υποδοΧέων που συνδέονται με G-πρωτε'ϊνες Μερικές G-πρωτε'ϊνες ρυθμίζουν διαύλους ιόντων
Μερικές ορμόνες διαπερνούν την κυπαρική μεμβράνη
και προσδένονται σ' ενδοκυπάριους υποδοχείς
Υποδοχείς που συνδέονται με G-πρωτε'fνες
668
Το οξείδιο του αΖώτου εισέρχεται στα κύπαρα και
ενεργοποιεί άμεσα διάφορα μόρια
642
Μακρομόρια και υγρά προσλαμβάνονται με
Σήματα έναρξης και λήξης προσδιορίζουν τη διευθέτηση
Μεταφορά με κυστίδια
641
Εξειδικευμένα φαγοκύπαρα προσλαμβάνουν μεγάλα
628
Οι διαλυτές πρωτε'ϊνες απελευθερώνονται στον αυλό του ΕΔ
639
κύπαρο με εξωκυπάρωση
Οι πρωτε'ϊνες εισέρχονται στο ενδοπλασματικό δίκτυο κατά τη διάρκεια της σύνθεσής τους
Οι περισσότερες πρωτε'ϊνες τροποποιούνται ομοιοπολικά
υπόκεινται σε διαλογή στη συσκευή Gοιgί.
Οι πρωτε'ϊνες ξεδιπλώνουν πριν εισέλθουν στα
635 637 639
η ποιότητα της πρωτεΊνης
Οι πρωτεΊνες εισέρχονται στον πυρήνα μέσω των
πυρηνικών πόρων
SNAREs
μέσα στο ΕΔ
Οι σηματοδοτικές αλ/πi\oυxίες κατευθύνουν τις πρωτε'ϊνες στο σωστό διαμέρισμα
615
685 687
επιτύχουν αξιοσημείωτη ταΧύτητα, ευαισθησία και
676
προσαρμοστικότητα: οι φωτοϋποδοχείς του οφθαλμού
Περιεχόμενα
...689
ΧΧΧί
Υποδοχείς που διασυνδέονΙαι με ένΖυμα
691
ενδοκυπάριων σηματοδοτικών πρωτεϊνών
692
Ras
693
Μερικοί υποδοχείς που συνδέΟνΙαι με ένΖυμα ενεργοποιούν
Κυπαροσκελετός
Τα ενδιάμεσα ινίδια είναι ισχυρά και ανθεκτικά
της κυπαρικής επικοινωνίας εξελίΧθηκαν ανεξάρτητα στα
φυτά και στα Ζώα
703
711 713 713
μηχανική ισχύ
714
Το πυρηνικό περίβλημα στηρίζεται από ένα πλέγμα
ενδιάμεσων ινιδίων
παρόμοιους μηχανισμούς
736
δομικά άκρα
719 720
723
Μυϊκή συστολή
σήματα
Οι κινητήριες πρωτεΊνες προωθούν την ενδοκυπάρια
745
ολισθαίνουν πάνω στα ινίδια της μυοσίνης
727
του Caz+
750
Τα μυϊκά κύπαρα επιτελούν πολύ εξειδικευμένες
Τα μαστίγια και οι κροσσοί περιέχουν σταθερούς
732
λειτουργίες στο σώμα
752
/Ελεγχοςτου Κυπαρικού Κύκλου και Κυπαρικός Θάνατος
Επισκόπησητου κυπαρικού κύκλου
Οι
761
Το σύστημα ελέγχου του κυπαρικού κύκλου μπορεί να
763 765
Τα κύπαρα μπορούν να αποσυναρμολογήσουν το σύστημα
Το σύστημα ελέγχου του κυπαρικού κύκλου Το σύστημα ελέγχου του κυπαρικού κύκλου βασίζεται στην
κυκλική ενεργοποίηση πρωτεϊνικών κινασών
765
766
διαφορετικά βήματα του κυπαρικού Κύκλου την επανανΙιγραφή
Περιεχόμενα
773 775 776
Η απόπτωση διεκπεραιώνεται με ενδοκυπάρια
778
ενδοκυπάριων πρωτεϊνών
Bcl-2
779
Εξωκυπάριος εΊ\εγχος του αριθμού και του μεγέθους
767
Διαφορετικά σύμπλοκα κυκλίνης-Cd κινάσης πυροδοτούν
Η S-Cdk πυροδοτεί την ανιτγραφή του
773
Το πρόγραμμα του θανάτου ρυθμίζεται από την οικογένεια
επίσης ρυθμίζεται με
φωσφορυλίωση και αποφωσφορυλίωση
ελέγχου και ν' αποσυρθούν από τον κυπαρικό κύκλο
πρωτεολυτική διεργασία
ρυθμίΖΟνΙαι από τη συσσώρευση και την αποδόμηση
Cd κινασών
~
Προγραμματισμένος κυπαρικός θάνατος (απόmωση)
Οι πρωτεϊνικές κινάσες που εξαρτώνΙαι από τις κυκλίνες των κυκλινών
αδρανείς κατά το μεγαλύτερο μέρος
διακόψει τον κύκλο σε ειδικά σημεία ελέγχου
Ένα κενΙρικό σύστημα ελέγχου πυροδοτεί τις κύριες
διεργασίες του κυπαρικού κύκλου
Cd κινάσες είναι της φάσης G1
759
761
Ο κυπαρικός κύκλος των ευκαρυωτικών κυπάρων
διαιρείται σε τέσσερις φάσεις
746
Η μυϊκή συστολή πυροδοτείται από μια αιφνίδια αύξηση
Τα οργανίδια κινούνΙαι κατά μήκος των μικροσω-
μικροσωληνίσκους που κινούνΙαι από τη δυνείνη
μυοσίνης Κατά τη διάρκεια της μυϊκής συστολής τα ινίδια της ακτίνης
726
ληνίσκων
743 745
Η μυϊκή συστολή βασίζεται σε δέσμες ακτίνης και
724
μεταφορά
743
Η διάταξη των ινιδίων ακτίνης ελέγχεται από εξωκυπάρια
Οι μικροσωληνίσκοι οργανώνουν το εσωτερικό του κυπάρου
739 739
Η ακτίνη διασυνδέεται με τη μυοσίνη και σχηματίζει
721
Οι μικροσωληνίσκοι συνΙηρούνΙαι από μια ισορροπία μεταξύ συναρμολόγησης και αποσυναρμολόγησης
κυπάρων
συσταλτικές δομές
Η ανάπτυξη των μικροσωληνίσκων παρουσιάΖει
δυναμική αστάθεια
737
Ο ερπυσμός των κυπάρων εξαρτάται από την ακτίνη
Το κενΙροσωμάτιο είναι το κύριο κένΙΡΟ οργάνωσης
των μικροσωληνίσκων στα Ζωικά κύπαρα
τροποποιούν τις ιδιότητές της Ο φλοιός που είναι πλούσιος σε ακτίνη στηρίΖει την κυπαρική μεμβράνη των περισσότερων ευκαρυωτικών
Οι μικροσωληνίσκοι είναι κοίλοι σωλήνες με διακριτά
Κεφάλαιο 18
735 735
Τα νημάτια της ακτίνης είναι λεπτά και ευλύγιστα
Πολ/ές πρωτεΊνες συνδέονΙαι με την ακτίνη και
717 718
Μικροσωληνίσκοι
Νημάτια ακτίνης Η ακτίνη και η τουμπουλίνη πολυμερίΖΟνΙαι με
Τα ενδιάμεσα ινίδια προσδίδουν στα κύπαρα
χ:χχίί
700
,
Ενδιάμεσα ινίδια
Η ενεργότητα των
ρικές συμπεριφορές Η δημιουργία πολυκύπαρων οργανισμών και η ανάmυξη
Οι υποδοχείς με δράση κινάσης της τυροσίνης
Κεφάλαιο 17
699
πληροφορίες για να ελέγξουν περίπλοκες κυπα-
της τυροσίνης συναρμολογούν ένα σύμπλοκο
ενεργοποιούν την πρωτεΤνη
μια οδό «ταχείας κυκλοφορίας» προς τον πυρήνα
Τα δίκτυα των πρωτεϊνικών κινασών επεξεργάΖΟνΙαι
Ενεργοποιημένοι υποδοχείς με ενεργότητα κινάσης
των κυπάρων
781
Τα Ζωικά κύπαρα χρειάΖΟνΙαι εξωκυπάρια σήματα για
770
DNA και αποτρέπει
να διαιρεθούν, ν' αυξηθούν και να επιβιώσουν
Τα μιτογόνα διεγείρουν την κυπαρική διαίρεση
772
Οι εξωκυπάριοι αυξητικοί παράγΟνΙες διεγείρουν την
782 782
αύξηση των κυπάρων
784
ν' αποφύγουν τον κυπαρικό θάνατο
Κεφάλαιο 19
785
794
ανάφαση Το πυρηνικό περίβλημα ανασυγκροτείται κατά την
795
Μερικά οργανίδια κατακερματίΖονται κατά τη μίτωση
τεiΊόφαση
Τα κεντροσωμάτια διπλασιάΖονται και βοηθούν να σχηματιστούν οι δύο πόλοι της μιτωτικής ατράκτου
Η φάση Μ παραδοσιακά διαιρείται σε έξι στάδια Μίτωση
796 797 798
Η μιτωτική άτρακτος καθορίζει το επίπεδο της αυλάκωσης
798
Στα φυτικά κύπαρα η κυπαροκίνηση περιλαμβάνει το
799
Οι γαμέτες σχηματίζονται μ' ένα εξειδικευμένο τύπο
814
κυπαρικής διαίρεσης
814
ΓεvεIlκή, Μείωση και η Μοριακή Βάση της Κληροvομικότητας
όσο και απλοειδή κύπαρα
Κάθε γαμέτης φέρει μόνο ένα αλ/ηiΊόμoρφo για κάθε
821
Ο νόμος του διαχωρισμού του Μeηdelισχύει για όλους
χαρακτηριστικό
Η φυλετική αναπαραγωγή παρέχει στους οργανισμούς το
και μεταβαλ/όμενο περιβάλ/ον Η μείωση δημιουργεί απλοειδή κύπαρα από διπλοειδή
825
Ανάμεσα στα χρωμοσώματα της μητέρας και του πατέρα
828 829 830
Η μείωση δεν είναι αiΊάνθαστη Η γονιμοποίηση αποκαθιστά το πλήρες γονιδίωμα
Mendel και 0\ νόμοι της κίΊnΡOνOμικότητας Mendel επέλεξε να μελετήσει χαρακτηριστικά Mendel απέκλεισαν
Mendel αποκάλυψαν
της κληρονομικότητας
αλ/ηλόμορφο είναι επικρατές ή υπολειπόμενο
847
πλεονέκτημα επιλογής
850 852 Η κλασική προσέΥΥιση αρχίΖει με τυχαία μεταλ/αξιγένεση .853 λαγμένους οργανισμούς με ανεπάρκεια σε κυπαρικές
διαιρέσεις
854
Οι δοκιμασίες συμπληρωματικότητας αποκαλύπτουν αν δύο μεταλλάξεις βρίσκονται στο ίδιο γονίδιο
855
Τα γονίδια του ανθρώπου μεταβιβάΖΟνται σε απλοτύπους:
836
αυτό συμβάλλει στην αναΖήτηση μεταλλάξεων που
836
Τα περίπλοκα χαρακτηριστικά επηρεάζονται από πολ/ά
838
Το πεπρωμένο είναι γραμμένο στο
τις εναλ/ακτικές
θεωρίες της κληρονομικότητας
846
Οι δοκιμασίες γενετικής διαλογής αναγνωρίΖουν μεταλ-
830 833 834 835
που
κληρονομούνται μ' ευδιάκριτο τρόπο
χρωμοσώματα
Η γενετική ως πειραμmικό εργαλείο
Τα απλοειδή κύπαρα περιέχουν γενετικές πληροφορίες ποικίλης προέλευσης
Η συχνότητα του ανασυνδυασμού μπορεί να χρησιμοποιηθεί
Μερικές φορές τα μεταλλαγμένα γονίδια προσδίδουν ένα
Η δεύτερη μειωτική διαίρεση παράγει απλοειδή θυγατρικά
κύπαρα
Mendel ....843
Ο φαινότυπος ενός ετερΟΖυγώτη αποκαλύπτει αν ένα
Το Ζευγάρωμα και ο ανασυνδυασμός των χρωμοσωμάτων διασφαλίζουν τον σωστό διαχωρισμό των oμoiΊόγων
842
για να καθοριστεί η σειρά των γονιδίων πάνω στα
826
συμβαίνει εκτεταμένος ανασυνδυασμός
διαχωρίΖΟνται ανεξάρτητα Η συμπεριφορά των χρωμοσωμάτων κατά τη μείωση εξηγεί τους νόμους της κληρονομικότητας του
Κατά τη διάρκεια της μείωσης τα ομόλογα χρωμοσώματα
Ζευγαρώνουν
840
Τα αλ/ηiΊόμoρφα για διαφορετικά χαρακτηριστικά
824 824
κύπαρα
839
τους οργανισμούς που αναπαράγονται φυλετικά
πλεονέκτημα του ανταγωνισμού μέσα σ' ένα απρόβλεπτο
Μείωση
819
820
Η φυλετική αναπαραγωγή περιλαμβάνει τόσο διπλοειδή
Τα πειράματα του
812
802
Τα oφέiΊn της φυλετικήςαναπαραγωγής
Οι μελέτες του
811
σχηματισμό νέου κυπαρικού τοΙΧώματος
Τα χρωμοσώματα προσκολ/ώνται στη μιτωτική άτρακτο
κατά την προμετάφαση
του KυπαρoπiΊάσματoς
Ο συσταλτικός δακτύλιος των Ζωικών κυπάρων αποτελείται από ακτίνη και μυοσίνη
Η μιτωτική άτρακτος αρχίΖέι να συναρμολογείται κατά την πρόφαση
809 810 811
KuπαρOKίνηση
Η αστάθεια των μικροσωληνίσκων διευκολύνει το σχηματισμό της μιτωτικής ατράκτου
807
795
Ο κυπαροσκελετός επιτελεί τόσο τη μίτωση όσο και την
κυπαροκίνηση
806
Τα θυγατρικά χρωμοσώματα διαχωρίΖονται κατά την
προετοιμάΖουν για τον διαχωρισμό που θα συμβεί στη φάση Μ
Κατά τη μετάφαση, τα χρωμοσώματα παρατάσσονται στον
ισημερινό της ατράκτου
κατάλ/ηλα τ' αντιγραμμένα χρωμοσώματα και τα
Ο
786
793
Γlρωτείνες που προσδένονται στο ΟΝΑ διαμορφώνουν
Ο
των κυπάρων
Κυπαρική Διαίρεση
Επισκόπησητης μίτωσης
Κεφάλαιο 20
Μερικές εξωκυπάριες σηματοδοτικές πρωτείνες αναστέλ/ουν την αύξηση, τη διαίρεση ή την επιβίωση
Τα Ζωικά κύπαρα χρειάΖΟνται παράγοντες επιβίωσης για
προκαλούν νοσήματα
τη διακριτή φύση
856
γονίδια
DNA;
Περιεχόμενα
858 860
χχχίίί
ΚεφάλαlO
21
Ιστοί και Καρκίνος
Το εξωκυπάριο σφώμα και οι συνδετικοί ισιοί Τα φυτικά κύπαρα έχουν σκληρά εξωτερικά τοιΧώματα
867 868 869
Οι ίνες της κυπαρίνης προσδίδουν εκτατική ισχύ στο
κυπαρικό τοίχωμα των φυτικών κυπάρων
871
ιστούς των Ζώων
875 875 877
878
879 881 882
Οι στεγανοί σύνδεσμοι εμποδίζουν τη διαρροή από το
Τα καρκινικά κύπαρα πολλαπλασιάΖΟνται, διαιρούνται
903
μπορεί να προληφθούν
903 905
Ο καρκίνος χρειάΖεται συσσώρευση μεταλλάξεων Τα καρκινικά κύπαρα αποκτούν ιδιότητες που τους προσδίδουν ένα συναγωνιστικό πλεονέκτημα
906 908
Ο καρκίνος του παχέος εντέρου δείχνει πώς η απώλεια ενός γονιδίου μπορεί να οδηγήσει σε ανάπτυξη
τα επιθηλιακά κύπαρα τόσο μεταξύ τους όσο και με τον
ενός όγκου
886
Οι χασμοσύνδεσμοι επιτρέπουν τη δίοδο ιόντων και Διατήρηση και ανανέωση των ιστών
901 902
για τον καρκίνο
.884
Οι διασυνδέσεις με τον κυπαροσκελετό προσδένουν γερά
μικρών μορίων από κύπαρο σε κύπαρο
κυπάρων: η στρατηγική της θεραπευnκής
Πολλά και ποικίλα είδη γονιδίων έχουν ιδιαίτερη σημασία
επιθήλιο και διαχωρίΖουν την κορυφαία από τη βασική
βασικό υμένα
δημιουργίας εξατομικευμένων αρχέγονων εμβρυϊκών
Η επιδημιολογία αναγνωρίΖει αίnα του καρκίνου που
Τα επιθηλιακά φύλλα είναι πολωμένα και στηρίΖΟνται πάνω
επιφάνειά του
898
και μεθίστανται
Χώρους ανάμεσα στα κύπαρα και ανθίστανται στη
σ' έναν βασικό υμένα
την επιδιόρθωση ιστικών βλαβών
κλωνοποίησης
Πηκτές από πολυσακχαρίτες και πρωτεΊνες γεμίΖουν τους
Επιθηλιακά φύλλα και διακυπάριοι σύνδεσμοι
896
Καρκίνος
εξωτερικό του κυπάρου με τον ενδοκυπάριο
συμπίεση
ποιημένα κύπαρα
Η μεταμόσχευση πυρήνων προσφέρει τη δυνατότητα της
Οιιντεγκρίνες συνδέουν το στρώμα που βρίσκεται στο
κυπαροσκελετό
895
Τα αρΧέγονα κύπαρα μπορεί να χρησιμοποιηθούν για
Το κολλαγόνο προσδίδει εκταnκή ισχύ στους συνδεnκούς
Τα κύπαρα οργανώνουν το κολλαγόνο που εκκρίνουν
ταχύτητα Τα αρΧέγονα κύπαρα συνεχώς παράγουν διαφορο-
Οι συνδεnκοί ιστοί των Ζώων αποτελούνται κυρίως από εξωκυπάριο στρώμα
Οι διαφορεnκοί ιστοί ανανεώνονται με διαφορεnκή
910
Η κατανόηση της κυπαρικής βιολογίας του καρκίνου
ανοίγει το δρόμο σε νέες θεραπείες
911
889 891
Οι ιστοί είναι οργανωμένα μείγματα πολλών κυπαρικών τύπων
893
Απαντήσεις
921
Γλωσσάριο
999
Eυρεrήριo
:
1031
Τα Κύιιαρα AπOI(IOΎV Ενέργεια από IlS Τροφέs
Όπως αναφέραμε σιο Κεφάλαιο 3, τα κύπαρα απαιτούν συνεχή παρο χή ενέργειας για να δημιουργούν και να συντηρούν τη βιολογική τάξη που
τα διατηρεί στη Ζωή. Η ενέργεια προέρχεται από την ενέργεια των χημι κών δεσμών των μορίων της τροφής, τα οποία χρησιμεύουν για τα κύπα ρα ως καύσιμα.
Τα σάκχαρα είναι ίσως τα πιο σημαντικά καύσιμα. Τα φυτά συνθέτουν τα σάκχαρά τους με τη φωτοσύνθεση. Αντίθετα, τα Ζώα προσλαμβάνουν σάκχα
ρα και άλ/α μόρια που μετατρέπονται σε σάκχαρα, όπως το άμυλο, τρώγο ντας άλ/ους οργανισμούς. Ωστόσο, η διεργασία με την οποία τα σάκχαρα ο
ξειδώνονται για ν' αποδώσουν ενέργεια εξελίσσεται με πολύ παρόμοιο τρό πο τόσο στα Ζώα όσο και στα φυτά. Χρήσιμη ενέργεια προέρχεται από την ε νέργεια που είναι αποθηκευμένη στους χημικούς δεσμούς ενός μορίου σακ χάρου καθώς αυτό αποδομείται και οξειδώνεται σε
CO2 και Η2 ο. Η ενέργεια
αυτή διαφυλάσσεται υπό μορφή χημικών δεσμών υψηλής ενέργειας σε ε νεργοποιημένα μόρια-φορείς, όπως το ΑΤΡ και το
NADPH, τα
οποία, με τη
σειρά τους, λειτουργούν ως φορείς των χημικών ομάδων και των ηλεκτρο νίων που απαιτούνται για βιοσυνθέσεις (βλ. Κεφάλαιο
3).
Αν ένα καύσιμο μόριο, όπως η γλυκόΖη, οξειδωνόταν σε CO2 και Η 2 Ο σ' έ να μόνο βήμα (όπως συμβαίνει στα άβια συστήματα), τότε θ' απελευθέρωνε μια ποσότητα ενέργειας πολύ μεγαλύτερη από εκείνη που θα μπορούσε να «δεσμεύσει» το οποιοδήποτε μόριο-φορέας. Αντί γι' αυτό, τα κύπαρα επιτε λούν την οξείδωση σε μια εξαιρετικά ελεγχόμενη σειρά αντιδράσεων με τη βοήθεια ενΖύμων (Εικόνα 13-1Α): το μόριο της γλυκόΖης αποδομείται βήμα βήμα, αποδίδοντας μικρές ποσότητες ενέργειας σ' ενεργοποιημένα μόρια-φο ρείς μέσω συΖευγμένων αντιδράσεων. Με αυτό τον τρόπο, μεγάλο μέρος της ενέργειας που απελευθερώνεται από την οξείδωση της γλυκόΖης αποταμιεύε ται και διατίθεται για την εκτέλεση χρήσιμων δραστηριοτήτων του κυπάρου.
Στο κεφάλαιο αυτό, πρώτα θα εξετάσουμε τα κύρια βήματα της αποδόμη σης, ή καταβολισμού, των σακχάρων και θα δείξουμε πώς παράγουν ΑΤΡ,
NADH
και άλ/α ενεργοποιημένα μόρια-φορείς στα Ζωικά κύπαρα. Θα επι-
Η αποδόμηση των σακχάρων και των λιπιδίων Τα μόρια των τροφών αποδομούνται σε τρία στάδια Η γλυκόλυση είναι μια σημαντική οδός παραγωγής ΑΤΡ
Οι ζυμώσεις παράγουν ΑΤΡ υπό αναερόβιες συνθήκες Η γλυκόλυση δείχνει πώς επιτυΥχάνουν τα ένζυμα τη σύζευξη της οξείδωσης με την αποθήκευση ενέργειας Τόσο τα σάκχαρα όσο και τα λίπη αποδομούνται σε ακετυλο-CοΑ στα μιτοχόνδρια Ο κύκλος του κιτρικού οξέος παράγει ΝΑΟΗ με οξείδωση των ακετυλομάδων σε CO 2 Στα περισσότερα κύπαρα, η μεταφορά ηλεκτρονίων προωθεί τη σύνθεση του μεγαλύτερου μέρους του ΑΤΡ Αποθήκευση και χρησιμοποίηση των τροφών Οι οργανισμοί αποθηκεύουν μόρια των τροφών σε ειδικές «αποθήκες» Στα φυτικά κύπαρα οι χλωροπλάστες και τα μιτοχόνδρια συνεργάζονται Πολλές βιοσυνθετικές οδοί αρχίζουν με γλυκόλυση ή με τον κύκλο του κιτρικού οξέος Ο μεταβολισμός οργανώνεται και ρυθμίζεται
527
Εικόνα
13-1. Σχηματική
αναπαράσταση της
(Α)
ελεγχόμενης, σταδιακής οξείδωσης ενός
σταδιακή οξείδωση ενός σακχάρου στα κύπαρα
σακχάρου σ' ένα κύτταρο, σε σύγκριση με την κοινή καύση. Στο κύπαρο, διάφορα ένζυ μα καταλύουν την οξείδωση μέσω μιας σειράς
μικρών βημάτων στα οποία κατάλληλες ποσό τητες ελεύθερης ενέργειας μεταφέρονται σε μόρια-φορείς, συνήθως σε ΑΤΡ και
NADH.
(8)
κοινή καύση ενός σακχάρου
~~i~~a
μικρές ενέργειες
Ι
t
ενεργο
ενεργοποίησης που
j
ξεπερ~ά η θερμοκρασία του σωματος
η θερμότητα
όλη η ελεύθερη
ελαπώνοντας το φράγμα της ενέργειας ενερ
ενέργεια
ενεργοποιημένα
εκλύεται υπό μορφή
μόρια-φορείς
γοποίησης που πρέπει να ξεπεράσει μια συ
θερμότητας
γκεκριμένη αντίδραση για να εξελιχθεί. Συνο
δεναποθη
λικά, η ελεύθερη ενέργεια που εκλύεται στο
(8)
που ξεπερνά
μιας φωτιάς
Σε
κάθε βήμα, ένα ένζυμο ελέγχει την αντίδραση
(Α) και το
ποίησης
κεύεται
είναι ακριβώς η ίδια.
καθόλου ενέργεια
κεντρώσουμε την προσοχή μας στην αποδόμηση της γΛυκόΖης, που κυριαρ
χεί στη διαδικασία της παραγωγής ενέργειας στα περισσότερα Ζωικά κύπα ρα. Εξάλ/ου, μια ποΛύ ανάΛογη οδός Λειτουργεί στα φυτά, στους μύκητες
και σε πολ/ά βακτήρια. ΆΛλα μόρια, όπως τα Λιπαρά οξέα και οι πρωτεΊνες, επίσης χρησιμεύουν ως πηγή ενέργειας, ~:φKεί να «διοχετευτούν» μέσω κα
ταλ/ήΛων ενΖυμικών οδών.
Στο δεύτερο μέρος του κεφαΛαίου, θα εξετάσουμε πώς αποθηκεύουν τα κύπαρα μόρια των τροφών για μελ/οντική χρήση και θα δούμε με ποιο τρό πο χρησιμοποιούνται τα προϊόντα της αποδόμησης των σακχάρων και των
Λιπών για το σχηματισμό μακρομορίων. Ο μηχανισμός της διεργασίας παρα γωγής του ΑΤΡ θα περιγραφεί Λεπτομερώς στο ΚεφάΛαιο
14.
Η αποδόμηση ιων σαιαάρωνκοι ιων λιπιδίων Τα Ζωικά κύπαρα παράγουν ΑΤΡ με δύο τρόπους. Ο πρώτος συνίσταται
σε μια σειρά ενΖυμικά καταΛυόμενων αντιδράςJεων που είναι άμεσα συΖευγ μένες με την ενεργειακά μη ευνοϊκή αντίδραση ΑΟΡ
+ Ρί --7 ΑΤΡ. Οι αντι
δράσεις αυτές οξειδώνουν τα μόρια των τροφών. Ο δεύτερος περιΛαμβάνει ένα σύνοΛο αντιδράσεων που εξελίσσονται στα μιτοχόνδρια και χρησιμοποι ούν την ενέργεια ενεργοποιημένων μορίων-φορέων για να προωθήσουν την παραγωγή ΑΤΡ. Ο μηχανισμός αυτής της διεργασίας βασίΖεται στη Λει
τουργία μεμβρανών και περιγράφεται Λεπτομερώς στο ΚεφάΛαιο
14.
Εδώ,
θα εστιάσουμε την προσοχή μας στην αλ/ηΛουχία των αντιδράσεων με τις ο ποίες πραγματοποιείται μερική οξείδωση των μορίων των τροφών, αποδίδο ντας τόσο ΑΤΡ όσο και τα ενεργοποιημένα μόρια-φορείς που προωθούν την παραγωγή ενέργειας στα μιτοχόνδρια.
Τα μόρια '[ων φοφών απoδoμoύVΊQl σε φια mάδια Οι πρωτεΊνες, τα Λιπίδια και οι ποΛυσακχαρίτες που συγκροτούν το μεγα-
528
Κεφάλαιο 13: Τα Κύτταρα Αποκτούν Ενέργεια από τις Τροφές
λύτερο μέρος της δίαιτάς μας, για να μπορεί να χρησιμοποιηθούν από τα κύπαρα του οργανισμού είτε ως πηγή ενέργειας είτε ως πηγή δομικών λίθων για τη σύνθεση άλ/ων μορίων πρέπει προηγουμένως ν' αποδομηθούν σε μι
κρότερα μόρια. Οι διεργασίες αποδόμησης πρέπει να επενεργούν μόνο mις τροφές που τρώμε και όχι
ma μακρομόρια που
των κυπάρωντου οργανισμού. Επομένως,
βρίσκονται
mo εσωτερικό το πρώτο mάδιο mnv ενΖυμική α
ποδόμηση των μορίων των τροφών είναι η πέψn, η οποία διενεργείται είτε
ma κύπαρα του
εντερικού βλεwογόνου είτε σ' ένα εξειδικευμένο ενδοκυτ
τάριo οργανίδιο, το λυσοσωμάτιο. (ΤΟ λυσοσωμάτιο περιβάλ/εται από μια μεμβράνη που απομονώνει τα υδρολυτικά ένΖυμά του από το κυπαροδιάλυ μα
-
βλ. Κεφάλαιο
15).
Σε κάθε περίπτωση, κατά τη διάρκεια της πέψης, τα μεγάλα, πολυμερή
μόρια των τροφών σπάΖουν mις μονομερείς υπομονάδες τους υπό την επί δραση ειδικών ενΖύμων. Έτσι, οι πρωτε'ίνες μετατρέπονται σε αμινοξέα, οι πολυσακχαρίτες σε σάκχαρα και τα λίπη σε λιπαρά οξέα και γλυκερόλη. Με τά την πέψη, τα μικρά οργανικά μόρια που προέρχονται από τις τροφές ει
σέρχονται
mo κυπαροδιάλυμα, όπου αρχίΖει η mαδιακή οξείδωσή τους. Ό πως φαίνεται mnv Εικόνα 13-2, η οξείδωση πραγματοποιείται σε δύο περαι τέρω mάδια του κυπαρικού καταβολισμού: το δεύτερο mάδιο αρχίΖει mo κυπαροδιάλυμα και καταλήγει ma μιτοχόνδρια, ενώ το τρίτο περιορίΖεται ma μιτοχόνδρια. Κατά το δεύτερο mάδιο του κυπαρικού μεταβολισμού, κάθε μόριο γλυ κόΖης μετατρέπεται σε δύο μικρότερα μόρια πυροmαφυλικού (ή αλ/ιώς, πυ
ρουβικού,
pyruvate)
σε μια αλυσίδα αντιδράσεων, γνωmή ως γΛυκόΛυσn.
ΆΛΛα σάκχαρα μετατρέπονται επίσης σε πυροmαφυλικό αφού προηγουμέ
νως μετατραπούν σ' ένα από τα ενδιάμεσα της γλυκολυτικής οδού. Κατά το σχηματισμό του πυροmαφυλικού, παράγονται δύο είδη ενεργοποιημένων
μορίων-φορέων, το ΑΤΡ και το πό το κυπαροδιάλυμα
NADH. Κατόπιν, το πυροmαφυλικό περνά α ma μιτοχόνδρια. Εκεί, κάθε μόριο πυροmαφυλικού
μετατρέπεται σε CO Z και σε μια ακετυλομάδα με δύο άτομα άνθρακα. Η ακε τυλομάδα συνδέεται με το συνένΖυμο Α
(CoA)
και σχηματίΖει ακετύλο-CοΑ,
ένα άλ/ο από τα ενεργοποιημένα μόρια-φορείς για τα οποία έγινε λόγος
Κεφάλαιο
3 (βλ. Εικόνα 3-37). Μεγάλες
mo
ποσότητες ακετύλο-CοΑ παράγονται
επίσης από τη mαδιακή αποδόμηση και οξείδωση των λιπαρών οξέων που
προέρχονται από λίπη, τα οποία μεταφέρονται τος, εισάγονται
mnv κυκλοφορία του αίμα ma κύπαρα και κατόπιν μεταφέρονται ma μιτοχόνδρια για
την παραγωγή ακετύλο-CοΑ.
Το τρίτο mάδιο mnv οξειδωτική αποδόμηση των μορίων των τροφών εξε λίσσεται αποκλειmικά
ma μιτοχόνδρια. Στο
ακετύλο-CοΑ, η ακετυλομάδα
συνδέεται με το συνένΖυμο Α μ' έναν δεσμό υψηλής ενέργειας και έτσι μπο ρεί να μεταφερθεί εύκολα σε άλ/α μόρια. Μετά τη μεταφορά της
mo οξαλοξι
κό, ένα μόριο με τέσσερα άτομα άνθρακα, η ακετυλομάδα περνά σε μια σει
ρά αντιδράσεων που συλ/ογικά είναι γνωmές ως Kύκfloς του κιτρικού οξέος
(Citric acid cycle). Όπως θα δούμε σε λίγο, mις αντιδράσεις αυτές η ακετυλο CO Z και παράλ/ηλα παράγονται μεγάλες ποσότητες
μάδα οξειδώνεται σε
Η Αποδόμηση των Σακχάρων και των Λιπιδίων
529
Εικόνα
13-2. Απλοποιημένο
διάγραμμα των
τριών σταδίων του κυπαρικού μεταβολισμού στα ζωικά κύπαρα που οδηγούν από τις τρο φές στα άχρηστα προϊόντα. Από αυτή τη σει ρά των αvτιδράσεων παράγεται ΑΤΡ το οποίο στη συνέχεια χρησιμοποιείται για την προώθη ση βιοσυνθετικών αvτιδράσεων και άλλων διεργασιών του κυπάρου που απαιτούν ενέρ γεια, Το στάδιο ταρα, Το
1 εξελίσσεται έξω από τα κύτ στάδιο 2 διεξάγεται κυρίως στο κυτ
ταροδιάλυμα, εκτός από το τελικό βήμα της μετατροπής του πυροσταφυλικού σε ακετυλο
ΣΤΑΔΙΟ
1:
ΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΜΕΓΜΩΝ ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΩΝ ΣΕ ΑΠΛΕΣ ΥΠΟΜΟΝΑΔΕΣ
μάδες του ακετύλο-CοΑ, το οποίο πραγματο ποιείται στα μιτοχόνδρια. Το στάδιο
3 εξελίσ
σεται στα μιτοχόνδρια, ΣΤΑΔΙΟ
2:
ΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΜΙΚΡΩΝ ΥΠΟΜΟΝΑΔΩΝ ΣΕ ΑΚΔΕΥΛΟ-CοΑ
ΠΟΥ ΣΥΝΟΔΕΥΕΤΑΙ ΑΠΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΕΝΩΝ
ΠΟΣΟΤΗΤΩΝ ΑΤΡ ΚΑΙΝΑDΗ Ι
μιτοχονδριακές μεμβράνες
ΣΤΑΔΙΟ
.~-----,
3:
ΠΛΗΡΗΣ ΟΞΕΙΔΩΣΗ
ΤΟΥ ΑΚΕΤΥΛΟ-CοΑ ΣΕ Η 2 Ο ΚΑΙ
CO 2
ΣΥΝΟΔΕΥΟΜΕΝΗ ΑΠΟ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΜΕΓΜΩΝ
ΠΟΣΟΤΗΤΩΝ ΝΑDΗ ΚΑΙ ΑΤΡ
ΣΤΟ ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΟ
κυπαρική μεμβράνη του εuκα
ρυωτικού
κυπάροu
ΝΗ 3
CO 2
' - - - - - 1 άχρηστα πρOίάvτα1 - - - - _ - - /
NADH, ενός μορίου
που είναι σημανIlκός φορέας ηλεκτρονίων. Τελικά, τα η
λεκτρόνια υψηλής ενέργειας του
NADH μετακινούνται
κοτά μήκος μιας αλυ
σίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων που βρίσκεται μέσα οιην εσωτερική μιτοχον δριακή μεμβράνη. Εκεί, η ενέργεια που εκλύεται από τη μεταφορά τους χρη σιμοποιείται για να προωθήσει μια διεργασία που παράγει ΑΤΡ και κατανα
λώνει μοριακό οξυγόνο (02)' Κοτά τη διάρκεια ακριβώς αυτών των τελικών βημάτων, το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που εκλύεται από την οξείδωση
αξιοποιείται για την παραγωγή του περισσότερου ΑΤΡ του κυπάρου. Επειδή η ενέργεια που προάγει τη σύνθεση του ΑΤΡ οια μιτοΧόνδρια τε λικά προέρχεται από την οξειδωIlκή αποδόμηση των μορίων των τροφών, η
530
Κεφάλαιο 13: Τα Κύτταρα Αποκτούν Ενέργεια από τις Τροφές
φωσφορυλίωση του
ADP για το σχημαησμό
ΑΤΡ που προωθεί1ΟΙ από τη με
1Οφορά ηλεκτρονίων στο μιτοχόνδριο είναι γνωστή ως οξειδωπκn φωσφο
ρvίΊ[ωσn
(oxidative phosphorylation). Το παραγόμενο
ΑΤΡ με1Οκινείται από
το μιτοχόνδριο προς το κυτταροδιάλυμα, όπου είναι διαθέσιμο για ης ανά γκες του κυττάρου. Τα εντυπωσιακά γεγονό1Ο που συμβαίνουν μέσα στην ε σωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη κατά τη διάρκεια της οξειδωηκής φω
σφορυλίωσης αποτελούν το κύριο αντικείμενο του Κεφαλαίου
14.
Μέσω της παραγωγής του ΑΤΡ, η ενέργεια που προέρχεται από την απο
δόμηση των σακχάρων και των λιπών ανακα1Ονέμε1ΟΙ σε ξεχωριστά πακέ1Ο χημικής ενέργειας, εύχρηστης μορφής, για να χρησιμοποιηθεί σε άλ/α μέρη
του κυττάρου. Σε μια ορισμένη χρονική στιγμή, ένα συνηθισμένο κύτταρο
περιέχει περίπου 109 μόρια ΑΤΡ σε διάλυμα. Σε πολ/ά κύτταρα, όλος αυτός ο πληθυσμός των μορίων του ΑΤΡ ανακυκλώνεται (δηλαδή, χρησιμοποιείται
και αναπληρώνεται) κάθε
1-2 λεπτά της
ώρας.
Συνολικά, σχεδόν η μισή ποσότητα ενέργειας η οποία θεωρηηκά θα μπορούσε να προέλθει από την οξείδωση της γλυκόΖης ή των λιπαρών οξέ
ων σε Η 2 Ο και
CO2 «δεσμεύε1ΟΙ»
και χρησιμοποιείται για να προωθήσει την
ενεργειακά μη ευνοϊκή αντίδραση Ρί
+ ADP -7 ΑΤΡ. (Για λόγους σύγκρι
σης, μια σύγχρονη μηχανή καύσης, όπως η μηχανή ενός αυτοκινήτου, δεν μπορεί να με1Οτρέψει σε χρήσιμο έργο περισσότερο από το
20% της
διαθέ
σιμης ενέργειας των καυσίμων της). Η υπόλοιπη ενέργεια απελευθερώνεται από το κύτταρο υπό μορφή θερμότη1Ος και διατηρεί το σώμα μας Ζεστό.
Η γλυκόλυση είναι μια σημανIlκή οδός παραγωγής ΑΤΡ Η πιο σημαντική διεργασία κατά το δεύτερο στάδιο της αποδόμησης των μορίων των τροφών είναι η διάσπαση της γλυκόΖης μέσω της αλ/ηλουχίας α
ντιδράσεων που αναφέρονται με τον όρο γλυκόλυση
(glycolysis).
λυση παράγει ΑΤΡ χωρίς τη συμμετοχή μοριακού οξυγόνου (αέριο
Η γλυκό
02)' Εξε
λίσσεται στο κυτταροδιάλυμα των περισσότερων κυττάρων, ακόμα και σε πολ/ούς αναερόβιους μικροοργανισμούς (οι οποίοι Ζουν χωρίς να χρησιμο ποιούν μοριακό οξυγόνο). Η γλυκόλυση φαίνε1ΟΙ όη εξελίχθηκε σ' ένα πρώ ιμο στάδιο της ιστορίας της Ζωής, πριν από την εισαγωγή οξυγόνου στην α τμόσφαιρα από τη δραστηριότη1Ο των φωτοσυνθεηκών οργανισμών. Κατά τη διάρκεια της γλυκόλυση ς, ένα μόριο γλυκόΖης με έξι άτομα άν
θρακα με1Οτρέπε1ΟΙ σε δύο μόρια πυρoσraφυΛΙKoύ, το καθένα με τρία άτομα άνθρακα. Για κάθε μόριο γλυκόΖης, δύο μόρια ΑΤΡ υδρολύονται και παρέ χουν την ενέργεια που προωθεί 10 αρχικά βήμα1Ο, ενώ τέσσερα μόρια ΑΤΡ παράγονται στα τελευ1Οία βήμα1Ο. Συνεπώς, στο τέλος της γλυκόλυσης, για κάθε μόριο γλυκόΖης που αποδομείται προκύπτει καθαρό κέρδος δύο μο ρίωνΑΤΡ. Η γλυκολυηκή οδός παρουσιάΖε1ΟΙσυνοmικά στην Εικόνα 13-3 και πιο αναλυηκά στο Παράρτημα
13-1.
Περιλαμβάνει μια ακολουθία
10 ξεχωρι
στών αντιδράσεων, καθεμία από ης οποίες παράγει ένα διαφορεηκό υδα τανθρακικό ενδιάμεσο
(intermediate)
και κα1Ολύε1ΟΙ από ένα διαφορεηκό
ένΖυμο. Όπως ισχύει με 10 περισσότεραένΖυμα, όλα 10 ένΖυμα της γλυκόλυ-
Η Αποδόμησητων Σακχάρωνκαι των Λιπιδίων
531
Εικόνα
13-3. Συνοmlκή
λυσης. Καθένα από τα
απόδοση της γλυκό
10
~:'O">
βήματα της γλυκό
λυσης καταλύεται από ένα διαφορετικό ένζυ μο. Στο βήμα 4, μια εξόζη διασπάται σε δύο τριόζες. Έτσι, ο αριθμός των μορίων σε κάθε
ένα μόριο γλυκόζης
ΗΟ
επακόλουθο βήμα είναι διπλάσιος. Η φάση πα
_~
ραγωγής ενέργειας, η οποία οδηγεί σε σύνθε ση ΑΤΡ και ΝΑDΗ, αρχίζει στο βήμα
σης Παράρτημα
6 (βλ.
ΟΗ
επί
αποθεματικό ενέργειας για μελλοντική αξιοποίηση
ΟΗ
ΒΗΜΑ1
! ΒΗΜΑ2
13-1).
_~ ΒΗΜΑ3 1,6-διφωσφορική φρουκτόζη
ΘΟΗ 2 C
Ο
CΗρΘ
~H ΟΗ
διάσπαση μιας εξόζης
σε δύο τριόζες ΒΗΜΑ5
δύο μόρια 3-φωσφορικ.ής
γλυκεριναλδευδης
CHO
CHO
CHOH
CHOH Ι
Ι
Ι
Ι
CΗρΘ
ιmm:ι--1
---1 ! ! ---1
δύο μόρια πυροσταφυλικού
ΒΗΜΑ 6
ΒΗΜΑ7 ΒΗΜΑ8 ΒΗΜΑ9
ΒΗΜΑ10
COOΙ C= Ο Ι
CH 3
CΗρΘ
}-ιmm:ι
}--
! !
παραγωγή ενέργειας
}--
COOι C=O Ι CH 3
σης έχουν ονόματα με την κατάληξη -αση (π.χ. ισομεράσn και aφυδρογονά
an), τα οποία υποδηλώνουν το είδος της αντίδρασης που καταλύουν. Παρά το γεγονός ότι στη γλυκόλυση δεν εμπλέκεται το οξυγόνο, ωστόσο συμβαίνει οξείδωση, με την έwοια ότι ηλεκτρόνια αφαιρούνται από ορισμέ
να άτομα άνθρακα του μορίου της γλυκόΖης με την επέμβαση του πότε παράγεται
NADH).
NAD+ (ο
Ο σταδιακός χαρακτήρας της όλης διεργασίας επι
τρέπει να εκλύεται η ενέργεια της οξείδωσης κατά μικρές ποσότητες (μικρά
«πακέτα» ενέργειας). Έτσι, αντί ν' απελευθερωθεί στο σύνολό της υπό μορ φή θερμότητας, μεγάλο μέρος της ενέργειας φυλάσσεται σε μόρια-φορείς
(βλ. Εικόνα
13-1).
Συνεπώς, ένα μέρος της ενέργειας που εκλύεται από την
οξείδωση προωθεί την άμεση σύνθεση μορίων ΑΤΡ από
να άλ/ο μέρος παραμένει στα ηλεκτρόνια του
ADP και
Ρί, ενώ έ
NADH, που αποτελεί έναν φο
ρέα ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας. Κατά τη διάρκεια της γλυκόλυση ς, για κάθε μόριο γλυκόΖης σχηματίΖΟ νται δύο μόρια
532
NADH.
Κεφάλαιο 13: Τα Κύτταρα Αποκτούν Ενέργεια από τις Τροφές
Στους αερόβιους οργανισμούς (δηλαδή σε οργανι-
σμούς ΟΙ οποίοι για να επιβιώσουν απαιτούν μοριακό οξυγόνο), τα μόρια του
NADH
προσφέρουν τα ηλεκτρόνιά τους σων αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρο
νίων, που θ' αναλυθεί α/Ο Κεφάλαιο
14. Τα
ηλεκτρόνια μεταφέρOVΤαι κατά
μήκος της αλυσίδας προς το μοριακό οξυγόνο
(02)' σxηματίzovτας νερό, ε NADH χρησιμοποιείται ξα 6 α/Ο Παράρτημα 13-1).
νώ παράλ/ηλα το NAD+ που σχηματίΖεται από το νά α/η γλυκόλυση (βλ Βήμα
Οι Ζυμώσεις παράγουν ΑΤΡ υπό αναερόΒιες συνθήκες Για τα περισσότερα Ζωικά και φυτικά κύτταρα, η γλυκόλυση δεν είναι πα ρά ένα προοίμιο α/Ο τρίτο και τελικό α/άδιο της αποδόμησης των μορίων των τροφών. Στην περίπτωση αυτή, το πυΡΟα/αφυλικό που σχηματίΖεται α/Ο τε λευταίο βήμα του δεύτερου α/αδίου μεταφέρεται γρήγορα α/Ο μιτοχόνδριο,
όπου μετατρέπεται σε
CO2 και ακετυλο-CοΑ, το οποίο α/η συνέχεια οξειδώ νεται πλήρως προς CO2 και Η 2 ο. Για πολ/ούς, ωα/όσο, αναερόβιους οργα νισμούς, οι οποίοι δεν χρησιμοποιούν μοριακό οξυγόνο και είναι σε θέση ν'
αυξάνουν και να διαΙPOύVΤαι χωρίς
02'
η κύρια πηγή ΑΤΡ είναι η γλυκόλυ
ση. Το ίδιο ισχύει και για ορισμένους Ζωικούς Ια/ούς, όπως οι γραμμωτοί μύες, οι οποίοι συνεχίΖουν να λειτουργούν και σε έλ/ειμμα μοριακού οξυγό
νου. Σε αυτές τις αναερόβιες συνθήκες, το πυΡΟα/αφυλικό και τα ηλεκτρόνια
του
NADH παραμένουν
α/Ο κυτταροδιάλυμα. Το πυΡΟα/αφυλικό μετατρέπε
ται σε μόρια που απoβάλ/ovται από τα κύτταρα: για παράδειγμα, α/ους μύ κητες που xρησιμoπoιoύvται από τους Ζυθοποιούς και τους αρτοποιούς με
τατρέπεται σε αιθανόλη και
CO2,
ενώ α/ους μυς σε γαλακτικό οξύ. Κατά τη
διάρκεια των μετατροπών αυτών, το
NADH
αποδίδει τα ηλεκτρόνιά του και
μετατρέπεται ξανά σε NAD+. Η αναγέwηση του NAD+ είναι απαραίτητη για την εξέλιξη των αvτιδράσεων της γλυκόλυσης (Εικόνα
13-4).
Οι αναερόβιες οδοί παραγωγής ενέργειας (όπως αυτές που μόλις περι γράψαμε) αΠOKαλOύVΤαι Ζυμώσεις
(fermentations).
Οι μελέτες με αVΤΙKείμε
νο τις σημαVΤΙKές από εμπορική άποψη Ζυμώσεις που διεκπεραιώνουν οι Ζύ
μες προκάλεσαν ενδιαφέρον και ενέπνευσαν πολ/ές πρώιμες βιοχημικές έ ρευνες. Από τις σχετικές μελέτες, το
1896, προς
μεγάλη έκπληξη των ερευ
νητών, αναγivωρία/ηKε ότι οι διεργασίες αυτές ήταν δυνατό να μελετηθούν σε κυτταρικά εκχυλίσματα. Αυτή η επαναα/ατική ανακάλυψη τελικά επέτρε ψε να διαχωΡΙα/ούν και να μελετηθούν ανεξάρτητα οι ξεχωΡΙα/ές αvτιδρά σεις που απαρτίΖουν τη διεργασία της Ζύμωσης. Η σύνθεση ολόκληρης της
γλυκολυτικής οδού από τις επιμέρους αvτιδράσεις της επιτεύχθηκε τη δεκα ετία του
1930 και αποτελεί έναν από τους
Ερώτηση
13-1
Από πρώτη ματιά, η Ζύμωση μοιάΖει με μια προαιρετική πρόσθετη
αντίδραση
γλυκόλυση.
α/η
Ερμηνεύα/ε
γιατί τα κύτταρα που αυξά νουν υπό αναερόβιες συν
•,
θήκες δεν θα μπορούσαν απλώς ν' απο βάλλουν το πυΡΟα/αφυλικό ως άχρηα/Ο προϊόν. Ποια παράγωγα της γλυκόΖης
θα συσσωρεύονταν σε κύτταρα ανίκανα να παράγουν με Ζύμωση είτε γαλακτικό είτε αιθανόλη;
κυριότερους θριάμβους της βιοχη
μείας. Λίγο αργότερα αναγνωρία/ηκε και ο KεVΤΡΙKός ρόλος του ΑΤΡ α/ις
κυτταρικές διεργασίες.
Η γλυκόλυση δείχνει πώς εΠlΙυγχάνουν τα ένΖυμα τη σύΖευξη της οξείδωσης με την αποθήκευση ενέργειας Στο Κεφάλαιο
3 χρησιμοποιήσαμε το παράδειγμα της «φτερωτής» για να
ερμηνεύσουμε τον τρόπο με τον οποίο τα κύτταρα αποκομίΖουν χρήσιμη ε-
Η Αποδόμηση των Σακχάρων και των Λιπιδίων
533
Παράριημα
13-1. Λεπιομερήs
παρουσίαση ιων
10
βημάιων
rns
γλυκόλυσηs Για κάθε βήμα, το τμήμα του μορίου που μεταβάλλεται σκιάζεται με μπλε χρώμα ενώ το όνομα του ενζύμου που καταλύει την αντίδραση γράφεται μέσα σ' ένα κίτρινο ορθογώνιο
Βήμα
1
Η γλυκόζη φωσφορυλιώ νεται από το ΑΤΡ και έτσι Ο)(11ματίζεται ένα μόριο φωσφορικής γλυκόζης. Το αρνητικό φορτίο του φωσφορικού εμποδίζει τη δίοδο της φωσφορικής γλυκόζης διαμέσου της KUΠαΡΙKής μεμβράνης. Έτσι, η γλυκόζη παγιδεύεται στο εσωτερικό του KUΠάΡOυ
Ι Βήμα 2
"~:'O" >"
ΟΗ
"'C 11
Ο
5
H-C-OH
1
4 ΟΗ
ΗΟ
3
12 13
_ _ HO-C-H
_
Η
2
1CH 20H ισομεράση της φωσφορικής γλυκόζης
H-C-OH
14 15
H-C-OH
ΟΗ
β CΗ20 Θ
(μορφή δακτυλίου)
Ι
C=O
21 31 H-C-OH 41 H-C-OH 51
HO-C-H
(μορφή ανοικτής αλυσίδας)
β-φωσφορική γλυκόζη
Η νέα υδροξυλομάδα Θ
στο C-1φωσφορυλιώνεται από το
ΑΤΡ κατά"'!1ν~ρoετ~ιμασίαγια το
Ο)(11ματισμο δυο μοριων φωσφορι-
κών σακχάρων με τρία άτομα άνθρακα το καθένα. Η είσοδος των
σακχάρων στη γλυκόλυση ελέγχεται σε αυτό το βήμα μέσω του ενζύμου
κινάση της φωσφορικής φρουκτόζης (φωσφοφρουκτοκινάση)
Ι Βήμα 4
Ρ OH2C
Ο
CH20H
~O
(μορφή δακτυλίου)
βCΗΡΘ
(μορφή ανοικτής αλυσίδας)
Ι Βήμα 3
+
O~ /Η
μετακινειται απο το
αλδόζη μετατρέπεται σε μια κετόζη
+
Η
β-φωσφορικήγλυκόζη
Θ
δομής (ισομερίωση), το άτομο του οξυγόνου
1 (C-1) στο άτομο 2 (C-2). Έτσι μια
~:PΘ>
ΗΟ
ΟΗ
αναδιάταξη της χημικής ~β CΗΡ Ρ
άτομο άνθρακα
--
+ rm:ι
γλυκόζη
Με μια
εύκολα αντιστρεπτή
του Kαρ~oνυλίo.υ
εξοκινάση
β-φωσφορική φρουκτόζη
κινάση της φωσφορικής φρουκτόζης
+
ΟΗ
ΟΗ β-φωσφορική φρουκτόζη
1,β-διφωσφορική
Το άλλο προ'ίόν του
CΗΡΘ
CΗΡΘ
C=O
C=O
ι'
ι
προηγούμενου βήματος, η
φωσφορική διϋδροξυακετόνη υφίσταται ισομερίωση και μετατρέπεται σε 3-φωσφορική γλυκεριναλδεΟδη
φρουκτόζη
Ι
HO-C-H
Ι
αλδολάση
HO-C-H
Ι
Ι
Η
H-C-OH
Ι
+
H-C-OH
Ι
CΗΡΘ
(μορφή δακτυλίου)
(μορφή ανοικτής αλυσίδας)
1,β-διφωσφορική
Ι Βήμα 5
Το άλλο προϊόν του
προηγούμενου βήματος, η φωσφορική διϋδροξυακετόνη υφίσταται ισομερίωση και μετατρέπεται σε 3-φωσφορική γλυκεριναλδεΟδη
534
Κεφάλαιο
CΗΡΗ
Ι
φωσφορική διϋδροξυακετόνη
φρουκτόζη
ισομεράση των φωσφορικών τριαζών
C=O
ι
CΗΡΘ
Η" ,-90 ιY
C Ι
H-C-OH
Ι
CΗΡΘ
φωσφορική
3-φωσφορική
διϋδροξυακετόνη
γλυκεριναλδεΟδη
13: Τα Κύτταρα Αποκτούν Ενέργεια από τις Τροφές
3-φωσφορική γλυκεριναλδεΟδη
Ι Βήμα 6
Τα δύο μόρια 3-φωσφο-
αφυδρογονάαη της 3-φωσφορικής γλυκεριναλδεΟδης
O~ /Η ""'C
ρικής γλυκεριναλδεΟδης οξειδώνο νται. Στο βήμα αυτό αρχίζει η φάαη
Ι
παραγωγής ενέργειας, καθώς σχηματίζονται ΝΑDΗ και ένας ανυδριτικός δεσμός με το φωσφορικό, ο οποίος είναι δεσμός υψηλής ενέργειας (βλ. Εικόνα 13-5)
+
NAD+
""'cΙ
+®
H-C-OH
Ι
CΗΡ0
CΗΡ0 1,3-διφωσφογλυκερινικό
00
Ο
Η μεταφορά της
~
/ C Ι H-C-OH
φωσφορικής ομάδας υψηλής ενέργειας που σχηματίστηκε στο βήμα 6 σ' ένα μόριο ΑDΡ οδηγεί στην παραγωγή ΑΤΡ
Ι
CH 20
Ο
κινάαη του φωσφογλυκερινικού
0~
""'cΙ
+
CΗΡ0 3-φωσφογλυκερινικό
Ο φωσφοεστερικός
O~C/Oμουτάαη του φωσφογλυκερινικού
3-φωσφογλυκερινικό, όταν
ι H-c- 0
υδρολύεται αποδίδει σχετικά λιγότερη ποσότητα ελεύθερης ενέργειας. Ο δεσμός αυτός
Ι
0
CΗΡΗ
μετακινείται 'οπό το C-3 στο C-2, οπότε σχηματίζεται
2-φωσφογλυκερινικό
2-φωσφογλυκερινικό
Με αφαίρεαη νερού
από το 2-φωσφογλυκερινικό
ενολάαη
δημιουργείται ένας φωσφοενολικός δεσμός υψηλής ενέργειας
2-φωσφογλυκερινικό
Ι Βήμα 1Ο
+
Ι
0
δεσμός που απομένει στο
Ι Βήμα 9
/
H-C-OH
1,3-διφωσφογλυκερινικό
Βήμα 8
/00
H-C-OH
Ι
3-φωσφορική γλυκεριναλδεΟδη
Βήμα 7
O~
Η μεταφορά της
φωσφοενολοπυροσταφυλικό
0~C/
Ο
φωσφορικής ομάδας υψηλής ενέργειας που σχηματίστηκε στο βήμα 9 σ' ένα μόρια ΑDΡ οδηγεί στην παραγωγή ΑΤΡ. Έτσι ολοκληρώνεται η γλυκόλυαη
Ι C- 0
κινάαη του πυρασταφυλικού
O~C/O Ι
0
+
C=O
Ι
11
CH 2
CH 3
φωσφοενολοπυροσταφυλικό
πυροσταφυλικό
ΙΣΥΝΟΛΙΚΟ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ ΤΗΣ ΓΛΥΚΟΛΥΣΗΣ
CΗΡΗο
~
ΗΟ
ΟΗ
ΟΗ
ΟΗ
( (
••
{+ ιmτmι
~ ~ •
•
:
0-
O~C/ Ι
C=O
Ι
CH 3 γλυκόζη
Εκτός από το πυροσταφυλικό, όταν ολοκληρώνεται η γλυκόλυαη έχουν παραχθεί δύο μόρια ΑΤΡ και δύο μόρια ΝΑDΗ
δύο μόρια πυροσταφυλικού
Η Αποδόμηση των Σακχάρων και των Λιπιδίων
535
Εικόνα
13-4.
Η αποδόμηση του πυροσταφυ
(Α)
λlκού υπό αναερόβιες συνθήκες. (Α) Σε συν
ΖΥΜΩΣΗ ΠΟΥ ΟΔΗΓΕΙ ΣΤΟ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟ ΓΑΜΚΤΙΚΟΥ
θήκες έλλειψης οξυγόνου, για παράδειγμα σ' ένα μυΙκό κύπαρο που συστέλλεται έντονα, το πυροσταφυλικό που παράγεται από τη γλυκό
λυση μετατρέπεται σε γαλακτικό με το μηχανι σμό που αποδίδεται στη διπλανή εικόνα. Η α ντίδραση αυτή οδηγεί σε αναγέννηση του NAD+ το οποίο είχε καταναλωθεί στο βήμα 6 της γλυκόλυσης. Ωστόσο, η όλη οδός συνολι
Ο
κά αποδίδει πολύ λιγότερη ενέργεια από την πλήρη οξείδωση.
(8)
~ /
0-
Ο
σμούς, όπως οι ζυμομύκητες που αναmύσσο
Ι
νται υπό αναερόβιες συνθήκες, το πυροστα
CH 3
φυλικό μετατρέπεται μέσω της ακεταλδεΟδης σε διοξείδιο του άνθρακα και αιθανόλη, ενώ παράλληλα το NAD+ αναγεννάται από το
2χ
ΝΑΟΗ, όπως απαιτείται για να συνεχιστεί η γλυκόλυση. Τόσο το (Α) όσο και το
(8)
(Β)
γαλακτικό
ΖΥΜΩΣΗ ΠΟΥ ΟΔΗΓΕΙ ΣΤΟ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟ ΑΙΘΑΝΟΛΗΣ ΚΑΙ
αποτε
0-
C Ι H-C-OH Ι CH 3
C Ι C=O
Σε ορισμένους οργανι
~ /
CO 2
~λUKόζι}>
λούν παραδείγματα ζυμώσεων.
" . . . - - - - - - 2 NAD+ - . - - - - -_____
'-------. 2ΙΙΙΙ + 2Η+ Ο
~ /
2 NAD+
=<)
0-
C
Η
6=01 ?=0 6Η Η+ CH 3
2 χ ακεταλδεΟδη
3
2χ
CO 2
2χ
αιθανόλη
νέργεια από την οξείδωση των οργανικών μορίων, χρησιμοποιώντας ένΖυμα που εξασφαλίΖουν τη σύΖευξη μιας ενεργειακά μη ευνοϊκής αντίδρασης με
μια άλ/η ενεργειακά ευνοϊκή (βλ. Εικόνα
3-3!). Τα ένΖυμα παίΖουν το ρόλο
της «φτερωτής», Στο σημείο αυτό, θα επιmρέψουμε σ' ένα βήμα της γλυκό λυσης, το οποίο ήδη συΖητήσαμε, προκειμένου να δείξουμε πώς ακριβώς
πραγματοποιούνται οι συΖευγμένες αντιδράσεις. Δύο σημαντικές αντιδράσεις της γλυκόλυσης (τα βήματα
ράρτημα
13-1)
6 και 7 mo Πα
μετατρέπουν την 3-φωσφορική γλυκεριναλδευδη (μια αλ
δευδη), ένα υδατανθρακικό ενδιάμεσο με τρία άτομα άνθρακα, σε 3-φω σφογλυκερινικό οξύ (ένα καρβοξυλικό οξύ). Η μετατροπή αυτή περιλαμβά νει οξείδωση μιας αλδεϋδικής ομάδας σε μια ομάδα καρβοξυλικού οξέος και πραγματοποιείται σε δύο βήματα. Η συνολική αντίδραση απελευθερώνει αρκετή ελεύθερη ενέργεια για τη μετατροπή ενός μορίου
ADP σε ΑΤΡ
και τη
μεταφορά δύο ηλεκτρονίων από την αλδευδη
NADH.
Ταυτόχρονα, σημαντική ποσότητα
mo NAD + για το σχηματισμό ενέργειας εκλύεται mo περιβάλ
λον υπό μορφή θερμότητας, καθιmώντας έτσι τη συνολική αντίδραση ενερ Ο
γειακά ευνοϊκή (η ΔG για τη συνολική αντίδραση είναι
536
Κεφάλαιο 13 : Τα Κύτταρα Αποκτουν Ενέργεια από τις Τροφές
-3.0 kca1/mole).
Ο μηχανισμός με τον οποίο πραγματοποιείται το αξιοσημείωτο αυτό επί τευγμα αποδίδεται στην Εικόνα
13-5. Οι σχετικές
χημικές αντιδράσεις καθο
δηγούνται με ακρίβεια από δύο ένΖυμα με τα οποία συνδέονται ισχυρά τα υ δατανθρακικά ενδιάμεσα. Στην πραγματικότητα, όπως φαίνεται στην Εικόνα
13-5,10 πρώτο
ένΖυμο (αφυδρογονάση της 3-φωσφορικής γλυκεριναλ
δεϋδης), μέσω μιας δραστικής ομάδας -SH που περιέχει, συνδέεται με την αλδεϋδη μ' έναν βραχύβιο ομοιοπολικό δεσμό και καταλύει την οξείδωσή
της ενώ ακόμα είναι συνδεδεμένη στο ένΖυμο. Κατόπιν, ο δραστικός δεσμός ενΖύμου-υποστρώματος διασπάται από ένα ανόργανο φωσφορικό ιόν, οπό τε σχηματίΖεται ένα φωσφορικό ενδιάμεσο υψηλής ενέργειας που απελευ θερώνεται από το ένΖυμο. Το ενδιάμεσο αυτό συνδέεται με το δεύτερο ένΖυ μο (κινάση του φωσφογλυκερινικού οξέος), το οποίο καταλύει την ενεργεια κά ευνοϊκή μεταφορά του φωσφορικού υψηλής ενέργειας (που μόλις σχη
ματίστηκε) σ' ένα μόριο
ADP.
Έτοι, σχηματίΖεται ΑΤΡ και ολοκληρώνεται η
διεργασία οξείδωσης μιας αλδεϋδης σ' ένα καρβοξυλικό οξύ. Αναφερθήκαμε στη qυγκεκριμένη διεργασία οξείδωσης με περισσότε ρες λεπτομέρειες επειδή παρέχει ένα σαφές παράδειγμα για τη διαμεσολά βηση ενΖύμων κατά την αποθήκευση ενέργειας που επιτυγΧάνεται με τη σύ
Ζευξη αντιδράσεων (Εικόνα
13-6). Οι
αντιδράσεις αυτές (βήματα
6 και 7)
εί
ναι οι μόνες αντιδράσεις της γλυκόλυση ς οι οποίες δημιουργούν άμεσα έ ναν φωσφορικό δεσμό υψηλής ενέργειας από ανόργανο φωσφορικό. Για το
λόγο αυτό, είναι υπεύθυνες για το καθαρό κέρδος των δύο μορίων ΑΤΡ και
13-2
Το αρσενικό ιόν (AsO/) μοιάζει πολύ από χημική ά ποψη με τα φωσφορικά ιό
ντα (ρο/) και χρησιμοποι είται ως εναλ/ακτικό υπό
•,
στρωμα από πολ/ά ένΖυμα που απαιτούνφωσφορικό.Ωστόσο, αντί θετα απ' ό,τι συμβαίνει με το φωσφορι κό, ένας ανυδριτικόςδεσμός μεταξύ οξέ
δύο μορίων
Όπως
NADH ανά μόριο γλυκόΖης. είδαμε, 10 ΑΤΡ μπορεί να παραΧθεί εύκολα
Eρώmσn
από το
ADP όταν σχη
ματίΖονται ενδιάμεσα με φωσφορικούς δεσμούς υψηλότερης ενέργειας από
τους φωσφορικούς δεσμούς του ΑΤΡ. Οι φωσφορικοί δεσμοί μπορεί να τα Ο
ξινομηθούν με βάση την πρότυπη μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας (ΔG ) για τη διάσπαση του δεσμού με υδρόλυση. Στην Εικόνα
13-7, συγκρίνονται
οι υψηλής ενέργειας δεσμοί φωσφορικού ανυδρίτη του ΑΤΡ με ορισμένους
ων αρσενικού και καρβοξυί\ικούυδρο λύεται πολύ γρήγορα στο νερό. Με αυτό
το δεδομένο, εξηγείστεγιατίτο αρσενικό είναι η χημική ένωση που προτιμούν οι
δoiΊoφόνoιόχι όμως και τα κύπαρα. Δια μορφώστετην εξήγησή σας στα πί\αίωα
της Εικόνας 13-6.
άλ/ους φωσφορικούς δεσμούς.
Τόσο 10 σάΚΧορο όσο κοι 10 λίπη oπoδoμoύvτoισε οκετυλο-CοΑστο μιιοΧόνδριο Ας έλθουμε τώρα στο τρίτο στάδιο του καταβολισμού,μια διεργασία που απαιτείάφθονο μοριακό οξυγόνο (αέριο 02)' Η ατμόσφαιρα της γης απέκτη σε σημαντικές ποσότητες οξυγόνου πριν από ένα έως δύο δισεκατομμύρια χρόνια. Από την άλ/η πλευρά, γνωρίΖουμε ότι μορφές Ζωής είχαν ήδη εμ φανιστεί στη γη πριν από 3.5 δισεκατομμύρια χρόνια. Επομένως, η χρησιμο
ποίηση 02 στις αντιδράσεις που θα εξετάσουμε στη συνέχεια εικάΖεται ότι άρ χισε σχετικά πρόσφατα. Αντίθετα, ο μηχανισμός που χρησιμοποιείται για την
παραγωγή ΑΤΡ και περιγράφεται στην Εικόνα
13-5 δεν απαιτεί οξυγόνο.
Έ
τοι, φαίνεται ότι διεργασίες ανάλογες με αυτές τις δύο συΖευγμένες αντιδρά σεις (βήματα
6 και 7 της γλυκόλυσης)
είχαν ήδη αναπτυΧθεί σ' ένα πολύ
πρώιμο στάδιο κατά την ιστορία της Ζωής πάνω στη γη.
Στον αερόβιο μεταβολισμό, το πυροσταφυλικό που παράγεται από τη
Η Αποδόμηση των Σακχάρων και των Λιπιδίων
537
Εικόνα ματα
13-5. Αποθήκευση ενέργειας στα βή 6 και 7 της γλυκόλυσης. Στα βήματα αυ
τά, η οξείδωση μιας αλδεΟδης σ' ένα καρβοξυ λικό οξύ είναι συζευγμένη με το σχηματισμό Α ΤΡ και
NADH.
(Α) Το βήμα
6 αρχίζει με το
σχη
ματισμό ενός ομοιοπολικού δεσμού μεταξύ του υποστρώματος (3-φωσφορική γλυκερι ναλδεΟδη) και μιας ομάδας
-SH
που είναι ε
κτεθειμένη στην επιφάνεια του ενζύμου (αφυ δρογονάση της 3-φωσφορικής γλυκεριναλ δεΟδης). Κατόπιν το ένζυμο καταλύει τη μετα
φορά ενός υδρογόνου (στη μορφή ενός ιόντος υδριδίου, δηλαδή ενός πρωτονίου και δύο η λεκτρονίων) από το συνδεδεμένο υπόστρωμα
σ' ένα μόριο
NAD+. Ένα μέρος της ενέργειας
που εκλύεται κατά την οξείδωση χρησιμοποι
είται για το σχηματισμό ενός μορίου ΝΑDΗ ε νώ ένα άλλο μέρος για τη μετατροπή του αρχι
κού δεσμού μεταξύ ενζύμου και υποστρώμα τος σ' έναν θειολεστερικό δεσμό υψηλής ενέρ γειας (με κόκκινο χρώμα). Στη συνέχεια, ένα
μόριο ανόργανου φωσφορικού αντιδρά με τον θειολεστερικό δεσμό και αντ' αυτού σχηματί
ζει ένα νέο δεσμό μικτού φωσφορικού ανυδρί τη, υψηλής ενέργειας. Στο σημείο αυτό το έν ζυμο έχει αποθηκεύσει ενέργεια (με τη μορφή ΝΑDΗ) και επιπλέον έχει επιτύχει τη σύζευξη
της ενεργειακά ευνο'ίκής οξείδωσης μιας αλ δεΟδης με το μη ευνοϊκό σχηματισμό ενός φω σφορικού δεσμού υψηλής ενέργειας. Συνε πώς, η δεύτερη αντίδραση έχει προωθηθεί α πό την πρώτη, που δρα σαν τη «φτερωτή» της Εικόνας
3-31.
Στο βήμα
7, το
μόριο υψηλής ε
νέργειας που μόλις σχηματίστηκε
(1 ,3-διφω
σφογλυκερινικό), συνδέεται μ' ένα δεύτερο έν ζυμο, την κινάση του φωσφογλυκερινικού. Το
δραστικό φωσφορικό μεταφέρεται στο ΑDΡ, σχηματίζοντας έτσι ένα μόριο ΑΤΡ και αφήνο ντας πάνω στο οξειδωμένο σάκχαρο μια ελεύ θερη ομάδα καρβοξυλικού οξέος. (Β) Σύνοψη
της συνολικής χημικής μεταβολής που προκα λείται από τις αντιδράσεις 6 και 7.
(Β)
ΣΥΝΟΨΗ ΤΩΝ ΒΗΜΑΤΩΝ
6 ΚΑΙ 7 Μεγάλο μέρος από την ενέργεια της οξείδωσης έχει αποθηκευτεί στα ενεργοποιημένα μόρια-φορείς ΑΤΡ και NADH.
538
Κεφάλαιο 13: Τα Κύτταρα Αποκτούν Ενέργεια από τις Τροφές
ο
~/
ζευγμένων αντιδράσεων που σχηματίζουν
6-
λυσης. Η ενέργεια από την οξείδωση του δε
ο
~ /
ΝΑΟ
~ /
ο
C Ι
σχηματισμός δεσμού υψηλής ενέργειας
Ο
NADH και ΑΤΡ σμού
C-H
στα βήματα
6 καl7 της γλυκό
προωθεί το σχηματισμό ΝΑDΗ και
ενός φωσφορικού δεσμού υψηλής ενέργειας. Στη συνέχεια, η διάσπαση αυτού του δεσμού προωθεί το σχηματισμό ΑΤΡ.
Η
Ο
~/
ΟΗ
C Ι
ενέργεια οξείδωσης του δεσμού G-H
ΒΗΜΑ β
ΒΗΜΑ 7
-
η συνολική μεταβολή ενέργειας για τα βήματα β και
φωσφοενολικός
δεσμός
ο
ΗΡ
7 είναι
ευνοϊκή
(-3 kcal/mole)
φωσφοενολοπυροσταφυλικό (βλ Παράρτημα 4-1)
-14.8 - - -
για παράδειγμα 1,3-διφωσφογλυκερινικό (βλ Παράρτημα 4-1)
-11.7
ο
11 11 C-C-O-P-O-
με καρβοξύλιο
ρ-ο-
υδρόλυση δεσμού υψηλής ενέργειας
C Ι
ανυδριτικός δεσμός
Σχηματική απόδοση των συ
11
6-
C Ι
13-6.
ο
11
ρ-ο-
Ο
Εικόνα
ο
') 6-
:χ:
φωσφορικός δεσμός στη φωσφορική κρεατίνη
Ο
Η
+ΝΗ 2
~ Ι 11 11_ C-C-N-C-N-P-O -0/ Ι Ι ι' ι Η
~Ο
Ο
t Η) Ο
CH 3
φωσφορική κρεατίνη (ενεργοποιημένος φορέας που αποθηκεύει ενέργεια στους μυς)
~
-10.3
C-O-
Ζ
:χ:
Ι-
ΗΡ ανυδριτικός δεσμός με φωσφορικό (δεσμός φωσφορικού ανυδρίτη)
ο
C!J <Ι
ο
ο
ο
11
11
11
6-
6- J6-
ρ-ο-ρ-ο-ρ-ο-
για παράδειγμα. ΑΤΡ που υδρολύεται σε ΑΟΡ
-7.3
-5
Η 2Ο
Η φωσφοεστερικός δεσμός
C
Ι
11
~ ) 6-
είδος φωσφορικού δεσμού
Εικόνα
Ο
-c-o-p-oΗΡ
-10
a..
για παράδειγμα, β-φωσφορικήγλυκόζη (βλ Παράρτημα 4-1)
-3.3
ειδικά παραδείγματα που δείχνουν την πρότυπη μεταβολή ελεύθερης ενέργειας από την υδρόλυση διάφορων φωσφορικών δεσμών
Ο
13-7. Ενέργεια ορισμένων φωσφορικών δεσμών. Η μεταφορά μιας φωσφορικής ομάδας από οποιοδήποτε μόριο 1 σε οποιοδήπο
τε μόριο 2 είναι ενεργειακά ευν6ίκή αν η πρότυπη μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας (ΔGο) για την υδρόλυση του φωσφορικού δεσμού στο μόριο
1 είναι πιο αρνητική απ' ό,τι για την υδρόλυση του φωσφορικού δεσμού στο μόριο 2. Έτσι, Π.χ. μια φωσφορική ομάδα μπορεί να με 1,3-διφωσφογλυκερινικό στο ΑDΡ, οπότε σχηματίζεται ΑΤΡ. Η αvτίδραση της υδρόλυσης μπορεί να θεωρηθεί ως η
ταφερθεί εύκολα από το
μεταφορά της φωσφορικής ομάδας στο νερό.
Η Αποδόμηση των Σακχάρων και των Λιπιδίων
539
γλυκόλυση αποκαρβοξυλιώνετοι γρήγορα από ένα γιγανnαίο σύμπλεγμα τριών ενΖύμων, Υνωmό ως σύμπλεγμα της αφυδρογονάσης του πυροmαφυ
λικού οξέος
(pyruvate dehydrogenase complex).
βοξυλίωσηςτου πυροmαφυλικού είναι ένα μόριο
Τα προϊόντα της αποκαρ
CO2 (απόβλητο προϊόν)
έ
να μόριο ΝΑΟΗ και ακετύλο-CοΑ. Το σύμπλοκο Των τριών ενΖύμων εντοπί Ζετοι ma μιτοΧόνδριατων ευκαρυωnκώνκυπάρων. Η δομή και ο τρόπος λει τουργίας του παρουσιάΖονταισυνοπnκά mnv Εικόνα
13-8.
Τα ένΖυμα ΤΟ οποία αποδομούν ΤΟ λιπαρά οξέα που προέρχονται από ΤΟ λίπη επίσης παράγουν ακετύλο-CοΑ οξέος
(mn μορφή του
CoA) αποδομείτοι
ma μιτοΧόνδρια. Κάθε μόριο λιπαρού ενεργοπOlημένου μορίου λιπο-άκυλο-CοΑ, fatty acyl-
πλήρως σ' έναν κύκλο αντιδράσεων που αποκόπτουν κά
θε φορά δύο άτομα άνθρακα από το καρβοξυλικό άκρο του, σχημοτίΖοντος ένα μόριο ακετύλο-CοΑ σε κάθε γύρο του κύκλου. Κοτά τη διεργασία αυτή,
παράγονται επίσης ένα μόριο ΝΑΟΗ και ένα μόριο
FADH2 (Εικόνα 13-9).
Τα σάκχαρα και ΤΟ λίπη είναι ΟΙ κύριες πηγές ενέργειας για τους περισ
σότερους μη φωτοσυνθεnκούς οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένου και του ανθρώπου. Ωmόσο, το μεγαλύτερο μέρος της χρήσιμης ενέργειας που
εξάγετοι από την οξείδωση των σακΧάρων και των λιπών παραμένει αποθη κευμένο
ma
μόρια του ακετύλο-CοΑ ΤΟ οποία παράγονται από ΤΟ δύο είδη
αντιδράσεων που μόλις περιγράψαμε. Επομένως, ο κύκλος αντιδράσεων
. του
κιτρικού οξέος,
ται προς
CO2 και
mov
οποίο η ακεωλομάδα του ακετύλο-CοΑ οξειδώνε
Η 2 Ο, κοτέχει κεντρική θέση
mov μετοβολισμό
των αερό
βιων οργανισμών. Στους ευκαρυωnκούς οργανισμούς, όλες αυτές ΟΙ αντι δράσεις συμβαίνουν
ma
μποΧόνδρια, ΤΟ οργανίδια ma οποία κοτευθύνο
νται το πυροmαφυλικό οξύ και ΤΟ λιπαρά οξέα για την παραγωγή ακετύλο-
Εικόνα
13·8. Η
οξείδωση του πυροσταφυλι
κού σε ακετύλο-CοΑ και
CO 2 • (Α)
Η δομή του
συ μπλόκου της αφυδρογονάσης του πυρο σταφυλικού που περιέχει
60
8 τριμερή της αναγωγάσης τρανοακετυλάσης
του λιποαμιδίου
πολυπεπτιδικές
αλυσίδες. Το ένζυμο αυτό είναι υπόδειγμα ε νός μεγάλου πολυενζυμικού συμπλόκου, στο οποίο τα ενδιάμεσα των αντιδράσεων περνούν απευθείας από το ένα ένζυμο στο άλλο, Στα ευκαρυωτικά κύπαρα, εντοπίζεται στα μιτο χόνδρια, (Β) Οι αντιδράσεις που διεκπεραιώ νονται από το σύμπλοκο της αφυδρογονάσης
(Α)
του πυροσταφυλικού. Το σύμπλοκο αυτό με τατρέπει το πυροσταφυλικό σε ακετύλο-CοΑ
στο στρώμα των μιτοχονδρίων. Παράλληλα, παράγεται επίσης και Α, Β και
NADH. Με τα γράμματα C αντιπροσωπεύονται, αντιστοίχως,
τα ένζυμα αποκαρβοξυλάση του πυροσταφυλι κού, αναΥωΥάση-τΡανσακετυλάση του λιποαμι
δίου και αφυδΡΟΥονάση του διϋδρολιποϊκού, που απεικονίστηκαν στο (Α). Οι δράσεις των
τριών ενζύμων διασυνδέονται, όπως φαίνεται στην εικόνα.
540
Κεφάλαιο 13 : Τα Κύτταρα Αποκτούν Ενέργεια από ης Τροφές
+6
διμερή της
αφυδρογονάσης του διϋδρολιπο'ίκού
+ 12 διμερή της αποκαρβοξυλάσης του πυροοταφυλικού
(8)
(Α)
λιπο-ακυλο-CοΑ
R-CH 2-CH 2-
/
Ο
CH2-C,
/
S-CoA
υδρογονανθρακική ουρά
λιπο-ακυλο-CοΑ
Ο
2,
R-CH -C
βραχύτερο
κατά δύο
/
άτομα άνθρακα
επανάληψη του κύκλου ...
/
S-CoA
/
1
μm
11
FAD
S-CoA ακετυλο-CοΑ
ο
CH 2-O-C-
ο
CH 3 -C ,
υδρογονανθρακικήουρά
HS-CoA ο
CH -
Ο
11
C-
-
υδρογονανθρακική ουρά
ο 11
CH 2-O-C-
υδρογονανθρακικήουρά
LJ εστερικός
δεσμός
Εικόνα
13·9.
Η οξείδωση των λιπαρών οξέων σε ακετύλο·CοΑ. (Α) Ηλεκτρονική μικρογραφία ενός λιποσταγονιδίου στο KUΠαρόπλασμα
(πάνω) και δομή των λιπών (κάτω). Τα λίπη είναι τριακυλογλυκερόλες. Το τμήμα που αντιστοιχεί στη γλυκερόλη, με το οποίο συνδέονται τρεις αλυσίδες λιπαρών οξέων με εστερικούς δεσμούς, αποδίδεται με μπλε. Τα λίπη είναι αδιάλυτα στο νερό και σχηματίζουν μεγάλα λιπο σταγονίδια στα εξειδικευμένα λιποκύτταρα στα οποία αποθηκεύονται. (Με την άδεια του Daniel S. Friend). (Β) Ο κύκλος της οξείδωσης των λιπαρών οξέων. Ο κύκλος καταλύεται από μια σειρά τεσσάρων ενζύμων που εντοπίζονται στα μιτοχόνδρια. Σε κάθε γύρο, η αλυσίδα ενός λι παρού οξέος βραχύνεται κατά δύο άτομα άνθρακα (σημαίνονται με κόκκινο χρώμα), ενώ παράλληλα παράγονται ένα μόριο ακετύλο-CοΑ και από ένα μόριο ΝΑΟΗ και
FADH 2•
CoA (Εικόνα 13-10). Συνεπώς, δεν είναι παράδοξο το γεγονός όη σrα Ζωικά κύπαρα το μεγαλύτερο μέρος του ΑΤΡ παράγετοι σrα μnοΧόνδρια. ΑνΤίθετο, ΤΟ αερόβια βακτήρια διεκπεραιώνουν όλες ης ανΤιδράσεις τους, συμπερι λαμβανομένου και του κύκλου του κιτρικού οξέος, σ' ένα και μοναδικό δια μέρισμα, δηλαδή σro κυπαροδιάλυμα.
Πολ/ές κατοβολικές και α-
•
να βολικές ανΤιδράσεις βα
σίΖΟνΤαι σε ανπδράσεις ΟΙ οποίες είναι παρόμοιες αλ λά προχωρούν προς ανΤίθε τες κοτευθύνσεις. Χαρακτη
Ο κύκλος του κιτρικού οξέος παράγει ΝΑΟΗ με οξείδωση των ακετυλομάδων σε
Ερώmσn13-3
ρισrΙKό παράδειγμα είναι οι ανηδράσεις
CO 2
υδρόλυσης και συμπύκνωσης που περι
Τον δέκατο ένατο αιώνα, οι βιολόγοι παροτήρησαν όη υπό αναερόβιες
γράφΟνΤαι σrην Εικόνα
3-39. Αυτό ισχύ
συνθήκες ΤΟ κύπαρα παρήγαγαν γαλακηκό οξύ (π.χ. σroυς μυς) ή αιθανόλη
ει για Την αποδόμηση και Τη σύνθεση των
(π.χ. σroυς μύκητες), ενώ, ανΤίθετο, υπό αερόβιες συνθήκες κατονάλωναν
λιπαρών οξέων. Με βάση ό,η γνωρίΖετε
02 και παρήγαγαν CO 2 και Η 2 ο. Ακολούθησαν ενΤαηκές μελέτες που απο
σχεπκά με 10 μηχανισμό αποδόμησης
σκοπούσαν σro να διαλευκάνουν ης οδούς του αερόβιου μετοβολισμού. Οι
των λιπαρών οξέων που παρουσιάΖετοι
μελέτες αυτές τελικά επικενΤρώθηκαν σrην οξείδωση του πυρoσrαφυλΙKOύ
στην Εικόνα 13-9, τα λιπαρά οξέα που
και οδήγησαν, το 1937, σrην ανακάλυψη του κύκλου του κιτρικού οξέος (citric acid cycle), ο οποίος είναι επίσης γνωσrός και ως κύκί\ος των rρΙKap6o
βρίσκονται πιο συχνά στα κύπαρα, θα
ξυΛικών οξέων ή κύκί\ος του Κrebs. Στο περισσότερα κύπαρα, ο κύκλος του
ριθμό οτόμων άνθρακα;
περιμένοτε να έχουν άρπο ή περιπό α
Η Αποδόμηση των Σακχάρων και των Λιπιδίων
541
KUΠαΡΙKή μεμβράνη
σάκχαρα και πολυσακχαρίτες
λίπη
σάκχαρα
-------17--"
_
γλυκόζη
__
~
πυροσταφυλικό
--<
r-
πυροσταφυλικό
~
'" ....
: ~ΚετυλΟ-cΟ,
λιπαράοξέα ---------......,._λΙπαρά οξέα / -.:..
ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΟ
~
ΚΥΠΑΡΟΔΙΜΥΜΑ
Εικόνα
13-10. Οι
γενικές οδοί για την παρα
γωγή ακετύλο-CοΑ από τα σάκχαρα και τα λί πη. Στα ευκαρυωτικά κύπαρα, ακετύλο-CοΑ
σχηματίζεται από τα σάκχαρα και τα λίπη στα μιτοχόνδρια. Επομένως, στα οργανίδια αυτά
εξελίσσονται οι περισσότερες από τις οξειδω
κιτρικού οξέος διεκπεραιώνει περίπου τα
%του συνόλου των οξειδώσεων
των ενώσεων του άνθρακα. Τα κύρια τελικά προϊόντα της οξείδωσης είναι το
τικές αντιδράσεις του κυπάρου και εκεί παρά
CO2 και ηλεκτρόνια υψηλής ενέΡΥειας υπό μορφή NADH. Το CO2 αποβάλ
γεται το μεγαλύτερο μέρος του ΑΤΡ.
λεται ως άχρηστο προϊόν ενώ τα ηλεκτρόνια υψηλής ενέΡΥειας του ΝΑΟΗ
περνούν σε μια μεμβρανική αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων και τελικά α
ντιδρούν με το οξυΥόνο
(02)'
παράΥοντας έτσι Η 2 ο. Ο ίδιος ο κύκλος του κι
τρικού οξέος δεν χρησιμοποιεί
02'
Ωστόσο, χρειάΖεται
02 Υια να
προχωρή
σει εφόσον δεν υπάρχει άλ/ος αποτελεσματικός τρόπος ώστε το ΝΑΟΗ ν' α
παλ/αΥεί από τα ηλεκτρόνιά του και ν' αναΥεwηθείτο
NAD+ που είναι απα
ραίτητο Υια τη συνέχιση του κύκλου.
Ο κύκλος του κιτρικού οξέος διεκπεραιώνεται μέσα στα μιτοχόνδρια των ευκαρυωτικών κυπάρων και οδηΥεί σε πλήρη οξείδωση των ατόμων του άν
θρακα της ακετυλομάδας του ακετύλο-CοΑ, μετατρέποντάς τα σε
CO 2 .
Η ί
δια η ακετυλομάδα δεν οξειδώνεται απευθείας. Αντίθετα, μεταφέρεται από το ακετύλο-CοΑ στο oξaiΊoξIKό, ένα μεΥαλύτερο μόριο με τέσσερα άτομα άν θρακα. Έτσι σχηματίΖεται ένα τρικαρβοξυλικό οξύ με έξι άτομα άνθρακα, το
κπρικό οξύ, από το οποίο παίρνει τ' όνομά του ο κύκλος αντιδράσεων που α κολουθούν. Κατόπιν, το μόριο του κιτρικού οξέος οξειδώνεται σταδιακά και η ενέΡΥεια αυτής της οξείδωσης αξιοποιείται Υια την παραΥωΥή μορίων-φο ρέων υψηλής ενέΡΥειας, περίπου κατά τον ίδιο τρόπο που πεΡΙΥράφηκε Υια τη Υλυκόλυση. Η ακολουθία των οκτώ αντιδράσεων σχηματίΖει έναν κύκλο
επειδή στο τέλος το οξαλοξικό αναΥεwάται και εισέρχεται σ' ένα νέο Υύρο του κύκλου (Εικόνα
13-11).
Μέχρι τώρα έχουμε αναφερθεί μόνο στο ένα από τα τρία είδη μορίων
φορέων που παράΥΟνται από τον κύκλο του κιτρικού οξέος, το ΝΑΟΗ. Σε κάθε Υύρο του κύκλου, εκτός από τα τρία μόρια ΝΑΟΗ παράΥΟνται επίσης έ
FADH2 (ανηΥμένο φλαβινο-αδενινο-δινουκλεοτίδιο) από το FAD και ένα μόριο του ριβονουκλεοτιδίου GTP (τριφωσφορική Υουανοσίνη) από
να μόριο το
GDP (βλ.
Εικόνα
13-11). Η δομή του FADH2 και του GTP παρουσιάΖεται στην Εικόνα 13-12. Το GTP συΥΥενεύει στενά με το ΑΤΡ. Από τη μεταφορά της τελικής φωσφορικής ομάδας του στο ADP, σε κάθε κύκλο παράΥεται ένα μόριο ΑΤΡ. Το FADH 2, όπως και το NADH, είναι φορέας ηλεκτρονίων υψη λής ενέΡΥειας και υδΡΟΥόνου. Η ενέΡΥεια που αποθηκεύεται στα ηλεκτρό νια υψηλής ενέΡΥειας των ΝΑΟΗ και
FADH2 (τα
οποία μεταφέρονται εύκο
λα) χρησιμοποιείται αΡΥότερα Υια τη σύνθεση ΑΤΡ, μέσω της διεΡΥασίας της
542
Κεφάλαιο 13 : Τα Κύτταρα Αποκτούν Ενέργεια από ης Τροφές
Εικόνα
ο
H3 C - C - S-CoA
για το σχηματισμό κιτρικού οξέος. Σε κάθε γύ
2C
6C
ΒΗΜΑ1
1!m:I~
+Η+
ρο του κύκλου, παράγονται δύο μόρια
~ '.ρ.,
4C
~
ΒΗΜΑ2
6C
ΒΗΜΑ 8
t:
ΒΗΜΑ3
4C
\ΗΜΑ7 4C
18
ΒΗΜΑ 5 4C,
4C
~
CO 2 ως
άχρηστα προ'ίόντα και, επιπλέον, τρία μόρια ΝΑΟΗ, ένα μόριο GTP και ένα μόριο FADH 2• Ο αριθμός ατόμων άνθρακα κάθε ενδιαμέσου γράφεται σ' ένα κίτρινο κουτάκι.
1!m:I+ Η+ CO 2
ΒΗΜΑ4 Ζ
~ Ι
Απλή απόδοση του κύκλου
αντίδραση του ακετύλο-CοΑ με το οξαλοξικό
ακετυλο-CοΑ
,_.',
13-11.
του κιτρικού οξέος. Ο κύκλος αρχίζει με την
11
"'1!m:I+ Η+ CO 2
r:m
ΚΑΘΑΡΟ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ: ΕΝΑΣ ΓΎΡΟΣ ΤΟΥ ΚΥΚΛΟΥ ΠΑΡΑΓΕΙ ΤΡΙΑ ΝΑΟΗ, ΕΝΑ
GTP ΚΑΙ ΕΝΑ FADH 2 ΚΑΙ ΕΚΛΥΕΙ ΔΥΟ ΜΟΡΙΑ CO 2
οξειδωπκής φωσφορυΝωσης. Είναι το μοναδικό βήμα στον οξειδωτικό κα
ταβολισμό των μορίων των τροφών που απαιτεί άμεσα αέριο οξυγόνο
(02) α
πό την ατμόσφαιρα.
Ο πλήρης κύκλος του κιτρικού οξέος παρουσιάΖεται στο Παράρτημα
2. Τα άτομα του οξυγόνου
που απαιτούνται για την παραγωγή
13CO2 από τις α
κετυλομάδες που εισέρχονται στον κύκλο του κιτρικού οξέος δεν προέρχο-
2Η+
FAD
2e
_l"","--_l-",--__ ra
IFADI (Β)
Εικόνα
13·12. Η δομή του GTP και του FADH 2 . (Α) Το GTP και το GDP είναι στενοί συγγενείς των ΑΤΡ και ΑΟΡ, αντιστοίχως. (Β) Το FADH 2 NADPH. Στην εικόνα αυτή αποδίδεται στην οξειδωμένη του (FAD). Τα άτομα που μεταφέρουν υδρογόνα σημαίνονται με κίτρινο χρώμα.
είναι φορέας υδρογόνων και ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας, όπως και τα ΝΑΟΗ και μορφή
Η Αποδόμηση των Σακχάρων και των Λιπιδίων
543
Ισιορική Αναδρομή: Η ανακάλυψη ιου κύκλου ιου κιιρικού οξέοs «Συχνά με ρωτούσαν πώς ξεκίνησε και πώς ολοκληρώθηκε ο κύ κλος του κιτρικού οξέος». Αυτά δήλωνε ο βιοχημικός
Hans Krebs
ΠΥΡΟΣΤΑΦΥΛΙΚΟ
στην ομιλία του κατά την απονομή του Βραβείου Νόμπελ για την α
νακάλυψη του κύκλου των αντιδράσεων που βρίσκονται στην «καρ διά» του κυπαρικού μεταβολισμού. Επρόκειτο μήπως για μια ξαφ νική έμπνευση, ένα όραμα; Η απάντηση του νώς αρνητική. Ο
Krebs
Krebs ήταν καταφα
συνειδητοποίησε ότι οι σχετικές αντιδρά
σεις εξελίσσονται κυκλικά και όχι γραμμικά μέσω μιας «πολύ βρα δείας εξελικτικής διεργασίας» που κράτησε πέντε χρόνια. Κατά τη διάρκεια αυτών των πέντε χρόνων, ο
Α
κιτρικό
Β
ισοκιτρικό
•
Krebs συνδύασε τη διαίσθηση
ΝΑDΗ
και τη λογική με τον προσεκτικό πειραματισμό και κατόρθωσε ν' α νακαλύψει μια από τις κεντρικές οδούς του ενεργειακού μεταβολι
+ Η+
C
α-KετoγλouταΡΙKό
Ο
ηλεκτρυλο-CοΑ
Ε
ηλεκτρικό
σμού στα κύπαρα. Πολτοποιημένοι ιστοί, παράδοξη κατάλυση Στις αρχές της δεκαετίας του
1930, ο Krebs και άλλοι
ερευνητές
είχαν ανακαλύψει μια επίλεκτη ομάδα μορίων που οξειδώνονταν ε
ντυπωσιακά γρήγορα σε ποικίλα ιστικά παρασκευάσματα, πχ το
• •
μές νεφρού και ήπατος ή εναιωρήματα πολτοποιημένου μυός πε ριστεριού. Επειδή αυτές οι αντιδράσεις εξαρτώνται από την πα F
φουμαρικό
G
μηλικό
ρουσία του οξυγόνου, οι ερευνητές υπέθεσαν ότι στην «επίλεκτη» ομάδα ενώσεων θα ήταν πιθανό να συμπεριλαμβάνονται ενδιάμε σα με σημαντικό ρόλο στην κυπαρική αναπνοή, δηλαδή στη διερ γασία κατανάλωσης του 02 και παραγωγής CO 2 που συνοδεύει τον μεταβολισμό των μορίων των τροφών. Χρησιμοποιώντας τους ιστικούς πολτούς, ο
FADH 2
ΝΑDΗ
Krebs και άλλοι ε
Η
ρευνητές πραγματοποίησαν τις εξής παρατηρήσεις. Πρώτον, υπό
--1_/1
+ Η2
οξαλοξικό
αερόβιες συνθήκες, μερικά οργανικά οξέα (κιτρικό, ηλεκτρικό, φουμαρικό και μηλικό) οξειδώνονται εύκολα σε διοξείδιο του άν
θρακα. Αυτές οι αντιδράσεις εξαρτώνται από τη συνεχή παροχή ο ξυγόνου. Δεύτερον, η οξείδωση αυτών των ενώσεων εξελίσσεται κατά ζεύγη γραμμικών διαδοχικών οδών:
Εικόνα
13-13.
Απλουστευμένη αναπαράσταση του κύκλου
του κυκλικού οξέος: κατανάλωση 02 και απελευθέρωση CO 2
από την οξείδωση των μοριακών ενδιαμέσων του κύκλου.
κιτρικό -7 α-κετογλουταρικό-7 ηλεκτρικό
τυπώσει τη θεωρία του κύκλου του κιτρικού οξέος προήλθαν από
ηλεκτρικό -7 φουμαρικό -7 μηλικό -7 οξαλοξικό
πειράματα με το μηλονικό, ένα δηλητήριο που προκαλεί ειδική ανα στολή της αφυδρογονάσης του ηλεκτρικού, του ενζύμου που μετα
και
Τρίτον, η προσθήκη μικρώνποσοτήτωναρκετών από αυτές τις ε νώσεις σε εναιωρήματαπολτοποιημένουμυός πυροδοτούσε μια
ασυνήθιστα μεγάλη πρόσληψη οξυγόνου, κατά πολύ μεγαλύτερη
τρέπει το μόριο Ε στο μόριο
F.
Το μηλονικό μοιάζει πολύ με το ηλε
κτρικό (Εικόνα 13-14) και δρα ως συναγωνιστικός αναστολέας του ενζύμου. Επειδή η προσθήκη του μηλονικού δηλητηριάζει την ανα
από την αναγκαία για την οξείδωση των προστιθέμενωνμορίων.
πνοή στους ιστούς, ο
Για να ερμηνεύσει αυτή την παράδοξη παρατήρηση, ο A/bert Szent-Gybrgyi (κάτοχος Βραβείου Νόμπελ που διαλεύκανε τη δεύ
χημική οδός) πρέπει να παίζει βασικό ρόλο στην KUΠαΡΙKή αναπνοή.
τερη από τις παραπάνω οδούς) πρότεινε ότι ένα μόριο από κάθε έ νωση πρέπει με κάποιο τρόπο να δρα καταλυτικά για να διεγείρει την οξείδωση πολλών μορίων μιας ενδογενούς ένωσης του μυός.
Σε εκείνη τη φάση είχαν πλέον γίνει γνωστές οι περισσότερες από
Krebs καl'έληξε στο συμπέρασμα ότι η αφυ
δρογονάση του ηλεκτρικού (όπως και ολόκληρη η σχετιζόμενη βιο Στη συνέχεια ο
Krebs ανακάλυψε ότι η προσθήκη Α, Β ή C στα
δηλητηριασμένα εναιωρήματα προκαλούσε συσσώρευση Ε (Εικό να 13-15Α). Αυτή η παρατήρηση υπογραμμίζει τη σημασία της α φυδρογονάσης του ηλεκτρικού στην κυπαρική αναπνοή. Επίσης,
τις βασικές αντιδράσεις του κύκλου του κιτρικού οξέος. Αυτό που πα ρέμενε άγνωστο
- και συνέχισε να προξενεί μεγάλη σύγχυση, ακόμα
COO-
και σε μελλοντικούς κατόχους Βραβείου Νόμπελ - ήταν πώς αυτές οι
Ι
COO-
Ι
φαινομενικά γραμμικές αντιδράσεις κατέλυαν μια τέτοια καταλυτική
CH 2
CH 2
κατανάλωση οξυγόνου, κατά την οποία κάθε μόριο του μεταβολίτη
coo-
CH 2
Ι
πυροδοτεί την οξείδωση πολύ περισσότερων μορίων. Για να κατα νοήσουμε πώς τελικά ο
Krebs έλυσε το αίνιγμα, συνδέοντας αυτές μαλονικό
Εικόνα
544
Κεφάλαιο 13: Τα Κύτταρα Αποκτούν Ενέργεια από τις Τροφές
Ι
COO-
τις γραμμικές αντιδράσεις σ' έναν κύκλο, θα δώσουμε στα μόρια που εμπλέκονται στις αντιδράσεις τα σύμβολα Α έως Η (Εικόνα 13-13).
Ένα δηλητήριο υποδηλώνει τη λειτουργία ενός κύκλου Πολλές από τις ενδείξεις που χρησιμοποίησε ο Krebs για να δια-
t
13-14.
ηλεκτρικό
Η δομή του μαλονικού μοιάζει πολύ με τη δομή
του ηλεκτρικού.
.
πυροσταφυλικό αφθονεί στους πολτοποιημένους ιστούς και μπο
χορήγηση Α
(Α)
ρεί να παραχθεί εύκολα με γλυκόλυση από τη γλυκόζη που προέρ
συσσώρευση Ε
... A_B_C_D_Et
F _
G_
H
...
(Β)
ριο πυροσταφυλικού. Αν τα ενδιάμεσα Α έως Η βρίσκονται σε χα μηλή συγκέντρωση, τότε η ταχύτητα λειτουργίας του κύκλου θα εί
..
ναι μικρή. Η προσθήκη οποιουδήποτε από αυτά τα ενδιάμεσα θα έ
χορήγηση G
A_B_C_D_Et F _
G_
χει εντυπωσιακές επιmώσεις στην ταχύτητα λειτουργίας ολόκλη
H
δηλητηρίαση παρασκευασμάτων από μυς με
μαλονικό προσέφερε ενδείξεις για την κυκλική φύση αυτών των οξειδωτικών αντιδράσεων. (Α) Η προσθήκη Α,
8 ή C σε πα
ρασκεύασμα μυός που έχει δηλητηριαστεί με μαλονικό προκα λεί συσσώρευση του Ε.
(8)
Η προσθήκη των
13-16), Εύκολα κατανοεί κανείς πώς επι
σθήκη κάθε επιπλέον μορίου ενός ενδιαμέσου του κύκλου του κι
μαλονικό
13-15. Η
ρου του κύκλου (Εικόνα
τυγχάνεται η οξείδωση μεγάλου αριθμού μορίων πυροσταφυλικού
και γιατί συμβαίνει τόσο μεγάλη κατανάλωση οξυγόνου με την προ
αναστολή με
Εικόνα
13-3). Η οξεί
δωσή του προϋποθέτει τη λειτουργία του κύκλου του κιτρικού οξέ ος, κατά την οποία σε κάθε γύρο του κύκλου οξειδώνεται ένα μό
αναστολή με μαλονικό
συσσώρευση Ε
χεται από τ' αποθέματα του γλυκογόνου (βλ. Εικόνα
F, G ή
Η στο ίδιο
παρασκεύασμα επίσης προκαλεί συσσώρευση του Ε. Αυτό το αποτέλεσμα υποδηλώνει ότι οι ενζυματικές αντιδράσεις μπορεί να μετατρέψουν τα παραπάνω μόρια σε Ε. Η ανακάλυψη ότι το
κιτρικό (Α) μπορεί να σχημcπιστεί από οξαλοξικό (Η) και πυρο
σταφυλικό οδήγησε τον Krebs να συνδέσει αυτές τις δύο οδούς αντιδράσεων σ' έναν πλήρη κύκλο.
τρικού οξέος. Συνεχίζοντας τις μελέτες του, ο
Krebs
απέδειξε ότι όλες οι α
ντιδράσεις του κύκλου που πρότεινε πραγματοποιούνται σε ιστι
κά παρασκευάσματα και μάλιστα με τόσο υψηλή ταχύτητα ώστε να εξηγείται η ταχύτητα κατανάλωσης του πυροσταφυλικού και
του οξυγόνου σε αυτούς τους ιστούς. Έτσι, ο
Krebs
κατέληξε
στο συμπέρασμα ότι η συγκεκριμένη σειρά αντιδράσεων ήταν η κύρια, αν όχι η αποκλειστική οδός για την οξείδωση του πυρο
σταφυλικού
- τουλάχιστον στους
μυς. Ταιριάζοντας τα διάφορα
πειραματικά δεδομένα, σαν τα κομμάτια ενός παζλ, και αναζητώ ντας τα στοιχεία που έλειπαν, ο
Krebs
κατέληξε σε μια πειστική
εικόνα των μεταβολικών διεργασιών που εμπλέκονται στην οξεί
δωση των μορίων των τροφών. Είναι αξιοσημείωτο ότι διαλεύκα νε αυτή την περίπλοκη μεταβολική οδό χωρίς τη βοήθεια αντι όμως, βρήκε ότι Ε συσσωρεύεται και όταν στο παρασκεύασμα F, G ή Η (Εικόνα 13-158). Αυτό το αποτέλεσμα υποδη
δραστηρίων τα οποία θεωρούνται απαραίτητα από τους σύγχρο
προστεθεί
νους βιοχημικούς, όπως οι ραδιενεργοί δείκτες που επιτρέπουν
λώνει ότι πρέπει να υπάρχει ένα επιπρόσθετο σύνολο αντιδράσεων
την παρακολούθηση της πορείας σημασμένων ενώσεων κατά μή
για τη μετατροπή των πρόδρομο μόριο των
F, G και Η σε Η, εφόσον το Ε ήταν γνωστό ως F, G και Η παρά ως πρσ'ίόν τους.
Την ίδια περίπου εποχή ο
Krebs διαπίστωσε
ότι η προσθήκη πυ
κος των μεταβολικών οδών, ή τεχνικών, όπως η φασματομετρία μαζών, που επιτρέπουν την ταχεία αναγνώριση των διάφορων χη μικών ενδιαμέσων μιας βιοχημικής οδού.
ροσταφυλικού και οξαλοξικού σε εναιωρήματα μυός περιστεριού
προκαλούσε το σχηματισμό κιτρικού: πυροσταφυλικό
+ οξαλοξικό --7
κιτρικό
μικρή κατανάλωση πυροσταφυλικού:
ή πυροσταφυλικό
+ Η --7 Α
Αυτή η παρατήρηση οδήγησε τον
Krebs να υποθέσει
ότι υπό αερόβιες
μεγάλη κατανάλωση πυροσταφυλικού: ο κύκλος περιστρέφεται γρήγορα επειδή παράγονται μεγάλες ποσότητες των ενδιαμέσων (Α έως Η)
ο κύκλος περιστρέφεται αργά επειδή οι συγκεντρώσεις των ενδιαμέσων είναι χαμηλές πυροσταφυλικό
πυροσταφυλικό
πυροσταφυλικό
συνθήκες, το πυροσταφυλικό συ μπυκνώνεται με το Η για να σχηματί σει Α: έτσι, η γραμμική σειρά αντι δράσεων στην ουσία ήταν μια κυκλι κή ακολουθία (βλ. Εικόνα
13-13). Ω
στόσο, η ανακάλυψη ότι το ακετυλο
CoA
δρα ως ενδιάμεσο ανάμεσα
στο πυροσταφυλικό και το οξαλοξι
κό δεν πραγματοποιήθηκε παρά μό νο μετά μια δεκαετία.
Η ερμηνεία του μυστηρίου των διεγερτικών επιδράσεων Ο κύκλος των αντιδράσεων που προτάθηκε από τον
Krebs
σαφώς
ερμήνευσε πώς η προσθήκη μικρών
ποσοτήτων οποιουδήποτε από τα ενδιάμεσα Α έως Η θα μπορούσε να προκαλέσει τη μεγάλη αύξηση της πρόσληψης μοριακού οξυγόνου. Το
ΚΑΘΑΡΟ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ:
ΠΡΟΣΘΗΚΗ ΜΕΓΜΗΣ ΠΟΣΟΤΗΤΑΣ
χαμηλή πρόσληψη 02 επειδή η ποσότητατων παραγόμενων ΝΑΟΗ και FADH 2 είναι μικρή και δεν συντηρεί αποτελεσματικά την οξειδωτική φωσφορυλίωση (βλ. Εικόνα 13-17)
ΟΠΟΙΟΥΔΗΠΟΤΕ ΕΝΔΙΑΜΕΣΟΥ, πχ ΤΟΥ Ε
Εικόνα
13-16. Η
ΚΑΘΑΡΟ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ: υψηλή πρόσληψη 02 επειδή παράγονταιμεγάλες ποσότητες ΝΑΟΗ και FADH 2 που συντηρούν την οξειδωτική φωσφορυλίωση (βλ. Εικόνα 13-17)
αναπλήρωση οποιουδήποτε ενδιαμέσου έχει εντυπωσιακές επιmώσεις στην
ταχύτητα με την οποία λειτουργεί ολόκληρος ο κύκλος του κιτρικού οξέος.
Παράριnμα
Ο πλήρns κύκλοs ιου κιιρικού οξέοs
13-2.
Ο πλήρης κύκλος του κιτρικού οξέος. Τα δύο
άτομα άνθρακα του ακετυλο-CοΑ που εισέρχονται σ' αυτό το γύρο του κύκλου
(σκιάζονται με σε
CO 2
όκκινο χρώμα) θα μετατραπούν
σε επόμενους γύρους του κύκλου. Στον
κύκλο αυτό, σε
CO 2
μετατρέπονται τα δύο
άτομα άνθρακα που σκιάζονται με μπλε χρώμα
a D + H+
NAO~)
>-:-
000-
Step 8
,-Ι
000tH ισοκιτρικό (6C)
9 Η2
'Τ 2
HC-COO
COOOξaλOξΙKό (4C)
H-~-OH 9Η2
100-
qJ=O
μηλικό
ι
HO-CH
(4C)
COO-
COO-
ΚΥΚΛΟΣ κιτρικογ ΟΞΕΟΣ
~
'--"
ρ
Βήμα
φουμαρικό (4C)
Βήμα
7
α-κετογλουταρικό(5C)
000-
ηλεκτρυλο-CοΑ (4C)
ηλεκτρικό (4C)
CH
COOtH
'1
Ι
9Η Βήμα
COO-
6
Ι
ιoo~
C=O
aD+H+
CO 2
_
COO
9 Η2
~) lIiIίMIiJ
2
9 Η2 Ι
~H2
ΊE
NAD+
3
C=O Ι S-CoA
FAD
HS-CoA
Τα οκτώ βήματα παρουσιάζονταιλεmομερώς στη συνέχεια. Για κάθε βήμα, το τμήμα του μορίου που μεταβάλλεταισκιάζεται με μπλε χρώμα, ενώ το όνομα του ενζύμου που καταλύει την αντίδραση γράφεται σ' ένα κίτρινο ορθογώνιο
Ι
Βήμα 1
ι..
Αρχικά, με τη
δράση ενός ενζύμου,
COO-
ένα πρωτόνιο αφαίρειται από την ομάδα CH 3 του ακετυλο-CοΑ. O=C-S-CoA Το φορτισμένο αρνητικά CH 2που σχηματίζεται, συνδέεται Ι με το άτομο άνθρακα ενός CH 3 καρβονυλίου του OξaλOξΙKOύ.
Ι
C=
Ι
+
CH 2
Ι
COO-
Κατόπιν ελευθερώνεται το συνένζυμο Α (CoA). Από την υδρόλυση αυτή απελευθερώνεται σημαντική
ποσότητα ελεύθερης ενέργειας
που προωθεί ισχυρά την
Ο
.
O=C-S-CoA
-
CH 2 Ι HO-C-COO-
συνθαση ;ου κιτρικου
Σε μια αντίδραση
ισομερίωσης, στην οποία αρχικά αφαιρείται και κατόπιν επανα προστίθεται νερό, η υδροξυλο μάδα μετακινείται από ένα άτομο άνθρακα στο γειτονικό άτομο
HS-CoA + Η+
Ι
Ι
COOλ
C
ακετυ 0- ο
Α
OξaλOξΙKό
S-κιτρυλο-CοΑ ενδιάμεσο προ'ίόν
COO-
Ι
H-C-H Ι HO-C-COOΙ H-C-H Ι COO-
ΗΡ
ακοτινάση
J•
κιτρικό
546
+
CH 2
αντίδραση προς τα δεξιά
Ι Βήμα 2
Ι
Κεφάλαιο 13: Τα Κύτταρα Αποκτούν Ενέργεια από τις Τροφές
COO
Ι
H-C-H Ι C-COO11
C-H
Ι
COOc;s-οκονιτικό ενδιάμεσο προ'ίόν
κιτρικό
COO
Ι
H-C-H
Ι
H-C-COOΙ HO-C-H Ι COOισοκιτρικό
Ι Βήμα 3
Στο πρώτο από τα
τέσσερα βήματα οξείδωσης του κύκλου, το άτομο άνθρακα που έχει την υδροξυλομάδα μετατρέπεται σε μια ομάδα καρβονυλίου. Το προϊόν είναι ασταθές και χάνει CO 2 ενώ είναι ακόμα συνδεδεμένο με το ένζυμο
COOΙ H-C-H
COOΙ H-C-H
αφυδρογονάση του ισοκιτρικού
Ι
Ι
H-C-COOΙ C=O
H-C-COOΙ HO-C-H
Ι
Ι
COOΙ H-C-H Ι H-C-H
(\
Ι
C=O Ι COO-
COO-
COOισοκιτρικό
α-κετογλουταρικό
οξαλοηλεκτρικό
ενδιάμεσο
Ι Βήμα 4
Το ενζυμικό σύμπλΟΚΟ της
αφυδρογονάσης του α-κετογλουτα ρικού μοιάζει πολύ με το μεγάλο ενζυμικό σύμπλοκο που μετατρέπει το πυροσταφυλικό σε ακετυλο-CοΑ (αφυδρογονάση του πυροσταφυλικού). Κατ' αναλογία επίσης καταλύει μια οξείδωση που παράγει ΝΑΟΗ, CO2 , και
ένα θειολεστερικό δεσμό υψηλής ενέργειας με το συνένζυμο Α (CoA).
Ι Βήμα 5
'Ενα μόριο φωσφορικού
από το διάλυμα εκτοπίζει το CoA, σχηματίζοντας έναν φωσφορικό δεσμό υψηλής ενέργειας με το ηλεκτρικό (σουκκινικό). Κατόπιν το φωσφορικό αυτό μεταφέρεται από το ηλεκτρικό στο GDP, οπότε σχηματίζεται GTP. (Στα βακτήρια και τα φυτά, αντί για GTP σχηματίζεται ΑΤΡ)
Ι Βήμα 6
Στο τρίτο βήμα
οξείδωσης του κύκλου, το FAD αφαιρεί δύο άτομα υδρογόνου από το ηλεκτρικό
COOΙ H-C-H Ι H-C-H
COO-
Ι
Ι
C=O Ι S-CoA CO 2
α-κετογλουταρικό
ηλεκτρυλο-CοΑ
COO-
COO
Ι
H-C-H
συνθετάση του ηλεκτρυλο-CοΑ
Ι
Ι
H-C-H Ι COO-
ηλεκτρυλο-CοΑ
ηλεκτρικό
Ι
Ι
αφυδρογονάση του ηλεκτρικού
C-H
H-C-H
Ι
COOΙ C-H 1I
H-C Ι COO-
("\
11
H-C Ι COO-
ιzm:ι
FAD
φουμαρικό
COOΙ HO-C-H
φουμαράση
(
Ι
H-C-H Ι COO-
ΗΡ
μηλικό
φουμαρικό
COO-
Ι
HO-C-H
Ι
H-C-H
Ι
COOμηλικό
+ HS-CoA
COO-
COO-
ηλεκτρικό
Βήμα 8 Στο τελευταίο από τα τέσσερα βήματα οξείδωσης του κύκλου, το άτομο του άνθρακα που έχει την υδροξυλομάδα μετατρέπεται σε μια ομάδα καρβονυλίου. Με τον τρόπο αυτό αναγεwάται το οξαλοξικό που χρειάζεται για το βήμα 1
Ι
H-C-H
H-C-H Ι C=O Ι S-CoA
Ι
Ι
Ι
H-C-H
C=O Ι COO-
COO-
Βήμα 7 Η προσθήκη νερού στο φουμαρικό τοποθετεί μια υδροξυλομάδα δίπλα στο άτομο του άνθρακα ενός καρβονυλίου
H-C-H
+ HS-CoA
H-C-H
Ι
Ι
σύμπλοκο της αφυδρογονάσης του α-κετογλουταρικού
αφυδρογονάση του μηλικού
( NAD+
"\ 1!'!mJ+
COO
Ι
C=O
ι
CH 2
Η+
Ι
COOοξαλοξικό
Η Αποδόμηση των Σακχάρων και των Λιπιδίων
547
νται από το μοριακό οξυγόνο αλλά από το νερό. Όπως φαίνεται τημα
13-2,
mo Παράρ
σε κάθε κύκλο διασπώνται τρία μόρια νερού. Τα άτομα του οξυ
γόνου ορισμένων μορίων νερού τελικά χρησιμοποιούνται για την παραγωγή
CO2. Εδώ ας ξεκαθαρίσουμε μια κοινή παρανόηση σχετικά με την κυπαρική αναπνοή: παρότι απαιτεί παροχή 02 και παράγει CO 2, τα μόρια του οξυγόνου ανάγονται σε νερό και δεν ενσωματώνονται άμεσα σε CO 2. Εκτός από το πυροmαφυλικό και τα λιπαρά οξέα, ορισμένα αμινοξέα επί σης περνούν από το κυπαροδιάλυμα
ma μιτοχόνδρια, όπου επίσης μετατρέ
πονται σε ακετύλο-CοΑ ή σε κάποιο άλλο ενδιάμεσο του κύκλου του κιτρι κού οξέος (βλ. Εικόνα
13-2).
Επομένως,
ma
ευκαρυωτικά κύπαρα το μιτο
Χόνδριο είναι το κεντρικό σημείο mo οποίο οδηγούν όλες οι διεργασίες που αποδίδουν ενέργεια, ανεξάρτητα από το αν ξεκινούν από σάκχαρα, λίπη ή πρωτεΊνες.
Ο κύκλος του κιτρικού οξέος λειτουργεί επίσης ως αφετηρία για βιοσυν
θετικές αντιδράσεις επειδή παράγει σημαντικά ενδιάμεσα, όπως το οξαΛοξι κό και το α-κεroγΛουraρικό. Οι ενώσεις αυτές που παράγονται από τον κατα βολισμό μεταφέρονται από τα μιτοχόνδρια
mo
κυπαροδιάλυμα, όπου συμ
μετέχουν σε αναβολικές αντιδράσεις ως πρόδρομες ενώσεις για τη σύνθεση πολλών απαραίτητων μορίων, όπως τ' αμινοξέα.
Epώmσn
•
Σιο περισσότερα κύπαρα, η μειοφορά ηλεκτρονίων προωθεί
13-4
Παρωηρείmε τις αντιδρά σεις που παρουσιάΖΟνται λε πτομερώς
13-2.
mo
Παράρτημα
Κατά τη γνώμη σας,
για ποιο λόγο είναι σκόπιμο να συνδέεται η ακετυλομά
τη σύνθεση !ου μεγαλύτερου μέρους του ΑΤΡ Το κύριο μέρος της χημικής ενέργειας ενός μορίου των τροφών εκλύεται
κατά το τελευταίο βήμα της αποδόμησής του. Σε αυτή την τελική διεργασία,
οι φορείς ηλεκτρονίων
FADH2 μεταφέρουν τα ηλεκτρόνια που κέρδισαν από την οξείδωση άλλων μορίων mnv αλυσιοα μεταφοράς ηλε κτρονίων (electron-transport chain), η οποία είναι ενσωματωμένη mnv εσω NADH
και
δα μ' έναν άλλο ανθρακικό σκελετό (το
τερική μεμβράνη του μιτοχονδρίου. Καθώς προχωρούν κατά μήκος αυτής
οξαλοξικό) προτού τα δύο άτομα άνθρα
της μακριάς αλυσίδας εξειδικευμένων μορίων που λειτουργούν ως δέκτες
κα οξειδωθούν πλήρως σε
και δότες ηλεκτρονίων, τα ηλεκτρόνια πέφτουν προοδευτικά σε χαμηλότερες
CO2;
καταmάσεις ενέργειας. Η ενέργεια που εκλύεται κατά την όλη διεργασία
χρησιμεύει για τη μετακίνηση πρωτονίων (ιόντων Η+) διαμέσου της εσωτερι κής μιτοχονδριακής μεμβράνης, από το εσωτερικό του μιτοχονδρίου προς τα
έξω. Με τον τρόπο αυτό δημιουργείται μια βαθμίδωση ιόντων Η+ η οποία λειτουργεί ως πηγή ενέργειας (σαν μπαταρία) και προωθεί ποικίλες αντιδρά
σεις που απαιτούν ενέργεια. Η σημαντικότερη από αυτές τις αντιδράσεις εί ναι ο σχηματισμός ΑΤΡ με τη φωσφορυλίωση του
ADP.
Στο τέλος της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων, τα ηλεκτρόνια περνούν
σε μόρια αερίου
μόρια του
02 τα οποία έχουν εισέλθει με διάχυση ma μιτοΧόνδρια. Τα 02 ταυτόχρονα αντιδρούν με πρωτόνια (Η+) από το περιβάλλον
διάλυμα και παράγουν μόρια νερού. Τα ηλεκτρόνια βρίσκονται τώρα
mn χα
μηλότερη ενεργειακή mάθμη: επομένως όλη η διαθέσιμη ενέργεια έχει α
ποσπαmεί από τα μόρια της τροφής που οξειδώθηκαν. Οξειοωrικn φωσφο ΡvΜωσn (Εικόνα
13-17)
πραγματοποιείται επίσης και
mnv κυπαρική
μεμ
βράνη των βακτηρίων. Το φαινόμενο αυτό είναι ένα από τα πιο αξιοσημείω-
548
Κεφάλαιο 13: Τα Κύτταρα Αποκτούν Ενέργεια από τις Τροφές
πυpoσrαφυλΙKό
ΝΑΟΗ από τη
από τη γλυκόλυση
γλυκόλυση
Εικόνα 13-17. Τα τελικά στάδια κατά την οξεί 02
. ~ ---------
πυpoσrαφυλΙKό
δωση των μορίων των τροφών. Μόρια ΝΑDΗ και FADH 2 (δεν εικονίζεται) που παράγονται α πό τον κύκλο του κιτρικού οξέος προσφέρουν τα ηλεκτρόνιά τους, τα οποία τελικά χρησιμο
IADPI+ Ρ;
ι
ΑΚΕΤΥΛΟCοΑ
NAD+
CoA
-
2e
ποιούνται για την αναγωγή του αέριου οξυγό νου σε νερό. Μεγάλο μέρος της ενέργειας που
ΟΞΕIΔΩΤιΚΗ
ΦΩΣφοργΛΙΩΣΗ
εκλύεται κατά τη διάρκεια της πολύπλοκης διεργασίας μεταφοράς ηλεκτρονίων η οποία ε Η2Ο
..J.
βράνη (ή στην κυπαρική μεμβράνη των βακτη ρίων) αξιοποιείται για τη σύνθεση ΑΤΡ.
11
ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΟ
ξελίσσεται στην εσωτερική μιτοχονδριακή μεμ
ΤΟ επιτεύγματο της κυπαρικής εξέλιξης και θα μας απασχολήσει ιδιαίτερα
Ερώmσn
στο Κεφάλαιο
Αποφασίστε αν είναι σωστή
14.
Συνολικά, η πλήρης οξείδωση ενός μορίου γλυκόΖης σε Η 2 Ο και
CO 2
ή λάθος η παρακάτω φρά
30 μορίων ΑΤΡ.
ση: «Το οξυγόνο που κατο
2 μόρια ΑΤΡ ανά μόριο γλυκόΖης παράγονται κατά τη γλυκό
ναλώνετοι κατά την οξείδω
χρησιμοποιείτοι από το κ\)παρο γω την παραγωγή περίπου Αντίθετο, μόνο
13-5
λυση.
ση της γλυκόΖης στα Ζωικά
•,
κύπαρα επιστρέφει στην α
τμόσφαιρα ως μέρος του
Αποθήκευση και χρησιμοποίηση ιων
CO 2 )}.
Πώς θα
μπορούσατε να στηρίξετε πειραματικά
ιροφών
την απάντησή σας;
Για να διατηρείτοι βιολογική τάξη στα κύπαρα, όλοι οι οργανισμοί πρέπει να KGi\ύmouv συνεΧώς τις ανάγκες τους σε ΑΤΡ. Ωστόσο, ΤΟ μεν Ζώα δεν έ χουν πάντα πρόσβαση σε τροφή ΤΟ δε φυτά είναι υποχρεωμένα να επιβιώ
νουν τη νύΧτο χωρίς ηλωκό φως και, επομένως, χωρίς τη δυνατότητο να πα ράγουν σάκχαρα με τη φωτοσύνθεση. Συνεπώς, ΤΟ Ζώα και ΤΟ φυτά ανέπτυ ξαν ΤΟ μέσα για την αποθήκευση μορίων της δίαιτος που μπορεί να κατονα λωθούν αργότερα, ότον σπανίΖουν οι πηγές ενέργειας.
ΟΙ οργανιομοί αποθηκεύουν μόρια των τροφών σε ειδικές «αποθήκες» Τα Ζώα αντέχουν σε μακρές περιόδους νηστείας αποθηκεύοντας τροφή
στα κύπαρά τους. Τα λιπαρά οξέα αποθηκεύονται κυρίως στα εξειδικευμένα λιποκύπαρα υπό μορφή λιποσταγονιδίων, που αποτελούνται από τρωκυλο γλυκερόλες οι οποίες δεν είναι δωλυτές στο νερό (Εικόνα 13-9Α). Τα σάκ
χαρα αποθηκεύονται υπό μορφή υπομονάδων γλυκόΖης στο γλυκογόνο
(glycogen)
(Εικόνα
13-18),
έναν μεγάλο διακλαδΙΖόμενο πολυσακχαρίτη, ο
οποίος βρίσκετοι σε μικρά κοκκία στο κυπαρόπλασμα πολλών κυπάρων, συμπεριλαμβανομένων των ηπατικών και των μυϊκών κυπάρων. Η σύνθεση και η αποδόμηση του γλυκογόνου ρυθμίΖονται γρήγορα σύμφωνα με τις α
νάγκες. Ότον οι ανάγκες σε ΑΤΡ υπερβαίνουν τις δυνατότητες παραγωγής ΑΤΡ από ΤΟ μόρια των τροφών που παραλαμβάνονται από την κυκλοφορία
του αίματος, τότε ΤΟ κύπαρα αποδομούν γλυκογόνο με μια αντίδραση που
Αποθήκευση και Χρησιμοποίηση των Τροφών
549
Εικόνα
13-18. Τα ζωικά
κύπαρα χρησιμοποι
ούν το γλυκογόνο ως απόθεμα ενέργειας για περιόδους νηστείας. (Α) Η δομή του γλυκογό νου και του αμύλου. Και τα δύο είναι αποθέμα
κοκκία γλυκογόνου
τα πολυμερών της γλυκόζης τα οποία διαφέ ρουν μεταξύ τους μόνο ως προς τη συχνότητα
των διακλαδώσεών τους (η περιοχή που περι κλείεται στον κίτρινο κύκλο αποδίδεται σε με γέθυνση στο κάτω μέρος της εικόνας). Οι δια
κλαδώσεις είναι πολύ περισσότερες στο γλυ κογόνο. (8) Ηλεκτρονιομικρογραφία: κοκκία γλυκογόνου στο κυπαρόπλασμα ενός ηπατο κυπάρου. (Με την άδεια των και
Daniel S. Friend).
Robert Fletterick
στο Kuπαρόπλασμα
ενός ηπατοκυπάρου
(Α)
;' /
Ι Ι Ι
, ι
\;Ζ \
\
'\. "...
--
σημείο διακλάδωσης
κατάλοιπαγλυκόζης
"'o~o '"
',μm' Oι
-\~:2 ~o 2_.v α 1,4-γλυκοζιτικός δεσμός
ί δεσμός στο σκελετό
στο σημείο διακλάδωσης
O-""C_
0---
ΟΗ
ΟΗ
ΟΗ
παράγει Ι-φωσφορική γλυκόΖη, η οποία εισέρχεται
mn γλυκόλυση.
Από ποσοτική άποψη, το λίπος είναι πιο σημαVΤΙKή μορφή αποθήκευσης ενέργειας από το γλυκογόνο. Αυτό εν μέρει οφείλεται
mo γεγονός
ότι η οξεί
δωση ενός γραμμαρίου λίπους αποδίδει περίπου διπλάσια ποσότητα ενέργει
ας από την οξείδωση ενός γραμμαρίου γλυκογόνου. Επιπλέον, αvτίθετα από το λίπος, το γλυκογόνο συνδέεται με μεγάλη ποσότητα νερού. Έτσι, για την α ποθήκευση της ίδιας ποσότητας ενέργειας απαιτείται εξαπλάσια μάΖα γλυκο γόνου. Κατά μέσο όρο, τα αποθέματα του γλυκογόνου ενός ενήλικου ανθρώ που επαρκούν μόνο για μια, περίπου, ημέρα φυσιολογικών δραmηριοτήτων,
ενώ τα αποθέματα λίπους για ένα μήνα. Αν τα κύρια αποθέματά μας σε καύ σιμα ήταν τ' αποθέματα του γλυκογόνου και όχι του λίπους, τότε, κατά μέσο ό ρο, το σώμα μας θα έπρεπε, να είναι βαρύτερο περίπου κατά
30 κιλά. mo λιπώ
Στο σώμα μας, το μεγαλύτερο μέρος του λίπους αποθηκεύεται δη ιmό (Εικόνα
13-19), απ'
όπου aπελευθερώνεται
mnv κυκλοφορία
του αί
ματος για να χρησιμοποιηθεί από άλ/α κύπαρα σύμφωνα με τις τρέχουσες ανάγκες. Ανάγκη κινητοποίησης του λίπους προκύπτει μετά από μια περίοδο νηmείας. Ακόμα και η αναγκαmική νηmεία κατά τη διάρκεια του ύπνου κα ταλήγει σε κινητοποίηση του λίπους. Έτσι το πρωί το μεγαλύτερο μέρος των
550
Κεφάλαιο 13 : Τα Κύτταρα Αποκτούν Ενέργεια από τις Τροφές
Εικόνα
13-19. Τα
ζωικά κύπαρα επίσης συσ
σωρεύουν λίπη. Λιποσταγονίδια (με κόκκινο
χρώμα) που αρχίζουν να συσσωρεύovται σε α ναπτυσσόμενα λιποκύπαρα. (Με την άδεια των Ρ.
Tontonoz και Ronald
Μ.
Evans).
μορίων ακετύλο-CοΑ που εισέρχονται στον κύκλο του κιτρικού οξέος προ
Eρώωσn
έρχονται από τα λιπαρά οξέα παρά από τη ΥλυκόΖη. Ωστόσο, μετά από ένα
Με δεδομένη τη δομή των
Υεύμα συμβαίνει το αντίθετο και, μάλιστα, η πλεονάΖουσα ΥλυκόΖη χρησιμο
σακχάρων και των ίΊιπαρών
ποιείται Υια την αναπλήρωση των αποθεμάτων του ΥλυΚΟΥόνου ή Υια τη σύν
οξέων, κατά τη Υνώμη σας,
θεση λίπους. (Ενώ τα Ζωικά κύπαρα μετατρέπουν εύκολα τα σάκχαρα σε λί
Υια ποιο λόΥΟ η οξείδωση ε
πη, αδυνατούν να μετατρέψουν τα λίπη σε σάκχαρα).
νός σακχάρου αποδίδει τη
Τα φυτά μετατρέπουν μερικά από τα σάκχαρα που συνθέτουν με τη φω
13-6
•,
μισή περίπου ενέΡΥεια που
τοσύνθεση κατά τη διάρκεια της ημέρας σε λίπη και άμυλο, ένα πολυμερές
αποδίδει η οξείδωση μιας ισοδύναμης
ΥλυκόΖης ανάλΟΥΟ με το ΥλυΚΟΥόνο των Ζώων. Τα λίπη των φυτών, όπως και
ποσότητας ξηρής μάΖας ενός λιπαρού ο
τα λίπη των Ζώων, είναι τριακυλΟΥλυκερόλες, που διαφέρουν από τις τριακυ
ξέος;
λΟΥλυκερόλες των Ζώων μόνο ως προς το είδος των λιπαρών οξέων. Τα λίπη και το άμυλο αποθηκεύονται στους xiΊωρoπiΊάστες ως εφεδρεία και κινητο
ποιούνται ως πηΥή ενέΡΥειας κατά τη διάρκεια περιόδων σκότους (Εικόνα
13-20). Τα έμβρυα στο εσωτερικό των σπόρων των φυτών συντηρούνται με τ' απο θέματα ενέΡΥειας Υια παρατεταμένες χρονικές περιόδους, έως ότου βλαστή σουν και σχηματίσουν φύλ/α ικανά να «δεσμεύουν» την ενέΡΥεια του ηλια
κού φωτός. Για το λόΥΟ αυτό, οι σπόροι των φυτών συχνά περιέχουν ιδιαίτερα μεΥάλες ποσότητες λιπών και αμύλου, ΥεΥονός που τους καθιστά κύρια πηΥή τροφής Υια διάφορα Ζώα, ακόμα και Υια τον άνθρωπο (Εικόνα
περίβλημα χλωροπλάστη
13-21).
κενοτόπιο
Εικόνα
-Ι· κοκκίο
13-20. Λεπτή
τομή ενός χλωροπλά
στη από ένα φυτικό κύπαρο. Φαίνovται κοκ κία αμύλου και λιποσταγονίδια που έχουν συσ
κιιπαρικό τοίχωμα
σωρευθεί ως αποτέλεσμα βιοσυνθετικών αvτι
δράσεων των χλωροπλαστών. (Με την άδεια 1
μm
του Κ.
Plaskitt).
Αποθήκευση και Χρησιμοποίηση των Τροφών
551
Εικόνα
13-21. Ορισμένοι
φυτικοί σπόροι που
αποτελούν σημαντικές τροφές για τον άν θρωπο. Το καλαμπόκι, τα καρύδια και τα μπι ζέλια περιέχουν άφθονα αποθέματα αμύλου και λίπους που παρέχουν στο έμβρυο του φυ
;'
τού, το οποίο βρίσκεται μέσα στο σπόρο, ενέρ
γεια και δομικούς λίθους για βιοσυνθέσεις. (Με την άδεια του Ιδρύματος
John Innes).
Στα φυτικά κύπαρα οι χλωροπλάστεςκαι τα μlΙοχόνδρια συνεργάΖονται Οι xλωρoπΛάσrεςπαίΖουν βασικό ρόλο σroν μεταβολισμόσrα φυnκά κύτ ταρα: χρησιμοποιούντην ενέργεια του ηλιακού φωτός και παράγουν με φω
τοσύνθεσητους ενεργοποιημένουςφορείς ΑΤΡ και
NADPH.
Στους χλωρο
πΛάσrες τα σάκχαρα παράγονται με μια διεργασία δέσμευσης του άνθρακα που απαιτεί αυτούς τους ενεργοποιημένους φορείς. Η εσωτερική μεμβράνη του xλωρoπΛάσrη είναι αδιαπέρασrη τόσο από το
NADPH
όσο και από το
ΑΤΡ, τα οποία συνεπώς δεν μπορεί να εξαχθούν άμεσα σro υπόλοιπο κύπα ρο. Αντί γι' αυτό, οι ενεργοποιημένοι φορείς
NADPH και ΑΤΡ χρησιμοποιού
νται για την παραγωγή σακχάρων σroυς xλωρoπΛάσrες που αργότερα εξάγο νται σro κυπαροδιάλυμα. Το μεγαλύτερο μέρος των σακχάρων καταλήγει σrα μιτοχόνδρια, όπου χρησιμοποιείται σαν καύσιμο. Το μεγαλύτερο μέρος της παραγωγής ΑΤΡ σro φυτό προέρχεται από τη λειτουργία των ίδιων οδών οξει δωnκής αποδόμησης των σακχάρων που χρησιμοποιούν τα Ζωικά κύπαρα
και άλ/οι μη φωτοσυνθεnκοί οργανισμοί (Εικόνα σrην Εικόνα
13-22, τα εξαγόμενα
13-22). Όπως
φαίνεται
σάκχαρα επίσης χρησιμοποιούνται για την
παραγωγή δομικών λίθων και άλλων μεταβολιτών που χρειάΖεται το κύπαρο.
Πολλές Βlοσυνθετικές οδοί αρχίΖουν με γλυκόλυση ή με τον
κύκλο του κιτρικού οξέος Ο καταβολισμός παράγει ενέργεια για το κύπαρο και δομικούς λίθους α-
Εικόνα
13-22.
Στα φυτά, οι χλωροπλάστες
και τα μιτοχόνδρια συνεργάζονται για να ε·
φοδιάσουν τα κύτταρα με μεταβολίτες και ΑΤΡ.
552
Κεφάλαιο 13 : Τα Κύτταρα Αποκτούν Ενέργεια από ης Τροφές
μεταβολίτες
Εικόνα
<ΓΛY~OZH )
_ _ _ _ _ νουκλεοτίδια
..
~
Ρ
ΓΛΥΚΟΛΥΣΗ
•
αμινoσάΚ)(~ρα, γλυκολιπt?ια,
- - -••
διϋδροξυακετόνη
~
σερίνη .ι---- 3·φωσφoγλ",,,,~ό
τα οποία με τη σειρά τους συμμετέχουν στη
σύνθεση των πολλών μακρομορίων του κυπά
λιπίδια
ρου. Στο διάγραμμα αυτό, κάθε μαύρο βέλος υποδηλώνει μια ξεχωριστή, ενζυμικά καταλυό
αμινοξέα,
μενη αντίδραση. Τα κόκκινα βέλη γενικά αντι
π""_δι,,,,
/
φωοφ~1π"ροmοφ"λ«ό
αλανίνη
και άλλα μόρια εμφανίζονται εδώ ως προ'ίόντα
γλυκοπρωτεινες
φωσφορική
και ο κύκλος του
σίες που απαιτούνται για τη σύνθεση πολ· λών σημαντικών βιολογικών μορίων. Τα αμι νοξέα, τα νουκλεοτίδια, τα λιπίδια, τα σάκχαρα
β-φωσφορικήγλυκόζη
~ β-φωσφορικήφρουκτόζη
13-23. Η γλυκόλυση
κιτρικού οξέος παρέχουν τις πρόδρομες ου
προσωπεύουν οδούς με πολλά βήματα, οι ο ποίες απαιτούνται για την παραγωγή των εικο νιζόμενων προ'ίόντων.
~
πυροσταφυλικό
~
....>----. ασπαρτικό, άλλα αμινοξέα, πουρίνες,
/
./
,t
./
λιπαρά οξέα
\
ΚΥΚΛΟΣ
)
ΚΙΤΡΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ
α-KετOγλOUΤαΡΙKό
\
r'
χοληστερόλη,
κιτρικο
οξαλοξικό
_
πυριμιδίνες
αίμη,
.~
ηλεκτρυλ~-CΟΑ
χλωροφύλλη
"-
γλOUΤαμΙKό, άλλα αμινοξέα, ποuρίνες
πό τους οποίους σχηματίΖονωιπολ/ά άλ/α μόρια του κυπάρου (Βλ. Εικόνα
3-3).
Μέχρι τώρα, δώσαμε μεγαλύτερη έμφαση στο θέμα της παραγωγής ε
νέργεΙQς κω παραΒλέψαμε την παραγωγή των πρώτων υλών γlQ Βιοσυνθέ
σεις. Ωστόσο, πολ/ά από τα ενδιάμεσα που ΣXηματίZOVΤω κατά τη γλυκόλυ ση κω τον κύκλο του κιτρικού οξέος δΙOXετεύOVΤω σε άλλα ένζυμα τα οποία τα χρησιμοποιούν για τη σύνθεση των αμινοξέων, των νουκλεοτιδίων, των λι
πιδίων και των άλλων μικρών μορίων που χρειάΖεται το κύπαρο. Μια ιδέα για την πολυπλοκότητα αυτής της διεργασίας δίνεται στην Εικόνα
13-23,
ό
που παρoυσιάZOVΤω ορισμένοι από τους κλάδους των KεVΤΡΙKών καταΒολι
κών οδών, οι οποίοι οδηγούν σε Βιοσυνθέσεις. Όπως θα δούμε αμέσως μετά, η ύπαρξη τόσο πολ/ών παράπλευρων ο δών στο κύπαρο απαιτεί προσεκτική επιλογή κω ρύθμιση σε κάθε σημείο δΙQκλάδωσης.
Ο μεταβολισμός οργανώνεται και ρυθμίΖεται Μπορεί κανείς ν' αποκτήσει μια αίσθηση της χημικής πολυπλοκότητας ε
νός κυπάρου από την Εικόνα
13-24.
Στην εικόνα αυτή παρουσιάΖετω ένα
διάγραμμα που αvτιπρoσωπεύει ορισμένες μόνο από τις ενΖυμικές οδούς του κυπάρου. Στο διάγραμμα με κόκκινο χρώμα επισημαίνOVΤω η γλυκόλυ ση κω ο κύκλος του κιτρικού οξέος. Είναι προφανές ότι μέχρι στιγμής ασχο ληθήκαμε μόνο μ' ένα πολύ μικρό μέρος της χημείας του κυπάρου.
Αποθήκευση και Χρησιμοποίηση των Τροφών
553
Εικόνα 13-24. Η γλυκόλυση και ο κύκλος του κιτρικού οξέος βρίσκονται στο κέντρο του μεταβολισμού. Στο διπλανό σχεδιάγραμμα εμφανίζονται περίπου
500
μεταβολικές αντι
δράσεις, ενός συνηθισμένου κυπάρου. Οι α
ντιδράσεις της γλυκόλυσης και του κύκλου του κιτρικού οξέος επισημαίνονται με κόκκινο χρώμα. Άλλες αντιδράσεις είτε κατευθύνονται
προς αυτές τις δύο κεντρικές οδούς και αποδί δουν μικρά μόρια προκειμένου να καταβολι στούν για παραγωγή ενέργειας, είτε οδηγού νται έξω από αυτές και παρέχουν ενώσεις του άνθρακα για βιοσυνθέσεις.
•,
Ερώmσn
ΌΛες αυτές οι αvτlδράσεlς πραγματοποιούνται σ' ένα κύπαρο με διάμε
13-7
Προϋπόθεση
για τη Λει
τρο μικρότερη από
0.1 mm. ΕπιπΛέον, η καθεμία απαιτεί ένα διαφορετικό έν Όπως φαίνεται στην Εικόνα 13-24, το ίδιο μόριο συχνά μπορεί να συμ
τουργία μιας κυκλικής οδού
Ζυμο.
αντιδράσεων είναι η ανα
μετέχει σε πολ/ές διαφορετικές οδούς. Για παράδειγμα, το πυροσταφυΛικό α
γέννηση της αρχικής ένω
ποτεΛεί υπόστρωμα για περισσότερα από έξι διαφορετικά ένΖυμα, καθένα α
σης στο τέΛος κάθε κύκλου.
πό τα οποία το τροποποιεί χημικά με διαφορετικό τρόπο. Έτσι, ένα ένΖυμο το
Διάφορες ενώσεις, ενδιά
μετατρέπει σε ακετυΛο-CοΑ, ένα άλ/ο σε οξαΛοξlκό, ένα τρίτο στο αμινοξύ α
μεσα του κύκλου του κιτρικού οξέος, διο
Λανίνη, ένα τέταρτο σε γαΛακτικό κ'0.κ' ΌΛες αυτές οι διαφορετικές οδοί συ
χετεύονται ως δομικοί Λίθοι σε ποικίλες
ναγωνίΖΟνται για το ίδιο μόριο πυροσταφυΛικού. ΑνάΛογος συναγωνισμός ε
άΜες μεταΒοΛικές αντιδράσεις. Τότε,
ξεΛίσσεται ταυτόχρονα για χιΛιάδες άλ/α μικρά μόρια. Έτσι, θα μπορούσε κα
γιατί δεν σταματά να Λειτουργεί ο κύκλος
νείς να συμπεράνει ότι το όΛο σύστημα θα ήταν εξαιρετικά ευμετάΒΛητο και
του κιτρικού οξέος;
ευάΛωτο, με συνέπεια η παραμικρή διαταραχή, όπως μια παροδική μεταΒολή στην πρόσΛηψη τροφής, να είναι δυνητικά καταστροφική. Στην πραγματικότητα, η μεταΒοΛική ισορροπία ενός κυπάρου είναι εvτυ-
554
Κεφάλαιο 13: Τα Κύτταρα Αποκτούν Ενέργεια από τις Τροφές
πωσιακά σrαθερή. Όταν διαταράσσεται η ισορροπία, 10 κύπαρο ανπδρά για ν' αΠOKατασrήσειτην αρχική KαTάσrαση. Το κύπαρο είναι ικανό να προσαρ
μόΖεται και να συνεΧίσει να λειτουργείσε περιόδους νησrείας ή ασθένειας. Διάφορες μεταλλάξειςμπορεί να βλάψουν ή ακόμα και να καταργήσουνει
δικές μεταβολικές οδούς. Μολαταύτα 10 κύπαρο επιβιώνει, αρκεί να πλη ρούνται ορισμένες ελάxισrες προϋποθέσεις.Αυτό επιτυγΧάνεταιχάρη σrη λεΙ1Ουργία ενός σύνθε1Ου δικτύου μηχανισμών ελέγχου που ρυθμίΖουν και
συντονίΖουντη λειτουργίατων ενΖύμων, διαμορφώνονταςέτοι την ταΧύτητα όλων των αντιδράσεων1Ου κυπάρου.
Βαοικέs έVVΟΙΕS •
Η γλυκόΖη και άλ/α μόρια των τροφών αποδομούνται με ελεγΧόμενη σrα διακή οξείδωση και παρέχουν χημική ενέργεια σrη μορφή των ενεργο ποιημένων φορέων ΑΤΡ και ΝΑΟΗ.
•
Η αποδόμηση των μορίων των τροφών περιλαμβάνει τρία διακριτά σrά δια: τη γλυκόλυση (η οποία πραγμα1Οποιείται σro κυπαροδιάλυμα), 1Ον κύκλο 1Ου κιτρικού οξέος (σro μΙ1Οχονδριακό σrρώμα) και την οξειδωπκή φωσφορυλίωση (σrην εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη).
•
Οι αντιδράσεις της γλυκόλυσης διασπούν 10 μόριοτης γλυκόΖης, ένα σάκ χαρο με έξι ά1Ομα άνθρακα, σε δύο μόρια πυρoσrαφυλΙKOύ,ένα σάκχαρο με τρία ά1Ομα άνθρακα. Από την όλη διεργασία παράγεταιμικρός αριθμός μορίων ΑΤΡ και ΝΑΟΗ.
•
Υπό αερόβιες συνθήκες, 10 πυρoσrαφυλΙKόμετατρέπεταισε ακετύλο-CοΑ και COz. Κατόπιν, ο κύκλος 1Ου κιτρικού οξέος μετατρέπει την ακετυλομά δα 1Ου ακετύλο-CοΑ σε
CO2 και Η 2 ο.
Στα ευκαρυωπκά κύπαρα, οι αντι
δράσεις αυτές πραγμα1Οποιούνται σrα μΙ1ΟΧόνδρια. Μεγάλο μέρος από την ενέργεια που εκλύεται σrις οξειδωπκές αντιδράσεις αποθηκεύεται με τη μορφή ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας σroυς φορείς ΝΑΟΗ και
FADH2· •
Η άλ/η κύρια πηγή ενέργειας σrις τροφές είναι 10 λίπος. Τα λιπαρά οξέα που παράγονταιαπό τα λίπη εισάγονται σrα μΙ1ΟΧόνδριακαι οξειδώνονται σε μόρια ακετύλο-CοΑ. Στη συνέχεια, τα μόρια 1Ου ακετύλο-CοΑοξειδώ νονται περαιτέρω μέσω 1Ου κύκλου 1Ου κιτρικού οξέος. Το ίδιο γίνεται και με τα μόρια 1Ου ακετύλο-CοΑπου προέρχονταιαπό 10 πυρoσrαφυλΙKό.
•
Τα ΝΑΟΗ και
FADH2 διοχετεύουν τα ηλεκτρόνια που περιέχουν σε μια α
λυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων που εντοπίζεται σrην εσωτερική μΙ1Οχον δριακή μεμβράνη, όπου μια σειρά αντιδράσεων μεταφοράς ηλεκτρονίων χρησιμοποιείται για να προάγει 10 σχημαπσμό ΑΤΡ. Το μεγαλύτερο μέ ρος της ενέργειας που εκλύεται κατά την αποδόμησητων μορίων των τρο
φών αξιοποιείται κατά τη διάρκεια αυτής της διεργασίας που αποκαλείται οξειδωπκή φωσφορυλίωση(περιγράφεταισro Κεφάλαιο 14).
•
Τα κύπαρα αποθηκεύουν τροφές για εφεδρεία. Υπομονάδες γλυκόΖης α ποθηκεύονται σrαμεν Ζώα με τη μορφή 1Ου γλυκογόνου σrα δε φυτά με τη μορφή 1Ου αμύλου. Τόσο τα Ζώα όσο και τα φυτά αποθηκεύουν ενέργεια
Βασικές Έννοιες
555
με τη μορφή λιπών. Τα αποθέματα Τροφών των φυτών είναι βασική πηγή Τροφής για τα Ζώα και για τον άνθρωπο .
•
Τα μόρια που προσλαμβάνονται με τις τροφές χρησιμοποιούνται τόσο ως πηγή μεταβολικής ενέργειας όσο και ως πρώτες ύλες για βιοσυνθέσεις.
Έτσι, πολλά ενδιάμεσα της γλυκόΖης και του κύκλου του κιτρικού οξέος είναι η αφετηρία οδών που οδηγούν στη σύνθεση πρωτεϊνών, νουκλεϊνι κών οξέων και άλλων εξειδικευμένων μορίων του κυπάρου .
•
Οι πολλές χιλιάδες διαφορετικές αντιδράσεις που διεξάγονται ταυτόΧρο
να από ένα κύπαρο συντονίΖΟνται προσεκτικά. Έτσι, το κύπαρο μπορεί
να προσαρμόΖεται και να εξακολουθεί να λειτουργεί σ' ένα ευρύ φάσμα ε ξωτερικών συνθηκών.
Βασικοί Όροι ΑDΡ,ΑΤΡ ακετύλο-CοΑ
κύκλος κιτρικού οξέος
αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων
λίπος
άμυλο
NAD+,NADH
γλυκογόνο
οξειδωτική φωσφορυλίωση
γλυκόΖη
πυροσταφυλικό
γλυκόλυση
FAD, FADHz
Ζύμωση
556
GDP, GTP
Κεφάλαιο 13: Τα Κύτταρα Αποκτούν Ενέργεια από τις Τροφές
Ερωιήσειs
σιάΖεται στην Εικόνα
Ερώmση
στε την απάντησή σας με βάση τις πληροφορίες που δίνο
13-7).
Για ποιο λόγο η ένωση αυτή
χρησιμεύει για την αποθήκευση ενέργειας; Δικαιολογεί
13-8
Η οξείδωση των μορίων των σακχάρων από το κύπαρο γί
νεται σύμφωνα με τη γενική αντίδραση
C6H12 0 6 (γλυκόΖη)
+ 602 ~ 6C02 + 6Η 2 Ο + ενέργεια.
Ποιες από τις ακό
νται στην Εικόνα Ερώτηση
13-7.
13-12
λουθες φράσεις είναι σωστές; Δικαιολογείστε τις απαντή
Οδοί αντιδράσεων παρόμοιες με αυτές που αποτελούν τη
σεις σας.
σύνθετη ακολουθία των αντιδράσεων της γλυκόλυσης
Α. Όλη η ενέργεια που παράγεται είναι θερμική ενέργεια.
(Παράρτημα
Β. Κατά την αντίδραση αυτή δεν παράγεται καθόλου θερ
κύπαρα, από τα βακτήρια έως τον άνθρωπο. Ωστόσο, θα
μότητα.
μπορούσε να σκεφτεί κανείς αμέτρητους εναλλακτικούς
Γ. Η ενέργεια παράγεται από την οξείδωση ατόμων άν
μηχανισμούς χημικών αντιδράσεων οι οποίοι θα διεκπε
13-1)
διεξάγονται στα περισσότερα Ζωντανά
θρακα.
ραίωναν την οξείδωση των μορίων των σακχάρων και θε
Δ. Η αντίδραση αυτή εφοδιάΖει το κύπαρο με το απαραίτη
ωρητικά θα ήταν δυνατό να είχαν εξελιΧθεί σε αντικατά
το νερό.
σταση της γλυκόλυσης. Σχολιάστε το όλο θέμα στο πλαί
Ε. Στα κύπαρα, η αντίδρ~ση πραγματοποιείται σε περισ
σιο της εξέλιξης.
σότερα από ένα βήματα. Ζ. Πολλά βήματα στην οξείδωση των μορίων των σακχά-
Ερώτηση
13-13
Υποθέστε ότι ένα Ζωικό κύπαρο είναι ένας κύβος με μή
ρων περιλαμβάνουν αντίδραση με το οξυγόνο.
Η. Ορισμένοι οργανισμοί πραγματοποιούν την αντίστρο
κος πλευράς 10 μm. Το κύπαρο περιέχει 109 μόρια ΑΤΡ
φη αντίδραση.
τα οποία χρησιμοποιεί κάθε λεπτό. Το ΑΤΡ που κατανα
Θ. Υπάρχουν κύπαρα ικανά ν' αυξάνουν υπό αναερόβιες συνθήκες και χωρίς να παράγουν
λώνεται αναπληρώνεται με οξείδωση μορίων γλυκόΖης. Μετά από πόσο χρόνο το κύπαρο θα έχει καταναλώσει μια
CO 2.
ποσότητα αερίου οξυγόνου ίση με τον όγκο του; (Ένα
Ερώmση
γραμμομόριο περιέχει 6 χ 1023 μόρια. Ένα μόριο ενός αε
13-9
Υποθέστε ότι ένα εξαιρετικά ευαίσθητο μηχάνημα (θα πρέ
ρίου έχει όγκο
22.4 λίτρων).
πει να περιμένουμε ν' ανακαλυφθεί ένα τέτοιο μηχάνημα) απέδειξε ότι ένα από τα άτομα του άνθρακα του
CO 2 της
Ερώmση
13-14
τελευταίας εKπvoής του Κάρολου Δαρβίνου βρέθηκε στην
Στις συνθήκες που επικρατούν στο κύπαρο, η ελεύθερη ε
κυκλοφορία του αίματός σας, όπου αποτελεί μέρος ενός
νέργεια των πρώτων αντιδράσεων της γλυκόλυση ς (Πα
μορίου αιμοσφαιρίνης. Πώς θα μπορούσε το άτομο αυτό
ράρτημα
τα μόρια στα οποία μπορεί να είχε ενσωματωθεί κατά τη
13-1) είναι: βήμα 1 ΔG βήμα 2 ΔG
διαδρομή του.
βήμα
3
ΔG
βήμα
4
ΔG
να φτάσει από τον Δαρβίνο σε σας; Γράψτε ορισμένα από
Ερώτηση
13-10
= -8.0 kcaVmole -0.6 kcaVmole = -5.3 kcal/mole = -0.3 kca1/mole
=
Είναι ενεργειακά ευνοϊκές οι παραπάνω αvτιδράσεις;
Οι Ζυμομύκητες αυξάνουν τόσο υπό αερόβιες όσο και υπό
Χρησιμοποιώντας τις τιμές αυτές, σχεδιάστε σε κλίμακα έ
αναερόβιες συνθήκες. Κάτω από ποιες συνθήκες αναμέ
να ενεργειακό διάγραμμα (Α) για τη συνολική αντίδραση
νετε ότι τα κύπαρα θ' αναπτύσσονταν καλύτερα και γιατί;
και (Β) για την οδό που αποτελείται από τις τέσσερις αντι δράσεις ξεχωριστά.
Ερώmση
13-11 13-15
Κατά τη διάρκεια των κινήσεων, τα μυϊκά κύπαρα απαι
Ερώmση
τούν μεγάλες ποσότητες ΑΤΡ για να καλύψουν ενεργεια
Η χημεία των περισσότερων μεταβολικών αντιδράσεων
κά τον μηχανισμό της συστολής. Τα κύπαρα αυτά περιέ
διαλευκάνθηκε με τη σύνθεση μεταβολιτών που περιείχαν
χουν μεγάλες ποσότητες φωσφορικής κρεατίνης (παρου-
ισότοπα ατόμων διαφορετικών από αυτά που υπάρχουν
Ερωτήσεις
557
αη φύση. Τα προϊόντα των αντιδράσεων που χρησιμοποι
ρικό εκχύλισμα ικανό να διενεργεί οξειδωηκή φωσφο
ούν μετοβολίτες σημασμένους με ισότοπα μπορεί ν' ανα
ρυλίωση. Ποια από ης παραγόμενες ενώσεις θα περιέ-
λυθούν ώαε να καθΟΡΙσΙούν επακριβώς ίΟ άτομα των
χει το μεγαIlυτερο μερος του
προϊόντων που προέρχονται από συγκεκριμένα άτομα των
λ'
,
l4C
;
Β. Υποθέαε όη σιο ίδιο κυπαρικό εκχύλισμα προαίθεται
ξ
λ
ξ
,
'
'δ ιενεργο 14C
αντιδρώντων. Οι μέθοδοι ανίχνευσης αξιοποιούν το γεγο
ο αιιο ικο που περιεχει ρα
νός όη τα διάφορα ισότοπα έχουν διαφορεηκή μάΖα και
'δ α του. ομα
μπορεί να διακριθούν με τη βοήθεια βιοφυσικών μεθόδων
πό έναν ακριβώς γύρο του κύκλου; (Βλ. Παράρτημα
όπως η φασματομετρία μαΖών. Επιπλέον, ορισμένα ισότο
13-2).
'
αην κετονικη
Π' ' , c ' αου θ α β ρισκοτοντο ατομο του 1 4 μετο
πα είναι ραδιενεργά και, επομένως, μπορεί ν' ανιχνευ
θούν εύκολα με μετρητές
Geiger ή έκθεση σ' ένα φωτο
Ερώτηση
13-16
γραφικό φιλμ.
Σε κύπαρα που αυξάνουν τόσο υπό αερόβιες όσο και υπό
Α. Υποθέαε όη το πυροααφυλικό που περιέχει ραδιενερ
αναερόβιες συνθήκες, η παρουσία μοριακού οξυγόνου α
γό
558
14C
αην καρβοξυλομάδαπροαίθετοι σε ένα κυπα-
Κεφάλαιο 13 : Τα Κύτταρα Αποκτούν Ενέργεια από τις Τροφές
νααέλ/ει τη Ζύμωση. Γιο ποιο λόγο συμβαίνει αυτό;
Παραγωγή Εvέργειαs σια Μιιοχόνδρια και OIOUS Χλωροπλάσιεs
Η θεμελιώδης ανάγκη για αποτελεσμαηκή παραγωγή ενέργειας είχε ση μανΤικές συνέπειες για ων εξέλιξη ως Ζωής οιη Γη. Η δομή, η λεπουργία και
η εξέλιξη των κυπάρων κΟ! των οργανισμών σε μεγάλο βαθμό εξαρτώνΤΟ! α πό ης ενεργειακές ανάγκες ωυς. Η επιβίωση ΚΟ! η ανάπωξη των πρώιμων (αρΧέγονων) κυπάρων πιθανόν βασίοιηκε οιην αποδόμηση με αναερόβια Ζύμωση οργανικών μορίων που είχαν απομείνει από προγενέοιερες γεωχη
μικές διεργασίες. ΟΙ ανΤιδράσεις ως Ζύμωσης συμβαίνουν οιο κυπαρόπλα σμα των σημερινών κυπάρων. ΟΙ ανΤιδράσεις αυτές χρησιμοποιούν την ε νέργεια που προέρχεΙΟ! από 10 πλούσια σ' ενέργεια μόρια ως τροφής για να σχημοιίσουνΑΤΡ, 10 ενεργειακόχημικό νόμισμα Των κυπάρων.
Ωοιόσο, σε πολύ πρώιμα οιάδια ως ιοιορίας της Ζωής αναπτύΧθηκεμια πολύ πιο αποτελεσμαηκήμέθοδος για την παραγωγή ενέργειας και ω σύν θεση ωυ ΑΤΡ. Η διεργασία αυτή βασίΖεΙΟ! οιη με1Οφορά ηλεκτρονίωνμέσα οιις μεμβράνες.Δισεκαωμμύριαχρόνια μετά, έχει τόσο μεγάλη σημασία για ω Ζωή πάνω οιη γη, ώοιε αφιερώνουμεολόκληρο 10 κεφάλΟ!ο αυτό οιην
παρουσίασήως. Όπως θα δούμε, 10 κύπαρα χρησιμοποιούν10 συγκεκρι μένο μηχανισμό για ν' αποκτήσουν ενέργεια από πολ/ές ΚΟ! διαφορεηκές πηγές: έιοι, για παράδειγμα, ο μηχανισμός αυτός έχει καίρια σημασία οιη με1Οτροπήως φωτεινής ενέργειας σε ενέργεια χημικών δεσμών με ω φωω σύνθεση, όπως επίσης και οιην αερόβια αναπνοή που μας επιτρέπεινα χρη
σιμοποιούμε10 οξυγόνο για να παράγουμεμεγάλες ποσόωτες ΑΤΡ από 10 μόρια ως τροφής. Ο μηχανισμόςπου θα περιγράψουμεπρωωαναπτύΧθηκε
σε βακωριακά κύπαρα περίπου πριν από 3.5 δισεκαωμμύρια χρόνια. Οι α πόγονοι αυτών των κυπάρων γέμισαν Την ατμόσφαιρα με αέριο οξυγόνο
(02) ΚΟ! aπoίKIσαν κάθε γωνιά ΚΟ! χαράδρα ως ξηράς ΚΟ! ως θάλασσας με μια τεράοιια ποικιλία ΖωνΤανών μορφών. Η προέλευσή μας ΚΟ! οι σχέσεις μας με τ' άλ/α έμβια όνΤα είναι ερωτή
μα1Ο που έχουν απασχολήσει ων άνθρωπο από πολύ παλιά. Η ιοιορία ως Ζωής, όπως διαμορφώθηκε από μια μακριά σειρά εpΕUνηηKών προσπαθει
ών, είνΟ! μια από ης πιο ΖωνΤανές και ενΤυπωσιακές αφηγήσεις. Ωοιόσο, δεν
Τα κύπαρα αποκτούν το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειάς τους μ' έναν μηχανισμό που βασίζεται στις μεμβράνες Τα μιτοχόνδρια και η οξειδωτική φωσφορυλίωση Ένα μιτοχόνδριο περιέχει μια εξωτερική μεμβράνη, μια εσωτερική μεμβράνη και δύο εσωτερικά διαμερίσματα Ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας παράγονται από τον κύκλο του κιτρικού οξέος Μια χημειωσμωτική διεργασία μετατρέπει την οξειδωτική ενέργεια σε ΑΤΡ Τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται κατά μήκος μιας αλυσίδας πρωτεϊνών της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης Η μεταφορά ηλεκτρονίων δημιουργεί μια βαθμίδωση πρωτονίων διαμέσου της μεμβράνης Η βαθμίδωση των πρωτονίων προωθεί τη σύνθεση τουΑΤΡ
Η συζευγμένη μεταφορά διαμέσου της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης προωθείται από την ηλεκτροχημική βαθμίδωση των πρωτονίων Οι βαθμιδώσεις των πρωτονίων παράγουν το μεγαλύτερο μέρος του ΑΤΡ ενός κυπάρου Η ταχεία μετατροπή του ΑΟΡ σε ΑΤΡ στα μιτοχόνδρια διατηρεί τον ενδοκυπάριο λόγο ΑΤΡ:ΑΟΡ σε υψηλά επίπεδα Αλυσίδες μεταφοράς ηλεκτρονίων και άντληση πρωτονίων Τα πρωτόνια μετακινούνται εύκολα από τη μεταφορά των ηλεκτρονίων Το οξειδο-αναγωγικό δυναμικό είναι ένα μέτρο της συγγένειας για τα ηλεκτρόνια Η μεταφορά των ηλεκτρονίων απελευθερώνει μεγάλες ποσότητες ενέργειας Ιόντα μετάλλων που προσδένονται ισχυρά σε πρωτεΙΎες σχηματίζουν ευέλικτους φορείς ηλεκτρονίων Η οξειδάση του κυτοχρώματος καταλύει την αναγωγή του οξυγόνου Ο μηχανισμός άντλησης των Η+ σύντομα θ' αποκαλυφθεί σε ατομικό επίπεδο Η αναπνοή είναι εντυπωσιακά αποτελεσματική Χλωροπλάστες και φωτοσύνθεση Οι χλωροπλάστες μοιάζουν με τα μιτοχόνδρια, διαθέτουν όμως ένα επιπλέον διαμέρισμα Οι χλωροπλάστες αιχμαλωτίζουν ενέργεια από το ηλιακό φως και τη χρησιμοποιούν για τη δέσμευση του άνθρακα Τα διεγερμένα μόρια της χλωροφύλλης διοχετεύουν ενέργεια σ' ένα κέντρο αντίδρασης Η φωτεινή ενέργεια προωθεί τη σύνθεση των ΑΤΡ και ΝΑΟΡΗ Η δέσμευση του άνθρακα καταλύεται από την καρβοξυλάση της διφωσφορικής ριβουλόζης Στους χλωροπλάστες από τη δέσμευση του άνθρακα παράγεται σουκρόζη και άμυλο Η προέλευση των χλωροπλαστών και των μιτοχονδρίων Η οξειδωτική φωσφορυλίωση προσέφερε ένα εξελικτικό πλεονέκτημα στα αρχέγονα βακτήρια Τα φωτοσυνθετικά βακτήρια είχαν ακόμα λιγότερες απαιτήσεις από το περιβάλλον τους Ο τρόπος ζωής του Methanococcus υποδηλώνει ότι η χημειωσμωτική σύζευξη είναι αρχέγονη διεργασία
559
έχουμε ακόμα συνθέσει την πΛήρη εικόνα. Χρόνο με το χρόνο, οι νέες ανα καλύψεις της κυτταρικής βιολογίας επιτρέπουν να προσθέτουμε οιη διήγησή μας περισσότερες λεπτομέρειες με μια διαδικασία μοριακής ανίχνευσης,
που αποκτά όλο και μεγαλύτερη δύναμη. Αποφασιοιική σημασία για την εξέλιξη της Ζωής είχε η εξασφάλιση ά
φθονης πηγής ενέργειας για ΤΟ κύτταρα. Σης παραγράφους που ακολου θούν, θ' ασχοληθούμε με τον αξιοσημείωτο αυτό μηχανισμό που επέτρεψε να συμβούν όλα αυτά.
Τα κύπαρα αποκτούν το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειάς τους μ' έναν μηχανισμό που βασίΖεται στις μεμβράνες Το κύριο ενεργειακό χημικό νόμισμα των κυττάρων είναι το ΑΤΡ (βλ. Εικόνα
3-32).
Στο ευκαρυωηκά κύτταρα, μικρές ποσότητες ΑΤΡ παράγο
ντοι κατά τη διάρκεια της γλυκόλυσης στο κυτταροδιάλυμα (Κεφάλαιο
13). Ωστόσο, το μεγαλύτερο μέρος του ΑΤΡ παράγετοι στα μποχόνδρια (όπως επίσης και στους Χλωροπλάστες των κυττάρων των φυτών και των αλγών) με διεργασίες που βασίΖοντοι στις μεμβράνες. Παρόμοιες διεργα σίες συμβαίνουν επίσης και οιην κυτταρική μεμβράνη πολ/ών βακτηρίων. Ο βασικός μηχανισμός που χρησιμοποιείτοι για την παραγωγή όλου αυ τού του ΑΤΡ εμφανίστηκε πολύ πρώιμα κοτά την ιοιορία της Ζωής και ήτον τόσο επιτυχής, ώστε ΤΟ κύρια χαρακτηριοιικά του διατηρήθηκαν οιο μα
κρύ εξελΙΚΤικό τοξίδι από τους πρώιμους προκαρυώτες έως ΤΟ σημερινά κύτταρα. Η όλη διεργασία αποτελείτοι από δύο αλ/ηί\ένδετο στάδια, ΤΟ ο ποία διεκπεραιώνοντοι και ΤΟ δύο από πρωτεϊνικά σύμπλοκα ενσωματω μένα σε μια μεμβράνη.
Στάδιο
1.
Τα ηλεκτρόνια (το οποία Πe9έρχονται από την οξείδωση των
μορίων της τροφής ή από άλ/ες πηγές, όπως θα δούμε αργότερα) μετοφέ ρονται κατά μήκος μιας σειράς φορέων ηλεκτρονίων
(electron carriers), που είναι Υνωοιή ως αΛυσίδα μετοφοράς n?Jεκτροvίωv (electron-transport chain),
η οποία είναι ενσωμοτωμένη οιη μεμβράνη. Η μετοφορά αυτή απελευθερώ
νει ενέργεια που χρησιμοποιείται για την άντληση πρωτονίων (Η+, ΤΟ οποία
προέρχονται από το νερό που υπάρχει άφθονο σέ όλα ΤΟ κύτταρα) διαμέσου της μεμβράνης. Έτσι, δημιουργείτοι μια ηλεκτροχημική βαθμίδωση πρωτο
νίων (Εικόνα 14-1Α). Όπως αναφέραμε οιο Κεφάλαιο
12, μια βαθμίδωση
ιόντων διαμέσου μιας μεμβράνης είναι μια μορφή αποθηκευμένης ενέργει ας. Η ενέργεια αυτή μπορεί ν' αξιοποιηθεί για την εκτέλεση χρήσιμου έργου ότον ΤΟ ιόντα μετοκινηθούν αντίθετα διαμέσου της μεμβράνης, προς τη φορά της ηλεκτροχημικής βαθμίδωσής τους.
Στάδιο 2. Τα ιόντα των Η+ ρέουν παλίνδρομα, ακολουθώντας την ηλε κτροχημική βαθμίδωσή τους, διαμέσου ενός πρωτεϊνικού συμπί\όκου, Υνω οιού ως συvθάσn του Α ΤΡ (ΑΤΡ
σύνθεση του ΑΤΡ από
synthase).
Η συνθάση του ΑΤΡ κατολύει τη
ADP και ανόργανο φωσφορικό (Ρί), μια αντίδραση
που απαπεί ενέργεια. Το οικουμενικό αυτό ένΖυμο χρησιμεύει σαν ένας υ δροτροχός που επιτρέπει οιη βαθμίδωση Των πρωτονίων να προωθήσει την παραγωγή του ΑΤΡ (Εικόνα 14-1Β).
560
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
Στη δεκαετία του
1960,
όταν προτάθηκε η διaσύνδεση της μεταφοράς
Ερώτηση
144
των ηλεκτρονίων και της άντλησης των πρωτονίων με τη σύνθεση του ΑΤΡ, η
Η δινιτροφαινόλη
όλη διεργασία ονομάστηκε χημειωσμωτική υπόθεση
dinitrophenol)
(chemiosmotic hypoth-
(DNP,
είναι ένα μι
επειδή οι αντιδράσεις που συνθέτουν ΑΤΡ (στις οποίες σχηματίΖΟνται
κρό μόριο που καθιστά τις
χημικοί δεσμοί) συνδέονται με τις διεργασίες της μεμβρανικής μεταφοράς
μεμβράνες διaπερατές στα
(ωσμωτικές διεργασίες). Το όλο φαινόμενο αναφέρεται πλέον ως xnμειω
πρωτόνιa. Τη δεκαετία του
esis),
σμωτική σύΖευξη
1940, μικρές
(chemiosmotic coupling).
•
ποσότητες αυ
Η χημειωσμωτική σύΖευξη πρώτα εξελίΧθηκε στα βακτήρια. Επομέ
τής της πολύ τοξικής ένωσης χορηγήθη
νως, δεν πρέπει να μας ξενίΖει το γεγονός ότι τα αερόβια ευκαρυωτικά
καν σε ασθενείς με σκοπό την απώλειa
κύτταρα υιοθέτησαν ακέραιους τους χημειωσμωτικούς μηχανισμούς των
σωματικού βάρους. Η ΟΝΡ υπήρξε απο
βακτηρίων, πρώτα «καταβροΧθίΖοντας» αερόβιa βαKτήριa γιa το σχηματι
τελεσματική, προκαλώντας ελάττωση των
σμό των μιτοχονδρίων και κάπως αργότερα, Ο! άλγες και τα φυτά, «κατα
αποθεμάτων του λίπους. Με ποιο μηχα
βροχθίΖοντας» κυανοβακτήρια για το σχηματισμό των Χλωροπλαστών
νισμό πιστεύετε ότι συνέβη αυτό; Ωστό
(Κεφάλαιο
σο, το φάρμακο είχε διάφορες παρενέρ
1).
Στο κεφάλαιο αυτό θα εξετάσουμε το θέμα της παραγωγής ενέργειας τό
γειες. Έτσι, κατά τη διάpKειa της θερα
σο στα μιτoxόνδριa όσο ~αι στους xiΊωρoπiΊάστες, δίνοντας έμφαση στις κοι
πείας οι ασθενείς εμφάνΙΖαν αυξημένη
νές αρχές με τις οποίες δημιουργούνται και χρησιμοποιούνται Ο! βαθμιδώ
θερμοκρασία
σεις των πρωτονίων στα συγκεκριμένα οργανίδια και στα βακτήρια. Στην αρ
Ερμηνεύστε αυτά τα συμπτώματα.
και έντονη
εφίδρωση.
χή θα περιγράψουμε τη δομή και τη λειτουργία των μιτοχονδρίων και θα εκ
θέσουμε λεπτομερώς τα γεγονότα που συμβαίνουν στη μιτoxoνδριaKή μεμ βράνη έτσι ώστε να δημιουργηθεί η βαθμίδωση των πρωτονίων και να παρα χθεί ΑΤΡ. Στη συνέχεια, θ' ασχοληθούμε με τη φωτοσύνθεση, όπως εξελίσ
σεται στους xiΊωρoπiΊάστες των φυτικών κυττάρων. Τέλος, θ' ανιχνεύσουμε τις αναπτυξιακές οδούς που δημιούργησαν αυτούς τους μηχανισμούς παρα γωγής ενέργειας. Από την εξέταση του τρόπου Ζωής ποικίλων μονοκύτταρων οργανισμών
-
από τους οποίους, ορισμένΟ! ίσως μοιάΖουν με τους αρχέγο
νους προγόνους μας
-
μπορούμε να κατανοήσουμε το ρόλο που έπαιξε η
χημειωσμωτική σύΖευξη στην άνοδο των περίπλοκων ευκαρυωτών και στην ανάπτυξη όλων των μορφών Ζωής στη Γη.
Εικόνα
14-1. Αξιοποίηση
της ενέργειας για
τη ζωή. (Α) Οι αναγκαίες προϋποθέσεις για τη χημειώσμωση είναι μια μεμβράνη, στην οποία ενσωματώνεται μια πρωτεϊνική αντλία, μια συνθάση του ΑΤΡ και πηγές ηλεκτρονίων υψη λής ενέργειας (e-) και πρωτονίων (Η+). Η α ντλία αξιοποιεί την ενέργεια από τη μεταφορά
των ηλεκτρονίων (στην Εικόνα αυτή δεν δίνο νται λεπτομέρειες) για ν' αντλήσει πρωτόνια που προέρχονται από το νερό, δημιουργώντας
\
ηλεκτρόνιο χαμηλής Ο ενέργειας ο ο
έτσι μια βαθμίδωση πρωτονίων διαμέσου της
μεμβράνης.
(8) Η βαθμίδωση αυτή λειτουργεί
ως απόθεμα ενέργειας που μπορεί να χρησι
ο
μεύσει για την πραγματοποίηση ποικίλων αντι δράσεων που απαιτούν ενέργεια στα μιτοχόν ΠΑΔΙΟ
1:
Η ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ
ΠΡΟΩΘΕΙ ΜΙΑ ΑΝΤΛΙΑ ΠΟΥ ΑΝΤΛΕΙ ΠΡΩΤΟΝΙΑ ΔΙΑΜΕΣΟΥ ΤΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ
(Α)
ΠΑΔΙΟ 2: Η ΒΑΘΜΙΔΩΣΗ ΤΩΝ ΠΡΩΤΟΝΙΩΝ ΑΞΙΟΠΟΙΕΙΤΑΙ ΑΠΟ ΤΗ ΣΥΝΘΑΣΗ ΤΟΥ ΑΤΡ ΓΙΑ ΤΟ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟ ΑΤΡ (Β)
δρια, στους χλωροπλάστες και στα βακτήρια,
μεταξύ των οποίων και η σύνθεση του ΑΤΡ από τη συνθάση. Το κόκκινο βέλος δείχνει την κα τεύθυνση της μετακίνησης των πρωτονίων σε κάθε στάδιο.
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
561
Τα μn:οΧόνδρια και η οξειδωτική φωσφορυλίωση Τα μποχ6νδριο βρίσκονται σε όλα σχεδόν τα ευκαρυωτικά κύπαρα
(ma
φυτά,
ma Ζώα και mους περισσότερουςευκαρυωτικούςμικροοργανισμούς). Είναι τα οργανίδια ma οποία συντίθεται το μεγαλύτερο μέρος του ΑΤΡ ενός κυπάρου. Χωρίς αυτά, οι σύγχρονοι ευκαρυώτες θα εξαρτώνταν από τησχε τικά αναποτελεσματική διεργασία της γλυκόλυσης (Κεφάλαιο 13) για την πα
ραγωγή όλου του ΑΤΡ που θα χρειάΖονταν. Υπό αυτές τις συνθήκες, η ανά
πτυξη και επιβίωση πολύπλοκων, πολυκύπαρων οργανισμών θα ήταν μάλ λον απίθανη. Όταν η γλυκόΖη μετατρέπεται σε πυροmαφυλlκό με τη γλυκό λυση, απελευθερώνεται λιγότερο από το
10% της
συνολικής ελεύθερης ε
νέργειας που δυνητικά θα μπορούσε ν' αποδώσει η γλυκόΖη. Στα μιτοΧόν
δρια, ο μεταβολισμός των σακχάρων ολοκληρώνεται και η ενέργεια που α πελευθερώνεται αξιοποιείται τόσο αποτελεσματικά ώmε ανά μόριο γλυκόΖης
που οξειδώνεται παράγονται περίπου
30 μόρια ΑΤΡ.
Αντίθετα, κατά τη γλυ
κόλυση, ανά μόριο γλυκόΖης παράγονται μόνο δύο μόρια ΑΤΡ. Οι διαταραχές της μιτοχονδριακής λειτουργίας μπορεί να έχουν δυσμε
νείς επιmώσεις για τον οργανισμό. Χαρακτηριmlκό παράδειγμα είναι το νό
σημα που αποκαλείται μυοκίΊονικΩ επιl1nψfa κω νόσος κόκκινων μυϊκών Ι νών
(myoclonic epilepsy and ragged red fiber disease, MERRF). Η νόσος MERRF προκαλείται από μετάλλαξη ενός από τα γονίδια του μιτοχονδριακού μεταφορικού RNA (tRNA). ΧαρακτηρίΖεται από μειωμένη σύνθεση πρω τεϊνών που απαιτούνται για τη μεταφορά ηλεκτρονίων και την παραγωγή ΑΤΡ. Έτσι, οι ασθενείς με αυτή τη διαταραχή-εκδηλώνουν μυϊκή αδυναμία ή
καρδιακά προβλήματα (λόγω βλαβών
(λόγω βλαβών
mo μυοκάρδιο) και επιληψία ή άνοια ma νευρικά κύπαρα). Τα μυϊκά και τα νευρικά κύπαρα είναι
οι κύριοι mόΧΟI των μιτοχονδριακώνβλαβών επειδή η λειτουργία τους προ ϋποθέτειιδιαίτεραυψηλή κατανάλωση ΑΤΡ. Οι ίδιες μεταβολικές αντιδράσεις συμβαίνουν επίσης και
ma αερόβια βα
κτήρια, τα οποία δεν διαθέτουν μιτοχόνδρια. Στην περίπτωση αυτή, οι χημεl
ωσμωτικές διεργασίες επιτελούνται mnv κυπαρική μεμβράνη. Ωmόσο, αντί θετα από ένα βακτηριακό κύπαρο, το οποίο έχει επίσης να εκτελέσει πολ/ές άλλες λειτουργίες, το μιτοΧόνδριο έχει αποκτήσει εξαιρετική εξειδίκευση για την παραγωγή ενέργειας.
Ένα μιτοΧόνδριο περιέχει μια εξωτερική μεμβράνη, μια εσωτερική μεμβράνη και δύο εσωτερικά διαμερίσματα Σε γενικές γραμμές, τα μιτοΧόνδρια μοιάΖουν με τα βακτήρια ως προς το μέγεθος και το σχήμα τους, μολονότι τα χαρακτηριmlκά αυτά μπορεί να ποι
κίλουν ανάλογα με το είδος του κυπάρου. Τα μιτοΧόνδρια περιέχουν τα δι κά τους ιδιαίτερα μόρια ΟΝΑ και
RNA και ένα πλήρες
σύmημα μεταγραφής
και μετάφρασης, που περιλαμβάνει και ριβοσωμάτια. Έτσι, έχουν τη δυνα τότητα να συνθέτουν ορισμένες από τις πρωτεΙνες τους. Η κινηματογράφη
ση με αργό ρυθμό Ζωντανών κυπάρων αποκάλυψε ότι τα μιτοχόνδρια είναι
562
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
~
ιδιαίτερα ευκίνητα οργανίδια, τα οποία συνεΧώς αλ/άΖουν σχήμα και θέση.
Σε ορισμένα κύπαρα αφθονούν ιδιαίτερα (π.Χ. κάθε ηπατοκύπαρο περιέχει
1000-2000 μιτοΧόνδρια),
οπότε μπορεί να σχηματίσουν μακριές, κινητές α
λυσίδες μαΖί με τους μικροσωληνίσκους του κυπαροσκελετού (βλ. Κεφά λαιο
17).
Σε άλλα κύπαρα, παραμένουν καθηλωμένα σε μια περιοχή του
κυπάρου έτσι ώστε να διοχετεύουν άμεσα το ΑΤΡ σε μια περιοχή που απαι τεί ιδιαίτερα αυξημένη κατανάλωση ΑΤΡ. Για παράδειγμα, σ' ένα μυοκαρ διακό κύπαρο, τα μιτοΧόνδρια εντοπίΖΟνται κοντά στη συσταλτική συσκευή, ενώ σ' ένα σπερμαΤΟΖωάριο τυλίγονται σφιχτά γύρω από το κινητό μαστίγιο (Εικόνα
14-2).
Ο αριθμός των μιτοχονδρίων σε κύπαρα διαφορετικού εί
δους ποικίλλει εντυπωσιακά και μπορεί ν' αλλάξει ανάλογα με τις ενεργεια κές ανάγκες του κυπάρου. Για παράδειγμα, στα σκελετικά μυϊκά κύπαρα ο
αριθμός των μιτοχονδρίων μπορεί ν' αυξηθεί κατά
5-1 Ο φορές λόγω της αύ
ξησης και διαίρεσης των μιτοχονδρίων που συμβαίνει αν ο μυς διεγερθεί ε παναληπτικά σε συστολή. Κάθε μιτοΧόνδριο περιβάλλεται από δύο πολύ εξειδικευμένες μεμβρά νες, η μια γύρω από την άλλη, οι οποίες παίΖουν σημαντικό ρόλο στις λει τουργίες του. Η εξωτερική και η εσωτερική μεμβράνη δημιουργούν δύο μι
τοχονδριακά διαμερίσματα: έναν μεγάλο εσωτερικό Χώρο γνωστό ως στρώ
μα
(matrix) και έναν πολύ στενότερο, τον δ1Ομεμ8ρaνικό χώρο (intermembrane space) (Εικόνα 14-3). Η βιοχημική σύσταση καθεμιάς από τις δύο
μεμβράνες και των Χώρων που περικλείονται από αυτές μπορεί να καθορι στεί με ήπια επεξεργασία ενός δείγματος καθαρών μιτοχονδρίων και κλα σμάτωση των επιμέρους συστατικών με την τεχνική της διαφορικής φυγοκέ ντρησης (βλ. Παράρτημα
4-3). Κάθε κλάσμα
περιέχει μια μοναδική συλ/ογή
πρωτεϊνών.
Η εξωτερικι1 μεμ8ράvn
(outer membrane) περιέχει
πολ/ά μόρια πορίνης,
μιας μεταφορικής πρωτεΊνης η οποία, όπως είδαμε στο Κεφάλαιο
11,
σχη
ματίΖει ευρείς υδρόφιλους διαύλους διαμέσου της διπλοστιβάδας των λιπι
δίων. Έτσι, λειτουργεί σαν ένας ηθμός, διαπερατός από όλα τα μόρια με μο ριακό βάρος έως
5000 daltons, συμπεριλαμβανομένων
και των μικρών πρω
τεϊνών. Αυτό καθιστά το διαμεμβρανικό Χώρο χημικώς ισοδύναμο με το κυτ ταροδιάλυμα, σχετικά με τα μικρά μόρια που περιέχει. Αντίθετα, η εσωτερικι1 μεμ8ράvn
(inner membrane), όπως και άλλες μεμβράνες του κυπάρου,
είναι
αδιαπέραστη από τα ιόντα και τα περισσότερα μικρά μόρια σε όλη την έκτα-
Εικόνα
14·2.
Η τοποθέτηση των μιτοχον
δρίων σε θέσεις μεγάλης κατανάλωσης ΑΤΡ. (Α) Σ' ένα μυοκαρδιακό κύπαρο, τα μιτοχόν δρια βρίσκονται κοντά στη συσταλτική συ σκευή έτσι ώστε η υδρόλυση του ΑΤΡ να πα
ρέχει την απαιτούμενη ενέργεια για τη συστο λή. (Β) Σ' ένα σπερματοζωάριο, τα μιτοχόνδρια βρίσκονται στην ουρά, γύρω από τον πυρήνα (Α)
ΜΥΟΚΑΡΔΙΑΚΟ ΚΥΠΑΡΟ
(Β)
ΟΥΡΑ ΣΠΕΡΜΑΤΟΖΩΑΡΙΟΥ
του κινητού μαστιγίου, που χρειάζεται ΑΤΡ για την κίνησή του.
Τα Μιτοχόνδρια και η Οξειδωτική Φωσφορυλίωση
563
σή της εκτός από τις θέσεις όπου υπάρχουν κατάλ/ηλοι δίαυλοι, που σχημα τίΖΟνται από τις μεταφορικές πρωτεΤνες της μεμβράνης. Επομένως, το μιτο χονδριακό στρώμα περιέχει μόνο τα μόρια που μπορεί να διαπεράσουν την
εσωτερική μεμβράνη. Με άλ/α λόγια, το περιεΧόμενό του είναι πολύ εξειδι κευμένο.
στρώμα
διαμεμβρανικός χώρος εσωτερική μεμβράνη
εξωτερική μεμβράνη
~
100 nm
Στρώμα. Αυτός ο μεγάλος εσωτερικός χώρος περιέχει ένα πολύ πυκνό μείγμα εκατοντάδων ενζύμων, στα οποία περιλαμβάνονται τα ένζυμα που απαιτούνται για την οξείδωση του πυροσταφυλικού και των λιπαρών οξέων καθώς και τα ένζυμα του κύκλου του κιτρικού οξέος. Το στρώμα περιέχει επίσης αρκετά αντίγραφα του μιτοχονδριακού γονιδιώματος, ειδικά μιτοχονδριακά ριβοσωμάτια, μόρια tRNA και ποικίλα ένζυμα απαραίτητα για την έκφραση των μιτοχονδριακών γονιδίων. Εσωτερική μεμβράνη. Η εσωτερική μεμβράνη (με κόκκινο χρώμα) είναι διπλωμένη σε πολυάριθμες ακρολοφίες, οι οποίες αυξάνουν σημαντικά τη συνολική επιφάνειά της. Περιέχει πρωτείνες που εκτελούν τρεις διαφορετικές λειτουργίες: (1) τις πρωτεί\ιες που διεκπεραιώνουν τις οξειδωτικές αντιδράσεις της αλυσίδας μεταφοράς των ηλεκτρονίων, (2) τη συνθάση του ΑΤΡ που παράγει ΑΤΡ στο στρώμα, (3) μεταφορικές πρωτείνες που επιτρέπουν τη δίοδο μεταβολιτών προς και από το στρώμα. Διαμέσου αυτής της μεμβράνης αναmύσσεται μια βαθμίδωση Η + που προωθεί τη συνθάση του ΑΤΡ. Για το λόγο αυτό, η εσωτερική μεμβράνη πρέπει να είναι αδιαπέραστη από τα ιόντα και τα περισσότερα φορτισμένα μόρια. Εξωτερική μεμβράνη. Η εξωτερική μεμβράνη είναι διαπερατή απ' όλα τα μόρια με μοριακό βάρος μικρότερο από 5000 daltons επειδή περιέχει μια μεγάλη πρωτείνη που σχηματίζει διαύλους (γνωστή ως πορίνη). Στις πρωτείνες αυτής της μεμβράνης περιλαμβάνονται ένζυμα που εμπλέκονται στη σύνθεση των λιπιδίων και άλλα ένζυμα που μετατρέπουν τα λιπίδια σε παράγωγα τα οποία στη συνέχεια μεταβολίζονται στο στρώμα. Διαμεμβρανικός χώρος. Ο χώρος αυτός (με άσπρο χρώμα) περιέχει αρκετά ένζυμα τα οποία χρησιμοποιούν το ΑΤΡ που εξέρχεται από το στρώμα για να φωσφορυλιώσουν άλλα νουκλεοτίδια
Εικόνα
14·3.
Η γενική οργάνωση ενός μιτοχονδρίου. Η καθεμία από τις τέσσερις περιοχές ενός μιτοχονδρίου περιέχει ένα μοναδικό σύ
νολο πρωτε'ίνών οι οποίες επιτρέπουν στο αvτίστoιxo διαμέρισμα να διεκπεραιώνει τις χαρακτηριστικές λειτουργίες του. Στα μιτοχόνδρια των ηπατικών κυπάρων, έχει υπολογιστεί ότι το
σωτερική μεμβράνη, το
564
67% του συνόλου των μιτοχονδριακών πρωτε'ίνών βρίσKOVΤαι στο στρώμα, το 21% στην 6% στην εξωτερική μεμβράνη και το 6% στον διαμεμβρανικό χώρο. (Με την άδεια του Daniel S. Friend).
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
ε
Η εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη είναι ο τόπος όπου επιτελείται η
Ερώτηση
14-2
μεταφορά των ηλεκτρονίων και η άντληση των πρωτονίων και περιέχει τη
Όπως φαίνεται σε ηλεκτρο
συνθάση του ΑΤΡ. Οι περισσότερες πρωτεΤνες που είναι ενσωματωμένες σ'
νιοφωτογραφίες,
αυτήν αποτελούν συστατικά των αλυσίδων μεταφοράς ηλεκτρονίων οι οποίες
Χόνδρια των κυττάρων του
είναι απαραίτητες για την οξειδωτική φωσφορυλίωση. Η εσωτερική μιτοχον
μυοκαρδίου διαθέτουν πο
δριακή μεμβράνη έχει χαρακτηριστική σύσταση σε λιπίδια και επίσης περιέχει
λύ περισσότερες ακρολο
ποικίλες μεταφορικές πρωτεl\ιες που επιτρέπουν την είσοδο στο στρώμα επι
φίες από τα μιτοχόνδρια των
λεγμένων μικρών μορίων, όπως το πυροσταφυλικό και τα λιπαρά οξέα. Η εσωτερική μεμβράνη συνήθως είναι πολύ πτυχωμένη. ΣχηματίΖει μια
σειρά πτυΧών, που αναφέρονται ως ακρολοφίες
(cristae),
τα μιτο
•,
δερματικών κυττάρων. Ερμηνεύστε αυτή την παρατήρηση.
οι οποίες προβάλ
λουν στο μιτοχονδριακό στρώμα και αυξάνουν πολύ την επιφάνεια της μεμ βράνης (Εικόνα
14-3). Με τον τρόπο
αυτό εξασφαλίζεται μια μεγάλη επιφά
νεια στην οποία μπορεί να συμβεί η σύνθεση του ΑΤΡ. Για παράδειγμα, σ' έ να ηπατοκύτταρο, το άθροισμα της επιφάνειας της εσωτερικής μεμβράνης ό λων των μιτοχονδρίων είναι ίσο περίπου με το ένα τρίτο της επιφάνειας του συνόλου των μεμβρανών .του κυττάρου. Επίσης, ο αριθμός των ακρολοφιών
είναι τριπλάσιος στα μιτοΧόνδριο ενός μυοκαρδιακού κυττάρου σε σύγκριση προς ένα ηπατοκύτταρο, μάλ/ον εξαιτίας των μεγαλύτερων αναγκών σε ΑΤΡ.
Ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας παράγOVΤαI από τον κύκλο
του κιτρικού οξέος Ο μεταβολισμός των μορίων των τροφών ολοκληρώνεται στα μιτοΧόν δρια. Τα μιτοΧόνδρια έχουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιούν ως καύσιμα
τόσο το πυροσταφυλικό οξύ όσο και τα λιπαρά οξέα. Το πυροσταφυλικό οξύ προέρχεται από τη γλυκόΖη και άλλα σάκχαρα, ενώ τα λιπαρά οξέα από τα λί πη. Και τα δύο είδη καυσίμων μεταφέρονται διαμέσου της εσωτερικής μιτο χονδριακής μεμβράνης και κατόπιν μετατρέπονται στο καίριο μεταβολικό εν διάμεσο, το aκεrvί\ο-CοΑ, με τη δράση ενΖύμων που εντοπίΖονται στο μιτο
χονδριακό στρώμα (βλ. Εικόνα
13-10).
Στη συνέχεια, οι ακετυλομάδες του
ακετυλο-CοΑ οξειδώνονται στο στρώμα μέσω του κύκλου του κιτρικού οξέ
ος. Ο κύκλος παράγει
CO z, το
οποίο αποβάλλεται από το κύτταρο, και ηλε
κτρόνια υψηλής ενέργειας που μεταφέρονται από τα ενεργοποιημένα μόρια
φορείς ΝΑΟΗ και
FADH z (Εικόνα 14-4).
Στη συνέχεια, τα ηλεκτρόνια αυτά
μεταφέρονται στην εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη, όπου εισέρχονται
στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Η απώλεια των ηλεκτρονίων από τα
ΝΑΟΗ και
FADHz οδηγεί σε αναγέwηση των NAD+ και FAD, που είναι α
παραίτητα για να συνεχιστεί ο οξειδωτικός μεταβολισμός. Από το σημείο αυ τό, αρχίΖει η μεταφορά των ηλεκτρονίων κατά μήκος της αλυσίδας. Η πλήρης
ακολουθία των αντιδράσεων αποδίδεται συνοπτικά στην Εικόνα
14-5.
Μια χημειωσμωIlκή διεργασία μετατρέπει την οξειδωIlκή
ενέργειο σε ΑΤΡ Παρότι ο κύκλος του κιτρικού οξέος θεωρείται μέρος του αερόβιου μετα βολισμού, εντούτοις δεν χρησιμοποιεί μοριακό οξυγόνο. Άμεση κατανάλω-
Τα Μιτοχόνδρια και η Οξειδωτική Φωσφορυλίωση
565
ασταθέςισομερές
ΑΝΑΔΙΑΤΑΞΗ ΔΕΣΜΩΝ
ΠΡΟΣΦΟΡΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ
Τ
ιόν υδριδίου
Η:
Η λ. +
Εικόνα
14-4.
2
e- _
δύοηλεκτρόνιαπροςτην αλυσίδα
μεταφοράς ηλεκτρονίων της μεμβράνης
Πώς προσφέρει ηλεκτρόνια το αυτό, τα ηλεκτρόνια
NADH. Στο σχεδιάγραμμα
υψηλής ενέργειας αποδίδονται ως δύο κόκκι νες κηλίδες πάνω σ' ένα κίτρινο άτομο υδρογό
ση οξυγόνου συμβαίνει μόνο σης τελικές καταβολικές ανηδράσεις που δια
= ένα άτομο υδρο
δραματίΖΟνται στην εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη. Σχεδόν όλη η ε
γόνου και ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο) αφαιρείται
νέργεια που προέρχεται από την καύση των υδατανθράκων, των λιπών και
νου. Ένα ιόν υδριδίου (Η-
από το ΝΑDΗ και μετατρέπεται σ' ένα πρωτό νιο και δύο ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας: Η
άλλων μορίων των τροφών σε πρωιμότερα στάδια της οξείδωσης πρώτα α
μόνο ο
ποθηκεύεται στα ενεργοποιημένα μόρια φορείς τα οποία παράγονται κατά τη
δακτύλιος που μεταφέρει τα ηλεκτρόνια συν
γλυκόλυση και τον κύκλο του κιτρικού οξέος, δηλαδή το ΝΑΩΗ και το
~ Η+
+ 2e-. Στην εικόνα παρουσιάζεται
δεδεμένα μ' έναν δεσμό υψηλής ενέργειας (για την πλήρη δομή του ΝΑDΗ και το σχηματισμό
FADH2 . Αυτά τα μόρια-φορείς δωρίΖουν ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας στην
του από το
αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων της μιτοχονδριακής μεμβράνης και με τον
NAD+
παρατηρείστε τη δομή του
συγγενικού μορίου ΝΑDΡΗ στην Εικόνα
3-35).
Ηλεκτρόνια μεταφέρονται επίσης με ανάλογο τρόπο από το
FADH 2 ,
η δομή του οποίου πα
ρουσιάζεται στην Εικόνα
13-128.
τρόπο αυτό οξειδώνονται σε NAD+ και FAD. Τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται γρήγορα κατά μήκος της αλυσίδας προς το μοριακό οξυγόνο
(02) για το ΣΧη
μαησμό νερού (Η 2 Ο).
εξωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη
εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη
Εικόνα
14-5. Συνοπτική
απόδοση των μετα
βολικών διεργασιών που παράγουν ενέργεια
α -R_--tt-=Ε=ΞΩ. α
στα μιτοχόνδρια. Το πυροσταφυλικό και τα λι παρά οξέα εισέρχονται στο μιτοχόνδριο (κάτω μέρος της εικόνας), μετατρέπονται σε ακετυ
---H---H-IADPI + Ρ;
λο-CοΑ και στη συνέχεια μεταβολίζονται από τον κύκλο του κιτρικού οξέος, στον οποίο το
NAD+ ανάγεται σε FADH 2 , η αναγωγή
ΝΑDΗ (και το
FAD+
ΕΞΩ
σε
αυτή δεν παρουσιάζεται
στην εικόνα). Κατά τη διεξαγωγή της οξειδωτι ακετυλο-CοΑ
κής φωσφορυλίωσης, ηλεκτρόνια υψηλής ε νέργειας από το ΝΑDΗ (και το
FADH 2)
μετακι
νούνται κατά μήκος της αλυσίδας μεταφοράς
/
"
πυροσταφυλικό
λιπαρά οξέα
πυροσταφυλικό
λιπαρά οξέα
των ηλεκτρονίων στην εσωτερική μεμβράνη και
φτάνουν στο οξυγόνο (02)' Αυτό το σύστημα μεταφοράς ηλεκτρονίων δημιουργεί μια βαθμί δωση πρωτονίων διαμέσου της εσωτερικής μι
τοχονδριακής μεμβράνης, η οποία προωθεί τη σύνθεση του ΑΤΡ από τη συνθάση του ΑΤΡ.
566
!
Ι
ΜΟΡΙΑ ΤΗΣ ΤΡΟΦΗΣ ΑΠΟ ΤΟ ΚΥΠΑΡΟΔΙΜΥΜΑ
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
Εικόνα
βαθμίδωση Η+
2e~' Ι
aED
μόρια λιπών και
υδατανθράκων
14-6. Άντληση πρωτονίων στα μιτο
χόνδρια. Στην εικόνα αυτή παρουσιάζεται μόνο το πρώτο στάδιο της χημειωσμωτικής σύζευ
ξης. Τα εισερχόμενα φαίνονται ανοιχτά κίτρινα,
........
ενώ τα παραγόμενα μπλε. Η ροή των ηλεκτρο
αντλία
νίων υποδηλώνεται από τα κόκκινα βέλη.
Η+
2e-tΙ
κύκλος _του κιτρικού ~
οξέος
~
προ'ίόντα
Η ενέργεια που απείΊευθερώνεται κατά τη διέίΊευση των ηίΊεκτρονίων κα τά μήκος της αίΊυσίδας μεταφοράς των ηλεκτρονίων χρησιμοποιείται για την άντίΊηση πρωτονίων (Εικόνα
14-6). Με τη σειρά της,
η βαθμίδωση των πρω
τονίων προωθεί τη σύνθεση του ΑΤΡ, οίΊοκληρώνοντας έτσι τον χημειωσμω
τικό μηχανισμό. Η όίΊη διεργασία συνίααται σε κατανάίΊωση
02 και
σε πα
ράίΊίΊηίΊη σύνθεση ΑΤΡ, με την προσθήκη μιας φωσφορικής ομάδας αο
ADP. Για το ίΊόγο αυτό αποκαίΊείται phosphorylation) (Εικόνα 14-7).
οξειδωτικΠ φωσφορυλίωση
(oxidative
Ο βασικός χημειωσμωτικός μηχανισμός χρησιμοποιείται για την παρα
~
γωγή ΑΤΡ από τους περισσότερους Ζωντανούς οργανισμούς. Η πηγή των η
ίΊεκτρονίων που προωθούν την άντίΊηση των πρωτονίων ποικίίΊίΊει πολύ. Ό πως αναφέραμε, αην αερόβια αναπνοή που παράγει ΑΤΡ αα μιτοΧόνδρια και
m'
ΟΞΕIΔΩΤιΚΗ
αερόβια βακτήρια, τα ηίΊεκτρόνια τείΊικά προέρχονται από την οξείδω
Ι
14-7).
Στη
χημειωσμωτική σύνδεση κατά τη φωτοσύνθεση, τα απαραίτητα ηίΊεκτρόνια προέρχονται από την επίδραση του φωτός αην πράσινη χρωαική, τη χίΊω ροφύλ/η. ΤέίΊος, πολ/ά βακτήρια χρησιμοποιούν ως πηγή των ηίΊεκτρονίων
υψηίΊής ενέργειας που χρειάΖονται για τη σύνθεση του ΑΤΡ διάφορες ανόρ γανες ουσίες, όπως το υδρογόνο, τον σίδηρο και το θείο.
ΦΩΣΦΟΡΥΛΙΩΣΗ ~
/
ση της γίΊυκόΖης ή των ίΊιπαρών οξέων και το οξυγόνο δρα ως τείΊικός δέκτης
των ηίΊεκτρονίων, παράγοντας νερό ως άχρηαο προϊόν (Εικόνα
)
διεργασίες μετατροπής ενέργειας στη μεμβράνη
'"'"'"
11Ι
IADPI+p; Εικόνα
14-7.
Η κυριότερη μετατροπή ενέρ
γειας καταλύεται από το μιτοχόνδριο. Στην ο ξειδωτική φωσφορυλίωση, η ενέργεια που α
πελευθερώνεται από την οξείδωση του ΝΑΟΗ σε
NAD+ τιθασεύεται,
μέσω διεργασιών μετα
τροπής της ενέργειας που πραγματοποιού
Στη συνέχεια θα παρουσιάσουμε σε γενικές γραμμές τις αντιδράσεις που
καθιαούν εφικτή την οξειδωτική φωσφορυίΊίωση.
νται στη μεμβράνη (μεταφορά ηλεκτρονίων, ά
ντληση πρωτονίων και ροή των πρωτονίων δια μέσου της συνθάσης του ΑΤΡ) και καλύmει ε νεργειακά τη φωσφορυλίωση του ΑΟΡ για το
Τα ηλεκτρόνια μειοφέΡΟνΙαι κατά μήκος μιας αλυσίδας
σχηματισμό ΑΤΡ. Τα ηλεκτρόνια υψηλής ενέρ γειας που χάθηκαν από το ΝΑΟΗ μετακινού
πρωτεϊνών της εσωτερικής μιιοχονδριακής μεμβράνης
νται κατά μήκος μιας αλυσίδας μεταφοράς η
Η αλυοιΟΟ μεrαφoράςnλεκτρovίων
(electron transport chain), Υνωαή ε πίσης και ως αναπνευσrl~ή αilvσfδα (respiratory chain), η οποία διεκπεραιώ νει την οξειδωτική φωσφορυίΊίωση, βρίσκεται αην εσωτερική μιτοχονδρια κή μεμβράνη σε πολ/ά αντίγραφα. Περιέχει πάνω από
οποίες περίπου
15 εμπίΊέκονται
40 πρωτε'ϊνες,
από τις
άμεσα αη μεταφορά των ηίΊεκτρονίων. Οι
λεκτρονίων της μεμβράνης και τελικά αντι δρούν με το μοριακό οξυγόνο και Η+ για το
σχηματισμό νερού. Η συνολική εξίσωση γι' αυ τή τη διεργασία μεταφοράς ηλεκτρονίων είναι:
ΝΑΟΗ
+ %02 + Η+ -7 NAD+ + Η 2 Ο, όταν δύο
ηλεκτρόνια περνούν από το ΝΑΟΗ στο οξυγό νο (βλ. Εικόνα
14-6).
Τα Μιτοχόνδρια και η Οξειδωτική Φωσφορυλίωση
567
Ισιορική Αναδρομή: Πώs η χημειωσμωnκή σύΖευξη προωθεί ιη σύνθεση ιου ΑΤΡ Το
ο
1861
Louis Pasteur ανακάλυψε
Αξιοποίηση της ισχύος
ότι τα κύπαρα της ζύμης
Το
αυξάνουν και διαιρούνται πιο έντονα υπό αερόβιες συνθήκες. Έ τσι, για πρώτη φορά αποδείχθηκε ότι ο αερόβιος μεταβολισμός
1961, ο Peter Mitchell διατύπωσε
για πρώτη φορά την άποψη
ότι το «ενδιάμεσο υψηλής ενέργειας» που αναζητούσαν οι συνά
είναι πιο αποτελεσματικός από τον αναερόβιο. Οι παρατηρήσεις
δελφοί του ήταν η ηλεκτροχημική βαθμίδωση πρωτονίων την ο
του
σωστές: σήμερα γνωρίζουμε ότι η οξειδωτική
ποία παρήγαγε το σύστημα μεταφοράς των ηλεκτρονίων. Σύμφω
φωσφορυλίωση παράγει ΑΤΡ πολύ πιο αποτελεσματικά από τη
να με το μοντέλο του, που ονομάστηκε χημειωσμωτική υπόθεση, η
Pasteur ήταν
γλυκόλυση. Τα συστήματα μεταφοράς ηλεκτρονίων παράγουν
ενέργεια μιας βαθμίδωσης Η+ που σχηματίζονται κατά τη δίοδο
περίπου
των ηλεκτρονίων μέσω της μεταφορικής αλυσίδας αξιοποιείται για
30 μόρια ΑΤΡ για κάθε
μόριο γλυκόζης που οξειδώνεται,
ενώ μόνο η γλυκόλυση αποδίδει μόλις δύο μόρια ΑΤΡ. Χρειάστη
να προωθήσει τη σύνθεση του ΑΤΡ.
κε να περάσουν άλλα εκατό χρόνια για να καθοριστεί ότι η παρα
Αρκετές διαφορετικές ενδείξεις στηρίζουν τη χημειωσμωτική
γωγή ενέργειας με τόση αποτελεσματικότητα οφείλεται στη διερ
σύζευξη. Πρώτον, τα μιτοχόνδρια πράγματι αναmύσσουν μια βαθ
γασία της χημειωσμωτικής σύζευξης, δηλαδή στην αξιοποίηση
μίδωση πρωτονίων διαμέσου της εσωτερικής μεμβράνης τους. Τι
της άντλησης των πρωτονίων για την προώθηση της σύνθεσης
εξυπηρετεί αυτή η βαθμίδωση; Αν η ηλεκτροχημική βαθμίδωση Η+ (γνωστή επίσης και ως πρωτονιοκινητική δύναμη) ήταν απαραίτη
του ΑΤΡ.
τη για τη σύνθεση του ΑΤΡ, όπως προτείνει η χημειωσμωτική υπό Υποθετικά ενδιάμεσα Τη δεκαετία του
θεση, τότε η απαλοιφή της (ή, εναλλακτικά, η καταστροφή της ί
1950 πολλοί ερευνητές
πίστευαν ότι η οξειδωτι
διας της μεμβράνης) θα οδηγούσε σε αναστολή της παραγωγής ε
κή φωσφορυλίωση που συμβαίνει στα μιτοχόνδρια παράγει ΑΤΡ
νέργειας. Αυτό όντως συμβαίνει. Η αποδιοργάνωση της εσωτερι
περίπου όπως και η γλυκόλυση. Κατά τη γλυκόλυση, ΑΤΡ παράγε
κής μιτοχονδριακής μεμβράνης διακόmει τη σύνθεση του ΑΤΡ. Το
ται με άμεση φωσφορυλίωση ενός μορίου ΑDΡ από ένα ενδιάμεσο υψηλής ενέργειας. Τέτοια φωσφορυλίωση συμβαίνει στα βήματα 7
πρωτονίων με χημικούς παράγοντες «αποσύζευξης», όπως η
ίδιο αποτέλεσμα έχει και ο εκμηδενισμός της βαθμίδωσης των
2,4-
1Ο της γλυκόλυσης: εκεί, οι φωσφορικές ομάδες υψηλής ενέρ γειας του 1,3-διφωσφογλυκερινικού και του φωσφοενολοπυρο
τερική μιτοχονδριακή μεμβράνη, όπου δρουν ως φορείς Η+, εξα
σταφυλικού μεταφέρονται στο ΑDΡ οπότε σχηματίζεται ΑΤΡ (βλ.
σφαλίζοντας μια οδό για τη ροή των Η+ που παρακάμmει τη συν
Παράρτημα
θάση του ΑΤΡ (Εικόνα
και
13-1). Την εποχή
δινιτροφαινόλη. Αυτοί οι παράγοντες ενσωματώνονται στην εσω
εκείνη ήταν διαδεδομένη η υπόθεση
14-8).
Με αυτό τον τρόπο προκαλούν απο
ότι, κατ' αντίστοιχο τρόπο, η αλυσίδα μεταφοράς των ηλεκτρονίων
σύζευξη της μεταφοράς των ηλεκτρονίων από τη σύνθεση του
στα μιτοχόνδρια θα παρήγαγε κάποιο ενδιάμεσο υψηλής ενέργει
ΑΤΡ. Εξαιτίας αυτής της παράκαμψης, η πρωτονιοκινητική δύναμη
ας, το οποίο στη συνέχεια θα προσέφερε τη φωσφορική ομάδα
εκμηδενίζεται και σταματά η σύνθεση του ΑΤΡ.
του άμεσα στο
ADP. Αυτό το μοντέλο
πυροδότησε την άκαρπη και
Στη φύση, ανάλογη αποσύζευξη συμβαίνει σε μερικά εξειδικευ
μάταια, μακροχρόνια αναζήτηση του μυστηριώδους ενδιαμέσου.
μένα λιποκύπαρα. Στα λεγόμενα καστανά λιποκύπαρα, το μεγα
Διάφοροι ερευνητές κατά καιρούς ισχυρίστηκαν ότι είχαν ανακα
λύτερο μέρος της ενέργειας από την οξείδωση αντί να μετατραπεί
λύψει το αγνοούμενο ενδιάμεσο, αλλά, όπως αποδείχθηκε, οι σχε
σε ΑΤΡ χάνεται υπό 'μορφή θερμότητας. Η εσωτερική μεμβράνη
τικές ενώσεις είτε δεν σχετίζονταν με τη μεταφορά των ηλεκτρο
των μεγάλων μιτοχονδρίων αυτών των κυπάρων περιέχει μια ειδι
νίων είτε ήταν «αποκυήματα φαντασίας υψηλής ενέργειας», όπως
κή μεταφορική πρωτεΊνη που επιτρέπει στα πρωτόνια να μετακι
εύστοχα το έθεσε ένας ερευνητής σε μια ανασκόπηση για την ι στορία της βιοενεργειακής επιστήμης.
νούνται στη φορά της ηλεκτροχημικής βαθμίδωσής τους, παρακά μmοντας τη συνθάση του ΑΤΡ. Έτσι, τα κύπαρα οξειδώνουν γρή-
εξωτερική μιτοχοvδριακή μεμβράνη
εσωτερική μιτοχοvδριακή μεμβράνη
ο
--L
προσθήκη παράγοντα αποσύζευξης
IADp!+ Pj Εικόνα
14-8, Οι παράγοντες
αποσύζευξης είναι φορείς Η+ ικανοί να ενσωματώνονται στην εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη, Κα
θιστούντη μεμβράνη διαπερατή από τα πρωτόνια: έτσι, τα Η+ εισρέουν στο μιτοχόνδριο παρακάμmοντας τη συνθάση του ΑΤΡ. Κατ' αυ τόν τον τρόπο προκαλείται αποσύζευξη της μεταφοράς των ηλεκτρονίων από τη σύνθεση του ΑΤΡ.
'"
.,~
~ ..
/lc,
~
~
-,"
/~<~',
-
.
,"
~~~ Iί~~ rn:~~~ I]w;i~d:([~~'@ Ι~»jjίf@~fQJI@:@.υ ~,~~q!@(~,",;~®w~
:~j;Ι~~:~~
..'.,;" _~'>,,'
. . . • '.
ηλιακό
ηλιοκό
φως
φως
Εικόνα
14-9. Πειράματα
με τη βακτηριορο
δοψίνη και μια συνθάση του ΑΤΡ από τα μι
βοκτηριοροδοψίνη
τοχόνδρια της καρδιάς του βοδιού προσέ φεραν ισχυρές ενδείξεις για το γεγονός ότι βαθμιδώσεις πρωτονίων μπορεί να προω θήσουν την παραγωγή του ΑΤΡ. Αν προστε θεί βακτηριοροδοψίνη σε τεχνητά κυστίδια και τα κυστίδια εκτεθούν στο φως, τότε η
πρωτε'ινη θα δημιουργήσει μια βαθμίδωση πρωτονίων. Σε τεχνητά κυστίδια που περιέ χουν επιπλέον και μια συνθάση του ΑΤΡ, η
βαθμίδωση των πρωτονίων προωθεί τον σχηματισμό του ΑΤΡ. Η προσθήκη παραγό ντων αποσύζευξης που εκμηδενίζουν τη βαθμίδωση καταργεί τη σύνθεση του ΑΤΡ.
ΔΕΝ ΠΑΡΑΓΕΤΑΙ ΑΤΡ
ΔΕΝ ΠΑΡΑΓΕΤΑΙ ΑΤΡ
ηλιακό
ηλιακό
φως
φως
ΠΑΡΑΓΕΤΑΙΑΤΡ
ΔΕΝ ΠΑΡΑΓΕΤΑΙ ΑΤΡ
γορα τ' αποθέματα λίπους που περιέχουν και παράγουν περισσό
Ha/obacterium ha/obium.
τερο θερμότητα παρά ΑΤΡ. Οι ιστοί που περιέχουν καστανά λιπο κύπαρα είναι σαν «βιολογικές θερμοφόρες»: βοηθούν στο ξύπνη
κυπαρική μεμβράνη αυτού του βακτηρίου είναι γεμάτη βακτηριο ροδοψίνη, μια πρωτε'tνη που αντλεί Η+ προς το εξωτερικό του κυτ
Όπως αναφέραμε στο Κεφάλαιο
11, η
μα από τη χειμερία νάρκη και προφυλάσσουν από το κρύο μερικές
τάρου μετά από έκθεση στο ηλιακό φως (βλ. Εικόνα
ευαίσθητες περιοχές των νεογνών (όπως ο αυχένας).
πώς, η πρωτε'tνη της ιώδους μεμβράνης δημιουργεί μια βαθμίδω
11-28). Συνε
ση πρωτονίων μόλις εκτεθεί στο φως.
Τεχνητή παραγωγή ΑΤΡ Εφόσον η εξάλειψη της βαθμίδωση ς πρωτονίων διαμέσου της μιτοχονδριακής μεμβράνης καταργεί τη σύνθεση του ΑΤΡ, τότε το αντίθετο, δηλαδή η δημιουργία μιας τεχνητής βαθμίδωση ς πρωτο
ντας μια βαθμίδωση πρωτονίων. (Στα κυστίδια η βακτηριοροδοψί
νίων θα έπρεπε να διεγείρει την παραγωγή του ΑΤΡ. Πράγματι, αυ
νη έχει τον αντίθετο προσανατολισμό και γι' αυτό αντλεί Η+ προς
τό ακριβώς ισχύει. Αν δημιουργηθεί τεχνητά μια βαθμίδωση πρω τονίων ελαπώνοντας το ρΗ στην πλευρά της μιτοχονδριακής μεμ βράνης που φέρεται προς το κυπαροδιάλυμα τότε συντίθεται ΑΤΡ, έστω και αν δεν υπάρχει κάποιο υπόστρωμα κατάλληλο για ο
το εσωτερικό των κυστιδίων, ενώ στα βακτήρια προκαλεί εξαγωγή
Πώς προωθείται η σύνθεση του ΑΤΡ από τη βαθμίδωση των πρω τονίων; Εδώ κάνει την εμφάνισή της η συνθάση του ΑΤΡ. Το
Efraim Racker
πρωτονίων). Στη συνέχεια, στα ίδια κυστίδια ενσωματώθηκε μια ΑΤΡάση μιτοχονδριακής προέλευσης. Μετά από έκθεση στο φως, το πειραματικό σύστημα κατέλυε τη σύνθεση ΑΤΡ. Αυτό προϋπέ θετε τη βαθμίδωση των Η+: η αφαίρεση της βακτηριοροδοψίνης ό
ξείδωση.
-,
Τοποθετώντας τη βακτηριοροδοψίνη σε τεχνητά λιποκυστίδια,
οι Racker και Stoeckenius έδειξαν ότι μετά από έκθεση στο φως η πρωτε'tνη αντλούσε Η+ στο εσωτερικό των κυστιδίων, δημιουργώ
και ο
Walther Stoeckenius
1974 ο
απέδειξαν ότι ο συνδυα
πως και η προσθήκη παραγόντων αποσύζευξης καταργούσε τη σύνθεση του ΑΤΡ (Εικόνα
14-9).
Έτσι, παρόλο που η υπόθεση του
Mitchell
συνάντησε αρχικά α
σμός της συνθάσης του ΑΤΡ με μια βαθμίδωση πρωτονίων οδηγεί
ντίσταση (οι βιοχημικοί είχαν την ελπίδα ότι θα έβρισκαν ένα ενδιά
σε παραγωγή ΑΤΡ. Οι
μεσο υψηλής ενέργειας και δεν θ' αναγκάζονταν ν' αποδεχθούν τη
Racker και Stoeckenius διαπίστωσαν ότι
μπορούσαν ν' ανασυνθέσουν ένα πλήρες τεχνητό σύστημα παρα
μυστηριώδη ηλεκτροχημική δύναμη), οι πειραματικές ενδείξεις
γωγής ενέργειας συνδυάζοντας μια ΑΤΡάση από μιτοχόνδρια της
που στήριζαν τη χημειωσμωτική σύζευξη δεν ήταν δυνατό ν' α
καρδιάς του βοδιού με μια πρωτείvη από την ιώδη μεμβράνη του
γνοηθούν. Το
~
1978, ο Mitchell έλαβε το
,
βραβείο Νοbellατρικής. ' -
1''2 i,:ι.W:Q)'{Qλ'~@, :~ι C'j'. Ώ:C~®J})'ιIJ>i!1Ί @):w:[~~~)!;,~ω:@jn f ~
~
~
~
!§@§
περισσότερες από αυτές είναι ενσωμοτωμένες στη διπλοστιβάδα των λιπι δίων και λειωυργούν μόνο ότον η μεμβράνη είναι ακέραιη, γεγονός που δυ σχεραίνει τη μελέτη ωυς. Ωστόσο, ΤΟ ξεχωριστά συσταηκά της αλυσίδας με τοφοράς ηλεκτρονίων, όπως και κάθε άλλη μεμβρανική πρωτεΙνη, μπορεί
να διαλυωποιηθούν με τη χρησιμοποίηση μη ιονηκών απορρυπαντικών (βλ. Εικόνα
11-27), να καθαριστούν
και κοτόπιν ν' ανασυσταθούν σε λειτουργική
μορφή μέσα σε μικρά μεμβρανικά κυστίδια. Οι μελέτες αυτές αποκάλυψαν όη οι περισσότερες από ης πρωτεΙνες που εμπλέκονται στη μιτοχονδριακή α
λυσίδα μετοφοράς ηλεκτρονίων κατοτάσσονται σε τρία μεγάλα σύμπΛοκα α vαπvευστικώv εVΖύμωv(reSΡίratοry
enzyme complexes), το καθένα
απότα ο
ποία περιέχει πολλαπλά αντίγραφα των επιμέρους πρωτεϊνών. Κάθε σύ μπλοκο περιλαμβάνει διαμεμβρανικές πρωτεΙνες που ω συγκραωύν στην ε σωτερική μιωχονδριακή μεμβράνη.
Τα τρία σύμπλοκα των αναπνευστικών ενΖύμων είναι ΤΟ εξής:
μπΛοκο τnς αφυδρογοvάσnς του
b-cI , (3)
NADH, (2)
(1)
σύ
σύμπΛοκο τωv κυτοχρωμάτωv
σύμπΛοκο τπς οξειδάσnς του κυτοχρώματος. Το καθένα περιέχει
μετολλικά ιόντα και άλλες χημικές ομάδες που δημιουργούν μια οδό για τη διέλευση των ηλεκτρονίων μέσω ωυ συμπλόκου. Τα αναπνευστικά σύμπλο κα είναι οι θέσεις όπου γίνετοι η άντληση των πρωωνίων και καθένα από αυ τά μπορεί να θεωρηθεί σαν μια πρωτεϊνική μηχανή η οποία αντλεί πρωτόνια διαμέσου της μεμβράνης ενόσω ηλεκτρόνια μετοφέρονται από αυτό. Η μετοφορά των ηλεκτρονίων αρχίΖει ότον ένα ιόν υδριδίου (Η-) αφαι ρείται από ω ΝΑΟΗ και μετοτρέπετοι σ' ένα πρωτόνιο και δύο ηλεκτρόνια υ
ψηλής ενέργειας: Η- -7 Η+
+ 2e- (βλ. Εικόνα 14-4). Όπως φαίνετοι στην Ει
κόνα
14-10, η αντίδραση αυτή κοταλύεται απόω πρώω αφυδρογονάση ωυ NADH, η οποία παραλαμβάνει
σύμπλοκο, δηλαδή
την
ΤΟ ηλεκτρόνια. Στη
συνέχεια, ΤΟ ηλεκτρόνια μετοφέρονται κατά μήκος της αλυσίδας προς ΤΟ δύο άλλα σύμπλοκα με μια ορισμένη σειρά, χρησιμοποιώντας κινητούς φορείς ηλεκτρονίων, στους οποίους θ' αναφερθούμε αργότερα. Η μετοφορά των η
λεκτρονίων κοτά μήκος της αλυσίδας είναι ενεργειακά ευνοϊκή: ότον ΤΟ ηλε κτρόνια εισέρχονται στην αλυσίδα βρίσκονται σε πολύ υψηλή ενεργειακή
Εικόνα
14·10.
Η μεταφορά των ηλεκτρονίων
διαμέσου των τριών συμπλόκων των ανα· πνευστικών ενζύμων της εσωτερικής μιτο·
ΔΙΑΜΕΜΒΡΑΝΙΚΟΣ ΧΩΡΟΣ
χονδριακής μεμβράνης. Στην εικόνα αποδί δεται το σχετικό μέγεθος και το σχήμα του κά
θε συμπλόκου. Κατά τη διάρκεια της μεταφο
εσωτερική [
ράς των ηλεκτρονίων από το ΝΑDΗ προς το ο
μιτοχονδριακή
ξυγόνο (κόκκινες γραμμές), πρωτόνια που
μεμβράνη
προέρχονται από το νερό αντλούνται διαμέ σου της μεμβράνης από καθένα από τα τρία
ΣΤΡΩΜΑ
σύμπλοκα. Η ουβικινόνη (Ο) και το κυτόχρωμα
c (c)
λειτουργούν ως κινητοί φορείς για τη με
ταφορά ηλεκτρονίων από το ένα σύμπλοκο στο επόμενο. Η δομή και ο ρόλος αυτών των δύο μορίων θα παρουσιαστούν αργότερα (βλ.
Εικόνες
570
14-20 και 14-23).
σύμπλοκα της
10 nm
αφυδρογονάσης
σύμπλοκο των κυτΟχΡωμάτων
του ΝΑΟΗ
b-c,
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
σύμΠλΟΚΟ της οξειδάσης του κυτΟχΡώματος
στάθμη ενώ, καθώς μεταφέρονται, σταδιακά Χάνουν ενέργεια για να κατα λήξουν στην οξειδάση του κυτοχρώματος, όπου αντιδρούν μ' ένα μόριο οξυ γόνου για να σχηματίσουν νερό. Αυτό είναι το βήμα της κυπαρικής ανα
πνοής που απαιτεί οξυγόνο και χρησιμοποιεί το οξυγόνο που αναπνέουμε.
Η μεrαφoρά ηλεκτρονίων δημιουργεί μια βαθμίδωση πρωτονίων διαμέσου της μεμβράνης Οι πρωτεΊνες της αναπνευσΙικής αλυσίδας καθοδηγούν τα ηλεκτρόνια, έ
τσι ώστε αυτά να μετακινούνται διαδοχικά από το ένα ενΖυμικό σύμπλοκο σιο επόμενο, χωρίς να παρακάμπτουν κανένα σύμπλοκο. Κάθε μεταφορά η λεκτρονίων είναι μια οξειδο-αναγωγική αντίδραση: όπως αναφέραμε σιο
Κεφάλαιο
3, το μόριο
ή το άτομο που προσφέρει το ηλεκτρόνιο οξειδώνεται,
ενώ το μόριο ή το άτομο που το παραλαμΒάνει ανάγεται Τα ηλεκτρόνια με ταφέρονται αυθόρμητα από μόρια που έχουν σχετικά μικρή συγγένεια με τα ηλεκτρόνιά τους (και τα Χάνουν εύκολα) σε άiΊiΊα μόρια με μεγαλύτερη συγ γένεια για ηλεκτρόνια. Γιο. παράδειγμα, το
NADH, το οποίο
φέρει ηλεκτρό
νια υψηλής ενέργειας, έχει μικρή συγγένεια με τα ηλεκτρόνια: έτσι τα ηλε κτρόνιά του μεταφέρονται εύκολα στην αφυδρογονάση του ΝΑΟΗ. Οι συνη θισμένες ηλεκτρικές μπαταρίες, με τις οποίες είμαστε εξοικειωμένοι, Βασίζο
νται σε ανάλογα φαινόμενα μεταφοράς ηλεκτρονίων ανάμεσα σε δύο χημι κές ουσίες με διαφορετική συγγένεια για τα ηλεκτρόνια.
Αν δεν υπήρχε κάποιος τρόπος για να «παγιδευτεί» η ενέργεια που ε κλύεται από τη μεταφορά των ηλεκτρονίων, τότε η ενέργεια αυτή απλώς θ' α
πελευθερωνόταν υπό μορφή θερμότητας. Όπως όμως μια μπαταρία μπορεί
να συνδεθεί μ' ένα μηχάνημα που αντλεί νερό (Εικόνα
14-11),
έτσι και τα
κύπαρα «αξιοποιούν» μεγάλο μέρος από την ενέργεια της μεταφοράς των η λεκτρονίων πραγματοποιώντας τη μεταφορά μέσα από πρωτε'ί'νες που α
ντλούν πρωτόνια (Η+). Η απελευθέρωση ενέργειας από τη διέλευση των η λεκτρονίων μέσω των συμπλόκων των αναπνευσΙικών ενΖύμων είναι συ-
Εικόνα
14·11. Οι
ηλεκτρικές μπαταρίες τρο
φοδοτούνται από χημικές αντιδράσεις που
θετικό ηλεκτρόδιο (ανθρακούχα ράβδος με μεταλλική επικάλυψη)
Ι
Ι
Ι
Ι
V
πηκτή ηλεκτρολυτών
,
ροη ηλεκτ~oνιων στο καλωδιο
Θ
Ι Ι διοξείδιο του μαγγανίου και κονιορτοποιημένος άνθρακας σ' έναν μικροπορώδη σάκο
/ /
_ όλ~ η χημική,
./
.
μονωτής
βασίζονται σε μεταφορά ηλεκτρονίων. (Α) Μια συνηθισμένη μπαταρία σ' ένα φακό, στην
Ι
Ι \ \
ενεργεια απο τη
-
,-,
μεταφορά ηλεκτρονίων
ψευδάργυρο
(Α)
νίου του διοξειδίου του μαγγανίου
(Mn0 2),
σχηματίζονταςZn 2 + και οξείδιο του μαγγανίου
μετατρέπεταισε
θερμική ενέργεια
(MnO).
(Ο άνθρακας λειτουργεί απλώς ως α
γωγός των ηλεκτρονίων).
(8)
Αν τα δύο άκρα
της μπαταρίας συνδεθούν μεταξύ τους, τότε όλη η ενέργεια που απελευθερώνεται από τη
"'" ,_-=--
ένα μέρος της
~=~ χημικής ενέργειας
11
11 από τη μεταφορά
των ηλεκτρονίων μετατρέπεται σε """---=' δυναμική ενέργεια
~ η οποία αποθηκεύεται
,....:;::;;::=:;;:;;::-__...: αρνητικό ηλεκτρόδιο από
οποία τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται από τον μεταλλικό ψευδάργυρο στο άτομο του μαγγα
μεταφορά των ηλεκτρονίων θα μετατραπεί σε θερμότητα. (η Αν η μπαταρία συνδεθεί με μια αντλία, μεγάλο μέρος της ενέργειας που απε λευθερώνεται από τη μεταφορά των ηλεκτρο νίων μπορεί ν' αξιοποιηθεί για την εκτέλεση
~ στη διαφοράτης
έργου (στη συγκεκριμένη περίmωση, για την
στάθμης του νερού' επομένως, λιγότερη '-::::::~=~ ενέργεια χάνεται υπό μορφή θερμότητας
άντληση νερού). Κατ' αναλογία, τα κύπαρα μπορεί να διοχετεύσουν την ενέργεια από τη μεταφορά των ηλεκτρονίων σ' ένα μηχανισμό άντλησης (βλ. Εικόνα
14-1).
Τα Μιτοχόνδρια και η Οξειδωτική Φωσφορυλίωση
571
ΖευΥμένη με την παραλαβή πρωτονίων από το νερό (ΗΖΟ ---7 Η+
+ ΟΗ-)
στο
μιτοχονδριακό στρώμα, που ακολουθείται από την απελευθέρωσή τους στην
άλ/η πλευρά της μεμβράνης, στο διαμεμβρανικό Χώρο. ΈΤσΙ η ενεΡΥειακά ευνοϊκή ροή των ηλεκτρονίων κατά μήκος της αναπνευστικής αλυσίδας α ντλεί πρωτόνια διαμέσου της μεμβράνης έξω από το μιτοχονδριακό στρώμα δημιουΡΥώντας μια ηλεκτροχημική βαθμίδωση πρωτονίων στην εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη (βλ. Εικόνα
14-10).
Η ενεΡΥός άντληση των πρωτονίων έχει δύο κύριες συνέπειες
1. ΔημιουΡΥεί μω βαθμίδωση συΥκέντρωσης πρωτονίων (Η+), δηλαδή μια βαθμίδωση ρΗ, διαμέσου της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης. Έ
•,
Ερώτηση
Τσι, το ρΗ του στρώματος (περιπου
14-3
8.0) είναι κατά μια περίπου μονάδα με από το ρΗ του διαμεμβρανικού Χώρου (περίπου 7.0). (Επειδή τα
Όταν το φάρμακο δινιτρο
Υαλύτερο
φαινόλη (ΟΝΡ) προστίθεται
Η+, όπως κάθε μικρό μόριο, διακινούνται ελεύθερα διαμέσου της εξωτε
σε μιτοΧόνδρω, η εσωτερι
ρικής μιτοχονδριακής μεμβράνης, το ρΗ του διαμεμβρανικού χώρου είναι
κή μεμβράνη Υίνεται διαπε
ίδιο με αυτό του κυπαροδιαλύματος). Αυτή η διαφορά αντιστοιχεί σε μω
ρατή στα πρωτόνια (Η+). Α
δεκαπλάσια ελάπωση της συΥκέντρωσης των Η+ στο στρώμα σε σύΥκριση
ντίθετα, όταν προστίθεται το
με τον διαμεμβρανικό Χώρο.
φάρμακο νΙΥερισίνη
(nigericin), η εσωτε
ρική μεμβράνη γίνεται διαπερατή στα ιό
2. ΔημιουΡΥεί
ένα μεμβρανικό δυναμικό διαμέσου της εσωτερικής μιτοχον
δριακής μεμβράνης (συΖητείται στο Κεφάλαιο
12), με την εσωτερική
πλευ
ντα Κ+. (Α) Πώς θα μεταβληθεί η ηλε
ρά της (την επιφάνεια προς το στρώμα) φορτισμένη αρνητικά και την εξω
κτροχημική βαθμίδωση των πρωτονίων
τερική πλευρά φορτισμένη θετικά, εξαιτίας της εκροής των πρωτονίων, τα
από την προσθήκη της
οποία είναι θετικά ιόντα.
DNP;
(Β) Πώς θα
μεταβληθεί από την προσθήκη της νΙΥερισίνης;
Όπως αναφέραμε στο Κεφάλαιο
ροή ιόντων, όπως τα ιόντα
12, η δύναμη
που προωθει την παθητική
Na+ και Κ+, διαμέσου μιας μεμβράνης είναι ανά
λΟΥη με την ηλεκτροχημική βαθμίδωση του συΥκεκριμένου ιόντος διαμέσου της μεμβράνης. Αυτή με τη σειρά της εξαρτάται από τη διαμεμβρανική διαφο
ρά δυναμικού (την τάση), η οποία εκφράΖεται με το δυναμικό της μεμβράνης, και από τη βαθμίδωση της συΥκέντρωσηςτου ιόντος (βλ Εικόνα
12-8).
Επειδή τα πρωτόνια φέρουν θετικό φορτιο, θα μετακινηθούν ταΧύτερα διαμέσου μως μεμβράνης αν αυτή διαθέτει περίσσεω αρνητικών φορτίων στην αντίθετη πλευρά της. Στην περίπτωση της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης, η βαθμίδωση του ρΗ και το δυναμικό της μεμβράνης συνεΡΥά
ΖΟνται και δημιουΡΥούν μια ηλεκτροχημική βαθμίδωση πρωτονίων με μεΥά
λη κλίση η οποία καθιστά ενεΡΥειακά πολύ ευνοϊκή τη ροή των Η+ προς το μιτοχονδριακό στρώμα. Σε όλες τις μεμβράνες που παράΥουν ενέΡΥεω, το δυναμικό της μεμβράνης προστίθεται στην προωθητική δύναμη που έλκει τα
Η+ προς το μιτοχονδριακό στρώμα διαμέσου της μεμβράνης. Επομένως, αυ τό το δυναμικό αυξάνει την ποσότητα της ενέΡΥειας που αποθηκεύεται στη
βαθμίδωση των πρωτονίων (Εικόνα
14-12).
Η βαθμίδωση των πρωτονίων προωθεί τη σύνθεση του ΛΙΡ Η ηλεκτροχημική βαθμίδωση των πρωτονίων διαμέσου της εσωτερικής
μιτοχονδριακής μεμβράνης χρησιμοποιείται Υια να προωθήσει τη σύνθεση
του ΑΤΡ κατά τη διεΡΥασία της οξειδωτικής φωσφoρυλfωσης (Εικόνα
13). Αυτό
572
14-
πραΥματοποιείται χάρη στη συνθάση του ΑΤΡ, ένα πολύ μεΥάλο
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
ΔΙΑΜΕΜΒΡΑΝΙΚΟΣ ΧΩΡΟΣ
++++++++
--.J-=-=-==--'
......~~~~~_.-=-=..:::.:..:.:...:..,.---- __
]
,
εσωτερικη
μιτοχονδριακή
[
πρωτονιοκινητικη
δύναμη που
οφείλεται στη
μεμβρανη
, βαθ~ιδωση της +
σUΓKεντρωσης Η
ΔρΗ
ΠΡΩΜΑ
Εικόνα
μεμβρανικό ένΖυμο. Το ένΖυμο αυτό δημιουργεί μια υδρόφιλη δίοδο σων ε σωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη μέσω της οποίας τα πρωτόνια είναι ελεύ θερα να κινηθούν προς την κατεύθυνση της ηλεκτροχημικής βαθμίδωσής
τους. Καθώς τα πρωτόνια διατρέχουν τη συνθάση του ΑΤΡ, χρησιμοποιού νται για να προωθήσουν την ενεργειακά μη ευνοϊκή αντίδραση ανάμεσα στο ΑΟΡ και το Ρί από την οποία παράγεται το ΑΤΡ (βλ. Εικόνα
2-24).
Η συνθά
ση του ΑΤΡ έχει αρχέγονη προέλευση: το ίδιο ένΖυμο υπάρχει στα μιτοχόν
14-12.
Η συνολική ηλεκτροχημική
βαθμίδωση των Η+ διαμέσου της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης αποτελείται από
μια μεγάλη δύναμη που οφείλεται στο δυνα μικό της μεμβράνης (ΔV) και μια άλλη, μικρό τερη δύναμη, που οφείλεται στη βαθμίδωση
της συγκέντρωσης των ιόντων Η+ (ΔρΗ). Οι δύο δυνάμεις συνδυάζονται και παράγουν τη συνολική πρωτονιοκινητική δύναμη
motive force) που
(proton-
ωθεί τα Η+ προς το στρώμα,
δρια των Ζωικών κυττάρων, στους xiΊωρoπλάστες των φυτών και των αλγών και στην κυτταρική μεμβρόνη των βακτηρίων,
Η δομή της συνθάσης του ΑΤΡ παρουσιάΖεται στην Εικόνα
14-14.
Είναι
μια μεγάλη, πολυμερής πρωτεΙνη, Ένα μεγάλο ενΖυμικό τμήμα της, που μοι άΖει με το κεφάλι ενός «Ζαχαρωτού σε ξυλάκι» προεξέχει στην εσωτερική μι τοχονδριακή μεμβράνη προς το στρώμα και συνάmεται μέσω ενός λεmότε
ρου πολυμερούς πρωτεϊνικού «μίσχου» σ' έναν διαμεμβρανικό φορέα για πρωτόνια. Η διέλευση των πρωτονίων από το διαμεμβρανικό φορέα κάνει τον μίσχο να περιστρέφεται γρήγορα μέσα στην κεφαλή, επάγοντας την πα ραγωγή ΑΤΡ, Στην ουσία, η συνθάση είναι ένας μοριακός κινητήρας παρα-
ΣΤΡΩΜΑ
αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων
~εσωτεΡΙKή μεμβράνη (Α)
ADP + Pj
εξωτερική μεμβράνη
100 nm
Εικόνα
14-13. Ο γενικός
μηχανισμός της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης. (Α) Καθώς ένα ηλεκτρόνιο υψηλής ενέργειας μετακινείται κατά
μήκος της αλυσίδας μεταφοράς των ηλεκτρονίων, ένα μέρος από την ενέργεια που απελευθερώνεται χρησιμοποιείται για να προωθήσει τα
τρία σύμπλοκα των αναπνευστικών ενζύμων που αντλούν Η+ από το στρώμα. Η προκύmουσα ηλεκτροχημική βαθμίδωση των πρωτονίων διαμέσου της εσωτερικής μεμβράνης προωθεί τα Η+ πίσω προς το στρώμα μέσω της συνθάσης του ΑΤΡ, ενός διαμεμβρανικού πρωτε'ίνικού συμπλόκου που χρησιμοποιεί την ενέργεια από τη ροή των Η+ για τη σύνθεση του ΑΤΡ από ΑΟΡ και Ρί στο στρώμα. (8) Ηλεκτρονική μικρο γραφία της έσω επιφάνειας της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης ενός φυτικού κυπάρου. Φαίνονται πυκνά σωμάτια τα οποία αντι στοιχούν στα προεξέχοντα τμήματα της συνθάσης του ΑΤΡ και των συ μπλόκων των αναπνευστικών ενζύμων,
Τα Μιτοχόνδρια και η Οξειδωτική Φωσφορυλίωση
573
Εικόνα
14-14.
Η συνθάση του ΑΤΡ. (Α) Σχη
διαμεμβρανικός φορέας Η+, Fo
ματική αναπαράσταση. Το ένζυμο αποτελείται από μια κεφαλή, την
F1 ΑΤΡάση,
ΔΙΑΜΕΜΒΡΑΝΙΚΟΣ
ΧΩΡΟΣ
και ένα δια
μεμβρανικό φορέα Η+, γνωστό ως
Fo.
εσωτερική
Και τα
μιτοχονδριακή μεμβράνη
δύο αποτελούνται από πολλές πρωτε'ίνικές υ ]
πομονάδες. Ένας περιστρεφόμενος μίσχος κι
νείται με τη δράση ενός κινητήρα που σχηματί ζεται από ένα κινητήρα
10-14 υπομονάδων c
(κόκκινο) στη μεμβράνη. Η βάση (ανοιχτό πρά σινο) σχηματίζεται από τις διαμεμβρανικές υ πομονάδες α, που συνδέονται με άλλες υπο
μονάδες οι οποίες δημιουργούν έναν επιμήκη βραχίονα. Ο βραχίονας καθηλώνει τη βάση σ' έναν δακτύλιο τριών υπομονάδων α και τριών υπομονάδων β που σχηματίζουν την κεφαλή της
F,
F, ΑΤΡάσης.
(Β) Η τρισδιάστατη δομή της
ΑΤΡάσης όπως προσδιορίστηκε με την τε
χνική της κρυσταλλογραφίας των ακτίνων Χ.
10 nm
(Α)
(Β)
Αυτό το τμήμα της συνθάσης του ΑΤΡ έχει ο νομαστεί έτσι λόγω της ικανότητάς του να κα
ταλύει την υδρόλυση του ΑΤΡ σε ΑΟΡ και Ρί, ό ταν αποσπαστεί από το διαμεμβρανικό τμήμα.
(Β, με την άδεια του
John Walker, από J.P. Abrahams et al" Nature 370:621-628, 1994, © Macmillan Magazines Ltd.).
γωγής ενέργειας: μετατρέπει την ενέργεια από Τη ροή των πρωτονίων κατά μήκος μιας βαθμίδωσης σε μηχανική ενέργεια δύο ομάδων πρωτεϊνών τρίβονται μεταξύ τοuς
-
nOu
οι πρωτε'ϊνες τou περιστρεφόμενοu μίσχοu με τις
πρωτε'ϊνες της ακίνητης κεφαλής. Οι αλλαγές στη διαμόρφωση των πρωτεϊ νών
nOu
προωθούνται από την περιστροφή τou μίσχοu μετατρέποuν τη μη
χανική ενέργεια στην ενέργεια χημικών δεσμών
nOu
απαιτείται για την πα
ραγωγή τou ΑΤΡ. Η σuνθάση είναι ικανή να σuνθέτει περισσότερα από μόρια ΑΤΡ ανά δεuτερόλεπτο. Επίσης για κάθε μόριο ΑΤΡ
nou
100
σuντίθεται,
τρία πρωτόνια πρέπει να διέλθοuν από την καταπληκτική αuτή μηχανή.
Η σuνθάση τou ΑΤΡ είναι μια επινόηση αντιστρεmής σύΖεuξης (reversible coupling). Μπορεί είτε ν' αξιοποιήσει τη ροή των πρωτονίων προς την κατεύ euvan της ηλεκτροχημικής βαθμίδωσής τοuς ώστε να παράγει ΑΤΡ (nOu εί ναι ο ρόλος της στα μιτοΧόνδρια και στην κuπαρική μεμβράνη των αερόβιων Εικόνα
14-15.
Η συνθάση του ΑΤΡ είναι ένα
σύστημα αντιστρεπτής σύζευξης ικανό να μετατρέπει την ενέργεια της ηλεκτροχημι κής βαθμίδωσης των πρωτονίων σ' ενέργεια
βακτηρίων), είτε να χρησιμοποιήσει Την ενέργεια
nOu απελεuθερώνεται
από
την uδρόλuση τou ΑΤΡ για ν' αντλήσει πρωτόνια διαμέσοu μιας μεμβράνης,
όπως οι αντλίες Η+
nOu περιγράφηκαν στο Κεφάλαιο 12 (Εικόνα 14-15). Η
χημικών δεσμών ή και το αντίστροφο. Η συν θάση του ΑΤΡ συνθέτει ΑΤΡ αξιοποιώντας τη
βαθμίδωση των Η+ (Α) ή αντλεί πρωτόνια προς την αντίθετη κατεύθυνση της ηλεκτροχημικής βαθμίδωσής τους υδρολύοντας το ΑΤΡ (Β). Η
Η+
Η+
Η+
Η+
Η+
κατεύθυνση προς την οποία λειτουργεί σε μια
Η+
δεδομένη χρονική στιγμή εξαρτάται από την
Η+
καθαρή μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας (ΔG, που αναλύεται στο Κεφάλαιο 3) για τις
Η+
Η+ Η+
Η+ Η+
Η+ Η+
συζευγμένες διεργασίες της μετακίνησης των
πρωτονίων διαμέσου της μεμβράνης και της σύνθεσης του ΑΤΡ από ΑΟΡ και Ρί. Έτσι, για παράδειγμα, αν η ηλεκτροχημική βαθμίδωση
των πρωτονίων πέσει κάτω από ένα ορισμένο επίπεδο, τότε η ΔG για τη μεταφορά των Η+ statoΓ
στο στρώμα δεν θα είναι πλέον αρκετά μεγάλη για να προωθήσει την παραγωγή του ΑΤΡ. Α ντίθετα, το ΑΤΡ θα υδρολυθεί από τη συνθάση
του ΑΤΡ έτσι ώστε να ξαναδημιουργηθεί η βαθμίδωση.
574
(Α)
ΣΥΝΘΕΣΗ ΑΤΡ
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια Και στους Χλωροπλάστες
(6)
γΔΡΟΛγΣΗ ΑΤΡ
Η+ Η+
Η+
Η+
Η+
Η+
•,
επιλογή της συνθάσης ανάμεσα στη σύνθεση ή την κατανάλωση 1Ου ΑΤΡ ε
Ερώmσn
ξαρτάται από 10 μέγεθος της ηλεκτροχημικήςβαθμίδωσηςτων πρω1Ονίων
Οι αξιοσημείωτες ιδιότητες
διαμέσου της μεμβράνης στην οποία βρίσκεται' Σε πολλά βακτήρια που αυ
που επιτρέπουν στη συνθά
ξάνουντόσο υπό αερόβιες όσο και υπό αναερόβιεςσυνθήκες, η κατεύθυνση
ση 1Ου ΑΤΡ να λειτουργεί εί
προς την οποία λεΙ1Ουργείη συνθάση 1Ου ΑΤΡ αντιστρέφεταιόταν σταματή
τε στη μια είτε στην άλλη κα
σει η παροχή 02' Σ1Ο σημείο αυτό, η συνθάση 1Ου ΑΤΡ χρησιμοποιεί ένα μέ
τεύθυνση καθιστούν εφικτή
ρος 1Ου ΑΤΡ που σχηματίστηκε στο εσωτερικό 1Ου κυπάρου από τη γλυκό
την αλληλομετατροπή της ε
λυση για ν' αντλήσει πρωτόνια στον εξωκυπάριο χώρο. Έτσι, δημιουργεί τη
νέργειας που αποθηκεύεται στη βαθμί
βαθμίδωση πρω1Ονίων που χρειάΖεται 10 βακτηριακόκύπαρο για να εισαγά
δωση των Η+ και της ενέργειας που απο
γει τις απαραίτητεςθρεmικές ουσίες με ενεργό μεταφορά.
14-4
θηκεύεται στο ΑΤΡ. (Α) Αν η συνθάση
1Ου ΑΤΡ προσομοιωθεί με μια υδΡΟ1Ουρ
Η συΖευγμένημεταφορά διαμέσουτης εσωτερικής
μπίνα που παράγει ηλεκτρισμό, ποιο θα
μlΙοχονδριακήςμεμβράνης προωθείται από την
ήταν 10 κατάλληλο ανάλογο για τη λει
ηλεκτροχημικήβαθμίδωσητων πρωτονίων
1Ουργία της στην αντίθετη κατεύθυνση;
Η σύνθεση 1Ου ΑΤΡ δεν είναι η μόνη διεργασία που προωθείταιαπό την
ηλεκτροχημικήβαθμίδωσητων πρω1Ονίων. Στα μιτοχόνδρια, πολλά φορτι σμένα μόρια, όπως 10 πυροσταφυλικό,10
ADP και 10 Ρί
αντλούνται από 10
κυπαροδιάλυμαπρος 10 στρώμα, ενώ άλλα μόρια, όπως 10 ΑΤΡ, πρέπει να μεταφερθούνπρος την αντίθετη κατεύθυνση. Πολλές μεταφορικές πρω
(Β) Υπό ποιες συνθήκες θα περίμενε κα νείς να σταματήσει η λειτουργίατης συν
θάσης του ΑΤΡ προς οποιαδήποτε κα τεύθυνση; (Γ) Τι καθορίΖειτην κατεύθυν ση λεΙ1Ουργίαςτης συνθάσης1Ου ΑΤΡ;
τεΊνες διασυνδέουντη μεταφορά με την ενεργειακά ευνοϊκή ροή των Η+ προς 10 μιτοχονδριακόστρώμα. Έτσι, 10 πυροσταφυλικόκαι 10 ανόργανο
φωσφορικό (Ρί) συμμεταφέρονταιπρος τα μέσα ακολουθώνταςΗ+ καθώς αυτά μετακινούνταιπρος 10 στρώμα.
Αντίθετα, 10
ADP συμμεταφέρεται
με 10 ΑΤΡ προς αντίθετες κατευθύν
σεις από μια ειδική μεταφορικήπρωτεΊνη. Επειδή ένα μόριο ΑΤΡ έχει ένα ε πιπλέον αρνητικό φορτίο από ένα μόριο ADP, κάθε ανταλλαγή των νουκλε οτιδίων καταλήγει συνολικά σε εξαγωγή ενός αρνητικού φορτίου από 10 μι 1Οχόνδριο. Επομένως, η ανταλλαγή ADP-ATP προωθείται από τη διαφορά φορτίου διαμέσου της μεμβράνης (Εικόνα
ADp 3 -
η βαθμίδωσητου
δυναμικούπροωθείι::::==~
14-16). Ατρ 4 -
εξωτερική μεμβράνη
Ατρ4-
εσωτερική μεμβράνη
++++ Εικόνα
την ανταλλαγή
14·16. Μερικές
από τις διεργασίες ε·
νεργού μεταφοράς οι οποίες προωθούνται
ADP-ATP
από την ηλεκτροχημική
βαθμίδωση των
πρωτονίων διαμέσου της εσωτερικής μιτο πυροσταφυλικό-
ΣΤΡΩΜΑ
χονδριακής μεμβράνης. Το πυροσταφυλικό, το ανόργανο φωσφορικό και το ΑΟΡ εισέρχο νται στο στρώμα ενώ το ΑΤΡ εξάγεται. Το φορ τίο καθενός από τα μεταφερόμενα μόρια ανα
η βαθμίδωση του ρΗ προωθείτην
η βαθμίδωση του ρΗ προωθεί την
εισαγωγή των φωσφορικών
εισαγωγή του πυροσταφυλικού
γράφεται για λόγους σύγκρισης με το δυναμι κό της μεμβράνης, το οποίο, όπως φαίνεται,
είναι αρνητικό στο εσωτερικό. Όλες αυτές οι ενώσεις διαπερνούν ελεύθερα την εξωτερική μεμβράνη. Η ενεργός μεταφορά μορίων δια μέσου μεμβρανών μέσω πρωτε'ίνών μεταφο
πυροσταφυλικό-
ράς παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο
Τα Μιτοχόνδρια και η Οξειδωτική Φωσφορυλίωση
12.
575
Εικόνα
14-17.
Η περιστροφή του βακτηρια
μαστίγιο
κού μαστιγίου προωθείται από τη ροή των
ΕΞΩΚΥΠΑΡΙΟΣ ΧΩΡΟΣ
Η+. Το μαστίγιο συνάmεται σε μια σειρά πρω
τε'ίνικών δακτυλίων (με πορτοκαλί χρώμα) οι ο ποίοι είναι ενσωματωμένοι στην εξωτερική και
την εσωτερική (κυπαρική) μεμβράνη και περι
~ΞΞΞΞ~~===1EΞΞΞΞΞΞΞΞΞΞΞΞΞ~J εξωτερική
βακτηριακή μεμβράνη
στρέφονται μαζί με το μαστίγιο, Η περιστροφή προωθείται από τη ροή των πρωτονίων διαμέ σου ενός εξωτερικού δακτυλίου πρωτε'ίνών (α κίνητεςπρωτεΊνες) με άγνωστο, έως τώρα, μη χανισμό.
]
εσωτερική βακτηριακή μεμβράνη
(KUΠαΡΙKή μεμβράνη)
αντλία πρωτονίων ακίνητες
ι πρωτείνες
περιστρεφόμενες
πρωτείνεf
Ο «κινητήρας» του μαστιγίου
περιστρέφεται με ταχύτητα πάνω από 100 περιστροφές το δευτερόλεmο
ΚΥΠΑΡΟΠΛΑΣΜΑ
Στα εuκαρuωτικά κύπαρα, η βαθμίδωση των πρωτονίων προωθεί τόσο το σχηματισμό τou ΑΤΡ όσο και τη μεταφορά ορισμένων μεταβολιτών διαμέσοu της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης. Στα βακτήρια, η βαθμίδωση των
πρωτονίων διαμέσοu της κυπαρικής μεμβράνης διεκπεραιώνει όλες αυτές τις λειτοuργίες, επιπλέον όμως είναι και μια σημαντική πηγή ενέργειας για ά μεση χρήση: στα κινούμενα βακτήρια, προωθεί την ταχεία περιστροφή του
μαστιγίου που μετακινεί το βακτήριο προς τα εμπρός (Εικόνα
14-17).
Οι βαθμιδώσεις των πρωτονίων παράγουν το μεγαλύτερο μέρος του ΑΤΡ ενός κυπάρου Όπως προαναφέρθηκε, η καθαρή απόδοση της γλυκόλυσης είναι
2 μό
ρια ΑΤΡ ανά μόριο γλυκόΖης και αποτελεί τη σuνολική ενεργειακή απόδοση
Ερώτηση
•
14-5
Α. Υπολογίστε τον αριθμό των μορίων ΑΤΡ τα οποία παράγονται ανά Ζεύγος η~εKτρoνίων που μεταφέρονται από το ΝΑΟΗ στο οξuγόνο, αν ...
(1) πέντε πρωτόνια αντλούνται διαμέσου της εσωτερικής μιτοχονδριακής nOU διέρχεται από τα τρία σύμπλοκα των αναπνευστικών ενΖύμων, (2) τρία πρωτόνια πρέπει να διέλθουν από τη συνθάση του ΑΤΡ για κάθε μόριο ΑΤΡ nOU παράγεται μέσα στο μιτο χόνδριο από ΑΟΡ και ανόργανο φωσφορικό και (3) ένα πρωτόνιο χρησιμοποιείται για την παραγωγή της μεμβράνης για κάθε ηλεκτρόνιο
βαθμίδωσης του δυναμικού που απαιτείται για την εξαγωγή κάθε μορίου ΑΤΡ από το μιτοχόνδριο προς το κuπαροδιάλυμα, όπου και καταναλώνεται το ΑΤΡ.
Β. Χρησιμοποιείστε τα δεδομένα του Πίνακα
14-1
μαΖί με τις απαντήσεις
nOU
δώσατε στο (Α) και υπολογίστε
... (1) τον α
ριθμό των μορίων ΑΤΡ που παράγονται ανά μόριο γλυκόΖης μόνο από τη λειτουργία του κύκλοu τoU κιτρικού οξέος. (Υ πoθέστε ότι η οξείδωση που προκύπτει από τη μεταφορά ενός Ζεύγους ηλεκτρονίων από κάθε μόριο
FADH2 οδηγεί σε
άντληση έξι πρωτονίων, όπως επίσης και ότι τα ση
GTP + ΑΟΡ ~ GDP + ΑΤΡ)
και
GTP και ΑΤΡ αλ/ηλομετατρέπονται ελεύθερα σύμφωνα με την αντίδρα (2) τον συνολικό αριθμό των μορίων ΑΤΡ που παράγονται από την πλήρη οξείδω
ση της γλυκόΖης. (Υποθέστε ότι τα ηλεκτρόνια κάθε μορίου ΝΑΟΗ που παράγεται στο κυπαροδιάλυμα από τη γλυκόλυ ση επίσης διοχετεύονται (έμμεσα) στην αλυσίδα μεταφοράς των ηλεκτρονίων. Ωστόσο, η απόδοση σε ΑΤΡ για τα μόρια
αυτά είναι μόνο
576
1.5 μόριο ΑΤΡ ανά μόριο NADH).
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
Πίνακας
14·1.
Περίληψη των παραγόμενων προϊόντων από την οξείδωση των
σακχάρων και των λιπών Α. Συνολικά προ'ίόντα από την οξείδωση ενός μορίου γλυκόζης Στο κυπαροδιάλυμα (γλυκόλυση) γλυκόζη ~
2 μόρια πυροσταφυλικού
+ 2 ΝΑDΗ + 2 ΑΤΡ
Στο μιτοχόνδριο (αφυδρογονάση του πυροσταφυλικού και κύκλος του κιτρικού ο
ξέος)
2 μόρια πυροσταφυλικού ~ 2 μόρια ακετυλο-CοΑ + 2 ΝΑDΗ 2 μόρια ακετυλο-CοΑ ~ 6 ΝΑDΗ + 2 FADH 2 + 2 GTP Συνολικό αποτέλεσμα στο μιτοχόνδριο
2 μόρια πυροσταφυλικού
~
8 ΝΑDΗ
+ 2 FADH 2 + 2 GTP
Β. Συνολικά προ'ίόντα από την οξείδωση ενός μορίου παλμιτυλο-CοΑ (ενεργοποιη
μένο παράγωγο του παλμιτικού οξέος) Στο μιτοχόνδριο (οξείδωση των λιπαρών οξέων και κύκλος του κιτρικού οξέος)
8 μόρια ακετυλο-CοΑ + 7 ΝΑDΗ + 7 FADH 2 8 μόρια ακετυλο-CοΑ ~ 24 ΝΑDΗ + 8 FADH 2
παλμιτοϋλο-CοΑ ~
Συνολικό αποτέλεσμα στο μιτοχόνδριο παλμιτοϋλο-CοΑ ~
31
ΝΑDΗ
+ 15 FADH 2
για όλες τις Ζυμώσεις που συμβαίνουν απουσία
02' Αντίθετα,
κατά την οξει
δωτική φωσφορυλίωση, κάθε Ζεύγος ηλεκτρονίων που προσφέρεται από το ΝΑΟΗ, το οποίο παράγεται στα μιτοχόνδρια, θεωρείται ότι παρέχει ενέργεια για το σχηματισμό περίπου
2.5 μορίων
ΑΤΡ, συμπεριλαμβανόμενης και της
ενέργειας που απαιτείται για τη μεταφορά του ΑΤΡ στο κυπαροδιάλυμα. Η ο ξειδωτική φωσφορυλίωση παράγει επίσης κτρονίων που προέρχεται από το
1.5 μόρια
ΑΤΡ ανά Ζεύγος ηλε
FADH2 ή από τα μόρια ΝΑΟΗ τα οποία πα
ράγονται κατά τη γλυκόλυση στο κυπαροδιάλυμα. Με βάση την απόδοση της
γλυκόλυση ς και του κύκλου του κιτρικού οξέος (Πίνακας
14-1),
νάγεται ότι η πλήρης οξείδωση ενός μορίου γλυκόΖης
αρχίΖοντας από τη
-
γλυκόλυση και καταλήγοντας στην οξειδωτική φωσφορυλίωση περίπου
30 μόρια
ΑΤΡ (βλ. Ερώτηση
14-5 και την απάντησή
εύκολα συ
-
αποδίδει
της). Συνεπώς,
το μεγαλύτερο μέρος του ΑΤΡ που αποδίδεται από την οξείδωση της γλυκό Ζης σ' ένα Ζωικό κύτταρο παράγεται από τους χημειωσμωτικούς μηχανι σμούς της μιτοχονδριακής μεμβράνης. Η οξειδωτική φωσφορυλίωση στα μι
τοΧόνδρια παράγει επίσης μεγάλες ποσότητες ΑΤΡ από το ΝΑΟΗ και το
FADH2, τα οποία προέρχονται κόνες 13-9 και 13-10).
από την οξείδωση των λιπών (βλ. επίσης Ει
Η ταχεία μετατροπή του ΑΟΡ σε ΑΤΡ στα μlτοΧόνδρlα διοτηρείτον ενδοκυπάρlO λόγο
ATP:ADP σε υψηλά
επίπεδα
Τα μόρια του ΑΟΡ που παράγονται από την υδρόλυση του ΑΤΡ στο κυτ ταροδιάλυμα, χρησιμοποιώντας τις μεταφορικές πρωτεινες της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης εισέρχονται γρήγορα στα μιτοΧόνδρια για να ε-
Τα Μιτοχόνδρια και η Οξειδωτική Φωσφορυλίωση
577
παναφορτιοιούν, ενώ τα μόρια του ΑΤΡ που σχημωίΖΟνται οιο μιτοχονδρια κό οιρώμα από Την οξειδωτική φωσφορυλίωση αντλούνται γρήγορα προς το
κυπαροδιάλυμα, όπου και καταναλώνονται Στο ανθρώπινο σώμα, κωά μέ σο όρο, ένα μόριο ΑΤΡ πηγαινοέρχεται σ' ένα μιτοχόνδριο (βγαίνει έξω και ξαναμπαίνει ως ΑΟΡ για να επαναφορτιοιεί) πάνω από μια φορά το λεπτό. Έιοι, η ενδοκυπάρια συγκέντρωση 1Ου ΑΤΡ είναι περίπου δεκαπλάσια από Την αντίοιοιχη συγκέντρωση 1Ου
Όπως αναφέραμε
ADP. οιο Κεφάλαιο 3, τα βιοσυνθετικά
ένΖυμα συχνά προω
θούν ενεργειακά μη ευνοϊκές αντιδράσεις μέσω Της σύΖευξής 1Ους με Την ε
νεργειακά ευνοϊκή υδρόλυση 1Ου ΑΤΡ (βλ. Εικόνα
3-34). Τα αποθέματα
1Ου
ΑΤΡ καλύΠ1Ουν ενεργειακά διάφορες κυπαρικές διεργασίες: αν η δραοιη
ριότητα των μΙ1Οχονδρίων οιαματούσε, τότε τα ενδοκυπάρια επίπεδα του ΑΤΡ θα ελαπώνονταν και η λεlΙουργία 1Ου κυπάρου θα επιβραδυνόταν. Τε λικά, οι ενεργειακά μη ευνοϊκές αντιδράσεις θα ήων αδύνα1Ο να πραγμα1Ο ποιηθούν και 10 κύπαρο θα πέθαινε. Το υδροκυάνιο, ένα δηλητήριο 10 ο
ποίο αναοιέλ/ειτη μεωφοράτων ηΛεκτρονίωνοιην εσωτερικήμlΙοχονδρια κή μεμβράνη, προκαΛεί10 θάνα1Ο κω' αυτόν ακριβώς1Ον τρόπο.
Αλυσίδεs μειαφοράs ηλεκιρονίων και άνιληση πρωιονίων Στις παραγράφουςπου προηγήθηκανπαρουσιάοιηκεσε γενικέςγραμμές η λεΙ1Ουργία ενός μιτοχονδρίου. ΣΤη συνέχεια, πρέπει να εξετάσουμελεrnο μερέοιερα1Ους μηχανισμούςοιους οποίους βασίζονται οι μεμβρανικέςδιερ γασίες μετατροπήςτης ενέργειας. Ωοιόσο, η συΖήτησή μας δεν θα περιορι
οιεί οια μΙ1Οχόνδρια.Όπως 1Ονίσαμε οιην αρχή 1Ου κεφαλαίου, πολύ παρό μοιοι μηχανισμοίμεωτροπήςΤης ενέργειας, εκτός από ω μlΙοχόνδρια, χρη
σιμοποιούνταιεπίσης και από 1Ους χλωροπλάοιεςκαι ω βακτήρια. Επομέ νως, οι βασικές αρχές οιις οποίες θ' αναφερθούμεδιέπουν Τη ΛεΙ1Ουργία ό λων, σχεδόν, των έμβιων όντων. Για να δοθείέμφαση σε αυτό 10 κεντρικό ση
μείο, 10 κεφάλαιο αυτό θα τεΛειώσει με μια αναφορά οιην παραγωγή ενέρ
γειας μέσω 1Ου μηχανισμούτης μεταφοράςηλεκiρoνίωνσε ένα από ω πολ/ά είδη βακτηρίων που ευημερούν σε συνθήκες απόλυ1Ου σκό1Ους και χωρίς ο ξυγόνο, αρκετές Χιλιάδες μέΤρα κάτω από Την επιφάνειατων ωκεανών. Επί πολ/ά χρόνια, οι βιοχημικοίαδυνα1Ούσαννα καωνοήσουνγιωί α Λυσίδες μεωφοράς ηΛεκτρονίων βρίσκονταν ενσωμωωμένεςσε διάφορες
μεμβράνες. Ο γρίφος λύθηκε οιις αρΧές Της δεκαετίας1Ου
1960, μόλις
δια
Τυπώθηκε η θεωρία σχετικά με 1Ον θεμελιώδη ρόλο των διαμεμβρανικών
βαθμιδώσεων των πρω1Ονίων οιην παραγωγή ενέργειας. Ωοιόσο, η διεργα σία Της χημειωσμωτικής σύΖευξης προϋποθέτει μια αλληλεπίδραση μεωξύ
χημικών και ηλεκτρικών δυνάμεων, η οποία δεν είναι εύκολο να επεξηγηθεί σε μοριακό επίπεδο. Πράγματι, η σχετική θεωρία ήταν τόσο ΡΙΖοσπαοιική ώ οιε δεν έγινε ευρέως αποδεκτή παρά μόνο μετά από πολ/ά χρόνια, αφού συγκεντρώθηκαν επιπρόσθετες θετικές ενδείξεις από πειράμαω που σχε διάοιηκαν για να ελέγξουν Τη θεωρία.
578
Κεφάλαιο 14: παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
ΜοΛονόη πολ/ές Λεπτομέρειες της χημειωσμωηκής σύΖευξης παραμέ
νουν αδιευκρίνιστες, οι βασικές αρχές της έχουν πλέον αποσαφηνιστεί. Σης
παραγράφους που ακοΛουθούν θα παρουσιάσουμε ορισμένες από ης αρχές οι οποίες διέπουν τη διεργασία μετοφοράς Των ηΛεκτρονίων και θα εξηγή σουμε πώς μπορεί να δημιουργηθεί μια βαθμίδωση πρωτονίων.
Τα πρωτόνια μετακινούνται εύκολα από τη μεταφορά των ηλεκτρονίων Ως προς ης διαμεμβρανlκές μετοκινήσεις τους, ΤΟ πρωτόνια μοιάΖουν με
άλ/α θεηκά ιόντα, όπως ΤΟ ιόντα Na+ και Κ+. Εντούτοις, από ορισμένες από ψεις είναι μοναδικά. Τα άτομα του υδρογόνου είναι πολύ πιο άφθονα από κάθε άλ/ο είδος οτόμου στους Ζωντονούς οργανισμούς. Επίσης αφθονούν όχι μόνο σε όΛα ΤΟ βιοΛογικά μόρια που περιέχουν άνθρακα αλ/ά και στα
μόρια του νερού που ΤΟ περιβάλ/ουν. Στο νερό, ΤΟ πρωτόνια είναι πολύ ευ κίνητο, ταΛαντευόμενα μέσα στο πΛέγμα των μορίων που συνδέονται μετοξύ τους με δεσμούς υδρογόνου. Έτοι, διίστανται γρήγορα από το ένα μόριο του νερού και συνδέονται με το γειτονικό μόριο, όπως φαίνετοι στην Εικόνα
14-
18Α. Επομένως, το νερό, που είναι πανταχού παρόν στα κύπαρα, χρησιμεύ ει σαν ένα απόθεμα για την προσφορά και αποδοχή πρωτονίων.
υων ένα μόριο ανάγετοι και αποκτά ένα ηΛεκτρόνιο, το ηΛεκτρόνιο
(e-)
μετοφέρεl μαΖί του ένα αρνηηκό φορτίο. Σε πολ/ές περιπτώσεις, το φορτίο
αυτό εξουδετερώνεται γρήγορα με την προσθήκη ενός πρωτονίου (Η+) από το νερό. Συνεπώς, το καθαρό αποτέΛεσμα της αναγωγής είναι η μετοφορά ε
νός οΛόκληρου οτόμου υδρογόνου, Η+
+ e- (Εικόνα
14-188). Παρομοίως,
ότον οξειδώνεται ένα μόριο, το άτομο του υδρογόνου εύκοΛα διίστατοι σ' έ να ηΛεκτρόνιο και ένα πρωτόνιο. Το ηΛεκτρόνιο μετοφέρετοι ανεξάρτητο σ' ένα μόριο-αποδέκτη ηΛεκτρονίων, ενώ το πρωτόνιο μετοφέρετοι στο νερό. Επομένως, σε μια μεμβράνη στην οποία ΤΟ ηΛεκτρόνια μετοκινούνταl κατά μήκος μιας αΛυσίδας μετοφοράς ηΛεκτρονίων θεωρηηκά θα ήτον σχεηκά εύκοΛο να πραγματοποιηθεί άντΛηση πρωτονίων από τη μια πΛευρά της μεμ βράνης στην άΛΛη. Η μόνη προϋπόθεση είναι να διατάσσεται ο φορέας των
ταχεία μετακίνηση των πρωτονίων κατά μήκος μιας αλυσίδας
ηΛεκτρονίων στη μεμβράνη κοτά τέτοιο τρόπο ώστε ότον αποδέχετοι ένα η Λεκτρόνιο να παραΛαμβάνει ένα πρωτόνιο από τη μια πΛευρά της μεμβράνης
μορίων νερού (Α)
Η+ από το νερό
eΕικόνα
14-18. Η
συμπεριφορά των πρωτονίων στο νερό. (Α) Τα πρωτόνια μετακινού
Α
νται πολύ γρήγορα κατά μήκος μιας αλυσίδας δεσμών υδρογόνου που σχηματίζουν τα
μόρια του νερού. Στο σχεδιάγραμμα αυτό, οι αναπηδήσεις των πρωτονίων επισημαίνο νται με μπλε βέλη, ενώ τα ιόντα υδρωνίου σκιάζονται με πράσινο. Όπως αναφέραμε στο
Κεφάλαιο
2, σπάνια
συναντά κανείς ελεύθερα πρωτόνια, επειδή τα πρωτόνια διασυν
δέονται με μόρια νερού σχηματίζοντας ιόντα υδρωνίου, Η 3 Ο+. Σε ουδέτερο ρΗ (ρΗ
οξειδωμένος
φορέας
(8)
10-7 Μ λέγεται
ότι αφορά στα ιόντα Η+ (βλ. Παράρτημα
ανηγμένος φορέας ηλεκτρονίων
Β - Η Τ [ Β - H+J τ- Β
2-2).
υδρογόνου, επειδή στο εσωτερικό των κυπάρων τα πρωτόνια προσφέρονται εύκολα στο νερό αλλά και παραλαμβάνονται εξίσου εύκολα από το νερό. Στο παράδειγμά μας, ο φορέας Α παραλαμβάνει ένα ηλεκτρόνιο και ένα πρωτόνιο όταν ανάγεται, ενώ ο φο
8 χάνει ένα ηλεκτρόνιο και ένα πρωτόνιο όταν οξειδώνεται.
Α-Η
7.0)
Η μεταφορά των ηλεκτρονίων μπορεί να προκαλέσει μεταφορά ολόκληρων οτόμων
ρέας
παροδικό ενδιάμεσο
ηλεκτρονίων
τα ιόντα υδρωνίου βρίσκονται σε συγκέντρωση 10-7 Μ. Για λόγους όμως απλούστευ σης, η συγκέντρωση των
L[ AJL
ανηγμένος φορέας
ηλεκτρονίων
e-
παροδικό Η+ ενδιάμεσο.
απο
οξειδωμένος φορέας
':0 ηλεκτρονίων
νερο
(8)
Αλυσίδες Μεταφοράς Ηλεκτρονίων και Άντληση Πρωτονίων
579
ηλεκτρόνιο υψηλής ενέργειας
και να το απελευθερώνει σων αντίθετη πλευρά, μόλις το ηλεκτρόνιο μετο
Η+ μεμβρανική πρωτεινη
φερθεί σro επόμενο μόριο-φορέα της αλυσίδας (Εικόνα
14-19).
Το οξειδο-αναγωγικό δυναμικό είναι ένα μέτρο της
!
μεμβράνη
συγγένειας για τα ηλεκτρόνια Στις βιοχημικές αντιδράσεις ΤΟ ηλεκτρόνια που αφαιρούνται από ένα μό
~c/---~...
ριο πάντα περνούν σ' ένα άλ/ο μόριο. Έτσι, ότον ένα μόριο οξειδώνεται, έ να άλ/ο μόριο ανάγετοl. Όπως συμβαίνει και με κάθε άλ/η χημική αντίδρα
ση, η τάση αυτών των OξειδOαναγωytΚών αντιδράσεων
redox reactions) να πραγματοποιηθούν
!
(oxidation-reduction,
αυθόρμητο εξαρτάται από τη μετοβο
λή της ελεύθερης ενέργειας (ΔG) για τη μετοφορά των ηλεκτρονίων, η οποία
με τη σειρά της εξαρτάτοι από τη σχετική συΥΥένεια των δύο μορίων για ΤΟ η λεκτρόνια. (Ο ρόλος της ελεύθερης ενέργειας σrις χημικές αντιδράσεις περι ηλεκτρόνιο χαμηλής ενέργειας
Εικόνα 14-19. Ο μηχανισμός άντλησης των πρωτονίων διαμέσου των μεμβρανών. Κα θώς ένα ηλεκτρόνιο μετακινείται κατά μήκος μιας αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων μπο
γράφηκε σro Κεφάλαιο
3).
Οι διεργασίες μετοφοράς ηλεκτρονίων εξασφαλίΖουν το μεγαλύτερο μέ ρος της ενέργειας που χρειάΖονται ΤΟ έμβια όντα. Έτσι, αξίΖει ν' αφιερώσου με κάποιο χρόνο για να τις κατονοήσουμε. Στο Κεφάλαιο
2, αναφερθήκαμε
σrα οξέα και τις βάσεις, που, αντισroίxως, δίνουν και παίρνουν πρωτόνια (βλ. Παράρτημα
2-2). Τα οξέα
και οι βάσεις υπάρχουν σrη μορφή Ζευγών (οξέα
ρεί σε κάθε βήμα να συνδέει και ν' απελευθε
βάσεις), όπου το οξύ μετοτρέπεται εύκολα σrη βάση του Ζεύγους με απώλεια
ρώνει ένα πρωτόνιο. Στο παράδειγμα της εικό
ενός πρωτονίου. Για παράδειγμα, το οξικό οξύ
νας, μόλις δεχθεί ένα ηλεκτρόνιο
(e-)
από τον
φορέα Α, ο φορέας Β παραλαμβάνει ένα πρω
σrη συΖευγμένη βάση
(CH 3COOH)
μετοφέπετοι
(CH3COO-) με την αντίδραση:
τόνιο (Η+) από τη μια πλευρά της μεμβράνης. Όταν, με τη σειρά του, προσφέρει το ηλεκτρό νιό του στον φορέα
C,
ο φορέας Β θ' απελευ
θερώσει το πρωτόνιο στην άλλη πλευρά της μεμβράνης. Όπως θα δούμε, η άντληση των
Με την ίδια λογική, Ζεύγη ουσιών όπως ΤΟ ΝΑΟΗ και ΝΑΟ+ αναφέρονται ως
πρωτονίων επίσης επιτυγχάνεται και με άλ
οξειδο-αναγωΥΙκάΖΕύΥη
λους μηχανισμούς.
(redox couples), επειδή
μετοτρέπονται εύκολα το έ
να σro άλ/ο με μετοφορά ηλεκτρονίων ή πρωτονίων, κατά περίπτωση. Στο
παράδειγμα του Ζεύγους ΝΑΟΗ/ΝΑΟ+, το ΝΑΟΗ μετοτρέπετοι σε ΝΑΟ+ με απώλεια ηλεκτρονίων σrην αντίδραση:
Το ΝΑΟΗ είναι ένας ισχυρός δότης ηλεκτρονίων. Επειδή ΤΟ ηλεκτρόνιά του συγκρατούνται μ' ένα δεσμό υψηλής ενέργειας, η μετοφορά τους σε πολ/ά άλλα μόρια συνοδεύετοι από ευνοϊκή μετοβολή της ελεύθερης ενέργειας (βλ. Εικόνα
14-4). Aντίσrρoφα,
είναι δύσκολο για το ΝΑΟΗ να σχηματίσει έ
να δεσμό υψηλής ενέργειας. Επίσης, αναγKασrΙKά, το τοίρι του, δηλαδή το
NAD+, είναι ένας ασθενής δέκτης ηλεκτρονίων. Η τάση μετοφοράς ηλεκτρονίων κάθε οξειδοαναγωγικού Ζεύγους μπορεί να μετρηθεί πειραματικά. Αυτό επιτυγΧάνεται με το σχηματισμό ενός ηλε κτρικού κυκλώματος που συνδέει ένα ισομοριακό μείγμα
(1:1)
των ουσιών
του οξειδο-αναγωγικού Ζεύγους μ' ένα δεύτερο ανάλογο Ζεύγος, το οποίο έ
χει επιλεγεί αυθαίρετο ως Ζεύγος αναφοράς. Έτσι, μπορεί να μετρηθεί διαφορά δυναμικού που υπάρχει ανάμεσά τους (Παράρτημα
580
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
n 14-1), η οποία
Παράριπμα
14-1.
Οξειδοαναγωγικά δυναμικά
ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΩΝ ΟΞΕIΔΟΑΝΑΓΩΓιΚΩΝ ΔΥΝΑΜΙΚΩΝ Το ένα ποτήρι ζέσεως (αριστερά) περιέχει την ουσία Α σε ισομοριακό
μείγμα της ανηγμένης (Αaνηγμένη) και της οξειδωμένης (Αοξειδωμένη) μορφής
βολτόμετρο
του οξειδοαναγωγικού ζεύγους της. Το άλλο ποτήρι ζέσεως (δεξιά) περιέχει το πρότυπο ημιστοιχείο αναφοράς υδρογόνου (2Η+
+ 2e- ==: Η2),
του οποίου το οξειδοαναγωγικό δυναμικό με διεθνή συμφωνία ορίστηκε
αυθαίρετα ως μηδέν. (Μια γέγυρα άλατος από πυκνό διάλυμα KCΙ επιτρέπει στα ιόντα Κ+ και
CI- να μετακινούνται ανάμεσα στα δύο ποτήρια ζέσεως
έτσι ώστε να εξουδετερώνουν τα φορτία στο κάθε ποτήρι όταν τα ηλεκτρόνια ρέουν μεταξύ τους. Το μεταλλικό σύρμα (με κόκκινο χρώμα) παρέχει στα ηλεκτρόνια ροή χωρίς αντίσταση. Έτσι, με τη βοήθεια ενός βολτομέτρου μετράται το οξειδοαναγωγικό δυναμικό της ουσίας Α. Αν, όπως υποδηλώνεται εδώ, τα ηλεκτρόνια ρέουν από την Αανηγμένη μορφή προς ΤΟ Η+, τότε το οξειδοαναγωγικό ζεύγος που σχηματίζεται από την διάλυμα
διάλυμα Αανηγμένης και Αοξειδωμένης μορφής σε ισομοριακές πυκνότητες
1Μ
Η+ σε
ισορροπία με
1
ατμόσφαιρα αερίου Η2
ουσία Α λέγεται ότι έχει αρνητικό οξειδοαναγωγικό δυναμικό. Αντίθετα, αν ρέουν από το Η2 προς την Αοξειδωμένη μορφή, τότε το οξειδοαναγωγικό ζεύγος έχει θετικό οξειδοαναγωγικό δυναμικό. οξειδοαναγω
οξειδοαναγωγικέςαντιδράσεις
Το οξειδοαναγωγικόδυναμικό ενός οξειδοαναγωγικού
γικό δυναμικό
ζεύγους ορίζεται ως Ι'Ξ. Επειδή οι βιολογικές αντιδράσεις
συμβαίνουν σε ρΗ
7, οι βιολόγοι χρησιμοποιούν μια
ΝΑΟΗ τ= ΝΑΟ+ + Η+ + 2e-
διαφορετική πρότυπη κατάσταση, στην οποία
ανηγμένη
= Ααξειδωμένη και Η+ = 10-7 Μ. Αυτό το πρότυπο
Αανηγμένη
-320 mV
~ οξειδωμένη
+
ουβικινόνη ~ ουβικινόνη + 2Η + 2e-
οξειδοαναγωγικό δυναμικό ορίζεται ως E~.
ανηγμένο κυτόχρωμα
τ=
οξειδωμένο κυτόχΡωμαc
c
+30 mV
+230 mV
+εΓ
+820 mV
γΠOΛOΓlΣMOΣΤΗΣ ΔGΟ ΑΠΟ ΤΑ
Η ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΒΟΛΩΝ ΤΗΣ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ
ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓιΚΑΔΥΝΑΜΙΚΑ ΔE~
= E~ (δέκτης) -
E~ (δότης)
= +350 mV
e-
ελεύθερης ενέργειας για μια αντίδραση, ΔG, εξαρτάται από τη
Ι
συγκέντρωση των αντιδρώντων και γενικά διαφέρει από την πρότυπη
-,
/"
• Ο
•
Ο
Ο
• Ο
•
•
•
Όπως εξηγήσαμε στο Κεφάλαιο 3, η πραγματική μεταβολή της
Ο
ο· • • Ο • 0.0
Ο
.0
Ο
ισομοριακό μείγμα
ισομοριακό μείγμα
ΝΑΟΗ και ΝΑΟ+
οξειδωμένης και ανηγμένης
μεταβολή ελεύθερης ενέργειας, DGo. Τα πρότυπα οξειδοαναγωγικά δυναμικά αναφέρονται σ' ένα ισομοριακό μείγμα του οξειδοαναγωγικού
ζεύγους. Για παράδειγμα, το πρότυπο οξειδοαναγωγικό δυναμικό των
-320 mV αφορά σε ένα ισομοριακό μείγμα ΝΑΟΗ και NAD+. Όταν όμως το ΝΑΟΗ βρίσκεται σε περίσσεια, η μεταφορά ηλεκτρονίων από το ΝΑΟΗ σ' ένα δέκτη ηλεκτρονίων γίνεται πιο ευνοϊκή. Αυτό αντιστοιχεί σε πιο αρνητικό οξειδοαναγωγικό δυναμικό και πιο αρνητική ΔG για τη μεταφορά των ηλεκτρονίων.
ουβικινόνης
ΔG Ο
δυναμικού ίση με ΔE~
millivolts (mV)
Παράδειγμα: Η μεταφορά ενός ηλεκτρονίου από το
ΝΑΟΗ στην ουβικινόνη έχει ευνοϊκή DGo
= -8.0 kcal!mole,
υπολογίζεται ως εξής:
DGo
= -n(0.023)ΔΕ~ = -1(0.023)(350) = -8.0 kcal/moIe
Η μεταφορά ενός ηλεκτρονίου από την ουβικινόνη στο
οξυγόνο είναι ακόμα πιο ευνοϊκή με DGo = -18.2 kcal/mole. Η τιμή της DGo για τη μεταφορά ενός ηλεκτρονίου από το ΝΑΟΗ στο οξυγόνο ισούται με το
πρότυπο μείγμα
περίσσεια ΝΑΟΗ
= -n(0.023) ΔE~ όπου n ο αριμός των ηλεκτρονίων
που μεταφέρονται σε μια μεταβολή οξειδοαναγωγικού
1:1
-,
-,
••• • •
• ο •• •• ο
/"
ο • • ο ••
ο ο. ο
---- •
ισχυρότερη τάση για προσφορά ηλεκτρονίων
(πιο αρνητικό Ε
')
ο •
περίσσεια ΝΑΟ+
-,
/"
ο ο ο ο ο .0
·00 ο ο
Ι
πρότυπο οξειδοαναγωγικό δυναμικό
ασθενέστερη τάση για προσφορά ηλεκτρονίων
(-320 mV)
(πιο θετικό Ε')
άθροισμα αυτών των δύο τιμών (-26.2 kcal/mole).
Αλυσίδες Μεταφοράς Ηλεκτρονίων και Άντληση Πρωτονίων
581
αναφέρεται ως οξειδοαναγωγικό δυναμικό
(redox potential). Τα ηλεκτρόνια
μετακινούνται αυθόρμητα από ένα Ζεύγος ουσιών με χαμηλό οξειδο-αναγω γικό δυναμικό (δηλαδή με μικρή συΥΥένεια για τα ηλεκτρόνια), όπως ΙΟ Ζεύ
γος
NADH/NAD+, προς ένα άλλο Ζεύγος με υψηλό οξειδο-αναγωγικό δυνα
μικό (μεγάλη συΥΥένεια για τα ηλεκτρόνια), όπως ΙΟ Ζεύγος 02/Η2ο. Συνε πώς, ΙΟ
NADH ενδείκνυται
ιδιαίτερα για την προσφορά ηλεκτρονίων στην α
ναπνευστική αλυσίδα, ενώ ΙΟ
02 είναι
κατάλληλο για να λειιουργήσει ως α
ποδέκτης των ηλεκτρονίων στο τέλος της οδού. Όπως εξηγείται στο Παράρ
τημα
14-1, η διαφορά
ιου οξειδο-αναγωγικού δυναμικού, ΔΕ Ό, αποτελεί έ
να άμεσο μέτρο της πρότυπης μεταβολής της ελεύθερης ενέργειας (ΔG Ο ) για τη μεταφορά ενός ηλεκτρονίου από ένα μόριο σ' ένα άλλο.
Η μεταφορά '[ων πλεκ'[ρονίων οπελευθερώνει μεγάλες ποσό'[π'[ες ενέργεlOς Τα Ζεύγη των ενώσεων με τις πιο αρνητικές τιμές οξειδο-αναγωγικού δυ ναμικού έχουν τη μικρότερη συΥΥένεια με τα ηλεκτρόνια και επομένως πε ριέχουν φορείς με την ισχυρότερη τάση να προσφέρουν ηλεκτρόνια. Τα 0-
ξειδο-αναγωγικάΖεύγη για τα οποία ισχύει ΙΟ αντίθειο περιέχουν φορείς με την ισχυρότερη τάση να δέχονται ηλεκτρόνια. Ένα ισομοριακό μείγμα
ΝΑΟΗ και NAD+ έχει οξειδο-αναγωγικό δυναμικό -320 mV, γεγονός που υποδηλώνει ότι ΙΟ ΝΑΟΗ εμφανίζει ισχυρή τάση να προσφέρει ηλεκτρόνια.
Από την άλλη πλευρά, ένα ισομοριακό μείγμα Η 2 Ο και ναγωγικό δυναμικό
+820 mV:
αυτό σημαίνει ότι ΙΟ
%02
έχει οξειδο-α
02 εμφανίΖει
ισχυρή τά
ση να παραλαμβάνει ηλεκτρόνια. Η διαφορά ιου οξειδοαναγωγικού δυναμι κού ανάμεσα στα δύο Ζεύγη είναι
1.14 vo1ts (1140 mV).
Επομένως, υπό αυ
τές τις πρότυπες συνθήκες, η μεταφορά ενός ηλεκτρονίου από ΙΟ ΝΑΟΗ στο
02 είναι εξαιρετικά
ευνοϊκή, με ΔGΟ
= -26.2 kcallmole ή -52.4 kcallmole για
τα δύο ηλεκτρόνια που μεταφέρονται από κάθε μόριο ΝΑΟΗ (βλ. Παράρτη μα
14-1). Αν συγκρίνουμε
αυτή τη μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας με την
αντίστοιχη μεταβολή για ΙΟ σχηματισμό των φωσφοανυδριτικών δεσμών του
ΑΤΡ (ΔG
Ο
= -7.3 kcallmole, βλ. Εικόνα 13-7), διαπιστώνουμε
ότι η ενέργεια
που απελευθερώνεται από την οξείδωση ενός μορίου ΝΑΟΗ επαρκεί για τη σύνθεση αρκετών μορίων ΑΤΡ από ΑDΡ και Ρί. Τα Ζωντανά συστήματα ασφαλώς θα μπορούσαν να είχαν αναmύξει έν Ζυμα τα οποία θα επέτρεπαν στο ΝΑDΗ να προσφέρει ηλεκτρόνια στο
02 με
άμεσο τρόπο για ΙΟ σχηματισμό νερού, σύμφωνα με την αντίδραση:
Εξαιτίας όμως της τεράστιας εiΊάπωσης της ελεύθερης ενέργειας, η αντίδρα ση αυτή θα συνέβαινε με εκρηκτική δύναμη και όλη σχεδόν η ενέργεια θ' α πελευθερωνόταν υπό μορφή θερμότητας. Στην πραγματικότητα, τα κύπαρα
διεκπεραιώνουν τη συγκεκριμένη αντίδραση σταδιακά, μεταφέροντας τα η λεκτρόνια υψηλής ενέργειας από ΙΟ ΝΑDΗ προς ΙΟ
02 μέσω
των πολλών
φορέων της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων. Επειδή κάθε διαδοχικός φο-
582
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
ρέας της αλυσίδας συγκρατεί τα ηλεκτρόνιά του πολύ σφιχτά, η ενεργειακά
ευνοϊκή αντίδραση 2Η+
+ 2e- + %02 ---j Η 2 Ο εξαναγκάΖεταινα συμβεί σε
πολλά μικρά βήματα. Έτσι, αντί να Χάνεται στο περιβάλλονυπό μορφή θερ μότητας, η μισή περίπου ποσότητατης ενέργειας που απελευθερώνεταιμπο ρεί ν' αποθηκευτεί.
lόντα μετάλλων που προσδένΟνΙαιισχυρά σε πρωτε'ί'νες σχηματίΖουνευέλικτους φορείς ηλεκτρονίων Στην αναπνευστικήαλυσίδα, οι φορείς των ηλεκφονίων κατατάσσονται με βάση την αυξανόμενητιμή του οξειδο-αναγωγικούδυναμικού τους. Με
τον φόπο αυτό επιτυγχάνεταιη σταδιακή απελευθέρωσητης ενέργειας που είναι αποθηκευμένηστα ηλεκτρόνιατου
NADH.
Μέσα στο καθένα από τα
τρία σύμπλοκα των αναπνευστικών ενΖύμων, τα ηλεκτρόνια μετακινούνται κυρίως ανάμεσα σε άτομα μετάλλων, που είνΟ1lOχυρά προσδεμένα στις πρωτε'ϊνες και τα ηλεκτρόνια και συγκεκριμένα αναπηδούν από το ένα ιόν μετάλλου στο επόμενο.
.
Αντίθετα, η μεταφορά των ηλεκτρονίων μεταξύ των αναπνευστικών συ μπλόκων επιτυγΧάνεται από μόρια τα οποία διαΧέονται κατά μήκος της δι
πλοστιβάδας των λιπιδίων, παραλαμβάνοντας ηλεκτρόνια από το ένα σύ μπλοκο και αποδίδοντάς τα σ' ένα άλλο με ιεραρχική σειρά. Ο μόνος φορέ ας που δεν αποτελεί μέρος κάποιας πρωτε'ϊνης είνΟ1 η οv81κιvόvn
none),
(ubiqui-
ένα μικρό υδρόφοβο μόριο, ευδιάλυτο στη λιπιδική διπλοστιβάδα.
Στη μιτοχονδριακή αναπνευστική αλυσίδα, η ουβικινόνη παραλαμβάνει ηλε
κτρόνια από το σύμπλοκο της αφυδρογονάσης του
στο σύμπλοκο των κυτοχρωμάτων Εικόνα
14-20,
NADH
b-c 1 (Εικόνα 14-1 Ο).
και τ' αποδίδει
Όπως φαίνεται στην
μια Κlν6νη (όπως η ουβικινόνη) μπορεί να δεχθεί ή ν' απο
δώσει είτε ένα είτε δύο ηλεκτρόνια. Επίσης, για κάθε ηλεκτρόνιο που μετα
φέρει, προσλαμβάνει και ένα Η+ από το περιβάλλον. Το οξειδο-αναγωγικό δυναμικό της ουβικινόνης
(+30 mV)
την τοποθετεί από ενεργειακή άποψη
περίπου στο πρώτο τέταρτο της διαδρομής κατά μήκος της αλυσίδας με αφε τηρία το
NADH (Εικόνα 14-21).
Όλοι οι υπόλοιποι φορείς ηλεκτρονίων της αλυσίδας είναι μικρά μόρια, προσδεδεμένα ισχυρά σε πρωτε'ϊνες. Ανάμεσα στο
NADH
και στην ουβικι-
Εικόνα
14·20. Οι
κινόνες ως φορείς ηλεκτρο
νίων. Στη μιτοχονδριακή αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, η ουβικινόνη παραλαμβάνει ένα Η+ από το υδατικό περιβάλλον για κάθε ηλε
κτρόνιο που δέχεται, μπορεί δε να μεταφέρει
είτε ένα είτε δύο ηλεκτρόνια (με κίτρινο χρώ μα). Τα πρωτόνια απελευθερώνονται μόλις η α νηγμένη ουβικινόνη προσφέρει τα ηλεκτρόνιά
της στον επόμενο φορέα της αλυσίδας. Η μα
ο
κριά υδρογονανθρακική ουρά αποτελείται από
6-1 Ο μονάδες
ισοπρενίου (ο αριθμός εξαρτάται
από το είδος του οργανισμού) και περιορίζει την ουβικινόνη στη μεμβράνη. Στις φωτοσυν θετικές μεμβράνες των χλωροπλαστών, η αντί
στoιxη κινόνη είναι η πλαστοκινόνη, η οποία έ
υδρόφοβη ~ υδρογονανθρακική ουρά οξειδωμένη ουβικινόνη
χει σχεδόν παρόμοια δομή. Για λόγους απλού στευσης, τόσο η ουβικινόνη όσο και η πλαστο ουβιημικινόνη (ελεύθερη ρίζα)
ανηγμένη ουβικινόλη
κινόνη θ' αναφέρονται με τον όρο κινόνη και θα συμβολίζονται με το γράμμα Ο.
Αλυσίδες Μεταφοράς Ηλεκτρονίων και Άντληση Πρωτονίων
583
Εικόνα
14-21. Το
οξειδο-αναγωγικό δυναμι
Η+
κό αυξάνεται κατά μήκος της μιτοχονδρια
ΝΑΟΗ
κής αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων. Για τα σύμβολα που χρησιμοποιούνται εδώ, βλ. την Εικόνα
14-10.
\jDTr
Φ 'Ο
.f. 25
Παρατηρείστε ότι οι μεγά
α/
λες αυξήσεις του οξειδο-αναγωγικού δυναμι
ι>
6
κού συμβαίνουν στα τρία σύμπλοκα των ανα
ο
:;: 20
πνευστικών ενζύμων, όπως απαιτείται για την
-ο
Q.
άντληση των πρωτονίων.
!<
~
ι::-
-ο
15
>
-400
\.
':;,.'" . --~ Ι ~~~~ρo. \olXPωμa, γονάσης του
ο
-200
'0
Ο
><: Ξi
ο
100
t
> :::J
10
200
-ο
><:
>-3
σύμπλοκο των- - C -
300
b- C 1
400
6
500
10
KUΤOχρωμάτων
~ 10
-ω
::;-
-100 Ε.
Η+
ΝΑΟΗ
9
-300
> ω
~ ο
ω
ι::-
8-
φ
5
-:::J
οξειδάσης του
~ ω
800
Ο
+ %02
Η 2Ο
κατεύθυνση της ροής των ηλεκτρονίων
•,
Ερώτηση
ο
700
KυΤOΧΡώματo~ 2Η+
u.r
600
σύμπλοκο της
•
14-6
Σε πολ/ά βήματα της αλυσί
νόνη, μέσα στο σύμπλοκο της αφυδρογονάσης του ΝΑΩΗ τα ηλεκτρόνια
δας μεταφοράς των ηλε
περνούν από μια ομάδα φλαβίνης (βλ. Εικόνα
κτρονίων, άτομα σιδήρου
το σύμπλοκο, και από ορισμένα κέντρα σιδήρου-θείου με αυξανόμενα οξει
που ανήκουν σε προσθετι
δοαναγωγlκά δυναμικά. Η δομή των κέντρων σιδήρου-θείου
κές ομάδες αίμης ή σε συσ σωματώματα
FeS χρησιμο
ποιούνται για την πρόσδεση των διερΧό
centers)
13-12), η οποία
αποδίδεται διαγραμματικά στην Εικόνα
συνδέεται με
(iron-sulfur
14-22. Το καθένα
από αυτά
μεταφέρει ένα ηλεκτρόνιο τη φορά. Το τελευταίο κέντρο σιδήρου-θείου της αφυδρογονάσης προσφέρει τα ηλεκτρόνιά του στην ουβικινόνη.
μενων ηλεκτρονίων. Γιατί οι λειτουργι
Τα κέντρα σιδήρου-θείου έχουν σχετικά μικρή συγγένεια για τα ηλε
κές αυτές ομάδες που διεκπεραιώνουν
κτρόνια και πιθανόν θα ήταν λιγότερο χρήσιμα για τα μετέπειτα στάδια της
τη χημεία της μεταφοράς των ηλεκτρο
αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων, στην οδό από την ουβlκινόνη έως το
02'
νίων επιβάλλεται να είναι συνδεδεμένες
Σε αυτό το τμήμα της οδού, ως φορείς των ηλεκτρονίων χρησιμοποιούνται
με πρωτεΙνες; Προτείνατε διάφορους /\ό
τα άτομα του σιδήρου των ομάδων της αίμης που προσδένονται ισχυρά στις
γους γιατί αυτό είναι απαραίτητο.
πρωτεΙνες των κυτοχρωμάτων, όπως συμβαίνει στα σύμπλοκα των κυτοχρω μάτων
b-c j
και της οξειδάσης του Kυτoxρώματo~. Τα κυτοχρώματα είναι μια
ομάδα έγχρωμων πρωτεϊνών, που περιέχουν μια ή περισσότερες ομάδες αίμης. Όταν το άτομο του σιδήρου μιας ομάδας αίμης δεχθεί ένα ηλεκτρό-
/'\Cys /'v1Cys Ι
Εικόνα
14-22. Η
δήρου-θείου.
2Fe2S.
(Α) Ένα κέντρο του τύπου
(Β) Ένα κέντρο του τύπου
4Fe4S.
* 8
8
Fe
κέντρο σιδήρου-θείου έχει τη δυνατότητα να μεταφέρει μόνο ένα ηλεκτρόνιο τη φορά. Στη
8 ι
8 ι
VC~Cys
μιτοχονδριακή αλυσίδα μεταφοράς των ηλε
κτρονίων υπάρχουν πολλά κέντρα σιδήρου
584
8 Fe
Μο
λονότι περιέχει πολλά άτομα σιδήρου, κάθε
θείου.
Ι
8
δομή δύο ειδών κέντρων σι
(Α)
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
Εικόνα
14-23. Η τρισδιάστατη δομή του κυ c, ενός φορέα ηλεκτρονίων της
τοχρώματος
αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων. Η μικρή αυτή πρωτεινη περιέχει λίγο περισσότερα από 100 αμινοξέα και συγκρατείται χαλαρά, με ιο ντικές αλληλεπιδράσεις, πάνω στην πλευρά της μεμβράνης προς το στρώμα (βλ. Εικόνα
14-10). Το
άτομο του σιδήρου (με πορτοκαλί
χρώμα) στην προσθετική ομάδα της αίμης (με μπλε χρώμα) μπορεί να μεταφέρει ένα ηλε κτρόνιο. Η δομή της αίμης της αιμοσφαιρίνης, που συνδέει αντιστρεmά το
02 αντί ένα ηλε 4-36.
κτρόνιο, παρουσιάστηκε στην Εικόνα
νιο μετατρέπεται από την τρισθενή (Fe 3+) σε δισθενή (Fe 2+) κατάσταση. Ό πως θ' ανέμενε κανείς, το οξειδοαναγωγικό δυναμικό των κυτοχρωμάτων αυξάνεται στην πορεία κατά μήκος της μιτοχονδριακής αλυσίδας μεταφο ράς ηλεκτρονίων με κατεύθυνση προς το οξυγόνο. Η δομή του κυroχρώμα roς
c, της
μικρής πρωτεΙνης που μεταφέρει ηλεκτρόνια μεταξύ του συμπλό
κου των κυτοχρωμάτων
b-c}
και του συμπλόκου της οξειδάσης του κυτο
χρώματος, παρουσιάΖεται στην Εικόνα
μικό του είναι
14-23. Το
οξειδο-αναγωγικό δυνα
+230 mV.
Στο τέλος της αναπνευστικής αλυσίδας, αμέσως πριν από το οξυγόνο, οι φορείς των ηλεκτρονίων ανήκουν στο σύμπλοκο της οξειδάσης του κυτο χρώματος. Οι φορείς αυτοί είναι άτομα σιδήρου σε ομάδες αίμης ή άτομα
χαλκού τα οποία συνδέονται ισχυρά με το σύμπλοκο κατά ειδικό τρόπο και προσδίδουν μεγάλο οξειδο-αναγωγικό δυναμικό. Σε όλη την έκταση της α λυσίδας, το οξειδο-αναγωγικό δυναμικό κάθε φορέα ηλεκτρονίων έχει συ ντονιστεί έτσι ώστε να προσαρμόΖεται σύμφωνα με τις ανάγκες. Αυτό επιτυγ Χάνεται με την πρόσδεση του φορέα (ατόμου ή μορίου) στην αντίστοιχη πρω
τεΤνη κατά συγκεκριμένο τρόπο, με συνέπεια να μεταβάλλεται η συΥΥένειά της για τα ηλεκτρόνια.
Η οξειδάση του κυτοχρώμαιος καταλύει την αναγωγή
του οξυγόνου Η οξειδάση του κυτοχρώματος δέχεται ηλεκτρόνια από το κυτόχρωμα
c
(το οποίο οξειδώνεται) και τα μεταφέρει στο οξυγόνο. Η αντίδραση που κα ταλύεται από την οξειδάση του κυτοχρώματος αποδίδεται σχηματικά στην Ει
κόνα 14-24Α. Εν συντομία, τέσσερα ηλεκτρόνια από το κυτόχρωμα
c και τέσ
σερα πρωτόνια από το υδατικό περιβάλ/ον προστίθενται σε κάθε μόριο οξυ-
Αλυσίδες Μεταφοράς Ηλεκτρονίων και Άντληση Πρωτονίων
585
-
e-~. άτομοCυ
ηλεκτρόνια από το ~,.A
4 ηλεκτρόνια που προέρχονται από το KUΤόχρωμα c και εισέρχονται με
KUΤόχρ~μα c, που
\ιg
προσφερονται με
ρυθμό ένα τη φορά ~
~
ρυθμό ένα τη φορά
~ πλευρικές αλυσίδες
ο"'" ,-
ΔΙΑΜΕΜΒΡΑΝΙΚΟΣ ΧΩΡΟΣ
Γ""
ΠΡΩΜΑ
στη θέση αυτή συλλέγονται
4 ηλεκτρόνια
και προσδένεται
02
(Α)
(Β)
ενεργό κέντρο
Εικόνα 14-24. Η οξειδάση του κυτοχρώμα τος, το πρώτο ενζυμικό σύμπλοκο στην αλυ σίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων καταναλώνει σχεδόν όλο το οξυγόνο που αναπνέουμε. (Α) Οι αντιδράσεις που καταλύονται από την οξει δάση του κυτοχρώματος. Τέσσερα ηλεκτρό νια από το κυτόχρωμα c και τέσσερα πρωτόνια από το υδατικό περιβάλλον προστίθενται σε κάθε μόριο 02 και παράγουν δύο μόρια H2Q. Παράλληλα, τέσσερα πρωτόνια αντλούνται διαμέσου της μεμβράνης. Το σχήμα και η διά ταξη των τριών υπομονάδων που παρουσιάζο
νται εδώ αποδόθηκαν με ανάλυση με κρυσταλ
γόνου σύμφωνα με την αντίδραση
4e-
+ 4Η+ + 02 ~ 2Η 2 ο. Επίσης,
κατά
τη διάρκεια της με1Οφοράς των ηλεκτρονίων, τέσσερα επιπλέον πρωτόνια α ντλούνται διαμέσου της μεμβράνης, δημιουργώντας την ηλεκτροχημική βαθ
μίδωση των πρωτονίων. Η άντληση των πρωτονίων προκαλεί1ΟΙ από αλ/ο στερικές με1Οβολές στη διαμόρφωση της πρωτεΊνης, οι οποίες προωθούνται από την ενέργεια που προέρχεται από τη με1Οφορά των ηλεκτρονίων. Στο ενεργό κέντρο της η οξειδάση του κυτοχρώματος περιέχει ένα σύ
λογραφία των ακτίνων Χ. Με τον όρο εσωτερι κό της μεμβράνης, στα μεν μιτοχόνδρια εννο
μπλοκο από ένα άτομο σιδήρου μιας ομάδας αίμης και ένα σφιχτά συνδεδε
ούμε το στρώμα στα δε αερόβια βακτήρια την
μένο άτομο χαλκού (Εικόνα 14-24Β). Στο σημείο αυτό κα1Οναλώνεται σχε
κυπαροπλασματική πλευρά της κυπαρικής
δόν όλο το οξυγόνο που αναπνέουμε: το οξυγόνο λειτουργεί ως τελικός α
μεμβράνης,
(8) Λεmομερής απόδοση του ε
νεργού κέντρου του (Α). Φαίνεται η θέση των
ποδέκτης για 10 ηλεκτρόνια που προσέφερετο NADH στην αρχή της αλυσί
μεταλλικών ιόντων που προσδένονται στις
δας με1Οφοράς ηλεκτρονίων. Το οξυγόνο είναι κατάλ/ηλο γι' αυτό το σκοπό
πρωτεΊνες και μεταφέρουν ηλεκτρόνια από το KUΤόxpωμα
c στο οξυγόνο
(O~, Όπως και στο
(Α), τα δύο άτομα του σιδήρου
(Fe) αποδίδο
νται με πορτοκαλί χρώμα, τα τρία άτομα του χαλκού
(Cu)
με κόκκινο και οι δύο ομάδες της
αίμης, που φέρουν τα άτομα του σιδήρου, με μπλε. Όλα αυτά τα ιόντα είναι τοποθετημένα στο εσωτερικό της πρωτε'ίΊιης και τα ηλεκτρό νια πηδούν ανάμεσά τους με ένα μηχανισμό γνωστό ως «φαινόμενο ηλεκτρονιακής σήραγ γας»
(electron tunneling),
Χάρη στην πολύ μεγάλη συΥΥένειά του για 10 ηλεκτρόνια. Μόλις όμως το προσλάβει ένα ηλεκτρόνιο, σχηματίΖε1ΟΙ η ρίΖα του υπεροξειδίου,
02
02-' που
είναι μια επικίνδυνη δραστική ελεύθερη ρίΖα, η οποία με απληστία προσλαμ βάνει ακόμα τρία ηλεκτρόνια, οπουδήποτε 10 βρεΙ. Αυτό μπορείνα προξενή
σει σοβαρή βλάβη σε γειτονικές δομές
(DNA,
πρωτε'ί'νες και λιπιδικές μεμ
βράνες). Ένας από τους ρόλους της οξειδάσης του κυτοχρώματος είναι να
προσδένει σφιχτά το
02 έως ότου εξασφαλιστούν
και 10 τέσσερα ηλεκτρόνια
που απαιτούνταιγια τη με1Οτροπήτου σε δύο μόρια Η 2 ο. Με τον τρόπο αυτό αποτρέπονταιτυχαίες και κα1Οστροφικέςαντιδράσειςτης ρίζας του υπεροξει
δίου με άλ/α μόρια του κυπάρου. Συνεπώς, η δημιουργίατης οξειδάσηςτου κυτοχρώματοςείχε καίρια σημασία για την εξέλιξη των κυπάρων που χρησι
μοποιούν ως δέκτη ηλεκτρονίωντο
586
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
02'
Στα περισσότερα κύπαρα, η αντίδραση της οξειδάσης του κυτοχρώματος
ευθύνεται για το
90% της
συνολικής πρόσληψης οξυγόνου. Συνεπώς, αυτό
το πρωτεϊνικό σύμπλοκο έχει καίρια σημασία για την αερόβια Ζωή. Το υδρο
κυάνιο και το αΖίδιο είναι εξαιρετικά τοξικά επειδή προσδένονται σφιχτά στα σύμπλοκα της οξειδάσης του κυτοχρώματος και διακόπτουν τη μεταφορά των ηλεκτρονίων, προκαλώντας έτσι μεγάλη ελάπωση στην παραγωγή ΑΤΡ. Προκειμένου μια πρωτεΙνη ν' αντλεί πρωτόνια διαμέσου μιας μεμβρά νης, η αiΊiΊαγή της διαμόρφωσης της πρωτεϊνικής αντλίας πρέπει να είναι συ
Ζευγμένη με μια ενεργειακά ευνοϊκή αντίδραση. Στην περίπτωση της οξειδά σης του κυτοχρώματος, η αντίδραση αυτή είναι η προσθήκη ηλεκτρονίων
στο
που συμβαίνει στο ενεργό κέντρο του ενΖύμου. Στα θηλαστικά, η 0-
02,
ξειδάση του κυτοχρώματοςπεριέχει 13 διαφορετικές υπομονάδες. Ωστόσο,
οι περισσότερες φαίνεται ότι έχουν βοηθητικό ρόλο: ρυθμίΖουν την ενεργό τητα ή τη συναρμολόγηση των τριών υπομονάδων που συγκροτούν το κέ
ντρο του ενΖύμου. Η δομή αυτού του μεγάλου ενΖυμικού συμπλόκου πρό σφατα καθορίστηκε πλήρως με KρυσταiΊiΊoγραφία ακτίνων Χ (Εικόνα
25). Αυτό
14-
συνέβαλε στο ν' αποκαλυφθεί ο λεπτομερής μηχανισμός λειτουρ
γίας αυτής της περίτεχνης πρωτεϊνικής μηχανής.
Ο μηχανισμός άvrλησης των Η+ σύντομα θ' αποκαλυφθεί σε ατομικό επίπεδο Ορισμένα ενΖυμικά σύμπλοκα της αναπνοής αντλούν ένα Η+ ανά πρωτό-
ΔΙΑΜΕΜΒΡΑΝΙΚΟΣ χΩΡΟΣ
ΣΤΡΩΜΑ
υπομονάδα Ι
(Α)
(Β)
Εικόνα
14-25. Η
οξειδάση του κυτοχρώματος, μια περίτεχνα ρυθμιζόμενη πρωτεϊνική μηχανή. Είναι μια διμερής πρωτεινη της οποίας το 13 διαφορετικές υπομονάδες. Οι τρεις έγχρωμες υπομονάδες που σχηματίζουν το λειτουργικό κέντρο του εν ζύμου κωδικοποιούνται από το μιτοχονδριακό γονιδίωμα. Καθώς τα ηλεκτρόνια διέρχονται από την πρωτεινη, κατευθυνόμενα προς το μό ριο 02 που προσδένει, την αναγκάζουν ν' αντλεί πρωτόνια διαμέσου της μεμβράνης. (Α) Ολόκληρη η πρωτεινη, όπως διατάσσεται στην ε σωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη. (Β) Οι φορείς των ηλεκτρονίων εντοπίζονται στις υπομονάδες Ι και 11. μονομερές αποτελείται από
Αλυσίδες Μεταφοράς Ηλεκτρονίων και Άντληση Πρωτονίων
587
νιο διαμέσου της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης ενώ άλλα αντλούν δύο. Ο λεπτομερής μηχανισμός με τον οποίο πραγματοποιείται η σύΖευξη της
μεταφοράς των ηλεκτρονίων με την άντληση των πρωτονίων είναι διαφορετι κός για το καθένα από τα τρία ενΖυμικά σύμπλοκα. Στο σύμπλοκο των κυτο χρωμάτων b-cI , βασικό ρόλο έχουν οι κινόνες. Όπως προαναφέραμε, μια κι
νάση παραλαμβάνει ένα Η+ από το υδατικό μέσο μαΖί με κάθε ηλεκτρόνιο που μεταφέρει και το απελευθερώνει όταν απελευθερώσει το ηλεκτρόνιο (βλ.
14-20). Επειδή
Εικόνα
η ουβικινόνη κινείται ελεύθερα Ο1η λιπιδική διπiΊo01Ι
βάδα, μπορεί να παραλαμβάνει ηλεκτρόνια κοντά Ο1ην εσωτερική επιφάνεια της μεμβράνης και να τα προσφέρει
010 σύμπλοκο
των κυτοχρωμάτων
b-cI
κοντά Ο1ην εξωτερική επιφάνεια. Συνεπώς, η ουβικινόνη διακινεί ένα Η+ δια μέσου της διπλΟΟ1ιβάδας ανά ηλεκτρόνιο που μεταφέρεΙ. ΩΟ1όσο, μπλοκο των κυτοχρωμάτων
010 σύ
b-cI πραγματοποιείται άντληση δύο πρωτονίων α
νά ηλεκτρόνιο: υπάρχουν ισχυρές ενδείξεις για την ύπαρξη του λεγόμενου κύκΛου
Q (Q cycle),
Ο1ον οποίο η ουβικινόνη ανακυκλώνεται διαμέσου του
συμπλόκου κατά συγκεκριμένο τρόπο, εξηγώντας έτσι τη μεταφορά κριβής λειτουργία του κύκλου
Q σ'
2: 1. Η α
επίπεδο μεμονωμένων ατόμων βρίσκεται
υπό μελέτη, καθώς πρόσφατα καθορίΟ1ηκε πλήρως η δομή του συμπλόκου
των κυτοχρωμάτων b-cI με κρυΟ1αλ/ογραφία ακτίνων Χ (Εικόνα
14-26).
έξοδος ηλεκτρονίων προς το KUΤόχpωμα c
ΔΙΑΜΕΜΒΡΑΝΙΚΟΣ
ΧΩΡΟΣ
Ι
ι
Ι
Ι
ΠΡΩΜΑ
Ι
Ι
Ι
Ι Ι Ι Ι
Ι Ι Ι Ι
1
\
\
\
ιι.
, \
\
άφιξη ηλεκτρονίων από
~.
~Ίp1"
,,~
\
(Α)
KUΤ
την οuβικινόνη αίμη
(QH 2)
bH
b
(Β)
Εικόνα
14-26. Η
ατομική δομή του συμπλόκου των κυτοχρωμάτων
b-c,
δείχνει πού γίνεται η άφιξη και από πού πραγματοποιείται η α 11 διαφορετικές υπομονά
ναχώρηση των ηλεκτρονίων. Το σύμπλοκο είναι διμερής πρωτεινη, της οποίας το μονομερές αποτελείται από δες. Οι τρεις έγχρωμες πρωτεινες σχηματίζουν το λειτουργικό κέντρο του ενζύμου: είναι το κυτόχρωμα
b (πράσινο), το κυτόχρωμα c, (μπλε) (8)
και η πρωτειvη που περιέχει ένα κέντρο σιδήρου-θείου (μωβ). (Α) Η αλληλεπίδραση αυτών των πρωτε'ίνών ανάμεσα στα δύο μονομερή,
Οι φορείς ηλεκτρονίων των πρωτε'ίνών και οι θέσεις άφιξης και αναχώρησης των ηλεκτρονίων,
588
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
Πρωτόνια (Η+) μπορεί επίσης ν' αντληθούν από αλ/οστερικές αλλαγές
Ερώmσn
στη διαμόρφωση πρωτεϊνών που προωθούνται από τη μεταφορά ηλεκτρο
Δύο διαφορετικοί, κινητοί
νίων: αυτό συμβαίνει όταν η συνθάση του ΑΤΡ, λειτουργώντας αντίστροφα,
φορείς ηλεκτρονίων, η ουβι
υδρολύει το ΑΤΡ (βλ. Εικόνα
κινόνη και το κυτόχρωμα
14-15). Τόσο
στο σύμπλοκο της δεϋδρογονά
•,
14-7
c,
σης του ΝΑΟΗ όσο και στο σύμπλοκο της οξειδάσης του κυτοχρώματος, η
διακινούν ηλεκτρόνια ανά
μεταφορά των ηλεκτρονίων φαίνεται ότι προωθεί διαδοχικές αλ/οστεΡικές
μεσα στα τρία πρωτεϊνικά σύ
αλ/αγές στη διαμόρφωση των πρωτεϊνικών υπομονάδων που αναγκάΖουν έ
μπλοκα της αλυσίδας μετα
να τμήμα της πρωτεΊνης ν' αντλήσει Η+ διαμέσου της εσωτερικής μιτοχον
φοράς των ηλεκτρονίων. Θεωρητικά, θα
δριακής μεμβράνης. Ένας γενικός μηχανισμός για αυτό το είδος άντλησης
μπορούσε άραγε ο ίδιος κινητός φορέας
Η+ παρουσιάΖεται διαγραμματικά στην Εικόνα
να χρησιμοποιηθεί και για τα δύο βήματα;
14-27.
Δικαιολογείστε την απάντησή σας.
ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ Γ
(μικρή συγγένεια για τα Η+) Η+ απελευθέρωση πρωτονίων
ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ Α
ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ Α
(μεγάλη συγγένεια για τα Η+)
(μεγάλη συγγένεια για τα Η+)
ενεργειακή σύζευξη
~ ΕΜΠΩΣΗΤΗΣ ~~ ΣΥΓΓΕΝΕΙΑΣ ΓΙΑ ΤΑ Η+
ΑΥΞΗΣΗ::; ΣYΓΓEN7~;~ ~ ΓΙΑ ΤΑ Η+
(χαμηλή ~ υψηλή)
(υψηλή ~ χαμηλή)
ΕΠΟΜΕΝΟΣ ΚΥΚΛΟΣ Η+
Η+
πρόσληψη
πρόσληψη
πρωτονίων
πρωτονίων
ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ Β
(μεγάλη συγγένεια για τα Η+)
Εικόνα
14·27. Ένα
γενικό μοντέλο για την άντληση των Η+. Το μοντέλο αυτό για την άντληση των πρωτονίων (Η+) από μια διαμεμβρανική
πρωτεΊνη βασίζεται στους μηχανισμούς που πιστεύεται ότι χρησιμοποιούν τόσο η δεϋδρογονάση του ΝΑΟΗ και η οξειδάση του κυΤΟχΡώ ματος όσο και η βακτηριακή αντλία πρωτονίων ή βακτηριοροδοψίνη, η οποία προωθείται από το φως. Η πρωτεΊνη της Εικόνας ακολουθεί έ ναν κύκλο τριών διαμορφώσεων που εδώ ορίζονται ως Α, Β και Γ. Όπως υποδηλώνεται από τις τοποθετήσεις στην εικόνα, οι διαμορφώσεις
αυτές έχουν διαφορετική ενέργεια. Στη διαμόρφωση Α, η πρωτείνη έχει μεγάλη συγγένεια για τα Η+ και προσλαμβάνει ένα Η+ από το εσω τερικό της μεμβράνης. Στη διαμόρφωση Γ, η συγγένεια για τα Η+ είναι μικρή' έτσι, η πρωτεΊνη απελευθερώνει ένα Η+ στην εξωτερική πλευ ρά της μεμβράνης. Η μετάβαση από τη διαμόρφωση Β στη διαμόρφωση Γ, η οποία απελευθερώνει το Η+, είναι μη ευνσ"ίκή από ενεργειακή άποψη. Ωστόσο συμβαίνει, μόνο επειδή προωθείται από την αλλοστερική σύζευξή της με μια ενεργειακά ευνσ"ίκή αντίδραση που πραγμα τοποιείται σε κάποια άλλη θέση της πρωτεινης (μπλε βέλος). Οι δύο άλλες αλλαγές διαμόρφωσης, Α -7 Β και Γ -7 Α, οδηγούν σε καταστά σεις χαμηλότερηςενέργειας και για το λόγο αυτό συμβαίνουν αυθόρμητα. Επομένως, ο κύκλος Α -7 Β -7 Γ -7 Α -7 Β -7 Γ προχωρεί μόνο
προς μια κατεύθυνση. Έτσι, Η+ αντλούνται από το εσωτερικό (δηλαδή, το στρώματων μιτοχονδρίων)προς το εξωτερικό (δηλαδή, το δια μεμβρανικό χώρο των μιτοχονδρίων). Για την οξειδάσητου κυΤΟχΡώματος,η ενέργεια για τη μετάβαση Β -7 Γ εξασφαλίζεταιαπό τη μετα φοράτων ηλεκτρονίων,ενώ για τη βακτηριοροδοψίνηαπό το φως. Για άλλες αντλίες πρωτονίων, η ενέργειαπροέρχεταιαπό την υδρόλυση του ΑΤΡ (βλ. Εικόνα 11-28).
Αλυσίδες Μεταφοράς Ηλεκτρονίων και Άντληση Πρωτονίων
589
Η αναπνοή είναι εντυπωσιακά αποτελεσματική Οι μεταβολές της ελεύθερης ενέργειας κατά την καύση των λιπών και των
υδατανθράκων απευθείας σε
CO2 και Η 2 Ο μπορεί να συγκριθούν με τη συ
νολική ποσότητα της ενέργειας που παράγεται και αποθηκεύεται στους φω σφορικούς δεσμούς του ΑΤΡ κατά τη διάρκεια των αντίστοιχων βιολογικών οξειδώσεων. Από τη σχετική σύγκριση προκύπτει ότι η ενέργεια της οξείδω σης συχνά μετατρέπεται σε ενέργεια δεσμών του ΑΤΡ με απόδοση μεγαλύ τερη από
40%.
Η αποτελεσματικότητα αυτή είναι πολύ μεγαλύτερη από την
απόδοση των περισσότερων μη βιολογικών συσκευών μετατροπής της ενέρ γειας. Αν τα κύπαρα λειτουργούσαν με την απόδοση ενός ηλεκτρικού κινη τήρα ή μιας μηχανής πετρελαίου
(10-20%), τότε για
να καλύψουμε τις ανά
γκες του οργανισμού μας θα έπρεπε να καταναλώσουμε πολύ μεγαλύτερες ποσότητες τροφών. Επιπλέον, επειδή η ενέργεια που δεν χρησιμοποιείται α πελευθερώνεται ως θερμότητα, οι μεγάλοι οργανισμοί θα χρειάΖονταν πιο α ποτελεσματικούς μηχανισμούς από αυτούς που διαθέτουν σήμερα προκει μένου ν' αποδώσουν τη θερμότητα στο περιβάλ/ον. Όταν κανείς εξετάΖει για πρώτη φορά το θέμα των χημικών αλ/ηλομετα τροπών στα κύπαρα δεν θα ήταν περίεργο ν' αναρωτηθεί γιατί οι μετατροπές αυτές ακολουθούν τόσο πολύπλοκους μηχανισμούς. Ασφαλώς, η οξείδωση
των σακΧάρων σε
CO2 και Η 2 Ο
θα μπορούσε να επιτευχθεί πιο άμεσα, πα
ραί\είποντας τον κύκλο του κιτρικού οξέος και πολ/ά από τα στάδια της ανα πνευστικής αί\υσίδας. Αυτό θα έκανε τα πράγματα πιο απλά για τους φοιτη τές, θ' απέβαινε όμως καταστροφικό για το κύπαρο. Η οξείδωση παράγει τε ράστιες ποσότητες ελεύθερης ενέργειας οι οποίες χρησιμοποιούνται αποτε
λεσματικά μόνο σε μικρές ποσότητες. Οι βιολογικές οξειδωτικές οδοί περι λαμβάνουν πολ/ά ενδιάμεσα, καθένα από τα οποία διαφέρει πολύ λίγο από το αμέσως προηγούμενο. Με τον τρόπο αυτό, η ενέργεια που απελευθερώ
νεται «συσκευάΖεται» σε μικρά πακέτα που μπορεί να μετατραπούν αποτελε σματικά σε δεσμούς υψηλής ενέργειας χρήσιμων μορίων, όπως τα ΑΤΡ και
NADH, με το μηχανισμό
των συΖευγμένων αντιδράσεων (βλ. Εικόνα
13-1).
Στις παραγράφους που ακολουθούν, θ<:ι παρουσιάσουμε τον τρόπο με τον οποίο η χημειωσμωτική σύΖευξη αξιοποιεί τη φωτεινή ενέργεια για την παραγωγή ΑΤΡ στους χλωροπί\άστες.
Χλωροπλάστεs και φωτοσύνθεση Όλα τα οργανικά υλικό που είναι απαραίτητα για τα σημερινά Ζωντανά
κύπαρα παράγονται από τη φωτοσύνθεση
(photosynthesis),
μια σειρά αντι
δράσεων που προωθούνται από το φως και δημιουργούν οργανικά μόρια α
πό το διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαιρας
(C02). Οι οργανισμοίπου διε
νεργούν φωτοσύνθεση περιλαμβάνουντα φυτά, τις άλγες και πολ/ά είδη φωτοσυνθετικώνβακτηρίων. Τα φυτά, οι άλγες και τα πιο εξελιγμένα φωτο συνθετικά βακτήρια (όπως είναι τα κυανοβακτήρια),χρησιμοποιούνηλε
κτρόνια που προέρχονται από το νερό και την ενέργεια του ηλιακού φωτός για να μετατρέψουντο
590
CO2 της ατμόσφαιρας σε οργανικές ενώσεις.
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
Κατά τη
διαδικασία της διάσπασης του νερού, απελευθερώνουν στην ατμόσφαιρα τε ράστιες ποσότητες αέριου οξυγόνου. Το οξυγόνο, με τη σειρά του, είναι α
παραίτητο για την κυπαρική αναπνοή, όχι μόνο των Ζώων αλ/ά επίσης και των φυτών και πολ/ών βακτηρίων. Χάρη στη δράση των αρχέγονων φωτο συνθεηκών βακτηρίων η ατμόσφαιρα γέμισε με οξυγόνο. Αυτό επέτρεψε ν' αναπτυχθούν μορφές Ζωής που παράγουν ΑΤΡ με αερόβιο μεταβολισμό (Ει
κόνα
14-28).
Στα φυτά, η φωτοσύνθεση διεξάγεται σ' ένα εξειδικευμένο ενδοκυπάριο
οργανίδιο, 1Ον XΛωρoπλάσm
(chloroplast). Οι XΛωρoπi\άστες
διεκπεραιώνουν
φωτοσύνθεση κατά τη διάρκεια της ημέρας και παράγουν ΑΤΡ και οποία με τη σειρά τους χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή
NADPH, τα του CO Z σε σάκχα
ρα μέσα στους xλωρoπi\άστες. Τα σάκχαρα εξάγονται στο KυπαΡOδιάi\υμα, ό που και χρησιμοποιούνται ως καύσιμα για τη σύνθεση ΑΤΡ και ως πρώτες ύλες
για πολ/ά από τ' άλ/α οργανικά μόρια που χρειάΖεται ένα φυηκό κύπαρο. Τα σάκχαρα εξάγονται επίσης σε όλα τα κύπαρα του φυτού τα οποία δεν διαθέ τουν χλωροπί'Ίάστες. ΌΠQ:>ς και στα Ζωικά κύπαρα, 10 μεγai\ύτερο μέρος του
ΑΤΡ που υπάρχει στο κυπαροδιάλυματων φυηκών κυπάρων παράγεται από την οξείδωσητων σακχάρωνκαι των λιπών στα μιτοχόνδρια.
Οι χλωροπλάστεςμοιάΖουv με IQ μnοχόvδρια,
διαθέτουv όμως έvα επιπλέοv διαμέΡΙσμα Οι χλωροπλάστεςδιεκπεραιώνουνης αλ/ηλομετατροπέςενέργειας μέ σω βαθμιδώσεωνπρωτονίων, περίπου όπως και τα μιτοχόνδρια. Μολονόη
μεγαλύτεροιαπό τα μιτοχόνδρια (Εικόνα 14-29Α), εν τούτοις οργανώνονται με ης ίδιες βασικές αρχές. Διαθέτουν μια πολύ διαπερατή εξωτερική μεμ-
Εικόνα
14-28.
Μικροοργανισμοί που εκτε
λούν φωτοσύνθεση παράγοντας οξυγόνο άλλαξαν την ατμόσφαιρα της γης. (Α) Ζωντα νοί στρωματόλιθοι από μια λιμνοθάλασσα στη
Δυτική Αυστραλία. Οι στρωματόλιθοι δημιουρ γούνται από μεγάλες αποικίες φωτοσυνθετι κών κυανοβακτηρίων που παράγουν οξυγόνο και εναποθέτουν διαδοχικές στιβάδες υλικού.
Στρωματόλιθοι σχηματίζονται υπό ειδικές συν θήκες. (Β) Εγκάρσια διατομή ενός σύγχρονου
στρωματόλιθου, όπου φαίνεται η πολύστιβη δομή του. (η Εγκάρσια διατομή ενός απολι θωμένου στρωματόλιθου σ' ένα πέτρωμα ηλι
κίας
3.5
δισεκατομμυρίων ετών. Προσέξτε ότι
η δομή του μοιάζει με τη δομή του (Β). Οι απο
λιθωμένοι στρωματόλιθοι θεωρείται ότι σχη ματίστηκαν από φωτοσυνθετικά βακτήρια που έμοιαζαν πολύ με τα σύγχρονα κυανοβακτή
ρια. Η δραστηριότητα τέτοιων βακτηρίων που απελευθερώνουν αέριο 02 ως απόβλητο προ"ί όν της φωτοσύνθεσης, σιγά-σιγά άλλαξε την ατμόσφαιρα της γης. (Α. με την άδεια της
SalBirch, Oxford Scientific Films. Β και Γ. με την άδεια του S.M. Awramik, University of CaliforniaJBiological Photo Service). ΙΥ
Χλωροπλάστες και Φωτοσύνθεση
591
KUΠαΡΙKό τοίχωμα ~ κενοτόπιο
περίβλημα του χλωρο
πλάστη
(Α)
ι
5
0.5
μm
μm
κενοτόπιο
θυλακοειδές
/
~_..,.~~~;;; ~λrnα, \
KUΠαΡΙKό τοίχωμα (Β)
1 μm
Εικόνα 14-29. Ηλεκτρονιογραφίες χλωροπλαστών. (Α) Ένα κύπαρο από ένα φύλλο σιταριού στο οποίο ένας λεmός δακτύλιος κυπαρο πλάσματος, που περιέχει τον πυρήνα, τους χλωροπλάστες και τα μιτοχόνδρια, περιβάλλει ένα μεγάλο κενοτόπιο. (Β) Μια λεmή τομή ενός μεμονωμένου χλωροπλάστη. Φαίνονται το περίβλημα του χλωροπλάστη, κοκκία αμύλου και σταγονίδια λιπιδίων (λιποσταγονίδια) τα οποία
έχουν συσσωρευθεί στο στρώμα ως αποτέλεσμα των βιοσυνθέσεων που συντελούνται εκεί. (η Σε μεγάλη μεγέθυνση, δύο στοίβες θυλακο ειδών που αναφέρονται ως κοκκία
(grana). (Με την άδεια του Κ. Plaskitt).
βράνη και μια πολύ λιγότερο διαπερατή εσωτερική μεμβράνη, στην οποία εί
ναι ενσωματωμένες οι μεμβρανlκές πρωτεΊνες μεταφοράς. Ανάμεσα στις δύο μεμβράνες παρεμβάλλεται ο στενός διαμεμβρανlκός χώρος. ΜαΖί οι δύο μεμβράνες σχηματίΖουν το περίβλημα του χλωροπλάστη (Εικόνα
298).
14-
Η εσωτερική μεμβράνη περιβάλ/εl ένα μεγάλο χώρο, γνωστό ως
σφώμα
(stroma), ο οποίος
είναι ανάλογος με το μιτοχονδριακό στρώμα και
περιέχει πολ/ά μεταβολικά ένΖυμα. Όπως συνέβη και με τα μιτοΧόνδρια, οι
χλωροπλάστες εξελίΧθηκαν από ένα βακτήριο που εγκολεάσθηκε σ' ένα αρ Χέγονο κύπαρο και εξακολουθούν ακόμα να περιέχουν το δικό τους, ιδιαίτε ρο, γονιδίωμα και γενετικό σύστημα. Επομένως, το στρώμα, κατ' αναλογία
με το μιτοχονδριακό στρώμα, επίσης περιέχει μια ειδική ομάδα από ριβοσω μάτια και μόρια
592
RNA και
ΟΝΑ.
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
Ωσrόσo, υπάρχει μια σημαντική διαφορά ανάμεσα σrην οργάνωση των
Ερώτηση 14-8
Οι XΛωρoπλάσrες
νη των XΛωρoπλασrών δεν περιέχει αλυσίδες μεταφοράς των ηλεκτρονίων.
τουν ένα τρίτο εσωτερικό
Αντίθετα, τα συσrήματα για τη δέσμευση του φωτός, οι αλυσίδες μεταφοράς
διαμέρισμα: πρόκειτοι για
των ηλεκτρονίων και η συνθάση του ΑΤΡ περιέχονται σrη θυΛακοειδή μεμ
τον θυλακοειδή χώρο ο ο
8ράνn
μια τρίτη μεμβράνη, η οποία σχηματίΖει ένα
ποίος περιβάλλεται από τη
σύνολο επιπεδωμένων, δισκοειδών ασκών που αναφέρονται ως θυΛακοει
θυλακοειδή μεμβράνη. Η
δή
βλ. Εικόνα 14-29Γ). Τα θυλακοειδή διατάσσονται κατά σroί
μεμβράνη αυτή περιέχει τα φωτoσυσrή
βες, ο δε χώρος που βρίσκεται σro εσωτερικό κάθε θυλακοειδούς θεωρείται
ματα, τα κέντρα αντίδρασης, την αλυσίδα
ότι επικοινωνεί με τον αντίσroιxo χώρο άλ/ων θυλακοειδών. Έτσι, σχηματί
μεταφοράς των ηλεκτρονίων και τη συν
Ζουν ένα συνεΧές τρίτο διαμέρισμα, το οποίο διαχωρίΖεται από το σrρώμα με
θάση του ΑΤΡ. Αντίθετα, σrα μιτοΧόν
τη θυλακοειδή μεμβράνη (Εικόνα
ομοιότητες και διαφο
δρια, για τη μεταφορά των ηλεκτρονίων
ρές ανάμεσα σrα μιτοΧόνδρια και τους XΛωρoπλάσrες παρουσιάΖΟνται σrην
και τη σύνθεση του ΑΤΡ χρησιμοποιείται
Εικόνα
η εσωτερική μεμβράνη. Και σrα δύο ορ
(thylakoid membrane),
(thylakoids,
14-30). Οι δομικές
14-31.
διαθέ
•,
μιτοχονδρίων και την οργάνωση των XΛωρoπλασrών. Η εσωτερική μεμβρά
γανίδια, τα πρωτόνια αντλούνται από το
Οι χλωροπλάmες αl~μαλωτίzoυν ενέργεια από το ηλιακό
μεγαλύτερο εσωτερικό διαμέρισμα [δη
φως και τη χρησιμοποιούν για τη δέσμευση του άνθρακα
λαδή το σrρώμα
ΟΙ πολ/ές αντιδράσεις που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της φωτοσύν
θεσης σrα φυτά μπορεί να καταταγούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες (Εικόνα
14-32): 1. Στις φωroσυνθετικές αντιδράσεις μεταφοράς nΛεκrρον[ων (photosynthetic electron-transfer reactions), yνωσrές επίσης και ως «φωτεινές αντιδρά σεις» (<
IΊn
(chlorophyll).
(matrix) των μιτοχον (stroma) των χλω
δρίων κοι το σrρώμα
ρoπλασrών]. Ο θυλακοειδής Χώρος εί ναι εντελώς απομονωμένος από το υπό λοιπο κύπαρο. Αυτή η διάταξη οδηγεί σε
μεγαλύτερη βαθμίδωση Η+ σroυς χλω ρoπλάσrες παρά σrα μιτοΧόνδρια. Για ποιο Μγο συμβαίνει αυτό;
Το διεγερμένο ηλεκτρόνιο μπορεί να μετακινηθεί κατά
μήκος μιας αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων σrη θυλακοειδή μεμβράνη, περίπου όπως μετακινείται ένα ηλεκτρόνιο κατά μήκος της αναπνευσrIKής
αλυσίδας σrα μιτοχόνδρια. Η χλωροφύλ/η παραλαμβάνει τα ηλεκτρόνιά της από το νερό (Η 2 Ο), παράγοντας παράλληλα 02 ως παραπροϊόν. Κατά
ΧΛΩΡΟΠΛΑΠΗΣ
Εικόνα
14·30. Ο χλωροπλάστης.
Αυτό το φω
τοσυνθετικό οργανίδιο περιέχει τρεις ευδιάκρι ΚΟΚΚΙΟ ΦΥΜΟ
τες μεμβράνες (την εξωτερική, την εσωτερική και τη θυλακοειδή μεμβράνη) που ορίζουν τρία ξεχωριστά εσωτερικά διαμερίσματα (το δια
μεμβρανικό χώρο, το στρώμα και το θυλακοει δή χώρο). Η θυλακοειδής μεμβράνη περιέχει ό λα τα συστήματα παραγωγής ενέργειας του χλωροπλάστη, μεταξύ άλλων και τη χλωροφύλ λη. Σε ηλεκτρονιογραφίες, η μεμβράνη αυτή φαίνεται ν' αποτελείται από ξεχωριστές μονά δες που περικλείουν μεμονωμένα επιπεδωμέ να κυστίδια (βλ. Εικόνα 14-29η. Ωστόσο, οι μο
νάδες αυτές μάλλον συνδέονται σε μια ενιαία,
εξωτερΙΚή/ μεμβράνη
μεμβράνη
διαμεμβρανικόςχώρος
εξαιρετικά mυχωμένη μεμβράνη σε κάθε χλω ροπλάστη. Όπως φαίνεται, τα ξεχωριστά θυλα κοειδή διασυνδέονται και συνήθως στοιβάζο νται, σχημmίζονταςτα κοκκία
(grana).
Χλωροπλάστες και Φωτοσύνθεση
593
Εικόνα
14-31. Σύγκριση
ενός μιτοχονδρίου
Ι----
και ενός χλωροπλάστη. Γενικά, ο χλωροπλά στης είναι πολύ μεγαλύτερος από το μιτοχόν
2
μm -------.j
εσωτερική μεμβράνη
ακρολοφίες
δριο. Επίσης, εκτός από την εσωτερική και την
εξωτερική μεμβράνη
εξωτερική μεμβράνη περιέχει επιπλέον και τη
θυλακοειδή μεμβράνη που περικλείει τον θυ
+---
λακοειδή χώρο. Η θυλακοειδής μεμβράνη πε
διαμεμβρανικόςχώρος
ι "•••,.,....--;o:u--- στρώμα
ριέχει τα συστήματα συλλογής του φωτός, τις
στρώμα
θυλακοειδήςχώρος - - - - + + - ' 4
αλυσίδες μεταφοράς ηλεκτρονίων και τη συν
ΟΝΑ - - - - - ~ •.~
θάση του ΑΤΡ. Αντίθετα από την εσωτερική μεμβράνη του χλωροπλάστη, η εσωτερική
ριβοσωμάτια
μεμβράνη του μιτοχονδρίου διπλώνεται σε α κρολοφίες έτσι ώστε ν' αυξηθεί η επιφάνειά
~
θυλακοειδής μεμβράνη
της.
ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΟ
ΧΛΩΡΟΠΜΣΤΗΣ
τη διεργασία μεταφοράς των ηλεκτρονίων, πρωτόνια (Η+) αντλούνται δια μέσου της θυλακοειδούς μεμβράνης. Έτσι δημιουργείται μια ηλεκτροχη μική βαθμίδωση πρωτονίων που προωθεί τη σύνθεση του ΑΤΡ οιο οιρώ μα. Στο τελικό βήμα αυτής της σειράς αντιδράσεων, ηλεκτρόνια υψηλής ε
νέργειας (μαΖί με Η+) προοιίθενται οιο
NADP+, μετατρέποντάς το σε
ΝΑΟΡΗ. Όλες αυτές οι αντιδράσεις περιορίΖΟνται οιους χλωροπλάοιες.
2.
Στις αντιδράσεις δέσμευσnς roυ άνθρακα (carbon-fίxation Υνωοιές επίσης και ως «σκοτεινές αντιδράσεις»
reactions), (<
και το ΝΑΟΡΗ που παράγονται από τις φωτοσυνθετικές αντιδράσεις μετα φοράς ηλεκτρονίων λειτουργούν, αντιοιοίχως, ως πηγή ενέργειας και α ναγωγικής δύναμης για να προωθήσουν τη μετατροπή του
CO 2 σε υδα
τάνθρακες. Οι αντιδράσεις δέσμευσης του άνθρακα, οι οποίες αρχίΖουν οιο οιρώμα του ΧΛωροπλάοιη και συνεχίΖΟνται οιο κυπαροδιάλυμα, πα ράγουν σουκρόΖη (καλαμοσάκχαρο) και πολ/ά άλ/α οργανικά μόρια οια
ΦΩΣ
ΚΥΠΑΡDΔΙΜΥΜΑ Η Ο
Ι
Συνεπώς, ο σχηματισμός των ΑΤΡ, ΝΑΟΡΗ και τεινή ενέργεια) και η μετατροπή του
φωτοσυνθετικές αvτιδράσεις μεταφοράς
ηλεκτρονίων στη θυλακοειδή
_
2
co _
02 (που απαιτεί άμεσα φω
CO2 σε υδατάνθρακες (που απαιτεί φωτει
νή ενέργεια μόνο έμμεσα) είναι ξεχωριοιές διεργασίες, έοιω και αν διασυνδέ -
,++ μεμβράνη
2
φύλ/α του φυτού. Η σουκρόΖη εξάγεται σε άλ/ους ιοιούς ως πηγή οργα νικών μορίων και ενέργειας για αύξηση.
02
ονται με περίτεχνους μηχανισμούς ανατροφοδότησης. Για παράδειγμα, πολ/ά από τα ένΖυμα των χλωροπλαοιών τα οποία είναι απαραίτητα για τη δέσμευση
του άνθρακα αδρανοποιούνται οιο σκοτάδι και επανενεργοποιούνται με διερ γασίες μεταφοράς ηλεκτρονίων που διεγείρονται από το φως.
αvτιδράσεις
δέσμευσης του άνθρακα στο στρώμα
~
σάκχαρα,
αμινοξέα και λιπαρά οξέα
/
ΧΛΩΡΟΠΜΣΤΗΣ
594
Εικόνα
14·32. Οι
αvτιδράσεις της φωτοσύνθεσης σ' έναν χλωροπλάστη. Στις φωτο
συνθετικές αντιδράσεις μεταφοράς ηλεκτρονίων, το νερό οξειδώνεται και απελευθε ρώνεται οξυγόνο. Στις αντιδράσεις δέσμευσης του άνθρακα, το διοξείδιο του άνθρακα
δεσμεύεται για την παραγωγή σακχάρων και πολλών άλλων οργανικών μορίων.
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
Εικόνα
14-33. Η δομή της χλωροφύλλης. Ένα άτομο μαγνησίου (με πορτοκαλί χρώ
μα) συγκρατείται στο κέντρο ενός πορφυρινικού δακτυλίου, ο οποίος εμφανίζει δομι κές ομοιότητες με τον πορφυρινικό δακτύλιο που συνδέει τον σίδηρο στην αίμη. Το
φως απορροφάται από ηλεκτρόνια μέσα στο δίκτυο των δεσμών που αποδίδονται με μπλε χρώμα. Η μακριά υδρόφοβη ουρά συγκρατεί τη χλωροφύλλη στη θυλακοειδή μεμβράνη.
Τα διεγερμένα μόρια της χλωροφύλλης διοχετεύουν ενέργεια σ' ένα κέντρο αντίδρασης Το ορατό φως είναι μια μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας η οποία
αποτελείται από πολ/ά διαφορετικά μήκη κύματος, που κυμαίνονται από το ιώδες (μήκος κύματος
nm).
400 nm)
έως το βαθύ κόκκινο (μήκος κύματος
700
Όταν εξετάΖουμε ΥεΥονότα στο επίπεδο ενός μεμονωμένου μορίου, ό
πως, Υια παράδεΙΥμα, την απορρόφηση του φωτός από ένα μόριο χλωρο φύλ/ης, πρέπει να θεωρήσουμε ότι το φως αποτελείται από συΥκεκριμένες δέσμες (πακέτα) ενέΡΥειας, γνωστές ως φωτόνια. Τα διαφορετικά χρώματα χαρακτηρίΖονται από φωτόνια διαφορετικής ενέΡΥειας, με τα μεΥαλύτερα μήκη κύματος ν' αντιστοιχούν σε μικρότερες τιμές ενέΡΥειας. Επομένως, τα φωτόνια του κόκκινου φωτός έχουν μικρότερη ενέΡΥεια από τα φωτόνια του πράσινου φωτός.
Όταν το ηλιακό φως απορροφάται από ένα μόριο της πράσινης χρωστι κής χλωροφύλλη, τα ηλεκτρόνια του μορίου αλ/ηλεπιδρούν με τα φωτόνια και ανέρχονται σε υψηλότερη ενεΡΥειακή στάθμη. Τα ηλεκτρόνια στο εκτε
ταμένο δίκτυο των εναλλασσόμενων απλών και διπλών δεσμών του μορίου της χλωροφύλ/ης (Εικόνα
14-34) απορροφούν
ισχυρότερα το κόκκινο φως.
Ένα μεμονωμένο μόριο χλωροφύλ/ης αδυνατεί να μετατρέψει το φως που απορροφά σε μια χρήσιμη μορφή ενέΡΥειας Υια τα βιολΟΥικά συστήμα τα. Αυτό επιτuyxάνεται μόνο όταν το μόριο διασυνδέεται με τις κατάλ/ηλες πρωτε'ϊνες και ενσωματώνεται σε μια μεμβράνη. Στις θυλακοειδείς μεμβρά
νες των φυτών και στις μεμβράνες των φωτοσυνθετικών βακτηρίων, οι χλω
ροφύλ/ες που απορροφούν το φως συΥκρατώνται σε μεΥάλα πολυπρωτεϊνι κά σύμπλοκα τα οποία αποκαλούνται φωτοσυστήματα τμήμα της κερaιaς
(antenna portion)
(photosystems).
Το
ενός φωτοσυστήματος αποτελείται από
εκατοντάδες μόρια χλωροφυλ/ης που «συλ/αμβάνουν» την ενέΡΥεια του φωτός υπό μορφή διεΥερμένων ηλεκτρονίων (ηλεκτρόνια υψηλής ενέΡΥει
ας). Τα μόρια αυτά διατάσσονται κατά τέτοιο τρόπο ώστε η ενέΡΥεια ενός διε Υερμένου ηλεκτρονίου να μπορεί να μεταβιβαστεί από ένα μόριο χλωροφύλ λης σ' ένα άλ/ο, διοχετεύοντας την ενέΡΥεια σε ένα παρακείμενο πρωτεϊνικό σύμπλοκο της μεμβράνης, το κέντρο αντίδρασης
(reaction center). Εκεί,
η ε
νέΡΥεια παΥιδεύεται και χρησιμοποιείται Υια να διεΥείρει ένα ηλεκτρόνιο σ' ένα ειδικό Ζεύγος μορίων χλωροφύλ/ης.
Το κέντρο αντίδρασης είναι ένα διαμεμβρανικό σύμπλοκο πρωτεϊνών και ΟΡΥανικών χρωστικών που βρίσκεται στην καρδιά της φωτοσύνθεσης. Πι στεύεται ότι εξελίΧθηκε σε αρΧέΥονα φωτοσυνθετικά βακτήρια, πριν από
3.5 Χλωροπλάστες και Φωτοσύνθεση
595
Εικόνα
14·34. Το
κέντρο αντίδρασης και η
κεραία ενός φωτοσυστήματος. Η κεραία συλ λέγει ηλεκτρόνια που έχουν διεγερθεί από το φως και διοχετεύει την ενέργειά τους σ' ένα ει δικό ζεύγος μορίων χλωροφύλλης του κέ ντρου αντίδρασης. Με τον τρόπο αυτό, το κέ
σύμπλοκο κεραίας
ντρο αντίδρασης αποκτά ένα ηλεκτρόνιο υψη λής ενέργειας που μπορεί να μεταφερθεί γρή γορα στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων της θυλακοειδούς μεμβράνης, μέσω της κινό νηςΟ.
~~,J:::':~:T-llr κέντρο αντίδρασης
ΘΥΜΚΟΕΙΔΗΣ ΧΩΡΟΣ
θυλακοειδής μεμβράνη
ΣΤΡΩΜΑ
έξοδος μορίου Β που φέρει ηλεκτρόνιο υψηλής ενέργειας μόρια χλωροφύλλης σro σύμπλοκο της κεραίας
ειδικό ζεύγος μορίων χλωροφύλλης σro κέντρο
κινόνη
και πλέον δισεκα1Ομμύρια χρόνια. Το ειδικό Ζεύγος των μορίων Της χλωρο φύλ/ης του κέντρου αντίδρασης δρα σαν παγίδα για ένα διεγερμένο ηλε κτρόνιο, επειδή ΤΟ μόρια Της χλωροφύλ/ης μετοβιβάΖουν ένα ηλεκτρόνιο υ ψηλής ενέργειας σ' ένα γειτονικό μόριο μέσα σΤΟ ίδιο πρωτεϊνικό σύμπλοκο. Απομακρύνοντας γρήγορα 10 διεγερμένοηλεκτρόνιοαπό ης χλωροφύλ/ες, ΤΟ κέντρο αντίδρασηςΤΟ μετοφέρει και ΤΟ σΤαθεροποιείσ' ένα άλλο περι βάλ/ον. Έτσι, 10 ηλεκτρόνιο είναι κοτάλ/ηλατοποθεΤημένογια ης επόμενες
φω1Οχημικέςαντιδράσεις, οι οποίες για να ολοκληρωθούναπαnούν περισ σότερο χρόνο.
Κοτά Την όλη διεργασία, ΤΟ μόριο Της Χλωροφύλ/ηςτου κέντρου αντί δρασης Χάνει ένα ηλεκτρόνιο και φορτίΖετοι θεηκά. Όπως φαίνετοι σΤην Ει κόνα 14-35Α, η χλωροφύλ/ηγρήγορα ανακτά ένα ηλεκτρόνιο από έναν πα
ρακείμενο δότη ηλεκτρονίωνκαι επανέρχεται σε μη διεγερμένη κατάσΤαση (κατάσΤαση ηρεμίας). ΣΤη συνέχεια, σε βραδύτερεςαντιδράσεις,αυτός ο δό Της ηλεκτρονίωναναγεννάται μ' ένα ηλεκτρόνιο που αποσπάται από 10 νε ρό, και ένα ηλεκτρόνιο υψηλής ενέργειας μετοφέρεται σΤην αλυσίδα μετα φοράς ηλεκτρονίων(Εικόνα 14-358).
Η φωτειvή εvέργεια προωθεί τη σύvθεση τωv ΑΤΡ και
ΝΑΟΡΗ Όπως αναφέρθηκε σΤΟ Κεφάλαιο
3,
από μια άποψη η βιοσύνθεση είναι
ΤΟ αντίθε1Ο Της οξειδωηκής αποδόμησης. Για να παρασκευάσει ΤΟ διάφορα συσΤαηκά του, ΤΟ κύπαρο χρειάΖετοι όχι μόνο ενέργεια υπό μορφή ΑΤΡ αλ λά και αναγωγική δύναμη υπό μορφή ατόμων υδρογόνου του φορέα ΝΑΟΡΗ (βλ Εικόνα
3-35). Επειδή
μια πρωτορχική λεΙ1Ουργία Της φω1Οσύν
θεσης είναι η σύνθεση οργανικών μορίων από 10
COz, η διεργασία αυτή έχει
τεράσΤιες απαιτήσεις τόσο σε ΑΤΡ όσο και σε αναγωγική δύναμη. Οι ανά γκες για αναγωγική δύναμη καλύπτονται με 10 σχημαησμό1Ου ΝΑΟΡΗ από
ΤΟ NADP+, χρησιμοποιώντας Την ενέργεια που δεσμεύεται από ΤΟ ηλιακό φως για να μετοτρέψει ΤΟ ηλεκτρόνια χαμηλής ενέργειας του νερού σε ηλε κτρόνια υψηλής ενέργειας του
596
NADPH.
Κεφάλαιο 14: παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
διαχωρισμός φορτίων
χαμηλής ενέργειας
φωτεινή ενέργεια
οξειδωμένη
χλωροφύλλη
οξειδωμένος δότης
ανηγμένος
ηλεκτρονίων
δέκτης
δότης ηλεκτρονίων
ανηγμένος δέκτης
ηλεκτρόνιο υψηλής ενέργειας ΔΙΕΓΕΡΣΗ ΕΝΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝlογ ΣΤΗ
ΧΛΩΡΟΦΥΜΗ ΤΟΥ
ηλεκτρόνια χαμηλής ενέργειας στη χλωροφύλλη
ΚΕΝτρογ ΑΝΤιΔΡΑΣΗΣ
μόρια χλωροφύλλης του KέVΤΡOυ αvτίδρασης σε κατάσταση ηρεμίας
Εικόνα
14·35. Η
συλλογή της φωτεινής ενέρ
γειας από ένα μόριο χλωροφύλλης του κέ
(Α)
ντρου αντίδρασης. (Α) Τα αρχικά γεγονότα σ' ηλεκτρόνιο υψηλής ενέργειας
•
J
ΠΡΟΣΦΟΡΑ τογ ΗΛΕΚΤΡΟΝιογ γΨΗΛΗΣ
ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΗΝ ΜγΣΙΔΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ
(6)
ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ
Στα φυτά Kaι τα κυανοβακτήρια, η φωτοσύνθεση παράγει ΑΤΡ Kaι
ΝΑDΡΗ με μια διεργασία που απaιτεί δύο φωτόνια. Το ΑΤΡ σxηματίzετaι α φού απορροφηθεί το πρώτο φωτόνιο, ενώ το ΝΑDΡΗ αφού απορροφηθεί
Kaι το δεύτερο. Για το σκοπό αυτό, δύο φωτοσυστήματα λειτουργούν εν σει ρά. ΜαΖί, τα δύο φωτοσυστήματα προσδίδουν σ' ένα ηλεκτρόνιο ενέργεια ε παρκή για τη σύνθεση ΝΑDΡΗ. Παράλ/ηλα δημιoυργείτaι επίσης μια βαθ μίδωση πρωτονίων, που επιτρέπει να παραΧθεί ΑΤΡ. Συνοπτικά, η φωτεινή ενέργεια πρώτα απoρρoφάτaι από ένα φωτοσύ στημα (για ιστορικούς λόγους και μολονότι ο σχετικός όρος προκαλεί σύγ χυση, αΠOKαλείτaι φωroσι5στnμα ιη, όπου xρησιμoπoιείτaι για την παραγω γή ενός ηλεκτρονίοι> υψηλής ενέργειας, το οποίο μεταφέρετaι μέσω μιας α λυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων προς το δεύτερο φωτοσύστημα. Ενώ μετα Kινείτaι κατά μήκος της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων, το ηλεκτρόνιο
ένα κέντρο αντίδρασης προκαλούν έναν δια χωρισμό φορτίων. Ένα από τα μόρια της χλω
ροφύλλης του ειδικού ζεύγους (με πράσινο χρώμα) συγκρατείται σφιχrά σ' ένα σύμπλοκο χρωστικής-πρωτεΊνης, το οποίο είναι έτσι το
ποθετημένο, ώστε κοντά να υπάρχουν τόσο έ νας δυνητικός δότης ηλεκτρονίων χαμηλής ε νέργειας (με γκρι χρώμα) όσο και ένας δυνητι
κός δέκτης ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας (με μπλε χρώμα). Μόλις το κόκκινο ηλεκτρόνιο της χλωροφύλλης διεγερθεί από φωτεινή ενέρ γεια, μεταβιβάζεται στον δέκτη των ηλεκτρο νίων και σταθεροποιείται ως ηλεκτρόνιο υψη λής ενέργειας. Το θετικά φορτισμένο μόριο της χλωροφύλλης προσελκύει γρήγορα ένα η λεκτρόνιο χαμηλής ενέργειας (με πορτοκαλί
χρώμα) και επανέρχεται σε κατάσταση ηρε μίας. Οι αντιδράσεις αυτές ολοκληρώνονται μέσα σε λιγότερο από 10-6 δευτερόλεmα. (8) Η τελική παραγωγή ενός ηλεκτρονίου υψηλής ενέργειας από ένα ηλεκτρόνιο χαμηλής ενέρ γειας. Κατά τη διεργασία αυτή, η οποία ακο λουθείτην οδό που παρουσιάζεται στο (Α), ο λόκληρο το κέντρο αντίδρασης αποκαθίστα ται σε κατάσταση ηρεμίας. Συγκεκριμένα, στη
θυλακοειδή μεμβράνη σχηματίστηκε ένα ηλε κτρόνιο υψηλής ενέργειας από ένα άλλο, χα μηλής ενέργειας, που παραλήφθηκε από το νερό.
προωθεί μια αVΤλία Η+ της θυλακοειδούς μεμβράνης Kaι δημιουργεί μια βαθμίδωση πρωτονίων κατά τον τρόπο που περιγράψαμε προηγουμένως για
την οξειδωτική φωσφορυλίωση (Εικόνα
14-36). Στη
συνέχεια, μια συνθάση
του ΑΤΡ που εvτoπίzετaι στη θυλακοειδή μεμβράνη χρησιμοποιεί αυτή τη βαθμίδωση για να προωθήσει τη σύνθεση του ΑΤΡ στην πλευρά της μεμβρά νης προς το στρώμα.
Μόλις το ηλεκτρόνιο φτάσει στο δεύτερο φωτοσύστημα της οδού (φωro σύστnμα ι), το ηλεκτρόνιο «γεμίΖει» ένα ηλεκτροθετικό «κενό» που δημιουρ γήθηκε στο KέVΤΡO αντίδρασης από την απομάκρυνση ενός άλ/ου ηλεκτρονί
ου λόγω της απορρόφησης ενός δεύτερου φωτονίου. Εφόσον το φωτοσύστη-
Χλωροπλάστες και Φωτοσύνθεση
597
ένζυμο που διασπά το νερό
ΦΩΣ
ΦΩΣ
Θγλ/ΚΟΕΙΔΗΣ ΧΩΡΟΣ
02 πλαστοκυανίνη
4Η+
Θγλ/ΚΟΕΙΔΗΣ
ι
ΜΕΜΒΡΑΝΗ
η μετακίνηση των πρωτονίων στη φορά της ηλεκτροχημικής βαθμίδωσής τους παράγει ΑΤΡ
ΣΤΡΩΜΑ
NADP+ φωτοσύστημα
I1
Εικόνα
14·36.
φωτοσύστημα Ι
σύμπλοκο
KUΤOxpωμάτων
αναγωγάση φερρεδοξίνης-ΝΑΟΡ
b6-f
Κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης τα ηλεκτρόνια ρέουν κατά μήκος μιας αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων στη θυ
λακοειδή μεμβράνη. Το φως συλλέγεται από τα σύμπλοκα των κεραιών στα δύο μεμβρανικά φωτοσυστήματα και διοχετεύεται προς τα μό ρια χλωροφύλλης στο κέντρο αντίδρασης κάθε φωτοσυστήματος (βλ. Εικόνα
14-34). Από
εκεί, τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται στην αλυσίδα
μεταφοράς των ηλεκτρονίων μέσω κινητών φορέων. Αυτοί οι φορείς είναι η πλαστοκυανίνη (μια μικρή πρωτεΙνη που περιέχει χαλκό) και η
φερρεδοξίνη (μια μικρή πρωτεΙνη που περιέχει ένα κέντρο σιδήρου-θείου). Το σύμπλοκο των κυΤΟχΡωμάτων των κυΤΟχΡωμάτων
b-c 1 των μιτοχονδρίων και είναι η
b6-f μοιάζει
με το σύμπλοκο
μοναδική θέση στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων όπου διενεργείται ενεργός ά
ντληση Η+. Τα Η+ που απελευθερώνονται από την οξείδωση του νερού και τα Η+ που παραλαμβάνονται κατά το σχηματισμό του ΝΑDΡΗ ε πίσης συνεισφέρουν στη δημιουργία της ηλεκτροχημικής βαθμίδωσης των πρωτονίων. Η βαθμίδωση αυτή (μπλε βέλος) προωθεί μια συν θάση του ΑΤΡ που είναι τοποθετημένη στην ίδια μεμβράνη (δεν εικονίζεται εδώ).
μα Ι είναι σχεδιασμένο να ξεκινά από υψηί\ότερη ενεργειακή στάθμη από το φωτοσύστημα
11, καταλήγει
σε υψηλότερη στάθμη και, έτσι, έχει τη δυνατότη
τα να εκτινάξει τα ηλεκτρόνια στην πολύ υψηλή ενεργειακή στάθμη η οποία α
παιτείται για το σχηματισμό του ΝΑΟΡΗ από το NADP+ (Εικόνα
14-36). Τα 0-
ξειδο-αναγωγικάδυναμικάτων συστατικώνπου βρίσκονταικατά μήκος αυτής της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίωνπαρουσιάΖΟνταιστην Εικόνα 14-37. Κατά τη συνολική διεργασία που περιγράφηκε έως τώρα, ένα ηλεκτρόνιο το οποίο αποσπάστηκε από ένα μόριο xiΊωρoφύλ/ης του κέντρου αντίδρα σης του φωτοσυστήματος
11 μετακινείται
κατά μήκος όλης της αλυσίδας μετα
φοράς ηλεκτρονίων στη θυλακοειδή μεμβράνη και τελικά προσφέρεται στο ΝΑΟΡΗ. Για να επιστρέψει το σύστημα σε κατασταση ηρεμίας, το αρχικό αυ τό ηλεκτρόνιο πρέπει ν' αVΤΙKατασταθεί από κάποιο άλ/ο. Τ ο ηλεκτρόνιο προέρχεται από έναν δότη ηλεκτρονίων χαμηλής ενέργειας. Στα φυτά και σε
πολ/ά φωτοσυνθετικά βακτήρια, ο δότης αυτός είναι το νερό (βλ. Εικόνα 35Β). Το κέντρο αντίδρασης του φωτοσυστήματος
11 περιλαμβάνει
14-
ένα ένΖυ
μο που διασπά το νερό, το οποίο συγκρατεί τα άτομα του οξυγόνου των δύο μορίων του νερού συνδεμένα σ' ένα σύμπλοκο ατόμων μαΥΥανίου της πρω τεΊνης (Εικόνες
14-36 και 14-37). Το
ένΖυμο αυτό αποσπά ηλεκτρόνια από
το νερό, με ρυθμό ένα τη φορά, για να KαiΊύψει τα κενά που δημιουργήθη καν από το φως στα μόρια της xiΊωρoφύλ/ης του κέντρου αντίδρασης. Μόλις
αποσπαστούν τέσσερα ηλεκτρόνια από τα δύο μόρια του νερού (κάτι που
προϋποθέτει απορρόφηση τεσσάρων φωτονίων), απελευθερώνεται το
02' Η
διεργασία αυτή, η οποία πραγματοποιείται επί δισεκατομμύρια χρόνια, είναι υπεύθυνη για την παραγωγή όλου του
598
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
02 στην ατμόσφαιρα
της γης.
Εικόνα
φωτοσύστημα Ι
δο-αναγωγικό δυναμικό κάθε μορίου υποδη
_καιΒ:!
-1000
φερρεδοξίνη αναγωγάση ΝΑΟΡ
-800
Θ
:;-
..s. -400 "§- -200
δημιουργία ηλεκτρο χημικής βαθμίδωση ς
l'iiiI
i\
>
::>
Κ)
[
Ο
Ο 15
200
Ι
400
το φως
ο
Ι
Ht+
το φως
προκαλεί
διαχωρισμό
σύμπλοκ::::
ο
+
Η+
KUΤOχpωματων
λώνεται από την τοποθέτησή του κατά μήκος του κάθετου άξονα. Το φωτοσύστημα 11 μετα βιβάζει ηλεκτρόνια από τη διεγερμένη χλω ροφύλλη του σε μια αλυσίδα μεταφοράς ηλε κτρονίων της θυλακοειδούς μεμβράνης η ο ποία οδηγεί στο φωτοσύστημα Ι. Η καθαρή ροή των ηλεκτρονίων διαμέσου των δύο φω
τοσυστημάτων που συνδέονται εν σειρά αρ χίζει από το νερό και κατευθύνεται προς το NADP+, παράγοντας ΝΑDΡΗ και ΑΤΡ. Το ΑΤΡ συντίθεται από μια συνθάση του ΑΤΡ, η οποία
6 -t
_ _ .,
πλαστοκυανίνη
600
NADP+
ίων
[jb πλαστοκινόνη~ ~-
προκαλεί διαχωρισμό φορτίων
~
που παράγει
'0
~
c3:o~
φωτοσύστημα 11
-800
συστατικά της αλυσίδας
ρετικό οξειδο-αναγωγlκό δυναμικό. Το οξει
φωτός για παραγωγή
-1200
14-37. Τα
μεταφοράς των ηλεκτρονίων έχουν διαφο
συλλογή της ενέργειας του
αξιοποιεί την ηλεκτροχημική βαθμίδωση των
Θ
πρωτονίων που προέκυψε από τη μεταφορά των ηλεκτρονίων.
800 1000 1200
02
Ερώτηση
κατεύθυνση της ροής των ηλεκτρονίων
14-9
Ποιες από ης ακόλουθες
διαπιστώσεις είναι σωστές;
Η δέσμευση Ίου άνθρακα καΊαλύεωι από Ίην καρβοξυλάση Ίης διφωσφορικής ριβουλόΖης
NADPH από ης φωτεινές
σεις σας.
Α. Μετά την αφαίρεση ενός
Σης παραγράφους που προηγήθηκαν είδαμε πώς παράγεται το ΑΤΡ και
το
Δικαιολογείστε ης απαντή
ηλεκτρονίου από το φως,
•,
ανηδράσεις της φωτοσύνθεσης. Στη συνέχεια,
η συγγένεια της θεηκά φορησμένης
θα εξετάσουμε πώς χρησιμοποιούνται αυτές οι ενώσεις σης αντιδράσεις δέ
χλωροφύλλης για ΤΟ ηλεκτρόνια στο
σμευσης του άνθρακα
'Orαν οι υδατάνθρακες οξειδώνο
κέντρο αντίδρασης του πρώτου φωτο
CO2 και Η 2 Ο απελευθερώνεται μεγάλη ποσότητο ελεύθερης ενέργει ας. Προφανώς, η αντίστροφη αντίδραση, στην οποία το CO 2 και το Η 2 Ο συν
συστήματος (φωτοσύστημα 11) είναι α
(carbon fixation).
νται σε
δέονται για το σχημαησμό υδατονθράκων, πρέπει να είναι μη ευνοϊκή από ε
νεργειακή άποψη. Για να συμβεί, είναι αναγκαίο να συΖευχθεί με μια ενερ γειακά ευνοϊκή αντίδραση που θα την προωθήσει
κόμα μεγαλύτερη από Τη συγγένεια
του
02 για ΤΟ ηλεκτρόνια.
Β. Φωτοσύνθεση είναι η προωθούμενη από το φως μετοφορά ενός ηλεκτρο
Η κεντρική αντίδραση της δέσμευσης του άνθρακα κοτά τη φωτοσύνθε ση, στην οποία ένα άτομο ανόργανου άνθρακα (στη μορφή του
νίου από τη χλωροφύλ/η σ' ένα δεύ
CO2) μετο τρέπετοι σε οργανικό άνθρακα, αποδίδεται στην Εικόνα 14-38. Το CO 2 που
τερο μόριο με πολύ μικρότερη συΥΥέ
προέρχετοι από την ατμόσφαιρα αντιδρά με μια πεντόΖη, την 1,5-διφωσφο
Γ. Επειδή για Την απελευθέρωση ενός
νεια για ΤΟ ηλεκτρόνια.
ρική ρι60υiΊόΖn, και με το νερό για το σχημαησμό δύο μορίων 3-φωσφογλυ
μορίου
κερινικού, μιας ένωσης με τρία άτομα άνθρακα. Η αντίδραση αυτή, η οποία
τείται η απορρόφηση τεσσάρων φωτο
ανακαλύφθηκε το
1948, πραγματοποιείται στο στρώμα των χλωροπλαστών
νίων, το ένΖυμο που διασπά το νερό ε
και κατολύεται από ένα μεγάλο ένΖυμο γνωστό ως κaρ60ξυί'Jάσn rnς διφω
πιβάλ/ετοι να συγκροτεί ισχυρά συν
σφορικής ρι60υiΊόΖnς (ribulose
Σε σύ
δεμένα ΤΟ ενδιάμεσα της αντίδρασης,
γκριση με ΤΟ περισσότερα άλ/α ένΖυμα, το συγκεκριμένο ένΖυμο λειτουργεί
έτσι ώστε ν' αποτραπεί η διαφυγή με
εξαιρεηκά αργά (επεξεργάΖετοι περίπου
ρικώς ανηγμένων, και επομένως επι
biphosphate carboxylase, rubisco).
3 μόρια υποστρώματος ανά δευτε
ρόλεπτο, ότον, στον ίδιο χρόνο, ένα συνηθισμένο ένΖυμο επεξεργάΖετοι
02 από δύο μόρια νερού
απαι
κίνδυνων, ΡΙΖών του υπεροξειδίου.
Χλωροπλάστεςκαι Φωτοσύνθεση
599
Εικόνα
14-38.
Η αρχική αντίδραση στη δέ
CΗ 2 0Θ
σμευση του άνθρακα. Η αντίδραση αυτή, στην οποία το διοξείδιο του άνθρακα μετατρέ πεται σε οργανικό άνθρακα, καταλύεται στο στρώμα των χλωροπλαστών από το άφθονο
ένζυμο καρβοξυλάση της διφωσφορικής ρι
O=c-O
+
βουλόζης. Το προϊόν είναι το 3-φωσφογλυκε
~HΡΘ c=o Ι
-ο
H-C-OH Ι H-C-OH Ι
ρινικό.
CΗ 2 0Θ
διοξείδιο του άνθρακα
1000 μόρια
Ο
1,5-διφωσφορική ριβουλόζη
CΗρΘ
~
/
Ι H-C-OH Ι
coo-
ι
+
I.Q-C'--OH Ι
COOΙ H-C-OH Ι
C=O Ι H-C-OH Ι
CΗρΘ
CΗ 2 0Θ
δύο μόρια 3-φωσφογλυκερινικού
ενδιάμεσο
υπoσrρώμαως). Για 10 λόγο αυτό, απαιωύνΤαι πολ/ά μόρια ωυ
ενΖύμου. Η καρβοξυλάσητης διφωσφορικήςριβουλόΖης ανΤιπροσωπεύει
περισσότερο από 10 50% ωυ συνόλου Των πρωτεϊνών των XΛωρoπλασrών και υπoσrηρίZε1OΙ ότι είναι η πιο άφθονη πρωπ'ϊνη σrη γη.
Η ανΤίδραση σrην οποία αρχικά δεσμεύε1ΟΙ 10
CO2 είναι ενεργειακά
ευ
νοϊκή, μόνο όμως επειδή εφοδιάΖε1ΟΙ συνεΧώς με 1,5-διφωσφορική ριβου
λόΖη, μια ένωση πλούσια σε ενέργεια, σrην οποία ΠΡOσrίθε1OΙ 10 κάθε μόριο 1Ου
CO2 (Εικόνα 14-38).
Η περίτεχνη με1Οβολική οδός μέσω της οποίας α
ναγεwά1ΟΙ η ένωση αυτή απαιτεί ΑΤΡ και ΝΑDΡΗ και διαλευκάνθηκε με τη χρησιμοποίηση ραδιοσημασμένων δεικτών. Ο κύκλος τnς δέσμευσnς του άvθρακα
(carbon fίxation cycle) ή κύκλος ωυ Calvin αποδίδεται συνοπτικά 14-39. Είναι μια κυκλική διεργασία, που αρχίΖει και τελειώνει 1,5-διφωσφορική ριβουλόΖη. Για κάθε φία μόρια CO 2 που εισέρχο
σrην Εικόνα με την
νται στον κύκλο, παράγεται ένα νέο μόριο 3-φωσφορικΩς γiΊυκεριvαiΊ δεiJδnς. Η ένωση αυτή, ένα σάκχαρο με φία άωμα άνθρακα, αποτελεί 10 καθαρό προϊόνωυ κύκλου και στη συνέχειαχρησιμοποιείταιγια τη σύνθεση
•,
πολ/ών άλλων σακχάρων και οργανικώνμορίων. Ερώτηση
14-10
Α. Πώς επιβιώνουν τα κύτ
Σων κύκλο δέσμευσηςωυ άνθρακα, για κάθε μόριο CO 2 που με1Οφέ
πεται σε υδατάνθρακες, καταναλώνονΤαι φία μόρια ΑΤΡ και δύο μόρια
ταρα στις ρίΖες των φυ
NADPH.
τών, ενώ δεν περιέχουν
παιτεί1ΟΙ ενέργεια φωσφορικώνδεσμών (υπό μορφή ΑΤΡ) όπως επίσης και
XΛωρoπλάσrες και δεν εί
αναγωγική δύναμη (υπό μορφή ΝΑDΡΗ).
Συνεπώς, για 10 σχηματισμό σακΧάρων από 10
CO2 και 10 Η 2 Ο α
ναι εκτεθειμένα σro φως; Β. ΑνΤίθετα από τα μιωΧόν
δρια, οι XΛωρoπΓιάσrες δεν διαθέωυν έ να με1Οφορέα για την εξαγωγή ωυ ΑΤΡ
σω κυπαροδιάλυμα. Με ποιο φόπο α ποκτούν 10 φυτικά κύπαρα 10 ΑΤΡ 10 ο ποίο χρειάΖονται για την εκτέλεση διά
φορων μεταβολικών αντιδράσεωνπου απαιωύν ενέργεια σro κυπαροδιάλυμα;
Στους χλωροπλάσΙες,από Ίη δέσμευσητου άνθρακα παράγnαl σουκρόΖη και άμυλο Μεγάλο μέρος της 3-φωσφορικήςγλυκεριναλδευδηςπου παράγεται
στους χλωροπΓιάστεςμε1Οφέρεται από εκεί στο κυπαροδιάλυμα.Μια ποσό τητά της εισέρχεται σrη γλυκολυτική οδό και με1Οφέπεται σε πυρoσrαφυλι κό, 10 οποίο κατόπιν χρησιμοποιεί1ΟΙγια την παραγωγή ΑΤΡ με οξειδωτική φωσφορυλίωσηστα μιωΧόνδριατων φυτικών κυπάρων. Η 3-φωσφορική
γλυκεριναλδευδημε1Οφέπεται επίσης σε πολ/ούς άλ/ους με1Οβολίτες, με 1Οξύ των οποίων και σroν δισακχαρίτη σουκρόΖη (καλαμοσάκχαρο).Η σου ΚΡάΖn είναι η κύρια μορφή σακΧάρου που με1Οφέρε1ΟΙ σrα φυτικά κύπαρα.
600
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
r
Εικόνα
τρία μόρια
j4·39.
Ο κύκλος δέσμευσης του άν·
θρακα ο οποίος σχηματίζει οργανικά μόρια
από το
CO 2 και το Η 2 Ο. Ο αριθμός των ατό
μων του άνθρακα κάθε μορίου αναγράφεται σε λευκά κουτάκια. Ανάμεσα στην 3-φωσφορι κή γλυκεριναλδεΟδη και την 5-φωσφορική ρι βουλόζη υπάρχουν πολλά ενδιάμεσα, τα οποία έχουν παραλειφθεί για μεγαλύτερη σαφήνεια. Επίσης, δεν εικονίζεται η είσοδος του νερού
έξι μόρια
~--61S11
στον κύκλο.
~---6IADPI
11.....- - _ 6 NADP+
----6@
r-----.:...--.---.
από τη δέσμευση τριών μορίων CO2 αποδίδεται συνολικά ένα μόριο 3-φωσφορικής γλυκεριναλδευδης με συνολική δαπάνη εwέα μορίων ΑΤΡ και έξι μορίων ΝΑDΡΗ
H-C=O Ι
Η-γ-ΟΗ
CH
Ο 11
-ο-ρ-ο-
2
Ι
0ΣΑΚΧΑΡΑ, ΛΙΠΑΡΑ ΟΞΕΑ, ΑΜΙΝΟΞΕΑ
Όπως η γλυκόΖη μεταφέρεται σιην κυκλοφορία του αίματος των Ζώων, έτσι και η σουκρόΖη εξάγεται από τα φύλλα μέσω του αν/ειακού δεματίου και με ταφέρεται σια υπόλοιπα μέρη του φυτού. Η 3-φωσφορική γλυκεριναλδευδη που παραμένει σιους χλωροπλάσιες κυρίως μετατρέπεται σε άμυΙΊο σιο σιρώμα. Το άμυλο, όπως και το γλυκογό νο σια Ζώα, είναι ένα μεγάλο πολυμερές της γλυκόΖης που λειτουργεί ως α πόθεμα υδατανθράκων (βλ. Εικόνα
13-18).
Η παραγωγή του αμύλου υπό
κειται σε ρύθμιση: συγκεκριμένα, άμυλο παράγεται και αποθηκεύεται σιο σιρώμα των χλωροπλασιών υπό μορφή μεγάλων κοκκίων κατά τη διάρκεια περιόδων έντονης φωτοσυνθετικής δρασιηριότητας (βλ. Εικόνα 13-29Β). Τη νύχτα, το άμυλο αποδομείται σε σάκχαρα (γλυκόΖη), συμβάλ/οντας σιην κά λυψη των μεταβολικών αναγκών του φυτού. Το άμυλο είναι σημαντικό συ
σιατικό της δίαιτας όλων των φυτοφάγων Ζώων.
Η προέλευση των χλωροπλαστών και των μnοχονδρίων Σήμερα είναι γενικά αποδεκτό ότι οι χλωροπλάσιες και τα μιτοχόνδρια προήλθαν από βακτήρια τα οποία καταβροΧθίσιηκαν από αρχέγονα ευκα ρυωτικά κύπαρα πριν από ένα και πλέον δισεκατομμύρια χρόνια (βλ. Εικόνες
Η Προέλευση των Χλωροπλαστών και των Μιτοχονδρίων
601
ΣΧΑΣΗ
..
(Α)
ΣΥΝΤΗΞΗ
1 mm
Εικόνα 14·40. Το μιτοχόνδριο διαιρείται ό· πως ένα βακτήριο. (Α) Γνωρίζουμε ότι συμ βαίνει σχάση και σύντηξη μιτοχονδρίων. Η σχάση μοιάζει με τη διεργασία της διαίρεσης των βακτηρίων.
(8)
Ηλεκτρονιογραφία ενός δι
1-19 και 1-21). Ενδείξεις
γι' αυτήν την εξελικτική προέλευση προέρχονται α
αιρούμενου μιτοχονδρίου. (Με την άδεια του
πό το γεγονός ότι τόσο τα μιτοΧόνδρια όσο και οι xiΊωρoπiΊάστες περιέχουν το
Daniel S. Friend).
δικό τους γονιδίωμα, όπως επίσης και ένα πλήρες σύστημα μεταγραφής και μετάφρασης, το οποίο είναι απαραίτητο για την παραγωγή πρωτεϊνών από τα
γονίδια αυτά. Επιπρόσθετη ένδειξη για τη βακτηριακή προέλευση των μιτο
χονδρίων και των xiΊωρoπλαστών είναι ο τρόπος αναπαραγωγής τους αύξησης και διαίρεσης προϋπαρΧόντων οργανιδίων (Εικόνα
-
μέσω
14-40).
Η αύξηση και ο πολ/απλασιασμός των μιτοχονδρίων περιπλέκονται από
το γεγονός ότι οι πρωτε'ί'νες τους κωδικοποιούνται από δύο ανεξάρτητα γενε τικά συστήματα, ένα στο οργανίδιο και ένα στον πυρήνα του κυττάρου. Στην περίπτωση του μιτοχονδρίου, τα περισσότερα από τ' αυθεντικά βαKτnριαKά γονίδια μετατοπίστηκαν στον πυρήνα του κυττάρου, ενώ στο μιτοχόνδριο πα ρέμειναν σχετικά λίγα γονίδια. Πράγματι, τα μιτοΧόνδρια των Ζώων περιέ χουν ένα εξαιρετικά απλό γενετικό σύστημα: για παράδειγμα το μιτοχονδρια
κό γονιδίωμα του ανθρώπου αποτελείται μόνο από 16,569 Ζεύγη νουκλεοτι δίων και περιέχει
37 γονίδια.
Οι περισσότερες μιτοχονδριακές πρωτεlνες, συ
μπεριλαμβανόμενων και εκείνων που απαιτούνται για τη σύνθεση της μιτο
χονδριακής ΗΝΑ πολυμεράσης, των πρωτεϊνών των μιτοχονδριακών ριβοσω ματίων και όλων των ενΖύμων του κύκλου του κιτρικού οξέος, παράγονται α πό πυρηνικά γονίδια. Επομένως, οι πρωτεlνες αυτές πρέπει να εισαΧθούν στα μιτοΧόνδρια από το KυτταρoδιάiΊυμα, όπου και συντίθενται (Κεφάλαιο
15).
Ο xiΊωρoπiΊάστης επίσης περιέχει πολ/ά από τα γονίδια που χρειάΖεται για να λειτουργήσει όπως επίσης και ένα πλήρες σύστημα μεταγραφής και μετά
φρασης για την παραγωγή πρωτεϊνών από αυτά τα γονίδια. Το γονιδίωμα των xiΊωρoπλαστών είναι πολύ μεγαλύτερο από το αντίστοιχο των μιτοχονδρίων. Για παράδειγμα, στα ανώτερα φυτά αποτελείται από
τιδίων και περιέχει περίπου
120 γονίδια.
120,000 Ζεύγη νουκλεο
Αυτά τα γονίδια μοιάΖουν εντυπω
σιακά με τα γονίδια των κυανοβακτηρίων από τα οποία πιστεύεται ότι προήλ-
602
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
θαν οι χλωροπλάοτες. Μολα1Ού1Ο, όπως σuμβαίνει και με τις πρωτε'ί'νες των
μιτοχονδρίων, πολ/ές πρωτε'ί\/ες των χλωροπλαοτών κωδικοποιούνται από
γονίδια τou πuρήνα και πρέπει να εισαΧθούν από το κuπαροδιάλuμα. Οι ίδιες τεχνικές ποu επέτρεψαν ν' αναiΊύσοuμε το γονιδίωμα των μιτο χονδρίων και των χλωροπλαοτών προσέφεραν επίσης τη δuνατότη1Ο ν' ανα
yvωρίσοuμε και να μελετήσοuμε τη μοριακή βιολογία πολ/ών μικροοργανι σμών οτη Γη. Μερικοί από τοuς οργανισμούς αuτούς εuημερούν σε εντελώς
αφιλόξενο περιβάλ/ον, όπως οι uδροθερμικές φλέβες οτον ωκεάνειο πuθ μένα και οι θειούχες θερμές πηγές. Σε αuτά 10 φαινομενικάπαράδοξα, σύγ χρονα βακτήρια μπορούμε να βρούμε εύκολα ενδείξεις για την ιοτορία της Ζωής, κuρίως οτη μορφή των πολ/ών μορίων από 10 οποία αποτελούνταιΌ
πως 10 δαKΤUλΙKά αΠOΤUπώμα1Oοτον τόπο τou εγκλήματος, αuτά τα μόρια προσφέροuνισχuρές ενδείξεις ποu μας επιτρέποuν να διαλεuκάνοuμεπα
λαιά γεγονότα και να διατuπώσοuμεuποθέσεις για την προέλεuση των
ou-
οτημάτων παραγωγής ΑΤΡ ποu uπάρχοuν οτα σύγχρονα μιτοΧόνδρια και
οτοuς σύγχρονοuς χλωροπλάοτες. Για το λόγο αuτό, θα κλείσοuμε το κεφά λαιο με μια αναφορά οτην εξέλιξη των σuοτημάτων σuλ/ογής ενέργειας τα οποία παροuσιάσαμε νωρίτερα.
Η οξειδωτική φωσφορυλίωση προσέφερε ένα εξελικτικό πλεονέκτημα σΙα αρΧέγονα βακτήρια Όπως προαναφέραμε, τα πρώτα κύτταρα οτη Γη πρωτόγονα εuκαρuωτικά
-
-
προκαρuωτικά και
πιθανότατα κατανάλωναν οργανικά μόρια ποu
παράγονταν από γεωχημικές διεργασίες και παρήγαγαν ΑΤΡ με Ζύμωση.
ΠΑΔΙ01
Επειδή η αρΧέγονη ατμόσφαιρα δεν περιείχε οξuγόνο, τα κύπαρα αuτά Ζού σαν uπό αναερόβιες σuνθήκες κο! μάλ/ον αφαιρούσαν ηλεκτρόνια από κά ποιο οργανικό μόριο πλούσιο σε uδρογόνο (όπως η γλUκόΖη), για να 10 με ταφέροuν οτη σuνέχεια (μέσω τou
NADH
και τou
NADPH)
σ' ένα άλ/ο ορ
γανικό μόριο, προκαλώντας την αναγωγή τou. Τα «απόβλητα» αuτών των α ντιδράσεων
-
ανηγμένα οργανικά οξέα, Π.Χ. γαλακτικό ή μuρμηγκικό - προ
φανώς απ εκκρίνονταν οτο περιβάλ/ον (βλ. Εικόνα 13-4Α). Η απέκκριση των οργανικών οξέων φαίνεται ότι ελάπωσε το ρΗ τou περι
ΠΑΔΙ02
βάλ/οντος, εuνoώντας την επιβίωση κuπάρων 10 οποία ανέrnuξανδιαμεμβρα
νικές πρωτε'ί'νες ικανές ν' αντλούν Η+ έξω από το κuπαροδιάiΊuμα.Κατ' αuτόν τον τρόπο το κύπαρο απέφεuγετον κίνδuνονα γίνει πολύ όξινο (οτάδιο 1 οτην Εικόνα
14-41). Μια
από τις εν λόγω αντλίες ίσως χρησιμοποιούσε την ενέρ
γεια της uδρόλuσης τou ΑΤΡ για ν' aπoβάλ/ει Η+ από το Kύτi:αρO. Σuνεπώς, θα μπορούσε να είναι πρόγονος της σύγχρονης σuνθάσης τou ΑΤΡ.
Καθώς άρχισαν να ελαπώνονται τ' αποθέματα της Γης σε οuσίες κατάλ ληλες για Ζύμωση, οι οργανισμοί ποu κατόρθωσαν να βροuν έναν τρόπο ν'
αντλούν Η+ χωρίς να καταναλώνοuν ΑΤΡ βρέθηκαν σε πλεονεκτική θέση. Μπορούσαν ν' αποταμιεύοuν τις μικρές ποσότητι::ς ΑΤΡ ποu προέρχονταν α
πό τη Ζύμωση των μορίων των τροφών για να σuντηρήσοuν άλ/ες σημαντι κές κuτταρικές δραοτηριότητες. Σuνεπώς, πιέσεις επιλογής όπως η ένδεια τροφής ίσως οδήγησαν οτην ανάπτuξη των πρώτων πρωτεϊνών μεταφοράς η-
ΠΑΔΙ03
Εικόνα
14-41.
Η οξειδωτική φωσφορυλίωση
ίσως αναmύχθηκε σταδιακά, επειδή τα βα κτήρια που μπορούσαν να παράγουν ΑΤΡ χρησιμοποιώντας μια συνθάση του ΑΤΡ προ
ωθούμενη από πρωτόνια, τα οποία αντλούσε μια αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, είχαν πλεονέκτημα επιλογής.
Η Προέλευση των Χλωροπλαστών και των Μιτοχονδρίων
603
Εικόνα
14-42.
Μερικά σύγχρονα ανερόβια
βακτήρια οξειδώνουν το μυρμηγκικό οξύ χρησιμοποιώντας μια αλυσίδα μεταφοράς η
μuρμηγκικό οξύ επάνΟδος Η
ΕΞΩΚΥΤ
λεκτρονίων της κυπαρικής μεμβράνης τους.
ΤΑΡΙΟΣ
Σε τέτοια αναερόβια βακτήρια, μεταξύ των ο
ΧΩΡΟΣ
ποίων και το Ε.
CO/i,
+
στο κύπαρο ως πηγή ενέργειας
H-COOH
2Η+
+ C02
j
\
'-- .-/
η οξείδωση μεσολαβείται
από μια αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων (και παράλληλα συλλογής ενέργειας) στην κυπα ρική μεμβράνη. Πρώτες ύλες είναι το μυρμη
ΚΥΤΤΑΡΟ ΔΙλ/γΜΑ
γκικό οξύ και το φουμαρικό, ενώ προ'ίόντα εί ναι το ηλεκτρικό και το
CO 2 • Στο εσωτερικό του
+
KUΠάΡOυ καταναλώνονται Η+, που αναπληρώ νονται στον εξωκυπάριο χώρο. Αυτό ισοδυνα
HC-COO11
HC-COO-
ΗΡ-CΟΟ-
φοuμαρικό
μεί με άντληση πρωτονίων προς τον εξωKUΠά
Ι
H2C-COOηλεκτρικό
ριο χώρο. Συνεπώς, αυτό το μεμβρανικό σύ στημα μεταφοράς ηλεκτρονίων μπορεί να δη μιουργήσει μια ηλεκτροχημική βαθμίδωση πρωτονίων διαμέσου της KUΠαΡΙKής μεμβρά νης. Το οξειδοαναγωγικό δυναμικό του ζεύ γους μυρμηγκικό οξύ-CΟ 2 είναι -420 mV ενώ του ζεύγους φουμαρικό-ηλεκτρικό είναι
mV.
+30
λεκτρονίων. Αυτές οι μετοφορικές πρωτε'ί'νες προσέφεραν στα κύπαρα Τη δυνοτότητο να χρησιμοποιούν Τη μετοκίνηση των ηλεκτρονίων μετοξύ μο
ρίων με διαφορεηκό οξειδοαναγωγικό δυναμικό ως πηγή ενέργειας για Τη
μετοφορά Η+ διαμέσου Της κυπαρικής μεμβράνης (στάδιο 2 στην Εικόνα
14-41). Ορισμένα
από αυτά ΤΟ κύπαρα ίσως χρησιμοποίησαν οργανικά οξέα
ακοτάλ/ηλα για Ζύμωση ΤΟ οποία είχαν αποβληθεί από γειτονικά κύπαρα για
ν' αποκτήσουν ΤΟ ηλεκτρόνια που διατηρούσαν το όλο σύστημα σε λειτουρ γία. Για παράδειγμα, μερικά σύγχρονα βακτήρια αυξάνουν στο μυρμηγκικό
οξύ, χρησιμοποιώντος Τη μικρή ποσότητο οξειδοαναγωγικής ενέργειας που προέρχετοι από Τη μετοφορά ηλεκτρονίων από το μυρμηγκικό στο φουμαρι
κό για ν' αντλήσουν Η+ (Εικόνα
14-42).
Με το χρόνο, ορισμένα βακτήρια μάλ/ον ανέπτυξαν συστήματο μετοφο
ράς ηλεκτρονίων συΖευγμένης με άντληση Η+ τόσο αποτελεσμαηκά ώστε μπορούσαν να «αιχμαλωτίΖουν» περισσότερη οξειδοαναγωγική ενέργεια απ'
όσο χρειάΖονταν για να διοτηρήσουν το εσωτερικό ρΗ τους. Αυτά ΤΟ κύπαρα πιθανότοτο ανέπτυξαν μεγάλες ηλεκτροχημικές βαθμιδώσεις πρωτονίων, ης οποίες μπορούσαν στη συνέχεια ν' αξιοποιήσουν για Την παραγωγή ΑΤΡ. Η
επάνοδος των Η+ στο κύπαρο μάλ/ον γινότον διαμέσου των προωθούμε
νων από ΤΟ ΑΤΡ αντλιών Η+. Έτσι, στην ουσία οι αντλίες λειτουργούσαν στην αντίθεΤη κοτεύθυνση και παρήγαγαν ΑΤΡ (βήμα
3 στην Εικόνα 14-41).
Επειδή αυτά ΤΟ κύπαρα βασίΖονταν πολύ λιγότερο σε αποθέματο τροφών κοτάλ/ηλων για Ζύμωση, τελικά αυξάνονταν εις βάρος των γειτόνων τους.
Τα φωτοσυνθεIlκάβακτήρια είχαν ακόμα λιγότερες απαιιήσεις από το περιβάλλοντους Από εξελικηκή άποψη, το κύριο ορόσημο στον ενεργειακό μετοβολισμό ασφαλώς υπήρξε ο σχημαησμόςφωτοχημικώνκέντρων αντίδρασης ικανών
να χρησιμοποιούνΤην ενέργεια του ηλιακού φωτός για να παράγουν μόρια όπως το
NADH.
Πιστεύετοι όη αυτό συνέβη σε πρώιμο στάδιο κοτά Την κυτ
τορική εξέλιξη, πριν από
3 και πλέον δισεκατομμύρια χρόνια,
στους προγό
νους των πράσινων θειοβακτηρίων. Τα σημερινά θειοβακτήρια χρησιμοποι
ούν Την ενέργεια του φωτός για τη μετοφορά ατόμων υδρογόνου (υπό μορ-
604
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
Εικόνα φωτοσύστημα
Θ
;> -400
.s 'ο
'" :i ::>
'ο
'"
σινων θειοβακτηρίων μοιάζει με το φωτοσύ
στη μα Ι των φυτών και των κυανοβακτηρίων.
H++NA~
το φως
-300
προκαλεί
Και τα δύο χρησιμοποιούν ως αποδέκτες ηλε κτρονίων μια σειρά κέντρων σιδήρου-θείου. Τα κέντρα σιδήρου-θείου τελικά προσφέρουν
διαχωρισμό φορτίων
f
σύγχρονα πράσινα θειοβα
σύνθεσης που χρησιμοποιεί ως πηγή ηλε κτρονίων το H2 S. Το φωτοσύστημα των πρά
αναγωγάση
_____.(;:::;\ του ΝΑΟΡ ~-Q
g ιο
14-43. Τα
κτήρια πραγματοποιούν μια μορφή φωτο
τα ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας που απέκτη σαν στη φερρεδοξίνη
ο
(Fd).
Υπόδειγμα βακτη
ρίου αυτής της κατηγορίας είναι το
'9
.g -200
um tepidum,
Ch/orobi-
το οποίο ζει σε θερμές πηγές σε
συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και χαμηλής έντασης φωτός.
κατεύθυνση της ροής των ηλεκτρονίων
φή ενός ηλεκφονίου και ενός πρωτονίου) από το
H2S σΙΟ
ΝΑΟΡΗ, δημι
oυργώvτας έτσι την ισχυρή αναγωγική ισχύ που απαιτείται για τη δέσμευση
του άνθρακα (Εικόνα
14-43).
Το επόμενο βήμα, το οποίο θεωρείται ότι συνέβη με την εμφάνιση των
κυανοβακτηρίων πριν από
3 δισεκατομμύρια χρόνια,
ήταν η εξέλιξη οργανι
σμών ικανών να χρησιμοποιούν νερό ως πηγή ηλεκτρονίων για τη φωτοσύν θεση. Αυτό απαίτησε την εξέλιξη ενός ενΖύμου διάσπασης του νερού και την προσθήκη ενός δεύτερου φωτοσυστήματος, εν σειρά προς το πρώτο, ώστε να γεφυρωθεί το τεράσΙΙΟ Χάσμα οξειδοαναγωγικής ισΧύος μεταξύ Η 2 Ο και
ΝΑΟΡΗ (βλ. Εικόνα
14-37).
Οι συνέπειες αυτού του βιολογικού βήματος ή
ταν μεγάλες. Για πρώτη φορά υπήρξαν οργανισμοί μ' ελάχιστες χημικές απαι τήσεις από το περιβάλ/ον τους. Αυτά τα κύπαρα μπορούσαν να διασπαρούν και να εξελιΧθούν κατά τρόπους αδιανόητους για τα πρωιμότερα φωτοσυνθε τικά βακτήρια, τα οποία xρειάzovταν
H2S ή
οργανικά οξέα ως πηγή ηλεκτρο
νίων. Έτσι, σταδιακά συσσωρεύθηκαν μεγάλες ποσότητες βιολογικά συvτε θειμένων οργανικών υλικών που πρoσφέρovταν για Ζύμωση. Επίσης, για
πρώτη φορά απελευθερώθηκε οξυγόνο στην ατμόσφαιρα (Εικόνα
14-44).
Η παρουσία του οξυγόνου επέτρεψε την ανάπτυξη βακτηρίων που βασί Ζονταν σε αερόβιο μεταβολισμό για τη σύνθεση ΑΤΡ. Όπως εξηγήσαμε προηγουμένως, αυτοί οι οργανισμοί ήταν σε θέση ν' αξιοποιήσουν τη μεγά λη ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται από την αποδόμηση των υδα
τανθράκων και άλλων οργανικών μορίων σε
CO2 και Η2 ο.
Καθώς συσσωρεύονταν οργανικές ενώσεις ως παραπροϊόν της φωτο
σύνθεσης, μερικά φωτοσυνθετικά βακτήρια γονοι του Ε.
-
μεταξύ των οποίων και οι πρό
coJi - έχασαν την ικανότητα να επιβιώνουν με βάση αποκλεισΙΙ
κά την ενέργεια του ηλιακού φωτός και κατέληξαν να εξαρτώvται αποκλεισΙΙ
κά από την κυπαρική αναπνοή. ΜιτοΧόνδρια αναπτύχθηκαν όταν ένα αρχέ γονο ευκαρυωτικό κύπαρο καταβρόΧθισε ένα τέτοιο βακτήριο (εξαρτώμενο από την αναπνοή). Φυτά αναπτύχθηκαν λίγο αργότερα, όταν ένας απόγονος αυτού του πρώιμου αερόβιου ευκαρυώτη αιχμαλώτισε ένα φωτοσυνθετικό
Η Προέλευση των Χλωροπλαστών και των Μιτοχονδρίων
605
20 ΕΠΙΠΕΔΑ
έναρξη ταχείας
ΟΞΥΓΟΝον ΣΤΗΝ
συσσώρευσης 02
ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ
(%)
(κατανάλωση του
10
ΧΡΟΝΟΣ
(ΔΙΣΕΚΑΤΟΜΜΥΡΙΑ ΧΡΟΝΙΑ)
Fe 2+
των ωκεανών)
_ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -.....4.6 ,--Ι
3.6
- - - - , - - - '
Ι
δημιουργία των ωκεανών και των
ηπείρων δημιουργία της Γης
~~I τα
πρώτα
ζωντανά
1.6
2.6
0.6
L--,-Ji προέλευσητων
φωτοσύνθεση με
φωτοσυνθετικών
απελευθέρωση 02
κυπάρων
κύτταρα
τα πρώτα φωτοσυνθετικά
διάδοση αερόβιας
κύτταρα
Τ
σήμερα
τα πρώτα
σπονδυλωτά
ευκαρυωτικών
διάσπαση νερού και
!
τα πρώτα πολυκύτταρα φυτά και ζώα
αναπνοής
Εικόνα 14-44. Η ζωή στη Γη εξελίχθηκε μέσα σε δισεκατομμύρια χρόνια. Με την εξέλιξη της μεμβρανικής διεργασίας της φωτοσύνθεσης, οι οργανισμοί έπαψαν να εξαρτώνται από έτοιμες οργανικές χημικές ενώσεις. Ήταν πλέον σε θέση να παράγουν τα δικά τους οργανικά μό ρια από αέριο
CO 2 . Ανάμεσα στην εμφάνιση βακτηρίων που διασπούσαν το νερό και απελευθέρωναν 02 κατά τη φωτοσύνθεση και στη συσ 02 στην ατμόσφαιρα μεσολάβησε πάνω από ένα δισεκατομμύριο χρόνια. Αυτό πιστεύεται ότι οφειλόταν στο γεγονός ότι το αρχικά παραγόμενο οξυγόνο αντιδρούσε με τον άφθονο δισθενή σίδηρο (Fe2 +) των αρχέγονων ωκεανών. Ο σίδηρος απομά σώρευση μεγάλων ποσοτήτων
κρυνε οξυγόνο από την ατμόσφαιρα και σχημάτιζε τις τεράστιες εναποθέσεις οξειδίων του σιδήρου που βρίσκουμε σε μερικά πετρώματα αυτής της ηλικίας. Το οξυγόνο άρχισε να συσσωρεύεται στην ατμόσφαιρα μόνο αφότου καταναλώθηκε ο σίδηρος. Η αερόβια αναπνοή που βασίζεται στις μεμβράνες μάλλον αναmύχθηκε σε απάντηση προς την αυξανόμενη ποσότητα του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα. Η συνεχής
αύξηση του οξυγόνου στην ατμόσφαιρα αναχαιτίσθηκε από την εμφάνιση μη φωτοσυνθετικών οργανισμών που κατανάλωναν οξυγόνο.
βακτήριο, το οποίο έγινε έτσι ο πρόδρομος του XΛωρoπΛάσrη. Τα ευκαρυω τικά κύπαρα άρχισαν να προχωρούν σro θαυμασrό δρόμο της εξέλιξης που
τελικά οδήγησε σroυς πολύπλοκους πολυκύπαρους οργανισμούς μόνο α φού προηγουμένως απέκτησαν τους βακτηριακούς συμβιώτες που έγιναν μι
τοΧόνδρια και XΛωρoπΛάσrες (σrην περίπτωση των αλγών και των φυτών).
Ο τρόπος Ζωής '[ου MethanococcuS υποδηλώνει όη η χημειωσμωηκή σύΖευξη είναι αρΧέγονη διεργασία
Σήμερα, συνθήκες ανάλογες με εκείνες σrις οποίες πισrεύεται ότι έΖησαν τα πρώτα κύπαρα, πριν από
3.5-3.8 δισεκατομμύρια
χρόνια, επικρατούν κο
ντά σrις υδροθερμικές φλέβες σroν πυθμένα του ωκεανού. Οι φλέβες αυτές αντιπροσωπεύουν περιοχές όπου ο ρευσrός μανδύας της γης ανοίγει τον φλοιό της αυξάνοντας το εύρος του ωκεάνιου πυθμένα. Τα σύγχρονα είδη
των μικροοργανισμών που σχετίΖΟνται πιο σrενά με τον πιθανολογούμενο κοινό πρόγονο όλων των Ζωντανών οργανισμών εμφανίζουν το κοινό yvώρι
σμα ότι Ζουν σε υψηλή θερμοκρασία (από
75 ο C έως 95 ο C, κοντά
σro σημείο
βρασμού του νερού). Το γεγονός αυτό υποδηλώνει ότι το κοινό προγονικό
(αρΧέγονο) κύπαρο διαβιούσε κάτω από πολύ θερμές αναερόβιες συνθήκες. Το
Methanococcus jannaschii είναι
ένα από τα Αρχαία που Ζει σε υψηλή
θερμοκρασία. Απομονώθηκε από μια υδροθερμική φλέβα περίπου
2000
μέτρα κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας και αυξάνει χρησιμοποιώντας ως τροφή αΠOκλεισrΙKά και μόνο ανόργανα υλικά σε συνθήκες πλήρους α-
606
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
πουσίας φωτός και αέριου οξυγόνου. Το
ριο υδρογόνο (Η 2 ),
Methanococcus χρησιμοποιεί
αέ
CO 2 και αέριο άΖωτο (Ν2 ) που αναβλύΖουν από τη φλέ
βα. Ο τρόπος Ζωής του προσφέρει ενδείξεις για το πώς θα μπορούσαν τ' αρ Χέγονα κύπαρα να χρησιμοποιούν τη μεταφορά των ηλεκτρονίων για ν' α ποκτούν την ενέργεια και τα οργανικά μόρια που χρειάΖονταν από ανόργα νες πρώτες ύλες, οι οποίες αφθονούσαν στη θερμή αρΧέγονη Γη. Το
Methanococcus χρησιμοποιεί το αέριο
άΖωτο ως πηγή αΖώτου για ορ
γανικά μόρια, όπως τ' αμινοξέα. Με προσθήκη υδρογόνου ανάγει το Ν 2 σε αμμωνία (ΝΗ 3 ). Η μετατροπή αυτή επιτρέπει την ενσωμάτωση του αΖώτου σε
οργανικά μόρια. Η διεργασία της δέσμευσης του αΖώτου (nitrogen fixation) απαιτεί μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Το ίδιο ισχύει και για τη διεργασία δέ
σμευσης του άνθρακα, με την οποία το βακτήριο μετατρέπει το
CO 2 σε σάκ
χαρα. Μεγάλο μέρος της ενέργειας που απαιτείται και για τις δύο διεργασίες προέρχεται από τη μεταφορά ηλεκτρονίων από το Η 2 στο
CO 2,
η οποία συ
νοδεύεται από την απελευθέρωση μεγάλων ποσοτήτων μεθανίου
(CH 4) ως
απόβλητου προϊόντος (το, βακτήριο παίρνει το όνομά του από το μεθάνιο, Ει κόνα 14-45Α). Με τον τρόπο αυτό παράγεται φυσικό αέριο. Ένα μέρος της συγκεκριμένης μεταφοράς ηλεκτρονίων συμβαίνει στη βακτηριακή μεμβρά
νη και οδηγεί σε άντληση πρωτονίων (Η+) διαμέσου της μεμβράνης. Η προ κύπτουσα ηλεκτροχημική βαθμίδωση των πρωτονίων υποκινεί μια συνθάση του ΑΤΡ της μεμβράνης για την παραγωγή ΑΤΡ. Η ανεύρεση της χημειω
σμωτικής σύΖευξης σ' έναν οργανισμό όπως το
Methanococcus υποδηλώνει
ότι η αποθήκευση της ενέργειας που προέρχεται από μεταφορά ηλεκτρο
νίων σε μια βαθμίδωση Η+ είναι εξαιρετικά αρχέγονη διεργασία. Ο μηχανισμός που χρησιμοποιείται από το
Methanococcus για τη
δέ
σμευση του άνθρακα είναι εντελώς διαφορετικός από την οδό δέσμευσης
Εικόνα
14·45. Το Methanococcus παράγει
ε
του άνθρακα στα φυτά, στις άλγες και στα κυανοβακτήρια. Όπως φαίνεται
νέργεια με τον μηχανισμό της χημειωσμωτι
στην Εικόνα 14-45Β το αέριο υδρογόνο (Η 2 ) δεν είναι μόνο πηγή των ηλε
κής σύζευξης αλλά δεσμεύει τον άνθρακα με
κτρονίων υψηλής ενέργειας για τη μεμβρανική διεργασία που παράγει ΑΤΡ,
μια οδό διαφορετική από την αντίστοιχη οδό των φυτών, των αλγών και των κυανοβακτη ρίων. Αυτό το βακτήριο της βαθιάς θάλασσας
χρησιμοποιεί αέριο υδρογόνο (Η 2 ) ως πηγή α
r 0-.
ναγωγικής δύναμης και στις δύο οδούς που ει κονίζονται εδώ. (Α) Παραγωγή ενέργειας. Η
παραγωγή ενέργειας και OJ<1lματισμόςμεθανίου
βαθμίδωση πρωτονίων
(Α)
cO2 Τ
Η"{
ο-
q-O C 'Η
2Η
(Β) C02~
O=C
Τ
CH 3
_
παραγωγή μεθανίου (CH 4) από το CO 2 διεκπε ραιώνεται σε αρκετά στάδια. Τα πρώτα ανα
'r,.....:::...----;.:. --.,
γωγικά βήματα πραγματοποιούνται στο κυπα
Ί Ί I~
1
'0--
δέσμευση άνθρακα
CH 3 _Cq-O
ρόπλασμα μέσω αντιδράσεων που καταλύο νται από ένζυμα. Αντίθετα, το τελικό αναγωγι
κό βήμα χρησιμοποιεί μια μεμβρανική μεταφο ρά ηλεκτρονίων που παράγει βαθμίδωση πρω τονίων, η οποία προωθεί τη σύνθεση του ΑΤΡ. Παράλληλα παράγεται μεθάνιο ως απόβλητο προ'ίόν. ακετυλο-CοΑ
-
..J -1
q-
Ο
CH 3 -C
σάκχαρα, κλπ.
'SCoA
(8) Δέσμευση
του άνθρακα. Η κύρια ο
δός για τη δέσμευση του διοξειδίου του άν θρακα οδηγεί σε παραγωγή ακετυλο-CοΑ. Το ακετυλο-CοΑ είναι η πηγή για τα σάκχαρα, τα λιπαρά οξέα και τα νου κλεοτίδια που χρειάζε
ται το κύπαρο για βιοσυνθέσεις. Οι κύκλοι και τα τετράγωνα του σχεδιαγράμματος αναπαρι στούν διάφορα συνένζυμα στα οποία προσδέ νονται μεταβολικά ενδιάμεσα.
Η Προέλευση των Χλωροπλαστών και των Μιτοχονδρίων
607
αλλά επιπλέον χρησιμοποιείται και για την αναγωγή του
μονοξειδίου του άνθρακα
CO2 σ'
ένα μόριο
(CO) το οποίο παραμένει συνδεδεμένο με το σχε CO αντιδρά με μια μεθυλομάδα, που παράγε
τικό ένΖυμο. Στη συνέχεια, το
ται ως ενδιάμεσο προϊόν κατά τη διεργασία της μεθανογένεσης, και σχημα
τίζει ακετυλο-CοΑ. Κατόπιν, το ακετυλο-CοΑ μετατρέπεται σε σάκχαρα, αμι νοξέα, νουκλεοτίδια και πολλά άλλα μικρά και μεγάλα μόρια μέσω των γνω στών καταλυόμενων οδών που απαιτούν ΑΤΡ. Το
Methanococcus δεν
1800 γονίδιά του,
είναι καθόλου απλός οργανισμός. Ανάμεσα στα
πάνω από
αποκλειστικά στην οδό
60 κωδικοποιούν ένΖυμα τα οποία λειτουργούν από το CO 2 έως το CH 4 . Τα πολύ πρώιμα κύπαρα
που περιείχαν πρωτε'ί'νες πρέπει να ήταν πολύ απλούστερα. Πρόχειρα μπο
ρούμε να μαντέψουμε ότι συνολικά θα χρειάΖονταν λιγότερα από
100 γονί
δια. Σήμερα, το απλούστερο γνωστό κύπαρο, το μικροσκοπικό βακτήριο
Mycoplasma genitalium, διαθέτει
μόλις
500 γονίδια.
Με τον καθορισμό της αλληλουΧίας του γονιδιώματος πολλών και ποικί λων μονοκύπαρων οργανισμών αποκτούμε όλο και πιο ισχυρά εργαλεία για ν' ανασυνθέσουμε το παρελθόν. Ωστόσο, καίρια ερωτήματα παραμένουν α ναπάντητα. Για παράδειγμα, επί του παρόντος δεν έχουμε πειστική ερμηνεία για το πώς τα κύπαρα που βασίΖονταν στο
RNA,
τα οποία πιστεύεται ότι υ
πήρξαν σε πολύ πρώιμα στάδια της κυπαρικής εξέλιξης (βλ. Εικόνα
7-38), α
νέπτυξαν και αξιοποίησαν τις διεργασίες της Ζύμωσης και της μεμβρανικής μεταφοράς ηλεκτρονίων, δηλαδή τους μηχανισμούς που καλύπτουν τις ε νεργειακές ανάγκες όλων των κυπάρων που γνωρίΖουμε σήμερα.
Βαοικέs έvvοιεs •
Τα μιτοχόνδρια, οι χλωροπλάστες και πολλά βακτήρια παράγουν ΑΤΡ μ' έναν μεμβρανικό μηχανισμό γνωστό ως χημειωσμωτική σύΖευξη.
•
Τα μιτοχόνδρια παράγουν το μεγαλύτερο μέρος του ΑΤΡ ενός κυπάρου, χρησιμοποιώντας ενέργεια που προέρχεται από την οξείδωση των σακΧά
ρων και των λιπαρών οξέων.
• Τα μιτοΧόνδρια περιβάλλονται από δύο ομ6κεντρες μεμβράνες. Η εσωτε ρική μιτοχονδριακή μεμβράνη περικλείει το μιτοχονδριακό στρώμα, το ο
ποίο περιέχει πολλά ένΖυμα, ανάμεσά τους και τα ένΖυμα του κύκλου του κιτρικού οξέος. Τα ένΖυμα αυτά παράγουν μεγάλες ποσότητες ΝΑΩΗ και
FADH2 από την οξείδωση του ακετυλο-CοΑ. •
Στην εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη, ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας που προέρχονται από τα ΝΑΩΗ και
FADH2 μεταφέρονται κατά μήκος μιας
αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων (αναπνευστική αλυσίδα) και καταλή γουν ν' αντιδράσουν με το μοριακό οξυγόνο
(02)
σε μια αντίδραση ενερ
γειακά ευνοϊκή.
•
Ένα μέρος της ενέργειας που απελευθερώνεται από τους φορείς των ηλε κτρονίων κατά μήκος της αναπνευστικής αλυσίδας αξιοποιείται για την ά
ντληση πρωτονίων (Η+) από το στρώμα. Με τον τρόπο αυτό δημιουργείται μια διαμεμβρανική ηλεκτροχημική βαθμίδωση πρωτονίων. Η άντληση
608
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
των πρωτονίων διεκπεραιώνεται από τρία μεγάλα σύμπλοκα αναπνευστι κών ενΖύμων τα οποία είναι ενσωματωμένα στη μεμβράνη.
•
Η ηλεκτροχημική βαθμίδωση των πρωτονίων διαμέσου της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης αξιοποιείται στη συνέχεια για τη σύνθεση του
ΑΤΡ με το μηχανισμό της επαναφοράς των Η+ στο στρώμα μέσω της συν θάσης του ΑΤΡ, ενός ενΖύμου που βρίσκεται στην εσωτερική μιτοχονδρια κή μεμβράνη.
•
Η ηλεκτροχημική βαθμίδωση των πρωτονίων υποκινεί επίσης την ενεργό μεταφορά μεταβολιτών προς και από το μιτοχόνδριο.
•
Κατά τη φωτοσύνθεση στους χλωροπλάστες και στα φωτοσυνθετικά βα κτήρια, ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας δημιουργούνται όταν η χλωροφύλ
λη απορροφά το ηλιακό φως. Η ενέργεια αυτή δεσμεύεται από πρωτεϊνι κά σύμπλοκα γνωστά ως φωτοσυστήματα, τα οποία εντοπίΖΟνται στις θυ λακοειδείς μεμβράνες των χλωροπλαστών.
•
Αλυσίδες μεταφοράς ηλεκτρονίων διασυνδέονται με τα φωτοσυστήματα
και μεταφέρουν ηλεκτρό.νια από το νερό στο NADP+ για το σχηματισμό
NADPH,
ενώ ταυτόχρονα δημιουργείται μια ηλεκτροχημική βαθμίδωση
πρωτονίων διαμέσου της θυλακοειδούς μεμβράνης. Ως παραπροϊόν της όλης διεργασίας παράγεται μοριακό οξυγόνο.
•
Όπως και στα μιτοχόνδρια, η βαθμίδωση των πρωτονίων διαμέσου της θυλακοειδούς μεμβράνης χρησιμοποιείται για το σχηματισμό ΑΤΡ από
μια συνθάση του ΑΤΡ που είναι ενσωματωμένη στη μεμβράνη.
•
Το ΑΤΡ και το ΝΑΟΡΗ που παράγονται από τη φωτοσύνθεση χρησιμο ποιούνται μέσα στον Χλωροπλάστη για να προωθήσουν τον κύκλο δέ σμευσης του άνθρακα, ο οποίος διεξάγεται στο στρώμα και παράγει υδα
τάνθρακες από το
•
CO2.
Οι υδατάνθρακες εξάγονται προς το κυπαροδιάλυμα, όπου μεταβολίΖΟ νται για να εφοδιάσουν το υπόλοιπο κύπαρο με οργανικά μόρια, ΑΤΡ (μέ σω των μιτοχονδρίων) και αναγωγική δύναμη.
•
Οι μηχανισμοί της χημειωσμωτικής σύΖευξης είναι πολύ διαδεδομένοι και έχουν αρχέγονη προέλευση. Τόσο τα μιτοχόνδρω όσο και οι χλωροπλά στες θεωρείται ότι εξελίχθηκαν από βακτήρια τα οποία ενδοκυπαρώθηκαν
από πρωτόγονα ευκαρυωτικά κύπαρα. Το καθένα περιέχει το δικό του, ι διαίτερο γονιδίωμα και διαιρείται με διεργασίες που μοιάΖουν με τη διαί ρεση ενός βακτηριακού κυπάρου.
•
Οι μηχανισμοί της χημειωσμωτικής σύΖευξης είναι πολύ διαδεδομένοι και έχουν αρχέγονη προέλευση. Τα βακτήρια που Ζουν σε συνθήκες ανάλο γες μ' εκείνες οι οποίες πιστεύεται ότι επικρατούσαν στην αρχέγονη γη ε πίσης χρησιμοποιούν το μηχανισμό της χημειωσμωτικής σύΖευξης για την
παραγωγή του ΑΤΡ.
Βασικές Έννοιες
609
Βασικοί Όροι αΛυσίδα μεωφοράς ηΛεκτρονίων
οξειδο-αναγωγικό Ζεύγος
δέσμευση αΖώτου
οξειδωηκή φωσφορυΛίωση
δέσμευση άνθρακα
κέντρο σιδήρου-θείου
κινόνη
στρώμα
κυτόχρωμα
συνθάση του ΑΤΡ
μιτοχόνδριο
φωτοσύνθεση
οξειδάση του κυτοχρώματος
χημειωσμωηκή σύΖευξη
οξειδο-αναγωγική αντίδραση
χΛωροπΛάστης
οξειδο-αναγωγικό δυναμικό
χΛωροφύλ/η
Ερωιήσειs
προέρχεται από ΤΟ μέτολ/α που προσΛαμβάνονται από ης ρίΖες.
Epώmσn
14-11
Ποιες από ης ακόΛουθες φράσεις είναι σωστές; ΔικαιοΛο
Ερώmσn
γείστε ης απαντήσεις σας.
Ένα μεμονωμένο πρωτόνιο που μετοκινείωι ακοΛουθώ
Α. Σε πολ/ές από ης αντιδράσεις μεωφοράς ηΛεκτρονίων,
ντας την κατεύθυνση της ηΛεκτροχημικής βαθμίδωσης
αλλά όχι σε όΛες, συμμετέχουν ιόντα μετάλ/ων. Β. Η αΛυσίδα μεωφοράς των ηΛεκτρονίων δημιουργεί μια
14-12
προς το μιτοχονδριακό στρώμα απεΛευθερώνει
caVmole εΛεύθερης
4.6 k-
ενέργειας. Πόσα πρωτόνια πρέπει να
βαθμίδωση ηΛεκτρικού δυναμικού διαμέσου της μεμ
μετοκινηθούν διαμέσου της εσωτερικής μιτοχονδριακής
βράνης, επειδή μεωκινεί ηΛεκτρόνια από τον διαμεμ
μεμβράνης για να συντεθεί ένα μόριο ΑΤΡ, με το δεδομέ
βρανικό χώρο προς το στρώμα.
νο όη η ΔG για τη σύνθεση του ΑΤΡ στις συνθήκες που ε
Γ. Η ηΛεκτροχημική βαθμίδωση των πρωτονίων αποτεΛεί
πικρατούν στο κύτταρο κυμαίνετοι από
11
έως
13
ται από δύο συσταηκά: μια διαφορά ρΗ και ένα ηΛεκτρι
kcaVmole; Γιατί δίνετοι
κό δυναμικό.
κριμένη ημή ΔG; Κάτω από ποιες συνθήκες θα ίσχυε η μι
Δ. Η ουβικινόνη και το κυτόχρωμα
c είναι
κινητοί φορείς
ένα εύρος ημών και όχι μια συγκε
κρότερη ημή;
ηΛεκτρονίων που διαχέονται εύκοΛα. Ε. Τα φυτά διαθέτουν χΛωροπΛάστες και επομένως είναι ι κανά να Ζουν χωρίς μιτοχόνδρια.
Ερώmσn
14-13
Στην ακόΛουθη φράση, επιΛέξτε τη σωστή Λέξη ανάμεσα
Ζ. Τόσο η χΛωροφύλ/η όσο και η αίμη περιέχουν ένα ε
στις εναΛΛακηκές Λέξεις που αναγράφοντοτ με πλάγια
κτετομένο σύστημα διπΛών δεσμών το οποίο τους δίνει
γράμματο και δικαιοΛογείστε την απάντησή σας. «'στον
τη δυνατότητο ν' απορροφούν το οροτό φως.
δεν υπάρχει διαθέσιμο
02'
όΛα ω συσταηκά της μιτοχον
Η. Ο ρόΛος της χΛωροφύλ/ης στη φωτοσύνθεση είναιισο
δριακής αΛυσίδας μετοφοράς των ηΛεκτρονίων συσσω
δύναμος με το ρόΛο της αίμης στη μετοφορά των ηΛε
ρεύονται στην αvnγμέvn/οξειδωμέvn μορφή τους. Αν,
κτρονίων στα μιτοχόνδρια.
αιφνίδια, ξαναπροστεθεί
Θ. Το μεγαλύτερο μέρος της ξηρής μάΖας ενός δένδρου
61 Ο
02' τότε ΟΙ
φορείς των ηΛεκτρο
νίων στην οξειδάση του κυτοχρώματος θα αναχθούν/οξει-
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
δωθούν πριν/μετά από τους αντIσroιxoυς φορεις της αφυ
σμό αυτό, το ρΗ του σrρώματoς γρήγορα αυξήθηκε σrην
δρογονάσης του
τιμή
NADH».
8.0,
ενώ το ρΗ του θυλακοειδούς χώρου παρέμεινε
πρόσκαιρα αμετάβλητο. Στη συνέχεια παρατηρήθηκε μια
Ερώτηση
14-14
εκρηκτική σύνθεση ΑΤΡ και, κατόπιν, η διαφορά του ρΗ
Yπoθέσrε ότι η μετοτροπή της οξειδωμένης ουβικινόνης
μετοξύ του θυλακοειδούς Χώρου και του σrρώματoς εξα
σrην ανηγμένη μορφή της που επιτελειτοι από την αφυ
λείφθηκε.
δρογονάση του ΝΑΟΗ συμβαινει σrην πλευρά της εσωτε
Α. Eξηγείσrε γιατί οι χειρισμοί αυτοί οδηγούν σε σύνθεση
ρικής μιτοχονδριακής μεμβράνης προς το σrρώμα ενώ, α
ντιθετο, η οξείδωση της ουβικινόνης από το κυτόχρωμα
b-
C1 συμβαίνει σrην πλευρά της μεμβράνης προς τον διαμεμ
βρανικό Χώρο (βλ. Εικόνες
14-10 και 14-20). Ποιες
συνέ
πειες έχει αυτή η διάτοξη σrη δημιουργία της βαθμίδωσης
των Η+ διαμέσου της μεμβράνης;
ΑΤΡ. Β. ΧρειάΖετοι φως για να επιτύχει το πείραμα; Γ. Τι θα συνέβαινε αν η σειρά των διαλυμάτων αντισrρε φότον, ώσrε η πρώτη επώαση να γινει σε ρΗ δεύτερη σε ρΗ
8.0 και
η
4.0;
Δ. Το πείραμα αυτό ενισχύει ή αμφισβητεί το χημειωσμω τικό πρότυπο;
Ερώτηση
14-15
ΔΙKαιoλoγείσrε τις απαντήσεις σας.
Αν εφαρμoσrεί ένα δυναιμκό σε δύο σύρματο πλατίνας (η
14-17
λεκτρόδια) εμβαπτισμένα σro νερό, τότε ΤΟ μόρια του νε
Ερώmση
ρού θα διασπασroύν σε αέριο Η2 και αέριο 02' Στο αρνητι
Το πρώτο πείραμα που σάς ανέθεσαν σro εργασrήριo α
κό ηλεκτρόδιο, προσφέρονταιηλεκτρόνια και απελευθε
φορά σrην ανασύσταση καθαρής βακτηριοροδοψινης,
ρώνεται αέριο Η 2 ενώ σro θετικό ηλεκτρόδιο παραλαμβά
μιας αντλίας Η+ από την κυτταρική μεμβράνη των φωτο
νονται ηλεκτρόνιακαι παράγεται αέριο 02' Ότον ΤΟ φωτο
συνθετικών βακτηρίων που προωθειτοι από το φως, και
συνθετικά βακτήρια και τα φυτικά κύτταρα διασπούντο νε
μιας καθαρής συνθάσης του ΑΤΡ από μιτοΧόνδρια της
ρό παράγουν 02 όχι όμως και Η 2 . Γιατί συμβαίνει αυτό;
καρδιάς βοδιού μέσα σrα ίδια μεμβρανικά Kυσrίδια, όπως φαινεται στην Εικόνα Ε13-17. Στη συνέχεια πρέπει να
Ερώτηση
14-16
προσθέσετε σro διάλυμα ΑΟΡ και Ρί και να εκθέσετε το ε
Σ' ένα διαισθητικό πείραμα που διενεργήθηκε τη δεκαετία
ναιώρημα των Kυσrιδίων σro φως.
του
1960, xλωρoπλάσrες αρχικά εμβαπτίσθηκαν σε ένα ό ξινο διάλυμα με ρΗ 4.0, οπότε το σrpώμα και ο θυλακοει δής Χώρος έγιναν όξινα (Εικόνα Ε13-16). Κατόπιν μετο φέρθηκαν σε ένα βασικό διάλυμα με ρΗ
8.0.
Με το χειρι-
καθαρή συνθάση καθαρή βακτηριοροδοψίνη
+ ρΗ7
ρΗ4
του ΑΤΡ
1QtPOOG~'<6
ρΗ4 ΠΡΟΣΘΗΚΗ ΦΩΣΦΟΛΙΠΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΑΠΟΡΡΥΠΑΝΤιΚΟΥ
κλειστό κυστίδιο (λιποσωμάτιο)
ρΗ4
ι'--_~}
ΕΠΩΑΣΗ ΤΩΝ ΧΛΩΡΟΠΛΑΣΤΩΝ ΕΠΙΑΡΚΕΤΕΣ ΩΡΕΣ
Εικόνα Ε14·16
ρΗ4
ρΗ8
L'--_~}
ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΤΟΥ
ΕΞΩΤΕΡΙΚΟΥ ρΗ
ΚΑΙ ΠΡΟΣΘΗΚΗ ADP ΚΑΙ Pj
Εικόνα Ε14-17
Ερωτήσεις
611
14-19
Α. Τι παρατηρείτε;
Ερώτηση
Β. Τι παρατηρείτε αν δεν απομακρυνθεί όλο ω απορρυ
Ορισμένα βακτήρια έχουν εξειδικευτεί έτσι ώσΤε να Ζουν
παντικό ΚΟ1 επομένως η μεμβράνη των κυσπδίων παρα
σε ένα περιβάλ/ον υψηλού ρΗ (ρΗ
μείνει διαπερατή από ιόντα;
κτήρια αυτά χρησιμοποιούν μια βαθμίδωση πρωωνίων
= 10).
Άραγε ΤΟ βα
Γ. Καθώς συΖητάτε με κάποιο φίλο σας γlΟ ΤΟ νέα πειρά
δlΟμέσου ως κυτταρικής μεμβράνης ωυς γlΟ να παρά
ματά σας, εκείνος εκφράΖει αμφιβολίες σχετικά με ων
γουν ω ΑΤΡ που χρειάΖΟντΟ1; (Όλα ΤΟ κύπαρα πρέπει να
αξΙΟΠΙσΤία ως προσέγγισης που χρησιμοποιεί συσΤαTl
διατηρούν ω ρΗ ωυ κυπαροπλάσματός ωυς κοντά σΤην
κά από τόσο πολύ διαφορετικούς ΚΟ1 άσχεωυς οργανι
τιμή
7.0).
σμούς. «Ποιος θα ήθελε ν' αναμείξει υγρό φρένων με μlΟ πουτίγκα βανίλlΟς;» ΥπερασπίσΤε την προσέγγιση
Epώmon
ωυ πειράματός σας.
Η Εικόνα Ε14-20 συνοψίΖει ω κύκλωμα που χρησιμοποι
14-18
αλ/ηλομεΤΟΤροπή διαφορεTlκών μορφών ενέργειας. ΕίνΟ1
14-20
είτοι από ΤΟ μιωΧόνδρlΟ ΚΟ1 ωυς χλωροπλάσΤες γlΟ ων
Ερώmση Το
FADH2 παράγετοι
σΤον κύκλο ωυ κιτρικού οξέος από
ένα ενΖυμικό σύμπλοκο ενσωματωμένο σΤη μεμβράνη,
γνωσΤό ως αφυδρογονάση ωυ ηλεκτρικού, ω οποίο πε ριέχει συνδεδεμένο
FAD και
επιτελεί τις αντιδράσεις:
άραγε ακριβές να πούμε όTl Α. ΤΟ προϊόντο των χλωροπλασΤών είναι ΤΟ υΠΟσΤρώματο των μιωχονδρίων; Β. η ενεργοποίηση των ηλεκτρονίων από ΤΟ φωωσυσΤή ματο προσδίδει σΤους χλωροπλάσΤες ων ικανόωτο να
ηλεκτρικό
+ FAD --7 φουμαρικό + FADH2
προωθήσουν ω μετοφορά των ηλεκτρονίων από ω Η 2 Ο προς ωυς υδατάνθρακες, δηλαδή σε κατεύθυνση
και
αντίθεω από ων κατεύθυνση ως μετοφοράς Των ηλε
κτρονίων σΤα μιωΧόνδρια; ΩσΤόσο, ω οξειδο-αναγωγικό δυναμικό ωυ
FADH 2 είνΟ1
μόλις
-220 mV. Χρησιμοποιώντας ΤΟ δεδομένα ωυ Πα ραρτήμαως 14-1 ΚΟ1 ως Εικόνας 14-21, προτείνατε έναν
Γ. ο κύκλος ωυ κιτρικού οξέος αποτελεί ω αντίσΤροφο ωυ κανονικού κύκλου δέσμευσης ωυ άνθρακα;
14-21
πεΙσΤικό μηχανισμό με ων οποίο ΤΟ ηλεκτρόνια θα μπο
Ερώmση
ρούσε να Τροφοδοωθούν σΤην αλυσίδα μετοφοράς των η
Σ' ένα έγκριω εΠΙσΤημονικό περιοδικό υποβλήθηκε προς
λεκτρονίων. Επίσης, σχεδιάσΤε ένα διάγραμμα γlΟ ω μη
δημοσίευση μια εΠΙσΤημονική εργασία. Σων εργασία αυ
χανισμό που προτείνατε.
τή, οι συγγραφείς περιγράφουν ένα πείραμα στο οποίο ε-
ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΟ
ΧΛΩΡΟΠΜΣΤΗΣ
βαθμίδωση Η+
φωτοσύοτημα Ι
μόρια λιπών και
υδατανθράκων
κύκλος κιτρικού οξέος
κύκλος
Γ
μόρια υδατανθράκων
(Α)
(Β)
προϊόντα
Εικόνα Ε14·20
612
Κεφάλαιο 14: Παραγωγή Ενέργειας στα Μιτοχόνδρια και στους Χλωροπλάστες
προϊόντα
δέσμευσης άνθρακα
CO2
πέτυχαν να παγιδεύσουν ένα μεμονωμένο μόριο συνθά
κτρονίων προς το κυτόχρωμα c; Δικαιολογείστε την απά
σης του ΑΤΡ και κατόπιν περίσφεψαν Την «κεφαλή» του
νΤησή σας.
μορίου εφαρμόΖΟνΤας δύναμη. Οι συγγραφείς δείχνουν
Α. ανηγμένη ουβικινόνη και οξειδωμένο κυτόχρωμα
ότι κατά Την περιστροφή της κεφαλής του ενΖύμου παρά
Β. οξειδωμένη ουβικινόνη και οξειδωμένο κυτόχρωμα
γεται ΑΤΡ, μολονότι δεν υπήρχε βαθμίδωση Η +. Τ ι θα
Γ. ανηγμένη ουβικινόνη και ανηγμένο κυτόχρωμα
μπορούσε να σημαίνει αυτό το αποτέλεσμα σχετικά με τον
Δ. οξειδωμένη ουβικινόνη και ανηγμένο κυτόχρωμα
μηχανισμό λειτουργίας της συνθάσης του ΑΤΡ; Θα έπρεπε
Ε. ανηγμένη ουβικινόνη, οξειδωμένο κυτόχρωμα
άραγε η εργασία αυτή να δημοσιευτεί σε κάποιο έγκριτο
ξειδωμένο σύμπλοκο των κυτοχρωμάτων b-c]
περιοδικό;
14-22
δεδομένο ότι τα ηλεκτρόνια πρέπει ν' ακολουθήσουν Την
πορεία που επισημαίνεται στην Εικόνα
14-10, σε ποια
νηγμένο σύμπλοκο των κυτοχρωμάτων
c και
ο
c και
c
και α
b-c]
Θ. οξειδωμένη ουβικινόνη, ανηγμένο κυτόχρωμα νηγμένο σύμπλοκο των κυτοχρωμάτων
c
b-c]
Η. ανηγμένη ουβικινόνη, ανηγμένο κυτόχρωμα
Αναμειγνύετε σε διάλυμα τα ακόλουθα συστατικά. Με
c
c
Ζ. οξειδωμένη ουβικινόνη, οξειδωμένο κυτόχρωμα
οξειδωμένο σύμπλοκο των κυτοχρωμάτων Epώmσn
c
c και α
b-c].
πειράματα αναμένετε να συμβεί καθαρή μεταφορά ηλε-
Ερωτήσεις
613
Ενδοκυιιάρια Διαμερίσμαια και Μειαφορά
Σε κάθε χρονική στιγμή, ένα φυσιολογικό ευκαρυωτικό κύπαρο διεκπε
ραιώνει χιλιάδες διαφορετικές χημικές αντιδράσεις πολ/ές από τις οποίες εί ναι ασύμβατες. Για παράδειγμα, μια σειρά αντιδράσεων παράγει γλυκόΖη ε νώ μια άλ/η Την καταβολίΖει. Μερικά ένΖυμα συνθέ1Ουν πεπτιδικούς δε σμούς ενώ άλλα 1Ους υδρολύουν. Πράγματι όταν τα κύπαρα ενός οργάνου, όπως 1Ου ήπα1Ος, κατατεμαχιστούν και 10 περιεΧόμενό1Ους αναμειΧθείσ' έ να δοκιμαστικό σωλήνα, θα προκύψει χημικό Χάος και οι πρωτεΊ'νες και τα
ένΖυμα των κυπάρων θ' αποδομηθούναπό τα δικά 1Ους πρωτεολυτικάένΖυ μα. Για Την αποτελεσματικήλεΙ1Ουργία 1Ου κυπάρου, οι διάφορες ενδοκυτ
τάριες διεργασίεςπου συμβαίνουνταυτόχροναπρέπει κατά κάποιοτρόπο να
διαμερισμα1Οποιηθούν. Τα κύπαρα έχουν αναπτύξει πολ/ές στρατηγικέςγια Τη διαμερισμα1Οποί ηση και Την οργάνωσητων χημικών αντιδράσεών1Ους. Μια στραΤηγική, που χρησιμοποιείταικαι από προκαρυωτικάκαι από ευκαρυωτικάκύπαρα, είναι
η συνάθροισητων διαφόρων ενΖύμων που απαι1Ούνται για την κατάλυση
μιας σειράς αντιδράσεων σε μεγάλα πρωτεϊνικά σύμπλοκα. Όπως αναφέρ θηκε σε άλλα Κεφάλαια, τέ1Οια πολυπρωτεϊνικάσύμπλοκα χρησιμοποιού νται κατά Τη σύνθεση 1Ου
DNA,
1Ου
RNA
και των πρωτεϊνών. Μια δεύτερη
στρατηγική, η οποία είναι περισσότερο αναπτυγμένη στα ευκαρυωτικά κύπα
ρα, είναι ο περιορισμός των διάφορων μεταβολικών διεργασιών καθώς και των πρωτεϊνών που χρειάΖΟνται για Την πραγμα1Οποίησή 1Ους στο εσωτερικό
διαφορετικών διαμερισμάτων που περιβάλ/ονται από μεμβράνες. Όπως α ναφέρθηκε στα Κεφάλαια
11 και 12, οι κυπαρικές
μεμβράνες είναι επιλεκτι
κοί φραγμοί διαπερατότητας: έτσι επιτυγΧάνεται ο έλεγχος Της μεταφοράς
των περισσότερων μορίων. Σε αυτό 10 κεφάλαιο θα εξετάσουμεΤη στρατηγι κή της διαμερισμα1Οποίησηςκαι μερικές συνέπειέςτης.
Σ1Ο πρώ1Ο τμήμα 1Ου Κεφαλαίου περιγράφονταιτα κυριότερα μεμβρα νικά διαμερίσματα, ή μεμ8ρaνικάοργaνίδω, των ευκαρυωτικώνκυπάρων και αναφέρονταιοι κύριες λεΙ1Ουργίες1Ους και ο πιθανός τρόπος με 1Ον ο ποίο έχουν εξελιΧθεί. Σ1Ο δεύτερο τμήμα, εξετάΖουμε πώς οργανώνονται
Μεμβρανlκάοργανίδια Τα ευκαρυωτικάκύπαρα περιέχουν βασικές ομάδες οργανιδίωνπου περιβάλλονταιαπό μεμβράνες Τα μεμβρανικάοργανίδια εξελίχθηκανμε διάφορουςτρόπους Διαλογή των πρωτεϊνών Οι πρωτείνες εισάγονταιστα οργανίδια με τρεις μηχανισμούς Οι σηματοδοτικέςαλληλουχίεςκατευθύνουντις πρωτείνεςστο σωστό διαμέρισμα Οι πρωτείνεςεισέρχονταιστον πυρήνα μέσω των πυρηνικώνπόρων Οι πρωτείνες ξεδιπλώνουνπριν εισέλθουν στα μιτοχόνδριακαι στους χλωροπλάστες Οι πρωτείνες εισέρχονταιστο ενδοπλασματικό δίκτυο κατά τη διάρκειατης σύνθεσήςτους Οι διαλυτές πρωτεΊνες απελευθερώνονταιστον αυλό του ΕΔ Σήματα έναρξης και λήξης προσδιορίζουντη διευθέτηση μιας διαμεμβρανικήςπρωτείνης στη λιπιδική διπλοστιβάδα Τα κυστίδια μεταφοράςδιακινούν διαλυτές πρωτεΊνες και μεμβράνες μεταξύ διαμερισμάτων Μεταφορά με κυστίδια Η εκβλάστησητωνκ υστιδίωνπροωθείταιαπό τη συγκρότησηενός πρωτε"ίνικούκαλύμματος Η εξειδικευμένηπροσάραξητων κυστιδίων εξαρτάται από τις SNAREs Οδοί έκκρισης Οι περισσότερες πρωτείνες τροποποιούνται ομοιοπολικά μέσα στο ΕΔ Η έξοδος από το ΕΔ ελέγχεται για να διασφαλιστεί η ποιότητα της πρωτεΊνης Οι πρωτεινες τροποποιούνται περισσότερο και υπόκεινται σε διαλογή στη συσκευή Golgi Οι εκκριτικές πρωτεΊνες απελευθερώνονται από το κύπαρο με εξωKUΤΤάρωση Οδοί ενδοκυπάρωσης Εξειδικευμένα φαγοκύπαρα προσλαμβάνουν μεγάλα σωματίδια Μακρομόρια και υγρά προσλαμβάνονται με πινOKUΤΤάρωση Στα ζωικά κύπαρα η εξειδικευμένη ενδOKUΤΤάρωση εξασφαλίζεται μέσω υποδοχέων Η διαλογή των μακρομορίων μετά την ενδοκυπάρωση γίνεται στα ενδοσωμάτια Τα λυσοσωμάτια είναι τα κύρια οργανίδια ενδOKuττάριας πέψης
615
και συνωρούνιοι ω πρωτε'1νες των διάφορων διαμερισμάτων. Κάθε διαμέ ρισμα περιέχει μια ξεχωριοτή ομάδα πρωτεϊνών που πρέπει να μετοφερ
θούν επιλεκηκά από ω κυτταροδιάλυμα, δηλαδή ω σημείο παραγωγής ωυς, οτο διαμέρισμα που είναι ο τόπος λεπουργίας ωυς. Αυτή η διαδικα σία μετοφοράς, που ονομάΖετοι διοΛογή τωv πρωτεϊvώv
(protein sorting),
εξαρτάται από σήματο ΤΟ οποία εμπεριέχονται οτην αλληλουχία των αμινο ξέων των πρωτεϊνών. Σω τρίω τμήμα, περιγράφεται ο τρόπος με ων οποίο επικοινωνούν ορισμένα διαμερίσματο ωυ ευκαρυωηκού κυττάρου που πε ριβάλλοντοι από μεμβράνη σχημοτίΖοντος μικρούς σάκους ή κυοτίδια
(vesicles).
Τα κυοτίδια αποκολλώνται από τη μεμβράνη ενός διαμερίσμα
ως, μετοκινούνΤαι οτο κυτταροδιάλυμα και συντήκονται με τη μεμβράνη
κάποιου άλλου διαμερίσμαως. Η διαδικασία αυτή ονομάΖεται μεταφορά με KUOTfBIO
(vesicular transport).
Στο δύο τελευτοία τμήματο εξηγείται όη η
διαρκής μετοφορά με κυοτίδια αποτελεί και την κύρια οδό για την απελευ
θέρωση πρωτεϊνών από ω κύτταρο με τη διαδικασία της εξωκυττάρωσης
(exocytosiS) και την πρόσληψη (endocytosiS).
πρωτεϊνών με τη διαδικασία της εvδοκυττά
ρωσης
Μεμ,βρανικά οργανίδια Ένα προκαρυωηκό κύτταρο αποτελείται μόνο από ένα διαμέρισμα, ω
κυπαροδιάλυμα, που περικλείειοι από ων κυτταρική μεμβράνη, ενώ ένα ευ καρυωηκό κύτταρο υποδιαιρείται περίτεχνα από εσωτερικές μεμβράνες. Αυ τές ω μεμβράνες δημιουργούν κλειοτά διαμερίσματο οτα οποία ομάδες εν Ζύμων λειτουργούν χωρίς να επηρεάΖΟνται από αντιδράσεις που γίνονται σε
άλ/α διαμερίσματο. Ότον εξετάΖεται η διαωμή ενός Ζωικού ή φυηκού κυπά
ρου οτο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, παρατηρούνται πολυάριθμω μικροί μεμ βρανικοί σάκω, σωλήνες, σφαιρίδια και ακανόνιοτες δομές που συχνά ω ποθεωύνΤαι χωρίς εμφανή τάξη (Εικόνα
15-1). Όλες αυτές ω δομές είναι
διακριτά μεμβρανικά οργανίδια ή τμήμαιο οργανιδίων και καθένα περιέχει
μια ξεχωριοτή ομάδα μεγάλων και μικρών μορίων. Σης επόμενες παραγρά φους θα παρουσιάσουμε αυτές ης λειωυργίες κω θα εξετάσουμε πώς μπο
ρεί να εξελίχθηκαν διαφορεTlκά μεμβρανικά οργανίδια.
Τα ευκαρυωIlκά κύπαρα περιέχουν βασικές ομάδες οργανιδίων που περιβάλ/ΟνΙαι από μεμβράνες Τα κυριότερα μεμBραVΙKά οργανίδια ενός Ζωικού κυπάρου απεικονίΖΟ: νΤαι οτην Εικόνα
15-2 και ω λεπουργίες ωυς αναγράφονται οτον Πίνακα
15-1. Περιβάλ/ονΤαι από το κυπαροδιάλυμα το οποίο περικλείεται από την κυπαρική μεμβράνη. Ο πυρήvας είναι το πιο εμφανές οργανίδιο σε όλα ΤΟ κύπαρα. Περιβάλ/εται από μια διπλή μεμβράνη που ονομάΖετοι πυρηvικό
περfΒΛημα (nuclear envelope) και επικοινωνεί με το κυπαροδιάλυμα με τους πυρηvικούς πόρους οι οποίοι διατρυπούν ω περίβλημα. Η εξωτερική πυρη
νική μεμβράνη αποτελεί συνέχεια ως μεμβράνης του εvδοπΛασμαπκού δι κτύου (ΕΔ), το οποίο είναι ένα συνεχές σύοτημα αλ/ηλοσυνδεόμενων μεμ-
616
Κεφάλαιο 15: Ενδοκυττάρια Διαμερίσματα και Μεταφορά
Εικόνα
αδρό ενδοπλασματικό δίκτυο
πυρήνας
λυσοσωμάnα
15-1. Στα ευκαρυωτικά
κύπαρα, εσω
τερικές μεμβράνες δημιουργούν κλειστά
Ι
διαμερίσματα και οργανίδια όπου διεκπεραι
ώνονται διαφορετικές μεταβολικές διεργα σίες. Ηλεκτρονιομικρογραφία της διατομής ε νός τμήματος ηπατικού κυπάρου. Διακρίνο νται πολλά από τα κυριότερα οργανίδια που περιβάλλονται από μεμβράνες. Τα μικρά, μαύ ρα κοκκία που διακρίνονται ανάμεσα στα μεμ
βρανικά διαμερίσματα είναι κοκκία γλυκογό νου (γλυκοσώματα), δηλαδή συσσωματώματα
γλυκογόνου και των ενζύμων που ρυθμίζουν την σύνθεση και τη διάσπασή του. (Με την ά δεια του
μιτοχόνδριο
5μm
Daniel S. Friend).
υπεροξεισωμάτιο
βρανικών σάκων και σωΛήνων και συχνά επεκτείνεται σε ολόκληρο το κύτ ταρo. Το ΕΔ είναι η σημαντικότερη θέση σύνθεσης νέων μεμβρανών στο
κύπαρο. Μεγάλα τμήματα του ΕΔ έχουν προσκολ/ημένα ριβοσωμάτια στην κυπαροπλασματική επιφάνεια και γι' αυτό το λόγο ονομάΖεται αδρό εvδο πΛασμαπκό δίκτυο
(rough endoplasmic reticulum).
Τα ριβοσωμάτια συμμε
τέχουν ενεργά στη σύνθεση των πρωτεϊνών οι οποίες αποδίδονται στον αυλό του ΕΔ ή στη μεμβράνη του ΕΔ. Το Λείο εvδοπ?!ασμαπκό δίκτυο
(smooth ER)
CΞ~~:Jθ'::""':4f-- συσκευή
είναι λιγοστό στα περισσότερα κύπαρα, αλλά είναι πολύ καλά αναπτυγμένο
~~~)~mm- μιτοχόνδριο
σε μερικά κύπαρα όπου εκπληρώνει ειδικές λειτουργίες: για παράδειγμα εί
~.......ν~~-I--- ενδοπλασματικό δίκτυο με προσκολλημένα ριβοσώματα
ναι η θέση σύνθεσης των στεροειδών ορμονών στα κύπαρα των επινεφρι δίων και η θέση στην οποία γίνεται η αποτοξίνωση πολ/ών οργανικών μο
~~~~ __ πυρήνας
ρίων, συμπεριλαμβανομένης και της αλκοόλης, στα ηπατικά κύτταρα. Σε
πολ/ά ευκαρυωτικά κύπαρα, το λείο ΕΔ επίσης διαχωρίΖει το CaZ+ από το
z
κυπαροδιάλυμα. Η απελευθέρωση και επαναπρόσληψη του Ca + από το ΕΔ εμπλέκεται στην ταχεία απάντηση σε πολ/ά εξωκυπάρια σήματα (βλ. Κεφά
λαια
12 και 16). Η συσκευή Golgi (Golgi apparatus) συνήθως
Golgi
κυτταρική μεμβράνη
Ι·:'!.:.~~-===-::::::Ξ:::':::::JC- ελεύθερα ~
ριβοσωμάτια
1-1, - - - 15 μm
Εικόνα
15-2. Τα
------Ι.Ι
κυριότερα μεμβρανικά οργα
νίδια ενός ζωικού κυπάρου. Το κύπαρο που
βρίσκεται κοντά στον πυρή
απεικονίζεται προέρχεται από την εσωτερική ε
να, δέχεται πρωτεΙνες και λιπίδια από το ΕΔ, 10 τροποποιείκαι στη συνέχεια
πένδυση του εντέρου και περιέχει τη βασική ο μάδα οργανιδίων που παρατηρείται στα περισ
τ' αποστέλ/ει προς άλλες κατευθύνσεις. Τα λυσοσωμάτια είναι μικροί σάκοι
σότερα ζωικά κύπαρα. Ο πυρήνας, το ενδο
με πεπτικά ένΖυμα. Αποικοδομούνφθαρμένα οργανίδια, καθώς και μακρο
πλασματικό δίκτυο (ΕΔ), η συσκευή
μόρια και σωματίδια που έχουν εισχωρήσειστο κύπαρο με ενδοκυττάρωση. Κατά τη διαδρομή προς τα λυσοσωμάτια,το υλικό της ενδοκυπάρωσηςπρέ
πει πρώτα να διέλθει από μια σειρά διαμερισμάτωνπου ονομάΖονται εvδο σωμάπα (endosomes). Τα ενδοσωμάτια επιλέγουν μερικά από τα μόρια που προσλήφθηκαν με ενδοκυττάρωση και τ' ανακυκλώνουν πίσω στην κυπαρι
κή μεμβράνη. Τα υπεροξεισωμάπα
(peroxisomes) είναι μικρά
οργανίδια που
περιβάλ/ονται από μια απλή μεμβράνη. Περιέχουν ένΖυμα τα οποία χρησι
μοποιούνται σε ποικίλες αντιδράσεις οξείδωσης που αποικοδομούν λιπίδια
Golgi, τα
λυσοσωμάτια, τα ενδοσώματα, τα μιτοχόνδρια και τα υπεροξεισωμάτια είναι διακριτά διαμερί σματα που διαχωρίζονται από το κυπαροδιά λυμα (γκρι) με μια τουλάχιστον, επιλεκτικά δια περατή, μεμβράνη. Επίσης φαίνονται τα ριβο σωμάτια που δεν περικλείονται από μεμβράνη και δεν διακρίνονται στο φωτονικό μικροσκόπιο επειδή είναι πολύ μικρά. Μερικά ριβοσωμάτια βρίσκονται ελεύθερα στο KUΠαΡOδιάλυμα, ενώ άλλα συνδέονται με την επιφάνεια του ΕΔ που εκτίθεται στο KUΠαΡOδιάλυμα.
Μεμβρανικά Οργανίδια
617
'1'I:ΙXΙΙ;ΙI~Ί:Ι~'1~"~,Oι κύριες λειτουργίες των μεμβρανικών διαμερισμάτων ενός ευκαρυωτικού κυπάρου. Διαμέρισμα
Κύρια λειτουργία
Κυπαροδιάλυμα
περιλαμβάνει πολλές μεταβολικές οδούς (Κεφάλαια
Πυρήνας
περιέχει το κύριο γονιδίωμα (Κεφάλαιο
Ενδοπλασματικό δίκτυο (ΕΔ)
σύνθεση των περισσότερων λιπιδίων (Κεφάλαιο
3 και 13), πρωτε'ίνοσύνθεση (Κεφάλαιο 7)
5), σύνθεση του RNA και του ΟΝΑ (Κεφάλαια 6 και 7)
11), σύνθεση των πρωτε'ίνών προς διανομή σε
πολλά άλλα οργανίδια και στην κυπαρική μεμβράνη (αυτό το κεφάλαιο)
Συσκευή
Golgi
τροποποίηση, διαλογή και συσκευασία πρωτεϊνών και λιπιδίων, είτε προς έκκριση είτε προς παράδοση σε άλλο οργανίδιο (αυτό το κεφάλαιο)
Λυσοσωμάτια
ενδοκυπάρια αποδόμηση (αυτό το κεφάλαιο)
Ενδοσώματα
διαλογή του υλικού μετά την ενδοκυπάρωσή του (αυτό το κεφάλαιο)
Μιτοχόνδρια
σύνθεση του ΑΤΡ με οξειδωτική φωσφΟΡΥλίωση (Κεφάλαιο 14)
Χλωροπλάστες (σε φυτικά
σύνθεση του ΑΤΡ και δέσμευση του άνθράκα με φωτοσύνθεση (Κεφάλαιο 14)
κύπαρα) Υπεροξεισωμάτια
Οξείδωση τοξικών ουσιών
και κατασφέφουν τοξικά μόρια. Τα μιτοΧόνδριο και ΟΙ χλωpoπΛάσrες (στα φυTlκά κύπαρα) περιβάλ/ονται από μια διπλή μεμβράνη και είναι οι θέσεις
της οξειδωTlκής φωσφορυλίωσης και της φωτοσύνθεσης, αντιστοίχως (ανα
φέρθηκε στο Κεφάλαιο
14).
Και τα δύο οργανίδια περιέχουν μεμβράνες με
υψηλή εξειδίκευση για την παραγωγή ΑΤΡ.
Πολ/ά από τα μεμβρανικά οργανίδια, όπως το ΕΔ, η συσκευή
Golgi, τα μιτοχ6νδρια και ΟΙ ΧΛωροπλάστες, εντοπίΖΟνται σε συγκεκριμένες θέσεις διασυνδεόμενα με τον κυπαροσκελετό και ιδίως με τους μικροσωληνίσκους. Τα ινίδια του κυπαροσκελετού παρέχουν τα μονοπάTlα για τη μετακίνηση
των οργανιδίων και καθορίΖουν την κυκλοφορία των κυστιδίων μεταφοράς ανάμεσα στα οργανίδια. Αυτές οι μετακινήσεις προωθούνται από κινητήριες πρωτε'ί'νες που χρησιμΟΠ010ύν την ενέργεια της υδρόλυσης του ΑΤΡ για να
κινήσουν τα οργανίδια και τα κυστίδια κατά μήκος των ινιδίων, όπως αναφέ ρεται και στο Κεφάλαιο
17.
Κατά μέσο όρο, όλα μαΖί τα μεμβρανικά οργανίδια καταλαμβάνουν ιΌ
Πίνακας 15"2. Ο σχετικός όγκος που καταλαμβάνουν τα κύρια οργανίδια που περιβάλλονται από μεμβράνη σ' ένα ηπατοκύπαρο Ενδοκυπάριο
Ποσοστό % του συνολικού
Αριθμός ανά κύπαρο
κυπαρικού όγκου
κατά προσέγγιση
Κυπαροδιάλυμα
54
Μιτοχόνδρια
22 12
1 1700
διαμέρισμα
Ενδοπλασματικό δίκτυο Πυρήνας
Συσκευή
Golgi
Υπεροξεισωμάτια
618
6 3
1
Λυσοσωμάτια
1
Ενδοσωμάτια
1
Κεφάλαιο 15: Ενδοκυττάρια Διαμερίσματα και Μεταφορά
1 1
1
400 300 200
ήμισυ του όγκου ενός ευκαρυωηκού κυπάρου (Πίνακας
15-2)
και το συ
νoiΊΙKό ποσό της μεμβράνης που υπάρχει σε αυτά είναι τεράστιο: για παρά
δειγμα, σ' ένα τυπικό κύπαρο θηiΊαστΙKoύ η επιφάνεια της μεμβράνης του ενδoπiΊασμαηKoύ δικτύου είναι
20-30
φορές μεγαiΊύτερη από αυτήν της
κυπαρικής μεμβράνης. Από την άποψη της επιφάνειας και της μάΖας, για
τα περισσότερα ευκαρυωηκά κύπαρα η κυπαρική μεμβράνη είναι μια ε πουσιώδης μεμβράνη.
Η σύσταση και η iΊειτoυργία ενός οργανιδίου μπορεί να διερευνηθεί όταν
το οργανίδιο απομονωθεί από άίΊίΊες κυπαρικές δομές. Σης περισσότερες
περιπτώσεις, τα οργανίδια είναι πoiΊύ μικρά για ν' απομονωθούν εύKoiΊα. Ο διαχωρισμός των οργανιδίων είναι εφικτός με την μέθοδο της διαφορικής
φυγοκένΓρησης (περιγράφεται στο Παράρτημα
4-3).
Όταν ένα δείγμα από
ένα είδος οργανιδίου απομονωθεί σε καθαρή μορφή, οι πρωτεΊνες του μπο
ρεί να ταυτοποιηθούν. Σε ποίΊίΊές περιπτώσεις το ίδιο το οργανίδιο μπορεί να επωαστεί σ' ένα δοκιμαστικό σωiΊήνα υπό συνθήκες που επιτρέπουν τη με iΊέτη των iΊειτoυργιών του .. Για παράδειγμα, απομονωμένα μιτοχόνδρια μπο ρούν να παράγουν ΑΤΡ από την οξείδωση του πυρoσταφυiΊΙKoύ σε
νερό, εφόσον υπάρχει επάρκεια ΑΟΡ και
CO2 και
02'
Τα μεμΒρανικά οργανίδια εξελίΧθηκαν με διάφορους τρόπους Την προσπάθειά μας να κατανοήσουμε ης σΧέσεις ανάμεσα στα διά φορα διαμερίσματα ενός σύγχρονου ευκαρυωηκού κυπάρου θα βοηθού
σε η διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο προέκυψαν. Η εξέiΊιξη των δια
μερισμάτων πιθανόν ήταν σταδιακή. Πιστεύεται όη οι πρόδρομοι των πρώ των ευκαρυωηκών κυπάρων ήταν απiΊoί μικροοργανισμοί που έμοιαΖαν με τα βακτήρια, οι οποίοι είχαν μια κυπαρική μεμβράνη όχι όμως εσωτερικές μεμβράνες. Η κυπαρική μεμβράνη τέτοιων κυπάρων μπορούσε να διεκπε ραιώνει όiΊες ης iΊειτoυργίες που εξαρτώνται από τη μεμβράνη, συμπερι iΊαμβανoμένης και της σύνθεσης του ΑΤΡ και των iΊιπιδίων, όπως συμβαί νει στην κυπαρική μεμβράνη των περισσότερων σύγχρονων βακτηρίων. Τα βακτήρια αντεπεξέρχονται KαiΊά με αυτή τη διευθέτηση επειδή έχουν μι
κρό μέγεθος και επομένως υψηiΊό iΊόγo επιφάνειας προς όγκο. Η κυπαρι κή μεμβράνη τους επαρκεί για να διεκπεραιώσει όiΊες ης Ζωηκές iΊειτoυρ γίες για ης οποίες είναι απαραίτητες οι μεμβράνες. Όμως τα σύγχρονα ευ
καρυωηκά κύπαρα έχουν όγκο τον όγκο ενός συνηθισμένου
1000 έως 10,000 φορές μεγαiΊύτερo από βακτηρίου όπως το Ε. coli. Ένα τέτοιο μεγά
iΊo κύπαρο έχει μικρό iΊόγo επιφάνειας προς όγκο και πιθανότατα δεν θα μπορούσε να εΠΙΖήσει με μοναδική μεμβράνη την κυπαρική μεμβράνη. Έ τσι η αύξηση του μεγέθους των ευκαρυωηκών κυπάρων πιθανόν δεν θα συνέβαινε χωρίς την ανάπτυξη εσωτερικών μεμβρανών.
Πιστεύεται όη τα οργανίδια που περιβάίΊίΊονται από μεμβράνες (μεμβρα
νικά οργανίδια) προέκυψαν εξεiΊΙΚΤΙKά με δύο τoυiΊάxιστoν τρόπους. Οι πυ ρηνικές μεμβράνες J;
Golgi, των ενδο
σωματίων και των iΊυσoσωματίων πιστεύεται όη πρoήiΊθαν από την εγKόiΊπω-
Μεμβρανlκά Οργανίδια
619
Εικόνα
15-3. Ένας πιθανός
εσωτερική πυρηνική μεμβράνη
τρόπος για την ε πυρηνικός
ξέλιξη των πυρηνικών μεμβρανών και του
πυρήνας
συνήθως είναι προσκολλημένο στην κυπαρι
-
DΝΑ
κή μεμβράνη. Πιθανόν σ' ένα αρχέγονο προκα ρυωτικό κύπαρο, η κυπαρική μεμβράνη μαζί
με το προσκολλημένο ΟΝΑ εγκολπώθηκε και τελικά σχημάτισε ένα μεμβρανικό φάκελο με δύο στιβάδες, περικλείοντας όλο το ΟΝΑ. Πι θανολογείται ότι ο φάκελος αποσπάστηκε από
εξωτερική πυρηνική μεμβράνη
πόρος
ΕΔ. Στα βακτήρια, το μοναδικό μόριο του ΟΝΑ
-
ενδοπλασμοτικό
\.\) ~~.;y!)':-\ δίκτυο
μεμβρανικά ριβοσωμάτια
κυπαροδιάλυμα
την κυπαρική μεμβράνη και δημιούργησε ένα
πυρηνικό διαμέρισμα που περικλείεται από μια
αρχέγονο
διπλή μεμβράνη. Αυτός ο πυρηνικός φάκελος
προκαρυωτικό
διαπερνάται από διαύλους που ονομάζονται
κύπαρο
αρχέγονο ευκαρυωτικό κύπαρο
πυρηνικοί πόροι και παρέχουν τη δυνατότητα άμεσης επικοινωνίας με το κυπαρόπλασμα. Άλλα τμήματα της ίδιας μεμβράνης σχημάτι σαν το ΕΔ στο οποίο προσκολλήθηκαν μερικά ριβοσωμάτια. Αυτό το υποθετικό σχήμα μπο ρεί να εξηγήσει γιατί ο χώρος ανάμεσα στην ε
ση της κυπαρικής μεμβράνης (Εικόνα
15-3).
Οι μεμβράνες αυτές και τα ορ
γανίδια που περικλείουν αποτελούν ένα τμήμα του ονομαΖόμενου ενι50μεμ
σωτερική και την εξωτερική πυρηνική μεμβρά
6ρανικού συσrήματoς. Όπως θ' αναφέρουμε αργότερα, οι εσωτερικές κοι
νη είναι συνέχεια του αυλού του ΕΔ.
λότητες των οργανιδίων, μ' εξαίρεση τον πυρήνα, επικοινωνούν ευρέως με
ταξύ τους και με τον εξωκυπάριο χώρο μέσω μικρών κυστιδίων που εκβλα σταίνουν από ένα οργανίδιο και συντήκονται μ' ένα άλ/ο. Όπως θα δούμε, το εσωτερικό αυτών των οργανιδίων από πολ/ές απόψεις αντιμετωπίΖεται α πό το κύπαρο ως «εξωκυπάριο»: αυτό είναι συμβατό με την προτεινόμενη ε
ξελικιική προέλευσή τους. Το υποθεIlκό σχήμα που φαίνεται στην Εικόνα
15-3,
•,
Ερώτηση
θα μπορούσε επίσης να εξηγήσει γιατί ο πυρήνας περιβάλλεται από
δύο μεμβράνες. ΠαρόIl η εγκόλπωση της μεμβράνης συμβαίνει σπάνια στα
15-1
Όπως φαίνεται στην Εικόνα
σημερινά βακτήρια, εντούτοις παρατηρείται σε μερικά φωτοσυνθεIlκά βα
15-3, η λιπιδική
διπλοστιβά
κτήρια, στα οποία περιοχές της κυπαρικής μεμβράνης που περιέχουν τον
δα της εσωτερικής και της ε
μηχανισμό της φωτοσύνθεσης περνούν στο εσωτερικό σχηματίΖοντας ενδο
ξωτερικής πυρηνικής μεμ
κυπάρια κυστίδια.
βράνης σχηματίΖει ένα συ
Πιστεύεται όIl τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες προήλθαν με διαφο
νεχές περίβλημα το οποίο ε
ρεIlκό τρόπο. Διαφέρουν απ' όλα τ' άλλα οργανίδια επειδή έχουν ένα δικό
νώνεται γύρω από τους πυρηνικούς πό
τους μικρό γονιδίωμα
ρους. Επειδή οι μεμβράνες είναι διδιά
τε'ίνες τους, όπως αναφέρθηκε στο Κεφάλαιο
στατα ρευστά, οι μεμβρανικές πρωτεΊνες
DNA και μπορούν
να παράγουν μερικές από ιις πρω
14. Η ομοιότητα
αυτών των γο
νιδιωμάτων με τ' αντίστοιχα των βακτηρίων κάι η μεγάλη ομοιότητα μερικών
μπορούν να διαχέονται ελεύθερα ανάμε
πρωτεϊνών των οργανιδίων με βακτηριακές πρωτεΊνες, στηρίζουν ισχυρά την
σα στις δύο πυρηνικές μεμβράνες. Ό
υπόθεση όIl τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες προήλθαν από βακτήρια τα
μως, κάθε πυρηνική μεμβράνη έχει δια
οποία καταβροΧθίστηκαν από αρχέγονα ευκαρυωIlκά κύπαρα με τα οποία
φορεIlκή πρωτεϊνική σύσταση που αντι
αρχικά συμβίωσαν. Αυτό μπορεί επίσης να εξηγήσει γιατί συγκεκριμένα τα
προσωπεύει και διαφορεIlκές λειτουρ
οργανίδια περικλείονται από δύο μεμβράνες (Εικόνα
15-4). Όπως
πιθανόν
γίες. Πώς μπορείτε να εξηγήσετε αυτό το
αναμένεται από την εξελικιική προέλευσή τους, τα μιτοχόνδρια και οι χλω
φαινομενικά παράδοξο;
ροπλάστες δεν συμμετέχουν στην εκτεταμένη διακίνηση των κυστιδίων που συνδέουν το εσωτερικό των περισσότερων από τα άλλα οργανίδια τόσο με ταξύ τους όσο και με τον εξωκυπάριο χώρο.
Μετά από μια σύντομη ανασκόπηση των κυριότερων οργανιδίων του ευ καρυωIlκού κυπάρου, που περιβάλ/ονται από μεμβράνες θα εξετάσουμε τώρα τον τρόπο με τον οποίο κάθε οργανίδιο αποκτά την ξεχωριστή ομάδα των πρωτεϊνών του.
620
Κεφάλαιο 15: Ενδοκυττάρια Διαμερίσματα και Μεταφορά
αρχέγονο αναερόβιο ευκαρυωτικό KιJπαρO
πρώιμο αερόβιο ευκαρυωτικό κύπαρο εσωτερικές μεμβράνες
Εικόνα
15·4. Η πιθανολογούμενη εξελικτική
προέλευση των μιτοχονδρίων. Πιστεύεται ότι τα μιτοχόνδρια προέκυψαν όταν ένα μεγαλύ τερο αναερόβιο ευκαρυωτικό κύπαρο κατα βρόχθισε έναν αερόβιο προκαρυώτη. Πιστεύε ται ότι και οι χλωροπλάστες προέκυψαν με πα
-
-
ρόμοιο τρόπο αργότερα, όταν ένα αερόβιο ευ καρυωτικό κύπαρο καταβρόχθισε έναν φωτο
συνθετικό προκαρυώτη. Αυτό μπορεί να εξη γήσει γιατί αυτά τα οργανίδια έχουν δύο μεμ βράνες και γιατί δεν συμμετέχουν στην μετα
φορά με κυστίδια που συνδέει πολλά άλλα εν
~ κυτταρική μεμβράνη αερόβιο προκαρυωτικό KιJπαρO
δοκυπάρια διαμερίσματα. μιτοχόνδρια
μεμβράνη προερχόμενη από ευκαρυωτικό KιJπαρO
Διαλογή ιων ~ρωIεϊνών Ένα ευκαρυωπκό κύπαρο πριν αναπαραΧθεί διαιρούμενο σε δύο θυγα τρικά κύπαρα, πρέπει να διπλασιάσει τον αριθμό των μεμβρανικών οργανι δίων που περιέχει. Ένα κύπαρο δεν μπορεί να παρασκευάσει αυτά τα οργα νίδια αρχίζοντας από το τίποτα: χρειάζεται πληροφορίες από τα ίδια τα οργα νίδια. Έτσι τα περισσότερα οργανίδια σχηματίζονται από προϋπάρχοντα ορ
γανίδια, τα οποία αυξάνουν και στη συνέχεια διαιρούνται. Καθώς αναπτύσσο νται τα κύπαρα, τα μεμβρανικά οργανίδια μεγαλώνουν με ενσωμάτωση νέων μορίων. Στη συνέχεια τα οργανίδια διαιρούνται και, κατά την κυπαρική διαί ρεση, κατανέμονται στα δύο θυγατρικά κύπαρα. Το πυρηνικό περίβλημα, το
ΕΔ και η συσκευή
Golgi
σπάΖουν σε μικρά κυστίδια τα οποία συνενώνονται
ξανά μετά το σχημαπσμό των δύο θυγατρικών κυπάρων (αναφέρεται στο Κε φάλαιο
19).
Για ν' αναπτυχθούν τα οργανίδια, χρειάΖεται να προμηθευτούν
νέα λιπίδια για την επέκταση της μεμβράνης τους και κατάλληλες πρωτε'ϊνες,
τόσο μεμβρανικές όσο και διαλυτές, που θα τοποθετηθούν στο εσωτερικό του
οργανιδίου. Ακόμα και όταν τα κύπαρα δεν διαιρούνται, οι πρωτε'ί'νες πρέπει να προστίθενται στα οργανίδια διαρκώς και με ακρίβεια, ορισμένες για ενδε χόμενη έκκριση από το κύπαρο και άλλες για ν' αντικαταστήσουν πρωτεlνες που έχουν αποδομηθεί. Επομένως, το πρόβλημα της δημιουργίας και της συ ντήρησης των μεμβρανικών οργανιδίων κυρίως ανάγεται στην καθοδήγηση και τοποθέτηση των νεοσυντιθέμενων πρωτεϊνών στο σωστό οργανίδιο.
Σε μερικά οργανίδια όπως τα μιτοΧόνδρια, οι xiΊωρoπλάστες τα υπεροξει σωμάπα και το εσωτερικό του πυρήνα, οι πρωτεlνες παραδίδονται κατευθεί αν από το κυπαροδιάλυμα. Σε άλλα, όπως η συσκευή
Golgi, τα λυσοσωμά
πα, τα ενδοσωμάπα και οι πυρηνικές μεμβράνες, οι πρωτε'ϊνες μεταφέρονται έμμεσα μέσω του ΕΔ, το οποίο είναι η σπουδαιότερη θέση σύνθεσης λιπι δίων και πρωτεϊνών. Οι πρωτε'ϊνες εισέρχονται στο ΕΔ κατευθείαν από το κυπαροδιάλυμα: μερικές κατακρατούνται στο ΕΔ αλλά οι περισσότερες με ταφέρονται με κυστίδια μεταφοράς στη συσκευή
Golgi
και στη συνέχεια σε
άλλα οργανίδια ή στην κυπαρική μεμβράνη.
Διαλογή των Πρωτεϊνών
621
Στο τμήμα αυτό θα συΖητήσουμε τους μηχανισμούς με τους οποίους οι
πρωτεΊνες εισέρχονται
ma μεμβρανικά οργανίδια απευθείας από το κυπα ροδιάΛυμα. Οι πρωτεΊνες που συντίθενται mo κυπαροδιάΛυμα αποmέλ/ο νται σε διαφορετικές τοποθεσίες μέσα mo κύπαρο σύμφωνα με την ειδική «ετικέτα αποmο!\ής» που περιέχεται mnv αλ/ηΛουΧία των αμινοξέων τους. Όταν φθάσει mn σωmή διεύθυνση η πρωτεΊνη εισέρχεται mo οργανίδιο. Οι πρωιε'ί'νες εισάγovταl στα οργανίδlO με τρεις μηχανΙσμούς Η σύνθεση όΛων σχεδόν των πρωτεϊνών ενός κυπάρου αρχίΖει
ma ριβο
σωμάτια του κυπαροδιαΛύματος. Εξαίρεση αποτεΛούν Λίγες πρωτεΊνες των μιτοχονδρίων και των χΛωροπΛαmών οι οποίες συντίθενται σε ριβοσωμάτια που βρίσκονται
mo
εσωτερικό αυτών των οργανιδίων. Εντούτοις, οι περισ
σότερες πρωτεΊνες των μιτοχονδρίων και των χΛωροπΛαmών συντίθενται
mo
κυπαροδιάΛυμα και
mn συνέχεια εισάγονται Η τύχη ενός πρωτεϊνικού μο ρίου που έχει συντεθεί mo κυπαροδιάΛυμα εξαρτάται από την αλ/ηΛουΧία των αμινοξέων, η οποία πολ/ές φορές περιέχει ένα σnμα διαflογnς (sorting signal) που κατευθύνει την πρωτεΊνη mo οργανίδιο που τη χρειάΖεταΙ. Οι πρωτεΊνες που δεν περιέχουν τέτοια σήματα παραμένουν μόνιμα mo κυπα ροδιάΛυμα, ενώ αυτές που περιέχουν ένα σήμα διαΛογής μετακινούνται από το κυπαροδιάΛυμα
mo κατάλ/ηΛο οργανίδιο. Διαφορετικά σήματα διαΛογής κατευθύνουν τις πρωτεΊνες mov πυρήνα, ma μιτοΧόνδρια, mους χΛωροπΛά mες (ma φυτά), ma υπεροξεισωμάτια και mo ΕΔ. Ένα γενικό πρόβΛημα για ένα μεμβρανικό οργανίδιο που δέχεται μια πρωτεΊνη από το κυπαροδιάΛυμα ή από ένα άλ/ο οργανίδιο είναι η μεταφο ρά της πρωτεΊνης διαμέσου της μεμβράνης του, η οποία κανονικά είναι α
διαπέραmη από τα υδρόφιΛα μακρομόρια. Αυτό επιτυγΧάνεται με διαφορε
τικούς τρόπους για τα διάφορα οργανίδια, που όΛοι απαιτούν παροχή ενέρ γειας.
1. Οι πρωτε'ϊvες
που μετακινούνται από το κυπαροδιάΛυμα
mov πυρήνα
με
ταφέρονται διαμέσου των πυρηνικών πόρων που διαπερνούν την εσωτε ρική και την εξωτερική πυρηνική μεμβράνη. Οι πόροι Λειτουργούν OQV ε
πιΛεκτικές πύΛες, οι οποίες ενεργά μεταφέρουν συγκεκριμένα μακρομό ρια ενώ επιτρέπουν την εΛεύθερη διάχυση μικρότερων μορίων (μηχανι σμός
2.
1 της Εικόνας 15-5).
Οι πρωτεΊνες που κινούνται από το κυπαροδιάΛυμα δρια, mους χΛωροπΛάmες ή
mo ΕΔ, ma μιτοΧόν
ma υπεροξεισωμάτιαμεταφέρονται διαμέ
σου της μεμβράνης του οργανιδίου με μεraθέτες πρωτεϊvώv (protein
translocators)
που βρίσκονται
mn
μεμβράνη: Αντίθετα από τη μεταφορά
διαμέσου των πυρηνικών πόρων, το μεταφερόμενο πρωτεϊνικό μόριο ο φείλει συνήθως ν' αποδιαταχθεί για να γΛιmρήσει διαμέσου της μεμβρά νης (μηχανισμός
μοιους μεταθέτες
3.
2 mnv Εικόνα 15-5). Τα βακτήρια έχουν επίσης πρωτεϊνών mnv κυπαρική μεμβράνη τους.
παρό
Οι πρωτεΊνες που μετακινούνται από το ΕΔ προς την περιφέρεια και από έ να διαμέρισμα του ενδομεμβρανικού συmήματος σ' ένα άλ/ο μεταφέρο νται μ' ένα μηχανισμό που διαφέρει πολύ από τους άλ/ους δύο. Οι πρω-
622
Κεφάλαιο 15: Ενδοκυττάρια Διαμερίσματα και Μεταφορά
Εικόνα πυρήνας
G)
~ χλωροπλάστης
που περιβάλλονται από μεμβράνη. Η πρω στάδια μεταφοράς με τους μηχανισμούς
J
ΠΥΡΗΝΙΚΩΝ
1 και
3, αλλά συνήθως αποδιατάσσεται στον μηχα
ΠΟΡΩΝ
νισμό
2, Όλες
αυτές οι διαδικασίες απαιτούν
ενέργεια,
~.·o
0"'0·0
~ o •• ~ πρω;είνες που συντιθενταιστο
μιτοχόνδριο
κύριοι μηχανισμοί με τους
τείνη διατηρεί την διαμόρφωσή της κατά τα
Μ ΕΤΑΦΟ ΡΑ ΔΙΑΜΕΣΟΥ
~Θ
15-5. Τρεις
οποίους εισάγουν πρωτε'ίνες τα οργανίδια
o
Μ ΕΤΑΦΟ ΡΑ ΔΙΑΜΕΣΟΥ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ
KUΤΤαΡOδιάλυμα
υπερo~:: •
/
) ΕΔ
Θ
Μ ΕΤΑΦΟ ΡΑ ΜΕ ΚΥΣΤΙΔΙΑ
τε'ί'νες μεταφέροντω με KυσrIδlO μεταφοράς
(transport vesicles)
τα οποία
KoυβαiΊoύν ένα φορτίο πρωτεϊνών από τον εσωτερικό χώρο ή τον αυΛό
(lumen) ενός διαμερίσματος,
καθώς αποκόπτοντω από την μεμβράνη του.
Τα Kυσrίδια οιη συνέχεια ξεφορτώνουν το φορτίο τους οιο δεύτερο διαμέ ρισμα μετά από σύντηξη με τη μεμβράνη του (μηχανισμός
15-5).
3 οιην Εικόνα
Κατά τη διαδικασία αυτή, μεμβρανικά iΊιπίδια κω πρωτε'ί'νες μετα
φέρονται επίσης από το πρώτο διαμέρισμα οιο δεύτερο.
Οι σημαιοδοτικές αλληλουΧίες κατευθύνουν τις πρωτε'ί'νες
στο σωστό διαμέρισμα Στις πρωτε'ί'νες, το χαρακτηριοιικό σήμα δlαiΊoγής είναι μια συνεΧής σει
ρά αμινοξέων μήκους
(signal sequence)
15-60 αμινοξέων.
Αυτή η σnμaτoδoτική αλ/nλoυXΊα
συχνά (αiΊiΊά όχι πάντα) αφαιρείται από την πρωτε'ί'νη μετά
την πραγματοποίηση της διαiΊoγής. Μερικές από τις σηματοδοτικές αiΊiΊη
iΊoυxίες που καθορίΖουν διάφορους προορισμούς οιο κύπαρο αναγράφο
ντω σroν Πίνακα
15-3.
Οι σηματοδοτικές αiΊiΊηiΊoυxίες είνω απαραίτητες ΚΟΙ επαρκείς για την
κατεύθυνση μιας πρωτε'ί'νης προς ένα συγκεκριμένο οργανίδιο. Αυιό έχει α ποδεΙΧθεί με πειράματα σrα οποία η αiΊiΊηiΊoυxία αφαιρείται ή μεταφέρεται α πό μια πρωτεΊνη σε μια άiΊiΊη με τεχνικές γενετικής μηχανικής (αναφέρονται
σro KεφάiΊOIo
10).
Για παράδειγμα, η αφαίρεση μιας σηματοδοτικής αiΊiΊη
iΊoυxίας από μια πρωτε'ί'νη του ΕΔ, τη μετατρέπει σε πρωτε'ί'νη του κυπαρο διαiΊύματoς, ενώ η προσθήκη μιας σηματοδοτικής αiΊiΊηiΊoυxίας του ΕΔ οιο
Διαλογή των Πρωτεϊνών
623
Πίνακας
15-3. Μερικές
χαρακτηριστικές σηματοδοτικές αλληλουχίες.
Λειτουργία του σήματος
Παράδειγμα σηματοδοτικής αλληλουχίας
Είσοδος στο ΕΔ
+H 3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-ValGly-Ile-Leu-Phe- Τ rp-Ala-Th r-Glu-Ala-Glu-GIn-LeuThr-Lys-Cys-Glu-Val-Phe-Gln-
Συγκράτηση στον αυλό του ΕΔ
-Lys-Asp-Glu-Leu-COO'
Είσοδος στα μιτοχόνδρια
+H 3 N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-lle-Arg-PhePhe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-SerArg-Tyr-Leu-Leu-
Είσοδος στον πυρήνα
-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-
Είσοδος στα υπεροξεισωμάτια
-Ser-Lys-Leu-
Τα θετικά φορτισμένα αμινοξέα φαίνονται κόκκινα και τα αρνητικά φορτισμένα αμι νοξέα φαίνονταιμπλε. Ένα εκτεταμένο κομμάτι με υδρόφοβα αμινοξέα εσωκλείεται
σ' ένα κίτρινο κοuτί. Το +Η 3 Ν υποδηλώνει το αμινοτελικό άκρο μιας πρωτεΊνης, το
COO' υποδηλώνει το καρβοξυτελικό άκρο. Το σήμα κατακράτησης του ΕΔ συνήθως
αναφέρεται με τη μονογραμματική σύντμησή του, ΚDΕι.
άκρο μιας πρωτεΤνης του κυπαροδιαλύματος οδηγεί την πρωτεΙνη στο ΕΔ
(Εικόνα
15-6). Οι σηματοδοτικές
αλ/ηλουΧίες που καθορίΖουν τον ίδιο προ
ορισμό μπορεί να ποικίΛλουν πολύ μεταξύ τους μολονότι έχουν την ίδια λει τουργία: ΟΙ φυσικές ιδιότητες όπως η υδροφοβικότητα ή η θέση των φορτι
σμένων αμινοξέων συχνά είναι πολύ πιο σημαVΤΙKές για τη λειτουργία τους από την ακριβή αλ/ηλουΧία των αμινοξέων.
Οι πρωτεΊ'νες εισέρχονται σιον πυρήνα μέσω των πυρηνικών πόρων Το πυρηνικό περίΒλημα περικλείει το πυρηνικό ΟΝΑ και οριοθετεί το διαμέρισμα του πυρήνα. Σχηματίζεται από δύο OμόKεVΤρες μεμβράνες. Η ε-
Εικόνα
15·6. Οι σηματοδοτικές αλληλουχίες
και ο ρόλος τους στη διαλογή των πρωτεϊνών. (Α) Οι πρωτεΊνες που προορίζονται για το ΕΔ περιέχουν μια αμινοτελική σηματοδοτική αλλη λουχία που τις κατευθύνει στο οργανίδιο αυτό, ενώ οι πρωτεΊνες που προορίζονται να παρα μείνουν στο κυπαροδιάλυμα δεν έχουν αυτή την αλληλουχία.
(8)
πρωτεινη του ΕΔ μετά από αφαίρεση της σημaτoδOΤΙKής
πρωτεινη KUΠαΡOδιαλύματoς (χωρίς σηματοδοτική αλληλουχία)
αλληλουχίας
επισύναψη σήματος για το ΕΔ σε μια
πρωτεινη του KUΠαΡOδιαλύματoς
•
Στο πείραμα που εικονο
γραφείται, χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές ανα
συνδυασμένου DΝΑ και προσαρτήθηκε μια ση ματοδοτική αλληλουχία για το ΕΔ σε μια πρω τεωη του κυπαροδιαλύματος, ενώ αφαιρέθη κε η σηματοδοτική αλληλουχία από μια πρω
τεΊνη του ΕΔ. Σε κάθε περίmωση η τροποποιη μένη πρωτεΊνη κατέληξε σε λάθος τοποθεσία μέσα στο κύπαρο, υποδηλώνοντας ότι η σημα τοδοτική αλληλοοχία είναι απαραίτητη και ικα
πρωτεινη
σηματοδοτική αλληλουχία
του ΕΔ
για το ΕΔ
(Α)
ΚΑΝΟΝΙΚΕΣ ΑΜΗΛΟΥΧΙΕΣ
νή για να κατευθύνει μια πρωτεΊνη στο ΕΔ.
624
Κεφάλαιο 15: Ενδοκυττάρια Διαμερίσματα και Μεταφορά
πρωτεινη KUΠαΡOδιαλύματoς με σηματοδοτική αλληλουχία για το ΕΔ (Β)
ΑΝΤΑΜΑΓΗ ΣΗΜΑΤΟΔΟTlΚΩΝ ΑΜΗΛΟΥΧΙΩΝ
σωτερική πυρηνική μεμβράνη περιέχει πρωτεΊνες που δρουν ως θέσεις
πρόσδεσης των χρωμοσωμάτων (αναφέρεται στο KεφάiΊαιo
vικού υμέvα
(nuclear !amina),
5) και του nupn-
πυρηνικό
ενός δικτύου πρωτεϊνικών ινιδίων που επεν
περίβλημα .
δύει την εσωτερική πiΊευρά της μεμβράνης και παρέχει μια άκαμmη δομική
υποστήριξη στο πυρηνικό περίβiΊημα (αναφέρεται στο KεφάiΊαιo
7).
πυρηνΙK~ς αυλος
Η σύ
σταση της εξωτερικής μεμβράνης μοιάΖει πoiΊύ με αυτή της μεμβράνης του ΕΔ, με την οποία είναι συνεχόμενη (Εικόνα
Ι
~~ω:~~~; μεμβράνη
εσωτεΡΙK~ πυρηνικη
μεμβράνη
μεμβράνη ΕΔ
\
αυλός ΕΔ
15-7).
Σε όiΊα τα ευκαρυωτικά κύπαρα, το πυρηνικό περίβiΊημα είναι διάτρητο α πό πυρηνικούς πόρους, οι οποίοι σχηματίΖουν τις πύiΊες μέσα από τις οποίες όiΊα τα μόρια εισέρχονται ή εξέρχονται από τον πυρήνα. Η διακίνηση γίνεται
και προς τις δύο κατευθύνσεις διαμέσου των πόρων: καινούργια πρωτεϊνικά μόρια από το KυπαρoδιάiΊυμα με προορισμό τον πυρήνα εισάγονται, ενώ μό ρια
RNA που συντίθενται
στον πυρήνα και ριβοσωμικές υπομονάδες που συ
ναρμoiΊoγoύνται στον πυρήνα, εξάγονται Μόρια αγγεiΊιoφόρoυ
RNA τα
πυρηνικός
ο
πόρος
ποία είναι ατεiΊώς συρραμμένα δεν εξάγονται από τον πυρήνα, γεγονός που
Εικόνα
υπoδηiΊώνει ότι η πυρηνι~ή μεταφορά iΊειτoυργεί και ως τεiΊΙKό στάδιο ποιο
πλό μεμβρανικό περίβλημα είναι διάτρητο από
τικού εiΊέγxoυ κατά τη διαδικασία της σύνθεσης του γασίας του (αναφέρθηκε στο KεφάiΊαιo
mRNA και της
επεξερ
7).
100 διαφορετικές
πυρηνικό περίβλημα. Το δι
τους πυρηνικούς πόρους. Η εξωτερική μεμ βράνη αποτελεί συνέχεια της μεμβράνης του ΕΔ. Τα ριβοσωμάτια, που κανονικά προσδένο
Ο πυρηνικός πόρος είναι μια μεγάλη και περίπiΊOKη δομή που απoτεiΊεί
ται περίπου από
15-7. Το
πρωτεΊνες (Εικόνα
15-8). Κάθε πόρος
πε
νται στην επιφάνεια του ΕΔ που εκτίθεται στο κυπαρόπλασμα και στην εξωτερική πυρηνική
μεμβράνη, δεν έχουν σχεδιαστεί.
ριέχει έναν ή περισσότερους υδρόφιiΊoυς διαύiΊoυς μέσω των οποίων μικρά υδατoδιαiΊυτά μόρια διακινούνται εiΊεύθερα και μη επιiΊεKΤΙKά μεταξύ του πυ ρήνα και του KυπαρoδιαiΊύματoς. Όμως, μεγαiΊύτερα μόρια (όπως τα
RNA
και οι πρωτεΊνες) και μακρομοριακά σύμπiΊOKα δεν μπορούν να περάσουν, εκτός εάν περιέχουν το KατάiΊiΊηiΊo σήμα διαiΊoγής. Η σηματοδοτική αiΊiΊη
iΊoυxία που ονομάΖεται σnμα πυρnvικού εvrοπισμού
nal)
(nuclear localization sig-
κατευθύνει μια πρωτεΊνη από το KυπαρoδιάiΊυμα προς το εσωτερικό του
πυρήνα και απoτεiΊείται από μια ή δύο βραχείες αiΊiΊηiΊoυxίες που περιέχουν
αρκετές θετικά φορτισμένες iΊυσίνες και αργινίνες (βiΊ. Πίνακα
15-3).
Η αρχική αiΊiΊηiΊεπίδραση μιας νεοσυντιθέμενης υποψήφιας πυρηνικής
πρωτεΊνης με τον πυρηνικό πόρο χρειάΖεται την βοήθεια και άiΊiΊων πρωτεϊ
νών από το KυπαρόπiΊασμα. Αυτές οι πρωτεΊνες του KυπαρoδιαiΊύματoς που ονομάΖΟνται πυρnvικοί υποδοχείς εισαγωγnς
(nuclear import receptors)
προσδένονται στο σήμα πυρηνικού εντοπισμού και κατευθύνουν την πυρηνι κή πρωτεΊνη προς τον πόρο αiΊiΊηiΊεπιδρώντας με τα ινίδια του πυρηνικού πό ρου (Εικόνα
15-9). Τότε η υποψήφια
πυρηνική πρωτεΊνη μεταφέρεται ενεργά
μέσα στον πυρήνα με μια διαδικασία η οποία χρησιμοποιεί την ενέργεια της
υδρόiΊυσης του
GTP. Στο κέντρο του πυρηνικού
πόρου υπάρχει μια δομή που
iΊειτoυργεί σαν ένα σφιχτά προσαρμοσμένο διάφραγμα: ανοίγει ακριβώς τό σο όσο χρειάΖεται για τη διέiΊευση του πρωτεϊνικού συμπiΊόKOυ. Στη συνέχεια, οι πυρηνικοί υποδοχείς εισαγωγής επιστρέφουν στο KυπαρoδιάiΊυμα διαμέ σου του πυρηνικού πόρου για να ξαναχρησιμοποιηθούν (Εικόνα
15-9).
Ο
χειρισμός αυτής της «μοριακής πύiΊης» με την οποία αντiΊoύνται μακρομόρια
και προς τις δύο κατευθύνσεις διαμέσου του πόρου παραμένει άγνωστος. Οι πυρηνικοί πόροι μεταφέρουν πρωτεΊνες με πiΊήρως πτυχωμένη τη δια-
Διαλογή των Πρωτεϊνών
625
Εικόνα
15·8.
Το σύμπλοκο του πυρηνικού
πόρου. (Α) Σχεδιάγραμμα μιας μικρής περιο εξωτερική
χής του πυρηνικού περιβλήματος με δύο σύ
πυρηνική
μπλοκα του πόρου. Κάθε σύμπλοκο αποτελεί
Υ μεμβράνη
ται από ένα μεγάλο αριθμό διακριτών πρωτε'ί νικών υπομονάδων. Πρωτε'ίνικά ινίδια προεξέ
χουν και από τις δύο πλευρές του συμπλόκου:
ΚΥΠΑΡΟΔIΜγΜΑ
στην πυρηνική πλευρά συγκλίνουν για να σχη
πυρηνικό
ματίσουν μια δομή κλωβού. Η απόσταση ανά
]
μεσα στα ινίδια είναι αρκετά μεγάλη και έτσι δεν παρεμποδίζεται η πρόσβαση στους πό ρους.
(8)
Ηλεκτρονιομικρογραφία μιας περιο
χής του πυρηνικού περιβλήματος που δείχνει
υπομονάδα στήλης
μια πλευρική όψη δυο πυρηνικών πόρων. (Γ) Ηλεκτρονιογραφία μιας πρόσοψης συμπλό κων του πυρηνικού πόρου (οι μεμβράνες έ χουν εκχυλιστεί με απορρυπαντικό). άδεια του του Αοπ
Werner W. Franke, Milligan).
(8, με την
Γ. με την άδεια
περίβλημα
πυρηνικό «κλουβί"
0.1
(Α)
μm
Kuτταρoδιάλυμα
-.~
ι
.J
(Β)
0.1
~ 0.1 μm
~
L-J
υποψήφια
πυρηνική πρωτείνη
ινίδια πυρηνικού πόρου
Εικόνα
15·9. Σχηματική αναπαράσταση του μηχανισμού της ενεργού μεταφοράς μέσω πυρηνικών πόρων. Αρχικά, στην υποψήφια πυρηνική πρωτεΊνη προσδένονται εξειδικευ μένες πρωτεΊνες του κυπαροδιαλύματος που ονομάζονται υποδοχείς πυρηνικής μεταφο ράς. Το σύμπλοκο οδηγείται στον πυρηνικό πόρο από ινίδια που προεξέχουν από τον πόρο προς το KUΠαΡOδιάλυμα. Η πρόσδεση της πυ ρηνικής πρωτεΊνης στον πόρο προκαλεί το ά
νοιγμά του και η πυρηνική πρωτεΊνη μαζί με τον υποδοχέα μεταφέρονται ενεργά μέσα στον πυρήνα. Στη συνέχεια, οι υποδοχείς εξά γονται μέσω των πόρων προς το κυπαρόπλα σμα για να ξαναχρησιμοποιηθούν.
626
Κεφάλαιο 15: Ενδοκυττάρια Διαμερίσματα και Μεταφορά
μm
μόρφωσή τους και τα ριβοσωμαηκά συσταηκά ως συναρμολογημένα σωμα
Ερώτηση 15-2
τίδια. Αυτό διαφοροποιεί τον μηχανισμό μεταφοράς στον πυρήνα από τους
Γιατί τα ευκαρυωτικά κύπα
μηχανισμούς μεταφοράς πρωτεϊνών σε άλ/α οργανίδια. Οι πρωτε'ί'νες πρέ
ρα χρειάΖΟνται έναν πυρή
πει ν' αποδιαταχθούν (να ξεδιπλωθούν) κατά τη διάρκεια της μεταφοράς
να οργανωμένο ως ξεχωρι
τους διαμέσου των μεμβρανών σε άλ/α οργανίδια, όπως τα μιτοΧόνδρια, οι
στό οργανίδιο, ενώ τα προ·
χλωροπλάστες και το ΕΔ, στα οποία θα αναφέρουμε αργότερα. Πολύ λίγα εί
καρυωηκά κύπαρα τα κατα·
ναι Υνωστά για τον τρόπο μεταφοράς πρωτεϊνών στα υπεροξεισωμάηα και
φέρνουν εξίσου καλά χωρίς
δεν θ' αναφερθούμε περισσότερο σε αυτά τα οργανίδια.
πυρήνα;
•,
Οι πρωτε'ί'vες ξεδιπλώvουv npIV εισέλθουv στα μΙΤΟΧόvδριο και στους χλωροπλάστες Τα μιτοΧόνδρια και οι χλωροπλάστες περιβάλ/ονται από μια εσωτερική και μια εξωτερική μεμβράνη και έχουν εξειδικευθεί στη σύνθεση του ΑΤΡ. Οι χλωροπλάστες περιέχουν και ένα τρίτο μεμβρανικό σύστημα, τη θυλακοειδή
μεμβράνη (αναφέρεται στο Κεφάλαιο
14).
Παρόη και τα δύο οργανίδια πε
ριέχουν το δικό τους γονιδίωμα και συνθέτουν μερικές από ης πρωτε'ί'νες τους, οι περισσότερες πρωτε'ϊνες των μιτοχονδρίων και των χλωροπλαστών
κωδικοποιούνται από γονίδια του πυρήνα και εισάγονται από το κυπαροδιά λυμα. Οι πρωτε'ί'νες αυτές συνήθως έχουν μια σηματοδοηκή αλ/ηλουΧία στο αμινοτελικό άκρο, που ης επιτρέπει να εισέρχονται είτε στο μιτοΧόνδριο είτε
στον χλωροπλάστη. Η πρωτε'ί'νη μετατοπίΖεται ταυτόχρονα διαμέσου της εξω τερικής και της εσωτερικής μεμβράνης σε συγκεκριμένες θέσεις όπου οι δύο μεμβράνες εφάπτονται μεταξύ τους. Η πρωτε'ί'νη ξεδιπλώνει κατά τη διάρκεια της μετατόπισης και η σηματοδοηκή αλ/ηλουΧία αποκόπτεται μετά την ολο
κλήρωση της μετατόπισης (Εικόνα
15-10). Στο εσωτερικό (chaperone proteins) (αναφέρονται στο
των οργανιδίων
πρωτεΊνες συνοδοί
Κεφάλαιο
4)
έλ
κουν την πρωτεΊνη από ης δύο μεμβράνες και βοηθούν στην επαναδιάταξή
της όταν περάσει μέσα. Η μετέπειτα μεταφορά σε μια συγκεκριμένη θέση μέ σα στο οργανίδιο, όπως στην εσωτερική ή στην εξωτερική μεμβράνη των μι τοχονδρίων ή στη θυλακοειδή μεμβράνη των χλωροπλαστών, συνήθως προ
ϋποθέτει την ύπαρξη περισσότερων σημάτων διαλογής στην πρωτε'ί'νη, τα ο ποία συχνά αποκαλύπτονται μετά την αφαίρεση της πρώτης σηματοδοηκής
αλ/ηλουχίας. Η διείσδυση διαμεμβρανικών πρωτεϊνών στην εσωτερική μεμ-
Εικόνα 15-10. Εισαγωγή πρωτεϊνών στα μιτο χόνδρια. Η σηματοδοτική αλληλουχία αναγνω ρίζεται από έναν υποδοχέα της εξωτερικής
c= ~~ ,":=:::":':,η ΜΤΑΡΟΔIΑΛγΜΑ
μεταθέτης πρωτείνη ς
=:'
~ -~ πρόδρ.ομη υποδοχέας πρωτεινη
~~ ΜΙ;Ο'ΟΝΔΡΙΑΛΟΠΡΩΜΑ ~
&. τ ,..
ρ<> Ο'!
ώριμη πρωτείνη
κομμένη αημαΤΟδοτική αλληλουχία
μεμβράνης του μιτοχονδρίου. Το σύμπλοκο του υποδοχέα με την προσδεδεμένη πρωτεΊνη
διαχέεται εγκάρσια στη μεμβράνη μέχρι να φτάσει στη θέση επαφής των δύο μεμβρανών, όπου η πρωτεΊνη μετατοπίζεται διαμέσου και των δύο μεμβρανών (εσωτερικής και εξωτερι κής) με τη βοήθεια μιας πρωτεΊνης μετατόπι σης. Η σηματοδοτική αλυσίδα αποκόmεται μέ σα στο οργανίδιο από μια πεmιδάση του σήμα τος. Οι πρωτεΊνες εισάγovται στους χλωρο πλάστες με παρόμοιο μηχανισμό. Οι πρωτεΊνες
συνοδοί που τραβούν την πρωτεΊνη από τις μεμβράνες και τη βοηθούν ν' ανακτήσει τη δια μόρφωσή της δεν φαίνovται στο σχέδιο.
Διαλογή των Πρωτεϊνών
627
βράνη, για παράδειγμα, καθοδηγείται από σηματοδοτικές αλ/ηλουΧίες της πρωτεΊνης οι οποίες ξεκινούν και σταματούν τη διαδικασία μεταφοράς δια μέσου της μεμβράνης. Η διαδικασία αυτή θα περιγραφεί αργότερα για τη δι
είσδυση των διαμεμβρανικών πρωτεϊνών στην μεμβράνη του ΕΔ.
Η αύξηση και συντήρηση των μιτοχονδρίων και των χλωροπλαστών, εκτός από την εισαγωγή νέων πρωτεϊνών στις μεμβράνες τους, χρειάΖεται επιπλέον
και την προσθήκη νέων λιπιδίων. Πιστεύεται ότι τα περισσότερα μεμβρανlκά φωσφολιπίδια εισάγονται από το ΕΔ, το οποίο αποτεΛεί και την κυριότερη θέ
ση σύνθεσης Λιπιδίων στο κύπαρο. Κάθε φωσφοΛιπίδιο ξεχωριστά μεταφέρε ται στα οργανίδια αυτά με υδατοδιαΛυτές πρωτε'ίνες που προσλαμβάνουν ένα φωσφοΛιπιδικό μόριο από μια μεμβράνη και το μεταφέρουν σε μια άλλη. Αυ
τές οι πρωτεΊνες διασφαλίΖουν ότι οι διαφορετικές μεμβράνες του κυπάρου θα διατηρούν τη χαρακτηριστική σύστασή τους σε Λιπίδια.
Οι πρωτε'ί'νες εισέρχονται
mo ενδοπλασμαηκό δίκτυο κατά τη
διάρκεια της σύνθεσής τους Το ενδOnλασματΙKό δίκruo (ΕΔ) είναι το πλέον εκτεταμένο μεμβρανικό σύστημα σ' ένα ευκαρυωτικό κύπαρο (Εικόνα 15-11Α) και, σε αντίθεση με τα οργανίδια που αναφέρθηκαν νωρίτερα, αποτεΛεί το σημείο εισόδου των πρωτεϊνών που προορίΖΟνται για άλ/α οργανίδια αλ/ά και για το ίδιο το ΕΔ.
ΌΛες οι πρωτεΊνες με προορισμό τη συσκευή
Golgi, τα
ενδοσώματα και τα
Λυσοσωμάτια καθώς επίσης και πρωτε'fνες που προορίΖΟνται για την κυπαρι κή επιφάνεια πρώτα εισέρχονται από το κυπαρόπΛασμα στο ΕΔ. Όιον μπουν στο ΕΔ ή στη μεμβράνη του ΕΔ, κατά τη διάρκεια της συνεΧΙΖόμενης μετακί
νησής τους οι πρωτε'ίνες δεν θα επανέΛθουν στο κυπαροδιάΛυμα. Θα μετα
φερθούν με κυστίδια μεταφοράς από οργανίδιο σε οργανίδιο και, σε μερι κές περιπτώσεις, από ένα οργανίδιο στην κυπαρική μεμβράνη.
Δύο είδη πρωτεϊνών μεταφέρονται από το κυπαροδιάΛυμα στο ΕΔ:
1)
οι
υδατοδιαΛυτές πρωτεΊνες μετατοπίΖΟνται πΛήρως διαμέσου της μεμβράνης του ΕΔ και aπεΛευθερώνoνται στον αυλό του ΕΔ,
2)
οι υποψήφιες διαμεμ
βρανικές πρωτεΊνες μετατοπίΖΟνται μερικώς στην μεμβράνη του ΕΔ και εν
σωματώνονται σε αυτήν. Οι υδατοδιαΛυτές πρώτεΊνες προορίΖονται είτε για έκκριση (με απεΛευθέρωση από την κυπαρική επιφάνεια) είτε για τον αυλό ενός άλ/ου οργανιδίου. Οι διαμεμβρανικές πρωτε'ίνες προορίΖΟνται να πα ραμείνουν στη μεμβράνη του ΕΔ, στη μεμβράνη ενός άλ/ου οργανιδίου ή
στην κυπαρική μεμβράνη. ΌΛες αυτές οι πρωτεΊνες κατευθύνονται αρχικά στο ΕΔ μέσω μιας σnματοδοrικής αΛΛnΛουχιας για το ΕΔ
quence),
(ER signal se-
δηΛαδή ένα τμήμα οκτώ ή περισσότερων υδρόφοβων αμινοξέων
(βΛ. Πίνακα
15-3), το
οποίο συμμετέχει επίσης στη διαδικασία μετατόπισης
διαμέσου της μεμβράνης.
Αντίθετα από τις πρωτεΊνες που εισέρχονται στον πυρήνα, στα μιτοΧόν δρια, στους χλωροπΛάστες και στα υπεροξεισωμάτια, οι περισσότερες πρω τεΊνες που εισέρχονται στο ΕΔ αρχίΖουν να διαπερνούν την μεμβράνη του
ΕΔ πριν οΛοκληρωθεί η σύνθεση της ποΛυπεπτιδικής αΛυσίδας τους. Αυτό σημαίνει ότι το ριβοσωμάτιο που συνθέτει την πρωτε'ίνη είναι προσκολ/ημέ-
628
Κεφάλαιο 15: Ενδοκυττάρια Διαμερίσματα και Μεταφορά
Εικόνα
15-11. Ενδοπλασματικό
δίκτυο. (Α) Μικρογραφία φθορισμού ζωντανών φυτικών κυπάρων στα οποία το ΕΔ φαίνεται σαν πολύπλο
κο δίκτυο φύλλων και σωλήνων. Με τεχνικές γενετικής μηχανικής τα κύπαρα έχουν τροποποιηθεί ώστε να περιέχουν μια φθορίζουσα πρω τείνη στο ΕΔ τους. Οι φωτεινές ελλείψεις είναι οι χλωροπλάστες. (Β) Ηλεκτρονιογραφία του αδρού ΕΔ σ' ένα κύπαρο από το πάγκρεας σκύ λου. Το πάγκρεας παράγει και εκκρίνει μεγάλες ποσότητες πεmικών ενζύμων. Το κυπαροδιάλυμα είναι γεμάτο από πυκνοστοιβαγμένα φύλλα του ΕΔ διάστικτα με ριβοσώματα. Στο πάνω και αριστερό άκρο της εικόνας φαίνεται ένα τμήμα του πυρήνα και το πυρηνικό περίβλη μα. Σημειώστε ότι η εξωτερική μεμβράνη του πυρήνα που συνέχεται με τη μεμβράνη του ΕΔ είναι επίσης διάστικτη με ριβοσωμάτια. (Α. με την άδεια του Jim Haseloft, Β. με την άδεια του Lθlίο Orci).
νο στη μεμβράνη του ΕΔ. Τα ριβοσωμάτια αυτά που συνδέονται με τη μεμ βράνη καλύmουν την επιφάνεια του ΕΔ, δημιουργώντας πεΡΙΟΧές που ονο
μάΖΟνται αδρό ΕVδOMασμαΤΙKό δίκτυο λόγω της χαρακτηριστικής εικόνας που εμφανίΖουν στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο (Εικόνα
15-118).
Επομένως υπάρχουν δύο διαφορετικοί πληθυσμοί ριβοσωματίων στο κυπαροδιάλυμα. Τα μεμΒρανικά ριΒοσωμάτια είναι προσκολ/ημένα στην πλευρά της μεμβράνης του ΕΔ (και στην εξωτερική πυρηνική μεμβράνη) που
εφάπτεται με το κυπαροδιάλυμα και συνθέτουν τις πρωτεΤνες που θα μετατο πιστούν στο εσωτερικό του ΕΔ. Τα εΛεύθερα ριΒοσωμάτια δεν συνδέονται με καμιά μεμβράνη και συνθέτουν όλες τις άλλες πρωτεΤνες που κωδικοποιού νται από το πυρηνικό ΟΝΑ. Τα μεμβρανικά και τα ελεύθερα ριβοσωμάτια εί
ναι δομικά και λειτουργικά πανομοιότυπα: διαφέρουν μόνο ως προς το εί δος των πρωτεϊνών που συνθέτουν σε μια δεδομένη στιγμή. Όταν ένα ριβο σωμάτιο συνθέτει μια πρωτεΤνη που περιέχει σηματοδοτική αλ/ηλουΧία για το ΕΔ, η αλ/ηλουΧία αυτή κατευθύνει το ριβοσωμάτιο στη μεμβράνη του ΕΔ. Όταν μεταφράΖεται ένα μόριο
mRNA,
πολ/ά ριβοσωμάτια προσκολ/ώνται
σε αυτό και σχηματίΖουν ένα ποΛυριΒοσωμάτιο (αναφέρεται στο Κεφάλαιο
7).
Στην περίπτωση της μετάφρασης ενός μορίου
mRNA που
κωδικοποιεί
μια πρωτεl\ιη με σηματοδοτική αλ/ηλουΧία για το ΕΔ, το πολυριβοσωμάτιο
Διαλογή των πρωτεϊνών
629
•,
Ερώτηση
15-3
καθηλώνεται αη μεμβράνη του ΕΔ από την αυξανόμενη πολυπεπτιδική αλυ
Εξηγείαε πώς ένα μόριο
RNA
m-
σίδα η οποία αρχίΖει να εισχωρεί αη μεμβράνη του ΕΔ (Εικόνα
15-12).
παραμένει προσκολ
λημένο αη μεμβράνη του
ΕΔ ενώ τα ριβοσώματα που το μεταφράΖουν απελευθε ρώνονται και ενώνονται με
τα υπόλοιπα ριβοσώματα του κυπαρο
διαλύματος μετά από κάθε κύκλο μετά φρασης.
Οι διαλυτές πρωτεΙνες απελευθερώνονται στον αυλό του ΕΔ Η σηματοδοτική αλ/ηλουχία για το ΕΔ οδηγείται αην μεμβράνη του ΕΔ
από δύο τουλάΧΙσΙον συαατικά: (ΣΑΣ)
1) το σωματfδlΟ αvαγvώριοnς του σήματος [signal-recognition particle (SRP)] το οποίο βρίσκεται σιο κυπαροδιά
λυμα και προσδένεται αη σηματοδοτική αλ/ηλουχία για το ΕΔ, όταν η αλ/η
λουχία εμφανίΖεται από το ριβοσωμάτιο και
receptor) ο οποίος
2) τον
υποδοχέα του ΣΑΣ
(SRP
είναι ενσωματωμένος αη μεμβράνη του ΕΔ. Η πρόσδεση
του σωματιδίου αναγνώρισης του σήματος σε μια σηματοδοτική αλ/ηλουχία προκαλεί μείωση του ρυθμού της πρωτεϊνοσύνθεσης από το ριβοσωμάτιο έ ως ότου το σύμπλοκο ριβοσωματίου-ΣΑΣ προσδεθεί σ' έναν υποδοχέα του ΣΑΣ. Μετά την πρόσδεση σΙον υποδοχέα του, το σωματίδιο αναγνώρισης του σήματος απελευθερώνεται και αρχίΖει πάλι η σύνθεση της πρωτεΙνης.
Ταυτόχρονα η πρωτεΙνη γλιαρά μέσα σΙον αυλό του ΕΔ διαμέσου ενός δι αύΛου μεraτόπιοnς ΕΔ (Εικόνα
(translocation channel)
που βρίσκεται αη μεμβράνη του
15-13). Έτσι, το ΣΑΣ και ο υποδοχέας του ΣΑΣ λειτουργούν
σαν
μοριακές «προξενήφες» που φέρνουν σ' επαφή τα ριβοσωμάτια τα οποία συνθέτουν πρωτεΙνες που περιέχουν αλ/ηλουχίες σήματος για το ΕΔ με τους
διαθέσιμους διαύλους μετατόπισης του ΕΔ.
το
mRNA που
κωδικοποιεί μια
πρωτείνη του KUΠαΡOδιαλύματoς παραμένει ελεύθερο
~-
ελεύθερο πολυριβοσωμότιο
'
5'
3'
Εικόνα
15-12.
Ελεύθερα και μεμβρανικά ρι
βοσωμάτια. Μια κοινή δεξαμενή ριβοσωμα τίων χρησιμοποιείται για τη σύνθεση τόσο των πρωτεϊνών του κυπαροπλάσματος όσο και
αυτών που μεταφέρονται σε οργανίδια που πε
κοινή δεξαμενή ριβοσωματικών υπομονόδων
ριβάλλονται από μεμβράνες, συμπεριλαμβα νομένου και του ΕΔ. Η σηματοδοτική αλληλου χία για το ΕΔ σε μια αυξανόμενη πολυπεmιδι κή αλυσίδα είναι αυτή που κατευθύνει το ριβο σωμάτιο το οποίο παρασκευάζει την πρωτεΊνη στη μεμβράνη του ΕΔ, Το μόριο του
mRNA
μπορεί να παραμένει προσδεδεμένο στο ΕΔ ως τμήμα του πολυριβοσωματίου, ενώ τα ρι
πολυριβοσωμότιο προσδεμένο στη μεμβρόνη του ΕΔ με πολλές αυξανόμενες πολυπεmιδικές
βοσωμάτια που προχωρούν κατά μήκος του
mRNA ανακυκλώνονται. Στο τέλος κάθε κύ
αλυσίδες
κλου πρωτε'ίνοσύνθεσης οι ριβοσωματικές υ
πομονάδες ελευθερώνονται και επιστρέφουν στην κοινή δεξαμενή, στο κυπαρόπλασμα,
630
Κεφάλαιο 15: Ενδοκυττάρια Διαμερίσματα και Μεταφορά
μεμβρόνη ΕΔ
Εικόνα
~ . mRNA
μ
ριβο:ω =--
σηματοδοτική αλληλουχία για το ΕΔ σε
αυξανόμενη πολυπεmιδική
15·13.
Μια σηματοδοτική αλληλουχία
για το ΕΔ και ένα σωματίδιο αναγνώρισης
σήματος (ΣΑΙ) καθοδηγούν το ριβοσωμάτιο στη μεμβράνη του ΕΔ. Το σωματίδια αναγνώ ρισης του σήματος (ΣΑΣ) προσδένεται στην
σωμαT~διo αναγνωρισης
σήματος (ΣΑΣ)
εμφανιζόμενη σηματοδοτική αλληλουχία για
το ΕΔ και στο ριβοσωμάτια, KαθυστερώVΤας έ τσι τη σύνθεση της πρωτεί\ιης από το ριβοσω
;a@~~~~?J~~~~~
::;;;ί
ΑγΛΟΣ ΕΔ
υποδοχέας ΣΑΣ της μεμβράνηςτου ΕΔ
μάτια. Στη συνέχεια το σύμπλοκο ΣΑΣ-ριβοσω ματίου προσδένεται στον υποδοχέα του ΣΑΣ
που βρίσκεται στη μεμβράνη του ΕΔ, Το ΣΑΣ
αλυσίδα
απελευθερώνεται εγKαταλείπovτας το ριβο σωμάτιο στη μεμβράνη του ΕΔ. Στη συνέχεια ένας δίαυλος μετάθεσης πρωτε'ίνών στη μεμ
Η σημα1Οδοηκή αλ/ηλουχία η οποία βρίσκετοι σχεδόν πάντοτε σΤΟ αμι
βράνη του ΕΔ εισάγει την πολυπεmιδική αλυ
νοιελικό άκρο των διαλυτών πρωιεϊνών, χρησιμεύει και σε μια επιπλέον λει
σίδα στη μεμβράνη και αρχίζει να τη μεταφέ
1Ουργία: ανοίγει 1Ον δίαυλο μετοτόπισης και παραμένει προσδεμένη, ενώ η
ρει διαμέσου της λιπιδικής διπλοστιβάδας,
υπόλοιπη πρωιε'ί'νη γλΙσΤρά μέσα σΤη μεμβράνη σαν μια μεγάλη θηλιά. Σε κάποιο σΤάδιο Της μετοτόπισης, η σημα1Οδοηκή αλ/ηλουχία αποκόmετοι α πό μια πεπηδάση του σήματος που βρίσκετοι σΤη μεμβράνη του ΕΔ σΤην πλευρά 1Ου αυλού. ΣΤη συνέχεια 10 πεπτίδιο-σήμααπελευθερώνετοιαπό 1Ον
δίαυλο μετοτόπισηςκαι αποικοδομείτοιγρήγορα σε αμινοξέα. 'ΟΤαν 10 καρ βοξυιελικό άκρο Της πρωτε'ί'νης περάσειΤη μεμβράνη, η πρωιε'ί'νη απελευθε
ρώνετοι σΤον αυλό 1Ου ΕΔ (Εικόνα 15-14).
Σήματα έναρξης και λήξης προσδιορίΖουν τη διευθέτηση μιας διαμεμ6ρανικής πρωπ'ί'νης στη λιπιδική διπλοστι6άδα Από ης πρωτε'ί'νες που εισέρχονται σΤΟ ΕΔ, μόνο μερικές απελευθερώνο
νται σΤον αυλό 1Ου ΕΔ. Άλ/ες παραμένουν ενσωματωμένες σΤη μεμβράνη 1Ου ΕΔ ως διαμεμβρανικές πρωτε'ί'νες. Η διαδικασία μετοτόπισης αυτών των πρωτεϊνών είναι πιο πολύπλοκη από Την αντίσΤοιχη των διαλυτών πρωιεϊνών επειδή μόνο μερικά ψήματο Της πολυπεπηδικής αλυσίδας πρέπει να τοπο θεΤηθούν μέσα σΤη λιπιδική διπλΟσΤιβάδα
••
.
.. }-υΠόλΟΙΠΟτης
..
πολυπεmιδικής
Εικόνα
αλυσίδας
πρωτείνης διαμέσου της μεμβράνης του ΕΔ
15·14.
Η μετατόπιση μιας διαλυτής
μέσα στον αυλό. Ένας δίαυλος μετατόπισης πρωτε'ίνών προσδένει τη σηματοδοτική αλλη
λουχία και μεταφέρει ενεργά το υπόλοιπο πο λυπεπτίδια διαμέσου της λιπιδικής διπλοστι ΚΥΠΑΡΟΔΙΜΥΜΑ
βάδας σαν θηλιά. Σε κάποια στάδια της διαδι κασίας μεταφοράς, ο δίαυλος μετατόπισης α
νοίγει πλαγίως και ελευθερώνει την σηματο δοτική αλληλουχία μέσα στη διπλοστιβάδα, ό που αποσπάται από ένα ένζυμο (μια πεmιδά
βύσ~ πεmιδάση σήματος
Ριι)2 ς)(J00H
ση σήματος). Το μεταφερόμενο πολυπεmίδια απελευθερώνεται μέσα στον αυλό του ΕΔ. Ει
κάζεται ότι μόλις συμβεί αυτό, ο ανενεργός δί αυλος κλείνει από μια πρωτεΊνη του αυλού του ΕΔ που δρα σαν βύσμα, Για λόγους ευκρίνει ας, το ριβοσωμάτιο που συνδέεται με τη μεμ βράνη έχει παραλειφθεί από αυτήν και τις δύο
επόμενες εικόνες.
Διαλογή των Πρωτεϊνών
631
Εικόνα
15-15.
Η ενσωμάτωση μιας διαμεμ
βρανlκής πρωτε'ί\ιης στη μεμβράνη του ΕΔ. Μια αμινοτελική σηματοδοτική αλληλουχία για
το ΕΔ (κόκκινη) αρχίζει τη μεταφορά όπως στην Εικόνα
15-14.
ΚΥΠΑΡΟΔΙΜΥΜΑ
Η πρωτεΊνη περιέχει επι
πλέον μια δεύτερη υδρόφοβη αλληλουχία, μια αλληλουχία λήξης της μεταφοράς (πορτοκα λί). Όταν η αλληλουχία αυτή εισέλθει στον δί αυλο μετατόπισης, ξεφορτώνει την πρωτεΊνη μέσα στη λιπιδική διπλοστιβάδα και στη συνέ χεια η αμινοτελική σηματοδοτική αλληλουχία αποκόπτεται, αφήνοντας τη διαμεμβρανική πρωτεΊνη αγκυροβολημένη στη μεμβράνη. Η σύνθεση της πρωτεΊνης στην πλευρά του κυτ ταροδιαλύματος συνεχίζεται έως ότου ολο κληρωθεί.
υδρόφοβη αλληλουχία έναρξης της μεταφοράς υδρόφοβη αλληλουχία λήξης της μεταφοράς ΑΥΛΟΣ ΕΔ
ώριμη διαμεμβρανlκή πρωτείνη στη μεμβράνη του ΕΔ
Στην απλούστερη περίπτωση, μιας διαμεμβρανικής πρωτεl\ιης με ένα μό
νο διαμεμβρανικό τμήμα, η αμινοτελική σηματοδοτική αλ/ηλουΧία αΡΧίΖει τη
μετατόπιση, ακριβώς όπως σε μια διaλυτή πρωτεΊνη. Όμως η διaδΙKασία με ταφοράς σταματά από μιa άλ/η αλ/ηλουΧία υδρόφοβων αμινοξέων, μια αίΙ
i\ni\ovxfa i\riξnς rnς μεταφοράς (stop-transfer sequence), η οποία βρίσKετaι παρακάτω μέσα στην πολυπεmιδική αλυσίδα (Εικόνα
15-15). Η δεύτερη
αλ
ληλουΧία ελευθερώνετaι από το πλάι του διαύλου μετάθεσης μέσα στη λιπιδι κή διπλοστιβάδα και σχηματίΖει ένα διαμεμβρανικό τμήμα με δομή α-έλικας το οποίο αΥκυροβολεί την πρωτεl\ιη στη μεμβράνη. ΣυΥχρόνως, η αμινοτελι κή σηματοδοτική αλ/ηλουΧία επίσης ελευθερώνετaι από τον δίαυλο μέσα στη
λιπιδική διπλοστιβάδα και αποκόπτεται Τελικά, η μετατοπισμένη πρωτεΊνη καταλήΥει ως διαμεμβρανική πρωτεΤνη που έχει εισχωρήσει στη μεμβράνη με
συΥκεκριμένο προσανατολισμό: το αμινοτελικό άκρο προς την πλευρά της λι πιδικής διπλοστιβάδας του αυλού Kaι το καρβοξυτελικό προς την πλευρά του
κυπαροδιαΜματος (Εικόνα
15-15). Όπως
αναφέρθηκε στο Kεφάλaιo
11, ό
ταν μιa διαμεμβρανική πρωτεl\ιη εισχωρήσει στη μεμβράνη, δεν αλ/άΖει προ σανατολισμό αλλά διaτηρεί τον ίδιο προσανατολισμό καθ όλη τη διάρκεια των
ΥεΥονότων που ακολουθούν, όπως η εκβλάστηση Kaι η σύντηξη. Σε μερικές διαμεμβρανικές πρωτεΤνες, Υια την έναρξη της μεταφοράς xρησιμoπoιείτaι μια εσωτερική σηματοδοτική αλ/ηλουΧία αντί μιας αμινοτε
λικής, η οποία όμως δεν αφαιρείται Αυτό συμβαίνει σε μερικές διaμεμβρα νικές πρωτεΊνες των οποίων η πολυπεπτιδική αλυσίδα διαπερνά τη λιπιδική
διπλοστιβάδα μπρος-πίσω πολ/ές φορές. Πιστεύετaι ότι σε αυτές τις περι πτώσεις, υδρόφοβες σηματοδοτικές αλ/ηλουΧίες δρουν ανά ΖεύΥη. Μια ε σωτερική σηματοδοτική αλ/ηλουΧία που oνoμάzετaι af\i\ni\ovxfa έvαρξnς rnς μεταφοράς (start-transfer
sequence)
χρησιμοποιείται Υια την έναρξη της
μετατόπισης. Η μετατόπιση συνεxίzετaι μέΧρι την αλ/ηλουΧία λήξης της με
ταφοράς. Τότε οι δύο υδρόφοβες αλυσίδες με δομή α-έλικας ελευθερώνο-
632
Κεφάλαιο 15: Ενδοκυττάρια Διαμερίσματα και Μεταφορά
Εικόνα
15-16.
Ενσωμάτωση μιας διαμεμβρα
νlκής πρωτεΤνης που διαπερνά τη μεμβράνη του ΕΔ δύο φορές. Μια εσωτερική σηματοδο τική αλληλουχία για το ΕΔ (κόκκινη) λειτουργεί ως πρώτο σήμα για να αρχίσει η μεταφορά της
πολυπεmιδικής αλυσίδας. Όταν η αλληλουχία λήξης της μεταφοράς (πορτοκαλί) εισέλθει
αλληλουχία έναρξης της μεταφοράς
στο δίαυλο μετατόπισης, ο δίαυλος απελευθε ρώνει και τις δύο αλληλουχίες πλαγίως μέσα
στη λιπιδική διπλοστιβάδα. Όμως, ούτε η αλ ληλουχία έναρξης ούτε η αλληλουχία λήξης της μεταφοράς αποκόmοvται, με αποτέλεσμα ολόκληρη η πολυπεmιδική αλυσίδα να παρα μένει αγκυροβολημένη στη μεμβράνη ως δια μεμβρανική πρωτε"tνη διπλής διάβασης. Οι
πρωτε"tνες που διαπερνούν τη μεμβράνη πε ρισσότερες φορές περιέχουν επιπρόσθετα ζεύγη αλληλουχιών έναρξης και λήξης και για κάθε ζεύγος επαναλαμβάνεται η ίδια διαδικα σία.
νωι μέσα οιη λιπιδική διπλοοιιβάδα (Εικόνα
15-16).
Σε πολύπλοκες πρω
τεΙνες που διαπερνούν τη μεμβράνη πολλές φορές συμμετέχουν περισσότε ρα Ζεύγη αλληλουχιών έναρξης και λήξης: μια αλληΛουΧία ξαναΡΧίΖει τη με
Ερώmση
ωτόπιση από ένα παρακάτω σημείο της ποΛυπεπτιδικής αΛυσίδας και μια άλ
Α. Να προβΛέψετε τον προ
15-4
Λη οιαματά τη μεωτόπιση και προκαΛεί την «απεΛευθέρωση» του ποΛυπεπτι
σανατοΛισμό
δίου. Το ίδιο επαναΛαμβάνεται για ω επόμενα ποΛυπεπτιδικά τμήμαω. Έτοι
μεμβράνη
οι πρωτεΙνες που διαπερνούν τη μεμβράνη πολλές φορές «γαΖώνονται» οιη
τεΙνης η οποία περιέχει
Λιπιδική διπΛοοιιβάδα μ' έναν μηχανισμό που μοιάΖει με τη δουλειά μιας ρα
μια εσωτερική σηματο
πτομηχανής.
δοτική αλληΛουΧία (οιην
Αφού εξετάσαμε τον τρόπο με τον οποίο οι πρωτεΙνες εισέρχονται οιον αυi\ό του ΕΔ ή ενσωματώνονται οιη μεμβράνη του ΕΔ, θα συΖητήσουμε τώ ρα πώς μεωφέρονται παραπέρα με κυοιίδια μεωφοράς.
Εικόνα
μέσα σrη
μιας
πρω
15-16 φαίνεται
•,
με κόκκινο ως
αλληΛουΧία έναρξης της μεωφοράς) αΛΛά δεν περιέχει αλληΛουΧία Λήξης της μεωφοράς.
Μειαφορά με κυοιίδια
Β. Επίσης να προβΛέψετε τον προσανα τοΛισμό οιη μεμβράνη μιας πρωτεΙνης
Η είσοδος των πρωτεϊνών οιο ΕΔ συνήθως είναι μόνο το πρώτο βήμα
η οποία είχε συντεθεί μ' ένα αμινοτε
μιας διαδρομής προς έναν άλλο προορισμό, ο οποίος, αρχικά τουΛάχιοιον,
Λικό σήμα που όμως έχει αποκοπεί.
είναι η συσκευή
Golgi. Η μεωφορά από το ΕΔ προς τη συσκευή Golgi και α Golgi σε άλλα διαμερίσμαω του ενδομεμβρανικού συοιήμα
Στη συνέχεια της αμινοξικής αλληΛου
πό τη συσκευή
Χίας υπάρχει ένα σήμα Λήξης μεωφο
τος διεκπεραιώνεωι μέσω της συνεχούς εκβΛάοιησης και σύντηξης κυστι
ράς και μετά από αυτό μια αλληΛουΧία
δίων μεταφοράς
έναρξης μεταφοράς.
(transport vesicles).
Οι διαδρομές μεωφοράς που ακοΛου
θούνται από ω κυοιίδια μεωφοράς επεκτείνονται προς ω έξω, από το ΕΔ
r. Πώς πρέπει να διευθετηθούν
οι αλλη
προς την κυπαρική μεμβράνη, και προς ω μέσα, από την κυπαρική μεμβρά
ΛουΧίες-σήματα έτοι ώσrε να εισχω
νη οια Λυσοσωμάτια. Έτοι δημιουργούνται οδοί επικοινωνίας ανάμεσα οιο
ρήσει σrη μεμβράνη μια πρωτε"fνη με
εσωτερικό του κυπάρου και το περιβάλλον του. Πολλές από τις πρωτεΙνες
περιπό αριθμό διαμεμβρανικών τμη-
και ω Λιπίδια που μεωφέρονται κατά μήκος αυτών των διαδρομών υποβάΛ
μάτων;
λονται σε διάφορα είδη χημικών τροποποιήσεων, όπως προσθήκη υδαων
θρακικών πλευρικών αλυσίδων (τόσο οιις πρωτεΙνες όσο και οια Λιπίδια) και
Μεταφορά με Κυστίδια
633
δημιουργία δισουλφιδρυλlκών δεσμών (σης πρωτεΙνες) που σrαθερoΠOΙOύν τη πρωτεϊνική δομή.
Στις επόμενες παραγράφους θα εξετάσουμε πώς τα Kυσrίδια διακινούν πρωτεΙνες και μεμβράνες ανάμεσα σrα κυπαρικά διαμερίσματα, επιτρέπο ντας σrα κύπαρα να τρώνε και να εκκρίνουν. Επίσης θα εξετάσουμε πώς κα
τευθύνονται τα μεταφορικά Kυσrίδια σro σωσrό προορισμό (ΕΔ, συσκευή κυπαρική μεμβράνη ή κάποιο άλ/ο μεμβρανlκό διαμέρισμα).
Golgi,
Τα κυσιίδια μεταφοράς διακινούν διαλυτές πρωτε'ί'νες και μεμβράνες μεταξύ διαμερισμάτων Η μεταφορά με Kυσrίδια ανάμεσα σε μεμβρανlκά διαμερίσματα του εν δομεμβρανlκού συσrήματoς είναι πολύ καλά οργανωμένη. Μια σημαντική εκκριπκή οδός
(secretory pathway)
προς τα έξω οδηγεί από τη βιοσύνθεση
των πρωτεϊνών στη μεμβράνη του ΕΔ και την εισαγωγή τους σro ΕΔ, διαμέ σου της συσκευής
Golgi
Golgi,
προς την επιφάνεια του κυπάρου. Από τη συσκευή
ξεκινά μια άλ/η πλευρική διαδρομή προς τα λυσοσωμάτια που περνά
μέσα από τα ενδοσώματα (Εικόνα ρωσΩς
15-17). Μια
(endocytic pathway), η οποία
σημαντική οδός εvδοκuπά
ευθύνεται για την πρόσληψη και την α
ποδόμηση εξωκυπάριων μορίων, οδηγεί από την κυπαρική μεμβράνη, δια
μέσου των ενδοσωματίων, στα λυσοσωμάτια. Για τη σωστή εκτέλεση της λειτουργίας του, κάθε KυσrίδΙO μεταφοράς που
εKβλασrαίνεl από ένα διαμέρισμα πρέπει να πάρει μαΖί του μόνο τις πρω τεΙνες που είναι κατάλ/ηλες για τον προορισμό του και να συντηχθεί μόνο με την κατάλ/ηλη μεμβράνη-στόχο. Ένα KυσrίδΙO που μεταφέρει ένα φορτίο α πό τη συσκευή
Golgi
σrην κυπαρική μεμβράνη χρειάΖεται ν' αποκλείσει τις
πρωτεΙνες που πρέπει να παραμείνουν σrη συσκευή
Golgi
και να συντηχθεί
μόνο με την κυπαρική μεμβράνη και όχι με κάποιο άλ/ο οργανίδιο. Κατά τη
Εικόνα
15-17. Κυστίδια
που αποκόπτονται α
λυσοσωμάΤLO@'-Γ , =1
πό μια μεμβράνη και συντήκονται με μια άλ λη μεμβράνη μεταφέρουν μεμβρανικά συ στατικά και διαλυτές πρωτε'ί'νες μεταξύ των
κυπαρικών διαμερισμάτων. Κάθε διαμέρισμα περικλείει έναν χώρο (αυλός) ισοδύναμο από τοπολογική άποψη με το εξωτερικό του κυπά ρου (βλ. Εικόνα
11-19).
Ο εξωκυπάριος χώ
ρος και τα μεμβρανικά διαμερίσματα (γκρι) ε
πικοινωνούν μεταξύ τους μέσω κυστιδίων με
-ο
c
~
J
•
~
πυρηνικός φάκελος
~
ενδOΠλασμαΤΙKό δίκτυο
Ι
Ο
κυτταρική μεμβράνη
ο
όψιμο
~ενδoσωμάΤΙO
~'-- ~ c:c,O
Ι
Ο
Ο
'/'
ταφοράς όπως φαίνεται στην εικόνα. Στην εκ
Ο
J
-ο
πρώιμο ενδοσωμάτιο
Ο
κριτική διαδρομή προς τα έξω (κόκκινα βέλη), τα πρωτε'ίνικά μόρια μεταφέρονται από το ΕΔ, διαμέσου της συσκευής
Golgi, στην
κυπαρική
κυστίδια μεταφοράς
μεμβράνη ή (μέσω όψιμων ενδοσωματίων) στα λυσοσωμάτια. Στην διαδρομή της ενδοκυπά
ρωσης (πράσινα βέλη) τα εξωκυπάρια μόρια προσλαμβάνονται από κυστίδια, που προκύ
mouv από την
κυπαρική μεμβράνη, και παρα
δίδονται στα πρώιμα ενδοσώματα και στη συ
νέχεια (μέσω όψιμων ενδοσωματίων) στα λυ
ΚΥΠΑΡΟΔΙΜΥΜΑ
/ ΕΞΩΚΥΠΑΡΙΟΣ
ΧΩΡΟΣ
σοσωμάτια.
634
συσκευή Golgi
Κεφάλαιο 15: Ενδοκυττάρια Διαμερίσματα και Μεταφορά
διάρκεια της συμμετοχής του σε αυτή τη συνεχή ροή μεμβρανικών συστατι
κών, κάθε οργανίδιο πρέπει να διατηρεί τη δική του διακριτή ταυτότητα, δη λαδή τη δική του ξεχωριστή πρωτεϊνική και λιπιδική σύσταση. Όλα αυτά τα
γεγονότα αναΥνώρισης εξαρτώνται από πρωτε'ί'νες οι οποίες είναι συνδεδε μένες με τη μεμβράνη του κυστιδίου μεταφοράς. Όπως θα δούμε, διαφορε τικά είδη κυστιδίων μεταφοράς πηγαινοέρχονται στα διάφορα οργανίδια και το καθένα περιέχει μια διαφορετική ομάδα μορίων.
Η εκβλάστηση των κυστιδίων προωθείται από τη συγκρότηση
ενός πρωτεϊνικού καλύμματος Τα κυστίδια που εκβλασταίνουν από μεμβράνες περιέχουν στην εξωτερική επιφάνειά τους ένα διακεκριμένο πρωτεϊνικό κάλυμμα και γι' αυτό ονομάζο νται καλυμμένα KυσnOια
(coated vesicles).
Μετά την ολοκλήρωση της εκβλά
στησης, το κάλυμμα απομακρύνεται επιτρέποντας έτσι στη μεμβράνη του κυ στιδίου ν' αλληλεπιδράσει απευθείας με τη μεμβράνη με την οποία θα συντη
χθεί. Υπάρχουν διάφορα είδη καλυμμένων κυστιδίων και το καθένα έχει ένα ξεχωριστό πρωτεϊνικό κάλυμμα. Πιστεύεται ότι το κάλυμμα εξυπηρετεί δύο τουλάχιστον λειτουργίες: σχηματοποιεί τη μεμβράνη σαν «μπουμπούκι» και συμμετέχει στον εγκλωβισμό των μορίων που θα μεταφερθούν παραπέρα. Τα κυστίδια που έχουν μελετηθεί καλύτερα έχουν κάλυμμα που αποτε
λείται κυρίως από την πρωτε"ί\ιη κλαθρίvn
(clathrin) και είναι Υνωστά ως KUστίδια καΛυμμέναμε κίιαθρίvn (clathrin coated vesicles). Εκβλασταίνουν από τη συσκευή Golgi για τη διαδρομή της έκκρισης και από την κυτταρική μεμ βράνη για τη διαδρομή της ενδοκυττάρωσης. Στην κυτταρική μεμβράνη, κά
θε κυστίδιο ξεκινά σαν μια εσοχΩ καΛuμμέvn με κίιαθρίvn
pit).
(clathrin-coated
Τα μόρια της κλαθρίνης συναθροίΖΟνται και σχηματίΖουν ένα δικτυωτό
σαν καλάθι στην επιφάνεια της μεμβράνης που εφάπτεται με το κυτταροδιά λυμα. Αυτή η διαδικασία διαμορφώνει την εσοχή σε κυστίδιο (Εικόνα
18).
15-
Κάθε καλυμμένη εσοχή σχηματίζει μια βαθιά εγκόλπωση, στο «λαιμό»
της οποίας προσαρμόΖεται σαν δακτυλίδι η δuvαμίvn
πρωτε"ί\ιη που προσδένει
GTP.
τε'ί'νες, η δυναμίνη υδρολύει το
(dynamin),
μια μικρή
Στη συνέχεια, σε συνεργασία με άλλες πρω
GTP.
Πιστεύεται ότι έτσι προκαλείται η σύ
σφιξη του δακτυλίου της δυναμίνης με αποτέλεσμα ν' αποκοπεί το κυστίδιο από τη μεμβράνη. Στη μεταφορά με κυστίδια συμμετέχουν επίσης και άλ/α είδη κυστιδίων μεταφοράς με διαφορετικές πρωτε"ϊνες επικάλυψης. Σχηματί
ΖΟνται με παρόμοιο τρόπο και διακινούν μια ξεχωριστή ομάδα μορίων μετα ξύ του ενδοπλασματικού δικτύου, της συσκευής
Golgi
και της κυτταρικής
μεμβράνης. Πώς όμως ένα κυστίδιο μεταφοράς επιλέγει ένα συγκεκριμένο φορτίο για μεταφορά; Ο μηχανισμός που έχει μελετηθεί περισσότερο αφορά
στα κυστίδια που καλύπτονται από κλαθρίνη. Η ίδια η κλαθρίνη δεν συμμετέχει στη μεταφορά. Αυτή η λειτουργία εκτε λείται από μια δεύτερη κατηγορία πρωτεϊνών, οι οποίες ονομάΖονται αντα
πτίνες
(adaptins),
προσδένουν το κάλυμμα στη μεμβράνη του κυστιδίου και
συμμετέχουν στην επιλογή των μορίων του φορτίου για μεταφορά. Τα μόρια
που θα μεταφερθούν περιέχουν ειδικά σΩμαra μεταφοράς
(transport signals) Μεταφορά με Κυστίδια
635
(Α)
L-J 0.1
Εικόνα
μm
15-18. Εσοχές καλυμμένες με κλαθρίνη και Kυσrίδια. (Α) Ηλεκτρονιογραφία
της αλληλουχίας των γεγονότων κατά το σχηματισμό ενός κυστιδίου καλυμμένου με κλαθρίνη από μια εσοχή που καλύmεται με κλαθρίνη. Οι εσοχές και τα κυστίδια κλα θρίνης που φαίνονται στην εικόνα, είναι ασυνήθιστα μεγάλα και σχηματίζονται στη μεμ βράνη του ωοκυπάρου της όρνιθας. Προσλαμβάνουν και φέρουν μέσα στο κύπαρο σωματίδια από λιπίδια και πρωτεινες για την παρασκευή της λεκίθου. (Β) Ηλεκτρονιο μικρογραφία πολυάριθμων εσοχών και κυστιδίων κλαθρίνης που εκβλασταίνουν από
την εσωτερική επιφάνεια της KUΠαΡΙKής μεμβράνης επιδερμιδικών κυπάρων σε καλ λιέργεια. (Α. με την άδεια των Μ.Μ.
Perry και Α.Β. Gilbert, J. Cell Sci. 39:257-272, 1979, The Company of Biologists. Β. από J. Henser, J. Cell Βί 01.84:560-583,1980 με άδεια επανεκτύπωσης από το Rockefeller University Press). κατόπιν παραχώρησης από την
(Β) 0.2μm
που αναΥνωρίΖΟνται από υποδοχεις φορτιου
(cargo receptors), οι οποίοι βρί
σκονται οιη μεμβράνη του διαμερίσματος. Οι ανταπτίνες δεσμεύουν συγκε κριμένα μόρια, παγιδεύοντας τους υποδοχείς φορτίου που τα προσδένουν. Με αυτόν τον τρόπο, ένα επιλεγμένο φορτίο δlOφόρων μορίων, που έχουν προσδεθεί οιους ειδικούς υποδοχείς, ενσωματώνεται οιον αυλό του νεο σχημαTlΖόμενου κυοιιδίου που καλύmεται με κλαθρίνη (Εικόνα
15-19). Υ
πάρχουν τουλάχιοιον δύο είδη από ανταπτίνες: εκείνες που προσδένουν τους υποδοχείς φορτίου οιην κυπαρική μεμβράνη είναι διαφορεTlκές από ε κείνες που προσδένουν υποδοχείς φορτίου οιη συσκευή Golgi. Έτσι επιτυγ Χάνεται η διαφοροποίηση των μορίων που μεταφέρονται με κυοιίδια κλα θρίνης από την κυπαρική μεμβράνη και τη συσκευή
Golgi.
Μια διαφορεTlκή κατηγορία καλυμμένων κυοιιδίων, που ονομάΖονται
κυοιίδια με κάλυμμα ΕΔ και τη συσκευή
(Πίνακας
636
15-4).
Κεφάλαιο 15: Ενδοκυττάρια Διαμερίσματα και Μεταφορά
COP, συμμετέχει οιη μεταφορά μορίων ανάμεσα οιο Golgi και από ένα τμήμα της συσκευής Golgi σ' ένα άλ/ο
καλυμένο κυστίδιο
...ΣΧΗΜΑΤιΣΜΟΣ ΚΥΣΤIΔιογ υποδοχέας φορτίου απογυμνωμένο κυστίδιο μεταφοράς
--",.--].).-1---- δυναμίνη
ΚΥΠΑΡΟΔIΜγΜΑ
μόρια φορτίου
Εικόνα
15-19. Επιλεκτική
μεταφορά μέσω κυστιδίων καλυμμένων με κλαθρίνη. Οι υποδοχείς φορτίου, μαζί με τα προσδεδεμένα μόρια
του φορτίου, αιχμαλωτίζονται από ανταmίνες, οι οποίες επίσης προσδένονται με μόρια κλαθρίνης που βρίσκονται στην επιφάνεια του νεο σχηματιζόμενου κυστιδίου προς το κυπαροδιάλυμα. Οι δυναμίνες συναθροίζονται γύρω από το λαιμό των νεοσχηματιζόμενων κυστιδίων και, αφού συναρμολογηθούν, υδρολύουν το προσδεδεμένο
GTP και
αποκόmουν το κυστίδιο. Αφού ολοκληρωθεί η εκβλάστηση, οι πρω
τεινες του Καλύμματος απομακρύνονται και το γυμνό πλέον κυστίδιο μπορεί να συντηχθεί με τη μεμβράνη στόχο. Λειτουργικά παρόμοιες πρωτεωες επικάλυψης έχουν βρεθεί και σε άλλα είδη καλυμμένων κυστιδίων.
Ερώτηση
15-5
Η εξειδικευμένη προσάραξη των κυσηδίων
Η εκβί\άαηση
εξαρτάται από ης
καί\υμμένων με κί\αθρίνη
SNAREs
μπορεί να παρατηρηθεί σε
Όταν ένα κυαίδιο μεταφοράς εκβί\ααήσει από μια μεμβράνη, αη συνέ
τμήματα
χεια πρέπει να βρει το σωαό προορισμό Υια να παραδώσει το περιεχόμενό
της
μεμβράνης
του. Τις περισσότερες φορές, το κυαίδιο μεταφέρεται ενεΡΥά με κινητήριες
κυτταρικής
όταν προαε
θούν, ανταπτίνες, κί\αθρίνη
πρωτε'ί'νες που μετακινούνται κατά μήκος των ινιδίων του κυπαροσκεί\ετού, όπως αναφέρεται και οιο Κεφάί\αιο
κυοιιδίων
•,
και δυναμίνη-GΤΡ. Τι θα παρατηρήσετε
17.
εάν παραί\είψετε (Α) τις αvταπτίνες,
Όταν ένα κυαίδιο φτάσει οιο ΟΡΥανίδιο-αόΧο πρέπει να το αναγνωρί
(8)
την κί\αθρίνη ή (Γ) την δυναμίνη; Τι θα
σει Υια να προσαράξει σε αυτό. Μόνον τότε η μεμβράνη του κυοιιδίου μπο ρεί να συντηΧθεί με τη μεμβράνη-αόχο και να παραδώσει το φορτίο του. Η εντυπωσιακή εξειδίκευση της μεταφοράς με κυαίδια υποδηί\ώνει ότι όί\α τα
παρατηρούσατε εάν τα τμήματα της κυτ
ταρικής μεμβράνης πρoέρxovταν από έ να προκαρυωτικό κύπαρο;
ΠίναιmΙ;15-4. Μερικά είδη καλυμμένων κυστιδίων. Είδος καλυμμένου κυστιδίου
Πρωτεί'νες κάλυψης
Κυστίδιο κλαθρίνης
κλαθρίνη και ανταmίνη
1
Προέλευση
Προορισμός
συσκευή
λυσοσωμάτιο (μέσω ενδο-
Golgi
σωματίων) Κυστίδιο κλαθρίνης
κλαθρίνη και ανταmίνη
Κυστίδιο
πρωτεΊνες
COP
COP
2
κυπαρική μεμβράνη
ενδοσώματα
ΕΔ
συσκευή
δεξαμενή συσκευή
Golgi Golgi
δεξαμενή
Golgi Golgi
ΕΔ
Μεταφορά με Κυστίδια
637
Εικόνα
15-20. Ένα
μοντέλο προσάραξης των
ΔΙΑΜΕΡΙΣΜΑ Α
κuστιδίων μεταφοράς. Τα κυστίδια που ε κβλασταίνουν από μια μεμβράνη φέρουν στην επιφάνεια τους ειδικές πρωτε'ί'νες-δείκτες, που
ονομάζονται
κυστιδίων
SNARE
(v-SNAREs),
οι
οποίες προσδένονται σε συμπληρωματικές
SNAREs (t-SNAREs)
της μεμβράνης του στό
χου. Πιστεύεται ότι πολλά διαφορετικά ζεύγη συμπληρωματικών
v-SNAREs
και
t-SNAREs
παίζουν ουσιαστικό ρόλο στην καθοδήγηση των κυστιδίων μεταφοράς προς την κατάλλη
ΠΡΟΣΑΡΑΞΗ
λη μεμβράνη στόχο.
ΣΥΝΤΗΞΗ
t-SNARE ~ ΔΙΑΜΕΡΙΣΜΑ Β
είδη κ\)στιδίων μεταφοράς σ' ένα κύπαρο περιέχο\)ν στην επιφάνειά το\)ς μοριακούς δείκτες πο\) τα\)ΤΟΠ010ύν το κ\)στίδιο ανάλογα με το φορτίο και την προέλευσή το\). Α\)τοί οι δείκτες πρέπει ν' αναγνωριστούν από σ\)μπλη ρωματικούς \)ποδοχείς πο\) βρίσκονται στην κατάλ/ηλη μεμβράνη το\) στό χο\), συμπεριλαμβανομένης και της κ\)παρικής μεμβράνης. Παρότι ο μηχα νισμός α\)τής της αναγνώρισης δεν είναι γνωστός με βεβαιότητα, πιστεύεται
ότι σε α\)τόν εμπλέκεται μια οικογένεια διαμεμβρανικών πρωτεϊνών πο\) ο
νομάΖΟνται
SNAREs:
ΟΙ
SNAREs το\)
κ\)στιδίο\) ονομάΖΟνται
αναγνωρίζονται ειδικά από συμπληρωματικές
SNAREs της
v-SNAREs
και
μεμβράνης-στό
χο\) πο\) βρίσκονται στην πλε\)ρά το\) κ\)παροδιαλύματος και ονομάΖονται
t-SNAREs (Εικόνα 15-20). Πιστεύεται
ότι κάθε οργανίδιο και κάθε είδος από
τα κ\)στίδια μεταφοράς περιέχει μια μοναδική δράσεις μεταξύ των σ\)μπληρωματικών
SNARE και ότι ΟΙ αλ/ηλεπι SNAREs εξασφαλίΖο\)ν τη σύντηξη
των κ\)στιδίων μεταφοράς μόνο με τη σωστή μεμβράνη.
Όταν ένα κ\)στίδlO μεταφοράς αναγνωρίσει τη μεμβράνη-στόχο και προ σαράξει σε α\)τήν, πρέπει να σ\)ντηχθεί με τη μεμβράνη για να παραδώσει το φορτίο το\). Κατά τη σύντηξη, δεν παραδίνεται μόνο το περιεχόμενο το\) κ\) στιδίο\) στο εσωτερικό το\) οργανιδίο\)-στόχο\) αλ/ά και η μεμβράνη το\) κ\) στιδίο\) προστίθεται στη μεμβράνη το\) οργανιδίο\). Εντούτοις, η σύντηξη των μεμβρανών δεν γίνεται πάντα αμέσως μετά την προσάραξη το\) κ\)στιδίο\) αλ
λά πρέπει να προκληθεί από ένα ειδικό σήμα. Ενώ η προσάραξη το\) κ\)στι δίο\) γίνεται όταν οι δύο μεμβράνες πλησιάσο\)ν αρκετά μεταξύ το\)ς έτσι ώ
στε ν' αλ/ηλεπιδράσο\)ν οι πρωτεΤνες πο\) προεξέχο\)ν από τις λιπιδικές δι πλοστιβάδες, για να επιτε\)χθεί η σύντηξη χρειάΖεται στενότερη επαφή: ΟΙ δύο λιπιδικές διπλοστιβάδες πρέπει ν' απέχο\)ν μόλις
1.5 nm για
να σ\)ντη
Χθούν. Η στενή επαφή προϋποθέτει τον εκτοπισμό το\) νερού πο\) βρίσκεται
638
Κεφάλαιο 15: Ενδοκυττάρια Διαμερίσματα και Μεταφορά
Εικόνα
15·21. Οι
πρωτεί'νες
SNARE
παίζουν
κύριο ρόλο στη σύντηξη των μεμβρανών. Το ζευγάρωμα των
v-SNAREs
με τις
t-SNAREs
ε
ξαναγκάζει τις δύο λιπιδικές στιβάδες να συ μπλησιάσουν. Στη συνέχεια πραγματοποιείται ανταλλαγή λιπιδίων και τελικά σύντηξη των t-SNARE
δύο μεμβρανών. Σ' ένα κύπαρο, άλλες μεμ βράνες που επιστρατεύονται στη θέση της σύ ΠΡΟΣΑΡΑΞΗ
ΣΥΝΤΗΞΗ
ΜΕΤΑΦΟΡΙΚΟΥ ΚΥΣΤΙΔΙΟΥ
ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ
ντηξης συνεργάζονται με τις
συμβάλλουν στον χωρισμό των
mnv υδρόφιλη
SNAREs
για ν'
αρχίσει η σύντηξη. Αντίθετα, άλλες πρωτε'ίνες
SNAREs.
επιφάνεια της μεμβράνης. Η διεργασία αυτή δεν είναι καθό
λου ευνοϊκή ενεργειακά. Επομένως, η σύντηξη μεμβρανών
ma
κύπαρα πι
θανόν καταλύεται από εξειδικευμένες πρωτε'ί\ιες που τοποθετούνται mo ση μείο της σύντηξης και σχηματίΖουν σύμπλοκα σύντηξης, τα οποία προσφέ
ρουν τα μέσα ώmε να ξεπεραmεί το ενεργειακό εμπόδιο. Οι ίδιες οι πρω τεΊνες
SNARE πιmεύεται
ότι παίΖουν βασικό ρόλο
ξης. Μόλις Ζευγαρώσουν, ΟΙ
v-SNARE τυλίγονται
mn
διεργασία της σύντη
γύρω από τις
έτσι δρουν σαν τροχαλία που φέρνει τη μια μεμβράνη κοντά
κόνα
t-SNARE και mnv άλ/η (Ει
15-21).
Οδοί έκκριοns Η διακίνηση των κυmιδίων δεν περιορίΖεται μόνο
mo εσωτερικό του κυτ
τάρoυ' αλ/ά προεκτείνεται προς και από την κυπαρική μεμβράνη. Νεοσυντι θέμενα μόρια πρωτεϊνών, λιπιδίων και υδατανθράκων παραδίδονται από το
ΕΔ (διαμέσου της συσκευής
Golgi), mnv κυπαρική
επιφάνεια με κυmίδια
μεταφοράς τα οποία συντήκονται με την κυπαρική μεμβράνη. Αυτή η διερ
γασία ονομάΖεται εξωKUΠάρωση
(exocytosis).
Κάθε μόριο που κινείται κατά
μήκος αυτής της οδού διέρχεται από μια καθορισμένη σειρά μεμβρανικών διαμερισμάτων και καθ' οδόν συνήθως υφίmαται χημικές ΤΡΟΠΟΠΟ1ήσεις. Σε αυτό το τμήμα θα παρακολουθήσουμε τη διαδρομή των πρωτεϊνών
προς τα έξω καθώς μετακινούνται από το ΕΔ, όπου παρασκευάΖΟνται και τροποποιούνται, μέσω της συσκευής
Golgi, όπου τροποποιούνται για να φτάσουν τελικά mnv κυπαρική μεμβράνη.
περαιτέρω
και διαλέγονται,
Καθώς μια
πρωτεΊνη περνά από ένα διαμέρισμα σ' ένα άλ/ο παρακολουθείται και ελέγ χεται για το εάν έχει διαμορφωθεί σωmά και εάν έχει διασυνδεθεί με τις κα τάλ/ηλες πρωτεΊνες. Έτσι, μόνον ΟΙ σωmά κατασκευασμένες πρωτεΊνες α
πελευθερώνονται νται μέσα
mnv mo κύπαρο.
κυπαρική επιφάνεια ενώ όλες ΟΙ άλλες αποδομού
Οι περισσότερες πρωτεινες τροποποιούνται ομοιοπολικά μέσα στο ΕΔ Οι περισσότερες πρωτεΊνες που εισέρχονται
mo ΕΔ τροποποιούνται χη
μικά σε αυτόν τον χώρο. Δισουλφιδρυλικοί δεσμοί σχηματίΖονται μετά από οξείδωση των πλευρικών αλυσίδων Ζευγαριών του αμινοξέος KumεTvn (βλ.
Οδοί Έκκρισης
639
•,
Ερώmσn
15-6
4-29).
Η αντίδραση αυτή καταλύεται από ένα ένΖυμο που βρίσκεται
Γιατί είναι πιο πλεονεκτική η
στον αυλό του ΕΔ. Οι δισουλφιδρυλικοί δεσμοί σταθεροποιούν τη δομή
προσθήκη μιας προκατα
των πρωτεϊνών οι οποίες μπορεί ν' αντιμετωπίσουν αλ/αγές του ρΗ και έν
σκευασμένης αλυσίδας από
Ζυμα αποδόμησης στο εξωτερικό του κυπάρου, είτε μετά την έκκρισή τους
σάκχαρα σε μια πρω
είτε αφού ενσωματωθούν στην κυπαρική μεμβράνη. Οι δισουλφιδρυλικοί
τε'i'νη στο ΕΔ από τη σταδlO
δεσμοί δεν σχηματίΖΟνται στο κυπαροδιάλυμα επειδή το περιβάλλον του
κή, βήμα-βήμα προσθήκη
είναι αναγωγικό.
14
των σαΚΧάρων στην πρωτείνη με ξεχωριστά ένΖυμα;
Εικόνα
Πολ/ές από τις πρωτεΊνες που εισχωρούν στον αυλό του ΕΔ ή στη μεμ βράνη του ΕΔ μετατρέπονται σε γλυκοπρωτεΊνες με ομοιοπολική πρόσδεση μικρών πλευρικών αλυσίδων ολιγοσακχαριτών. Η διεργασία της γλυΚΟΖυ
λίωσης πραγματοποιείται από ένΖυμα γλυΚΟΖυλίωσης που βρίσκονται στο ΕΔ αλ/ά απουσιάΖουν από το κυπαροδιάλυμα. Πολύ λίγες πρωτεΊνες του κυπα ροδιαλύματος είναι γλυΚΟΖυλιωμένες και περιέχουν προσδεδεμένο μόνο έ να υπόλειμμα σακχάρου. Οι ολιγοσακχαρίτες των πρωτεϊνών εξυπηρετούν ποικίλες λειτουργίες που εξαρτώνται από την πρωτε'ί'νη. Προστατεύουν την
πρωτεΊνη από αποδόμηση, συγκρατούν μlO πρωτεΊνη μέσα στο ΕΔ έως ότου ολοκληρωθεί η διαμόρφωσή της και συμμετέχουν στην καθοδήγησή της στο
κατάλ/ηλο οργανίδιο λειτουργώντας ως σήματα μεταφοράς για τη συσκευα σία της πρωτεΊνης στο κατάλ/ηλο κυστίδιο μεταφοράς (όπως συμβαίνει στην
περίπτωση των πρωτεϊνών των λυσοσωματίων που αναφέρονται αργότερα). Όταν εκτίθενται στην επιφάνεια του κυπάρου, οι ολιγοσακχαρίτες αποτε λούν τμήμα της υδατανθρακικής στιβάδας του κυπάρου (βλ. Εικόνα
11-32)
και συμμετέχουν στην αναγνώριση ενός κυπάρου από άλ/α κύπαρα.
Στο εσωτερικό του ΕΔ, τα σάκχαρα δεν προστίθενται ξεχωριστά ένα-ένα στην πρωτεΊνη για να σχηματιστεί η πλευρική αλυσίδα του ολιγοσακχαρίτη.
Αντίθετα, ένας προκατασκευασμένος και διακΛαδΙΖόμενος ολιγοσακχαρί της, που περιέχει συνολικά
14 σάκχαρα,
προστίθεται διαμιάς σε όλες τις
πρωτεΊνες που περιέχουν το κατάλ/ηλο σήμα για γλυΚΟΖυλίωση. Ο ολιγο σακχαρίτης πρώτα συνδέεται μ' ένα ειδικό λιπίδιο της μεμβράνης του ΕΔ, που ονομάΖεται δοΛιχόΛn
(dolichol),
και στη συνέχεια μεταφέρεται στην αμι
δική ομάδα μιας πλευρικής αλυσίδας ασπαραγίνης αμέσως μόλις αυτή εμ φανιστεί στον αυλό του ΕΔ κατά τη μετατόπιση της πρωτε'ϊνης (Εικόνα
22).
15-
Η προσθήκη επιτυγΧάνεται μόνο σ' ένα ενΖυμικό βήμα που καταλύεται
από ένα μεμβρανικό ένΖυμο (μια τρανσφεράση ολιγοσακχαριτών) του οποί ου το ενεργό κέντρο βρίσκεται στον αυλό του ΕΔ. Αυτό πιθανόν εξηγεί γιατί οι πρωτε'ί'νες του κυπαροδιαλύματος δεν γλυΚΟΖυλιώνονται με αυτόν τον τρόπο. Μια αλ/ηλουΧία τριών αμινοξέων, ένα από τα οποία είναι η ασπαρα γίνη, καθορίΖει ποια υπολείμματα ασπαραγίνης θα γλυΚΟΖυλιωθούν σε μια
πρωτεΊνη. Οι πλευρικές αλυσίδες του ολιγοσακχαρίτη συνδέονται με την 0μάδα-ΝΗ2 της ασπαραγίνης μ' ένα δεσμό που ονομάΖεται Ν-γΛυΚΟΖιπκός
δεσμός και είναι ο πιο συνηθισμένοςδεσμός στις γλυκοπρωτεινες. Η προσθήκητου ολιγοσακχαρίτη14-σακχάρωνστο εσωτερικότου ΕΔ εί
ναι το πρώτο στάδιο μιας σειράς τροποποιήσεωνπου πραγματοποιούνται πριν η ώριμη πρωτεΊνη φτάσει στο άλ/ο άκρο της διαδρομήςτης προς τα έ
ξω. Παρά την αρχική ομοιότητά τους, οι Ν-συνδεδεμένοιολιγοσακχαρίτες
640
Κεφάλαιο 15: Ενδοκυττάρια Διαμερίσματα και Μεταφορά
...,
.,.,
ΚΛΕΙΔΙ:
Εικόνα
15-22.
Η γλυκοζυλίωση των πρωτεϊ
Ο =γλυκόζη
νών στο ΕΔ. Σχεδόν αμέσως μετά την άφιξη
~
=
μανόζη
ΕΔ, πραγματοποιείται και η γλυκοζυλίωσή της
Ο
=
Ν-ακετυλογλυκοζαμίνη
μιας πολυπεmιδικής αλυσίδας στον αυλό του
με προσθήκη πλευρικών αλυσίδων ολιγοσακ χαριτών σε συγκεκριμένα κατάλοιπα ασπαρα γίνης του πολυπεmιδίου. Κάθε αλυσίδα ολιγο
σακχαριτών μεταφέρεται ως σύνολο στην α σπαραγίνη από ένα λιπίδιο που ονομάζεται δο
λιχόλη. Οι ασπαραγίνες που γλυκοζυλιώνονται βρίσκονται πάντα στο τριπεmίδιο: ασπαραγί
νη-Χ-σερίνη ή θρεονίνη (το Χ μπορεί να είναι ο ποιοδήποτε άλλο αμινοξύ). αυξανόμενη πολυπεmιδική αλυσίδα
τρανσφεράση ολιγοσακχαριτών
των ωρίμων γί\υκοπρωτεϊνών διαφέρουν σημαντικά μεταξύ τους. Οι διαφο ρές προκύπτουν από τις εκτεταμένες τροποποιήσεις της αρχικής πρόδρομης
δομής όπως φαίνεται στην Εικόνα
15-22.
σακχαριτώv αρχίΖει στο ΕΔ και συνεχίΖεται
Αυτή η
rpononolnan στη συσκευή Golgi.
τωv οi\ιγο
Η έξοδος από το ΕΔ ελέγχεται για Va διασφαλιστεί η ποιότηιο της πρωτε'ί'vης Μερικές από τις πρωτε'ί'νες που συντίθενται στο ΕΔ ΠΡΟΟΡΙΖΟνται να ί\ει τουργήσουν μέσα στο ΕΔ. Συγκρατούνται στο ΕΔ (και επιστρέφουν σε αυτό όταν διαφύγουν προςτη συσκευή
Golgi)
μέσω μιας καρβοξυτεί\ικής αλ/η
ί\ουΧίας τεσσάρων αμινοξέων που ονομάΖεται σήμα συγκράτnσnς στο ΕΔ
(ER retention signal)
(βί\. Πίνακα
15-3)
και αναγνωρίΖεται από ένα μεμβρα
νικό πρωτεϊνικό υποδοΧέα του ΕΔ και της συσκευής
Golgi.
Όμως οι περισ
σότερες πρωτε'ί'νες που εισέρχονται στο ΕΔ προορίΖΟνται για άλ/ες τοποθε σίες: συσκευάΖΟνται σε κυστίδια μεταφοράς που εκβί\ασταίνουν από το ΕΔ και συντήκονται με τη συσκευή
Golgi. Αλ/ά και η έξοδος
από το ΕΔ είναι πο
ί\ύ επιί\εκτική. Οι πρωτε'ί'νες που δεν διπί\ώνονται σωστά καθώς και οι διμε ρείς ή οι ποί\υμερείς πρωτε'ί'νες που δεν συναρμοί\ογούνται σωστά συγκρα
τούνται ενεργά στο ΕΔ, συνδεόμενες με πρωτε'ί'νες συνοδούς που βρίσκο νται στο ΕΔ. Η αί\ί\ηί\επίδραση με τις πρωτε'ί'νες συνοδούς κρατά τις πρω τε'ίνες στο ΕΔ έως ότου διπί\ωθούν σωστά. Αν δεν υπήρχαν οι συνοδοί, οι πρωτε'ί'νες θ' αποδομούνταν (Εικόνα
15-23). Για
παράδειγμα, τ' αντισώματα
απαρτίΖΟνται από τέσσερις ποί\υπεπτιδικές αί\υσίδες (βί\. Εικόνα
4-32)
που
συναρμοί\ογούνται σ' ένα οί\οκληρωμένο μόριο αντισώματος μέσα στο ΕΔ. Τα μερικώς συναρμοί\ογημένα αντισώματα συγκρατούνται στο ΕΔ έως ότου
συνδυαστούν σωστά και οι τέσσερις ποί\υπεπτιδικές αί\υσίδες. Κάθε μόριο αντισώματος που δεν συναρμοί\ογείται σωστά αποδομείτα1. Με αυτόν τον
Οδοί Έκκρισης
641
Εικόνα
15-23.
Ποιοτικός έλεγχος στο ΕΔ.
ΕΔ
-
ΠρωτεΊνες με λανθασμένη διαμόρφωση (κα κοδιπλωμένες) προσδένονται σε πρωτεΊνες συνοδούς στον αυλό του ΕΔ και κατακρατού
νται εκεί, ενώ οι σωστά διαμορφωμένες πρω τεΊνες μεταφέρονται με κυστίδια μεταφοράς στη συσκευή Golgi. Όταν οι κακοδιαμορφωμέ νες πρωτεΊνες αποτύχουν να επαναδιατα
λάθος διαμορφωμένη πρωτείνη
σωστά διαμορφωμένη πρωτείνη
πρωτείνη συνοδός
χθούν σωστά, μεταφέρονται στο κυπαροδιά
κυστίδιο μεταφοράς που εκβλασταίνει
λυμα, όπου και αποδομούνται.
τρόπο το ΕΔ ελέγχει την ποιότητα των πρωτεϊνών που πρόκειται να εξαγάγει προς τη συσκευή
Golgi.
Μερικές φορές όμως, αυτός ο μηχανισμός ποιοτικού ελέγχου μπορεί ν' αποβεί επιβλαβής για τον οργανισμό. Για παράδειγμα, η επικρατής μετάλ/α ξη που προκαλεί την κυσπκΩ [νωσΩ, μια κοινή γενετική ασθένεια, παράγει
μια πρωτε'ί'νη μεταφοράς που έχει προορισμό την κυπαρική μεμβράνη αλ/ά είναι ελαφρά κακοδιπλωμένη. Παρότι η μεταλ/αγμένη πρωτε'ί'νη θα μπο ρούσε να λειτουργήσει φυσιολογικά, αν έφτανε στην κυπαρική μεμβράνη, ε ντούτοις συγκρατείται στο ΕΔ με τρομερές συνέπειες. Έτσι, η ασθένεια προ κύmει όχι επειδή η μετάλ/αξη αδρανοποιεί μια σημαντική πρωτε'ί'νη αλ/ά ε
πειδή η «ενεργός» πρωτε'ί'νη απορρίπτεται από το κύπαρο πριν προλάβει να λειτουργήσει
Οι πρωτεΊνες φοποποιούVIαl περισσότερο και υπόκεΙVIαι σε διαλογή στη συσκευή
Golgi
Η συσκευή Golgί συνήθως βρίσκεται κοντά στον πυρήνα. Στα Ζωικά κύτ ταρα συχνά εντοπίΖεται κοντά στο κεντροσωμάτιο ή κυπαρικό κέντρο. Αποτε
λείται από ένα σύνολο πεπλατυσμένων σάκων που περιβάλ/ονται από μεμ βράνες και ονομάΖονται δεξαμενές (cisternae), οι οποίες είναι τοποθετημέ νες σαν μια στοίβα από πιάτα. Κάθε στοίβα περιέχει τρεις έως είκοσι σάκους
(Εικόνα
15-24). Ο αριθμός των
δεξαμενών
Golgi ανά
κύπαρο ποικίλ/ει πο
λύ και εξαρτάται από το είδος του κυπάρου: μερικά κύπαρα περιέχουν μια
μεγάλη δεξαμενή, ενώ άλ/α περιέχουν εκαrοντάδες μικρές. Κάθε στοίβα Golgi έχει δύο διακριτές πλευρές: μια πλευρά εισόδου ή cis Golgi και μια εξόδου ή trans Golgi. Η πλευρά cis βρίσκεται κοντά στο ΕΔ ενώ η πλευρά trans προσανατολίΖεται προς την κυπαρική μεμβράνη. Η εξώτατη δεξαμενή κάθε πλευράς διασυνδέεται μ' ένα δίκτυο μεμβρανικών σωληνί σκων και κυστιδίων (βλ. Εικόνα 15-24Α). Οι διαλυτές πρωτε'ί\ιες και οι μεμ βράνες εισέρχονται στο δ[κτυο
cis Gο!giμέσω
κυστιδίων μεταφοράς που προ
έρχονται από το ΕΔ. Οι πρωτε'ί'νες κινούνται μέσα στις δεξαμενές κατά σειρά, χρησιμοποιώντας κυστίδια που εκβλασταίνουν από μια δεξαμενή και συντή
κονται με την επόμενη. Οι πρωτε'ί\ιες εξέρχονται από το δίκτυο trans Golgi με κυστίδια μεταφοράς τα οποία έχουν προορισμό την κυπαρική επιφάνεια ή
κάποιο άλ/ο διαμέρισμα (βλ. Εικόνα
gi και trans Golgi είναι
15-17). Πιστεύεται
Κεφάλαιο 15: Ενδοκυττάρια Διαμερίσματα και Μεταφορά
cis Gol-
εξίσου σημαντικά για τη διαλογή των πρωτεϊνών: οι
πρωτε'ί'νες που εισέρχονται στο δίκτυο
642
ότι τα δίκτυα
cis Golgi μπορούν
είτε να προχωρή-
πλευρά
cis
ν
o~:::Y~ Ι δεξαμενή
cis---{(
_
μέση~
δεξαμενή
_
,
ι::g}
δεξαμενή -~λ'r{
ια/)
.~~;,;; Γ
@
ι
ο
πλευρά
(Α)
~~ (Β)
200 nm
trans
Εικόνα
15-24. Η συσκευή Golgί. (Α) Τρισδιάστατη αναπαράσταση μιας στοίβας Golgi, Golgi ενός εκκριτικού ζωικού κυπά ρου (6) ηλεκτρονιογραφία μιας στοίβας Golgi από ένα φυτικό κύπαρο στο οποίο η συ σκευή Golgi είναι πολύ ευδιάκριτη. Ο προσανατολισμός της συσκευής είναι όπως και στο (Α). (η. Η συσκευή Golgi μιας ινοβλάστης σε καλλιέργεια έχει χρωσθεί μ' ένα φθο ρίζον αντίσωμα για τη συσκευή Golgi. Το κόκκινο βέλος δείχνει την κατεύθυνση της κί νησης του κυπάρου. Σημειώστε ότι η συσκευή Golgi βρίσκεται κοντά στον πυρήνα και προσανατολίζεται προς την κατεύθυνση της κίνησης. (Α, αναπαραγωγή από Α. Rambourg και V. Clermont, Eur. J. Ce/l ΒίοΙ. 51: 189-200, 1990. 6, με την άδεια του George Palade. Γ, με την άδεια των John Henley και Mark McNiven). βασισμένη σε ηλεκτρονιογραφίες της συσκευής
σουν παραπέρα διαμέσου των δεξαμενών Golgi είτε, εάν περιέχουν ένα σήμα συγκράτησης του ΕΔ, να επιστρέψουν στο ΕΔ. Οι πρωτεΊ'νες που εξέρχονται
από το δίκτυο
trans Golgi υπόκεινται σε διαλογή ανάλογα με τον προορισμό
τους, δηλαδή τα λυσοσωμάτια και ων κυπαρική μεμβράνη. Αργότερα θ' ανα φέρουμε μερικά παραδείγματα διαλογής πρωτεϊνών από το δίκτυο
gi.
trans Gol-
Επίσης, σω Ένθετο «Παρακολούθηση της μεταφοράς πρωτεϊνών και κυ
στιδίων» θα παρουσιάσουμε μερικές μεθόδους για ων παρακολούθηση ως πορείας των πρωτεϊνών κατά μήκος των εκκριτικών οδών του κυπάρου.
Πολ/οί από τους ολιγοσακχαρίτες που προστίθενται στις πρωτεΊ'νες στο ΕΔ υποβάλ/ονΤαι σ' επιπρόσθετες τροποποιήσεις μέσα στη συσκευή
Golgi.
Για παράδειγμα, σε μερικές πρωτεΊ'νες σχηματίΖΟνται πολύπλοκες αλυσίδες
ολιγοσακχαριτών με μια πολύ οργανωμένη διεργασία κατά ων οποία τα σάκχαρα προσθέτονται και αφαιρούνται από μια σειρά ενΖύμων που δρουν με καθορισμένη αλ/ηλουΧία καθώς η πρωτεΊ'νη διέρχεται από ω στοίβα του
Golgi.
Υπάρχει σαφής συσΧέτιση ανάμεσα στη θέση ενός ενΖύμου στην αλ
ληλουΧία των γεγονότων επεξεργασίας και στον εντοπισμό του στη στοίβα
Golgi: ράς
τα ένΖυμα που ενεργούν νωρίς βρίσκονται στις δεξαμενές ως πλευ
cis,
πλευρά
ενώ τα ένΖυμα που ενεργούν αργότερα βρίσκονται κοντά στην
trans. Οδοί Έκκρισης
643
Ισιορική Αναδρομή: Παρακολούθηση InS μειακίνησηs πρωιεϊνών και κυσηδίων Aξιoπoιώvτας ποικίλες τεχνικές, οι βιολόγοι σιγά-σιγά κατόρθω
f~,ς + ~μδOΡ~δ"
σαν να ξεδιαλύνουν τις οδούς και τους μηχανισμούς διαλογής των πρωτε'ίνών και εισόδου/εξόδου τους προς/από το κύτταρο ή μετα κίνησης προς τα οργανίδιά του, Όπως είδαμε νωρίτερα, μεταφέρο VΤας μια σηματοδοτική αλληλουχία για το ΕΔ σε μια πρωτεΊνη του
σηματοδοτική αλληλουχία
κυπαροδιαλύματος οι ερευνητές κατάφεραν να επιβεβαιώσουν το
ΙΕιΣΑΓΩΓΗ
ρόλο των σηματοδοτικών πεmιδίων στην καθοδήγηση των πρωτε'ί νών προς ειδικά ενδοκυπάρια διαμερίσματα
περίmωση στο ΕΔ (βλ. Εικόνα
-
στη συγκεκριμένη
15-6), Αυτά τα πειράματα
αvταλλα
~ μεταφορά της πρωτεΤνης
+~
γής σημάτων δεν είναι ο μοναδικός τρόπος για την παρακολούθηση
μέσα στο οργανίδιο
της πορείας μιας πρωτεΊνης στο κύπαρο. Βιοχημικές, γενετικές, μοριακές και μικροσκοπικές τεχνικές επίσης παρέχουν τη δυνατό
~
τητα να μελετηθεί η μεταφορά των πρωτε'ίνών από ένα κυπαρικό διαμέρισμα σ' ένα άλλο. Μερικές φορές, αυτές οι μέθοδοι μπορεί
::~:>~
να χρησιμοποιηθούν για την παρατήρηση της μετανάστευσης των πρωτε'ίνών και των κυστιδίων μεταφοράς σε πραγματικό χρόνο. ελεύθερη πρωτεΤνη
Στο δοκιμαστικό σωλήνα Μια πρωτεί\ιη που φέρει μια σηματοδοτική αλληλουχία μπορεί να
{@J
εισαχθεί σ' ένα παρασκεύασμα μεμονωμένων οργανιδίων σ' έναν
δοκιμαστικό σωλήνα. Αυτό το μείγμα μπορεί να ελεγχθεί ώστε να
Ι
διαπιστωθεί αν η πρωτεί\ιη θα προσληφθεί από το υπό εξέταση ορ
γασία της ίπ
mRNA που κωδικοποιεί το πολυπεmίδιο,
vitro μετάφρασης
πρωτεΤνη βρίσκεται στο ίζημα μαζί με
Στη διερ
το οργανίδιο
xpησιμoπoιoύvται ραδιενεργά αμινο
ξέα που σημαίνουν την πρωτεί\ιη και διευκολύνουν την απομόνωση
μια από αρκετές διαφορετικές μεθόδους (Εικόνα
15-25),
+ πρωτεάση + απορρυπαντικό
(Α)
και την παρακολούθησή της, Η σημασμένη πρωτεί\ιη επωάζεται μ'
ένα επιλεγμένο οργανίδιο και η μετακίνησή της καταγράφεται με
.
η σημασμενη
γανίδΙΟ, Η πρωτεΊνη συνήθως παράγεται ίπ vitro με μετάφραση ενός καθαρού μορίου
&&G&Ci):?"
+ πρωτεάση
Εικόνα
(6)
15-25.
Αρκετές μέθοδοι βοηθούν να καθοριστεί αν
Η μετακίνηση πρωτε'ίνών μεταξύ διαφορετικών κυπαρικών δια
μια πρωτε'ί'νη που φέρει μια ορισμένη σηματοδΟTlκή αλλη λουχία μεταφέρεται μέσα σε μεμονωμένα οργανίδια. (Α) Η σημασμένη πρωτεΊνη με/χωρίς μια σηματοδοτική αλληλουχία ε πωάζεται με τα οργανίδια και μετά το παρασκεύασμα υποβάλ
μερισμάτων μέσω κυστιδίων μεταφοράς έχει μελετηθεί εVΤαΤΙKά
λεται σε φυγOKέVΤρηση, Μόνο οι πρωτεΊνες που περιείχαν τη
με γενετικές τεχνικές, Από τη μελέτη μεταλλαγμένων κυπάρων ζυ
σηματοδοτική αλληλουχία εισήλθαν στα οργανίδια και άρα βρί
Ας ρωτήσουμε τον ζυμομύκητα
μομύκητα που εμφανίζουν αδυναμία έκκρισης σε υψηλή θερμο κρασία έχουν απομονωθεί πάνω από
25 γονίδια
που εμπλέKOVΤαι
στην εξωκυπάρωση. Πολλά από τα μεταλλαγμένα γονίδια κωδικο ποιούν θερμοευαίσθητες πρωτεΊνες που εμπλέKOVΤαι στη μεταφο ρά και στην έκκριση, Αυτές οι μεταλλαγμένες πρωτεΊνες μπορεί να
λειτουργούν κανονικά στους
25°C αλλά
αδρανoπoιoύvται όταν τα
κύπαρα του ζυμομύκητα εκτεθούν σε θερμοκρασία
35' C, Έτσι, ό
σκονται στο ίζημα που αυτά σχημάτισαν, (Β) Οι σημασμένες
πρωτεΊνες επωάζονται με τα οργανίδια και μετά στο παρασκεύ ασμα προστίθεται μια πρωτεάση. Αν μια πρωτείνη έχει εισαχθεί στο οργανίδιο θα προστατευτεί από την πρωτεάση. Η προσθή κη ενός απορρυπαντικού που παραβλάmει τη μεμβράνη του οργανιδίου αίρει την προστασία, οπότε καταστρέφεται και η πρωτεΊνη που μεταφέρθηκε,
ταν αυξηθεί η θερμοκρασία, πρωτεΊνες που πρooρίζovται για έκ κριση συσσωρεύovται (ενώ δεν θα έπρεπε) στο ΕΔ, στη συσκευή
Golgi ή σε κυστίδια
μεταφοράς (Εικόνα
15-26),
νική λειτουργία ή μεταφορά της πρωτεΊνης, Η μετακίνηση μιας
πρωτεΊνης σημασμένης με
GFP
μπορεί να καταγραφεί σ' ένα ζω
ντανό κύπαρο με τη βοήθεια του μικροσκοπίου φθορισμού,
Να γυρίσουμε ταινία; Ίσως η πιο συναρπαστική μέθοδος για την παρακολούθηση μιας
Η σήμανση με την
GFP χρησιμοποιείται
ευρέως στη μελέτη του
πρωτεΊνης ενώ κινείται μέσα στο κύπαρο είναι η σήμανσή της με
εvτoπισμoύ και της μετακίνησης των πρωτε'ίνών στα κύπαρα (Ει
την πράσινη φθορίζουσα χρωστική
κόνα
(GFP),
Αυτή η μικρή πρωτεΊνη
15-27).
Για παράδειγμα, προσφέρει πληροφορίες για τη δια
μπορεί να συvτηXθεί σε άλλες κυπαρικές πρωτεΊνες με τεχνικές
κίνηση πρωτεϊνών προς/από τον πυρήνα. Η σήμανση πρωτεϊνών
γενετικής μηχανικής (βλ, Κεφάλαιο
της κυπαρικής μεμβράνης βοηθά να μετρηθεί η κινητική της μετα
τερες πρωτεΊνες, η προσθήκη
φοράς τους μέσω της εκκριτικής οδού.
10). Ευτυχώς, για τις περισσό της GFP δεν παραβλάmει την κανο-
συσκευή ΕΔ
Golgi
εκκριτικά κυστίδια
.~~ J.~~. * ~ .-..~
••
φυσιολογικό κύπαρο
έκκριση πρωτεΙVΗς
.
ο·
•
μετάλλα~η Α του
μετάλλαSη.8 του
μηχανισμου εκκρισης
μηχανισμου εκκρισης
συσσώρευση πρωτεΙVΗς στο ΕΔ
συσσώρευση πρωτεΙVΗς στη συσκευή Golgi
Εικόνα 15-26. Η οδός έκκρισης των πρωτεϊνών στον ζυμομύκητα διαλευκάνθηκε με τη μελέτη θερμοευαίσθητων μεταλλαγμένων στελεχών. Οι μεταλλάξεις σε γονίδια που εμπλέκονται σε διαφορετικά στάδια της διαδικασίας μεταφοράς οδηγούν σε συσσώρευση πρωτεϊνών στο ΕΔ, στη συσκευή Golgi ή σε άλλα μεταφορικά κυστίδια, Για παράδειγμα, η μετάλλαξη Α που αναστέλλει τη μεταφορά α πό το ΕΔ προς τη συσκευή Golgi προκαλεί συσσώρευση πρωτε'ίνών στο ΕΔ, Η μετάλλαξη Β που αναστέλλει την έξοδο των πρωτε'ίνών α πό τη συσκευή Golgi οδηγεί σε συσσώρευσή τους στο συγκεκριμένο οργανίδιο,
(Α)
(8)
(Δ)
Εικόνα 15-27. Η σύντηξη με την GFP επιτρέπει την παρακολούθηση των πρωτεϊνών σε όλο το κύπαρο. Στο συγκεκριμένο πείραμα, η GFP έχει συντηχθεί με μια πρωτεΙνη του περιβλήματος ενός ιού και έχει εκφραστεί σε κύπαρα σε καλλιέργεια, Σ' ένα μολυσμένο κύπα ρο, η πρωτείνη του ιού μετακινείται μέσω της εκκριτικής οδού από το ΕΔ προς την επιφάνεια του κυπάρου, όπου συναρμολογούνται τα σωματίδια του ιού, Η ιική πρωτείνη του συγκεκριμένου πειράματος περιέχει μια μετάλλαξη που επιτρέπει την εξαγωγή από το ΕΔ μόνο σε χαμηλή θερμοκρασία, (Α) Σε υψηλή θερμοκρασία, το προ'ίόν της σύντηξης (GFP + πρωτεΊνη του ιού) παραμένει στο ΕΔ, (Β) Καθώς μειώνεται η θερμοκρασία, η υβριδική πρωτείνη συσσωρεύεται γρήγορα στις «πύλες» εξόδου του ΕΔ, (η Από εκεί περνά στη συσκευή
Golgi, (Δ) Τέλος, αποδίδεται στην κυπαρική μεμβράνη, Η άλως ανάμεσα στις δύο αιχμές σημαδεύει το σημείο όπου ένα κυστίδιο συVΤΉ χθηκε με την κυπαρική μεμβράνη αποβάλλοντας την ιική πρωτείνη στη μεμβράνη, (Α-Δ, με την άδεια της Jennifer Lippincott-Schwartz).
Οι εκκριtlκές πρωτε'ί'νες απελευθερώνοντΟ1 από το κύπαρο με εξωκυπάρωση Σε όλα ω ευκαρυωπκά κύπαρα υπάρχει μια σrαθερή ροή Kυσrιδίων που εKβλασrαίνoυν από 10 δίκτυο trans
Golgi
και συντήκονωι με Την κυπαρική
μεμβράνη. Αυτή η ιδιοσύσrαrn οδός εξωκυπάρωσnς
pathway)
(COnsitutive exocytosis
λεΙ1Ουργεί συνεΧώς και εφοδιάΖει την κυπαρική μεμβράνη με και
νούργια λιπίδια και πρωτε'ίνες: έι:σι αυξάνει η κυπαρική μεμβράνη αυξάνει ό ων 10 κύπαρο μεγεθύνεταιπριν διαιρεθεί. Επίσης μεωφέρει πρωτε'1νες σrην
κυπαρική επιφάνειαγια ν' απελευθερωθούνσro εξωτερικό περιβάλ/ον, διερ γασία που ονομάΖεται έκκριση. Μερικές πρωτε'ί'νες που εκκρίνονται προ σκολ/ώνται σrην κυπαρική επιφάνεια και μετατρέπονταισε περιφερειακές πρωτε'ίνεςΤης κυπαρικήςμεμβράνης, μερικές ενσωμarώνονταισro εξωκυπά
ριο σrρώμα και ακόμα άλλες διαΧέονται σro εξωκυπάριο υγρό με σκοπό Τη διατροφή ή Την σημα1ΟδόΤησηάλλων κυπάρων. Η είσοδος σε αυτή Την οδό
«γενικής κυκλοφορίας»δεν προϋποθέτει κάποια συγκεκριμένηαλ/ηλουΧία σήμα (όπως οι οδοί που καταλήγουνσrα λυσοσωμάπαή πίσω σro ΕΔ). Γι' αυ
τό, ονομάΖεωι επίσης και <<8001Kn>> οδός
(default pathway).
Εκτός από Την ιδιoσύσrarη οδό εξωκυπάρωσης η οποία λειτουργεί συνεΧώς
σε όλα ω ευκαρυωπκά κύπαρα, υπάρχει και η ρυθμ1ΖόμενΩ οδός εξωκυπάρωσης
(regulated exocytίc pathway) η οποία λεΙ1Ουργεί μόνο
στα κύπαρα που έχουν ε
ξειδικευτεί για έκκριση. Τα εξειδικευμένα εκκριτικά κύπαρα παράγουν μεγάλες ποσότητες κάποιων συγκεκριμένων προϊόντων, όπως ορμόνες,
BMwn ή πεmικά ένζυμα, που αποθηκεύονται σε εκιφmκά κυσnoια (secretory vesicles). Τα Kυσrίδια αυτά εKβλασrαίνoυν από 10 δίκτυο Irans-Golgi και συσσωρεύονται κοντά σrην κυπαρική μεμβράνη. ΣΤη συνέχεια συντήκονται με την κυπαρική μεμβράνη και α
πελευθερώνουν ΤΟ περιεχόμενό τους στον εξωκυπάριο Χώρο μόνο όων ΤΟ κύΤΤα ρο διεγερθεί από κάποιο εξωκυπάριο σήμα (Εικόνα
15-28). Για παράδειγμα,
η
αύξηση της γλυκόΖης του αίματος, για παράδειγμα, σηματοδοτεί ω κύπαρα του παγκρέατος να εκκρίνουν την ορμόνη ινσουλίνη (Εικόνα
15-29).
Οι πρωτε'1νες που προορίΖΟνται για τα εκκριπκά Kυσrίδια διαλέγονται και
συσκευάΖΟνται σro δίκτυο trans Golgi. Οι πρωτΈ'ί'νες που διακινούνται σε αυτή Την οδό έχουν ειδικές επιφανειακές ιδιόΤητες που προκαλούν Τη συσ σωμάτωση 1Ους κάτω από πς ιοντικές συνθήκες που επικρα1Ούν σro δίκτυο
Irans Golgi (όξινο περιβάλ/ον με υψηλή συγκέντρωση
Ca 2+). Οι συσσωμα
τωμένες πρωτε'1νες, με κάποιον άγνωσro μηχανισμό, αναγνωρίΖΟνται και
συσκευάΖΟνται σε εκκρπικά Kυσrίδια που αποκόΠ1Ονται από 10 δίκτυο. Οι πρωτε'ί'νες που εκκρίνονται μέσω Της ιδιoσύσrαTης οδού εξωκυπάρωσης
δεν συσσωμarώνονταικαι έτοι μεωφέρονταιαυτόματα σrην κυπαρική μεμ βράνη από Kυσrίδια μεταφοράς. Η επιλεκπκή συσσωμάτωση πρωτεϊνών έ
χει και μια άλ/η απoσroλή: επιτρέπει σrις εκκρπικές πρωτε'1νεςνα συσκευά ΖΟνται σrα εκκριπκά Kυσrίδια σε συγκέντρωση έως
200
φορές μεγαλύτερη
από Τη συγκέντρωση μιας ελεύθερης πρωτε'ίνης σroν αυλό 1Ου
Golgi.
Αυτό
επιτρέπει σrα εκκριπκά κύπαρα ν' απελευθερώνουν πολύ γρήγορα μεγά
λες ποσόΤητες πρωτε'ίνης όταν διεγερθούν (βλ. Εικόνα
646
Κεφάλαιο 15: Ενδοκυττάρια Διαμερίσματα και Μεταφορά
15-29).
Εικόνα ~
/
/
/\\ \
ΑΥΤΟΝΟΜΗ ΕΚΚΡΙΣΗ
/
r..
''''\... \
15-28.
Η ρυθμιζόμενη και η ιδιοσύ
στατη οδός της εξωκυπάρωσης. Οι δύο οδοί αποκλίνουν από το δίκτυο trans Golgi. Πολλές
KUΠαρική μεμβράνη
διαλυτές πρωτεινες εκκρίνονται διαρκώς από το κύπαρο μέσω της ιδιοσύστατης οδού της εξωκυπάρωσης που λειτουργεί σε όλα τα κύτ ταρα. Η οδός αυτή τροφοδοτεί επίσης την κυτ ταριKή μεμβράνη με νεοσυντιθέμενα λιπίδια και πρωτεΊνες. Εξειδικευμένα εκκριτικά κύπα
ρα διαθέτουν και μια ρυθμιζόμενη οδό εξωκυτ τάρωσης με την οποία επιλεγμένες πρωτεΊνες
ΡΥΘΜΙΖΟΜΕΝΗ ΕΚΚΡΙΣΗ
συσκευή
Golgi
από το δίκτυο trans Golgi παροχετεύονται σε εκκριτικά κυστίδια, στα οποία οι πρωτεινες συ γκεντρώνονται και αποθηκεύονται έως ότου α φιχθεί ένα εξωκυπάριο σήμα που θα προκαλέ σει την έκκρισή τους. Τα εκκριτικά κυστίδια έ χουν ιδιαίτερες πρωτεινες στις μεμβράνες τους, Ίσως κάποιες από αυτές να δρουν ως υ ποδοχείς για συναθροίσματα εκκριτικών πρω τε'ίνών στο trans δίκτυο Golgi.
Όταν ένα εκκριπκό KυσrίδΙO ή ένα KυσrίδΙO μεταφοράς συνΙηΧθεί με ιπν κυπαρική μεμβράνη και απελευθερώσει το περιεχόμενό του με εξωκυπάρω ση, τότε η μεμβράνη του ενσωματώνεται σrην κυπαρική μεμβράνη. Αυτή η
προσθήκη θα μπορούσε ν' αυξήσει πολύ την επιφάνεια της κυπαρικής μεμ
Ερώmσn
15-7
βράνης. Κάπ τέτοιο όμως συμβαίνει μόνο παροδικά, επειδή μεμβρανικά συ
Τι αναμένετε να συμβεί σrα
σrαΠKά από άλλες περιοχές ιπς κυπαρικής μεμβράνης αφαιρούνΙαι με εν
κύπαρα που εκκρίνουν με
δοκυπάρωση τόσο γρήγορα όσο ΠΡOσrίθενIαι με εξωκυπάρωση. Με την α
γάλες ποσότητες πρωτεΊνης
φαίρεση τα λιπίδια και οι πρωτε'ί'νες του Kυσrιδίoυ επισrρέφoυν σro δίκτυο
μέσω της ρυθμιζόμενης εκ
trans-Golgi όπου μπορεί να χρησιμοποιηθούν πάλΙ.
κριτικής οδού όταν οι ΙΟνΙΙ
•
κές συνθήκες σroν αυλό του ΕΔ αλ/άξουν και γίνουν όμοιες με αυτές
Οδοί εvδοκυιιάρωσns
που επικρατούν σroν αυλό του δικτύου
Τα ευκαρυωπκά κύπαρα προσλαμβάνουν διαρκώς υγρά καθώς επίσης
trans Golgi;
και μεγάλα και μικρά μόρια με τη διαδικασία της ενδοκυπάρωσης. Επιπλέ-
εκκριτικό κυστίδιο που
περιέχει ινσουλίνη
Εικόνα
15-29. Εξωκυπάρωση
εκκριτικών KU-
στιδίων. Ηλεκτρονιογραφία της έκκρισης της ινσουλίνης στον εξωκυπάριο χώρο από ένα
εκκριτικό κυστίδιο β-κυπάρου του παγκρέα τος, Η ινσουλίνη είναι αποθηκευμένη σε υψη λές συγκεντρώσεις στα εκκριτικά κυστίδια και απελευθερώνεται μόνον όταν το κύπαρο διε
γερθεί από μια αύξηση του επιπέδου της γλυ κόζης στο αίμα (Με την άδεια του Lelίo ~
0.2
μm
πό:
L. Orci, J,-D. Vassali, and
Α,
Orci α Perrelet, Sci.
Am. 256:85-94, 1988).
Οδοί Ενδοκυττάρωσης
647
ον, εξειδικευμένα κύπαρα είναι ικανά να ενσωματώσουν μεγάλα σωματίδια ή ακόμη και ολόκληρα κύπαρα. Το υλικό που πρόκειται να προσληφθεί πε ρικλείεται προοδευτικά από ένα μικρό τμήμα της κυπαρικής μεμβράνης το ο ποίο πρώτα βαθουλώνει προς τα μέσα και στη συνέχεια αποσπάται και σχη
ματίΖει ένα ενδοκυπάριο KυσrίδlO ενδοκυπάρωσης. Τελικά το εγκλωβισμέ νο υλικό παραδίδεται στα λυσοσωμάτια, όπου απολουθεί η πέψη του. Οι με ταβολίτες που προκύπτουν από την πέψη μεταφέρονται απευθείας έξω από το λυσοσωμάτιο προς το κυπαροδιάλυμα και μπορεί να ξαναχρησιμοποιη θούν από το κύπαρο.
Υπάρχουν δύο είδη ενδOKUΠάρωσης τα οποία διακρίνονται με βάση το μέ γεθος των κυστιδίων ενδοκυπάρωσης που σχηματίΖονταΙ. Η πινοκυπάρωση
(pinocytosis ή
«κυπαροποσία») αφορά στην πρόσληψη υγρών και μορίων σε
μικρά κυστίδια (με διάμετρο μικρότερη από
(phagocytosis) αφορά
150 nm).
Η φαγοκυπάρωση
στην πρόσληψη μεγάλων σωματιδίων (όπως είναι οι μι
κροοργανισμοί ή τα κυπαρικά θραύσματα) σε μεγάλα κυστίδια που ονομάΖΟ νται φαγοσωμάπα, με διάμετρο μεγαλύτερη από
250 nm. Ενώ
όλα τα κύπαρα
προσλαμβάνουν διαρκώς υγρά και μικρά μόρια με πινοκυπάρωση, τα μεγάλα σωματίδια προσλαμβάνονται κυρίως από εξειδικευμένα φαγοκύπαρα. Σε αυτό το τελευταίο τμήμα θ' ακολουθήσουμε την διαδρομή της ενδο κυττάρωσης από την κυτταρική μεμβράνη προς τα λυσοσωμάτια. Θ' αρΧί σουμε εξετάΖοντας την πρόσληψη μεγάλων σωματιδίων με φαγοκυπάρωση.
Εξειδικευμένα φαγοκύπαρα προσλαμΒάνουν μεγάλα σωματίδια Η πλέον εντυπωσιακή μορφή ενδοκυπάρωσης είναι η φαYOKUΠάρωση, η οποία παρατηρήθηκε για πρώτη φορά περίπου πριν από εκατό χρόνια. Στα
πρωτόΖωα, η φαγοκυπάρωση είναι ένας τρόπος διατροφής. Μεγάλα σωματί δια, όπως βακτήρια, προσλαμβάνονται από τα φαγοσωμάτια, τα οποία στη συνέχεια συντήκονται με τα λυσοσωμάτια όπου γίνεται η πέψη των θρεπτι
κών συστατικών. Στους πολυκύπαρους οργανισμούς, πολύ λίγα κύπαρα εί ναι ικανά να προσλάβουν με αποτελεσματικότητα μεγάλα σωματίδια. Για πα
ράδειγμα, στο έντερο των Ζώων τα μεγάλα σωμάτίδια της τροφής πρέπει ν' α ποδομηθούν σε ξεχωριστά μόρια από εξωκυπάρια ένΖυμα, πριν απορροφη θούν από τα κύπαρα που επενδύουν το εσωτερικό του εντέρου. Εντούτοις, η φαγοκυπάρωση είναι πολύ σημαντική στα περισσότερα Ζώα
για λόγους διαφορετικούς από τη διατροφή. Διεκπεραιώνεται πολύ αποτελε σματικά από τα φαΥοκύπαρα, όπως τα μaκροφάγα, τα οποία αφθονούν στους ιστούς, και από μερικά λευκοκύπαρα του αίματος. Τα φαγοκύπαρα προστα τεύουν από τις μολύνσεις επειδή μπορούν να «προσροφήσουν» τους μικρο
οργανισμούς που εισβάλ/ουν στον οργανισμό. Για να προσληφθούν από ένα μακροφάγο ή ένα λευκοκύπαρο, τα σωματίδια πρέπει πρώτα να προσδεθούν στην επιφάνεια του φαγοκυττάρου και να ενεργοποιήσουν έναν από τους
πολ/ούς επιφανειακούς υποδοχείς. Μερικοί από αυτούς τους υποδοχείς α ναγνωρίΖουν αντισώματα, δηλαδή τις πρωτε'ί'νες που μας προστατεύουν από τις μολύνσεις όταν προσδένονται στην επιφάνεια των μικροοργανισμών. Τα
648
Κεφάλαιο 15: Ενδοκυττάρια Διαμερίσματα και Μεταφορά
Εικόνα
15-30.
Η φαγοκυττάρωση ενός βα
κτηρίου από ένα λευκοκύτταρο του αίματος. Ηλεκτρονιογραφία ενός φαγοκυτταρικού λευ βακτήριο
--r--"'d-"",---,~---r- ψευδοπόδιο
κοκυπάρου (ένα ουδετερόφιλο) κατά τηνπρό σληψη ενός βακτηρίου το οποίο βρίσκεται στη φάση της διαίρεσης. Το ουδετερόφιλο έχει σχηματίσει μεγάλες επιφανειακές προεκβο λές που ονομάζονται ψευδοπόδια και περικλεί
'...----r- κυπαρική μεμβράνη
φαγοκυπαρικό
ουν σταδιακά το βακτήριο (Με την άδεια της
Dorothy F. Bainton).
1 μm
λευκοκύτταρο
κύπαρα που έχουν τέωιους υποδοχείς αναγνωρίζουν βακτήρlO που εΠIKαiΊύ πτονταl από αντισώματα και στη συνέχεια σχηματίΖουν πρoεKβoiΊές στην κυτ
ταρική μεμβράνη τους (ονομάΖονται ψευδοπόδlQ), οι οποίες καταβροΧθίΖουν το βακτήρlO (Εικόνα
15-30). Όταν
συντηχθούν τα άκρα των πρoεKβoiΊών
σχηματίζονται τα φaγοσώμara. 'Οτ:αν ένα φαΥοσωμάnο συντηΧθεί μ' ένα iΊυ σοσωμάnο ΠΡOKαiΊείται πέψη του μικροβίου. Μερικά παθΟΥόνα βακτήρια έ χουν αναπτύξει μηχανισμούς δlOφυΥής. Γιο παράδεΙΥμα, το
tuberculosis, το
Mycobacterium
βακτήριο που ΠΡOKαiΊεί φυματίωση, μπορεί ν' αναστείλει τη
σύντηξη φαyoσωματίoυ-iΊυσoσωματίoυ. Αντί να καταστραφεί, το καταβροΧθι σμένο βακτήρlO επιβιώνει και πoiΊiΊαπiΊασlάZεται μέσα στο μακροφάΥΟ. Είναι άγνωστο πώς ακριβώς επιτυγχάνεται αυτό.
Τα φαΥοκύπαρα παίΖουν επίσης σημαντικό ρόiΊo στο ξεκαθάρισμα νε κρών και φθαρμένων κυπάρων, καθώς και κυπαρικών υπoiΊειμμάτων. Γιο παράδεΙΥμα, τα μακροφάΥα καθημερινά πρoσiΊαμβάνoυν και χωνεύουν πά
νω από 1011 φθαρμένα ερυθροκύπαρα (Εικόνα 15-31).
Εικόνα 15-31. Φαγοκυττάρωση ερυθροκυτ τάρων από ένα μακροφάγο. Ηλεκτρονιογρα φία σάρωσης ενός μακροφάγου που φαγοκυτ ταρώνει δύο ερυθρά αιμοσφαίρια. Τα κόκκινα βέλη δείχνουν τις άκρες λεmών μεμβρανικών φύλλων, τα ψευδοπόδια, που προεκβάλλουν από το μακροφάγο σαν κολάρα για να κατα 5
μm
βροχθίσουν τα ερυθροκύπαρα.
Οδοί Ενδοκυττάρωσης
649
Μακρομόρια ΚΟ1 υγρά προσλαμβάνονΙΟ1 με πινοκυπάρωση Τα ευκαρυωτικά κύτταρα διαρκώς προσλαμβάνουν μικρά τμήματο της κυτταρικής μεμβράνης τους υπό μορφή κυστιδίων με πινοκυττάρωση. Τα
τμήματο αυτά αργότερα επιστρέφονται στην επιφάνεια του κυττάρου. Ο ρυθ μός με τον οποίο προσροφάται η κυτταρική μεμβράνη με τη διαδικασία της
πιvοκuπάρωσης, ποικίλλει από κύτταρο σε κύτταρο, αλλά συνήθως είναι ε ντυπωσιακά μεγάλος. Για παράδειγμα, ένα μακροφάγο κάθε ώρα προσλαμ βάνει υγρά ίσα με το
3% της κυτταρικής
25% του όγκου του.
Αυτό σημαίνει ότι προσλαμβάνει το
μεμβράνης του κάθε λεπτό ή το
100% περίπου
σε μισή ώ
ρα. Οι ινοβλάστες ενδοκυτταρώνουν με κάπως μικρότερο ρυθμό, ενώ κά ποιες φαγοκυτταρικές αμοιβάδες προσροφούν την κυτταρική μεμβράνη
τους πολύ τοΧύτερα. Επειδή η συνολική επιφάνεια και ο όγκος ενός κυττά ρου δεν μεταβάλ/ονται κατά τη διάρκεια αυτής της διεργασίας, είναι προφα νές ότι όση μεμβράνη αφαιρείται με την ενδοκυττάρωση άλ/η τόση προστί θετοι κατά τη σύντηξη κυστιδίων με την εξωκυττάρωση.
Η πινοκυττάρωση διεκπεραιώνετοι κυρίως από τις εσοΧές που καλύπτο νται με κλαθρίνη και ΤΟ κυστίδια, που αναφέρθηκαν νωρίτερα (βλ. Εικόνες
15-18 και 15-19). Αφού
αποκοπούν από την κυτταρική μεμβράνη, ΤΟ καλυμ
μένα με κλαθρίνη κυστίδια αποβάλ/ουν γρήγορα το κάλυμμά τους και συ ντήκονται μ' ένα εvδσσωμόπσ. Υγρό από τον εξωκυττάριο Χώρο παγιδεύεται
σε μια καλυμμένη εσΟΧή, καθώς εγκολπώνεται για να σχηματίσει ένα κα λυμμένο κυστίδιο. Έτσι, διαλυμένες ουσίες του εξωκυττάριου υγρού εισέρ χονται και παραδίδονται σε ενδοσωμάτια. Η πρόσληψη υγρών γενικά εξι σορροπείται με την απώλεια υγρών κατά την εξωκυττάρωση.
Στα Ζωικά κύπαρα η εξειδικευμένη ενδοκυπάρωση
εξασφαλίΖεται μέσω υποδοΧέων Η πινοκυττάρωση όπως περιγράφηκε νωρίτερα είναι μια μη επιλεκτική
διεργασία. Τα κυστίδια ενδοκυττάρωσης απλώς παγιδεύουν κάθε μόριο που βρίσκετοι τυχαία στο εξωκυττάριο υγρό και το μετοφέρουν μέσα στο κύτταρο.
Όμως, στα περισσότερα Ζωικά κύτταρα η πινοκυττάρωση μέσω κυστιδίων κα λυμμένων με κλαθρίνη αποτελεί επίσης μια αποτελεσματική οδό πρόσληψης μακρομορίων από το εξωκυττάριο υγρό. Τα μακρομόρια προσδένονται σε συ μπληρωματικούς υποδοχείς της κυτταρικής μεμβράνης και εισέρχονται στο κύτταρο ως σύμπλοκα υποδοχέα-μακρομορίου με κυστίδια καλυμμένα με
κλαθρίνη. Η διαδικασία αυτή ονομάΖετοι ΕVδOKUΠάρωση μέσω υποδΟΧέωv
(receptor-mediated endocytosis). Είναι
ένας επιλεκτικός μηχανισμός ο οποίος
αυξάνει την αποτελεσματικότητο και την εξειδίκευση της πρόσληψης συγκε κριμένων μακρομορίων τουλάχιστον
1000 φορές περισσότερο
από τη συνηθι
σμένη πινοκυττάρωση. Έτσι, ακόμα και σπάνια συστατικά του εξωκυττάριου υ γρού μπορεί να προσληφθούν σε μεγάλες ποσότητες χωρίς να συνοδεύονται
από ανάλογα μεγάλο όγκο εξωκυττάριου υγρού. Στο Ζωικά κύτταρα ένα σημα ντικό παράδειγμα ενδοκυττάρωσης μέσω υποδοΧέων είναι η πρόσληψη της χοληστερόλης που χρησιμοποιείτοι για την κατασκευή νέας μεμβράνης.
650
Κεφάλαιο 15: Ενδοκυττάρια Διαμερίσματα και Μεταφορά
Η χοληστερόλη είναι εξαιρεηκά αδιάλυτο μόριο και μεταφέρεται στην κυ κλοφορία του αίματος υπό μορφή σωμαηδίων, προσδεμένη σε πρωτε'ί'νες
που ονομάΖΟνται ί\ιποπρωτε[vες χaμnί\riς πυκvότnτας ή
lipoproteins).
LDL (low-density
Η ΙΟΙ προσδένεται σε υποδοχείς που βρίσκονται στην κυπα
ρική επιφάνεια και τα σύμπλοκα υποδοΧέα-ΙΟΙ προσλαμβάνονται με ενδο κυπάρωση μέσω του υποδοΧέα και παραδίδονται σε ενδοσωμάηα. Το εσω τερικό των ενδοσωματίων είναι πιο όξινο από το περιβάλ/ον κυπαροδιάλυ μα ή το εξωκυπάριο υγρό και σε αυτό το όξινο περιβάλ/ον η ΙΟΙ διίσταται α πό τον υποδοΧέα της: οι υποδοχείς επιστρέφουν στην κυπαρική μεμβράνη με κυστίδια μεταφοράς για να ξαναχρησιμοποιηθούν, ενώ η ΙΟΙ μεταφέρε
ται στα λυσοσωμάηα. Στα λυσοσωμάηα η ΙΟΙ αποδομείται από υδρολυηκά ένΖυμα και η χοληστερόλη απελευθερώνεται και διαφεύγει στο κυπαροδιά λυμα, όπου είναι διαθέσιμη για τη σύνθεση νέας μεμβράνης. Οι υποδοχείς της ΙΟΙ στην κυπαρική επιφάνεια διαρκώς ενδοκυπαρώνονΤαι και ανακυ
κλώνονται ανεξάρτητα από την πρόσδεση της ΙΟΙ (Εικόνα
15-32).
Αυτή η οδός παραλαβrjς της χοληστερόλης δεν λειτουργεί σε ανθρώπους οι οποίοι έχουν κληρονομήσει ένα ελαπωμαηκό γονίδιο που κωδικοποιεί
τον υποδοΧέα της
LDL.
Σε μερικές περιπτώσεις οι υποδοχείς απουσιάΖουν,
ενώ σε άλ/ες υπάρχουν υποδοχείς αλ/ά δεν είναι λεnουργικοί. Σε κάθε πε ρίπτωση, επειδή τα κύπαρα δεν μπορούν να προσλάβουν
LDL,
η χοληστε
ρόλη συσσωρεύεται στο αίμα και προδιαθέτει σε ανάπτυξη αθηροσκλήρυν σης. Οι περισσότεροι ασθενείς πεθαίνουν σε νεαρή ηλικία από καρδιακή προσβολή επειδή φράΖουν οι αρτηρίες που τροφοδοτούν την καρδιά. Η ενδοκυπάρωση μέσω υποδοΧέων χρησιμοποιείται επίσης και για την πρόσληψη άλ/ων απαραίτητων μεταβολnών, όπως η βnαμίνη
812
και ο σίδη
ρος, τους οποίους δεν μπορείνα παραλάβειτο κύπαρο με ης διεργασίεςτης μεμβρανικήςμεταφοράς που συΖητήθηκανστο Κεφάλαιο 12. Η βιταμίνη 812 και ο σίδηρος, απαραίτητα συσταηκά για τη σύνθεση της αιμοσφαιρίνης,της σημαντικότερηςπρωτε'ί'νηςτων ερυθροκυπάρων,εισέρχονται στα ανώριμα Εικόνα
15·32. Ενδοκυπάρωση της LDL μέ LDL προσδένονται σε υπο
σω υποδοχέων. Οι
δοχείς της κυπαρικής μεμβράνης και ενσωμα ωL ~
\
~
κυπαρική μεμβράνη
~_)f.'-'-"I-
~u~·
\ καλυμένα κυστίδιο
υποδοχείς LDL
τώνονται σε κυστίδια καλυμμένα με κλαθρίνη.
-_ _
ΚΥΠΑΡΟΔΙΜΥΜΑ
~
Στη συνέχεια τα κυστίδια αποβάλλουν το κά
~
~IJ~
ΕΝΔΟΚΥΠΑΡΩΣΗ
/
ΕΠΙΠΡΟΦΗ ΤΩΝ
ΥΠΟΔΟΧΕΩΝ
LDL
ΠΗΝ ΚΥΠΑΡΙΚΗ
ΑΠΟΚΜγΨΗ
ενδοσωμάτιο
κλαθρίνης
-ΣΥΝΤΗΞΗ ΜΕ ΤΟ ΕΝΔΟΣΩΜΑΤιΟ
~
~ \ ~
Ι
t
ΜΕΜΒΡΑΝΗ
/
ΕΚΒΜΣΤΗΣΗ
ΚΥΠΙΔΙΩΝ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ
λυμμα και συντήκονται με ενδοσωμάτια. Στο ό ξινο περιβάλλον των ενδοσωματίων, οι ΙΟL δι ίστανται από τους υποδοχείς τους. Ενώ οι ΙΟL καταλήγουν σε λυσοσωμάτια όπου αποικοδο μούνται και αποδεσμεύουν ελεύθερη χοληστε ρόλη, οι υποδοχείς των ΙΟL επιστρέφουν στην κυπαρική μεμβράνη μέσω κυστιδίων μεταφο ράς, για να ξαναχρησιμοποιηθούν. Για λόγους απλούστευσης έχει σχεδιαστεί η είσοδος και η
ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΠΟ
επιστροφή στη μεμβράνη μόνον ενός υποδο
ΛΥΣΟΣΩΜΑΤιΟ
χέα ιοι. Ανεξάρτητα από το εάν ένας υποδο
Ι
χέας ΙΟL είναι ελεύθερος ή έχει προσδέσει έ να μόριο
ελεύθερη χοληστερόλη
LDL,
συνήθως ολοκληρώνει μια δια
δρομή στο κύτταρο με επιστροφή κάθε
::.::.::.:.:
υδρολυτικά ένζυμα λυσοσωμάτιο
1Ο λε
mά, δηλαδή συνολικά πραγματοποιεί μερικές εκατοντάδες διαδρομές κατά την εικοσάωρη διάρκεια της ζωής του.
Οδοί Εvδοκυπάρωσης
651
ερυθροκύπαρα ως πρωτεϊνικά σύμπΛοκα. Επίσης, πολ/οί επιφανειακοί υπο δοχείς που προσδένουν εξωκυπάρια σημαωδοηκά μόρια προσΛαμβάνον1ΟΙ
με αυτόνωνφόπο: μερικοί υποδοχείς ανακυκΛώνον1ΟΙ σων κυπαρική μεμ βράνη για να ξαναχρησιμοποιηθούν, ενώ άλ/οι αποδομούν1ΟΙ σ1Ο λυσοσω μάηα. ΔυσΤυχώς η οδός της ενδοκυπάρωσης μέσω υποδοχέων χρησιμοποι
εί1ΟΙ και από ιούς: ο ιός Της γρίπης και ο Ηιν που προκαλεί 10
AIDS
κα1Ο
φέρνουν με ων φόπο αυτόν και εισέρχον1ΟΙ σΤα κύπαρα.
Η διαλογή τωv μακρομορίωv μετά -rnV εvδοκυπάρωση γίνεται στα εvδοσωμάτια Επειδή 10 εξωκυπάριο υΛικό που προσΛαμβάνε1ΟΙμε πινοκυπάρωση μεΤαφέρε1ΟΙ πολύ ΥρήΥορα Ο1α ενδοσωμάηα, είναι δυνοτόν να παραΤη ρήσουμε 10 ενδοσώμα1Ο επωάΖον1Ος Ζων1Ονά κύπαρα σ' ένα υγρό που περιέχει έναν ηλεκφονιόπηκωδείκΤη, ο οποίος διακρίνε1ΟΙ 010 ηΛεκφο νικό μικροσκόπιο. Σω πείραμα αυτό 10 ενδοσώμα1Ο εμφανίΖον1ΟΙως ένα περίπΛοκο σύνολο διασυνδεόμενωνμεμβρανικώνσωΛηνίσκωνκαι μεγα λύΤερων κυσΤιδίων. Διακρίνον1ΟΙ δύο είδη από σημασμένα ενδοσωμάηα: 10 μόρια ωυ δείκΤη πρώ1Ο εμφανίΖον1ΟΙ σε πρώιμα εvδοσωμάπα (early κορυφαία KUΠαρική μεμβράνη
endosomes), που βρίσκον1ΟΙ κάτω από Τη μεμβράνη ωυ κυπάρου, και με 5-15 Λεπτά εμφανίΖον1ΟΙ σ1Ο όψψα εvδοσωμάπα (late endosomes), που βρίσκον1ΟΙ ΚΟνΤά Ο1ον πυρήνα. Το περιεχόμενο ωυ ενδο σωμοτίου διοτηρεί1ΟΙ όξινο (ρΗ 5-6) από μια ανΤΛία Η+ που προωθεί1ΟΙ α
τά από
b πρώιμο ενδοσωμάτιο Ι I . . ~_O
κυστίδια
,
/}
μετα;
./ 3.
Ι
στεγανός
σύνδεσμος
2.
αποικοδόμηση
~λυσoσω'-..,g7 μάτιο
μετάθεση
πυρήνας
--ι(
βασικο πλευρική
KUΠαΡΙKή μεμβράνη
πό ΑΤΡ, η οποία βρίσκε1ΟΙ σΤη μεμβράνη ωυ ενδοσωμοτίου και ανΤλείΗ+ από 10 κυπαροδιάλυμα. Το ενδοσωμάηο λειωυΡΥεί ως κύριος σΤαθμός διαλογής για Την οδό Της ενδοκυπάρωσης, όπως 10 δίκΤυΟ trans
Golgi
εξυπηΡεΤεί Τη λεπουργία Της
διαΛογής σΤην εκκριηκή οδό. Το όξινο περιβάλ/ον ωυ ενδοσωματίου παίΖει σημανΤικό ρόΛο σΤη διαδικασία διαΛογής αναγκάΖΟνΤας πολ/ούς υποδοχείς ν' απεΛευθερώσουνω φορτίο ωυς. Η πορεία που ακοΛουθούν οι υποδοχείς
μεΤά Την είσοδό ωυς σΤΟ ενδοσωμάηο διαφέρει ανάΛογα με 10 είδος ωυ υ ποδοχέα: 1) οι περισσότεροι εΠΙσΤρέφουν σΤην περιοχή Της κυπαρικής μεμ
Εικόνα
15-33.
Πιθανή τύχη των υποδοχέων
βράνης από Την οποία προήλθαν, όπως είναι
nπερίπτωση ωυ υποδοχέα Της
που συμμετέχουν στην ενδοκυπάρωση. Έ
ΙΟΙ που αναφέρθηκε νωρίΤερα,
χουν σχεδιαστεί τρεις οδοί από το ενδοσωμά
αποδομούνΤαι, και
τιο ενός επιθηλιακού κυπάρου, Οι υποδοχείς
κυπαρικής μεμβράνης, με1ΟφέΡΟνΤας έτοι 10 προσδεδεμέναμόρια από ένα
που δεν ανακτώνται από τα πρώιμα ενδοσω
3)
2) μερικοί περνούν
σΤα λυσοσωμάηα όπου
μερικοί κα1Ολήγουν σε μια διαφορεηκή περιοχή Της
μάτια ακολουθούν τη διαδρομή από το ενδο
εξωκυπάριοσημείο σ' ένα άλ/ο με μια διαδικασία που ονομάΖε1ΟΙ KlJuaPIKrJ
σωμάτιο προς το λυσοσωμάτιο και εκεί απο
μετάθεσn
δομούνται. Οι υποδοχείς που ανακτώνται επι
(transcytosis)
(Εικόνα
15-33).
Τα μόρια που παραμένουν προσδεδεμένα Ο1ους υποδοχείς τους έ
στρέφουν είτε στην ίδια περιοχή της κυπαρι κής μεμβράνης απ' όπου προήλθαν (ανακύ
χουν Την ίδια τύχη με τους υποδοχείς. Τα μόρια που διίΟ1ανΤαι από τους υ
κλωση) είτε σε ένα διαφορετικό τμήμα της κυτ
ποδοχείς ωυς μέσα 010 ενδοσωμάηο είναι κα1Οδικασμένανα κα1ΟσΤρα
ταριKής μεμβράνης (μετάθεση). Εάν ο προσ
δέτης παραμένει προσδεδεμένος στον υποδο
φούν Ο1α Λυσοσωμάnα μαΖί με το περισσότερο περιεχόμενοωυ αυλού
χέα του μετά την ενδοκυπάρωσή τους, στο ό
ωυ ενδοσωμοτίου. Παραμένει αβέβαιο πώς με1ΟκινούνΤαι10 μόρια από
ξινο περιβάλλον του ενδοσωματίου θ' ακολου
10 ενδοσωμάηα προς 10 λυσοσωμάηα. Μια δυνοτόΤη1Ο είναι η με1Οφορά
θήσει την ίδια οδό με τον υποδοχέα, διαφορε τικά θα παραδοθεί σε λυσοσωμάτια για απο δόμηση.
652
με κυΟ1ίδια με1Οφοράς, μια άλ/η είναι η Ο1αδιακή με1Οφοπή των ενδο σωμοτίων σε Λυσοσωμάηα.
Κεφάλαιο 15: Ενδοκυττάρια Διαμερίσματα και Μεταφορά
Τα λυσοσωμάτια ειναι τα κύρια οργανιδια
0.2-0.5
ενδοκυπάριας πέψης
μm
ρΗ-7.2
μεταφορέας μεταβολιτών
Πολ/ά από τα εξωκυπάρια σωματίδια και μόρια που προσλαμβάνονται α πό τα κύπαρα καταλήγουν οτα λυσοσωμάTlα, τα οποία είναι μεμβρανlκοί σά κοι με υδρολυηκά ένzι.Jμα που διεκπεραιώνουν ων ελεγχόμενη ενδοκυπά ρια πέψη εξωκυπάριων υλικών και φθαρμένων οργανιδίων. Περιέχουν πε ρίπου
40 είδη
υδρολυηκών ενΖύμων όπως αυτά που αποδομούν πρωτεΊνες,
νουκλεϊνικά οξέα, ολιγοσακχαρίτες και φωσφολιπίδια. Όλα τα ένΖυμα έ χουν βέληοτη λειτουργία οτις όξινες συνθήκες (ρΗ
:::::5) του
λυσοσωμοτίου.
Η μεμβράνη του λυσοσωματίου συντηρεί αυτά τα βλαmικά ένΖυμα μακριά α
πό ΤΟ κυπαροδιάλυμα (του οποίου ΤΟ ρΗ είναι περίπου
7.2). Έτοι,
επειδή τα
ένΖυμα αυτά δρουν σε όξινο ρΗ, ακόμα και εάν διαφύγουν δεν μπορούν να επιφέρουν βλάβες οτο περιεχόμενο του κυπαροδιαλύματος.
Εικόνα
15-34. Λυσοσωμάτιο.
Οι όξινες υδρο
Όπως και όλα τ' άλ/α ενδοκυπάρια οργανίδια, ΤΟ λυσοσωμάηο δεν πε
λάσες είναι υδρολυτικά ένζυμα τα οποία είναι
ριέχει μόνο μια μοναδική- ομάδα ενΖύμων αλ/ά περικλείεται και από μια μο
ενεργά σε όξινες συνθήκες. Ο αυλός του λυ
ναδική μεμβράνη. Η μεμβράνη του λυσοσωμοτίου περιέχει πρωτεΤνες μετα
φοράς που επιφέπουν οτα τελικά προϊόντα ως πέψης των μακρομορίων, ό
σοσωματίου διατηρείται σε όξινο ρΗ από μια ΑΤΡάση Η+ της μεμβράνης, η οποία αντλεί Η+ μέσα σων αυλό.
πως αμινοξέα, σάκχαρα και νουκλεοτίδια, να μεταφερθούν οτο κυπαροδιά λυμα και οτη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν από ΤΟ κύπαρο ή να εκκριθούν.
Περιέχει επίσης μια αντλία Η+ που προωθείται από ΑΤΡ, η οποία, όπως και η αντλία ως μεμβράνης του ενδοσώματος, αντλεί Η+ από ΤΟ κυπαροδιάλυ μα, διατηρώντας έτοι ΤΟ περιεχόμενό του όξινο (Εικόνα
15-34). Οι περlOσό
τερες πρωτεΊνες της μεμβράνης του λυσοσωμοτίου είναι γλυΚΟΖυλιωμένες: τα σάκχαρα που
KGMmOUV ΤΟ μεγαλύτερο
τμήμα ως επιφάνειας των πρωτε
ϊνών οι οποίες βρίσκονται προς την πλευρά του αυλού προοτοτεύουν ης πρωτεΊνες από ης πρωτεάσες του λυσοσωματίου.
Ερώmσn15-8
•
Ο σίδηρος (Fe) είναι ένα σημαντικό ιχνοοτοιχείο απαραίωτο σε όλα τα κύπαρα. Για παρά δειγμα, είναι απαραίωτος γlQ ω σύνθεση των ομάδων της αίμης, οι οποίες αποτελούν τμή
μα του ενεργού κέντρου πολ/ών ενΖύμων που συμμετέχουν σε αντιδράσεις μεταφοράς η λεκφονίων. Επίσης είναι απαραίωτος οτην αιμοσφαφίνη, ων κυριότερη πρωτεΤνη των ε
ρυθροκυπάρων. Ο σίδηρος προσλαμβάνετOl από τα κύπαρα με ενδοκυπάρωση μέσω υ ποδοχέων. Το σύοτημα πρόσληψης του σιδήρου έχει δύο συοταηκά, μια διαλυτή πρωτεΤνη που ονομάζεται φανσφερίνη κω βρίσκεται οτην κυκλοφορία του αίματος και έναν υποδοχέα ως φαν σφερίνης, ο οποίος είνω διαμεμβρανlκή πρωτεΤνη και, όπως ο υποδοχέας της ΙΟΙ Της Εικόνας
15-32,
διαρκώς ενδοκυπαρώνεται και ανακυκλώνεται οτην κυπαρική μεμβράνη. Τα ιόντα του σιδήρου προσ
δένοντω οτην φανσφερίνη σε ουδέτερο ρΗ κω όχι σε όξινο ρΗ. Η φανσφερίνη προσδένεται οτον υ ποδοχέα ως σε ουδέτερο ρΗ μόνον όταν έχει προσδεδεμένο ένα ιόν σιδήρου. Όμως, προσδένεται οτον υποδοχέα Της σε όξινο ρΗ ακόμα και όταν απουσιάζει ΤΟ ιόν του σιδήρου. Από ης παραπάνω ιδιό Τητες, περιγράψτε πώς προσλαμβάνεται ο σίδηρος και αναφέρατε ΤΩ πλεονεκτήμαω αυτού του πολύ πλοκου μηχανισμού.
Οδοί Ενδοκυττάρωσης
653
Τα ειδικά πεπτικά ένΖυμα και οι μεμβρανικές πρωτεΊνες του λυσοσωματί ου συντίθενται στο ΕΔ και μεταφέρονται διαμέσου της συσκευής
δίκτυο
trans Golgi. Ενώ
βρίσκονται στο ΕΔ και στο δίκτυο
Golgi στο cis GO!gi) τα ένΖυ
μα σημαδεύονται με μια ειδική ομάδα φωσφορυλιωμένου σακχάρου (6-φω σφορική μαννόΖη) έτσι ώστε όταν φτάσουν στο δίκτυο
trans-Golgi ν'
ανα
Υνωριστούν από έναν κατάλ/ηλο υποδοΧέα) τον υποδοΧέα της 6-φωσφορι κής μαwόΖης) και στη συνέχεια να ξεδιαλεχτούν, να συσκευαστούν σε κυ στίδια μεταφοράς που εκβλασταίνουν και παραδίδουν το περιεΧόμενό τους στα λυσοσωμάτια μέσω των όψιμων ενδοσωματίων (βλ. Εικόνα
15-17).
Ανάλογα με την προέλευσή τους, τα υλικά ακολουθούν διαφορετική πο ρεία προς τα λυσοσωμάτια. Είδαμε ότι τα εξωκυπάρια σωματίδια παραλαμ βάνονται από φαγοσώματα, τα οποία συντήκονται με τα λυσοσωμάτια, και ό τι το εξωκυπάριο υγρό και τα μακρομόρια προσλαμβάνονται σε μικρότερα κυστίδια ενδοκυπάρωσης, τα οποία παραδίδουν το περιεΧόμενό τους στα
λυσοσωμάτια μέσω των ενδοσωματίων. Τα κύπαρα όμως διαθέτουν μια πρόσθετη οδό για τον εφοδιασμό των λυσοσωματίων με υλικά η οποία χρη σιμοποιείται για την καταστροφή των άχρηστων τμημάτων του ίδιου του κυτ
τάρoυ. Για παράδειγμα, σε ηλεκφονιομικρογραφίες ηπατικών κυπάρων συ χνά παρατηρούνται λυσοσωμάτια που αποδομούν μιτοχόνδρια και άλ/α ορ
γανίδια. Η διεργασία φαίνεται ότι αρχίΖει με τον εγκλεισμό του οργανιδίου σε μια μεμβράνη που προέρχεται από το ΕΔ, δημιουργώντας ένα αυroφaγο σωμάτιο, το οποίο στη συνέχεια συντήκεται με λυσοσωμάτια (Εικόνα
15-35).
Είναι άΥνωστο το πώς επιλέγεται ένα οργανίδιο για μια τέτοια καταστροφή.
ΕΞΩΚΥΠΑΡΙΟ ΥΓΡΟ
\
«.
ΚΥ-ΤΤΑΡΟΔΙΑΛΥΜΑ
βακτήριο
-
φαΥοκuπάρωση
~
~ Εικόνα
15-35. Τρεις
διαδρομές προς αποδό
μηση στα λυσοσωμάτια. Κάθε διαδρομή κα
KUΠαΡΙKή / ' μεμβράνη
~~~~~οοωμfuω ~ ~. ΟΨΙΜΟ ΕΝΔΟΣΩΜΑΤιΟ
ταλήγει σε ενδοκυπάρια πέψη υλικών που προέρχονται από διαφορετική πηγή. Τα δια μερίσματα που προκύmουν από τις διαδρο μές αυτές μερικές φορές διακρίνονται μορ φολογικά, απ' όπου προέρχονται και οι όροι «αυτοφαγολυσοσωμάτιο», «φαγολυσοσωμά
τιο», και άλλοι. Όμως, τέτοια λυσοσωμάτια διαφέρουν μόνο επειδή αποικοδομούν διαφο ρετικά υλικά.
654
\
φαΥοσωμάτιο
Κεφάλαιο 15: Ενδοκυττάρια Διαμερίσματα και Μεταφορά
ΛΥΣΟΣΩΜΑΤιΟ
μιτοχόνδριο
~ο
_
~(~ ~. o=,oγo=μ,"o _
αuτoφαyία
Βαοικέs έVVΟΙΕS •
Τα ευκαρυωτικά κύπαρα περιέχουν πολ/ά ΟΡΥανίδια που περιβάλ/ΟνΙαι από μεμβράνη (ή μεμβρανικά ΟΡΥανίδια) όπως πυρήνα, ενδοπλασματικό δίκτυο (ΕΔ), συσκευή
Golgi,
λυσοσωμάτια, ενδοσώματο, μΙ1ΟΧόνδρια,
χλωροπλάσΙες (σε φυτικά κύπαρα) και υπεροξεΙσωμάτια.
•
Οι περισσότερες πρωτε'ί'νες των ΟΡΥανιδίων συντίθενται σιο κυπαροδιά λυμα και μετοφέρονται σιο εσωτερικό κάθε ΟΡΥανιδίου Υια μια συΥκεκρι μένη λεnουΡΥία. Σήματο διαλΟΥής σΙην αμινοξική αλ/ηλουΧία οδηΥούν
τις πρωτεΊνες σιο σωσΙό ΟΡΥανίδιο. Οι πρωτε'ί'νες που λεnουΡΥούν σιο κυπαροδιάλυμα δεν περιέχουν σήματο διαλΟΥής και παραμένουν σιο Χώ ρο παραΥωΥής 1Ους.
•
Οι πυρηνικές πρωτεΊνες περιέχουν σήματο 1Οποθέτησης σΙον πυρήνα, ΤΟ οποία κατευθύνουν την ενεΡΥό με1Οφορά των πρωτεϊνών από 10 κυπαρο διάλυμα σΙον πυρήνα μέσω πυρηνικών πόρων, οι οποίοι διαπερνούντη διπλή μεμβράνη1Ου πυρηνικού περιβλήμα1Ος.Οι πρωτε'ί'νεςμπορείνα ει σέλθουν σΙον πυρήνα χωρίς να ξεδιπλωθούν.
•
Οι περισσότερες πρωτεl\ιες των μΙ1Οχονδρίων και των χλωροπλασΙών συ ντίθενται σιο κυπαροδιάλυμα και σΙη συνέχεια με1Οκινούνται σιο εσωτε
ρικό των ΟΡΥανιδίων με ενεΡΥό με1Οφορά από ειδικές πρωτεΊνες με1Οτό πισης που βρίσΚΟνΙαι σΙη μεμβράνη των ΟΡΥανιδίων. Για να επιτευΧθεί
αυτό, οι πρωτεl\ιες πρώ1Ο πρέπει να ξεδιπλωθούν.
•
Το ΕΔ (ενδοπλασματικό δίκτυο) είναι 10 εΡΥασΙήρlOκατοσκευήςμεμβρα νών 1Ου κυπάρου. ΠαρασκευάΖει10 περισσότερααπό ΤΟ λιπίδια 1Ου κυτ τάρου και πολ/ές πρωτε'ί'νες. Οι πρωτε'ί'νες συντίθενται από ριβοσωμάτια 10 οποία είναι προσκολ/ημένασΙη μεμβράνη 1Ου αδρού ενδοπλασματι
κού δικτύου.
•
Σ1Ο κυπαροδιάλυμα 10 ριβοσωμάτια ΚΟίευθύνΟνΙαιπρος 10 ΕΔ ό1Ον η πρωτε'ί'νη που παρασκευάΖουνπεριέχει μια αλ/ηλουχία-σήμαΥια 10 ΕΔ
που αναΥνωρίΖεταιαπό ένα «σωμΟίίδιοαναΥνώΡΙσης1Ου σήμα1Ος» (ΣΑΣ) σιο κυπαροδιάλυμα. Η πρόσδεση 1Ου συμπλόκου ριβοσωμΟίίου-ΣΑΣσ' έναν υποδοΧέα της μεμβράνης1Ου ΕΔ ξεκινά τη διαδικασία με1Οτόπισης, που προωθείτην αυξανόμενη πολυπεπτιδικήαλυσίδα να διαπεράσειτη μεμβράνη1Ου ΕΔ μέσω ενός διαύλου με1Οτόπισης.
•
Οι διαλυτές πρωτε'ί'νες που προορίΖΟνται Υια έκκριση ή Υια 10 εσωτερικό διαφόρωνενδοκυπάριωνΟΡΥανιδίωνπερνούν μέσα σΙον αυλό 1Ου ΕΔ, ε νώ οι διαμεμβρανικέςπρωτεl\ιες με ΠΡΟΟΡΙσμότη μεμβράνη1Ου ΕΔ ή άλ λες μεμβράνες1Ου κυπάρου παραμένουναΥκυροβολημένεςσΙη λιπιδική διπλΟσΙιβάδααπό μια ή πεΡΙσσότερεςα-έλικες που διαπερνούντη μεμ βράνη.
•
Σ1Ον αυλό 1Ου ΕΔ οι πρωτε'ί'νες πτυΧώνονται, συνδέονται με άλλες πρω τε'ί'νες, σχημΟίίΖουν δισουλφιδρυλικούς δεσμούς και ΥλυΚΟΖυλιώνΟνΙαι.
•
Η έξοδος από 10 ΕΔ είναι ένα σημανΙικό σΙάδιο ποιοτικού ελέΥχου. Οι πρωτεl\ιεςπου δεν είναι σωσΙά πτυχωμένεςή δεν συνδυάΖΟνταιμε τις κα τάλ/ηλες πρωτεΊνες παραμένουνμέσα σιο ΕΔ και τελικά αποδομούνται.
Βασικές Έννοιες
655
•
Η μεταφορά πρωτεϊνών από το ΕΔ στη συσκευή
GoIgi προς
GoIgi και από τη συσκευή
άλλες κατευθύνσεις πραγματοποιείται από μεταφορικά κυστί
δια τα οποία διαρκώς εκβλασταίνουν από μια μεμβράνη και συντήκονται
με μια άλλη. Η διαδικασία αυτή ονομάΖεται μεταφορά με κυστίδια.
•
Η επιφάνεια των κυστιδίων μεταφοράς που εκτίθεται στο κυπαροδιάλυμα καλύπτεται από ένα διακεκριμένο πρωτεϊνικό κάλυμμα. Ο σχηματισμός του καλύμματος προωθεί τη διεργασία της εκβλάστησης και οι πρωτε'ϊνες του καλύμματος συμμετέχουν στην ενσωμάτωση υποδοΧέων μazί με τα προσ
δεδεμένα μόρια του φορτίου τους, μέσα στο σχημαΤΙΖόμενο κυστίδιο.
•
Τα καλυμμένα κυστίδια Χάνουν το πρωτεϊνικό κάλυμμά τους μόλις απο κολληθούν και έτσι έχουν την δυνατότητα να συνδεθούν και να συντη χθούν με μια συγκεκριμένη μεμβράνη-στόχο. Πιστεύεται ότι η προσάραξη και η σύντηξη πραγματοποιείται από τις
•
Η συσκευή
v-SNAREs και t-SNAREs. GoIgi δέχεται τις νεοσυντεθειμένες πρωτε'ϊνες από το ΕΔ. Τρο
ποποιεί τους ολιγοσακχαρίτες τους, διαλέγει τις πρωτε'ϊνες και τις απο στέλλει μέσω του δικτύου
trans-Golgi στην
κυπαρική μεμβράνη, τα λυσο
σωμάτια ή τα εκκριτικά κυστίδια.
•
Σε όλα τα ευκαρυωnκά κύπαρα, μεταφορικά κυστίδια εκβλασταίνουν διαρκώς από το δίκτυο
trans GoIgi και
συντήκονται με την κυπαρική μεμ
βράνη. Η διεργασία αυτή ονομάΖεται ιδιοσύστατη εξωκυπάρωση και δια νέμει μεμβρανικά λιπίδια και πρωτε'ϊνες στην επιφάνεια του κυπάρου. Ε πίσης aπελευθερώνει μόρια από το κύπαρο: η διεργασία αυτή ονομάΖεται έκκριση.
•
Εξειδικευμένα εκκριτικά κύπαρα διαθέτουν επιπλέον και μια ρυθμιζόμε νη οδό εξωκυπάρωσης, κατά την οποία μόρια αποθηκευμένα σε εκκριτι
κά κυστίδια απελευθερώνονται από το κύπαρο με εξωκυπάρωση μόνον
όταν το κύπαρο δεΧθεί το κατάλ/ηλο ερέθισμα.
•
Τα κύπαρα προσλαμβάνουν υγρά, μόρια και μερικές φορές σωματίδια με ενδοκυπάρωση, κατά την οποία περιοχές της κυπαρικής μεμβράνης ε
γκολπώνονται και αποκόπτονται έτσι ώστε να σχηματίσουν κυστίδια ενδο κυπάρωσης.
•
Ένα μεγάλο μέρος από το υλικό της ενδοκυπάρωσης παραδίδεται στα εν δοσωμάτια και στη συνέχεια στα λυσοσωμάτια, στα οποία αποδομείται α
πό υδρολυτικά ένΖυμα. Όμως, τα περισσότερα μεμβρανικά συστατικά των κυστιδίων της ενδοκυπάρωσης ανακυκλώνονται με μεταφορικά κυστίδια έτσι ώστε να ξαναχρησιμοποιηθούν από την κυπαρική μεμβράνη.
656
Κεφάλαιο 15: Ενδοκυττάρια Διαμερίσματα και Μεταφορά
Βασικοί Όροι αδρό ενδοπλασματικό δίκτυο
κυτταροδιάλυμα
αiΊiΊηλoυxία-σήμα
λυσοσωμάτιο
έκκριση
μεμβρανικό οργανίδιο
εκκριτικό KυσrίδΙO
πινοκυττάρωση
ενδοκυττάρωση μέσω υποδοΧέων
πυρηνικός πόρος
ενδοπλασματικό δίκτυο (ΕΔ)
πυρηνικό περίβλημα
εξωκυττάρωση
SNARE
καλυμμένα Kυσrίδια
συσκευή
κiΊαθpίνη
φαγοκύτταρο
Kυσrίδια
φαγοκυττάρωση
Golgi
μεταφορικό KυσrίδΙO
Ερωιήσειs Ερώmση
Ερώτηση
15-10
Θα μπορούσατε να κάνετε μια υπόθεση για τον τρόπο με
15-9
τον οποίο εισέρχονται σroν πυρήνα οι πρωτε'ϊνες που πε
Ποιές από τις επόμενες προτάσεις είναι σωσrές; Να εξηγή
ριέχουν ένα πυρηνικό σήμα εξόδου;
σετε τις απαντήσεις σας.
Α. Τα ριβοσωμάτια είναι κυτταροπλασματικές δομές οι ο
Β.
Ερώτηση
15-11
ποίες κατά την πρωτεϊνοσύνθεση διασυνδέονται μ' ένα
Οι ιοί της γρίπης περιβάiΊiΊoνται από μια μεμβράνη που πε
μόριο
mRNA και δημιουργούν τα πολυριβοσωμάτια. Η αμινοξική αλληλουΧία Leu-His-Arg-Leu-Asp-AlaGln-Ser-Lys-Leu-Ser-Ser είναι μια αiΊiΊηλoυxία-σήμα, η
ριέχει μια πρωτε'ίνη σύντηξης η οποία ενεργοποιείται σε ό
οποία κατευθύνει τις πρωτε'ίνες σro ΕΔ.
νες. Μια παλιά λαϊκή συνταγή κατά της γρίπης συνισroύσε
r. Όλα τα μεταφορικά έχουν μια
Kυσrίδια σ' ένα κύτταρο πρέπει να
v-SNARE πρωτε'ίνη
σrη μεμβράνη τους.
Δ. Τα μεταφορικά Kυσrίδια διανέμουν πρωτε'ίνες και λιπί
ξινο ρΗ. Κατά την ενεργοποίηση, η πρωτε'ϊνη προκαλεί τη σύντηξη της μεμβράνης του ιού με τις κυτταρικές μεμβρά
διανυκτέρευση σ' ένα σrάβλo αλόγων. Όσο και αν φαίνε ται παράδεοξο, υπάρχει μια λογική εξήγηση γι' αυτή τη συ νταγή. Ο αέρας σroυς σrάβλoυς περιέχει αμμωνία (ΝΗ 3 ) που παράγεται από τα βακτήρια των ούρων. Σxεδιάσrε με
δια σrην επιφάνεια του κυττάρου. Ε. Εάν παρεμποδΙΖόταν η παράδοση των υποψηφίων
λεπτομέρεια ένα διάγραμμα της οδού μέσω της οποίας ο
trans Golgi
ιός της γρίπης εισέρχεται σrα κύτταρα και κάντε μια υπόθε
σrα όψιμα ενδοσωμάτια, οι λυσοσωματικές πρωτε'ϊνες
ση για τον τρόπο με τον οποίο η ΝΗ 3 πρoσrατεύει τα κύττα
θα εκκρίνονταν μέσω των οδών της ιδιoσύσrατης έκκρι
ρα από μόλυνση του ιού. (Υπόδειξη: η ΝΗ 3 εξουδετερώνει
πρωτεϊνών του λυσοσωματίου από το δίκτυο
σης που φαίνονται και σrην Εικόνα
15-28.
όξινα διαλύματα με την αντίδραση ΝΗ 3
+ Η+ ~ ΝΗ
4
+).
Ζ. Τα λυσοσωμάτια αποδομούν μόνον τις ουσίες που προ σλαμβάνονται από τα κύτταρα με ενδοκυττάρωση. Η. Ν-συνδεόμενες αλυσίδες σακΧάρων βρίσκονται σε
Ερώτηση
15-12
Μερικές
v-SNAREs κατευθύνουν τα μεταφορικά Kυσrίδια trans Golgi προς την κυτταρική μεμβράνη. οι v-SNAREs είναι μεμβρανικές πρωτε'ί'νες που εν
γλυκοπρωτε'ϊνες της κυτταρικής επιφάνειας και σε γλυ
από το δίκτυο
κοπρωτε'ίνες που βρίσκονται σroν αυλό του ΕΔ, του δι
Όλες
κτύου
σωματώνονται σrη μεμβράνη του ΕΔ κατά τη διάρκεια της
trans Golgi και των μιτοχονδρίων.
Ερωτήσεις
657
βιοσύνθεσής 1Ους και μεταφέρονΙαι με μεταφορικά κυστί
στο αμινοτελικό άκρο της και μια αλ/ηλουΧία 1Οποθέτησης
δια στη θέση προορισμού 1Ους. Έτσι, τα μεταφορικά κυ
στον πυρήνα στο μέσο της. Ποια πιστεύετε ότι θα είναι η τύ
στίδια που εκβλασταίνουν από 10 ΕΔ περιέχουν1Ουί\άΧι
χη αυτής της πρωτε'ϊνης; Να εξηγήσετε την απάνΙησή σας.
στον δύο είδη από v-SNAREs- αυτές που κατευθύνουν τα κυστίδια στις δεξαμενές 1Ου
Ερώmση
μένουν προσωρινά στο
cis-Golgi και αυτές που παρα δίκτυο trans Golgi με σκοπό να
Να συγκρίνετε και ν' ανΙιπαραθέσετε την εισαγωγή μιας
15-16
πακεταριστούν σε διάφορα κυστίδω μεταφοράς με προο
πρωτεωης στο ΕΔ και στον πυρήνα. Αναφέρετε 1Ουί\άΧι
ρισμό την κυπαρική μεμβράνη. (Α) Γωτί αυτό αποτελεί
στον δύο κύριες διαφορές των μηχανισμών και σκεφτείτε
πρόβλημα; (Β) Προτείνετε κάποιους τρόπους που μπορεί
για ποιο Μγο ο μηχανισμός εισαγωγής στο ΕΔ δεν μπορεί
να χρησιμοποιεί 10 κύπαρο για να ανΙιμετωπίσειαυτό 10
να χρησιμοποιηθεί γω την εισαγωγή στον πυρήνα και α
πρόβλημα.
νΙίστροφα.
Ερώmση 15-13
Ερώmση
15-17
ό
Κατά τη διάρκεια της μίτωσης, 10 πυρηνικό περίβλημα δια
ταν αυξάνει η θερμοκρασία. Η μετάλ/αξη επηρεάΖει τη δο
λύεται σε μικρά κυστίδια και οι ενδοπυρηνικέςπρωτε'ϊνες
μή της δυναμίνης και την καθιστά ανενεργό σε υψηλές
αναμιγνύονΙαιπλήρως με τις πρωτε'ί\.ιες1Ου κυπαροδιαλύ
θερμοκρασίες. Πράγματι, η λειτουργία της δυναμίνης α
μα1Ος. Αυτό συμφωνείμε 10 εξελικτικό σχήμα που προτεί
νακαλύφθηκε μελετώνΙας 10 ελάπωμα αυτών των μεταλ
νεται στην Εικόνα 15-3;
Ένα μεταλ/αγμένο στέλεχος της
Drosophila παραλύει
λαγμένων ενΙόμων. Η πλήρης παράλυση σε υψηλές θερ
15-18. Μια
μοκρασίες υποδεικνύει ότι έχει παρεμποδιστείη συναπτι
Ερώτηση
κή μεταβίβαση μεταξύ νευρικών και μυϊκών κυπάρων (α
πρωτεολυτικά ένΖυμα εκκρίνεται κανονικά από τα ηπατο
πρωτε'ί\.ιη που αναστέλ/εl ορισμένα
ναφέρθηκεστο Κεφάλαιο 12). Να προτείνετε κάποιο Μγο
κύπαρα στην κυκλοφορία 1Ου αίμα1Ος. Αυτή η ανασταλτι
για 1Ον οποίο η συναπτική μεταβίβαση χρειάΖεται δυναμί
κή πρωτε'ί\.ιη που ονομάΖεται ανΙιθρυψίνη, απουσιάΖει από
νη. Με βάση την υπόθεσή σας, τι περιμένετε να παρατηρή
την κυκλοφορία 1Ου αίμα1Ος ασθενών που έχουν μια με
σετε σε ηλεκτρονιογραφίες των συνάψεων των ενΙόμων
τάλ/αξη: η μετάλ/αξη συνίσταται σε αλ/αγή ενός μόνο α
που έχουν εκτεθεί σε υψηλές θερμοκρασίες;
μινοξέος. Η έλ/ειψη της ανΙιθρυψίνης προκαλεί διάφορα σοβαρά προβλήματα, ιδίως στους πνεύμονες, εξαιτίας της
Ερώmση
να συνΙάξετε τις παρακάτω
μη ελεγΧόμενης δράσης των πρωτεασών. Περιέργως, ό
προτάσεις, αν χρειάΖεται, ώστε να γίνουν σωστές: «Επειδή
15-14. Προσπαθήστε
ταν η μεταλ/αγμένη ανΙιθρυψίνη συνΙεθεί στο εργαστήριο
οι αλ/ηλουχίες 1Οποθέτησης στον πυρήνα δεν αποσπώ
είναι εξίσου αποτελεσματική στην αναστολή των πρωτεα
νΙαι από πρωτεάσες μετά την είσοδο της πρωτε'ϊνης στον
σών όσο και η φυσιολογική πρωτε'ϊνη. Για ποιο Μγο, επο
πυρήνα, μπορεί να ξαναχρησιμοποιηθούν γω να εισά
μένως, η μετάλ/αξη αυτή προκαλεί την ασθένεω; Σκε
γουν πυρηνικές πρωτε'ϊνες μετά τη μίτωση, όταν οι πρω
φθείτε περισσότερες από μω δυνατότητα και προτείνετε
τε'ί\.ιες 1Ου κυπαροδιαλύμα1Ος και 1Ου πυρήνα έχουν πλέ
τρόπους με 1Ους οποίους μπορείτε να τις διακρίνετε.
ον αναμειΧθεί. ΑνΙίθετα, οι αλ/ηλουχίες-σήματα για 10 ΕΔ
αποσπώνΙαι από μω πεπτιδάση1Ου σήμα1Ος αμέσως μετά
Ερώmση
15-19. Η Dr. Outonalimb καυχιέται
για την ανα
την είσοδό 1Ους στον αυί\ό 1Ου ΕΔ. Επομένως, οι αλ/η
κάλυψη της φοργκετίνης
λουΧίες 1Ου σήμα1Ος για 10 ΕΔ δεν μπορεί να ξαναχρησι
με λησμοσυνίνη), μια πρωτε'ϊνη που παράγεται από την ε
μοποιηθούνγια την εισαγωγή πρωτεϊνών στο ΕΔ μετά τη
πίφυση των ανθρώπων σε εφηβική ηλικία. Η πρωτε'ί\.ιη
μίτωση, όταν οι πρωτεωες 1Ου κυπαροδιαλύμα1Οςκαι 1Ου
προκαλεί επιλεκτική, μικρής διάρκεως έλ/ειψη ανΙαπό
ΕΔ έχουν αναμειΧθεί. Έτσι, αυτές οι πρωτε'ϊνες 1Ου ΕΔ
κρισης και απώλεια μνήμης όταν 10 σύστημα ακοής δέχε
πρέπει ν' αποδομηθούνκαι να συνΙεθούν ξανά».
ται προτάσεις 1Ου τύπου: «Πήγαινε σε παρακαλώ να πετά
(forgettin -
ελ/ηνικά θα τη λέγα
ξεις τα σκουπίδω!». Η υπόθεσητης ερευνήτριαςείναι ότι η
Ερώmση 15-15
«φοργκετίνη»έχει ένα υδρόφοβο σήμα για 10 ΕΔ στο καρ
Μια πρωτε'ί\.ιη περιέχει μια αλ/ηλουΧία σήμα1Ος για 10 ΕΔ,
βοξυτελικό άκρο της, 10 οποίο αναγνωρίΖεταιαπό 10 σω-
658
Κεφάλαιο 15: Ενδοκυττάρια Διαμερίσματα και Μεταφορά
μοτίδιο αναγνώρισης του σήματος (ΣΑΣ) και μεταφέρεται διαμέσου της μεμβράνης του ΕΔ μ' ένα μηχανισμό που έ
χει σχεδιαστεί στην Εικόνα
15-13. Η ερευνήτρια
προτείνει
ότι η πρωτεΤνη εκκρίνεται από την επίφυση στην κυκλοφο
ρία του αίματος και από εκεί προκαλεί τα ανεπιθύμητα συ στηματικά αποτελέσματα. Θεωρείστε ότι είστε ένα μέλος της επιτροπής που θ' αποφασίσει εάν αξίΖει να χρηματο
δοτηθεί ώστε να ερευνήσει περισσότερο την υπόθεσή της. Λάβετε υπόψη σας ότι τα σχόλια για προτάσεις χρηματο δότησης πρέπει να είναι ευγενικά και εποικοδομητικά. Ερώτηση
15-20
Για να προχωρήσουμε το εξελικτικό σχήμα της Εικόνας
15-3
Εικόνα Ε15·22
ένα στάδιο πιο πέρα, προτείνετε πώς εξελίΧθηκε η
συσκευή
Golgi.
Σχεδιάστε ένα απλό διάγραμμα που να
παρουσιάΖει τις ιδέες σας. Για να είναι χρήσιμη η λειτουρ
γία της συσκευής
Golgi, τι
άλ/ο θα έπρεπε να είχε εξελι
χθεί παράλληλα; Ερώτηση
Ερώτηση
15-21
Εφόσον οι μεμβρανικές πρωτεlνες ενσωματώνovται στην
15-22
Το σχέδιο της Εικόνας Ε15-22 είναι μια σχηματική αναπα ράσταση της ηλεκτρονιογραφίας του τρίτου τμήματος της
μεμβράνη του ΕΔ μέσω ενός διαύλου μετατόπισης πρωτε
Εικόνας 15-18Α. Να ονομάσετε τις δομές που σημειώνο
ϊνών (που και ο ίδιος αποτελείται από μεμβρανικές πρω
vται στο σχέδιο.
τεΤνες), με ποιο τρόπο ενσωματώθηκαν στη μεμβράνη του
ΕΔ οι πρώτοι δίαυλοι μετατόπισης πρωτεϊνών;
Ερωτήσεις
659
Κυιιαρική Επικοινωνία
Τα κύπαρα, όπως και οι πολυκύπαροι οργανισμοί, πρέπει ν' ανπλαμβά-
•
νΟνΙαι π συμβαίνει οιο περιβάλ/ον τους και ν' απανΙούν κατάλ/ηλα. Για παράδειγμα, ένας συνηθισμένος μονοκύπαρος οργανισμός πρέπει να οσμίΖε ται τις θρεπτικές ουσίες, ν' ανΙιΛαμβάνεται τη διαφορά ανάμεσα οιο φως και
το σκοτάδι και ν' ανιχνεύει και ν' αποφεύγει τα δηλητήρια και τους διώκτες του. Ένα τέτοιο κύπαρο, προκειμένου να έχει κοινωνική Ζωή, πρέπει να
χρησιμοποιεί τις αισθήσεις του για να επικοινωνεί με άλ/α κύπαρα. Όταν, λόγου Χάριν, ένα κύπαρο σακχαρομύκητα είναι έτοιμο να Ζευγαρώσει, εκ κρίνει μια μικρή πρωτεΊνη, γνωοιή ως παράγΟνΙας Ζευγαρώματος
factor),
(mating
οιην οποία είναι ευαίσθητα άλ/α κύπαρα σακχαρομυκήτων. Τα κύτ
ταρα αυτά ανιχνεύουν τον παράγΟνΙα και απανΙούν αναοιέλ/ΟνΙας την πο ρεία του κυπαρικού κύκλου τους και προβάλ/ΟνΙας μια προεξοΧή προς το κύπαρο που εξέπεμψε το σήμα (Εικόνα
16-1).
Σ' έναν πολυκύπαρο οργανισμό, τα πράγματα είναι πολύ πιο περίπλοκα. Τα κύπαρα πρέπει να ερμηνεύουν το πλήθος σημάτων που δέΧΟνΙαι από άλ
λα κύπαρα και να προσαρμόΖουν κατάλ/ηλα τη συμπεριφορά τους. Για πα ράδειγμα, κατά την ανάmυξη των Ζώων, τα κύπαρα του εμβρύου ανΙαλ/άσ
σουν σήματα τα οποία καθορίΖουν τον εξειδικευμένο ρόλο που θα εκτελεί κάθε κύπαρο, τη θέση που θα καταλάβει, όπως επίσης και αν θα Ζήσει, αν θα πεθάνει ή αν θα διαιρεθεί. Αργότερα, πολυποίκιλα σήματα συνΙονίΖουν την ανάπτυξη ενός Ζώου, την καθημερινή φυσιολογία και συμπεριφορά του. Και
οια φυτά, τα κύπαρα βρίσκονΙαι σε συνεχή επικοινωνία μεταξύ τους και α
πανΙούν οιις συνθήκες φωτισμού και θερμοκρασίας που καθορίΖουν τον κύ κλο της αύξησης, της ανθοφορίας και της καρποφορίας, καθώς επίσης συ νΙονίΖουν τις δραοιηριότητες των διαφόρων τμημάτων του φυτού.
Σε αυτό το κεφάλαιο θα εξετάσουμε μερικούς τρόπους με τους οποίους επικοινωνούν τα κύπαρα και θα συΖητήσουμε πώς τα κύπαρα ερμηνεύουν
τα σήματα που δέΧΟνΙα1. Θα επικενΙρωθούμε οια Ζωικά κύπαρα, επειδή οι γνώσεις μας σχετικά με την κυπαρική επικοινωνία οια φυτικά κύπαρα είναι
περιορισμένες. Θ' αρΧίσουμε με μια συνολική θεώρηση των γενικών αρΧών
Γενικές αρχές της κυπαρικής σηματοδότησης Τα σήματα δρουν σε μικρή ή μεγάλη απόσταση Κάθε κύπαρο απαντά σε λίγα σήματα Οι υποδοχείς μεταδίδουν σήματα μέσω ενδοκυπάριων σηματοδοτικών οδών Το οξείδιο του αζώτου εισέρχεται στα κύπαρα και ενεργοποιεί άμεσα διάφορα μόρια Μερικές ορμόνες διαπερνούν την KUΠαΡΙKή μεμβράνη και προσδένονται σ' ενδοκυπάριους υποδοχείς Οι υποδοχείς της κυπαρικής επιφάνειας κατατάσσονται σε τρεις κύριες κατηγορίες Οι υποδοχείς που συνδέονται με διαύλους ιόντων μετατρέπουν τα χημικά σήματα σε ηλεκτρικά Πολλές ενδOKUΠάριες σηματοδοτικές πρωτεινες δρουν σαν μοριακοί διακόmες Υποδοχείς που συνδέονται με G-πρωτε'ί\ιες Η διέγερση των υποδοχέων που συνδέονται με G-πρωτεινες ενεργοποιεί υπομονάδες των πρωτεϊνών αυτών Μερικές G-πρωτεινες ρυθμίζουν διαύλους ιόντων Ορισμένες G-πρωτείνες ενεργοποιούν μεμβρανικά ένζυμα Η οδός του κυκλικού ΑΜΡ ενεργοποιεί ένζυμα και γονίδια Η οδός των φωσφολιπιδίων ινοσιτόλης οδηγεί σε αύξηση του ενδOKUΠάΡΙOυ Ca2+ Τα σήματα των ιόντων Ca2 + πυροδοτούν πολλές βιολογικές διεργασίες Οι ενδOKUΠάριες σηματοδοτικές ακολουθίες μπορεί να επιτύχουν αξιοσημείωτη ταχύτητα, ευαισθησία και προσαρμοστικότητα: οι φωτοϋποδοχείς του οφθαλμού Υποδοχείς που διασυνδέονται με ένζυμα Ενεργοποιημένοι υποδοχείς με ενεργότητα κινάσης της τυροσίνης συναρμολογούν ένα σύμπλοκο ενδOKUΠάριων σηματοδοτικών πρωτε'ίνών Οι υποδοχείς με δράση κινάσης της τυροσίνης ενεργοποιούν την πρωτεινη Ras Μερικοί υποδοχείς που συνδέονται με ένζυμα ενεργοποιούν μια οδό «ταχείας κυκλοφορίας» προς τον πυρήνα Τα δίκτυα των πρωτε'ίνικών κινασών επεξεργάζονται πληροφορίες για να ελέγξουν περίπλοκες KUΠαΡΙKές συμπεριφορές Η δημιουργία πολυκύπαρων οργανισμών και η ανάmυξη της KUΠαΡΙKής επικοινωνίας εξελίχθηκαν ανεξάρτητα στα φυτά και στα ζώα
661
Εικόνα
16-1. Κύπαρα
σακχαρομυκήτων που
απαντούν στον παράγοντα ζευγαρώματος. Συνήθως, τα κύπαρα του
cerevisiae
Saccharomyces
είναι σφαιρικά (Α). Όταν εκτίθενται
στον παράγοντα ζευγαρώματος που εκκρίνε
ται από γειτονικά κύπαρα ζύμης εκβάλλουν μια προεξοχή προς την πηγή του παράγοντα
(8).
(Με την άδεια του
Michael Snyder).
(Α)
(6)
Της κυπαρικής σηματοδότησης και οτη συνέχεια θα εξετάσουμε δύο από ω κύρια συοτήμαω που χρησιμοποιούν ω Ζωικά κύπαρα όων δέχονται και ερ μηνεύουν σήμαω.
Γεvικέs αρχέs IllS κuιιαρικήs σημαιοδόιησηs Οι πληροφορίες μπορεί να πάρουν πολλές μορφές. Η επικοινωνία συ χνά συνίοταωlσε μεωΤροπήτων πληροφοριώναπό μια μορφή σε μια άλλη. Για παράδεΙΥμα,όων Τηλεφωνούμεσ' έναν φίλο, ω ηχηnκά κύμοταΤης φω
νής μας μεωΤρέπονταισε ηλεκτρικά σήμαω που ωξιδεύουν κατά μήκος ε νός Τηλεφωνικούκαλωδίου. Τα κρίσιμα σημεία της μετάδοσης βρίσκονται ε κεί όπου ΟΙ πληροφορίεςμεωΤρέπονταιαπό Τη μια μορφή οτην άλλη. Αυτή η
διεΡΥασία μεωΤροπής αποκαλείται μεταΒίβαση σημάτων (signa!
tion)
(Εικόνα
transduc-
16-2).
Τα σήμαω που μεωδίδονται ανάμεσα οτα κύπαρα είναι πολύ πιο απλά από τ' ανθρώπινα μηνύμαω. Συνήθως, ένα συΥκεκριμένο μόριο παράyεω~
από ένα κύπαρο, το σπμαroδοπκό κύπαρο
(signaling cell) , και ανιχνεύεωl α πό ένα άλλο κύπαρο, το κύπαρο-οτόχος (target cell), μέσω μιας πρωτε'ίνης που δρα ως υποδοχέας (receptor protein), η οποία αναΥνωρίΖεl το σηματο δοnκό μόριο και απαντά σ' αυτό με ειδικό Τρόπο. Ο υποδοχέας διεκπεραιώ νει το πρώτο βήμα σε μια σειρά διεΡΥασιών μεωβίβασης που συμβαίνουν οτο άκρο Της σηματοδοnκής οδού, δηλαδή οτο κύπαρο οτόΧο, όπου το ει
σερΧόμενο εξωκυπάρlO σήμα μεωΤρέπεωl σ' ενδοκυπάρια σήμαω που ρυθμίΖουν Την κυπαρική συμπεριφορά. Στο μεΥαλύτερο μέρος αυτού του κε φαλαίου θ' ασχοληθούμε με Την παραλαβή και Τη μεωβίβαση των σημάτων.
Εικόνα
16-2.
Μεταβίβαση σήματος. (Α) Μία
τηλεφωνική συσκευή μετατρέπει ένα ηλεκτρι
κό σήμα σε ηχητικό.
(8) Ένα κύπαρο
μετατρέ
πει ένα εξωκυπάριο σήμα σε ενδοκυπάριο σήμα.
662
Κεφάλαιο 16: Κυτταρική Επικοινωνία
Όταν ΟΙ κυτταρικοί βιολόΥΟΙ αναφέρονται στην κυπαρική σηματοδότηση
(cell signaling),
Υενικά έχουν κατά νου αυτές τις δύο διεΡΥασίες. Ωστόσο,
πρώτα θα εξετάσουμε τα διαφορετικά είδη σημάτων που τα κύτταρα απο στέλ/ουν το ένα στο άλ/ο.
Τα σήματα δρουν σε μικρή ή μεγάλη απόσrαση Τα κύτταρα των πολυκύτταρων ΟΡΥανισμών Υια ν' αποστείλουν μηνύματα το ένα στο άλλο χρησιμοποιούν εκατοντάδες είδη εξωκυττάριων μορίων,
πρωτεΊνες, πεπτίδια, αμινοξέα, νουκλεοτίδια, στεροειδή, παράΥωΥα λιπαρών οξέων ή ακόμα και αέρια σε διάλυμα. Ωστόσο, οι βασικοί τρόποι επικοινω νίας είναι πολύ λίΥΟΙ (Εικόνα
16-3).
Στους πολυκύτταρους ΟΡΥανισμούς, ο πιο κοινός τρόπος συνίσrmαι σε με τάδοση του σήματος σε ολόκληρο το σώμα του ΟΡΥανισμού μέσω της έκκρισής
του σrην κυκλοφορία του αίματος ενός Ζώου ή σroν οπό ενός φυτού. Τα σημα τοδοτικά μόρια που χρησιμοποιούνται με τον τρόπο αυτό αΠOKαiΊoύνται ορμό νες
(hormones). Στα Ζώα, τα κύτταρα
που παράΥουν ορμόνες αναφέρονται ως
fVBOKPIVn κύτταρα.(Εικόνα16-3Α). Για παράδεΙΥμα, ένα μέρος του παΥκρέα
τος είναι ένας ενδοκρινήςαδένας που παράΥειτην ορμόνη ινσουλίνη, η οποία ρυθμίΖειτην πρόσληψητης ΥλυκόΖης σε όλα τα κύτταρα του σώματος.
ΛΙΥότερο κοινή είναι η διεΡΥασία που αποκαλείται παρακριvnς σπματο δότπσπ (paracrine
signaling).
Εδώ, αντί να εισέλθουν σrην κυκλοφορία του
αίματος, τα σηματοδοτικά μόρια διαΧέονται τοπικά μέσα σroν εξωκυττάριο Χώρο, παραμένουν όμως κοντά στο κύτταρο το οποίο τα εκκρίνει. Συνεπώς,
δρουν ως τοπικοί διαμεσολαβητές
(local mediators)
(Εικόνα
16-38). Με αυ
τόν τον τρόπο λειτουΡΥούν πολ/ά από τα σηματοδοτικά μόρια που ρυθμί-
(Α)
ΕΝΔΟΚΡΙΝΗΣ
(6)
ΠΑΡΑΚΡΙΝΗΣ
ενδοκρινικό κύπαρο
σηματοδοτικό κύπαρο
•
τοπικός διαμεσολαβητής
κυκλοφορία του αίματος
,~
κύπαραστόχοι
·-0
Εικόνα
16·3.
Μορφές κuπαρικής σηματοδό
τησης. (Α) Οι ορμόνες που παράγονται σε εν δοκρινείς αδένες εκκρίνονται στην κυκλοφο ρία του αίματος και κατανέμονται ευρέως σε όλο το σώμα. (Β) Τα παρακρινή σήματα απε
λευθερώνονται από τα κύπαρα στο γειτονικό εξωκυπάριο μέσο και δρουν τοπικά. (Γ) Τα (η
ΝΕΥΡΩΝΙΚΗ
(Δ)
rJ,
~~~ .
σωμα
κύπαρο στόχος
σύναψη
νευρώνας
KUΠ?ΡΙKO
ΕΞΑΡΤΩΜΕΝΗ ΑΠΟ ΕΠΑΦΗ
.
νευροδιαβιβαστης
KUΠαρO-
στόχος
νευρωνικά σήματα μεταδίδονται κατά μήκος των νευραξόνων προς απόμακρα κύπαρα στόχους. (Δ) Η σηματοδότηση που εξαρτάται
από επαφή προϋποθέτει οι μεμβράνες των κυπάρων να βρίσκονται σε άμεση επαφή. Συ χνά, τα ίδια σηματοδοτικά μόρια χρησιμοποι ούνται στην ενδοκρινή, την παρακρινή και τη
μεμβρανικό
σηματοδοτικόμόριο
νευρωνική σηματοδότηση. Οι βασικές διαφο ρές συνίστανται στην ταχύτητα και την επιλε κτικότητα με την οποία τα σήματα παραδίδο νται στους στόχους τους.
Γενικές Αρχές της Κυτταρικής Σηματοδότησης
663
Ζουν Τη φλεΥμονή σε θέσεις λοίμωξης ή τον κυπαρικό πολ/απλασιασμό των κυπάρων κατά την επούλωση των τραυμάτων.
Ένας τρίτος τρόπος επικοινωνίας είναι η vευρωVlκn σnματoδότηση
ronaI signaling).
(neu-
Όπως και σων ορμονική σηματοδότηση, τα μηνύματα συ
χνά μεταδίδονται σε μεΥάλες αποστάσεις. Ωστόσο, στη νευρωνική σηματο δότηση, τα μηνύματα μεταδίδονται με μεΥάλη ταΧύτητα διαμέσου «ιδιωτι
κών» Υραμμών σε συΥκεκριμένα κύπαρα (Εικόνα 16-3Γ). Όπως είδαμε στο Κεφάλαιο
12,
ο νευράξονας ενός νευρώνα καταλήΥει σ' εξειδικευμένες α
πολήξεις (συvάψεις) πάνω στα κύπαρα-στόχους, πολύ μακριά από το σώμα του νευρώνα. Όταν ενεΡΥοποιηθεί από σήματα που προέρχονται από το πε ριβάλ/ον ή από άλ/α νευρικά κύπαρα, ο νευρώνας αποστέλ/ει ηλεκτρικές ώσεις κατά μήκος του νευράξονά του με ταΧύτητα έως
100 μέτρα το δευτερό
λεπτο. Μόλις φτάσουν στην απόληξη του νευράξονα, τα ενδοκυπάρια ηλε κτρικά σήματα μετατρέπονται σε μια χημική μορφή: κάθε ηλεκτρικός παλμός διεΥείρει την απόληξη να εκκρίνει μια ώση ενός χημικού σήματος Υνωστού
ως νευροδιαβιβαστής μέσα στο στενό «
(neurotransmitter). Οι νευροδιαβιβαστές διαΧέονται 100 nm) συναπτικό χάσμα που παρεμβάλ/εται ανάμεσα
στη μεμβράνη της απόληξης του νευράξονα και στη μεμβράνη του κυπάρου
στόχου σε λΙΥότερο από ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου. Μια τέταρτη μορφή κυπαρικής επικοινωνίας, η πλέον μύΧια και βραχείας
διάρκειας από όλες τις άλ/ες, δεν προϋποθέτει απελευθέρωση ενός εκκρι νόμενου μορίου. Αντίθετα, τα κύπαρα έρχονται σε άμεση επαφή μέσω ση ματοδοτικών μορίων της κυπαρικής μεμβράνης τους. Το μήνυμα μεταδίδε ται από την πρόσδεση ενός σηματοδοτικού μορίου, «αΥκυροδεμένου» στην κυπαρική μεμβράνη του σηματοδοτικού κυπάρου, σ' ένα μόριο-υποδοχέα που είναι ενσωματωμένο στην κυπαρική μεμβράνη του κυπάρου-στόΧQυ (Εικόνα 16-3Δ). Κατά την εμβρυϊκή ανάπτυξη, αυτή η σηματοδότηση που ε Εικόνα
16-4.
Η σηματοδότηση που εξαρτά
ται από επαφή και ο έλεvxος της ανάmυξης των νευρικών κυπάρων. Στο έμβρυο, το νευ ρικό σύστημα αναmύσσεται από μια στιβάδα επιθηλιακών κυπάρων. Μερικά κύπαρα της
στιβάδας αρχίζουν να εξειδικεύονται ως νευ
ξαρτάται από επαφn
(contact-dependent signaling) παίΖει
σημαντικό ρόλο σε
ιστούς όπου Υειτονικά κύπαρα που στην αρχή είναι παρόμοια πρέπει να δια
φοροποιηθούν (Εικόνα Στον Πίνακα
16-1
16-4).
αναΥράφονται μερικά παραδείΥματα ορμονών, τοπι
κών διαμεσολαβητών, νευροδιαβιβαστών και μορίων Υια σηματοδότηση που
ρώνες ενώ τα διπλανά τους κύπαρα παραμέ νουν μη νευρωνικά και διατηρούν την επιθη
μεμβρανικό συσταλτικό σηματοδοτικό μόριο (δέλτα)
λιακή δομή της στιβάδας. Κάθε μελλοντικός νευρώνας μεταδίδει ένα ανασταλτικό σήμα στα κύπαρα με τα οποία βρίσκεται σε επαφή εμποδίζοντάς τα να εξειδικευθούν ως νευρώ νες. Τόσο το σηματοδοτικό μόριο (γνωστό ως
Delta) όσο και ο υποδοχέας (γνωστός Notch) είναι διαμεμβρανικές πρωτεΙνες.
ως Ο ί
διος μηχανισμός διαμεσολαβείται ουσιαστικά από τα ίδια μόρια και ελέγχει το λεmομερές πρότυπο ανάmυξης των διαφοροποιημένων κυπάρων σε ποικίλους ιστούς, τόσο στα σπον δυλωτά όσο και στα ασπόνδυλα. Σε μεταλλαγ μένους οργανισμούς με διαταραχές του συ γκεκριμένου μηχανισμού, ορισμένα είδη κυτ τάρων (όπως οι νευρώνες) παράγονται σε πε ρίσσεια εις βάρος άλλων κυπάρων.
664
Κεφάλαιο 16: Κυτταρική Επικοινωνία
μη εξειδικευμένα επιθηλιακά κύπαρα
αναmυσσόμενο νευρικό κύπαρο
επιθηλιακό κύπαρο που έχει υποστεί αναστολή
~ίναKας 16·1. Ορισμένα παραδείγματα σηματοδοτικών μορίων Σηματοδοτικό μόριο
Προέλευση
Χημική ταυτότητα
Μερικές δράσεις
επινεφρίδια
παράγωγο του αμινοξέος
αυξάνει την αρτηριακή πίεση, την καρδιακή
Ορμόνες Αδρεναλίνη
συχνότητα και τον μεταβολισμό
τυροσίνη
επινεφρίδια
Κορτιζόλη
στεροειδές (παράγωγο
της χοληστερόλης)
επηρεάζει τον μεταβολισμό των πρωτε'ίνών,
των υδατανθράκων και των λιπιδίων στους περισσότερους ιστούς
Οιστραδιόλη
ωοθήκες
στεροειδές (παράγωγο
Γλυκαγόνη
α-κύπαρα του παγκρέατος
πεmίδιο
της χοληστερόλης)
επάγει και συντηρεί τα δευτερογενή χαρακτηριστικά του φύλου στις γυναίκες διεγείρει τη σύνθεση της γλυκόζης, την αποδόμηση του γλυκογόνου και την αποδόμηση των λιπών (πχ στα ηπατικά κύπαρα και τα λιποκύπαρα)
Ινσουλίνη
β-κύπαρα του παγκρέατος
πρωτείνη
διεγείρει την πρόσληψη της γλυκόζης, την πρωτε'ίνοσύνθεση και τη σύνθεση των
Τεστοστερόνη
όρχεις
στεροειδές (παράγωγο
επάγει και συντηρεί τα δευτερογενή χαρα-
Θυρεοειδική ορμόνη
θυρεοειδής
παράγωγο του αμινοξέος
λιπιδίων (πχ στα ηπατοκύπαρα) της χοληστερόλης)
(θυροξίνη)
κτηριστικά του φύλου στους άνδρες διεγείρει τον μεταβολισμό σε πολλά κύπαρα
τυροσίνη
Τοπικοί διαμεσολαβητές Επιδερμιδικός αυξητικός
ποικίλα κύπαρα
πρωτείνη
διεγείρει τον πολλαπλασιασμό των επιδερμι-
ποικίλα κύπαρα (ανάμεσά
πρωτεΊνη
διεγείρει τον πολλαπλασιασμό πολλών ειδών κυπάρων
διάφοροι εννευρούμενοι
πρωτεΊνη
προάγει την επιβίωση ορισμένων ειδών νευρώ-
ιστοί πολλά είδη κυπάρων
πρωτεΊνη
αναστέλλει τον KUΠαΡΙKό πολλαπλασιασμό, διεγείρει την παραγωγή του εξωκυπάριου στρώματος
σιτευτικά κύπαρα
παράγωγο του
προκαλεί διάταση των αιμοφόρων αγγείων και
δικών αλλά και πολλών άλλων κυπάρων
παράγοντας
Αιμοπεταλιακός αυξητικός παράγοντας
(PDGF)
,Αυξητικός παράγοντας των νεύρων (NGF) Παράγοντες μεταμόρφω-
τους και τα αιμοπετάλια)
νων και την αύξηση των νευραξόνων τους
σης τύπου β (ΤGF-β) Ισταμίνη
αυξάνει τη διαπερατότητά τους, συμβάλλοντας έτσι στην ανάmυξη φλεγμονής
αμινοξέος ιστιδίνη Οξείδιο του αζώτου (ΝΟ)
νευρικά κύπαρα/ενδοθηλιακά κύπαρα των
διαλυτό αέριο
προκαλεί χάλαση των λείων μυ'ίκών κυτ-
τάρων/ρυθμίζει τη δραστηριότητα των νευρικών κυπάρων
αιμοφόρων αγγείων
Νεuροδιαβιβαστές Ακετυλοχολίνη
νευρικές απολήξεις
παράγωγoτηςxoλ~ης
διεγερτικός νευροδιαβιβαστής σε πολλές νευρομυ'ίκές συνάψεις και στο κεντρικό
γ-Αμινοβουτυρικό
νευρικές απολήξεις
παράγωγο του γλουτα-
ανασταλτικός νευροδιαβιβαστής στο κεντρικό
νευρικό σύστημα οξύ
μικού οξέος
(GABA)
νευρικό σύστημα
Σηματοδοτικά μόρια εξαρτώμενα από διακuπαρική επαφή
Delta
μελλοντικοί νευρώνες/
διαμεμβρανική πρωτεΊνη
εμποδίζει τα κύπαρα που βρίσκονται δίπλα στο
πολλά άλλα είδη
σηματοδοτικό κύπαρο να εξειδικευθούν κατά
εμβρυ'ίκών κυπάρων
τον ίδιο τρόπο
\....
εξαρτάται από διακυπαρική επαφή. Η δράση ορισμένων από τα μόρια αυτά θα παρουσιαστεί εκτενέστερα σε επόμενες παραγράφους.
Κάθε κύπαρο απαντά σε λίγα σήματα Ένα συνηθισμένο κύπαρο ενός πολυκύπαρου οργανισμού εκτίθεται σ'
Γενικές Αρχές της Κυτταρικής Σηματοδότησης
665
•,
Ερώτηση
16-1
εκατοντάδες διαφορεηκά σήματο στο περιβάλ/οντου. Τα σήματο αυτά μπο
Προκειμένου να διοτηρήσει
ρεί να βρίσκονται ελεύθερα στο εξωκυπάριο υγρό, να συνάπτονται στο εξω
τον τοπικό χαρακτήρα της
κυπάριο στρώμα ή να είναι συνδεδεμένα στην επιφάνεια των γειτονικών
μια παρακρινής απάντηση,
κυπάρων. Το κύπαρο πρέπει ν' απαντά επιλεκηκά σ' ένα τέτοιο μείγμα ση
ΤΟ εμπλεκόμενα σηματοδο
μάτων, αγνοώντας μερικά και απαντώντας σε άλλα σύμφωνα με Την εξειδι
ηκά μόρια δεν πρέπει ν' α
κευμένη λειτουργία του.
πομακρυνθούν πολύ από το
Ένα κύπαρο, για ν' αντιδράσει με ένα σηματοδοηκό μόριο, πρέπει πρώ
σημείο προέλευσής τους. Με ποιουςφό
ΤΟ απ' όλα να διαθέτει έναν υποδοΧέα γι' αυτό το μόριο. Χωρίς υποδοχέα, το
πους μπορεί να επιτευχθεί αυτό; Δικαιο
κύπαρο θα «κωφεύει» και δεν θα εκδηλώνει καμιά απάντηση στο συγκεκρι
λογείστε ης απαντήσεις σας.
μένο σήμα. Το κύπαρο περιορίζει τον αριθμό των σημάτων που μπορεί να το επηρεάσουν με Την παραγωγή μόνο μιας περιορισμένης ομάδας υποδοΧέ ων από ης χιλιάδες δυνατούς υποδοχείς. Ωστόσο, ακόμα και αυτό το περιο ρισμένο φάσμα σημάτων μπορεί να ελέγξει Τη συμπεριφορά του κυπάρου με
πολύπλοκο φόπο. Η πολυπλοκόΤηΤΟ είναι δύο ειδών. Πρώτον, η πρόσδεση ενός σήματος σ' ένα ορισμένο τύπο πρωτεϊνικού υ ποδοΧέα μπορεί να επιφέρει πολ/ές και ποικίλες επιδράσεις στο κύπαρο στόΧο, επηρεάΖοντας το σχήμα, την κίνηση, το μεταβολισμό ή την έκφραση γονιδίων. Όπως θα δούμε, το σήμα από έναν υποδοΧέα Της κυπαρικής επι φάνειας γενικά μετοβιβάΖετοι στο εσωτερικό του κυπάρου μέσω μιας ομά
δας άλλων ενδοκυπάριων συσταηκών που επιφέρουν γενικευμένες μετοβο λές. Το ενδοκυπάριο σύστημα μετοβίβασης και οι ενδοκυπάριοι στόΧοι του
ποικίλλουν ανάλογα με το είδος του κυπάρου. Έτσι, διαφορεηκά κύπαρα α παντούν στο ίδιο σήμα με διαφορεηκό φόπο. ΧαραΚΤηριστικά, ότον ένα καρδιακό μυϊκό κύπαρο εκτεθεί στον νευροδιαβιβαστή aκεrvi\οχοi1fvn θα ε λαπώσει Τη συχνότητο των συστολών του, ενώ ότον στο ίδιο σήμα εκτεθεί έ-
(Α) μυοκαρδιακό KιJπαρO
\-{)_.
(8) KιJπαρO σιελογόνου αδένα
(η γραμμωτό μυ'ίκό KιJπαρO
.-~-~ .•.. ~~:
υποδοχέας
.,.. =!!:
:
?'...:.......
ΕΚΚΡΙΣΗ
ακετυλοχολίνη
ΣΥΣΤΟΛΗ (Δ) ακετυλοχολίνη
Εικόνα 16-5. Το ίδιο σηματοδοτικό μόριο επάγει διαφορετικές απαντήσεις σε διαφορετικά κύπαρα-στόχοuς. Τα διάφορα είδη κυπά ρων έχουν εξειδικευθεί για ν' απαντούν στο νευροδιαβιβαστή ακετυλοχολίνη με διαφορετικό τρόπο. Στο (Α) και στο (8), το σηματοδοτικό μόριο προσδένεται σε παρόμοιους υποδοχείς οι οποίοι όμως διεγείρουν διαφορετικές απαντήσεις σε κύπαρα εξειδικευμένα για διαφορε τικές λειτουργίες. Στο (η το κύπαρο παράγει ένα διαφορετικό είδος υποδοχέα για το ίδιο σήμα. Όπως θα δούμε, οι διάφοροι υποδοχείς πα ράγουν πολύ διαφορετικά ενδοκυπάρια σήματα και έτσι προσδίδουν στα διάφορα είδη μυ'ίκών κυπάρων την ικανότητα ν' αντιδρούν δια φορετικά στην ακετυλοχολίνη. (Δ) Η χημική δομή της ακετυλοχολίνης.
666
Κεφάλαιο 16: Κυτταρική Επικοινωνία
νας σιελογόνος αδένας θα εκκρίνει διάφορα συοιατικά του σιέλου (Εικόνα
16-5). Αυτές οι απαντήσεις συμβαίνουν γρήγορα - σε δευτερόλεmα ή λεπτά της ώρας - επειδή το σήμα επηρεάΖει τη δράση πρωτεϊνών και άλλων μορίων που προϋπήρχαν μέσα οια κύπαρα.
Το δεύτερο είδος πολυπλοκότητας προκύπτει επειδή ένα συνηθισμένο κύπαρο διαθέτει ολόκληρη συλ/ογή από διαφορετικούς υποδοχείς. Οι υ
ποδοχείς αυτοί (που είναι λίγες δεκάδες και όχι αρκετές χιλιάδες) επαρ κούν για να καταοιήσουν το κύπαρο ευαίσθητο σε πολ/ά εξωκυπάρια σή ματα ταυτοχρόνως. Τα σήματα αυτά, δρώντας από κοινού, μπορεί να προ καλέσουν απαντήσεις που υπερβαίνουν το απλό άθροισμα των επιδράσεων που θα είχε το κάθε σήμα αν δρούσε χωριοιά. Τα ενδοκυπάρια συοιήματα μεταβίβασης των διαφόρων σημάτων αλ/ηλεπιδρούν: έτσι, η παρουσία ε νός σήματος τροποποιεί τις απαντήσεις ενός άλ/ου σήματος. Επομένως, έ
νας συνδυασμός σημάτων μπορεί απλώς να βοηθήσει ένα κύπαρο να επι βιώσει' ένας άλ/ος συνδυασμός μπορεί να το ωθήσει να διαφοροποιηθεί
με κάποιον εξειδικευμένο τρόπο και ένας άλ/ος μπορεί να το εξαναγκάσει να διαιρεθεί. Από την άλ/η πλευρά, όταν δεν υπάρχει κανένα σήμα, το κύτ ταρo μπορεί να προγραμματιοιεί για να πεθάνει (Εικόνα
16-6). Επειδή η
ε
κτέλεση ενός τόσο περίπλοκου προγράμματος συχνά προϋποθέτει τη σύν θεση νέων πρωτεϊνών, το κύπαρο μπορεί να χρειαοιεί αρκετές ώρες προ
τού απαντήσει πλήρως οια εισερχόμενα σήμερα. Κατ' αυτόν τον τρόπο, σχε :πκά λίγα σήματα μπορεί να χρησιμοποιηθούν σε διαφορετικούς συνδυα σμούς έτσι ώοιε να ελέγξουν με περίτεχνο και πολύπλοκο τρόπο τη συμπε ριφορά των κυπάρων.
ΕΠΙΒΙΩΣΗ
..Ο
B~O ι. . .-ΔΙΑΙΡ- ,ΕΣΗ~ θ Γ
Εικόνα
16-6. Ένα
ζωικό κύπαρο εξαρτάται
από ποικίλα εξωκuπάρια σήματα. Κάθε εί δος κυπάρων εκφράζει μια ομάδα υποδοχέων που του δίνουν την ικανότητα να απαντά σε μια
Ε
αντίστοιχη ομάδα σημαΤΟδοτικών μορίων τα
οποία παράγονται από άλλα κύπαρα. Αυτά τα σηματοδοτικά μόρια δρουν σε συνδυασμούς για να ρυθμίσουν τη συμπεριφορά του κυπά·
ΔΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΗ
ρου. Όπως φαίνεται εδώ, πολλά κύπαρα α
παιτούν ποικίλα σήματα για να επιζήσουν (μπλε βέλη) και επιπρόσθετα σήματα για να δι αιρεθούν (κόκκινα βέλη) ή να διαφοροποιη
0-
ΘΑΝΑΤΟΣ
..
~ Q1;ιοmωτικό ~ κuπαρο
θούν (πράσινα βέλη). Χωρίς τα κατάλληλα σή
ματα, τα περισσότερα κύπαρα προχωρούν σ' ένα είδος αυτοκτονίας που αναφέρεται ως προγραμματισμένος κυπαρικός θάνατος ή α πόmωση.
Γενικές Αρχές της ΚυτταρικήςΣηματοδότησης
667
Ερώτηση16-2
'Οων ένα φωτόνιο απορ
•
Οι υποδοχείς μεταδίδουν σήματα μέσω ενδοκυπάριων σημαΤOδσrlKών οδών
ροφάτω από έναν φωτοϋ
ποδοΧέα που περιέχει ρο
δοψίνη, ενεΡΥοποιεί περί που
500
ξεχωριστά μόρια
μιας ενδοκυττάριας σηματο δοηκής πρωτεινης Υνωστής ως φαν
σδουσίνη. Με τη σειρά του, κάθε μόριο φανσδουσίνης προσδένετω σ' ένα μό ριο του ενΖύμου φωσφοδιεστεράση και το ενεΡΥοποιεί. Η ενεΡΥοποιημένη φω σφοδιεστεράση υδρoλUεl
4000
μόρια
κυκλικού
κυκλικό
GMP ανά δευτερόλεπτο. Το GMP είνω ένα μικρό μόριο που
μοιάΖει με το κυκλικό ΑΜΡ. Στο κυτταρο
διάλυμα των ραβδιοφόρων φωτοϋποδε KίlKών κυττάρων, το κυκλικό
δένεται στους διαύλους
GMP προσ
Na + της κυτταρι
κής μεμβράνης κω τους διατηρεί σε α
νΟ1κτή διαμόρφωση (βλ. Εικόνα
16-28).
Ποιος είνω ο βαθμός ενίσχυσης του σή
ματος αν κάθε μόρlO φανσδουσίνης πα ραμείνει ενεΡΥό επί
100
χιλιοστά του
Η διεΡΥασία της σηματοδότησης αρχίΖει εκεί όπου ένα σήμα από το εξω κυττάριο περιβάλ/ον συναντά ένα μόριο-στόΧο που ανήκει στο κύτταρο. Σε
κάθε περίπτωση, το μόριο-στόχος είνω μια πρωτεΤvn που δρα ως υποδοΧέας
(receptor protein).
Η πρωτεΤνη αυτή συνήθως ενεΡΥοποιείταl μόνο από ένα
είδος σήματος. Ο υποδοχέας εκτελεί το πρώτο βήμα της μεταβίβασης: παρα
λαμβάνει το εξωτερικό σήμα και απαντά δημιουΡΥώντας ένα νέο ενδοκυττά ριο σήμα (βλ. Εικόνα 16-2Β). Αυτό δεν είνω παρά το αρχικό συμβάν από μια
ακολουθία ενδοκυττάριων διεΡΥασιών μεταβίβασης του σήματος. Σης διερ Υασίες αυτές, το μήνυμα μεταβιβάΖεται από μια ομάδα ενδοκυπάριων σnμα roδοτικών μορfωv σε μια άλ/η ομάδα, έως ότου ενεΡΥοποιηθεί ένα μεταβο λικό ένΖυμο, πυροδοτηθεί η έκφραση ενός Υονιδίου ή δραστηριοποιηθεί ο
κυπαροσκελετός. Το τελικό αποτέλεσμα είναι η απάντnσn κυττάρου (Εικόνα
(response)
16-7).
Αυτές οι αλυσίδες μεταβίβασης (ή, αλλιώς σηματοδΟIlκές ακολουθίες signalίng κόνα
cascades) 16-8):
1. ΜεraσχnμαrfΖΟVVΤΟ
σήμα σε μια μοριακή μορφή ικανή να διεΥείρει την α
πάντηση.
2.
Μεταφέρουντο σήμα από το σημείο όπου παραλαμβάνεται μέχρι τον κυτ ταρικό μηχανισμό που θα εκδηλώσει την απάντηση, ο οποίος συχνά εντο πίΖετω σε κάποιο άλ/ο τμήμα του κυττάρου.
Ε"ΩΚΥΠΑΡΙΟ ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΙΚΟ ΜΟΡΙΟ
ΥΠΟΔΟΧΕΑΣ
ΕΝΔΟΚΥΠΑΡΙΕΣ ΣΗΜΑΤΟΔΟTlΚΕΣ ΠΡΩΤΕϊΝΕΣ
16-7. Τα
εξωκυπάρια σήματα αλλά
ζουν τη συμπεριφορά του κυπάρου επηρεά ζοντας τη δράση ποικίλων κυπαρικών πρω τεϊνών. Στη συγκεκριμένη περίmωση, το ση
ματοδοτικό μόριο προσδένεται σ' έναν υποδο
ΠΡΩΤΕϊΝΕΣ-ΣΤΟΧΟΙ
χέα της κυπαρικής επιφάνειας. Ο υποδοχέας ενεργοποιεί μια ενδοκυπάρια σηματοδοτική οδό στην οποία «πρωταγωνιστεί» μια σειρά εν δοκυπάριων σηματοδοτικών πρωτε·ίνών. Ορι σμένες από αυτές τις πρωτεΙνες αλληλεπι δρούν με πρωτεΙνες-στόχους, τις τροποποι
ούν και έτσι προκαλούν αλλαγή στη συμπερι φορά του κυπάρου.
668
Κεφάλαιο 16: Κυτταρική Επικοινωνία
-
διεκπερωώνουν διάφορες σημαντικές λειτουΡΥίες (Ει
δευτερολέmου;
Εικόνα
του
ένζυμο μεταβολισμού
ρυθμιστική πρωτε'ί\ιη
γoν~ίων
πρωτε'ί\ιη KuτταρoσKελετoύ
!
τροποποίηση σχήματος ή κίνησης του
κuττάj)ου
Εικόνα
σήμα
16·8.
Μια ενδοκυπάρια σηματοδοτι
κή ακολουθία. Ένας υποδοχέας που εντοπίζε
ται στην επιφάνεια του κυπάρου μετατρέπει
υποδοχέας
ένα εξωκυπάριο σήμα σε ενδοκυπάριο σήμα,
πυροδοτώντας μια σηματοδοτική ακολουθία που μεταβιβάζει το σήμα μέσα στο εσωτερικό ΚΥΠΑΡΟΔΙΜΥΜΑ
του κυπάρου ενώ παράλληλα το ενισχύει και
ΠΡΩΤΟΓΕΝΗΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗ
το κατανέμει καθ' οδόν. Πολλά από τα βήματα της ακολουθίας αυτής επηρεάζονται από άλ
λα συμβάντα του KUΠάΡOυ. ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΡΥΘΜΙΣΗ ΑΠΟ ΑΜΟΥΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ
ΕΝΙΣΧΥΣΗ
ΑΠΟΚΛΙΣΗΣΕ
/Τ~oγΣπoxoγΣ -----
3. Τις
περισσότερες φορές, οι σημα1Οδοτικές ακολουθίες επίσης ενισχύουν
10 σήμα. Έτσι, λίγα εξωκυπάρια σημα1Οδοτικάμόρια επαρκούν για να ε παγάγουν μια μεγάλη απάνΤηση.
4. Οι σημα1Οδοτικές
ακολουθίες μπορεί να διaνείμουν1Ο σήμα έτσι ώΟ1ε να
επηρεάσουν παράλληλα διάφορες διεργασίες. Σε κάθε βήμα ως οδού, 10 σήμα μπορείν' αποκΛίνεικαι να μεωβιβαΟ1είσε αρκε1Ούς διαφορετικούς
ενδοκυπάριουςΟ1όχους. Με 1Ον φόπο αυτό δημιουργούντοιδιακλαδώ σεις Ο1η ροή της πληροφορίαςκαι εκδηλώνεωιμια πολύπλοκη απάνΤηση.
5. Τέλος,
κάθε βήμα ως σημα1Οδοτικής ακολουθίας είναι εκτεθειμένο και
σε άλ/ους παράγΟνΤες, έτσι ώΟ1ε η μεωβίβαση του σήμα1Ος να φοποποι είωι σύμφωνα με τις συνθήκες που επικρα1Ούν 010 εσωτερικό ή 10 εξωτε ρικό των κυπάρων.
Οι περισσότερεςσημα1Οδοτικέςοδοί έχουν μεγάλο μήκος και πολ/ά πα
ρακλάδια. Σε αυτές κυκλοφορούνπολ/οί μοριακοί«αΥΥελιοφόροι»που με ωφέρουν πληροφορίεςαπό υποδοχείςτης κυπαρικής επιφάνειας 010 εσω
τερικό του κυπάρου. Μερικές σηματοδοτικέςοδοί είναι απλούΟ1ερεςκαι πιο άμεσες και θα μας απασχολήσουνΟ1ις δύο επόμενες παραγράφους.
Το οξείδιο του αΖώτου εισέρχεται στα κύπαρα
και ενεργοποιείάμεσα διάφορα μόρια Τα εξωκυπάριασηματοδοτικάμόρια γενικά διακρίνΟνΤαισε δύο καωγο ρίες. Η πρώω και μεγαλύτερηκατηγορία σημάτων περιλαμβάνειμόρια ω ο ποία δεν είναι σε θέση να διαπεράσουνω μεμβράνη1Ου κυπάρου-Ο1όχουε
πειδή είναι είτε πολύ μεγάλα είτε πολύ υδρόφιλα. Επομένως, οι υποδοχείς για αυτά ω σημα1Οδοτικάμόρια πρέπει να βρίσΚΟνΤαιΟ1η μεμβράνη1Ου κυτ τάρου-Ο1όχουκαι να μεωβιβάΖουν10 μήνυμα διαμέσου της μεμβράνης (Ει-
Γενικές Αρχές της ΚυτταρικήςΣηματοδότησης
669
(Α)
ΥΠΟΔΟΧΕΙΣ ΤΗΣ
ΚΥΠΑΡΙΚΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ
υποδοχέας της
KUΠα ική μεμβράνη
KUΠαρικής επιφάνειας
κόνα 16-9Α). Η δεύτερη, μικρότερη, κατηγορία σημάτων, περιλαμβάνει μό ρια τα οποία είναι ικανά να διαπερνούν την κυπαρική μεμβράνη επειδή είναι
αρκετά μικρά και υδρόφοβα (Εικόνα 16-9Β). Μόλις βρεθούν μέσα στο κύτ ταρο, αυτά τα σηματοδοτικά μόρια ενεργοποιούν ενδοκυπάρια ένΖυμα ή
προσδένονται σ' ενδοκυπάριους υποδοχείς που ρυθμίΖουν την έκφραση των γονιδίων. Όταν ένα κύπαρο πρέπει ν' απαντήσει σ' ένα σήμα μέσα σε λίγα δευτε ρόλεπτα ή λεπτά της ώρας, ένας πολύ αποτελεσματικός τρόπος για να εκδη (Β)
ΕΝΔΟΚΥΠΑΡΙΟΙ ΥΠΟΔΟΧΕΙΣ
λωθεί μια μεταβολή είναι η άμεση ενεργοποίηση ενός ενΖύμου. Έτσι δρα το
μικρό υδρόφοβο
οξείδιο του αιώτου (ΝΟ). Αυτό το διαλυτό αέριο παράγεται από το αμινοξύ
/ •
σryμαroδoΤΙKό μοριο
αργινίνη και λειτουργεί ως τοπικός διαμεσολαβητής σε πολ/ούς ιστούς. Το ΝΟ έχει μόνο τοπική δράση επειδή γρήγορα μετατρέπεται σε νιτρικά και νι τρώδη (με χρόνο ημΙΖωής
5-10 δευτερολέπτων)
κατά την αντίδρασή του με
το οξυγόνο και το νερό στον εξωκυπάριο Χώρο. Τα ενδοθηλιακά κύπαρα (δηλαδή, τα επιπεδωμένα κύπαρα που επενδύουν κάθε αιμοφόρο αΥΥείο) πυρήνας ενδOKUΠάΡΙOς υποδοχέας
Εικόνα
16-9. Τα
απελευθερώνουν ΝΟ απαντώντας στη διέγερση νευρικών απολήξεων. Το ΝΟ προκαλεί Χάλαση των λείων μυϊκών κυπάρων του τοιΧώματος του αΥΥεί ου και, έτσι, το αΥΥείο διαστέλλεται και το αίμα ρέει μέσα στο αΥΥείο πιο ε
εξωκuπάρια σηματοδοτικά
μόρια προσδένονται είτε σε υποδοχείς της
κυπαρικής επιφάνειας είτε σ' ενδοκυπάρι
λεύθερα (Εικόνα
16-10). Η επίδραση
του ΝΟ στα αιμοφόρα αΥΥεία παρέχει
μια ερμηνεία για τη δράση της νιτρογλυκερίνης, η οποία χρησιμοποιείται πε
ους υποδοχείς. (Α) Τα περισσότερα σηματο
ρίπου επί
δοτικά μόρια είναι υδρόφιλα και, επομένως, α δυνατούν να διαπεράσουν άμεσα την κυπαρι
100 χρόνια
για την αντιμετώπιση της στηθάγχης (πόνος που οφεί
λεται σε ανεπαρκή ροή αίματος στο μυοκάρδιο). Στον οργανισμό η νιτρο
κή μεμβράνη, αλλά προσδένονται σε υποδο
γλυκερίνη μετατρέπεται σε Να. Αυτό με τη σειρά του προκαλεί Χάλαση των
χείς της κυπαρικής επιφάνειας, οι οποίοι με
αιμοφόρων αΥΥείων και έτσι ελαπώνει το καρδιακό φορτίο και συνεπώς, τις
τη σειρά τους παράγουν ένα ή περισσότερα σήματα στο εσωτερικό του κυπάρου-στόχου.
απαιτήσεις του μυοκαρδίου σε οξυγόνο. Το ΝΟ χρησιμοποιείται επίσης από
ορισμένα μικρά υδρόφοβα σημα
πολ/ά νευρικά κύπαρα για τη σηματοδότηση γειτονικών κυπάρων: για πα~
τοδοτικά μόρια διαχέονται διαμέσου της κυτ
ράδειγμα, το ΝΟ που εκλύεται από νευρικές απολήξεις στο πέος προκαλεί τη
(8) Αντίθετα,
ταρικής μεμβράνης και προσδένονται σ' ενδο κυπάριους υποδοχείς, είτε στο κυπαροδιά λυμα είτε στον πυρήνα.
διαστολή των τοπικών αιμοφόρων αΥΥείων που ευθύνεται για τη στύση. Μόλις βρεθεί στο εσωτερικό του κυπάρου-στόχου, ο πιο κοινός στόχος
του ΝΟ είναι το ένΖυμο yovavvfllKri KVKMon καταλύει το σχηματισμό κυκΛικού
κλικό
GMP
GMP από
(guanyIate cyclase), το οποίο το νουκλεοτίδιο GTP. Το κυ
είναι ένα μικρό ενδοκυπάριο σηματοδοτικό μόριο το οποίο ε
νεργοποιεί μια βραχεία ενδοκυπάρια σηματοδοnκή οδό και προκαλεί την
τελική απάντηση του κυπάρου. Το φάρμακο
Viagra,
που καταπολεμά την
ανδρική ανικανότητα, ενισΧύει τη στύση αναστέλ/οντας την αποδόμηση
του κυκλικού
GMP έχει
GMP
και έτσι παρατείνοντας το σήμα του Να. Το κυκλικό
παρόμοια δομή και παρόμοιο μηχανισμό δράσης με το κυκΛικό
ΑΜΡ, ένα πολύ πιο κοινό ενδοκυπάριο σηματοδοnκό μόριο με το οποίο θ' ασχοληθούμε αργότερα.
Μερικές ορμόνες διαπερνούν τπν κυπαρική μεμβράνη και προσδένονται σ' ενδοκυπάριους υποδοχείς Τα αέρια όπως το ΝΟ δεν είναι τα μοναδικά σηματοδοnκά μόρrα που έ χουν την ικανότητα να διαπερνούν τη μεμβράνη. Υδρόφοβα σηματοδοnκά
μόρια, όπως οι στεροειδείς ορμόνες (στις οποίες περιλαμβάνεται η ΚΟΡΠΖό-
670
Κεφάλαιο 16: Κυτταρική Επικοινωνία
Εικόνα
16-10. Ο ρόλος του οξειδίου
του αζώτου (ΝΟ) στη χάλαση των λείων μυών του
τοιχώματος ενός αιμοφόρου αγγείου. (Α) Σχεδιάγραμμα ενός νεύρου που προκαλεί σύσπαση ενός αιμοφόρου αγγείου.
(8)
(Α)
λεία μυΙκά Kίmαρα
βαmκός υμένας
Η ακετυλοχολίνη που εκλύεται από νευρικές α
πολήξεις στο τοίχωμα των αιμοφόρων αγγείων διεγείρει τα ενδοθηλιακά κύτταρα που ε πενδύουν το αγγείο να παράγουν και ν' απελευθερώσουν Να. Το ΝΟ διαχέεται έξω από τα ενδοθηλιακά κύτταρα και εισέρχεται στα γειτονικά λεία μυ'ίκά κύτταρα προκαλώντας
τη χαλάρωσή τους. Σημειώστε ότι το αέριο ΝΟ είναι πολύ τοξικό στην εισπνοή και δεν πρέπει να το συγχέουμε με το νιτρώδες οξείδιο (Ν 2 Ο) γνωστό και ως ιλαρό αέριο.
(8)
J
Ι ~~εργOΠOιημένη
~υΡΙKή απόληξη
,
ΝΟ προσδεδεμένο στην πρωτεί\ιη-στόχο
o----.aκετυλοχολίνη
λείο μυ'ίκό KίmαρO
~
+
αργινίνη ----±..:. -+-_ οξείδιο του
ΤΑΧΕΙΑ ΧΑΛΑΣΗ ΤΟΥ
ΛΕΙΟΥ ΜΥϊΚΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ
αζώτου
ενδοθηλιακό KίmαρO
.i\n,
η οισrραδιόi\n και η rεσrοσrερόvn) και οι θυρεοειδείς ορμόνες όπως η
θυροξίνη (Εικόνα
16-11)
διαπερνούν την κυπαρική μεμβράνη των κυπά
ρων-σrόxων και προσδένονται σε υποδοχείς που εντοπίΖΟνται είτε στο κυπα ροδιάΛυμα είτε στον πυρήνα. Οι υποδοχείς αυτών των ορμονών είναι ρυθμι στικές πρωτείνες των γονιδίων, οι οποίες βρίσκονται σε ανενεργό μορφή στα
κύπαρα όταν δεν είναι διεγερμένα. ΜόΛις συνδεθεί η ορμόνη, ο υποδοχέας υφίσταται μια μεγάΛη αλλαγή της διαμόρφωσή ς του και μπορεί πΛέον να προσδεθεί στην αντίστοιχη ρυθμιστική αλ/ηΛουΧία του DΝΑ για να προαγά γει ή ν' ανασrείΛει τη μεταγραφή μιας επιΛεγμένης ομάδας γονιδίων (Εικόνα
16-12). Για
κάθε ορμόνη υπάρχει ένας διαφορετικός υποδοχέας. Ο κάθε υ
ποδοχέας δρα σε μια διαφορετική ομάδα ρυθμιστικών θέσεων και έτσι ρυθ-
CH 20H
ΟΗ
Ι
ΟΗ
C=O ΗΟ
ΟΗ
Εικόνα ΗΟ
1 9-1 9-
Ο
οιστραδιόλη
Ο κορτιζόλη
ΗΟ f Ι
-
'\ Ο f Ι
-
τεστοστερόνη
Μερικές μικρές υδρόφοβες
δοκυπάριες ρυθμιστικές πρωτε'ίΎες γονι
Η
δίων. Οι θέσεις παραγωγής και οι λειτουργίες
Ι
μονών σχετίζονται εξελικτικά και ανήκουν στην
'\ CΗ Γ 6-cοο-
θυροξίνη
16-11.
ορμόνες των οποίων οι υποδοχείς είναι εν
ΝΗ/
αυτών των ορμονών αναγράφονται στον Πίνα κα
16-1,
Οι υποδοχείς των συγκεκριμένων ορ
υπεροικογένεια των υποδοχέων των στεροει δών ορμονών που περιλαμβάνει ρυθμιστικές πρωτεινες γονιδίων.
Γενικές Αρχές της ΚυτταρικήςΣηματοδότησης
671
Ερώmσnl6-3
Παρατηρείσrε τη δομή της
•
xoλησrερόλης (Εικόνα Ε16
3), ενός μικρού
μίΖει διαφορετικά γονίδια. Επειδή οι ορμόνες ρυθμίΖουν διαφορετικά γονί δια, προκαλούν ποικίλες απαντήσεις (βλ. επίσης Πίνακα
16-1).
Ο βασικός ρόλος των υποδοΧέων των στεροειδών ορμονών αναδεικνύε
υδρόφοβου
ται από τις δραματικές επιπτώσεις της έλλειψης του υποδοΧέα της τεστoσrε
μορίου μ' έναν σκελετό σrε
ρόνης στον άνθρωπο. Η τεστοστερόνη είναι η φυλετική ορμόνη των ανδρών
ροειδών παρόμοιο με τον
και δρα στο έμβρυο, επηρεάΖοντας την ανάπτυξη του εγκεφάλου, και κατά
σκελετό τριών από τις ορμό
την εφηβεία ως ένα σήμα για την ανάπτυξη των δευτερογενών ανδρικών χα
νεςτης Εικόνας
16-11, που
όμως διαθέ
τει λιγότερες πολικές ομάδες (-ΟΗ,
ρακτηριστικών του φύλου. Πολύ σπάνια, ορισμένοι άνθρωποι είναι γενετι
=0,
κώς άρρενες (δηλαδή έχουν ένα χρωμόσωμα χ και ένα χρωμόσωμα Υ) αλ
-COOT Αν η xoλησrερόλη δεν βρισκό
λά δεν διαθέτουν υποδοχείς τεσroσrερόνης εξαιτίας μετάλλαξης σro αντί
ταν φυσιολογικάσrην κυτταρικήμεμβρά
στοιχο γονίδιο. Οι άνθρωποι αυτοί παράγουν μεν τεστοστερόνη, τα κύτταρά
νη, θα μπορούσε άραγε να χρησιμοποι
τους όμως αδυνατούν ν' απαντήσουν στην τεστοστερόνη. Το αποτέλεσμα εί
ηθεί αποτελεσματικάως ορμόνη αν ανα
ναι ότι αποκτούν εξωτερική εμφάνιση γυναικών. Το παράδειγμα αυτό φανε
πτυσσόταν ένας κατάλληλος ενδοκυττά
ρώνει τον καίριο ρόλο του υποδοΧέα για τη δράση της τεστoσrερόνης. Επί
ριος υποδοΧέας;
σης, δείχνει ότι ο υποδοΧέας είναι απαραίτητος όΧΙ μόνο για ένα αλλά για
πολλά είδη κυττάρων ώστε να μεσολαβήσει για την ανάπτυξη όλων εκείνων των χαρακτηριστικών που διακρίνουν τους άνδρες από τις γυναίκες.
Οι υποδοχείς της κυπαρικής επιφάνειας κατατάσσονται σε τρεις κύριες κατηγορίες Αντίθετα από τις στεροειδείς και τις θυρεοειδικές ορμόνες, τα περισσότε
ρα σηματοδοτικά μόρια είναι πολύ μεγάλα ή υδρόφιλα και δεν μπορούν να διαπεράσουν την κυτταρική μεμβράνη του Kυττάρoυ-σrόxoυ. Επομένως, οι
αντίστοιχοι πρωτεϊνικοί υποδοχείς πρέπει να είναι ενσωματωμένοι στην κυτ ταρική μεμβράνη (Εικόνα
16-13) κατά τέτοιο τρόπο,
ώστε ν' ανιχνεύουν ένα
ΗΟ χοληστερόλη κορτιζόλη
Εικόνα Ε16·3
~~===Ι======~
KUΠαΡΙK~
μια μεταβολή διαμόρφωσης
ενδOKUΠάΡΙOς υποδοχέας
Εικόνα
16-12. Η στεροειδής
ορμόνη κορτιζό·
C!J
λη δρα ενεργοποιώντας μια γονιδιακή ρυθμι στική πρωτεΤνη. Η κορτιζόλη διαχέεται άμεσα διαμέσου
της κυπαρικής
μεμβράνης
ενεργοποιεί τον υποδοχέα
το ενεργοποιημένο σύμπλοκο ορμόνης-υποδοχέο μετακινείται στον πυρήνα
και
προσδένεται στον υποδοχέα της που εντοπί ζεται στο κυπαροδιάλυμα. Στη συνέχεια, το σύμπλοκο υποδοχέα-ορμόνης μεταφέρεται στον πυρήνα μέσω των πυρηνικών πόρων. Η πρόσδεση της ορμόνης ενεργοποιεί τον υπο δοχέα, ο οποίος μπορεί πλέον να συνδεθεί σε
ειδικές ρυθμιστικές αλληλουχίες του DΝΑ και να ενεργοποιήσει ή να καταστείλει τη μετα γραφή των γονιδίων. Οι υποδοχείς για την κορ
τιζόλη και ορισμένες άλλες στεροειδείς ορμό νες εντοπίζονται στο κυπαροδιάλυμα, ενώ άλ
λοι υποδοχείς αυτής της οικογένειας βρίσκο νται ήδη στον πυρήνα.
672
Κεφάλαιο 16: Κυτταρική Επικοινωνία
πγΡΗΝΑΣ
ι9\
ενεργοποιημένο
L::..J γονίδιο-στόχος §~~§SΞ§§§S:s: =ΟΝΑ το ενεργοποιημένο σύμπλΟΚΟ ορμόνης-υποδοχέα προσδένεται στη ρυθμιστική περιοχή των γονιδίων-στόχων και ενεργοποιεί τη μεταγραφή
~ ΜΕΤΑΓΡΑΦΗ 1Ξ~;:;;;;;;~'2J1 RNA
Εικόνα
16-13. Τα
περισσότερα σηματοδοτικά μόρια προσδένονται σε υποδοχείς
της επιφάνειας των κυπάρων-στόχων. Στη διπλανή εικόνα παρουσιάζεται η δομή του συμπλόκου της ανθρώπινης αυξητικής ορμόνης (κόκκινο) με τον υποδοχέα της. Η πρόσδεση της ορμόνης προκαλεί τον διμερισμό δύο ταυτόσημων υποδοχέων (πράσινο
και μπλε). Οι δομικές πληροφορίες προέκυψαν από ανάλυση με κρυσταλλογραφία α κτίνων Χ συμπλόκων τα οποία σχηματίζονται μεταξύ της ορμόνης και των εξωκυπά ριων περιοχών του υποδοχέα που παράγονται με τεχνικές ανασυνδυασμένου
DNA. Η
πρόσδεση της ορμόνης ενεργοποιεί κυπαροπλασματικά ένζυμα τα οποία προσδένο νται σφιχτά στην ουρά των διαμεμβρανικών υποδοχέων που βρίσκεται στο κυπαρο διάλυμα (δεν εικονίζεται εδώ). (Από Α.Μ. deVos, Μ. Ultsch, Α.Α. Kossiakoff, Science
255:306-312,1992. © AAAS).
σήμα οιο εξωτερικό και να με1ΟβιβάΖουν το μήνυμα υπό νέα μορφή διαμέ
KUΠαΡΙKή μεμβράνη
σου της μεμβράνης προς το εσωτερικό του κυπάρου. Οι περισσότεροι υποδοχείς της κυπαρικής επιφάνειας ανήκουν σε μια α
πό τις εξής τρεις μεΥάί\ες ΟΙΚΟΥένειες: υποδοχείς που διασυνδέονται με δι
αύΛους ιόvrωv, υποδοχείς που δΙQσυvδέΟVΤQ1 με
G πρωτε1'vες και υποδοχείς
που δΙQουvδέΟVΤQ1 με έVΖυμα. Οι υποδοχείς των τριών κατηΥοριών διαφέ
ρουν ως προς τη φύση του ενδοκυπάριου σήματος που παράΥουν μόί\ις το ε ξωκυπάριο σηματοδοτικό μόριο προσδεθεί οιον υποδοΧέα. Για τους υποδο χείς που διασυνδέονται με διαύί\ους ιόντων, το ενδοκυπάριο σήμα είναι η ροή ιόντων διαμέσου της μεμβράνης που παράΥει ένα ηί\εκτρικό ρεύμα (Ει
κόνα 16-14Α). Για τους υποδοχείς που συνδέονται με G-πρωτείνες, είναι η 'ενεΡΥοποιημένη μορφή μιας μεμβρανικής πρωτείνης (μια υπομονάδα
G-
πρωτε1'vnς), η οποία απεί\ευθερώνε1ΟΙ και διαΧέεται οιο επίπεδο της κυπαρι κής μεμβράνης πυροδοτώντας μια ακοί\ουθία άλ/ων ΥεΥονότων (Εικόνα
16-
14Β). Τέί\ος, Υια τους υποδοχείς που διασυνδέονται με ένΖυμα, το ενδοκυτ τάριο σήμα είναι η ενΖυμική ενεΡΥότητα που διεΥείρε1ΟΙ οιην κυπαροπί\α
σματική πί\ευρά του υποδοΧέα και δημιουΡΥεί ποικίλα σηματοδοτικά μόρια,
με1Οξύ των οποίων και μόρια που απεί\ευθερώνονται οιο κυπαροδιάί\υμα (Εικόνα 16-14Γ). Ο αριθμός των διαφόρων τύπων υποδοΧέων της κάθε κατηΥορίας είναι ακόμα μεΥαί\ύτερος από τον αριθμό των εξωκυπάριων σημάτων με τα οποία αντιδρούν, εφόσον Υια πολ/ά εξωκυπάρια σηματοδοτικά μόρια υπάρχουν
περισσότεροι από ένας υποδοχείς. Για παράδεΙΥμα, ο νευροδιαβιβαοιής α KεΤUί\OXOί\ίνη επιδρά οια μεν Υραμμωτά μυϊκά κύπαρα μέσω ενός υποδοΧέα που συνδέεται μ' έναν δίαυί\ο ιόντων, οια δε καρδιακά μυϊκά κύπαρα μέσω ενός υποδοΧέα συνδεμένου με μια G-πρωτείνη (Εικόνα 16-5Α και Γ). Αυτά
10 δύο
είδη υποδοΧέων παράΥουν διαφορετικά ενδοκυπάρια σήμα1Ο και έ
τσι επιτρέπουν οια δύο είδη μυϊκών κυπάρων ν' αντιδρούν οιην αKεΤUί\OXO ί\ίνη με διαφορετικό τρόπο, αυξάνοντας τη συοιοί\ή των σκεί\ετικών μυών και εί\απώνοντας τη ΣUXνότη10 της καρδιακής συοιοί\ής. Οι διάφοροι υποδοχείς της κυπαρικής επιφάνειας τους οποίους χρειάΖε
1ΟΙ ο ΟΡΥανισμός Υια τις σηματοδοτικές ανάΥκες του αποτεί\ούν επίσης οιό χους Υια πολ/ές ξένες ουσίες που παρεμβαίνουν οιη φυσιοί\ΟΥία και τις αι σθήσεις μας, από την ηρωίνη και τη νικοτίνη έως
10 ηρεμιοιικά
και το κόκκι
νο πιπέρΙ. Οι ουσίες αυτές είτε μιμούνται τον φυσικό συνδέτη Υια έναν υπο-
Γενικές Αρχές της Κυτταρικής Σηματοδότησης
673
(Α)
ΥΠΟΔΟΧΕΙΣ ΠΟΥ ΣΥΝΔΕΟΝΤΑΙ ΜΕ ΔΙΑΥΛΟΥΣ ΙΟΝΤΩΝ
• •• •
.>ιόvτα
•
σηματοδοτικό μόριο
••
υποδοχέας
(Β)
ΥΠΟΔΟΧΕΙΣ ΠΟΥ ΣΥΝΔΕΟΝΤΑΙ ΜΕ G ΠΡΩΤΕϊΝΕΣ σηματοδοτικό μόριο
πρωτείνη
(η
G
ενεΡΥοποιημένο ένζυμο
ενεΡΥοποιημένη πρωτείνη
G
ΥΠΟΔΟΧΕΙΣ ΠΟΥ ΣΥΝΔΕΟΝΤΑΙ ΜΕ ΕΝΖΥΜΑ
σηματοδοτικό μόριο ----~~!iί!!!ι
___ σηματοδοτικόμόριο
στη μορφή ενός διμερούς
L ή
ανενεργός καταλυτική περιοχή
ενεΡΥός καταλυτική περιοχή
ενεργοποιημένο ένζυμο
Εικόνα 16·14. Οι τρεις κατηγορίες των υποδοχέων της κυπαρικής επιφάνειας. (Α) Οι υποδοχείς που συνδέονται με διαύλους ιόντων, α νοίγουν (ή κλείνουν) σε απάντηση στην πρόσδεση του συνδέτη τους. (Β) Η πρόσδεση συνδέτη-υποδοχέα που συνδέεται με μια G-πρωτεί\ιη συνοδεύεται από μεταβίβαση του σήματος σε μια πρωτεινη που συνδέεται με
GTP
(G-πρωτεινη) η οποία εφάmεται με τον υποδοχέα. Στη
συνέχεια, η πρωτεινη αυτή εγκαταλείπει τον υποδοχέα και ενεργοποιεί ένα ένζυμο (ή δίαυλο ιόντων) της KUΠαΡΙKής μεμβράνης. Για λόγους απλούστευσης, η G-πρωτεινη αποδίδεται στην εικόνα ως μονομερές μόριο, ενώ στην πραγματικότητα είναι ένα σύμπλοκο τριών υπομονά δων που διίστανται. (η Ένας υποδοχέας συνδεόμενος μ' ένα ένζυμο μόλις προσδεθεί με τον εξωKUΠάρΙO συνδέτη του ενεργοποιεί την εν ζυμική δράση που εντοπίζεται στην ενδοκυπάρια πλευρά του υποδοχέα. Πολλοί υποδοχείς που συνδέονται με ένζυμα έχουν ενζυμική ε νεργότητα (αριστερά), ενώ άλλοι βασίζονται σε ένζυμα με τα οποία σχετίζονται (δεξιά).
•,
Ερώτηση
164
δοΧέα, καταλαμβάνοντας τη θέση πρόσδεσης του συνδέτη, είτε προσδένο
Οι σηματοδοτικοί μηχανι
νται σroν υποδοΧέα σε κάποια άλ/η θέση, ανασrέλ/oντας ή υπερδιεγείρο
σμοί που χρησιμοποιούνται
ντας τη φυσιολογική δρασrηριότητά του. Με τον τρόπο αυτό, δρουν πολ/ά
από έναν υποδοΧέα μιας
φάρμακα και δηλητήρια (Πίνακας
σrερoειδoύςορμόνης και έ
της φαρμακευτικής βιομηχανίας είναι αφιερωμένο σrην ανεύρεση ουσιών οι
ναν υποδοΧέα που συνδέε
οποίες να επιφέρουν ένα καθορισμένο αποτέλεσμα μέσω της πρόσδεσής
ται μ' έναν δίαυλο ιόντων εί
τους σ' ένα συγκεκριμένο είδος υποδοΧέα της κυπαρικής επιφάνειας.
16-2). Μεγάλο
μέρος της δρασrηριότητας
ναι πολύ απλοί και περιλαμβάνουνπολύ λίγα συσrαΤΙKά. Μπορείάραγε να οδηγή
Οι υποδοχείς που συνδέονται με διαύλους ιόντων
σουν σε ενίσχυση του αρχικού σήματος
μετατρέπουν τα χημικά σήματα σε ηλεκτρικά
και, αν ναι, με ποιο τρόπο;
Οι υποδοχεις που συνδέονraι με δΙQύΛους ιόνrων (ίon-channel
linked receptors),
674
Κεφάλαιο 16: Κυτταρική Επικοινωνία
γνωσroί επίσης και ως διαυΛοιιόντων εΛεγΧόμενοι Q-
,
Πίνακας
16-2. Μερικές
Σηματοδοτικό μόριο
Ουσία
Valium
ουσίες που απoμιμoύvται φυσικά σηματοδοτικά μόρια.
γ-αμινOβOUΤυΡΙKό οξύ
και βαρβι-
(GABA)
τουρικά
Δράση σε υποδοχείς
Αποτέλεσμα
διεγείρουν GΑΒΑ-ενεργικούς
αΥχολυτική δράση, καταστολή
υποδοχείς που συνδέονται με διαύλους ιόντων
Νικοτίνη
ακετυλοχολίνη
διεγείρει χολινεργικούς υποδο-
χείς που συνδέονται με διαύλους ιόντων Μορφίνη και ηρωίνη
ενδορφίνες και εγκεφαλίνες
διεγείρουν υποδοχείς οπιούχων
αγγειοσύσπαση, αύξηση αρτηριακής πίεσης
αναλγητική δράση, ευφορία
που συνδέονται με G-πρωτε"ίνες Κουράριο
αναστέλλει χολινεργικούς υποδο-
ακετυλοχολίνη
χείς που συνδέονται με διαύλους ιόντων Στρυχνίνη
πό δ1Q616aστές
γλυκίνη
(transmitter-gated
ίοη
channe1s)
αναστολή νευρομυ'ίκής μεταβίβασης που οδηγεί σε παράλυση
αναστέλλει υποδοχείς γλυκίνης
αναστολή ανασταλτικών συνάψεων
που συνδέονται με διαύλους
στο νωτιαίο μυελό που προκαλεί
ιόντων
σπασμούς και μυΙκή σύσπαση
λειτουργούν με τον α
πλούστερο και αμεσότερο τρόπο. Πρόκειτοι για τους υποδοχείς που ε κτελούν τοχεία μετοβίβαση διαμέσου συνάψεων του νευρικού συοτήμα τος. Οι υποδοχείς αυτοί μετοτρέπουν απευθείας ένα χημικό σήμα, υπό
, μορφή
παλμού ενός νευρομετοβιβαοτή που εκΜετοι οτο εξωτερικό του
κυττάρου-οτόχου, σ' ένα ηλεκτρικό σήμα, υπό μορφή μιας μεTOβolΊής
δυναμικού διαμέσου της κυτταρικής μεμβράνης. Μόλις προσδεθεί ο νευροδιαβιβαοτής, οι υποδοχείς αυτής της κοτηγορίας υφίοτανωι μια
μεTOβolΊή διαμόρφωσης που οδηγεί οτο άνοιγμα ή το κλείσιμο του διαύ
λου για τη ροή ενός συγκεκριμένου ιόντος, όπως Na +, Κ+, Ca 2 + ή C1(βλ. Εικόνα 16-14Α). Ωθούμενα από την ηλεκτροχημική βαθμίδωσή τους διαμέσου της μεμβράνης, ΤΟ ιόντα εισρέουν οτο κύτταρο ή εκρέουν από αυτό, προκαλώντας μια μεTOβolΊή ΟΤΟ δυναμικό της μεμβράνης μέ σα σ' ένα, περίπου, χιλιοοτό του δευτερολέπτου. Η μετοβολή αυτή μπο ρεί να πυροδοτήσει μια νευρική ώση ή να μεωβάλει τη δράση άλλων
σημάτων. Όπως θα δούμε αργότερα, το άνοιγμα των διαύλων Ca 2 + έχει ειδικές συνέπειες, επειδή οι μετοβολές της ενδοκυττάριας συγκέντρω σής του μπορεί να επηρεάσουν σημαντικά την ενεργότηω πολλών ενΖύ
μων. Η λειτουργία των υποδοχέων που συνδέονται με διαύλους ιόντων μάς απασχόλησε λεπτομερώς οτο Κεφάλαιο
12.
Οι υποδοχείς που συνδέονται με διαύλους ιόντων αφθονούν οτο νευρικό σύοτημα και σε άλ/α ηλεκτρικώς διεγειρόμενα κύτταρα (όπως ΤΩ μυϊκά). Α ντίθετο, οι υποδοχείς που συνδέονται με G-πρωτείνες
(G-protein-linked receptors) όπως επίσης και οι υποδοχείς που συνδέονται με ένΖυμα (enzyme1inked receptors) χρησιμοποιούνται πρακηκά απ' όλα τα είδη κυττάρων του σώματος. Οι περισσότερες από ης υπόλοιπες παραγράφους αυτού του κε φαλαίου είναι αφιερωμένες σε αυτούς ακριβώς τους υποδοχείς και οτις διερ γασίες μεταβίβασης σημάτων που πυροδοτούν.
Γενικές Αρχές της Κυτταρικής Σηματοδότησης
675
Πολλές ενδοκυπάριες σηματοδΟIlκές πρωτεΊνες δρουν σαν μοριακοί διακόmες Τα σήματο που παραλαμβάνοντοι από υποδοχείς συνδεμένους με
G-
πρωτεΊνες ή με ένΖυμα μετοφέρονται σε περίτεχνα συστήματο μετοβίβασης
που σχηματίΖΟνται από ακολουθίες ενδοκυπάριων σηματοδοτικών μορίων. Εκτός από λίγα μικρά μόρια (όπως το κυκλικό 2
GMP, το
κυκλικό ΑΜΡ και το
Ca +), ΤΟ ενδοκυπάρια σηματοδοτικά μόρια είναι πρωτε'ίνες. Ορισμένες λει
τουργούν ως χημικοί μετοβιβαστές: απαντούν σ' ένα ορισμένο χημικό σήμα
και δημιουργούν ένα άλ/ο σήμα. ΆΛΛες λειτουργούν ως αΥΥελιοφόροι: πα ραλαμβάνουν ένα σήμα από ένα σημείο του κυπάρου και μετοκινούνται σ' έ να άλ/ο σημείο για να προκαλέσουν κάποια δράση (βλ. Εικόνα
16-8).
Οι περισσότερες από τις κύριες ενδοκυπάριες σηματοδοτικές πρωτεΊνες
λειτουργούν σαν μοριοκοfδιοκόrnες
(molecular switches): η παραλαβή
ενός
σήματος προκαλεί τη μετάπτωση των πρωτεϊνών από μια ανενεργό σε μια ε νεργό κατάσταση στην οποία παραμένουν έως ότου κάποια άλ/η διεργασία τις απενεργοποιήσει Η σημασία της απενεργοποίησης συχνά παραβλέπετοl.
Για ν' ανανήψει μια σηματοδοτική οδός μετά τη μετοβίβαση ενός σήματος και να είναι έτοιμη για τη μετάδοση ενός νέου σήματος, κάθε «μοριακός δια κόπτης» πρέπει να επανέλθει στην αρχική, μη διεγερμένη κατάστασή του. Ε
πομένως, σε κάθε βήμα, για κάθε μηχανισμό ενεργοποίησης πρέπει να υ
πάρχει ένας μηχανισμός απενεργοποίησης που είναι εξίσου σημαντικός για τη λειτουργία του συστήματος.
Οι πρωτε'ίVες που δρουν σαν μοριακοί διακόπτες γενικά ανήκουν σε μια από δύο κύριες κατηγορίες. Η πρώτη και πολύ μεγαλύτερη κατηγορία περι λαμβάνει πρωτεΊνες των οποίων η δραστικότητο ρυθμίΖετοι με φωσφορυ/\ίω ση (βλ. Κεφάλαιο
4, Εικόνα 4-41). Στις πρωτεΊνες
αυτές, ο «διακόπτης» γυρί-
Ζει προς μια κατεύθυνση από μια πρωτεϊνική κινάση, η οποία προσθέτει στην πρωτεΊνη μια φωσφορική ομάδα, και προς την αντίθετη κατεύθυνση από μια πρωτεϊνική φωσφατάση, η οποία αφαιρεί τη φωσφορική ομάδα (Εικόνα
16-
15Α). Πολ/ές από τις πρωτεΊνες-«διακόπτες» που ελέγχονται με φωσφορυ
/\ίωση είναι και οι ίδιες πρωτεϊνικές κινάσες και συχνά οργανώνονται σε α-
Εικόνα 16-15. Ενδοκυπάριες σηματοδΟTlκές πρωτε'ί"νες που δρουν σαν μοριακοί διακό
~ :ΣΑ~ΠΡόσδε:D η υδΡ~O- Θ
πτες. Και στις δύο περιmώσεις μια ενδοκυπά
ρια σηματοδοτική πρωτεΤνη ενεργοποιείται ή απενεργοποιείται από την προσθήκη ή την α
~ ~
φαίρεση, αντιστοίχως, μιας φωσφορικής ομά
.....
δας, Στο (Α) η φωσφορική ομάδα προστίθεται ομοιοπολικά στην πρωτεΤνη από μια πρωτε'ίνι
του GTP λυση του ενεργοποιεί GTP ενερ:
γοποιει
1 11 "....
κή κινάση, η οποία μεταφέρει την τελική φω σφορική ομάδα του ΑΤΡ στη σηματοδοτική πρωτεΤνη, Η φωσφορική ομάδα αφαιρείται α πό μια πρωτε'ίνική φωσφατάση, Στο
(8)
η ση
ματοδοτική πρωτεΤνη αναγκάζεται ν' ανταλλά ξει το
GDP
με
GTP.
GDP απενεργοποιεί
676
Η υδρόλυση του
GTP
σε
την πρωτεΤνη.
Κεφάλαιο 16: Κυτταρική Επικοινωνία
(Α)
ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ ΜΕ ΦΩΣφοργΛΙΩΣΗ
(Β)
ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ ΑΠΟ ΜΙΑ ΠΡΩΤΕϊΝΗ ΠΟΥ ΣγΝΔΕΕΤΑΙ ΜΕ ΤΟ
GTP
.
κοΛουθ{ες φωσφορυi\[ωσnς
(phosphorylation cascades):
μια πρωτεϊνική κι
νάση, που έχει ενεργοποιηθεί με φωσφορυλίωση, φωσφορυλιώνει την επό μενη πρωτεϊνική κινάση της ακολουθίας και ούτω καθεξής. Έτσι, το σήμα
προωθείται και παράλ/ηλα ενισχύεται, κατανέμεται και τροποποιείται. Η άλ/η κύρια κατηγορία πρωτεϊνών-«διακοπτών» που συμμετέχουν σrη σηματοδότηση περιλαμΒάνει πρωτε'ί'νες που συνδέονται με το
GTP.
Οι πρω
τε'ί'νες αυτές «παλινδρομούν» ανάμεσα σε μια ενεργό και μια ανενεργό κατά σrαση ανάλογα με το αν είναι συνδεδεμένες με το
16-158).
GTP ή το GDP
(Εικόνα
Οι μηχανισμοί που ελέγχουν τη μετάπτωση θα περιγραφούν σrην
επόμενη παράγραφο. Οι πρωτε'ί'νες που συνδέονται με το
GTP παίΖουν
ση
μαντικό ρόλο σε αρκετές σηματοδοτικές οδούς. Μια κατηγορία από αυτές τις πρωτε'ϊνες, yνωσrές και ως G-ΠΡωτε'ϊvες, έχουν κεντρική θέση σrη σηματο δότηση μέσω υποδοχέων που συνδέονται με G-πρωτε'ϊνες.
Υποδοχείs που συνδέΟνΙαι με
G-πρωιείvεs Οι υποδοχείς που συνδέονται με G-πρωτεΤνες
tors)
(G-protein-linked recep-
είναι η μεγαλύτερη οικογένεια υποδοχέων της κυπαρικής επιφάνειας.
Στα κύπαρα των θηλασrΙKών έχουν ήδη αναyνωρισrεί εκατοντάδες υποδο χείς αυτής της κατηγορίας, ΟΙ οποίοι συμμετέχουν σrις απαντήσεις σε μια τε
ράσrια ποικιλία εξωκυπάριων σηματοδοτικών μορίων, όπως ορμόνες, τοπι κούς διαμεσολαΒητές και νευρoδιαBιBασrές. Τα σηματοδοτικά μόρια ποικίλ
λουν τόσο ως προς τη λειτουργία όσο και ως προς τη δομή τους: μπορεί να είναι πρωτε'ί'νες, μικρά πεπτίδια ή παράγωγα αμινοξέων ή λιπαρών οξέων και για καθένα ξεxωρισrά υπάρχει ένας διαφορετικός υποδοχέας ή ομάδα υπο δοχέων.
Παρά την ποικιλία των αντίσroιxων σηματοδοτικών μορίων, όπως αποκα λύπτουν οι σχετικές αναλύσεις, όλοι οι υποδοχείς που συνδέονται με
G-
πρωτε'ϊνες έχουν παρόμοια δομή. Συγκεκριμένα, αποτελούνται από μια συ νεχή πολυπεπτιδική αλυσίδα που διαπερνά τη μεμΒράνη πάνω-κάτω επτά φορές (Εικόνα
16-16). Η υπεροικογένεια αυτή των υποδοχέωv με επτά δια (seven-pass transmembrane receptor proteins) περι
μεμΒραvικές α-έΛικες
Εικόνα
λαμΒάνει τη ροδοψίνη (τη φωτοευαίσθητη πρωτε'ί'νη των φωτοϋποδοχέων
ονται με G πρωτε'ί'νες έχουν παρόμοια δομή. Τα κυπαροπλασματικά τμήματα του υποδο
σroυς οφθαλμούς των σπονδυλωτών), τους οσφρητικούς υποδοχείς της μύ της των σπονδυλωτών και τους υποδοχείς που συμμετέχουν σro τελετουργι
κό του Ζευγαρώματος του Ζυμομύκητα. Από εξελικτική άποψη η προέλευση
16-16. Όλοι
οι υποδοχείς που συνδέ
χέα είναι υπεύθυνα για την πρόσδεση με την G πρωτεΊνη, Οι υποδοχείς που προσδένουν μό ρια σηματοδοτικών πρωτε'ίνών διαθέτουν μια μεγάλη εξωκυπάρια πολυπεmιδική αλυσίδα
αυτών των υποδοχέων είναι πολύ αρχέγονη, εφόσον δομικά ανάλογες μεμ
για τη σύνδεση του προσδέτη που στο σχήμα
Βρανικές πρωτε'ί'νες υπάρχουν ακόμα και σrα Βακτήρια, όπως η Βακτηριορο
φαίνεται με ανοιχτό πράσινο χρώμα, Οι υπο
δοψίνη, η οποία λειτουργεί ως φωτοευαίσθητη αντλία Η+ (Βλ. Κεφάλαιο
11).
δοχείς για μικρά σηματοδοτικά μόρια, όπως η αδρεναλίνη, διαθέτουν μικρές εξωκυπάριες
Ωσrόσo, σrα Βακτήρια οι πρωτε'ί'νες αυτές δεν δρουν ως υποδοχείς συνδεδε
περιοχές, Σε αυτούς τους υποδοχείς, η θέση
μένοι με G-πρωτε'ί'νες. Τα Βακτήρια δεν διαθέτουν G-πρωτε'ί'νες και ΟΙ επι
σύνδεσης του προσδέτη συχνά σχηματίζεται
φανειακοί υποδοχείς μέσω των οποίων ανιχνεύουν τις θρεπτικές ουσίες εί ναι συΖευγμένοι με διαφορετικά συσrήματα μεταΒίΒασης σημάτων.
μέσα στην κυπαρική μεμβράνη από τμήματα των διαμεμβρανικών περιοχών των αντίστοι χων υποδοχέων.
Υποδοχείς που Συνδέονται με G-Πρωτε'fνες
677
Η διέγερση των υποδοΧέων που συνδέονται με G-πρωτε'ί'νες ενεργοποιεί υπομονάδες των πρωτεϊνών αυτών 'ΟΙαν ένα εξωκυπάριο σηματοδοηκό μόριο προσδεθεί σ' έναν υποδοΧέα
επτά διαμεμβρανικών διαβάσεων, ο υποδοχέας υφίοτατοι μια αλλαγή δια μόρφωσης που τροποποιεί ΤΟ ενδοκυπάριο τμήμα του και καθιοτά δυνατή την αλληλεπίδραση με μια G-πρωτεΊνη που εντοπίΖετοι οτην κυπαροπλα σμαηκή πλευρά Της κυπαρικής μεμβράνης. Για να εξηγήσουμε ης συνέπειες αυτής Της αλληλεπίδρασης πρέπει προηγουμένως να εξετάσουμε Τη δομή και Τη λειτουργία των G-πρωτεϊνών.
Υπάρχουν αρκετές ποικιλίες G-πρωτεϊνών. Καθεμιά είναι ειδική για μια ορισμένη ομάδα υποδοΧέων και μια ορισμένη ομάδα ενδοκυπάριων πρω τεϊνών-οτόχων. Ωοτόσο, όλες οι G-πρωτεΊνες έχουν παρόμοια δομή και λειτουργούν με παρόμοιο τρόπο. Αποτελούντοι από τρεις πρωτεϊνικές υπο μονάδες, ης α, β και γ. Δύο από ης υπομονάδες συνδέοντοι με Την κυπα ρική μεμβράνη με μικρές λιπιδικές ουρές. Σε κοτάοταση ηρεμίας, η υπο
μονάδα α είναι συνδεδεμένη με
GDP (Εικόνα 16-17Α) και η G-πρωτεΊνη
είναι αδρανής. 'ΟΙαν ένας εξωκυπάριος συνδέΤης προσδεθεί οτον υποδο Χέα, ο υποδοχέας αλληλεπιδρά με Την G-πρωτεΊνη και Την ενεργοποιεί, α ναγκάΖοντος Την α υπομονάδα ν' αποβάλ/ει ΤΟ συνδεμένο
GDP
υποδοχέας
(A)~==::::
Εικόνα
16-17,
Οι G-πρωτε'ίΎες διίστανται σε
δύο σηματοδοτικές πρωτε"ί"νες όταν ενεργο ποιούνται, (Α) Σε μη διεγερμένη κατάσταση, τόσο ο υποδοχέας όσο και η G-πρωτεΤνη είναι
ΕΞΩΚΥΠΑΡΙΟΣ ΧΩΡΟΣ
ανενεργοί και μάλλον δεν έρχονται σε επαφή.
(8)
Η ενεργοποίηση του υποδοχέα από το ε
(B)~==::::
ξωκυπάριο σηματοδοτικό μόριο επιτρέπει στην G-πρωτείνη ν' αλληλεπιδράσει με τον υ
ΚΥΠΑΡΟΔΙΜΥΜΑ
ποδοχέα. (η Η πρόσδεση στον ενεργοποιημέ νο υποδοχέα ωθεί την α υπομονάδα της πρωτεΤνης ν' ανταλλάξει το
GGDP με GTP. Αυτό
οδηγεί σε διάσταση της G-πρωτεΤνης σε μια ε νεργοποιημένη α υπομονάδα και ένα σύμπλο κο βγ, που διαχέονται κατά μήκος της εσωτε ρικής επιφάνειας της κυπαρικής μεμβράνης
έως ότου συναντήσουν τις πρωτείνες-στόχους
~-1
BΙiΙ-Ί ενεργοποιημένες υπομονάδες της
τους. Ο υποδοχέας παραμένει ενεργός όσο εί ναι συνδεδεμένος με το εξωκυπάριο σηματο δοτικό μόριο και έτσι μπορεί να καταλύσει την
Ι
(Γ) ~::::::::::::
ενεργοποίηση εκατοντάδων ή χιλιάδων μο
tO
ρίων μιας G-πρωτεΤνης. Τόσο η υπομονάδα α όσο και η υπομονάδα γ της G-πρωτεΤνης συν δέονται ομοιοπολικά με λιπίδια (κόκκινο) που βοηθούν στην προσάραξη των υπομονάδων στην κυπαρική μεμβράνη.
678
Κεφάλαιο
16: Κυτταρική Επικοινωνία
G πρωτείνης
Ι
ενεργοποιημένη
α υπομονάδα
_
~
ενεργοποιημένο σύμπλεγμα βγ
και να ΤΟ
ανπκαταστήσει με
GTP.
Η ενεργοποίηση καταλήγει σε διάσταση της
πρωτε'ϊνης σε μια ενεργοποιημένη α υπομονάδα με συνδεμένο
G-
GTP και σ'
ένα σύμπλοκο βγ. Έτσι, παράγονται δύο ξεχωριστά μόρια που διαΧέονται ελεύθερα κατά μήκος της μεμβράνης (Εικόνα 16-17Β και Γ). Τα δύο ενερ γοποιημένα τμήματα μιας G-πρωτε'ϊνης, δηλαδή η υπομονάδα α και το σύ μπλοκο βγ, αλ/ηλεπιδρούν άμεσα με στόχους που εντοπίΖονται στην κυτ ταρική μεμβράνη, οι οποίοι με τη σειρά τους μεταβιβάΖουν το σήμα σε άλ
λους προορισμούς. Όσο περισσότερο χρόνο παραμείνουν συνδεδεμένοι οι στόχοι με την α υπομονάδα ή το σύμπλοκο βγ, τόσο πιο ισχυρό και πα
ρατεταμένο θα είναι το μεταδιδόμενο σήμα. Η συμπεριφορά της α υπομονάδας καθορίζει το χρονικό διάστημα που τα δύο ενεργοποιημένα τμήματα της G-πρωτε'ϊνης (η α υπομονάδα και οι βγ υ πομονάδες) δρουν ανεξάρτητα. Η α υπομονάδα διαθέτει ευγενή ενεργότητα
υδρoi\άσης του
GTP (GΤΡάση) και μετά από ένα ορισμένο χρονικό διάστημα υδρολύει το συνδεδεμένο GTP σε GDP. Κατόπιν επανασυνδέεται με το 00μπλοκο βγ, οπότε η μεταβίβαση του σήματος σταματά (Εικόνα 16-18). Γενικά, αυτό συμβαίνει λίγα δευτερόλεmα μετά την ενεργοποίηση της G-πρωτε'ϊνης. Το συγκεκριμένο σύστημα μάς επιτρέπει να τονίσουμε ξανά μια γενική αρχή της κυτταρικής σηματοδότησης: οι μηχανισμοί που διακόπτουν ένα σή
μα είναι εξίσου σημαντικοί με τους μηχανισμούς οι οποίοι το ενεργοποιούν (βλ. Εικόνα 16-15Β). Προσφέρουν πολ/ές δυνατότητες για έλεγχο προκα λούν όμως και πολ/ά ανεπιθύμητα συμβάντα. Ένα σχετικό παράδειγμα πα ρέχει το νόσημα χολέρα. Η χολέρα ΠΡOKαi\είται από ένα βακτήριο που πολ λαπλασιάΖεται στο έντερο όπου παράγει μια πρωτε'ϊνη γνωστή ως χοi\ερικΩ τοξίvη
(cholera toxin).
Η πρωτε'ϊνη αυτή εισέρχεται στα κύτταρα που επενδύ
ουν το έντερο και τροποποιεί την α υπομονάδα μιας G-πρωτε'ϊνης [ονομάζεται
Gs, επειδή,
όπως θα δούμε στη συνέχεια, διεγείρει
(stimulate) την αδενυλική GTP. Ε
Kυκi\άση] στερώντας της τη δυνατότητα να υδρολύει το προσδεμένο
16-5
πομένως, η τροποποιημένη α υπομονάδα παραμένει σε ενεργό κατάσταση α
Ερώmση
περιόριστα και συνεχίζει να μεταδίδει ένα σήμα στις πρωτε'ϊνες-στόχους της.
Οι υποδοχείς που συνδέο
Στα εντερικά κύτταρα, αυτό οδηγεί σε συνεχή εκροή CΓ και νερού προς τον
νται με G-ΠΡωτε'ϊνες, τις ε
αυλό του εντέρου με συνέπεια να ΠΡOKαi\Oύνται έντονες διάρροιες και βαριά
νεργοποιούν ελαττώνοντας
αφυδάτωση, η οποία συχνά είναι θανατηφόρος αν δεν ληφθούν επείγοντα
την ισχύ πρόσδεσης
μέτρα για την αναπλήρωση των απωλειών σε νερό και ιόντα.
GDP. Αυτό οδηγεί σε ταχεία
Μια παρόμοια κατάσταση συμβαίνει στον κοκκύτη, μια κοινή αναπνευστι
του
•,
διάσταση του προσδεμένου
κή λοίμωξη. Σήμερα, τα βρέφη υποβάλ/ονται υποχρεωπκά σε εμβολιασμό
GDP, το
εναντίον του κοκκύτη. Στην περίmωση του κοκκύτη, το παθογόνο βακτήριο
που υπάρχει στο κυπαροδιάλυμα σε α
εγκαθίσταται στον πνεύμονα, όπου παράγει μια πρωτεΤνη γνωστή ως KOKKV-
φθονία. Ποιες θα ήταν οι επιmώσεις μιας
πκΩ τοξίvη. Αυτή η πρωτε'ϊνη τροποποιείτην α-υπομονάδαμιας διαφορετι
μετάλλαξης στην α υπομονάδα μιας
κής G πρωτε'ϊνης [ονομάΖεται
Gj ,
επειδή avaστέλ/ει
(inhibits) την αδενυλlκή
οποίο αντικαθίσταται από
GTP,
G-
πρωτεΤνης, η οποία θα οδηγούσε σε ε
Kυκi\άση]. Η τοξίνη αδρανοποιεί την G-πρωτεΤνη, «κi\ειδώνoντάς» την σε α
λάττωση της συγγένειάς της για το
νενεργό κατάσταση, κατά την οποία είναι συνδεδεμένη με
χωρίς να μεταβάλ/ει σημαντικά τη συγ
κρυνση της
Gj ,
όπως η ενεργοποίηση της
Gs ,
GDP.
Η απομά
οδηγεί στη δημιουργία ενός
γένειά της για το
GTP; Συγκρίνατε
GDP
τις συ
παρατεταμένου, ακατάλ/ηλου σήματος. Παραδόξως, παρότι οι βιοχημικές
νέπειες αυτής της μετάλ/αξης με τις επι
δράσεις των δύο τοξινών είναι λεmομερώς γνωστές, δεν είναι σαφές πώς ε-
δράσεις της χολερικής τοξίνης.
Υποδοχείς που Συνδέονται με G-Πρωτεινες
679
Εικόνα
16·18.
προσδεμένο
πρωτεΤνη-στόχος
Η α υπομονάδα μιας G-πρω
τε'ί"νης απενεργοποιείται
GTP.
Ι
υδρολύοντας το
ΕΞΩΚΥΤΤΑΡΙΟΣ ΧΩΡΟΣ
Όταν μια ενεργοποιημένη
α υπομονάδα συναντήσει την πρωτε"ίνη-στόχο της και συνδεθεί μαζί της, την ενεργοποιεί (ή, ΚΥΤΤΑΡΟ
ορισμένες φορές, την απενεργοποιεΟ, Η ενερ
ΔΙΜΥΜΑ
γοποίηση διαρκεί όσο διαρκεί και η σύνδεση των δύο πρωτε'ίνών, Μετά από λίγα δευτερό
ενεργοποιημένο
λεmα, το
σύμπλοκο βγ
GTP που
βρίσκεται πάνω στην α υ
πομονάδα υδρολύεται σε
GDP από την εγγενή
ενεργότητα GΤΡάσης της α υπομονάδας, Η υ δρόλυση του
GTP απενεργοποιεί
ενεργοποιημένη
α υπομονάδα
την α υπομο
νάδα, η οποία διίσταται από την πρωτεΊνη-στό
χο και επανασυνδέεται μ' ένα σύμπλοκο βγ, σχηματίζοντας μια ανενεργό G-πρωτεΊνη, Η
ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗ ΜΙΑΣ ΠΡΩΤΕϊΝΗΣ-ΣΤΟΧ9ν
Ι
ΑΠΟ ΤΗΝ α ΥΠΟΜΟΝΑΔΑ ΜΙΑΣ
G ΠΡΩΤΕΙΝΗΣ
G-
πρωτε"ίνη είναι τώρα έτοιμη να συνδεθεί μ' ένα νέο μόριο υποδοχέα (βλ. Εικόνα
16-178), Τόσο
η ενεργοποιημένη α υπομονάδα όσο και το ε λεύθερο σύμπλοκο βγ μπορούν να ρυθμίζουν πρωτεΊνες-στόχους,
ΘΡ
Η ΥΔΡΟΛΥΣΗ τον GTP ΑΠΟ ΤΗΝ α ΥΠΟΜΟΝΑΔΑ
--1
ΠΡΟΚΜΕΙ ΤΗΝ ΑΠΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΚΑΙ ΤΗΝ
ΑΝΑΓΚΑΖΕΙ Ν' ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΘΕΙ ΑΠΟ ΤΗΝ ΠΡΩΤΕϊΝΗ-ΣΤΟΧΟ
Ι
Η ΑΝΕΝΕΡΓΟΣ α ΥΠΟΜΟΝΑΔΑ ΕΠΑΝΑΣΥΝΔΕΕΤΑΙ
ΜΕ ΤΟ ΣΥΜΠΛΟΚΟ βγ ΚΑΙ ΞΑΝΑΣΧΗΜΑΤιΖΕI ΜΙΑ ΑΝΕΝΕΡΓΟ G ΠΡΩΤΕΙΝΗ
ανενεργός G πρωτε'ί\ιη
ανενεργός πρωτεί\ιη-στόχος
πωφελούνταl τα βακτήρια από αυτές τις δράσεις. Όπως και αν έχουν τα πράγματα, οι δύο τοξίνες μάς δείχνουν ότι όπως ένα αυτοκίνητο που επιτα
Χύνει ανεξέλεγκτα έτσι και οι ενδοκυπάριες σηματοδοτικές οδοί μπορεί να γίνουν επικίνδυνα υπερδραστήριες, είτε επειδή πατήθηκε το «μοριακό γκά ΖΙ» είτε επειδή κόπηκαν τα «μοριακά φρένα».
Μερικές G-πρωτε'i'νες ρυθμίΖουν διαύλους ιόντων Οι πρωτε'ί'νες-στόΧοι για τις υπομονάδες των G-πρωτεϊνών είναι δίαυλοι ιόντων ή μεμβρανlκά ένΖυμα. Οι διάφοροι στόΧοι επηρεάΖΟνται από διαφο-
680
Κεφάλαιο 16: Κυτταρική Επικοινωνία
ρετικά είδη G-πρωτεϊνών (σΙα κύπαρα των θηλασΙlκών έχουν ήδη ανακαλυ
φθεί περίπου 20) και σΙη συνέχεια οι διάφορες G-πρωτε'ίνες ενεργοποιούνται από διαφορετικούς υποδοχείς της κυπαρικής επιφάνειας. Έτσι, η πρόσδεση
ενός εξωκυπάριου σηματοδοτικού μορίου σ' έναν υποδοΧέα που συνδέεται με μια G-πρωτε'ίνη επιδρά μόνο σε ένα υποσύνολο πρωτεϊνικών σΙόχων, που
είναι κατάλ/ηλοl γι' αυτό το σήμα και γι' αυτό το είδος του κυπάρου. Πρώτα θα εξετάσουμε ένα παράδειγμα ρύθμισης διαύλων ιόντων μέσω G-πρωτεϊνών. Η καρδιακή συχνότητα ελέγχεται από δύο ομάδες νευρικών ι νών: η μια από αυτές επιταΧύνει την καρδιακή συχνότητα ενώ η άλ/η την ε
πιβραδύνει. Οι νευρικές ίνες που σηματοδοτούν την επιβράδυνση εκλύουν ακετυλοχολίνη, η οποία προσδένεται σΙα μυοκαρδιακά κύπαρα σ' έναν υπο δοΧέα που διασυνδέεται με μια G-πρωτεΙνη. Μόλις η ακετυλοχολίνη προσ δεθεί σΙον υποδοχέα, η G-πρωτεΙνη
(G i ) ενεργοποιείται, δηλαδή διίσΙαταl σε
μια α υπομονάδα και ένα σύμπλοκο βγ (Εικόνα 16-19Α). Στο συγκεκριμένο παράδειγμα, το ενεργό σηματοδοτικό συσΙατικό είναι το σύμπλοκο βγ. Το σύμπλοκο αυτό προσδένεται σΙην ενδοκυπάρια πλευρά ενός διαύλου Κ
+
της κυπαρικής μεμβράνης των μυοκαρδιακών κυπάρων και εξαναγκάΖει τον
δίαυλο να προσλάβει την ανοικτή διαμόρφωση (Εικόνα 16-19Β), οπότε κ+ εξέρχονται από το κύπαρο. Αυτό έχει ως συνέπεια να μεταβληθούν οι ηλε
κτρικές ιδιότητες του μυοκαρδιακού κυπάρου, το οποίο πλέον συσΙέλ/εται
λιγότερο συχνά. Η δράση του συμπλόκου βγ τερματίΖεται και ο δίαυλος κ+ ξανακλείνει μόλις αδρανοποιηθεί η α υπομονάδα (με υδρόλυση του συνδε δεμένου
GTP) και ξανασυνδεθεί
με το σύμπλοκο βγ για να σχηματίσει μια α
νενεργό G-πρωτεΙνη (Εικόνα 16-19Γ).
ακετυλοχολίνη
κλειστός δίαυλος κ+
(Α)
,:
,.~ ~'O
ενεργοποιημένη α υπομονάδα
ενεργοποιημένο σύμπλοκο βγ κυτταρική μεμβράνη ΕΞΩΚΥΠΑΡΙΟΣ χΩΡΟΣ
ΑΝΟΙΓΜΑ ΤΟΥ ΔΙΑΥΛΟΥ
!
ανοικτός δίαυλος κ+ Εικόνα
16-19. Μια G-πρωτεΊνη
διασυνδέει την
ενεργοποίηση ενός υποδοχέα με τη διάνοιξη
ενός διαύλου Κ+ στην κυπαρική μεμβράνη ε νός μυοκαρδιακού κυπάρου. (Α) Η πρόσδεση
ΚΥΠΑΡΟΔΙΜΥΜΑ
της ακετυλοχολίνης στον υποδοχέα της πάνω στα μυοκαρδιακά κύπαρα, ο οποίος ανήκει στην κατηγορία των υποδοχέων που συνδέο
Θ .-J ΑΠΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗ
-!
κλειστόςδίαυλοςκ+
νται με G-πρωτε{νες, οδηγεί σε διάσταση της
G-πρωτείiιης σε ένα ενεργοποιημένο σύμπλοκο βγ και μια ενεργοποιημένη α υπομονάδα.
(8) Το
ενεργοποιημένο σύμπλοκο βγ συνδέεται σ' ένα δίαυλο Κ+ της κυπαρικής μεμβράνης και προ καλεί το άνοιγμά του. (Γ) Η απενεργοποίηση
ανενεργός πρωτείνη G
της α υπομονάδας με υδρόλυση του GTP την ε ξαναγκάζει να ξανασυνδεθεί με το σύμπλοκο βγ για να Ο)(Τ]ματίσει μια ανενεργό G-πρωτεϊνη. Τότε ο δίαυλος Κ+ κλείνει.
Υποδοχείς που Συνδέονται με G-Πρωτεινες
681
ΟΡΙσμένες G-πρωιε"ίνες ενεργοποιούν μεμ6ρανικά ένΖυμα Οι αλληλεπιδράσεις των G-πρωιεϊνών με διαύλους ιόντων προκαλούν μια άμεση μειοβολή στην κατάσταση και τη συμπεριφορά του κυπάρου. Οι
αλληλεπιδράσεις τους με ενΖυμlκούς στόχους έχουν πιο περίπλοκες συνέ πειες, καθώς οδηγούν στο σχηματισμό επιπρόσθετων ενδοκυπάριων σημα τοδοτικών μορίων. Τα πιο συνήθη ένΖυμα-στόχοι για τις G-πρωτε'ivες είναι η αδεvviΊικn κυκΛάσπ, η οποία είναι υπεύθυνη για την παραγωγή ενός μικρού
σηματοδοτικού μορίου, του κυκΛικού ΑΜΡ, και η φωσφoiΊIπάσπ
C,
η οποία
είναι υπεύθυνη για την παραγωγή δύο άλλων μικρών σηματοδοτικών μο
ρίων, της rριφωσφορικnς ιvοσιτόiΊnς και της δIαKυiΊoγiΊυKερόiΊπς. Τα δύο αυτά ένΖυμα ενεργοποιούνται από διαφορετικά είδη G-πρωτεϊνών και σχη ματίΖουν ΙΟ μικρά ενδοκυπάρια σηματοδοτικά μόρια υπό την επίδραση δια φόρων εξωκυπάριων σημάτων. Αυτή η σύΖευξη μπορεί να είναι είτε διεγερ τική (να διαμεσολαβείται από μια διεγερτική G-πρωτε'fνη) είτε ανασταλτική
(να διαμεσολαβείιοι από μια ανασταλτική G-πρωτε'iVη). Για λόγους απλού στευσης, θα περιορίσουμε τη συΖήτησή μας στις περιmώσεις εκείνες στις ο ποίες η ενεργοποιημένη G-πρωτε'ivη διεγείρει την ενΖυμlκή δράση. Τα μι
κρά ενδοκυπάρια σηματοδοτικά μόρια αυτών των οδών συχνά αποκαλού νται δεύτεροι αγγελιοφόροι
(second messengers)
(ενώ «πρώτοι αγγελιοφό
ροι» θεωρούνται ΙΟ εξωκυπάρια σήμαιο). Παράγονται σε μεγάλες ποσότητες όιον ενεργοποιείιοι το μεμβρανlκό ένΖυμο φωσφολιπάση
C-
-
Π.Χ. η αδενυλlκή κυκλάση ή η
και κατόπιν απομακρύνονται με διάχυση από τη θέση πα
ραγωγής τους και αναμειοδίδουν το σήμα σε όλο το κύπαρο (Εικόνα
16-20).
Διαφορετικοί δεύτεροι αγγελιοφόροι παράγουν διαφορετικές κυπαρl κές απαντήσεις. Πρώτα θα εξετάσουμε τις συνέπειες που έχει μια αύξηση της συγκέντρωσης του κυκλικού ΑΜΡ. Έτσι, θα συναντήσουμε μια από τις
σηματοδοτικές οδούς που ξεκινούν από υποδοχείς διασυνδεόμενους με G-πρωτε'fνες. Στη συνέχεια θ' ασχοληθούμε με τις δράσεις της διακυλο γλυκερόλης και της τριφωσφορικής lνοσιτόλης και θα γνωρίσουμε μια δια φορετική οδό.
ενεργοποιημένο σύμπλοκο βγ
ενεργοποιημένο ένζυμο ΕΞΩΚΥΠΑΡΙΟΣ ΧΩΡΟΣ
Εικόνα
16-20. Ένζυμα
ενεργοποιούμενα α
πό G-πρωτείΎες καταλύουν τη σύνθεση εν δοκυπάριων αγγελιοφόρων μορίων. Κάθε ε
ενεργοποιημένη αυπομονάδα G πρωτεινης
νεργοποιημένο ένζυμο δημιουργεί αγγελιοφό
ρα μόρια και το σήμα στο βήμα αυτό της οδού ενισχύεται πολύ. Το σήμα μεταφέρεται από τα αγγελιοφόρα μόρια, προσδένεται σε πρω
τεΊνες-στόχους μέσα στο κύπαρο και επηρεά ζει την ενεργότητά τους.
682
Κεφάλαιο 16: Κυτταρική Επικοινωνία
πολλά ενδοκυττάρια αγγελιοφόρα μόρια διαχέονται και δρουν σε πρωτεΤνες-στόχους σε διάφορα μέρη του κυττάρου
Η οδός του κυκλικού ΑΜΡ ενεργοπOlεί ένΖυμα και γονίδια Πολ/ά εξωκυπάρια σήματα τα οποία δρουν μέσω υποδοΧέων που δια
συνδέονται με G-πρωτεΤνες επηρεάΖουν την ενεργότητα της αδΕVΥλικής KUκλάσης (adenylate
cyclase)
και επομένως μεταβάλ/ουν την ενδοκυπάρια
συγκέντρωση του κυκλικούΑΜΡ
(cyclicAMP). Συνήθως,
η ενεργοποιημένη
ο ο ο 11
11
<ι:)~ N~N~
11
-ο -j-O -j- o~j-O-VO~
O-O-O-~IίI
α υπομονάδα της G-πρωτεΤνης ενεργοποιεί την αδενυλική κυκλάση, με συ
νέπεια ν' αυξάνεται εντυπωσιακά και αιφνίδια η σύνθεση του κυκλικού ΑΜΡ από το ΑΤΡ (το οποίο είναι πάντοτε παρόν στα κύπαρα). Επειδή διεγείρει
(stimulate) την κυκλάση,
αυτή η G-πρωτεΤνη ονομάΖεται
Gs ' Ένα δεύτερο έν
Ζυμο, η φωσφοδιεστεράση του κυκΛικού ΑΜΡ, το οποίο είναι συνεΧώς ενερ γό, αποδομείγρήγορα το κυκλικόΑΜΡ σε απλό ΑΜΡ (Εικόνα
16-21). Η κα
φεΤνη δρα ως διεγερτικό επειδή αναστέλλει αυτή τη φωσφοδιεστεράση στο νευρικό σύστημα: έτσι αποτρέπει την αποδόμηση του κυκλικού ΑΜΡ και δια
ΟΗ
~~:;~:~.
Η φωσφοδιεστεράση του κυκλικού ΑΜΡ είναι συνεΧώς δραστική μέσα στο κύπαρο. Επειδή το κυκλικό ΑΜΡ αποδομείται τόσο γρήγορα, η συγκέ ντρωσή του μπορεί να μεταβληθεί ταΧύτατα σε απάντηση προς διάφορα εξω
κυπάρια σήματα και, χαρακτηριστικά, ν' αυξηθεί ή να ελαπωθεί κατά δέκα φορές μέσα σε λίγα δευτερόλεmα (Εικόνα
16-22). Το κυκλικό
ΑΜΡ είναι έ
να υδατοδιαλυτό μόριο και έτσι μπορεί να προωθήσει το σήμα από τη θέση
NH
Ν
®Θ
2
~N
)
O/VO~ ~ \~o~ ρ-ο
ΟΗ
/
φωσφοδιεστεράση VΝΗ 2 ro"~_OAM~ j <ιΑΝ
διάλυμα, στον πυρήνα ή σε άλλα οργανίδια. ορισμένα παραδείγματα από τα πολ/ά εί
δη κυπαρικών απαντήσεων στις οποίες συμμετέχει το κυκλικό ΑΜΡ. Όπως
φαίνεται στον πίνακα, τα διάφορα κύπαρα-στόχοι απαντούν με πολύ διαφο
ρετικό τρόπο σε εξωκυπάρια σήματα που μεταβάλ/ουν τα επίπεδα του ενδο κυπάριου κυκλικού ΑΜΡ. Σε πολ/ά είδη Ζωικών κυπάρων η ενεργοποίηση της παραγωγής του κυκλικού ΑΜΡ μοιάζει σαν να πατάμε το γκάζι σ' ένα αυ
τοκίνητο και συγκεκριμένα αυξάνει το ρυθμό κατανάλωσης των μεταβολικών
N~N)
11
-O-P-O-VO~
ό-
της μεμβράνης όπου συντίθεται σε πρωτεΤνες που εντοπίζονται στο κυπαρο
16-3 αναφέρονται
J(: <Ι
0-
τηρεί τη συγκέντρωσή του υψηλή.
Στον Πίνακα
ΟΗ
~15-AMPI ΟΗ
ΟΗ
Εικόνα 16·21. Η σύνθεση και η αποδόμηση του κυκλικού ΑΜΡ (cAMP). Το κυκλικό ΑΜΡ σχηματίζεται από το ΑΤΡ σε μια αντίδραση κυ κλοποίησης, κατά την οποία δύο φωσφορικές
ομάδες αφαιρούνται από το ΑΤΡ ενώ παράλ ληλα το "ελεύθερο» άκρο της φωσφορικής ο μάδας που απομένει συνδέεται μ' ένα υδαταν θρακικό υδροξύλιο της ριβόζης του ΑΤΡ. Η α ντίδραση αποδόμησης διασπά αυτόν τον δε σμό και παράγειΑΜΡ.
καυσίμων. Για παράδειγμα, σε κατάσταση φόβου ή συναισθηματικής έξα ψης, τα επινεφρίδια εκκρίνουν την ορμόνη αδρεναΝνη, η οποία κυκλοφο
ρεί οιο αίμα και προσδένεται σε μια κατηγορία υποδοΧέων που διασυνδέο νται με G-πρωτεΤνες (τους αδρενεργικούς υποδοχείς) και βρίσκονται σε πολ λά είδη κυπάρων. Οι συνέπειες αυτής της πρόσδεσης ποικίλλουν από κύπα ρο σε κύπαρο, γενικά όμως όλες συμβάλ/ουν οιην προετοιμασία του οργα νισμού για αιφνίδια δράση. Για παράδειγμα, οιους γραμμωτούς μυς, η πρόσ δεση της αδρεναλίνης οιον υποδοΧέα της μέσω της G-πρωτεΤνης οδηγεί σε διέγερση της αδενυλικής κυκλάσης και σε αύξηση των ενδοκυπάριων επιπέ δων του κυκλικού ΑΜΡ. Η αύξηση αυτή προκαλεί αποδόμηση του γλυκογό νου (πολυμερισμένη μορφή αποθηκευμένης γλυκόΖης) έτσι ώοιε ν' αυξηθεί η γλυκόΖη η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο σ' επικείμενη μυϊ
κή δραστηριότητα. Η αδρεναλίνη επίσης επιδρά οια λιποκύπαρα, όπου διε γείρει την αποδόμηση των τριακυλογλυκερολών (η αποθηκευτική μορφή
του λίπους) σε λΙπαρά οξέα, μια μορφή κυπαρικού καυσίμου που μπορεί να χρησιμοποιηθεί αμέσως (βλ. Κεφάλαιο
13) και να εξαΧθεί σε άλλα
κύπαρα.
Υποδοχείς που Συνδέονται με G-ΠρωτεΊνες
683
Εικόνα
16-22.
Η αύξηση του κυκλικού ΑΜΡ
χρόνος Ο
χρόνος
sec
20 sec
σε απάντηση προς ένα εξωκυπάριο σήμα. Ένα νευρικό κύπαρο σε καλλιέργεια απαντά
στην πρόσδεση του νευροδιαβιβαστή σεροτο νίνη σ' έναν υποδοχέα συνδεδεμένο με G-πρω τεΤνη αυξάνοντας την ενδοκυπάρια συγκέ
ντρωση του κυκλικού ΑΜΡ. Ο προσδιορισμός της συγκέντρωσης του ενδοκυπάριου κυκλι κού ΑΜΡ γίνεται με ένεση στο κύπαρο μιας
φθορίζουσας χρωστικής, της οποίας ο φθορι σμός μεταβάλλεται όταν προσδένει κυκλικό ΑΜΡ. Το μπλε δείχνει μικρή συγκέντρωση, το
(Α)
(8)
κίτρινο ενδιάμεση συγκέντρωση και το κόκκινο μεγάλη συγκέντρωση κυκλικού ΑΜΡ. (Α) Σε κατάσταση ηρεμίας, η ενδοκυπάρια συγκέ ντρωση του κυκλικού ΑΜΡ είναι περίπου
5χ 10-8 Μ. (8) Είκοσι δευτερόλεmα μετά την προ
σθήκη της σεροτονίνης στο μέσο της καλλιέρ γειας, η ενδοκυπάρια συγκέντρωση του κυ
Το κυκλικό ΑΜΡ ασκεί αυτές τις ποικίλες επιδράσεις κυρίως μέσω της ε νεργοποίησης της εξαρτώμεvnς από το κυκλικό ΑΜΡ πρωτεϊνικής Κlνάσης
(cyclic-AMP-dependent protein kinase)
ή Α-κινάσης
(A-kinase).
Το ένΖυμο
κλικού ΑΜΡ είναι μεγαλύτερη από 10-6 Μ, δη
αυτό συνήθως είναι ανενεργό σ' ένα σύμπλοκο με μια άλλη πρωτε'ί'νη. Η
λαδή έχει αυξηθεί πάνω από
πρόσδεση ίΟυ κυκλικού ΑΜΡ προκαλεί μια αλλαγή διαμόρφωσης που απε
άδεια του
20 φορές. (Με την
Roger Tsien).
λευθερώνει ίΟ ενεργό ένΖυμο. Στη συνέχεια, η ενεργός πρωτεϊνική κινάση
καωλύει τη φωσφορυλίωση συγκεκριμένων καωλοίπων σερίνης ή θρεονί
νης ορισμένων ενδοκυπάριων πρωτεϊνών και με τον τρόπο αυτό μεω6άλ/ει τη δραστικότητά ίΟυς. Σε διάφορα είδη κυπάρων, υπάρχουν διαφορετικές ο
μάδες πρωτεϊνών-στόχων που είναι διαθέσιμες για φωσφορυλίωση, γεγο
νός που εξηγεί γιατί οι επιδράσεις ίΟυ κυκλικού ΑΜΡ ποικίλλουν από κύπα ρο σε κύπαρο.
•,
Epώmon
Σε μερικές περιπτώσεις, ΟΙ επιδράσεις ίΟυ κυκλικού ΑΜΡ εκδηλώνο
16-6
Ερμηνεύστε γιατί η ωχεία
νται γρήγορα, ενώ σε άλλες αργά (Εικόνα
κυπαρική
σημαίΟδότηση
γραμμωτά μυϊκά κύπαρα, η ενεργοποιημένη Α-κινάση φωσφορυλιώνει
προϋποθέτει και ωχεία α
ένΖυμα που εμπλέκονται στο μεω60λισμό ίΟυ γλυκογόνου και συγκεκρι
ποδόμηση
μένα πυροδοτεί ίΟν μηχανισμό που αποδομείίΟ γλυκογόνο σε γλυκόΖη. Η
του
κυκλικού
ΑΜΡ.
16-23).
Για παράδειγμα, στα
απάντηση αυτή εκδηλώνεται μέσα σε λίγα δευτερόλεπω. ΣίΟ άλλο άκρο,
ορισμένες επιδράσεις ίΟυ
cAMP
εξελίσσονται μετά από αρκετά λεπτά ή α-
iQ~m:'l~~ Μερικές κυπαρlκές απαντήσεις που επάγονται από ορμόνες με
μεσολάβηση του κυκλικού ΑΜΡ.
EξωKUΤΤάρΙOσηματο
-----------------1
δοτικό μόριο*
Ιστός-στόχος
Κύρια απάντηση
Αδρεναλίνη
καρδιά
αύξηση της καρδιακής συχνό τητας και της έντασης της
καρδιακής συστολής Αδρεναλίνη Αδρεναλίνη,
ACTH,
μύες
αποδόμηση γλυκογόνου
λιπώδης ιστός
αποδόμηση λίπους
επινεφρίδια
έκκριση κορτιζόλης
γλυκαγόνη
ACTH
* Μολονότι όλα τα σηματοδοτικά μόρια που αναφέρονται εδώ είναι ορμόνες, εντού τοις το κυκλικό ΑΜΡ συμμετέχει επίσης και σε μερικές απαντήσεις σε τοπικούς δια μεσολαβητές και σε νευροδιαβιβαστές.
684
Κεφάλαιο 16: Κυτταρική Επικοινωνία
Εικόνα
εξωKUΠάριO σηματοδοτικό μόριο
• !
16·23. Ταχείες
και βραδείες απαντή·
σεις σε εξωκuπάρια σήματα. Τα εξωκυπά ρια σήματα ρυθμίζουν πολλές mυχές της συ μπεριφοράς του κυπάρου. Ορισμένες μετα βολές της κυπαρικής συμπεριφοράς, όπως η
αυξημένη KUΠαΡΙKή ανάmυξη και η κυπαρική διαίρεση, προϋποθέτουν αλλαγές στην έκ φραση διάφορων γονιδίων και τη σύνθεση νέ ων πρωτε'ίνών και επομένως συμβαίνουν με
-
σχετική βραδύτητα, Άλλες, όπως οι αλλαγές της κυπαρικής κίνησης, της έκκρισης ή του μεταβολισμού του κυπάρου, δεν προϋποθέ τουν συμμετοχή των διεργασιών του πυρήνα και επομένως συμβαίνουν ταχύτερα.
ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΤΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΤΟΥΚΥΠΑΡΟΥ
κόμα και ώρες. Σε αυτές περιλαμβάνOVΊαι και οι επιδράσεις που εμπλέκο VΊαι στη μεταβολή της έκφρασης γονιδίων. Έτσι, σε ορισμένα κύπαρα, η
Α-κινάση φωσφορυλιώνει ρυθμιστικές πρωτείνες που ενεργοποιούν τη με ταγραφή επιλεγμένων γονιδίων. Για παράδειγμα, στα ενδοκρινή κύπαρα του υποθαλάμου, η αύξηση του ενδοκυπάριου κυκλικού ΑΜΡ διεγείρει την παραγωγή και έκκριση της πεπτιδικής ορμόνης σωματοστατίνη. Avίίθετα, στους νευρώνες η αύξηση του κυκλικού ΑΜΡ ελέγχει την παραγωγή πρω τεϊνών που εμπλέKOVΊαι στη μακροπρόθεσμη μνήμη. Στην Εικόνα
παρουσιάΖεται
n ακολουθία των γεγονότων σε μια τέτοια
16-24
οδό από την κυτ
ταρική μεμβράνη έως τον πυρήνα. Στη συνέχεια θα εξετάσουμε την άλ/η σηματοδοτική οδό που αρχίΖει από υποδοχείς διασυνδεόμενους με G-πρωτε"ϊνες και διαμεσολαβείται από ένΖυ μα: δηλαδή την οδό που αρχίΖει με την ενεργοποίηση του μεμβρανικού εν
Ζύμου φωσφoiΊιπάσΩ
C και
οδηγεί στη δημιουργία των δεύτερων αγγελιο
φόρων Τριφωσφορική ινοσιτόλη και διακυλογλυκερόλη.
Η οδός των φωσφολιπιδίων lνοσnόλης οδηγεί σε
'ξ
ου ηση του εν
δ' οκυπορlOυ Ca 2+
Μερικά εξωκυπάρια σηματοδοτικά μόρια ασκούν τη δράση τους μέσω
μιας G-πρωτείνης που ενεργοποιεί το μεμβρανικό ένΖυμο φωσφολιπόση
(phospholipase C)
C
αvίί την αδενυλική κυκλάση. Λίγα σχετικά παραδείγματα
δίνovίαι στον Πίνακα
16-4.
Μόλις ενεργοποιηθεί, η φωσφολιπάση
C μεταδίδει το σήμα της διασπώ
vίας ένα λιπίδιο που είναι συστατικό της κυπαρικής μεμβράνης, Η φωσφολι
πάση
C δρα σ'
ένα μεμβρανικό φωσφολιπίδιο mς ινoσπ6λnς, το οποίο βρί
σκεται σε μικρές ποσότητες στην εσωτερική πλευρά της λιπιδικής διπλοσIl βάδας της κυπαρικής μεμβράνης (Εικόνα
11-17).
Εξαιτίας της συμμετοχής
αυτού του φωσφολιπιδίου, η σηματοδοτική οδός που αρχίΖει με τη δράση της
Υποδοχείς που Συνδέονται με G-Πρωτε'ί'νες
685
Εικόνα
16-24.
Ενεργοποίηση της μεταγρα
σηματοδοτικό μόριο
φής των γονιδίων από την αύξηση της συ γκέντρωσης του κυκλικού ΑΜΡ. Η πρόσδεση μιας ορμόνης ή ενός νευροδιαβιβαστή σ' έναν υποδοχέα που διασυνδέεται με μια G-πρω τεΊνη οδηγεί σε ενεργοποίηση της αδενυλικής κυκλάσης και αύξηση του κυκλικού ΑΜΡ, Το κυκλικό ΑΜΡ ενεργοποιεί την Α-κινάση στο
-
κυπαροδιάλυμα, Στη συνέχεια, το ενεργοποι
11''
'Γ\κυκλικόΑΜΡ • •• •••••
ενεργοποιημένη α υπομονάδα G πρωτείνης
ημένο ένζυμο μετακινείται στον πυρήνα και φωσφορυλιώνει μια ρυθμιστική πρωτεί\tη, Μό
•
μιας
λις φωσφορυλιωθεί, η πρωτεΊνη αυτή αποκτά
ί\ -_-:..~- Ω κινάσηΑ ενεργός LJ
την ικανότητα να διεγείρει τη μεταγραφή μιας ολόκληρης ομάδας γονιδίων-στόχων. Η συ γκεκριμένη σηματοδοτική οδός ελέγχει πολ λές κυπαρικές διεργασίες, από τη σύνθεση ορμονών στα ενδοκρινή κύπαρα έως την πα ραγωγή πρωτε'ίνών απαραίτητων για τη μνήμη μακράς διάρκειας στον εγκέφαλο, Η ενεργο
ποιημένη Α-κινάση επίσης φωσφορυλιώνει και
ανενεργός
ΚΥΠΑΡΟΔΙλ/γΜΑ
'/1 f \\"
κινάση Α
~=======~~3&~
:=:
~υρηνΙKoς πόρος
~ πγΡΗΝΑΣ
ενεργός κινάση Α
έτσι ρυθμίζει άλλες πρωτείνες και ένζυμα στο κυπαροδιάλυμα (δεν εικονίζεται).
ο
Ω ~ ΟΝΑ
ενεργοποιημένη, φωσφορυλιωμένη ρυθμιστική πρωτείνη
_/ΓΡ)
LSενεργοποιημένο γονίδιο-στόχος
============::= ~ ΜΕΤΑΓΡΑΦΗ _
RNA
φωσφολιπάσης
C συχνά αναφέρετοι ως οδός [ων φωσφοΛιπιδιων [nς ινοσι [όΛnς (inositol phospholipid pathway). Αυτή η σηματοδΟTlκή ακολουθία συμβαίνει σε όλα σχεδόν το ευκαρυωTlκά κύπαρα και επηρεάΖει πληθώρα διαφορεTlκών πρωτεϊνών-στόχων. Η φωσφολιπάση
C σχηματίζει δύο διαφορεTlκά αΥΥελιοφόρα μόρια.
Συ
γκεκριμένα, αποκόπτει Την υδρόφιλη φωσφοσακχαΡITlκή κεφαλή του φω
σφολιπιδίου και παράγει το φωσφορικό σάκχαρο 1,4,5-τριφωσφορική ινο
σπόλη (ι Ρ3)' ενώ παράλληλα αφήνει Τη λιπιδική ουρά, Τη διακυλΟΥλυκερ6λη
(diacylglycerol, DAG), ενσωματωμένη στην κυπαρική μεμβράνη. Τόσο η ΙΡ3 όσο και η DAG παίΖουν καίριο ρόλο στην ενδοκυπάρια σηματοδόΤηση.
Πίνακας 16-4. Μερικές απαντήσεις που διαμεσολαβούντα ι από την ενεργοποίη ση της φωσφολιπάσης C. Σηματοδοτικό μόριο
Ιστός-στόχος
Κύρια απάντηση
Βαζοπρεσσίνη (μια
ήπαρ
αποδόμηση γλυκογόνου
Ακετυλοχολίνη
πάγκρεας
έκκριση αμυλάσης (ένα
Ακετυλοχολίνη
λείοι μύες
συστολή
Θρομβίνη (ένα
αιμοπετάλια
συσσώρευση
πρωτε'ίνική ορμόνη) πεmικό ένζυμο)
πρωτεολυτικό ένζυμο)
686
Κεφάλαιο 16: Κυτταρική Επικοινωνία
Εικόνα
σηματοδοτικό μόριο φωσφολιπίδιο ινοσιτόλης
υποδοχέας που συνδέεται με Gπρωτε'tνη
ενεργοποιημένη φωσφολιπάση C
16-25. Οι
σηματοδοτικές οδοί που ε
νεργοποιούνται από τη φωσφολιπάση
C. Ό
ταν ένα μεμβρανικό φωσφολιπίδιο ινοσιτόλης υδρολύεται από την ενεργοποιημένη φωσφο
διακυλογλυκερόλη
λιπάση
C,
παράγονται δύο ενδοκυπάρια αγ
γελιοφόρα μόρια. Η 1,4,S-τριφωσφορική ινο σιτόλη (IΡ3) διαχέεται στο κυπαροδιάλυμα και προσδένεται σε διαύλους Ca2+ της μεμβράνης του ενδοπλασματικού δικτύου, προκαλώντας
το άνοιγμά τους, Η μεγάλη ηλεκτροχημική
βαθμίδωση του
ενεργοποιημένη α
υπομονάδα πρωτεινης
G
Ca2 + προκαλεί εκροή Ca2 + από
το ενδοπλασματικό δίκτυο στο κυπαροδιάλυ ανoιχrός δίαυλος Ca2 +
ενδοπλασματικό
μα, Η διακυλογλυκερόλη παραμένει στην κυτ ταρική μεμβράνη και, από κοινού με ιόντα
Ca2 +, συμβάλλει στην ενεργοποίηση του ενζύ μου πρωτε'ίνική κινάση C, το οποίο μετατοπίζε ται από το κυπαροδιάλυμα προς την εσωτερι
δίκτυο
κή πλευρά της κυπαρικής μεμβράνης, Στη συ νέχεια, η πρωτε'ίνική κινάση C φωσφορυλιώνει
μια άλλη σειρά ενδοκυττάριων πρωτε'ίνών στόχων και έτσι διαδίδει το σήμα.
Η ΙΡ3 εγκαιολείπει την κυπαρική μεμβράνη και διαΧέειοι σιο κυπα
ροδιάλυμα. Όιον φτάσει στο ενδοπλασματικό δίκτυο, προσδένειοι σε δι
αύλους Ca + της μεμβράνης του ενδοπλασματικού δικτύου και προκαλεί 2 το άνοιγμά τους. Τα ιόντα Ca + που είναι αποθηκευμένα στο ενδοπλα 2
σματικό δίκτυο εκρέουν γρήγορα προς το κυπαροδιάλυμα μέσω των α νοικτών διαύλων (Εικόνα
16-25).
Έτσι, η συγκέντρωση των ελεύθερων
ιόντων Ca + στο κυπαροδιάλυμα, η οποία φυσιολογικά είναι πολύ μικρή, 2
αυξάνει απότομα. Η διακυλογλυκερόλη παραμένει στην κυπαρική μεμβράνη, όπου συμ βάλλει στην ενεργοποίηση μιας πρωτεϊνικής κινάσης. Η κινάση αυτή αποκα
λείται πρωτεϊνική Κ1νάση C (C-kinase) επειδή για να ενεργοποιηθεί πρέπει ε
πίσης να προσδέσει Ca2+ (Εικόνα 16-25). Μόλις ενεργοποιηθεί, η πρωτεϊνι κή κινάση
C φωσφορυλιώνει μια ομάδα ενδοκυπάριων πρωτεϊνών που ποι
κίλλει ανάλογα με ΙΟ είδος ιου κυπάρου. Οι αΡΧές λειιουργίας του όλου συ στήμαιος είναι οι ίδιες που ισχύουν για την Α-κινάση, παρότι ΟΙ περισσότε ρες από τις πρωτεΊ'νες-στόχους διαφέρουν.
Τα σήματα των ιόvτων Ca
2
+
πυροδοτούν πολλές βιολογικές
διεργασίες
Το Ca + έχει σημαVΤΙKό και ευρύ ρόλο ως ενδοκυπάριος αΥΥελιοφόρος. Μια αύξηση της συγKέvτρωσης του ελεύθερου Ca2+ στο κυπαροδιάλυμα εί 2
ναι η απάντηση σε πολλά διαφορετικά σήμαιο και όχι μόνο σε αυτά που
δρουν μέσω υποδοΧέων που διασυνδέονται με G-πρωτεΊ'νες. Για παράδειγ
μα, στο ωάριο η αιφνίδια αύξηση της ενδοκυπάριας συγκέντρωσης ιου Ca2 + κατά τη γονιμοποίηση από ΙΟ σπερμαΙΟΖωάριο πυροδοτεί την εμβρυϊκή ανά
πτυξη (Εικόνα 16-26). Στα γραμμωτά μυϊκά κύπαρα ΙΟ Ca2+ πυροδοτεί τη συστολή, ενώ σε πολλά εκκριτικά κύπαρα, ανάμεσά ιους και ΙΟ νευρικά, την
Υποδοχείς που Συνδέονται με G-Πρωτε'ί'νες
687
Εικόνα
16-26. Η γονιμοποίηση
ενός ωοκυπά
ρου από ένα σπερματοζωάριο πυροδοτεί την
αύξηση της συγκέντρωσης του Ca 2 + στο κυτ ταροδιάλυμα. Στο ωοκύπαρο του αστερία έγι
νε ένεση μιας φθορίζουσας χρωστικής ευαί
σθητης στο Ca2 + και στη συνέχεια το ωοκύπα ρο γονιμοποιήθηκε. Ένα «κύμα» Ca 2 + (κόκκι νο), που εκλύεται από το ενδοπλασματικό δί κτυο, απλώνεται σε όλη την έκταση του κυπα ροδιαλύματος από τη θέση εισόδου του σπερ ματοζωαρίου (βέλος). Αυτό το «κύμα,) Ca2 + επι
χρόνος Ο
sec
10 sec
20 sec
40 sec
φέρει μια αλλαγή στη μεμβράνη του ωOKUΠά ρου, παρεμποδίζοντας την είσοδο άλλων
σπερματοζωαρίων, και επίσης πυροδοτεί την εμβρυϊκή ανάmυξη. (Με την άδεια του Stephen Α.
Stricker).
έκκριση. Το Ca2 + διεκπεραιώνει όλες αυτές τις δράσεις με πρόσδεση σε πρωτείνες ευαίσθητες στο Ca2+ επηρεάΖοντας τη δράση τους. Φυσιολογικά, η συγκέντρωση του ελεόθερου Ca + στο κυπαροδιάλυμα (10-7 Μ) είναι ποΜ μικρότερη από τη συγκέντρωσή του στο εξωκυπάριο υ 2
γρό και στο ενδοπλασματικό δίκτυο. Οι διαφορές αυτές διατηροόνται από
μεμβρανικές αντλίες οι οποίες απομακρύνουν ενεργά το Ca2+ από το κυπα ροδιάλυμα, είτε προς τον εξωκυπάρlO Χώρο είτε προς το ενδοπλασματικό δί κτυο. Έτσι, διαμέσου της μεμβράνης του ενδοπλασματικοό δικτόου αλλά και της κυπαρικής μεμβράνης υπάρχει μια απότομη ηλεκτροχημική βαθμίδωση
Ca2+ (βλ. Κεφάλαιο 12). Όταν ένα σήμα ανοίξει πρόσκαιρα διαόλους Ca2+ 2 σε οποιαδήποτε από τις Μο αυτές μεμβράνες, το Ca + εισρέει στο κυπαρο
•,
Ερώτηση
διάλυμα, ακολουθώντας την ηλεκτροχημική βαθμίδωσή του, όπου πυροδο
16-7
Κατά τη γνώμη σας, για ΠΟIO
λόγο τα κόπαρα ανέπτυξαν ενδοκυπάρlOυς Χώρους απο
, Ca 2+ θ ηκευσης
,
ενω συ-
νήθως η εξωκυπάρια συ-
,
γκεντρωση του
Ca2+
δ εν
'
ει-
ναι οριακή;
τεί μεταβολές σε πρωτείνες ευαίσθητες στο Ca2+.
Στο κυπαροδιάλυμα οι επιδράσεις του Ca + είναι κυρίως έμμεσες και 2
διεκπεραιώνονται από ποικίλες πρωτείνες μεταβίβασης, οι οποίες συλλο
γικά αναφέρονται ως πρωrε[vες που προσδέvουv Ca + (Ca + binding pro2
teins).
2
Η πlo γνωστή και διαδεδομένη πρωτείνη αυτής της κατηγορίας εί
ναι η καλμοδουλίνη
(calmodulin).
Η καλμοδουλίνη βρίσκεται στο κυπα
ροδιάλυμα όλων των ευκαρυωτικών κυπάρων (στα Ζώα, στα φυτά, στους μόκητες και στα πρωτόΖωα). Όταν η καλμοδουλίνη συνδεθεί με ιόντα
Ca2 +, η διαμόρφωσήτης μεταβάλλεται, οπότε αποκτά την ικανότητα να προσδένεται σε ποικίλες πρωτείνες-στόχουςτου κυπάρου και να τροπο ποιεί τη δράση τους (Εικόνα
16-27). Μια ιδιαίτερα σημαντική κατηγορία 2 στόχων είναι οι CaM-Κ1vάσες (Ca +/ calmodulin-dependent protein kinases, CaM-kinases). Οι κινάσες αυτές ενεργοποlOόνται από την πρόσδεση του συμπλόκου της καλμοδουλίνης με Ca2+. Σε ενεργό κατάσταση, επη ρεάΖουν άλλες κυπαρικές διεργασίες με το μηχανισμό της φωσφορυλίω σης επιλεγμένων πρωτεϊνών. Για παράδειγμα, στον εγκέφαλο των θηλα
στικών, ένας ειδικός τόπος CaΜ-κινάσης αφθονεί στις συνάψεις, όπου θεωρείται ότι παίΖει ρόλο στη μνήμη και στη μάθηση. Φαίνεται ότι κάποιες μνημονικές εγγραφές εξαρτώνται από τους παλμούς απελευθέρωσης του
ενδοκυπάρlOυ Ca
2
+
που μεσολαβοόνται από την CaΜ-κινάση και συμβαί
νουν κατά τη συναπτική σηματοδότηση. Μεταλλαγμένα ποντίκια που έ χουν έλλειψη της CaΜ-κινάσης εμφανίΖουν έκδηλη αδυναμία στο να θυ
μοόνται τη θέση των αντικειμένων.
688
Κεφάλαιο 16: Κυτταρική Επικοινωνία
Εικόνα 16-27. Η δομή του συμπλόκου Ca +_ 2
καλμοδουλίνης με βάση αποτελέσματα μελε τών περίθλασης ακτίνων Χ και πυρηνικού μα γνητικού συντονισμού. (Α) Το μόριο της καλ μοδουλίνης έχει σχήμα κλεψύδρας. Αποτελεί
Ι
ται από δύο σφαιρικά άκρα που συνδέονται α πό μια μακριά, εύκαμmη α-έλικα. Κάθε άκρο
διαθέτει δύο περιοχές πρόσδεσης του Ca 2+. (Β) Απλουστευμένη απόδοση της δομής του
2nm
συμπλόκου. Παρατηρούνται οι αλλαγές που
γίνονται στο σύμπλοκο Ca + -καλμοδουλίνης 2
1
μόλις αυτό προσδεθεί σε μια πρωτεΊνη-στόχο.
πεmιδικό τμήμα της
Προσέξτε ότι η α-έλικα έχει καμφθεί έτσι ώστε
πρωτεΊνης-οτόχοu (π.χ. CaΜ-κινάση)
να περικυκλώσει την πρωτείνη-στόχο. (Α. Με βάση κρυσταλλογραφικά δεδομένα των Y.S.
(Β)
Babu και συν., Nature 315:37-40, 1985 © 1985 Macmillan Magazines Ltd. Β, με βάση κρυσταλ λογραφικά δεδομένα των W.E. Meador, A.R. Means και F.A. Quiocho, Science 257:12511255,1992 και δεδομένα NMR των Μ.1. Kura και συν., Science 256:632-638, 1992. © 1992, AAAS).
(Α)
Οι ενδοκυπάριες σηματοδσπκές ακολουθίες μπορεί να επιιύχουν αξιοσημείωτη ταχύτητα, ευαισθησία και
προσαρμοσIlκότητα: ΟΙ φωτοϋποδοχείς του οφθαλμού Για να περιγράψει κανείς τα βήματα των σηματοδοτικών ακολουθιών που σχετίΖΟνται με υποδοχείς διασυνδεόμενους με G-πρωτε"ί"νες πρέπει ν' αφιε ρώσει πολύ χρόνο, μολονότι αυτά καθαυτά τα βήματα συχνά εκτελούνται μέ σα σε λίγα δευτερόλεπτα. Σκεφτείτε πόσο γρήγορα ένα ξάφνιασμα μπορεί να κάνει την καρδιά σας να χτυπά ταχύτερα (η αδρεναλίνη διεγείρει υποδο
χείς διασυνδεόμενους με G-πρωτε"ί"νες στα μυοκαρδιακά κύπαρα επιταχύνο ντας την καρδιακή συχνότητα) ή πόσο γρήγορα τρέχουν τα σάλια σας μόλις
μυρίσετε το φαγητό (μέσω οσφρητικών υποδοχέων που διασυνδέονται με G-πρωτε'ί'νες στη μύτη και υποδοχέων της ακετυλοχολίνης που διασυνδέο νται με G-πρωτε"ίνες στους σιελογόνους αδένες). Στις ταχύτερες αποκρίσεις
που διαμεσολαβούνται από υποδοχείς διασυνδεόμενους με G-πρωτε"ϊvες α νήκει η απάντηση του οφθαλμού στο έντονο φως: οι ταχύτερα ανταποκρινό
μενοι φωτοϋποδοχείς του αμφιβληστροειδούς (τα κωνιοφόρα κύπαρα) εκ δηλώνουν την ηλεκτρική απάντησή τους σε μια φωτεινή αναλαμπή μέσα σε
20 μόλις χιλιοστά του δευτερολέπτου. Η ταχύτητα αυτή επιτυγχάνεται παρά το γεγονός ότι το σήμα πρέπει να με
ταδοθεί περνώντας από πολ/ά στάδια μιας ενδοκυπάριας ακολουθίας. Οι φωτοϋποδοχείς προσφέρουν ένα καλό παράδειγμα για τα πλεονεκτήματα των σηματοδοτικών ακολουθιών και ιδίως για την εντυπωσιακή ενίσχυση που επιτυγχάνουν, όπως επίσης και για την προσαρμοστικότητά τους ως ανι
χνευτές σημάτων με μεγάλες διακυμάνσεις έντασης. Οι ποσοτικές παράμε τροι έχουν μελετηθεί αναλυτικά στα ραβδιοφόρα κύπαρα του οφθαλμού (Ει κόνα
16-28).
Εδώ, το φως προσπίπτει στη ροδοψίνη, έναν υποδοχέα δια
συνδεόμενο με μια G-πρωτε"ίνη. Η φωτο-ενεργοποιημένη ροδοψίνΩ ενερ γοποιεί μια G-πρωτε"ί"νη γνωστή ως rρaνσδoυσίνΩ
(transducin).
Στη συνέ
χεια, η ενεργοποιημένη α υπομονάδα της τρανσδουσίνης ενεργοποιεί μια
Υποδοχείς που Συνδέονται με G-Πρωτε'ί\ιες
689
Εικόνα 16-28. Ένα ραβδιοφόρο φωτο-υποδεκτικό κύπαρο του αμφιβληστροειδούς.
ΦΩΣ
~ εξωτερικό
τμήμα
Το φως απορροφάται από μόρια ροδοψίνης ενσωματωμένα σε πολλά μεμβρανικά κυ στίδια (δίσκους) που βρίσκονται στο εξωτερικό τμήμα του κυπάρου. Από το αντίθετο
δίσκοι φωτοϋπο δεκτικής μεμβράνης που περιέχουν ροδοψίνη
άκρο του κυπάρου εκλύεται νευροδιαβιβαστής που ελέγχει την εκφόρτιση των νευρι κών κυπάρων του αμφιβληστροειδούς τα οποία αναμεταδίδουν το σήμα στον εγκέφα λο. Όταν το ραβδιοφόρο κύπαρο διεγερθεί από φως, ένα σήμα μεταβιβάζεται από τα μόρια της ροδοψίνης των δίσκων, διαμέσου του κυπαροδιαλύματος (του εξωτερικού τμήματος), σε διαύλους ιόντων της κυπαρικής μεμβράνης του εξωτερικού τμήματος. Μόλις δεχθούν το σήμα, οι δίαυλοι κλείνουν και έτσι προκαλείται μια μεταβολή στο δυ ναμικό της μεμβράνης του ραβδιοφόρου κυπάρου. Η μεταβολή του δυναμικού τροπο
ποιεί την ταχύτητα έκλυσης του νευροδιαβιβαστή, με μηχανισμούς ανάλογους εκείνων που ρυθμίζουν την έκλυση νευροδιαβιβαστών από τις συναmικές απολήξεις των συνη θισμένων νευρικών κυπάρων. (Προσαρμοσμένο από: Τ.Ι.
Leutz, Cell Fine. Structure.
Philadelphia: Saunders, 1971).
ενδοκυπάρια σηματοδοτική ακολουθία που προκαλεί το κλείσιμο των ιοντι
εσωτερικό τμήμα
κών διαύλων της μεμβράνης των φωτοϋποδεκτικών κυπάρων. Αυτό επιφέ ρει μια αλ/αΥή δυναμικού διαμέσου της κυπαρικής μεμβράνης, με τελικό α ποτέλεσμα την αποστολή μιας νευρικής ώσης στον εΥκέφαλο.
Καθώς μεταδίδεται κατά μήκος αυτής της οδού, το σήμα ενισχύεται επα ναληπτικά (Εικόνα
16-29).
Σε χαμηλό φωτισμό (όπως σε μια νύΧτα χωρίς
φεΥΥάρι) η ενίσχυση είναι τεράστια: έστω και αν ολόκληρος ο αμφιβληστρο
ειδής απορροφήσει μόνο λίΥα (καμιά δεκαριά) φωτόνια, στον εΥ κέφαλο μπορεί ν' αποσταλεί ένα ανιχνεύσιμο σήμα. Στο έντονο ηλιακό φως, όταν τα :~~-- πυρήνας
φωτόνια απορροφούνται από τα φωτοϋποδεκτικά κύπαρα με ρυθμό δισεκα τομμυρίων ανά δευτερόλεπτο, η σηματοδοτική ακολουθία προσαρμόΖεται: περιορίζει την ενίσχυση περισσότερο από
l---...J 2μm
10,000 φορές έτσι ώστε τα φωτοϋ
ποδεκτικά κύπαρα να μην καταπονούνται και να εξακολουθούν ν' αντιλαμ βάνονται τις αυξομειώσεις της έντασης του έντονου φωτισμού. Η προσαρμο Υή βασίΖεται σε αρνητική ανατροφοδότηση: μια έντονη απάντηση του φωτο ϋποδεκτικού κυπάρου δημιουΡΥεί ένα ενδοκυπάριο σήμα (μια αύξηση της
συΥκέντρωσης του Ca +) το οποίο αναστέλ/ει τα ένΖυμα που ευθύνονται Υια 2
την ενίσχυση του σήματος.
Προσαρμογή συμβαίνει επίσης σε σηματοδοτικές οδούς που απαντούν έκλυση νευροδιαβιβαστή
σε χημικά σήματα, επιτρέποντας σ' ένα κύπαρο να παραμένει ευαίσθητο σε
μεΥάλου εύρους μεταβολές της έντασης του σήματος πάνω από το βασικό ε πίπεδο της διέΥερσης. Με άλ/α λόΥια, η προσαρμΟΥή προσδίδει στο κύπαρο την ικανότητα ν' απαντά τόσο σε «ψιθύρους» όσο και σε «κραυΥές». Όχι μόνο η όραση, αλ/ά επιπλέον και η Υεύση και η όσφρηση εξαρτώ
νται από υποδοχείς που διασυνδέονται με G-πρωτε'ϊvες. Φαίνεται ότι αυτός ο μηχανισμός ανίχνευσης σημάτων, ο οποίος επινοήθηκε σε κάποιο πρώιμο
στάδιο της εξέλιξης των ευκαρυωτών, έχει τις ρίΖες του στη βασική και οικου μενική ανάΥκη των κυπάρων ν' αντιλαμβάνονται το περιβάλ/ον τους και ν'
απαντούν κατάλ/ηλα. Θα στραφούμε τώρα σε μια άλ/η κατηΥορία υποδοΧέ ων της κυπαρικής επιφάνειας που παίΖουν καίριο ρόλο στον έλεΥΧΟ του α ριθμού των κυπάρων, στην κυπαρική διαφοροποίηση και στην κυπαρική κί νηση σε πολυκύπαρους ΟΡΥανισμούς.
690
Κεφάλαιο 16: Κυτταρική Επικοινωνία
Εικόνα
16·29. Η
ενίσχυση της σηματοδοτικής ακολουθίας που επάγεται από το φως
στα ραβδιοφόρα κύπαρα. Στην εικόνα αυτή παρουσιάζεται η ενίσχυση που μπορεί να επιτευχθεί όταν οι φωτοϋποδοχείς προσαρμόζονται στο ασθενές φως. Η ενδοκυπάρια σηματοδοτική οδός από την τρανσδουσίνη (μια G-πρωτε'ί\ιη) χρησιμοποιεί διαφορετικά
ένα μόριο ροδοψίνης απορροφά ένα φωτόνιο
συστατικά από τις οδούς που έχουν ήδη περιγραφεί. Απουσία φωτεινού σήματος, στα ραβδιοφόρα κύπαρα παράγονται συνεχώς αγγελιοφόρα μόρια κυκλικού μοιάζει πολύ με το κυκλικό ΑΜΡ). Το κυκλικό
GMP προσδένεται
GMP
στους διαύλους
(που
ι
Na+
της κυπαρικής μεμβράνης και τους διατηρεί ανοιχτούς. Η ενεργοποίηση της ροδοψί
ενεργοποίηση 500 μορίων G πρωτε'ίVΗς (τρανσδουσίνη)
νης από το φως οδηγεί σε σχηματισμό ενεργοποιημένων α υπομονάδων τρανσδουσί νης, οι οποίες στη συνέχεια ενεργοποιούν το ένζυμο φωσφοδιεστεράση των κυκλικών νουκλεοτιδίων που αποδομεί το κυκλικό
GMP σε GMP. Η απότομη ελάπωση της ενδο κυπάριας συγκέντρωσης του κυκλικού GM Ρ προκαλεί τη διάσταση των μορίων του κυ κλικού GMP από τους διαύλους, οι οποίοι τότε κλείνουν. Τα κόκκινα βέλη επισημαίνουν τα βήματα στα οποία συμβαίνει ενίσχυση.
ενεργοποίηση 500 μορίων του ενζύμου φωσφοδιεστεράση
ι
υδρόλυση 105 μορίων κυκλικού GMP
Υποδοχείs που διασυνδέονιαι με ένΖυμα
κλείσιμο 250 διαύλων Na+
Όπως οι υποδοχείς που διασυνδέονται με G-πρωτεΊνες, έτσι και οι υ ποδοχείς που διασυνδέονται με ένΖυμα είναι διαμεμβρανικές πρωτεΊνες
αναστολή της εισόδου στο
κύτταρο 106-107 ιόντων Na+
που προσδένουν συνδέτες με το εξωκυττάριο τμήμα τους. Η κυτταροπλα σματική περιοχή του υποδοΧέα λειτουργεί ως ένΖυμο ή σχηματίΖει σύ
μπλοκο με μια άλλη πρωτεΤνη με ενΖυμική δράση. Οι υποδοχείς αυτοί
(Εικόνα
16-140
ανακαλύφθηκαναπό το ρόλο τους σε απαντήσεις προς
εξωκυττάριες σηματοδοτικές πρωτεΊνες οι οποίες ρυθμίΖουν την αύξηση,
~
τον πολλαπλασιασμό,τη διαφοροποίησηκαι την επιβίωση των κυττάρων
ΑΝΑΜΕΤΑΔΟΣΗ ΤΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ
ΣΤΟΝ ΕΓΚΕΦΜΟ
στους Ζωικούς ιστούς. Μερικά σχετικά παραδείγματα αναφέρονται στον
Πίνακα
16-1.
Οι περισσότερες από αυτές τις σηματοδοτικές πρωτεΤνες
δρουν ως τοπικοί διαμεσολαβητές και η απαιτούμενη συγκέντρωσή τους
είναι πολύ μικρή (10-9_10-11 Μ). Οι απαντήσεις που προκαλούν είναι σχε τικά βραδείες (της τάξεως των ωρών) και απαιτούν πολλά ενδοκυττάρια
Ερώmση
βήματα μεταβίβασης τα οποία τελικά οδηγούν σε μεταβολές της έκφρα
Ένα σημαντικό γνώρισμα
σης των γονιδίων.
κάθε σηματοδοτικής ακο
16-8
Οι υποδοχείς που διασυνδέονται με ένΖυμα l.πορεί επίσης να επιφέρουν
λουθίας είναι η ικανότητά
άμεσες και ταχείες επιδράσεις στον κυτταροσκελετό, ελέγχοντας τις μετακι
της ν' απενεργοποιείται Ε
νήσεις και τις αλλαγές του σχήματος ενός κυττάρου. Τα εξωκυττάρια σήματα
ξετάστε την ακολουθία που
των απαντήσεων αυτού του είδους συχνά δεν είναι αυξητικοί παράγοντες
παρουσιάΖεται στην Εικόνα
•,
που διαχέονται, αλλά πρωτεΤνες προσκολ/ημένες σε επιφάνειες πάνω στις
16-29.
οποίες έρπει το κύτταρο. Οι διαταραχές του πολ/απλασιασμού, της διαφο
πάρχουν διακόπτες; Κατά τη γνώμη σας,
ροποίησης, της επιβίωσης και της μετανάστευσης των κυττάρων εμπλέκονται
ποιοι από αυτούς θα ήταν οι πιο σημα-
στη δημιουργία του καρκίνου. Σημαντικό ρόλο στην παθογένεση του καρκί
ντικοί;
Σε ποιες θέσεις θα έπρεπε να υ
νου παίΖει η ανώμαλη σηματοδότηση μέσω υποδοΧέων που διασυνδέονται με ένΖυμα. Τα περισσότερα μέλη αυτής της κατηγορίας είναι υποδοχείς, των οποίων η κυτταροπλασματική περιοχή λειτουργεί ως κινάση της τυροσίνης
protein kinase) και φωσφορυλιώνει
(tyrosine
πλευρικές αλυσίδεςτυροσίνης επιλεγμέ
νων ενδοκυττάριων πρωτεϊνών. Για το λόγο αυτό αποκαλούνται υποδοχείς με ενεργόmτα Κlνάσηςτηςτυρoσfνης
(receptor tyrosine kinases). Υποδοχείς που Διασυνδέονται με Ένζυμα
691
Εvεργοποιημέvοl υποδοχείς με εvεργότητα κιvάσης της
τυροσίvης συvαρμολογούv έvα σύμπλοκο εvδοκυπάριωv σημαlΟδΟllκώv πρωτεϊvώv Ένας υποδοχέας διασυνδεόμενος με κάποιο ένΖυμο, για να λειτουργήσει ως μεωβιβασrής σήμαίΟς πρέπει να ενεργοποιεί την ενΖυμική δράση της εν
δοκυπάριας περιοχής ίΟυ όταν σrην εξωκυπάρια περιοχή προσδεθεί ένα εξω τερικό σημαίΟδοτικό μόριο. ΑνΙίθετα από ίΟυς διασυνδεόμενους με G-πρω τε'ϊνες υποδοχείς, οι υποδοχείς που συνδέΟνΙαι με ένΖυμα συνήθως διαθέτουν μόνο ένα διαμεμβρανικό τμήμα, ίΟ οποίο θεωρείται ότι διαπερνά τη λιπιδική διπλoσrιβάδα ως μονή α-έλικα. Επειδή, όπως φαίνεται, δεν υπάρχει τρόπος να προκληθεί αλ/αγή διαμόρφωσης σε μια μονή α-έλικα, έτσι οι υποδοχείς που διασυνδέονΙαι με ένΖυμα μεταβιβάζουν τα εξωκυπάρια σήματα με διαφορετι κό μηχανισμό. Η πρόσδεση ίΟυ σημαίΟδοτικού μορίου αναγκάΖει δύο μόρια ίΟυ υποδοχέα να πλησιάσουν σrη μεμβράνη σχηματίΖΟνΙας ένα διμερές. Η ε
παφή ανάμεσα σrις γειτονικές ενδοκυπάριες ουρές δύο υποδοχέων ενεργο ποιεί την ενΖυμική δράση της κινάσης που διαθέίΟυν, με συνέπεια η μια να
φωσφορυλιώνει την άλ/η. Φωσφορυλίωση συμβαίνει σε ειδικά κατάλοιπα τυ ροσίνης σrην κυπαροπλασματική περιοχή ίΟυ υποδοχέα (<<ουρά»). Στη συνέχεια, αυτή η φωσφορυλίωση πυροδοτεί τη συναρμολόγηση ε
νός περίτεχνου ενδοκυπάρlOυ σημαίΟδοτικού συμπλόκου πάνω σrις «ου ρές» των υποδοχέων. Οι νεοφωσφορυλιωμένες τυροσίνες λεΙίΟυργούν ως θέσεις πρόσδεσης για πληθώρα ενδοκυπάριων σημαίΟδοτικών πρωτεϊνών (ίσως
10 ή 20 διαφορετικά
μόρια) οι οποίες με τη σειρά ίΟυς ενεργοποlOύ
νΙαι κατά την πρόσδεση (Εικόνα
16-30). Όσο
διατηρείται το σημαίΟδοτικό
σηματοδοτικό μόριο στη μορφή ενός διμερούς
ΕΞΩΚΥΠΑΡΙΟΣ ΧΩΡΟΣ
\
Ρ
κυτταρική μεμβράνη
Ρ
ΑΝΕΝΕΡΓΟΣ
υποδοχέας με δραστικότητα ΚWάσηςτης τυροσίνης
Εικόνα
16-30.
φωσφορυλιωμένη κινάση διέγερση της
δραστικότητας κινάσης
ΕΝΕΡΓΟΣ
υποδοχέας με δραστικότητα κινάσης της τυροσίνης
Η ενεργοποίηση ενός υποδοχέα με δράση κινάσης της τυροσίνης οδηγεί στο σχηματισμό ενός ενδοκυπάριου σηματο
δοτικού συμπλόκου. Η πρόσδεση ενός σηματοδοτικού μορίου στην εξωκυπάρια περιοχή ενός υποδοχέα με δράση κινάσης της τυροσίνης προκαλεί τον διμερισμό μορίων του υποδοχέα. Στην εικόνα το σηματοδοτικό μόριο είναι και το ίδιο διμερές και, επομένως, μπορεί να διασυν δέσει δύο μόρια υποδοχέα. Σε άλλες περιmώσεις, η πρόσδεση του σηματοδοτικού μορίου μεταβάλλει την διαμόρφωση των μορίων του υ
ποδοχέα κατά τέτοιο τρόπο ώστε να ευνοείται ο διμερισμός τους. Ο σχηματισμός των διμερών οδηγεί σε επαφή των περιοχών με δραστικό τητα κινάσης που βρίσκονται στις ενδοκυπάριες ουρές των μορίων του υποδοχέα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ενεργοποίηση των κινασών που φωσφορυλιώνουν η μια την άλλη σε αρκετές πλευρικές αλυσίδες τυροσίνης. Κάθε φωσφορυλιωμένη τυροσίνη λειτουργεί ως ειδική θέ ση πρόσδεσης για μια διαφορετική ενδοκυπάρια σηματοδοτική πρωτεΊνη, η οποία μεταβιβάζει το σήμα στο εσωτερικό του KUΠάΡOυ.
692
Κεφάλαιο 16: Κυτταρική Επικοινωνία
αυτό σύμπλοκο, αναμεταδίδει το σήμα κατά μήκος πολλών οδών, ταυτόχρο να προς διάφορους προορισμούς μέσα στο κύπαρο. Με τον τρόπο αυτό ε νεργοποιεί και συντονίΖει τις πολυάριθμες βιοχημικές μεταβοΛές που απαι τούνται για να εκδηλωθεί μια σύνθετη απάντηση όπως ο κυπαρικός πολλα πλασιασμός. Για τον τερματισμό της ενεργοποίησης του υποδοχέα, το κύπα
ρο διαθέτει πρωτεϊvικές φωσφατάσες τπς τυροσfvnς
phatases),
(protein-tyrosine phos-
οι οποίες αφαιρούν τις φωσφορικές ομάδες που είχαν προστεθεί
σε απάντηση προς το εξωκυπάριο σήμα. Σε πολλές περιπτώσεις, οι ενεργο ποιημένοι υποδοχείς αντιμετωπίΖΟνται με πιο βίαιο τρόπο: συγκεκριμένα, ο δηγούνται στο εσωτερικό του κυπάρου με ενδοκυπάρωση και κατόπιν κατα στρέφονται με πέψη στα λυσοσωμάτια. Οι διάφοροι υποδοχείς με δράση κινάσης της τυροσίνης κινητοποιούν
διαφορετικές ομάδες ενδοκυπάριων σηματοδοτικών πρωτεϊνών και έτσι
προκαλούν διάφορες επιδράσεις. Ωστόσο, ορισμένα συστατικά φαίνεται ότι χρησιμοποιούνται ευρύτατα. Σε αυτά, Λόγου Χάριν, περιλαμβάνεται μια φω σφολιπάση η οποία λειτουργεί κατά τον ίδιο τρόπο με τη φωσφολιπάση
C
προκειμένου να ενεργοποιήσει τη σηματοδοτική οδό των φωσφολιπιδίων της ινοσιτόλης (βλ. Εικόνα
16-25). Οι υποδοχείς
αυτής της κατηγορίας ενερ
γοποιούν επίσης το σημαντικό σηματοδοτικό ένΖυμο 3-κιvάσn τπς φωσφατι
δυlΊο-ιvοσιτόlΊnς (PI3-kinase}, το οποίο φωσφορυλιώνει φωσφολιπίδια ινο σιτόλης στην κυπαρική μεμβράνη. Τα φωσφορυλιωμένα φωσφολιπίδια γί νονται θέσεις προσάραξης για άλλα ενδοκυπάρια σηματοδοτικά μόρια. Ένα από αυτά, η πρωτεϊvική κιvάσn Β
(protein kinase
Β, ΡΚΒ), φωσφορυλιώνει
πρωτεΊνες-στόχους σε κατάλοιπα σερίνης ή θρεονίνης και μεταδίδει στο κύτ ταρο σήματα επιβίωσης και αύξησης.
Ωστόσο, η κύρια σηματοδοτική οδός από τους υποδοχείς με δράση κινά σης της τυροσίνης έως τον πυρήνα ακολουθεί διαφορετική κατεύθυνση. Οι μεταλλάξεις που ενεργοποιούν τη συγκεκριμένη οδό και διεγείρουν άσκοπα την κυπαρική διαίρεση εμπΛέκονται στην παθογένεση πολλών ειδών καρκί νου. Θα ολοκληρώσουμε την παρουσίαση των υποδοΧέων με δράση κινά σης της τυροσίνης ακολουθώντας αυτή την οδό μέχρι τον πυρήνα.
Οι υποδοχείς με δράση κινάσης της τυροσίνης ενεργοποιούν την πρωτε'ίνη
Ras
Οι ενεργοποιημένοι υποδοχείς με δράση κινάσης της τυροσίνης επι στρατεύουν πολλά είδη ενδοκυπάριων σηματοδοτικών πρωτεϊνών. Ανάμεσά
τους περιλαμβάνονται και μερικές οι οποίες λειτουργούν ως φυσικοί προ σαρμoσrές
(adaptors).
Συγκεκριμένα, οι πρωτεΊνες αυτές δημιουργούν ένα
εκτεταμένο συσσωμάτωμα, μέσω της σύΖευξης του υποδοΧέα με διάφορες
πρωτεΊνες οι οποίες μπορεί με τη σειρά τους να προσδεθούν σε άλλες πρω τε'fνες και να τις ενεργοποιήσουν. Έτσι, επιτυγΧάνεται η προώθηση του σή ματος. Μέσω ενός συμπΛόκου αυτού του είδους, η ενεργοποίηση ενός υπο δοΧέα με δράση κινάσης της τυροσίνης οδηγεί σ' ενεργοποίηση της μικρής
ενδοκυπάριας σηματοδοτικής πρωτεΊνης
Ras,
η οποία προσδένεται με μια
λιπιδική «ουρά» στην κυπαροπλασματική πλευρά της κυπαρικής μεμβράνης
Υποδοχείς που Διασυνδέονται με Ένζυμα
693
Εικόνα τε'ί"νης
16-31. Η ενεργοποίηση της Ras από έναν ενεργοποιημένο
πρω υπο
δοχέα με δράση κινάσης της τυροσίνης. Μια πρωτεΊνη-προσαρμογέας είναι «προσαραγμέ
νη» πάνω σε μια συγκεκριμένη φωσφορυλιω μένη τυροσίνη του ενεργοποιημένου υποδο
ανενεργός πρωτεινη Ras
ΕΞΩΚΥΠΑΡΙΟΣ ΧΩΡΟΣ
ΚΥΠΑΡΟΔΙΜΥΜΑ
ενεργός πρωτεινη
Ras
Ρ
χέα (οι άλλες προσδεμένες στον υποδοχέα σηματοδοτικές πρωτε'ί\/ες που φαίνονται στην Εικόνα
16-30 έχουν παραληφθεί
για λόγους α
πλούστευσης). Ο προσαρμογέας προσδένε ται και ενεργοποιεί μια άλλη πρωτεΊνη που ε
ΑΝΑΜΕΤΑΔΟΣΗ ΤΟΥΣΗΜΑΤΟΣ
ενεργοποιημένος υποδοχέας με
δραστικότητα κινάσηςτης τυροσίνης
νεργοποιεί την πρωτεΊνη
Ras (Ras-activating protein). Αυτή με τη σειρά της διεγείρει την Ras να ανταλλάξει το συνδεμένο GDP με GTP. Στη συνέχεια, η ενεργοποιημένη πρωτε'ίνη Ras διεγείρει το επόμενο βήμα της σηματοδοτικής οδού που παρουσιάζεται στην Εικόνα
πρωτεΊνη
Ras
16-32. Η
συνδέεται ομοιοπολικά με μια
λιπιδική ομάδα (κόκκινο) που βοηθά στην α γκυροδεσία της στην κυπαρική μεμβράνη.
(Εικόνα
16-31). Με την πρωτε1\.ιη Ras
είναι συΖευΥμένοι πρακτικά όλοι οι υ
ποδοχείς αυτής της κατηΥορίας, από εκείνους που απαντούν στον αιμοπετα
λιακό αυξητικό παράΥοντα
(platelet derived growth factor, PDGF)
και μεσο
λαβούν σε διεΡΥασίες όπως ο πολ/απλασιασμός των κυπάρων σ' ένα τραύ μα που επουλώνεται, έως εκείνους που απαντούν στον αυξητικό παράΥοντα των νεύρων
(nerve growth factor, NGF)
και παρεμποδίΖουν το θάνατο ορι
σμένων νευρώνων στο αναπτυσσόμενο νευρικό σύστημα.
Η πρωτε1\.ιη
Ras
είναι μέλος μιας μεΥάλης ΟΙΚΟΥένειας μικρών, μονομε
ρών πρωτεϊνών που συνδέOVΤQ1 με το
teins).
GTP (monomeric GTP-binding pro-
ΟνομάΖΟνται μονομερείς Υια να τις ξεχωρίσουμε από τις τρψερεfς
πρωτεΤνες που προσδένουν επίσης Η πρωτε1\.ιη
Ras μοιάΖει
G-
GTP και στις οποίες ήδη αναφερθήκαμε.
με την α υπομονάδα μιας G-πρωτε'fνης και λειτουρ
Υεί σαν μοριακός διακόπτης με πολύ ανάλΟΥΟ τρόπο. ΣυΥκεκριμένα, παλιν δρομεί ανάμεσα σε δύο διαφορετικές διαμορφώσεις και είναι ενερΥός όταν
είναι συνδεδεμένη με το
GTP και, αντίθετα, ανενεΡΥός όταν είναι συνδεδε μένη με το GDP (βλ. Εικόνα 16-158). Η αλ/ηλεπίδραση με μια ενεΡΥοποιη μένη πρωτε1\.ιη ωθεί την πρωτε1\.ιη Ras ν' ανταλ/άξει το GDP με GTP και έτσι να μεταπέσει σε ενεΡΥό κατάσταση. Μετά από ένα ορισμένο χρονικό διάστη μα, η πρωτε1\.ιη
Ras απενεΡΥοποιείται
Σε ενεΡΥό κατάσταση, η πρωτε'ϊvη
υδρολύοντας το
GTP σε GDP.
Ras προάΥει την ενεΡΥοποίηση
μιας α
κολουθίας φωσφορυλιώσεων, στην οποία διάφορες κινάσες φωσφορυλιώ νουν και διαδοχικά ενεΡΥοποιούν η καθεμιά την επόμενη εν σειρά (Εικόνα
16-32). Αυτό το σύστημα
μεταβίβασης που μεταφέρει το σήμα από την κυπα·
ρική μεμβράνη στον πυρήνα ονομάΖεται ακολουθία της MAP-Κlνάσης (ΜΑΡ
kinase cascade) προς τιμή της τελικής κινάσης στην ακολουθία (MAP-kinase: mitogen-activated protein kinase = πρωτεϊνική κινάση ενεΡΥοποιούμενη α πό μΙΤΟΥόνα). Στη συΥκεκριμένη ακολουθία, η ΜΑΡ-κινάση φωσφορυλιώ νεται και ενεΡΥοποιείται από το ένΖυμο κιvάσn τnς ΜΑΡ κιvάσnς, το οποίο με τη σειρά του ενεΡΥοποιείται από την κιvάσn τnς κιvάσnς τnς ΜΑΡ κιvάσnς (ε νεΡΥοποιείται από την
Ras).
Στο τέλος της σηματοδοτικής ακολουθίας, η
ΜΑΡ κινάση φωσφορυλιώνει ορισμένες ρυθμιστικές πρωτε1\.ιες Υονιδίων σε κατάλοιπα σερίνης ή θρεονίνης και έτσι τροποποιεί την ικανότητά τους να ρυθμίΖουν τη μεταΥραφή επιλεΥμένων Υονιδίων. Το αποτέλεσμα είναι μια
694
Κεφάλαιο 16: Κυτταρική Επικοινωνία
Εικόνα
KUΠαΡΙKή μεμβράνη \
16-32. Η Ras ενεργοποιεί
την ακολου
θία φωσφορυλίωσης των ΜΑΡ κινασών. Μια πρωτεΊνη
Ras,
ενεργοποιημένη από τη διεργα
σία που παρουσιάζεται στην Εικόνα
. _ _ _ - - - - ' - - - - - - - - - - - - - . . ' \ Ι J'".....
κινάση της ΜΑΡ κινάσης
' - - - - - - - - - - - ' , ι \,' Ρ
ι---EiiJ
των οποίων άλλες πρωτε'ίνικές κινάσες και, το κυριότερο, ρυθμιστικές πρωτεΊνες γονιδίων
r--IADPI
Ρ
-----"""----'--------.:' \/'-:,. ΜΑΡ κινάση
που ελέγχουν την έκφραση των γονιδίων. Αλλαγές στην έκφραση των γονιδίων και στη δράση των πρωτε'ίνών οδηγούν σε περίπλοκες αλλαγές στη συμπεριφορά του κυπάρου (πχ στον πολλαπλασιασμό και στη διαφοροποίησή
k- EiiJ CIADP!
~""------Τ-J ----'
®1 πρωτεινη Χ Ι ®1 πρωτεΥνη Υ Ι '-----
r--=-,""J---:-ι
Ρ
του),
----'1 I'--
μεταβολές στη δραστικότητα των πρωτεϊνών
16-31, πυ
ροδοτεί μια ακολουθία φωσφορυλίωσης τριών πρωτε'ίνικών κινασών οι οποίες μεταδίδουν και διανέμουν το σήμα, Τελική κινάση της ακολου θίας είναι η ΜΑΡ-κινάση, η οποία φωσφορυλιώ νει ποικίλους ενδοκυπάριους στόχους, μεταξύ
~
μεταβολές στην έκφραση των γονιδίων
αλλαγή σιο πρόωπο έκφρασης των γονιδίων, που μπορεί να διεγείρει ων πολλαπλασιασμό των κυπάρων, να προάγει Την επιβίωσή ωυς ή να ελέγχει
Τη διαφοροποίησή ωυς: ω ακριβές αποτέλεσμα εξαρτάτοι από τ' άλλα γονί δια που είναι ενεργοποιημένα σιο κύπαρο όπως επίσης και από ΤΟ διάφορα σημαωδοηκά μόρια που επιδρούν σιο κύπαρο, Η προσέΥΥιση που ακολου θούν οι ερευνητές για Τη διαλεύκανση τέωιων περίπλοκων σημαωδοηκών
ακολουθιών περιγράφεται σιο Ένθεω «Ξεδιαλύνοντος ης σημαωδοηκές α κολουθίες ωυ κυπάρου», Αν η δράση της πρωτεινης
μάτων εναντίον Της
Ras
Ras ανασΙαλεί
μ' ενδοκυπάρια ένεση ανησω
και κοτόπιν ω κύπαρο εκτεθεί σ' ένα εξωκυπάριο
σήμα σιο οποίο κανονικά απαντά, η φυσιολογική κυπαρική απάντηση δεν θα εκδηλωθεί, Τα πειράματο αυωύ ωυ είδους δείχνουν όη η πρωτεΊνη
Ras
αποτελεί Ζωηκό συσΙαηκό Της σημαωδοηκής οδού για να εκδηλωθεί η φυ
σιολογική κυπαρική απάντηση. Αντίθετο, αν η
Ras παραμείνει
μόνΙμα ενερ
γοπOlημένη, κάη που συμβαίνει με μερικές μεταλ/αγμένες μορφές της, η ε πίδραση σιο κύπαρο είναι ίδια με Την επίδραση που θα είχε η συνεχής διέ γερση ενός υποδοχέα με δράση κινάσης Της ωροσίνης από ένα διεγερηκό
εξωκυπάριο σήμα (μΙΤΟγόvο) , Η μετολλαγμένη πρωτεΤνη
Ras διεγείρει Τη δι
αίρεση των κυπάρων ακόμα και ότον απουσιάΖουν οι αυξηηκοί παράγοντες και ο ανεξέλεγκτος κυπαρικός πολλαπλασιασμός συμβάλλει σΙη δημιουργία καρκίνου.
Περίπου γονίδια
ras.
30% των καρκίνων
Ερώmσn
16-9
Άραγε, τ' αντισώματο που
•
σΙρέφονται εναντίον των υ
ποδοχέων που διασυνδέο νται με G-πρωτε'i'νες και των υποδοχέων με δράση κινά σης Της ωροσίνης θα μπο ρούσαν να ενεργοπOlήσουν ης αντίσΙOl χες πρωτεΤνες; (ΜελετήσΙε ω ΠαράρΤη
μα
4-6 αναφορικά
με ης ιδιότητες των α
ντισωμάτων).
ωυ ανθρώπου εμφανίΖουν μετολ/άξεις σΙα
Επίσης, σε πολλές άλλες μορφές καρκίνου ανιχνεύονται μετολ
λάξεις σε γονίδια των οποίων ΤΟ προϊόντα βρίσκονται σΙην ίδια σημαωδοη κή οδό με Την πρωτεΊνη
Ras. Πολ/ά
από ΤΟ γονίδια που κωδικοποιούν αυτές
ης ενδοκυπάριες σημαωδοηκές πρωτε'ίνες τουωποιήθηκαν κατά Την αναΖή
Τηση των ογκογοvιδίωv
(oncogenes)
(βλ. Κεφάλαιο
21).
Οι κανονικές μορ
φές αυτών των γονιδίων που κωδικοποιούν ης φυσιολογικές σημαωδοηκές
Υποδοχείς που Διασυνδέονται με Ένζυμα
695
Ισιορική Αναδρομή: Ξεδιαλύνοvιαs I1S σημαιοδΟIlκέs
οδούs ιου κυιιάρου πείραμα. Αντίθετα οι ερευνητές «συναρμολογούν» σταδιακά το παζλ μιας σηματοδοτικής ακολουθίας και έτσι κατανοούν το ρόλο
Οι σηματοδοτικές οδοί ποτέ δεν χαρτογραφούνται μόνο μ' ένα
τυροσίνης (Εικόνα 16-33). Έτσι μπορεί να καθοριστούν τα ειδικά κατάλοιπα τυροσίνης που απαιτούνται για την πρόσδεση. Επίσης, έτσι μπορεί να διαπιστωθεί αν η συγκεκριμένη θέση πρόσδεσης εί
κάθε «κομματιού» στην απάντηση του κυπάρου προς ένα εξωκυτ
ναι αναγκαία για τη μετάδοση του σήματος στο κύπαρο.
τάριο σήμα, πχ στην ορμόνη ινσουλίνη. Η διεργασία συνίσταται σε «επιμερισμό» του μεγάλου, γενικού ερωτήματος της σηματοδό τησης σε μια σειρά μικρότερα ερωτήματα που είναι ευκολότερο ν' απαντηθούν όπως: Ποια πρωτεΊνη είναι ο υποδοχέας της ινσουλί
Κυκλοφοριακή συμφόρηση Ασφαλώς, το κύριο ερώτημα αφορά το πόσο σημαντική είναι μια ορισμένη πρωτεΊνη για μια σηματοδοτική διεργασία. Μια πρώτη
νης; Ποιες ενδοκυπάριες πρωτεΊνες ενεργοποιούνται παρουσία
δοκιμασία συνίσταται σε χρησιμοποίηση της τεχνολογίας του ανα συνδυασμένου ΟΝΑ για την εισαγωγή στα κύπαρα ενός γονιδίου
της ινσουλίνης; Με ποιες άλλες ενδοκυπάριες πρωτεΊνες αλληλε πιδρούν οι ενεργοποιημένες πρωτεΊνες; Πώς ενεργοποιεί η μια πρωτεΛιη την άλλη; Εδώ θα παρουσιάσουμε το είδος των πειραμά των που προσφέρουν απαντήσεις σε αυτά τα ερωτήματα.
που κωδικοποιεί μια συνεχώς δραστική μορφή της πρωτεΊνης ώ
στε να εξακριβωθεί αν αυτό απομιμείται τη δράση του εξωκυπάρι ου σήματος. Ας πάρουμε για παράδειγμα την πρωτεινη Ras. Η μορ φή της Ras που εμπλέκεται στην πρόκληση καρκίνου στον άνθρω πο είναι συνεχώς δραστήρια επειδή έχει χάσει την ικανότητα να υ
Διέγερση της φωσφορυλίωσης Μια πιθανή έκβαση όταν τα κύπαρα εκτίθενται σ' ένα εξωκυπάριο σηματοδοτικό μόριο είναι η φωσφορυλίωση ορισμένων πρωτεϊνών. Μερικές από αυτές είναι οι ενδοκυπάριες σηματοδοτικές πρωτε'ίνες που μεταφέρουν το μήνυμα σε ολόκληρο το κύπαρο ενώ άλλες είναι οι πρωτεΊνες που είναι αρμόδιες για την απάντηση του κυπάρου. Για να καθορίσουν τα μόρια που ενεργοποιήθηκαν με φωσφορυλίωση, οι ερευνητές προκαλούν λύση των κυπάρων, διαχωρίζουν τις πρω τε'ίνες με βάση το μέγεθος με την τεχνική της ηλεκτροφόρησης σε πηκτή (βλ. Παραρτήματα 4-3 έως 4-5) και μετά χρησιμοποιούν αντι σώματα που ανιχνεύουν φωσφορυλιωμένες πρωτε'ίνες.
δρολύει το
GTP που τη διατηρεί Ras διεγείρει
αυτή τη μορφή, η
σ' ενεργοποιημένη κατάσταση. Σε μερικά κύπαρα να πολλαπλασια
στούν έστω και αν δεν υπάρχουν μιτογόνα: αυτός είναι ένας τρό πος με τον οποίο συμβάλλει στην καρκινογένεση (Εικόνα 16-34). Η πιο καθοριστική εξέταση για να καθοριστεί η σημασία μιας εν δοκυπάριας πρωτε'ί\ιης σε μια σηματοδοτική οδό είναι ν' αδρανο ποιηθεί είτε η ίδια η πρωτε'ίνη είτε το αντίστοιχο γονίδιο και να ελεγ χθεί αν επηρεάζεται η σηματοδοτική οδός. Για παράδειγμα, στην
Μια άλλη τεχνική επισήμανσης νεοφωσφορυλιωμένων πρωτε'ί νών συνίσταται πρώτα σε χορήγηση στα κύπαρα ραδιοσημασμέ
Ras, στα κύπαρα μπορεί να εισαχθεί μια «επικρατής αρνητική» (αδρανοποιημένη) μεταλλαγμένη μορφή της Ras. Στη συγκεκριμένη μορφή, η Ras προσδένεται πολύ σφιχτά στο GDP και έτσι δεν μπορεί να ενεργοποιηθεί. Ωστόσο, διατηρεί την ικανότητα
νου ΑΤΡ και στη συνέχεια σ' έκθεσή τους σ' ένα εξωκυπάριο ση
να προσδένεται με άλλες σηματοδοτικές πρωτε'ίνες της οδού προ
ματοδοτικό μόριο. Οι πρωτε'ίνικές κινάσες που ενεργοποιούνται α πό το σήμα μεταφέρουν τη ραδιενεργό φωσφορική ομάδα από το σημασμένο ΑΤΡ στις πρωτεΊνες-στόχους. Οι πρωτε'ίνες επίσης δια
φυσιολογικά αντίγραφα της
χωρίζονται με ηλεκτροφόρηση σε πηκτή, αλλά οι ραδιοσημασμέ νες πρωτε'ίνες ανιχνεύονται με αυτοραδιογραφία (έκθεση της πη κτής σε ακτινολογικό φιλμ). Στενές επαφές
Μόλις αναγνωριστούν οι ενεργοποιημένες πρωτεΊνες μπορεί να καθοριστούν και οι πρωτε'ίνες με τις οποίες αλληλεπιδρούν. Για το σκοπό αυτό, συχνά χρησιμοποιείται η συvαvοσοκαθίζηση (co-immunoprecipitation). Στη συγκεκριμένη τεχνική, αντισώματα προσ
περίmωση της
καλώντας «κυκλοφοριακή συμφόρηση», καθώς παρεμποδίζει τα
Ras να επιτελέσουν το έργο τους. Τα κύπαρα στα οποία έχει εισαχθεί αυτή η μεταλλαγμένη Ras δεν πολ λαπλασιάζoνται σε απάντηση προς εξωκυπάρια μιτογόνα. Αυτό το αποτέλεσμα υποδηλώνει τη σημασία της φυσιολογικής σηματοδό τησης της
Ras για τον κυπαρικό
πολλαπλασιασμό.
Συναρμολόγηση του παζλ Για να ξεδιαλυθούν οι περισσότερες σηματοδοτικές οδοί χρειάστη καν δεκαετίες. Η ινσουλίνη πρωτοαπομονώθηκε από το πάγκρεας του σκύλου τις αρχές της δεκαετίας του 1920. Ωστόσο, η ακολουθία των μοριακών γεγονότων που συνδέει την πρόσδεση της ινσουλίνης στον
δένονται σε μια ειδική πρωτε'ίνη σε διάλυμα και την παρασύρουν
υποδοχέα της με την ενεργοποίηση των μεταφορικών πρωτεϊνών πρό
στον πυθμένα ενός δοκιμαστικού σωληναρίου (βλ. Παράρτημα
σληψης της γλυκόζης ακόμα δεν έχει διευκρινιστεί πλήρως.
6). Αν η «αιχμαλωτισμένη»
4-
πρωτεΙVη τυχαίνει να είναι συνδεδεμένη
Μια αποτελεσματική στρατηγική που ακολουθούν οι ερευνητές
με άλλες πρωτεΊνες, τότε και αυτές θα παρασυρθούν (θα καθιζά
για ν' αναγνωρίσουν πρωτεΊνες οι οποίες συμμετέχουν στην κυπα
νουν) στον πυθμένα. Κατ' αυτόν τον τρόπο μπορεί ν' αναγνωρι στούν οι πρωτε'ίνες που αλληλεπιδρούν όταν τα κύπαρα διεγείρο
ζώων
νται από ένα σηματοδοτικό μόριο.
θων που έχουν εκτεθεί σ' ένα μιτογόνο. Οι ερευνητές αναζητούν
ρική σηματοδότηση περιλαμβάνει τη διαλογή τεράστιου αριθμού
-
συνήθως δεκάδων χιλιάδων φρουτομυγών ή νηματελμίν
Αν γνωρίζουμε ότι δύο πρωτεΊνες συνδέονται μεταξύ τους, μπο
μεταλλαγμένα ζώα στα οποία μια σηματοδοτική οδός δεν λειτουρ
ρούμε επίσης να εντοπίσουμε τα τμήματά τους που είναι αναγκαία για την αλληλεπίδραση. Αυτό συχνά πραγματοποιείται χρησιμοποι
γεί σωστά. Οι μύγες και τα σκουλήκια είναι χρήσιμα επειδή αναπα ράγονται γρήγορα και μπορεί να διατηρηθούν σε τεράστιους αριθ
ώντας τεχνικές ανασυνδυασμένου ΟΝΑ ώστε να παρασκευαστεί έ να σύνολο μεταλλαγμένων πρωτε'ίνών, καθεμιά ελαφρώς διαφορε
μούς στο εργαστήριο. Από την εξέταση πολλών μεταλλαγμένων ζώων μπορεί ν' αναγνωριστούν πολλά από τα γονίδια που κωδικο ποιούν τις πρωτεινες μιας σηματοδοτικής ακολουθίας (υποδοχείς, πρωτε'ίνικές κινάσες, ρυθμιστικές πρωτεΊνες γονιδίων, κλπ.),
τική από τη φυσιολογική. Για παράδειγμα, για να καθοριστεί με ποια ακριβώς φωσφορυλιωμένη τυροσίνη πάνω σ' έναν υποδοχέα με δράση κινάσης της τυροσίνης προσδένεται μια ορισμένη ενδοκυτ τάρια σηματοδοτική πρωτεΊνη, χρησιμοποιείται μια σειρά μεταλ λαγμένων υποδοχέων από των οποίων την κυπαροπλασματική πε
Οι μελέτες αυτού του είδους επίσης αποκαλύmουν τη σειρά των ενδοκυπάριων σηματοδοτικών πρωτε'ίνών σε μια οδό. Ας υποθέ σουμε ότι από μια σχετική ανάλυση εντοπίστηκαν δύο νέες πρω
ριοχή έχει αφαιρεθεί ένα διαφορετικό, κατά περίmωση, κατάλοιπο
τε'ίνες (Χ και Υ) στη σηματοδοτική οδό
Ras
(Εικόνα 16-35Α). Αν η ει-
σηματοδοτικό μόριο
c' 1
L
ΕΞΩΚΥΠΑΡΙΟΣ ΧΩΡΟΣ
ΚΥΠΑΡΟΔΙΜΥΜΑ
αλλαγή της Υ1 σεαλανί~ Υ2 Υ3
μεταλλαγμένος υποδοχέας Α
σηματοδοτικό μόριο
c::'
L
ΕΞΩΚΥΠΑΡΙΟΣ
ΧΩΡΟΣ ΚΥΠΑΡΟ
ΔΙΜΥΜΑ
αλλαγή της Υ3 σεαλανίνη
μεταλλαγμένος υποδοχέας Β
Εικόνα
16·33.
Οι μεταλλαγμένες πρωτείΎες βοηθούν να καθοριστούν επακριβώς οι θέσεις πρόσδεσης ενός ενδοκυπάριου σημα
τοδΟTlκού μορίου. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 16-30, μόλις προσδέσουν το εξωKUΠάρΙO σηματοδοτικό μόριο, δύο υποδοχείς με δράση κινάσης της τυροσίνης έρχονται κοντά και αλληλοφωσφορυλιώνονται σε συγκεκριμένα κατάλοιπα τυροσίνης της κυπαροπλασματικής ουράς τους. Οι φωσφορυλιωμένες τυροσίνες προσελκύουν διαφορετικά ενδοκυπάρια σηματοδοτικά μόρια τα οποία έτσι ενεργοποιού νται και μεταδίδουν το σήμα. Για να καθοριστεί ποια τυροσίνη προσδένει ένα ειδικό ενδοκυπάριο σηματοδοτικό μόριο, κατασκευάζεται μια σειρά μεταλλαγμένων υποδοχέων. Στους μεταλλαγμένους υποδοχείς της διπλανής εικόνας, μεμονωμένα κατάλοιπα τυροσίνης (Υ1 ή
Υ3) έχουν αντικατασταθεί από μια αλανίνη. Οι μεταλλαγμένοι υποδοχείς παύουν να προσδένουν μια από τις ενδοκυπάριες σηματοδοτι κές πρωτεΊνες και προσφέρουν ενδείξεις για το ρόλο της συγκεκριμένης τυροσίνης στη μετάδοση του σήματος. Οι σχετικές μελέτες
πρέπει να πραγματοποιούνται σε κύπαρα που δεν έχουν δικούς τους φυσιολογικούς υποδοχείς για το σηματοδοτικό μόριο. σαγωγή του γονιδίου που κωδικοποιεί μια συνεχώς δραστική μορ φή της Ras αποκαθιστά τη λειτουργία της οδού σε κύπαρα στα ο ποία μια μετάλλαξη της πρωτεΊνης Χ διατηρούσε την οδό «κλει
λειτουργεί πριν από την πρωτεΊνη Υ, τότε η συνεχώς δραστική μορ
στή» αυτό υποδηλώνει ότι η
φραγμα» της μεταλλαγμένης πρωτεΊνης
Ras πρέπει να λειτουργεί
δοτική ακολουθία μετά την πρωτεΊνη Χ (Εικόνα 16-35Β). Αν η
φή της
στη σηματο-
Ras δεν θα μπορούσε
Ras
να μεταδίδει ένα σήμα μετά το «οδό
V (Εικόνα 16-35η.
ΕΞΩΚΥΠΑΡΙΟΣ ΧΩΡΟΣ
ΚΥΠΑΡΟΔΙΜΥΜΑ
ιδιοσύατατα δραστική,
μεταλλαγμένη Ras (δεν υδρολύει το GTP)
ΣΥΝΕΧΗΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΣΗΜΑΤΟΣ ΣΕ ΠΟΜΕΣ ΟΔΟΥΣ ΑΠΟΥΣΙΑ ΣΗΜΑΤΟΔΟTlΚΟΥ ΜΟΡΙΟΥ
Εικόνα
16-34. Μια
ιδιοσύστατα δραστική μορφή της
Ras μεταδίδει
ένα σήμα ακόμα και απουσία κάποιου εξωκυπάριου σήματος. Ό
πως φαίνεται στην Εικόνα
16-31, η φυσιολογική πρωτεΊνη Ras ενεργοποιείται σε απάντηση προς ορισμένα εξωκυπάρια σήματα. Η υ
περδραστήρια μορφή της
Ras που
εικονίζεται εδώ έχει χάσει την ικανότητα να υδρολύει το
τουργία της και παραμένει συνεχώς δραστική.
GTP.
Έτσι, δεν μπορεί να διακόψει τη λει
(Α)
Η ΦYΣIOΛOΓlKH ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ προΥΠΟΘΕΤΕΙ ΤΗΝ Ras ΚΑΙ ΤιΣ ΔΥΟ ΠΡΩΤΕϊΝΕΣ Χ ΚΑΙ Υ
~_"8Λ- σηματοδοτικό μόριο
-:.
~y~
::~
'" ενεργός υποδοχέας
ενεργός πρωτείνη
11'
Ras
-
-
L~ Υ ---2 ~ενεργός /11 ι'
~
ενεργός σηματοδοτική πρωτείνη Χ
σηματοδοτικη
πρωτείνη
ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ
με δρόση κινόσης της τυροσίνης
(8) ΜΙΑ ΜΕΤΑΛΛΑΞΗ ΠΗΝ ΠΡΩΤΕϊΝΗ Χ ΑΝΑΠΕΜΕΙ ΤΗ ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ ανενεργός
Ras
~ ανενεργός Υ
Χ
μεταλλαγμένη Χ ΚΑΜΙΑ ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ
η ιδιοσύστατα ενεργός Ras διασώζει (αποκαθιστό) τη σηματοδότηση
-
Φ
ΚΥΠΑΡΟ ΔΙΜΥΜΑ
c;? ενεργόςΥ /11 ι'
μεταλλαγμένη Χ
~
ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ
(Γ) ΜΙΑ ΜΕΤΑΛΛΑΞΗ ΠΗΝ ΠΡΩΤΕϊΝΗ Υ ΑΝΑΠΕΜΕΙΤΗ ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ
~~~ -~~~, .....
-:.Ε ~
"
11'
lι'
~ μεταλλαγμένηΥ J
ενεργός Χ
ΚΑΜΙΑ ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ η υδιοσύστατα ενεργός Ras αποτυγχόνει να διασώσει τη σηματοδότηση
-
~
ΚΥΠΑΡΟ ΔΙΜΥΜΑ
~ μεταλλαγμένη Υ
*
ανενεργός Χ
ΚΑΜΙΑ ΣΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ
Εικόνα
Η γενετική ανάλυση αποκαλύmει τη σειρά με την οποία δρουν σε μια οδό οι ενδοκυπάριες σηματοδοτικές πρω
16·35.
τείνες. Μια σηματοδοτική οδός μπορεί ν' αδρανοποιηθεί από μεταλλάξεις σε οποιοδήποτε από τα συστατικά της. Στην παραπάνω εικό να παρουσιάζουμε τη σηματοδοτική οδό
Ras
(Α) και την αδρανοποίησή της από μια μετάλλαξη στην πρωτεινη Χ (Β) ή στην πρωτεινη γ
(η, Η προσθήκη μιας ιδιοσύστατα ενεργού μορφής της
Ras σε αυτά τα κύπαρα
μπορεί ν' αποκαλύψει τη θέση των μεταλλαγμένων πρω
τε'ίνών στη σηματοδοτική οδό, Αν αυτό πραγματοποιηθεί στα κύπαρα με μετάλλαξη στην πρωτεινη Χ, η λειτουργία της οδού αποκαθί σταται και το σήμα μεταδίδεται έστω και αν δεν υπάρχει κάποιο εξωκυπάριο σηματοδοτικό μόριο (Β). Αυτό συμβαίνει επειδή στη συγκε κριμένη οδό η
Ras βρίσκεται
μετά τη μεταλλαγμένη πρωτεινη χ, της οποίας η βλάβη προκαλεί κυκλοφοριακή συμφόρηση. Ο ίδιος χειρι
σμός σε κύπαρα με μεταλλαγμένη πρωτεΊνη γ δεν έχει κανένα αποτέλεσμα, επειδή η λαγμένη Υ) (η.
~
"
I:&ζf~&\o:nω ll~'( l~uJT(1"ro:W1I:<~ I~ "i[I,{6J'·!"ν@
"
Ras εντοπίζεται
πριν από το «οδόφραγμα» (μεταλ
πρωιε'1νες συχνά αποκαλούνιοι πρωrο-οvκοvοv[δlQ
(proto-oncogenes),
ε
πειδή μπορεί να μετατραπούν σε ογκογονίδια από μεταλλάξεις. Ο καρκίνος είναι ένα νόσημα οιο οποίο ορισμένα κύτταρα ίΟυ σώμαίΟς συμπεριφέρονΙαι με εγωιοιικό και ανΙικοινωνικό τρόπο, καταοιρέφΟνΙας την
αρμονία ίΟυ πολυκύτταρου οργανισμού με ίΟ να πολ/απλασιάΖΟνΙαι ενώ δεν θα έπρεπε και να εισβάλουν οιους ιοιούς. ΣίΟν καρκίνο, η συχνή ύπαρξη με
ταλ/άξεων σε γονίδια που κωδικοποιούν συοιατικά της κυτταρικής σημαίΟ δότησης αvrικατοmρίΖει μια πολύ Υνωοιή αλήθεια: η διατήρηση και η οιαθε ρότητα μιας κοινότητας πάνω απ' όλα βασίζεται οιην καλή επικοινωνία.
Μερικοί υποδοχείς που συνδέονται με ένΖυμα ενεργοποιούν μια οδό «ταχείας κυκλοφορίας» προς τον πυρήνα Οι υποδοχείς που συνδέΟνΙαι με ένΖυμα δεν πυροδΟίΟύν πάνΙοτε περί πλοκες σημαίΟδοτικές ακολουθίες που προϋποθέτουν τη συνεργασία πολ
λών πρωτεϊνικών κινασών προκειμένου να μεταφέρουν ένα σήμα προς ίΟν πυρήνα. Μερικοί υποδοχείς χρησιμοποιούν μια πολύ πιο άμεση οδό για να
ελέγξουν την έκφραση των γονιδίων. Λίγες ορμόνες και πολ/οί ίΟπικοί διαμεσολαβητές Υνωοιοί ως κυτταροκ[ vες προσδένονΙαι σε υποδοχείς που ενεργοποιούν ρυθμιοιικές πρωτε'ϊνες
γονιδίων οι οποίες συγκραίΟύνΙαι σε λανθάνουσα κατάοιαση οιην κυτταρι κή μεμβράνη. Μόλις ενεργοποιηθούν, αυτές οι ρυθμιοιικές πρωτε'1νες οδεύ ουν κατευθείαν προς ίΟν πυρήνα, όπου διεγείρουν τη μεταγραφή ειδικών γονιδίων. Αυτή η άμεση σημαίΟδοτική οδός χρησιμοποιείται, Π.Χ., από τις 1vrερφερόvες, κυτταροκίνες οι οποίες καθοδηγούν τα κύτταρα να παράγουν
πρωτε'1νες που θα ίΟυς προσδώσουν αυξημένη ανΙοχή σε ιογενείς λοιμώ ξεις. ΑνΙίθετα από ίΟυς υποδοχείς με ενεργότητα κινάσης της τυροσίνης, οι οποίοι διεγείρουν περίτεχνες σημαίΟδοτικές ακολουθίες, οι υποδοχείς των KUΠαΡOΚlνών δεν έχουν ενδογενή ενΖυμική δράση αλλά σχετίΖΟνΙαι με τις κυτταροπλασματικές κινάσες της τυροσίνης JAΚ που ενεργοποιούνΙαι μόλις
Ερώτηση
μια κυτταροκίνη προσδεθεί οιον υποδοΧέα της. Όταν ενεργοποιηθούν οι κι
Εφόσον κάποιοι υποδοχείς
νάσες
της κυτταρικής επιφάνειας
JAK φωσφορυλιώνουν
και ενεργοποιούν τις κυτταροπλασματικές
ρυθμιοιικές πρωτε'ϊνες γονιδίων
STAT μετανα
μπορούν να σημαίΟδοτούν
οιεύουν οιον πυρήνα, όπου διεγείρουν τη μεταγραφή ειδικών γονιδίων-οιό
γρήγορα οιον πυρήνα ενερ
χων (Εικόνα
STAT.
Οι ενεργοποιημένες
16-10
16-36).
γοποιώντας λανθάνουσες
Διαφορετικοί υποδοχείς κυτταροκινών υποκινούν διαφορετικές απανΙή σεις, ενεργοποιώνΙας διαφορετικές πρωτε'ϊνες
STAT.
Όπως σε κάθε οδό
ρυθμιοιικές πρωτε'ϊνες γονι
δίων, όπως οι
STATs
και
•,
SMADs
στην
που ενεργοποιείται με φωσφορυλίωση, ίΟ σήμα της κυτταροκίνης τερματίΖε
κυτταρική μεμβράνη, γιατί άραγε οι πε
ται από πρωτεϊνικές φωσφατάσες, οι οποίες αφαιρούν τις φωσφορικές ομά
ρισσότεροι υποδοχείς της κυτταρικής ε
δες από τις ενεργοποιημένες σημαίΟδοτικές πρωτε'ϊνες.
πιφάνειας χρησιμοποιούν μακριές, έμ
Μια ακόμα αμεσότερη σημαίΟδοτική οδός χρησιμοποιείται από μια άλ/η
μεσες σημαίΟδοτικές ακολουθίες για να
κατηγορία υποδοΧέων που συνδέονΙαι με ένΖυμα, οι οποίοι μοιάΖουν με
επηρεάσουν τη μεταγραφή των γονιδίων
ίΟυς υποδοχείς με δράση κινάσης της τυροσίνης. Είναι οι υποδοχείς με δρά
οιον πυρήνα;
ση Κlνάσης σερίνη~θρεoνίνης που φωσφορυλιώνουν και άμεσα ενεργοποι ούν τις κυτταροπλασματικές ρυθμιστικές πρωτε'ϊνες γονιδίων
διεγερθούν από ένα εξωκυττάριο σημαίΟδοτικό μόριο
SMAD μόλις (Εικόνα 16-37). Οι Υποδοχείς που Διασυνδέονται με Ένζυμα
699
υποδοχείς KlJΠαΡOKινών
ΚΥΠΑΡΟ ΔIλ/γΜΑ
Ρ
Ρ
π~~~ ΟΙ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΜΕΝΕΣ
:
ΠΡΩΤΕϊΝΕΣ ΔΙΜΕΡΙΖΟΝΤΑΙ
ΚΥΠΑΡΟΔIλ/γΜΑ
ΚΑIΜΕΤΑΝΑΣΤΕγογΝ ΣΤΟΝ πγΡΗΝΑ
)
πγΡΗΝΑΣ
~ Ρ
'
e'
άλλες ρυ μιστικες
πρωτεΤνεςγονιδίων
ενεργοποιημένογονίδιο-στόχος
ΟΝΑ :Ξ:ΞΞ~~ΞΞ!ΞΞE~ΞΞΞΞ~~~Ξ: ΜΕΤΑΓΡΑΦΗ
!
\ RNA Εικόνα 16-36. Οι υποδοχείς των κυπαροκινών σχετίζονται με κυπαροπλασματικές κινάσες της τυροσίνης. Η πρόσδεση μιας KUΠαρO κίνης στους υποδοχείς της κάνει τις κινάσες που σχετίζονται με τους υποδοχείς (Janus κινάσες ή JAKs) ν' αλληλοφωσφορυλιωθούν και έτσι να ενεργοποιηθούν. Στη συνέχεια, οι ενεργοποιημένες κινάσες φωσφορυλιώνουν τους υποδοχείς σε κατάλοιπα τυροσίνης. Ρυθμιστικές πρωτεινες γονιδίων (ονομάζονται
8TATs: signal transducers and activators of transcription
= πρωτεινες μεταβίβασης σήματος και ενεργο
ποίησης της μεταγραφής) του κυπαροδιαλύματος προσδένονται στις φωσφορυλιωμένες τυροσίνες του υποδοχέα. Οι
JAKs επίσης φω
σφορυλιώνουν και ενεργοποιούν τις πρωτεινες 8ΤΑΤ. Κατόπιν, οι 8ΤΑΤ διίστανται από τους υποδοχείς, διμερίζονται, μεταναστεύουν στον πυρήνα και ενεργοποιούν τη μεταγραφή ειδικών γονιδίων-στόχων.
ορμόνες και οι τοπικοί μεσολαβητές που ενεΡΥοποιούν αυτούς τους υποδο χείς ανήκουν στην υπεΡΟ1κογέvεlQ πρωτεϊvώv του
ily)
TGF-6 (TGF-B superfam-
και παίΖουν σημαVΤIKό ρόλο στην ανάπτυξη των Ζώων.
Τα δίκτυα των πρωτεϊνικών κινασών επεξεργάΖονιοι πλπροφορίες για να ελέγξουν περίπλοκες κυπαρικές συμπεριφορές Στο κεφάλαιο αυτό πεΡΙΥράψαμε διαδοχικά διάφορες κύριες οδούς σηματοδότησης από την κυπαρική επιφάνεια προς το εσωτερικό των κυτ
τάρων. Ένα διάΥραμμα των τεσσάρων οδών στις οποίες αναφερθήκαμε
λεπτομερέστερα παρουσιάΖεται στην Εικόνα
16-38:
είναι οι οδοί που ξεκι
νούν από υποδοχείς διασυνδεόμενους με G-πρωτεΊνες μέσω του κυκλικού ΑΜΡ και της φωσφολιπάσης
C και
οι οδοί που ξεκινούν από υποδοχείς
διασυνδεόμενους με ένΖυμα μέσω της φωσφολιπάσης
700
Κεφάλαιο 16: Κυτταρική Επικοινωνία
C και της πρωτεΊνης
Εικόνα
16-37. Οι
υποδοχείς του ΤGF-β ενερ
γοποιούν ρυθμιστικές πρωτε"ί"νες γονιδίων άμεσα στην κυπαρική μεμβράνη. Αυτές οι κι νάσες σερίνης/θρεονίνης αυτοφωσφορυλιώ νονται και μετά προσελκύουν και ενεργοποι ούν κυπαροπλασματικές ρυθμιστικές πρω
ΚΥΠΑΡΟΔIΑΛγΜΑ
τε[νες γονιδίων (ονομάζονται SMADs, από το όνομα των συγγενών πρωτε'ίνών Sma της νη
ρυθμιστικές πρωτε'ίνες γονιδίων SMAD
ενεργός περιοχή κινάσης σερίνης/θρεονίνης
ματέλμινθας και
Mad της μύγας). Στη συνέ SMADs διίστανται από τους υποδοχείς προσδένονται σε άλλες SMADs. Τα σύ
χεια, οι και
μπλοκα μεταναστεύουν στον πυρήνα, όπου διεγείρουν τη μεταγραφή ειδικών γονιδίων στόχων. ΤGF-β: αυξητικός παράγοντας μετα μόρφωσης τύπου β,
:
ΚΥΠΑΡΟΔIΑΛγΜΑ
)
πγΡΗΝΑΣ
\
ΑΝΑ
Ras.
Μολονόπ η κάθε οδός διαφέρει από πς άλλες, εντούτοις όλες εμφα
νΙΖουν εξαιρεπκές ομοιότητες ως προς τους τρόπους λειτουργιας τους. Οι διάφορες οδο! έχουν ορισμένα κοινά συσταπκά και όλες, ενεργοποιώντας τελικά πρωτεϊνικές κινάσες, φαινεται όπ μπορούν να ρυθμΙΖουν πρακπκά κάθε κυπαρική διεργασΙα. Στην πραγμαπκότητα, η πολυπλοκότητα είναι ακόμα μεγαλύτερη απ'
ό,π αφήσαμε να εννοηθεΙ. Πρώτον, παραλειψαμε αρκετές άλλες οδούς και, δεύτερον, ΟΙ κύριες οδοί αλληλεπιδρούν με τρόπους τους οποίους δεν περιγράψαμε. Οι αλληλεπιδράσεις αυτές εfναι πολλών ειδών, αλλά ΟΙ κυ ριότερες ειναι εκεινες στις οποιες συμμετέχουν πρωτεϊνικές κινάσες που υ
πάρχουν σε κάθε οδό. Οι κινάσες αυτές φωσφορυλιώνουν, και έτσι ρυθμι Ζουν, συσταπκά άλλων σηματοδοπκών οδών όπως επισης και συσταπκά
της οδού στην οποια ανήκουν και ΟΙ Ιδιες. Επομένως, οι διάφορες οδο! και
πρακπκά όλα τα συστήματα ελέγχου του κυπάρου επικοινωνούν μεταξύ τους και υπάρχει συνεΧής «στιχομυθιa»
(cross-talk)
(Εικόνα
16-38).
Μπο
ρούμε να πάρουμε μια ιδέα για την εμβέλεια του ρυθμιστικού συστήματος:
έχει υπολογιστε! όπ περιπου το
2% των 30,000
γονιδιων μας κωδlκοπΟ1
ούν πρωτεϊνικές κινάσες και όπ σ' ένα μόνο κύπαρο θηλαστικού μπορε!να υπάρχουν εκατοντάδες διαφορεπκά ειδη πρωτεϊνικών κινασών. Τι νόημα βγάΖουμε από αυτό το μπλεγμένο δικτυο ρυθμιστικών διασυνδέσεωνκαι σε π αποσκοπε! η τόση πολυπλοκότητα;
Υποδοχείςπου Διασυνδέονται με Ένζυμα
701
Εικόνα
16-38. Τέσσερις
παράλληλες ενδο
ενεργοποιημένος υποδοχέας που συνδέεται με G πρωτείνη
κυπάριες σηματοδΟTlκές οδοί και οι μεταξύ τους διασυνδέσεις. Διαγραμματική απόδοση
ενεργοποιημένος
υποδοχέας που
~ii!!I!!.J'ι/ συνδέεται με ένζυμο
των οδών που ξεκινούν από τους υποδοχείς που διασυνδέονται με G-πρωτε'fνες μέσω του κυκλικού ΑΜΡ και της φωσφολιπάσης
C και
των οδών που ξεκινούν από τους υποδοχείς που διασυνδέονται με ένζυμα μέσω της φω σφολιπάσης
C και της πρωτεΙVΗς Ras,
Οι πρω
τε'ίνικές κινάσες των οδών αυτών φωσφορυ λιώνουν πολλές πρωτεινες, ανάμεσά τους και
πρωτεΊνες που ανήκουν στις άλλες οδούς. Το πυκνό δίκτυο ρυθμιστικών διασυνδέσεων συμ βολίζεται με τα κόκκινα βέλη που εξορμούν α κτινωτά από τις διάφορες κινάσες (με κίτρινο χρώμα) και συχνά φωσφορυλιώνουν τις ίδιες πρωτεινες-στόχους,
/\
G πρωτεί\ιη
G πρωτείνη _
!
/ IΡ3
αδενυλική κυκλάση
!
κυκλικόΑΜΡ
!
κινάση Α
! !
φωσφολιπάση
πρωτ}νη πουRas
\ διακυλογλυκερόλη
ενεργοποιεί την
+
Ras
+
Ca2 +
~
κινάση της κινάσης της ΜΑΡ κινάσης
' ' "'1'""''1 ~ κινάση
πρωτείνη-προσαρμογέας
C
CaM
κινάση
,,"'' " τ/< 1""""'' ' '
C
ΜΑΡ κινάση
\,....--_ ;...---. .....
Τα κύπαρα πρέπει να συνδυάΖουν πληροφορίες από πολ/ές διαφορετι κές πηγές και να τις χρησιμοποιούν για να εκδηλώσουν την κατάλ/ηλη απά
vτηση, να Ζήσουν, να πεθάνουν, να διαιρεθούν, ν' αλ/άξουν σχήμα και θέ ση ή ν' αποστείλουν το δικό τους χημικό σήμα. Χάρη στη συνεχή «στιχομυ
θία» ανάμεσα στις σηματοδοτικές οδούς το κύπαρο μπορεί να συνδυάσει δύο ή περισσότερες πληροφορίες και ν' αντιδράσει στο συνδυασμό που προκύπτει Έτσι, ορισμένες ενδοκυπάριες πρωτεΊνες λειτουργούν σαν επε ξεργαστές, Χάρη στις πολ/ές δυνητικές θέσεις φωσφορυλίωσης που διαθέ τουν, καθεμία από τις οποίες μπορεί να φωσφορυλιωθεί από μια διαφορετι κή πρωτεϊνική κινάση. Επομένως, οι πληροφορίες που παραλαμβάνονται α
πό διαφορετικές πηγές μπορεί να συγκλίνουν σε τέτοιες πρωτεΊνες, οι οποί ες τις μετατρέπουν σ' ένα ολοκληρωμένο σήμα (Εικόνα
16-39). Με τη σειρά
τους, οι πρωτε'fνες επεξεργασίας μπορούν να προωθήσουν τα σήματα σε άλ λους στόχους. Με αυτόν τον τρόπο, το ενδοκυπάριο σηματοδοτικό σύστημα δρα σαν ένα δίκτυο νευρικών κυπάρων του εγκεφάλου ή μικροεπεξεργα στών ενός υπολογιστή, ερμηνεύοντας σύνθετες πληροφορίες και παράγο
ντας σύνθετες απαντήσεις. Στο κεφάλαιο αυτό, πρώτα ασχοληθήκαμε με τα εξωκυπάρια σήματα που επιδρούν στα κύπαρα και καταλήξαμε στα βάθη του κυπάρου, όπου εξετά σαμε τη λειτουργία ενός περίτεχνου ενδοκυπάριου συστήματος ελέγχου. Τα συστατικά αυτού του συστήματος μεταφέρουν μηνύματα ανάμεσα σε ξεχωρι
στά μέρη του κυπάρου, συνδυάΖουν και επεξεργάΖονται πληροφορίες από διαφορετικές πηγές, χρησιμεύουν ως μνημονικές επινοήσεις και απαντούν με κατάλ/ηλο τρόπο προς όφελος του οργανισμού. Οι Υνώσεις μας σχετικά
702
Κεφάλαιο 16: Κυτταρική Επικοινωνία
(Α)
Εικόνα
(Β)
16-39. Δύο
πιθανοί απλοί μηχανισμοί
ολοκλήρωσης σημάτων. (Α) Τα σήματα Α και
Α
Β
Β ενεργοποιούν δύο διαφορετικές ακολουθίες
πρωτε'ίνικών φωσφορυλιώσεων, καθεμία από τις οποίες οδηγεί σε φωσφορυλίωση της πρω
ΚΥΠΑΡΟ-
ΔΙΑΛΥΜΑ
\
\
Ι
ι
ןIΙ--\
τεΊνης Υ, αλλά σε δύο διαφορετικές θέσεις. Η πρωτείνη Υ ενεργοποιείται μόνο όταν είναι φω
ןIΙ
σφορυλιωμένη και στις δύο αυτές θέσεις, Επο
l~o~l-Λ Κ-!ΑΟΡΙ JΞj'(~
μένως, είναι ενεργός μόνο όταν τα δύο σήμα τα Α και Β δράσουν ταυτόχρονα, (Β) Τα σήμα τα Α και Β οδηγούν σε φωσφορυλίωση δύο
διαφορετικών πρωτε'ίνών, των Χ και Ζ, οι οποί ες συνδέονται μεταξύ τους για να σχηματί σουν την ενεργό πρωτεΊνη ΧΖ.
με αυτά
ΑΝΑΜΕΤΑΔΟΣΗ
ΑΝΑΜΕΤΑΔΟΣΗ
ΤΟΥΣΗΜΑΤΟΣ
ΤΟΥΣΗΜΑΤΟΣ
10 περίτεχνα
δίκτυα συνεχίΖουν να εξελίσσονται: ακόμα ανακαλύ
πτουμε νέα μέλη των σηματοδοτικών ακολουθιών και νέους συντρόφους,
νέες συνδέσεις, έως και νέες οδούς. Και αν είναι τόσο πολ/ά αυτά που απο μένει να μάθουμε σχετικά με τις σηματοδοτικές οδούς στα Ζωικά κύπαρα, εί
ναι ακόμα περισσότερα όσα αγνοούμε για τις αντίστοιχες οδούς στα φυτά.
Η δημιουργία πολυκύπαρωv οργαvισμώv και η αvάmυξη της κυπαρικής επικοιvωvίας εξελίχθηκαv αvεξάρτητα στα φυτά και στα Ζώα Τα φυτά και 10 Ζώα εξελίσσονται ανεξάρτn10 για περισσότερο από ένα δι σεκατομμύριο χρόνια. Ο τελευ1Οίος κοινός πρόγονός τους ή1Ον ένας μονο κύπαρος ευκαρυώτης, ο οποίος πιθανό1Ο1Ο Ζούσε αυτόνομα. Επειδή αυτά 10 βασίλεια απέκλιναν τόσο παλιά (τότε που όλες οι μορφές Ζωής ή1Ον μονο κύπαρες) το καθένα ανέπτυξε τις δικές του μοριακές «επινοήσεις» στο πλαί σιο της λειτουργίας πολυκύπαρων οργανισμών. Έτσι, οι μηχανισμοί της δια κυπάριας επικοινωνίας αναπτύχθηκαν ανεξάρτη1Ο στα φυτά και στα Ζώα και θ' ανέμενε κανείς να διαφέρουν πολύ. Από την άλ/η πλευρά, όμως,
και
10 φυτά
10 Ζώα
ξεκίνησαν μ' ένα κοινό σύνολο ευκαρυωτικών γονιδίων, στο ο
ποίο συμπεριλαμβάνονταν μερικά γονίδια που χρησιμοποιούσαν οι μονο κύπαροl οργανισμοί για να επικοινωνούν με1Οξύ τους: συνεπώς,
10 σηματο
δοτικά συστήματά τους θα έπρεπε να εμφανίΖουν κάποιες ομοιότητες. Μια εντυπωσιακή ομοιότη1Ο παρατηρεί1Ο1 στην κυπαρική επιφάνεια. Ό πως και
10 Ζώα,
τα φυτά χρησιμοποιούν ευρέως μεμβρανlκούς υποδοχείς
της κυπαρικής επιφάνειας, ιδίως υποδοχείς που συνδέονται με ένΖυμα. Το
ΖΙΖάνιο
Arabidopsis thaJiana -
προσφιλές φυτό των σύγχρονων βιολόγων
-
διαθέτει εκατοντάδες γονίδια που κωδικοποιούν υποδοχείς με δράση κινά σης σερίνης/θρεονίνης, οι οποίοι διαφέρουν δομικά από τους αντίστοιχους
υποδοχείς των Ζωικών κυπάρων (βλ. Εικόνα
16-37). Αυτοί οι υποδοχείς
θε
ωρείται ότι παίΖουν σημαντικό ρόλο σε μεγάλη ποικιλία σηματοδοτικών διερ-
Υποδοχείς που Διασυνδέονται με Ένζυμα
703
γασιών των φυτικών κυπάρων, μεταξύ άλ/ων διεργασίες που ρυθμίΖουν την αύξηση, την ανάπτυξη και την αντοχή σε ασθένειες. Αντίθετα από τα Ζωικά κύπαρα, τα φυτικά κύπαρα δεν φαίνεται να χρησιμοποιούν υποδοχείς με δράση κινάσης της τυροσίνης, πυρηνικούς υποδοχείς στεροειδών αλ/ά ούτε και κυκλικό ΑΜΡ. Επίσης, μάλ/ον χρησιμοποιούν λίγους υποδοχείς δια συν
δεόμενους με G-πρωτε'ίVες. Ένα από τα καλύτερα μελετημένα σηματοδοτικά συστήματα των φυτών μεσολαβεί στην απάντηση των κυπάρων στο αιθυλένιο, μια αέρια ορμόνη
που ρυθμίΖει ποικίλες αναπτυξιακές διεργασίες, μεταξύ των οποίων η βλά στηση των σπόρων και η ωρίμανση των φρούτων. ΟΙ καλ/ιεργητές της ντο μάτας χρησιμοποιούν το αιθυλένιο για την ωρίμανση του καρπού, ακόμα και μετά τη συγκομιδή. ΟΙ υποδοχείς του αιθυλενίου σχετίΖΟνται με πρωτεΊνες που χρησιμοποιούνται από τα βακτήρια για τον εντοπισμό θρεmικών ουσιών ή τη διαφυγή από δηλητήρια. Όπως οι βακτηριακές πρωτεΊνες, λειτουργούν
ως κινάσες της ιστιδίνης και διαφέρουν απ' όλους τους Υνωστούς υποδοχείς των Ζωικών κυπάρων. Οι ενεργοποιημένοι υποδοχείς του αιθυλενίου ενερ γοποιούν μια ακολουθία ΜΑΡ-κινασών παρόμοια με τις αντίστοιχες ακολου θίες των Ζωικών κυπάρων, γεγονός που μάλ/ον αντικατοπτρίΖει την κοινή προέλευση των φυτών και των Ζώων. Ωστόσο, στα φυτά οι σηματοδοτικές ο δοί που συνδέουν τους υποδοχείς με δράση κινάσης με την κυπαρική απά ντηση εξακολουθούν να είναι άΥνωστες.
Η διαλεύκανση των σηματοδοτικών οδών του κυπάρου είναι ένα Ζωηρό πεδίο έρευνας. Καθημερινά γίνονται νέες ανακαλύψεις, τόσο στα Ζώα όσο και στα φυτά. Τα προγράμματα ανάλυσης γονιδιωμάτων προσφέρουν μα κρείς καταλόγους συστατικών που εμπλέκονται στη μεταβίβαση του σήματος
σε μεγάλη ποικιλία οργανισμών. Ακόμα και όταν θα έχουμε αναΥνωρίσει ό λα τα κομμάτια του «παΖλ», θ' απομένει η μεγάλη πρόκληση της συναρμολό
γησης: μόνο τότε θα κατανοήσουμε πώς τα κύπαρα επεξεργάΖΟνται και συν δυάΖουν τα πολ/ά και ποικίλα σήματα στο περιβάλ/ον τους ώστε να εκδηλώ σουν την κατάλ/ηλη απάντηση.
Βαοικέs έvvοιεs •
Τα κύπαρα των πολυκύπαρων οργανισμών επικοινωνούν μέσω μιας τε ράστιας ποικιλίας εξωκυπάριων χημικών σημάτων.
•
Οι ορμόνες μεταφέρονται στην κυκλοφορία του αίματος σε απομακρυ σμένα κύπαρα-στόχους. Τα περισσότερα άλ/α εξωκυπάρια σηματοδοτικά μόρια δρουν σε μικρές αποστάσεις. Τα γειτονικά κύπαρα συχνά επικοι νωνούν με άμεση κυπαρική επαφή.
•
Τα κύπαρα διεγείρονται από την πρόσδεση ενός εξωκυπάριου σήματος σ' έναν υποδοΧέα ο οποίος ενεργοποιείται Κάθε υποδοΧέας αναγνωρίΖει μόνο ένα συγκεκριμένο σηματοδοτικό μόριο.
•
Οι υποδοχείς δρουν ως μεταβιβαστές και μετατρέπουν το σήμα από μια φυσική μορφή σε μια άλ/η.
•
704
Κεφάλαιο 16: Κυτταρική Επικοινωνία
Τα περισσότερα εξωκυπάρια σηματοδοτικά μόρια δεν διαπερνούν την
κυπαρική μεμβράνη αλλά προσδένονται σε υποδοχείς που εντοπίΖΟνται σΕην κυπαρική μεμβράνη. Οι υποδοχείς μεταβιβάΖουν το σήμα διαμέσου της κυπαρικής μεμβράνης.
•
Μικρά, υδρόφοβα, εξωκυπάρια σηματοδοτικά μόρια, όπως οι σΕεροειδείς ορμόνες και το οξείδιο του αΖώτου, διαΧέονται άμεσα διαμέσου της κυπα ρικής μεμβράνης και ενεΡΥοποιούν ενδοκυπάριους υποδοχείς, οι οποίοι
είναι είτε ρυθμΙσΕικές πρωτε'ϊνες είτε ένΖυμα.
•
Υπάρχουν τρεις κύριες κοτηΥορίες υποδοΧέων της κυπαρικής επιφάνειας:
(1)
υποδοχείς διασυνδεόμενοι με διαύΛους ιόντων,
δεόμενοι με G-πρωτε"ivες και
•
(3)
(2)
υποδοχείς διασυν
υποδοχείς διασυνδεόμενοι με ένΖυμα.
Οι υποδοχείς που συνδέονται με G-πρωτε'ϊvες και οι υποδοχείς που συν δέονται με ένΖυμα απαντούν σε εξωκυπάρια σήματα, πυροδοτώντας ακο Λουθίες ενδοκυπάριων σηματοδοτικών αντιδράσεων που τροποποιούν τη συμπεριφορά του κυπάρου.
•
Οι διασυνδεόμενοι με G-πρωτε"ivες υποδοχείς ενερΥοποιούν μια ομάδα πρωτεϊνών που συνδέονται με το
GTP,
οι οποίες αναφέρονται ως G-πρω
τεΤνες. Οι πρωτε'ϊνες αυτές δρουν σαν μοριακοί διακόπτες: μεταφέρουν το σήμα προς το εσωτερικό του κυπάρου Υια μια μικρή χρονική περίοδο και
κοτόπιν απενεΡΥοποιούνται υδροΛύοντας το
•
GTP προς GDP.
Μερικές G-πρωτε'ϊνες ρυθμίΖουν άμεσα διαύΛους ιόντων της κυπαρικής μεμβράνης. ΆΛΛες ενεΡΥοποιούν το ένΖυμο αδενυΛική κυκΛάση και έτοι
αυξάνουν την ενδοκυπάρια συΥκέντρωση του κυκλικού ΑΜΡ. Επίσης, άΛ Λες G-πρωτε"ivες ενεΡΥοποιούν το ένΖυμο φωσφοΛιπάση
C το
οποίο πα
ράΥει τ' αΥΥεΛιοφόρα μόρια τριφωσφορική ινοσιτόΛη (ΙΡ3 ) και διακυΛο ΥΛυκερόΛη.
•
Η ΙΡ3 ανοίΥει διαύΛους ιόντων σΕη μεμβράνη του ενδοπΛασματικού δικτύ
ου με τεΛικό αποτέΛεσμα την εισροή εΛεύθερων ιόντων Ca2+ σΕΟ κυπαρο 2 διάΛυμα. Το Ca + δρα ως ενδοκυπάριος αΥΥεΛιοφόρος και τροποποιεί τη δρασΕικότητα ποικίλων πρωτεϊνών.
•
Η αύξηση του κυκλικού ΑΜΡ ενεΡΥοποιεί την πρωτεϊνική κινάση Α (κινά
ση Α) ενώ το Ca πρωτεϊνική
•
Η κινάση
η διακυΛΟΥΛυκερόΛη από κοινού ενερΥοποιούν την κινάση C (κινάση C). 2
+ και
C και η κινάση Α φωσφορυΛιώνουν επιΛεΥμένες πρωτε'ϊνες-σΕό
χους σε κοτάΛοιπα σερίνης και θρεονίνης και με τον τρόπο αυτό τροπο ποιούν τη δρασΕηριότητα των πρωτεϊνών. Τα διάφορα είδη κυπάρων πε ριέχουν διαφορετικές ομάδες πρωτεϊνών-σΕόχων και επηρεάΖΟνται με
διαφορετικούς τρόπους.
•
Γενικά, η διέΥερση των υποδοΧέων που διασυνδέονται με G-πρωτε'ϊνες προκαΛεί ταχείες και αντΙσΕρεπτές κυπαρικές απαντήσεις.
•
Πολ/οί υποδοχείς που διασυνδέονται με ένΖυμα διαθέτουν ενδοκυπά ριες πρωτεϊνικές περιοχές που ΛειτουΡΥούν ως ένΖυμα. Οι περισσότεροι διαθέτουν δράση κινάσης της ωροσίνης και φωσφορυΛιώνουν κοτάΛοιπα
ωροσίνης επιΛεΥμένων ενδοκυπάριων πρωτεϊνών.
•
Οι ενεΡΥοποιημένοι υποδοχείς με δράση κινάσης της ωροσίνης προά Υουν τη συναρμοΛόΥηση ενός ενδοκυπάριου σηματοδοτικού συμπΛόκου
Βασικές Έννοιες
705
πάνω σιην ενδοκυπάρια ουρά 1Ους. Ένα μέρος αυ1Ού 1Ου συμπi'ΊόKOυ ε νεργοποιεί την πρωτεΊνη
GTP, η οποία
Ras,
μια μικρή πρωτεινη που συνδέεται με το
ενεργοποιεί μια ακολουθία πρωτεϊνικών κινασών που μετα
βιβάΖουν 10 σήμα από την κυπαρική μεμβράνη στον πυρήνα.
•
Κοινό γνώρισμα πολ/ών μορφών καρκίνου είναι η παρουσία μεταλ/άξε ων 1Ου γονιδίου
ras
που οδηγούν σε αύξηση της δράσης της ομώνυμης
πρωτεΤνης και διεγείρουν ων κυπαρικό πολ/απλασιασμό.
•
Μερικοί υποδοχείς που συνδέονται με ένΖυμα ενεργοποιούν μια άμεση ο δό προς ων πυρήνα. Αντί να ενεργοποιούν σημαΤOδOίlKές ακολουθίες, ε νεργοποιούν ρυθμιστικές πρωτεινες γονιδίων αμέσως στην κυτταρική μεμβράνη.
•
Οι διάφορες ενδοκυπάριες σημα1OδOίlKές οδοί αλληλεπιδρούν προσφέ ροντας στα κύπαρα τη δυνατότητα να εκδηλώνουν την κατάλ/ηλη απάντη ση σ' ένα σύνθε1Ο συνδυασμό σημάτων. Μερικοί συνδυασμοί σημάτων
βοηθούν ένα κύπαρο να επιβιώσει, ενώ άλ/οι προκαλούν ων πολ/απλα σιασμό 1Ου. Απουσία σημάτων, τα περισσότερα κύπαρα αυ1Οκτονούν με απόπτωση.
•
Όπως τα Ζώα, έτσι και τα φυτά χρησιμοποιούν υποδοχείς της κυπαρικής επιφάνειας που συνδέονται με ένΖυμα για να ελέγχουν την αύξηση και την ανάπτυξή τους.
Βασικοί Όροι αδενυλική κυκλάση
ορμόνη
ακολουθία ΜΑΡ κινάσης
προσαρμογή
δεύτερος αγγελιοφόρος
πυρηνικός υποδοχέας
διακυλογλυκερόλη
Ras
(DAG)
καλμοδουλίνη
σημα1OδOίlKή ακολουθία
CaM-κινάση
στεροειδής ορμόνη
κινάσηΑ
1Οπικός διαμεσολαβητής
κινάση
1,4,5-φιφωσφορική ινοσιτόλη (ΙΡ 3 )
C
κινάση σερίνης/θρεονίνης
υποδοχέας
κινάση της ωροσίνης
υποδοχέας διασυνδεόμενος με G-πρωτεινη
κυκλlκόΑΜΡ
υποδοχέας κυπαροκινών
κυπαρική σημα1Οδότηση
υποδοχέας με δράση κινάσης σερίνης/θρεονίνης
ΜΑΡκινάση
φωσφολιπάση
μεταβίβαση σήμα1Ος
φωσφολιπίδιο ινοσιτόλης
μοριακός διακόπτης νευροδιαβιβαστής
οξείδιο 1Ου αΖώ1Ου
706
Κεφάλαιο 16: Κυτταρική Επικοινωνία
C
ΕΡωιήσειs Ερώmση
ρεάΖονταν οι αποκρίσειςτης πρωτεΊνης Ras στα εξωκυτ τάρια σήματα;
Ερώmση
16-11
Ποιες από τις ακόλουθες διαπιστώσεις είναι σωστές; Δι
16-13
Α. Συγκρίνατε και αντιπαραβάλ/ετε τη νευρωνική σημα1Ο
καιολογείστε τις απαντήσεις σας.
δότηση με τη σημα1Οδότηση που επιτελείται από ενδο
Α. Τ ο σημα1Οδοτικό μόριο ακεωλοχολίνη επηρεάΖει με
κρινή κύτταρα τα οποία εκκρίνουν ορμόνες.
διαφορετικό τρόπο τα διάφορα είδη κυττάρων ενός Ζώ ου και προσδένεται σε διαφορετικά μόρια υποδοχέων
Β. Σχολιάστε τα σχετικά πλεονεκτήματα των δύο μηχανι σμών.
στα διάφορα είδη κυττάρων. Β. Η ακεωλοχολίνη έχει μεγάλο χρόνο ημΙΖωής μετά την έκκρισή της από τα κύτταρα επειδή πρέπει να φτάσει σε
16-14
Δύο ενδοκυττάρια μόρια, τα Χ και Υ, κανονικά συντίθενται με σταθερή ταχύτητα
κύτταρα-στόχους που βρίσκονται σε όλο 10 σώμα. Γ. Ενδοκυττάριοιτελεστές ενεργοποιούνταιαπό τις α υπο
μονάδες των G-πρωτεϊνώνπου συνδέονται με
Ερώmση
GTP και
(1000 μόρια
ανά δευτερόλεπ1Ο και α
νά κύτταρο). ΤΟ μόριο Χ αποδομείται με βραδύ ρυθμό: κά θε μόριο Χ επιβιώνει περίπου
100 δευτερόλεπτα. Αντίθε περίπου 10 δευτερόλεπτα.
τα σύμπλοκα βγ, ελεύθερα νουκλεοτιδίων, και όχι από
τα, κάθε μόριο Υ επιβιώνει
τις τριμερείς G-πρωτεΊνες, που συνδέονται με
Α. Υπολογίστε 1Ον αριθμό των μορίων Χ και Υ που περιέ
GDP.
Δ. Η ΙΡ 3 παράγεται άμεσα από την ΡΙΡ 2' δηλαδή 10 φω σφολιπίδιο της ινοσιτόλης από το οποίο προέρχεται, χωρίς την ενσωμάτωσημιας πρόσθετηςφωσφορικήςο
χει 10 κύτταρο.
Β. Αν ξαφνικά η ταχύτητα σύνθεσης τόσο 1Ου Χ όσο και
1Ου Υ δεκαπλασιαΖόταν(σε
10,000 μόρια ανά δευτερό
λεπ1Ο και ανά κύτταρο) χωρίς να μεταβληθεί η ταχύτητα
μάδας. Ε. Η καλμοδουλίνηρυθμίΖειτην ενδοκυττάριασυγκέντρω
ση 1Ου Ca2+.
της αποδόμησής 1Ους, πόσα μόρια Χ και Υ θα υπήρχαν
μετά από ένα δευτερόλεmο;
Ζ. Διάφορα σήματα που προέρχονται από την κυτταρική
Γ. Ποιο μόριο θα επιλεγόταν για ταχεία σημα1Οδότηση;
μεμβράνη μπορεί να συνδυαστούν χάρη στην επικοινω
νία (<<στιχομυθία») ανάμεσα σε διαφορετικές ενδοκυτ
Epώmon
τάριες σημα1Οδοτικές οδούς.
«Μια φορά και έναν καιρό, ένας σπουδαίος βασιλιάς βασί
Η. Το γονίδιο
ras είναι
16-15
λευε σε ένα τεράστιο βασίt\ειo, πιο όμορφο από κάθε άλ/ο
ένα ογκογονίδιο.
Θ. Η φωσφορυλίωση της ωροσίνης δημιουργεί θέσεις
πάνω στη γη. Οι αποφάσεις 1Ου βασιλιά ήταν σοφές, κα
πρόσδεσης για άλ/ες πρωτεΊνες που «επιδιώκουν» να
θώς μέρα-νύχτα οι αγγελιοφόροι 1Ου έφερναν πληροφο
προσδεθούν σε υποδοχείς με δράση κινάσης της ωρο
ρίες για το παραμικρό που συνέβαινε στο βασίt\ειό 1Ου. Ό
σίνης.
μως, παρόλο που το βασίt\ειo ήταν πανέμορφο και ο βασι
λιάς σοφός, οι υπήκοοί 1Ου Ζούσαν δυστυχισμένοΙ. Γι' αυ Ερώτηση
16-12
τό έφταιγε ένας σύμβουλος 1Ου βασιλιά που είχε μελετήσει σαν ένας μοριακός διακόπτης
την κυτταρική μεταβίβαση σημάτων και διοικούσε το Υ
που «ανοίγει» με την επέμβαση άλλων πρωτεϊνών οι ο
πoυργείo Πληροφοριών με ανάλογο τρόπο. Ο σύμβουλος
ποίες την υποκινούν να συνδεθεί με 10
είχε ορίσει ότι μόλις ένας φρουρός έβλεπε έναν αΥΥελιο
Η πρωτεΊνη
Ras λειτουργεί
GTP.
Μια πρω
τεΊνη που ενεργοποιεί τη GΤΡάση «κλείνει» 10 διακόmη,
φόρο θα έπρεπε να 1Ον αποκεφαλίσει αμέσως, επειδή για
εξαναγκάΖονταςτην πρωτεΊνη Ras να υδρολύσει 10
GTP
να εξασφαλιστεί η γρήγορη επικοινωνία οι αΥΥελιοφόροι
πολύ ταχύτερα απ' ό,τι θα 10 υδρόλυε χωρίς ε
έπρεπε να Ζουν λίγο. Τα παρακάλια των αΥΥελιοφόρων
σε
GDP
πέμβαση. Επομένως, η
Ras λειτουργεί
σαν ένας ηλεκτρι
δεν εισακούγονταν και έτσι οι υπήκοοι υπέφεραν αβάστα
κός διακόπτης που ανοιγοκλείνει με την επέμβαση δύο
χτα από 10 χαμό των παιδιών 1Ους». Γιατί είναι λανθασμέ
διαφορετικών «προσώπων». Αν είχατε ένα μεταλ/αγμένο
νη η πολιτική 1Ου συμβούλου; Σε τι διαφέρουν οι μηχανι
κύτταρο 10 οποίο δεν θα διέθετε την πρωτεΊνη που ενερ
σμοί της κυτταρικής σημα1Οδότησηςαπό αυ1Ούς της αν
γοποιεί τη GΤΡάση, με ποιο τρόπο πιστεύετε ότι θα επη-
θρώπινης επικοινωνίας;
Ερωτήσεις
707
Epώmon
16-16
πό άλ/α κύτταρα (βλ. Εικόνα
Σε μια σειρά πειραμάτων, γονίδια που κωδικοποιούν
16-6).
Σε τι νομίΖετε ότι απο
σκοπεί η συγκεκριμένη ρύθμιση;
μεταλλαγμένες μορφές ενός υποδοΧέα με δραστικότητα
16-21
κινάσης της τυροσίνης εισάγονται σε κύτταρα. Τα κύττα
Ερώmση
ρα αυτά επίσης εκφράΖουν τον δικό τους, φυσιολογικό,
Στα μυϊκά κύτταρα, η συστολή του συστήματος της μυοσί
υποδοΧέα από το δικό τους φυσιολογικό γονίδιο. Ωστό
νης/ακτίνης πυροδοτείται από αύξηση του ενδοκυττάριου
σο, τα μεταλλαγμένα γονίδια έχουν κατασκευαστεί έτσι
Ca2+. Τα μυϊκά κύτταρα διαθέτουν στη μεμβράνη του σαρ
ώστε να εκφράΖΟνται σε πολύ υψηλότερα επίπεδα από
κοπλασματικού δικτύου τους (εξειδικευμένη μορφή του
το φυσιολογικό. Ποιες συνέπειες θα είχε η εισαγωγή ε
ενδοπλασματικού δικτύου) διαύλους απελευθέρωσης του
νός μεταλ/αγμένου γονιδίου το οποίο θα κωδικοποιού νης (Α) χωρίς εξωκυττάρια περιοχή, ή (Β) χωρίς ενδο
Ca2+. Οι δίαυλοι αυτοί αποκαλούνται υποδοχείς ρυανοδί νης (ryanodine receptors) από την ευαισθησία τους στο ο 2 μώνυμο φάρμακο. Αντίθετα από τους διαύλους Ca + του
κυττάρια περιοΧή;
ενδοπλασματικού δικτύου που ρυθμίΖΟνται από την ΙΡ 3
σε έναν υποδοΧέα με δραστικότητα κινάσης της τυροσί
(βλ. Εικόνα
Ερώτηση
16-25), ο συνδέτης που ανοίγει τους υποδο, δ" λ' χεις ρυανο ινης ειναι το ι'δ ιο το Ca 2+ . Σ χοιιιαστε τις επι-
16-17
Σχολιάστε την ακόλουθη φράση: «Οι μεμβρανικές πρω
πτώσεις των διαύλων ρυανοδίνης στη συστολή των μυϊκών
τείνες που διαπερνούν τη μεμβράνη πολ/ές φορές μόλις
κυττάρων.
συνδεθούν με τον προσδέτη τους υφίστανται μια αλ/αγή διαμόρφωσης που μπορεί να γίνει αντιληπτή στην άλ/η
Ερώmση
16-22
πλευρά της μεμβράνης. Επομένως, μόρια αυτής της κατη
Οι πρωτεϊνικές κινάσες ΚΙ και Κ2 λειτουργούν διαδοχι
γορίας είναι ικανά να μεταβιβάΖουν ένα σήμα διαμέσου
κά σε μια ενδοκυττάρια σηματοδοτική ακολουθία. Αν
της μεμβράνης. Αντίθετα, οι μεμβρανικές πρωτε'ίνες μονής
μια από αυτές περιέχει μια μετάλλαξη που προκαλεί μό
διέλευσης αδυνατούν να μεταβιβάσουν την αλλαγή δια
νιμη αδρανοποίησή της, τότε τα κύτταρα δεν θα εκδη
μόρφωσης διαμέσου της μεμβράνης αν προηγουμένως
λώσουν καμία απάντηση όταν δεΧθούν κάποιο εξωκυτ
δεν διμεριστούν».
τάριο σήμα. Μια διαφορετική μετάλλαξη στην ΚΙ την
καθιστά μόνιμα ενεργό. Έτσι, τα κύτταρα που περιέ Ερώmση
16-18
χουν τη συγκεκριμένη μετάλλαξη απαντούν ακόμα και
Ποιές είναι οι ομοιότητες και οι διαφορές μεταξύ των αντι
όταν δεν υπάρχει εξωκυττάριο σήμα. Φανταστείτε ένα
δράσεων που οδηγούν στην ενεργοποίηση των G-πρωτεϊ
κύτταρο που περιέχει μια μετάλλαξη που αδρανοποιεί
νών και των αντιδράσεων που ενεργοποιούν την πρωτείνη
την κινάση ΚΙ και μια δεύτερη μετάλλαξη που ενεργο
Ras;
ποιεί την κινάση Κ2. Παρατηρείστε ότι το κύτταρο απο
κρίνεται ακόμα και όταν δεν υπάρχει κάποιο εξωκυττά Ερώmση
16-19
ριο σήμα. Με βάση τα προαναφερθέντα, στην κανονική
Κατά τη γνώμη σας, για ποιο λόγο τα κύτταρα χρησιμοποι
σηματοδοτική οδό η ΚΙ ενεργοποιεί την Κ2 ή μήπως
ούν για ενδοκυττάρια σηματοδότηση το Ca + (το οποίο
συμβαίνει το αντίστροφο, η Κ2 ενεργοποιεί την ΚΙ; Δι
διατηρείται από αντλίες Ca + σ' ενδοκυττάρια συγκέντρω
καιολογείστε την απάντησή σας.
2
2
ση
10-7 Μ) και όΧΙ ένα άλ/ο ιόν, όπως το Na + (το οποίο Na + σ' ενδοκυττάρια συγκέ ντρωση 10-3 Μ); διατηρείται από την αντλία
Ερώmση
16-23
Α. Ακολουθείστε τα βήματα μιας μακριάς και έμμεσης ση ματοδοτικής οδού από έναν υποδοΧέα της κυτταρικής επιφάνειας έως μια αλλαγή στην έκφραση των γονι
Epώmon
16-20
δίων στον πυρήνα.
ΜοιάΖει παράδοξο και όμως, έστω και αν διαθέτει άφθο
Β. Συγκρίνετε αυτή την οδό με τη συντομότερη και πιο ά
νες θρεπτικές ουσίες, ένα κύτταρο μπορεί ν' αυτοκτονήσει
μεση οδό από την κυτταρική επιφάνεια προς τον πυρή
αν δεν διεγείρεται συνεΧώς από σήματα προερΧόμενα α-
να
708
Κεφάλαιο 16: Κυτταρική Επικοινωνία
Ερώτηση
16-24
Κατά τη γνώμη σας, γlO ποιο λόγο τα Ζωικά και τα φυτικά
τοδοτικούς μηχανισμούς και από την άλ/η πλευρά μοιρά Ζονται μερικούς κοινούς μηχανισμούς;
κύπαρα έχουν τόσο διαφορετικούς ενδοκυπάριους σημα-
Ερωτήσεις
709
Κυιιαροσκελειόs
Η ικανότητα των ευκαρυωτικών κυπάρων να οργανώνουν τα πολυάριθ μα συστατικά στο εσωτερικό τους, να προσλαμβάνουν ποικίλα σχήματα και να πραγματοποιούν συγχρονισμένες κινήσεις, εξαρτάται από τον κυπαρο
σκελετό
(cytoskeleton),
ένα περίπλοκο δίκτυο πρωτεϊνικών ινιδίων που ε
κτείνεται σε όλο το κυπαρόπλασμα (Εικόνα
17-1). Το
δίκτυο αυτό των ινι
δίων συμμετέχει στη στήριξη του μεγάλου όγκου του κυπαροπλάσματος των
ευκαρυωτικών κυπάρων, μια λειτουργία που έχει ιδιαίτερη σημασία στα Ζωι κά κύπαρα τα οποία δεν διαθέτουν κυπαρικά τοιΧώματα. Αντίθετα όμως από
τον οστέινο σκελετό του σώματός μας, ο κυπαροσκελετός είναι μια πολύ δυ ναμική δομή η οποία διαρκώς αναδιοργανώνεται όταν ένα κύπαρο αλ/άΖει
σΧήμα, διαιρείται και αποκρίνεται στο περιβάλ/ον του. Ο κυπαροσκελετός δεν είναι μόνον τα «οστά» ενός κυπάρου αλ/ά και οι μύες του και ευθύνεται για τις μετακινήσεις μεγάλης κλίμακας που παρατηρούνται όταν τα κύπαρα
έρπουν πάνω σε μια επιφάνεια, όταν τα μυϊκά κύπαρα συστέλ/ονται και όταν τα κύπαρα αλ/άΖουν σχήμα κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης ενός εμβρύου.
Χωρίς τον κυπαροσκελετό, οι πληγές δεν θα επουλώνονταν ποτέ, οι μύες θα ήταν άχρηστοι και τα σπερμαΤΟΖωάρια δεν θα έφταναν ποτέ στο ωάριο.
Το εσωτερικό του κυπάρου βρίσκεται σε διαρκή κίνηση και ο κυπαροσκε λετός παρέχει τα μηχανικά μέσα για τις ενδοκυπάριες κινήσεις όπως είναι η
μεταφορά οργανιδίων από μια θέση σε μια άλ/η, το μοίρασμα των χρωμοσω μάτων στα δύο θυγατρικά κύπαρα κατά τη μίτωση και ο διαχωρισμός των Ζωι
κών κυπάρων κατά την κυπαρική διαίρεση. Ο κυπαροσκελετός είναι ιδιαίτερα
εμφανής στα μεγάλα και περίπλοκα ευκαρυωτικά κύπαρα. Ωστόσο, μερικά α πλά συστατικά του κυπαροσκελετού έχουν βρεθεί και στα βακτήρια. Το ευκα ρυωτικό κύπαρο, όπως κάθε εργοστάσιο παραγωγής ενός σύνθετου προϊό
ντος, έχει ένα πολύ οργανωμένο εσωτερικό περιβάλ/ον στο οποίο εξειδικευ μένες λειτουργίες συγκεντρώνονται σε διάφορες περιοχές αλ/ά συνδέονται μεταξύ τους με συστήματα μεταφοράς. Ο κυπαροσκελετός από τη μια μεριά ε λέγχει την ΤOΠOθέrηση των οργανιδίων που εκτελούν αυτές τις λειτουργίες και, από την άλ/η μεριά, εξασφai\ίΖει τη μεταφορά μεταξύ των οργανιδίων.
Ενδιάμεσα ινίδια Τα ενδιάμεσα ινίδια είναι ισχυρά και ανθεκτικά Τα ενδιάμεσα ινίδια προσδίδουν στα κύπαρα μηχανική ισχύ Το πυρηνικό περίβλημα στηρίζεται από ένα πλέγμα ενδιάμεσων ινιδίων Μικροσωληνίσκοι Οι μικρο σωληνίσκοι είναι κοίλοι σωλήνες με διακριτά δομικά άκρα Το κεντροσωμάτιο είναι το κύριο κέντρο οργάνωσης των μικροσωληνίσκων στα ζωικά κύπαρα Η ανάmυξη των μικροσωληνίσκων παρουσιάζει δυναμική αστάθεια Οι μικρο σωληνίσκοι συντηρούνται από μια ισορροπία μεταξύ συναρμολόγησης και αποσυναρμολόγησης Οι μικροσωληνίσκοι οργανώνουν το εσωτερικό του κυπάρου Οι κινητήριες πρωτεΊνες προωθούν την ενδοκυπάρια μεταφορά Τα οργανίδια κινούνται κατά μήκος των μικροσωληνίσκων Τα μαστίγια και οι κροσσοί περιέχουν σταθερούς μικροσωληνίσκους που κινούνται από τη δυνεΊνη Νημάτια ακτίνης Τα νημάτια της ακτίνης είναι λεmά και ευλύγιστα Η ακτίνη και η τουμπουλίνη πολυμερίζονται με παρόμοιους μηχανισμούς Πολλές πρωτείνες συνδέονται με την ακτίνη και τροποποιούν τις ιδιότητές της Ο φλοιός που είναι πλούσιος σε ακτίνη στηρίζει την κυπαρική μεμβράνη των περισσότερων ευκαρυωτικών KUΠάρων Ο ερπυσμός των KUΠάρων εξαρτάται από την ακτίνη Η ακτίνη διασυνδέεται με τη μυοσίνη και σχηματίζει συσταλτικές δομές Η διάταξη των ινιδίων ακτίνης ελέγχεται από εξωκυπάρια σήματα Μυϊκή συσταλή Η μυϊκή συστολή βασίζεται σε δεσμές ακτίνης και μυοσίνης Κατά τη διάρκεια της μυϊκής συστολής τα ινίδια της ακτίνης ολισθαίνουν πάνω στα ινίδια της μυοσίνης Η μυ"ίκή συστολή πυροδοτείται από μια αιφνίδια αύξηση του Ca2 + Τα μυϊκά κύπαρα επιτελούν πολύ εξειδικευμένες λειτουργίες στο σώμα
711
Εικόνα
17-1. Ο κuπαροσκελετός. Ένα κύπαρο επιδερμίδας (ινοβλάστη) σε καλλιέρ Coomassie blue, μια κοινή χρωστική για τις
γεια έχει μονιμοποιηθεί και έχει βαφεί με
πρωτείΥες. Πολλές ινώδεις δομές εκτείνOVΤαι σ' ολόκληρο το κύπαρο. Το σκούρο ωο ειδές σωματίδιο στο KέVΤΡO είναι ο πυρήνας. (Ευγενική προσφορά του
Colin Smith).
Ο κυπαροσκελετός βασίzετaι σ' ένα πλέΥμα που αποτελείτοι από τρία εί δη πρωτεϊνικών ινιδίων: ενδιάμεσα ιvίδια i\nνίσκΟ1 να
(microtubules)
Kaι νnμάτια ή
17-2). Κάθε είδος ινιδίου
(intermediate filaments), μικροσω ινίδιο ακrίvnς (actin filaments) (Εικό
σxηματίzετaι από μιa διaφoρεΤΙKή πρωτεϊνική υ
πομονάδα. Mιa OΙKoyένειa ινωδών πρωτεϊνών σχηματίΖει το ενδιάμεσα ινί διa, η rouμnοui\ίvn
(tubulin) είνaι
η υπομονάδα των μικροσωληνίσκων Kaι η
ακrίνn είνaι η υπομονάδα των νηματίων της ακτίνης. Σε κάθε περίπτωση, χι λιάδες υπομονάδες συναρμoλoyoύvτaι σ' ένα μη διaκλαδιzόμενo πρωτεϊνικό νήμα που συχνά εKτείνετaι σε ολόκληρο το κύπαρο.
Στο Kεφάλaιo αυτό θα εξετάσουμε με τη σειρά τη δομή Kaι λειτουΡΥία
25μm
25
•••
μm
25μm
ΜΙΚΡΟΣΩΛΗΝΙΣΚΟΙ
ΕΝΔΙΑΜΕΣΑ ΙΝΙΔΙΑ
25 nm Τα ενδιάμεσα lνίδια είναι ινίδια που μοιάζουν με
σχοινιά και έχουν διάμετρο περίπου 10 nm. Αποτελούνται από τις πρωτείνες των ενδιάμεσων ινιδίων που συγκροτούν μια μεγάλη και ετερογενή οικογένεια. Ένα είδος ενδιάμεσων
ακτίνης ή τα ενδιάμεσα ινίδια. Οι μικροσωληνί
ινιδίων σχηματίζει ένα δίκτυο που ονομάζεται πυρηνικός υμένας και βρίσκεται κάτω από την
σκοι είναι επιμήκεις και ευθείς και κανονικά το
εσωτερική μεμβράνη του πυρήνα. Άλλα είδη
ένα άκρο τους είναι προσκολλημένο σ' ένα κέντρο οργάνωσης μικροσωληνίσκων που
εκτείνονται διαμέσου του κυπαροπλάσματος και παρέχουν στα κύπαρα μηχανική ισχύ ή ακόμα δέχονται τις μηχανικές πιέσεις σ' έναν επιθηλιακό
ονομάζεται Kενrpoσωμάτιo, όπως φαίνεται και στην εικόνα. (Ευγενική προσφορά της μικρογραφίας από τον Richard Wade).
ιστό διασυνδέοντας το κυπαρόπλασμα
25 nm
25 nm Οι μικροσωληνίσκοι είναι επιμήκεις κοίλοι κύλινδροι που αποτελούνται από την πρωτεί\ιη τουμπουλίνη. Επειδή η εξωτερική διάμετρός τους είναι 25 nm, είναι πιο άκαμmοι από τα ινίδια της
Τα νημάτια της ακτίνης (γνωστά επίσης και ως μικροϊνίδισ) είναι ελικοειδή πολυμερή της
πρωτε'ί\ιης ακτίνη. Εμφανίζονται ως εύκαμmες δομές με διάμετρο περίπου 7 nm που οργανώ νονται σε ποικίλες γραμμικές δέσμες ως δισδιάστατα δίκτυα ή και τρισδιάστατα
πηκτώματα. Παρότι τα νημάτια της ακτίνης είναι διασκορπισμένα σε όλο το κύπαρο, έχουν μεγάλη συγκέντρωση στον φλοιό, κάτω ακριβώς από την κυπαρική μεμβράνη. (Ευγενική προσφορά της μικρογραφίας από τον
Roger
Craig).
γειτονικών κυπάρων με μια χασματοσύνδεση.
(Ευγενική προσφορά της μικρογραφίας από τον
Roy Quinlan.)
Εικόνα
17-2. Τα τρία
είδη των πρωτεϊνικών ινιδίων που σχηματίζουν τον κυπαροσκελετό. Τα κύπαρα που απεΙKOνίζOVΤαι είναι επιθηλια
κά κύπαρα που επενδύουν το έVΤερO.
712
Κεφάλαιο 17: Κυτταροσκελετός
των τριών ειδών των δικτύων τα οποία αποτελούνται από πρωτεϊνικά lνίδια, αρχίΖοντας από τα ενδιάμεσα lνίδια που παρέχουν μηχανική αντοχή στα κύτ ταρα. Θα δούμε επίσης πώς ο κυπαροσκελετός της ακτίνης προσφέρει την
κινητήρια δύναμη σε μια έρπουσα lνοβλάστη και πώς κυπαρικά εξαρτήματα
που αποτελόύνται από μlκροσωληνίσκους προωθούν τα κινούμενα κύπαρα, όπως τα πρωτόΖωα και το σπερμαΤΟΖωάριο.
Ενδιάμεσα ινίδια Τα ενδιάμεσα ινιοιο έχουν μεγάλη ελαστική δύναμη και η σπουδαιότερη λειτουργία τους είναι η εξασφάλιση της αντοΧής των κυπάρων σε μηχανική πίεση. ΟνομάΖΟνται «ενδιάμεσα» επειδή η διάμετρός τους (περίπου
10 nm)
είναι μεγαλύτερη από τη διάμετρο των λεπτών ινιδίων που περιέχουν ακτίνη και μικρότερη από τη διάμετρο των παΧύτερων ινιδίων της μυοσίνης των λεί
ων μυϊκών κυπάρων στα οποία πρωτοανακαλύφθηκαν. Τα ενδιάμεσα lνίδια είναι τα σκληρότερα και τα ανθεκτικότερα από τα τρία είδη ινιδίων του κυπα ροσκελετού: όταν κανείς επεξεργάΖεται τα κύπαρα με πυκνά διαλύματα αλά των και μη ιοντικά απορρυπαντικά, τα ενδιάμεσα lνίδια παραμένουν ενώ το μεγαλύτερο μέρος του υπόλοιπου κυπαροσκελετού καταστρέφεται. Τα ενδιάμεσα ινίδιο βρίσκονται στο κυπαρόπλασμα των περισσότερων Ζωικών κυπάρων. Συνήθως σχηματίΖουν ένα δίκτυο που εκτείνεται σε όλο το κυπαρόπλασμα, περιβάλ/ουν τον πυρήνα και φτάνουν μέχρι την περιφέρεια του κυπάρου. Εκεί, συχνά αγκυροβολούν στην κυπαρική μεμβράνη στα ση μεία σύνδεσης μεταξύ των κυπάρων, όπως τα δεσμοσωμάτια (βλ. Κεφάλαιο
21),
όπου η εξωτερική όψη της μεμβράνης εφάπτεται με τη μεμβράνη ενός
άλ/ου κυπάρου (Εικόνα
17-3).
Ενδιάμεσα lνίδια βρίσκονται επίσης μέσα
στον πυρήνα: σε όλα τα ευκαρυωτικά κύπαρα, ένα δίκτυο ενδιάμεσων ινι δίων, ο πυρηνικός υμένας
(nuclear lamina),
υποστηρίΖει το πυρηνικό περί
βλημα και το ενισχύει
Τα εvδιάμεσα ιvίδια είvαιισχυρά και αvθεκιικά Τα ενδιάμεσα lνίδια μοιάΖουν με σχοινιά, με πολ/ούς μακρείς περιελιγ μένους κλώνους που παρέχουν ελαστική δύναμη. Οι κλώνοι του σχοινιού -οι υπομονάδες των ενδιάμεσων ινιδίων
-
είναι επιμήκεις ινώδεις πρωτεΤνες
που αποτελούνται από μια αμινοτελlκή σφαιρική κεφαλή, μια καρβοξυτελlκή σφαιρική ουρά και μια κεντρική ραβδόμορφη περιοχή (Εικόνα
17 -4Α).
Η
ραβδόμορφη περιοχή αποτελείται από μια εκτεταμένη α-έλικα που επιτρέπει σε Ζεύγη πρωτεϊνών των ενδιάμεσων ινιδίων να σχηματίζουν σταθερά διμε ρή επειδή τυλίγονται το ένα γύρω από το άλ/ο σε μια διαμόρφωση σπειροει
δούς σπειράματος (Εικόνα 17-4Β) όπως περιγράφηκε στο Κεφάλαιο
4. Δύο
από αυτά τα διμερή με τη διαμόρφωση του σπειροειδούς σπειράματος συν δέονται με μη ομοιοπολικούς δεσμούς και σχηματίΖουν ένα τετραμερές (Ει κόνα 17-4Γ). Στη συνέχεια, τα τετραμερή ενώνονται μεταξύ τους με μη ομοι
οπολικούς δεσμούς, είτε εν σειρά (άκρο με άκρο) είτε πλάι-πλάι, και τελικά δημιουργούν το σχοινοειδές ενδιάμεσο ινίδιο (Εικόνες 17-4Δ και Ε).
Ενδιάμεσα lνίδια
713
ενδιάμεσα ινίδια
δεσμοσωμάτιο που διασυνδέει
δύο κύπαρα
5
Εικόνα
μm
17-3. Δίκτυο ενδιάμεσων ινιδίων. (Α) Μικρογραφία ανοσοφθορισμού μιας ομάδας επιθηλιακών κυπάρων σε καλλιέργεια που έ
χουν βαφεί έτσι ώστε ν' αναδειχθεί το δίκτυο των ενδιάμεσων ινιδίων του κυπαροπλάσματος. Τα ινίδια κάθε κυπάρου διασυνδέOVΤαι έμμε σα με τα ινίδια γειτονικών κυπάρων μέσω ειδικών κυπαρικών συνδέσμων που OνOμάζOVΤαι δεσμοσωμάτια (αναφέΡOVΤαι στο Κεφάλαιο 21). (Β) Σχέδιο από μια ηλεκτρονιομικρογραφία μιας διατομής επιδερμίδας, στην οποία φαίνovται οι δέσμες των ενδιάμεσων ινιδίων που διασχί ζουν το κυπαρόπλασμα και εισχωρούν στα δεσμοσωμάτια. (Α. Ευγενική προσφορά του
Michael Klymkowsky. Β. Από: R.v. Krstic, Ultra-
structure of the Mammalian Cell: An Atlas. Berlin: Springer, 1979).
Οι κεντρικές ραβδόμορφες περιοχές των διαφόρων πρωτεϊνών που ορ γανώνονται σε ενδιάμεσα ινίδια μοιάΖουν πολύ στο μέγεθος και στην αλ/η λουχία των αμινοξέων τους, έτσι ώστε όταν συσκευάΖονται σχηματίΖουν πά ντα ινίδια με παρόμοια διάμετρο και εσωτερική δομή. Αντίθετα, η σφαιρική
κεφαλή και οι περιοχές της ουράς που εκτίθενται σων επιφάνεια του ινιδίου συμμετέχουν κυρίως στις αλληλεπιδράσεις με άλλα συστατικά του κυπαρο πλάσματος και παρουσιάΖουν μεγάλη ποικιλομορφία τόσο ως προς το μέγε θος όσο και ως προς την αμινοξική αλ/ηλουχία τους.
Τα ενδιάμεσα lνίδια προσδίδουν στα κύπαρα μηχανική ισχύ Τα ενδιάμεσα ινίδια είναι ιδιαίτερα άφθονα στο κυπαρόπλασμα κυπά ρων που υποβάλ/ονται σε μηχανική πίεση. Για παράδειγμα, αφθονούν κατά μήκος των αξόνων των νευρικών κυπάρων και παρέχουν ουσιαστική εσωτε ρική ενίσχυση σε αυτές τις επιμήκεις και λεπτές κυπαρικές προεξοχές. Είναι επίσης άφθονα σε μυϊκά και επιθηλιακά κύπαρα, όπως στα κύπαρα της επι δερμίδας τα οποία πολύ συχνά υφίστανται ισχυρή μηχανική πίεση. Επειδή
σε όλα αυτά τα κύπαρα τα ενδιάμεσα ινίδια τεντώνονται και κατανέμουν την επίδραση των δυνάμεων που εφαρμόΖΟνται τοπικά, προστατεύουν τα κύπα ρα και τις μεμβράνες τους από τη θραύση που θα προκαλούσε η μηχανική τριβή (Εικόνα
17-5).
Μια παρόμοια αρχή χρησιμοποιείται και στην κατα
σκευή του ενισχυμένου σκυροδέματος και άλλων σύνθετων υλικών στα ο
ποία στοιχεία ανθεκτικά σε πίεση, όπως ατσάλινες ράβδοι, γυαλί και ίνες άν θρακα, ενσωματώνονται σ' ένα χωροδικτύωμα.
714
Κεφάλαιο 17: Κυτταροσκελετός
COOH (Α)
α-ελικοειδής περιοχή
ΝΗ2
COOH
(8) ΝΗ2
COOH 48 nm
Ι-
~ ΝΗ2 CO~NH2 NH2
(η
.1
COOH
_
COOH
ΝΗ2
διαβαθμισμένο τετραμερές δύο διμερών σπειροειδών σπειραμάτων
δύο συναρμολογημένα τετραμερή
(Δ)
οκτώ τετραμερή περιελιγμένα σαν σχοινί
10 nm
Εικόνα
17·4.
Η κατασκευή ενός ενδιάμεσου ινιδίου. Το πρωτε'ίνικό μονομερές (φαίνεται στο (Α)) του ενδιάμεσου ινιδίου αποτελείται από
ένα κεντρικό ραβδόμορφο τμήμα με σφαιρικές περιοχές σε κάθε άκρο. Ζεύγη μονομερών συνδέονται και σχηματίζουν ένα διμερές (Β). Στη
συνέχεια, δύο διμερή ευθυγραμμίζονται έτσι ώστε να σχηματιστεί ένα κλιμακωτό τετραμερές (η . Τετραμερή μπορεί να συσκευαστούν άκρο με άκρο (το ένα μετά το άλλο) όπως φαίνεται στο (Δ) και να συναρμολογηθούν σε μια ελικοειδή κατασκευή (εδώ φαίνεται απλωμένη σ' ένα επίπεδο για λόγους ευκρίνειας) που δημιουργεί το τελικό ραβδόμορφο ενδιάμεσο ινίδιο (Ε). Μια ηλεκτρονιομικρογραφία του τελικού ινιδί ου των 1Ο
nm φαίνεται
στο πάνω αριστερό τμήμα της εικόνας. (Η ηλεκτρονιομικρογραφία είναι ευγενική προσφορά του
τέντωμα ενός
τέντωμα ενός στρώματος
j
KUΠάρων που περιέχουν
1
ενδιάμεσα ινίδιο
\\/,/
•
"7 • ----=------"',
ΤΑ ΚΥΠΑΡΑ ΠΑΡΑΜΕΝΟΥΝ ΑΘΙΚΤΑ ΣΕ ΕΠΑΦΗ
Εικόνα
17-5. Τα
Roy Quinlan).
C".
στρώματος KUΠάρων
χωρίς ενδιάμεσα ινίδια
'ι
,\
>.: --.--
\//
-;-.
«
---=----"--- ----===-----==--------"=~-.<::=:......
>-,
ΡΗΞΗ ΚΥΠΑΡΩΝ
ενδιάμεσα ινίδια ενισχύουν τα ζωικά κύπαρα. Όταν ένα στρώμα επιθηλιακών κυπάρων τεντώνεται από εξωτερικές δυ
νάμεις (που οφείλονται για παράδειγμα στην κυπαρική ανάmυξη ή στις κινήσεις των γειτονικών ιστών), τότε το δίκτυο των ενδιάμεσων ινι
δίων και των συνδέσμων των δεσμοσωματίων που εκτείνονται σε όλο το στρώμα, αναmύσσουν πίεση που περιορίζει το τέντωμα. Εάν υπήρ χαν μόνο οι σύνδεσμοι των δεσμοσωμάτων, τότε οι ίδιες δυνάμεις θα προκαλούσαν σημαντική παραμόρφωση των KUΠάρων μέχρι του βαθ μού να προκαλέσουν ακόμα και τη ρήξη της KUΠαΡΙKής μεμβράνης.
Ενδιάμεσα lνίδια
715
Εικόνα
17-6. Οι
κύριες κατηγορίες ενδιάμε
ΕΝΔΙΑΜΕΣΑ ΙΝΙΔΙΑ
σων ινιδίων.
•
ΠΥΡΗΝΙΚΑ
Ι
κερατίνες
βιμεντίνη
νευρο'ίνίδια
σε επιθήλια
σε συνδετικό ιστό, μυΙκά κύπαρα και κύπαρα νευΡΟΥλοίας
σε νευρικά κύπαρα
πυρηνικές λαμίνες σε όλα τα εμπύρηνα κύπαρα
Τα ενδιάμεσα ινίδια του κυτταροπλάσματος μπορεί να ομαδοποιηθούν σε τρεις κατηγορίες: κύτταρα, μεvrfvnς
(1)
ιvfδιο κερατfvnς
(keratin filaments) σε επιθηλιακά (vimentin filaments) και ιvfδια συναφή τnς 6ι
(2) ιvfδια 6ιμεvrfvnς (vimentin-related) σε κύτταρα του συνδετικού
ιοιού, σε μυϊκά κύττα
ρα και οιηρικτικά κύτταρα του νευρικού συοιήματος (κύτταρα της νευρογλοί
ας) και
(3) vευροϊvfδια (neurofilaments) σε νευρικά κύτταρα. Τα ινίδια κάθε
κατηγορίας σχηματίΖΟνται με πολυμερισμό των αντίοιοιχων πρωτεϊνικών υ
πομονάδων (Εικόνα
17-6).
Η πιο ετερογενής οικογένεια είναι η οικογένεια των κερατινών. Για πα ράδειγμα, σε διαφορετικά επιθήλια υπάρχουν διαφορετικές ομάδες κερα
τινών: μια ομάδα οια κύτταρα που επενδύουν το έντερο και μια διαφορετι κή ομάδα οια επιδερμικά στρώματα του δέρματος. Ειδικές κερατίνες βρί σκονται οια μαλ/ιά οια φτερά και οια νύχια. Σε κάθε περίπτωση, τα lνίδια της κερατίνης σχηματίΖΟνται από ένα μείγμα διαφόρων υπομονάδων κε ρατίνης. Συνήθως, τα lνίδια της κερατίνης διαπερνούν το εσωτερικό των ε
πιθηλιακών κυττάρων από τη μια άκρη οιην άλ/η και τα lνίδια γειτονικών
επιθηλιακών κυττάρων διασυνδέOVΤ01 έμμεσα μέσω κυτταρικών συνδέ σμων που ονομάΖΟντΟ1 δεσμoσωμάrια και αναφέρονται οιο Κεφάλαιο
19.
(desmosomes)
(βλ. Εικόνα
17-3)
Τα άκρα των ινιδίων της κερατίνης α
γκυροβολούν οια δεσμοσωμάτια και τα ινίδια συνδέονται πλευρικά με άλ λα συστατικά του κυττάρου μέσω των σφαιρικών κεφαλών και των περιο Χών της ουράς που προεξέχουν από την επιφάνεια του συναρμολογημέ νου lνιδίου. Αυτή η δικτύωση, που έχει μεγάλη εκτατική δύναμη και σχη-,
ματίΖεταl από τα lνίδια σε όλο το επιθηλιακό οιρώμα, κατανέμει την πίεση που εφαρμόΖεται στο δέρμα όταν τεντώνετΟ1. Η σημασία αuτής της λει τουργίας αναδεlκνύετΟ1 από τη σπάνια κληρονομική ασθένεια του ανθρώ που που ονομάΖεται φυσαiΊιδώδnς επιδερμόiΊυσn
simplex), οιην οποία οι μεταλ/άξεις
(epidermolysis bullosa
γονιδίων της κερατίνης επηρεάΖουν το
σχηματισμό των ινιδίων της κερατίνης οιην επιδερμίδα. Έτσι, το δέρμα εί νΟ1 πολύ ευαίσθητο σε μηχανική κάκωση και ακόμα και μια ήπια πίεση
μπορεί να σπάσει τα κύτταρα προκαλώντας φουσκάλες οιο δέρμα. Πολ/ά από τα ενδιάμεσα ινίδια οιαθεροποιούνται περαιτέρω και ισχυρο
ποιούνται από επικουρικές πρωτείνες που διασυνδέουν τις δέσμες των ινιδίων σε ισχυρά αθροίσματα. Μια ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα πρωτείνη αυτής της κατη-
716
Κεφάλαιο 17: Κυτταροσκελετός
0.5
μm
Εικόνα 17·7. Η πλεκτίνη συμβάλλει στο σχηματισμό δεσμίδων από ενδιάμεσα ινίδια και συνδέει αυτά τα ινίδια με άλλα δίκτυα πρωτεϊ νών του κυπαροσκελετού. Η πλεκτίνη (με πράσινο χρώμα) συνδέει τα ενδιάμεσα ινίδια (μπλε) με άλλα ενδιάμεσα ινίδια, μικροσωληνίσκους (κόκκινο) και ινίδια ακτίνης (δεν εικονίζονται), Στη συγκεκριμένη ηλεκτρονιομικρογραφία, τα κίτρινα στίγματα είναι σωματίδια χρυσού προσ δεδεμένα σε αντισώματα που αναγνωρίζουν την πλεκτίνη. Το δίκτυο των ινιδίων της ακτίνης έχει αφαιρεθεί ώστε ν' αποκαλυφθούν αυτές οι πρωτε'ίνικές συνδέσεις, (Από: Τ.Μ, Svitkina και G,G, Borisy, J. Ce/l ΒίοΙ. 135:991-1007, 1996, © The Rockefeller University Press),
γορίας είναι η πiΊεκrlνπ
(plectin).
Η πλεκτίνη συγκρατεί δέσμες ενδιάμεσων ι
νιδίων (ιδίως της βιμεντίνης) και επιπλέον συνδέει τα ενδιάμεσα ινίδια με μι κροσωληνίσκους, ινίδια ακτίνης και δομές συγκόλ/ησης των δεσμοσωματίων
(Εικόνα
17-7). Στον άνθρωπο,
οι μεταλ/άξεις του γονιδίου της πλεκτίνης προ
Ερώmσn
17-1
καλούν ένα βαρύ νόσημα που συνδυάΖει χαρακτηριστικά απλής φυσαλιδώ
Ποιο από τα επόμενα είδη
δους επιδερμόλυσης (οφεωεται σε διαταραχή της κερατίνης του δέρματος),
κυπάρων αναμένετε ότι πε
μυϊκής δυστροφίας (οφεωεται σε διαταραχή των ενδιάμεσων ινιδίων στους
ριέχει μεγάλη πυκνότητα
μυς) και νευΡOεKφύλισnς (οφεωεται σε διαταραχές των νευροϊνιδίων). Στον
ενδιάμεσων ινιδίων στο κυτ
ποντικό, η έλ/ειψη λειτουργικού γονιδίου πλεκτίνης προκαλεί το θάνατο μέσα
ταρόπλασμά του; Να εξηγή
σε λίγες ημέρες από τη γέwησn. Τα πάσχοντα Ζώα εμφανίζουν φυσαλίδες στο
σετε την απάντησή σας.
δέρμα και ανωμαλίες των σκελετικών μυών και του μυοκαρδίου. Συνεπώς,
Α.
Β. Ένα επιθηλιακό κύπαρο του δέρμα
προσφέρει στα κύπαρα την ισχύ που χρειάΖΟνται για ν' αντέξουν τις μηχανικές
πιέσεις που είναι συνυφασμένες με τη Ζωή των σπονδυλωτών.
αμοιβάδα που
διαβιώνει ελεύθερη)
φαίνεται ότι η πλεκτίνη ίσως δεν είναι αναγκαία για τον αρχικό σχηματισμό των ενδιάμεσων ινιδίων. Ωστόσο, Χάρη στη διασύνδεση των ινιδίων που επιτελεί,
Amoeba proteus (μια
•
τος
Γ. Ένα λείο μυϊκό κύπαρο της πεπτικής
οδού
Το πυρηνικό περίβλημα σΙηρίΖειοι από ένα πλέγμα
Δ.
ενδιάμεσων ινιδίων
Ε. Ένα νευρικό κύπαρο του νωτιαίου
Ενώ τα ενδιάμεσα ινίδια του κυπαροπλάσματος είναι ραβδόμορφα, τα ενδιάμεσα ινίδια που καλύπτουν και στηρίΖουν την έσω επιφάνεια της εσω τερικής πυρηνικής μεμβράνης είναι οργανωμένα σ' ένα διδιάστατο δίκτυο
Escherichia coli μυελού
Ζ. Ένα σπερμαΤΟΖωάριο Η. Ένα φυτικό κύπαρο
(Εικόνα
17-8). Τα ενδιάμεσα ινίδια αυτού του σκληρού πυρηνικού υμένα (nuclear lamina) κατασκευάΖΟνται από μια κατηγορία πρωτεϊνών των ινιδίων
που ονομάΖΟνται iΊαμlνες (δεν πρέπει να συγχέονται με τη iΊαμlνlνπ, η οποία είναι μια πρωτε'ϊνη του εξωκυπάριου στρώματος). Αντίθετα από τα κυπαρο πλασματικά ενδιάμεσα ινίδια πολ/ών κυπάρων που είναι πολύ σταθερά, τα ενδιάμεσα ινίδια του πυρηνικού υμένα αποσυναρμολογούνται και ανασχη ματίΖΟνται σε κάθε κυπαρική διαίρεση, όταν το πυρηνικό περίβλημα σπάΖει σε κομμάτια κατά τη διάρκεια της μίτωσης και επανασχηματίΖεται σε κάθε θυ γατρικό κύπαρο (βλ. Κεφάλαιο
19). Ενδιάμεσα lνίδια
717
ΚΥΠΑΡΟΔΙΜΥΜΑ
πυρηνικό περίβλημα
χΡωματίνη
(Α)
Εικόνα
17-8. Τα
ενδιάμεσα ινίδια που βρίσκονται κάτω από την πυρηνική μεμβράνη. (Α) Σχηματική διατομή του πυρηνικού περιβλήμα
τος. Τα ενδιάμεσα ινίδια του πυρηνικού υμένα επενδύουν την εσωτερική όψη του πυρηνικού περιβλήματος και θεωρείται ότι παρέχουν τις θέσεις πρόσδεσης της χΡωματίνης.
(6)
Ηλεκτρονιομικρογραφία ενός τμήματος του πυρηνικού υμένα από ένα ωοκύπαρο βατράχου. Ο υ
μένας σχηματίζεται από ένα τετραγωνισμένο πλέγμα ενδιάμεσων ινιδίων που αποτελούνται από λαμίνες. (Ο πυρηνικός υμένας άλλων κυτ ταρικών ειδών δεν είναι πάντοτε τόσο συμμετρικά οργανωμένος όσο φαίνεται σε αυτήν την εικόνα). (6, ευγενική προσφορά του Ueli Aebi).
(Α)
ΚΥΠΑΡΟ ΣΕ ΜΕΣΟΦΑΣΗ
Η αποσυναρμολόγηση και ο επαναΣXημαίlσμός του πυρηνικού υμένα ε
λέγχεται με φωσφορυλίωση και αποφωσφορυλίωση των λαμινών από πρω τεϊνικές κινάσες (αναφέρεται στο Κεφάλαιο
4).
Όταν οι λαμίνες φωσφορυ
λιώνονται, αλ/άΖουν διαμόρφωση με αποτέλεσμα να εξασθενίζει η σύνδεση κεντροσωμάτιο
μεταξύ των τετραμερών και ν' αποδιατάσσεται το ινίδιο. Η αποφωσφορυλίω ση στο τέλος της μίτωσης προκαλεί την επανασυναρμολόγηση των λαμινών
(8)
ΔΙΑΙΡΟΥΜΕΝΟ ΚΥΠΑΡΟ
(βλ. Εικόνα
19-18).
Μικροσωλnνίσκοι Οι μΙKΡOσωλnνίσκoι έχουν κρίσιμο οργανωτικό ρόλο σε όλα τα ευκα ρυωίlKά κύπαρα. Είναι μακρείς και σχετικά άκαμπτοι πρωτεϊνικοί κοίΛοι σω πόλοι της μιτωτικής
ατράκτου
(η
λήνες οι οποίοι μπορούν ν' αποσυναρμολογούνται γρήγορα σε μια θέση και να συναρμολογούνται σε μιαν άλλη. Σ' ένα τυπικό Ζωικό κύπαρο, οι μικρο
ΚΡΟΣΣΩΤΟ ΚΥΠΑΡΟ
σωληνίσκοι αναπτύσσονται από μια μικρή δομή που βρίσκεται κοντά στο κέ ντρο του κυπάρου και ονομάΖεται κεντροσωμάπο. Εκτείνονται προς την πε
ριφέρεια του κυπάρου και δημιουργούν ένα σύστημα τροχιών μέσα στο κύτ ταρο, κατά μήκος των οποίων μπορούν να μετακινηθούν κυστίδια, οργανί δια και άλ/α συστατικά του κυπάρου (Εικόνα 17-9Α). Οι μικροσωληνίσκοι καθώς και άλ/α συστήματα κυπαροπλασματικών μικροσωληνίσκων αποτε βασικό
λούν το τμήμα του κυπαροσκελετού που είναι κυρίως υπεύθυνο για τον κα
σωμάτιο
Εικόνα
17-9.
-
Οι τρεις εντοπίσεις των μικρο
σωληνίσκων στα ευκαρυωτικά κύπαρα. Αντί
θορισμό της θέσης των μεμβρανικών οργανιδίων μέσα στο κύπαρο και για την καθοδήγηση της ενδοκυπάριας μεταφοράς. Όταν ένα κύπαρο εισέρχεται στη φάση της μίτωσης οι μικροσωληνίσκοι
του κυπαροπλάσματος αποσυναρμολογούνται και μετά ανασυγκροτούνται σε μια περίπλοκη δομή που ονομάΖεται μπωπκή άτρακτος
θετα από τα ενδιάμεσα ινίδια, οι μικροσωληνί
Όπως αναφέρεται στο Κεφάλαιο
σκοι (σκούρο πράσινο) συνήθως προεκβάλ
σμό που θα διαχωρίσει εξίσου τα χρωμοσώματα στα δύο θυγατρικά κύπαρα
λουν από ένα κέντρο οργάνωσης όπως (Α) ένα κεντροσωμάτιο,
(6)
έναν πόλο ατράκτου ή (η
το βασικό σωμάτιο μιας βλεφαρίδας.
718
Κεφάλαιο 17: Κυτταροσκελετός
19, η μιτωίlKή
(mitotic spindle).
άτρακτος παρέχει το μηχανι
ακριβώς πριν από την κυπαρική διαίρεση (Εικόνα 17-9Β). Οι μικροσωληνί σκοι μπορούν επίσης να σχηματίσουν μόνιμες δομές, όπως για παράδειγμα,
ης τριχοειδείς δομές που χτυπούν ρυθμικά και ονομάΖΟνται και μασrfγιο
(flagella)
(Εικόνα
17 -9Γ).
Kpoaaof{cilia)
Οι δομές αυτές προεκβάλ/ουν από
την επιφάνεια πολ/ών ευκαρυωηκών κυπάρων, 10 οποία ης χρησιμοποιούν ως μέσο προώθησης ή για να σαρώνουν υγρό πάνω από ων κυπαρική επι φάνεια. Ο «πυρήνας» ενός ευκαρυωηκούκροσσού ή μαστιγίου είναι μια πο λύ οργανωμένη και σταθερή δεσμίδα από μικροσωληνίσκους.(Τα μαστίγια
των βακωρίων έχουν τελείως διαφορεηκή δομή και λεΙ1Ουργούν ως μέσα προώθησηςμε διαφορεηκόμηχανισμό).
Σ1Ο ψήμα αυτό πρώ1Ο θα εξετάσουμεω δομή και ω συναρμολόγηση
των μικροσωληνίσκωνκαι στη συνέχεια θ' αναφερθούμεστο ρόλο 1Ους στην οργάνωση1Ου κυπαροπλάσμα1Ος.Η οργανωηκή λεlΙουργία1Ους εξαρτά1ΟΙ από ω διασύνδεσηΤων μικροσωληνίσκωνμε επικουρικέςπρωτε'ϊνες, ειδικό τερα ης κιvηrnριεςπρωrεΤvεςπου προωθούν 10 οργανίδια κατά μήκος των τροχιών 1Ου κυπαροσκελε1Ού.Τέλος, θ' αναφερθούμεστη δομή και ω λει 1Ουργία των κροσσών και των μαστιγίων, στα οποία οι μικροσωληνίσκοιεί ναι μόνιμα συνδεδεμένοιμε κινπιήριες ΠΡωΙε'ϊνες που ισχυροποιούν10 χιύ πημά 1Ους.
Οι μικροσωλnνίσκοιείναι κοίλοι σωλήνες με
διακριτά δομικά άκρα Οι μικροσωληνίσκοι σχημωίΖονται από υπομονάδες τουμπουλίνnς
(tubulin).
Κάθε υπομονάδα είναι ένα διμερές που αποτελεί1ΟΙ από δύο πα
ρόμοιες σφαιρικές πρωτε'ϊνες που ονομάΖΟνται 0-1ΟvμποviΊfvη και
B-1OV-
μπουiΊfvη και συνδέον1ΟΙ ισχυρά με1Οξύ ιους με μη ομοιοπολικούς δε σμούς. Οι υπομονάδες ως 1Ουμπουλίνης επίσης επιστοιβάΖονται με1Οξύ 1Ους με μη ομοιοπολικούς δεσμούς και σχηματίΖουν 10 1Οίχωμα 1Ου κυλιν δρικού κοίλου μικροσωληνίσκου.Τελικά η κα1Οσκευή έχει ω μορφή ενός
κυλίνδρου που αποτελεί1ΟΙ από
ts),
13 παράλληλα
πρωτοϊvfδιο
(protofilamen-
δηλαδή γραμμικές αλυσίδες υπομονάδων 1Ουμπουλίνης σε όλο 10 μή
κος των οποίων εναλ/άσσονταιυπομονάδεςα- και β-1Ουμπουλίνης(Εικόνα
17-10).
Κάθε πρω1Οϊνίδιο έχει μια δομική πολικόω1Ο: η α-1Ουμπουλίνη ε
κτίθε1ΟΙ στο ένα άκρο και η β-1Ουμπουλίνη στο άλ/ο. Αυτή η πολικότητα, 10 κοιευθυντήριοβέλος που είναι ενσωμοιωμένοστη δομή, είναι ίδια σε όλα 10 πρω1Οϊνίδια και προσδίδει δομική πολικόω1Ο στον μικροσωληνίσκοως
σύνολο. Το ένα άκρο 1Ου μικροσωληνίσκου,που θεωρεί1ΟΙ 10 άκρο ως β 1Ουμπουλίνης, ονομάΖε1ΟΙ avv άκρο και 10 άλ/ο, ως α-1Ουμπουλίνης,ονο
μάΖε1ΟΙ niΊnv άκρο.
Ένας μικροσωληνίσκοςαυξάνει από έναν αρχικό δακτύλιο 13 μορίων 1Ουμπουλίνης: 10 διμερή ως 1Ουμπουλίνηςπροστίθεν1ΟΙξεχωριστά και οικο δομούν σταδιακά1Ον κοίλο σωλήνα. Ιη
vitro, σε πυκνό διάλυμα
καθαρής 1Ου
μπουλίνης, 10 διμερή ως 1Ουμπουλίνηςπροστίθενται και στα δύο άκρα ενός αυξανόμενουμικροσωληνίσκου,αν και στο συν άκρο προστίθεν1ΟΙπιο γρήγο ρα απ' ό,η στο πλην άκρο (γι' αυτό 10 λόγο αρχικά πήραν και την ονομασίασυν
και πλην άκρα). Η πολικόω1Ο1Ου μικροσωληνίσκου,10 γεγονός δηλαδή όη η δομή 1Ου έχει μια συγκεκριμένηκαΤεύθυνση, με δύο άκρα που έχουν διαφο-
Μικροσωληνίσκοι
719
Εικόνα
17-10.
Οι μlκροσωληνίσκοι είναι κοί
~β
λοι σωλήνες από τοuμποuλίνη. (Α) Σχεδιά γραμμα ενός μορίου τουμπουλίνης (ένα διμε ρές αβ) και ενός πρωτο"ίνιδίου και η τοποθέτη
α
σή του στο τοίχωμα του μικροσωληνίσκου. Πα
ετεροδιμερές τουμπουλίνης (= υπομονάδα μικροσωληνίσκου)
ρατηρείστε ότι όλα τα μόρια της τουμπουλί
νης είναι διευθετημένα στα πρωτο'ίνίδια με τον ίδιο προσανατολισμό έτσι ώστε ο μικροσωλη νίσκος να έχει μια καθορισμένη δομική πολικό
(Δ)
L--.J 10 nm
πρωτο'ίνίδιο
τητα. (Β και Γ). Σχηματικά διαγράμματα ενός μικροσωληνίσκου στα οποία φαίνεται ο τρό
ζ-'..~ _ Ξ ~_=_=-;: =~ r-
πος τοποθέτησης της τουμπουλίνης στο τοί χωμα του μικροσωληνίσκου. (Β) Τα
13
- r -r"1
Ι
συν
ι
άκρο
ι
μόρια
Ι Ι
σε διατομή. (Γ) Μια πλευρική άποψη ενός μι
Ι Ι
κρού τμήματος ενός μικροσωληνίσκου με τα
Ι Ι
μόρια της τουμπουλίνης διατεταγμένα σε σει
Ι
ρές ή πρωτο"ίνίδια. (Δ) Διατομή ενός μικροσω
ι
Ι
ι
ληνίσκου στην οποία διακρίνεται ο δακτύλιος των
13 ξεχωριστών
ι ι
υπομονάδων, η καθεμία α
1
ι ι
πό τις οποίες αντιστοιχεί σ' ένα ξεχωριστό δι μερές τουμπουλίνης. (Ε) Κατά μήκος άποψη
ι ι
ι ι
μικροσωληνίσκου στο ηλεκτρονικό μικροσκό
ι ι
πιο. (Δ. Ευγενική προσφορά του Rίchard Lίnck.
Ι
Ε. Ευγενική προσφορά του
Ι
50 nm
ι
ι Ι
Richard Wade).
Ι Ι Ι
ι ι ι
ι
(Α)
-L_
__ I_J .....
J
πλην
άκρο (η μικροσωληνίσκος
(Ε)
50 nm
ρετική χημική οντότητα και συμπεριφέρονται διαφορετικά, είναι κρίσιμη τόσο
για τη συναρμολόγηση των μικροσωληνίσκων όσο και για τη λειτουργία τους.
Εάν οι μικροσωληνίσκοι δεν είχαν πολικότητα, δεν θα μπορούσαν για παρά δειγμα να καθορίσουν την κατεύθυνση της ενδοκυπάριας μεταφοράς.
Το κεντροσωμάIlΟ είναι το κύριο κέντρο οργάνωσης των
μικροσωληνίσκων σΙα Ζωικά κύπαρα Στα κύπαρα, οι μικροσωληνίσκοι εκβλασταίνουν από εξειδικευμένα κέ
Epώmσn
•
17-2
Γιατί νομίζετε ότι είναι πολύ
ντρα οργάνωσης τα οποία ελέγχουν τον αριθμό, την εντόπιση και τον προ
σανατολισμό τους στο κυπαρόπλασμα. Για παράδειγμα, στα Ζωικά κύπαρα
ευκολότερο να προστεθεί
το KΕVΤΡOσωμάτιo, που συνήθως εντοπίΖεται στη μια πλευρά του πυρήνα ό
τουμπουλίνη σε προϋπάρ
ταν το κύπαρο δεν βρίσκεται στη μίτωση, οργανώνει τη συστοιΧία των μικρο
χοντες μικροσωληνίσκους
σωληνίσκων που απλώνονται ακτινωτά από αυτό το σημείο σε όλο το κυπα
από το να δημιουργηθεί έ
ρόπλασμα (βλ Εικόνα 17-9Α). Τα κεντροσωμάτια περιέχουν εκατοντάδες
νας νέος μικροσωληνίσκος
δομές σε σχήμα δακτυλίου που αποτελούνται από ένα άλ/ο είδος τουμπου
από την αρΧή; Εξηγείστε πώς η γ-του
λίνης, την γ-τουμπουλίνη. Κάθε δακτύλιος γ-τουμπουλίνης χρησιμεύει ως
μπουλίνη στο κεντροσωμάτιο βοηθά ώ
θέση εκκίνησης ή θέσΩ εμnvρnvωσnς
στε να ξεπεραστεί αυτό το εμπόδιο.
νός μικροσωληνίσκου (Εικόνα 17-11Α). Τα διμερή της αβ-τουμπουλίνης
(nucleation site)
για την ανάπτυξη ε
προστίθενται στο δακτύλιο της γ-τουμπουλίνης με ειδικό προσανατολισμό, με αποτέλεσμα το πλην άκρο κάθε μικροσωληνίσκου να ενσωματώνεται στο κεντροσωμάτιο και η ανάπτυξη να γίνεται μόνο στο συν άκρο, δηλαδή το ά κρο που προσανατολίΖεται προς τα έξω (Εικόνα
720
Κεφάλαιο 17: Κυτταροσκελετός
17-118).
Εικόνα θέσεις εμπυρήνωσης (δακτύλιοι γ-τουμπουλίνης)
0(\ ο
°rCJ>ci~
ς,
()
•
<>
l
της τουμπουλί
ράσταση στην οποία φαίνεται ότι ένα κεντρο
σωμάτιο αποτελείται από ένα άμορφο στρώμα πρωτε'ίνης που περιέχει δακτυλίους της γ-το υ
μπουλίνης οι οποίοι αποτελούν τις θέσεις ε
<>
>Ά: ~(:\~ : ~
17-11. Πολυμερισμός
νης σ' ένα κεντροσωμάTlΟ. (Α) Σχηματική πα
μπυρήνωσης για την αύξηση του μικροσωληνί
++~(\.:~++
00
Q
ο
ζεύγος KεVΤριδίων
+ (Β)
(Α)
+
μικροσωληνίσκοι αναmυσσόμενοι από τις θέσεις εμπυρήνωσης του KεVΤΡOσωματίOυ
σκου. Στα ζωικά κύπαρα, το κεντροσωμάτιο περιέχει ένα ζεύγος κεντριδίων, που το καθένα αποτελείται από μια κυλινδρική διάταξη μι κρών μικροσωληνίσκων. (Β) Ένα κεντροσωμά
τιο με προσκολλημένους μικροσωληνίσκους. Το πλην άκρο κάθε μικροσωληνίσκου μετά την ανάmυξή του από τον δακτύλιο εμπυρήνωσης ενσωματώνεται στο κεντροσωμάτιο, ενώ το συν άκρο κάθε μικροσωληνίσκουείναι ελεύθε ρο στο κυπαρόπλασμα.
Οι δακτύλιοι Της γ-1Ουμπουλίνης 1Ου κενφοσωματίου δεν πρέπει να συγ
Χέον1ΟΙ με 10 κενφίδιο (centrioles), περίεργες δομές που αποτελούν1ΟΙ από μια κυλινδρική συΟ1οιΧία ΚΟνΤών μικροσωληνίσκων ενσωμοιωμένων 010 κε νφοσωμάηοτων περισσότερωνΖωικών κυπάρων. Τα κενΤρίδια δεν παίΖουν
κανένα ρόλο κοιά Την εμπυρήνωσητων μικροσωληνίσκων010 κενΤροσωμά ηο (αρκούν μόνο οι δακτύλιοιΤης γ-1Ουμπουλίνης)και η λεnουργία1Ους πα ραμένει μυΟ1ήριο, κυρίως επειδή 10 φυηκά κύπαρα δεν περιέχουνκενΤρίδια. Όμως, όπως θα δούμε Ο1η συνέχεια, 10 κενφίδια είναι παρόμοια εάν όχι πα νομοιόωπαμε 10 Βασικά σωμάτιαπου σχημοιίΖουν10 κένφα οργάνωσηςΤων μικροσωληνίσκωνΟ1ους κροσσούς και Ο1α μαΟ1ίγια (βλ. Εικόνα 17-9Γ).
Οι θέσεις εμπυρήνωσης, όπως αυτές που παρέχουν οι δακτύλιοι Της γ 1Ουμπουλίνης 010 κενΤροσωμάηο, είναι απαραίΤητεςγια 1Ους μικροσωληνί σκους εφόσον είναι πολύ δυσκολότερονα ξεκινήσει ένας νέος μικροσωλη νίσκος από 10 μηδέν, συναρμολογών1Οςπρώ1Ο έναν δακτύλιο διμερών αβ 1Ουμπουλίνης, από 10 να προσθέτει 10 διμερή σε μια προϋπάρχουσαδομή μικροσωληνίσκου. In
vitro,
η ελεύθερη και καθαρή αβ-1Ουμπουλίνη, ό1Ον
βρίσκεται σε μεγάλη συγκένΤρωση, πολυμερίΖε1ΟΙ αυθόρμη1Ο. ΩΟ1όσο, 010 ΖωνΤανό κύπαρο, η συγκένΤρωσηΤης ελεύθερης αβ-1Ουμπουλίνηςείναι πο
λύ μικρή για να προωθήσει 10 πρώ1Ο και δύσκολο βήμα Της συναρμολόγη σης1Ου αρχικού δακτυλίου ενός καινούργιουμικροσωληνίσκου.Τα κύπαρα ελέγχουν 10 σχημαησμότων μικροσωληνίσκωνεπειδή διαθέ1Ουν κένΤρα οργάνωσηςπου περιέχουνθέσεις εμπυρήνωσηςκαι κρα1ΟύνΤη συγκένΤρω ση των ελεύθερωνυπομονάδωνΤης αβ-1Ουμπουλίνηςχαμηλή.
Η αvάπτυξη τωv μικροσωληvίσκωvπαρουσιάΖει δυvαμική αστάθεια Μόλις ένας μικροσωληνίσκοςεμπυρηνωθεί, 10 συν άκρο 1Ου συνήθως
αυξάνει από 10 κένΤΡΟ οργάνωσης προς 10 έξω, με προσθήκη υπομονάδων επί πολ/ά λεπτά. Μετά, απρόσμενα, ο μικροσωληνίσκοςυφίΟ1α1ΟΙ μια αλ/α γή που προκαλείΤη γρήγορη συρρίκνωσή1Ου με απώλεια υπομονάδωναπό
Μικροσωληνίσκοι
721
Εικόνα
17-12. Αύξηση
και συρρίκνωση σε μια
διάταξη μικροσωληνίσκων. Η διάταξη των μι κροσωληνίσκων που βρίσκεται σ' ένα κεντρο
σωμάτιο μεταβάλλεται συνεχώς, καθώς και μικροσωληνίσκοι αναπτύσσονται
νούργιοι
(κόκκινα βέλη) και παλιοί μικροσωληνίσκοι συρρικνώνονται (μπλε βέλη).
ω ελεύθερο άκρο ωυ. Μπορεί να συρρικνωθεί μερικώς και τότε, ω ίδιο ξαφ νικά, ν' αυξηθεί πάλι ή να εξαφανιστεί τελείως και ν' αντικατασταθεί από έ ναν νέο μικροσωληνίσκο που θα δημιουργηθεί από ων ίδιο δακτύλιο της γ ωυμπουλίνης (Εικόνα
17-12).
Αυτή η αξιοσημείωτη συμπεριφορά, που είναι γνωστή ως δυναμική αστά θεια, πηγάΖει από την ευγενή ικανότητα των μορίων της ωυμπουλίνης να υ δρολύουν
GTP.
Κάθε ελεύθερο διμερές ωυμπουλίνης περιέχει ένα ισχυρά
συνδεδεμένο μόριο
GTP που υδρολύεται
σε
GDP (ω οποίο όμως ακόμα πα
ραμένει ισχυρά συνδεδεμένο) αμέσως μετά την προσθήκη της υπομονάδας σ' έναν αυξανόμενο μικροσωληνίσκο. Τα μόρια της ωυμπουλίνης που είναι
συνδεδεμένα με
GTP συσκευάΖΟνται
αποτελεσματικά στο ωίχωμα ωυ μι
κροσωληνίσκου, ενώ τα μόρια της ωυμπουλίνης που περιέχουν
GDP έχουν
διαφορετική διαμόρφωση και διασυνδέονται λιγότερο ισχυρά μεταξύ ωυς. Όrαν ο πολυμερισμός γίνεται γρήγορα, τα μόρια της ωυμπουλίνης προ στίθενται στο άκρο ωυ μικροσωληνίσκου με μεγαλύτερη ταΧύτητα από την
ταΧύτητα υδρόλυσης ωυ προσδεδεμένου
GTP,
με αποτέλεσμα ω άκρο ωυ
μικροσωληνίσκου ν' αποτελείται αποκλειστικά από υπομονάδες ωυμπουλί νης με συνδεδεμένο
GTP.
Επειδή οι υπομονάδες τουμπουλίνης με
GTP
προσδένονται ισχυρά μεταξύ ωυς, σχηματίΖουν ένα κάλυμμα στο άκρο ωυ μικροσωληνίσκου, γνωστό ως κάΛυμμα
GTP(GTP cap), ω οποίο
εμποδίΖει
ων αποπολυμερισμό. Σε αυτή την κατάσταση και επειδή ο μικροσωληνίσκος
μπορεί ν' αποπολυμεριστεί μόνο με απώλεια υπομονάδων από το ελεύθερο άκρο ωυ, ο αναπτυσσόμενος μικροσωληνίσκος θα συνεΧίσει ν' aυξάνει. Ό μως, επειδή οι χημικές διεργασίες είναι απρόβλεπτες, συμπτωματικά η ωυ
μπουλίνη ωυ ελεύθερου άκρου ωυ μικροσωληνίσκου μπορεί να υδρολύσει το
GTP πριν
από την προσθήκη της επόμενης ωυμπουλίνης και, έτσι, τα ε
λεύθερα άκρα των πρωωϊνιδίων ν' αποτελούνται τώρα από υπομονάδες ωυ μπουλίνης με
GDP. Αυτό
ευνοεί την αποσυναρμολόγηση. Εφόσον τώρα ο υ
πόλοιπος μικροσωληνίσκος αποτελείται από τουμπουλίνη με GDP, ο αποπο λυμερισμός μόλις αρχίσει θα συνεχιστεί συχνά με καταστροφικό ρυθμό. Ο μικροσωληνίσκος αρχίΖει να συρρικνώνεται γρήγορα και ασταμάτητα και
μπορεί ακόμα να εξαφανιστεί (Εικόνα
17-13).
Τα μόρια της τουμπουλίνης που περιέχουν
GDP και
απελευθερώνονται
κατά τον αποπολυμερισμό του μικροσωληνίσκου προστίθενται στο απόθεμα των μη πολυμερισμένων μορίων στο κυπαροδιάλυμα. Για παράδειγμα, σε μια τυπική ινοβλάστη οποιαδήποτε στιγμή περίπου η μισή ωυμπουλίνη βρί-
722
Κεφάλαιο 17: Κυτταροσκελετός
σκεται στους μικροσωληνίσκους ενώ η υπόλοιπη είναι ελεύθερη στο κυττα ροδιάλυμα και παρέχει ένα απόθεμα υπομονάδων διαθέσιμων για την αύξη ση των μικροσωληνίσκων. (Αυτή η κατάσταση διαφέρει πολύ από την οργά
νωση των πιο σταθερών ενδιάμεσων ινιδίων: εδώ όλες οι υπομονάδες είναι
iHI~lf-'iI-~
με
GTP και
Ι μόρια τουμπουλίνης GTP προστίθενται • στο άκρο του μικροσωληνίσκου
_(J!
,"'Q!>
GDP
έτσι είναι πάλι διαθέσιμα να προστεθούν σ' έναν άλ/ο μικροσω
ληνίσκο που βρίσκεται στη φάση της αύξησης.
μόριο τουμπουλίνης με
flIlJC , Q!>
σχεδόν πλήρως συναρμολογημένες). Στη συνέχεια, τα μόρια της τουμπουλί νης που προστίθενται στη δεξαμενή ανταλ/άσσουν το προσδεδεμένο
--~
- - ~ προσδεδεμένο GTP
~ Ι η προσθήκη γίνεται ταχύτερα • από την υδρόλυση του GTP
rιιιιm;:Q!>
Οι μlκροσωληνίσκοι συντηρούνται από μια ισορροπία μεωξύ
,--~~~-----,I κάλυμμα
συναρμολόγησης και αποσυναρμολόγησης Χάρη στη δυναμική αστάθειά τους, οι μικροσωληνίσκοι υφίστανται συνε
~
GTP
ΑΝΑΠΤΥΣΣΟΜΕΝΟΣ ΜΙΚΡΟΣΩΛΗΝΙΣΚΟΣ
Χώς ταχεία αναδιαμόρφωση. Αυτή η ιδιότητα είναι αποφασιστικής σημασίας
για τη λειτουργία τους, όπως υποδηλώνουν οι δράσεις φαρμάκων που ανα στέλ/ουν τον πολυμερισμό ή τον αποπολυμερισμό της τουμπουλίνης. Ας ε
!
ξετάσουμε τη μιτωηκή άτρακτο, το δίκωο των μικροσωληνίσκων που καθο δηγεί τα χρωμοσώματα κατά τη διάρκεια της μίτωσης (βλ. Εικόνα
17 -9Β).
Ό
πρωτ6ίνίδια που περιέχουν τουμπουλίνη με GDP είναι ασταθή και ξεφλουδίζουν από το τοίχωμα του μικροσωληνίσκου
•
ταν ένα κύτταρο που βρίσκεται στη φάση της μίτωσης εκτεθεί στο φάρμακο
Koi1xlKfvn (colchicine), που προσδένεται ισχυρά στην ελεύθερη τουμπουλίνη και εμποδίΖει τον πολυμερισμό της σε μικροσωληνίσκους, η μιτωηκή άτρα
Ι τουμπουλίνη με GDP αποδεσμεύεται • στο κυπαροδιάλυμα
κτος γρήγορα εξαφανίΖεται και το κύτταρο σταματά στη μέση της μίτωσης, α νίκανο να κατανείμει τα χρωμοσώματά του σε δύο ομάδες. Αυτό αποδεικνύ ει όη η μιτωηκή άτρακτος φυσιολογικά διατηρείται από τη συνεχή ισορροπία
~-~μόριoτoυμπoυλίνης ~~
C$
με προσδεδεμένοGDP
μεταξύ προσθήκης και απώλειας υπομονάδων τουμπουλίνης: αν η προσθή κη της τουμπουλίνης παρεμποδιστεί από την κολχικίνη, η απώλεια της του
Εικόνα
μπουλίνης θα συνεχιστεί έως την εξαφάνιση της ατράκτου. Το φάρμακο raξόiΊn
(taxol)
ΣγΡΡIΚΝΟΥΜΕΝΟΣ ΜΙΚΡΟΣΩΛΗΝΙΣΚΟΣ
έχει την αντίθετη δράση στο μοριακό επίπε
δο. Προσδένεται ισχυρά στους μικροσωληνίσκους και εμποδίΖει την απώ λεια υπομονάδων. Επειδή όμως νέες υπομονάδες μπορούν να προστίθε νται, οι μικροσωληνίσκοι αυξάνουν αλλά δεν μπορούν να συρρικνωθούν. Εντούτοις, παρά ης διαφορές στις μοριακές λεπτομέρειες, η ταξόλη έχει την
17-13.
Πώς η υδρόλυση του
GTP
ε·
λέγχει την ανάπτυξη των μικροσωληνίσκων. Τα διμερή της τουμπουλίνης που περιέχουν
GTP
(κόκκινο) προσδένονται πιο ισχυρά μετα
ξύ τους από τα διμερή που περιέχουν
GDP
(σκούρο πράσινο). Επομένως, οι μικροσωληνί σκοι που έχουν νεοπροστεθειμένα διμερή του μπουλίνης με προσδεδεμένο
GTP
έχουν την
ίδια τελική επίδραση στο κύτταρο με την κολχικίνη και σταματά τα διαιρού
τάση ν' αυξάνουν. Μερικές φορές όμως, ιδίως
μενα κύτταρα στη μίτωση. Η πληροφορία που προκύπτει από τα προηγούμε
γή, οι υπομονάδες με «κάλυμμα
να είναι όη για να λειτουργεί η άτρακτος οι μικροσωληνίσκοι πρέπει να είναι
ουν το
σε θέση όχι μόνο να συναρμολογούνται αλλά και ν' αποσυναρμολογούνται. Η συμπεριφορά της ατράκτου αναφέρεται με περισσότερες λεπτομέρειες στο
Κεφάλαιο
19 όπου
θα εξετάσουμε τη μίτωση.
Η απενεργοποίηση ή καταστροφή της μιτωηκής ατράκτου πιθανόν θανα
τώνει τα δΙάιρούμενα κύτταρα. Τα καρκινικά κύτταρα, τα οποία διαιρούνται
όταν η αύξηση του μικροσωληνίσκου είναι αρ
GTP
σε
GDP πριν
GTP" υδρολύ
προλάβουν να προ
στεθούν νέες υπομονάδες GΤΡ-τουμπουλί νης. Έτσι, το «κάλυμμα» μονάδες που συνδέουν
GTP χάνεται. Οι υπο GDP προσδένονται λι
γότερο ισχυρά μεταξύ τους στο πολυμερές και απελευθερώνονται εύκολα από το ελεύθε ρο άκρο. Έτσι ο μικροσωληνίσκος αρχίζει να συρρικνώνεται αδιάκοπα.
ταχύτερα από τα περισσότερα κύτταρα του σώματος, μπορεί επομένως να
θανατωθούν επιλεκηκά με αvτιμπωΠKά φάρμακα
(antimitotic drugs)
που
σταθεροποιούν ή αποσταθεροποιούν τους μικροσωληνίσκους. Έτσι, φάρ μακα που είναι παράγωγα της κολχικίνης και της ταςόλης χρησιμοποιούνται γ1Ο την αντιμετώπιση του καρκίνου.
Σ' ένα φυσιολογικό κύτταρο, Χάρη στη δυναμική αστάθεια, το κεντρο-
Μικροσωληνίσκοι
723
Εικόνα
17-14.
Η επιλεκτική σταθεροποίηση
των μlκροσωληνίσκων μπορεί να πολώσει έ·
πυρήνας
Kεvτρo-
μικροσω-
καλυπτήρια
σωμάτιο
ληνίσκος
πρωτείνη
ασταθείς μικροσωληνίσκοι
ανθεκτικοί μικροσωληνίσκοι
να κύπαρο. Ένας νεοσχηματισμένος μικρο σωληνίσκος μπορεί να παραμείνει σταθερός
μόνον όταν και τα δύο άκρα του προφυλάσσο νται από αποπολυμερισμό. Στα κύπαρα, τα
πλην άκρα των μικροσωληνίσκων γενικώς προφυλάσσονται από τα κέντρα οργάνωσης απ' όπου και αναmύσσονται τα πρώτα ινίδια.
Τα συν άκρα αρχικά είναι ελεύθερα αλλά μπο ρεί να σταθεροποιηθούν από άλλες πρω τείνες. Εδώ, για παράδειγμα, απεικονίζεται έ να μη πολωμένο κύπαρο (Α), με νέους μικρο
σωμάηο (ή άλ/ο κένφο οργάνωσης) «εκωξεύει» συνεΧώς νέους μικροσω
σωληνίσκους που αναmύσσονται από το κε
ληνίσκους προς διάφορες κοτευθύνσεις, διερευνά ω περιβάλ/ον ή ωυς α
ντροσωμάτο και άλλους που συρρικνώνονται
ποσύρει. Όμως, ένας αυξανόμενος μικροσωληνίσκος μπορεί να πρoσrα
τυχαία προς πολλές κατευθύνσεις. Μερικοί α πό αυτούς τους μικροσωληνίσκους μπορεί τυ χαία να συναντήσουν πρωτε"ίΊιες (καλυmήριες πρωτεΊνες) σε μια εξειδικευμένη περιοχή του κυπαρικού φλοιού, να προσδεθούν σε αυτές
και έτσι να σταθεροποιήσουν τα συν άκρα τους
(8). Αυτή η επιλεκτική
σταθεροποίηση θα
οδηγήσει σ' έναν ταχύ επαναπροσανατολισμό των διατάξεων των μικροσωληνίσκων (η και
θα δημιουργήσει ένα κύπαρο με έντονα πο
τευθεί από ων αποπολυμερισμό όταν ω συν άκρο ωυ, για κάποιο λόγο, σrαθερoΠOΙηθεί μόνιμα εάν συνδεθεί μ' ένα άλλο μόριο ή μια κυτταρική
δομή έΤσΙ ώσrε να εμποδίΖετοι ο αποπολυμερισμός της ωυμπουλίνης. Ό ταν σrαθερoΠOΙηθεί με προσκόλ/ηση σ' ένα δομικό σroιxείo που βρίσκετοι σε μια μακρινή περιοχή ωυ κυττάρου, ο μικροσωληνίσκος δημιουργεί μια σχεηκά σrαθερή επικοινωνία μετοξύ αυτής της δομής και ωυ κενφοσωμα τίου (Εικόνα
17-14) _Το
κενφοσωμάηο μπορεί να παρoμoιασrεί μ' έναν
ψαρά που ρίχνει την πεωνιά: ότον τίποτο δεν δαγκώσει την άκρη της πεω
λωμένο σχήμα (Δ).
νιάς, η πεωνιά αποσύρεται γρήγορα και ρίχνεται ξανά, ότον όμως Τσιμπή
σει ένα ψάρι, η πεωνιά παραμένει τενΤωμένη συνδέΟνΤας ω ψάρι με ων ψαρά. Αυτή η απλή σrρατηγΙKή της Τυχαίας εξερεύνησης και της επιλεκη κής σrαθερoπoίησης δίνει τη δυνοτότητο σro κενΤροσωμάηο και σε άλλα
κένΤρα εμπυρήνωσης να δημιουργήσουν ένα πολύ οργανωμένο σύσrημα
Ερώmσn
μικροσωληνίσκων που συνδέουν επιλεγμένα φήματα ωυ κυττάρου. Ό
17-3
Η δυναμική ασrάθεια προ
•
καλεί την αύξηση ή τη συρ
ρίκνωση Των μικροσωληνί
σκων. Θεωρείσrε ένα μικρο
πως θα δούμε σrη συνέχεια, ω σύσrημα αυτό χρησιμοποιείται για την ε γKOTάσrαση των οργανιδίων.
Οι μlκροσωλnνίσκοι οργανώνουν το εσωτερικό του κυπάρου
σωληνίσκο που βρίσκεται
Τα κύπαρα έχουν την ικανότητα να φοποποιούν τη δυναμική ασrάθεια
σrη φάση της συρρίκνωσης.
των μικροσωληνίσκων ωυς για συγκεκριμένους σκοπούς. Για παράδειγμα,
Α. Τι πρέπει να συμβεί σro άκρο ωυ μι-
όταν τα κύπαρα εισέρχονΤαι σrη φάση της μίτωσης, οι μικροσωληνίσκοι αρ
κροσωληνίσκου ώσrε να σrαμOTήσει
χικά είναι πιο δυναμικοί και μεταπίπωυν συχνότερα από τη φάση αύξησης
να συρρικνώνετοι και ν' αρχίσει ν' αυ
σrη φάση συρρίκνωσης. ΈΤσΙ αποπολυμερίΖΟνΤαι γρήγορα και επανασυ
ξάνει;
ναρμολογούνΤαι, δημιουργώνΤας τη μnωηκή άφακτο. Από την άλ/η μεριά,
Β. Πώς θα επηρέαΖε αυτή Τη μετοφοπή
όταν ένα κύπαρο έχει διαφοροποιηθεί σ' ένα εξειδικευμένο είδος και έχει α
η αλλαγή Της συγκένφωσης της ωυ
ποκτήσει μlO oρισrΙKή τελική δομή, η δυναμική ασrάθεια των μικροσωληνί
μπουλίνης;
σκων συχνά Kατασrέλ/εται από πρωτε'ί'νες που προσδένΟνΤαι σrα άκρα των
Γ. Τι θα συνέβαινε εάν ω διάλυμα περι είχε μόνο
GDP και όχι GTP;
Δ. Τι θα συνέβαινε εάν ω διάλυμα περι είχε ένα ανάλογο ωυ
GTP ω
μικροσωληνίσκων και ωυς σrαθερoπoιoύν. Οι σrαθερoπoιημένoι μικροσω ληνίσκοι χρησιμεύουν για τη διοτήρηση της οργάνωσης ωυ κυπάρου.
οποίο
δεν μπορεί να υδρολυθεί;
Τα περισσότερα διαφοροποιημένα Ζωικά κύπαρα είναι ποΛωμένα: για
παράδειγμα, τα νευρικά κύπαρα προεκβάλ/ουν έναν νευράξονα από ω ένα
άκρο ωυς και δενδρίτες από ω άλ/ο. Τα κύπαρα που έχουν εξειδικευθεί για έκκριση έχουν ης συσκευές
Golgi ωποθετημένες
προς την πλευρά της έκ
κρισης κλπ. Η πολικότητα ωυ κυπάρου είναι μια έκφραση ωυ πολωμένου
724
Κεφάλαιο 17: Κυτταροσκελετός
KUΠαΡΙKό σώμα
)
'-~.J' ••
απόληξη του νευράξονα νευράξονας
••
--~-----""-..-.~-----.. -:.+.
.-
...._-......-
...;;..~~--~
Εικόνα 17-15. Μεταφορά κατά μήκος μικρο σωληνίσκων σ' έναν νευράξονα. Στα νευρικά κύπαρα όλοι οι μικροσωληνίσκοι του νευρά
ξονα (ένας έως μερικές εκατοντάδες) είναι προσανατολισμένοι προς την ίδια κατεύθυν ση, με τα συν άκρα τους προς την απόληξη του νευράξονα, Οι προσανατολισμένοι μικροσω
~-_.....:.~-.....;,
ληνίσκοι χρησιμοποιούνται σαν τροχιές (μονο πάτια) για την κατευθυνόμενη μεταφορά υλι
κών που συντίθενται στο κυπαρικό σώμα αλλά είναι απαραίτητα στην απόληξη του νευράξο
να (όπως οι μεμβρανικές πρωτεΊνες, που είναι απαραίτητες για την ανάmυξη), Για έναν νευ ράξονα που περνά από το νωτιαίο μυελό σ' έ να μυ της ωμοπλάτης σας, η διαδρομή χρειά
συmήματος των μικροσωληνίσκων που βρίσκονται
mo
εσωτερικό του και
βοηθά
mnv τοποθέτηση των οργανιδίων mn σωmή θέση μέσα mo κύπαρο και mnv καθοδήγηση της διακίνησης μεταξύ των διαφόρων τμημάτων του κυπάρου. Για παράδειγμα, mo νευρικό κύπαρο όλοι οι μικροσωληνίσκοι του νευράξονα είναι προσανατολισμένοι προς την ίδια κατεύθυνση με τα συν άκρα προς προς τις απολήξεις του νευράξονα (Εικόνα
17-15).
Κατά μήκος
αυτών των προσανατολισμένων τροχιών το κύπαρο μπορεί να mείι'Ίει φορτία από υλικά, όπως μεμβρανικά κυmίδια και πρωτε'ί'νες για έκκριση που παρα
σκευάΖΟνται
mo κυπαρικό
σώμα αλ/ά είναι απαραίτητα
mo απομακρυσμένο
ζεται περίπου δύο ημέρες. Εκτός από αυτή τη
διακίνηση υλικών προς τα έξω που προωθείται από μια ομάδα κινητήριων πρωτεϊνών (κόκκι νοι κύκλοι), υπάρχει και μια διακίνηση προς την αντίθετη κατεύθυνση, προς το κυπαρικό σώ μα, που προωθείται από μια διαφορετική ομά
δα κινητήριων πρωτεϊνών (μπλε κύκλοι). Η κί νηση προς το κέντρο (το κυπαρικό σώμα) με
ταφέρει υλικά που προσλαμβάνονται από το άκρο του νευράξονα ή που σχηματίστηκαν α πό την αποδόμηση πρωτε'ίνών και άλλων μο ρίων,
άκρο του νευράξονα. Μερικά από αυτά τα υλικά μετακινούνται με ταΧύτητα μεγαλύτερη από
cm την ημέρα,
γεγονός που σημαίνει ότι η μετακίνηση
mo άκρο
1Ο
ενός νευρά
ξονα μερικών Ζώων μπορεί να διαρκέσει μια εβδομάδα ή και περισσότερο. Όμως, η μετακίνηση κατά μήκος των μικροσωληνίσκων είναι απείρως ταΧύ
τερη και περισσότερο αποτελεσματική από την ελεύθερη διάχυση. Ένα πρω τεϊνικό μόριο που ταξιδεύει με απλή διάχυση θα χρειαmεί χρόνια για να φτά σει
mo άκρο ενός μεγάλου νευράξονα,
εάν φτάσει ποτέ (βλ. Ερώτηση
17-12).
Είναι σημαντικό να καταλάβουμε επίσης ότι οι μικροσωληνίσκοι των Ζω
ντανών κυπάρων δεν δρουν από μόνοι τους. Οι λειτουργίες τους, όπως και
των άλλων ινιδίων του κυπαροσκελετού, εξαρτώνται από μια μεγάλη ποικι λία επικουρικών πρωτεϊνών που προσδένονται mους μικροσωληνίσκους και εξυπηρετούν διάφορες λειτουργίες. Μερικές πρωτε'ί'νες που προσδένονται σε μικροσωληνίσκους τους mαθεροποιούν για να μην αποσυναρμολογού νται, ενώ άλλες συνδέουν τους μικροσωληνίσκους με άλ/α συmατικά του
κυπάρου ακόμα και με άλ/α είδη ινιδίων του κυπαροσκελετού. Έτσι, όλα τα συmατικά του κυπαροσκελετού αλ/ηλεπιδρούν μεταξύ τους και οι λειτουρ γίες τους μπορεί να συντονιmούν.
Οι μικροσωληνίσκοι επηρεάΖουν επίσης την κατανομή των μεμβρανών σ' ένα ευκαρυωτικό κύπαρο, κυρίως μέσω των κινητήριων πρωτεϊνών, οι ο
ποίες συνδέονται με τους μικροσωληνίσκους και κινούνται κατά μήκος τους. Όπως θα δούμε
mn συνέχεια,
οι κινητήριες πρωτε'ί'νες χρησιμοποιούν την ε
νέργεια της υδρόλυσης του ΑΤΡ για να μεταφέρουν οργανίδια, κυmίδια και άλ/α υλικά του κυπάρου κατά μήκος τροχιών που έχουν δημιουργηθεί από νημάτια ακτίνης και μικροσωληνίσκους μέσα
mo κυπαρόπλασμα. Μικροσωληνίσκοι
725
Οι κινητήριες πρωτείνες προωθούν την
ενδοκυπάριο μεταφορά Ότον παροτηρούμε ένα zωvτανό κύτταρο στο φωτονlκό μlκροσκόπlO, βλέπουμε όη το κυτταρόπλασμά του βρίσκεΤΟΙ σε δlOρκή κίνηση: ΤΟ μπο ΧόνδρlO ΚΟΙ τα μικρότερα μεμβρανικά οργανίδια ΚΟΙ κυστίδια μεTOKινOύVΤαι σπασμωδικά, δηλαδή, KινOύVΤOl για λίγο, σταματούν ΚΟΙ αρχίΖουν πάλι (Ει κόνα
17-16). Αυτή
η μετακίνηση με άΛματα είνOl πολύ πιο παρατετομένη
κοι κατευθυνόμενη από ης συνεχείς μετοκινήσεις
Brown που προκαλούν
οι
τυχαίες θερμικές κινήσεις. Τόσο οι μlκροσωληνίσκοι όσο κοι ΤΟ νημάηα της ακτίνης συμμετέχουν σε μετοκινήσεις με άλματο αλ/ά κοι σε άλλες κατευ θυνόμενες μετακινήσεις στα ευκαρυωηκά κύτταρα. Κοι στις δύο περιπτώ σεις, οι μετοκινήσεις προκαλούνται από ης κινητήριες πρωτείνες
proteins),
(motor
οι οποίες ΠΡOσδένOVΤOl στα νημάηα της ακτίνης ή στους μlκρο
σωληνίσκους κοι χρησιμοποιούν την ενέργεια που προέρχετOl από επανα
λαμβανόμενους κύκλους υδρόλυσης του ΑΤΡ γlO να μεTOKlνOύVΤOl σταθε ρά κατά μήκος των ινιδίων της ακτίνης ή των μικροσωληνίσκων προς μlO μόνο κατεύθυνση (βλ. Εικόνα
4-45).
Ταυτόχρονα, οι κινητήριες πρωτεΊνες
προσδένουν και άλ/α κυτταρικά συσταηκά κοι έτσι μετοφέρουν το φορτίο αυτό κατά μήκος των ινιδίων. Ο αριθμός των κινητήριων πρωτεϊνών που έ
χουν τουτοποιηθεί ανέρχετοι σε δεκάδες. Δlοφέρουν στο είδος του ινιδίου στο οποίο πρoσδένovταl, στην κατεύθυνση της μετοκίνησης κατά μήκος του
ινιδίου κοι στο φορτίο που μεταφέρουν. Οι κινπιήριες πρωτεΊνες που KινOύVΤOl κατά μήκος κυτταροπλασμαηκών
μικροσωληνίσκων, όπως στο νευράξονα ενός νευρικού κυττάρου, ανήκουν σε δύο κατηγορίες: οι κινησίνες
(kinesins) γενικά
μεTOKινOύVΤOl προς το συν
άκρο ενός μικροσωληνίσκου (μακριά από το KεVΤΡOσωμάηO, προς ΤΟ έξω
στην Εικόνα
17-15), ενώ οι δυνείνες (dyneins) KlνOύVΤOl προς το πλην άκρο (προς το KεVΤΡOσωμάτιO, προς ΤΟ μέσα στην Εικόνα 17-15). Οι κινησίνες κοι
οι δυνεΊνες περιέχουν δύο σφαιρικές κεφαλές που προσδένουν ΑΤΡ και μια ουρά (Εικόνα
17-17).
Οι κεφαλές αλληλεπιδρούν με τους μlκροσωληνί-
Εικόνα 17·16. Τα οργανίδια μετακινούνται κατά μήκος των μικροσωληνίσκων με διαφορετική ταχύτητα. Κινηματογράφηση καρέ-καρέ μιας επιπεδωμένης περιοχής από ένα νευρικό κύπαρο ασπόνδυλου. Φαίνονται άφθονα μεμβρανικά κυστίδια και μιτοχόνδρια, πολλά από τα οποία κινούνται. Ο λευκός κύκλος λειτουργεί ως σημείο αναφοράς. Οι εικόνες τραβήχτηκαν σε μεσοδιαστήματα ρολέmου. (Με την άδεια του Ρ.
726
Forscher).
Κεφάλαιο 17: Κυτταροσκελετός
400 χιλιοστών του δευτε
Εικόνα 17·17. Κινητήριες πρωτείΎες των μι κροσωληνίσκων. (Α) Οι κινησίνες και οι KUΠα ροπλασματικές δυνεΊνες είναι κινητήριες πρω τεΊνες των μικροσωληνίσκων που μετακινού
ελαφριές αλυσίδες
νται προς αντίθετες κατευθύνσεις κατά μήκος ενός μικροσωληνίσκου. Οι πρωτεΊνες αυτές
κινησίνη
(στην εικόνα έχουν σχεδιαστεί σε κλίμακα) εί ναι σύμπλοκα που αποτελούνται από δύο πα νομοιότυπες βαριές αλυσίδες και πολλές μι κρότερες ελαφριές αλυσίδες. Κάθε βαριά αλυ σίδα σχηματίζει μια σφαιρική κεφαλή που αλ ληλεπιδρά με τους μικροσωληνίσκους. (Β) Σχη ματική παράσταση μιας κινητήριας πρωτε'ίνης στην οποία φαίνεται το εξαρτώμενο από το πλην άκρο
~
ΑΤΡ "βάδισμα» κατά μήκος ενός νηματίου.
συν άκρο
10 nm
(Α)
(Β)
σκους κατά στερεοειδικό τρόπο, έτσι ώστε η κινησίνη να συνδέεται μ' έναν μικροσωληνίσκο μόνον όταν είναι στραμμένη προς τη σωστή κατεύθυνση. Η ουρά της κινητήριας πρωτε'ϊνης συνδέεται σταθερά με μερικά συστατικά του
κυπάρου, όπως ένα κυστίδιο ή ένα οργανίδιο, και έτσι καθορίΖει το είδος του φορτίου που πρόκειται να μεταφέρει (Εικόνα
17-18). Οι σφαιρικές
κεφαλές
της κινησίνης και της δυνε'ϊνης είναι ένΖυμα που υδρολύουν το ΑΤΡ (ΑΤΡά σες). Η υδρόλυση του ΑΤΡ παρέχει την ενέργεια για μια σειρά αλλαγών της διαμόρφωσης της κεφαλής μ' ένα μηχανισμό σύνδεσης, απελευθέρωσης
και επανασύνδεσης στους μικροσωληνίσκους, ο οποίος επιτρέπει στην κε φαλή να μετακινείται κατά μήκος των μlκροσωληνίσκων (βλ. Εικόνα
4-45).
Τα οργανίδια KlνoύVΤQl κατά μήκος των μlκροσωλnνίσκων Οι μlκροσωληνίσκοι και οι συνδεδεμένες κινητήριες πρωτε'ί\1ες παίΖουν σημαVΤΙKό ρόλο στην τοποθέτηση μεμβρανlκών οργανιδίων στο εσωτερικό ενός ευκαρυωτικού κυπάρου. Για παράδειγμα, στα περισσότερα Ζωικά κύτ ταρα οι αγωγοί του ενδοπλασματικού δικτύου φτάνουν σχεδόν μέχρι την πα ρυφή του κυπάρου, ενώ η συσκευή
Golgi βρίσκεται
στο εσωτερικό του κυτ-
ΚΙΝΗΣΙΝΕΣ
ΠΛΗΝ ΑΚΡΟ
..
Εικόνα 17-18. Οι κινητήριες πρωτείΎες που μεταφέρουν φορτία κατά μήκος των μικρο σωληνίσκων. Οι κινησίνες μετακινούνται προς το συν άκρο ενός μικροσωληνίσκου, ενώ οι δυ νεΊνες μετακινούνται προς το πλην άκρο. Και
ΣΥΝ
τα δύο είδη των κινητήριων πρωτε'ίνών των μι
ΑΚΡΟ
κροσωληνίσκων υπάρχουν σε πολλές μορφές
κινητήρια κεφαλή
και θεωρείται ότι κάθε μορφή μεταφέρει ένα
ουρά
διαφορετικό φορτίο. Το ελεύθερο άκρο της κι
φορτίο
ΔΥΝΕϊΝΕΣ
νητήριας πρωτεΊνης καθορίζει το είδος του φορτίου που θα μεταφερθεί από αυτήν.
Μικροσωλην(σκοι
727
Εικόνα 17·17. Κινητήριες πρωτείΎες των μι κροσωληνίσκων. (Α) Οι κινησίνες και οι KUΠα ροπλασματικές δυνεΊνες είναι κινητήριες πρω τεΤνες των μικροσωληνίσκων που μετακινού νται προς αντίθετες κατευθύνσεις κατά μήκος
ελαφριές αλυσίδες
ενός μικροσωληνίσκου. Οι πρωτεΤνες αυτές
κινησίνη
(στην εικόνα έχουν σχεδιαστεί σε κλίμακα) εί ναι σύμπλοκα που αποτελούνται από δύο πα
νομοιότυπες βαριές αλυσίδες και πολλές μι κρότερες ελαφριές αλυσίδες. Κάθε βαριά αλυ σίδα σχηματίζει μια σφαιρική κεφαλή που αλ ληλεπιδρά με τους μικροσωληνίσκους.
πλην άκρο
~
(8) Σχη
ματική παράσταση μιας κινητήριας πρωτεΤνης στην οποία φαίνεται το εξαρτώμενο από το ΑΤΡ «βάδισμα» κατά μήκος ενός νηματίου.
συν άκρο
10 nm
(Α)
(6)
σκους κατά σΤερεοειδικό φόπο, έτοι ώσΤε η κινησίνη να συνδέεται μ' έναν μικροσωληνίσκο μόνον ότον είναι σΤραμμένη προς τη σωσΤή κοτεύθυνση. Η ουρά της κινητήριας πρωτε'ί\ιης συνδέεται σΤαθερά με μερικά συσΤαnκά 1Ου
κυπάρου, όπως ένα κυσΤίδιο ή ένα οργανίδιο, και έτοι καθορίΖει 10 είδος 1Ου φορτίου που πρόκειτοι να μετοφέρει (Εικόνα 17-18). Οι σφαιρικές κεφαλές της κινησίνης και της δυνείνης είναι ένΖυμα που υδρoi\ύoυν 10 ΑΤΡ (ΑΤΡά σες). Η υδρόλυση 1Ου ΑΤΡ παρέχει την ενέργεια για μια σειρά αλλαγώντης διαμόρφωσηςτης κεφαλής μ' ένα μηχανισμό σύνδεσης, απελευθέρωσης
και επανασύνδεσηςσΤους μικροσωληνίσκους,ο οποίος εππρέπει σΤην κε φαλή να μετοκινείταικοτά μήκος των μικροσωληνίσκων(βλ Εικόνα 4-45).
Τα οργανίδια κινούνται κατά μήκος των μικροσωλnνίσκων Οι μικροσωληνίσκοι και οι συνδεδεμένες κινητήριες πρωτε'ί\ιες παίΖουν σημαVΤΙKό ρόλο σΤην 1Οποθέτηση μεμβρανικών οργανιδίων σΤΟ εσωτερικό ενός ευκαρυωnκού κυπάρου. Για παράδειγμα, σΤα περισσότερα Ζωικά κύτ τορα οι αγωγοί 1Ου ενδοπλασμαnκού δικτύου φτάνουν σχεδόν μέχρι την πα ρυφή 1Ου κυπάρου, ενώ η συσκευή
Golgi βρίσκεται
σΤΟ εσωτερικό 1Ου κυτ-
ΚΙΝΗΣΙΝΕΣ
ΠΛΗΝ ΑΚΡΟ
ΣΥΝ ΑΚΡΟ
Εικόνα 17-18. Οι κινητήριες πρωτε'ί'νες που μεταφέρουν φορτία κατά μήκος των μικρο σωληνίσκων. Οι κινησίνες μετακινούνται προς το συν άκρο ενός μικροσωληνίσκου, ενώ οι δυ νεΤνες μετακινούνται προς το πλην άκρο. Και τα δύο είδη των κινητήριων πρωτεϊνών των μι κροσωληνίσκων υπάρχουν σε πολλές μορφές και θεωρείται ότι κάθε μορφή μεταφέρει ένα διαφορετικό φορτίο. Το ελεύθερο άκρο της κι νητήριας πρωτεΤνης καθορίζει το είδος του φορτίου που θα μεταφερθεί από αυτήν.
Μικροσωληνίσκοι
727
Ισιορική Αναδρομή: ΑναΖπrώνrαs κινπrήριεs πρωrείνεs Υποθέσεις, παρατηρήσεις και μετρήσεις για τη μετακίνηση των
Με την τεχνική της βιντεομικροσκοπίας, το κυπαρόπλασμα που
οργανιδίων στο κυπαρόπλασμα άρχισαν να γίνονται περίπου από
εξωθείται από τον νευράξονα φαίνεται γεμάτο μικροσκοπικά σω
το μέσο του
ματίδια
ρου σ' ένα άλλο άρχισαν ν' αναγνωρίζονται μόλις στα μέσα της δε
30-50 nm έως μιτοχόνδρια μή 5000 nm - τα οποία μετακινούνται πάνω σε ινίδια του κυπαροσκελετού με ταχύτητα έως 5 μm ανά δευτερόλεmο. Αν το
καετίαςτου
αξονόπλασμα απλωθεί σε αρκετά λεmή επίστρωση μπορεί να δια
19°U αιώνα.
Ωστόσο, τα μόρια που καθοδηγούν αυτή
τη μετακίνηση οργανιδίων και κυστιδίων από ένα μέρος του κυπά
1980.
Γιατί τόση καθυστέρηση; Το πρόβλημα είχε να κάνει με τις πρω τε'ίνες ή, ακριβέστερα, με τη δυσκολία της μελέτης μεμονωμένων
πρωτε'ίνών ίπ
vitro. Για παράδειγμα, για να διερευνήσουν τη δράση
-
από κυστίδια διαμέτρου
κους περίπου
κριθούν ακόμα και ξεχωριστά ινίδια (Εικόνα
17-19).
Η μετακίνηση συνεχίζεται επί ώρες αφήνοντας τα περιθώρια για ποικίλες παρεμβάσεις και μελέτες. Για παράδειγμα, οι
Scott Brady ανακάλυψαν
Ray Lasek
ενός ενζύμου, οι βιοχημικοί πρέπει πρώτα ν' απομονώσουν το πο
και
ότι η μετακίνηση των οργανιδίων α
λυπεmίδιο: για το λόγο αυτό προκαλούν λύση των κυπάρων ή των
παιτείΑΤΡ. Η αντικατάσταση του ΑΤΡ από ανάλογα, όπωςτοΑΜΡ
ιστών και διαχωρίζουν τη συγκεκριμένη πρωτε'ίνη από τ' άλλα συ
ΡΝΡ, τα οποία προσδένονται στο ενεργό κέντρο του ενζύμου αλλά
στατικά του κυπάρου (βλ. Παραρτήματα
δεν μπορεί να υδρολυθούν (άρα δεν παρέχουν ενέργεια) αναστέλ
4-3
έως
4-5).
Στη συνέ
χεια, μπορούν να μελετήσουν την πρωτε'ίνη μεμονωμένα, ίπ
vitro,
ε
λει τη μετακίνηση.
λέγχοντας την έκθεσή της σε υποστρώματα, αναστολείς, ΑΤΡ, κλπ. Δυστυχώς, αυτή η προσέγγιση δεν είναι αποτελεσματική για τη με λέτη του κινητήριου εξοπλισμού ο οποίος είναι υπεύθυνος για την
Περιελισσόμενοι σωλήνες Για ν' αναγνωριστούν τα ξεχωριστά συστατικά που καθοδη-
ενδοκυπάρια μεταφορά. Οι τεχνικές που ήταν απαραίτητες για να προωθηθεί η έρευνα προήλθαν από δύο διαφορετικές πηγές. Πρώτον, οι εξελίξεις οι ο
ποίες σημειώθηκαν στη μικροσκοπία επέτρεψαν στους βιολόγους
γιγαντιαίος νευράξονας
να διαπιστώσουν ότι ένα λειτουργικό σύστημα μεταφοράς (που ε
καλαμαριού
ξακολουθούσε να προσδένει εξωκυπάριο υλικό) μπορούσε ν' α ποσπαστεί από το κατάλληλο είδος ζωντανού κυπάρου. Ταυτό χρονα, οι βιοχημικοί συνειδητοποίησαν ότι μπορούσαν να συναρ μολογήσουν ένα λειτουργικό σύστημα μεταφοράς αρχίζοντας από τις «πρώτες ύλες» (<<καλώδια», «κινητήρες» και «φορτίο») σε συ
στήματα ελεύθερα κυπάρων. Η πρόοδος άρχισε μ' ένα καλαμάρι. Το πυκνοκατοικημένο κυπαρόπλασμα
Όπως είδαμε στο Κεφάλαιο
12, οι νευροεπιστήμονες που α
σχολούνται με τις ηλεκτρικές ιδιότητες των μεμβρανών των νευ ρικών κυπάρων από καιρό χρησιμοποιούν στις μελέτες τους τον γιγαντιαίο νευράξονα του καλαμαριού. Οι ερευνητές διαπίστω σαν ότι μπορούσαν να «ζουλήξουν» το κυπαρόπλασμα από το ε
σωτερικό του νευράξονα (σαν οδοντόπαστα) και στη συνέχεια να εξετάσουν πώς διακινούνται τα ιόντα διαμέσου ποικίλων διαύλων
στην άδεια, σωληνοειδή μεμβράνη. Στην αρχή, το κυπαροπλα σματικό "ζελέ» απλώς πετιόταν, επειδή όταν εξεταζόταν με το συνηθισμένο φωτονικό μικροσκόπιο έμοιαζε ανενεργό (και άρα
χωρίς ιδιαίτερο ενδιαφέρον). Και τότε εμφανίστηκε η βιντεομικροσκοπία (video-enhanced mIcroscopy)! Αυτή η τεχνική που αναmύχθηκε από τους Shinya Inουθ, Robert Allen και άλλους, επιτρέπει την ανίχνευση δομών με
5
μm
διαστάσεις μικρότερες από το διαχωριστικό όριο των συνηθισμέ
Εικόνα
νων φωτονικών μικροσκοπίων (περίπου
βλ. Πα
που εξωθείται από έναν γιγαvτιαίo νευράξονα καλαμαριού α·
δείγμα κινηματογραφείται και στη συνέχεια το
ποκαλύπτει την κίνηση των οργανιδίων. Στη μικροφωτογρα
φιλμ υποβάλλεται σε οmική επεξεργασία με ηλεκτρονικο υπολογι
φία παρατηρούνται πολλά ινίδια του κυπαροσκελετού μαζί με
ράρτημα
1-1). Το
0.2
μm/200
nm -
στή. Οι επιστήμονες μπόρεσαν να παρατηρήσουν για πρώτη φορά την κίνηση κυστιδίων και μεμβρανικών οργανιδίων πάνω σε ινίδια του κυπαροσκελετού στις αρχές της δεκαετίας του
1980,
όταν ε
φάρμοσαν αυτή την τεχνική σε παρασκευάσματα κυπαροπλάσμα τος από τον νευράξονα του καλαμαριού.
17-19.
Η βΙVΤεOμΙKΡOσKOπία του κυπαροπλάσματος
μεταφερόμενα σωματίδια, όπως ένα μιτοχόνδριο (κόκκινο βέ λος) και μικρότερα κυστίδια (μπλε βέλη). (Από:
Schnapp, T.S. Reese, sevier Science).
Μ.Ρ.
R.D. Vale, B.J. Sheetz, Ce//40:449-454, 1985. © ΕΙ
γούν το μεταφορικό σύστημα στους νευράξονες του καλαμαριού
ποίο ονόμασαν κινησίνη, που ήταν ικανό να προσδένεταισε μικρο
χρειάστηκε περισσότερη προσπάθεια. Από τι αποτελούνται τα ι
σωληνίσκουςκαι να πυροδοτείτην κίνησή τους.
νίδια; Ποιες είναι οι μοριακές μηχανές που μεταφέρουν τα κυστί
Τέτοιοι in
vitro προσδιορισμοί κινητικότητας συνέβαλαν αποφα
δια και τα οργανίδια πάνω σε αυτά τα ινίδια; Η αναγνώριση των
σιστικά στη μελέτη των κινητήριων πρωτε'ίνών και της δράσης
«καλωδίων» ήταν σχετικά εύκολη. Μελέτες που χρησιμοποίησαν
τους. Μεταγενέστερες μελέτες έδειξαν ότι η κινησίνη μετακινείται
αντισώματα εναντίον της α-τουμπουλίνης αποκάλυψαν ότι τα ινί
πάνω στους μικροσωληνίσκους από το πλην προς το συν άκρο και
δια είναι μικροσωληνίσκοι. Τι συμβαίνει όμως με τις κινητήριες
επίσης βοήθησαν ν' αναγνωριστούν πολλές άλλες κινητήριες πρω
πρωτεΊνες; Για να εντοπίσουν τέτοιες πρωτε"tνες, οι
τεΊνες συγγενείς με την κινησίνη.
Thomas Reese και Michael Sheetz επινόησαν
Ron Vale,
ένα σύστημα στο ο
ποίο μπορούσαν ν' αναζητήσουν πρωτεΊνες που προωθούν τη με
τακίνηση των οργανιδίων.
Κινηματογραφική μαγεία Συνδυάζοντας αυτούς τους
Η στρατηγική τους ήταν απλή αλλά ευφυής: συνδυάστε καθαρά
in vitro προσδιορισμούς με ακόμα
πιο εκλεmυσμένες τεχνικές μικροσκοπίας οι ερευνητές μπορούν
καλώδια και φορτίο και στη συνέχεια αναζητείστε μόρια που επά
σήμερα να καταγράψουν τη μετακίνηση μεμονωμένων κινητήριων
γουντην κίνηση. Συγκεκριμένα, χρησιμοποίησαν καθαρούς μικρο
πρωτε'ίνών κατά μήκος μεμονωμένων μικροσωληνίσκων, ακόμα και
σωληνίσκους από τον οmικό λοβό του καλαμαριού, πρόσθεσαν
σε ζωντανά κύπαρα. Σ' έναν προσδιορισμό που ανέπτυξαν οι
οργανίδια από τους νευράξονες του καλαμαριού και έδειξαν ότι
Block
μπορούσαν να προκαλέσουν κίνηση προσθέτοντας ένα εκχύλισμα
καλυμένα με κινησίνη σε αναλογία
από τον γιγαντιαίο νευράξονα. Σε αυτό το παρασκεύασμα, τα ορ
σφαιρίδιο) καταγράφονται ενόσω μετακινούνται πάνω σ' έναν μι
γανίδια μετακινούνταν πάνω στους μικροσωληνίσκους, οι οποίοι
κροσωληνίσκο (Εικόνα
γλιστρούσαν σαν φίδια πάνω στην επιφάνεια μιας γυάλινης καλυ
μορίων κινησίνης γίνονται εφικτές συνδέοντας την κινητήρια πρω
mρίδας (βλ. Ερώτηση
τεΊνη με μια φθορίζουσα πρωτεΊνη όπως η
17-18).
Επόμενη πρόκληση ήταν ν' απομο
νωθεί η πρωτεΊνη που προσέδιδε κίνηση στο όλο σύστημα. Για να τα καταφέρουν, οι εμπειρία των
Lasek
και
Vale και συνεργάτες αξιοποίησαν την Brady με το ΑΜΡ-ΡΝΡ, ένα ανάλογο του
και συνεργάτες το
1990,
μικροσκοπικά σφαιρίδια πυριτίου
1: 1 (ένα
μόριο κινησίνης ανά
17-21). Άλλες παρατηρήσεις
μεμονωμένων
GFP
Από τις σχετικές μελέτες αποκαλύφθηκε ότι η κινησίνη μετακι νείται πάνω στους μικροσωληνίσκους σταδιακά: κάθε μόριο πραγ ματοποιεί περίπου
100 «βήματα» προτού πέσει από τον μικροσω 17-22). Το μήκος κάθε βήματος είναι 8 nm: αυτό α
ΑΤΡ. Το ΑΜΡ-ΡΝΡ αναστέλλει τη μετακίνηση κυστιδίων πάνω σε μι
ληνίσκο (Εικόνα
κροσωληνίσκους, χωρίς όμως να εμποδίζει την προσκόλληση κυ
ντιστοιχεί στην απόσταση μεταξύ των διμερών της τουμπουλίνης
στιδίων-μικροσωληνίσκων. Έτσι, οι ερευνητές πρώτα επώασαν το
πάνω στον μικροσωληνίσκο. Συνδυάζοντας αυτές τις παρατηρή
εκχύλισμα του κυπαροπλάσματος με τους μικροσωληνίσκους πα
σεις με προσδιορισμούς υδρόλυσης του ΑΤΡ διαπιστώθηκε ότι α
ρουσία ΑΜΡ-ΡΝΡ. Στη συνέχεια απομόνωσαν τους μικροσωληνί
νά βήμα καταναλώνεται ένα μόριο ΑΤΡ. Η κίνηση της κινησίνης ο
σκους ελπίζοντας ότι μαζί ελάμβαναν και τις κινητήριες πρωτεΊνες.
φείλεται στις δύο κεφαλές της (βλ. Εικόνα
Κατόπιν προσέθεσαν ΑΤΡ ώστε ν' απελευθερωθούν οι συνδεδεμέ
της πρωτεΊνης προς το συν άκρο του μικροσωληνίσκου πιστεύεται
νες πρωτείνες. Έτσι ανακάλυψαν ένα πολυπεmίδιο
ότι συμβαίνει καθώς κάθε κεφαλή διαδοχικά προσδένεται και μετά
11 Ο kDa, το 0-
17-22).
Ο βηματισμός
Εικόνα 17-20. Μια κινητήρια πρωτε'ί'νη προκαλεί ολίσθηση των μlκροσωληνίσκων. Σε αυτό τον in vitro προσδιορισμό κινητικότητας, καθαρή κινησίνη αναμειγνύεται με μικροσωληνίσκους σε ρυθμιστικό διάλυμα που περιέχει ΑΤΡ. Στη συνέχεια, μια σταγόνα του μείγμα τος τοποθετείται πάνω σ' ένα γυάλινο πλακίδιο και εξετάζεται με βιντεομικροσκοπία. Παρατηρούνται μικροσωληνίσκοι που ολισθαίνουν,
προωθούμενοι από τα μόρια της κινησίνης. Οι εικόνες καταγράφηκαν με μεσοδιάστημα
Cross).
1 sec.
(Με την άδεια των
Nick Carter και Rob
σφαιρίδιο πυριτίου
L.-.J 0.1 μm L.-.J
(Β)
(Α)
1μm
Εικόνα 17-21. Η βιντεομlκροσκοπία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να καταγραφεί η μετακίνηση ενός μεμονωμένου μορίου κινησί νης. (Α) Σφαιρίδια πυριτίου συνδέovται με μόρια κινησίνης σε αναλογία 1: 1. Στη συνέχεια η κινησίνη αφήνεται να βαδίσει πάνω σ' έναν μι κροσωληνίσκο και η μετακίνησή της καταγράφεται παραKoλoυθώvτας τη μετακίνηση του σφαιριδίου. (Β) Σε αυτή τη σειρά εικόνων, κά θε εικόνα λαμβάνεται ανά
30 sec.
(Από:
S. Block et al., Nature 348:348-352, 1990. © Macmillan Magazines Ltd.).
αφήνει τον μικροσωληνίσκο. Για την επιβεβαίωση (ή διάψευση) αυ
ξεχωριστά καθώς μετακινείται πάνω στον μικροσωληνίσκο. Τα α
τού του μovτέλoυ απαιτoύvται περαιτέρω μελέτες. Σήμερα κατα
ποτελέσματα αυτών των μελετών θα προσφέρουν επιπρόσθετες
βάλλovται εvταΤΙKές προσπάθειες ώστε να βελτιωθούν οι μέθοδοι
πληροφορίες για τις μοριακές κινήσεις που είναι υπεύθυνες για
παρατήρησης, επιτρέπovτας την παρατήρηση της κάθε κεφαλής
την οργάνωση και δραστηριότητα των ευκαρυωτικών κυπάρων.
(Α)
L-J 10 nm
2
3 (Β)
L-J 1 μm
~
;
1
(η μικροσωληνίσκος
16 nm
Εικόνα
17-22. Ένα μόριο κινησίνης μετακινείται πάνω σ' έναν μικροσωληνίσκο. (Α) Ηλεκτρονιομικρογραφία ενός μορίου κινησίνης: φαίνovται οι δύο κεφαλές (κόκκινα βέλη). (Β) Τρεις λήψεις, ανά 1sec, όπου καταγράφεται η μετακίνηση ενός μορίου κινησίνης-GFΡ πά νω σ' έναν μικροσωληνίσκο (κόκκινο) με ταχύτητα 0.3 μm/sec. (η Μοριακά μovτέλα για τον τρόπο βάδισης των κεφαλών της κινησίνης πάνω σ' έναν μικροσωληνίσκο με βήματα
8 nm.
(Α, με την άδεια του
John Heuser.
Β και Γ, με την άδεια του
Ron Vale).
τάρου, κοντά στο κεντροσωμάτιο (Εικόνα 17-23Α). Το ενδοπλασματικό δί κτυο και η συσκευή
Golgi
εξαρτώνται από τους μικροσωληνίσκους Υια την
τοποθέτηση και την ευθυΥράμμισή τους. Οι μεμβράνες του ενδοπλασματι κού δικτύου προεκτείνονται από τα σημεία όπου εφάπτονται με το πυρηνικό περίβλημα (βλ. Εικόνα
1-22)
και ευθυΥραμμίΖονται με τους μικροσωληνί
σκους που εκτείνονται από το κεντροσωμάτιο προς την κυτταρική μεμβράνη. Καθώς το κύτταρο αναπτύσσεται και το ενδοπλασματικό δίκτυο αυξάνει, οι κινησίνες που συνδέονται με την εξωτερική πλευρά της μεμβράνης του εν
δοπλασματικού δικτύου το τραβούν προς τα έξω κατά μήκος των μικροσωλη
νίσκων. και το τεντώνουν σαν δίχτυ. Οι δυνεΊ'νες έλκουν τη συσκευή
Golgi
προς την άλ/η κατεύθυνση, δηλαδή προς το κέντρο του κυττάρου κατά μή
κος των μικροσωληνίσκων. Με αυτόν τον τρόπο δημιουΡΥούνται και συντη ρούνται οι τοπικές διαφορές των εσωτερικών μεμβρανών στις οποίες βασίζε ται η επιτυχημένη λειτουΡΥία τους.
Όταν τα κύτταρα επωάΖΟνται μ' ένα φάρμακο όπως η κολχικίνη, που προκαλεί αποπολυμερισμό των μικροσωληνίσκων, και τα δύο αυτά ΟΡΥανί δια αλ/άΖουν θέση. Το ενδοπλασματικό δίκτυο που διαθέτει συνδέσεις με το πυρηνικό περίβλημα καταρρέει στο κέντρο του κυττάρου, ενώ η συσκευή
Golgi,
που δεν συνδέεται με άλλα ΟΡΥανίδια, θρυμματίΖεται σε μικρά κυστί
δια και διασκορπίΖεται σε όλο το κυτταρόπλασμα. Όταν απομακρυνθεί το φάρμακο, τα ΟΡΥανίδια επιστρέφουν στην αρχική θέση τους συρόμενα από
(Α)
L--J
(Β)
10
μm
Εικόνα 17·23. Η τοποθέτηση των οργανιδίων από τους μlκροσωληνίσκους. (Α) Σχηματική παράσrαση ενός κυπάρου σro οποίο φαίνεται η τυπική διάταξη των μικροσωληνίσκων (σκούρο πράσινο), του ενδοπλασματικού δικτύου (μπλε) και της συσκευής Golgi (κίτρινο). Ο πυρή νας φαίνεται με καφέ χρώμα και το κεντροσωμάτιο ανοικτό πράσινο.
(6)
Κύπαρο βαμμένο με αντισώματα εναντίον του ενδοπλασματικού δι
κτύου (επάνω φωτογραφία). Οι κινητήριες πρωτε'ίνες έλκουν το ενδοπλασματικό δίκτυο προς τα έξω κατά μήκος των μικροσωληνίσκων. (Γ) Κύπαρο βαμμένο με αντισώματα εναντίον της συσκευής Golgi (πάνω φωτογραφία) και των μικροσωληνίσκων (κάτω φωτογραφία). Στην πε ρίmωση αυτή, οι κινητήριες πρωτεΊνες μετακινούν τη συσκευή Golgi προς το κέντρο μέχρι τη θέση του κοντά σro κεντροσωμάτιο. (6. Ευ γενική προσφορά των Mark Terasaki, Lan 60 Chen και Keigi Fujiwara. Γ. Ευγενική προσφορά των Viki Alan και Thomas Kreis).
Μικροσωληνίσκοι
731
κινητήριες πρωτεΙνες που μετακινούνται κατά μήκος των επανασυναρμολο γημένων μικροσωληνίσκων. Η κανονική τοποθέτηση αυτών Των οργανιδίων θεωρείται ότι πραγματοποιείται από υποδοχείς που υπάρχουν στη μεμβράνη τους οι οποίοι συνδέονται με τις κινητήριες πρωτεΙνες, τις κινησίνες για το εν δοπλασματικό δίκτυο και τις δυνεΙνες για τη συσκευή
Golgi.
Τα μασrίyια και οι κροσσοί περιέχουν σrαθερoύς μικροσωληνίσκους που κινούνται από τη δυνεΙνη Στην αρχή του κεφαλαίου αναφέραμε ότι πολ/οί μικροσωληνίσκοι στα θεροποιούνται μέσω της σύνδεσής τους με άλλες πρωτε'i'νες και συνεπώς
δεν επιδεικνύουν δυναμική αστάθεια. Οι σταθεροί μικροσωληνίσκοι χρησι μοποιούνται από τα κύπαρα σαν άκαμπτα δοκάρια για την κατασκευή μιας
ποικιλίας πολωμένων δομών, που περιλαμβάνουν τους κροσσούς και τα μα στίγια, οι οποίες επιτρέπουν στα ευκαρυωτικά κύπαρα να προωθούν το νερό πάνω από την επιφάνειά τους. Οι κροσσοί
(cilia,
δείς δομές με διάμετρο περίπου
που προεξέχουν από την επιφά
0.25 μm
ενικός
cilium)
είναι τριχοει
νεια πολ/ών ειδών ευκαρυωτικών κυπάρων. Ένας κροσσός περιέχει έναν «πυρήνα» σταθερών μικροσωληνίσκων που είναι διευθετημένοι σε μια δέ σμη και αυξάνουν από το βασικό σωμάτιο, το οποίο βρίσκεται στο κυπαρό
πλασμα και αποτελεί το κέντρο οργάνωσης του κροσσού. Ολόκληρος ο κροσσός καλύπτεται από κυπαρική μεμβράνη (βλ. Εικόνα 17-9Γ).
Η βασική λειτουργία των κροσσών είναι η μετακίνηση υγρού πάνω από την επιφάνεια ενός κυπάρου ή η προώθηση κυπάρων διαμέσου ενός ρευ στού. Για παράδειγμα, μερικά πρωτόΖωα χρησιμοποιούν δομές ισοδύναμες με τους κροσσούς, οι οποίες ονομάΖΟνται βλεφαρίδες, τόσο για να συλ/έ ξουν τροφή όσο και για να μετακινηθούν. Στα επιθηλιακά κύπαρα που κα
λύπτουν το αναπνευστικό σύστημα του ανθρώπου (Εικόνα
17-24) τεράστιοι
αριθμοί κροσσών (περισσότεροι από ένα δισεκατομμύριο ανά τετραγωνικό εκατοστόμετρο) σαρώνουν στρώματα βλέννας με παγιδευμένα σωματίδια
Εικόνα 17·24. Κροσσοί. Ηλεκτρονιομικρο γραφία σάρωσης του κροσσωτού επιθηλίου στην επιφάνεια του αναπνευστικού συστήμα
τος του ανθρώπου. Οι πυκνοί θύσανοι των κροσσώντων κροσσωτών κυπάρων διακόmο νται από θολωτές επιφάνειες επιθηλιακών κυτ τάρων που δεν έχουν κροσσούς. (Αναπαρα γωγή από
Tissues and Organs, R.G. Ressel and R.H. Karden, W.H. Freeman & Co 1979).
732
Κεφάλαιο 17: Κυτταροσκελετός
Εικόνα
17-25.
Κάθε κροσσός πραγματοποιεί έναν επαναλαμβανόμενο κύκλο κινή
σεων, ο οποίος αποτελείται από ένα ισχυρό κτύπημα που ακολουθείται από μια κί νηση επαναφοράς. Κατά το γρήγορο ισχυρό χτύπημα, ο κροσσός εκτείνεται πλήρως και υγρό προωθείται πάνω στην επιφάνεια του κυπάρου. Κατά τη βραδύτερη κίνηση ε
ισχυρό χτύπημα
~
παναφοράς, ο κροσσός λυγίζει προς τα πίσω έτσι ώστε να ελαχιστοποιείται η πίεση προς το περιβάλλον υγρό. Κάθε κύκλος χρειάζεται
0.1-0.2 δευτερόλεmα
και προκαλεί
μια πίεση κάθετα προς τον άξονα του κροσσού.
σκόνης και νεκρά κύπαρα προς το λάρυΥΥα για να καταποθούν και τελικά ν'
απομακρυνθούν από το σώμα. Η κίνηση των κροσσών στα κύπαρα του τοι Χώματος των ωαγωγών (σάλΠΙΥΥες), δημιουργεί ένα ρεύμα που υποβοηθά τη μετακίνηση των ωαρίων μέσα στον ωαγωγό. Η κίνηση κάθε κροσσού μοι
άΖει με το χτύπημα του μαστιγίου ή το πρόσθιο κολύμπι (Εικόνα
Τα μαστίγια
(flagella,
ενικός
flagellum)
17-25).
που προωθούν τα σπερμαΤΟΖωά
ρια και πολ/ά πρωτόΖωα μοιάΖουν πολύ με τους κροσσούς στην εσωτερική δομή τους, αλλά συνήθως είναι πολύ πιο επιμήκη. Έχουν σχεδιαστεί για να
μετακινούν ολόκληρο το κύπαρο: αντί να χτυπούν σαν μαστίγια, δημιουρ γούν συμμετρικά κύματα, σε όλο το μήκος τους, που προωθούν το κύπαρο διαμέσου υγρών (Εικόνα
17-26).
Οι μικροσωληνίσκοι των κροσσών και των μαστιγίων είναι λίγο διαφορε ηκοί από τους μικροσωληνίσκους του κυπαροπλάσματος. Είναι διατεταγμέ νοι μ' ένα παράξενο και χαρακτηριστικό τρόπο που αποτέλεσε μια από ης πρώτες εντυπωσιακές ανακαλύψεις της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας. Η ε γκάρσια τομή ενός κροσσού αποκαλύπτει εwέα Ζεύγη μικροσωληνίσκων
που είναι διατεταγμένοι περιφερειακά γύρω από δύο μονούς κεντρικούς μι κροσωληνίσκους (Εικόνα
17-27Α).
Αυτή η
«9
+ 2» διάταξη είναι χαρακτηρι
στική όλων σχεδόν των μορφών των ευκαρυωηκών κροσσών και μαστιγίων, από τα πρωτόΖωα έως τον άνθρωπο. Η κίνηση ενός κροσσού ή ενός μαστιγίου είναι το αποτέλεσμα της κάμ ψης του κέντρου οργάνωσης που προκαλείται από τη διολίσθηση των μικρο
σωληνίσκων μεταξύ τους. Οι μικροσωληνίσκοι συνδέονται με πολ/ές πρω τε'ί'νες που προβάλ/ουν σε τακτές θέσεις κατά μήκος της δέσμης των μικρο σωληνίσκων (Εικόνα
17-278).
Μερικές χρησιμεύουν ως διασυνδέσεις για
να συγκρατούν τη δέσμη των μικροσωληνίσκων, ενώ άλλες δημιουργούν τη δύναμη που προκαλεί την κάμψη του κροσσού. Η πιο σημαντική από αυτές ης βοηθηηκές πρωτε'ί'νες είναι μια κινητήρια
πρωτε'ί'νη, η δυvειvn τωv κροσσώv
(ciliary dynein),
η οποία δημιουργεί την
κίνηση της κάμψης. ΜοιάΖει πολύ με τη δυνε'ί'νη του κυπαροπλάσματος και
λειτουργεί σχεδόν με τον ίδιο τρόπο. Συνδέεται μέσω της ουράς της μ' έναν
μικροσωληνίσκο, ενώ οι κεφαλές της αλ/ηλεπιδρούν μ' έναν γεπονικό μι κροσωληνίσκο. Έτσι μεταξύ των μικροσωληνίσκων δημιουργείται μια ολι-
Εικόνα
17-26.
Μαστίγια. Η επαναληmική κυματοειδής κίνηση ενός μαστιγίου σ' ένα
, σπερματοζωάριο φαίνεται σε μια σειρά εικόνων που απαθανατίστηκαν με στροβοσκο ; πικό φωτισμό με 400 αναλαμπές ανά δευτερόλεmο. (Ευγενική προσφορά του Charles J. Brokaw). Μικροσωληνίσκο\
733
εξωτερικός βραχίονας δυνεινης
εσωτερικό έλυτρο νεξίνη
κεντρικός μονός μικροσωληνίσκος
KuπαΡΙKή μεμβράνη ----
(Β)
100 nm
Ι Α μικροσωληνίσκος Β μικροσωληνίσκοςΙ εξωτερικό ζεύγος μικροσωληνίσκων
Εικόνα
17·27.
Η διάταξη των μlκροσωληνίσκων σ' έναν κροσσό ή ένα μαστίγιο. (Α) Ηλεκτρονιομικρογραφία της εγκάρσιας τομής ενός
μαστιγίου του
Ch/amydomonas, που εικονογραφεί τη χαρακτηριστική «9 + 2" διάταξη των μικροσωληνίσκων. (6) Σχηματική παράσταση της
διατομής του μαστιγίου. Οι εwέα εξωτερικοί μικροσωληνίσκοι (καθένας είναι μια ειδική διπλή δομή) έχουν δύο σειρές μορίων δυνε'ί'νης. Οι κεφαλές των μορίων της δυνεωης φαίνονται σε αυτό το σχήμα σαν ζεύγη από βραχίονες που φθάνουν μέχρι το γειτονικό μικροσωληνίσκο. Σ' ένα ζωντανό μαστίγιο, οι κεφαλές της δυνε'ί'νης εφάmονται περιοδικά με το γειτονικό μικροσωληνίσκο, μετακινούνται κατά μήκος του μι κροσωληνίσκου και έτσι παράγουν τη δύναμη που απαιτείται για το χτύπημα. Οι διάφορες άλλες συνδέσεις και προεκβολές που έχουν σχε διαστεί είναι πρωτε'ί'νες που χρησιμεύουν για να συγκρατούν τη δέσμη των μικροσωληνίσκων και να μετατρέπουν την κίνηση ολίσθησης που παράγουν οι δυνε'ί'νες σε κάμψη, όπως φαίνεται στην Εικόνα
17-28.
(Α. Ευγενική προσφορά του
Lewis ΤίIΠθΥ).
σθητική δύναμη. Επειδή όμως στους κροσσούς τα γειτονικά Ζεύγη των μι κροσωΛηνίσκων διασυνδέονται με πολ/απΛούς δεσμούς, μια απΛή παράΛ ΛηΛη οΛίσθηση μεταξύ εΛεύθερων μικροσωΛηνίσκων στον κροσσό μετατρέ πεται σε κίνηση κάμψης (Εικόνα
+
+
17-28).
....
+
+
Εικόνα 17·28. Η κίνηση της δυνε'ί"νης προκα· λεί την κάμψη του μαστιγίου. (Α) Όταν τα ε ξωτερικά ζεύγη των μικροσωληνίσκων και τα συνδεδεμένα μόρια δυνε'ί'νης είναι ελεύθερα από άλλα συστατικά του μαστιγίου του σπερ ματοζωαρίου και εκτεθούν σε ΑΤΡ, τότε τα ζεύγη ολισθαίνουν μεταξύ τους, όπως λει
τουργεί ένα τηλεσκόπιο, λόγω της επαναλαμ βανόμενης δράσης της δυνε'ί'νης.
(6)
Σ' ένα α
κέραιο μαστίγιο όμως, τα ζεύγη συνδέονται μεταξύ τους με εύκαμmες πρωτε'ίνικές συνδέ σεις και έτσι η δράση του συστήματος παρά γει κάμψη αντί διολίσθηση.
734
Κεφάλαιο 17: Κυτταροσκελετός
(Α)
Η ΔΥΝΕϊΝΗ ΠΡΟΚΑΛΕΙ ΟΛΙΣΘΗΣΗ ΤΩΝ ΜΙΚΡΟΣΩΛΗΝΙΣΚΩΝ
(Β)
Η ΔΥΝΕϊΝΗ ΠΡΟΚΑΛΕΙ ΚΑΜΨΗτογ
ΜΙΚΡΟΣΩΛΗΝΙΣκογ
Νnμάnα ακιίvns
Ερώmσn
17-4
Οι βραΧίονες της δυνε'ϊνης
Τα vnμ6τια ή ινίδια Της ακτίvnς βρίσκονΙαι σε όλα τα ευκαρυωηκά κύπα
σ' έναν κροσσό είναι διευ
ρα και είναι απαραίΤητα για πολ/ές κινήσεις τους, ιδίως για ης κινήσεις στις
θεΤημένοι έτσι ώστε, όταν ε
οποίες συμμετέχει η κυπαρική επιφάνεια. Για παράδειγμα, χωρίς νημάηα α
νεΡγοποιούνιαι, οι κεφαλές
κτίνης ένα Ζωικό κύπαρο δεν θα μπορούσε να έρπει πάνω σε μια επιφάνεια,
τους να ωθούν τα γειτονικά
να καταβροΧθίσει ένα μεγάλο σωματίδιο με φαγοκυπάρωση ή να διαιρεθεί
Ζεύγη προς τα έξω, προς το
•,
στα δύο. Όπως και οι μικροσωληνίσκοι, πολ/ά νημάηα της ακτίνης είναι α
άκρο του κροσσού. Θεωρείστε μια ε
σταθή, μπορούν όμως να σχηματίσουν και σταθερές δομές στα κύπαρα, ό
γκάρσια τομή ενός κροσσού (Εικόνα
πως είναι το σύστημα συστολής του μυός. Τα νημάηα της ακτίνης διασυνδέ
27). Γιατί δεν συμβαίνει
ονιαι με έναν μεγάλο αριθμό πρωτεϊvώv που προσδέvουv aKTfvn
(actin-
μόρια Της δυνε'ϊνης ενεργοποιηθούν Την
οι οποίες επιτρέπουν στα νημάηα να διεκπεραιώνουν πολ
ίδια χρονική στιγμή; Να προτείνετε έναν
λές λειτουργίες στα κύπαρα. Ανάλογα με το είδος των συνδεδεμένων πρω
τρόπο δράσης Της δυνε'ϊνης, σύμφωνα με
τεϊνών, τα νημάηα της ακτίνης μπορούν να σχηματίΖουν άκαμπτες και σχεη
Την κατεύθυνση προώθησης της δυνε'ϊνης
κά μόνιμες δομές, όπως οι μικροrιάχvες
(βλ. Εικόνα
binding proteins)
(microvilli)
δύουν την ψηκτροειδή παρυφή του ενιέρου (Εικόνα σμες συστοrιnς
(contractile bundles)
στα κύπαρα που επεν
17-29Α)
ή μικρές δέ
στο κυπαρόπλασμα, οι οποίες λειτουρ
17-
κάμψη αν όλα τα
17-28) και τη δομή του κροσ
σού, ο οποίος να εξηγεί την κάμψη του
κροσσού προς μια κατεύθυνση.
γούν σαν «μυς» του κυπάρου (Εικόνα 17-29Β), ή παροδικές προσεκβολές, όπως το άκρο που καθοδηγεί μια έρπουσα ινοβλάστη (Εικόνα
17 -29Γ)
ή ο
δαKτύrιιoς συσrοrιnς που αποκόπτει και διαχωρίΖει το κυπαρόπλασμα στα δύο, όταν διαιρείται ένα Ζωικό κύπαρο (Εικόνα 17-29Δ). Η επιλογή από το κύπαρο μιας από ης πολ/ές δυνατές διατάξεις των νηματίων της ακτίνης ε
ξαρτάται από το διαθέσιμο είδος των πρωτεϊνών που προσδένουν ακτίνη. Παρόη τα νημάηα της ακτίνης και οι μικρο σωληνίσκοι σχηματίΖονιαι από
διαφορεηκά είδη πρωτεϊνών, θα διαπιστώσουμε όη οι αρΧές που διέπουν τον πολυμερισμό και την αποσυναρμοΜγησή τους, ελέγχουν την κυπαρική δομή και προκαλούν μετακινήσεις είναι ενιυπωσιακά παρόμοιες.
Τα νημάτια της ακτίνης είναι λεmά και ευλύγιστα Τα νημάηα της ακτίνης φαίνονιαι στις ηλεκτρονιομικρογραφίες σαν νή
ματα με διάμετρο περίπου
7 nm.
Κάθε νημάηο είναι μια περιελιγμένη αλυσί
δα πανομοιότυπων μορίων σφαιρικής ακτίνης που είναι όλα διατεταγμένα προς την ίδια κατεύθυνση κατά μήκος του άξονα της αλυσίδας. Έτσι, όπως και ένας μικροσωληνίσκος, ένα νημάηο της ακτίνης παρουσιάΖει μια δομική πολικότητα με ένα συν άκρο και ένα πλην άκρο (Εικόνα
17-30).
Εικόνα
17-29. Δέσμες
νηματίων ακτίνης στα
κύπαρα. Στην εικόνα έχουν σχεδιαστεί κόκκι νες οι παρακάτω δέσμες που περιέχουν ακτί
(Α)
•
νη. (Α) Μικρολάχνες. (Β) Συσταλτές δέσμες
στο κυπαρόπλασμα. (η Προεξοχές που μοιά ζουν με φύλλα (ελασματοπόδια) και δάχτυλα (νηματοπόδια) και προεκβάλλουν από το οδη γό άκρο ενός κινητού κυπάρου. (Δ) Συσταλτι (Β)
κός δακτύλιος κατά τη διάρκεια της κυπαρι
κής διαίρεσης.
Νημάτια Ακτίνης
735
Εικόνα 17-30. Ινίδια ακτίνης. (Α) Ηλεκτρονιο μικρογραφίες ινιδίων ακτίνης μετά από αρνη τική χρώση.
(6)
μόρια ακτίνης
Διάταξη των μορίων της ακτί
νης σ' ένα ινίδιο ακτίνης. Κάθε ινίδιο μπορεί να
θεωρηθεί σαν μια δίκλωνη έλικα με μια επανα λαμβανόμενη στροφή κάθε
37 nm.lσχυρές αλ
ληλεπιδράσεις μεταξύ των δύο κλώνων εμπο δίζουν το διαχωρισμό τους. (η Οι πανομοιότυ πες υπομονάδες ενός ινιδίου ακτίνης απεικονί ζονται με διαφορετικά χρώματα για να τονιστεί
η στενή αλληλεπίδραση μεταξύ κάθε μορίου ακτίνης και των τεσσάρων πλησιέστερων μο ρίων. (Α. Ευγενική προσφορά του
Roger Craig. Holmes et al. Nature 347:44-49, 1990. © Macmillan Magazines Ltd.).
Γ. Από κ.c.
(Α)
50
nm
(8)
Τα νημάτια της ακτίνης είναι λεπτότερα, πιο ευλύγΙΟ1α και συνήθως βρα
ΧύΤερα από 1Ους μικροσωληνίσκους. Σ' ένα κύπαρο,
TQ
νημάτια ακτίνης εί
ναι πολύ περισσόΤερα από 1Ους μικροσωληνίσκους.Το συνολικό μήκος ό λων των νημωίωνΤης ακτίνης σ' ένα κύπαρο είναι 1ΟυΜΧΙ010ν30 φορές με γαλύΤεΡΟ από 10 συνολικό μήκος όλων των μικροσωληνίσκων.Τα νημάτια Της ακτίνης σπανίως υπάρχουν απομονωμένα 010 κύπαρο. Γενικά βρίσκο
νΤαι σε διασυνδεόμενες δέσμες και δίΚΤυα που είναι πολύ ισχυρότερα από TQ ξεχωΡΙΟ1άνημάτια.
Η ακιίνη και η ιουμπουλίνηπολυμερίΖονταιμε παρόμοιους μηχανισμούς Τα νημάτια Της ακτίνης αυξάνουν με προσθήκη μονομερών ακτίνης και
Ο1α δύο άκρα, αλλά ο ρυθμός αύξησης είναι μεγαλύτερος 010 συν άκρο πα ρά
010 πλην
άκρο. Ένα γυμνό νημάτιο ακτίνης, όπως και ένας μικροσωλη
νίσκος χωρίς επικουρικές πρωΤε'ϊνες, είναι ευγενώς αΟ1αθές και μπορεί ν' α ποσυναρμολογηθεί και από
TQ
δύο άκρα 1Ου. Όλα
TQ
ελεύθερα μονομερή
Της ακτίνης περιέχουν ένα Ο1ενά συνδεδεμένο Τριφωσφορικό νουκλεοσίδlO
(Ο1ην περίmωση αυτή ΑΤΡ που υδρολύεω[ σε ΑΟΡ αμέσως μΕΤά Την ενσω μάτωση 1Ου μονομερούς Της ακτίνης
010 νημάτιο).
Όπως και με 10
GTP Της
1Ουμπουλίνης, η υδρόλυση 1Ου συνδεδεμένου ΑΤΡ σ' ένα νημάτιο ακτίνης μειώνει Την ισχύ των δεσμών μεωξύ Των μονομερών και ελαπώνει τη Ο1αθε
ρόΤηΤα 1Ου πολυμερούς. Έτοι, η υδρόλυση 1Ου νουκλεοτιδίου προωθεί 1Ον αποπολυμερισμό και εΠΙΤρέπει
010 κύπαρο
ν' αποσυναρμολογεί
TQ
νημάτια
μετά 1Ον σχηματισμό1Ους (Εικόνα 17-31). Όπως και 010υς μικροσωληνίσκους, η ικανόΤηΤα Της συναρμολόγησης
736
Κεφάλαιο 17: Κυτταροσκελετός
Εικόνα
17-31.
Η υδρόλυση του ΑΤΡ κατά τον
πολυμερισμό της ακτίνης. Τα μονομερή της ακτίνη με προσδεδεμένο ΑΤΡ
ακτίνη με προσδεδεμένο ΑDΡ
ακτίνης στο κυπαροδιάλυμα περιέχουν ΑΤΡ, το οποίο υδρολύεται σε ΑΟΡ αμέσως μετά τη συναρμολόγηση των μονομερών σ' ένα αυξα
νόμενο νημάτιο. Τα μόρια του ΑΟΡ παραμέ νουν παγιδευμένα στο νημάτιο της ακτίνης και δεν μπορούν ν' ανταλλαγούν με ΑΤΡ έως ότου
τα μονομερή της ακτίνης με ΑΟΡ διασταθούν από το νημάτιο για να σχηματίσουν και πάλι μονομερή.
17-5
και ίΟυ αποπολυμερισμού είναι αναγκαία σε πολ/ές από τις λειτουργίες των
Ερώτηση
νηματίων της ακτίνης, όπως η συμμείΟχή ίΟυς στην κυπαρική μετακίνηση. Η
Ο σχηματισμός των ινιδίων
λεΙίΟυργία ενός νηματίου ακτίνης μπορεί να διαταραΧθεί πειραματικά με ίΟ
της ακτίνης στο κυπαροδιά
ξίνες μυκήτων, τόσο αυτές που εμποδίΖουν ίΟν πολυμερισμό της ακτίνης, ό
λυμα ελέΥχεται από πρω
πως είναι οι κιποχαnασfvες
τε'ί"νες που προσδένουν την
(cytochalasins),
όσο και εκείνες που σταθερο
•,
(jasplakinolides).
ακτίνη. Μερικές από αυτές
Η προσθήκη αυτών των ίΟξινών σε μικρές συγκεντρώσεις καθηλώνει ακαρι
τις πρωτε'ί"νες αυξάνουν ση
αία τις κινήσεις ίΟυ κυπάρου, όπως την κίνηση μιας ινοβλάστης όταν έρπει.
μαντικά ίΟ ρυθμό έναρξης ίΟυ σχηματι
Η λειτουργία των νηματίων της ακτίνης εξαρτάται από μια δυναμική ισορρο
σμού των ινιδίων της ακτίνης. Να προτεί
πία ανάμεσα στα νημάτια και στο απόθεμα των μονομερών της ακτίνης και
νετε ένα μηχανισμό με ίΟν οποίο επιτυγ
γι' αυτό ένα τυπικό νημάτιο ακτίνης διατηρείται για λίγα μόνο λεπτά μετά ίΟν
Χάνεται αυτό.
ποιούν τα νημάτια της ακτίνης, όπως οι rΖασπnακιvοΛfδες
σχηματισμό ίΟυ.
Πολλές πρωτε'ί'νες συνδέοVIΟΙ με την οκτίνη και
τροποποιούν ης ιδιότητές της Σ' ένα τυπικό Ζωικό κύπαρο, η ακτίνη αποτελεί περίπου ίΟ
5% ίΟυ
συνό
λου των πρωτεϊνών. Η μισή, περίπου, ποσότητα της ακτίνης συγκροτείται σε
νημάτια ακτίνης ενώ η υπόλοιπη ακτίνη βρίσκεται ελεύθερη στο κυπαροδιά λυμα υπό μορφή μονομερών ακτίνης. Επομένως η συγκέντρωση των μονο
μερών είναι μεγάλη, πολύ μεγαλύτερη από τη συγκέντρωση που απαιτείται για ίΟν πολυμερισμό των μονομερών καθαρής ακτίνης in vitro. Επομένως, τι
είναι αυτό που εμποδίΖει τα μονομερή της ακτίνης των κυπάρων να πολυμε ριστούν πλήρως σε νημάτια; Η απάντηση είναι ότι τα κύπαρα περιέχουν μι
κρές πρωτε'ί"νες, όπως η θυμοσfvn
(thymosin) και η προvnμαrfvn (profilin), οι
οποίες συνδέονται με τα μονομερή της ακτίνης στο κυπαροδιάλυμα και ε μποδίΖουν την προσθήκη ίΟυς στα άκρα των νηματίων της ακτίνης. Διατηρώ ντας τα μονομερή της ακτίνης σε εφεδρεία μέΧρι να χρειαστούν, η θυμοσίνη
ιδιαίτερα παίΖει έναν κρίσιμο ρόλο στη ρύθμιση ίΟυ πολυμερισμού της ακτί νης στα κύπαρα.
Υπάρχουν πολ/ές και διαφορετικές πρωτε'ί'νες που προσδένουν ακτίνη
στα κύπαρα. Οι περισσότερες συνδέονται με τα συναρμολογημένα νημάτια της ακτίνης και όχι με τα μονομερή της ακτίνης και ελέγχουν τη συμπεριφο
ρά των νηματίων (Εικόνα
17-32).
Για παράδειγμα, οι πρωτε'ί"νες διασύνδε
σης συγκραίΟύν τα ινίδια της ακτίνης σε παράλ/ηλες δέσμες στις μικροί\ά-
Νημάτια Ακτίνης
737
μονομερή ακτίνης
Θ
Θ
Θ Θ
Θ
Θ
Θ" Θ Θ Θ
Θ
Θ
Θ
ΘΘφΘφΘ
<Ρ
~
<Ρ ..
....
πρωτεινη
. . . . ~ απομόνωσης
.. ~ ..
μονομερούς
Θ
πρωτεινηεμπυρήνωσης
11 ~ ~
/,
QnOKomOuaa πρωτε~ νημάτια της ακτίνης
πρωτεινη δεσμίδας (στα νηματοπόδια)
~
~~~
-,
κινητήρια πρωτε'ί\ιη
Ο"
't""
πρωτεινη που προσδένεται πλευρικά
~
πρωτεινη καλύμματος (Kαλύmει τα άκρα)
Εικόνα 17-32. Οι κύριες κατηγορίες πρωτεϊνών που συνδέονται με ακτίνη και βρίσκονται στα κύπαρα των σπονδυλωτών. Η ακτίνη φαί νεται κόκκινη και οι πρωτε'ί\ιες που συνδέονται με την ακτίνη φαίνονται πράσινες,
χνες. ΊVlΛες ανάλογες πρωτεΊνες συγκρατούν τα νημάτια της ακτίνης σ' ένα
Ζελατινοειδές δίκτυο μέσα στον κυπaρικό φΛοιό, το στρώμα του κυπαροπλά σματος που βρίσκεται κάτω από την κυπαρική μεμβράνη. ΠρωτεΊνες που κό βουν τα νημάτια όπως η rΖεΛσοΛfvn (ή πηκτολυματίνη,
gelso!in), τεμαχίΖουν
τα νημάτια της ακτίνης σε μικρότερα κομμάτια και έτσι μετατρέπουν μια πη κτή ακτίνης σε μια πιο ρευστή κατάσταση. Τα νημάτια της ακτίνης συνδέονται επίσης με κινητήριες πρωτεlνες και σχηματίζουν δέσμες συστολής, όπως στα
μυϊκά κύπαρα. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σαν τροχιόδρομοι κα τά μήκος των οποίων οι κινητήριες πρωτεΊνες μεταφέρουν οργανίδια, μια
λειτουργία που είναι ιδιαίτερα εμφανής σε φυτικά κύπαρα. Στο υπόλοιπο τμήμα αυτού του κεφαλαίου, θα εξετάσουμε μερικές χαρα κτηριστικές δομές που σχηματίΖουν τα νημάτια της ακτίνης και θ' αναφέρου με πώς συμμετέχουν στο σχηματισμό τους διάφορα είδη πρωτεϊνών που
738
Κεφάλαιο 17: Κυτταροσκελετός
συνδέονται με Την ακτίνη. Θα ξεκινήσουμε με τον πλούσιο σε ακτίνη κυπα ρικό φΛοιό και το ρόλο του στην κυπαρική μετακίνηση και θα συνεχίσουμε
με το σύστημα συστολής των μυϊκών κυπάρων Υια να δώσουμε ένα παρά δεΙΥμα μιας σταθερής δομής που βασίΖεται σε νημάτια ακτίνης.
Ο φλοιός που είναι πλούσιος σε ακτίνη στηρίΖει την κυπαρική μεμβράνη των περισσότερων ευκαρυωηκών κυπάρων Μολονότι η ακτίνη βρίσκεται σε όλο το κυπαρόπλασμα ενός ευκαρυωτι κού κυπάρου, στα περισσότερα κύπαρα βρίσκεται συΥκεντρωμένη σ' ένα στρώμα ακριβώς κάτω από την κυπαρική μεμβράνη. Σε αυτή την περιοχή
που ονομάΖεται KuπαΡΙKός φλοιός
(cell cortex), τα νημάτια
της ακτίνης συν
δέονται με πρωτεΊνες και δημιουΡΥούν ένα δίκτυο το οποίο στηρίΖει την εξω τερική επιφάνεια του κυπάρου και τής προσδίδει μηχανική αντοΧή. Στα ερυ
θροκύπαρα, όπως αναφέρθηκε στο Κεφάλαιο
11, ένα απλό και κανονικό
δί
κτυο ινωδών πρωτεϊνών είναι προσκολ/ημένο στην κυπαρική μεμβράνη και παρέχει Την απαραίτητη υποστήριξη Υια τη διατήρηση του απλού δισκοει δούς σχήματος (βλ. Εικόνα
11-30). Ο κυπαρικός
φλοιός των άλλων Ζωικών
κυπάρων είναι παΧύτερος και πιο περίπλοκος και υποστηρίΖει μια πολύ με Υαλύτερη ποικιλία σχημάτων και κινήσεων. Περιέχει σπεκτρίνη και αΥκυρίνη
(ankyrin,
όπως και στα ερυθροκύπαρα), αλ/ά περιλαμβάνει επίσης και ένα
πυκνό δίκτυο νηματίων ακτίνης που προεξέχουν μέσα στο κυπαρόπλασμα, όπου διασυνδέονται και δημιουΡΥούν ένα τρισδιάστατο πλέΥμα. Αυτό το δί κτυο της ακτίνης του φλοιού ελέΥχει το σχήμα και τις μηχανικές ιδιόΤητες Της κυπαρικής μεμβράνης και της κυπαρικής επιφάνειας. Όπως θα δούμε, η α
ναδιάταξη της ακτίνης μέσα στο φλοιό παρέχει τη μοριακή βάση Υια τις αλ/α Υές του κυπαρικού σχήματος και της κίνησης των κυπάρων.
Ο ερπυσμός των κυπάρων εξαρτάται από την ακτίνη Πολ/ά κύπαρα μετακινούνται έρποντας πάνω σε επιφάνειες αντί να κο λυμπούν με τη βοήθεια κροσσών και μαστΙΥίων. Οι σαρκοφάΥες αμοιβάδες έρπουν διαρκώς αναΖητώντας τροφή. Τα λευκά κύπαρα του αίματος που ο νομάΖονται ουδετερόφιΛα μεταναστεύουν από την κυκλοφορία του αίματος προς τους ιστούς όταν «οσμίΖΟνται» μικρά διαχεόμενα μόρια που απελευθε ρώνονται από βακτήρια, τα οποία τελικά καταβροΧθίΖουν και καταστρέφουν.
Το οδηΥό άκρο ενός αναπτυσσόμενου νευράξονα αποκρινόμενο σε αυξητι κούς παράΥοντες, μεταναστεύει και ακολουθεί μια διαδρομή, προς τον συ ναπτικό στόΧο, οδηΥούμενο από διαχεόμενες χημικές ουσίες. Οι μοριακοί μηχανισμοί που ελέΥχουν αυτούς αλ/ά και άλ/ους τρόπους
ερπυσμού είναι δύσκολο ν' αναλυθούν. ΣυνεπάΥονται συντονισμένες αλ/α Υές πολ/ών μορίων σε διαφορετικές περιοχές του κυπάρου. Δεν υπάρχει έ
να απλό και εύκολα αναΥνωρίσιμο κινητικό ΟΡΥανίδιο, όπως είναι ένα μα στίΥΙΟ, το οποίο να είναι υπεύθυνο Υια μια τέτοια κίνηση. Γενικά όμως, είναι Υνωστό ότι στον ερπυσμό παίΖουν σημαντικό ρόλο τρεις αλ/ηλοσυνδεόμε νες διαδικασίες:
(1) το
κύπαρο δημιουΡΥεί προσεκβολές στο «μέτωπο» ή 0-
Νημάτια Ακτίνης
739
Εικόνα
17-33.
Πώς προωθεί ένα κύπαρο ο
φλοιός ακτίνης
.....s:ι==Il~~
φλοιός. Ο πολυμερισμός της ακτίνης στο οδη γό άκρο του κυπάρου ωθεί την κυπαρική μεμ
ελασματοπόδιο
&·~b
βράνη προς τα εμπρός και σχηματίζει καινούρ
γιες περιοχές φλοιού ακτίνης που εδώ φαίνο νται κόκκινες. Νέα σημεία αγκυροβόλησης δη
πολυμερισμός της ακτίνης στο συν άκρο προεκτείνει το ελασματοπόδιο
φλοιός υπό πίεση
μιουργούνται μεταξύ των νηματίων της ακτί
νης και της επιφάνειας (το υπόστρωμα) πάνω στην οποία έρπει το κύπαρο. Η πίεση του φλοιού τραβά τότε το σώμα του κυπάρου προς τα εμπρός. Καθώς το πίσω τμήμα του
μετακίνηση αποπολυμερισμένης ακτίνης
KUΠάΡOυ αποκολλάται από το υπόστρωμα και
...
αποσύρεται, τα νημάτια της ακτίνης στην απο
απόσυρση
συρόμενη περιοχή αποπολυμερίζονται και τα μόρια ακτίνης που απελευθερώνονται κινού
νται διαμέσου του KUΠαΡOδιαλύμαΤOς σε θέ σεις νέου πολυμερισμού. Ο ίδιος κύκλος επα
((. σημεία αγκυροβόλησης
ναλαμβάνεται ακατάπαυστα, μετακινώντας βήμα προς βήμα το κύπαρο προς τα εμπρός.
δηγό άκρο του,
(2)
οι προσεκβολές προσκολλώνται στην επιφάνεια πάνω
στην οποία έρπει το κύπαρο και
(3) το
υπόλοιπο κύπαρο παρασύρεται προς
τα εμπρός με έλξη από τα σημεία προσκόλ/ησης (Εικόνα
17-33).
Και οι τρεις διαδικασίες περιλαμβάνουν την ακτίνη, αλλά με διαφορετι κούς τρόπους. Το πρώτο στάδιο, η προσεκβολή της κυπαρικής επιφάνειας προωθείται από τον πολυμερισμό της ακτίνης. Το οδηγό άκρο μιας έρπου σας ινοβλάστης σε καλ/ιέργεια ανά τακτά χρονικά διαστήματα εκτείνει λεπτά
ελασματοπόδια
(lamellipodia)
(Εικόνα
17-34), τα
οποία περιέχουν ένα πυ
κνό πλέγμα νηματίων ακτίνης που είναι προσανατολισμένα με το συν άκρο
τους κοντά στην κυπαρική μεμβράνη. Πολ/ά κύπαρα εκτείνουν επίσης λε
πτές άκαμπτες προεκβολές που ονομάΖΟνται φιλοπόδια ή νηματοπόδια
(filopodia) στο οδηγό άκρο αλλά και σε ολόκληρη την επιφάνειά τους. Τα φι λοπόδια έχουν πλάτος περίπου 0.1 μm και μήκος 5-10 μm. Κάθε φιλοπόδιο περιέχει μια χαλαρή δέσμη 10-20 νηματίων ακτίνης τα οποία επίσης είναι προσανατολισμένα με το συν άκρο τους προς τα έξω. Το προωθούμενο άκρο (ο αυξητικός κώνος) ενός αναπτυσσόμενου νευράξονα εκτείνει ακόμα μα κρύτερα φιλοπόδια, με μήκος έως
50 μm, τα οποία
βοηθούν στη διερεύνηση
του περιβάλ/οντος και στο να βρίσκουν το σωστό δρόμο προς τον στόχο. Τα ελασματοπόδια και τα φιλοπόδια είναι διερευνητικές κινητές δομές που σχη ματίζονται και αποσύρονται με μεγάλη ταχύτητα. ΕικάΖεται ότι και οι δύο δο μές δημιουργούνται από μια ταχεία τοπική αύξηση νηματίων ακτίνης, τα ο
ποία εμπυρηνώνονται στην κυπαρική μεμβράνη και την ωθούν προς τα έξω χωρίς όμως να την σχίΖουν καθώς επιμηκύνονται Ο σχηματισμός και η αύξηση των ινιδίων ακτίνης στο προπορευόμενο ά
κρο ενός κυπάρου υποβοηθείται από διάφορες επικουρικές πρωτε'ϊνες που προσδένουν ακτίνη και συμβάλ/ουν στην εμπυρήνωση πολυμερών της ακτί νης στην κυπαρική μεμβράνη. Μια ομάδα πρωτεϊνών που σχετίΖοντω με τπν
aκτίνπ
740
Κεφάλαιο 17: Κυτταροσκελετός
(actin-related proteins, ARPs)
προάγουν τον σχηματισμό διακλαδι-
φλοιός
ελασματοπόδιο
νηματοπόδιο
Εικόνα 17-34.lνίδια ακτίνης σε μεταναστευτι κά ζωικά κύπαρα. (Α) Σχηματική απεικόνιση μιας ινοβλάστης με πεπλατυσμένα ελασματο πόδια και λεmά νηματοπόδια που προσεκβάλ λουν από την επιφάνειά της, ιδίως στις περιο χές του οδηγού άκρου. (8) Οι λεmομέρειες της διάταξης των ινιδίων της ακτίνης σε τρεις περιοχές της ινοβλάστης φαίνονται με αιχμές
από βέλη που προσανατολίζονται προς το συν άκρο των ινιδίων. (η Μικρογραφία ηλεκτρονι κού μικροσκοπίου σάρωσης στην οποία φαίνο νται τα ελασματοπόδια και τα νηματοπόδια στο
οδηγό άκρο μιας ανθρώπινης μεταναστευτικής ινοβλάστης σε καλλιέργεια. (Γ. Ευγενική προ σφορά του
Julian Heath).
σμένων ινιδίων ακτίνης. Αυτές οι πρωτε'ϊνες σχηματίΖουν ένα σύμπλοκο που προσδένε1Ο1 Ο1α προϋπάρχον1Ο ινίδιο ακτίνης, όπου οργανώνει την αύξηση
ενός νέου ινιδίου, ω οποίο αυξάνει υπό γωνία και έιοι σχημοιίΖει έναν πλευ
ρικό κλάδο (Εικόνα
17-35). Συνεπώς
αυτά 10 σύμπλοκα προάγουνων ΣΧπ
μαησμό ενός δισδιάΟ1αωυπλέγμαωςακτίνης. Με Τη βοήθεια επιπρόσθετων
πρωτεϊνών που προσδένουνακτίνη, αυτό ω πλέγμα υφίΟ1α1Ο1 συναρμολό γηση 010 πρόσθιο άκρο και αποσυναρμολόγηση010 οπίσθιο άκρο. Με αυτό
ων φόπο, προωθείω ελασμαωπόδιοπρος 10 εμπρός (Εικόνα 17-36).
'Orav 10 ελασμαωπόδιακαι 10 φιλοπόδια αγγίξουν μια ευνοϊκή επιφά-
Εικόνα 17-35. Η οργάνωση των ινιδίων της α κτίνης σ' ένα ελασματοπόδιο. Ευκίνητα κερα
τινοκύπαρα από το δέρμα βατράχου μονιμο ποιήθηκαν, ξηράνθηκαν, βάφηκαν με λευκό χρυσο και εξετάσθηκαν με ηλεκτρονικό μικρο σκόπιο. (Α) Τα ινίδια ακτίνης σχηματίζουν ένα πυκνό δίκτυο. Τα ταχέως αυξανόμενα άκρα τους τερματίζονται στο προπορευόμενο χεί λος του ελασματοποδίου (πάνω μέρος της ει
κόνας).
(8 και η
Μεγέθυνση των πλαισίων από
το (Α): παρατηρούνται συμβολές σχήματος γ
μεταξύ ξεχωριστών ινιδίων. (Με την άδεια της
Tatyana Svitkina και του Gary 80risy). Νημάτια Ακτίνης
741
Εικόνα
17-36. Το
προπορευόμενο χείλος ε·
•
νέο ινίδιο ακτίνης
προπορευόμενο χείλος
νός ελασματοποδίου προωθείται από τη συ
ναρμολόγηση ενός δικτύου ακτίνης. Η εμπυ ρήνωση νέων ινιδίων ακτίνης (κόκκινο) μεσο λαβείται από σύμπλοκα
ARP
(πορτοκαλί) στο
«μέτωπο» του δικτύου. Έτσι, τα νέα ινίδια είναι
προσκολλημένα στα πλάγια των παλαιών ινι δίων (βλ. Εικόνα
17-35).
Καθώς αυξάνουν αυ
τά τα ινίδια, ωθούν την κυπαρική μεμβράνη προς τα εμπρός. Τα συν άκρα των ινιδίων ακτί νης προστατεύονται από ειδικές πρωτεινες (μπλε). Έτσι, αποτρέπεται η περαιτέρω συναρ μολόγηση ή αποσυναρμολόγηση από τα πα λαιά συν άκρα στο μέτωπο του δικτύου. Η υ δρόλυση του ΑΤΡ που είναι προσδεδεμένο στις υπομονάδες της ακτίνης προάγει τον α ποπολυμερισμό στο οπίσθιο άκρο του συ
ο
μπλόκου της ακτίνης με τη δράση μιας πρω τεΊνης αποπολυμερισμού (πράσινο). Ο χωρο ταξικός διαχωρισμός της συναρμολόγησης α
ο
ο
πό την αποσυναρμολόγηση επιτρέπει στο δί
j
ο
κτυο ως σύνολο να προωθείται με σταθερή τα
Ι
χύτητα.
ο
ο
c.s
00
00
σύμπλοκο
πρωτείνη
ARP
αποπολυμερισμού
μονομερές ακτίνης
πρωτείνη καλύπτρας
νεια, κολ/ούν σε αυτήν: διαμεμβρανικές πρωτε1\ιες στην κυπαρική μεμβρά νη τους που ονομάΖονται IvτεγKp{νες
(integrins)
προσκολ/ώνται σε μόρια
του εξωκυπάριου στρώματος ή στην επιφάνεια ενός άλ/ου κυπάρου πάνω στο οποίο έρπει το μετακινούμενο κύπαρο. Στο μεταξύ, στην ενδοκυπάρια πλευρά της μεμβράνης του έρποντος κυπάρου, οι ιντεγκρίνες εμπυρηνώ νουν ή δεσμεύουν νημάτια ακτίνης, δημιουργώντας έτσι ένα ισχυρό αγκυρο
βόλιο για το σύστημα των νηματίων της ακτίνης μέσα στο έρπον κύπαρο (Ει κόνα
(Α)
17-37). Για να χρησιμοποιήσει αυτό το αγκυροβόλιο και να παρασύρει
~
10
μm
Εικόνα 17·37. Ενδοκυπάριες δεσμίδες νηματίων της ακτίνης και εξωκυπάρια συγκόλληση. Στο (Α), έχει χρησιμοποιηθεί ένα οmικό τέ χνασμα για ν' αναδειχθούν οι στενές επαφές (σκοτεινές κηλίδες) ανάμεσα σε μια ινοβλάστη και στο γυάλινο πλακίδιο στο οποίο επικάθεται. (Β) Η χρώση (μετά από μονιμοποίηση) του ίδιου κυπάρου με φθορίζοντα αντισώματα εναντίον της ακτίνης δείχνει ότι τα περισσότερα δε μάτια των νηματίων της ακτίνης του κυπάρου καταλήγουν σε αυτά τα σημεία επαφής ή κοντά σε αυτά. (Ευγενική προσφορά του
Ireland).
742
Κεφάλαιο 17: Κυτταροσκελετός
Grenham
το σώμα του προς τα εμπρός, το κύπαρο εκμεταλ/εύεται και εσωτερικές συ
Ερώτηση
οιολές, ώοιε να δημιουργηθεί μια δύναμη προώθησης (Εικόνα
17-6
Οι
Υποθέοιε όη τα μόρια ακιί
συοιολές αυτές επίσης εξαρτώνΙαι από ων ακιίνη, αλλά με διαφορετικό φό
νης ενός δερμαπκού κυπά
πο: μέσω ως αλληλεπίδρασης των νημοιίων ως ακτίνης με κινητήριες πρω
ρου σε καλλιέργεια έχουν
τεΊνες που ονομάΖΟνΙαι μυοσίνες
σημανθεί κοιά τέτοιο φόπο
17-33).
(myosins).
Δεν είναι ακόμα γνωοιό πώς ακριβώς παράγεται αυτή η δύναμη προώ
ώοιε ένα μόριο ανά
10,000
•,
θησης: υπεύθυνη πιθανόν είναι η συοιολή των δεσμίδων των νημοιίων ως
να φέρει μια φθορίΖουσα
ακτίνης του κυπαροπλάσματος ή η συοιολή του πλέγματος ως ακτίνης του
χρωοιική. Τι πιοιεύετε όη θα βλέποιε αν
κυπαρικού φλοιού ή και τα δύο. Ωοιόσο, όπως θα δούμε ευθύς αμέσως, οι
εξετάΖοιε το ελασματοπόδιο (προπορευ
γενικές αρχές του φόπου με τον οποίο αλ/ηλεπιδρούν οι κινηΤήριες πρω
όμενο άκρο) αυτού του κυπάρου σ' ένα
τεΊνες ως μυοσίνης με τα νημάηα ως ακτίνης για να προκαλέσουν κίνηση εί
μικροσκόπιο φθορισμού; Υποθέοιε όη
ναι γνωοιές.
το μικροσκόπιο έχει επαρκή ευαισθησία για ων ανίχνευση μεμονωμένων μορίων
Η ακτίνη διασυνδεέταl με τη μυοσίνη ΚΟ1 σχηματίΖει
που φθορίΖουν.
συmαλΙ1κές δομές Όλες οι κινηΤήριες πρωτεΊνες που εξαρτώνΙαι από ων ακτίνη ανήκουν
οιην οικογένεια ως μυοσίνης. Προσδένουν και υδρολύουν ΑΤΡ, το οποίο παρέχει ων ενέργεια για να κινηθούν κοιά μήκος των νημοιίων ως ακιίνης,
από το πλην άκρο του νημοιίου προς το συν άκρο. Η μυοσίνη μαΖί με ων α κτίνη ανακαλύφθηκαν πρώτα οιους σκελεηκούς μυς και πολ/ές από ης γνώ σεις μας για ων αλληλεπίδραση αυτών των δύο πρωτεϊνών προέΡΧΟνΙαι από μελέτες των σκελεηκών μυών. Στα κύπαρα υπάρχουν πολ/ά διαφορεηκά εί δη μυοσίνης, από τα οποία πιο άφθονα είναι εκείνα που ανήκουν οιις υπο οικογένειες της μυοσίvnς Ι και ως μυοσίvnς ΙΙ. Η μυοσίνη Ι βρίσκεται σε όλα
τα είδη των κυπάρων, έχει απλούοιερη δομή και μηχανισμό δράσης και θ' α
ναφερθούμε πρώτα σ' αυτήν. Τα μόρια ως μυοσίνης-Ι έχουν μόνο μια κεφαλή και μια ουρά (Εικόνα
17-
38Α). Η περιοχή ως κεφαλής αλληλεπιδρά με τα νημάηα ως ακιίνης και υ δρολύει το ΑΤΡ: αυτό παρέχει οιο μόριο ως μυοσίνης ω δυνατότητα να μετα κινείται κατά μήκος του νηματίου, ακολουθώνΙας έναν κύκλο πρόσδεσης, α
πελευθέρωσης και επαναπρόσδεσης. Η ουρά ποικίλει οια διάφορα είδη ως μυοσίνης και καθορίζει ποιο κυπαρικό συοιαηκό θα παρασυρθεί από τον κι νητήρα. Για παράδειγμα, η ουρά μπορεί να προσδεθεί σ' ένα συγκεκριμένο εί δος μεμβρανικού κυοιιδίου και να το προωθήσει μέσα οιο κύπαρο κατά μή κος των φοχιών που δημιουργούν τα νημάπα ως ακιίνης (Εικόνα
17-388), ή
οιην κυπαρική μεμβράνη και να τη μετακινήσει σε σχέση με τα νημάηα της α
κιίνης του φλοιού και, έιοι, να την παραμορφώσει ή να της δώσει ένα διαφο ρετικό σχήμα (Εικόνα
17-38Γ).
Η διάταξη των ινιδίων ακτίνης ελέγχετΟ1 από εξωκυπάρια σήματα Σης προηγούμενες παραγράφους εξετάσαμε πώς οι πρωτεΊνες που προσδένουν ακτίνη ρυθμίΖουν το μήκος, ων ενΙόπιση, ων οργάνωση και ω δυναμική συμπεριφορά Των ινιδίων ως ακιίνης. Η δράση αυτών των επικου-
Νημάτια Ακτίνης
743
Εικόνα
17-38.
Η βραχεία ουρά ενός μορίου
(Α)
μυοσίνης Ι περιέχει θέσεις πρόσδεσης για
μuοσίνη Ι ~70nm-+l
πολλά κυπαρικά συστατικά και για μεμβρά νες. (Α) Η μυοσίνη Ι έχει μια σφαιρική κεφαλή και μια ουρά που προσδένεται σ' ένα άλλο μό
ριο ή οργανίδιο του κυπάρου. Με αυτό τον τρόπο, η κεφαλή μετακινεί ένα κυστίδιο κατά μήκος ενός ινιδίου ακτίνης
(6),
ή ένα ινίδιο α
κτίνης σε σχέση με την κυπαρική μεμβράνη (η. Παρατηρείστε ότι σε κάθε περίmωση που απεικονίζεται εδώ, η κεφαλή της μυοσίνης «βαδίζει» προς το συν άκρο του νηματίου της
ακτίνης με το οποίο εφάmεται.
μuοσίνη Ι
KUΠαΡΙKή μεμβράνη
ρικών πρωτεϊνών ρυθμίΖετOl από εξωκυπάρια σήματα κοι επιτρέπει
mo κύτ
ταρο ν' αναδlOτάσσεl τον κυπαροσκελετό του απαvτώvτας σ' ερεθίσματα α πό το περιβάλλον του.
Οι δομικές αναδlOτάξεlς του κυτταροσκελετού της ακτίνης πυροδοτού vτol από Την ενεργοποίηση ποικίλων υποδοΧέων ενσωματωμένων ταρική μεμβράνη. Όλα τα σήματα φαίνετOl όl1 συγκλίνουν
mo
mnv κυτ
εσωτερικό
του κυττάρου προς μlO ομάδα mενά σχεl1Ζόμενων πρωτεϊνών που προσδέ
νουν
GTP, οι οποίες απαρτίΖουν την οικογένεια πρωτεϊνών Rho. Όπως εί δαμε mo ΚεφάλαlO 16, οι πρωτε'ίνες αυτού του είδους συμπερlφέροvτOl σαν
μορlOκοί «δlOκόπτες» που ελέγχουν διάφορες κυπαρlκές διεργασίες μεταπί πτovτας από μlO ενεργό κατάmαση νεργό κατάmαση
-
-
προσδεδεμένες με
προσδεδεμένες με
GDP -
GTP -
σε μlO ανε
κοι το αvτίmροφο (βλ. Εικόνα
16-15Β). ΣΤην περίπτωση του κυπαροσκελετού, η ενεργοποίηση δlOφορεη κών μελών Της οικογένεlOς
Rho επηρεάΖει
την οργάνωση των ινιδίων της α
κτίνης με δlOφορεl1κό τρόπο. Γιο παράδειγμα, η ενεργοποίηση της G-πρω τείνης
Cdc42 πυροδοτεί τον πολυμερlOμό
της ακτίνης κοι το σχημαl1σμό δε
σμών ώmε να δημlOυργηθούν lνοπόδlO, ενώ η ενεργοποίηση Της G-πρω τείνης
Rac προάγει
διπλώσεων (Εικόνα
τον σχημαl1σμό ελασματοποδίων κοι μεμβρανlκών ανα
17-39).
Αυτές οι εVΤυπωσlOKές και περίπλοκες δομικές αλλαγές συμβαίνουν ε πειδή καθένας από αυτούς τους μορlOκούς διακόπτες αλληλεπιδρά με πολ λές πρωτεΊ'νες-mόχους, μεταξύ άλλων πρωτεϊνικές κινάσες όπως επίσης και επικουρικές πρωτεΊ'νες που ελέγχουν την οργάνωση και τη δυναμική της α κτίνης. Για παράδειγμα, η ενεργοποίηση της
Cdc42 επαυξάνει Την ικανόΤητα
των συμπλόκων
mo σύμπλοκο
ARP να εμπυρηνώνουν ακτίνη. Η εμπυρήνωση της ακτίνης ARP επίσης αυξάνει από την πρωτε'ίVη Rac, η οποία επιπλέον
προάγει Την αφαίρεση του καλύμματος από τα πλην άκρα των ινιδίων ακτί-
744
Κεφάλαιο 17: Κυτταροσκελετός
Εικόνα 17·39. Η ενεργοποίηση G-πρωτεϊνών έχει σοβαρές επιπτώσεις στην οργάνωση των ινιδίων της ακτίνης στις lνοβλάστες. Σε αυτές τις μικρογραφίες η ακτίνη έχει χΡωσθεί με φαλλο'ίδίνη, ένα φθορίζον μόριο που προσ
δένεται σε ινίδια ακτίνης. (Α) Σε ινοβλάστες που βρίσκονται σε κατάσταση ηρεμίας, τα ινί δια ακτίνης εντοπίζονται κυρίως στον φλοιό. (Α) κύπαρα σε ηρεμία
(6) ενεργοποίηση της Rac
(η ενεργοποίηση της
Cdc42
(8) Η μικροένεση
στο κύπαρο μιας ενεργοποι
ημένης μορφής της μικρής, μονομερούς
πρωτεΤνης
Rac προκαλεί τον σχηματισμό
G
ενός
τεράστιου ελασματοποδίου που εκτείνεται α
νης. Αυτό προσφέρει επιπρόσθετες θέσεις για συναρμολόγηση ακτίνης στην
πό ολόκληρη την περίμετρο του κυπάρου. (η Η μικροένεση μιας ενεργοποιημένης μορφής
κυπαρική μεμβράνη, γεγονός που προάγει τον σχηματισμό μεγάλων ελα
της συγγενούς πρωτεΤνης
σματοποδίων.
σχηματισμό πολλλών μακριών ινοποδίων στην
Μια από τις πιο ελεγχόμενες αναδιατάξεις των στοιχείων του κυπαροσκε
Cdc42 προκαλεί τον
περιφέρεια του κυπάρου. (Από: Α.
Hall, Sci-
ence 279:509-514,1988. © AAAS).
λετού συμβαίνει όταν η ακτίνη αλ/ηλεπιδρά με τη μυοσίνη στις μυϊκές ίνες σε απάντηση προς σήματα από το νευρικό σύστημα. Στη συνέχεια θα εξετάσουμε πώς αυτή η μοριακή αλληλεπίδραση δημιουργεί τις ταχείες, επαναληπτικές, Ζωηρές κινήσεις που χαρακτηρίΖουν τη συστολή των μυών στα σπονδυλωτά. Ερώτηση
Μυϊκή συστολή
17-7
Στο οδηγό άκρο ενός έρπο
•,
Η μυϊκή συστολή είναι η πιο γνωστή και κατανοητή από τις κινήσεις των
ντος κυπάρου, τα συν άκρα
Ζωικών κυπάρων. Στα σπονδυλωτά, το τρέξιμο, το βάδισμα, το κολύμπι και
των νηματίων της ακτίνης εί
το πέταγμα εξαρτώνται από την ικανότητα των σκεΛεπκών μυών να συστέλ
ναι προσκολλημένα
λονται ισχυρά και να μετακινούν διάφορα οστά. Οι ακούσιες κινήσεις, όπως
κυπαρική μεμβράνη και τα
η άντληση της καρδιάς και η περισταλτική κίνηση του εντέρου βασίζονται α
μονομερή της ακτίνης προ
ντίστοιχα στον κaρδΙQκό μυ και στους Λείους μυς, οι οποίοι σχηματίΖονται α
στίθενται στα άκρα αυτά ωθώντας τη μεμ
στην
πό μυϊκά κύπαρα με διαφορετική δομή από αυτήν των σκελετικών μυών, αλ
βράνη προς τα έξω, με αποτέλεσμα να
λά χρησιμοποιούν την ακτίνη και τη μυοσίνη με παρόμοιο τρόπο για τη συ
σχηματίΖΟνται ελασματοπόδια και φιλο
στολή τους. Μολονότι τα μυϊκά κύπαρα είναι πολύ εξειδικευμένα, πολ/ές
πόδια. Τι νομίΖετε ότι συγκρατεί τα νημά
κυπαρικές κινήσεις - από τη μετακίνηση ολόκληρων κυπάρων έως την κίνη
τια στα άλλα άκρα τους και τα εμποδίΖει
ση των ενδοκυπάριων συστατικών
να προωθηθούν προς το εσωτερικό του
-
εξαρτώνται από την αλληλεπίδραση α
κτίνης-μυοσίνης. Πολ/ές από τις γνώσεις μας για τους μηχανισμούς των κυτ
κυπάρου;
ταριKών κινήσεων προήλθαν από μελέτες της συστολής των μυϊκών κυπά
ρων. Στις επόμενες παραγράφους θα εξετάσουμε πώς αλ/ηλεπιδρούν η α κτίνη και η μυοσίνη για να δημιουργήσουν κίνηση.
Η μυϊκή συστολή βασίΖεται σε δέσμες ακιίνnς και μυοσίνnς Η μυοσίνη των μυών ανήκει στις μυοσίνες της υΠΟΟ1κογένειας της μυοσί νης ΙΙ και έχει δύο κεφαλές με δράση ΑΤΡάσης και μια επιμήκη ραβδόμορ φη ουρά (Εικόνα 17-40Α). Η μυοσίνη ΙΙ σχηματίΖει συσταλτικές δομές με τα νημάτια της ακτίνης: οι πιο γνωστές και άφθονες υπάρχουν στα μυϊκά κύπα
ρα, αλλά βρίσκονται επίσης και σε πολ/ά είδη Ζωικών κυπάρων. Κάθε μόριο μυοσίνης-ΙΙ είναι διμερές και αποτελείται από ένα Ζεύγος πανομοιότυπων μορίων μυοσίνης που συγκρατούνται από τις ουρές. Έχει δύο σφαιρικές κε φαλές με δράση ΑΤΡάσης στο ένα άκρο και μια απλή ουρά με δομή σπειρο-
Μυϊκή Συστολή
745
Εικόνα 17·40. Μόρια μυοσίνης 11 συνδέονται μεταξύ τους και σχηματίζουν ινίδια μυοσί νης. (Α) Η μυοσίνη
11 αποτελείται
από ένα ζεύ
γος πανομοιότυπων μορίων μυοσίνης και έτσι έχει δύο κεφαλές και μια ουρά σπειροειδούς σπειράματος.
(8)
Οι ουρές της μυοσίνης
11 δια
συνδέονται και σχηματίζουν ένα ινίδιο μυοσί
(Α)
μόριο μυοσίνης
2:.
I1
7
κεφαλή
ουρα
~14----
150 nm
---_~I
νης από το οποίο προεξέχουν οι κεφαλές. Η γυμνή περιοχή στο μέσο του ινιδίου αποτελεί
(Β) νημάτιο μυοσίνης 11
γυμνή περιοχή
1 μm
14
•,
Ερώτηση
κεφαλές μυοσίνης
_ι-I~~
ται μόνο από ουρές.
~I
ειδούς-σπειράματος στο άλ/ο άκρο. Σύμπλοκα μορίων μυοσίνης ΙΙ προσδέ
17-8
Τόσο ΤΟ παχιά όσο και ίΟ
νονται μετοξύ τους μέσω των σπειροειδών σπειραμάτων της ουράς τους,
λεπτά ινίδιο των μυών α
σχηματίΖοντας ένα vnμάπο μυοσίvnς στο οποίο οι κεφαλές προεξέχουν από
παρτίΖΟνται από υπομονά
τα πλάγια (βλ. Εικόνα
17 -40Β).
δες που συγκρατούνται με
Το νημάτιο της μυοσίνης είναι πολικό και μοιάΖει σαν βέλος με δύο αιχ
τοξύ τους με ασθενείς μη ο
μές, όπου οι δύο ομάδες των κεφαλών προσανατολίΖΟνται προς αντίθετες
μοιοπολικούς δεσμούς. Ά
κατευθύνσεις μακριά από το κέντρο. Η μια ομάδα των κεφαλών συνδέεται
ραγε πώς κατοφέρνουμε να σηκώνουμε
με τα νημάτια της ακτίνης με έναν προσανατολισμό και τα μετακινεί προς μια
βαριά αντικείμενα;
κατεύθυνση, ενώ η άλ/η ομάδα των κεφαλών προσδένεται σε άλ/α νημάτια ακτίνης με αντίθετο προσανατολισμό και τα μετακινεί προς την αντίθετη κα τεύθυνση (Εικόνα
17-41). Το
συνολικό αποτέλεσμα είναι η ολίσθηση αντί
θετα προσανατολισμένων νηματίων της ακτίνης μεταξύ τους. Επομένως, ό ταν τα νημάτια της ακτίνης και τα νημάτια της μυοσίνης συγκροτούνται σε δε
σμίδα, η δεσμίδα μπορεί να παράγει μια δύναμη συστολής. Αυτό παρατηρεί ίΟι πιο ευδιάκριτα κατά τη μυϊκή συστολή, αλ/ά συμβαίνει και στις δέσμες συστοi\nς
(contractile bundles) των νηματίων
της ακτίνης και της μυοσίνης
(βλ. Εικόνα 17-29Β) που συγκροτούνται παροδικά σε μη μυϊκά κύπαρα και στον δaκτύΛlΟ συσrοi\nς
(contractile ring)
που κόβει ένα διαιρούμενο κύπα
ρο στα δύο με συσταλτικές κινήσεις και τράβηγμα προς ίΟ μέσα της κυπαρι κής μεμβράνης (αναφέρεται στο Κεφάλαιο
19).
Κα1ά 1η διάρκεια 1ης μυϊκής συστολής 1α ινίδια 1ης αΚ1ίνης
ολισθαίνουν πάνω στα ινίδια 1ης μυοσίνης Οι επιμήκεις ίνες του σκελετικού μυός είναι τεράστια απλά κύπαρα που
Εικόνα
17-41.
Μικρά δίπολα ινίδια που απο 11 προκαλούν
τελούνται από μόρια μυοσίνης
διολίσθηση των νηματίων της ακτίνης μετα
μυοσίνη ιι
ξύ τους, επιτυγχάνοντας έτσι τη βράχυνση των δεσμίδων που αποτελούνται από νημά τια ακτίνης. Η κεφαλή της μυοσίνης
11
βαδίζει
προς το συν άκρο του ινιδίου της ακτίνης με το οποίο εφάmεται.
746
Κεφάλαιο 17: Κuτταροσκελετός
κυπαρική μεμβράνη
(Α)
μυ'ίκό ινίδιο
σαρκομερίδιο
Εικόνα
17·42. Ένα
σαρκομερίδιο
σκελετικό μυϊκό κύπαρο. (Α) Σ' έναν ενήλικο άνθρωπο αυτά τα τεράστια πολυπύρηνα κύπαρα (ονομάζονται επίσης μυ"ί
κές ίνες) τυπικά έχουν διάμετρο
50
μm και μήκος μερικών εκατοστών, Περιέχουν πολλαπλά μυϊκά ινίδια στα οποία τα νημάτια της ακτίνης και
της μυοσίνης είναι διευθετημένα σε μια πολύ οργανωμένη δομή η οποία προσδίδει στο ινίδιο μια ραβδωτή ή γραμμωτή εμφάνιση. (Β) Ηλε κτρονιομικρογραφία μικρής μεγέθυνσης μιας διατομής κατά μήκος ενός σκελετικού μυ'ίκού κυπάρου ενός κουνελιού, στην οποία φαίνεται η συμμετρική οργάνωση των σαρκομεριδίων που αποτελούν τις συσταλτικές μονάδες των μυ'ίκών ινιδίων, (Β, με την άδεια του
Roger Craig) ,
σxηματίσrηKαν κατά τη 'διάρκεια της ανάπτυξης από τη σύντηξη πολ/ών μι κρότερων κυπάρων. Οι πυρήνες των κυπάρων που συμμετέχουν διατηρού νται σrη μυϊκή ίνα και τοποθετούνται κάτω ακριβώς από την κυπαρική μεμ
βράνη. Ο κύριος όγκος του κυπαροπλάσματος αποτελείται από μυϊκά lVlOlG
(myofibrils), τα
σroιxεία της συσroλής του μυϊκού κυπάρου. Αυτές οι κυλιν
δρικές δομές έχουν διάμετρο
1-2 μm και μήκος
όσο το μυϊκό κύπαρο (Εικό
να 17-42Α). Ένα μυϊκό ινίδιο αποτελείται από μια αλυσίδα παρόμοιων λεmών μονά
δων συσroλής που αποκαλούνται σαρκομερίδια ρίδιο έχει μήκος περίπου
2.5 μm.
(sarcomeres). Κάθε σαρκομε
Η συμμετρική διάταξη σε μια αλυσίδα προσ
δίδει σrα μυϊκά ινίδια των σπονδυλωτών μια ραβδωτή ή γραμμωτή εμφάνιση (Εικόνα
17-428). Τα σαρκομερίδια
δίσκος Ζ
είναι συγκροτήματα με υψηλή οργάνωση
που αποτελούνται από δύο είδη ινιδίων: τα ινίδια της ακτίνης και τα ινίδια της ειδικής μυϊκής μυοσίνης
11. Τα
ινίδια της μυοσίνης (χοvrρά ιvfδιa) είναι τοπο
θετημένα σro κέντρο κάθε σαρκομεριδίου, ενώ τα λεmότερα ινίδια της ακτίνης
(Λεmά ιvfδιa) εκτείνονται προς τα μέσα από τα άκρα του σαρκομεριδίου όπου αγκυροβολούν με τα συν άκρα τους σε μια δομή που είναι γνωστή ως δισκος Ζ και επικαλύmουν τα άκρα των ινιδίων της μυοσίνης (Εικόνα
Εικόνα
17·43. Σαρκομερίδια.
(Α) Λεmομέρεια του σκελετικού μυ'ίκού κυπάρου της
προηγούμενης φωτογραφίας, στην οποία φαίνονται δύο μυϊκά ινίδια και σημειώνεται η έ
κταση δύο σαρκομεριδίων. (Β) Σχηματική απεικόνιση ενός σαρκομεριδίου όπου φαίνο νται οι φωτεινές και σκοτεινές ζώνες που παρατηρούνται στο μικροσκόπιο. Σε κάθε άκρο του σαρκομεριδίου δημιουργείται η γραμμή Ζ που αντιπροσωπεύει σημεία προσκόλλη σης των νηματίων της ακτίνης. Καθένα από τα χοντρά νημάτια που βρίσκονται στο κέ ντρο αποτελείται από πολλά μόρια μυοσίνης
(Α)
17-43).
11. (Α. Ευγενική προσφορά του Roger Craig).
..
ιιι:
σαρκομερίδιο ~
2.2 mm
~=~ Ι
Ι
δίσκος Ζ
δίσκος Ζ
χοντρό νημάτιο μυοσίνης λεmό νημάτιο ακτίνης
-------
(Β)
Μυϊκή Συστολή
747
(Β)
Εικόνα 17-44. Το μοντέλο του ολισθαίνοντος νηματίου της μυϊκής συστολής. (Α) Τα νημάτια της ακτίνης και της μυοσίνης ενός σαρκομε ριδίου επικαλύmονται και έχουν ίδια σχετική πολικότητα στις δύο πλευρές της μέσης γραμμής. Θυμηθείτε ότι τα νημάτια της ακτίνης είναι προσκολλημένα με τα συν άκρα τους στο δίσκο Ζ και ότι τα νημάτια της μυοσίνης είναι διπολικά. (8) Κατά τη διάρκεια της συστολής, τα νη μάτια της ακτίνης και της μυοσίνης ολισθαίνουν χωρίς να βραχύνονται. Η κίνηση ολίσθησης προωθείται από τις κεφαλές της μυοσίνης που προχωρούν προς το συν άκρο του γειτονικού νηματίου της ακτίνης.
Η συστολή ενός μυϊκού κυπάρου οφείλεται στην ταυτόχρονη βράχυνση
όλων των σαρκομεριδίων, η οποία προκαλείται από την ολίσθηση των ινι δίων της ακτίνης πάνω στα lνίδια της μυοσίνης, χωρίς μεταβολή του μήκους των δύο ινιδίων (Εικόνα
17-44). Η κίνηση της ολίσθησης
δημιουργείται από
τις κεφαλές της μυοσίνης που προεξέχουν από τα πλάγια του νηματίου της μυοσίνης και αλ/ηλεπιδρούν με γειτονικά lνίδια της ακτίνης. Όταν ένας μυς
διεγείρεται ώστε να συσταλεί, οι κεφαλές της μυοσίνης αρχίΖουν να «περπα τούν» κατά μήκος του ινιδίου της ακτίνης με επαναλαμβανόμενους κύκλους προσκόλ/ησης και αποκόλ/ησης. Η συνδυασμένη αυτή δράση έλκει τα lνί δια της ακτίνης και της μυοσίνης να μετακινηθούν αντίθετα το ένα πάνω στο άλ/ο, προκαλώντας τη συστολή του σαρκομεριδίου. Μετά την ολοκλήρωση της συστολής, οι κεφαλές της μυοσίνης Χάνουν τελείως την επαφή τους με τα νημάτια της ακτίνης και ο μυς χαλαρώνει.
•,
Epώmσn
17-9
Κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου προσκόλ/ησης και αποκόλ/ησης, μια κε
Να συγκρίνετε τη δομή των
φαλή μυοσίνης προσδένει και υδρολύεl ένα μόριο ΑΤΡ. Θεωρείται ότι αυτό
ενδιάμεσων ινιδίων με τη
προκαλεί μια σειρά αλ/αγών διαμόρφωσης του μορίου της μυοσίνης που με
δομή των ινιδίων της μυοσί
τακινούν το άκρο της κεφαλής κατά μήκος του νηματίου της ακτίνης προς το
νης-ΙΙ στα κύπαρα των σκε
συν άκρο κατά
5 nm περίπου.
Αυτή η κίνηση, που επαναλαμβάνεται σε κάθε
λετικών μυών. Ποιες είναι
κύκλο υδρόλυσης του ΑΤΡ, προωθεί το μόριο της μυοσίνης προς μια κατεύ
ΟΙ κύριες ομοιότητες Ποιες
θυνση κατά μήκος του ινιδίου της ακτίνης (Εικόνα
17-45). Με τον τρόπο
αυ
είναι οι κύριες δlOφορές; Πώς σχετίΖΟ
τό οι κεφαλές της μυοσίνης έλκουν το ινίδιο της ακτίνης και προκαλούν την
νται αυτές οι διαφορές της δομής με τη
ολίσθησή του πάνω στο ινίδιο της μυοσίνης. Κάθε ινίδιο μυοσίνης έχει περί
λειτουργία τους
που
748
Κεφάλαιο 17: Κυτταροσκελετός
300 κεφαλές μυοσίνης και κάθε κεφαλή μυοσίνης μπορεί να πραγματο-
νημάτιο ακτίνης πλην
συν
άκρο
άκρο
ΠΡΟΣΚΟΜΗΣΗ: Στην αρχή του κύκλου που φαίνεται σε αυτή την εικόνα, μια κεφαλή μυοσίνης, χωρίς προσδεδε μένο νουκλεοτίδιο, είναι προσκολλημένη ισχυρά πάνω σ' ένα νημάτιο ακτίνης σε μια "άκαμmη» διαμόρφωση (ονομάζεται έτσι, επειδή είναι υπεύθυνη για τη μεταθανά τια ακαμψία, rigor mortis). Σ' έναν ενεργά συστελλόμενο μυ, αυτή η κατάσταση διαρκεί πολύ λίγο και λήγει αμέσως μετά την πρόσδεση ενός μορίου ΑΤΡ στη μυοσίνη
ΑΠΕΛΕΥΘΕΡΩΣΗ: Ένα μόριο ΑΤΡ προσδένεται στην ευρεία σχισμή, στο «πίσω» μέρος της κεφαλής (δηλαδή στην πλευρά που είναι πιο μακριά από το νημάτιο της ακτίνης) και αμέσως προκαλεί μια μικρή αλλαγή της διαμόρφωσης των περιοχών που προσδένονται στην ακτίνη. Αυτό μειώνει τη συγγένεια της κεφαλής για την ακτίνη και της επιτρέπει να κινηθεί κατά μήκος του νηματίου. (Στο σχέδιο η απόσταση μεταξύ της κεφαλής και της ακτίνης φαίνεται μεγάλη για να τονιστεί η αλλαγή, στην πραγματικότητα όμως η κεφαλή παραμένει πολύ κοντά στην ακτίνη)
ΑΝΟΡΘΩΣΗ: Η σχισμή κλείνει σαν στρείδι γύρω από το μόριο του ΑΤΡ, πυΡΟδοτώντας μια μεγάλη αλλαγή του σχήματος που προκαλεί τη μετατόπιση της κεφαλής κατά μήκος του νηματίου, αε μια απόσταση περίπου 5 nm. Το ΑΤΡ υδρολύεται, αλλά το ADP και ο Ρί που παράγονται, παραμένουν προσδεδεμένα στην πρωτεινη
ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ: Η ασθενής πρόσδεση της κεφα λής και της μυοσίνης στη νέα θέση πάνω στο νημάτιο της ακτίνης προκαλεί απελευθέρωση του ανόργανου φωσφο ρικού που παράγεται από την υδρόλυση του ΑΤΡ και ταυτόχρονα η κεφαλή προσδένεται ισχυρά στην ακτίνη. Η απελευθέρωση πυροδοτεί μια ισχυρή ώθηση, δηλαδή παράγει ενέργεια, η οποία αλλάζει τη διαμόρφωση και η κεφαλή ανακτά την αρχική της δομή. Κατά τη διάρκεια της ισχυρής ώθησης, η κεφαλή χάνει το προσδεμένο ADP και έτσι επιστρέφει για ν' αρχίσει ένας νέος κύκλος
ΙΣΧΥΡΗ ΩΘΗΣΗ
πλην άκρο
Εικόνα
17-45. Ο
συν
άκρο
ΠΡΟΣΚΟΜΗΣΗ: Στο τέλος του κύκλου, η κεφαλή της μυοσίνης είναι πάλι προσκολλημένη ισχυρά στο νημάτιο της ακτίνης με μια άκαμπτη διαμόρφωση. Παρατηρείστε ότι η κεφαλή έχει μετακινηθεί σε μια νέα θέση πάνω στο νημάτιο της ακτίνης
κύκλος αλλαγών που προκαλεί το «βάδισμα« ενός μορίου μυοσίνης κατά μήκος ενός νηματίου ακτίνης.
ποιήσει πέvτε περίπου KύKiΊoυς ανά δευτερόiΊεπω, η δε ταΧύτητα της oiΊί σθησης των ινιδίων της μυοσίνης ως προς τα ινίδια της ακτίνης είναι περίπου
15 μm
ανά δευτερόiΊεπω. Η ταΧύτητα αυτή επαρκεί για τη μετάπτωση ενός
σαρκομεριδίου από την πiΊήρη xάiΊαση
(3
μm) στην πiΊήρη συστoiΊή
(2
μm)
σε χρόνο μικρότερο από ω ένα δέκαω ωυ δευτερoiΊέπωυ. ΌiΊα τα σαρκο μερίδια ενός μυός είναι ενωμένα μεταξύ ωυς και πυΡOδOωύVΤαι σχεδόν ταυτόχρονα από ένα σύστημα σημαωδότησης που περιγράφεται στο επόμε-
Μυϊκή Συστολή
749
νο τμήμα. Έιοι, ολόκληρος ο μυς συσrέλ/εται πάρα πολύ γρήγορα, συνή
θως σ' ένα δέκατο του δευτερολέπτου.
Η μυϊκή συστολή πυροδοτείται από μια αιφνίδια /ξ
αυ πσπ του
Ca2+
Η δύναμη που προκαλεί τη μοριακή αλληλεπίδραση ανάμεσα σrα ινίδια της μυοσίνης και της ακτίνης δημιουργείται μόνο όταν ο σκελετικός μυς δε Χθεί κάποιο σήμα από το νευρικό σύσrημα. Το σήμα από τη νευρική απόλη ξη πυροδοτεί ένα δυναμικό ενέργειας (αναφέρεται σro Κεφάλαιο
12)
σrην
κυπαρική μεμβράνη του μυϊκού κυπάρου. Αυτή η ηλεκτρική διέγερση διαδί
δεται μέσα σε xιλιoσrά του δευτερολέπτου σε μια σειρά μεμβρανικών σωλή νων που ονομάΖονται εγκάροια σωΛnνάρια
(transverse tubules)
και εκτείνο
νται από την κυπαρική μεμβράνη προς τα μέσα γύρω από κάθε μυϊκό ινίδιο. Στη συνέχεια, το ηλεκτρικό σήμα μεταφέρεται στο σαρκοπΛασματικό δικωο,
ένα παρακείμενο σύσrημα διασυνδεδεμένων και πεπλατυσμένων Kυσrιδίων που περιβάλλει κάθε μυϊκό ινίδιο σαν μια δικτυωτή κάλιοα (Εικόνα
17-46).
Το σαρκοπλασματικό δίκτυο είναι μια εξειδικευμένη περιοχή του ενδο πλασματικού δικτύου σrα μυϊκά κύπαρα που περιέχει πολύ υψηλή συγκέ ντρωση ασβεσrίoυ. Σε απάντηση προς την εισερΧόμενη ηλεκτρική διέγερση,
ένα μεγάλο ποσό του Ca + απελευθερώνεται σro κυπαροδιάλυμα μέσω ιο 2
ντικών διαύλων της μεμβράνης του σαρκοπλασματικού δικτύου οι οποίοι α νοίγουν απαντώντας σrην αλλαγή του δυναμικού της κυπαρικής μεμβράνης
(Εικόνα 17-47). Όπως αναφέρθηκε σro Κεφάλαιο 16, το Ca
2
+
χρησιμοποι
είται ευρύτατα ως ενδοκυπάριο σηματοδοτικό ιόν για την αναμετάδοση μη
νυμάτων από έξω, μέσα σro κύπαρο. Στον μυ το Ca
2
+
αλληλεπιδρά με έναν
μοριακό διακόπτη που αποτελείται από εξειδικευμένες βοηθητικές πρω-
KUΠαΡΙKή μεμβράνη
μυ'ίκό ινίδιο
δίαυλοι απελευ
θέρωσης Ca + 2
εγκάρσια σωληνάρια σχηματίζονται από εγκοεασμούς της KUΠαΡΙKής μεμβράνης Ο.5μm
σαρκοπλασματικό δίκτυο
Εικόνα 17-46. Τα εγκάρσια σωληνάρια και το σαρκοπλασμαTlκό δίκτυο. (Α) Σχέδιο των δύο μεμβρανικών συστημάτων που μεταδίδουν το σήμα για τη συστολή από την κυτταρική μεμβράνη του μυϊκού κυττάρου σε όλα τα μυ'ίκά ινίδια μέσα στο κύπαρο.
(8)
Ηλεκτρονιομικρογρα
φία στην οποία φαίνεται μια εγκάρσια διατομή δύο εγκάρσιων σωληναρίων και των γειτονικών διαμερισμάτων του σαρκοπλασματικού δι κτύου. (8, με την άδεια της Clara Franzini-Armstrong).
750
Κεφάλαιο 17: Κυτταροσκελετός
Εικόνα
ΑΥΛΟΣ ΤΟΥ ΕΓΚΑΡΣΙΟΥ
πρωτείνη ευαίσθητη στο δυναμικό
[
μεμβράνη
του διαύλου απελευ
2
ΣΩΛΗΝΑΡΙΟΥ (ΕΞΩΚΥΤΤΑΡΙΟΣ ΧΩΡΟΣ)
πολωμένη
17-47. Άνοιγμα
θέρωσης Ca + στη μεμβράνη του σαρκοπλα
++++
σματικού δικτύου από μια ευαίσθητη στο δυ
εκπολωμένη μεμβράνη του σωληναρίου
ναμικό διαμεμβρανlκή πρωτείνη του γειτονι κού εγκάρσιου σωληναρίου.
+++
--:':"'::-:-:::===~==~::"":'~
ΚΥΤΤΑΡΟΔΙλ/ΥΜΑ μεμβράνη
σαρκοπλα:
[
σματικου
.....-----1
δικτύου
ο 00 ο ο ο ο ο ο ο
δίαυλος απελευθέρωσηςCa2+0 ο ο
ο
ο
ο
ο
00000000 ΑΥΛΟΣΤΟΥ ΣΑΡΚΟΠΛΑΣΜΑΤιΚΟΥΔΙΚΤΥΟΥ
τεΙνες οι οποίες συνδέονταιισχυρά με τα ινίδlΟ της ακτίνης (Εικόνα 17 -48Α). Μια από αυτές τις πρωτεΊνες είναι η rροnομυοσ[vn, ένα άκαμπτο και ραβδό μορφο πρωτεϊνικό μόριο που προσδένεται στο αυλάκι της έλικας της ακτίνης
επικαλύπτοντας επτά μονομερή ακτίνης και εμποδίΖει τη σύνδεση των κεφα λών της μυοσίνης με τα ινίδlΟ της ακτίνης. Η άλ/η είναι η rρonovfvn, ένα
πρωτεϊνικό σύμπλοκο που περιλαμβάνει μια ευαίσθητη στο ασβέστιο πρω τεΊνη (rρonovfvn-C) η οποία δlΟσυνδέεται με το άκρο ενός μορίου τροπο μυοσίνης. 'Οταν αυξηθεί η συγκέντρωση του ασβεστίου στο κυπαροδιάλυμα,
το Ca
2
+
προσδένεται στην τροπονίνη και προκαλεί μlΟ αλ/αγή στο σΧήμα
της. Στη συνέχεlΟ αυτό προκαλεί μια ελαφρά μετατόπιση των μορίων της τρο πομυοσίνης επιτρέποντας σης κεφαλές της μυοσίνης να προσδεθούν στο ι
νίδιο της ακτίνης και ν' αρΧίσει η συστολή (Εικόνα
17-48Β).
Επειδή από την κυπαρική μεμβράνη το σήμα περνά (μέσω των εγκάρ σιων σωληναρίων και του σαρκοπλασματικού δικτύου) σε κάθε σαρκομερί διο του κυπάρου μέσα σε χιλιοστά του δευτερολέπτου, όλα τα μυϊκά ινίδlΟ
του κυπάρου συστέλ/ονται ταυτόχρονα. Η αύξηση του Ca
2
+
στο κυπαροδιά
λυμα σταματά αμέσως μετά τη δlΟκοπή του νευρικού σήματος, επειδή το
η θέση πρόσδεσης της μυοσίνης η τροπομυοσίνη παρεμποδίζει
ακτίνη
τροπομυοσίνη
τη θέση πρόσδεσης της μυοσίνης
ελευθερώνεται μετά τη μετακίνηση της τροπομυοσίνης με τη μεσολάβηση Ca2 +
σύμπλοκο τροπονίνης
10 nm
(Α)
Εικόνα
17-48. Ο έλεγχος
(Β)
της συστολής του σκελετικού μυός από την τροπονίνη. (Α) Ένα λεmό μυονημάτιο στο οποίο φαίνονται οι θέσεις
της τροπομυοσίνης και της τροπονίνης κατά μήκος του νηματίου της ακτίνης. Κάθε μόριο τροπομυοσίνης έχει εmά περιοχές με ομόλογες αλληλουχίες τοποθετημένες σε ίσες αποστάσεις. Πιστεύεται ότι καθεμιά συνδέεται με ένα μονομερές ακτίνης όπως φαίνεται στην εικόνα.
(8)
Σχεδιάγραμμα της εγκάρσιας διατομής ενός λεmού μυονηματίου που εικονογραφεί τη μικρή μετακίνηση της τροπομυοσίνης, η οποία
προκαλείται από την πρόσδεση του
Ca2+ στην τροπονίνη και επιτρέπει στις κεφαλές της μυοσίνης ν' αλληλεπιδρούν με την ακτίνη. Μυϊκή Συστολή
751
•,
Ερώmσn
17-10
Α. Θυμηθείτε από την Εικό
Ca2+ γρήγορα αντλείται πίσω στο σαρκοπλασματικό δίκτυο μέσω των πολυά ριθμων αντλιών ασβεστίου που βρίσκονται στη μεμβράνη του (αναφέρθηκε
17-48 ότι τα μόρια της
στο Κεφάλαιο 12). Μόλις η συγκέντρωση του Ca2+ επανέλθει στο επίπεδο
τΡοπονίνης είναι τοποθε
της ηρεμίας, τα μόρια της τΡοπονίνης και της τΡοπομυοσίνης επιστρέφουν
τημένα κατά μήκος ενός
στις αρχικές θέσεις τους, εμποδίΖουν την πρόσδεση της μυοσίνης και έτσι
ινιδίου της ακτίνης και ό
σταματούν τη συστολή.
να
τι σε κάθε έβδομο μόριο ακτίνης βρίσκεται και ένα μόριο τρο
Τα μυϊκά κύπαρα επιιελούν πολύ εξειδικευμένες
πονίνης. Πώς νομίΖετε ότι μπορούν να
λεlΙουργίες σΙο σώμα
τοποθετούνται τόσο συμμετρικά τα μό ρια της τΡοπονίνης; Τι συμπεραίνετε από αυτό για την πρόσδεση της τρο πονίνης στα ινίδια της ακτίνης;
Β. Τι νομίΖετε ότι θα συνέβαινε εάν ανα μείξετε ινίδια ακτίνης με: (α) μόνο τρο πονίνη, (β) μόνο τΡοπομυοσίνη ή (γ) τΡοπονίνη και τΡοπομυοσίνη και στη
συνέχεια προσθέσετε και μυοσίνη;
ΝομίΖετε ότι τα παραπάνω αποτελέ-
ξ
/
/
σματα ε αρτωνται απο το
Ca2+ ;
Αυτός ο εξαιρετικά εξειδικευμένος μηχανισμός της συστολής των μυϊκών κυπάρων πιστεύετια ότι εξελίΧθηκε από τις απλούστερες δεσμίδες συστολής των ινιδίων της μυοσίνης και της ακτίνης που βρίσκονται σε όλα τα ευκαρυω τικά κύπαρα. Η μυοσίνη-Π των μη μυϊκών κυπάρων ενεργοποιείται επίσης α
πό την αύξηση του Ca + στο κυπαροδιάλυμα, αλλά ο μηχανισμός ενεργο 2
ποίησης είναι αρκετά διαφορετικός. Η αύξηση του Ca 2 + οδηγεί στη φωσφο ρυλίωση της μυοσίνης Π, η οποία μεταβάλλει τη διαμόρφωση της μυοσίνης και της επιτρέπει ν' αλ/ηλεπιδράσει με την ακτίνη. Ένας παρόμοιος μηχανι
σμός ενεργοποίησης λειτουργεί στους Λείους μυς που υπάρχουν στα τοιχώ
ματα του στομάχου, του εντέρου, της μήτρας και των αρτηριών και σε πολ/ές άλλες δομές όπου απαιτούνται αργές συστολές αμείωτης έντασης. Οι συστο λές που παράγονται με αυτόν τον δεύτερο μηχανισμό είναι πιο αργές επειδή τα ενΖυμικά μόρια χρειάΖονται χρόνο ώστε να φτάσουν στις κεφαλές της μυοσίνης με διάχυση και να πραγματοποιήσουν τη φωσφορυλίωση ή την α
ποφωσφορυλίωση. Εντούτοις, επειδή αυτός ο μηχανισμός είναι λιγότερο ε ξειδικευμένος, έχει το πλεονέκτημα να προωθείται από ποικίλα εισερχόμενα
σήματα: έτσι, για παράδειγμα, η συστολή των λείων μυών πυροδοτείται από την αδρεναλίνη, τη σεροτονίνη, τις προσταγλανδίνες και πολ/ά άλλα εξω κυπάρια σήματα.
Εκτός από τους γραμμωτούς και τους λείους μυς, άλλα είδη μυών επιτε λούν ειδικές μηχανικές λειτουργίες στο σώμα. Ίσως ο πιο γνωστός από αυ
τούς τους μυς είναι το μυοκάρδιο, ο μυς που προωθεί την κυκλοφορία του αί ματος. Αυτό το αξιοσημείωτο όργανο συστέλλεται αυτόνομα χωρίς σταματη μό όλη τη Ζωή του οργανισμού (σ' έναν άνθρωπο περίπου 3 δισεκατομμύρια φορές). Έστω και λεπτές αλλαγές στην ακτίνη και τη μυοσίνη του μυοκαρδί
ου μπορεί να προκαλέσουν βαριά καρδιοπάθεια. Τα σαρκομερίδια των κυπάρων του σκελετικού μυός αντιπροσωπεύουν μια υπερβολική εξειδίκευση των βασικών συστατικών του κυπαροσκελετού
ενός ευκαρυωτικού κυπάρου. Στο Κεφάλαιο
18 εξετάΖουμε
μια λειτουργία
του κυπαροσκελετού με τόσο θεμελιώδη σημασία για όλα τα κύπαρα ώστε να δικαιολογεί ένα ολόκληρο κεφάλαιο: το μοίρασμα των συστατικών του κυπάρου σε δύο πανομοιότυπα σύνολα κατά τη διαδικασία της κυπαρικής διαίρεσης.
752
Κεφάλαιο 17: Κυτταροσκελετός
Βαοικέs έVVΟΙΕS •
Το κυπαρόπλασμα ενός ευκαρυωτικού κυπάρου mηρίΖεται και οργανώ νεται
mo χώρο
από τον κυπαροσκελετό που αποπλείται από τα ενδιάμε
σα ινίδια, τους μικροσωληνίσκους και τα ινίδια Της ακτίνης.
•
Τα ενδιάμεσα ινίδια είναι ανθεκτικά, ραβδόμορφα πολυμερή ινωδών πρωπϊνών που παρέχουν
ma
κύπαρα μηχανική ισχύ. Μερικά είδη βρί
σκονωι κάτω από Την πυρηνική μεμβράνη και σχημωίΖουντον πυρηνικό
υμένα, ενώ άλ/α είναι κατανεμημένασε όλο το κυπαρόπλασμα.
•
Οι μικροσωληνίσκοι είναι άκαμπτοι, κοίλοι σωλήνες που σχηματίΖονωι με πολυμερισμό των διμερών υπομονάδων Της τουμπουλίνης. Είναι πολωμέ νες δομές με ένα «πλην» άκρο που αυξάνει αργά και ένα «συν» άκρο που αυξάνει γρήγορα.
•
Οι μικροσωληνίσκοι εμπυρηνώνονωι και αναπτύσσονΙαι από κένΙρα ορ γάνωσης όπως το κενΙροσωμάτιο. Τα πλην άκρα των μικροσωληνίσκων είναι ενσωμωωμένα μέσα
•
mo κένΙΡΟ
οργάνωσης.
Πολ/οί από τους μικροσωληνίσκους ενός κυπάρου βρίσκονΙαι σε μια α mαθή, δυναμική κωάmαση κωά Την οποία μεωπίπτουν από μια φάση α
νάπτυξης σε μια φάση συρρίκνωσης. Οι μεταπτώσεις αυτές, που είναι yvωmές ως δυναμική αmάθεια, ελέγχονΙαι από Την υδρόλυση του που είναι συνδεδεμένο
•
GTP
ma διμερή της τουμπουλίνης.
Κάθε διμερές τουμπουλίνης έχει προσδεδεμένο ένα μόριο
GTP το οποίο GDP μετά Τη συναρμολόγηση Της τουμπουλίνης mo μικρο Η υδρόλυση του GTP μειώνει Τη συΥΥένεια Της υπομονάδας
υδρολύεται σε
σωληνίσκο.
με τις γεnονικές υπομονάδες Της, επομένως και Τη mαθερόΤητα του πολυ
μερούς, προκαλώνΙας Την αποσυναρμολόγησή του.
•
Οι μικροσωληνίσκοι mαθεροποιούVIαι από πρωπΊνες που καθηλώνουν το συν άκρο, μια διαδικασία που επηρεάΖει Τη θέση των μικροσωληνί σκων μέσα
mo
κύπαρο. Τα κύπαρα περιέχουν πολλές πρωπΊνες που
συνδέονΙαι με μικροσωληνίσκους οι οποίες mαθεροποιούν τους μικρο σωληνί~Koυς, τους διασυνδέουν με άλλα κυπαρικά διαμερίσματα και τους χρησιμοποιούν για εξειδικευμένες λεnουργίες.
•
Οι κινησίνες και οι δυνεΊνες είναι κινητήριες πρωτε'ίνες που χρησιμοποι ούν Την ενέργεια Της υδρόλυσης του ΑΤΡ για να μετακινηθούν προς μια ΚΩΙεύθυνση κωά μήκος των μικροσωληνίσκων. Μεωφέρουν ειδικά μεμ
βρανικά κυmίδια και άλ/α φορτία και με αυτόν τον φόπο συνΙηρούν Την οργάνωση του κυπαροπλάσματος
•
mo χώρο.
Τα μαmίγια και οι κροσσοί των ευκαρυωτών περιέχουν μια δέσμη
maeE-
ρών μικροσωληνίσκων. Η κίνησή τους προκαλείται από Την κάμψη των μι κροσωληνίσκων που προωθείται από μια κινητήρια πρωτεΊνη που ονομά Ζεται δυνε'ίνη των κροσσών.
•
Τα ινίδια Της ακτίνης είναι ελικοειδή πολυμερή μορίων ακτίνης. Είναι πιο εύκαμπτα από τους μικροσωληνίσκους και συχνά βρίσκονΙαι σε δέσμες ή σε δίκτυα που συνδέονΙαι με Την κυπαρική μεμβράνη.
•
Τα ινίδια Της ακτίνης είναι πολωμένες δομές με ένα άκρο που αυξάνει
Βασικές Έννοιες
753
γρήγορα και ένα άκρο που αυξάνει αργά. Η συναρμολόγηση και ο απο
πολυμερισμός τους ελέΥχονιοι από την υδρόλυση του ΑΤΡ το οποίο είναι ισχυρά συνδεδεμένο με κάθε μονομερές ακτίνης.
•
Η ποικιλία των σχημάτων και των λειτουργιών των ινιδίων της ακτίνης ε ξαρτάται από διάφορες πρωτε'ϊνες που προσδένουν ακτίνη. Αυτές οι πρω τε'ϊνες ελέγχουν τον πολυμερισμό των ινιδίων της ακτίνης, διασυνδέουν τα ινίδια σε χαλαρά δίκτυα ή άκαμπτες δέσμες, ΙΟ προσκολ/ούν στις μεμ βράνες ή μετακινούν ένα ινίδιο σε σχέση με ένα άλ/ο.
•
Οι μυοσίνες είναι κινητήριες πρωτε'ίνες που χρησιμοποιούν την ενέργεια της υδρόλυσης του ΑΤΡ για να κινηθούν κατά μήκος των ινιδίων της ακτί νης. Μεταφέρουν οργανίδια κατά μήκος της τροχιάς που ορίΖει ένα ινίδιο ακτίνης ή προκαλούν ολίσθηση μεταξύ γειτονικών ινιδίων της ακτίνης στις συσταλτικές δεσμίδες.
•
Ένα δίκτυο ινιδίων ακτίνης κάτω από την κυπαρική μεμβράνη, σχηματίΖει τον κυπαρικό φλοιό που είναι υπεύθυνος για το σχήμα και την κίνηση της
κυπαρικής επιφάνειας συμπεριλαμβανομένων και των κινήσεων που κά νει ένα κύπαρο όταν έρπει πάνω σε μια επιφάνεια.
•
Ποικίλες πρωτε'ϊνες που προσδένουν ακτίνη είναι απαραίτητες για την προώθηση του προπορευόμενου άκρου ενός κινητού κυπάρου, για την προσκόλ/ηση στο υπόστρωμα και για την έλξη του οπίσθιου άκρου του.
Όλες αυτές οι διεργασίες πυροδοτούνται από εξωτερικά ερεθίσματα που λειτουργούν μέσω μικρών G-πρωτεϊνών.
•
Στους μυς, τεράστιες συστοιχίες επικαλυπτόμενων ινιδίων ακτίνης και μυοσίνης δημιουργούν συστολές ολισθαίνοντας μεταξύ τους.
• Η συστολή πυροδοτείται από μια αιφνίδια αύξηση του Ca2+ του κυπαρο διαλύματος, η οποία, μέσω πρωτεϊνών που προσδένουν ασβέστιο, μειο φέρει το σήμα στο σύστημα της μυϊκής συστολής.
Βασικοί Όροι
754
Κεφάλαιο 17: Κυτταροσκελετός
δυναμική αστάθεια
κυπαρικός φλοιός
δυνε'ϊνη
κυπαροσκελετός
ελασματοπόδιο
μαστίγιο
ενδιάμεσο ινίδιο
μικροσωληνίσκος
ινίδιο ακτίνης
μυϊκό ινίδιο
ινοπόδιο
μυοσίνη
κεντρίδιο
οικογένεια πρωτεϊνών
κεντροσωμάτιο
πολικότητα
κινησίνη
πυρηνικός υμένας
κινητήρια πρωτε'ϊνη
σαρκομερίδιο
κροσσός
τουμπουλίνη
Rho
Ερωιήσειs Ερώτηση
στών διάχυσης σε μονάδες cmZΙSec είναι: 5 χ 10-6 για το μικρό μόριο, 5 χ 10-7 για το πρωτεϊνικό μόριο και 5 χ 10-8
17-11
για το κυστίδιο. Πόσο χρόνο θα χρειαστεί ένα μεμβρανικό
Ποιες από ης επόμενες προτάσεις είναι σωστές; Εξηγείστε
κυστίδιο για να φτάσει με απλή διάχυση στο άκρο ενός ά
την απάντησή σας.
ξονα μήκους
10 cm;
Α. Η κινησίνη μετακινεί ης μεμβράνες του ενδοπλασμαη
17-13
κού δικτύου κατά μήκος των μικροσωληνίσκων με απο
Ερώτηση
τέλεσμα το δίκτυο των σωλήνων του ΕΔ να επεκτείνεται
Γιατί τα ευκαρυωηκά κύτταρα (ιδίως τα Ζωικά) έχουν τόσο
σε ολόκληρο το κύτταρο.
μεγάλο και περίπλοκο κυτταροσκελετό; Να αναφέρετε ης
Β. Απουσία ακτίνης, τα κύτταρα μπορούν να σχηματίσουν
διαφορές μεταξύ βακτηρίων και Ζωικών κυττάρων που πι
μια λειτουργική μιτωηκή άτρακτο και να διαχωρίσουν
θανόν προέκυψαν κατά την εξέλιξη από την εμφάνιση με
τα χρωμοσώματά τους αλλά δεν μπορούν να διαιρε
ρικών ή όλων των συσταηκών του κυτταροσκελετού ενός
θούν.
σημερινού ευκαρυωηκού κυττάρου.
Γ. Τα ελασματοπόδια και τα φιλοπόδια είναι «αισθητήρες»
17-14
που προβάλ/ει το κύτταρο για να βρει σημεία προσκόλ
Ερώτηση
λησης στο υπόστρωμα πάνω στο οποίο έρπει στη συνέ
Εξετάστε τη δομή ενός ενδιάμεσου ινιδίου που φαίνεται
χεια.
στην Εικόνα
Δ. Το
GTP υδρολύεται
από την τουμπουλίνη για να προ
17-4. Το
ινίδιο αυτό έχει μια μοναδική πολι
κότητα. Μπορείτε να ξεχωρίσετε το ένα άκρο από το άλ/ο, με χημικά ή άλ/α μέσα; Να εξηγήσετε την απάντησή σας.
κληθεί η κάμψη του μαστιγίου.
Ε. Κύτταρα με δίκτυο ενδιάμεσων ινιδίων που δεν μπορεί
ν' αποπολυμεριστεί είναι καταδικασμένα να πεθάνουν. Ζ. Τα συν άκρα των μικροσωληνίσκων αυξάνουν ταχύτερα επειδή περιέχουν μεγαλύτερο κάλυμμα
Ερώτηση
17-15
Γιατί δεν υπάρχουν κινητήριες πρωτεΤνες οι οποίες να κι νούνται πάνω σε ενδιάμεσα ινίδια;
GTP.
Η. Τα εγκάρσια σωληνάρια των μυϊκών κυττάρων είναι
17-16
μια προέκταση της κυτταρικής μεμβράνης, της οποίας
Ερώτηση
αποτελούν συνέχεια. Παρομοίως, το σαρκοπλασμαη
Όταν τα κύτταρα εισέρχονται στη μίτωση, η υπάρχουσα
κό δίκτυο είναι μια προέκταση του ενδοπΛασμαηκού
διάταξη των μικροσωληνίσκων του κυτταροπλάσματος
δικτύου.
πρέπει να σπάσει γρήγορα και ν' αντικατασταθεί από τη μι
Θ. Η μετακίνηση της μυοσίνης πάνω στα νημάηα της ακτί
τωηκή άτρακτο που σχηματίΖεται για να διαχωρίσει τα χρω
νης σε μερικές περιπτώσεις πυροδοτείται από τη φω
μοσώματα στα δύο θυγατρικά κύτταρα. Το ένΖυμο κατανί
σφορυλίωση της τροπονίνης και σε άλλες από την
νη
,
προσ
δ
εση του
Ca2+ στην τροπονινη. ,
(katanin),
που πήρε το όνομά του από τα σπαθιά των
ΓιαπωνέΖων σαμουράι και ενεργοποιείται κατά την έναρξη της μίτωσης, τεμαχίΖει τους μικροσωληνίσκους σε μικρά
Ερώτηση
17-12
κομμάηα. Ποια νομίΖετε πως θα είναι η τύχη των τεμαχι
Ο μέσος χρόνος που χρειάΖεται ένα μόριο ή ένα οργανί
δίων των μικροσωληνίσκων που δημιουργούνται από την
διο για να διανύσει με διάχυση μια απόσταση Χ εκατοστών
κατανίνη; Να εξηγήσετε την απάντησή σας.
του μέτρου δίνεται από τη σχέση:
t"'" x2I2D όπου,
t είναι
Ερώτηση
ο χρόνος σε δευτερόλεπτα και
D είναι
μια
17-17
Το φάρμακο ταξόλη
(taxol)
εκχυλίΖεται από το φλοιό των
σταθερά για το μόριο ή το σωματίδιο που ονομάΖεται συ
δένδρων του τάξου και έχει αντίθετη δράση από την κολχι
ντελεστής διάχυσης. Χρησιμοποιώντας την παραπάνω
κίνη, ένα αλκαλοειδές του φθινοπωρινού κρόκου (Ζαφο
σχέση, να υπολογίσετε το χρόνο που χρειάΖεται ένα μικρό
ρά). Η ταξόλη προσδένεται ισχυρά στους μικροσωληνί
μόριο, μια πρωτεΊνη και ένα μεμβρανικό κυστίδιο για να
σκους και τους σταθεροποιεί. Όταν προστίθεται στα κύττα
διανύσει με διάχυση την απόσταση των
από το ένα
ρα προκαλεί τη συναρμολόγηση της ελεύθερης τουμπου
άκρο ενός κυττάρου στο άλ/ο. Οι συνήθεις ημές συντελε-
λίνης σε μικροσωληνίσκους. Αντίθετα, η κολχικίνη εμπο-
1Ο μm
Ερωτήσεις
755
δίΖει το σχημαησμό των μικροσωληνίσκων. Η τοξόλη είναι
Γ
το ίδιο κατοστροφική για ΤΟ διαιρούμενα κύπαρα όσο και η κοίΊχικίνη. Και οι δύο χρησιμοποιούνται ως ανηκαρκινι κά φάρμακα. ΒασΙΖόμενοι σης γνώσεις σας για τη δυναμι
κή των μικροσωληνίσκων, να προτείνετε για ποιο λόγο και
ΤΟ δύο φάρμακα είναι τοξικά για ΤΟ διαιρούμενα κύπαρα παρά ης αντίθετες δράσεις τους. Α
!ι
r---ι
Ερώτηση
17-18 χρόνος στους 37"C
Μια χρήσιμη τεχνική για τη μελέτη της κίνησης των μικρο
σωληνίσκων είναι να προσκολλήσουμε ης κινητήριες
Εικόνα Ε17-19
πρωτε'ϊνες με ης ουρές τους σ' ένα γυάλινο αντικειμενο φόρο πλακίδιο (αυτό γίνετοι πολύ εύκολα, επειδή οι ου ρές κολ/ούν πολύ εύκολα σε μια γυάλινη καθαρή επιφά
κόνων και να προτείνετε πιθανές εξηγήσεις για ης διαφο
νεια) και μετά να εναποθέσουμε τους μικροσωληνίσκους
ρές που παρατηρείτε.
πάνω σης κινητήριες πρωτε'ϊνες. Στη συνέχεια μπορούμε
να παρατηρήσουμε τους μικροσωληνίσκους στο φωτονι
Ερώmση 17-21
κό μικροσκόπιο, καθώς προωθούνται πάνω στη γυάλινη
Η μετοκίνηση των ινοβλαστών σε καλ/ιέργεια σταματά α
επιφάνεια από ης κεφαλές των κινητήριων πρωτεϊνών.
μέσως μετά την προσθήκη της κυτοχαλασίνης ενώ η κολ
Εφόσον όμως οι κινητήριες πρωτε'ϊνες προσκολ/ώνται
χικίνη εμποδίΖει ης ινοβλάστες να κινηθούν προς μια κα
στο γυάλινο πλακίδιο με Τυχαίο προσανατολισμό, τότε
τεύθυνση και ης αναγκάΖει να προεκβάλ/ουν ελασματο
πώς είναι δυνατόν οι επιμέρους μικροσωληνίσκοι να κι
πόδια προς Τυχαίες κατευθύνσεις. Η έγχυση αντισωμάτων
νούνται συντονισμένα, αντί να παρασύρονται σε μια διελ
εναντίον της βιμεντίνης στις ινοβλάστες δεν έχει ευδιάκρι
κυνστίδα; Προς ποια κατεύθυνση θα σύρονται οι μικρο
τες επιπτώσεις στη μετοκίνησή τους. Τι συμπεραίνετε από
σωληνίσκοι πάνω σ' ένα «στρώμα» μορίων κινησίνης
αυτές ης παροτηρήσεις για τη συμμετοχή των τριών διαφο
(πρώτο προς το συν άκρο ή το πλην άκρο);
ρεηκών ινιδίων του κυπαροσκελετού στη μετοκίνηση των ινοβλαστών;
Ερώmση
17-19
Ένα Τυπικό χρονοδιάγραμμα του πολυμερισμού καθαρής τουμπουλίνης για το σχημαησμό μικροσωληνίσκων φαί νετοι στην Εικόνα Ε17 -19. Α. Να εξηγήσετε ΤΟ διάφορα τμήματο της καμπύλης (ση
μειώνονται με ΤΟ γράμματο Α, Β και Γ). Να σχεδιάσετε
ένα διάγραμμα στο οποίο να φαίνεται η συμπεριφορά των μορίων της τουμπουλίνης σε καθεμιά από ης τρεις φάσεις.
Β. Ποια μορφή θα πάρει η καμπύλη εάν προστεθούν κε ντροσωμάηα στην αρΧή;
Ερώmση
17-20
Η ηλεκτρονιομικρογραφία της Εικόνας Ε17 -20Α προέρ χεται από έναν πληθυσμό μικροσωληνίσκων οι οποίοι αυ
ξάνουν γρήγορα. Η Εικόνα Ε17-20Β προέρχετοι από μι κροσωληνίσκους που υπόκεινται σε «κατοστροφική» συρ
ρίκνωση. Να σχολιάσετε ης διαφορές μετοξύ των δύο ει-
756
Κεφάλαιο 17: Κuτταροσκελετός
(Α)
Εικόνα Ε17-20
(Β)
Ερώmσn
Ερώmσn
17-22
17-23
Να συμπληρώσετε σωστά την πρόταση που ακολουθεί, ε
Ποια από τις επόμενες αλλαγές πραγματοποιείται κατά τη
ξηγώντας τους λόγους αποδΟΧής ή απόρριψης καθεμιάς
συστολή του σκελετικού μυ;
από τις τέσσερις φράσεις. Ο ρόλος του ασβεστίου στη μυϊ
Α. Οι δίσκοι Ζ απομακρύνονται μεταξύ τους.
κή συστολή είναι
Β. Τα νημάτια της ακτίνης συστέλλονταΙ.
..
Α. Να αποσπά τις κεφαλές της μυοσίνης από την ακτίνη.
Γ. Τα νημάτια της μυοσίνης συστέλλονταΙ.
Β. Να μεταδίδει το δυναμικό ενέργειας από την κυπαρική
Δ. Τα σαρκομερίδια βραΧύνονταΙ.
μεμβράνη στο σύστημα συστολής.
Γ. Να προσδένεται στην τροπονίνη και να την αναγκάΖει να μετακινεί την τροπομυοσίνη και έτσι να εκθέτει τα νη μάτια της ακτίνης στις κεφαλές της μυοσίνης. Δ. Να συντηρεί τη δομή των νηματίων της μυοσίνης.
Ερωτήσεις
757
Έλεγχοs ιου Κυιιαρικού Κύκλου και Κυιιαρικόs θάvαιοs
«Εκεί όπου εμφανίζεται ένα κύπαρο πρέπει να προϋπάρχει ένα άλ/ο κύτ τορο, όπως ακριβώς ΤΟ Ζώα προέρχονται μόνο από άλ/α Ζώα και ΤΟ φυτά α
πό άλ/α φυτά». Αυτό ω κυπαρικό δόγμα που διατυπώθηκε ω Γερμανό παθολογοανοτόμο
Rudolf Virchow,
1858 από ων
μετέδωσε ένα σημανηκό μή
νυμα για ω συνέχεια ως Ζωής. Τα κύπαρα παράγοντοι από κύπαρα και ο
μοναδικός τρόπος για ων παραγωγή περισσότερων κυπάρων είναι η διαίρε ση Των ήδη υπαρχόντων. ΌλΟ! οι Ζωντανοί οργανισμοί, από ω μονοκύπαρο βακτήριο έως ω πολυκύπαρο θηλασηκό, προκύπωυν από επανειλημμέ νους κύκλους κυπαρικής αύξησης και διαίρεσης που χρονικά ανάγονται
σων αρχή ως Ζωής πολύ πριν από τρία δισεκαωμμύρια χρόνια. Ένα κύπαρο αναπαράγεται διεκπεραιώνοντας μια ιεραρχική ακολουθία γεγονότων κοτά ω διάρκεια των οποίων διπλασιάΖει ω περιεχόμενό ωυ και κοτόπιν διαιρείται σΤα δύο. Αυτός ο κύκλος διπλασιασμού και διαίρεσης,
ΥνωσΤός ως κυπαρικός κύκλος
(cell cycle),
είναι ο βασικός μηχανισμός με
ων οποίο αναπαράγονται όλα ΤΟ έμβια όντα. Οι λεπωμέρειες ωυ κυπαρικού κύκλου ποικίλλουν από οργανισμό σε οργανισμό όπως επίσης και ανάλογα με τη διαφορεηκή φάση ως Ζωής ωυ. ΩσΤόσο, ορισμένα χαρακτηΡΙσΤικά εί
ναι Ο!κουμενικά: ο κυπαρικός κύκλος περιλαμβάνει ωυλάχισων ορισμένες διεργασίες ης οποίες πρέπει να διεκπεραιώσει ένα κύπαρο για να επηύχει ω βασικότερο σΤόχο ωυ, δηλαδή ν' αντιγράψει ης γενεηκές πληροφορίες ωυ
και να ης μετοβιβάσει σΤην επόμενη κυπαρική γενιά. Για να παραΧθούν δύο γενεηκώς τουτόσημα θυγατρικά κύπαρα, ω DΝΑ κάθε χρωμοσώμαως πρέ πει ν' αντιγραφεί με ΠΙσΤόωτο' σΤη συνέχεια, ΤΟ διπλασιασμένα χρωμοσώ
ματο πρέπει να διαχωΡΙσΤούν επακριβώς, έτσι ώσΤε καθένα από ΤΟ δύο θυ γατρικά κύπαρα να παραλάβει ένα αντίγραφο ολόκληρου ωυ γονιδιώμαως
(Εικόνα
18-1). Τις περισσότερες
φορές, σε κάθε κυπαρικό κύκλο ΤΟ κύπαρα
διπλασιάΖουν επίσης και ΤΟ οργανίδια και ΤΟ μακρομόριά ωυς ειδάλλως, σε
κάθε διαίρεση θα γίνονταν μικρότερα. Συνεπώς για να διαωρήσουν ω μέ γεθός ωυς ΤΟ κύπαρα πρέπει επίσης να συντονίσουν ων αύξηση με τη διαί ρεσή ωυς.
Επισκόπηση του κυπαρικού κύκλου Ο κυπαρικός κύκλος των ευκαρυωτικών KUΠάρων διαιρείται σε τέσσερις φάσεις Ένα κεντρικό σύστημα ελέγχου πυροδοτεί τις κύριες διεργασίες του KUΠαΡΙKOύ κύκλου Το σύστημα ελέγχου του κυπαρικού κύκλου Το σύστημα ελέγχου του KUΠαΡΙKOύ κύκλου βασίζεται στην κυκλική ενεργοποίηση πρωτεϊνικών κινασών Οι πρωτεϊνικές κινάσες που εξαρτώνται από τις κυκλίνες ρυθμίζονται από τη συσσώρευση και την αποδόμηση των κυκλινών Η ενεργότητα των Cd κινασών επίσης ρυθμίζεται με φωσφορυλίωση και αποφωσφορυλίωση Διαφορετικά σύμπλοκα κυκλίνης-Cd κινάσης πυροδοτούν διαφορετικά βήματα του KUΠαΡΙKOύ κύκλου Η S-Cdk πυροδοτεί την αντιγραφή του ΟΝΑ και αποτρέπει την επαναντιγραφή Οι Cd κινάσες είναι αδρανείς κατά το μεγαλύτερο μέρος της φάσης G, Το σύστημα ελέγχου του κυπαρικού κύκλου μπορεί να διακόψει τον κύκλο σε ειδικά σημεία ελέγχου Τα κύπαρα μπορούν να αποσυναρμολογήσουν το σύστημα ελέγχου και ν' αποσυρθούν από τον KUΠαΡΙKό κύκλο Προγραμματισμένος κυπαρικός θάνατος (απόmωση) Η απόmωση διεκπεραιώνεται με ενδOKUΠάρια πρωτεολυτική διεργασία Το πρόγραμμα του θανάτου ρυθμίζεταιαπό την οικογένεια ενδOKUΠάριων πρωτεϊνών Bcl-2 Εξωκυπάριος έλεγχος του αριθμού και του μεγέθους των κυπάρων Τα ζωικά κύπαρα χρειάζονται εξωκυπάρια σήματα για να διαιρεθούν, ν' αυξηθούν και να επιβιώσουν Τα μιτογόνα διεγείρουν την KUΠαΡΙKή διαίρεση Οι εξωKUΠάριOΙ αυξητικοί παράγοντες διεγείρουν την αύξηση των KUΠάρων Τα ζωικά κύπαρα χρειάζονται παράγοντες επιβίωσης για ν' αποφύγουν τον κυπαρικό θάνατο Μερικές εξωKUΠάριες σηματοδοτικές πρωτεινες αναστέλλουν την αύξηση, τη διαίρεση ή την επιβίωση των KUΠάρων
759
--------
Εικόνα
18·1.
Ο κuπαρικός κύκλος. Στη δι
~
πλανή εικόνα αποδίδεται η διαίρεση ενός υπο θετικού ευκαρυωτικού κυπάρου με δύο χρω μοσώματα. Σε κάθε κύκλο, παράγονται δύο γε νετικώς ταυτόσημα θυγατρικά κύπαρα.
3
---------
..
ΚΥΠΑΡΙΚ;- ®α/ρ~α':~~~~λ~~N
ΔΙΑΙΡΕΣΗ
ΚΑΙ ΑΥΞΗΣΗ ΤΟΥ ΚΥΠΑΡΟΥ
2
ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ~ ~ ΧΡΩΜΟΣΩΜΑΤΩΝ
~
Για να ερμηνεύσουμε πώς αναπαράΥΟνται τα κύπαρα, πρέπει να εξετά σουμε τρία βασικά Ζητήματα: περιεχόμενό τους;
(2)
(1)
Με ποιο τρόπο τα κύπαρα διπλασιάΖουν το
Πώς κατανέμουν τα διπλασιασμένα συστατικά τους
και τα μοιράΖουν στα δύο;
(3)
Πώς συντονίΖουν όλες τις απαραίτητες δρα
στηριότητες Υια τις δύο προηΥούμενες διεΡΥασίες; Τα δύο πρώτα προβλήμα τα εξετάΖΟνται αλ/ού. Στο Κεφάλαιο
φής του
DNA,
ενώ στα Κεφάλαια
6 ασχοληθήκαμε με τον τρόπο αντΙΥρα 7, 11, 15 και 17 πεΡΙΥράφουμε πώς τα ευ
καρυωτικά κύπαρα συνθέτουν διάφορα άλ/α συστατικά όπως οι πρωτε'ί'νες,
οι μεμβράνες, τα ΟΡΥανίδια και τα ινίδια του κυπαροσκελετού. Στο Κεφάλαιο
19 θ'
ασχοληθούμε με το δεύτερο θέμα, δηλαδή τη φυσική διεΡΥασία της
κυπαρικής διαίρεσης.
Σε αυτό το κεφάλαιο εξετάΖουμε το τρίτο και δυσκολότερο πρόβλημα: συ Υκεκριμένα, πώς συντονίΖει το ευκαρυωτικό κύπαρο τα διάφορα βήματα του
αναπαραΥωΥικού κύκλου του. Για να εξασφαλίσουν τη σωστή εξέλιξη του κυπαρικού κύκλου, τα ευκαρυωτικά κύπαρα ανέπτυξαν ένα περίπλοκο δί κτυο ρυθμιστικών πρωτεϊνών Υνωστό ως σuστnμα εΛέγχου του κυπαρικοι} KUKiΊou. Στο κέντρο αυτού του συστήματος βρίσκεται μια τακτική σειρά βιο
χημικών διακοπτών που ελέΥχουν τα κύρια συμβάντα του κύκλου, μεταξύ
•,
Ερώτηση
18-1
Σχολιάστε την ακόλουθη
άλλων την αντΙΥραφή του
DNA και τον
διαχωρισμό των διπλασιασμένων
χρωμοσωμάτων.
διαπίστωση: «Όλα τα σύΥ
Για να συντονίσει αυτές τις δραστηριότητες, το σύστημα ελέΥχου του κυτ
χρονα κύπαρα προήλθαν α
ταρικού κύκλου απαντά σε ποικίλα εξωκυπάρια και ενδοκυπάρια σήματα.
πό μια αδιάκοπη σειρά κυτ
Στο εσωτερικό του κυπάρου, το σύστημα ελέΥχου παρακολουθεί την εξέλιξη
ταρικών διαιρέσεων που α
του κυπαρικού κύκλου και έτσι διασφαλίΖει ότι η αντΙΥραφή του
νάΥΟνται στην πρώτη κυπα
ολοκληρωθεί πριν αρχίσει η κυπαρική διαίρεση. Το σύστημα ελέΥχου πρέ
ρική διαίρεση». Συμφωνείτε απόλυτα με
πει επίσης να συνεκτιμά τις συνθήκες που επικρατούν στο εξωτερικό του κυτ
αυτή την άποψη;
τάρoυ. Σ' έναν πολυκύπαρο ΟΡΥανισμό, πρέπει να απαντά σε σήματα από
760
Κεφάλαιο 18: Έλεγχος του Κυτταρικού Κύκλου και Κυτταρικός Θάνατος
DNA θα έχει
άλ/α κύτταρα, όπως είναι τα σήματα που διεγείρουν την κυτταρική διαίρεση όταν χρειάΖΟνται περισσότερα κύτταρα. Επομένως, το σύστημα ελέγχου του κυτταρικού κύκλου παίΖει κεντρικό ρόλο στη ρύθμιση του αριθμού των κυτ
τάρων στους ιστούς του σώματος: όταν το σύστημα δυσλειτουργεί, μπορεί ν' αναmυχθεί καρκίνος. Στην αρχή του Κεφαλαίου θα παρουσιάσουμε σε γενικές γραμμές τα γε γονότα που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια του κυτταρικού κύκλου. Στη συνέ χεια, θα εξετάσουμε πώς συντονίΖονται αυτές οι δραστηριότητες από το σύ στημα ελέγχου του κυτταρικού κύκλου που απαντά σε ενδοκυττάρια και εξω κυττάρια σήματα. Κατόπιν θα περιγράψουμε πώς οι πολυκύτταροι οργανι σμοί απαλλάσσονται από ανεπιθύμητα κύτταρα με τη διεργασία του προ γραμματισμένου κυπαρικού θανάτου (αλ/ιώς, απόπτωση), κατά την οποία το κύτταρο αυτοκτονεί όταν το επιτάσσουν οι ανάγκες του οργανισμού. Τέλος,
θα εξετάσουμε πώς ρυθμίΖεται ο αριθμός και το μέγεθος των κυπάρων υπό την επίδραση εξωκυττάριων σημάτων που ελέγχουν τη διαίρεση, την επιβίω ση και την αύξηση του κυττάρου.
Επισκόπηση ιου κυιιαρικού κύκλου Η κυριότερη λειτουργία του κυττάρου είναι να διπλασιάσει επακριβώς την τεράστια ποσότητα του DΝΑ των χρωμοσωμάτων και στη συνέχεια να μοιρά σει ισότιμα τα αντίγραφα σε γενετικώς ταυτόσημα θυγατρικά κύτταρα. Η
διάρκεια του κυτταρικού κύκλου ποικίλλει πολύ ανάλογα με το είδος του κυτ τάpoυ. Σε ιδανικές συνθήκες, ένας μονοκύτταρος σακχαρομύκητας μπορεί
να διαιρείται κάθε
90-120 λεπτά.
Από την άλ/η πλευρά, τα ηπατοκύτταρα ε
νός θηλαστικού, κατά μέσο όρο, διαιρούνται λιγότερο από μια φορά το χρό νο (Πίνακας
18-1).
Στη συΖήτηση που ακολουθεί θα εστιάσουμε την προσο
χή μας στην ακολουθία των γεγονότων που συμβαίνουν σε κύτταρα θηλαστι
κών που διαιρούνται αρκετά γρήγορα, με κύκλο Ζωής περίπου
24 ωρών,
και
θα περιγράψουμε το σύστημα ελέγχου του κυτταρικού κύκλου που διασφα λίΖει τη σωστή διαδοχή των συμβάντων.
Ο κυπορικός κύκλος των ευκορυωηκών κυπάρων διοφείιοι σε τέσσερις φάσεις Ο κυτταρικός κύκλος των ευκαρυωτικών κυττάρων παραδοσιακά διαιρεί-
Πίνακας
18·1. Η
διάρκεια του κύκλου ζωής μερικών ευκαρυωτικών κυπάρων.
Είδος κυπάρου
Διάρκεια κύκλου ζωής
Κύπαρα πρώιμου εμβρύου βατράχου
30λεmά
Κύπαρα ζύμης
1.5-3 ώρες "'12 ώρες "'20 ώρες "'1 έτος
Επιθηλιακά κύπαρα εντέρου lνοβλάστες θηλαστικού σε καλλιέργεια Ανθρώπινα ηπατοκύπαρα
Επισκόπηση του Κυτταρικού Κύκλου
761
•
Ερώτηση
18-2
ται σε τέσσερα σrάδια ή φάσεις. Παρατηρώντας σro μικροσκόπιο, τα δύο πιο
Κύτταρα ενός αυξανόμενου
εντυπωσιακά γεγονότα είναι η διαίρεση 1Ου πυρήνα, μια διεργασία yνωσrή
κυτταρικού πληθυσμού βά
ως μίτωσΩ
φηκαν με μια XρωσrΙKή η ο
(mitosis) και η διαίρεση 1Ου κυττάρου, yνωσrή και ως κυπαροκί vnan (cytokinesis). Από κοινού, οι δύο αυτές διεργασίες συνισroύν τη φάση
ποία φθορίΖει μόλις προσ
Μ 1Ου κυτταρικού κύκλου. Σ' ένα συνηθισμένο κύτταρο θηλασrΙKOύ, ολό
δεθεί σro ΟΝΑ. Έτσι, η έ
κληρη η φάση Μ διαρκεί περίπου μια ώρα, δηλαδή αποτελεί ένα πολύ μικρό
νταση 1Ου φθορισμού είναι
κλάσμα 1Ου συνολικού κυτταρικού κύκλου.
ανάλογη με την ποσότητα 1Ου ΟΝΑ κάθε
Η περίοδος που παρεμβάλλεται ανάμεσα σε δύο φάσεις Μ αποκαλείται
κυττάρου. Η μέτρηση της ποσότητας 1Ου
μεσ6φαση
ΟΝΑ σε κάθε κύτταρο γίνεται με μια συ
ψη ενός ήρεμου διαλείμμα1Ος, κατά τη διάρκεια 1Ου οποίου 10 κύτταρο α
σκευή, 1Ον διαλογέα κυττάρων ενεργο
πλώς αυξάνει σε μέγεθος. Στην πραγματικότηταόμως, η μεσόφαση είναι μια
ποιούμενο από 10 φθορισμό
(fluorescence-activated cell sorter, FAC5), η ο
πολύ δρασrήρια περίοδος για 10 κύτταρο και διαιρείται σrις υπόλοιπεςτρεις
(interphase).
Σ1Ο μικροσκόπιο, η μεσόφαση έχει την απατηλή ό
φάσεις1Ου κυτταρικούκύκλου. Κατά τη διάρκειατης φάσης S
(5
= synthesis,
ποία καταγράφει την περιεκτικότητα του
σύνθεση), 10 κύτταρο αντιγράφει10 ΟΝΑ 1Ου πυρήνα 1Ου, απαραίτητη προϋ
φθορισμού σε κάθε κύτταρο ξεxωρισrά.
πόθεση για να συμβείη κυτταρική διαίρεση. Η φάση 5 πλαισιώνεται από δύο
Ο αριθμός των κυττάρων με συγκεκριμέ
φάσεις κατά τις οποίες 10 κύτταρο συνεχίΖειν' αυξάνει. Η φάση G} (G =
νη ποσότητα ΟΝΑ αποδίδεται σro σχεδιά
είναι 10 μεσoδιάσrημαανάμεσα σro τέλος της φάσης Μ και την αρχή της φά
gap)
γραμμα της Εικόνας Ε18-2). Σε ποιες πε
σης 5 (σύνθεση 1Ου
ριοχές 1Ου διαγράμμα1Ος αναμένετε να
λος της φάσης 5 και την αρχή της φάσης Μ (Εικόνα
υπάρχουν κύτταρα που βρίσκονται σrις
κριμένα χρονικά
φάσεις
απόφαση αν θα προχωρήσεισrην επόμενη φάση ή αν θα σrαματήσει έτσι ώ
G1, 5, G2 και μίτωση; Ποια είναι η
μεγαλύτερη φάση 1Ου κυτταρικού κύκλου σroν συγκεκριμένο κυτταρικό πληθυσμό;
DNA), ενώ η φάση Gz10 μεσoδιάσrημαανάμεσα σro τέ 18-2). Υπάρχουν συγκε σημεία σrις φάσεις G1 και GZ όπου 10 κύτταρο παίρνει μια
σrε να έχει περισσότεροχρόνο για να πρoε1Oιμασrεί.
Κατά τη διάρκεια όλης της μεσόφασης, ένα κύτταρο συνεχίζεινα μεταγρά φει τα γονίδιά 1Ου, να συνθέτει πρωτε'ϊνες και ν' αυξάνεται σε μάζα. Από κοι νού, οι φάσεις G1 και
Α
G2 προσφέρουν επιπρόσθετο χρόνο σro κύτταρο για ν'
αυξηθεί και να διπλασιάσει τα κυτταροπλασματικά οργανίδιά 1Ου: αν η μεσό φαση διαρκούσε μόνο όσο θα χρειαΖόταν για να πραγμα1Οποιηθεί η αντιγρα φή 1Ου
DNA, 10 κύτταρο δεν θα διέθετε 10 χρόνο για να διπλασιάσειτη μάΖα
1Ου ΠΡΟ1Ού διαιρεθεί, οπότε θα γινόταν μικρότερο μετά από κάθε κυτταρική Β
διαίρεση. Πράγματι, αυτό ακριβώς συμβαίνει σε ορισμένες ειδικές περισrά
σεις. Για παράδειγμα, σrα έμβρυα μερικών Ζώων, οι πρώτες κυτταρικές διαι-
ο
σχετική ποσότητα DΝΑ ανά κύπαρο ΦΑΣΗΜ
Εικόνα Ε18·2
Εικόνα 18·2. Οι φάσεις του κυπαρικού κύ κλου. Η μεσόφαση περιλαμβάνει όλο τον κυτ ταρικό κύκλο εκτός από τη φάση Μ. Είναι μια περίοδος συνεχούς κυπαρικής αύξησης κατά
ΜΕΣΟΦΑΣΗ
τη διάρκεια της οποίας αντιγράφεται το ΟΝΑ.
Κατά τη διάρκεια της φάσης Μ διαιρείται πρώ τα ο πυρήνας και μετά το κυπαρόπλασμα. Η
φάση
G, είναι το διάκενο
και τη φάση
S, ενώ
μεσα στη φάση
762
ανάμεσα στη φάση Μ
η φάση
G2 το διάκενο ανά
S και τη φάση Μ.
ΦΑΣΗ S (αντιγραφή του DΝΑ)
Κεφάλαιο 18: Έλεγχος του Κυτταρικού Κύκλου και Κυτταρικός Θάνατος
ΦΑΣΗ
G,
ρέσεις μετά τη γονιμοποίηση (γνωστές ως διαιρέσεις της αυilάKωσης) χωρί
Ζουν ένα γιγαντιαίο ωάριο σε πολ/ά μικρότερα κύπαρα όσο πιο γρήγορα γί
νεται. Σε αυτούς τους κυπαρικούς κύκλους τα κύπαρα δεν αυξάνουν πριν δι αιρεθούν και οι φάσεις
G} και G2 βραΧύνονται δραστικά.
Το πρώτο σαφές σήμα ότι ένα κύπαρο είναι έτοιμο να εισέλθει στη φά ση Μ είναι η προοδευτική συμπύκνωση των χρωμοσωμάτων του, τα οποία είχαν αντιγραφεί προηγουμένως κατά τη διάρκεια της φάσης
S
(στο στά
διο αυτό, τα δύο αντίγραφα κάθε χρωμοσώματος παραμένουν ισχυρά
συνδεδεμένα το ένα με το άλ/ο). Η συμπύκνωση των χρωμοσωμάτων ση ματοδοτεί το τέλος της φάσης
G2. Στο στάδιο αυτό του κυπαρικού κύκλου,
τα χρωμοσώματα πρώτα είναι ορατά στο φωτονικό μικροσκόπιο σαν μα
κριές κλωστές, οι οποίες σταδιακά γίνονται βραΧύτερες και παΧύτερες με σύμπηξη (βλ. Κεφάλαιο
5).
Αυτή η συμπύκνωση αποτρέπει το μπέρδεμα
των χρωμοσωμάτων και επομένως διευκολύνει το διαχωρισμό τους κατά τη διάρκεια της μίτωσης.
Ένα κενΙρικό σύστημα ελέγχου πυροδοτεί τις κύριες διεργασίες του κυπαρικού κύκλου Το σύστημα ελέγχου του κυπαρικού κύκλου λειτουργεί περίπου όπως και
το σύστημα ελέγχου ενός αυτόματου πλυντηρίου. Το πλυντήριο λειτουργεί κατά στάδια: δέχεται νερό, το αναμειγνύει με το απορρυπαντικό, πλένει τα ρούχα, μετά τα ξεπλένει και τέλος τα στραΥΥίΖει. Αυτά τα βασικά στάδια του κύκλου της πλύσης είναι ανάλογα με τις θεμελιώδεις διεργασίες του κυπαρl κού κύκλου
-
αντιγραφή του
DNA, μίτωση
κλπ. Και στις δύο περιmώσεις ένα
ΣΥΝΑΡΜΟΛΟΓΗΣΗ
ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ ΤΗΣ
ΤΗΣ ΜΙΤΩΤΙΚΗΣ ΑΤΡΑΚΤΟΥ (βλ. Κεφάλαιο 19)
ΚΥΠΑΡΙΚΗΣ ΔΙΑΙΡΕΣΗΣ (βλ. Κεφάλαιο 19)
t
ενεΡΥοποίηση του μηχανισμού της μίτωσης
.
.t
.
εναρξη της αναφασης και πορεια προς την κυπαροκίνηση
Εικόνα
18-3. Ο έλεγχος του κυπαρικού κύ
κλου. Οι βασικές διεργασίες, όπως η αντιγρα ενεργοποίηση του μηχανισμού αντιγραφής του DNA
~ ΑΝΤΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ
(βλ. Κεφάλαιο
DNA 6)
φή του DΝΑ, η μίτωση και η KUΠαΡOKίνηση πυ ροδοτούνται από ένα σύστημα ελέγχου του κυπαρικού κύκλου, το οποίο ενεργοποιεί κα τάλληλους μηχανισμούς μόλις φτάσει σε ειδι κά σημεία του κύκλου.
Επισκόπηση του Κυτταρικού Κύκλου
763
κεντρικό σύστημα ελέγχου πυροδοτεί κάθε διεργασία με καθορισμένη ακο λουθία (Εικόνα
18-3). Το
ίδιο το σύστημα ελέγχου ρυθμίζεται σε ορισμένα
κρίσιμα σημεία του κύκλου με ανατροφοδότηση από τις διεργασίες που διεκπεραιώνονται Για παράδειγμα, ειδικοί αισθητήρες καταγράφουν τα επί
πεδα του νερού και αποστέλ/ουν σήματα στο σύστημα ελέγχου ώστε να μην αρχίσει το επόμενο στάδιο προτού ολοκληρωθεί εκείνο που βρίσκεται ήδη σε εξέλιξη. Αν δεν υπήρχε αυτή η ανατροφοδότηση, μια διακοπή ή μια κα
θυστέρηση σε οποιαδήποτε από αυτές τις διεργασίες θα μπορούσε ν' αποβεί καταστροφική.
Τα γεγονότα του κυτταρικού κύκλου επίσης πρέπει να συμβαίνουν σύμφωνα με ορισμένη ακολουθία, η οποία πρέπει να τηρείται έστω και αν ένα από τα επιμέρους στάδιά της διαρκεί περισσότερο από το κανονι κό. Όλο το ΟΝΑ του πυρήνα πρέπει να έχει αντιγραφεί προτού αρχίσει η διαίρεση του πυρήνα' αυτό σημαίνει ότι πριν από τη φάση Μ πρέπει να έ χει προηγηθεί μια πλήρης φάση
S. Αν
η σύνθεση του ΟΝΑ επιβραδυνθεί
ή σταματήσει (για παράδειγμα, εξαιτίας βλαβών του ΟΝΑ που απαιτούν ε πιδιόρθωση), η μίτωση και η κυτταρική διαίρεση πρέπει επίσης να καθυ
στερήσουν. Παρομοίως, προκειμένου να διαιρεθούν στα δύο, τα περισ σότερα κύτταρα πρέπει προηγουμένως να έχουν διπλασιαστεί σε μέγε
θος, ειδάλλως με κάθε κυτταρική διαίρεση θα γίνονταν όλο και μικρότε
•,
Ερώmση
ρα. Το σύστημα ελέγχου του κυτταρικού κύκλου επιτυγχάνει όλα αυτά με
18-3
κατάλληλα «μοριακά φρένα» ικανά να σταματούν τον κύκλο σε διάφορα
Τι θα μπορούσε να συμβεί
σημεία ελέγχου
αν ένα κύτταρο αντέγραφε
δεν πυροδοτεί το επόμενο βήμα του κύκλου αν προηγουμένως δεν προ
κατεστραμμένο ΟΝΑ προ
ετοιμαστεί το κύτταρο.
τού το διορθώσει;
(checkpoints).
Με αυτόν τον τρόπο, το σύστημα ελέγχου
Δύο σημαντικά σημεία ελέγχου υπάρχουν στις φάσεις μείο ελέγχου της φάσης
Gl
και
G2. Το ση
G1 επιτρέπει επίσης στο κύτταρο να εξακριβώσει αν
το περιβάλ/ον ευνοεί τον πολ/απλασιασμό προτού δεσμευτεί στη φάση S. Η αύξηση του κυττάρου εξαρτάται από τον επαρκή εφοδιασμό του σε θρεπτικές ουσίες και από άλ/ους παράγοντες από το εξωκυττάριο περιβάλ/ον. Αν οι ε ξωκυττάριες συνθήκες είναι δυσμενείς, τα κύτταρα σταματούν στη φάση
G1
και μπορεί ακόμα και να περάσουν σε μια κατάσταση ηρεμίας γνωστή ως
GO
Πολ/ά κύτταρα, μεταξύ των οποίων τα νευρικά και τα γραμμωτά μυϊκά κύττα ρα, παραμένουν σε φάση
GO διαβίου.
Το σύστημα ελέγχου της φάσης
G2 ε
πιτρέπει στο σύστημα να σταματά προτού πυροδοτήσει τη μίτωση. Επιπλέον,
επιτρέπει στο κύτταρο να ελέγξει αν έχει ολοκληρωθεί η αντιγραφή του ΟΝΑ προτού προχωρήσει στη μίτωση (Εικόνα
18-4).
Τα σημεία ελέγχου έχουν σημασία και από μια άλ/η άποψη: είναι σημεία
του κυτταρικού κύκλου στα οποία το σύστημα ελέγχου μπορεί να ρυθμιστεί από σήματα που προέρχονται από άλ/α κύτταρα. Μερικά από αυτά τα σήμα τα προάγουν την εξέλιξη του κυτταρικού κύκλου ενώ άλ/α την αναστέλ/ουν.
Στις παραγράφους που ακολουθούν θα παρουσιάσουμε τις πρωτεϊ'νες που απαρτίΖουν το κεντρικό σύστημα ελέγχου και στη συνέχεια θα εξετάσουμε τους παράγοντες οι οποίοι επηρεάΖουν τις αποφάσεις που λαμβάνονται στα
διάφορα σημεία ελέγχου.
764
Κεφάλαιο 18: Έλεγχος του Κυτταρικού Κύκλου και Κυτταρικός Θάνατος
Εικόνα
18·4. Δύο
σημεία ελέγχου στον κυτ
ταρικό κύκλο. Η ανατροφοδότηση από τα εν δOKUΠάρια συμβάντα του κυπαρικού κύκλου ΣΗΜΕΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ
όπως επίσης και διάφορα σήματα από το περι βάλλον του κυπάρου καθορίζουν αν το σύστη
G2
μα ελέγχου θα περάσει από συγκεκριμένα ση
μεία ελέγχου. Στη διπλανή εικόνα παρουσιά ζονται δύο σημαντικά σημεία ελέγχου, ένα στη φάση G" όπου το σύστημα ελέγχου καθορίζει αν το κύπαρο θα προχωρήσει στη φάση S, και ένα άλλο στη φάση
G2, όπου καθορίζεται αν το
κύπαρο θα προχωρήσει στη μίτωση.
ΣΗΜΕΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ
G,
Είναι ευνο'ίκό το περι όΝων; Έχει βλάβες το ΟΝΑ;
Το σύστημα ελέγχου του
κυτταρικού κύκλου Ο κυπαρικός κύκλος χρειάΖετω δύο ομάδες «μηχανικών εξαρτημάτων»: η μlO είνω απαραίτητη για την παρασκευή των νέων συστατικώντου αυξανό
μενου κυπάρου κω η άλ/η γlO την τοποθέτηση των συστατικών στη σωστή θέση κω την κατάλ/ηλη κατανομή τους όταν το κύπαρο δlOφείτω στα δύο
(βλ. Κεφάλωο 19). Ωστόσο, εξίσου σημαντικό είναι κω το σύστημα κεντρι κού ελέγχου που ενεργοποιεί κω απενεργοποιεί τα «εξαρτήματα» στον κα τάλ/ηλο χρόνο κω συντονίΖει όλες τις διεργασίες που παράγουν το τελικό προϊόν. Στο κύπαρο, η σωστή εξέλιξη του κυπαρικού κύκλου διασφαλίΖετω με τη ρύθμιση των σχετικών «εξαρτημάτων» από το σύσrημα ελέγχου του κυτ
ταρικού κύκλου
(cell cyc!e contro! system).
Στις παραγράφους που ακολουθούν πρώτα θα εξετάσουμε μερικές από τις βασικές αρχές λειτουργίας του κυπαρικού κύκλου. Στη συνέχεlO, θα πα ρουσιάσουμε τις πρωτε'ϊνες του συστήματος ελέγχου κω θ' αναλύσουμε πώς
συνεργάΖονται ώστε να προωθήσουν τις διαφορετικές φάσεις του κύκλου.
Το σύστημα ελέγχου του κυπαρικού κύκλου βασίΖεται arnV κυκλική εvεργοηοίηση ηρωτεϊvικώv κιvασώv Το σύστημα ελέγχου του κυπαρικού κύκλου καθοδηγεί τα «μηχανικά ε
ξαρτήματα» του κυπαρικού κύκλου μέσω της κυκλικής ενεργοποίησης κω α πενεργοποίησης κρίσιμων πρωτεϊνών που πυροδοτούν ή ρυθμίΖουν την α ντιγραφή του
DNA, τη μίτωση
Κεφάλωο
η φωσφορυλίωση (κω η αποφωσφορυλίωση) είναι ένας από
5,
και την κυπαροκίνηση. Όπως αναφέραμε στο
τους πιο κοινούς μηχανισμούς που χρησιμοποιούν τα κύπαρα γlO να μετα
βάλ/ουν τη δραστικότητα μιας πρωτεΊνης. Οι αντιδράσεις φωσφορυλίωσης
Το Σύστημα Ελέγχου του Κυτταρικού Κύκλου
765
που ελέγχουν τον κυτταρικό κύκλο διενεργούνται από μια ειδική ομάδα πρωτεϊνικών κινασών, δηλαδή ενΖύμων που KαIOi\ύOυν τη μειοφορά μιας
φωσφορικής ομάδας από το ΑΤΡ στην πλευρική αλυσίδα ενός συγκεκριμέ νου αμινοξέος της πρωτεΊνης-στόχου. Οι συνέπειες της φωσφορυλίωσης μπορεί ν' αναστραφούν γρήγορα με την αφαίρεση της φωσφορικής ομάδας
(αποφωσφορυλίωση), μια αντίδραση που διεξάγεται από μια άλ/η ομάδα ενΖύμων, ης πρωτεϊνικές φωσφοιάσες.
Σιο πολ/απλασιαΖόμενα κύτταρα, οι πρωτεϊνικές κινάσες του συστήμα τος ελέγχου του κυτταρικού κύκλου είναι παρούσες σε όλες ης φάσεις του κύκλου. Ωστόσο, ενεργοποιούνται μόνο σε ορισμένες κοιάλ/ηλες χρονικές περιόδους και αμέσως μετά απενεργοποιούνται γρήγορα. Επομένως, η ε νεργότηιο καθεμιάς από ης κινάσες αυξάνει και ελαττώνειοι με κυκλικό φό
πο. Για παράδειγμα, μερικές πρωτεϊνικές κινάσες ενεργοποιούνται προς το τέλος της φάσης
G1 και προωθούν το κύτταρο στη φάση S'
μια άλ/η κινάση
ενεργοποιείιοι λίγο πριν τη φάση Μ και προωθεί το κύτταρο στη μίτωση. Δεδομένου όη οι πρωτεϊνικές κινάσες του συστήματος ελέγχου του κυτ ιορικού κύκλου είναι παρούσες σε όλες ης φάσεις του κύκλου, πώς ενεργο ποιείιοι και απενεργοποιείιοι η ενΖυμlκή τους δράση στις κοιάλ/ηλες χρονι
κές περιόδους; Φαίνειοι όη για αυτό εν μέρει ευθύνειοι μια δεύτερη ομάδα πρωτεϊνών του συστήματος ελέγχου που αποκαλούνται κυκλίνες
(cyclins). Οι
ίδιες οι κυκλίνες δεν έχουν ενΖυμlκή ενεργότηιο, αλ/ά είναι απαραίτητες για την ενεργοποίηση των κινασών του κυτταρικού κύκλου, την οποία εΠlΙυγχά
νουν μέσω της πρόσδεσής τους στις κινάσες. Για το λόγο αυτό οι κινάσες του συστήματος ελέγχου του κυτταρικού κύκλου αναφέρονται ως πρωτεϊνικές κι
νάσες εξαρτώμενες από τις κυκλίνες
(cyclin-dependent protein kinases, Cd
κινάσες ή Cdks) (Εικόνα
18-5). Οι
θειο από ης
η συγκέντρωσή τους διακυμαίνειοι με κυκλικό φό
Cd κινάσες,
κυκλίνες ονομάστηκαν έιοι επειδή, αντί
πο κοιά τη διάρκεια του κυτταρικού κύκλου. Οι κυκλικές μειοβολές στη συ γκέντρωση των κυκλινών προωθούν την κυκλική συναρμολόγηση και ενερ
γοποίηση των συμπλόκων κυκλινών-Cdk. Η ενεργοποίηση αυτών των συ
μπλόκων πυροδοτεί ποικίλα συμβάντα του κυτταρικού κύκλου, όπως η είσο δος στη φάση Μ ή στη φάση
S.
Οι πρωτεϊνικές κινάσες που εξαρτώνται από ης κυκλίνες ρυθμίΖΟνται από τη συσσώρευση και την αποδόμηση των πρωτε"ίνική κινάση εξαρτώμενη από την κuκλίνη (Cd κινάση)
Εικόνα
18-5. Τα
δύο βασικά συστατικά ενός
συμπλόκου κυκλίνης-Cd κινάσης. Η πρωτε"ί νική κινάση που εξαρτάται από την κυκλίνη (Cd κινάση) είναι ένα ένζυμο που καταλύει τη φω σφορυλίωση διάφορων πρωτε"ίνών, ενώ η κυ κλίνη είναι μια ρυθμιστική πρωτεί\ιη απαραίτη τη για την ενζυμική ενεργοποίηση της Cd κινά σης. Το ενεργό σύμπλοκο φωσφορυλιώνει καί
ριες πρωτεΊνες του κυπάρου, αναγκαίες για την έναρξη ενός συγκεκριμένου βήματος του κυπαρικού κύκλου.
766
κυκλινών Η ρύθμιση της συγκέντρωσης των κυκλινών παίΖει σημαντικό ρόλο στο χρονικό προγραμμαησμό των συμβάντων του κυτταρικού κύκλου. Η κυκλίνη
που προωθεί ΙΟ κύτταρα στη φάση Μ ονομάΖεται Μ-κυκλίvn και το σύμπλο κό της με την αντίστοιχη
Cdk ονομάΖεται M-Cdk. Η
σύνθεση της Μ-κυκλίνης
αρχίΖει αμέσως μετά τη διαίρεση του κυττάρου και συνεχίΖεται σταθερά κα
θόλη τη διάρκεια της μεσόφασης. Η κυκλίνη συσσωρεύειοι και η συγκέ ντρωσή της αυξάνει σταδιακά. Αυτό συμβάλ/εl στο χρονικό προγραμμαησμό της αρχής της μίτωσης. Η επακόλουθη ιοχεία ελάττωση της συγκέντρωσης
της κυκλίνης πυροδοτεί την έξοδο από τη μίτωση (Εικόνα
Κεφάλαιο 18: Έλεγχος του Κυτταρικού Κύκλου και Κυτταρικός Θάνατος
18-6).
Εικόνα μεσόφαση
μίτωση
μεσόφαση
Cdk και
18·6.
Η άνοδος και η mώση της Μ
της συγκέντρωσης της Μ-κυκλίνης
κατά τη διάρκεια του κυπαρικού κύκλου σ' έ δραστικότητα
της
να ωοκύπαρο. Ενώ η δραστικότητα της Μ
____
Cdk αυξάνει
M-Cdk
και μηδενίζεται σε κάθε μίτωση, η
συγκέντρωση της κυκλίνης σταδιακά αυξάνει κατά τη διάρκεια της μεσόφασης, κορυφώνε ται στη μίτωση και πέφτει απότομα καθώς λή γει η μίτωση. Η συγκέντρωση της
M-Cd
κινά
σης δεν μεταβάλλεται κατά την εξέλιξη του
KUΠαΡΙKOύ κύκλου: το μόνο που αλλάζει είναι η δραστικότητά της.
Η αιφνίδια mώση της συγκέντρωσης της κυκλίνης κατά τη διάρκεια της μίτωσης οφείλεται Ο1ην τοχεία αποδόμησή της από 10 πρωτεολυTlκόσύΟ1η
μα που εξαρτάτοι από την ουβικουϊτίνη.Με κάθε μόριο Μ-κυκλίνηςσυνδέο νται ομοιοπολικάπολλά μόρια ουβικουϊτίνηςκαι 10 οδηγούνγια αποδόμηση
. Ο1α πρωτεασωμάTlα (βλ. Κεφάλαιο 7). ποιεί την Cdk (Εικόνα 18-7).
Η καΤΟΟ1ροφή της κυκλίνης αδρανο
Τι όμως ελέγχει 10 χρόνο ουβικουίτινίωσηςτων κυκλινών; Στην περίmω
ση της Μ-κυκλίνης, ένα πρωτεϊνικό σύμπλοκο ΥνωΟ1ό ως σύμπΛοκο που προάγειΤην ανάφaση (anaphase
promoting complex, APC) προσθέΤει
ουβι
κουϊτίνη Ο1ην κυκλίνη και σε άλλες πρωτε'lνες που εμπλέκονται Ο1η ρύθμιση της μίτωσης. ΩΟ1όσο, 10 APC δεν είναι ενεργό σε όλα ΤΟ Ο1άδια 1Ου κυπαρι κού κύκλου. Η δράση 1Ου ενεργοποιείτοι σε προχωρημένη φάση της μίτω σης σε μια διεργασία που εξαρτάται από τη δράση της
ηση της
M-Cdk με λανθάνοντα
M-Cdk. Η
ενεργοποί
χρόνο ενεργοποιεί 10 σύμπλοκο APC. Αυτό
οδηγεί σε ουβικουϊTlνίωση και αποδόμηση της Μ-κυκλίνης και έτοι σε απε
νεργοποίηση της
M-Cdk.
Κω' αυτόν 1Ον τρόπο, η
M-Cdk συνεισφέρει
Ο1ην
απενεργοποίησή της.
Το σύμπλοκο
APC δεν είναι αρμόδιο
αποκλεΙΟ1ικά για την αποδόμηση της
Μ-κυκλίνης. Όπως θα δούμε 010 Κεφάλαιο 19, ο διοχωρισμόςτων διπλασια σμένων χρωμοσωμάτων κατά 10 Ο1άδιο της aνάφaσηςτηςμίτωσης επίσης ε
ξαρτάται από 10 APC (εξάλλου σε αυτή τη δράση οφείλει και 10 όνομά 1Ου).
Η ενεργότητατων Cd κινασών επίσης ρυθμίΖεται με φωσφορυλίωσηκαι αποφωσφορυλίωση Η άνοδος και η mώση των επιπέδωντων κυκλινών παίζει σημαντικό ρόλο
Ο1η ρύθμισητης δράσης των Cdk κατά τη διάρκεια 1Ου κυπαρικού κύκλου. Ω-
μιτωτική
Cdk
d
'8
ןIΙ/-::.
ενεργός M-Cdk
Μ-κυκλίνη
ουβικοuϊτινίωση Μ-κυκλίνης.
καταστροφή
(J
\)
Εικόνα
18-7.
Η δραστικότητα των
Cd
κινα
σών ρυθμίζεται από την αποδόμηση των κυ αδρανοποιηση της
κλινών. Η ουβικουϊτινίωση της κυκλίνης προ
M-Cdk ανενεργός
Cdk
καλεί τελικά την καταστροφή της. Η απώλεια της κυκλίνης απενεργοποιεί την
Cd
Το Σύστημα Ελέγχου του Κυτταρικού Κύκλου
κινάση.
767
Ιστορική Αναδρομή: Ανακάλυψη των κυκλινών και των Για πολλά χρόνια οι βιολόγοι παρακολουθούσαν τα φαινόμενα
Cd κινασών
νώ κάτι τέτοιο δεν συμβαίνει με κυπαρόπλασμα από ένα αυλακού
της σύνθεσης του DΝΑ, της μίτωσης και της κυπαροκίνησης χω
μενο ωάριο που βρίσκεται σε άλλες φάσεις του κύκλου. Όταν πρω
ρίς να γνωρίζουν τίποτα για τους υποκείμενους μηχανισμούς. Το
τοπεριγράφηκε αυτό το φαινόμενο, η βιοχημική ταυτότητα και ο
σύστημα ελέγχου του KUΠαΡΙKOύ κύκλου ήταν ένα «μαύρο κουτί»
μηχανισμός δράσης του παράγοντα που ευθυνόταν για τη συγκε
στο εσωτερικό του KUΠάΡOυ. Δεν ήταν γνωστό ούτε καν αν υπήρ
κριμένη δράση ήταν άγνωστα: έτσι, η δράση αυτή ονομάστηκε α
χε ξεχωριστό σύστημα ελέγχου ή αν ο εξοπλισμός του KUΠαΡΙKOύ
πλώς πaΡάγοvraς προαγωγής της φάσης Μ
(M-phase promoting
κύκλου αυτοελεγχόταν. Ουσιαστική πρόοδος σημειώθηκε μόνο ό
factor ή MPF)
του κυπαροπλάσμα
ταν ανιχνεύθηκαν οι βασικές πρωτεινες του συστήματος ελέγχου
τος από διαφορετικά στάδια του κυπαρικού κύκλου με τη δοκιμα
και αναγνωρίστηκε ότι διέφεραν από τα συστατικά του εξοπλισμού
σία που παρουσιάζεται στην Εικόνα
του κυπαρικού κύκλου, δηλαδή τα ένζυμα και τις άλλες πρωτεινες
ση του
που διεκπεραιώνουν τις θεμελιώδεις διεργασίες της αντιγραφής
ταρικού κύκλου: συγκεκριμένα, αυξανόταν γρήγορα λίγο πριν από
του DΝΑ, του διαχωρισμού των χρωμοσωμάτων κλπ.
την αρχή της μίτωσης και μηδενιζόταν γρήγορα προς το τέλος της
Τα συστατικά του συστήματος ελέγχου του κυπαρικού κύκλου
που ανακαλύφθηκαν πρώτα ήταν οι κυκλίνες και οι κινάσες που ε ξαρτώνται από τις κυκλίνες
(Cdk) οι οποίες προωθούν τα κύπαρα
(Εικόνα
18-9). Από την εξέταση
18-6 διαπιστώθηκε ότι η δρά MPF μεταβαλλόταν σημαντικά κατά την εξέλιξη κάθε κυτ
μίτωσης (Εικόνα
18-1 Ο).
Όταν τελικά απομονώθηκε σε καθαρή μορφή, ο
MPF βρέθηκε να
περιέχει μια πρωτε·ίνική κινάση η οποία είναι απαραίτητη για τη
στη φάση Μ. Ανακαλύφθηκαν σε μελέτες με αντικείμενο την κυπα
δράση του. Ωστόσο, η
ρική διαίρεση που διεξήχθη καν σε ζωικά κύπαρα.
της. Όπως προαναφέραμε, απαραίτητη προϋπόθεση για να εκδη
MPF κινάση
δεν μπορεί να δράσει από μόνη
λώσει τη λειτουργία της είναι η πρόσδεση με μια ειδική πρωτείνη Πίσω στο ωάριο
(σήμερα γνωρίζουμε ότι είναι η Μ-κυκλίνη). Όπως θα δούμε στην ε
Τα γονιμοποιημένα ωάρια πολλών ζώων προσφέρονται ιδιαίτε ρα για βιοχημικές μελέτες του κυπαρικού κύκλου, επειδή είναι ε
πόμενη παράγραφο, οι κυκλίνες ανακαλύφθηκαν από ένα διαφο ρετικό είδος πειραμάτων.
ξαιρετικά μεγάλα και διαιρούνται γρήγορα. Για παράδειγμα, το ω άριο του βατράχου (Εικόνα
Xenopus έχει διάμετρο λίγο πάνω από 1 mm 18-8). Μετά τη γονιμοποίηση, αρχίζει την εμβρυ·ίκή ανά
Ψαρεύοντας στις αχιβάδες Η Μ-κυκλίνη αρχικά ταυτοποιήθηκε ως μια πρωτεινη της οποίας
mυξη με μια σειρά από ταχείς κύκλους διαίρεσης που το υποδιαι
η συγκέντρωση αυξανόταν βαθμιαία κατά τη διάρκεια της μεσόφα
ρούν σε πολλά μικρότερα κύπαρα. Αυτοί οι ταχείς κυπαρικοί κύ
σης και μετά μηδενιζόταν γρήγορα καθώς τα αυλακούμενα κύπα
κλοι αποτελούνται κυρίως από επαναλαμβανόμενες φάσεις
S και
ρα της αχιβάδας περνούσαν στη φάση Μ, η δε συμπεριφορά αυτή
Μ, ανάμεσα στις οποίες παρεμβάλλονται πολύ μικρές ή και καθό
επαναλαμβανόταν σε κάθε κυπαρικό κύκλο (Εικόνα
λου φάσεις
η ίδια η κυκλίνη δεν έχει ενζυμική δράση, ο ρόλος της στον έλεγχο
18-6).
Επειδή
G1 ή G2 . Ενώ συμβαίνουν αυτά, δεν πραγματοποιείται μεταγραφή γονιδίων: όλα τα μόρια του mRNA, όπως επίσης και οι
του κυπαρικού κύκλου αρχικά ήταν ασαφής. Ουσιαστική πρόοδος
περισσότερες πρωτεινες που απαιτούνται για αυτό το πρώιμο στά
σημειώθηκε όταν βρέθηκε ότι η κυκλίνη ήταν συστατικό του
διο της εμβρυ·ίκής ανάmυξης έχουν ήδη συσκευαστεί στο πολύ με
και ότι η παρουσία της ήταν απαραίτητη για να εκδηλώσει τη δρά
γάλο ωάριο κατά τη διάρκεια της ανάπτυξής του ως ωοκύπαρο
ση της η
MPF
MPF κινάση - δηλαδή, η μιτωτική Cd κινάση. Συνεπώς, ο
στην ωοθήκη της μητέρας. Σε αυτούς τους πρώιμους κύκλους δι αίρεσης (που αναφέρονται ως διαιρέσεις της αυλάκωσης,
cleavage divisions) δεν συμβαίνει κυπαρική αύξηση και όλα τα κύπαρα
του εμβρύου διαιρούνται συγχρονισμένα. Από ωάρια βατράχου που βρίσκονται σ' ένα συγκεκριμένο στά διο του κυπαρικού κύκλου μπορεί να παρασκευαστεί ένα αντιπρο σωπευτικό εκχύλισμα του σταδίου αυτού. Η βιολογική δράση ενός τέτοιου εκχυλίσματος μπορεί να ελεγχθεί με την ένεση του εκχυλί σματος σ' ένα ωοκύπαρο
Xenopus
(το άωρο προγονικό κύπαρο
του μη γονιμοποιημένου ωαρίου) και να παρατηρηθούν οι επιδρά σεις του στην εξέλιξη του κυπαρικού κύκλου. Το ωοκύπαρο του
Xenopus
προσφέρεται για τη μελέτη της δράσης που προωθεί τα
κύπαρα στη φάση Μ εφόσον έχει ολοκληρώσει την αντιγραφή του DΝΑ και έχει σταματήσει λίγο πριν από τη φάση Μ της πρώτης μει ωτικής διαίρεσης (βλ. Κεφάλαιο
20). Επομένως, βρίσκεται σ' ένα G2 ενός
στάδιο του κυπαρικού κύκλου που ισοδυναμεί με τη φάση μιτωτικού κυπαρικού κύκλου. Παράγοντας Μ
Σε παρόμοια πειράματα βρέθηκε ότι ένα εκχύλισμα από ένα ωά ριο της φάσης Μ προωθεί ακαριαία το ωοκύπαρο στη φάση Μ, ε-
O.5mm
Εικόνα
18-8. Ένα
ώριμο ωάριοΧenοΡUS προσφέρεται για τη
μελέτη της κuπαρικής διαίρεσης. (Με την άδεια του
Tony Mills).
ΕΝΕΣΗ ΚΥΠΑΡΟ ΠΜΣΜΑΤΟΣΑΠΟ
ΕΝΕΣΗ ΚΥΠΑΡΟ
ΠΜΣΜΑΤΟΣ ΑΠΟ
ΚΥΠΑΡΟΣΕ ΜΕΣΟΦΑΣΗ
εμφάνιση
ΚΥΠΑΡΟ ΣΕ ΦΑΣΗ Μ
aτράκτου
\
\
-(3 ΤΟ ΩΟΚΥΠΑΡΟ
ΤΟ ΩΟΚΥΠΑΡΟ
ΩΘΕΙΤΑΙ ΣΤΗ
ΔΕΝ ΕΙΣΕΡΧΕΤΑΙ ΣΤΗ ΦΑΣΗ Μ
ΦΑΣΗΜ
(Α)
Εικόνα
18-9. Ένα
(8)
πείραμα που δείχνει τη δράση του
σάγεται με ένεση σ' ένα ωοκύπαρο
Xenopus.
MPF.
(Α) Κυπαρόπλασμα που έχει ληφθεί από ένα ωάριο
Xenopus σε φάση Μ ει
Το κυπαρικό εκχύλισμα προωθεί το ωοκύπαρο στη φάση Μ της πρώτης μειωτικής διαίρε
σης και προκαλεί την αποδόμηση του πυρήνα και το σχηματισμό της ατράκτου.
(8) Όταν το κυπαρόπλασμα προέρχεται από ένα ωάριο
σε μεσόφαση, τότε το ωοκύπαρο δεν προωθείται στη φάση Μ. Συνεπώς το εκχύλισμα στο (Α) πρέπει να περιέχει κάποια δραστική ουσία (παράγοντας προαγωγής της φάσης Μ,
MPF) που πυροδοτεί την είσοδο στη φάση Μ.
MPF είναι ένα πρωτε'ίνικό σύμπλοκο που περιέχει δύο υπομονάδες - μια ρυθμιστική υπομονάδα, η οποία είναι μια κυκλίνη, και μια κα ταλυτική υπομονάδα, η οποία είναι η μιτωτική Cd κινάση. Μετά την ταυτοποίηση των συστατικών του MPF, απομονώθηκαν και άλλα είδη κυκλινών και Cd κινασών των οποίων η συγκέντρωση ή η δρα
κυπαρικού κύκλου. Μερικά από τα γονίδια αυτά βρέθηκε ότι κωδι τόσο ως προς την αλληλουχία των αμινοξέων τους όσο και ως
στικότητα αυξάνει και ελαπώνεται κατά τη διάρκεια του κυπαρι
στα ανθρώπινα κύπαρα.
κοποιούσαν κυκλίνες και
Cd κινάσες με εντυπωσιακή ομοιότητα
προς τη λειτουργία τους με τις ομόλογες πρωτεινες των βατράχων και των μυδιών. Πολύ γρήγορα, ανάλογα γονίδια ταυτοποιήθηκαν
κού κύκλου.
Πολλά από τα γονίδια ελέΥχου του κυπαρικού κύκλου έχουν με ταβληθεί τόσο λίγο κατά τη διάρκεια της εξέλιξης ώστε τα ανθρώ
Παντού τα ίδια πράγματα
πινα γονίδια λειτουργούν άριστα και σ' ένα κύπαρο σακχαρομύκη
τα. Για παράδειγμα, ας θεωρήσουμε έναν σακχαρομύκητα με βλά βη ενός ορισμένου γονιδίου της Cd κινάσης ή της κυκλίνης ο οποί
Ενώ οι βιοχημικοί ταυτοποιούσαν τις πρωτεωες που ρυθμίζουν τον κυπαρικό κύκλο στα έμβρυα του βατράχου, οι γενετιστές που
μελετούσαν τον σακχαρομύκητα για να προσεγγίσουν το ίδιο θέμα
ος αδυνατεί να διπλασιαστεί. Αν στον σακχαρομύκητα αυτόν εισα
ακολουθούσαν διαφορετική τακτική. Οι σακχαρομύκητες είναι μο
χθεί τεχνητά ένα αντίγραφο του αντίστοιχου ανθρώπινου γονιδίου,
νοκύπαροι μύκητες. Επειδή είναι σχετικά απλοί ευκαρυώτες που
τότε το κύπαρο θ' αποκτήσει την ικανότητα να διαιρείται φυσιολο
πολλαπλασιάζονται σχεδόν εξίσου γρήγορα με τα βακτήρια προ
γικά. Ασφαλώς, ακόμα και ο Δαρβίνος θα εντυπωσιαζόταν από αυ
σφέρονται ιδιαίτερα για τη γενετική ανάλυση των ευκαρυωτικών
τές τις σαφείς ενδείξεις για την εξελικτική συγγένεια των ανθρώ
κυπάρων. Έχουν απομονωθεί πολυάριθμα μεταλλαγμένα στελέχη
πων και των σακχαρομυκήτων. Παρά το ένα δισεκατομμύριο χρόνια
σακχαρομυκήτων που εμφανίζουν διαταραχές σε ειδικά σημεία
αποκλίνουσας εξέλιξης, όλα τα ευκαρυωτικά κύπαρα (σακχαρομύ
του κυπαρικού κύκλου. Από τη μελέτη των μεταλλαγμένων στελε
κητες, ζωικά ή φυτικά κύπαρα) για να ελέγξουν τα γεγονότα του
χών ταυτοποιήθηκαν πολλά γονίδια υπεύθυνα για τον έλεγχο του
κυπαρικού κύκλου τους χρησιμοποιούν ουσιαστικά τα ίδια μόρια.
μίτωση
μεσόφαση
δραστικότητα του
μίτωση
μεσόφαση
---.........::.
MPF
(M-Cdk)
Εικόνα
18·10.
Η διακύμανση της δραστικότητας του
MPF κατά τη
διάρκεια του κυπαρικού κύκλου σε έμβρυα
τητα της ουσίας η οποία προσδιορίστηκε με τη μέθοδο που παρουσιάζεται στην Εικόνα της μίτωσης και μηδενίζεται εξίσου γρήγορα προς το τέλος της μίτωσης.
Xenopus. Η δραστικό 18-9 αυξάνει γρήγορα λίγο πριν από την έναρξη
ανενεργός
ανενεργός
M-Cdk
g
ανασταλτική
κινάση
~
Μ κuκλίνη
\... μιτωτική
Εικόνα
Cdk
ενεργός ενεργοποιός
M-Cdk
~
φωσφορική
-:"",/:
M-Cdk
φωσφατάση
ανασταλτική
ομάδ&:α P~
Α
Ρ
~
;,,,,....
ενεργοποιο,ς φωσφορικη
ενεργαπαιός κινάση
ομάδα
18-11. Η ενεργοποίηση της M-Cdk με
επιλεκτική φωσφορυλίωση και αποφωσφο ρυλίωση. Το σύμπλοκο Μ-κυκλίνης-Cd κινά σης, μόλις σχηματιστεί είναι ενζυμικά ανενερ
Cd κινάση
γό, Αργότερα, η
φωσφορυλιώνεται
σε θέσεις απαραίτητες για την ενεργοποίησή της και σε άλλες θέσεις που αναστέλλουν τη δράση της. Στο σημείο αυτό, η
M-Cdk παραμέ
νει ανενεργός. Όπως εικονίζεται, τελικά ενερ γοποιείται από μια φωσφατάση που αφαιρεί τις ανασταλτικές φωσφορικές ομάδες. Δεν εί
οιόσο, τα πράγματα είναι πιο σύνθετα. Στην περίmωση της
M-Cdk,
η συγκέ
ντρωση της Μ-κυκλίνης αυξάνει οιαδιακά καθόλη τη μεσόφαση, ενώ η ενερ γότητα της
M-Cdk αυξάνει απότομα προς το τέλος της μεσόφασης (βλ. Εικόνα 18-6). Συνεπώς, τι πυροδοτεί αυτή την ταχεία ενεργοποίηση της M-Cdk; Για την ενεργοποίηση της M-Cdk απαιτείται κάτι περισσότερο από την α
πλή συσσώρευση της κυκλίνης. Συγκεκριμένα, προκειμένου να εκδηλωσει
ναι ακόμα γνωστό πώς συντονίζεται χρονικά
την ενΖυμική της δράση η κινάση πρέπει να φωσφορυλιωθεί σε μια ή περισ
αυτή η ενεργοποίηση.
σότερες θέσεις και παράλληλα ν' αποφωσφορυλιωθεί σε άλλες θέσεις. Η α φαίρεση των αναοιαλτικών φωσφορικών ομάδων από μια ειδική πρωτεϊνική φωσφατάση είναι το βήμα που ενεργοποιεί την
φασης (Εικόνα
18-11).
Όπως φαίνεται οιην
M-Cdk οιο τέλος της μεσό Εικόνα 18-12, μόλις ενεργο
ποιηθεί, το σύμπλοκο Μ-κυκλίνης-Cd κινάσης μπορεί να ενεργοποιήσει πε ρισσότερα ανάλογα σύμπλοκα. Αυτή η θετική ανατροφοδότηση προκαλεί την αιφνίδια, εκρηκτική αύξηση της ενεργότητας της
αδρανής
ενεργοποιός
ενεργoπ~ιάς
~ Θ
φωσφαταση
ανασταλτική
_
'\
ΘΕΤιΚΗ
ΑΝΑΤΡΟΦΟΔΟΤΗΣΗ
Ι
_
~"",::
ενεργός
M--Cdk
M-Cdk
18-12.
Η ενεργοποιημένη
φάση
M-Cdk ε
και συνεπώς ενεργοποιεί περισσότερα μόρια ρεί πλέον να ενεργοποιήσει περισσότερα σύ μπλοκα M-Cdk. Παρόλο που δεν εικονίζεται ε αναστέλ
λει την ανασταλτική κινάση της Εικόνας
Διαφορετικά σύμπλο
κύκλου. Για παράδειγμα, ενώ το σύμπλοκο Μ-κυκλίνης-Cd κινάσης δρα οιη
της ενεργοποιού φωσφατάσης, η οποία μπο
M-Cdk επίσης
Cd κινασών.
κα κυκλίνης-Cd κινάσης πυροδοτούν διαφορετικά βήματα του κυπαρικού
νεργοποιεί έμμεσα περισσότερη M-Cdk. Μό λις ενεργοποιηθεί, η M-Cdk φωσφορυλιώνει
δώ, η ενεργοποιημένη
δlαφορεIlκά βήματα του κυπαρικού κύκλου
και - οιους περισσότερους ευκαρυώτες -
ομάδα
ανενεργός
ΔlαφορεIlκά σύμπλοκα κυκλίνης-Cd κινάσης πυροδοτούν
Στον έλεγχο του κυπαρικού κύκλου εμπλέκονται πολ/ά είδη κυκλινών
~
-~~~~: ~~ ~ φωσφορικη Εικόνα
προωθεί α
πότομα το κύπαρο οιη φάση Μ.
φωσφατάση
δραστική
M-Cdk που
18-11,
G2 και πυροδοτεί την
είσοδο οιη φάση Μ, για την είσοδο οιη φάση
S ευθύνονται οι κυκλίνες μιας ξεχωριοιής κατηγορίας, Υνωοιές ως κυκfι[vες 5 και κυκΛίvες G/S, ΟΙ οποίες για το σκοπό αυτό προσδένονται σε διαφορετι κά μόρια Cd κινασών προς το τέλος της φάσης Gl . Άλλες κυκλίνες, Υνωοιές ως κυκΛίvες rnς φάσnς G1, δρουν νωρίτερα οιη φάση Gl , Οι κυκλίνες αυτές προσδένονται σε μόρια Cd κινασών και συμβάλ/ουν οιο σχηματισμό και την ενεργοποίηση των συμπλόκων Gι-κυκλινών-Cd κινασών και, έτσι, προω θούν το κύπαρο οιη φάση
S. Όπως θα δούμε αργότερα, οια Ζωικά κύπαρα Gl κυκλινών-Cd κινασών συνήθως εξαρτά
ο σχηματισμός των συμπλόκων
γεγονός που επίσης προάγει την ενεργοποίη
ται από την παρουσία εξωκυπάριων σηματοδοτικών μορίων που διεγείρουν
ση της
τη διαίρεση των κυπάρων. Τα ονόματα των ξεχωριοιών Kυκruνών και των α
M-Cdk.
νεργοποιημένη
Με αυτούς τους τρόπους, η ε
M-Cdk ενεργοποιεί έμμεσα πε ρισσότερα σύμπλοκα M-Cdk. Έτσι, η ενεργο ποίηση της M-Cdk είναι εκρηκτική.
770
ντίοιοιχων
Cdk δίνονται
οιον Πίνακα
18-2.
Η συγκέντρωση κάθε είδους κυκλίνης αυξάνει και κατόπιν πέφτει απότο-
Κεφάλαιο 18: Έλεγχος του Κυτταρικού Κύκλου και Κυτταρικός Θάνατος
Πίνακας
18·2, Οι κύριες
κυκλίνες και
Cd κινάσες
των σπονδυλωτών
Σύμπλοκο κυκλίνης/Cdk
Κυκλίνη
ΣυνοδόςCdk
G1-Cdk G1/S-Cdk S-Cdk M-Cdk
κυκλίνη Ο*
Cdk4, Cdk6 Cdk2 Cdk2 Cdk1**
κυκλίνη Ε κυκλίνη Α
κυκλίνη Β
*Τα θηλαστικά έχουν τρεις κυκλίνες **Το πρώτο όνομα της
Cdk1
D (Ο 1, Ο2 και
Ο3).
στα σπονδυλωτά ήταν
Cdc2.
μα σε μια ορισμένη χρονική σrιγμή ίΟυ κυπαρικού κύκλου λόγω της αποδό μη σης σro μονοπάτι της ουβικουϊτίνης. Η αύξηση της συγκένφωσης μιας κυ κλίνης συμβάλλει σrην ενεργοποίηση της αντίσroιxης
Cd κινάσης,
ενώ η TQ-
χεία mώση της επαναφέρειτη συγκεκριμένηκινάση σε ανενεργό KOTάσrαση
(Εικόνα 18-13). Επομένως, η βραδεία συσσώρευση μιας κυκλίνης έως ένα
ορισμένο κρίσιμο επίπεδο (έναν ουδό) αποτελεί έναν φόπο με ίΟν οποίο ίΟ σύσrημα ελέγχου ίΟυ κυπαρικού κύκλου μεφά TQ μεσoδιασrήμαω ανάμεσα σroυς διαδοχικούς κυπαρικούς κύκλους.
Κάθε
Cd κινάση
κατ' αναίΊογία προς την
M-Cdk για να δράσει
πρέπει να
φωσφορυλιωθεί και ν' αποφωσφορυλιωθεί KOTάλ/nίΊα. Κάθε σύμπλοκο κυ κλίνης-Cd κινάσης επιδρά σε μια διαφορετική ομάδα πρωτεϊvών-σrόxων μέ σα σro κύπαρο. ΈΤσΙ, κάθε σύμπλοκο πυροδοτεί τη μετάβαση σ' ένα διαφο ρετικό βήμα ίΟυ κύκλου. Για παράδειγμα, η M-Cdk φωσφορυλιώνει κρίσιμες πρωτε'ϊνες που προκαλούν συμπύκνωση των χρωμοσωμάτων, αποδόμηση ίΟυ πυρηνικού περιβiΊήμαίOς και αναδιοργάνωση των μικροσωληνίσκων ίΟυ
ενεργοποίηση του μηχανισμού της μίτωσης
U
t
6J &>- Μ;';---<& Μ-κυκλίνη
μιτωτική
Cdk
MCdk
()
Q:, \)
~ό
ανενεργός
Cdk Εικόνα
18-13. Δύο σύμπλοκα
κυκλίνης-Cd κι
νάσης που δρουν σε διαφορετικά βήματα του κυπαρικού κύκλου. Το σύμπλοκο κυκλί νης-Cd κινάσης της φάσης
S προωθεί το
κύτ
ταρo στη φάση S ενώ το μιτωτικό σύμπλοκο κυκλίνης-Cd κινάσης (M-Cdk) προωθείτο κύτ ταρο στη φάση Μ. Και στις δύο περιmώσεις,
για να ενεργοποιηθεί η
Cd
κινάση απαιτείται
πρόσδεση κυκλίνης (όπως επίσης και φωσφο ρυλίωση και αποφωσφορυλίωση, βλ. Εικόνα ενεργοποίηση του μηχανισμού αντιγραφής του
DNA
18-11), ενώ η απενεργοποίηση του ενζύμου βασίζεται στην αποδόμηση της κυκλίνης. Το Σύστημα Ελέγχου του Κυτταρικού Κύκλου
771
Ερώτηση
•
18-4
Μια μικρή ποσόΤητα κυττα
κυτταροσκελετού για τον σχηματισμό της μιτωτικής ατράκτου. Αυτά τα γεγο νότα σηματοδοτούν την είσοδο στη μίτωση (βλ. Κεφάλαιο
19).
Μέχρι τώρα, εστιάσαμε την προσοχή μας στην ενεργοποίηση της
ροπλάσματος που είχε απο
M-Cdk
μονωθεί από ένα μnωτικό
που προωθεί τα κύτταρα στη μίτωση. Ωστόσο εξίσου σημαντική είναι η διερ
κύτταρο εισάγεται με ένεση , ,
γασία με την οποία η
σ
,
ενα μη γονιμοποιημενο
S-Cdk πυροδοτεί την
είσοδο στη φάση
S. Αυτό
θα μας
απασχολήσει ευθύς αμέσως.
ωοκύτταρο βατράχου και το
αναγκάΖει να εισέλθει στη φάση Μ. Στη
συνέχεια, ένα δείγμα κυτταροπλάσματος του
" ωοκυτταρου
" εισαγεται
με
" ενεση
," σ ε-
να δεύτερο ωοκύτταρο, εξαναγκάΖοντάς το και αυτό να εισέλθει στη φάση Μ. Η
διεργασία αυτή επαναλαμβάνεται πολ λές φορές έως ότου πρακτικά εξαντληθεί το αρχικό δείγμα. Παρόλα αυτά, το κυτ
ταρόπλασμα του τελευταίου ωοκυττάρου στη σειρά διατηρεί στο ακέραιο την ικα νότητα να πυροδοτεί την είσοδο στη φά ση Μ. Ερμηνεύστε αυτή την αξιοσημείω τη παρατήρηση.
Η
S-Cdk πυροδοτεlτην ανnγραφή του ΟΝΑ και αποτρέπει
την επανανnγραφή Το κύτταρο πρέπει να επιλύσει πολ/ά προβλήματα ώστε να ελέγξει την έ ναρξη και ολοκλήρωση του ΟΝΑ. Η αντιγραφή πρέπει να συμβεί με εξαιρε τική πιστότητα ώστε να ελαχιστοποιηθείο κίνδυνος μεταλ/άξεων στην επό μενη γενιά. Επίσης, κάθε νουκλεοτίδιοτου γονιδιώματος πρέπει ν' αντιγρα φεί μόνο μια φορά, ώστε ν' αποφευΧθούν οι δυνητικώς καταστροφικές συ νέπειες της επαύξησης γονιδίων
(gene amplifίcation).
Το σύστημα ελέγΧου
του κυτταρικού κύκλου είναι επιφορτισμένο να ελέγχει ότι η αντιγραφή θ' αρχίΖει την κατάλ/ηλη χρονική στιγμή και μόνο μια φορά ανά κύκλο.
Όπως είδαμε στο Κεφάλαιο
6,
η αντιγραφή του ΟΝΑ αρχίΖει σε αφεrn
ρίες αvπγραφής, αλ/ηλουΧίες διάσπαρτες σε ποικίλες θέσεις κάθε χρωμο σώματος. Αυτές οι αλ/ηλουΧίες επιστρατεύουν ειδικές πρωτεΤνες που ελέγ χουν την έναρξη και την ολοκλήρωση της αντιγραφής του ΟΝΑ. Ένα πολυ
μερές πρωτεϊνικό σύμπλοκο, το σύμπλοκο αναγνώρισης της αφετηρίας
gin recognition complex, ORC) παραμένει
(ori-
συνδεδεμένο στις αφετηρίες αντι
γραφής καθόλη τη διάρκεια του κυτταρικού κύκλου, όπου λειτουργεί σαν α
γκυροβόλιο για επιπρόσθετες ρυθμιστικές πρωτε'ϊνες που προσδένονται προτού αρχίσει η φάση
S.
Μια από αυτές τις πρωτεΤνες ονομάΖεται
Cdc6. Τα
επίπεδά της είναι χα
μηλά κατά το μεγαλύτερο μέρος του κυτταρικού κύκλου, αλ/ά πρόσκαιρα αυξάνουν στην αρχή της φάσης
ORC κατά
τη φάση
G1. Μόλις η Cdc6 προσδεθεί
G1 προάγει την πρόσδεση
επιπρόσθετων πρωτεϊνών ώ
στε να σχηματιστούν σύμπίΊοκα που υποκιvούv
tive corτιplexes).
στα σύμπλοκα
rnv αντιγραφή (pre-replica-
Όταν συναρμολογηθούν αυτά τα σύμπλοκα, η αφετηρία α
ντιγραφής είναι έτοιμη ν' αρχίσει τη δράση της. Η ενεργοποίηση της
S-Cdk
Gl «τραβά τη σκανδάλη» και αρχίζει την αντιγραφή του ΟΝΑ (Εικόνα 18-14). Η S-Cdk δεν πυροδοτεί απλώς τη λειτουργία των αφετηριών. Επίσης προς το τέλος της φάσης
βοηθά ν' αποτραπεί η επαναντιγραφή του ΟΝΑ. Συμβάλ/ει στη φωσφορυ
λίωση της
Cdc6 και προκαλεί την απομάκρυνσή της (όπως επίσης και άλ/ων πρωτεϊνών) από το ORC μόλις ενεργοποιηθεί η αντιγραφή. Η αποσυναρμο
λόγηση εμποδίζει να ξανασυμβεί αντιγραφή από την ίδια αφετηρία. Επιπλέ
ον, η φωσφορυί\ίωση από την
S-Cdk
(και από την
ποιείται κατά την αρχή της φάσης Μ) βάΖει την
ϊτινίωσης και αποδόμησης (βλ. Εικόνα
M-Cdk, η οποία ενεργο Cdc6 στο δρόμο της ουβικου
18-14) και έτσι διασφαλίζει
ξαναρχίσει η αντιγραφή κατά τον ίδιο κυτταρικό κύκλο.
772
Κεφάλαιο 18: Έλεγχος του Κυτταρικού Κύκλου και Κυτταρικός Θάνατος
ότι δεν θα
σύμπλοκο
Εικόνα
Cdc6
Γ ~~~~~~~ό~jΎ!2) r<-~ σύμπλοκοπo~ προάΥει
G1
U
Ι
==::::iiii=::: 1== Η
S-Cdk
~
στην αφετηρία αντιγραφής καθόλη τη διάρ κεια του κύκλου. Στις αρχές της φάσης G1 , η ρυθμιστική πρωτεΊνη
ΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΤΗΣ
Cdc6
S
~
αντι αντι
γραφή θ' αρχίσει μόνο μια φορά ανά κύκλο. Το σύμπλοκο ORC παραμένει προσδεδεμένο
την αvτιyραφη
ΠΥΡΟΔΟΤΕΙ
ΤΗ ΦΑΣΗ
18-14. Η S-Cdk πυροδοτεί την DNA και διασφαλίζει ότι η
γραφή του
ΦΩΣΦΟΡΥΛΙΩΜΕΝΗΣ Cdc6
ORC.
.rQ~
Cdc6 προσδένεται στο Cdc6, επιπρόσθετες
Με τη βοήθεια της
πρωτεΊνες προσδένονται στο γειτονικό ΟΝΑ και σχηματίζουν ένα σύμπλΟΚΟ που προάγει την αντιγραφή. Στη συνέχεια, η
ΦΩΣΦΟΡΥΛΙΩΣΗ
S-Cdk
(υπο
βοηθούμενη από μια άλλη πρωτε'ίνική κινάση) ενεργοποιεί την αφετηρία, προκαλώντας τη
TOYORC
συναρμολόγηση της ΟΝΑ πολυμεράσης και
S
την έναρξη της σύνθεσης του ΟΝΑ (βλ. Κεφά •
λαιο
αvτιyραφή του ΟΝΑ
6),
Η
S-Cdk επίσης
αναστέλλει την επανα
ντιγραφή φωσφορυλιώνοντας τη
•
Cdc6,
η ο
ποία απομακρύνεται από την αφετηρία και α ποδομείται. Στην εικόνα δεν συμπεριλαμβάνε ται το πρωτε'ίνικό σύμπλοκο που συναρμολο
γείται στην αφετηρία αντιγραφής για να κατα
ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ
λύσει την αντιγραφή του ΟΝΑ όταν λειτουργεί
ΤΗΣ ΑΝΤιΓΡΑΦΗΣ ΤΟΥ ΟΝΑ
Οι
Cd κινάσες της φάσης G}
η αφετηρία.
είναι αδρανείς κατά το μεγαλύτερο μέρος
Όπως είδαμε, οι ενεργοποιημένες
Cd κινάσες
πυροδοωύν τη μετάβαση
από Τη μια φάση ωυ κυπαρικού κύκλου στην επόμενη. Πώς όμως αναστρέ
φοντοι αυτές οι αλλαγές ώστε ΤΟ θυγατρικά κύπαρα να μπορούν αργότερα να προχωρήσουν σ' έναν άλ/ο κυπαρικό κύκλο; Σω τέλος Της μίτωσης, όλες οι
Cdk ωυ κυπάρου
έχουν μηδενική δράση.
Οι
S-Cdk απενεργοποιούντοι από την κατοστροφή της S-κυκλίνης στο τέλος Της φάσης S, ενώ η M-Cdk απενεργοποιείτοι από Την κατοστροφή Της Μ-κυ κλίνης προς ω τέλος Της μίτωσης (βλ. Εικόνα 18-13). Η απενεργοποίηση Της M-Cdk οδηγεί σε όλα τ' άλλα συμβάντο που προκαλούν Την έξοδο ωυ κυτ τάρου από τη μίτωση.
Οι
Cd κινάσες παραμένουν αδρανείς κοτά ω μεγαλύτερο μέρος Της φάσης G1. Αρκεωί μηχανισμοί αποτρέπουν την επανενεργοποίηση των Cdk κοτά Τη φάση G1, μετοξύ των οποίων και η πρόσδεση των aνaσroMων των Ck κινaσών (βλ. παρακάτω). Αυωί οι μηχανισμοί καθυστερούν Τη με τάβαση σrην επόμενη φάση S και αφήνουν σΤΟ κύπαρο ω χρονικό περι θώριο ώσrε ν' αυξηθεί. Η διαφυγή από αυτή Την KαTάσrαση ανασroλής συ νήθως συμβαίνει από Τη συσσώρευση των G ι -κυκλινών, η οποία στα Ζωικά κύπαρα διεγείρετοι από εξωκυπάρια σήματο που προάγουν ων κυπαρικό
πολ/απλασιασμό.
Το σύστημα ελέγχου του κυπαρικού κύκλου μπορεί
να διακόψει τον κύκλο σε ειδικά σημεία ελέγχου Όπως είδαμε, ω σύστημα ελέγχου του κυπαρικού κύκλου πυροδοτεί ΤΟ
Το Σύστημα ΕλέΥχου του Κυτταρικού Κύκλου
773
συμβάντα του κύκλου με μια καθορισμένη σειρά. Για παράδειγμα, πυροδο τεί ω μίΤωση μόνο αφού προηγουμένως αντιγραφεί όλο ΤΟ
DNA και επιφέ
πει 010 κύπαρο να διαιρεθείΟ1α δύο μόνο ό1Ον έχει ολοκληρωθείη μίτωση.
Αν ένα από 10 Ο1άδια καθυΟ1ερήσει,10 σύΟ1ημα ελέγχου καθυΟ1ερείων ε νεργοποίησητων επόμενων Ο1αδίων ώΟ1ε να διαωρηθείη ακολουθία. Για παράδειγμα, αυτή η αυ1ΟρρυθμΙΟ1ικήιδιόω1Ο 1Ου συΟ1ήμα1Ος ελέγχου εξα σφαλίΖει όπ αν για κάποιο λόγο διακοπείη σύνθεση 1Ου
DNA κοιά ω φάση S, 10 κύπαρο δεν θα προχωρήσει Ο1η φάση Μ με μισοαντιγραμμένοDNA. Όπως προαναφέραμε, 10 σύΟ1ημα ελέγχου κα1Ορθώνειόλα αυτά με ω βοή θεια μοριακών «φρένων» που μπορούν να Ο1αμα1Ούν1Ον κυπαρικό κύκλο σε ειδικά σnμεfa εΛέγχου (ckeckpoints), δίνοντας έlΟΙ 010 κύπαρο ω δυνα τόω1Ο να εκπμήσειων εσωτερική1Ου κοιάΟ1ασηκαι 10 περιβάλ/ον1Ου προ 1Ού συνεχίσει Ο1ον κύκλο (βλ. Εικόνα 18-4). Οι μοριακοί μηχανισμοί που είναι υπεύθυνοι για ω διακοπή ως εξέλιξης
1Ου κυπαρικού κύκλου Ο1α σημεία ελέγχου σε μεγάλο βαθμό παραμένουν άΥνωΟ1ΟΙ ΩΟ1όσο, σε ορισμένες περιπτώσεις εμπλέκονται ειδικοί avaoτo
λείς τωv
Cd κιvασώv (Cdk inhibitor proteins),
οι οποίοι αναΟ1έλ/ουν ω συ
ναρμολόγηση ή ω δράση ενός ή περισσότερων συμπλόκων κυκλίνης-Cd κι νάσης. Αν 10
DNA έχει υΠΟΟ1εί βλάβη,
ένα από 10 πλέον μελετημένασημεία
ελέγχου Ο1αμοιά 1Ον κυπαρικό κύκλο Ο1η φάση κύπαρο δεν θ' αντιγράψει κοιεΟ1ραμμένο
G],
εξασφαλίΖοντας όπ1Ο
DNA. Οι βλάβες 1Ου DNA προκα
λούν αύξηση ως συγκέντρωσης και ως δραΟ1ικόω1Ος ως ρυθμΙΟ1ικής πρω τε1'νης ρ53. Μόλις ενεργοποιηθεί, η πρωτε1'νη ρ53 διεγείρει ω με1Ογραφή ε νός γονιδίου που κωδικοποιεί μια αναΟ1αΛπκή πρωτε1'νη των
Cd κινασών,
ΥνωΟ1ή ως ρ21. Αυτό αυξάνει ω συγκέντρωση ως πρωτε1'νης ρ21, η οποία
προσδένεται Ο1ις πρωτε1'νες
G]/S-Cdk και S-Cdk που προωθούν 10 κύπαρο Ο1η φάση S και αναΟ1έλ/εl ω δράση 1Ους (Εικόνα 18-15). Η διακοπή 1Ου κυπαρικού κύκλου Ο1η φάση G] προσφέρει 010 κύπαροων ευκαιρίανα επι διορθώσει10 κατεΟ1ραμμένοDNA ΠΡΟ1Ού 10 αντιγράψειΑν η πρωτε1'νηρ53 απουσιάΖει ή αν είναι εΛαπωμαπκή, η απρόσκοπω αντιγραφή 1Ου κοιε Ο1ραμμένου DNA συνοδεύεται από υψηλή συχνόω1Ο με1Ολ/άξεων, με συ νέπεια να παράγονται κύπαρα με προδιάθεση να γίνουν καρκινικά. Πράγ
μαπ, όπως θα δούμε Ο1η συνέχεια, Ο1ον άνθρωπο οι με1Ολ/άξεις 1Ου γονιδί ου ρ53 που επιφέπουν σε κύπαρα με βΛάβες 1Ου
DNA να
διαιρεθούν παί
Ζουν σημαντικό ρόΛο Ο1ην ανάπτυξη των περισσότερων μορφών 1Ου καρκί νου.
Ένα άλλο σημαντικό σημείο ελέγχου 1Ου κυπαρικού κύκΛου υπάρχει Ο1η μίτωση. Σε αυτό 10 σημείο 10 κύπαρο καθορίΖει αν όΛα 10 χρωμοσώμα
τά 1Ου προσδένονταισωΟ1ά Ο1η μιτωπκή άφακ1Ο. Όπως θα δούμε 010 Κε φάΛαιο 19, η μnωπκή άφακτος είναι μια μηχανή 1Ου κυπαροσκελε1Ού που διαχωρίΖει 10 διπΛασιασμέναχρωμοσώμοιακαι 10 μοιράΖει Ο1α δύο θυγα
φlκά κύπαρα. Αν 10 κύπαρο άΡΧΙΖε ω μοιρασιάΠΡΟ1Ού όΛα 10 χρωμοσώμα 10 προσδεθούνΟ1ην άφακτο, τότε 10 ένα θυγαφlκό κύπαρο θα παρελάμβα
νε ένα ελ/ειμμαπκό σύνοΛο χρωμοσωμάτωνενώ 10 άλ/ο κύπαρο θα κοιέ Ληγε με πλεονάΖονταχρωμοσώμα1Ο.Και οι δύο κα1ΟΟ1άσειςμπορείν' απο-
774
Κεφάλαιο 18: Έλεγχος του Κυτταρικού Κύκλου και Κυτταρικός Θάνατος
Εικόνα
18-15. Με ποιο τρόπο σταματά τον GI η πρωτεινη
κuπαρικό κύκλο στη φάση
ρ53. Όταν το ΟΝΑ υποστεί βλάβη, η πρωτείνη ρ53 αυξάνει και ενεργοποιείται. Αυτό εν μέρει οφείλεται στη φωσφορυλίωση της ρ53 από ει δικές πρωτε'ίνικές κινάσες που ενεργοποιού νται από τη βλάβη του
DNA. Η ενεργός ρ53 διεγείρει τη μεταγραφή του γονιδίου που κω δικοποιεί έναν αναστολέα της Cd κινάσης, την πρωτείνη ρ21. Η ρ21 προσδένεται στα σύ μπλοκα κυκλίνης-Cd κινάσης της φάσης
S και
τα απενεργοποιεί. Έτσι, ο κυπαρικός κύκλος
(
σταματά στη φάση
!
G1•
ΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΤΗΣ ρ53 ΣΤΑ ΠΡΩΤΕΑΣΩΜΑΤιΑ
Ι
ΜΕΤΑΓΡΑΦΗ
!
G
j1
~r=:;;;;;;;::::::::JI ρ21 mRNA
ΑΝΕΝΕΡΓΟ
σύμπλοκο ρ21 με G 1/S-Cdk και S-Cdk
βούν μοιραίες για το κύπαρο. Συνεπώς, ένα διαιρούμενοκύπαρο πρέπει να έχει διασφαλίσει ότι προτού ολοκληρώσει Τη μίΤωση όλα τα χρωμοσώματά
του θα έχουν προσδεθεί σωστά στην άτρακτο. Για να ελέγξει την πρόσδεση των χρωμοσωμάτων,το κύπαρο αξιοποιεί ένα αρνητικό σήμα: τα ελεύθερα χρωμοσώματα αποστέλλουν ένα σήμα «τερματισμού» στο σύστημα ελέγχου του κυπαρικού κύκλου. Παρότι η ακριβής φύση του δεν είναι γνωστή, το σή
μα αναστέλλει την περαιτέρω εξέλιξη της μίτωσης εμποδίΖονταςτην ενεργο ποίηση του
APC.
Όταν το
APC είναι
ανενεργό, τα χρωμοσώματα παραμέ
νουν κολλημένα. Συνεπώς, τα διπλασιασμένα χρωμοσώματα δεν διπλασιά ΖΟνται εάν προηγουμένως όλα τα χρωμοσώματα δεν τοποθετηθούν σωστά πάνω στη μιτωτική άτρακτο.
Τα κύπαρα μπορούν να αποσυναρμολογήσουν 10 σύστημα ελέγχου και v' αποσυρθούν από τον κυπαρικό κύκλο Η πιο δραστική απόφαση την οποία πρέπει να επιβάλλει το σύστημα ε
λέγχου του κυπαρικού κύκλου είναι ν' αναγκάσει το κύπαρο να σταματήσει
Το Σύστημα Ελέγχου του Κυτταρικού Κύκλου
775
•, φάση
Ερώτηση
G1, σ'
εντεΛώς να διαιρείται. Αυτό διαφέρει από την παύση στο μέσον ενός κύκΛου,
18-5
Κατά τη γνώμη σας, για ποιο
όταν το κύτταρο πρέπει ν' αντιμετωπίσει μια παροδική καθυστέρηση, και έχει
Μγο τα κύτταρα ανέπτυξαν
ιδιαίτερη σημασία στους ποΛυκύτταρους οργανισμούς. Για παράδειγμα, στο
μια ειδική κατάσταση
ανθρώπινο σώμα, τα νευρικά κύτταρα και τα γραμμωτά μυϊκά κύτταρα είναι ι
GO
προκειμένου να εξέρχονται
σόβια και δεν διαιρούνται ποτέ: περνούν σε μια τροποποιημένη κατάσταση
από τον κυτταρικό κύκλο, α ντί απΛώς να σταματούν στη
G1, γνωστή ως GO' στην οποία το σύστημα εΛέγχου του κυτταρικού κύκλου εί ναι εν μέρει αποσυναρμοΛογημένο εφόσον πολ/ές από τις Cd κινάσες και
ένα ειδικό σημείο εΛέγχου;
τις κυκλίνες έχουν εξαφανιστεί. Μερικά είδη κυττάρων, όπως τα ηπατοκύττα ρα, κανονικά διαιρούνται μόνο μια ή δύο φορές το χρόνο, ενώ ορισμένα ε
πιθηΛιακά κύτταρα του εντέρου διαιρούνται δύο ή και περισσότερες φορές
την ημέρα προκειμένου ν' ανανεώνουν συνεΧώς την επένδυση (βΛεwογό νος) του εντέρου. Τα περισσότερα κύτταρά μας βρίσκονται κάπου στο ενδιά μεσο: έτσι, μπορούν να διαιρεθούν αν προκύψει ανάγκη, κανονικά όμως δι αιρούνται σποραδικά. Γενικά, φαίνεται ότι τα κύτταρα των θηΛαστικών πολ/απΛασιάΖΟνται μόνο αν διεγερθούν από σχετικά σήματα που προέρχονται από άλ/α κύτταρα. Χω
ρίς αυτά τα σήματα, ο κυτταρικός κύκλος σταματά σ' ένα σημείο εΛέγχου στη φάση
G1 και
περνά σε κατάσταση
σε κατάσταση
GO για
GO' Τα
κύτταρα μπορούν να παραμείνουν
ημέρες, εβδομάδες ή χρόνια πριν διαιρεθούν ξανά. Οι
διαφορές ως προς την ταχύτητα διαίρεσης των κυττάρων του σώματός μας σε
μεγάΛο βαθμό εξαρτώνται από το διαφορετικό χρόνο παραμονής τους σε φά ση
GO ή G1• ΜόΛις
περάσει το σημείο εΛέγχου της
G1 (βΛ.
Εικόνα
18-4), το
κύτταρο συνήθως οΛοκληρώνει τον υπόΛοιπο κυτταρικό κύκλο αρκετά γρή γορα (στα θηΛαστικά, συνήθως σε
σης
G1 αποκαΛείται και Start (=
12-24 ώρες).
Το σημείο εΛέγχου της φά
ξεκίνημα), επειδή η διέΛευση από το σημείο
αυτό αντιπροσωπεύειμια δέσμευση για την οΛοκλήρωση ενός πλήρους κυτ ταρικού κύκλου, αν και ίσως θα ήταν καΛύτερα ν' αποκαΛείται Stop τημα) (Εικόνα
18-16). Μερικά
(= σταμά
από τα κύρια σημεία εΛέγχου του κυτταρικού
κύκλου παρουσιάΖΟνται συνοπτικά στην Εικόνα
18-17. Η έναρξη
και η διακο
πή του κυτταρικού πολ/απΛασιασμού έχουν ουσιώδη σημασία για τον έΛεγχο του αριθμού των κυττάρων και των σωματικών αναΛογιών ενός ποΛυκύτταρου να προχωρήσω στην
___-
__ ----τ
οργανισμού. Όπως θα δούμε όμως στη συνέχεια, ο έΛεγχος της κυτταρικής
S;
διαίρεσης συμπΛηρώνεται από εξίσου σημαντικούς μηχανισμούς ελέγχου
να σταματήσω;
να αποσυρθώ σε
Go;
που καθορίΖουν αν ένα κύτταρο θα Ζήσει ή αν θα πεθάνει με αυτοκτονία.
ΠΡΟΥΡαμμαησμένοs κυιιαρικόs θάναιοs (απόπιωση) Τα κύτταρα ενός ποΛυκύτταρου οργανισμού είναι εξειδικευμένα μέΛη Εικόνα
18·16.
Αποφάσεις που λαμβάνονται
στο σημείο ελέγχου της φάσης
G1• Το
κύπα
μιας ποΛύ οργανωμένης κοινότητας και ο πολ/απΛασιασμός τους πρέπει να ελέγχεται ώστε ένα ορισμένο κύτταρο να διαιρείται μόνο όταν ο οργανισμός
ρο μπορεί να δεσμευτεί να ολοκληρώσει έναν
χρειάΖεται ένα άλ/ο κύτταρο, είτε για ν' αυξηθεί είτε για να αναπΛηρώσει μια
ακόμα κυπαρικό κύκλο, να σταματήσει έως ό
απώλεια. Όταν τα κύτταρα πάψουν να είναι απαραίτητα, αυτοκτονούν με μια
του οι συνθήκες γίνουν κατάλληλες ή ν' απο συρθεί εντελώς από τον κυπαρικό κύκλο και
να περάσει σε φάση
776
GO'
διεργασία γνωστή ως προγραμματισμένος κυπαρικός θ6νατος
grammed cell death)
ή αλ/ιώς απόπτωση.
Κεφάλαιο 18: Έλεγχος του Κυτταρικού Κύκλου και Κυτταρικός Θάνατος
(pro-
G1
Τ δυσμενές εξωKUΤΤάριO περιβάλλον
G2
S
Τ
Τ
ατελώς αvτιγραμμένo
βλάβες στο ΟΝΑ (ρ53)
ΟΝΑ
Τ
ΟΝΑμε βλάβες ή
ατελώς αVΤιγραμμένO
Μ
Τ
χρωμόσωμα που δεν έχει προσκολληθεί στη μιτωτική
άτρακτο
Εικόνα
18-17. Σύνοψη
μερικών σημείων ελέγχου του κυπαρικού κύκλου. Τα κόκκινα σύμβολα Τ αντιπροσωπεύουν πιθανούς παράγοντες
ελέγχου (περιορισμούς) στην εξέλιξη του κυπαρικού κύκλου που προέρχονται είτε από ενδοκυπάριες διεργασίες οι οποίες δεν έχουν ο λοκληρωθεί ή έχουν διαταραχθεί είτε από ένα δυσμενές εξωκυπάριο περιβάλλον (με κίτρινο χρώμα). Το σημείο ελέγχου της φάσης Μ δια σφαλίζει ότι όλα τα χρωμοσώματα θα έχουν ευθυγραμμιστεί στη μιτωτική άτρακτο προτού το κύπαρο προχωρήσει στην ανάφαση, οπότε τα θυγατρικά χρωμοσώματα διαχωρίζονται και μετακινούνται προς τους αντίθετους πόλους της ατράκτου (Κεφάλαιο
19).
Ο προγραμματισμένος κυπαρικός θάνατος είναι εντυπωσιακά διαδεδο μένος τόσο στους αναπτυσσόμενους όσο και στους ενήλικους ιστούς. Για
παράδειγμα, στο αναπτυσσόμενο νευρικό σύστημα των σπονδυλωτών πε ρισσότερα από τα μισά νευρικά κύπαρα κανονικά πεθαίνουν λίγο μετά ΤΟ
σχηματισμό τους. Κάθε ώρα, δισεκατομμύρια κύπαρα πεθαίνουν στον μυε λό των οστών και στο έντερο ενός υγιούς ενήλικου ανθρώπου. Ο θάνατος τό
σο πολ/ών κυπάρων μοιάΖει εξαιρετικά δαπανηρός, ιδίως αν αναλογιστού με ότι τα περισσότερα από τα κύπαρα αυτά όταν αυτοκτονούν είναι απόλυτα υγιή. Άραγε, τι εξυπηρετεί αυτός ο μαΖικός κυπαρικός θάνατος; Σε ορισμένες περιπτώσεις οι απαντήσεις είναι σαφείς. Για παράδειγμα, τα χέρια και τα πόδια του ποντικού και του ανθρώπου σχηματίζονται κατά τη διάρκεια της εμβρυϊκής ανάπτυξης από τον προγραμματισμένο κυπαρικό θάνατο: στην αρχή έχουν τη δομή σκαπάνης και στη συνέχεια τα ξεχωριστά
δάκτυλα διαχωρίΖΟνται μετά ΤΟ θάνατο των κυπάρων που βρίσκονται ανάμε σά τους (Εικόνα
18-18).
Σε άλ/ες περιmώσεις, τα κύπαρα πεθαίνουν μόνο
όταν η δομή που σχηματίΖουν δεν είναι πλέον απαραίτητη. Όταν ένας γυρί νος μεταβάλ/εται σε βάτραχο κατά τη μεταμόρφωση, τα κύπαρα της ουράς πεθαίνουν και η ουρά, η οποία δεν είναι πλέον χρήσιμη στον βάτραχο, εξα
φανίζεται (Εικόνα
18-19). Άλ/οτε,
ο κυπαρικός θάνατος συμβάλ/ει στη ρύθ
μιση του κυπαρικού αριθμού. Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις, τα περιπά κύτ
ταρα πεθαίνουν με απόπτωση. Στους ενήλικους ιστούς, ο κυπαρικός θάνατος αντιρροπεί τον κυπαρικό
Εικόνα
18-18.
Η απόmωση στο πέλμα του α
ναπτυσσόμενου ποντικού διαπλάθει τα δά κτυλα. (Α) το πέλμα έχει χΡωσθεί με μια χρωστι κή η οποία σημαίνει ειδικά (με πράσινο) κύπα ρα που διεξάγουν προγραμματισμένο κυπαρι
κό θάνατο. Ο θάνατος των κυπάρων αυτών α πομακρύνει τον ιστό που παρεμβάλλεται ανά μεσα στα αναmυσσόμενα δάκτυλα, όπως φαίνεται στο πέλμα που έχει φωτογραφηθεί μια μέ
1mm
ρα αργότερα (Β). (Από W. Wood et al., Development 127:5245-5252, 2000. © The Company of Biologists).
Προγραμματισμένος Κυτταρικός Θάνατος (Απόπτωση)
777
.
Εικόνα
18·19. Απόmωση
συμβαίνει κατά τη
μεταμόρφωση του γυρίνου σε βάτραχο. Κα θώς ένας γυρίνος μεταμορφώνεται σε βάτρα χο, τα κύπαρα της ουράς του υφίστανται από mωση, με συνέπεια να εξαφανίζεται η ουρά. Όλες οι μεταβολές που συμβαίνουν κατά τη
διάρκεια της μεταμόρφωσης, ανάμεσά τους και η επαγωγή της απόmωσης στην ουρά, διε-
γείρονται από την αύξηση της θυρεοειδικής ορμόνης στο αίμα.
πολ/απλασιασμό έτσι ώσrε oιισroί ούτε ν' αυξάνουν ούτε να συρρικνώνονται Αν αφαιρεθεί ένα τμήμα του ήπατος ενός ενήλικου αρουραίου, ο κυπαρικός πολ/απλασιασμός αυξάνει με σκοπό ν' αναπληρώσει την απώλεια. Aντίσrρo φα, αν χορηγηθεί σ' έναν αρουραίο το φάρμακο φαινοβαρβιτάλη
-
το οποίο,
με άyνωσro μηχανισμό, διεγείρει τη διαίρεση των ηπατοκυπάρων (και επομέ νως τη διόγκωση του ήπατος)
-
και μετά διακοπεί η χορήγηση του φαρμάκου,
η απόπτωση σro ήπαρ αυξάνει πολύ έως ότου το ήπαρ επανέλθει σro αρχικό μέγεθός του, κάη που συμβαίνει περίπου μέσα σε μια εβδομάδα. Επομένως, το μέγεθος του ήπατος διατηρείται σrαθερό με ρύθμιση της ταχύτητας τόσο του κυπαρικού θανάτου όσο και της κυπαρικής γέwησης.
Η απόmωση διεκπεραιώνεται με ενδοκυπάρια πρωτεολυηκή διεργασία Τα κύπαρα που πεθαίνουν μετά από οξεία βλάβη τυπικά διογκώνονται και κατακερματίΖΟνται και σrη συνέχεια διασπείρουν το περιεχόμενό τους πάνω σrα γειτονικά κύπαρα (μια διεργασία yνωσrή ως κυπαρική νέκρωση) (Εικόνα 18-20Α), προκαλώντας μια δυνηηκά επιβλαβή φλεγμονώδη απάντηση. Αντί
θετα, ένα κύπαρο που υφίσrαTαι απόπτωση πεθαίνει ήσυχα χωρίς να παρα βλάπτει τους γείτονές του. Το κύπαρο συρρικνώνεται και συμπυκνώνεται (Ει κόνα 18-20Β), ο κυπαροσκελετός καταρρέει, το πυρηνικό περίβλημα αποσυ ναρμολογείται και το ΟΝΑ του πυρήνα θρυμματίζεται σε μικρά κλάσματα. Ιδι αίτερα σημαντικό είναι το γεγονός όη η κυπαρική επιφάνεια του κυπάρου
που πεθαίνει τροποποιείται και εκδηλώνει ιδιότητες που προκαλούν την άμε ση φαγοκυπάρωσή του είτε από τα γειτονικά κύπαρα είτε από ένα μακροφά
γο (ένα εξειδικευμένο φαγοκυπαρικό κύπαρο, βλ. Κεφάλαιο
15), χωρίς
κα
μιά διαρροή των συσrαηKών του (Εικόνα 18-20Γ). Η ταχεία απομάκρυνση του θνήσκοντος κυπάρου αποτρέπει ης KατασrρoφΙKές συνέπειες της κυπαρι κής νέκρωσης. Επίσης επιτρέπει ν' ανακυκλωθούν τα οργανικά συσrαηKά του
αποπτωηκού κυπάρου από το κύπαρο που το καταβροΧθίζεΙ. Ο μηχανισμός που ευθύνεται γι' αυτό το είδος της ελεγχόμενης κυπαρι
κής αυτοκτονίας φαίνεται όη είναι παρόμοιος σε όλα τα Ζωικά κύπαρα. Πε ριλαμβάνει μια οικογένεια πρωτεασών (ενΖύμων που διασπούν άλλες πρω τεΊνες), οι οποίες ονομάΖΟνται Kασnάσες. Οι κασπάσες παράγονται ως ανε
νεργά πρόδρομα μόρια (προκασπάσες) που ενεργοποιούνται με πρωτεόλυ ση σε απάντηση προς διάφορα σήματα που επάγουν απόπτωση. Οι ενεργο
ποιημένες κασπάσες διασπούν, και έτσι ενεργοποιούν, και άλλα μέλη της ί διας οικογένειας, με αποτέλεσμα την ενίσχυση της πρωτεολυηκής ακολου-
778
Κεφάλαιο 18: Έλεγχος του Κυτταρικού Κύκλου και Κυτταρικός Θάνατος
(Α)
εγκολπωμένο νεκρό κύπαρο
10μm
Εικόνα
18·20. Η απόπτωση
φαγOKUΠαΡΙKό κύπαρο
σκοτώνει τα κύπαρα γρήγορα και ήσυχα. Ηλεκτρομικρογραφίες που δείχνουν κύπαρα τα οποία έχουν πεθά
νει με νέκρωση (Α) ή με απόmωση (Β και η. Τα κύπαρα στα (Α) και (Β) πέθαναν σε ιστική καλλιέργεια, ενώ το κύπαρο στο (η πέθανε σ' έ
ναν αναmυσσόμενο ιστό και καταβροχθίστηκε από ένα γειτονικό κύπαρο. Παρατηρείστε ότι το κύπαρο στο (Α) μοιάζει να έχει εκραγεί ενώ τα κύπαρα στο (Β) και στο (η έχουν συμπυκνωθεί αλλά φαίνονται σχετικά ακέραια. Τα μεγάλα κενοτόπια στο κυπαρόπλασμα του κυπά ρου στο (Β) είναι ένα συχνό αλλά όχι σταθερό χαρακτηριστικό της απόmωσης. (Με την άδεια της
θίας (Εικόνα
18-21).
Julia Burne).
Στη συνέχεια, οι ενεργοποιημένες πρωτεάσες δια
σπούν άλλες βασικής σημασίας πρωΤε'ίνες 1Ου κυπάρου και 10 θανατώνουν
γρήγορα και ήσυχα. Για παράδειγμα,μια από τις πρωτεάσεςδlOσπάτις λαμί
Ερώmσn 18-6
νες 1Ου πυρήνα και έτοι προκαλείτη μη αντισφεmή αποδόμηση1Ου πυρηνι
Κοτά τη Υνώμη σας, για ποιο
κού υμένα (Εικόνα 18-21). Κοτ' αυτόν 1Ον φόπο, 10 κύπαρο αποδομεί1Οl
λόγο η απόπτωση συμβαίνει
γρήγορα και ήσυχα και 10 «κουφάρι 1Ου» κα1ΟβροΧθίΖεταικαι πέmε1ΟΙ από
με διαφορετικό μηχανισμό
ένα άλ/ο κύπαρο.
από 1Ον κυπαρικό θάνα1Ο
•,
Η ενεργοποίησητης απόπτωσης, όπως και η είσοδος σ' ένα νέο στάδιο
που συμβαίνει στη νέκρωση;
1Ου κυπαρικού κύκλου συνήθως έχει χαρακτήρα «όλου ή τίπο1Ο». Η πρωτε
Κατά την απόπτωση 10 κύτ
ολυτική ακολουθία είναι κα1Οστροφικήκαι αυ1Οενιοχυόμενη.Επίσης είναι
τορο αυ1Οκατοστρέφετοιεκ των ένδον και
μη αντιστρεπτή: μόλις ένα κύπαρο φτάσει σ' ένα κρίσιμο σημείο στην οδό προς την κα1Οστροφή1Ου δεν υπάρχει γυρισμός. Συνεπώς, η απόφαση για
με 1Ον φόπο αυτό αποφέπετοιη δlOρροή
των συστατικών1Ου στον εξωκυπάριοχώ ρο. Αν ΤΟ πράγματο δεν εξελίσσοντανμε
θάνα1Ο πρέπει να ελέγχε1ΟΙ αυστηρά.
τόσο ελεγχόμενοφόπο, ποιες θα μπο
Το πρόγραμματου θανάτου ρυθμίΖεται από την οικογένεια
ρούσε να είναι ΟΙ συνέπειες;
ενδοκυπάριωνπρωτεϊνών Bcl·2 Όλα 10 εμπύρηνα Ζωικά κύπαρα περιέχουν 10 σπόρο της κα1Οστροφής
1Ους: πρόκειται γlO ης αδρανείς προκασπάσεςπου καιροφυλαΚ1Ούνγια ένα
σήμα ώστε να κα1Οστρέψουν10 κύπαρο. Συνεπώς δεν είναι παράδοξο ότι η δράση των κασπασών ρυθμίΖε1ΟΙ προσεκτικά ώστε να διασφαλιστείότι 10
πρόγραμμαθανά1Ου θα δlOτηρεί1ΟΙυπό έλεγχο εως ό1Ου χρειαστείνα ενερ γοποιηθεί.
ΠρογραμματισμένοςΚυτταρικόςΘάνατος (Απόπτωση)
779
Εικόνα
18·21. Η απόπτωση διεκπεραιώνεται
από μια πρωτεολυτική ακολουθία. (Α) Κάθε
(Α) ενεfJ οποί
Q!1 ΠJ:jοκασπασών
"1
πρωτεάση αυτοκτονίας παράγεται ως ανενερ
γό προένζυμο, το οποίο ενεργοποιείται με πρωτεόλυση από ένα άλλο μέλος της ίδιας οι κογένειας πρωτεασών. (Β) Κάθε ενεργοποιη
κοπής
μένο μόριο πρωτεάσης διασπά και έτσι ενερ
'--+-
γοποιεί πολλά μόρια προενζύμου, που μπο
ενεργός
~~~ χ ~~~~άδ:ΙKΡή
ενεργo~oίηση ,Ι με κοπη
~
COOH
ρούν στη συνέχεια να ενεργοποιήσουν ακόμα
περισσότερα μόρια πρωτεάσης. Με τον τρόπο αυτό, η αρχική ενεργοποίηση λίγων μορίων
υπομονάδα
• 11111\\
προ-περιοχή
ανενεργός προκασπάση γ
ενεργός κασπάση γ
πρωτεάσης οδηγεί σε εκρηκτική ενεργοποίη ση πολλών μορίων ενζύμου. Ορισμένες από
τις ενεργοποιημένες πρωτεάσες αποδομούν
(Β) ακολουθία κασπασών
καίριες πρωτεΊνες του κυπάρου, όπως οι λα
C.
μίνες του πυρήνα, και προκαλούν τον ελεγχό μενο θάνατο του κυπάρου.
11111\\
ένα μόριο ενεργού κασπάσης χ
I~\
~~~
------_Ι
~ ~σπαση πρωτεϊνών ~UΤΤαρOδιαλύματOς
~-
11111\\ 11111\\ 11111\\
πολλά μόρια ενεργού κασπάσης γ
~\/~\/~\
~
[b[b[b[b[b [b[b[b[b
•
~σπαση των.λαμινών ~ τουπυρηνα
1/ 11 \\\ 1/ 111 \\ 1/ 111 \\ 1/ 11 \\\ //11\\\
~\
1/ 111 \\ 1/ 111 \\ //111\\ 1/111\\
ακόμα περισσότεραμόρια ενεe:f?ύ κασπάσης Ζ
Οι κύριες πρωτεϊ'νες που ρυθμΙΖουν την ενεργοποιηση των προκασπα σών ειναl ενδοκυπάριες και ανήκουν στην οικογένεια της πρωτείvnς
(Bcl-2 family).
Bcl-2
Ορισμένα μέλη αυτής της οικογένειας προάγουν την ενεργο
ποιηση των προκασπασών και τον κυπαρικό θάνατο, ενώ άλλα αναστέλ/ουν
αυτές τις διεργασΙες. Δύο από τις σημαντικότερες πρωτε'ί\ιες που προάγουν το θάνατο ονομάΖΟνται
Bax και Bak. Αυτές οι πρωτεϊ'νες
ενεργοποιούν έμμε
σα τις προκασπάσες, επάγοντας την απελευθέρωση του κυτοχρώματος
τα μιτοχόνδρια στο κυπαροδιάλυμα. Το κυτόχρωμα πρωτεϊ'νη-προσαρμοστή
(adaptor protein),
c προσδένεται
c από σε μια
η οποια στη συνέχεια ενεργοποι
ει μια ειδική προκασπάση. Αυτή η ενεργοποιημένη προκασπάση αΡΧΙΖεl την ακολουθια των κασπασών που οδηγεί σε απόπτωση (Εικόνα τε'ί\ιες
Bax και Bak ενεργοποιούνται
18-22). Οι πρω
από άλλες πρωτε'ί\ιες επαγωγής θανά
του της ίδιας οικογένειας, οι οποίες παράγονται ή ενεργοποιούνται από ποι κί7\ες κυπαρικές βλάβες, Π.Χ. βλάβη του
Άλλα μέλη της οικογένειας
Bcl-2,
DNA.
όπως η ίδια η
Bcl-2,
αναστέλ/ουν την
ενεργοποιηση των προκασπασών και την απόπτωση. Μια από τις σχετικές
δράσεις τους ειναι ότι δεν αφήνουν τις κυτόχρωμα
c από τα μιτοχόνδρια.
Bax και Bak να
απελευθερώσουν το
Μερικές πρωτεϊ'νες της οικογένειας
που προάγουν την απόπτωση ασκούν τη δράση τους με πρόσδεση
Bcl-2 στην Bcl-
2 και σε άλλες συΥΥενείς αντιαποπτωτικές πρωτεϊ'νες και αναστολή της αντια ποπτωτικής δράσης των τελευταίων.
780
Κεφάλαιο 18: Έλεγχος του Κυτταρικού Κύκλου και Κυτταρικός Θάνατος
κυτόχρωμα
c ενεργοποιημένη κασπάση
- - - _ il
( μιτοχόνδριο
Εικόνα
της
__
ΚΑΣΠΑΣΩΝ.
.
1/11\\\
προκασπάσης
f~
δίαυλος που σχηματίζεται από την Bax ή την Bak
~""" ΑΚΟΛΟΥΘΙΑ_ΙΑΠΟΠΤΩΣΗΙ
ενεργοποίηση ~ \Jιι
ανενεργός προκασπάση
18·22. Η απόmωση ρυθμίζεται από ενδοκυπάριες πρωτείνες της οικογένειας Bcl·2. Οι προαποmωτικές πρωτεΊνες της οικογέ
νειας
Bcl-2 Bak και Bax θεωρείται ότι συμβάλλουν στο σχηματισμό διαύλων στην εξωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη, μέσω των οποίων το κυτόχρωμα c απελευθερώνεται στο κυπαροδιάλυμα. Εκεί προσδένεται σε μια πρωτε'ινη-προσαρμογέα που προάγει τη συνάθροιση και ε
νεργοποίηση μιας συγκεκριμένης προκασπάσης. Μόλις ενεργοποιηθεί, η κασπάση πυροδοτεί μια ακολουθία κασπασών που οδηγούν σε α πόmωση.
Το ενδοκυπάριο πρόγραμμα θανάτου επίσης ρυθμίΖεται από σήματα που προέρχονται από άλ/α κύπαρα, τα οποία είτε το ενεργοποιούν είτε το κατα στέλ/ουν. Πράγμαη, η επιβίωση, η διαίρεση και η αύξηση των κυττάρων
ρυθμίζονται από εξωκυπάρια σήματα τα οποία συντονισμένα βοηθούν τους
πολυκύτταρους οργανισμούς να ελέγξουν τον αριθμό και το μέγεθος των κυπάρων, όπως θα δούμε ευθύς αμέσως.
Εξωκυττάριοs έλεγχοs του αριθμού και
του μεγέθουs των κυττάρων Παρόη ένα γονιμοποιημένο ωάριο ποντικού και ένα γονιμοποιημένο ω άριο ανθρώπου έχουν περίπου το ίδιο μέγεθος, ένας ενήλικος ποντικός εί ναι πολύ μικρότερος από έναν ενήλικο άνθρωπο. Σε ποιες διαφορές του ε λέγχου της κυπαρικής συμπεριφοράς μπορεί ν' αποδοθούν οι τόσο μεγάλες
διαφορές μεγέθους; Το ίδιο βασικό ερώτημα τίθεται για κάθε όργανο και ι στό ενός οργανισμού. Ποια ρύθμιση της κυπαρικής συμπεριφοράς μπορεί να ερμηνεύσει το μήκος της προβοσκίδας ενός ελέφαντα ή το μέγεθος του ε
γκεφάλου ή του συκωηού του; Τα ερωτήματα αυτά παραμένουν σε μεγάλο βαθμό αναπάντητα' ωστόσο, γνωρίΖουμε τουλάχιστον πού ν' αναΖητήσουμε ης σχεηκές απαντήσεις. Το μέγεθος των οργάνων και του σώματος ρυθμίΖε
ται από τρεις θεμελιώδεις διεργασίες: αύξηση, διαίρεση και θάνατος των κυτ Tάρων. Ο πολ/απλασιασμός των κυπάρων, η επιβίωση και ο θάνοτός τους πρέπει να ρυθμίΖΟνται με σήματα από άλ/α κύπαρα του σώματος σε συν δυασμό με το ενδογενές «πρόγραμμα» κάθε ξεχωριστού κυπάρου.
Σης επόμενες παραγράφους, πρώτα θα εξετάσουμε πώς αυτά τα εξωκυτ τάρια σήματα διεγείρουν τη διαίρεση, την αύξηση και την επιβίωση των κυτ
τάρων και έτοι συμβάλ/ουν στον έλεγχο του μεγέθους του Ζώου και των ορ γάνων του. Στη συνέχεια θα περιγράψουμε με συντομία τ' ανασταληκά εξω κυπάρια σήμερα που επίσης ελέγχουν ης σχεηκές διεργασίες.
Εξωκυττάριος Έλεγχος του Αριθμού και του Μεγέθους των Κυττάρων
781
Τα Ζωικά κύπαρα χρειάΖοvrαι εξωκυπάρια σήματα για
να διαιρεθούν, ν' αυξηθούν και να επιβιώσουν Οι μονοκύπαροι οργανισμοί, όπως τα βακτήρια και οι σακχαρομύκητες αυξάνουν και διαιρούνται όσο ταΧύτερα μπορούν. Η ταΧύτητα με την οποία
πολ/απλασιάΖΟνται εξαρτάται κυρίως από την παρουσία θρεπτικών ουσιών στο περιβάλ/ον τους. Αντίθετα, τα κύπαρα ενός πολυκύπαρου οργανισμού πρέπει να ελέγχονται ώστε ένα κύπαρο να διαιρείται μόνο όταν ο οργανι σμός χρειάΖεται ένα άλ/ο κύπαρο, είτε για ν' αυξηθεί είτε για ν' αναπληρώ σει μια απώλεια. Επομένως, για να πολ/απλασιαστεί ένα κύπαρο δεν φτά νουν οι θρεπτικές ουσίες, αλλά χρειάΖΟνται επιπλέον και διεγερτικά χημικά σήματα από άλλα κύπαρα, συνήθως τα γειτονικά. Τα περισσότερα εξωκυπάρια σηματοδοτικά μόρια τα οποία επηρεάΖουν τη διαίρεση, την αύξηση και την επιβίωση των κυπάρων είναι διαλυτές πρω
τε'ί'νες οι οποίες εκκρίνονται από άλλα κύπαρα ή πρωτε'ί'νες που προσδένο νται στην επιφάνεια άλλων κυπάρων του εξωκυπάριου στρώματος. Τα πε
ρισσότερα επενεργούν θετικά στις παραπάνω διεργασίες, μερικά όμως ανα στέλ/ουν επιλεκτικά μια από αυτές. Οι σηματοδοτικές πρωτε'ί'νες με θετική δράση διακρίνονται με βάση τη λειτουργία τους σε τρεις βασικές κατηγορίες:
1. Μιιογόνα:
διεγείρουν την κυπαρική διαίρεση, κυρίως υπερνικώντας τα
ενδοκυπάρια «φρένα» που αναστέλ/ουν την εξέλιξη του κυπαρικού κύ κλου.
2. AυςnΤΙKoί
παράγοντες: διεγείρουν την αύξηση των κυπάρων (αύξηση της
κυπαρικής μάΖας) προάγοντας τη σύνθεση και αναστέλ/οντας την αποδό μηση πρωτεϊνών και άλλων μακρομορίων.
3. Παράγοντες
επιΒίωσης: προάγουν την επιβίωση των κυπάρων, καταστέλ
λοντας την απόmωση.
Τα όρια μεταξύ των τριών κατηγοριών δεν είναι αυστηρά: πολ/ά σηματο δοτικά μόρια έχουν δύο ή και περισσότερες από τις σχετικές λειτουργίες. Δυ στυΧώς, ο όρος «αυξητικός παράγοντας» συχνά χρησιμοποιείται αδιακρίτως
για να περιγράψει μια πρωτε'ί'νη με οποιονδήποτε από τους παραπάνω ρό λους. Πράγματι, η φράση «κυπαρική αύξηση» συχνά χρησιμοποιείται ε σφαλμένα για να δηλώσει μια αύξηση του αριθμού των κυπάρων, η οποία εί
ναι πιο σωστό να ονομάΖεται «κυπαρικός πολ/απλασιασμός».
Τα μιιογόνα διεγείρουν την κυπαρική διαίρεση Τα περισσότερα μιτογόνα είναι εκκρινόμενες σηματοδοτικές πρωτε'ί'νες που προσδένονται σε υποδοχείς της κυπαρικής επιφάνειας. Μόλις συμβεί αυτό, οι υποδοχείς ενεργοποιούν ποικίλες ενδοκυπάριες σηματοδοτικές ο δούς (βλ. Κεφάλαιο
16)
που διεγείρουν την κυπαρική διαίρεση. Οι σηματο
δοτικές οδοί κυρίως δρουν για ν' αρθούν τα ενδοκυπάρια μοριακά «φρένα» που αναστέλ/ουν τη μετάβαση από τη φάση
G1 του
κυπαρικού κύκλου στη
φάσηS.
Σημαντικό παράδειγμα ενός τέτοιου περιοριστικού μηχανισμού (<<μορια
κό φρένο») είναι η πρωrειvn του ρεrινoBilaστώμaτoς (retinoblastoma protein,
782
Κεφάλαιο 18: Έλεγχος του Κυτταρικού Κύκλου και Κυτταρικός Θάνατος
Rb,
συχνά και
pRb).
Η πρωτε'ί'νη αυτή ανακαλύφθηκε από Τη μελέΤη 1Ου ρε
ηνοβλαοιώμα1Ος, ενός σπάνιου οφθαλμικού όγκου Των παιδιών, που χαρα κτηρίΖειοι από έλ/ειψη ή δυσλειιουργία Της πρωιε'ί'νης
Rb. Η πρωτε'ί'νη Rb α
φθονεί οιον πυρήνα όλων των κυπάρων των σπονδυλωτών. Προσδένειοι σε συγκεκριμένες ρυθμιοιικές πρωτε'ί'νες γονιδίων και ης εμποδίΖει να διεγεί ρουν Τη μειογραφή γονιδίων απαραίΤητων για 1Ον κυπαρικό πολ/απλασια σμό. Τα μΙ1Ογόνα αίρουν 10 «φρένο» Της
Rb
κοιά ιον εξής φόπο. Ενεργο
ποιούν ενδοκυπάριες σημα1Οδοηκές οδούς που οδηγούν σε ενεργοποίηση
των συμπλόκων Την πρωτε'ί'νη
GlCdk και
GιlS-Cdk. Αυτές οι κινάσες φωσφορυλιώνουν
Rb και έιοι φοποποιούν Τη διαμόρφωσή Της. Η φωσφορυλιω Rb ελευθερώνει ης προσδεδεμένες ρυθμιοιικές πρωτε'ί'νες οι
μένη πρωτε'ί'νη
οποίες μπορούν πλέον να ενεργοποιήσουν ανεμπόδιοια 10 γονίδια που α παlΙούνιοιγια 1Ον κυπαρικό πολ/απλασιασμό(Εικόνα 18-23). Τα περισσότερα μlΙογόνα έχουν ιου1Οποιηθεί και χαρακτηριοιεί από ης ε
πιδράσεις 1Ους σε κύπαρα που αναπτύσσονιοι σε ιοιική καλ/ιέργεια (Εικόνα
αυξητικός παράγovτας ανενεργός υποδοχέας
/
αυξητικού παράγovτα
αυξητικού παράγovτα
ενδοκυττάρια σηματοδοτική οδός
πυρήνας
ενεργός πρωτεΤνη
ενεργοποιημένος υποδοχέας
Rb
R- απενεργοποιημένη ρυθμιστικήπρωτεΤνη . .
'J
DNA=t
γονίδιο στόχος
rj=
ΦΩΣφοργΛΙΩΣΗ
ΤΗΣ
Rb ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ
~ ΚΥΠΑΡΙΚΟΣ
ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΜΟΣ
(Α)
Εικόνα
18·23. Τα
(Β)
ΚΥΠΑΡΟ ΣΕ ΗΡΕΜΙΑ
ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΖΟΜΕΝΟ
ΚΥΠΑΡΟ
μιτογόνα διεγείρουν τον κuπαρικό πολλαπλασιασμό αναστέλλοντας, μεταξύ άλλων, την πρωτε"ί'νη
πάρχουν μιτογόνα, η αποφωσφορυλιωμένη πρωτεΊνη
Rb διατηρεί ειδικές
Rb.
(Α) Όταν δεν υ
ρυθμιστικές πρωτεΊνες σε ανενεργό κατάσταση. Οι πρωτεΊνες αυ
τές είναι αναγκαίες για τη μεταγραφή γονιδίων-στόχων που κωδικοποιούν πρωτεΊνες απαραίτητες για τον κυπαρικό πολλαπλασιασμό.
(8)
Τα μιτογόνα προσδένονται σε υποδοχείς της κυπαρικής επιφάνειας και ενεργοποιούν ενδοκυπάριες σηματοδοτικές οδούς που οδηγούν στη δημιουργία και ενεργοποίηση των συ μπλόκων κυκλίνης-Cd κινάσης της φάσης σφορυλιώνουν και έτσι απενεργοποιούν την πρωτεIvη
Rb.
G1, για τα οποία ήδη έγινε λόγος. Τα σύμπλοκα αυτά φω
Οι ρυθμιστικές πρωτεΊνες των γονιδίων είναι πλέον ελεύθερες να ενεργοποιή
σουν τη μεταγραφή των γονιδίων-στόχων τους, οδηγώντας σε κυπαρικό πολλαπλασιασμό.
Εξωκυττάριος Έλεγχος του Αριθμού και του Μεγέθους των Κυττάρων
783
18-24). Ένα από ΤΟ πρώτο
μπογόνα που του1Οποιήθηκαν κατ' αυτόν 1Ον φό
πο ήτον ο Q1μοπεraί'1lQκός αυξΩπκός παράγΟνΓας (platelet-derived growth factor ή PDGF) , 1Ου οποίου οι δράσεις είναι παρόμοιες με αυτές πολ/ών άΛ Λων μπογόνων. Όταν πήΖει 10 αίμα (για παράδειγμα, σ' ένα φαύμα), ΤΟ αι μοπετάΛια που έχουν ενσωματωθείστο θρόμβο εκλύουν PDGF. Ο
PDGF
προσδένεται σε υποδοχείς με δράση κινάσης της τυροσίνης οι οποίοι εντο πίΖΟνται στα εΠΙΖώντα κύπαρα στη θέση 1Ου φαύμα1Ος και ΤΟ διεγείρει να
πολ/απΛασιαστούν και να επουΛώσουν 10 φαύμα. Παρομοίως, αν ένα τμή μα 1Ου ήπα1Ος αφαιρεθείσε μια εγχείρηση ή κατοστραφείαπό οξεία βλάβη,
ΤΟ ηπα1Οκύπαρααλ/ά και άλ/α κύπαρα 1Ου σώμα1Ος παράγουν μια πρω
L-J 10
Εικόνα
18-24.
μm
Ηλεκτρονιομlκρογραφία σά
ρωσης κυπάρων θηλαστικού που πολλαπλα
σιάζονται σε καλλιέργεια. Τα κύπαρα είναι ι νοβλάστες αρουραίου και αυξάνονται σε μέσο εμπλουτισμένο με ορό μοσχαριού, που περιέ
τε'ϊνη γνωστή ως ΩπαroκυπαρικόςαυξΩπκόςπαράγΟνΓας(hepatocyte growth
factor),
ο οποίος διεγείρει ΤΟ εΠΙΖώντα ηπα1Οκύπαρα σε πολ/απΛασιασμό.
Οι εξωκυπάριοι αυξητικοί παράγοντες διεγείρουv TnV αύξηση τωv κυπάρωv Η αύξηση ενός οργανισμούή ενός οργάνου βασίΖετοι εξίσου στην αύξη
χει αυξητικούς παράγοντες οι οποίοι διεγεί ρουν τον πολλαπλασιασμό των κυπάρων. Τα
ση και στη διαίρεσητων κυπάρων. Αν ΤΟ κύπαρα διαιρούντανχωρίς ν' αυξά
σφαιρικά κύπαρα στο κάτω μέρος της φωτο
νουν, προοδευτικά θα μίκραιναν και δεν θα συνέβαινε αύξηση της συνοΛι
γραφίας έχουν προσλάβει σφαιρικό σχήμα κα θώς προετοιμάζονται να διαιρεθούν. (Με την άδεια του Guenter Albrecht-Buehler).
κής κυπαρικής μάΖας. Σε μονοκύπαρουςοργανισμούς, όπως οι Ζυμομύκη τες, η αύξηση (όπως και η διαίρεση) των κυπάρων εξαρτάτοι κυρίως από την
παρουσία θρεπτικών ουσιών στο περιβάλ/ον1Ους. Αντίθετο, στα Ζώα η αύ
ξηση, όπως και η διαίρεση, εξαρτάτοι από σήματο που προέρχονταιαπό άΛ Λα κύπαρα. Ωστόσο, σε αντίθεση προς τη διαίρεση, η αύξηση είτε των Ζυμο μυκήτων είτε των Ζωικών κυπάρων δεν βασίΖεται σε κάποιο σύστημα εΛέγ
χου, όπως 10 σύστημα εΛέγχου1Ου κυπαρικού κύκλου. Πράγματι, πολ/ά Ζω ικά κύπαρα, όπως τα νευρικά και τα περισσότεραμυϊκά κύπαρα, κυρίως αυ
ξάνουν αφού προηγουμένωςοριστικά πάψουν να διαιρούνται Όπως τα περισσότερα μΙ1Ογόνα, οι εξωκυπάριοl αυξητικοί παράγοντες προσδένονταισε υποδοχείς της κυπαρικής επιφάνειας που ενεργοποιούν
ποικίλες ενδοκυπάριεςσηματοδοτικέςοδούς. Αυτές οι οδοί οδηγούν σε συσσώρευση πρωτεϊνών και άλλων μακρομορίων, επάγοντας τη σύνθεση αυξητικός παράγοντας
υποδοχέας αυξη τικού παράγοντα
και εΛαπώνονταςτην ταΧύτητα αποδόμησης αυτών των μορίων (Εικόνα 18-
25).
Μερικές εξωκυπάριες σημα1Οδοτικές πρωτε'ϊνες, όπως ο
PDGF,
δρουν
τόσο ως αυξητικοί παράγοντες όσο και ως μΙ1Ογόνα και διεγείρουν τόσο την αύξηση των κυπάρων όσο και την πρόοδο του κυπαρικού κύκλου. Αυτές οι
//9.., ενδοκυττάρια Ι
6
σηματοδοτική
ακολουθία
/11\'
πρωτεΊνες διασφαΛίζουν ότι τα κύπαρα θα διατηρούν 10 σωστό μέγεθος κα
θώς πολ/απΛασιάΖονταl. Οι γνώσεις μας για 1Ον έΛεγχο του μεγέθους των Ζωικών κυπάρων υστε ρούν ποΛύ. Έτσι, παραμένειμυστήριογιατίΤΟ διαφορετικάείδη κυπάρων1Ου
~
ίδιου Ζώου καταΛήγουννα έχουν τόσο διαφορετικόμέγεθος (Εικόνα 18-26).
ν
ι//Ι"''Υ αύξηση της
ελάττωση της
nPWTcivoσύνθεσης
αποδόμησης των πρωτεϊνών
~
~ ΚΥΠΑΡΙΚΗ ΑγΞΗΣΗ
784
Εικόνα
28-25.
Εξωκυπάριοι αυξητικοί παράγοντες αυξάνουν τη σύνθεση και ελατ
τώνουν την αποδόμηση των μακρομορίων. Αυτό οδηγεί σε καθαρή αύξηση των μα κρομορίων, άρα και του μεγέθους του κυπάρου.
Κεφάλαιο 18: Έλεγχος του Κυτταρικού Κύκλου και Κυτταρικός Θάνατος
Εικόνα
28·26. Τα νευρικά
κύπαρα διαφέρουν πολύ σε μέγεθος από τα λεμφοκύπα
ρα. Αυτά τα δύο κύπαρα προέρχονται από το ίδιο είδος πιθήκων και περιέχουν την ίδια ποσότητα
DNA. Ένας νευρώνας
αυξάνει σε μέγεθος μετά την οριστική έξοδό του από
τον κυπαρικό κύκλο. Κατά την αύξησή του, ο λόγος κυπαροπλάσματος προς πυρήνα
αυξάνει εντυπωσιακά (έως κατά 105 φορές). (ΤΟ σχεδιάγραμμα του νευρώνα προέρχε ται από: Β.Β.
Boycott σε Essays on the Nervous System [R. Bellairs and E.G. Gray, eds]. Oxford, U.K.: Clarendon Press, 1974. © Oxford University Press).
Τα Ζωικά κύπαρα xρεlάzovτOl παράγovτες επιβίωσης
για ν' αποφύγουν τον κυπαρικό θάνατο Τα Ζωικά κύπαρα χρειάΖοντοι σήματα από άλ/α κύπαρα όχι μόνο για ν'
αυξηθούν και να ΠOλ/απλασιασroύν αλ/ά ακόμα και για να επιβιώσουν. Χω ρίς τους σχετικούς παράγovτες επιβίωσης
(survival factors), ΤΟ κύπαρα
ενερ
γοποιούν ένα ενδοκυπάριο πρόγραμμα αυτοκτονίας και πεθαίνουν με από l----.J
πτωση. Το γεγονός ότι η επιβίωση των κυπάρων εξαρτάται από την παρουσία
25
μm
σημάτων από άλ/α κύπαρα διασφαλίΖει ότι τα κύπαρα θα επιβιώνουν μόνο όταν και όπου χρειάΖεταΙ. Για παράδειγμα, σro αναπτυσσόμενο νευρικό σύ σrημα ο κυπαρικός θάνατος εξισώνει τον αριθμό των νευρικών κυπάρων με τον αριθμό των Kυπάρων-σrόxων που απαιτούν εwεύρωση. Στο έμβρυο, τα νευρικά κύπαρα παράγOVΤαι σε περίσσεια και κατόπιν συναγωνίΖΟνται για τις περιορισμένες ποσότητες των παραγόvτων επιβίωσης που εκκρίνουν τα Kύπαρα-σrόxoι με τα οποία έρχονται σε επαφή. Τα νευρικά κύπαρα που πα
ραλαμβάνουν επαρκή ποσότητα του παράγοντα επιβίωσης εΠΙΖούν ενώ τα υ πόλοιπα κύπαρα πεθαίνουν με απόπτωση (Εικόνα
18-27). Κάτι
αντίσroιxo
πισrεύεται ότι συμβαίνει και σε άλ/ους ισroύς, τόσο κατά την ανάπτυξη όσο και κατά την ενήλικο Ζωή.
Οι παράγοντες επιβίωσης, κατ' αναλογία με τα μιτογόνα και τους αυξητι
νευρώνας
κούς παράγοντες, συνήθως ΠΡOσδένOVΤαι σε υποδοχείς της κυπαρικής επι
φάνειας. Η πρόσδεση των παραγόντων επιβίωσης ενεργοποιεί ενδοκυπά-
• λεμφοκύπαρο
νευρικά κύπαρα
σώμα νευρικού κυπάρου
νευρά- - ξονας
••
1JL
ΟΚΥΠΑΡΙΚΟΣ ΘΑΝΑΤΟΣ
ΕΞΙΣΩΝΕΙ ΤΟΝ
ΑΡΙΘΜΟ ΤΩΝ
•••••••• • •• ••• • •• : . • ••
ΝΕγΡIΚΩΝ ΚΥΠΑΡΩΝ ΜΕ ΤΟΝ ΑΡΙΘΜΟ
••• •••
•••••
.6 ] i) (#)\ ΤΩΝ ΚYΠAPΩN-ΣTOXΩN·~ .@ κύπαρα-στόχοι
• ••
~
παράγοντας επιβίωσης που εκλύεται από τα κύπαρα-στόχους
Εικόνα 18-27. Ο κυπαρικός θάνατος εξισώνει τον αριθμό των αναπτυσσόμενων νευρικών κυπάρων με τον αριθμό των κυπάρων-στό χων με τα οποία έρχονται σε επαφή. Τα νευρικά κύπαρα που παράγονται είναι περισσότερα απ' όσα μπορεί να συντηρήσει η περιορισμέ
νη ποσότητα του παράγοντα επιβίωσης, τον οποίο εκλύουν τα κύπαρα-στόχοι. Έτσι, για ορισμένα κύπαρα η ποσότητα του παράγοντα ε πιβίωσης δεν επαρκεί για να διατηρήσει σε καταστολή το εγγενές πρόγραμμα αυτοκτονίας, με συνέπεια τα κύπαρα αυτά να υφίστανται α πόmωση. Αυτή η στρατηγική της υπερπαραγωγής που ακολουθείται από ξεδιάλεγμα διασφαλίζει ότι όλα τα κύπαρα-στόχοι θα εφάmονται με νευρικά κύπαρα, όπως επίσης και ότι τα «πλεονάζοντα" νευρικά κύπαρα θα εξαλείφονται αυτόματα.
Εξωκυττάριος Έλεγχος του Αριθμού και του Μεγέθους των Κυττάρων
785
Εικόνα
18-28. Οι
παράγοντες επιβίωσης συ
ενεργοποιημένος
υποδοχέας
συγκεκριμένη περίmωση, ένας ενεργοποιημέ
t,
πρωτεΤνη γονιδίων στην επιφάνεια του κυττά
~
ρου. Στη συνέχεια, η πρωτεΙΎη μετακινείται
2.
Η πρωτεIVΗ
ενεργοποιημένο γονίδιο bcl-2
~ πγΡΗΝΑΣ
νος υποδοχέας ενεργοποιεί μια ρυθμιστική
στον πυρήνα όπου ενεργοποιεί το γονίδιο
{!-
ενεργοποιημένη ρυθμιστική πρωτείνη γονιδίων
χνά καταστέλλουν την απόπτωση ρυθμίζο ντας πρωτέι'νες της οικογένειας Bcl-2. Στη
Bclπαράγοντας επιβίωσης
Bcl-2 αναστέλλει την απόmωση.
Δ - ~==;:::::=
+
πρόγραμμα
..
κυτταρικού
~ •••---ι! --------πρωτείνη
θανάτου
απόmωση
Bcl-2
ριες σημα1Οδοηκές οδούς που διατηρούν σε καταστολή 10 πρόγραμμα1Ου θανά1Ου, συνήθως ρυθμίΖοντας πρωτεΊνες της οικογένειας Bcl-2. Για παρά δειγμα, μερικοί παράγοντες επιβίωσης αυξάνουν την παραγωγή των αντια ποπτωηκών πρωτεϊνών αυτής της οικογένειας.
Μερικές εξωκυπάριες σηματοδοηκές πρωτεΊνες αναστέλλουν την αύξηση, τη διαίρεση ή την επιβίωση
των κυπάρων Οι εξωκυπάριες σημα1Οδοηκές πρωτεl\.ιες ης οποίες παρουσιάσαμε έως τώρα
-
μιτογόνα, αυξηηκοί παράγοντες και παράγοντες επιβίωσης
-
έχουν
θεηκή δράση και αυξάνουν 10 μέγεθος των οργάνων και των οργανισμών. Ωστόσο, υπάρχουν και άλλες πρωτεΊνες με αντίθετη δράση που αναστέλ λουν την αύξηση των ιστών. Για παράδειγμα,η μ{)οστατίvnείναι μια εκκρινό μενη σημα1Οδοηκή πρωτε'ϊνη η οποία κανονικά αναστέλλει την αύξηση και
τον πολ/απλασιασμότων μυοβλαστώνπου συντήκονταιγια να σχηματίσουν γραμμωτά μυϊκά κύπαρα. Αν απαλειφεί10 γονίδιο της μυοστοτίνης1Ου πο
ντικού, τα Ζώα αναmύσσουνπολύ μεγαλύτερουςμυς από 10 κανονικό, επει
δή αυξάνει τόσο ο αριθμός όσο και 10 μέγεθος των μυϊκών κυπάρων. Είναι ενδιαφέρον 10 γεγονός ότι δύο ποικιλίες βοοειδών που εκτρέφοντανγια τους μεγάλους μυς 1Ους αποδείχθηκε όη έφεραν μεταλλάξεις στο γονίδιο της μυοστατίνης (Εικόνα 18-29).
Εικόνα
18-29.
Η μετάλλαξη του γονιδίου της
μυοστατίνης προκαλεί εντυπωσιακή αύξηση της μυϊκής μάζας. Η ποικιλία βοδιών Belgian
Blue πρόσφατα
βρέθηκε ότι φέρει μετάλλαξη
στο γονίδιο της μuοστατίνης. Εξίσου εντυπω σιακούς μυς έχουν και ποντικοί με προ κλητή ανεπάρκεια του ίδιου γονιδίου. (Από: A.C. Μ cPherron και S.-J. Lee, Proc. Nat/. Acad. SCi. u.S.A 94:12457-12461,1997. © National Α cademy of Sciences).
786
Κεφάλαιο 18: Έλεγχος του Κυτταρικού Κύκλου και Κυτταρικός Θάνατος
Όπως θα δούμε σω τελευταίο κεφάλαιο, οι διάφορες μορφές ωυ καρκί νου είναι προϊόντα μεταλλάξεων που αποδεσμεύουν ω κύπαρο από ωυς
συνήθεις μηχανισμούς ελέγχου ωυ κυπαρικού πολλαπλασιασμού και της κυπαρικής επιβίωσης. Γενικά, τα καρκινικά κύπαρα εξαρτώνται από σήματα ωυ περιβάλλοντος σε μικρότερο βαθμό σε σύγκριση με τα φυσιολογικά κύτ
ταρα. Για ων λόγο αυτό, αναπτύσσονται πιο αποτελεσματικά από τα φυσιο λογικά κύπαρα και παράγουν όγκους που μπορεί να σκοτώσουν ω Ζώο.
Βαοικέs έvvοιεs •
Ο κυπαρικός κύκλος ενός ευκαρυωτικού κυπάρου αποτελείται από διά φορες ευδιάκριτες φάσεις. Σε αυτές περιλαμβάνονται η φάση
5,
κατά την
οποία αντιγράφεται ω ΟΝΑ ωυ πυρήνα, και η φάση Μ, κατά την οποία δι αιρείται πρώτα ο πυρήνας (μίτωση) και στη συνέχεια ω κυπαρόπλασμα (κυπαροκίνηση)
•
.
Στα περισσότερα κύπαρα, ανάμεσα στη φάση Μ και τη φάση λεται ένα διάκενο
διάκενο
(G 2).
(G 1)
και ανάμεσα στη φάση
5
5 παρεμβάλ
και τη φάση Μ ένα άλλο
Οι δύο αυτές φάσεις αφήνουν στο κύπαρο περισσότερο
χρόνο για ν' αυξηθεί.
•
Το σύστημα ελέγχου ωυ κυπαρικού κύκλου συντονίΖει τα συμβάντα ωυ κύκλου με κυκλικό φόπο, ενεργοποιώντας τα κατάλληλα τμήματα του σχετικού μηχανισμού και κατόπιν απενεργοποιώντας τα.
•
Το σύστημα ελέγχου περιλαμβάνει κυρίως μια ομάδα πρωτεϊνικών συ μπλόκων. Κάθε σύμπλοκο αποτελείται από μια ρυθμιστική υπομονάδα γνωστή ως κυκλίνη και από μια καταλυτική υπομονάδα γνωστή ως πρωτε ϊνική κινάση που εξαρτάται από την κυκλίνη
•
(Cd κινάση).
Το σύστημα ελέγχου επίσης εξαρτάται από πρωτεϊνικά σύμπλοκα, όπως τα
APC,
που πυροδοτούν την πρωτεόλυση ειδικών ρυθμιστών του κυπαρι
κού κύκλου σε συγκεκριμένα στάδιά του με τον μηχανισμό της ουβικουϊτι νίωσης.
•
Οι
Cd
κινάσες ενεργοποιούνται κυκλικά από την πρόσδεση μορίων κυ
κλίνης όπως επίσης και από τη φωσφορυλίωση ορισμένων αμινοξέων και την αποφωσφορυλίωση άλλων αμινοξέων. Όταν είναι ενεργοποιημένες, οι
•
Cd κινάσες
φωσφορυλιώνουν καίριες πρωτε'ί'νες του κυπάρου.
Η συγκέντρωση των κυκλινών αυξάνει και ελαπώνεται σε συγκεκριμένες χρονικές περιόδους του κυπαρικού κύκλου. Η αύξηση προκύπτει από
σταδιακή σύνθεση ενώ η αιφνίδια ελάπωση από ταχεία πρωτεόλυση την
οποία πυροδοτεί το
APC ή
άλλα πρωτεϊνικά σύμπλοκα που προκαλούν
ουβικουϊτινίωση της κυκλίνης.
•
Διαφορετικά σύμπλοκα κυκλινών-Cd κινασών πυροδοτούν διαφορετικά βήματα του κυπαρικού κύκλου. Η
ση. Το σύμπλοκο
M-Cd κινάση
ωθεί το κύπαρο στη μίτω
G1-Cdk ωθεί το κύπαρο στη φάση G1 . Τέλος, μπλοκα της G1/5-Cdk και 5-Cdk ωθούν το κύπαρο στην 5 φάση. •
τα σύ
Το σύστημα ελέγχου του κυπαρικού κύκλου μπορεί να σταματήσει ων κύ κλο σε ειδικά σημεία ελέγχου ώστε να εξασφαλίσει ότι δεν θ' αρχίσει ένα
Βασικές Έννοιες
787
βήμα ωυ κύκλου προωύ ολοκληρωθεί ω αμέσως προηγούμενο όπως επί
σης και ότι θα είναι ευνοϊκές οι ενδοκυπάριες και εξωκυπάριες συνθήκες.
•
Ο κυπαρικός κύκλος μπορεί να σrαματήσει με δύο, ωυMxισroν, μηχανι σμούς:
(1) πρωτείνες
που ανασrέλ/oυντις
Cd κινάσες
ανασrέλ/oυνIΠ συ
ναρμολόγηση ή τη δράση ενός ή περισσότερων συμπλόκων κυκλίνης-Cd
κινάσης,
(2)
διάφορα συσrαΤΙKά ωυ συσrήμαως ελέγχου παύουν να πα
ράγονται, για παράδειγμα όταν τα κύπαρα περνούν σε φάση
•
Go.
Στα Ζώα, ο αριθμός των κυπάρων ρυθμίΖεται από ένα συνδυασμό ενδο κυπάριων προγραμμάτων και διακυπάριων αλληλεπιδράσεων (κοινωνι κών ελέγχων) που ελέγχει ων πολ/απλασιασμό, την επιβίωση και το θά νατο των κυπάρων.
•
Τα Ζωικά κύπαρα πολ/απλασιάΖΟνται μόνο όταν διεγείρονται από μιτογό να, τα οποία ενεργοποιούν τις ενδοκυπάριες σηματοδοτικές διεργασίες
ώσrε να ξεπεράσουν τους φυσιολογικούς περιορισμούς που εμποδίΖουν την εξέλιξη του κυπαρικού κύκλου. Ο μηχανισμός αυτός διασφαλίΖει ότι έ να κύπαρο θα διαιρείται μόνο όταν χρειάΖεται ένα νέο κύπαρο.
•
Για ν' αυξηθεί ένας οργανισμός ή ένα όργανο, πρέπει να συμβεί αύξηση αλ/ά και διαίρεση κυπάρων. Η αύξηση των Ζωικών κυπάρων εξαρτάται α
πό εξωκυπάριους αυξητικούς παράγοντες, οι οποίοι διεγείρουν την πρω τεϊνοσύνθεση και ανασrέλ/oυν την αποδόμηση των πρωτεϊνών.
•
Πολ/ά φυσιολογικά κύπαρα πεθαίνουν κατά τη διάρκεια της Ζωής ενός Ζώου ενεργοποιώντας ένα εγγενές πρόγραμμα αυτοκτονίας. Η διεργασία αυτή αποκαλείται προγραμματισμένος κυπαρικός θάνατος ή απόπτωση.
•
Ο προγραμματισμένος κυπαρικός θάνατος βασίΖεται σε μια οικογένεια πρωτεολυτικών ενΖύμων που ονομάΖΟνται κασπάσες, παράγονται ως προ
ένΖυμα και επίσης ενεργοποιούνται από μια πρωτεολυτική ακολουθία.
•
Τα περισσότερα Ζωικά κύπαρα, για ν' αποφύγουν τον προγραμματισμένο κυπαρικό θάνατο απαιτούν συνεχή σηματοδότηση από άλλα κύπαρα. Η απαίιπση αυτή ίσως είναι ένας μηχανισμός που εξασφαλίΖει ότι τα κύπαρα
θα επιβιώνουν όπου και όποτε χρειάΖεται.
•
Το μέγεθος των κυπάρων και των ισrών επίσης επηρεάΖεται από ανασrαλ τικές εξωκυπάριες σηματοδοτικές πρωτεΊνες που ανασrέλ/oυν τους θετι κούς ρυθμισrές της αύξησης, της διαίρεσης και της επιβίωσης των κυπά ρων.
•
Τα καρκινικά κύπαρα δεν υπακούν σroυς κανονικούς μηχανισμούς «κοι νωνικού» ελέγχου της κυπαρικής συμπεριφοράς και γι' αυτό αναπτύσσο
νται εις βάρος των φυσιολογικών γειτόνων τους.
788
Κεφάλαιο 18: ΈλεΥχ:ος του Κυτταρικού Κύκλου και Κυτταρικός Θάνατος
Βασικοί Όροι ανασωλέας
σημείο ελέγχου
Cdk
σύμπλοκο αναγνώρισης της αφετηρίας
απόmωση
σύμπλοκο που προάγει την ανάφαση
αυξητικός παράγοντος εξαρτώμενη από την κυκλίνη πρωτεϊνική κινάση
(Cdk)
(ORC) (APC)
σύστημα ελέγχου του κυπαρικού κύκλου φάση
κυκλίνη
G1 φάση G2
κυπαρικός κύκλος
φάση Μ
M-Cdk
φάσηS
κασπάση
Μ-κυκλίνη μεσόφαση
μιτογόνο
οικογένεια
Bcl-2
παράγοντας επιβίωσης
προγραμματισμένος κυπαρικός θάνατος
Ερωιήσειs Ερώτηση
κλίνης όσο και από την κατάσταση της φωσφορυλίω σήςτης.
18-7 18-8
Ποιες από τις ακόλουθες διαπιστώσεις είναι σωστές; Δι
Ερώτηση
καιολογείστε τις απαντήσεις σας.
Μια από τις λειτουργίες της μιτωτικής
Α. Τα κύπαρα δεν περνούν από τη φάση
G1 στη
Cdk (M-Cdk)
είναι
φάση Μ
να προκαλεί μια ελάπωση στη συγκέντρωση των κυκλινών
του κυπαρικού κύκλου αν δεν υπάρχουν επαρκείς πο
στο μέσον της φάσης Μ. Περιγράψτε τις συνέπειες αυτής
σότητες θρεπτικών ουσιών για την ολοκλήρωση του κυτ
της αιφνίδιας ελάπωσης και προτείνατε πιθανούς μηχανι
ταριKoύ κύκλου.
σμούς με τους οποίους μπορεί να προκύψει
Β. Η απόπτωση διεκπεραιώνεται από ειδικές ενδοκυπά
18-9
ριες πρωτεάσες. Μια από αυτές διασπά τις λαμίνες του
Ερώτηση
πυρήνα.
Αντιπαραβάλ/ετε τους κανόνες του κυπαρικού πολ/απλα
Γ. Οι αναπτυσσόμενοι νευρώνες ανταγωνίΖΟνται για πε ριορισμένες ποσότητες παραγόντων επιβίωσης.
σιασμού σ' ένα Ζώο με τους κανόνες που κατευθύνουν τη συμπεριφορά των ανθρώπων στην κοινωνία. Τι θα συνέ
Δ. Μερικές πρωτείνες ελέγχου του κυπαρικού κύκλου των
βαινε σ' ένα Ζώο αν τα κύπαρά του συμπεριφέρονταν ό
σπονδυλωτών εξακολουθούν να λειτουργούν όταν εκ
πως συμπεριφέρονται κανονικά οι άνθρωποι στην κοινω
φράΖΟνται σε κύπαρα σακχαρομυκήτων.
νία; Θα μπορούσε άραγε να ισΧύσουν στις ανθρώπινες
Ε. Οι πρωτεί'νες που ελέγχουν τον κυπαρικό κύκλο είναι απαραίτητες για την επιβίωση των κυπάρων. Μολαταύ
κοινωνίες οι κανόνες που διέπουν τον κυπαρικό πολ/α πλασιασμό;
τα, υπάρχουν στελέχη σακχαρομυκήτων με ανεπάρκεια
Ερώτηση
κάποιας από αυτές τις πρωτε'ί'νες. Ζ. Η ενΖυματική ενεργότητα μιας πρωτε'ϊνης
Cdk καθορί
Ζεται τόσο από την παρουσία μιας προσδεδεμένης κυ-
18-10
Στην Εικόνα
18-6 φαίνεται
η αύξηση της συγκέντρωσης
των κυκλινών και η αύξηση της δράσης της
M-Cdk καθώς
Ερωτήσεις
789
τα κύπαρα προχωρούν σων κυπαρικό κύκλο. Είναι αξιο
Β. εμφανίΖουν πάντοτε υψηλή έκφραση της ρ21;
σημείωω ότι η συγκέντρωση των κυκλινών αυξάνει γρή
r. αδυνατούν να φωσφορυλιώσουν
γορα και σταθερά, ενώ η δραστικότητα της
την
Rb;
M-Cdk αυξάνει
αιφνίδια. Για ποιό λόγο συμβαίνει αυτό;
Ερώmσn
18-15
Έχουν απομονωθεί πολ/οί μεταλ/αγμένοι σακχαρομύ
Ερώmσn Ο
18-11
Dr. Lawrence Μ.
κητες με διαταραΧές στον έλεγχο του κυπαρικού κύκλου. έχει αναλάβει ν' αναπτύξει ένα στέλε
Τα κύπαρα αυτά αναπτύσσονται κανονικά σε χαμηλή θερ
χος αρουραίων σε μέγεθος σκύλου που θα χρησιμοποιη
μοκρασία
θούν για πολεμικούς σκοπούς. Κατά τη γνώμη σας, ποια
μοκρασία
από τις ακόλουθες στρατηγικές θα έπρεπε να υιοθετήσει ο
κής αύξησης και διαίρεσης. Δύο μεταλλαγμένα στελέχη
Dr.
Μ. προκειμένου ν' αυξήσει το μέγεθος των αρουραί-
(30°C). Αν όμως εκτεθούν σε υψηλότερη θερ (3TC), εμφανίΖουν ανώμαλα πρότυπα κυπαρι
(τα Α και Β) με βλάβη σε διαφορετικές θέσεις του ίδιου γο
ων;
νιδίου συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά στην αυξημένη
Α Να επιβραδύνει τη γήρανση των κυπάρων.
θερμοκρασία. Τα κύπαρα του στελέχους Α συνεχίΖουν ν'
Β. Ν' αναστείλει τον προγραμματισμένο κυπαρικό θάνατο.
αυξάνουν έως ότου αποκτήσουν τεράστιο μέγεθος αλλά
Γ. Ν' αναστείλει τη λειτουργία της ρ53.
δεν διαιρούνται. Τα κύπαρα του στελέχους Β έχουν πολύ
Δ. Να υπερπαράγει παράγοντες επιβίωσης.
βραχύ κυπαρικό κύκλο και όταν διαιρούνται το μέγεθός
Ε. Να υπερπαράγει αυξητικούς παράγοντες.
τους είναι πολύ μικρότερο από το κανονικό. Ερμηνεύστε
2. Ν'
αυτές τις παρατηρήσεις. Ποια θα μπορούσε να είναι η λει
αλλάξει επάΥΥελμα.
Αναφέρατε τις πιθανές επιπτώσεις κάθε επιλογής.
τουργία της φυσιολογικής πρωτε'1νης που κωδικοποιείται
από αυτό το γονίδιο;
Ερώmσn
18-12
Εφόσον ο
PDGF κωδικοποιείται
από ένα πρωτοογκογονί
Ερώmσn
18-16
διο και μπορεί να προκαλέσει καρκίνο αν εκφραστεί ακα
Η αύξηση κυπάρων σ' ένα μέσο που περιέχει ραδιενεργό
τάλ/ηλα, γιατί δεν αναπτύσσεται καρκίνος σε θέσεις τραυ
θυμιδίνη έχει ως αποτέλεσμα την ομοιοπολική ενσωμάτω
μάτων όπου τα αιμοπετάλια εκλύουν
ση της θυμιδίνης στο
PDGF;
της φάσης
Ερώmσn
18-13
S.
Το
DNA των κυπάρων κατά τη διάρκεια ραδιενεργό DNA μπορεί ν' ανιχνευθεί
στους πυρήνες των κυπάρων με αυτορραδιογραφία (δηλα
Μια μεγάλη δόση ιοντίΖουσας ακτινοβολίας αναστέλλει
δή έκθεση των κυπάρων σε φωτογραφικό φιλμ, οπότε τα
την κυπαρική διαίρεση.
ραδιενεργά κύπαρα ενεργοποιούν το φιλμ και επισημαίνο
Α Πώς συμβαίνει αυτό;
νται ως μαύρα στίγματα). Σ' ένα απλό πείραμα, κύπαρα ση
Β. Τί θα συμβεί σ' ένα κύπαρο με μια μετάλλαξη που απο
μαίνονται με ραδιενέργεια με αυτή τη μέθοδο για βραχύ
τρέπει την αναστολή της κυπαρικής διαίρεσης μετά από
χρονικό διάστημα (περίπου
ακτινοβόληση;
σο που περιέχει τη ραδιενεργό θυμιδίνη αντικαθίσταται α
Γ. Ποιές επιπτώσεις θα είχε μια τέτοια μετάλλαξη αν το κύτ ταρο δεν ακτινοβολούνταν; Δ. Αν ένας ενήλικος άνθρωπος δεχθεί μια δόση ακτινοβο
30 λεπτά).
Στη συνέχεια, το μέ
πό μέσο που περιέχει μη σημασμένη θυμιδίνη και τα κύπα ρα αφήνονται ν' αυξηθούν για ορισμένο επιπλέον χρόνο.
Σε διαφορετικούς χρόνους μετά την αντικατάσταση του μέ
λίας τόσο μεγάλη ώστε να διακοπεί η διαίρεση των κυτ
σου, τα κύπαρα εξετάΖΟνται στο μικροσκόπιο. Η αναλογία
τάρων' θα πεθάνει μέσα σε λίγες ημέρες. Τί υποδηλώ
των κυπάρων που βρίσκονται σε μίτωση (αναγνωρίΖΟνται
νει αυτό (εκτός από το γεγονός ότι πρέπει ν' αποφεύ
εύκολα επειδή τα χρωμοσώματά τους είναι συμπυκνωμέ
γουμε τις μεγάλες δόσεις ακτινοβολίας);
να) και έχουν στους πυρήνες τους ραδιενεργό
DNA σε σχέ
ση με το χρόνο έκθεσης στη ραδιενεργό θυμιδίνη αποδίδε
Ερώmσn
18-14
Κατά τη γνώμη σας, τι συμβαίνει σε μεταλλαγμένα κύπαρα
ται με μια καμπύλη στην Εικόνα Ε18-16. Α Μετά τη σήμανση, ραδιενεργό
DNA θα
περιέχουν όλα
τα οποία ...
τα κύπαρα; (συμπεριλαμβανομένων και κυπάρων σε ό
Α αδυνατούν ν' αποδομήσουν τις κυκλίνες;
λες τις φάσεις του κυπαρικού κύκλου);
790
Κεφάλαιο 18: Έλεγχος του Κυτταρικού Κύκλου και Κυτταρικός Θάνατος
Ερώmσn
18-17
Τα ηπατικά κύπαρα πολ/απλασιάΖονται τόσο σε ασθενείς
με αλκοολισμό όσο και σε ασθενείς με ηπατικά νεοπλά σματα. Σε τι διαφέρουν οι μηχανισμοί που επάγουν τον κυπαρικό πολ/απλασιασμό σε καθεμία από αυτές τις κα ταστάσεις;
Ερώmσn
18-18
Εξετάστε προσεκτικά τις ηλεκφονιομικρογραφίες της Ει Ο
5
10
15
20
χρονικό διάστημα που μεσολάβησε
από τη σήμανση με ραδιενεργό θυμιδίνη (ώρες)
Εικόνα Ε18·16
κόνας
18-20.
Περιγράψτε τις διαφορές ανάμεσα στο κύτ
ταρο που πέθανε με νέκρωση και στο κύπαρο που πέθανε με απόπτωση.
Β. Γιατί σων αΡΧή τα μιτωτικά κύπαρα δεν περιέχουν ρα διενεργό
DNA;
Γ. Ερμηνεύστε την άνοδο και την πτώση της καμπύλης.
Δ. Με τα διαθέσιμα δεδομένα, υπολογίστε τη διάρκεια της φάσης
G2.
Ερωτήσεις
791
Κυιιαρική Διαίρεση
Τα κύπαρα αναπαράγονται διπλασιάζοντας το περιεΧόμενό τους και διαι ρούμενα
ma
δύο. Στους μονοκύπαρους οργανισμούς, όπως τα βακτήρια ή
οι σακχαρομύκητες, κάθε κυπαρική διαίρεση παράγει έναν εντελώς νέο ορ
γανισμό, ενώ mους πολυκύπαρους οργανισμούς για να δημιουργηθεί ένας νέος οργανισμός από το μονοκύπαρο ωάριο απαιτούνται πολ/οί κύκλοι κυτ ταρKών διαιρέσεων. Αυτός ο κύκλος αντιγραφής και διαίρεσης, θεμελιώδης για Την αναπαραγωγή όλων των έμβιων όντων, είναι yvωmός ως κυπαρικός
κύκΛος. Στο Κεφάλαιο
18 εξετάσαμε
πώς ελέγχουν τα ευκαρυωηκά κύπαρα
ης διάφορες φάσεις του κύκλου ώmε να συμβαίνουν τον κοιάλ/ηλο χρόνο
και με Τη σωmή σειρά. Σε αυτό το κεφάλαιο θα επικεντρωθούμε σΤην τελική
φάση του κυπαρικού κύκλου, κατά Την οποία το κύπαρο διαιρεί πρώτα ων πυρήνα (μίrωσn) και μετά ω κυπαρόπλασμά ωυ (κυπαροκίvnσn). ΜαΖί, η μίτωση και η κυπαροκίνηση συγκροωύν Τη φάση Μ ωυ κυπαρικού κύκλου (Εικόνα
19-1).
Παρόη η φάση Μ έχει σχεηκά σύντομη διάρκεια
-
περίπου μια ώρα σ'
ένα κύπαρο θηλαmlκού που διαιρείται μια φορά Την ημέρα ή ακόμα και μια φορά ω χρόνο
-
είναι η πιο συναρπαmlκή φάση ωυ κυπαρικού κύ
κλου. Κοιά Τη διάρκεια αυτής Της σύντομης περιόδου, το κύπαρο αναδιορ
γανώνει όλα τα συmαηκά του και τα μοιράΖει lσόημα
ma
δύο θυγατρικά
κύπαρα. ΣΤην ουσία, οι υπόλοιπες φάσεις ωυ κυπαρικού κύκλου προεωl μάΖουν το έδαφος για Τη φάση Μ. Στα κύπαρα που πολ/απλασιάΖΟνταιμε ων ταχύτερο ρυθμό, αυτή η προπαρασκευαmlκήπερίοδος, γνωmή ως με σόφασn, διαιρείται σε τρεις φάσεις: φάσn
5,
κοιά Την οποία αντιγράφεται
ω ΟΝΑ, και δύο κενά, φάσεις νικό περιθώριο ν' αυξηθεί
G] και G2 , που αφήνουν mo κύπαρο ω χρο (Εικόνα 19-2). Τα γεγονότα που συμβαίνουν
κοιά Τη μεσόφαση και προεωιμάΖουν ω κύπαρο για Τη φάση Μ, όπως και
για όλα τ' άλ/α συμβάντα ωυ κυπαρικού κύκλου, συντονίΖΟνται από ω σύ σrnpa εΛέγχου roυ κυπαρικού κύκΛου. Όπως είδαμε κεφάλαιο,
mo
mo
προηγούμενο
κέντρο του συmήματος ελέγχου βρίσκεται μια ομάδα πρω
τεϊνών που διαδοχικά ενεργοποιούνται και πυροδοωύν τα διάφορα βήμα-
Επισκόπηση της μίτωσης Πρωτείνες που προσδένονται στο ΟΝΑ διαμορφώνουν κατάλληλα τ' αντιγραμμένα χρωμοσώματα και τα προετοιμάζουν για τον διαχωρισμό που θα συμβεί στη φάση Μ Ο κυπαροσκελετός επιτελεί τόσο τη μίτωση όσο και την κυπαροκίνηση Τα κεντροσωμάτια διπλασιάζονται και βοηθούν να σχηματιστούν οι δύο πόλοι της μιτωτικής ατράκτου
Η φάση Μ παραδοσιακά διαιρείται σε έξι στάδια Μίτωση Η αστάθεια των μικροσωληνίσκων διευκολύνει το σχηματισμό της μιτωτικής ατράκτου Η μιτωτική άτρακτος αρχίζει να συναρμολογείται κατά την πρόφαση Τα χρωμοσώματα προσκολλώνται στη μιτωτική άτρακτο κατά την προμετάφαση Κατά τη μετάφαση, τα χρωμοσώματα παρατάσσονται στον ισημερινό της ατράτκου Τα θυγατρικά χρωμοσώματα διαχωρίζονται κατά τηνανάφαση Το πυρηνικό περίβλημα ανασυγκροτείται κατά την τελόφαση Μερικά οργανίδια κατακερματίζονται κατά τη μίτωση Κuπαροκίνηση Η μιτωτική άτρακτος καθορίζει το επίπεδο της αυλάκωση ς του κυπαροπλάσματος Ο συσταλτικός δακτύλιος των ζωικών KUΠάρων αποτελείται από ακτίνη και μυοσίνη Στα φυτικά κύπαρα η κυπαροκίνηση περιλαμβάνει το σχηματισμό νέου κυπαρικού τοιχώματος Οι γαμέτες σχηματίζονται μ' ένα εξειδικευμένο τύπο KUΠαΡΙKής διαίρεσης
793
τα του κύκλου. Μεταξύ τους συμπεριλαμβάνονται ΟΙ Κ1νάσες που εξαρτώ
KυπαΡόΠλασμα~ πυρήνας~
Ι
νται από τις Kυκλfνες
αντιγραφή ;ων
η
19-1.
η οποία προκαλεί την έναρξη
M-Cdk προωθεί πολλές
από τις μορφο
λογικές αλλαγές που συμβαίνουν στα Ζωικά κύτταρα κατά τη μίτωση: τα
χρωμοσώματα συμπυκνώνονται, το πυρηνικό περίβλημα αποδομείται, το ενδοπλασματικό δίκτυο και η συσκευή
Golgi αναδιοργανώνονται,
το κύτ
ταρο χαλαρώνει τις συνδέσεις του με άλλα κύτταρα και το εξωκυττάριο φάση Μ
@@ Εικόνα
Cdk mς φάσης Μ (M-phase Cdk, M-Cdk),
της φάσης Μ. Η ενεργοποίηση της
!
~ ΚΥΠΑΡΟΚΙΝΗΣΗ λ
οι οποίες ελέγχουν
Σε αυτό το κεφάλαιο, η πιο σημαντική από τις παραπάνω κινάσες είναι
χρωμσσωματων
@ "ΙΤΩΣΗ
την είσοδο στη
(cyclin-dependent kinases, Cdk), φάση S και στη φάση Μ.
στρώμα και ο κυπαροσκελετός αναδιοργανώνεται δραστικά ώστε να σχη ματίσει τις εξειδικευμένες δομές που θα μοιράσουν τ' αντιγραμμένα χρω μοσώματα και θα διαιρέσουν το κύτταρο στα δύο. Η φάση Μ τερματίΖεται μόλις αδρανοποιηθεί η
M-Cdk.
Το κεφάλαιο αυτό αρχίΖει με μια συνοπτική επισκόπηση της φάσης Μ.
Στη συνέχεια θα εξετάσουμε τα γεγονότα που συμβαίνουν κατά τη μίτωση και την κυπαροκίνηση, εστιάΖοντας κυρίως στα Ζωικά κύπαρα.
Η φάση Μ αρχίζει με τη διαίρε
ση του πυρήνα (μίτωση) και συνεχίζεται με τη διαίρεση του κυπαροπλάσματος (κυπα ροκίνηση).
Επισκόπηση
rns
μίιωσηs
το βασικό πρόβλημα του κυπάρου κατά τη φάση Μ είναι να διαχωρίσει
με ακρίβεια και να μοιράσει τα χρωμοσώματά του (τα οποία είχαν αντιγραφεί κατά τη φάση
S που
προηγήθηκε), ώστε κάθε θυγατρικό κύπαρο να παρα
λάβει ένα πανομοιότυπο αντίγραφο του γονιδιώματος. Με μικρές παραλλα-
Εικόνα
19-2. Οι
τέσσερις διαδοχικές φάσεις
του κυπαρικού κύκλου ενός τυπικού ευκα ρυωτικού κυπάρου. Κατά τη διάρκεια της με σόφασης, το κύπαρο αυξάνει συνεχώς. Κατά τη διάρκεια της φάσης Μ η αύξηση σταματά και ακολουθεί πρώτα η διαίρεση του πυρήνα και μετά ολόκληρου του κυπάρου. Η αvτιγρα φή του ΟΝΑ περιορίζεται χρονικά στο διάστη μα της μεσόφασης που είναι γνωστό ως φάση
S. Η φάση G1 είναι το διάκενο ανάμεσα στη φά ση Μ και τη φάση S, ενώ η φάση G2 το διάκενο ανάμεσα στη φάση S και τη φάση Μ.
794
Κεφάλαιο 19: Κυτταρική Διαίρεση
θ
γές, όλοι οι ευκαρυώτες επιλύουν αυτό το πρόβλημα κατά παρόμοιο τρόπο: συναρμολογούν εξειδικευμένες μηχανές του κυπαροσκελετού που τραβούν και διαχωρίΖουν τα διπλασιασμένα χρωμοσώματα και επίσης διαιρούν το κυπαρόπλασμα στα δύο. Ωστόσο, προτού συμβεί ο διαχωρισμός και η κατα" νομή στα θυγατρικά κύπαρα, τα διπλασιασμένα χρωμοσώματα πρέπει ν' α ποκτήσουν κατάλ/ηλη διαμόρφωση. Αυτό αρχίΖει κατά τη φάση
5.
Πρωτε'ί'νες που προσδένονται στο ΟΝΑ διαμορφώνουν κατάλληλα τ' αντιγραμμένα χρωμοσώματα και τα προετοιμάΖουν για τον διαχωρισμό που θα συμβεί στη φάση Μ Μόλις διπλασιαστούν τα χρωμοσώματα κατά τη φάση
5, τα δύο αντίγραφα
κάθε αντιγραμμένου χρωμοσώματος παραμένουν ισχυρά συνδεδεμένα μετα
ξύ τους υπό μορφή ταυτόσημων αδελφών XΡΩμCΠΊΔΩν. Οι αδελφές χρωματί δες συγκρατούνται από πρωτεϊνικά σύμπλοκα που ονομάζονται KOΕZΊVες (CO-
hesins), τα οποία
συναρμολογούνται κατά μήκος κάθε χρωματίδης ενόσω α
ντιγράφεται το ΩΝΑ. Η συγκόλ/ηση των αδελφών χρωματίδων έχει Ζωτική ση μασία για το σωστό διοχωρισμό των χρωμοσωμάτων και Kαταi\ύεται προς το τέ
λος της μίτωσης, επιτρέποντας τον διοχωρισμό των αδελφών χρωματίδων. Όταν το κύπαρο ετοιμάΖεται να εισέλθει στη φάση Μ, τ' αντιγραμμένα χρωμοσώματα συμπυκνώνονται και γίνονται ορατά σαν κλωστές. Η συμπύ κνωση των χρωμοσωμάτων πραγμαίΟποιείται από πρωτεϊνικά σύμπλοκα
που ονομάΖΟνται KOVΤΕVσίνες
(condensins).
Η
M-Cdk που
πυροδοτεί την εί
σοδο στη φάση Μ, πυροδοτεί επίσης και τη συναρμολόγηση των κοντενσι
νών πάνω στο ΩΝΑ, φωσφορυλιώνοντας μερικές από τις υπομονάδες ίΟυς. Η συνάθροιση των κοντενσινών πάνω στο ΩΝΑ διευκολύνει την προοδευτι κή συμπύκνωση των χρωμοσωμάτων. Η συμπύκνωση κάνει τα χρωμοσώμα
τα πιο συμπαγή: έτσι διευκολύνει τη σωστή διακίνησή τους κατά τη διεργασία ίΟυ διαχωρισμού μέσα στο στενό Χώρο του διαιρούμενου κυπάρου. Οι κοεΖίνες και οι κοντενσίνες σχετίΖΟνται δομικά και συνεργάΖονται για
να διαμορφώσουν κατάλ/ηλα τ' αντιγραμμένα χρωμοσώματα ώστε να είναι έτοιμα για τη μίτωση. Όπως φαίνεται στην Εικόνα ουν δύο παράλ/ηλα μόρια ΩΝΑ
-
19-3,
οι κοεΖίνες συνδέ
τις ταυτόσημες αδελφές χρωματίδες
-
ε
νώ οι κοντενσίνες «δένουν» περιοχές ίΟυ ίδιου μορίου ΩΝΑ ώστε τελικά να ίΟ συμπυκνώσουν.
Ο κυπαροσκελετός εΠlΙελεί τόσο τη μίτωση όσο και την κυπαροκίνηση Μετά τη συμπύκνωση των διπλασιασμένων χρωμοσωμάτων, συναρμολο γούνται διαδοχικά δύο ξεχωριστές δομές ίΟυ κυταροσκελείΟύ που διεκπε ραιώνουν τις δύο μηχανικές διεργασίες οι οποίες συμβαίνουν κατά τη διάρ κεια της φάσης Μ, δηλαδή τη διαίρεση ίΟυ πυρήνα (μίτωση) και τη διαίρεση
του κυπαροπλάσμαίΟς (κυπαροκίνηση). Και ΟΙ δύο δομές αποσυναρμολο γούνται γρήγορα μόλις ολοκληρώσουν το έργο ίΟυς.
Επισκόπηση της Μίτωσης
795
Εικόνα
19-3. Οι
κοεζίνες και οι κοντενσίνες
προετοιμάζουν τα αντιγραμμένα χρωμοσώ ματα για τη μίτωση. (Α) Οι κοεζίνες συγκρα
11
Ι\
τούν τις δύο γειτονικές αδελφές χρωματίδες.
(8)
Οι κοντενσίνες περιελίσσουν μονά μόρια
DΝΑ κατά τη διεργασία της συμπύκνωσης των χρωμοσωμάτων. (η Οι κοεζίνες και οι κοντεν σίνες σμικρύνουν τα μιτωτικά χρωμοσώματα σε μικρές, συμπαγείς δομές που διαχωρίζο νται εύκολα κατά τη μίτωση. Στην ηλεκτρονιο μικρογραφία σάρωσης φαίνεται ένα αVΤιγραμ μένο ανθρώπινο μιτωτικό χρωμόσωμα, το ο
ποίο αποτελείται από δύο αδελφές χρωματί
'ν'
δες που συνενώνονται σε όλο το μήκος τους.
αδελφές χΡωματίδες
Η περισφιγμένη περιοχή (βέλος) είναι η περιο χή του KεVΤΡOμεριδίoυ, όπου συναρμολογού νται οι κινητοχώροι. (Με την άδεια του
(Α)
σπείρα DNA στο χρωμόσωμα
(8)
Terry D.
Allen). Για την παραγωγή δύο γενεπκώς ταυτόσημων θυγατρικών κυπάρων, το
ευκαρυωτικό κύτταρο πρέπει να εκτελέσει το δύσκοΛο έργο του διαχωρι σμού των διπΛασιασμένων χρωμοσωμάτων κω της κατανομής ενός αντιγρά φου του κάθε χρωμοσώματος σε κάθε θυγατρικό κύτταρο. Τ ο έργο αυτό διεκπεραιώνεται κατά τη διάρκεια της μίτωσης από τη μιrωΠKΩ άrρaKro
(mitotic spindle),
η οποία αποτεΛείτω από μικροσωΛηνίσκους και ποικίλες
πρωτεΙες (βλ ΚεφάΛωο
17).
Στα Ζωικά κύτταρα κω σε πολ/ούς μονοκύτταρους ευκαρυώτες, η δεύτε ρη δομή του κυτταροσκεΛετού που συναρμοΛογείτω κατά τη φάση Μ είνω υ πεύθυνη για την κυπαροκίνηση. ΑποκαΛείτω συσraiΊΠKός δaκτuiΊlΟς (contractile ring) κω αποτεΛείται κυρίως από νημάπα ακτίνης κω μυοσίνης (βΛ. ΚεφάΛωο 17). ΑρχίΖει να συναρμοΛογείτω προς το τέΛος της μίτωσης γύρω από τον ισημερινό του κυττάρου, αμέσως κάτω από την κυπαρική μεμβράνη.
Καθώς συσrέλ/ετω, έΛκει τη μεμβράνη προς τα μέσα κω έτσι διαιρεί το κύτ ταρo σrα δύο (Εικόνα
19-4). Όπως
θα δούμε αργότερα, τα φυπκά κύτταρα
διαιρούν το κυπαρόπΛασμά τους με ποΛύ διαφορεπκό τρόπο. Η συναρμολόγηση της μιτωπκής ατράκτου σrα Ζωικά κύπαρα βασίΖετω σrα κεντροσωμάπα, τα οποία διπΛασιάΖονται προτού αρχίσει η φάση Μ κω μετά βοηθούν να σxημαπσroύν οι πόΛοι της ατράκτου.
Τα ΚΕντροσωμάτια διπλασιάΖονται και βοηθούν να σχηματιστούν οι δύο πόλοι της μlΙωτικής ατράκτου Εικόνα
19-4. Δύο
παροδικές δομές του κυτ
Προτού αρχίσει η φάση Μ πρέπει να έχουν πραγματοποιηθεί δύο κρίσι-
ταροσκελετού που συμμετέχουν στη φάση Μ στα ζωικά κύπαρα. Στην αρχή συναρμολο γείται η μιτωτική άτρακτος για τον διαχωρισμό
των χρωμοσωμάτων και μετά ο συσταλτικός δακτύλιος για τη διαίρεση του κυπάρου στα
~:-::~~~_ χρωμοσώματα
δύο. Η μιτωτική άτρακτος βασίζεται σε μικρο
ΕΞΕΛΙΞΗ ΣΤΗ ΦΑΣΗ Μ
σωληνίσκους, ενώ ο συσταλτικός δακτύλιος σε νημάτια ακτίνης και μυοσίνης. Όπως θα δούμε στη συνέχεια, τα φυτικά κύπαρα διαι
ρούν το κυπαρόπλασμά τους με πολύ διαφο ρετικό μηχανισμό.
796
Κεφάλαιο 19: Κυτταρική Διαίρεση
μικροσωληνίσκοι της
νημάτια ακτίνης και μυοσίνης του
μιτωτικής ατράκτου
συσταλτικού δακτυλίου
μα γεγονότα: πρέπει να έχει ολοκληρωθεί η ανπγραφή του ΟΝΑ και, στα Ζω ικά κύπαρα, πρέπει να έχει διπλασιαστεί το κεντροσωμάπο. Το KΕVΤρoσωμά
πο είναι το κύριο κέvrρο οργάνωσnς μικροσωiΊnν[σκων στα Ζωικά κύπαρα. Ο διπλασιασμός του είναι απαραίτητος ώστε να σχηματιστούν οι δύο πόλοι της μιτωτικής ατράκτου, η οποία θα διαχωρίσει τα διπλασιασμένα χρωμοσώ
ματα και θα τα μοιράσει στα θυγατρικά κύπαρα. Επίσης, το κεντροσωμάτιο πρέπει να διπλασιαστεί, ώστε κάθε θυγατρικό κύπαρο ν' αποκτήσει το δικό του κεντροσωμάτιο.
Όπως είδαμε στο Κεφάλαιο
17,
κάθε κεντροσωμάτιο αποτελείται από έ
να άμορφο στρώμα πρωτεϊνών που περιέχει εκατοντάδες δακτυλίους Υ-του μπουλίvnς. Αυτοί οι δακτύλιοι λειτουργούν ως θέσεις εμπυρήνωσης για την αύξηση μικροσωληνίσκων που εξορμούν ακτινωτά από το κεντροσωμάτιο
.
αστέρας
Στα Ζωικά κύπαρα, το κεντροσωμάτιο επίσης περιέχει ένα Ζεύγος κεντρι
..
δίων: κάθε κεντρίδιο αποτελείται από μια κυλινδρική συστοιΧία βραΧέων μι κροσωληνίσκων (βλ. Εικόνα
17-11).
Κατά τη διάρκεια της μεσόφασης κάθε Ζωικού κύκλου, το κεντροσωμάτιο διπλασιάΖεται και τα δύο αντίγραφα παραμένουν ως ενιαίο σύμπλοκο στη μια πλευρά του πυρήνα. Καθώς αρχίΖει η μίτωση, τα δύο κεντροσωμάτια δια χωρίζονται και το καθένα οργανώνει το σχηματισμό ενός ακτινωτού «στεφά
νου» μικροσωληνίσκων που ονομάΖεται ασrέρας. Οι δύο αστέρες μετακινού νται στις αντίθετες πλευρές του πυρήνα ώστε να σχηματίσουν τους δύο πό λους της μιτωτικής ατράκτου (Εικόνα
19-5). Μόλις
αποδομηθεί το πυρηνικό
περίβλημα, η άτρακτος αιχμαλωτίΖει τα χρωμοσώματα και τελικά τα διαχωρί
!
!
Υ
φάση Μ
'IJ \
7(
~
διπλασιασμένο χρωμόσωμα
Ι ~
Ζει σε μεταγενέστερο στάδιο της μίτωσης. Ο διπλασιασμός των κεντροσωμα τίων ενεργοποιείται από τις ίδιες ΟΝΑ (βλ. Κεφάλαιο
S.
18). Αυτό
Cdk που
πυροδοτούν την αντιγραφή του
ερμηνεύει γιατί αρχίΖει στις αρχές της φάσης
Καθώς ολοκληρώνεται η μίτωση και ξανασχηματίΖεται το πυρηνικό περί
βλημα γύρω από τα διαχωρισμένα χρωμοσώματα, κάθε θυγατρικό κύπαρο
παραλαμβάνει ένα κεντροσωμάτιο μαΖί με τα χρωμοσώματά του. Η διεργα
Εικόνα
19-5. Στο
μεσοφασlκό κύπαρο το κε
ντροσωμάτιο διπλασιάζεται για να σχηματί σει τους δύο πόλους της μιτωτικής ατρά
σία του διπλασιασμού και διαχωρισμού του κεντροσωματίου είναι γνωστή ως
κτου. Στα περισσότερα ζωικά κύπαρα, ένα
κύκλος του κεντροσωματίου.
ζεύγος κεντριδίων (εδώ εικονίζονται ως σκου
ροπράσινες γραμμές) σχετίζεται με το στρώμα του κεντροσωματίου (ανοιχτό πράσινο) που
Η φάση Μ παραδοσιακά διαιρείται σε έξι στάδια
κατευθύνει την έκφυση των μικροσωληνίσκων. (Για λόγους ευκρίνειας, ο όγκος του κεντρο
Η μίτωση εξελίσσεται ως μια συνεχής ακολουθία γεγονότων. Ωστόσο,
παραδοσιακά, διαιρείται σε έξι στάδια:
(prophase), τα
(1)
κατά τη διάρκεια της πρόφασης
αντιγραμμένα χρωμοσώματα συμπυκνώνονται και η μιτωτική
άτρακτος αρχίΖει να συναρμολογείται έξω από τον πυρήνα,
μεrάφασn
(prometaphase), το
(2)
κατά την προ
πυρηνικό περίβλημα θρυμματίΖεται, οπότε οι
μικροσωληνίσκοι της ατράκτου μπορούν πλέον να έλθουν σε επαφή με τα χρωμοσώματα και να προσδεθούν σε αυτά,
(3)
κατά τη μεrάφασn
(meta-
phase), η μιτωτική άτρακτος συγκεντρώνει όλα τα χρωμοσώματα στο κέντρο της (ισημερινός), (4) κατά την ανάφαση, οι δύο αδελφές χρωματίδες κάθε α ντιγραμμένου χρωμοσώματος διαχωρίΖΟνται και συγχρόνως έλκονται από την άτρακτο στους δύο αντίθετους πόλους του κυπάρου,
(5)
κατά την [εiΊό
φαση, γύρω από την κάθε ομάδα των διαχωρισμένων χρωμοσωμάτων ανα-
σωματίου εικονίζεται μεγαλύτερος απ' όσο εί ναι στην πραγματικότητα). Ο διπλασιασμός του κεντροσωματίου αρχίζει στην αρχή της φάσης
S και ολοκληρώνεται κατά τη φάση G2•
Στην αρχή, τα δύο κεντροσωμάτια παραμέ νουν μαζί. Μόλις αρχίσει η φάση Μ διαχωρίζο νται στα δύο και καθένα εμπυρηνώνει τον α στέρα του. Στη συνέχεια, οι δύο αστέρες απο μακρύνονται μεταξύ τους και οι μικροσωληνί σκοι που αλληλεπιδρούν ανάμεσα στους δύο
αστέρες επιμηκύνονται για να σχηματίσουν τη δίπολη μιτωτική άτρακτο, στον κάθε πόλο της οποίας υπάρχει ένας αστέρας. Όταν αποδο μηθεί το πυρηνικό περίβλημα, οι μικροσωληνί σκοι της ατράκτου μπορούν ν' αλληλεπιδρά σουν με τα χρωμοσώματα.
Επισκόπηση της Μίτωσης
797
•,
Ερώτηση
19-1
συναρμολογείται ένα πυρηνικό περίβλημα ώΟίε να σχημαΤΙΟίούν δύο πυρή
Κοτά ων κυτταρική διαίρε
νες. Αυτά τα πέντε στάδια ως μίτωσης μαΖί με την κυπαροκίvnσn (έκτο στά
ση, το ενδοπλασματικό δί
διο) παρουσιάΖΟνται ΟίΟ Παράρτημα
κτυο μοιράΖεται Οία θυγα
στο τέλος ως τελόφασης, οπότε ο πυρήνας και το κυπαρόπλασμα κάθε θυ
19-1. Η κυπαροκίνηση
ολοκληρώνεται
τρικά κύτταρα με τυχαία κα
γατρικού κυπάρου επανέρχονται στη μεσόφαση. Αυτό σημαιοδοτείιο τέλος
τανομή των κλασμάτων που
της φάσης Μ.
δημιουργούνται κατά τη μί τωση. Κατά τη γνώμη σας, γιατί δεν θα ή ταν αποτελεσματική η τυχαία κατανομή των χρωμοσωμάτων;
Μίιωση Προτού αρχίσει η διαίρεση του πυρήνα, ή αλλιώς μίτωση, κάθε χρωμό
σωμα έχει αντιγραφεί και αποτελείται από δύο ταυτόσημες χρωματίδες
matids), γνωστές
(chro-
και ως αδελφές χρωματίδες. ΟΙ αδελφές χρωματίδες είναι
συνενωμένες σε όλο το μήκος τους με αλ/ηλεπιδράσεις μεταξύ κοεΖινών που βρίσκονται Οίην επιφάνειά ιους (βλ. Εικόνα 19-3Α). Κατά τη διάρκεια της μίτωσης, ΟΙ πρωτε'ϊνες αυτές διασπώνται και ΟΙ αδελφές χρωματίδες δlΟ
χωρίΖΟνται και μετατρέπονται σε ανεξάρτητα θυγατρικά χρωμοσώματα που έλκονται στους αντίθειους πόλους του κυπάρου από τη μιτωτική άτρακιο (Ει κόνα
19-6). Στις παραγράφους
που ακολουθούν θα εξετάσουμε πώς σχημα
τίΖεται και πώς λειιουργεί η μιτωτική άτρακτος.
Η αστάθεια των μικροσωληνίσκων διευκολύνει το σχηματισμό της μιτωIlκής ατράκτου Κατά τη μεσόφαση, τα περισσότερα Ζωικά κύπαρα περιέχουν στο κυπα ρόπλασμά ιους μια ομάδα μικροσωληνίσκων που εξορμούν ακτινωτά από ΙΟ ένα και μοναδικό κεντροσωμάτιο (βλ. Εικόνα 17-9Α). Τα ταΧέως αυξανόμε να άκρα των μικροσωληνίσκων, γνωστά ως συν άκρα, προεξέχουν προς την
περίμετρο του κυπάρου, ενώ τα πλην άκρα συνδέονται με 10 κεντροσωμάτιο.
Όπως αναφέραμε στο Κεφάλαιο 17, ΟΙ μικροσωληνίσκοι που εξορμούν α κτινωτά από ΙΟ κεντροσωμάτιο ενός μεσοφασικού κυπάρου συνεΧώς πολυ μερίΖονται και αποπολυμερίΖΟνται με την προσθήκη και την απώλεlΟ υπομο νάδων της τουμπουλίνης που συγκροιούν έναν μικροσωληνίσκο: η δομή
του κάθε μικροσωληνίσκου εναλλάσσεται συνεΧώς μεταξύ αύξησης και συρ ρίκνωσης, μια διεργασία γνωστή ως δυναμική αστάθειο (βλ. Εικόνα
(dynamic instability)
17-12).
ΟΙ μικροσωληνίσκοι που εξορμούν ακτινωτά από κάθε ξεχωΡΙΟίό θυγα τρικό κεντροσωμάτιο στην αρχή της μίτωσης εκδηλώνουν την ίδlΟ ΣUμπερι-
αδελφές χρω ατίδες
Εικόνα
19-6.
Ο διαχωρισμός των αδελφών
χρωματίδων. Από το διαχωρισμό κάθε ζευγα ριού αδελφών χρωματίδων προκύmουν δύο θυγατρικά χρωμοσώματα, τα οποία στη συνέ χεια έλκονται προς τους αντίθετους πόλους
του κυπάρου από τη μιτωτική άτρακτο.
798
Κεφάλαιο 19: Κυτταρική Διαίρεση
φορά αλλά είναι ακόμα πιο δυναμικοί, με1Οπίπτοντας από τον πολυμερισμό σων αποπολυμερισμό και το αντίσφοφο με 1ΟχύΤη1Ο
20 φορές
μεγαλύτερη
από Την 1ΟχύΤη1Ο των μεσοφασικών μικροσωληνίσκων. Επιπλέον, από κάθε κεντροσωμάnο εξορμούν πολύ περισσότεροι μικροσωληνίσκοι, οι οποίοι, κατά μέσο όρο, είναι πολύ βραΧύτεροl. Οι διαφορές αυτές θεωρείται όη α
ντικατοπτρίΖουν αλλαγές
mnv κατάmαση
φωσφορυλίωσης ορισμένων πρω
τεϊνών των κεντροσωματίων που συμβαίνουν νεπώς,
mnv αΡΧή Της μίτωσης,
mnv αΡΧή
της πρόφασης. Συ
οι σχεηκά αραιοί, επιμήκεις μεσοφασικοί μι
κροσωληνίσκοι γρήγορα πολ/απλασιάΖΟνται και βραΧύνονται, αποδίδοντας τους δυναμικούς μικροσωληνίσκους που σχηματίΖουν Τη μιτωηκή άτρακτο.
Οι διαφορές
mn συμπεριφορά
των μικροσωληνίσκων μεταξύ μεσοφασι
κών και μιτωηκών κυπάρων προωθούνται από αλλαγές
mn
δραmηριόΤητα
ποικίλων πρωτεϊνών που oMπiΊεωδρoύν με τους μlKρoσωiΊπν{σKoυς
crotubule-associated proteins, MAPs).
(mi-
Κατά τη διάρκεια της μεσόφασης,
πολλές διαφορεnκές πρωτεΙνες ΜΑΡ προσδένονται mους μικροσωληνί σκους και τους mαθεροποιούν. ΣΤην έναρξη Της μίτωσης, η ροδοτεί την είσοδο
mn
M-Cdk που
πυ
φάση Μ φωσφορυλιώνει ορισμένες από αυτές ης
ΜΑΡ και ελαπώνει Την ικανόΤητά τους να mαθεροποιούν τους μικροσωληνί σκους. Περαιτέρω αποmαθεροποίηση προκαλούν επιπρόσθετες πρωτεΙνες που ονομάΖΟνται κοτοσφοφ{νες και προάγουν τον αιφνίδιο αποπολυμερι σμό των μικροσωληνίσκων. Συνολικά, αυτές οι αλλαγές προωθούν Τη μαΖΙ κή αναδιοργάνωση των μικροσωληνίσκων του κυπάρου που συμβαίνει
mnv
αρχή Της φάσης Μ.
Η μlΙωτική άτρακτος αΡΧίΖει κατά
va
συvαρμολογείιοι
Inv ηρόφαση
Όπως προαναφέραμε,
mnv αΡΧή Της
φάσης
S, το κύπαρο
αρχίζει να δι
πλασιάΖει το κεντροσωμάηό του για να παραγάγει δύο θυγατρικά κεντροσω μάηα, τα οποία αρχικά παραμένουν μαΖί
mnv
ίδια πλευρά του πυρήνα. Κα
θώς αΡΧίΖει η πρόφαση, τα δύο θυγατρικά χρωμοσώματα διαχωρίΖονταΙ. ΣΤη
συνέχεια, οργανώνουν Τη δική τους συmΟΙΧία μικροσωληνίσκων και αρΧί Ζουν να με1Οκινούνται προς τους αντίθετους πόλους του κυπάρου (βλ. Εικό να
19-5), εν μέρει
προωθούμενα από κινητήριες πρωτεΙνες οι οποίες χρησι
μοποιούν την ενέργεια της υδρόλυσης του ΑΤΡ για να με1Οκινηθούν κατά μήκος των μικροσωληνίσκων. (Ο γενικός μηχανισμός δράσης αυτών των κι
νητήριων πρωτεϊνών παΡουσιάmηκε
mo Κεφάλαιο 17).
Οι μικροσωληνίσκοι που αυξάνουν και συρρικνώνονται γρήγορα εκτεί
νονται από 10 δύο κεντροσωμάnαπρος όλες ης κατευθύνσεις και έτοι εξε ρευνούν το εσωτερικότου κυπάρου. Κατά Τη διάρκεια Της πρόφασης, και ε νώ το πυρηνικό περίβλημα εξακολουθείνα είναι ακέραιο, μερικοί από αυ τούς τους μικροσωληνίσκουςmαθεροποιούνται(παύουν να αποσυναρμο λογούνται) και σχηματίΖουντην εξαιΡεηκά οργανωμένη μπωτική άτρακτο.
Ορισμένοι από τους μικροσωληνίσκουςπου αυξάνουν από 10 αντίθε1Ο κε ντροσωμάηααλ/ηλεπιδρούνκαι συνδέουνης δύο ομάδεςτων χρωμοσωμά των μεταξύ τους για να σχηματίσουντον βασικό σκελετό Της μιτωηκής ατρά-
Μίτωση
799
Παράρτημα
19-1. Τα κύρια
στάδια
rns
φάσηs Μ σ' ένα Ζωικό κύτταρο
ΜΕΣΟΦΑΣΗ
Η ΚΥΠΑΡΙΚΗ ΔΙΑΙΡΕΣΗ ΚΑΙ Ο ΚΥΠΑΡΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ ΜΕΣΟΦΑΣΗ
διπλασιασμένοκεντροσωμάτιο
s KUΠαΡOδιόλυμ
6
ΚΥΠΑΡΟΚΙΝΗΣΗ
\\ \----\---1- πυρηνικό
ΠΡΟΦΑΣΗ
περίβλημα
CELL CYCΙE
απoσυμπυκvωμένα
ΤΕΛΟΦΑΣΗ
χρωμοσώματα
ΠΡΟΜΕΤΑΦΑΣΗ
2
στον πυρήνα
κυπαρική μεμβράνη
Κατά τη διάρκεια της μεσόφασης το κύπαρο αυξάνει σε
ΑΝΑΦΑΣΗ
4
μέγεθος. Το ΟΝΑ των χρωμοσωμάτων αντιγράφεται και το
ΜΕΤΑΦΑΣΗ
3
κεντροσωμάτιο διπλασιάζεται.
ΦΑΣΗΜ Η διαίρεση ενός κυπάρου σε δύο θυγατρικά κύπαρα συμβαίνει κατά τη φάση Μ του κυπαρικού κύκλου. Η φάση Μ περιλαμβάνει τη διαίρεση του πυρήνα ή μίτωση και τη διαίρεση του κυπαρο
πλάσματος ή κυπαροκίνηση. Στην παραπάνω εικόνα, για λόγους απλούστευσης, η φάση Μ παρουσιάζεται σε μεγέθυνση. Η ίδια η
μίτωση διαιρείται σε πέντε βήματα. Τα βήματα αυτά μαζί με την
Οι μικρογραφίες αυτού του παραρτήματος προέρχονται από ένα ζωντανό κύπαρο του επιθηλίου του πνεύμονα. Το ίδιο κύπαρο έχει φωτογραφηθεί σε διαφορετικούς χρόνους κατά τη διαίρεσή του σε δύο θυγατρικά κύπαρα. (Με την άδεια της
ConIy L. Rieder.)
KUΠαΡOKίνηση περιγράφονται σε αυτό το παράρτημα
ΠΡΟΦΑΣΗ ακέραιο πυρηνικό περίβλημα
Κατά την πρόφαση, κάθε
κεντροσωμάτιο
διπλασιασμένο χρωμόσωμα
σχηματιζόμενη μιτωτική
άτρακτος
που αποτελείται από δύο αδελφές χΡωματίδες συμπυ κνώνεται. Έξω από τον πυρή να συναρμολογείται η μιτω τική άτρακτος ανάμεσα στα
δύο κεντροσωμάτια που έχουν αντιγραφεί και απομα
κρυνθεί το ένα από το άλλο. κινητοχώρος συμπυκνούμενο χρωμόσωμα με δύο
αδελφές χΡωματίδες που συγκρατούνται μεταξύ τους σε όλο το μήκος τους
2
ΠΡΟΜΕΤΑΦΑΣΗ
Η προμετάφαση αρχίζει απότομα με την αποδόμηση
πόλος της ατράκτου
του πυρηνικού περιβλήματος.
Τα χρωμοσώματα μπορεί πλέον να προσδεθούν στους μικροσωληνίσκους της ατράκτου μέσω των κινητοχώρων τους και να κλάσματα του πυρηνικού περιβλήματος
χρωμοσώματα σε ζωηρή κίνηση
800
Κεφάλαιο 19: Κυτταρική Διαίρεση
μετακινηθούν.
χρόνος
= 79 min
3
ΜΕΤΑΦΑΣΗ
Κατά τη μετάφαση τα χρωμο σώματα παρατάσσονται στον ισημερινό της ατράκτου, στο μέσον της απόστασης ανάμε σα στους πόλους της. Οι ζευγαρωμένοι μικροσωληνί
μικροσωληνίσκος
σκοι των κινητοχώρων πάνω
του αστέρα
σε κάθε χρωμόσωμα συνά πόλος της
ατράκτου
moVTaL στους
αντίθετους
πόλους της ατράκτου.
οι KιvηΤOXώρOΙ όλων των χρωμοσωμάτων παρατάσσονται σ' ένα επίπεδο που βρίσκεται στο μέσον της απόστασης ανάμεσα στους δύο πόλους της ατράκτου
4
Κατά την ανάφαση οι ζευγα
ΑΝΑΦΑΣΗ
ρωμένες χΡωματίδες διαχω θυγατρικά χρωμοσώματα
ρίζονται συγχρονισμένα, έτσι ώστε να σχηματιστούν δύο θυγατρικά χρωμοσώματα. Κάθε χΡωματίδη έλκεται αργά προς τον σύστοιχο πόλο της ατράκτου. Οι μικροσωληνί σκοι των κινητοχώρων βραχύ νονται και ταυτόχρονα οι
πόλοι της ατράκτου απομα κρύνονται ο ένας από τον άλλο. Οι δύο αυτές διεργασίες πόλος της ατράκτου που συμβάλλουν στο διαχωρισμό μετακινείται προς των χρωμοσωμάτων. τα έξω
βραχυνόμενος μικροσωληνίσκος
του KιvηΤOXώρoυ
5
ΤΕΛΟΦΑΣΗ
Κατά τη διάρκεια της τελό φασης οι δύο ομάδες των
θυγατρικών χρωμοσωμάτων φτάνουν στους πόλους της
ατράκτου. Γύρω από κάθε ομάδα συναρμολογείται ένα νέο πυρηνικό περίβλημα και έτσι ολοκληρώνεται ο σχημα τισμός των δύο πυρήνων και σηματοδοτείται το τέλος της
μικρο σωληνίσκοι των πόλων της ατράκτου
6
πόλος της ατράκτου
μίτωσης. Η διαίρεση του κυπαροπλάσματος αρχίζει με τη συναρμολόγηση του
το πυρηνικό περίβλημα ανασυναρ συσταλτικού δακτυλίου. μολογείται γύρω από τα χρωμοσώματα
ΚΥΠΑΡΟΚΙΝΗΣΗ
Κατά τη διάρκεια της KUΠα
τα αποσυμπυκνούμενα χρωμοσώματα περιβάλλονται από ένα ολοκληρωμένο πυρηνικό περίβλημα
ροκίνησης ενός ζωικού κυπά ρου, το κυπαρόπλασμα
διαιρείται στα δύο από τον συσταλτικό δακτύλιο ακτίνης και μυοσίνης που περισφίγγει το κύπαρο για να δημιουρ γήσει δύο θυγατρικά κύπαρα, το καθένα με το δικό του πυρήνα.
συσταλτικός δακτύλιος που δημιουργεί την αύλακα της διαίρεσης
επανεμφάνιση της μεσοφασικής διάταξης των μικροσωληνίσκων που εξορμούν από το κεντροσωμάτιο
χρόνος =
362 min
Μίτωση
801
κτου, με το χαρακτηρισηκό διπολικό της σχήμα. Οι μlκροσωληνίσκοι αυτοί
αποκαλούνται πολικοί (επειδή εξορμούν από τους δύο πόλους της ατρά
κτου) και τα δύο κεντροσωμάτια από τα οποία εξορμούν αποκαλούνται πόλοι mς αφάκroυ
(spindle poles)
(Εικόνα
19-7). Η συναρμολόγηση της ατράκτου
εν μέρει προωθείται από κινητήριες πρωτεΤνες οι οποίες αλ/ηλεπιδρούν με τους πολικούς μlκροσωληνίσκους και διασυνδέουν ης δύο ομάδες μlκρο σωληνίσκων που συγκροτούν τη μιτωηκή άτρακτο.
Τα φυτικά κύπαρα σχηματίΖουν απόλυτα λειτουργικές μιτωτικές ατρά κτους παρόη δεν έχουν κεντροσωμάτια. Το γεγονός αυτό υποδηλώνει τη
σημασία των κινητήριων πρωτεϊνών αλλά και των ίδιων των χρωμοσωμά των στη συναρμολόγηση της ατράκτου. Σε κύπαρα χωρίς κεντροσωμάτια, η συναρμολόγηση των μlκροσωληνίσκων εμπυρηνώνεταl από τα χρωμο σώματα, ενώ οι κινητήριες πρωτεΊνες μετακινούνται και οργανώνουν τους
μlκροσωληνίσκους και τα χρωμοσώματα σε μια λειτουργική δίπολη άτρα κτο. Κατ' αυτόν τον τρόπο σχηματίΖΟνται άτρακτοι στα κύπαρα των φυτών και σε Ζωικά κύπαρα που προωθήθηκαν στη διαίρεση χωρίς κεντροσωμά
τια (Εικόνα
19-8).
Το επόμενο στάδιο στη μίτωση περιλαμβάνει τη διευθέτηση των αντl γραμμένων χρωμοσωμάτων πάνω στην άτρακτο κατά τέτοιο τρόπο ώστε ό
ταν διαχωριστούν οι αδελφές χρωματίδες, να έλκονται προς τους αντίθε Εικόνα 19·7. Ο σχηματισμός μιας δίπολης μι τωτικής ατράκτου με το μηχανισμό της εκλε
κτικήςσταθεροποίησης αλληλεπιδρώντων μlκροσωληνίσκων. Νέοι μικροσωληνίσκοι εκ φύονται από τα δύο κεντροσωμάτια. Στα ζωικά κύπαρα, στο κέντρο κάθε κεντροσωματίου υ πάρχει ένα ζευγάρι κεντριδίων. Τα δύο άκρα ε νός μικροσωληνίσκου, τα οποία συμβολίζονται
τους πόλους.
Τα χρωμοσώματα προσκολλώνιαι στη μιιωτική άτρακτο κατά την προμετάφαση Η προμετάφαση αΡΧίΖει απότομα με την αποσυναρμολόγηση του πυρηνι
ως (συν) και (πλην), έχουν διαφορετικές ιδιό
κού περιβλήματος που αποδομείται σε μικρά μεμβρανlκά κυστίδια. Όπως
τητες. Το άκρο πλην "αγκυροβολεί» στο κε
θα δούμε στη συνέχεια, η διεργασία αυτή πυροδοτείται από τη φωσφορυ
ντροσωμάτιο (βλ. Κεφάλαιο
17). Τα
ελεύθερα
άκρα συν παρουσιάζουν "δυναμική αστάθεια» και ξαφνικά μεταπίmουν από κανονική αύξη ση (κόκκινα βέλη που κατευθύνονται προς τα έ
ξω) σε ταχεία "συρρίκνωση" (κόκκινα βέλη που κατευθύνονται προς τα μέσα). Όταν δύο μικρο
!\ίωση και την επακόλουθη αποσυναρμολόγηση των πρωτεϊνών των ενδιά μεσων ινιδίων του πυρηνικού υμένα
(nuclear lamina),
δηλαδή του δικτύου
των ινωδών πρωτεϊνών που στηρίΖει και σταθεροποιεί το πυρηνικό περίβλη
μα (βλ. Εικόνα
17-8). Οι μlκροσωληνίσκοι της ατράκτου οι οποίοι «καραδο
σωληνίσκοι που ξεκινούν από αντίθετα κεντρο
κούσαν» έξω από τον πυρήνα, έχουν πλέον ελεύθερη πρόσβαση στα χρωμο
σωμάτια αλληλεπιδράσουν σε μια ζώνη επικά
σώματα στα οποία και προσδένονται (βλ. Παράρτημα
λυψης, πρωτεΊνες που σχετίζονται με τους μι
Οι μlκροσωληνίσκοι της ατράκτου προσδένονται στα χρωμοσώματα μέ
κροσωληνίσκους διασυνδέουν τους μικροσω ληνίσκους (μαύρες κηλίδες) και με τον τρόπο αυτό σταθεροποιούν τα συν άκρα, ελαπώνο ντας την πιθανότητα του αποπολυμερισμού.
19-1).
σω εξειδικευμένων πρωτεϊνικών συμπλόκων, που αποκαλούνται κινητοΧώ ροι
(kinetochores) και σχηματίΖΟνται
πάνω στα χρωμοσώματα σ' ένα προχω
ρημένο στάδιο της πρόφασης. Όπως αναφέραμε προηγουμένως, κάθε αντl γραμμένο χρωμόσωμα αποτελείται από δύο αδελφές χρωματίδες που είναι
συνενωμένες σε όλο το μήκος τους. Κάθε χρωματίδη εμφανίΖει μια περί σφιγξη σε μια περιοχή του ΟΝΑ με εξειδικευμένη αλ/ηλουΧία που αποκα
λείται κενφομερίδιο (βλ. Εικόνα
5-18). Αμέσως πριν από την προμετάφαση,
οι πρωτεΊνες του κινητοχώρου συναρμολογούνται σ' ένα μεγάλο σύμπλοκο πάνω σε κάθε κεντρομερίδιο. Επομένως, κάθε διπλασιασμένο χρωμόσωμα έχει δύο κινητοΧώρους (έναν πάνω σε κάθε αδελφή χρωματίδη) που έχουν
αντίθετο προσανατολισμό (Εικόνα
802
Κεφάλαιο 19: Κυτταρική Διαίρεση
19-9). Η συναρμολόγηση του κινητοΧώ-
Εικόνα
19·8. Οι
κινητήριες πρωτε'ί'νες και τα χρωμοσώματα μπορούν να κατευθύ·
πόλοι της ατράκτου
νουν τη συναρμολόγηση λειτουργικής μιτωτικής ατράκτου ακόμα και όταν απουσιά ζουν τα κεντροσωμάτια. Μικρογραφίες φθορισμού εμβρύων του εντόμου
Sciara. Οι
μικροσωληνίσκοι βάφονται πράσινοι και τα χρωμοσώματα κόκκινα. Στην πάνω μικρο
αστέρας
γραφία φαίνεται μια κανονική άτρακτος με κεντροσωμάτια σ' ένα έμβρυο που γονιμο ποιήθηκε κανονικά. Στην κάτω μικρογραφία φαίνεται μια άτρακτος χωρίς κεντροσωμά τια σ' ένα έμβρυο που άρχισε ν' αναmύσσεται χωρίς γονιμοποίηση και έτσι δεν είχε το κεντροσωμάτιο που συνεισφέρει το σπερματοζωάριο όταν γονιμοποιεί το ωάριο. Η ά τρακτος με κεντροσωμάτια έχει έναν αστέρα σε κάθε πόλο της, ενώ αυτό δεν συμβαί νει στην άτρακτο χωρίς κεντροσωμάτια. (Από: . de Saint Phalle and W. Sullivan, J. Cell ΒίοΙ.
141: 1383-1391, 1998. © The Rockefeller University Press). 10
μm
ρου εξαρτάται αποκλειστικά από την παρουσία της αλ/ηλουΧίας του ΟΝΑ του κεντρομεριδίου. Αν δεν υπήρχε αυτή η αλ/ηλουΧία οι κινητοχώροι δεν θα
συναρμολογούνταν, οπότε ο κανονικός διαχωρισμός των χρωμοσωμάτων κατά τη διάρκεια της μίτωσης θ' αποτύγχανε. Μόλις αποδομηθεί το πυρηνικό περίβλημα, ένας μlκροσωληνίσκος που
μετακινείται ωχαία μπορεί να συναντήσει έναν κινητοΧώρο και να συνδεθεί μαΖί του, αιχμαλωτίΖοντας έτσι το χρωμόσωμα. Ο μικρο σωληνίσκος αυτός α ποκαλείται πλέον μικροσωί'Ίnvίσκος του κιvnτοχώρου
(kinetochore microέναν πόλο της ατράκτου (Εικόνα 19-9,
tubule) και συνδέει το χρωμόσωμα σ' βλ. επίσης Παράρτημα 19-1). Επειδή οι κινητοΧώροι
των αδελφών χρωματί
δων έχουν αντίθετο προσανατολισμό, έχουν την τάση να προσκολ/ώνται σε
μlκροσωληνίσκους από τους αντίθετους πόλους της ατράκτου, οπότε κάθε διπλασιασμένο χρωμόσωμα συνδέεται και με τους δύο πόλους της ατρά
κτου. Ο αριθμός των μlκροσωληνίσκων που προσκολ/ώνταl σε κάθε κινητο
Χώρο διαφέρει από είδος σε είδος: για παράδειγμα, στον άνθρωπο, σε κάθε κινητοΧώρο προσδένονται
20-40 μlκροσωληνίσκοι,
ενώ στον Ζυμομύκητα
μόνο ένας. Οι τρεις κατηγορίες μlκροσωληνίσκων που σχηματίΖουν τη μιτω τική άτρακτο παρουσιάΖονται στην Εικόνα
19-13. Εικόνα
19-9.
Κινητοχώροl και μικροσωληνί
σκοι των κινητοχώρων. (Α) Ένα διπλασιασμέ νο χρωμόσωμα κατά τη μίτωση. Το ΟΝΑ έχει χρωσθεί με μια φθορίζουσα χρωστική (αριστε
διπλασιασμένο χρωμόσωμα ι
ρή φωτογραφία) και οι κινητοχώροι έχουν βα φεί κόκκινοι με φθορίζοντα αντισώματα που α
j
ναγνωρίζουν τις πρωτεΊνες του κινητοχώρου (δεξιά φωτογραφία). Τα αντισώματα αυτά προέρχονται από ασθενείς με σκληροδερμία
περιοχή του
κεντρομεριδίου
κινητοχώρος
(ένα νόσημα που προκαλεί ίνωση του συνδετι
κού ιστού στο δέρμα και σε άλλα όργανα), οι οποίοι, για άγνωστους λόγους, παράγουν α ντισώματα εναντίον των πρωτε'ίνών του κινη
μικροσωληνίσκοι του κινητοχώρου
τοχώρου τους. (Β) Σχηματική αναπαράσταση ενός μιτωτικού χρωμοσώματος. Φαίνονται α
δελφές χρωματίδες που συνάmονται στους μικροσωληνίσκους των κινητοχώρων μέσω των κινητοχώρων. Κάθε κινητοχώρος σχηματί ζει μια πλάκα στην επιφάνεια του κεντρομερι ~
χΡωματίδη (Α)
(8)
δίου. Τα συν άκρα των μικροσωληνίσκων προσδένονται στους κινητοχώρους. (Α. Με την άδεια του
B.R. Brinkley). Μίτωση
803
Ιστορική Αναδρομή: Συναρμολόγηση
rns
μιιωnκήs ατράκτου
Για περισσότερο από έναν αιώνα, οι ερευνητές παρακολουθούν τον συναρπαστικό χορό της κυπαρικής διαίρεσης: χρωμοσώματα
μιτωτικών κυπάρων αυξάνουν πιο αργά από τους αντίστοιχους των
που συμπλησιάζουν και απομακρύνονται. Ήδη από το
με τη
ντηση και στα δύο παραπάνω ερωτήματα είναι αρνητική. Οι ταχύτη
χρησιμοποίηση χρωστικών που προσδένονται στο ΟΝΑ αναγνωρί
τες πολυμερισμού και αποπολυμερισμού των μικροσωληνίσκων εί
στηκαν νηματοειδή χρωμοσώματα σε μεγάλη ποικιλία ζωικών και
ναι παρόμοιες και στα δύο εκχυλίσματα. Αντίθετα, αυτό που συμ
φυτικών κυπάρων. Ωστόσο, μόλις το
μιτωτικών κυπάρων; Μήπως συρρικνώνονται πιο γρήγορα; Η απά
Γερμανός ιατρός και
βαίνει είναι ότι οι μικροσωληνίσκοι των μιτωτικών εκχυλισμάτων εμ
για πρώτη φορά τη
φανίζουν εντυπωσιακή αύξηση ως προς τη συχνότητα των «κατα
μετακίνηση των μιτωτικών χρωμοσωμάτων. Παρατάσσοντας μια
στροφών», δηλαδή απότομων μεταmώσεων από την αύξηση στη
μικροσκόπος
1882 ο
1880,
Walther Flemming περιέγραψε
σειρά βαμένων κυπάρων σαν μια διαδοχή φωτογραφικών ενστα
συρρίκνωση, που οδηγούν σε ταχεία αποσυναρμολόγησή τους. Αυ
ντανέ, ο
τή η παρατήρηση υποκίνησε την αναζήτηση των παραγόντων που
Flemming διαπίστωσε
ότι τ' αντιγραμμένα χρωμοσώματα
συμπυκνώνονται, παρατάσσονται στο κέντρο του KUΠάΡOυ και με
αποσταθεροποιούντους μιτωτικούς μικροσωληνίσκους.
τά διαχωρίζονται στα δύο θυγατρικά κύπαρα. Όπως γνωρίζουμε σήμερα, το μπαλ/έτο των χρωμοσωμάτων χορογραφείται από τη μιτωτική άτρακτο, η οποία αιχμαλωτίζει και
Μάρτυρες καταστροφών Η πρώτη πρωτεΊνη που προάγει την καταστροφή των μικροσω
μοιράζει τα χρωμοσώματα για να εξαφανιστεί ξανά στο κυπαρό
ληνίσκων απομονώθηκε από εκχυλίσματα ωαρίων
πλασμα, Η μικροσκοπία εξακολουθεί να χρησιμοποιείται στη μελέ
μια ομάδα ερευνητών οι οποίοι αναζητούσαν πρωτείνες συγγενείς
Xenopus
από
τη της συναρμολόγησης και αποσυναρμολόγησης της ατράκτου,
με την κινησίνη, μια πρωτείνη που θεωρείται ότι εμπλέκεται στη συ
καθώς τα κύπαρα προχωρούν από τη μεσόφαση στη φάση Μ για
ναρμολόγηση της ατράκτου. Χρησιμοποιώντας ένα αντίσωμα που
να ξαναγυρίσουν στη μεσόφαση. Χρησιμοποιώντας την τεχνική
αναγνωρίζει τις κινησίνες, οι ερευνητές απομόνωσαν μια πρωτεΊνη
της βιντεο-μικροσκοπίας μπορεί να καταγραφεί σε πραγματικό
απαραίτητη για την κανονική συναρμολόγηση της ατράκτου στα
χρόνο η αύξηση και η συρρίκνωση των ξεχωριστών μικροσωληνί
εκχυλίσματα ωαρίων του
σκων που συγκροτούν την άτρακτο ενός ζωντανού KUΠάΡOυ.
Xenopus.
Η πρωτεΊνη, την οποία ονόμασαν
XKCM1 (Xenopus kinesin cen-
Ασφαλώς, η μελέτη ακέραιων κυπάρων παρουσιάζει ιδιαίτερα προβλήματα. Πολλές τεχνικές μικροσκοπίας επηρεάζονται από το
tral motor 1),
πάχος του δείγματος. Έτσι, μπορεί να είναι σχεδόν αδύνατη η πα
σμα χρησιμοποιώντας αντισώματα εναντίον της κινησίνης, οι ά
ρατήρηση δομών που βρίσκονται στη στρογγυλή, κεντρική περιο
τρακτοι που σχηματίστηκαν περιείχαν παθολογικά επιμήκεις μι
βρέθηκε να επηρεάζει εντυπωσιακά τη δυναμική των
μικροσωληνίσκων. Όταν απομακρύνθηκε από ένα μιτωτικό εκχύλι
χή ενός διαιρούμενου Kuπάρoυ. Η τεχνολογία του ανασυνδυασμέ
κροσωληνίσκους, ανάλογου μήκους με τους μικροσωληνίσκους
νου ΟΝΑ και η τεχνική της μικροένεσης επιτρέπουν να προστεθεί ή ν' απαλειφεί μια πρωτεΊνη από ένα ζωντανό κύπαρο. Ωστόσο, είναι
που σχηματίζονται σε μεσοφασικά εκχυλίσματα (Εικόνα
πολύ πιο εύκολο να διεξαχθούν πειράματα σε πρωτεΊνες ώστε να μελετηθεί η δυναμική των μικροσωληνίσκων σε κυπαροπλασματι
19-11).
Αυτή η αλλαγή στο σχηματισμό της ατράκτου προκλήθηκε από την ειδική απομάκρυνση της
XKCM 1: όταν η πρωτε'ίνη
προστέθηκε ξα
Xenopus. Αυτά τα κύπαρα είναι
νά στα εκχυλίσματα, οι αστέρες των μικροσωληνίσκων επανήλθαν στο κανονικό μέγεθος. Επιπλέον, οι ερευνητές απέδειξαν ότι η
προορισμένα να πραγματοποιήσουν τις ταχείες διαιρέσεις της αυ
XKCM 1 προάγει την καταστροφή των μικροσωληνίσκων σ' εκχυλί-
κά εκχυλίσματα, ιδίως από ωάρια
λάκωσης που ακολουθούν τη γονιμοποίηση. Έτσι, είναι κατάφορ τα πρωτεΊνες οι οποίες εμπλέκονται στην κυπαρική διαίρεση, με ταξύ των οποίων και οι πρωτεΊνες που αναδιοργανώνουν τον κυτ ταροσκελετό των μικροσωληνίσκων σε μιτωτική άτρακτο. Τα εκχυ λίσματα έχουν την ικανότητα να προκαλούν πολλές από τις αλλα γές που συμβαίνουν στα ακέραια κύπαρα κατά τη διάρκεια της φάσης Μ και επέτρεψαν στους ερευνητές ν' αναγνωρίσουν και να χαρακτηρίσουν ποικίλες πρωτεΊνες που εμπλέκονται στη συναρ
μολόγηση της ατράκτου. Παρατήρηση μlκροσωληνίσκων σε κυπαρικά εκχυλίσματα Κυπαροπλασματικά εκχυλίσματα μπορεί να παρασκευαστούν
από ωάριαΧenοΡUS που βρίσκονται είτε στη μεσόφαση είτε στη μί τωση. Και τα δύο είδη εκχυλισμάτων περιέχουν όλους τους παρά γοντες που απαιτούνται για τη συναρμολόγηση των μικροσωληνί σκων: έτσι, όταν προστεθούν κεντροσωμάτια, εμπυρηνώνουν τη συναρμολόγηση της τουμπουλίνης σε μικροσωληνίσκους. Αν στο παρασκέυασμα επίσης προστεθεί φθορίζουσα τουμπουλίνη, τότε από τα κεντροσωμάτια θα εκφύονται φθορίζοντες μικροσωληνί σκοι που μπορεί να παρατηρηθούν με νίdeο-μικροσκοπία φθορι σμού. Αυτό το
in vitro
σύστημα επιβεβαιώνει τις παρατηρήσεις που
είχαν γίνει στα ζωντανά κύπαρα: για παράδειγμα, οι μικροσωληνί σκοι των μιτωτικών εκχυλισμάτων είναι βραχύτεροι από τους αντί στοιχους των μεσοφασικών εκχυλισμάτων (Εικόνα
19-1 Ο)
και επί
σης πιο δυναμικοί.
Σε τι οφείλεται αυτή η διαφορά; Μήπως οι μικροσωληνίσκοι των
Εικόνα
19-10. Οι
μικροσωληνίσκοι είναι βραχύτεροl στα μιτω
τικά κύπαρα σε σχέση προς τα μεσοφασlκά κύπαρα. Μικρο γραφίες φθορισμού από πνευμονικά κύπαρα τρίτωνα σε καλ λιέργεια. (Α) Μεσόφαση.
(6)
Μετάφαση. Μπλε: χρωμοσώματα,
πράσινο: μικροσωληνίσκοι. (Με την άδεια των
Waters και R.W. Cole).
C.L. Rieder, J.C.
Xenopus
επίσης περιέχουν και άλλες πρωτεΊνες με αντίθετη δρά
ση, δηλαδή πρωτεΊνες που προάγουν τη συναρμολόγηση των μι
-XKCM1
+XKCM1
κροσωληνίσκων. Στον βάτραχο
Xenopus, αυτές οι πρωτεΊνες που (Xenopus microtubule-
αλληλεπιδρούν με τους μικροσωληνίσκους
associated proteins, ΧΜΑΡ)
προάγουν την αύξηση των μικροσωλη
νίσκων με ποικίλους μηχανισμούς: ορισμένες αυξάνουν τον πολυ μερισμό, ενώ άλλες αναστέλλουν τον αποπολυμερισμό. Σε αυτό το στάδιο, οι ερευνητές γνώριζαν πλέον πολλές πρω τεΊνες: ορισμένες, όπως η
XKCM 1, προκαλούσαν
την καταστροφή
των μικροσωληνίσκων, ενώ άλλες, όπως οι ΧΜΑΡ, προήγαγαν τη
συναρμολόγησή τους. Πώς όμως συνεργάζονταν όλες αυτές οι
Εικόνα 19-11. Μια πρωτε"ί'νη που σχετίζεται με την κινησίνη προάγει τον αποπολυμερισμό των μlκροσωληνίσκων και εί ναι απαραίτητη για τη συναρμολόγηση της μιτωτικής ατρά
πρωτεινες ώστε να ελέγξουν τη δυναμική των μικροσωληνίσκων
κτου. Αν προστεθούν κεντροσωμάτια και πυρήνες σπερματο
δύο και κατέγραψαν τις επιmώσεις. Όπως ήταν αναμενόμενο, η αφαίρεση της ΧΜΑΡ αύξησε σημα
ζωαρίων σε μιτωτικά εκχυλίσματα ωαρίων
Xenopus,
θα σχημα
τιστούν μιτωτικές άτρακτοι (Α). Αν όμως προηγουμένως έχει α φαιρεθεί από το εκχύλισμα η πρωτεινη XKCM 1, τότε θα σχημα τιστούν τεράστιοι αστέρες με παθολογικά επιμήκεις μικροσω
στο κύπαρο; Για να βρουν την απάντηση, οι ερευνητές αφαίρεσαν από εκχυλίσματα
Xenopus μια ΧΜΑΡ, μια καταστροφίνη ή και τις
ντικά τη συχνότητα των καταστροφών και οδήγησε στη δημιουρ γία βραχύτερων, πιο δυναμικών μικροσωληνίσκων τόσο στα μεσο φασικά όσο και στα μιτωτικά εκχυλίσματα. Συνεπώς, αυτή η πρω
ληνίσκους και δεν θα συναρμολογηθούν άτρακτοι Αυτό το εύ
τεΊνη κανονικά σταθεροποιεί τους μικροσωληνίσκους και αποτρέ
ρημα υποδηλώνει ότι η
πει την καταστροφή τους (Εικόνα
XKCM 1 κανονικά αποπολυμερίζει τους
μικροσωληνίσκους κατά τη δημιουργία της μιτωτικής ατράκτου
αδρανοποίηση της καταστροφίνης
19-12). Στα ίδια εκχυλίσματα, η XKCM1 είχε την αντίθετη δρά
και ότι αυτό είναι προϋπόθεση για τη συναρμολόγηση της α
ση: προκάλεσε εντυπωσιακή μείωση της συχνότητας των κατα
τράκτου. Φωτογραφίες φθορισμού: κόκκινο: μικροσωληνίσκοι,
στροφών. Συνεπώς, στα συγκεκριμένα εκχυλίσματα, το μήκος των
μπλε:
μικροσωληνίσκων και η συχνότητα των καταστροφών φαίνεται ότι
DNA.
(Με την άδεια των
Ryoma Ohi
και
Tim Mitchison).
ρυθμίζονται από μια ισορροπία μεταξύ της ΧΜΑΡ, που σταθερο ποιεί τους μικροσωληνίσκους, και της σματα
Xenopus: η απομάκρυνσή της ελάπωνε τη συχνότητα των
καταστροφών και οδηγούσε στη δημιουργία μιτωτικών μικροσω ληνίσκων τεράστιου μήκους. Οι πρωτεΊνες αυτού του είδους σήμε ρα ονομάζονται καταστροφίνες
(catastrophins).
XKCM 1, που
προάγει τις κα
ταστροφές. Αυτή η ισορροπία είναι ζωτικής σημασίας για τη συ ναρμολόγηση της μιτωτικής ατράκτου: μικροσωληνίσκοι ακατάλ ληλου μεγέθους (είτε πολύ μικροί είτε πολύ μεγάλοι) δεν μπορούν να συναρμολογήσουν μια λειτουργική άτρακτο (Εικόνα 19-12Β). Η συμπεριφορά των μικροσωληνίσκων στα εκχυλίσματα δεν εί ναι ακριβώς ίδια με τη συμπεριφορά τους στα ζωντανά κύπαρα. Ω
Παρατηρώντας τις ΜΑΡ
στόσο, οι σχετικές μελέτες προσέφεραν πολύτιμες ενδείξεις για
Σχεδόν ταυτόχρονα με την απομόνωση των καταστροφινών, άλ λοι ερευνητές ανακάλυψαν ότι τα εκχυλίσματα των ωαρίων του
το μηχανισμό της μετάmωσης μεταξύ μεσοφασικών και μιτωτικών μικροσωληνίσκων.
2.5 .~ 2.0 ~ '0
6
1.5
.~
51.0 Q.
b
~
0.5
(Α)
Εικόνα
19-12. Η
μιτωτικό εκχύλισμα
μιτωτικό εκχύλισμα χωρίς την ΧΜΑΡ215
(Β)
10
μm
ισορροπία μεταξύ καταστροφινών και ΧΜΑΡ επηρεάζει τη συχνότητα της καταστροφής και το μήκος των μικροσω
ληνίσκων, άρα και τον σχηματισμό της μιτωτικής ατράκτου. Εκχυλίσματα μιτωτικών ωαρίων
Xenopus επωάστηκαν με κεντροσωμάτια.
Η συμπεριφορά των μικροσωληνίσκων που εμπυρηνώθηκαν από τα κεντροσωμάτια παρατηρήθηκε με νίdeο-μικροσκοπία φθορισμού. (Α) Η αφαίρεση από το εκχύλισμα μιας ειδικής ΜΑΡ (ΧΜΑΡ215) αυξάνει πολύ τη συχνότητα των καταστροφών, εύρημα που υποδηλώνει ότι κανονικά η ΜΑΡ αναστέλλει τις καταστροφές στα μιτωτικά εκχυλίσματα. (Β και η Μικρογραφίες φθορισμού των μιτωτικών ατράκτων που σχηματίστηκαν σ' ένα εκχύλισμα φυσιολογικών KUΠάρων (Β) και σ' ένα εκχύλισμα κυπάρων από τα οποία είχε απομακρυνθεί η πρωτεινη
ΧΜΑΡ215 (η. Ο σχηματισμός της ατράκτου πυροδοτήθηκε από την προσθήκη κεντροσωματίων και πυρήνων σπερματοζωαρίων. Οι μι κροσωληνίσκοι απεικονίζονται κόκκινοι και τα χρωμοσώματα μπλε. Στα φυσιολογικά εκχυλίσματα σχηματίζονται φυσιολογικές άτρακτοι, όταν όμως από τα εκχυλίσματα αφαιρεθεί η ΧΜΑΡ215, οι άτρακτοι είναι ανώμαλες επειδή οι μικροσωληνίσκοι είναι πολύ βραχύτεροι α πό το κανονικό. (Από:
R. Tournebize et al., Nature Cell ΒίοΙ. 2: 13-19,2000. © Macmillan Magazines Ltd.).
διπλασιασμένο χρωμόσωμα (αδελφές χΡωματίδες)
πόλος της
ατράκτου
κινητοχώρος
ελεύθεροι
μικροσωληνίσκοι του
μικροσωληνίσκοι
κινητοχώρου
πολικοί μικροσωληνίσκοι ~
(8)
(Α)
Εικόνα
19·13. Οι τρεις
5
μm
κατηγορίες μlκροσωληνίσκων μιας μιτωτικής ατράκτου. (Α) Σχηματική παράσταση μιας ατράκτου στην οποία προ
σκολλώνται χρωμοσώματα. Παρουσιάζονται οι τρεις τύποι μικροσωληνίσκων της ατράκτου: ελεύθεροι μικροσωληνίσΚΟI, μικροσωληνίσκοι του κινητοχώρου και πολικοί μικροσωληνίσκοι. Στην πραγματικότητα, τα χρωμοσώματα είναι πολύ μεγαλύτερα απ' ό,τι απεικονίζονται εδώ, ενώ σε κάθε κινητοχώρο συνήθως συνάmονται πολλοί μικροσωληνίσκοι.
(6)
Μικρογραφία φθορισμού: χρωμοσώματα στην πλάκα της με (6, από Α. Desai,
τάφασης μιας πραγματικής μιτωτικής ατράκτου. Κινητοχώροι: κόκκινο, μικροσωληνίσκοι: πράσινο, χρωμοσώματα: μπλε.
Curr.
ΒίοΙ. 10:Α508,
•,
2000. © Elsevier Science).
Epώmon
19-2
Αν χρησιμοποιηθούν
λε
πτές γυάλινες βελόνες για
Κατά τη μετάφαση, 10 χρωμοσώματαπαρατάσσονται στον ισημερινότης ατράκτου
να επέμβουμε σ' ένα χρω
Κατά τη διάρκεια της προμετάφασης,τα χρωμοσώματα,τα οποία έχουν
μόσωμα μέσα σ' ένα Ζωντα
ήδη προσκολ/ηθείστη μιτωτική άτρακτο, αρχίΖουν να μετακινούνταιεδώ κι
νό κύπαρο κατά τα πρώιμα
εκεί. Τελικά παρατάσσονταιστον ισημερινό της ατράκτου, στο μέσον της α
στάδια της φάσης Μ, οι κι
πόστασης ανάμεσα στους δύο πόλους της ατράκτου, σχηματίΖονταςέτσι την
νητοΧώροι που βρίσκονται πάνω στις δύο
πΜκa τnς μετάφaσnς (metaphase
αδελφές χρωματίδες μπορεί να εξανα
αρχή της μετάφασης (Εικόνα
γκαστούν να προσκολληθούν στον ίδιο
χρωμοσώματα στον ισημερινό δεν είναι Υνωστές, θεωρείται ότι στη διεργα
πόλο της ατράκτου. Κανονικά, μια τέτοια
σία αυτή εμπλέκονται η συνεΧής αύξηση και συρρίκνωση των μικροσωληνί
διάταξη είναι ασταθής. Ωστόσο, μπορεί
σκων και η δράση των κινητήριων πρωτεϊνών των μικροσωληνίσκων. Για τη
να σταθεροποιηθεί αν η βελόνα τραβήξει
διατήρηση της ατράκτου, απαιτείται συνεχής εξισορροπημένη προσθήκη και
ήπια το χρωμόσωμα, έτσι ώστε οι μικρο
απώλεια υπομονάδων τουμπουλίνης: αν η προσθήκη της τουμπουλίνης ανα
σωληνίσκοι που το συνάmουν στον πόλο
σταλεί από το φάρμακο κολχικίνη, η απώλεια της τουμπουλίνης θα συνεχι
να βρίσκονται υπό πίεση. Τι συμπεραίνε
στεί έως ότου εξαφανιστεί η άτρακτος.
τε σχετικά με το μηχανισμό με τον οποίο
plate). Το γεγονός αυτό σηματοδοτεί την 19-14). Μολονότι οι δυνάμεις που έλκουν τα
Τα χρωμοσώματα που συγκεντρώνονται στον ισημερινό της ατράκτου
οι κινητοχώροι συνάmονται σε μικροσω
κατά τη μετάφαση ταλαντεύονται μπρος-πίσω και αναπροσαρμόΖουν συνε
ληνίσκους από τους αντίθετους πόλους
Χώς τη θέση τους, γεγονός που υποδηλώνει ότι η διελκυνστίδα ανάμεσα
της ατράκτου κατά τη διάρκεια της φάσης
στους μικροσωληνίσκους που συνάπτονται σε κάθε πόλο της ατράκτου συ
Μ; Μπορεί άραγε ο κινητοχώρος να εί
νεχίΖεται ακόμα και μετά την ευθυγράμμιση όλων των χρωμοσωμάτων. Αν
ναι προγραμματισμένος να συνάπτεται
κατά τη μετάφαση η μια από τις δύο συνδέσεις του κινητοχώρου κοπεί τε
σε μικροσωληνίσκους από έναν συγκε
χνητά με ακτίνες
κριμένο πόλο της ατράκτου; Δικαιολο
προς τον πόλο με τον οποίο εξακολουθεί να συνδέεται. Παρομοίως, αν κο
γείστε τις απαντήσεις σας.
πεί η σύνδεση ανάμεσα στις αδελφές χρωματίδες, οι δύο χρωματίδες θα δια-
806
Κεφάλαιο 19: Κυτταρική Διαίρεση
laser,
ολόκληρο το χρωμόσωμα αμέσως θα μετακινηθεί
Εικόνα
19-16. Το
σύμπλοκο
APC
πυροδοτεί
ανασταλΤ~Kή θ
τον διαχωρισμό των αδελφών χρωματίδων
πρωτεινη
προάγοντας την καταστροφή των κοεζινών. Το ενεργοποιημένο APC έμμεσα πυροδοτεί την αποδόμηση των κοεζινών που συγκρα
ανενεργό πρωτεολυτικό ένζυμο
τούν τις αδελφές χρωματίδες. Καταλύει την
OυβΙKOu'ίτινίωση και καταστροφή μιας πρω τεΊνης που αναστέλλει τη δράση ενός πρωτε
ογΒIΚΟΥϊTlΝΙΩΣΗ ΚΑΙ
ολυτικού ενζύμου. Απαλλαγμένο από την ανα
ΑΝΑΣΤΜΤιΚΗΣ ΠΡΩΤΕϊΝΗΣ
ΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΤΗΣ
σταλτική πρωτεΊνη, το πρωτεολυτικό ένζυμο διασπά τα σύμπλοκα των κοεζινών. Μόλις α
ενεργόΑΡC
πομακρυνθούν οι κοεζίνες, η μιτωτική άτρα κτος μπορεί να τραβήξει και να διαχωρίσει τα
ενεργό
πρωτεολυτικό σύμπλοκο ένζυμο
χρωμοσώματα.
-G\) αποδομημένες και
:;~~?1m~ Ι ~
~~ς-ϊθς
ενεργοποιηθεί αυτό το πρωτεοΛυτικό σύσΙημα, διασπά μια ανασΙαΛτική πρω
τε'ί'νη και έτσι απεΛευθερώνει ένα πρωτεοΛυτικό ένΖυμο που κατασΙρέφει τους δεσμούς των κοεΖινών (Εικόνα
19-16).
ΌΛα τα ξεχωρισμένα χρωμοσώματα μεταKινoύvται με την ίδια ταχύτητα (περίπου
1 μm το
Λεπτό). Η μετακίνηση είναι συνέπεια δύο ανεξάρτητων
διεργασιών σΙις οποίες συμμετέχουν διαφορετικά τμήματα της μιτωτικής α
τράκτου. Οι διεργασίες αυτές αΠOKαΛoύvται aνάφaση Α και aνάφaση Β και συμβαίνουν σχεδόν ταυτόχρονα. Κατά την ανάφαση Α, Ο! μικροσωΛηνίσκοι των κινητοΧώρων βραxύνovται με αποποΛυμερισμό και τα χρωμοσώματα
σΙα οποία πρoσKoλ/ώvται μεταKινoύvται προς τους πόΛους. Κατά την ανά φαση Β, οι ίδιΟ! οι πόΛοι της ατράκτου απoμαKρύνovται μεταξύ τους και έτσι συμβάλ/ουν ακόμα περισσότερο σΙο διαχωρισμό των δύο ομάδων των χρω μοσωμάτων (Εικόνα
19-17).
Η δύναμη που προωθεί τις μετακινήσεις της ανάφασης Α θεωρείται ότι πα ράγεται κυρίως από τη δράση των κινητήριων πρωτεϊνών των μικροσωΛηνί σκων που Λειτουργούν σΙον κινητοχώρο και εν μέρει από την απώΛεια υπο μονάδων τουμπουΛίνης από το άκρο των μικροσωΛηνίσκων του κινητοΧώ ρου. Η απώΛεια υπομονάδων τουμπουΛίνης από τον κινητοχώρο βασίΖεται σε
μια «κατασΙροφίνη», προσδεδεμένη τόσο σΙους μικροσωΛηνίσκους όσο και σΙον κινητοΧώρο, η οποία χρησιμοποιεί την ενέργεια της υδρόΛυσης του ΑΤΡ για ν' αφαιρέσει υπομονάδες τουμπουΛίνης από τον μικροσωΛηνίσκο. Η απομάκρυνση των πόΛων της ατράκτου κατά την ανάφαση Β συνοδεύ εται από την επιμήκυνση των ποΛικών μικροσωΛηνίσκων, οι οποίοι ποΛυμε ρίzovται σιο εΛεύθερο συν άκρο τους. Οι δυνάμεις που προωθούν αυτή τη διεργασία ΠΙσΙεύεται ότι παρέxovται από δύο ομάδες κινητήριων πρωτεϊνών που δρουν πάνω σΙους ποΛικούς μικροσωΛηνίσκους, τις κινησίνες και τις
808
Κεφάλαιο 19: Κυτταρική Διαίρεση
ΑΝΑΦΑΣΗΑ
ΤΑ ΧΡΩΜΟΣΩΜΑΤΑ
ΑΝΑΦΑΣΗ Β
ΟΙ ΠΟΛΟΙ ΑΠΟΜΑκργΝΟΝΤΑI
ΕΛΚΟΝΤΑΙ ΠΡΟΣ ΤΟΥΣ ΠΟΛΟΥΣ
βράχυνση των μικροσωληνίσκων
μια δύναμη ολίσθησης (1) δημιουργείται ανάμεσα στους πολικούς μικροσωληνίσκους των αντίθετων πόλων και τους απωθεί' μια δύναμη έλξης (2) δρα άμεσα στους πόλους και τους μετακινεί σε αντίθετες κατευθύνσεις
των KΙVΗΤOXώρων- δυνάμεις που αναπτύσσονται στους KΙVΗΤOXώρoυς μετακινούν τα θυγατρικά χρωμοσώματα
προς τους αντίθετους πόλους της ατράκτου
~.::::::·~Ψ ~:::φiΟ'~ <\ - : ·
mo
συν άκρο των πολικών
μικροσωληνίσκων
Εικόνα 19-17. Οι δύο διεργασίες που διαχωρίζουν τις αδελφές χρωματίδες κατά την ανάφαση. Κατά την ανάφαση Α τα θυγατρικά χρω μοσώματα έλκονται προς τους αντίθετους πόλους του κυπάρου καθώς οι μικροσωληνίσκοι των κινητοχώρων αποπολυμερίζονται στους κι νητοχώρους. Η δύναμη που προωθεί αυτή τη μετακίνηση αναmύσσεται κυρίως στον KΙVΗΤOXώρo. Κατά την avάφaση Β, οι δύο πόλοι της α τράκτου απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο ως συνέπεια δύο ανεξάρτητων δυνάμεων: (1) η επιμήκυνση και η ολίσθηση των πολικών μι κροσωληνίσκων που προσπερνούν ο ένας τον άλλο, ωθεί τους δύο πόλους μακριά τον έναν από τον άλλο, (2) δυνάμεις με κατεύθυνση προς τα έξω οι οποίες ασκούνται από μικροσωληνίσκους των δύο πόλων έλκουν τους πόλους σε αντίθετες κατευθύνσεις, προς την περιφέρεια του κυπάρου, τον κυπαρικό φλοιό. Όλες αυτές οι δυνάμεις θεωρείται ότι εξαρτώνται από τη δράση κινητήριων πρωτε'ίνών που σχετίζονται με τους μικροσωληνίσκους.
δυνεΙνες (Εικόνα
17-17). Η μια από αυτές επιδρά
οτους μεγάλους πολικούς
μικροσωληνίσκους που συγκροωύν ων ίδια ων άφακω. Οι πρωΤε1\/ες αυ τές προκαλούν ων ολίσθηση των πολικών μικροσωληνίσκων από ωυς αντί θετους πόλους οτον ισημερινό ως αφάκωυ και με ων φόπο αυτό απωθούν ωυς πόλους ως αφάκωυ. Οι πρωτεΙνες ως δεύτερης ομάδας επιδρούν
οτους μικροσωληνίσκους οι οποίοι εκτείνονται μεν από ωυς πόλους αλ/ά προσαναωλίΖΟνται μακριά από ΤΟ χρωμοσώματο, προς ων περιφέρεια ωυ κυπάρου (κυπαρικός φλοιός,
cell cortex). Οι πρωΤεΙνες αυτές πιοτεύετοι ότι
σχετίΖονται με ων κυπαρικό φλοιό και έλκουν ων κάθε πόλο προς ων πα ρακείμενο φλοιό, μακριά από ων άλ/ο πόλο (Εικόνα
19-17).
Το πυρηνικό περίβλημα ανασυγκροτείται κατά την τελόφαση Σω τέλος ως ανάφασης ΤΟ θυγαφικά χρωμοσώματο έχουν διαχωριοτεί
σε δύο ίσες ομάδες, μια σε κάθε πόλο ως αφάκωυ. Κοτά ω διάρκεια ως τε
λόφaσnς (ω Τελικό οτάδιο ως μίτωσης), γύρω από κάθε ομάδα χρωμοσω μάτων ανασυγκροτείτοι ένα πυρηνικό περίβλημα ώοτε να σχηματιοτούν δύο
θυγαφικοί πυρήνες. Γύρω από ΤΟ ξεχωριοτά χρωμοσώματο πρώτο συνα θροίΖΟνται κυοτίδια πυρηνικής μεμβράνης ΤΟ οποία οτη συνέχεια συντήκο νται για ν' ανασχημοτίσουν ω πυρηνικό περίβλημα (βλ. Παράρτημα
19-1).
Καθώς συμβαίνουν αυτά, οτο περίβλημα ανασχημοτίΖονται οι πυρηνικοί πό-
Μίτωση
809
Εικόνα
19-18. Η αποδόμηση
και ο ανασχημα
εσωτερική πυρηνική
πυρηνικός πόρος ΟΝΑ -----__- - ι -
τισμός του πυρηνικού περιβλήματος κατά τη διάρκεια της μίτωσης. Η φωσφορυλίωση των
γονός που προκαλεί ρήξη του πυρηνικού περι
πυρηνικό
εξωτερι~η
περίβλημα
πυρηνικη
λαμινών κατά την πρόφαση πυροδοτεί την α ποσυναρμολόγηση του πυρηνικού υμένα, γε
J
μεμβράνη
μεμβράνη ΣΥΝΤΗΞΗ ΤΩΝ ΚΥΣΤΙΔΙΩΝ
ΤΟΥ ΠΥΡΗΝΙΚΟΥ ΠEPΙBΛ~MAΤOΣ
~ΦΩΣΦOPYΛΙΩΣH ΤΩΝΛΑΜΙΝΩΝ
βλήματος σε κυστίδια. Η αποφωσφορυλίωση των λαμινών κατά την τελόφαση αναστρέφει την όλη διεργασία.
C"""""'1
χΡωματίδη
~ σ
ΤΕΛΟΦΑΣΗ
ΜΕΣΟΦΑΣΙΚΟΣ ΠΥΡΗΝΑΣ
--J~
xpωμόσωμα~__
(
~
C
~
:1~ C ~ κυστίδιοτουπυρηνικού~J περιβλήματος
ρ ρ
ρ
φωσφορυλιωμένες λαμίνες
ι5
P~ ρ
ΠΡΟΦΑΣΗ
ΑΠΟΦΩΣΦΟΡΥ ΛΙΩΣΗ
ΤΩΝΛΑΜΙΝΩΝ
ροι (βλ. Κεφάλαιο
15).
Επίσης, στη φάση αυτή, οι πρωτεϊνικές υπομονάδες
(πυρηνικές λαμίνες) των ενδιάμεσων ινιδίων που είχαν φωσφορυλιωθεί κα τά την πρόφαση αποφωσφορυλιώνονται και αλ/ηλεπιδρούν μεταξύ τους για ν' ανασχηματίσουν τον πυρηνικό υμένα (Εικόνα
19-18). Μόλις
ανασχηματι
στεί το πυρηνικό περίβλημα, οι πόροι αντλούν μέσα πυρηνικές πρωτεινες, ο πυρήνας διογκώνεται και τα συμπυκνωμένα μιτωτικά χρωμοσώματα αποσυ μπυκνώνονται στη μεσοφασική κατάστασή τους. Χάρη στην αποσυμπύκνω
ση μπορεί να ξαναρχίσει η μεταγραφή των γονιδίων. Ένας νέος πυρήνας έ χει δημιουργηθεί και η μίτωση έχει ολοκληρωθεί. Το μόνο που απομένει εί
ναι να ολοκληρώσει και το κύτταρο τη διαίρεσή του στα δύο.
Μερικά οργανίδια κατακερματίΖΟνΙαι κατά τη μίτωση Η μίτωση διασφαλίΖει ότι κάθε θυγατρικό κύτταρο παραλαμβάνει μια πλήρη ομάδα χρωμοσωμάτων. Όταν όμως διαιρείται ένα ευκαρυωτικό κύτ
ταρo' κάθε θυγατρικό κύτταρο πρέπει επιπλέον να κληρονομήσει όλα τ' άλ λα απαραίτητα κυτταρικά συστατικά, μεταξύ των οποίων και τα μεμβρανικά οργανίδια. Τα οργανίδια, όπως τα μιτοΧόνδρια και οι χλωροπλάστες, δεν συ ναρμολογούνται αυθόρμητα από τα ξεχωριστά συστατικά τους, αλ/ά προκύ
mouv από την αύξηση
και τη διαίρεση των προϋπαρΧόντων οργανιδίων. Πα
ρομοίως, τα κύτταρα δεν μπορούν να παρασκευάσουν νέο ενδοπλασματικό δίκτυο ή νέα συσκευή
Golgi αν δεν υπάρχει
ήδη ένα μέρος των σχετικών δο
μών, το οποίο μπορεί στη συνέχεια ν' αυξηθεί. Πώς διαχωρίΖονται αυτά τα διάφορα μεμβρανικά οργανίδια όταν διαιρείται το κύτταρο; Οργανίδια όπως τα μιτοΧόνδρια και οι χλωροπλάστες συνήθως υπάρ χουν σε πολ/ά αντίγραφα και είναι βέβαιο ότι θα μεταβιβαστούν, αρκεί α
πλώς να διπλασιάΖΟνται σε κάθε κυτταρικο κύκλο. Στα μεσοφασικά κύτταρα, το ΕΔ είναι συνεΧές με την πυρηνική μεμβράνη και οργανώνεται από τον
κυτταροσκελετό των μικροσωληνίσκων (βλ Εικόνα 17-23Α). Κατά την είσο-
81 Ο
Κεφάλαιο 19: Κυτταρική Διαίρεση
δο Ο1η φάση Μ, η αναδιοργάνωση Των μικροσωληνίσκων απελευθερώνει το
Ερώmσn 19-3
ενδοπλασματικό δίκτυο, το οποίο κατακερματίΖεται καθώς αποδομείται το
ΘεωρείΟ1ε τα γεγονότα που
πυρηνικό περίβλημα. Επίσης, μάλ/ον κατακερματίΖεται και η συσκευή
Golgi
οδηγούν 010 σχηματισμό
παρότι σε μερικά κύπαρα φαίνεται ν' ανακατανέμεται πρόσκαιρα 010 ΕΔ, για
του νέου πυρήνα κατά την
να επανεμφανΙΟ1είκατά την τεi\όφαση. Μερικά κλάσματα των οργανιδίων
τεi\όφαση. Πώς επιτυγΧάνε
αλ/ηλεπιδρούνμε τους μικροσωληνίσκουςτης ατράκτου μέσω κινητήριων
ται η σωΟ1ή διαλογή των
•,
πρωτεϊνών. ΊV\λα συΟ1ατικά του κυπάρου, μεταξύ των οποίων και όλες οι
πρωτεϊνών του πυρήνα και
διαλυτές πρωτεΊνες, μεταβιβάΖονταικατά τύχη όταν το κύπαρο διαιρείτο κυτ
του KυπαΡOδιαi\ύματoς έτσι ώΟ1ε ο νέος
ταρόπλασμάτου 010 τελικό Ο1άδιο της φάσης Μ.
πυρήνας να περιέχει μόνο πυρηνικές πρωτεΊνες και όχι πρωτεΊνες του κυπα
ροδιαλύματος;
Κυπ:αροκίνηση Η Kuπαρoκίvnσnείναι η διεργασία με την οποία το κυπαρόπλασμαδιαι ρείται Ο1α δύο. Η κυπαροκίνησησυνήθως αρχίΖει κατά την ανάφαση αλ/ά ο
λοκληρώνεταιμετά το σχηματισμότων δύο θυγατρικώνπυρήνων. Ενώ η μί τωση εμπεριέχει μια παροδική δομή που βασίΖεται σε μικροσωληνίσκους, δηλαδή τη μιτωτική άτρακτο, Ο1α Ζωικά κύπαρα η κυπαροκίνησηπεριλαμβά νει μια άλ/η εφήμερη δομή που βασίΖεται Ο1α νημάτια της ακτίνης και απο
καλείται συσraΛΠKόςδακτύΛlΟς (βλ. Εικόνα 19-4). ΩΟ1όσο, τόσο το επίπεδο της αυλάκωση ς όσο και η χρονική εξέλιξη της κυπαροκίνησης καθορίζονται από τη μιτωτική άτρακτο.
Η μlΙωηκή άτρακτος καθορίΖει '[ο επίπεδο '[ης αυλάκωσης '[ου κυπαροπλάσματος Στα Ζωικά κύπαρα, η πρώτη ορατή ένδειξη της κυπαροκίνησης είναι η
συρρίκνωση και η αυλάκωση της κυπαρικής μεμβράνης κατά τη διάρκεια της
ανάφασης (Εικόνα
19-19). Η αυλάκωση
πάντοτε συμβαίνει κάθετα προς τον
επιμήκη άξονα της μιτωτικής ατράκτου. Αυτό εξασφαλίζει ότι η αυΛάκωσn θα διαχωρίΖει τις δύο ομάδες των θυγατρικών χρωμοσωμάτων ώΟ1ε τα δύο θυ γατρικά κύπαρα ν' αποκτήσουν ταυτόσημες και πλήρεις ομάδες χρωμοσω
μάτων. Αν μόλις εμφανΙΟ1εί η αυλάκωση η μπωτική άτρακτος μεταΤΟΠΙΟ1εί σκόπιμα (χρησιμοποιώντας μια λεπτή γυάλινη βελόνα που εισάγεται 010 κύτ-
Εικόνα
19-19.
Ηλεκτρονιομικρογραφία σά
ρωσης της πρώιμης αυλάκωσης σ' ένα γονι
μοποιημένο ωάριο βατράχου. Η αυλάκωση της κυπαρικής μεμβράνης προκαλείται από
τη δράση του υποκείμενου συσταλτικού δα κτυλίου. Η αύλακα της διαίρεσης είναι ασυνή θιστα σαφής σε αυτό το γιγαντιαίο σφαιρικό κύπαρο. (Α) Άποψη της επιφάνειας του ωαρί ου σε μικρή μεγέθυνση. (Α)
L-J 200
μm
(Β)
L-J 25
μm
(8)
Η επιφάνεια σε με
γαλύτερη μεγέθυνση. (Από
H.W. Beams R.G. Kessel,Am. Sci36:270-290, 1976). Κυτταροκίνηση
και
811
ταρο), η αρχική αυλάκωση θα εξαφανιστεί και μια νέα αυλάκωση θ' αναπτυ χθεί σε μια θέση που αντιστοιχεί στη νέα τοποθέτηση και το νέο προσανατο
λισμό της ατράκτου. Ωστόσο, ακόμα και αν η αυλάκωση έχει εξελιΧθεί αρκε τά, η διαίρεση προχωρεί έστω και αν η μιτωτική άτρακτος αναρροφηθεί τε
χνητά από το κύπαρο ή αποπολυμεριστεί χρησιμοποιώντας το φάρμακο κολ χικίνη. Ο τρόπος με τον οποίο η μιτωτική άτρακτος καθορίΖει τη θέση της αύ
λακας για τη διαίρεση παραμένει αδιευκρίνιστος. Όταν η μιτωτική άτρακτος καταλαμβάνει κεντρική θέση μέσα στο κύπα
ρο, όπως συμβαίνει συνήθως, το κύπαρο διαιρείται συμμετρικά. Η αύλακα της διαίρεσης σχηματίΖεται γύρω από τον ισημερινό του γονικού κυπάρου
και τα δύο θυγατρικά κύπαρα που δημιουργούνται έχουν το ίδιο μέγεθος και περιέχουν παρόμοια μόρια. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια της εμβρυϊκής ανά πτυξης, πολ/ές φορές τα κύπαρα διαιρούνται ασύμμετρα. Στις περιπτώσεις αυτές, η μιτωτική άτρακτος είναι τοποθετημένη ασύμμετρα, με συνέπεια η
αύλακα να δημιουργεί δύο κύπαρα που διαφέρουν σε μέγεθος, τα οποία συ χνά διαφέρουν ως προς τα μόρια που περιέχουν και συνήθως αναπτύσσο
νται σε διαφορετικά είδη κυπάρων.
Ο συσταλτικός δακτύλιος τωv Ζωικώv κυπάρωv αποτελείται από ακτίvn και μυοσίvn Ο συσταλτικός δακτύλιος αποτελείται κυρίως από μια συστοιΧία επικαλυ πτομένων νηματίων ακτίνης και μυοσίνης (Εικόνα
19-20).
Συναρμολογείται
κατά την ανάφαση και προσκολ/άται σε πρωτε'ίνες που βρίσκονται στην κυτ ταροπλασματική πλευρά της κυπαρικής μεμβράνης. Μόλις συναρμολογηθεί είναι σε θέση ν' ασκήσει μια δύναμη τόσο ισχυρή που μπορεί να κάμψει μια
λεπτή γυάλινη βεiΊόνα η οποία τοποθετήθηκε μέσα στο κύπαρο πριν από την κυπαροκίνηση. Η δύναμη παράγεται από την ολίσθηση των νηματίων της α κτίνης πάνω στα νημάτια της μυοσίνης, περίπου όπως και κατά τη μυϊκή συ
στολή (βλ. Εικόνα
17-41). Ωστόσο,
αντίθετα από το συσταλτικό σύστημα των
μυϊκών κυπάρων, ο συσταλτικός δακτύλιος είναι μια πρόσκαιρη δομή: συ ναρμολογείται για να επιτελέσει την κυπαροκίνηση, σταδιακά σμικρύνεται
καθώς εξελίσσεται η κυπαροκίνηση και αποσυναρμολογείται τελείως μόλις διαιρεθεί το κύπαρο. Σε πολ/ά Ζωικά κύπαρα, η κυπαρική διαίρεση συνοδεύεται από μεγάλες αλ/αγές στο σχήμα του κυπάρου και από ελάπωση της προσκόλ/ησής του στο εξωκυπάριο στρώμα. Οι αλ/αγές προκύπτουν από την αναδιοργάνωση των νηματίων της ακτίνης και της μυοσίνης στο φλοιό του κυπάρου. Η διερ γασία αυτή περιλαμβάνει και τη συναρμoiΊόγηση του συσταλτικού δακτυλίου. Για παράδειγμα, κατά τη διάρκεια της μεσόφασης, ινοβλάστες θηλαστικών σε καλ/ιέργεια απλώνονται χάρη στις ισχυρές συνδέσεις που πραγματοποιούν με την επιφάνεια πάνω στην οποία αναπτύσσονται (υπόστρωμα). Ωστόσο, μό
λις εισέλθουν στη φάση Μ, τα κύπαρα γίνονται στΡΟΥΥυλά, εν μέρει επειδή μερικές από τις πρωτε'ίνες της κυπαρικής μεμβράνης που ευθύνονται για την
προσκόλ/ηση των κυπάρων στο υπόστρωμα (ιvrεγΚΡ(vες, βλ. Κεφάλαιο
21)
φωσφορυλιώνονται, με συνέπεια να εξασθενίΖουν οι δυνάμεις προσκόλ/η-
812
Κεφάλαιο 19: Κυτταρική Διαίρεση
(8)
Εικόνα 19·20. Ο συσταλτικός δακτύλιος. (Α) Ηλεκτρονιομικρογραφία σάρωσης ενός ζωι κού κυπάρου σε καλλιέργεια κατά τα τελευ ταία στάδια της διαίρεσης. (Β) Σχηματική από
δοση της μεσαίας περιοχής ενός παρόμοιου κυπάρου. Εμφανίζεται ο συσταλτικός δακτύ λιος κάτω από την κυπαρική μεμβράνη και τα κατάλοιπα των δύο ομάδων των πολικών μικρο
σωληνίσκων. (η Συμβατική ηλεκτρονιομικρο γραφία ενός διαιρούμενου ζωικού KUΠάΡOυ. Η αυλάκωση έχει σχεδόν ολοκληρωθεί, αλλά τα θυγατρικά κύπαρα παραμένουν συνδεδεμένα με μια λεmή KUΠαΡOπλασμαΤΙKή γέφυρα που περιέχει τα κατάλοιπα των επικαλυmόμενων πολικών μικροσωληνίσκωντης κεντρικής ατρά μικροσωληνίσκοι που απέμειναν
KUΠαΡΙKή μεμβράνη
ανάμεσα στους πόλους
σης. Μόλις ολοκληρωθεί η κυπαροκίνηση,
Ta θυγατρικά
1 μm
κτου. (Α, με την άδεια του
Buehler.
Γ, με την άδεια του
Guenter AlbrechtJ.M. Mullins).
κύπαρα προσκολ
λώνTaΙ ξανά οιο υπόοιρωμα, απλώνονTaΙ και αποκιούν ξανά επίπεδο σχήμα (Εικόνα
19-21).
Όταν διαιρούνται τα κύπαρα ενός Ζωικού ιοιού, ο κύκλος
προσκόλ/ησης-αποκόλ/ησης φαίνεται όη επιτρέπει οια κύπαρα ν' αναδια
τάσσουν ης επαφές ιους με Ta γειιονικά κύπαρα και το εξωκυπάριο στρώμα. Με αυτό τον τρόπο,
Ta νέα
κύπαρα που προκύπτουν από την κυπαρική διαί
ρεση μπορεί να διευθετηθούν μέσα οιον ιοιό.
-----i.~
μεσόφαση --------i.~
μίτωση ----t.~ KUΠαΡOKίνηση -------t.~
μεσόφαση ------t.~
Εικόνα 19·21. Μικρογραφίες μιας ινοβλάστης ποντικού σε καλλιέργεια κατά τη διάρκεια της κυπαρικής διαίρεσης. Το ίδιο κύπαρο φω τογραφήθηκε σε διαδοχικές φάσεις. Παρατηρείστε πώς στρογγυλεύει το κύπαρο καθώς εισέρχεται στη μίτωση. Στη συνέχεια, αφού ολο κληρωθεί η κυπαροκίνηση, τα δύο θυγατρικά κύπαρα ξαναεπιπεδώνονται. (Με την άδεια του
Guenter Albrecht-Buehler). Κυτταροκίνηση
813
Στα φυllκά κύπαρα η κυπαροκίνηση περιλαμβάνει 10 σχημαllσμόνέου κυπαρικούτOlχώμα1Ος Σ1Ο ανώτερα φυτά, ο μηχανισμόςως κυπαροκίνησηςείναι εντελώς δια φορετικός από τον αντίστοιχο μηχανισμότων Ζωικών κυπάρων, προφανώς
επειδή 10 φυτικά κύπαρα περιβάλ/ονται από ένα σκληρό κυπαρικό τοίχωμα (βλ. Κεφάλαιο
21).
Τα δύο θυγατρικά κύπαρα δεν διαχωρίΖΟντοι από ω
δράση ενός συσταληκού δακτυλίου στην κυπαρική επιφάνεια αλ/ά από την
κα1Οσκευή ενός νέου τοιχώματος στο εσωτερικό του κυπάρου. Το αυξανό μενο νέο κυπαρικό τοίχωμα περιβάλ/ε1ΟΙ από μια μεμβράνη και δlΕUpύνε10Ι
ώστε να διαιρέσει το κυπαρόπλασμα στα δUο. Η τοποθέωση αυτού του νέου τοιχώματος καθορίζει ω θέση των δύο θυγατρικών κυπάρων σε σχέση με 10
γειτονικά κύπαρα. Επομένως,
10 επίπεδα
ως κυπαρικής διαίρεσης σε συν
δυασμό με ων αύξηση του μεγέθους των κυπάρων καθορίΖουν ων τελική μορφή του φυτού.
Το νέο κυπαρικό τοίχωμα αρχίΖει να συναρμολογεί1Οl στο κυπαρόπλα σμα ανάμεσα στις δύο ομάδες των διαχωρισμένων χρωμοσωμάτων στην αρ χή ως τελόφασης. Η διεργασία συναρμολόγησης καθοδηγείτοι από τον
φρaγμoπλάσm
(phragmoplast), μια δομή
που σχηματίΖε1Ο1 από 10 κοτάλοιπα
των πολικών μικροσωληνίσκων στον ισημερινό ως παλιάς μιτωηκής ατΡά ΚTOU. Μικρά μεμβρανικά κυστίδια,
σκευή
Golgi και είναι γεμά1Ο
10 οποία
προέρχονται κυρίως από τη συ
πολυσακχαρίτες και γλυκοπρωτεΊνες, απαραίω
τες για το οτρώμα του κυπαρικού τοιχώμα1Ος, με1Οφέρον1ΟΙ κατά μήκος των μικροσωληνίσκων προς 1Ον ισημερινό 1Ου φραγμοπλάστη. Εκεί συντήκονται και σχημοτίΖουν μια δισκοειδή μεμβρανική δομή, η οποία επεκτείνε1ΟΙ από ω σύντηξη και νέων κυοτιδίων έως ό1Ου φτάσει στην κυπαρική μεμβράνη και 10
αρχικό κυπαρικό1Οίχωμα και τότε διαιρέσει 10 κύπαρο στα δύο (Εικόνα 19-
22). Αργότερα,
στο στρώμα εναποτίθεντΟ! μικροϊνίδια κυπαρίνης, οπότε κο!
ολοκληρώνετΟ! η κα1Οσκευή 1Ου νέου κυπαρικού 1Οιχώμα1Ος.
Οι γαμέτες σχηματίΖονται μ' ένα εξειδικευμένο τύπο
•,
κυπαρικής δlOίρεσης
Ερώmσn19-4 Σχεδιάστε λεπτομερώς το
Η μίτωση παράγει ένα ΖεUγος θυγατρικών κυπάρων, καθένα από
10 ο
σχηματισμό ενός νέου KUT-
ποία περιέχει ένα πλήρες σUνολο γενεηκοU υλικοU, 1Ουτόσημο με 10 γενεη
1ΟρlκοU
κό υλικό 1Ου αυθεντικοU κυπάρου. Το γενετικό υλικό των κυπάρων στα ο
τοιχώματος
που
διαχωρίΖει 10 δUο θυγατρl
ποία αναφερθήκαμεσε αυτό 10 κεφάλαιο, δηλαδή κύπαρα που σχημοτίΖουν
κά κύπαρα 10 οποία προκύ
10 σώμα των φυτών ή των Ζώων, αποτελεί1ΟΙ από δύο πλήρεις ομάδες χρω
πτουν από ω διαίρεση ενός
μοσωμάτων, μια από ω μητέρα κοι μια από 1Ον πατέρα 1Ου οργανισμού. Για
φυτικού κυπάρου (βλ. Εικόνα
19-22).
10 λόγο αυτό αποκαλούντο!διπλοειδή. Ένα διαφορεηκό είδος κυπαρικής
Υποδείξτε πού κα1Ολήγουν οι μεμβρανι
διαίρεσης είνΟ! απαραίω1Ογια να παραχθούν οι γαμέτες, 10 εξειδικευμένα
κές πρωτεΊνες ως συσκευής
κύπαρα που επιτελούν Την αναπαραγωγή. Αντίθε1Ο από
Golgi
και τι
10 διπλοειδή
κύπα
συμβαίνεl σ' ένα τμήμα μιας πρωτεΊνης
ρα που σχημοτίΖουν 10 σώμα, οι γαμέτες (ωάρια στα θηλυκά Ζώα, σπερμα1Ο
Της συσκευής
βρίσκεται εκτε
Ζωάρια στα αρσενικά) περιέχουνμόνο μια ομάδα χρωμοσωμάτωνκαι γι' αυ
θειμένο στο εσωτερικό ενός κυστιδίου
τό αποκαλούντο!αnλoειδή. Τα απλοειδή κύπαρα δημιουργούντοιό1Ον ένα
Golgi.
διπλοειδές κύπαρο προχωρήσεισε μια πολύ εξειδικευμένηδιεργασία KU1O-
814
GO!gi που
Κεφάλαιο 19: Κυτταρική Διαίρεση
,
\ --\\(~
~I Ι
,
/
19·22.
<J
Ι>
~~Ι
ι
,
Ι (η
(Β)
κυπαρική μεμβράνη
Εικόνα
o~
ρικό τοί-
χωμα
,
\
f~r
~
/)I\~
(Α)
,
\
κυστίδια που φραγμοπλάστης προέρχονται από τη συσκευή Golgi
(Δ)
σχηματισμός νέου KUΠαΡΙKOύ τοιχώματος
Ι
ολοκληρωμένο νέο κυπαρικό τοίχωμα
(Ε)
50
μm
Η κυπαροκίνηση σ' ένα φυτικό κύπαρο. Στην αρχή της τελόφασης, ενώ τα χρωμοσώματα έχουν ήδη διαχωριστεί (Α), ένα
νέο κυπαρικό τοίχωμα αρχίζει να σχηματίζεται μέσα στο κύπαρο, στον ισημερινό της παλαιάς ατράκτου (Β). Οι πολικοί μικροσωληνίσκοι της μιτωτικής ατράκτου που απομένουν και κατά την τελόφαση σχηματίζουν τον φραγμοπλάστη και καθοδηγούν τα κυστίδια προς το κέ ντρο της ατράκτου. Εδώ, μεμβρανικά κυστίδια που προέρχονται από τη συσκευή Golgi και είναι γεμάτα με υλικό του κυτταρικού τοιχώματος συντήκονται για να σχηματίσουν το νέο κυπαρικό τοίχωμα (η, το οποίο αναmύσσεται προς την περιφέρεια για να φτάσει στην κυπαρική μεμβράνη και στο αρχικό κυπαρικό τοίχωμα. Η κυπαρική μεμβράνη και η μεμβράνη που περιβάλλει το νέο κυπαρικό τοίχωμα (και οι δύο με κόκκινο χρώμα) συντήκονται και έτσι διαχωρίζουν πλήρως τα δύο θυγατρικά κύπαρα (Δ). Στο (Ε) παρουσιάζεται μια μικρογραφία ενός φυ τικού κυπάρου σ' ένα στάδιο της τελόφασης που αντιστοιχεί στο (Β). Το κύπαρο έχει χΡωσθεί έτσι ώστε να αναδειχθούν τόσο οι μικροσω
ληνίσκοι όσο και οι δύο ομάδες των θυγατρικών χρωμοσωμάτων. Η εντόπιση του αυξανόμενου νέου κυπαρικού τοιχώματος υποδηλώνεται από τις αιχμές των βελών. (Ε. Με την άδεια του
Andrew Bajer).
ρικής διαίρεσης yνωσrή ως μείωση. Αν δεν συνέβαινε η μείωση, η σύνΙηξη
ενός ωαρίου μ' ένα σπερμαΤΟΖωάριο θα οδηγούσε σε διπλασιασμό του α ριθμού των χρωμοσωμάτων σε κάθε γενεά και η φυλετική αναπαραγωγή θα ήταν αδύνατη. Παρά το γεγονός όη τα μηχανικά XαΡKατηρισrΙKά της μείωσης είναι πα
ρόμοια με τ' ανIίσroιxα της μίτωσης, η συμπεριφορά των χρωμοσωμάτων εί ναι κάπως διαφορεηκή. Στο επόμενο κεφάλαιο, θα παρουσιάσουμε τη μείω
ση και θα εξετάσουμε πώς αυτή η εξειδικευμένη διεργασία κυπαρικής διαί ρεσης βρίσκεται σrη βάση των γενεηκών αρχών που καθορίΖουν τους κανό νες της κληρονομικότητας.
Βαοικέs έvvοιεs •
Η κυπαρική διαίρεση συμβαίνει κατά τη διάρκεια της φάσης Μ, οπότε πρώτα διαιρείται ο πυρήνας (μίτωση) και μετά το κυπαρόπλασμα (κυπα ροκίνηση).
•
Το
DNA ανηγράφεται
κατά τη φάση
S, προτού
αρχίσει η φάση Μ. Τα δύο
ανΙίγραφα κάθε διπλασιασμένου χρωμοσώματος (ονομάΖΟνΙαι αδελφές χρωματίδες) συνδέΟνΙαι σφιχτά με ης κοεΖίνες.
•
Η Μ φάση αρχίΖει από ης φωσφορυλιώσεις που πυροδοτεί η ενεργοποιη μένη
•
M-Cdk.
Η έναρξη της φάσης Μ σηματοδοτείται από τον σχημαησμό της μιτωηκής
Βασικές Έννοιες
815
ατράκτου που αποτελείται από μικροσωληνίσκους και διαχωρίζει τα θυγα τρικά χρωμοσώματα mους αντίθετους πόλους του κυττάρου.
•
Προτού συναρμολογηθεί η μιτωτική άτρακτος
mnv αρχή της φάσης Μ,
δι
πλασιάΖεται το κεντροσωμάτιο. Τα δύο θυγατρικά κεντροσωμάτια διαχω ρίΖΟνται και μετακινούνται προς τις αντίθετες πλευρές του πυρήνα για να σχηματίσουν τους δύο πόλους της ατράκτου.
•
Τόσο ο διαχωρισμός των χρωμοσωμάτων όσο και η συναρμολόγηση της ατράκτου βασίΖονται σε κινητήριες πρωτεΙνες που αλ/ηλεπιδρούν με τους μικροσωληνίσκους.
•
Οι μικρο σωληνίσκοι εκφύονται από τα κεντροσωμάτια. Ορισμένοι από αυτούς αλ/ηλεπιδρούν με μικροσωληνίσκους που εκφύονται από τον α
ντίθετο πόλο και με τον τρόπο αυτό μετατρέπονται mους πολικούς μικρο σωληνίσκους της ατράκτου.
•
Όταν αποδομείται το πυρηνικό περίβλημα, οι μικροσωληνίσκοι της ατρά κτου εισβάλ/ουν
mnv περιοχή
του πυρήνα. Μερικοί από αυτούς συλ/αμ
βάνουν τα διπλασιασμένα χρωμοσώματα μέσω της πρόσδεσής τους σε πρωτεϊνικά σύμπλοκα yvωmά ως κινητοχώροι, τα οποία σχετίζονται με το κεντρομερίδιο κάθε αδελφής χρωματίδης.
•
Μικροσωληνίσκοι από τους αντίθετους πόλους της ατράκτου έλκουν προς αντίθετες κατευθύνσεις τ' αντιγραμμένα χρωμοσώματα, κάνοντάς τα να παραταΧθούν
•
mov ισημερινό
της ατράκτου.
Τα θυγατρικά χρωμοσώματα παράγονται από τον αιφνίδιο διαχωρισμό των αδελφών χρωματίδων και έλκονται από την άτρακτο προς τους δύο πόλους. Οι δύο πόλοι επίσης απομακρύνονται μεταξύ τους, διαχωρίΖΟ
ντας έτσι ακόμα περισσότερο τις δύο ομάδες των χρωμοσωμάτων.
•
Η μετακίνηση των χρωμοσωμάτων από την άτρακτο προωθείται τόσο από τις κινητήριες πρωτεΙνες των μικροσωληνίσκων όσο και από τον πολυμε ρισμό και τον αποπολυμερισμό των χρωμοσωμάτων.
• r ύρω από τα δύο σύνολα των διαχωρισμένων χρωμοσωμάτων ανασχημα τίΖεται ένα πυρηνικό περίβλημα. Έτσι, προκύπτουν δύο νέοι πυρήνες και με τον τρόπο αυτό ολοκληρώνεται η μίτωση.
•
Κατά τη διάρκεια της φάσης Μ, τα μεγάλα μεμβρανικά οργανίδια, όπως το ενδοπλασματικό δίκτυο και η συσκευή
Golgi, κατακερματίΖονται
σε πολ/ά
μικρότερα κλάσματα, γεγονός που εξασφαλίΖει την ισότιμη κατανομή τους
ma θυγατρικά κύτταρα. •
Στα Ζωικά κύτταρα, η κυτταρική διαίρεση ολοκληρώνεται από έναν συ mαλτικό δακτύλιο νηματίων ακτίνης και μυοσίνης που συναρμολογείται
mo
μέσον της απόmασης ανάμεσα mους πόλους της ατράκτου και συ
mέλ/εται για να διαιρέσει το κυτταρόπλασμα
ma δύο.
Αντίθετα,
ma φυτι
κά κύτταρα η κυτταρική διαίρεση ολοκληρώνεται με το σχηματισμό ενός
νέου κυτταρικού τοιχώματος μέσα
πλασμα
816
Κεφάλαιο 19: Κυτταρική Διαίρεση
ma δύο.
mo
κύτταρο, που διαιρεί το κυτταρό
Βασικοί Όροι αδελφή χρωματίδη
μετάφαση
ανάφαση
μίτωση
απλοειδής
μιτωτική άτρακτος
αστέρας
πόλος της ατράκτου
Cdk φάσης
Μ
(M-Cdk)
προμετάφαση
δακτύλιος Υ-τουμπουλίνης
πρόφαση
διπλοειδής
σύμπλοκο που προάΥει την ανάφαση
καταστροφίνη
συμπύκνωση χρωμοσωμάτων
κεντροσωμάτιο
τελόφαση
κινάση εξαρτώμενη από την κυκλίνη
(Cdk)
(APC)
φάση Μ
κινητοχώρος
φραΥμοπλάστης
κοεΖίνη
χρωματίδη
κοντενσίνη κυπαροκίνηση
μείωση
Ερωιήσειs Ερώmση
Ζ. Για την αντΙΥραφή του
DNA απαιτούνται
πολυμερισμός
και αποπολυμερισμός των μικροσωληνίσκων καθώς και
19-5
οι κινητήριες πρωτεΙνες των μικροσωληνίσκων.
Ποιες από τις ακόλουθες δηλώσεις είναι σωστές; Δικαιο
Η. Οι μικροσωληνίσκοι εμπυρηνώνονται στα κεντρομερί
λΟΥείστε τις απαντήσεις σας.
δια και κατόπιν συνδέονται με τους κινητοχώρους, οι ο
Α. Τα κεντροσωμάτια αντΙΥράφονται ανεξάρτητα από τα
ποίοι είναι δομές που βρίσκονται στην περιοχή του κε
χρωμοσώματα.
ντροσωματίου των χρωμοσωμάτων.
Β. Κατά τη μίτωση το πυρηνικό περίβλημα κατακερματίΖε
19-6
ται. Έτσι, κατανέμεται στα θυΥατρικά κύπαρα όπως και
Ερώτηση
τα υπόλοιπα μεμβρανικά ΟΡΥανίδια, π.χ. το ενδοπλα
Περίπου πόσος χρόνος θα χρειαΖόταν Υια να σχηματιστεί
σματικό δίκτυο και η συσκευή
με επανειλημμένες κυπαρικές διαιρέσεις ενός Υονιμοποι
Γ. Από την αντΙΥραφή του
Golgi.
DNA ενός χρωμοσώματος
προ
ημένου ωαρίου ένα συσσωμάτωμα κυπάρων βάρους
70 1
κύπτουν δύο αδελφές χρωματίδες οι οποίες παραμέ
kg,
νουν ΖευΥαρωμένες καθώς παρατάσσονται στην πλάκα
νανΟΥραμμάριο και ο κάθε κυπαρικός κύκλος διαρκούσε
της μετάφασης.
24 ώρες;
Δ. Το συνολικό
DNA του
πυρήνα ενός κυπάρου που πα
ράΥεται από τη μείωση είναι μισό από το
DNA ενός
κυτ
αν κάθε κύπαρο μετά την κυπαρική διαίρεση ΖύΥΙΖε
Γιατί χρειάΖεται να μεσολαβήσει ένα πολύ μεΥα
λύτερο χρονικό διάστημα Υια τη δημιουΡΥία ενός ενηλίκου ανθρώπου βάρους
70 kg;
τάρoυ που παράΥεται από τη μίτωση.
Ε. Οι πολικοί μικροσωληνίσκοι συνδέονται με τα άκρα
Ερώτηση
19-7
τους και επομένως εκτείνονται συνεχώς από τον ένα
Με ποια σειρά συμβαίνουν τα ακόλουθα ΥεΥονότα κατά
πόλο της ατράκτου στον άλ/ο.
την κυπαρική διαίρεση;
Ερωτήσεις
817
Α. ανάφαση
ριγράφεΤΩΙ στο Κεφάλαιο
Β. μετάφαση
η δρα το αντίσωμα; Τι επιπτώσεις θα είχε η ένεση αυτού
17). Με ποιο τρόπο
πιστεύετε ό
Γ. προμετάφαση
του αντισώματος στα κύτταρα (α) στη μεΤΩκίνηση των χρω
Δ. τελόφαση
μοσωμάτων κατά την ανάφαση; (β) στην κυπαροκίνηση;
Ε.πανσέληνος
19-11
Ζ. μίτωση
Ερώτηση
Η.πρόφαση
Με οδηγό το Παράρτημα
19-1, σχεδιάστε
ΤΩ κύρια στάδια
της μίτωσης. Χρωματίστε μια αδελφή χρωματίδη και παρα
Epώman
κολουθείστε την στα διάφορα στάδια της μίτωσης και της
19-8
Στους ευκαρυωηκούς oργανισμoύς~ οι βραΧύτεροι κύκλοι
κυπαροκίνησης. Ποιο γεγονός δεσμεύει αυτή τη χρωμοτί
Ζωής (βραΧύτεροι ακόμα και από τους κύκλους Ζωής των
δη να καΤΩλήξει σ' ένα συγκεκριμένο θυγατρικό κύπαρο;
βακτηρίων) συναντώνται σε πολ/ά πρώιμα έμβρυα Ζώων.
Μετά την αρχική δέσμευση της χρωματίδης, μπορεί ν' α
Οι διαιρέσεις αυτές συμβαίνουν χωρίς σημαντική αύξηση
ναστραφεί η τύχη της; Τι θα μπορούσε να επηρεάζει αυτή
του βάρους του εμβρύου. Πώς γίνεΤΩΙ αυτό; Ποια φάση
τη δέσμευση;
του κυτταρικού κύκλου αναμένετε να είναι περισσότερο Ερώmση
μειωμένη;
19-12
Η μεΤΩκίνηση των χρωμοσωμάτων προς τους πόλους της Ερώmση
19-9
ατράκτου κατά τη διάρκεια της ανάφασης Α σχετίΖεΤΩΙ με
Σ' ένα κύπαρο θηλαστικού, ο χρόνος Ζωής ενός μικροσω
βράχυνση των μικροσωληνίσκων. Συγκεκριμένα, οι μι
ληνίσκου, από το σχημαησμό του με πολυμερισμό έως και
κροσωληνίσκοι αποπολυμερίΖΟνται στα άκρα που προ
την αυθόρμητη εξαφάνισή του με αποπολυμερισμό, ποι
σκολ/ώνται στους κινητοΧώρους. Σχεδιάστε ένα πρότυπο
κίλλει ανάλογα με το στάδιο του κυπαρικού κύκλου. Για έ
που να ερμηνεύει πώς ένας μικροσωληνίσκος μπορεί να
5 λε
βραΧύνεται και να παράγει δύναμη και παρόλα αυτά να
να κύτταρο που αυξάνεΤΩΙ ο μέσος χρόνος Ζωής είναι πτά της ώρας στη μεσόφαση και
15 δευτερόλεπΤΩ
στη μί
παραμένει σταθερά προσδεδεμένος στο χρωμόσωμα.
τωση. Αν το μήκος ενός μικροσωληνίσκου κοτά τη μεσό
φαση είναι κατά μέσο όρο
20 μm,
πώς θα μεΤΩβληθεί κα
Ερώτηση
19-13
τά τη διάρκεια της μίτωσης, με την παραδοχή όη η ΤΩΧύτη
Η ισορροπία μεΤΩξύ των κινητήριων πρωτεϊνών που προσ
ΤΩ σχημαησμού των μικροσωληνίσκων με την προσθήκη
δένονται στους πολικούς μικροσωληνίσκους στην περιοχή
υπομονάδων τουμπουλίνης είναι ίδια και στις δύο φάσεις;
επικάλυψης της μιτωηκής ατράκτου και κατευθύνονται
Αν ένα τυπικό κεντροσωμάηο ενός μεσοφασικού κυττά
προς ΤΩ συν ή ΤΩ πλην άκρα των μικροσωληνίσκων θεω
ρου διαθέΤει
θέσεις εκκίνησης για μικροσωληνί
ρείΤΩΙ όη βοηθά να καθοριστεί το μήκος της ατράκτου.
σκους, πόσες ανάλογες θέσεις αναμένετε να υπάρχουν
Πώς θα μπορούσε να συνεισφέρει σε αυτό κάθε είδος κι
στα κεντροσωμάηα ενός μιτωηκού κυττάρου, αν υποθέ
νητήριας πρωτεΊνης;
100
σουμε όη ο συνολικός αριθμός των μορίων της τουμπουλί νης που πολυμερίΖΟνται σε μικροσωληνίσκους είναι ο ί
Εικόνα
διος και σης δύο φάσεις;
Σε σπάνιες περιστάσεις, και οι δύο αδελφές χρωμοτίδες ε
19-14
νός διπλασιασμένου χρωμοσώματος καΤΩλήγουν στο ίδιο Ερώmση
19-10
θυγατρικό κύτταρο. Πώς θα μπορούσε να συμβεί αυτό;
Ένα αντίσωμα εναντίον της μυοσίνης παρεμποδίΖει τη με
Ποιες θα ήΤΩν οι πιθανές επιπτώσεις ενός τέτοιου μιτωη
ΤΩκίνηση των μορίων της μυοσίνης κοτά μήκος των νημα
κού λάθους;
τίων της ακτίνης (η αλληλεπίδραση μυοσίνης-ακτίνης πε-
818
Κεφάλαιο 19: Κυτταρική Διαίρεση
ΓΕVεlιι<ή, Μείωση ι<αι η Μοριακή Βάση InS
Κληροvομικόιηιαs
Σήμερα, αη Γη υπολογίΖεται όη Ζουν πάνω από
10 εκα1Ομμύρια
είδη.
Κάθε είδος είναι μοναδικό και αναπαράγεΤΩΙ με πιαότηΤΩ αποδίδοντας απο γόνους που ανήκουν σιο ίδιο είδος. Τα κληρονομικά χαρακτηΡΙσΙικά μεΤΩ βιβάΖονΤΩΙ από 1Ους γονείς αα παιδιά με κάποιο βαθμό προβλεψιμότηΤΩς.
Το φαινόμενο της κληρονομικότηΤΩς
-
ΚαΤά την οποία οι ιδιαιτερότητες των
γονέων υπαγορεύουν ης ιδιαιτερότητες των απογόνων
-
είναι κεντρικό χα
ρακτηΡΙσΙικό της Ζωής.
Ο μηχανισμός με 1Ον οποίο μεΤΩβιβάΖΟνται ΤΩ χαρακτηΡΙσΙικά από γενιά σε γενιά παρέμενε μυαήριο έως ΤΩ τέλη 1Ου δέκα1Ου ένα1Ου αιώνα. Εκείνη την εποΧή, οι βιολόγοι διαπίαωσαν όη ΤΩ χρωμοσώμαΤΩ μεΤΩφέρουν ης μο
νάδες της κληρονομικότηως και συνειδη1Οποίησαν όη πρώω διαχωρίΖΟ
νται, κατά 1Ον σχημαησμό των φυλεηκών κυπάρων, και κατόπιν επανασυν δέονται, ΚαΤά τη γονιμοποίηση. Σε παλαιότερες εποΧές, οι θεωρίες της κλη ρονομικότηως πρότειναν ποικίλες δυνωότηΤες. Για παράδειγμα, ο ΑρισΙΟ τέλης, ο οποίος έγραψε 10 πρώ1Ο φημισμένο βιβλίο σχεηκά με την αναπα
ραγωγή (Η Δημιουργία των Ζώων), πίαευε όη κοινά χαρακτηΡΙσΙικάμπο ρούσε να προκύψουν από ασυνήθιαες ενώσεις l\.x. η καμηλοπάρδαλη ε θεωρεί1Ο ως υβριδικό Ζώο που προέκυmε από τη διαααύρωση της καμήλας και της λεοπάρδαλης. (Αυτή η παράδοξη αντίληψη αντικα1ΟπτρίΖεωι σιο επι
αημονικό όνομα της καμηλοπάρδαλης, Giraffa camel0pardalis). Σύμφωνα με μια άλ/η λανθασμένη πεποίθηση, ΤΩ παιδιά ήων απόγονοι
αποκλεΙσΙικά 1Ου ενός ή 1Ου άλ/ου γονέα: αυτή η θεωρία ονομάαηκε μονο
γονεϊκή κληρονομικότηω. Σω τέλη 1Ου 1γυ αιώνα, όΤΩν ο Ολ/ανδός ιατρός
Reinier de Graaf αναγνώρισε 10
ωοθυλάκιο, δΙαΤύπωσετην άποψη όη ω
βρέφη είναι προσχημαησμένααη μητέρα και όη ο πατέρας απλώς συνει σφέρει τη «Ζωηκή σπίθα» που χρειάΖεωι για να πυροδοτηθείη εμβρυϊκή α νάπτυξη. Περίπου την ίδια εΠΟΧή, ο
Antoni van Leeuwenhoek,
χρησιμοποι
ώντας 10 απλό μικροσκόπιό1Ου, παρωήρησεγια πρώτη φορά Ζωντανά σπερ μα1ΟΖωάρια. Η ανακάλυψή1Ου αήριξετην αντίθετη θεωρία όη ΤΩ σπερμα1Ο
Ζωάρια μεωφέρουντέλειους μικροσκοπικούςανθρώπους (ανθρωπάρια,
Τα οφέλη της φυλετικής αναπαραγωγής Η φυλετική αναπαραγωγήπεριλαμβάνειτόσο διπλοειδή όσο και απλοειδή κύπαρα Η φυλετική αναπαραγωγήπαρέχει στους οργανισμούςτο πλεονέκτηματου ανταγωνισμούμέσα σ' ένα απρόβλεmοκαι μεταβαλλόμενοπεριβάλλον Μείωση Η μείωση δημιουργείαπλοειδή κύπαρα από διπλοειδή κύπαρα Κατά τη διάρκειατης μείωσηςτα ομόλογα χρωμοσώματαζευγαρώνουν Ανάμεσα στα χρωμοσώματατης μητέρας και του πατέρα συμβαίνει εκτεταμένοςανασυνδυασμός Το ζευγάρωμακαι ο ανασυνδυασμόςτων χρωμοσωμάτωνδιασφαλίζουντον σωστό διαχωρισμότων ομολόγων Η δεύτερη μειωτική διαίρεση παράγει απλοειδή θυγατρικά κύπαρα Τα απλοειδή κύπαρα περιέχουνγενετικές πληροφορίεςποικίλης προέλευσης Η μείωση δεν είναι αλάνθαστη Η γονιμοποίησηαποκαθιστάτο πλήρες γονιδίωμα Ο Mendel και οι νόμοι της κληρονομικότητας Ο Mendel επέλεξε να μελετήσει χαρακτηριστικά που κληρονομούνται μ' ευδιάκριτο τρόπο Οι μελέτες του Mendel απέκλεισαν τις εναλλακτικές θεωρίες της κληρονομικότητας Τα πειράματα του Mendel αποκάλυψαν τη διακριτή φύση της κληρονομικότητας Κάθε γαμέτης φέρει μόνο ένα αλληλόμορφο για κάθε χαρακτηριστικό Ο νόμος του διαχωρισμού του Mendel ισχύει για όλους τους οργανισμούς που αναπαράγονται φυλετικά Τα αλληλόμορφα για διαφορετικά χαρακτηριστικά διαχωρίζονται ανεξάρτητα Η συμπεριφορά των χρωμοσωμάτων κατά τη μείωση εξηγεί τους νόμους της κληρονομικότητας του Mendel Η συχνότητα του ανασυνδυασμού μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να καθοριστεί η σειρά των γονιδίων πάνω στα χρωμοσώματα Ο φαινότυπος ενός ετεροζυγώτη αποκαλύmει αν ένα αλληλόμορφο είναι επικρατές ή υπολειπόμενο Μερικές φορές τα μεταλλαγμένα γονίδια προσδίδουν ένα πλεονέκτημα επιλογής Η γενετική ως πειραματικό εργαλείο Η κλασική προσέγγιση αρχίζει με τυχαία μεταλλαξιγένεση Οι δοκιμασίες γενετικής διαλογής αναγνωρίζουν μεταλλαγμένους οργανισμούς με ανεπάρκεια σε κυπαρικές διαιρέσεις Οι δοκιμασίες συμπληρωματικότητας αποκαλύmουν αν δύο μεταλλάξεις βρίσκονται στο ίδιο γονίδιο Τα γονίδια του ανθρώπου μεταβιβάζονται σε απλοτύπους: αυτό συμβάλλει στην αναζήτηση μεταλλάξεων που προκαλούν νοσήματα Τα περίπλοκα χαρακτηριστικά επηρεάζονται από πολλά γονίδια Το πεπρωμένο είναι γραμμένο στο ΟΝΑ;
819
homunculi)
που για ν' αναπτυχθούν απλώς πρέπει να εμφυτευθούν και να ε
πωασιούν σε μια γυναίκα (Εικόνα
20-1).
Στα μέσα ιου 1ψυ αιώνα, είχε γίνει αντιληπτό ότι τα χαρακτηριστικά των παιδιών είναι μείγμα χαρακτηριστικών που προέρχονται και από τους δύο
γονείς. Ωστόσο, επικρατούσε η λάθος άποψη ότι ουσίες που βρίσκονται μέ σα στο σπερμαΤΟΖωάριο και στο ωάριο αναμειγνύονται, όπως οι μπογιές, και
παράγουν απογόνους μ' ενδιάμεσα χαρακτηριστικά. Ακόμα και ο Δαρβίνος υποστήριξε μια μορφή αυτής της εσφαλμένης θεωρίας, γνωστή ως ανάμει
κτη κληρονομικότητα. Υπέθετε ότι κάθε κύπαρο ενός οργανισμού παράγει μια ουσία που αντιστοιχεί στο συγκεκριμένο κύπαρο και ότι αυτές οι ουσίες
κυκλοφορούν στο σώμα και εισέρχονται στα φυλετικά κύπαρα. Έτσι, όταν ε νώνεται ένα σπερμαΤΟΖωάριο μ' ένα ωάριο, οι ουσίες που περιέχουν αναμει γνύονται και αργότερα, με άγνωστο μηχανισμό, αναδημιουργούν όλους
τους κυπαρικούς τύπους από τους οποίους προήλθαν. Σήμερα, η φυσική βάση της κληρονομικότητας φαίνεται προφανής. Γνω Εικόνα
20-1. Σύμφωνα
με μια εσφαλμένη θε
ρίΖουμε ότι τα γονίδια μεταφέρονται πάνω στα χρωμοσώματα. Στα εξειδικευ
ωρία της κληρονομικότητας, τα γενετικά χα
μένα φυλετικά κύπαρα που ονομάΖΟνται γαμέτες (τα ωάρια και τα σπερματο
ρακτηριστικά μεταβιβάζονται αποκλειστικά
Ζωάρια) ο αριθμός των χρωμοσωμάτων είναι ο μισός απ' ότι στα υπόλοιπα
από τον πατέρα. Προς επίρρωση αυτής της συγκεκριμένης θεωρίας μονογονεϊκής κληρο
κύπαρα ιου σώματος. Η ένωση των γαμετών κατά τη γονιμοποίηση παράγει
νομικότητας, μερικοί μικροσκόποι φαντάστη
απογόνους με ισάριθμα χρωμοσώματα από κάθε γονέα: αυτό ερμηνεύει για
καν ότι ανίχνευσαν έναν τέλειο, μικροσκοπικό
τί κάθε παιδί διαθέτει έναν μοναδικό συνδυασμό χαρακτηριστικών που προ
άνθρωπο στριμωγμένο στην κεφαλή κάθε σπερματοζωαρίου.
έρχονται και από τους δύο γονείς. Σε αυτό ΙΟ κεφάλαιο θα εξετάσουμε τους μοριακούς μηχανισμούς της VFJJε 'ΠΚής, δηλαδή της επιστήμης της κληρονομικότητας. Σε προηγούμενα κεφά
λαια
(5 και 6)
είδαμε ότι τα γονίδια αποτελούνται από
DNA,
πώς διατάσσονται
πάνω στα χρωμοσώματα και πώς αντιγράφονται Ωστόσο, για να μεταβιβαστούν
τα γονίδια στους απογόνους, οι οργανισμοί που αναπαράγονται φυλετικά πρώ τα πρέπει να διοχωρίσουν και να μοιράσουν τα χρωμοσώματά ιους στους γαμέ τες που θα μεταφέρουν τα γονίδια στην επόμενη γενεά. Αυτό είναι ΙΟ έργο μιας εξειδικευμένης μορφής κυπαρικής διαίρεσης που ονομάζεται μείωση. Το κεφάλαιο αρχίΖει με την παρουσίαση της φυλετικής αναπαραγωγής. Στη συνέχεια θα εξετάσουμε πώς σχηματίΖΟνται οι γαμέτες από τη μείωση και πώς δημιουργείται γενετική ποικιλότητα από την τυχαία κατανομή των
χρωμοσωμάτων κατά τη μείωση. Στο τρίτο μέρος του κεφαλαίου, θα δούμε πώς ο
Gregor Mendel συμπέρανε
τους κανόνες της κληρονομικότητας και
προέβλεψε την ύπαρξη των φυσικών μονάδων της κληρονομικότητας που σήμερα ονομάΖουμε γονίδια. Τέλος, θα παρουσιάσουμε πώς μπορεί να χρη
σιμοποιηθεί η γενετική ως πειραματικό εργαλείο ώστε να καθοριστεί ο τρό πος συνεργασίας των γονιδίων για τη δημιουργία ενός ολόκληρου οργανι σμού, με έμφαση στη μελέτη της γενετικής του ανθρώπου.
Τα οφέλη IllS φυλειικήs αvαπαραγωγήs Οι περισσότεροιοργανισμοίαναπαράγονταιφυλετικά. Ωστόσο, πολ/οί οργανισμοίαναπαράγονταιαφυλετικά. Για παράδειγμα,τα βακτήρια και άλ-
820
Κεφάλαιο 20: Γενετική, Μείωση και η Μοριακή Βάση της Κληρονομικότητας
λοι μονοκύπαροι οργανισμοί αναπαράγονται με απλή κυπαρική διαίρεση (Εικόνα
20-2).
Αφυλεηκά αναπαράγονται επίσης πολ/ά φυτά, σχηματίΖΟ
ντας παραφυάδες που αργότερα αποσπώνται από το μητρικό φυτό για να
σχηματίσουν νέα ανεξάρτητα φυτά. Ακόμα και σκουλήκια μπορεί να κοπούν
mo Ζωικό
ma δύο και κάθε μισό ν'
βασίλειο, ορισμένα
αναγεwήσει το άλ/ο
μισό που λείπει Ωmόσο, παρόλο που η αφυλεnκή αναπαραγωγή είναι απλή και άμεση, συνήθως αποδίδει απογόνους οι οποίοι είναι γενεηκώς ταυτόση
μοι με τον μητρικό οργανισμό. Αντίθετα, η φυλετική αναπαραγωγή συνίmα ται σε ανάμειξη του γονιδιώματος δύο οργανισμών για την παραγωγή απο γόνων που διαφέρουν, τόσο μεταξύ τους όσο και από καθέναν από τους γο νείς τους. Ο συγκεκριμένος τρόπος αναπαραγωγής φαίνεται όη προσέφερε μεγάλα πλεονεκτήματα, καθώς υιοθετήθηκε από τη συντριmική πλειονότητα των φυτών και των Ζώων.
Η φυλετική αναπαραγωγή περιλαμβάνει τόσο διπλοειδή όσο
και απλοειδή κύπαρα Η φυλεηκή αναπαραγωγή συμβαίνει σε διπλοειδείς οργανισμούς mους
οποίους κάθε κύπαρο περιέχει δύο ομάδες χρωμοσωμάτων, μια από κάθε γονέα. Συνεπώς, κάθε διπλοειδές κύπαρο περιέχει δύο αντίγραφα του κάθε γονιδίου (μ' εξαίρεση τα γονίδια που βρίσκονται
ma φυλεηκά χρωμοσώμα
τα των αρσενικών οργανισμών, τα οποία υπάρχουν μόνο σ' ένα αντίγραφο). Επιπλέον,
mn «δεξαμενή των γονιδίων»
ενός είδους υπάρχουν πολυάριθμες
ποικιλίες κάθε γονιδίου και η φυλεηκή αναπαραγωγή εξασφαλίΖει όη συνε
Χώς θα δοκιμάΖΟνται νέοι συνδυασμοί γονιδίων.
Εικόνα
20-2.
Ο διπλασιασμός των βακτηρια
κών κuπάρων. Υπό ιδανικές συνθήκες, η διαί ρεση ενός βακτηρίου στα δυο γίνεται κάθε
25 λεmά της
20-
ώρας.
Τα Οφέλη της Φυλετικής Αναπαραγωγής
821
Εικόνα
20·3. Παρά την τεράστια
διαφορά με
γέθους, το σπερματοζωάριο και το ωάριο
συνεισφέρουν εξίσου στη γενετική σύσταση του ζυγώτη. Αυτή η διαφορά (τα ωάρια περιέ χουν άφθονο κυπαρόπλασμα ενώ τα σπερμα τοζωάρια σχεδόν καθόλου) είναι συμβατή με τη γνώση ότι το κυπαρόπλασμα δεν είναι η βά ση της κληρονομικότητας. Αν ήταν, η συνει σφορά της μητέρας στη γενετική σύσταση των απογόνων θα ήταν πολύ μεγαλύτερη από την αντίστοιχη του πατέρα. Στη διπλανή ηλεκτρο νιομικρογραφία σάρωσης φαίνονται σπερμα τοζωάρια προσδεδεμένα στην επιφάνεια ενός ωαρίου αχιβάδας. Παρότι πολλά σπερματοζω άρια προσδένονται στο ωάριο, μόνο ένα θα το
γονιμοποιήσει. (Με την άδεια του
David Epel).
50
μm
Αντίθετα από τα υπόλοιπα κύπαρα ενός διπλοειδούς οργανισμού, τα ε
ξειδικευμένα κύπαρα που διεκπεραιώνουν τη φυλετική αναπαραγωγή (Υνω οιά ως γαμετικά κύπαρα
- germ cells ή γαμέrες)
είναι απλοειδή. Τα κύπαρα
αυτά περιέχουν μόνο μια ομάδα χρωμοσωμάτων. Οι γαμέτες διακρίνονται
σε δύο είδη. Στα Ζώα, το ένα είδος περιλαμβάνει μεγάλα και ακίνητα κύπα ρα που αποκαλούνται ωάρια
(eggs),
που αποκαλούνται σπερμαΤΟΖωάρια
ενώ το άλ/ο μικρά και κινητά κύπαρα
(sperm)
(Εικόνα
20-3). Αυτά τα απλοει
δή γαμετικά κύπαρα σχηματίΖΟνται όταν ένα διπλοειδές κύπαρο ακολουθή σει την πολύ εξειδικευμένη διεργασία κυπαρικής διαίρεσης η οποία αναφέ ρεται ως μεfωσn (Εικόνα
20-4).
Κατά τη διάρκεια της μείωσης, τα χρωμοσώ
ματα των δύο ομάδων μοιράΖΟνται, σε νέους συνδυασμούς, σε δύο ανεξάρ τητες ομάδες. Οι απλοειδείς γαμέτες συντήκονται για να σχηματίσουν ένα δι
πλοειδές κύπαρο (το γονιμοποιημένο ωάριο ή Ζυγώm) μ' ένα νέο συνδυα σμό χρωμοσωμάτων. Ο Ζυγώτης αναπτύσσεται σ' ένα νέο οργανισμό με ένα σύνολο χρωμοσωμάτων διαφορετικό από εκείνα των γονέων του.
Σε όλα σχεδόν τα πολυκύπαρα Ζώα, συμπεριλαμβανομένων και των σπονδυλωτών, ο κύκλος Ζωής ουσιαοιικά εξελίσσεται σε διπλοειδή κατάοια
ση. Τα απλοειδή κύπαρα Ζουν λίγο, δεν διαιρούνται και είναι πολύ εξειδι κευμένα για τη φυλετική λεnουργία. Συνεπώς, οια περισσότερα Ζώα είναι χρήσιμη η διάκριση ανάμεσα οια κύπαρα της γαμετικής (ή βλαοιικής) σει
ράς, από τα οποία θα προέλθει η επόμενη γενεά των γαμετών, και οια σω ματικά κύπαρα, τα οποία σχηματίΖουν το υπόλοιπο σώμα και τελικά δεν απο κτούν απογόνους (Εικόνα
20-5). Υπό μια
έwOlα, ο μοναδικός λόγος ύπαρ
ξης των σωματικών κυπάρων είναι να βοηθούν τα κύπαρα της γαμετικής σει
ράς να επιβιώνουν και να πολ/απλασιάΖΟνται.
822
Κεφάλαιο 20: Γενετική, Μείωση και η Μοριακή Βάση της Κληρονομικότητας
, " ο.
διπλοειδής αναπαραγωγή
διπλοειδής αναπαραγωγή
.
μητέρα
σωματικά
'"',_·-u,,",~,- '"'" ι κύπαρα
'- '- "'-
βλαστικά κύπαρα
ΜΕΙΩΣΗ
Ι~
Εικόνα
πατέρας
C~~)
s
Υ
κύπαρα. (Α) Τα κύπαρα των ανώτερων ευκα ρυωτικών οργανισμών πολλαπλασιάζονται σε διπλοειδή φάση για να δημιουργήσουν έναν πολυκύπαρο οργανισμό. Απλοειδείς είναι μό νο οι γαμέτες (τα ωάρια και τα σπερματοζωά ποίηση για να δημιουργήσουν τον διπλοειδή
ι
απλοειδές απλοειδές κύπαρο σπερματοζωάριο
αναπαραγωγή περι
ρια), (Β) Οι γαμέτες ενώνονται κατά τη γονιμο
ΜΕΙΩΣΗ
Ι
20-4. Η φυλετική
λαμβάνει τόσο διπλοειδή όσο και απλοειδή
ζυγώτη, ο οποίος θ' αναmυχθεί στον διπλοει
δή οργανισμό. Για λόγους απλούστευσης, κά
Θ
θε γαμέτης φαίνεται να περιέχει μόνο ένα χρω μόσωμα, ενώ το σπερματοζωάριο παρουσιά ζεται πολύ μεγαλύτερο απ' ό,τι είναι στην πραγματικότητα.
απλοειδές κύπαρο
απλοειδές σπερματοζωάριο
1--..-----"1
ΓΟΝΙΜΟΠΟΙΗΣΗ
!
1
ΓΟΝΙΜΟΠΟΙΗΣΗ
&
Ι
.πλΟΟ"Ί Ψιώτ/ς ΜΙΤΩΣΗ
διπλοειδής ζυγώτης
t
Ι
rA l σωματικά κύπαρα
ΜΙΤΩΣΗ
ν ~ βλαστικά κύπαρα διπλοειδής οργανισμός
t νέος διπλοειδής οργανισμός αποτελούμενοςαπό πολλά κύπαρα
(Α)
(8)
Ο κύκΛος της φυΛετικής αναπαραγωγής συνίσταται σε μια εναλ/αγή α
πΛοειδών κυπάρων, 10 καθένα με μια ομάδα χρωμοσωμάτων,με γενεές δι πiΊoειδών κυπάρων, 10 καθένα με δύο ομάδες χρωμοσωμάτων,Η ανάμειξη
.,
γαμέτης
βλαστικά κύπαρα Ι
a
8--8--8--8-- a
γαμέτης
ζυγώτης
Ι
'"
σ
Εικόνα
σ/ ""σ
ri\ ~,
ι
1'0
~,
~,
σωματικά κύπαρα
Τα βλαστικά και τα σωματικά
γονται φυλετικά, τα βλαστικά κύπαρα (κόκκι
~,
~~~0σcoσ
20-5.
κύπαρα επιτελούν πολύ διαφορετικές λει τουργίες. Στους οργανισμούς που αναπαρά νο) μεταφέρουν τις γενετικές πληροφορίες Ι
στην επόμενη γενιά. Τα σωματικά κύπαρα (μπλε), τα οποία σχηματίζουν το σώμα και άρα
είναι απαραίτητα για τη φυλετική αναπαραγω ΜΗΤΕΡΑ
ΚΟΡΗ
γή, δεν αποκτούν απογόνους.
Τα Οφέλη της Φυλετικής Αναπαραγωγής
823
των γονιδιωμάτων που χαρακτηρίΖει τη φυλετική αναπαραγωγή επιτυγχάνεται από τη σύντηξη δύο απλοειδών κυπάρων για το σχηματισμό ενός διπλοει
δούς κυπάρου. Με αυτόν τον τρόπο, διαμέσου κύκλων διπλοειδίας, μείωσης, απλοειδίας και κυπαρικής σύντηξης, οι παλαιοί συνδυασμοί των γονιδίων κα ταργούνται και στη θέση τους δημιουργούνται άλ/οι, νέοι συνδυασμοί.
Η φυλετική αναπαραγωγή παρέχει στους οργανισμούς το
πλεονέκτημα του ανταγωνισμού μέσα σ' ένα απρόβλεπτο και μεταβαλλόμενο περιβάλλον Η φυλετική αναπαραγωγή είναι μια περίτεχνη και πολυδάπανη διεργα σία. Ποια οφέλη προσδίδει και γιατί άραγε εξελίΧθηκε; Μέσω της ανάμειξης των γονιδίων, οι οργανισμοί που αναπαράγονται φυλετικά αποκτούν απογό νους που διαφέρουν μεταξύ τους κατά μη προβλέψιμο τρόπο. Το χιμαιρικό
•,
Ερώτηση 20-1 Εύκολα καταλαβαίνει κα νείς γιατί οι επιβλαβείς με ταλλάξεις στα βακτήρια, τα οποία έχουν μόνο ένα αντί
γραφο κάθε γονιδίου, απα λείφονται από τη φυσική ε
πιλογή: τα προσβεβλημένα βακτήρια πε
θαίνουν και έτσι η μετάλ/αξη Χάνεται α πό τον πληθυσμό. Οι ευκαρυώτες έχουν
δύο αντίγραφα των περισσότερων γονι δίων επειδή είναι διπλοειδείς. Συχνά ένα άτομο με δύο φυσιολογικά αντίγραφα
του γονιδίου (ομόΖυγο, φυσιολογικό) έ χει τον ίδιο φαινότυπο μ' ένα άτομο που έχει ένα φυσιολογικό και ένα ελαπωμα τικό αντίγραφο του γονιδίου (ετερόΖυγο). Σε αυτές τις περιπτώσεις, η φυσική επι
λογή μπορεί να λειτουργήσει μόνο σ' έ να άτομο με δύο αντίγραφα του ελαπω ματικού γονιδίου (ομόΖυγο, ελαπωματι κό). Φανταστείτε μια κατάσταση στην ο ποία μια ελαπωματική μορφή του γονιδί ου είναι θανατηφόρος σε ομόΖυγη κατά
σταση αλλά δεν έχει επιπτώσεις σε ετε ρόΖυγη κατάσταση. Μπορεί άραγε μια τέ
τοια μετάλ/αξη ν' απαλειφθεί κάποτε α πό τον πληθυσμό με φυσική επιλογή; Δι
καιολογείστε τις απαντήσεις σας.
γονιδίωμα των απογόνων μπορεί με τις ίδιες πιθανότητες ν' αντιπροσωπεύει μια αλ/αγή είτε προς το καλύτερο είτε προς το χειρότερο. Επομένως, για ποιο λόγο οι φυλετικοί οργανισμοί έχουν το πλεονέκτημα του συναγωνι σμού έναντι των οργανισμών που αναπτύσσονται αφυλετικά; Το ερώτημα αυτό εξακολουθεί να προβληματίΖει όσους ασχολούνται με την πληθυσμιακή γενετική. Ωστόσο, το γενικό συμπέρασμα είναι ότι η ανακατανομή των γονι
δίων που προκαλεί η φυλετική αναπαραγωγή βοηθά ένα είδος να επιβιώνει σ' ένα απρόβλεπτα μεταβλητό περιβάλ/ον. Αν δύο γονείς αποκτήσουν πολ λούς απογόνους με ποικίλους συνδυασμούς γονιδίων, τότε θα υπάρχει με γαλύτερη πιθανότητα κάποιος από αυτούς να έχει τον συνδυασμό των χαρα κτηριστικών που είναι κατάλ/ηλος για επιβίωση. Η φυλετική αναπαραγωγή θα μπορούσε επίσης να επιταΧύνει την εξάλειψη των επιβλαβών γονιδίων α
πό έναν πληθυσμό: Ζευγαρώνοντας μόνο με τα πιο εύρωστα αρσενικά, τα θηλυκά επιλέγουν «καλά» γονίδια και αφήνουν τα «κακά» γονίδια να χαθούν από τον πληθυσμό πολύ πιο αποτελεσματικά. Όποια και αν είναι τα πλεονεκτήματά της, η φυλετική αναπαραγωγή είχε μεγάλες επιπτώσεις στην ποικιλότητα της Ζωής στη Γη. Στις επόμενες παρα γράφους θα εξετάσουμε τα βασικά χαρακτηριστικά της, εστιάΖοντας στη μεί
ωση, δηλαδή στη διεργασία με την οποία σχηματίΖΟνται τα φυλετικά κύπαρα.
Μείωση Η μείωση ανακαλύφθηκε το
1883, όταν παρατηρήθηκε
ότι το γονιμοποι
ημένο ωάριο ενός συγκεκριμένου σκουληκιού περιείχε τέσσερα χρωμοσώ
ματα, ενώ οι γαμέτες του (σπερμαΤΟΖωάρια στα αρσενικά και ωάρια στα θη λυκά σκουλήκια) περιείχαν μόνο δύο. Τότε έγινε αντιληπτό για πρώτη φορά ότι οι γαμέτες, κύπαρα εξειδικευμένα για φυλετική αναπαραγωγή, είναι Q-
Μοειδείς (haploid). Αυτό σημαίνει ότι περιέχουν μόνο μια ομάδα χρωμοσω μάτων και επομένως μόνο ένα αντίγραφο των γενετικών πληροφοριών του οργανισμού (βλ. Εικόνα
20-4),
ενώ τα υπόλοιπα κύπαρα του σώματος, ανά
μεσά τους και τα προγονικά κύπαρα των γαμετών, είναι διΜοειδή
(diploid),
δηλαδή περιέχουν δύο σύνολα χρωμοσωμάτων, ένα προερΧόμενο από τη
824
Κεφάλαιο 20: Γενετική, Μείωση και η Μοριακή Βάση της Κληρονομικότητας
μητέρα και ένα άλ/ο από τον πατέρα. Συνεπώς, τα σπερματΟΖωάρια και τα ω άρια πρέπει να σχηματίΖΟνται από ένα ιδιαίτερο είδος κυπαρικής δωίρεσης
κατά την οποία ο αριθμός των χρωμοσωμάτων μειώνεται ακριβώς στο μισό. Το συγκεκριμένο είδος κυπαρικής δωίρεσης αποκαλείται μείωση. Η αναγνώριση ότι τα χρωμοσώματα μεταφέρουν τις μονάδες της κληρο νομικότητας και ότι κάθε γαμέτης διαθέτει μια απλοειδή ομάδα τέτοιων μο
νάδων ερμηνεύει πώς και οι δύο γονείς συνεισφέρουν ισότιμα στα χαρακτη ριστικά των απογόνων, παρά την τεράστω δωφορά μεγέθους μεταξύ ωαρίου και σπερμαΤΟΖωαρίου (βλ. Εικόνα
20-3).
Στις παραγράφους που ακολουθούν θα παρακολουθήσουμε τον περίτε χνο «χορό» των χρωμοσωμάτων που δωδραματίΖεται όταν το κύπαρο δωιρεί στα δύο το γενετικό υλικό του. Θ' αρχίσουμε εξετάΖοντας πώς η μείωση κα τανέμει τα χρωμοσώματα στους γαμέτες. Στη συνέχεω θα εξετάσουμε λεmο
μερώς πώς Ζευγαρώνουν, ανασυνδυάΖΟνται και διαχωρίΖΟνται τα χρωμοσώ ματα. Η τυχαία κατανομή των χρωμοσωμάτων του πατέρα και της μητέρας
κατά τη μείωση δημιουργεί γαμέτες με νέους συνδυασμούς γονιδίων. Επί σης θα εξετάσουμε τι συμβαίνει όταν η μείωση ακολουθήσει λάθος δρόμο. Τέλος, θ' ασχοληθούμε με τη διεργασία της γονιμοποίησης κατά την οποία
οι γαμέτες ενώνονται γω να σχηματίσουν ένα νέο, γενετικώς ανεπανάληπτο οργανισμό.
Η μείωση δημlOυργεί απλοειδή κύπαρα από
διπλοειδή κύπαρα Όταν τα διπλοειδή κύπαρα δωιρούνται με μίτωση, διπλασιάΖουν ακρι βώς τις δύο ομάδες των χρωμοσωμάτων τους και μεταβιβάΖουν στα δύο θυ
γατρικά κύπαρα από μω πλήρη ομάδα. Η διεργασία με την οποία σχηματί Ζονται τα γαμετικά κύπαρα είναι δωφορετική, εφόσον σε κάθε γαμετικό κύτ ταρo παραδίδεται μόνο μια ομάδα χρωμοσωμάτων του αρχικού διπλοειδούς κυπάρου. Η διεργασία αυτή, γνωστή ως μείωση
(meiosis)
συνίσταται σε δι
πλασωσμό κάθε χρωμοσώματος που ακολουθείται από δύο δωδοχικές κυτ
ταρKές δωιρέσεις. Θα μπορούσε κάποιος να φανταστεί ότι η μείωση θα ήταν δυνατό να συμ βεί με απλή τροποποίηση μως κανονικής μιτωτικής δωίρεσης, κατά την ο
ποία παραλείπεται η αντιγραφή του ΟΝΑ (φάση
S). Θεωρητικά,
από έναν γύ
ρο κυπαρικής δωίρεσης θα παράγονταν άμεσα δύο απλοειδή κύπαρα. Για άγνωστους λόγους, η πραγματικότητα είναι πολύ πιο περίπλοκη: η μείωση περιλαμβάνει δύο κυπαρικές διαιρέσεις αντί για μια. Επίσης, σε μερικά κύτ
ταρα μπορεί να διαρκέσει πολύ περισσότερο από τη μίτωση. Γω παράδειγ μα, στους άνδρες η μείωση δωρκεί
24 ημέρες,
ενώ στις γυναίκες μπορεί να
δωρκέσεl δεκαετίες. Τα εξειδικευμένα διπλοειδή κύπαρα των ωοθηκών ή των όρχεων αποτε
λούν την αφετηρία γω τη μείωση. Τα κύπαρα αυτά περιέχουν δύο αντίγραφα
κάθε χρωμοσώματος, ένα προερΧόμενο από τον πατέρα (πατρικό ομόΛογο) και ένα άλ/ο από τη μητέρα (μnτρικό ομόΛογο). Η πρώτη φάση στη μείωση,
όπως και στη μίτωση, είναι ο διπλασιασμός των χρωμοσωμάτων των διπλοει-
Μείωση
825
δών κυπάρων. Τα νέα χρωμοσώμαίΟ αρχικά παραμένουν προσκολ/ημένα το ένα σro άλ/ο, σαν σιαμαία δίδυμα. Στην επόμενη φάση Της μείωσης, κά
θε διπλασιασμένο πατρικό χρωμόσωμα Ζευγαρώνει με το διπλασιασμένο μητρικό ομόλογο του, ένα γεγονός που συμβαίνει αΠOκλεισrΙKά σrη μείωση.
Αυτό το εξειδικευμένο Ζευγάρωμα διασφαλίΖει όη ίΟ ομόλογα θα διαχωρι σroύν σωσrά κατά ης επακόλουθες κυπαρικές διαιρέσεις, ώσrε καθένας από τους παραγόμενους γαμέτες να παραλάβει μια πλήρη απλοειδή ομάδα χρω μοσωμάτων.
Δύο διαδοχικές κυπαρικές διαιρέσεις, γνωσrές ως μειωηκή διαίρεση Ι
και
11,
παραδίδουν σε κάθε γαμέΤη μια πλήρη μονή ομάδα χρωμοσωμάτων.
Επειδή η καίΟνομή των ομολόγων σrα θυγατρικά κύπαρα είναι Τυχαία, ίΟ αυθεντικά μητρικά και πατρικά χρωμοσώμαίΟ ανακατεύονται σε διαφορεη κούς συνδυασμούς σroυς γαμέτες που θα παραΧθούν από αυτά ίΟ απλοειδή κύπαρα. Κοτά Τη γονιμοποίηση, από Την ένωση δύο γαμετών θα παραΧθεί έ
νας διπλοειδής Ζυγώτης που θα διαφέρει γενεηκά από κάθε γονέα (βλ. Ει κόνα
20-4).
Ο Ζυγώτης θ' αναπτυΧθεί σ' έναν πολυκύπαρο οργανισμό με ε
πανειλημμένους γύρους κυπαρικού πολ/απλασιασμού και κυπαρικής διαί ρεσης που ακολουθούνται από κυπαρική εξειδίκευση.
Συνεπώς, η μείωση παράγει τέσσερα κύτταρα που διαφέρουν μείΟξύ
τους: καθένα από αυτά ίΟ κύπαρα περιέχει ακριβώς ίΟ μισά χρωμοσώμαίΟ από το προγονικό κύπαρο. ΑντίθείΟ, η μίτωση παράγει δύο γενεηκώς ίΟυτό
σημα θυγατρικά κύτταρα. ΣΤη συνέχεια θα εξετάσουμε λεπτομερώς ίΟ μο ριακά συμβάντα του κύκλου Της μείωσης αρχίΖοντας από το Ζευγάρωμα των πατρικών και μητρικών χρωμοσωμάτων, διεργασία με βασική σημασία για αυτή Την εξειδικευμένη μορφή κυπαρικής διαίρεσης.
Κατά τη διάρκεια της μείωσης τα ομόλογα χρωμοσώματα Ζευγαρώνουν Εκτός από ίΟ χρωμοσώμαίΟ που καθορίΖουν το φύλο (φυίΊετικά χρωμο σώματο,
sex chromosomes),
ένας διπλοειδής πυρήνας περιέχει δύο πολύ
παρόμοιες παραλλαγές κάθε χρωμοσώματος, μια από τον αρσενικό γονέα (πατρικό χρωμόσωμα) και μια δεύτερη από το θηλυκό γονέα (μητρικό χρω
μόσωμα) (βλ. Εικόνα
5-12).
Επομένως, οι δύο παραλλαγές κάθε χρωμοσώ
ματος δεν είναι γενεηκώς παρόμοιες, αφού περιέχουν διάφορες παραλ/α γές από πολ/ά γονίδια. Οι εναλ/ακηκές μορφές ενός γονιδίου, που ονομά
ΖΟνται αλ/nλόμoρφα, διαφέρουν κάπως ως προς Την αλ/ηλουχία των νου κλεοηδίων τους. Η πιο κοινή διαφορά είναι η αντΙKαTάσrαση ενός Ζεύγους βάσεων- ωσrόσo, ίΟ διαφορεηκά αλ/ηλόμορφα μπορεί επίσης να φέρουν
ελλείψεις, ενθέσεις και διπλασιασμούς. Επειδή οι δύο «εκδοχές» κάθε χρω μοσώματος σroυς γονείς είναι απλώς παρόμοιες και όχι ίΟυτόσημες αποκα
λούνται ομόλογα χρωμοσώματα ή απλώς ομόλογα. Προτού διαιρεθεί ένα κύτταρο, είτε με μείωση είτε με μίτωση, πρέπει πρώίΟ ν' αντιγράψει όλα ίΟ χρωμοσώματά του. Τα «δίδυμα» αντίγραφα κάθε πλήρως αντιγραμμένου χρωμοσώματος πρώίΟ παραμένουν συνδεδεμένα
σε όλο το μήκος τους και ονομάΖΟνται αδελφές χρωματίδες. Τ' αντιγραμμέ-
826
Κεφάλαιο 20: Γενετική, Μείωση και η Μοριακή B~ση της Κληρονομικότητας
va χρωμοσώματα
έχουν διαφορετική τύχη κατά τη μειωση ή τη μΙτωση. Ό
πως ειδαμε στο Κεφάλαιο
19, τα
δύο αντιγραφα παρατάσσονται με
TUxola
σειρά στην πλάκα της μετάφασης. Στη συνέχεια, οι αδελφές χρωματιδες δια
ΧωΡIΖΟνται για να
ylvouv
ανεξάρτητα χρωμοσώματα και τα δύο θυγατρικά
κύπαρα που παράγονται από την κυπαροκινηση κληρονομούν ένα αντίγρα φο κάθε πατρικού και κάθε μητρικού χρωμοσώματος. Επομένως, οι δύο ο μάδες των γενετικών πληροφοριών μεταβιβάΖΟνται ακέραια και στα δύο θυ γατρικά κύπαρα, τα οποία είναι διπλοειδή και γενετικώς ταυτόσημα.
Τα γεγονότα που συμβαίνουν κατά την πρώτη μειωτική διαίρεση αντικα τοπτρίΖουν την ακολουθία των σταδίων από τα οποία διέρχεται ένα κύπαρο κατά τη μίτωση. Κατά την πρόφαση, τ' αντιγραμμένα χρωμοσώματα συμπυ κνώνονται, παρατάσσονται στον ισημερινό της μειωτικής ατράκτου κατά τη
μετάφαση, ενώ διαχωρίΖονται προς τους πόλους κατά την ανάφαση (βλ. Πα
ράρτημα
19-1). Η ανάγκη
να υποδιπλασιάΖεται ο αριθμός των χρωμοσωμά
των θέτει μια επιπρόσθετη απαίτηση για το μηχανισμό της κυπαρικής διαιρε σης και οδηγεί στην πρώτη κύρια διαφορά ανάμεσα στη μείωση και τη μίτω ση. Στην πρώτη μειωτική κυπαρική διαίρεση, τα διπλασιασμένα ομόλογα
πατρικά και μητρικά χρωμοσώματα (ανάμεσά τους και τα δύο διπλασιασμένα
φυλετικά χρωμοσώματα) Ζευγαρώνουν μεταξύ τους προτού παραταΧθούν στην άτρακτο (Εικόνα
20-6).
Όπως θα δούμε, αυτό το φυσικό Ζευγάρωμα
των ομόλογων χρωμοσωμάτων επιτρέπει στο πατρικό και στο μητρικό χρω μόσωμα να καταλήξουν σε διαφορετικά θυγατρικά κύπαρα. Έτσι, κάθε γα μέτης που σχηματίΖεται στο τέλος της διεργασίας θα περιέχει είτε το μητρικό
ειτε το πατρικό αντίγραφο ενός χρωμοσώματος αλλά όχι και τα δύο. Επειδή η κατανομή των μητρικών και πατρικών χρωμοσωμάτων στους γαμέτες κατά
τη διάρκεια της μείωσης είναι τυχαία, τα αρχικά μητρικά και πατρικά χρωμο σώματα ανακατεύονται με διαφορετικούς συνδυασμούς. Είναι άγνωστο πώς αναγνωρίΖονται μεταξύ τους τα ομόλογα χρωμοσώ ματα (συμπεριλαμβανομένων και των φυλετικών). Σε πολλούς οργανισμούς,
Ρ1
Εικόνα
20-6.
Σύγκριση της μετάφασης στη
μίτωση και τη μείωση. Στη μίτωση (Α) τα ξε χωριστά μητρικά (Μ) και πατρικά (Π) χρωμο Μ2
Π2
σώματα παρατάσσονται τυχαία στην πλάκα της μετάφασης, ενώ στη μείωση
(8) τα ομόλο
γα χρωμοσώματα πρώτα ζευγαρώνουν και με
τά παρατάσσονται. Και στις δύο περιmώσεις,
Π2
(Α) η πλάκα της μετάφασης κατά τη μίτωση: τα ομόλογα χρωμοσώματα δρουν ανεξάρτητα
η πλάκα της μετάφασης κατά τη μείωση: τα ομόλογα χρωμοσώματα
(8)
ζευγαρώνουν
τα χρωμοσώματα έχουν ήδη αντιγραφεί προ τού παραταχθούν. Η άτρακτος αποδίδεται με πράσινο χρώμα.
Μείωση
827
Εικόνα
20-7.
Ο ανασυνδυασμός ανάμεσα σε
μια μητρική και μια πατρική χρωματίδη στα
αντιγραμμένο πατρικό χρωμόσωμα 1
αντιγραμμένο μητρικό χρωμόσωμα 1
~~
ζευγαρωμένα χρωμοσώματα σχηματίζει ένα χίασμα. (Α) Η δομή που σχηματίζεται όταν ζευ γαρώνουν τα ομόλογα χρωμοσώματα αποκα
λείται δισθενές και αποτελείται από τέσσερις χρωματίδες. (Β) Οι επιχιασμοί δημιουργούν χιάσματα ανάμεσα σε μη αδελφές χρωματί
.~
δες. Σε αυτή την ομάδα ζευγαρωμένων ομολό
κεντρομερίδιο
γων, έχει συμβεί ένας επιχιασμός κατά την
πρόφαση που δημιούργησε ένα χίασμα. Οι αδελφές χΡωματίδες
τέσσερις χρωματίδες του δισθενούς παρα τάσσονται ως δύο διακριτά ζεύγη αδελφών χρωματίδων. Ο συνδυασμός των χιασμάτων
και η σφιχτή σύνδεση των αδελφών χΡωματί δων (μεσολαβείται από τις κοεζίνες) συγκρα τεί τα δύο διπλασιασμένα ομόλογα. (η Μετα
(Α)
(8)
(Δ)
χίασμα
ξύ των ομόλογων χρωμοσωμάτων μπορεί να συμβούν πολλοί επιχιασμοί. Φωτονική μικρο γραφία ενός δισθενούς με τρία χιάσματα από μια ακρίδα. (Δ) Διαγραμματική απόδοση του (η. (Γ, με την άδεια του
Bernard John).
η αρχική αλληλεπίδραση (σύζευξη) φαίνεται ότι μεσολαβείται από αλ/ηλεπι δράσεις μεταξύ συμπληρωματικών Ζευγών βάσεων σε πολ/ές θέσεις διά σπαρτες πάνω στα χρωμοσώματα. Η δομή που σχηματίΖεται όταν Ζευγαρώ
νουν τα διπλασιασμένα χρωμοσώματα ονομάΖεται δισθενές περιέχει τέσσερις χρωματίδες (Εικόνα
20-7).
(bivalent)
και
Το δισθενές σχηματίΖεται και
διατηρείται κατά την πρόφαση της μείωσης, ένα στάδιο που μπορεί να διαρ
κέσει δεκαετίες.
Ανάμεσα σrα χρωμοσώματα της μητέρας και του πατέρα
συμβαίνει εκτεταμένος ανασυνδυασμός Κατά την παρατεταμένη πρόφαση της πρώτης μειωτικής διαίρεσης συμ
βαίνει μια σειρά περίπλοκων γεγονότων. Μετά το Ζευγάρωμα των διπλασια σμένων ομολόγων, αρχίΖει ο γενετικός ανασυνδυασμός. Κατά τη διάρκεια αυτής της διεργασίας ανασυνδυασμού ή επιχιασμού
(crossing-over),
ανταλ
λάσσονται τμήματα ομόλογων χρωμοσωμάτων. Κατά τον ανασυνδυασμό, η διπλή έλικα του
DNA κόβεται
και μετά επανασυνδέεται τόσο σε μια μητρική
χρωματίδη όσο και σε μια ομόλογη πατρική χρωματίδη. Έτσι, συμβαίνει α
μοιβαία ανταλλαγή κλασμάτων μεταξύ των δύο μη αδελφών χρωματίδων (βλ. Εικόνα
6-28).
Οι πρωτε'ί'νες που επιτελούν τον ανασυνδυασμό αξιοποιούν το γεγονός ότι κατά την πρόφαση της πρώτης μειωτικής διαίρεσης τα ομόλογα χρωμο
σώματα του τετράκλωνου δισθενούς συγκρατούνται και παρατάσσονται δί πλα-δίπλα από το σuvaπrovnμaπκό σύμπΛοκο. Αυτή η περίτεχνη δομή ευ
θυγραμμίΖει τα δισθενή έτσι ώστε εύκολα να μπορεί να πραγματοποιηθεί γε νετικός ανασυνδυασμός ανάμεσα στις μη αδελφές χρωματίδες. Επίσης συ νεισφέρει στη διατήρηση των κατάλ/ηλων αποστάσεων μεταξύ των επιχια
σμών πάνω σε κάθε χρωμόσωμα. Καθεμιά από τις δύο χρωματίδες ενός διπλασιασμένου χρωμοσώματος
μπορεί να επιχιαστεί με οποιαδήποτε από τις δύο χρωματίδες του άλλου χρωμοσώματος στο δισθενές. Μόλις ολοκληρωθεί αυτή η πρόφαση, κάθε
828
Κεφάλαιο 20: Γενετική, Μείωση και η Μοριακή Βάση της Κληρονομικότητας
Ζεύγος διπλασιασμένων ομολόγων συγκρατείται από ένα, τoυλάxισroν, χία σμα - τη σύνδεση που αντισroιxεί σ' έναν επιχιασμό μεταξύ δύο μη αδελφών χρωματίδων (Εικόνα 20-7Β). Πολ/ά δισθενή περιέχουν δύο ή περισσότερα
χιάσματα: αυτό υποδηλώνει ότι μεταξύ των ομόλογων χρωμοσωμάτων μπο ρεί να συμβούν πολ/οί επιχιασμοί (Εικόνα 20-ΊΓ και Δ). Κατά μέσο όρο, κα τά την πρώτη μειωτική διαίρεση πάνω σε κάθε Ζεύγος ομόλογων χρωμοσω μάτων συμβαίνουν
2-3 επιχιασμοί.
Ο ανασυνδυασμός κατά τη μείωση είναι βασική πηγή γενετικής ποικιλό
τητας για τους οργανlOμούς που αναπαράγονται φυλετικά. Το ανακάτεμα
του γενετικού υλικού σrOυς γαμέτες παράγει οργανισμούς με νέους συνδυα σμούς γονιδίων. Ο ανασυνδυασμός παίζει και έναν επιπρόσθετο σημαντικό ρόλο κατά τη μείωση: συγκρατεί τα ομόλογα χρωμοσώματα και διασφαλίΖει τον σωσrό διαχωρlOμό τους κατά την πρώτη μειωτική διαίρεση.
Το Ζευγάρωμα και ο ανασυνδυασμός των χρωμοσωμάτων διασφαλίΖουν τον σωστό διαχωρισμό των ομολόγων Στους περισσότερους οργανισμούς, ο ανασυνδυασμός κατά τη μείωση
είναι απαραίτητος για το σωσrό διαχωρισμό των δύο διπλασιασμένων ομο λόγων σε ξεxωρισroύς θυγατρικούς πυρήνες. Τα χιάσματα που δημιουργού
νται από τους επιχιασμούς συγκρατούν τα ομόλογα χρωμοσώματα έως τον διαχωρισμό τους από την άτρακτο κατά την ανάφαση Ι. Πριν από την ανάφα ση Ι, οΙ δύο πόλοι της ατράκτου τραβούν τα διπλασιασμένα ομόλογα προς α ντίθετες κατευθύνσεις: σε αυτό αντιτίθενται τα χιάσματα (Εικόνα
20-8) τα
ο
ποία βοηθούν σrη σωσrή τοποθέτηση και σrαθερoΠOίηση των δισθενών πά νω σrην πλάκα της μετάφασης. Εκτός από τη συνεκτική ισχύ που παρέχουν
τα χιάσματα, οι βραχίονες των αδελφών χρωματίδων συγκολ/ώνται από τις κοεΖίνες (βλ. Εικόνα
19-3). Οι κοεΖίνες
ξεκολ/ούν σrην αρχή της ανάφασης
Ι, αφήνοντας τα διπλασιασμένα χρωμοσώματα να τραβηχτούν προς τους α ντίθετους πόλους της ατράκτου (βλ. Εικόνα 20-8Β).
Εικόνα
20-8. Τα
χιάσματα διασφαλίζουν τον
σωστό διαχωρισμό των χρωμοσωμάτων κα· τά τη μείωση. (Α) Στη μετάφαση Ι, τα χιάσματα που δημιουργήθηκαν από τον επιχιασμό συ (Α)
μειωτική μετάφαση Ι
γκρατούν τα μητρικά και πατρικά ομόλογα. Σε αυτό το στάδιο, οι κοεζίνες (δεν εικονίζονται) συγκολλούν τις αδελφές χρωματίδες σε όλο το μήκος τους. Οι κινητοχώροι των αδελφών
οι μικροσωληνίσκοι του κινητοχώρου των αδελφών χΡωματίδων
λειτουργούν ενιαία
οι κινητοχώροι των
αδελφών χΡωματίδων έχουν την ίδια κατεύθυνση
μειωτική ανάφαση Ι
νω τους έχουν την ίδια κατεύθυνση.
(8)
Κατά
την ανάφαση Ι, οι κοεζίνες που συγκρατούν Ι ΟΙ ΒΡΑΧΙΟΝΕΣ ΤΩΝ ΑΔΕΛΦΩΝ • ΧΡΩΜΑΤιΔΩΝ ΞΕΚΟΜΟΥΝ
(Β)
χρωματίδων λειτουργούν ως ενιαία μονάδα και οι μικροσωληνίσκοι που προσδένονται πά
τους βραχίονες των αδελφών χρωματίδων α ποδομούνται. Οι αδελφές χρωματίδες εξακο λουθούν να συγκρατούνται από κοεζίνες στο κεντρομερίδιο. Αυτή η διάταξη επιτρέπει στις αδελφές χρωματίδες να παραμείνουν μαζί ό ταν τα ομόλογα χρωμοσώματα διαχωρίζονται και έλκονται προς τους αντίθετους πόλους της ατράκτου. Αντίθετα, κατά την ανάφαση της μί τωσης, τόσο οι βραχίονες όσο και τα κεντρο μερίδια ξεκολλούν ταυτόχρονα.
Μείωση
829
Εικόνα
20-9.
Κατά τη μείωση
11, όπως
και κα
(Α)
τά τη μίτωση, οι κινητοχώροι πάνω σε κάθε αδελφή χρωματίδη λειτουργούν ανεξάρτητα, επιτρέποντας στις δύο αδελφές χρωματίδες
μειωτική μετάφαση ιι
να κινηθούν προς τους αντίθετους πόλους. (Α) Στη μετάφαση
11, οι κινητοχώροι των αδελ
κεντρομερίδιο
φών χΡωματίδων έχουν αντίθετη κατεύθυνση. (Β) Οι κοεζίνες που συγκρατούν τις αδελφές
ΑΙΦΝΙΔΙΑ ΑΠΟΣΠΑΣΗ ΤΩΝ ΧΡΩΜΟΣΩΜΑΤΩΝ (ΑΔΕΛΦΕΣ ΧΡΩΜΑΤιΔΕΣ) ΣΤΟ ΚΕΝΤΡΟΜΕΡΙΔΙΟ
χΡωματίδες στο κεντρομερίδιο αποδομούνται. Έτσι, οι μικροσωληνίσκοι των κινητοχώρων
οι μικροσωληνίσκοι του
KΙVΗΤOXώρoυ των αδελφών χΡωματίδων φέρονται προς αντίθετες κατευθύνσεις
μπορούν να τραβήξουν τις ξεχωριστές χΡωμα
τίδες προς τους αντίθετους πόλους. (Η εικόνα είναι συνέχεια της Εικόνας
20-8).
μειωτική ανάφαση
11
Η δεύτερη μειωηκή διαίρεση παράγει απλοειδή
θυγατρικά κύπαρα Η πρώτη μειωτική διαίρεση δεν παράγει κύπαρα με απλοειδή ποσότητα
DΝΑ. Για την επίτευξη αυτού του οιόχου, κάθε κύπαρο πραγματοποιεί μια δεύτερη μειωτική διαίρεση, η οποία συμβαίνει χωρίς περαιτέρω αντιγραφή DΝΑ και χωρίς να παρεμβάλλεται σημαντική περίοδος ανάφασης. Η άτρα κτος σχηματίΖεται, τα χρωμοσώματα παρατάσσονται οιον ισημερινό και οι α
δελφές χρωματίδες διαχωρίΖΟνται (όπως και κατά την κανονική μίτωση), ο πότε παράγονται θυγατρικά κύπαρα με απλοειδή ποσότητα DΝΑ. Κατά τη δεύτερη μειωτική διαίρεση, όπως και κατά τη μίτωση, οι κινητοχώρOl πάνω
σε κάθε αδελφή χρωματίδη φέρουν μlκροσωληνίσκους που οιρέφονται
προς αντίθετες κατευθύνσεις: έτσι, κατά την ανάφαση οι χρωματίδες μπορεί να καταλήξουν σε διαφορετικά θυγατρικά κύπαρα (Εικόνα
20-9).
Κατά την
ανάφαση ΙΙ, ΟΙ κοεΖίνες που συγκρατούν τις αδελφές χρωματίδες οιο κε ντρομερίδιο αποδομούνταl, αφήνοντας τις χρωματίδες να διαχωριοιούν. ΣυνοψίΖοντας, η μείωση συνίοιαται σ' έναν γύρο αντιγραφής του DΝΑ
που ακολουθείται από δύο κυπαρικές διαιρέσεις. Έτσι, από κάθε διπλοειδές κύπαρο που εισέρχεται οιη μείωση παράγονται τέσσερα απλοειδή κύπαρα. Στην Εικόνα
20-10 αντιπαραβάλ/ονταl
η μείωση και η μίτωση.
Τα απλοειδή κύπαρα περιέχουν γενεηκές πληροφορίες ποικίλης προέλευσης
•,
Epώmσn20-2 Γιατί θα ήταν επιβλαβές για
τον ίδιο Ζυγώτη και έχουν ταυτόσημο γενετικό υλικό, τα αδέλφια διαφέρουν
έναν οργανισμό να χρησι
μεταξύ τους από γενετική άποψη. Αυτό συμβαίνει επειδή πριν ακόμα από τη
μοποιεί τα πρώτα οιάδια της
γονιμοποίηση η μείωση έχει δημιουργήσει δύο είδη τυχαίων αναδιατάξεων
μείωσης (έως και τη μειωτι
του γενετικού υλικού.
K~I) για τη συνη
Πρώτον, κατά τη διάρκεια της μείωσης, τα μητρικά και τα πατρικά χρωμο
θισμένη μιτωτική διαίρεση
σώματα αναμειγνύονται και κατανέμονται οιους γαμέτες. Μολονότι τα χρω
των σωματικών κυπάρων του;
830
Εκτός από τους μονΟΖυγωτικούς διδύμους, ΟΙ οποίοι αναmύσσονταl από
μοσώματα χωρίΖΟνται πολύ προσεκτικά ώοιε κάθε γαμέτης να παραλάβει
Κεφάλαιο 20: Γενετική, Μείωση και η Μοριακή Βάση της Κληρονομικότητας
ΜΙΤΩΤιΚΗ ΚΥΠΑΡΙΚΗ ΔΙΑIΡΕΣΗ
μητρικό ομόλογο
διπλοειδές, πρόδρομο βλαστικό κύπαρο
+ ΑΝΤιΓΡΑΦΗ DNA
® Ι
ΖΕγΓΑΡΩΜΑ ΔΙΠΜΣJΑΣΜΕΝΩΝ
Ι
ΕΠΙΧΙΑΣΜΟΣ ΧΡΩΜΟΣΩΜΑΤΩΝ
ΟΜΟΛΟΓΩΝ ΧΡΩΜΟΣΩΜΑΤΩΝ
® ®
ΑΝΤιΓΡΑΦΗ DNA Ι
ω t
(ΑΝΑΣγΝΔΥΑΣΜΟΣ)
ΤΑ ΔΙΠΜΣΙΑΣΜΕΝΑ
ΧΡΩΜΟΣΩΜΑΤΑ ΠΑΡΑΤΑΣΣΟΝΤΑΙ ΜΕΜΟΝΩΜΕΝΑ ΠΑΝΩ ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΤΡΑΚΤΟ
J ΚΥΠΑΡΙΚΗ Ι
~
ΔΙΑΙΡΕΣΗ II
~
®@@)® απλοειδείς γαμέτες
Εικόνα
20-10. Η
λΚΥΠΑΡΙΚΗ ΔΙΑΙΡΕΣΗ
C@~
μείωση δημιουργεί τέσσερα ανόμοια απλοειδή κύπαρα ενώ η μίτωση παράγει δύο ταυτόσημα διπλοειδή κύπαρα. Ό
πως και στην Εικόνα
20-48, εικονίζεται μόνο ένα ζεύγος ομόλογων χρωμοσωμάτων. Στη μείωση, για να παραχθούν οι απλοειδείς γαμέτες,
μετά την αντιγραφή του ΟΝΑ απαιτούνται δύο κυτταρικές διαιρέσεις. Συνεπώς, κάθε διπλοειδές κύτταρο που εισέρχεται στη μείωση παρά
γει τέσσερα απλοειδή κύπαρα, ενώ κάθε διπλοειδές κύτταρο που διαιρείται με μίτωση παράγει δύο διπλοειδή κύπαρα. Ενώ η μίτωση και η μειωτική διαίρεση 11 συνήθως ολοκληρώνονται μέσα σε λίγες ώρες, η μειωτική διαίρεση Ι μπορεί να διαρκέσει ημέρες, μήνες ή ακόμα και χρόνια λόγω του μακρού χρόνου παραμονής στην πρόφαση.
Μείωση
831
Εικόνα
20-11. Δύο
είδη ανακατανομής δημι
ένα ζεύγος ομόλογων χρωμοσωμάτων
τρία ζεύγη ομόλογων
χρωμοσωμάτων
ουργούν νέους συνδυασμούς χρωμοσωμά των κατά τη μείωση. (Α) Η αναδιάταξη των
μητρικό πατρικό
γανισμό με η χρωμοσώματα, από την ανεξάρ
τητη κατανομή των πατρικών και μητρικών ο μόλογων χρωμοσωμάτων παράγονται φορετικοί, απλοειδείς γαμέτες. Εδώ
2 δια n = 3, ο
23 = 8. Για λόγους απλούστευσης, στην εικόνα δεν εμφανίζεται ο επιχιασμός των χρωμοσω
(8)
Ο επιχιασμός κατά τη διάρκεια της
Ι ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΤΩΝ ΠΑΤΡΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΤΡΙΚΩΝ ΟΜΟΛΟΓΩΝ ΧΡΩΜΟΣΩΜΑΤΩΝ ΚΑΤΑ ΤΗ ΜΕΙΩΣΗ
μοσώματα. Για λόγους απλούστευσης, εικονί ζεται μόνο ένα ζεύγος ομόλογων χρωμοσωμά των. Σε κάθε μείωση συμβαίνει ανεξάρτητη κα τανομή και επιχιασμός. Λόγω των πολλών μι
DNA με
ταξύ δύο οποιωνδήποτε ομόλογων χρωμοσω μάτων και οι δύο μηχανισμοί αυξάνουν τη γε νετική ποικιλότητα των οργανισμών που ανα παράγονται φυλετικά.
+
@
~ ΜΕIΩΤιΚΗ ΔΙΑΙΡΕΣΗ ιι
των ομόλογων χρωμοσωμάτων και έτσι ανακα τανέμει τα γονίδια πάνω στα ξεχωριστά χρω
ΕΠΙΧΙΑΣΜΟΣ ΚΑΤΑ ΤΗ ΜΕIΩΤιΚΗ ΠΡΟΦΑΣΗ Ι
ΔIΠλ/ΣΙΑΣΜΟΣΚΑΙ ΑΝΕΞΑΡΤΗΤΗ
μειωτικής πρόφασης Ι ανταλλάσσει τμήματα
κρών διαφορών στην αλληλουχία του
~πατριKό
n
πότε οι πιθανοί διαφορετικοί γαμέτες θα είναι
μάτων.
1~lμητριKό
.---___...- Ι
χρωμοσωμάτων κατά τη μείωση. Σε έναν ορ
~
ΘΘ ΘΘ ΘΘ ΘΘ
Ι
ΜΕΙΩΤιΚΕΣ ΔΙΑΙΡΕΣΕΙΣ Ι ΚΑΙ
11
~
ΘΘ ΘΘ
πιθανοί γαμέτες
πιθανοί γαμέτες
(Α)
(Β)
μόνο ένα αντίγραφο από κάθε χρωμόσωμα, το μείΥμα των μητρικών και πα
τρικών χρωμοσωμάτων που καταλήΥεl σε κάθε Υαμέτη είναι τυχαίο (Εικόνα 20-11Α). Αυτό το είδος ανακατανομής προωθείται αποκλειστικά από την το ποθέτηση κάθε δισθενούς πάνω στην άτρακτο κατά τη μετάφαση Ι. Το ομό λΟΥΟ (μητρικό ή πατρικό) που θα «αιχμαλωτιστεί» από την άτρακτο ενός πό
λου εξαρτάται από τον προσανατολισμό του δισθενούς όταν οι μικροσωληνί σκοι προσδεθούν στον κινητοΧώροτου. Επειδή ο προσανατολισμός κάθε δι σθενούς τη στΙΥμή της «αιχμαλωσίας» είναι εντελώς τυχαίος, η κατανομή των μητρικών και πατρικών χρωμοσωμάτων είναι επίσης τυχαία.
Μόνο από αυτό το είδος ανακατανομής, θεωρητικά ένας ΟΡΥανισμός θα μπορούσε να παράΥει
2n Υενετικώς διαφορετικούς Υαμέτες,
όπου η ο απλοει
δής αριθμός των χρωμοσωμάτων. Για παράδεΙΥμα, κάθε άνθρωπος μπορεί
θ εωρητικα'
'223 να παραΥεl
=8. 4
χ
106 δ ιαφορετικουςΥαμετες, "λ" απιιως απο
την τυχαία αναδιάταξητων χρωμοσωμάτωνκατά τη μείωση. Στην πραΥματι
κότητα, ο αριθμός των διαφορετικώνΥαμετών που θα μπορούσενα παράΥει κάθε άνθρωπος είναι πολύ μεΥαλύτερος. Αυτό οφείλεται στην ανακατανομή του Υενετικού υλικού που συμβαίνει επίσης κατά τη μείωση μέσω του ομόλο Υου ανασυνδυασμού.Κατά μέσο όρο, κατά τη μείωση, ανά ΖεύΥος χρωμοσω μάτων πραΥματοποιούνταιδύο έως τρεις επιχιασμοί. Με το μηχανισμό αυτό,
Υονίδια που αρχικά εντοπίΖοντανσε διαφορετικά χρωμοσώματαμπορεί να καταλήξουνστο ίδιο χρωμόσωμα (βλ. Εικόνα 20-11Β). Επειδή ο ανασυνδυα-
832
Κεφάλαιο 20: ΓενεTlκή, Μείωση και η Μοριακή Βάση της Κληρονομικότητας
σμός συμβαίνει λίγο-πολύ σε τυχαίες θέσεις κατά μήκος ενός χρωμοσώμα
Ερώmσn20·3
τος, κάθε μείωση θα παράγει γαμέτες με διαφορετική γενετική σύσταση.
Αν αγνοήσουμε την επίδρα
Η ανακατανομή των χρωμοσωμάτων στη μείωση μαΖί με τον ανασυνδυα
ση που έχουν οι επιχιασμοί
σμό των γονιδίων που προκύmει από τον επιχιασμό, παρέχουν μια σχεδόν
των χρωμοσωμάτων, ένας
•,
ανεξάντλητη πηγή γενετικής ποικιλότητας για τους γαμέτες κάθε ανθρώπου.
άνθρωπος μπορεί θεωρητι-
Αν αναλογιστούμε ότι κάθε άνθρωπος προέρχεται από τη σύντηξη δύο τέτοι
κα να παραγει
ων γαμετών, ενός από τον πατέρα και ενός από τη μητέρα, η τεράστια ποικι
106 γενετικώς διαφορετι
λότητα που χαρακτηρίΖει το ανθρώπινο είδος δεν πρέπει να μας παραξενεύ
κούς γαμέτες. Πόσοι από τους δυνητι
ει καθόλου.
/
/
223
=84 .
Χ
κούς αυτούς γαμέτες θα παραΧθούν κα τά τη Ζωή (α) μιας γυναίκας, (β) ενός άν
Η μείωση δεν είναι αλάνθασrη
δρα;
Η διαλογή των χρωμοσωμάτων που διεκπεραιώνεται κατά τη μείωση εί ναι ένα αξιοσημείωτο επίτευγμα «κυτταρικής λογιστικής». Στον άνθρωπο,
κάθε μείωση προϋποθέτει ότι το αρχικό κύτταρο θα διευθετήσει στά χρωμοσώματα
(23
92
ξεχωρι
διπλασιασμένα Ζευγάρια), κατανέμοντας μια πλήρη
ομάδα σε κάθε γαμέτη. Δεν είναι παράδοξο ότι κατά την κατανομή των χρω μοσωμάτων στη μείωση, έστω και σπάνια, συμβαίνουν λάθη. Σποραδικά, η διεργασία της μείωσης εξελίσσεται ανώμαλα και τα ομόλο γα δεν διαχωρίΖονται, ένα φαινόμενο γνωστό ως μη δ1Οχωριομός
junctiOn).
(nondis-
Στην περίπτωση αυτή, μερικά από τα θυγατρικά κύτταρα που πα
ράγονται περιέχουν περισσότερα από ένα αντίγραφα ενός συγκεκριμένου
χρωμοσώματος, ενώ άλ/α δεν διαθέτουν ούτε ένα. Οι γαμέτες αυτού του εί δους σχηματίΖουν ανώμαλα έμβρυα, τα οποία συνήθως, αλ/ά όχι πάντα, πε
θαίνουν. Γιο παράδειγμα, στον άνθρωπο το σύνδρομο
Down οφείλεται στην 21. Αυτό προ χρωμοσωμάτων 21 κατά τη διάρ
παρουσία ενός επιπρόσθετου αντιγράφου του χρωμοσώματος
κύπτει από μη διαχωρισμό ενός Ζευγαριού
κεια της μείωσης, που οδηγεί στη δημιουργία ενός γαμέτη ο οποίος περιέχει
δύο (αντί για ένα) αντίγραφα του χρωμοσώματος
21
(Εικόνα
20-12). Όταν ο
ανώμαλος γαμέτης συντηχθεί με έναν φυσιολογικό γαμέτη κατά τη γονιμο ποίηση, το έμβρυο που θα δημιουργηθεί θα περιέχει τρία αντί για δύο αντί
γραφα του χρωμοσώματος τος
21
21.
Η παρουσία του πλεονάΖοντος χρωμοσώμα
οδηγεί σε παραγωγή μιας επιπρόσθετης Ζώνης των πρωτεϊνών που
κωδικοποιούνται στο χρωμόσωμα
21
και έτσι παρεμποδίΖει τη σωστή ανά
πτυξη του εμβρύου.
Η συχνότητα του μη διαχωρισμού στους ανθρώπινους γαμέτες είναι εντυ πωσιακά υψηλή, ιδίως στις γυναίκες: στα ανθρώπινα ωοκύτταρα, μη διαχωρι
σμός συμβαίνει περίπου στο
10% των
μειώσεων. Είτε συμβεί στο σπερματο
Ζωάριο είτε συμβεί στο ωάριο, ο μη διαχωρισμός θεωρείται ως ένα αίτιο για την υψηλή συχνότητα των αυτόματων εκτρώσεων σε κυήσεις σε μικρή ηλικία. Παρά την περιπλοκότητά της, η μείωση προφανώς είναι αποτελεσματική.
Ακόμα σημαντικότερο, πρέπει να προσδίδει κάποιο όφελος στους οργανι σμούς που την χρησιμοποιούν για την αναπαραγωγή τους. Εξάλ/ου, σήμερα
τα περισσότερα φυτά και Ζώα αναπαράγονται φυλετικά, χρησιμοποιώντας τη μείωση για ν' ανακατέψουν τις γενετικές πληροφορίες τους καθώς μεταβιβά Ζουν τα χαρακτηριστικά τους στις επόμενες γενεές.
Μείωση
833
Εικόνα
20-12.
Λάθη στον διαχωρισμό των
πατρικό
--~- ομόλογο
χρωμοσωμάτων κατά τη μείωση μπορεί να ο
δηγήσουν στη δημιουργία γαμετών με λάθος
μητρικό ομόλογο
αριθμό χρωμοσωμάτων. Σε αυτό το παρά δειγμα, τα ομόλογα χρωμοσώματα δεν διαχω
διπλοειδές, πρόδρομο βλαστικό κύπαρο
ρίζονται κανονικά κατά τη δεύτερη μειωτική δι
+ ΑΝΤιΓΡΑΦΗ ΟΝΑ
αίρεση. Έτσι, ένας γαμέτης δεν παραλαμβά
®
νει κανένα αντίγραφο του χρωμοσώματος, έ νας παραλαμβάνει ένα πλεονάζον αντίγραφο
και δύο γαμέτες παραλαμβάνουν το σωστό, έ να και μοναδικό αντίγραφο. Οι γαμέτες που παραλαμβάνουν λάθος αριθμό χρωμοσωμά
Ι ΜΕIΩΤιΚΕΣ
των αποκαλούνται ανευπλοειδείς. Αν ένας από
ΔΙΑΙΡΕΣΕΙΣ
αυτούς συμμετάσχει στη διεργασία της γονι
Ι Ι καιΙΙ
μοποίησης, ο ζυγώτης που θα προκύψει επί σης θα έχει ανώμαλο αριθμό χρωμοσωμάτων. Αν ένας γαμέτης με δύο αντίγραφα του χρω μοσώματος
21
ενωθεί μ' έναν φυσιολογικό γα
μέτη, το παιδί που θ' αναmυχθεί θα έχει σύν δρομο
Down.
ανευπλοειδείς γαμέτες
φυσιολογικοί γαμέτες
Η γονιμοποίηση αποκαθιοιό 10 πλήρες γονιδίωμα Τώρα που είδαμε πώς διαχωρίΖΟνται τα χρωμοσώματα κατά τη διάρκεια της μείωσης, θα εξετάσουμε πώς ξαναενώνονται κατά τη γονιμοποίηση, όταν σχηματίΖεται ένας νέος Ζυγώτης με πλήρη ομάδα χρωμοσωμάτων. Κατά τη
συνουσία, από τα
300
εκατομμύρια σπερμαΤΟΖωάρια του άνδρα μόλις
200
περίπου φτάνουν στο σημείο της γονιμοποίησης στη σάλπιγγα. Υπάρχόυν ενδείξεις ότι χημικά σήματα που απελευθερώνονται από τα κύπαρα γύρω α πό το ωάριο προσελκύουν τα σπερμαΤΟΖωάρια προς το ωάριο. Ωστόσο, η φύση των χημικών σημάτων είναι άγνωστη. Μόλις βρει το ωάριο, το σπερμα ΤΟΖωάριο πρέπει να περάσει μέσα από ένα προστατευτικό στρώμα κυπάρων και στη συνέχεια να προσδεθεί και να διεισδύσει στο περίβλημα του ωαρίου που ονομάΖεται διaφavnς Ζώνη
(zona pellucida). Τέλος,
το σπερμαΤΟΖωάριο
πρέπει να προσδεθεί και να συντηΧθεί με την κυπαρική μεμβράνη του ωαρί 5μm
Εικόνα 20-13. Ένα σπερματοζωάριο προσ
ου (Εικόνα
20-13). Κανονικά,
η γονιμοποίηση συμβαίνει με αυτή τη διεργα
σία σύντηξης σπερμαΤΟΖωαρίου-ωαρίου. Ωστόσο μπορεί να επιτευχθεί τε
δένεται στην κυπαρική μεμβράνη ενός ωα· ρίου. Ηλεκτρονιομικρογραφία σάρωσης ενός
χνητά με άμεση ένεση του σπερμαΤΟΖωαρίου στο κυπαρόπλασμα του ωαρί
ανθρώπινου σπερματοζωαρίου που έρχεται
ου, πρακτική που μερικές φορές εφαρμόΖεται σε Ζευγάρια με πρόβλημα
σε επαφή μ' ένα ωάριο χάμστερ, από το οποίο έχει αφαιρεθεί η διαφανής ζώνη. Έτσι αποκα
στειρότητας λόγω διαταραΧών στη σύντηξη σπερμαΤΟΖωαρίου-ωαρίου.
λύmεται η κυπαρική μεμβράνη, η οποία καλύ
Παρότι πολ/ά σπερμαΤΟΖωάρια προσδένονται σ' ένα ωάριο, κανονικά
πτεται από δακτυλιοειδείς μικρολάχνες. Τέ
μόνο ένα συντήκεται με την κυπαρική μεμβράνη του ωαρίου και εισάγει το
τοια ακάλυmα ωάρια χάμστερ χρησιμοποιού νται μερικές φορές σε κλινικές στειρότητας
ΟΝΑ του στο κυπαρόπλασμα του ωαρίου. Αυτό το βήμα ελέγχου έχειιδιαίτε
για να καθοριστεί αν τα σπερματοζωάρια ενός
ρη σημασία επειδή διασφαλίΖει ότι ένα γονιμοποιημένο ωάριο θα περιέχει
άνδρα είναι ικανά να διεισδύσουν στο ωάριο.
δύο και μόνο δύο ομάδες χρωμοσωμάτων. Υπάρχουν αρκετοί μηχανισμοί
Οι ζυγώτες που προκύmουν από αυτή τη δοκι
μασία δεν αναmύσσονται. (Με την άδεια του
David
834
Μ.
Phillips).
που διασφαλίΖουν ότι μόνο ένα σπερμαΤΟΖωάριο θα γονιμοποιεί ένα ωάριο. Σε έναν από αυτούς, το πρώτο επιτυχημένο σπερμαΤΟΖωάριο πυροδοτεί την
Κεφάλαιο 20: Γενετική, Μείωση και η Μοριακή Βάση της Κληρονομικότητας
έκλυση ενός κύμα1Ος ιόνιων Ca2+ στο κυπαρόπλασμα 1Ου ωαρίου, γεγονός που προκαλεί σκλήρυνση της διαφανούς Ζώνης. Αυτό παρεμποδίΖει τη διείσ δυση άλλων σπερμα1ΟΖωαρίων στη διαφανή Ζώνη.
Μόλις γονιμοποιηθεί, 10 ωάριο αποκαλείταιΖυΥώmς. Ωστόσο, η γονιμο ποίηση δεν ολοκληρώνεταιΠΡΟ1Ού ενωθούν οι δύο απλοειδείς πυρήνες (ο νομάΖονταιπροπυρnvες) και συνδυάΖουντα χρωμοσώματά1Ους σ' έναν ενι αίο διπλοειδή πυρήνα. Η γονιμοποίησησημα1Οδοτείτην έναρξη ενός από τα πιο αξιοσημείωτα φαινόμενα στη βιολογία, της εμβρυογένεσης,κατά την ο
ποία ο Ζυγώτης διαιρείται και παράγει πολ/ά διπλοειδή κύπαρα που ανα πτύσσονιαι σ' ένα νέο οργανισμό.
Ο
MendelKal Οlvόμοιιns
κλnΡοvομικόιnιαs Ο άνθρωπος, όπως όΛοι οι πολυκύπαροι οργανισμοί, αποτεΛείται από μεγάλο αριθμό κυπάρων που προέκυψαν από επανειλημμένες κυπαρικές διαιρέσεις ενός γονιμοποιημένου ωαρίου. Καθένα από αυτά τα κύπαρα πε ριέχει έναν συνδυασμό γονιδίων (μεταβιβάσθηκαν από τη μητέρα και τον πατέρα) ο οποίος παράγει παραλλαγές που συνεισφέρουν στα μοναδικά χα
ρακτηριστικά κάθε ανθρώπου. Καθετί, από το χρώμα των ματιών και των μαλλιών, έως τη συμπεριφορά ή την προδιάθεση σε ασθένειες επηρεάΖεται
από τα γονίδιά μας. Μερικές καταστάσεις, όπως η αδυναμία γεύσης της χημικής ουσίας
προκαλούνιαι από αλλαγές σ' ένα μοναδικό γονίδιο (Εικόνα
PTC,
20-14). Ωστό
σο, τα περισσότερα από τα συνηθισμένα χαρακτηριστικά μας επηρεάΖΟνιαι
από πολ/ά γονίδια. Φυσικά χαρακτηριστικά, όπως 10 χρώμα των ματιών και 10 ύψος, και προσωπικές ιδιότητες, όπως η δημιουργικότητακαι η κοινωνι
κότητα, προκύΠ1Ουναπό αλληλεπιδράσειςμεταξύ των γονιδίων μας και από αλληλεπιδράσειςμεταξύ των γονιδίων και 1Ου περιβάλ/ονιος. Το γεγονός ότι τα χαρακτηριστικάτων μεΛών μιας οικογένειας περνούν
από γενιά σε γενιά υποδηΛώνει ότι έχουν γενετική υπόσταση. Ωστόσο, η μεΛέτη της κληρονομικότηταςστον άνθρωπο είναι δυσχερής. Οι γενετιστές δεν μπορούννα υπαγορεύσουνποιος θα Ζευγαρώσειμε ποιον, 10 μέγεθος των οικογενειών είναι μικρό και η ανθρώπινη ανάπτυξη τόσο βραδεία, ώ
στε θα χρειάΖονταν 40 χρόνια για ν' αναΛυθούν μόλις δύο γενιές απογό νων. Για τους παραπάνωλόγους, οι νόμοι της κληρονομικότηταςανακαλύ
φθηκαν σε είδη που Ζευγαρώνουνεύκολα και παράγουν πολ/ούς απογό νους. Ο
Gregor Mendel, πατέρας της γενετικής, επέΛεξε να μεΛετήσει τα
μΠΙΖέλια, ωστόσο παρόμοια πειράματα μπορεί να πραγματοποιηθούν σε φρουτόμυγες, σκουλήκια, σκύλους, γάτες ή οποιοδήποτε άλ/ο φυτό ή Ζώο διαθέτει χαρακτηριστικά που ενδιαφέρουν. Σήμερα ΥνωρίΖουμε ότι οι ίδιοι
Εικόνα 20-14. Ορισμένοι το γεύονται, ενώ άλ λοι όχι. Η ικανότητα αvτίληψης της γεύσης της χημικής ουσίας φαινυλοθειοκαρβαμίδιο
(PTC)
ρυθμίζεται από ένα γονίδιο. Από τη δεκαετία του
1930 ήταν γνωστό
ψης της γεύσης του
ότι η αδυναμία αvτίλη
PTC κληρονομείται με
Μενδέλειο τρόπο. Ωστόσο, το υπεύθυνο γονί
βασικοί νόμοι της κληρονομικότητας ισΧύουν για όλους τους οργανισμούς
διο (κωδικοποιεί έναν υποδοχέα του πικρού)
που αναπαράγονται φυλετικά, από 1Ους μικροσκοπικούς Ζυμομύκητες έως
κλωνοποιήθηκε μόλις το
τα μΠΙΖέΛια και 1Ον άνθρωπο.
2003. Οι άνθρωποι με
αδυναμία γεύσης παράγουν έναν υποδοχέα με υποκαταστάσεις αμινοξέων που θεωρείται ότι
Στις παραγράφους που ακολουθούν θα περιγράψουμε τη μοριακή βάση
ελαπώνουντη δραστικότητά του.
Ο Mendel και οι νόμοι της κληρονομικότητας
835
της κληρονομικόΤηΙας. Θα δούμε πώς η συμπεριφορά των χρωμοσωμάτων κοιά Τη μείωση
-
ο διαχωρισμός ιους σΤους γαμέτες που σΤη συνέχεια ενώ
νονται τυχαία για να σχημοιίσουν μοναδικούς από γενεηκή άποψη απογό
νους - ερμηνεύει επακριβώς ιους νόμους της κληρονομικόΤηΙας. ΠρώΙα θα
παρουσιάσουμε πώς ΙΟ διαλεύκανε όl\' αυτά ο
καλ/ιεργώντας μπι
Mendel,
Ζέλια σΤον κήπο ιου μονασΤηριού ιου.
Ο
Mendel επέλεξε να μελετήσει χαρακτηριστικά που
κληρoνoμoύvται μ' ευδιάκριτο τρόπο 'Οταν σχεδιάΖεΙαΙ ένα πείραμα για ν' απαντηθεί ένα εΠΙσΤημονικό ερώΤη μα, μπορεί να έχει αποφασΙσΤική σημασία η επιλογή ιου κατάλ/ηλου οργα
νισμού. Ο Mendel επέλεξε για ης μελέτες ιου ΙΟ μΠΙΖέλια που καλ/ιεργούνται γρήγορα και αποκιούν πολ/ούς απογόνους σε μικρό χώρο, όπως ήΙαν ο κή
πος ιου μονασΤηριού ιου. Επιπλέον, ο
Mendel μπορούσε
να ελέγξει ΙΟ επι
λεκηκό Ζευγάρωμα των φυτών. Κάθε λουλούδι σ' ένα μΠΙΖέλι περιέχει τόσο αρσενικές όσο και θηλυκές δομές: χωρίς παρεμβάσεις, κανονικά ΙΟ φυτά
αυιογονιμοποιούνται. Ο
Mendel αποκάλυψε
όη μπορούσε να Ζευγαρώσει
διαφορεηκά μΠιζέλια αφαιρώντας ΙΟ άωρα αρσενικά μέρη ενός λουλουδιού και κοιόπιν γονιμοποιώντας αυτό ΙΟ «ευνουχισμένο» φυτό με γύρη (σπέρμα)
από ένα άλ/ο φυτό. Έιοι,
oMendel ήιον σε θέση να βεβαιώσει Την παφόΤη
Ια κάθε μΠΙΖελιού που εξέΙΟΖε.
Ίσως πιο σημαντικό για ιους σκοπούς ιου
Mendel,
υπάρχουν πολλές
ποικιλίες μΠΙΖελιών. Για παράδειγμα, μια ποικιλία έχει μωβ λουλούδια, ενώ μια άλ/η έχει άσπρα. Μια ποικιλία παράγει λεία μΠΙΖέλια, ενώ μια άλ/η Ζα ρωμένα. Ο
Mendel επέλεξε να καιογράψει
χαρακτηΡΙσΤικά
των λουλουδιών και ΙΟ σχήμα των σπόρων
-
-
όπως ΙΟ χρώμα
που ήιον ευδιάκριιο, εμφανή
και, ΙΟ σημαντικότερο, μειοβιβάΖονταν κοιά διακρnό φόπο (Εικόνα Με άλλα λόγια, Ια φυτά έχουν είτε μωβ είτε άσπρα λουλούδια μεσο. Αν ο
Mendel
-
20-15).
τίποιο ενδιά
είχε επιλέξει χαρακτηΡΙσΤικά με συνεχή διακύμανση, ό
πως ΙΟ βάρος των σπόρων, οι παροιηρήσεις ιου θα υΠΟσΤήΡΙΖαν Την άποψη Της ανάμεΙΚΤης κληρονομικόΤηΙας, σύμφωνα με Την οποία από Την ανάμειξη
ιου γενεηκού υλικού προκύπιουν απόγονοι με ενδιάμεσα χαρακτηΡΙσΤικά.
Οι μελέτες του
Mendel απέκλεισαν ης εναλλακηκές
θεωρίες της κληρονομικότηιος Τα πειράμαιο Ζευγαρώμαιος που πραγμαιοποίησε ο
Mendel ήΙαν
αρκε
τά απλά. Ξεκίνησε με γενεηκώς αμιγή, αυιογονιμοποιούμενα φυτά που α ποκιούν απογόνους αποκλεΙσΤικά Της ίδιας ποικιλίας. Για παράδειγμα, όιον μελειούσε ΙΟ χρώμα των μΠΙΖελιών, χρησιμοποιούσε φυτά με κίφινα μΠΙΖέ λια που πάντοτε αποκιούσαν απογόνους με κίτρινα μΠΙΖέλια και φυτά με πράσινα μΠΙΖέλια που πάντοτε αποκτούσαν απογόνους με πράσινα μΠιζέλια. Σ' ένα τυπικό πείραμα, ο
Mendel διενεργούσε
διασΤαυρούμενη γονιμο
ποίηση ανάμεσα σε δύο φυτά από δύο διαφορεηκές αμιγείς ποικιλίες. ΣΤη συνέχεια, κατάγραφε Τη μειοβίβαση ιου επιλεγμένου χαρακτηΡΙσΤικού σΤην
836
Κεφάλαιο 20: Γενετική, Μείωση και η Μοριακή Βάση της Κληρονομικότητας
σχήμα σπόρων
χρώμα σπόρων
ο
ο
στρογγυλό
(R)
κίτρινο (Υ)
ο
ο
ζαρωμένο
πράσινο (Υ)
χρώμα λουλουδιών
θέση λουλουδιών
μπιζελιού
σχήμα
χρώμα μπιζελιού
μωβ
αξονικά λουλούδια
κυρτό
πράσινο
υψηλό
άσπρο
τελικά λουλούδια
οδοντωτό
κίτρινο
χαμηλό
ύψος φυτού
Μια μορφή του χαρακτη
ριστικού (επικρατές)
Μια δεύτερη μορφή του χαρακτη
ριστικού (υπολειπόμενο)
(r)
Εικόνα
20-15. Ο Mendel
μελέτησε επτά διαφορετικά χαρακτηριστικά που μεταβιβάζονται ανεξάρτητα. Για κάθε χαρακτηριστικό, τα φυ
τά εκδηλώνουν τη μια ή την άλλη παραλλαγή. Με άλλα λόγια, ένα φυτό παράγει μόνο κίτρινα ή μόνο πράσινα μπιζέλια, τίποτα ενδιάμεσο.
επόμενη γενιά. Για παράδειγμα, ο
Mende!
διασrαύρωσε φυτά που παρήγα
γαν κίτρινα μΠΙΖέλια με φυτά που παρήγαγαν πράσινα μΠΙΖέλια. Στη συγκε
κριμένη περίπτωση, ανακάλυψε ότι οι υβριδικοί απόγονοι, που ονομάΖονταν πρώτη θυγατρική γενιά ή γενιά
να μΠΙΖέλια (Εικόνα
Fl (Fl generation),
20-16). Παρόμοια
ΚIηρισrΙKό που μελέτησε: όλα τα
F]
είχαν απoκλεισrΙKά κίτρι
ήταν τ' αποτελέσματα για κάθε χαρα
υβρίδια έμοιαΖαν μόνο με τον έναν από
τους γονείς τους. Η μοναδικότητα της προσέΥΥισης του
Mende!
ήταν η επι
Ε60
λογή του να μελετήσει ένα XαραKτηρισrΙKό τη φορά. Οι πρoγενέσrερoι ερευ νητές εξέταΖαν ολόκληρους οργανισμούς που διέφεραν ως προς πολ/ά χα
ραΚIηρισrΙKά και συχνά μπερδεύονταν κατά την προσπάθεια να χαρακτηρί σουν τους απογόνους, των οποίων η εμφάνιση ποικίλλει απρόβλεπτα, δυ
φυτά με κίτρινους σπόρους
φυτά με πράσινους σπόρους
\.
---------)
ΤΔΙΑΣΤΑγΡΩΣΗ
σχεραίνοντας την εύκολη σύγκριση με τους γονείς τους.
Από το πείραμά του με τα πράσινα και τα κίτρινα μΠΙΖέλια, ο
Mendel συ F1
μπέρανε ότι το χρώμα των σπόρων δεν μεταβιβάΖεται με ανάμειξη. Αν συνέ βαινε κάτι τέτοιο, όλα τα μΠΙΖέλια της
F] γενιάς
θα ήταν κιτρινοπράσινα. Επι
πλέον, ο Mende! διαπίσrωσε ότι δεν είχε σημασία η προέλευση της γύρης (α-
Εικόνα
20-16. Ένα
ΓΕΝΙΑ
100% φυτά
με κίτρινους σπόρους
ρωθούν με αντίστοιχα φυτά που παράγουν κίτρινα μπιζέλια πάντοτε αποδίδουν απογό απόγονοι (τα
F1 φυτά), 25% των απογόνων
παράγουν πράσινα μπιζέλια.
AYPQm
EbO
απλό πείραμα αποκάλυψε τη διακριτή φύση της κληρονομικότη
τας. Αμιγή, αυτογονιμοποιούμενα φυτά που παράγουν πράσινα μπιζέλια όταν διασταυ νους που παράγουν κίτρινα μπιζέλια. Όταν όμως διασταυρωθούν μεταξύ τους αυτοί οι
jΑΥΤΟΔΙΑΠ
75% φυτά με κίτρινους σπόρους
25% φυτά με πράσινους σπόρους
Ο Mendel και οι νόμοι της κληρονομικότητας
837
πό το φυτό με τα κίτρινα ή τα πράσινα μΠΙΖέλια). Σε κάθε περίπτωση, το απο
τέλεσμα ήταν το ίδιο: απόγονοι με κίτρινα μΠΙΖέλια. Αυτό το εύρημα κατέρρι ψε τη θεωρία της μονογονεϊκής κληρονομικότητας, σύμφωνα με την οποία
μόνο ο ένας γονέας πάντοτε καθόΡΙΖε τα χαρακτηριστικά των απογόνων. Για
παράδειγμα, αν η εμφάνιση των απογόνων υπαγορευόταν αποκλειστικά από την εμφάνιση του πατέρα, τότε τα μΠΙΖέλια θα είχαν το χρώμα του φυτού από το οποίο προήλθε η γύρη. Σαφώς, κάτι τέτοιο δεν ισχύει Αν ο
-
Mende! είχε
σταματήσει εκεί, στις παρατηρήσεις μόνο της
F] γενιάς
δεν θα είχε ανακαλύψει τα βασικά πρότυπα της κληρονομικότητας. Ευτυ
Χώς, έκανε και το επόμενο βήμα: διασταύρωσε μεταξύ τους τα φυτά της
F] γε
νιάς και εξέτασε τ' αποτελέσματα.
Τα πειράματα του Mendel αποκάλυψαν τη διακριτή φύση της κληρονομικότητας Τα επακόλουθα πειράματα του
Mende! με τα υβριδικά F1φυτά σχεδιάστη
καν για ν' απαντήσουν ένα προφανές ερώτημα: τί συνέβη στα χαρακτηριστικά
που εξαφανίστηκαν στην F1γενιά - όπως τα πράσινα μΠΙΖέλια της Εικόνας 20-
16;
Μήπως οι γονείς με τα πράσινα μΠΙΖέλια για κάποιο λόγο απέτυχαν να
πραγμαΤΟΠ01ήσουν κάποια γενετική συνεισφορά στους απογόνου ς;
Για να διαπιστώσει τι συμβαίνει, ο
Mende! άφησε τα F1φυτά ν'
αυτογονι
μοποιηθούν. Για παράδειγμα, αν το συστατικό για τα πράσινα μΠΙΖέλια είχε χαθεί, τότε τα πόμενη,
F1 φυτά θα παρήγαγαν μόνο φυτά με κίτρινα μΠΙΖέλια στην ε Fz, γενιά. Ο Mende! χρησιμοποίησε μια μεγάλη «ομάδα μελέτης»
και κατέγραψε προσεκτικά τ' αποτελέσματα. Βρήκε ότι το «εξαφανισμένο»
χαρακτηριστικό επανήλθε: τα
3/4
των απογόνων στην Fz γενιά είχαν κίτρινα
μΠΙΖέλια ενώ τα υπόλοιπα φυτά (1/4 των απογόνων) είχαν πράσινα μΠΙΖέλια (βλ. Εικόνα
20-16).
Αυτό το αποτέλεσμα έθεσε οριστ1κά στο περιθώριο τη θεωρία της ανάμει κτης κληρονομικότητας. Η ανάμειξη με κανέναν τρόπο δεν θα μπορούσε να ερμηνεύσει πώς μια διασταύρωση ανάμεσα σε δύο φυτά με κίτρινα μΠΙΖέλια
θα μπορούσε ν' αποδώσει φυτά με πράσινα μΠΙΖέλια. Τα δεδομένα των με λετών επίσης έδωσαν ενδείξεις στον
Mende! για το τί συνέΒαινε.
Παρόλο
που το χαρακτηριστικό για τα πράσινα μΠΙΖέλια πρόσκαιρα εξαφανίστηκε στην
F1 γενιά,
επανεμφανίστηκε στην
τουλάχιστον από τα
Fz γενιά.
Αυτό σημαίνει ότι ορισμένα
F1φυτά πρέπει να εξακολουθούσαν να φέρουν κάποιον
παράγοντα που κωδικοποιεί πράσινα μΠΙΖέλια, αν και κάπως κρυμμένο. Ο
Mende! διαπίστωσε
ότι το ίδιο ίσχυε και για καθένα από τ' άλλα έξι χαρακτη
ριστικά που εξέτασε.
Για να ερμηνεύσει αυτές τις παρατηρήσεις ο
Mende! διατύπωσε
την πρό
ταση ότι η μεταΒίΒαση των χαρακτηριστικών ελέγχεται από κληρονομικούς παράγοντες (σήμερα ονομάΖΟνται γονίδια) και ότι αυτοί οι παράγοντες
δρουν ως αυτόνομα σωματίδια που δεν αναμειγνύονται αλλά παραμένουν ανεξάρτητα. Επιπλέον, πρότεινε ότι υπάρχουν παραλλαγές των γονιδίων που ερμηνεύουν τις παραλλαγές των κληρονομικών χαρακτηριστικών. Για
παράδειγμα, υπάρχουν δύο «εκδοχές» του γονιδίου που καθορίΖει το χρώμα
838
Κεφάλαιο 20: Γενετική, Μείωση και η Μοριακή Βάση της Κληρονομικότητας
των μΠΙΖελιών, μια για τα κίτρινα και μια για τα πράσινα μΠΙΖέλια. Σήμερα, οι εναλ/ακτικές εκδοχές ενός γονιδίου ονομάΖΟνται αλ/ηλόμορφα.
Ο
Mendel συμπέρανε
ότι για κάθε χαρακτηριστικό ένα φυτό πρέπει να
κληρονομεί δύο αντίγραφα, ή αλ/ηλόμορφα, κάθε γονιδίου
-
ένα από τον
πατέρα και ένα από τη μητέρα του. Η εμφάνιση, ή αλ/ιώς φαινότυπος, του φυτού εξαρτάται από την εκδοχή κάθε αλ/ηλομόρφου που θα παραΜβει' η
ίδια η γενετική σύσταση αποκαλείται γονότυπος. Όπως υπέθεσε ο
Mendel,
καθένα από τ' αμιγή στελέχη περιείχε ένα Ζεύγος ταυτόσημων αλ/ηλομόρ
φων: τα φυτά με κίτρινα μΠΙΖέλια διέθεταν δύο αλ/ηλόμορφα για κίτρινα μπι Ζέλια, ενώ τα φυτά με πράσινα μΠΙΖέλια δύο αντίστοιχα αλ/ηλόμορφα. Ένας οργανισμός που διαθέτει δύο ταυτόσημα αλ/ηλόμορφα χαρακτηρίΖεται ως ομόζυγος για το συγκεκριμένο χαρακτηριστικό. Από την άλ/η Μευρά, τα
FJ
υβριδικά φυτά είχαν κληρονομήσει δύο ανόμοια αλ/ηλόμορφα - ένα για κί
τρινα και ένα για πράσινα μΠΙΖέλια. Αυτά τα φυτά ήταν ετερόΖΥγα ως προς το συγκεκριμένο χαρακτηριστικό.
Για να ερμηνεύσει την εξαφάνιση του ενός από τα χαρακτηριστικά στη γε
νιά
F1 ο Mendel υπέθεσε
ότι σε κάθε Ζεύγος αλ/ηλομόρφων το ένα αλ/ηλό
μορφο είναι επικρατές ενώ το άλ/ο υποΛειπόμενο ή κρυμμένο. Όποτε είναι παρόν το επικρατές αλ/ηλόμορφο, είναι αυτό που υπαγορεύει τον φαινότυ πο του φυτού. Στην περίπτωση του χρώματος των μΠΙΖελιών, επικρατές είναι
το αλ/ηλόμορφο για τα κίτρινα μΠΙΖέλια, ενώ υπολειπόμενο το αλ/ηλόμορ φο για τα πράσινα μΠιζέλια. Μια σημαντική συνέπεια της ετεΡΟΖυγωτίας και της διάκρισης μεταξύ επι
κρατών/υπολειπόμενων αλ/ηλομόρφων είναι ότι στον φαινότυπο ενός ατό μου δεν ανιχνεύονται όλα τα αλ/ηλόμορφά του. Ο άνθρωπος φέρει περίπου
30,000 γονίδια:
καθένας από εμάς είναι είερόΖυγος για πάρα πολ/ά από αυ
τά τα γονίδια. Συνεπώς, όλοι φέρουμε πολ/ές γενετικές πληροφορίες που παραμένουν κρυμμένες στον φαινότυπό μας αλ/ά μπορεί ν' αποκαλυφθούν σε μελ/οντικές γενιές.
Κάθε γαμέτης φέρει μόνο ένα αλ/ηλόμορφο για κάθε χαρακτηριστικό Η θεωρία του
Mendel- για κάθε γονίδιο,
ένας οργανισμός κληρονομεί
ένα αντίγραφο από τη μητέρα και ένα άλ/ο από τον πατέρα του
-
υποκίνησε
μερικά «διαχειριστικά» Ζητήματα. Εφόσον κάθε οργανισμός διαθέτει δύο α
ντίγραφα για κάθε γονίδιο, πώς μεταβιβάΖει μόνο ένα αντίγραφο στους απο γόνους του; Επίσης, πώς ξαναδημιουργούνται οι ομάδες των γονιδίων στους απογόνους;
Ο
Mendel υπέθεσε
ότι όταν δημιουργούνται τα σπερμαΤΟΖωάρια και τα ω
άρια, τα δύο αντίγραφα κάθε γονιδίου του γονέα διαχωρίΖονται ώστε κάθε γαμέτης να παραλάβει μόνο ένα αλ/ηλόμορφο για κάθε χαρακτηριστικό. Έ τοι, κάθε ωάριο και κάθε σπέρμα (γύρη) θα παραΜβει μόνο ένα αλ/ηλό μορφο για το χρώμα των σπόρων (κίτρινο ή πράσινο), για το σχήμα (λείο ή
Ζαρωμένο) για το χρώμα των λουλουδιών (μωβ ή άσπρο) κ.ο.κ. Κατά τη γο νιμοποίηση, γύρη με το ένα ή το άλ/ο αλ/ηλόμορφο ενώνεται μ' ένα ωάριο
Ο Mendel και οι νόμοι της κληρονομικότητας
839
που φέρει το ένα ή το άλ/ο αλ/ηλόμορφο, αποκαθιστ:ώντας τα δύο αντίγρα
ΑΡΧΙΚΗ ΓΕΝΙΑ
ο
φαινότυπος: κίτρινα μπιζέλια
ο
φα για κάθε χαρακτηριστ:ικό στ:ο γονιμοποιημένο ωάριο ή Ζυγώτη. Το είδος
γονότυπος: ΥΥ
γύρης (σπέρματος) και ωαρίου που θα ενωθούν κατά τη γονιμοποίηση είναι
φαινότυπος: πράσινα μπιζέλια
γονότυπος: Υγ
εντελώς τυχαίο. 50%
Υ
Η παραπάνω αρχή της κληρονομικότητας εκφράΖεται από τον πρώτο νό
50%!:J
μο του
γαμέτες
Ι
ΠΡΩΤΗ rENIA(F,)
ΔIΑΣΤΑγρογΜΕΝΗ
γ
50%
50% '"
!:j
ο 25%
'"
ο 25%
Σύμφωνα με τον νόμο του διαχωρισμού, τα
50% !f
25%
ο
φο για πράσινα μΠΙΖέλια. Αν αυτογονιμοποιηθούν τα υβριδικά φυτά, οι γα
«κίτρινο» αλ/ηλόμορφο. Συνεπώς, στ:ους απογόνους της F2 γενιάς μπορεί να προκύψουν τέσσερις διαφορετικοί συνδυασμοί αλ/ηλομόρφων (Εικόνα
(F,)
20-17.
ποκτήσουν αλ/ηλόμορφο για κίτρινα μΠΙΖέλια ενώ οι υπόλοιποι αλ/ηλόμορ
«κίτρινο» ή με «πράσινο» αλ/ηλόμορφο. Το ίδιο ισχύει και για ένα ωάριο με
ΔΕΥΤΕΡΗ
Εικόνα
φυτά με κίτρινα
μορφο έχει τις ίδιες πιθανότητες να γονιμοποιηθεί από έναν κόκκο γύρης με
γΥ
25%ΥΥ ΓΕΝΙΑ
F1 υβριδικά
μέτες τους θα ενωθούν κατά τύχη. Έτσι, ένα ωάριο με «πράσινο» αλ/ηλό
~
ο
γΥ
-
μΠΙΖέλια θα δημιουργήσουν δύο κατηγορίες γαμετών: οι μισοί γαμέτες θ' α
ΣΠΕΡΜΑΤΟΖΩΑΡΙΑ
γγ
ένα από κάθε γονέα
τυπο των φυτών που θα προκύψουν από ένα πείραμα διαστ:αύρωσης.
γ
~
-
κατά τη γονιμοποίηση. Αυτός ο νόμος επιτρέπει να προβλέψουμε τον φαινό
1ΑΥΤΟΓΟΝΙΜΟΠΟΙΗΣΗ 50%
ο οποίος ορίΖει ότι τα δύο αλ/η
γαμετών και ότι στ:η συνέχεια ενώνονται στ:ην τύχη
~ ~
φαινότυπος: κίτρινα μπιζέλια γενότυπος: γΥ
ΩΑΡΙΑ
Mende!, τον νόμο του διαχωρισμού,
λόμορφα για κάθε χαρακτηριστ:ικό διαχωρίΖΟνται κατά το σχηματισμό των
ΓΟΝΙΜΟΠΟΙΗΣΗ
Τα φυτά της αρχικής γενιάς
παράγουν γαμέτες που περιέχουν ένα αλλη λόμορφο για κάθε χαρακτηριστικό. Ο φαινό τυπος των απογόνων εξαρτάται από τον συν
17) . Το
20-
ένα τέταρτο των φυτών θα έχουν δύο «πράσινα» αλ/ηλόμορφα και
προφανώς θ' αποκτήσουν μΠΙΖέλια με πράσινο χρώμα. Κατ' αναλογία, το 1/4 των φυτών με δύο «κίτρινα» αλ/ηλόμορφα θ' αποκτήσουν μΠΙΖέλια με κίτρι
δυασμό των αλληλομόρφων που θα παραλά
νο χρώμα. Ωστ:όσο, τα υπόλοιπα φυτά (2/4 των F2 απογόνων) θα έχουν κλη
βουν. Παρατηρείται ο γονότυπος και ο φαινό
ρονομήσει ένα «κίτρινο» και ένα «πράσινο» αλ/ηλόμορφο. Επειδή το «κίτρι
τυπος των μπιζελιών της Εικόνας 20-16. Τα α
μιγή φυτά τα οποία παράγουν κίτρινα μπιζέλια
νο» αλ/ηλόμορφο είναι επικρατές, αυτά τα φυτά
όπως και οι υβριδικοί γο
αποκτούν μόνο γαμέτες που φέρουν το αλλη
νείς τους της
λόμορφο Υ, ενώ τα αμιγή φυτά τα οποία παρά
τρία τέταρτα των απογόνων θα έχουν κίτρινα μΠΙΖέλια ενώ το ν4 πράσινα. Συ
γουν πράσινα μπιζέλια αποκτούν μόνο γαμέ τες που φέρουν το αλληλόμορφο Υ. Οι απόγο νοί τους, οι οποίοι παράγουν κίτρινα μπιζέλια,
έχουν γονότυπο ΥΥ. Αν διασταυρωθούν μετα ξύ τους τα υβριδικά φυτά, το
75% των απογό
νων θα παράγουν κίτρινα μπιζέλια ενώ οι υπό λοιποι απόγονοι θα παράγουν πράσινους γα μέτες. Το γκρίζο κουτί στο κάτω μέρος της ει
κόνας ονομάζεται τετράγωνο του
Punnett από
το όνομα ενός Βρετανού μαθηματικού, θιασώ τη των απόψεων του
Mendel,
και επιτρέπει να
F1 γενιάς -
-
θ' αποκτήσουν μόνο κίτρινα μΠΙΖέλια. Συνολικά, τα
νεπώς, ο νόμος του διαχωρισμού ερμηνεύει το λόγο
3:1
που παρατήρησε ο
Mende! στ:ην F2 γενιά. Ο vόμος του διαχωρισμού του
Mendel ισχύει για όλους τους
οργαvισμούς που αvαπαράγΟVIQΙ φυλεIlκά Ο νόμος του διαχωρισμού που διατύπωσε ο λέσματα για όλα τα χαρακτηριστ:ικά που
Mende! ερμήνευσε τ' αποτε εξέτασε στ:α μΠΙΖέλια. Ο Mende! α
καταγραφεί ο διαχωρισμός των αλληλομόρ
ναπαρήγαγε τα βασικά ευρήματά του στ:ο καλαμπόκι και στ:α φασόλια. Ωστ:ό
φων κατά τη δημιουργία των γαμετών όπως ε
σο, οι νόμοι της κληρονομικότητας δεν περιορίΖονται στ:ην αναπαραγωγή
πίσης και να προβλεφθούν οι συνδυασμοί που θα προκύψουν κατά τη γονιμοποίηση. Σύμφω
να με το σύστημα που επινόησε ο
Mendel,
και
εξακολουθεί να είναι σε χρήση σήμερα, τα κε φαλαία γράμματα συμβολίζουν τα επικρατή αλληλόμορφα ενώ τα μικρά γράμματα συμβο λίζουν τα υπολειπόμενα αλληλόμορφα.
στ:α φυτά. Η έwοια του γονιδίου που διατύπωσε ο
Mende! και
ο νόμος του
διαχωρισμού μπορεί να γενικευθούν για όλους τους οργανισμούς που ανα
παράγονται φυλετικά, συμπεριλαμβανομένου και του ανθρώπου. Ας δούμε έναν φαινότυπο του ανθρώπου που επηρεάΖεται μόνο από ένα γονίδιο. Ο αλφισμός είναι σπάνια κατάστ:αση που μεταβιβάΖεται με υπολει πόμενο τρόπο σε πολ/ά Ζώα, μεταξύ των οποίων και ο άνθρωπος. Με άλλα
λόγια, όπως τα μΠΙΖέλια που αποκτούν πράσινους καρπούς, οι άνθρωποι με αλφισμό είναι ομόΖυγοι για το υπολειπόμενο αλ/ηλόμορφο (α) ενός ορισμέ νου γονιδίου, δηλαδή έχουν γονότυπο αα. Το επικρατές αλ/ηλόμορφο (Α)
840
Κεφάλαιο 20: Γενετική, Μείωση και η Μοριακή Βάση της Κληρονομικότητας
του γονιδίου κωδικοποιεί ένα ένΖυμο που εμπλέκεται στη σύνθεση της μελα νίνης, της χρωστικής που είναι κυρίως υπεύθυνη για το καστανό και μαύρο
χρώμα στις τρίχες, στο δέρμα και στον αμφιβληστροειδή του οφθαλμοό. Το
υπολειπόμενο αλ/ηλόμορφο κωδικοποιεί μια μορφή του γονιδίου που είναι λιγότερο δραστική ή και εντελώς ανενεργός. Χωρίς αυτό το ένΖυμο, οι τρίχες και το δέρμα έχουν άσπρο χρώμα, ενώ οι κόρες φαίνονται ρΟΖ, επειδή η έλ λειψη της χρωστικής αποκαλύπτει το κόκκινο χρώμα της αιμοσφαιρίνης στα αιμοφόρα αν/εία του αμφιβληστροειδοός.
Αν ένας άνδρας και μια γυναίκα με αλφισμό (γονότυπος και των ΔUo:
00) αποκτήσουν παιδιά, όλα τα παιδιά τους επίσης θα εμφανίΖουν αλφισμό (00). Ας υποθέσουμε τώρα ότι ένας άνδρας χωρίς αλφισμό αποκτά παιδιά με μια γυναίκα με αλφισμό. (ΑποδεΧόμαστε ότι ο άνδρας είναι ομόΖυγος για το επι κρατές αλ/ηλόμορφο Α: ο αλφισμός είναι σπάνια κατάσταση και αν κανείς στην οικογένεια του άνδρα δεν είχε αλφισμό, η παραδοχή μας για τον γονό
τυπό του μάλ/ον είναι σωστή). Όλα τα παιδιά του Ζευγαριοό πρέπει να φαί νονται «φυσιολογικά», δηλαδή κανένα δεν θα έχει αλφισμό. Αυτό το αποτέ λεσμα αντικατοπτρίΖει τις διασταυρώσεις του
Mendel.
Ο πατέρας θα δημι
ουργοόσε γαμέτες με ένα επικρατές αλ/ηλόμορφο Α, ενώ η μητέρα θα δημι
ουργούσε γαμέτες με ένα υπολειπόμενο αλ/ηλόμορφο
a.
Όλοι οι απόγο
νοι, με γονότυπο Αο, θα είχαν τον επικρατή φαινότυπο (Εικόνα
20-18).
Αν
κάποτε ένα από αυτά τα παιδιά αποκτούσε οικογένεια μ' ένα άτομο με παρό μοιο γονότυπο (έναν άνδρα ή μια γυναίκα που επίσης είχε έναν γονέα με αλ
φισμό), τότε τα παιδιά τους θ' ακολουθοόσαν το πρότυπο που παρατηρείται στην
F2 γενιά του Mendel: για κάθε τρία
Ι
παιδιά με κανονική χρώση θα υπήρ-
Q
άνδρας με
«φυσιολογική»
«φυσιολογικός»
γυναίκα με
αλφισμό
γυναίκα
άνδρας
αλφισμό
~
ΙΙ
όλοι οι απόγονοι «φυσιολογικοί»
~
Ι
όλοι οι απόγονοι «φυσιολογικοί»
Εικόνα 20-18. Ο νόμος του διαχωρισμού του Mendel ισχύει για όλους τους οργανισμούς που αναπαράγονται φυλετικά. Εδώ καταγρά φεται η κληρονομική μεταβίβαση του αλφι 75%
«φυσιολογικοί»
25%
ασθενείς
με αλφισμό
σμού, μιας υπολειπόμενης μονογονιδιακής διαταραχής.
Ο Mendel και οι νόμοι της κληρονομικότητας
841
Εικόνα
20-19. Ο
φαινότυπος ολόκληρων οι
κογενειών συχνά αναπαριστάται με πρότυ
πα διαγράμματα που ονομάζονται γενεαλο γικά δέντρα. Εδώ παρουσιάζεται το γενεαλο γικό δέντρο για μια οικογένεια που φέρει το χαρακτηριστικό για τον αλφισμό. Τα τετράγω
να αναπαριστούν τους άνδρες ενώ οι κύκλοι τις γυναίκες. Τα μέλη της οικογένειας που εκ
111
δηλώνουν το υπό εξέταση χαρακτηριστικό υ ποδηλώνονται με μαύρο τετράγωνο ή κύκλο, lν
ενώ τα μη προσβεβλημένα μέλη της οικογένει ας αποδίδονται με άσπρα τετράγωνα ή κύ κλους. Η οριζόντια γραμμή ανάμεσα σ' έναν άνδρα και μια γυναίκα αναπαριστά ένα ζευγά ρωμα, ενώ οι οριζόντιες γραμμές πάνω από μια σειρά συμβόλων συνδέουν τους απογό νους αυτού του ζευγαρώματος (κατά τη σειρά γέννησής τους από τ' αριστερά προς τα δε
χε ένα παιδί με αλφισμό. Από τη σκοπιά των παιδιών, κάθε παιδί θα είχε
25% πιθανότητα
να κληρονομήσει δύο υπολειπόμενα Υονίδια.
ξιά). Για λόγους αναγνώρισης, τα μέλη κάθε
Ασφαλώς οι άνθρωποι Υενικά δεν αποκτούν τόσο μεΥάλες ΟΙΚΟΥένειες
γενιάς αριθμούνται διαδοχικά από τ' αριστερά
ώστε ν' αναπαραΧθούν επακριβώς οι Μενδέλειες αναλΟΥίες. Ας θυμηθούμε
προς τα δεξιά. Για παράδειγμα, στην πρώτη γενιά αυτού του γενεαλογικού δέντρου, το ά
ότι στα πειράματά του ο
τομο
στές που εξετάΖουν τη μεταβίβαση ειδικών χαρακτηριστικών στον άνθρωπο
5, ένας
μη προσβεβλημένος άντρας, πα
ντρεύτηκε μια γυναίκα με αλφισμό. Ο μοναχο γιός τους (άτομο
7 στη δεύτερη γενιά)
δεν εί
Mendel χρησιμοποίησε
χιλιάδες μΠΙΖέλια. Οι Υενετι
παρακάμπτουν αυτό το πρόβλημα, μελετώντας πολ/ές ΟΙΚΟΥένειες ή αρκετές
ναι προσβεβλημένος, τα δύο παιδιά του όμως
Υενιές λίΥων μεΥάλων ΟΙΚΟΥενειών. Για να καταΥράψουν τις σχετικές πληρο
έχουν αλφισμό.
φορίες και να διαπιστώσουν το πρότυπο κληρονομικής μεταβίβασης, οι Υε
νετιστές προετοιμάΖουν ένα σχεδιάΥραμμα που δείχνει το φαινότυπο κάθε μέλους της ΟΙΚΟΥένειας Υια ένα ορισμένο χαρακτηριστικό (Εικόνα
20-19).
Αυτό το σχεδιάΥραμμα, γνωστό ως γενεαλογικό δέντρο, περιλαμβάνει όσο περισσότερες Υενιές Υίνεταl.
Τα αλ/ηλόμορφα για διαφορετικά χαρακ[ηρωIlκά
διαχωρίΖΟvrQl ανεξάρτητα Ο
Mendel σκόπιμα
απλούστευσε το πρόβλημα της κληρονομικότητας
πραΥματοποιώντας μονοϋβριδικές διασταυρώσεις, δηλαδή πειράματα δια σταύρωσης που εστιάΖονταν στη μεταβίβαση ενός χαρακτηριστικού τη φορά.
ΕυτυΧώς όμως δεν σταμάτησε εκεί. Συνέχισε τις μελέτες του στα μΠΙΖέλια ε ξετάΖοντας την ταυτόχρονη μεταβίβαση δύο ή περισσότερων μη σχεΤΙΖόμε νων χαρακτηριστικών.
Στην απλούστερη κατάσταση, μια διϋβριδική διασταύρωση, ο ρακολούθησε τη μεταβίβαση δύο χαρακτηριστικών ταυτόχρονα
Mendel πα - Υια παρά
δεΙΥμα, χρώμα των καρπών και σχήμα των σπόρων. Σε ό,τι αφορά στο χρώ
μα, όπως είδαμε το κίτρινο είναι επικρατές ενώ το πράσινο υπολειπόμενο. Στην περίπτωση του σχήματος των σπόρων, επικρατές είναι το στΡΟΥΥυλό σχήμα ενώ υπολειπόμενο το Ζαρωμένο. Τι θα συνέβαινε, αναρωτήθηκε ο
Mendel,
αν διασταυρώνονταν φυτά που διέφεραν και ως προς τα δύο αυτά
χαρακτηριστικά; Για άλ/η μια φορά, ξεκίνησε τις μελέτες του με αμΙΥή, αυτο ΥονιμοποlOύμενα στελέχη: το επικρατές στέλεχος παρήΥαΥε κίτρινα, στΡΟΥ
Υυλά μΠΙΖέλια (Υονότυπος:
YYRR -
Υ: yellow
= κίτρινος, R: round = στΡΟΥ
Υυλός), ενώ το υπολειπόμενο στέλεχος παρήΥαΥε πράσινα, Ζαρωμένα μΠΙΖέ
λια (Υονότυπος: yyrr). Μια πιθανότητα είναι ότι τα δύο χαρακτηριστικά θα με-
842
Κεφάλαιο 20: Γενετική, Μείωση και η Μοριακή Βάση της Κληρονομικότητας
ωβιβάΖονταν από τους γονείς σω παιδιά ως ενιαίο Ζεύγος. Με άλ/α i'ιόγια, ω επικρατή αλ/ηλόμορφα Υ και
Rea βρίσκοντανπάντοτε μαΖί, παράγονταςα
μιγή φυτά με κίτρινα, στΡΟν/υλά μΠΙΖέλια, τη μια γενιά μετά την άλλη. (Το ί διο θα ίσχυε και για τα υπολειπόμενααλ/ηi'ιόμoρφαΥ και r). Η άλ/η πιθανό τηω είναι ότι τα δύο χαρακτηριστικά θα μεταβιβάΖονταν ανεξάρτητα, οπότε κάποτε θα παράγονταν φυτά με νέο μείγμα χαρακτηριστικών (Π.Χ. κίτρινα και Ζαρωμένα ή πράσινα και στΡΟν/υλά μΠΙΖέλια). Ο
Mende! διασταύρωσε
τα φυτά και κατέγραψε προσεκτικά ω αποτελέ
σματά του. Όπως αναμενόταν, τα φυτά της
F1 γενιάς
είχαν τον ίδιο φαινότυ
πο, δηλαδή όλα παρήγαγαν κίτρινα και στΡΟν/υλά μΠΙΖέλια. Αυτό όμως θα συνέβαινε άσχεω από το αν ήων συνδεδεμένα τα σχετικά αλ/ηi'ιόμoρφα. Ό ων διασταυρώθηκαν τα φυτά της
F1 γενιάς, ω αποτελέσμαω έδειξαν σαφώς
ότι κάθε χαρακτηριστικό μεταβιβάΖεται ανεξάρτητα. Τα δύο αλ/ηi'ιόμoρφα για το χρώμα μεταβιβάΖονται ανεξάρτητα από τα δύο αλ/ηi'ιόμoρφα για το σχήμα
και έτσι προκύπτουν τέσσερις διαφορετικοί φαινότυποι μΠΙΖελιών: κίτρινα στΡΟν/υλά, κίτρινα-Ζαρωμένα, πράσινα-στΡΟν/υλά και πράσινα-Ζαρωμένα (Εικόνα
20-20).
Ο
Mende! εξέτασε
ω επτά χαρακτηριστικά των μΠιζελιών σε
ποικίΛους συνδυασμούς ανά δύο και πάντοτε παρατηρούσε έναν χαρακτηρι στικό φαινοτυπικό i'ιόγo
9:3:3:1
στην
F2 γενιά.
Ο ανεξάρτητος διαχωρισμός
κάθε Ζεύγους αλ/ηλομόρφων κατά τη δημιουργία των γαμετών αναφέρεται
ως δεύτερος νόμος του
Mende!- ο νόμος του ανεξάρτητου
διαχωρισμού.
Η συμπεριφορά των χρωμοσωμάτων κατά τη μείωση εξηγεί τους νόμους της κληρονομικότητας του
Mendel
Μέχρι τώρα συΖητούμε για τα γονίδια και τ' αλ/ηi'ιόμoρφα σαν να ήταν ά
ϋλες οντότητες. Ωστόσο, για τη βιολογία η κl\ηΡOνOμΙKότηω δεν είναι απλώς μια συλ/ογή μαθηματικών αναλογιών και πιθανοτήτων
-
ποιες πιθανότητες
έχει ένα μΠΙΖέλι ν' αποκτήσει μωβ λουλούδια ή ποια είναι η πιθανότητα να γεwηθεί ένα παιδί με αλφισμό. Είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε πώς λει τουργεί η κληρονομικότητα μέσα στο σπερμαΤΟΖωάριο, στο ωάριο και στο Ζυγώτη που δημιουργείται από την ένωσή τους. Ο
Mende! είχε
υποθέσει ότι
ω γονίδια εντοπίζονταν στα κύπαρα αλ/ά δεν γνώΡιζε ούτε από τι αποτελού νταν ούτε πού ακριβώς βρίσκονταν. Σήμερα γνωρίΖουμε ότι οι Μενδέλειοι παράγοντες που αποκαλούμε γονίδια μεταφέρονται πάνω στα χρωμοσώμα ω, ω οποία διαχωρίΖΟνται κατά τη δημιουργία των γαμετών και ξανασυνδέ ονται σε νέους συνδυασμούς στον Ζυγώτη μετά τη γονιμοποίηση. Συνεπώς, ω χρωμοσώμαω παρέχουν τη φυσική βάση για τους νόμους του
Mendel. Ό
πως θα δούμε στη συνέχεια, η συμπεριφορά τους κατά τη μείωση και τη γο
νιμοποίηση ερμηνεύει άριστα τους νόμους του
Mendel.
Κατά τη γονιμοποίηση, τα μητρικά και πατρικά ομόλογα
-
και τα γονίδια
που βρίσκονται πάνω τους - πρώτα Ζευγαρώνουν και μετά διαχωρίΖΟνται για
να καωλήξουν στους γαμέτες. Τα ομόλογα χρωμοσώματα διαθέτουν διαφο ρετικές παραλ/αγές
-
ή αλ/ηi'ιόμoρφα
-
για πολ/ά από ω γονίδια που φέ
ρουν. Ας πάρουμε για παράδειγμα ένα φυτό ετερόΖυγο για τα κίτρινα μΠιζέ λια (ΥΥ). Κατά τη διάρκεια της μείωσης, τα χρωμοσώματα που φέρουν τ' αλ-
Ο Mendel και οι νόμοι της κληρονομικότητας
843
ο
ΑΡΧΙΚΗ ΓΕΝΙΑ
φαινότυπος: κίτρινα-λεία γονότυπος: YVΑΑ
ο
φαινότυπος: πράσινα-ζαρωμένα γονότυπος: ΥΥ ΓΓ
\-------....., .------) γ
50%
ΥΑ
50% yr
γαμέτες
Ι ΔΙΑΣΤΑΥΡΟΥΜΕΝΗ
+ΓΟΝΙΜΟΠΟΙΗΣΗ
CbJ
ΠΡΩΤΗ ΓΕΝΙΑ
(F 1)
φαινότυπος: κίτρινα-στρογγυλά γονότυπος: VyRr
ΙΑΥΤΟΓΟΝIΜΟΠΟIΗΣΗ 25%VR
25%ΥΑ
\ι. 25% Vr
\ι.
ΩΑΡΙΑ
25% yr
\ι.
Ο
Ο
ΓΕΝΙΑ
(F2 )
Ο
/ 25% yr
Ο
Ο
VyRr
Vyrr
25% yR
VyRR
YVΓΓ
Ο ΔΕΥΤΕΡΗ
YVRr
Ο
VyRr
ΣΠΕΡΜΑΤΟΖΩΑΡΙΑ
/
Ο
YVRr
VyRR
ο
25%Vr
YVΑΑ
Ο
25% yR
\ι.
Ο
/
VyRr
VyRr
Ο
Ο
yyRR
ΥΥΓΓ
Ο
Ο
yyRr
yyRr
/
ΦΑΙΝΟΤΥΠΟΣ
YVΑΑ VyRR, YVRr, VyRr
yyRR,yyRr
Q
YVrr, Vyrr
ΥΥΓΓ ΥΥ ΓΓ
Ο Ο Ο
Ο
κίτρινα στρογγυλά
9/16
πράσινα στρογγυλά
3/16
κίτρινα ζαρωμένα
3/16
πράσινα ζαρωμένα
1/16
Εικόνα 20-20. Μια διϋβριδlκή διασταύρωση φανερώνει ότι τ' αλληλόμορφα για διαφορετικά χαρακτηριστικά διαχωρίζονται ανεξάρτη τα. Όταν τ' αλληλόμορφα κατανέμονται ανεξάρτητα θα συσκευαστούν στους γαμέτες σε όλους τους πιθανούς συνδυασμούς. Έτσι, κατά τη δημιουργία των γαμετών το αλληλόμορφο Υ είναι εξίσου πιθανό να συσκευαστεί είτε με το αλληλόμορφο
R είτε με το r, Το ίδιο
για το αλληλόμορφο Υ. Συνεπώς, τέσσερις κατηγορίες γαμετών θα μπορούσε να παραχθούν σε σχεδόν ίσες αναλογίες:
ισχύει και
YR, Yr, yR και yr. Αν
αυτοί οι γαμέτες αφεθούν να ενωθούν στην τύχη κατά τη γονιμοποίηση, ο φαινότυπος των μπιζελιών θα είναι κίτρινος-στρογγυλός, κίτρινος ζαρωμένος, πράσινος-στρογγυλός και πράσινος-ζαρωμένος σε αναλογία
9:3:3: 1.
ληλόμορφα Υ και Υ θα διαχωριστούν παράγοντας δύο είδη απλοειδών γαμε τών, με το αλ/ηλόμορφο Υ ή το αλ/ηλόμορφο Υ. Κοτά την αυτογονιμοποίη
ση, οι απλοειδείς γαμέτες ενώνονται στην τύχη και τελικά παράγουν
TQ
δl
πλοειδή φυτά της επόμενης γενιάς, TQ οποία μπορείνα έχουν γονότυπο ΥΥ,
ΥΥ ή ΥΥ. ΟΙ μειωTlκοίμηχανισμοίπου προωθούντον διαχωρισμότων αλ/η-
844
Κεφάλαιο 20: Γενετική, Μείωση και η Μοριακή Βάση της Κληρονομικότητας
λομόρφων σε γαμέτες και τον τυχαίο ανασυνδυασμό των γαμετών κατά τη
γονψοποίηση εξηγούν άριστα τους γενετικούς νόμους του
Mendel.
Κατά τη διάρκεια της μείωσης, κάθε ομάδα Ζευγαρωμένων ομολόγων προσδένεται ανεξάρτητα στην άτρακτο. Η τυχαία παράταξη των χρωμοσωμά των πάνω στην άτρακτο της μετάφασης aVTlKaτompΊZEΤOl στον νόμο του ανε
ξάρτητου διαχωρισμού, καθώς τα γονίδια που βρίσκονται πάνω σε διαφορετι κά χρωμοσώματα θα μεταβιβαστούν ανεξάρτητα. Παρότι κάθε γαμέτης παρα λαμβάνει μόνο ένα αντίγραφο κάθε χρωμοσώματος, καταλήγει να διαθέτει έ
να τυχαίο μείγμα μητρικών και πατρικών ομολόγων (βλ. Εικόνα 20-11Α).
Η Εικόνα
20-21
αποδίδει διαγραμματικά αυτή τη διεργασία για ένα μπι
Ζέλι ετερόΖυγο τόσο για το χρώμα (ΥΥ) όσο και για το σχήμα
(Rr) των
σπό
ρων. Το Ζεύγος χρωμοσωμάτων που φέρει τ' αλ/ηλόμορφα του χρώματος θα προσδεθεί στη μειωτική άτρακτο με κάποιον προσανατολισμό. Το ομόλο-
γονότυπος αρχικού φυτού: YyRr
! διπλοειδές βλαστικό κύτταρο του αρχικού φυτού ΤΑ ΔΙΠΜΣΙΑΣΜΕΝΑ ΟΜΟΛΟΓΑ ΠΑΡΑΤΑΣΣΟΝΤΑΙ ΤΥΧΑΙΑ ΠΑΝΩ ΠΗΝ ΑΤΡΑΚΤΟ ΚΑΤΑ ΤΗ ΜΕΤΑΦΑΣΗ ΤΗΣ ΜΕΙΩΣΗΣ Ι
Ή
ΜΕΙΩΣΗ Ι
ι
λ
ΜΕΙΩΣΗ
11
λ
λ
Εικόνα
λ
®®®®®®®® RY
RY
ry
Ry
ry
γαμέτες
Ry
rY
20-21. Ο διαχωρισμός
των χρωμοσω
μάτων κατά τη μείωση ερμηνεύει τους νό
rY
μους του διαχωρισμού και της ανεξάρτητης κατανομής του Mendel. Εδώ παρουσιάζεται η ανεξάρτητη κατανομή των αλληλομόρφων για το χρώμα των σπόρων (κίτρινο: Υ, πράσινο: Υ) και για το σχήμα των σπόρων (στρογγυλό: ζαρωμένο:
R,
r).
Ο Mendel και οι νόμοι της κληρονομικότητας
845
γο (Υ ή Υ) που θα «αιχμαλωτιστεί» από τους μικροσωληνίσκους του ενός ή του άλλου πόλου καθορίΖεωι από τον προσανατολισμό που τυχαίνει να έχει
το δισθενές κατά τη στιγμή της πρόσδεσης (βλ. Εικόνα
20-21). Το ίδιο
ισχύ
ει και για το Ζεύγος χρωμοσωμάτων που φέρουν τ' αλληλόμορφα για το σχή
μα. Ο συνδυασμός των αλληλομόρφων που θ' αποκτήσει κάθε γαμέτης
Yr, yR ή yr)
(YR,
εξαρτάωι αποκλειστικά από τον προσανατολισμό των δύο Ζευ
γών χρωμοσωμάτων κατά τη στιγμή της «αιχμαλωσίας» τους από τη μειωτική
άτρακτο, κάτι εξίσου τυχαίο με το να παίΖει κανείς «κορώνα-γράμμαω».
Η συχνό'ιητα του ανασυνδυασμού μπορεί να χρησΙμοποιηθεί για να καθοριστεί η σειρά των γονιδίων πάνω στα χρωμοσώματα Ο νίδια
Mendel μελέτησε επτά χαρακτηριστικά που καθορίΖονταν από επτά γο (βλ. Εικόνα 20-15) και διαπίστωσε ότι κάθε χαρακτηριστικό διαχωΡΙΖό
ων ανεξάρτηω από ω υπόλοιπα. Σήμερα γνωρίΖουμε ότι ω περισσότερα α
πό αυτά ω γονίδια εντοπίΖΟνται σε διαφορετικά χρωμοσώμαω και αυτό εύ κολα εξηγεί την τυχαία καωνομή που παρατήρησε. Ωστόσο, η παρατήρηση
του
Mendel ότι τα διαφορετικά
γονίδια καωνέμονται ανεξάρτηω δεν προϋ
ποθέτει αναγκαστικά ότι ω γονίδια πρέπει να βρίσκονται πάνω σε διαφορε
τικά χρωμοσώμαω. Γονίδια που βρίσκονται σε αρκετή απόσταση μεταξύ τους πάνω στο ίδιο χρωμόσωμα επίσης θα κατανεμηθούν ανεξάρτητα εξαι
τίας του ανασυνδυασμού που συμβαίνει κατά τη μείωση. Όπως προαναφέ ραμε, όταν τα διπλασιασμένα ομόλογα σχηματίσουν δισθενή και παρατα χθούν πάνω στην πλάκα της μετάφασης, οι μη αδελφές χρωματίδες πραγμα
τοποιούν αρκετούς ανασυνδυασμούς και έτσι ανταλλάσσουν γενετικό υλικό. Οι επιχιασμοί μπορεί να διαχωρίσουν αλληλόμορφα τα οποία προηγουμέ νως βρίσκονταν πάνω στο ίδιο χρωμόσωμα, κάνοντάς τα να διαχωριστούν σε διαφορετικούς γαμέτες (Εικόνα
20-22).
Για παράδειγμα, σήμερα γνωρί
Ζουμε ότι τα γονίδια για το χρώμα και το σχήμα των μΠΙΖελιών εντοπίΖΟνται πάνω στο ίδιο χρωμόσωμα αλλά διαχωρίΖΟνται ανεξάρτητα, επειδή απέχουν
πολύ το ένα από το άλλο. Κατά μέσο όρο, ένα χρωμόσωμα του ανθρώπου συμμετέχει σε
2-3
ανα
συνδυασμούς κατά τη μείωση και, οπωσδήποτε, τουλάχιστον σ' έναν αν α F
Κατά μέσο όρο, θα συμβούν αρκετοίεπιχιασμοίμεταξύ
Ε
e
D
d
C
c
Β
Α
846
b a
αυτών των γονιδίων. Συνεπώς, τα χαρακτηριατικά που καθορίζουν (C και F πάνω στο ένα χρωμόσωμα, c και f πάνω στο άλλο χΡωμόσωμα) έχουν την ίδια πιθανότητα να μεταβιβαστούν μαζί με δύο γονίδια που βρίσκονται σε δύο διαφορετικά χρωμοσώματα
}-
Η πιθανότητα να συμβεί ανασυνδυασμός μεταξύ αυτών των δύο γονιδίων είναι μικρή. Συνεπώς τα χαρακτηριστικά που καθορίζουν (Α και Β, a και b) σχεδόν πάντοτε θα συγκληρονομούνται
συνδυασμό. Έτσι, ενώ δύο γονίδια που βρίσκονται πολύ κοντά πάνω σ' ένα χρωμόσωμα σχεδόν πάντα καταλήγουν στους ίδιους γαμέτες μετά τη μείω ση, δύο γονίδια που εντοπίΖΟνται στα δύο άκρα ενός χρωμοσώματος είναι
Εικόνα 20-22. Κατά τη μειωτική πρόφαση Ι, πάνω σε κάθε χρωμόσωμα συμβαίνουν τυχαία αρκετοί επιχιασμοί. Έτσι, δύο γονίδια που βρίσκονται πάνω στο ίδιο χρωμό σωμα θα υπακούουν στους νόμους του Mendel μόνο αν απέχουν αρκετά μεταξύ τους. Οι επιχιασμοί συμβαίνουν στα δισθενή της Εικόνας
20-7. Οι επιχιασμοί
είναι απα
ραίτητοι για να σχηματιστούν τα χιάσματα που χρειάζονται για τον σωστό διαχωρισμό των χρωμοσωμάτων. Για το λόγο αυτό, γενικά πάνω σε κάθε χρωμόσωμα σχηματίζο
νται αρκετοί επιχιασμοί. Τα γονίδια που βρίσκονται κοντά μεταξύ τους πάνω σ' ένα χρωμόσωμα συνήθως μεταβιβάζονται ως ενιαία μονάδα.
Κεφάλαιο 20: Γενετική, Μείωση και η Μοριακή Βάση της Κληρονομικότητας
σχεδόν εξίσου πιθανό να διαxωρισroύν όσο και δύο γονίδια που ενωπίΖο
Ερώmσn20-4
νται σε διαφορεηκά χρωμοσώματα.
Yπoθέσrε όη κάθε χρωμό
•,
Όπως θ' ανέμενε κανείς, ο νόμος ωυ ανεξάρτητου διαχωρισμού δεν ι
σωμα υφίσrαται μόνο έναν
σχύει για όί\α τα γονίδια. Αν τα γονίδια βρίσκονται κοντά ω ένα σro άλ/ο με
επιχιασμό κατά τη διάρκεια
ταβιβάΖΟνται ως ενιαία μονάδα. Για παράδειγμα, σroν άνθρωπο αυτό ισχύει
της μείωσης. Πόσο δlOφο
για τα γονίδια της αχρωμαωψίας και της αιμορροφιί\ίας. Από τη μέτρηση της
ρεηκή είναι η πιθανότητα να
συχνότητας κοινής μεταβίβασης μπορεί να Kαθoρισrεί αν δύο γονίδια βρί
μεταβιBασroύν μαΖί χαρα
σκονται πάνω σro ίδιο χρωμόσωμα, όπως επίσης και η μεταξύ ωυς απόσrα
KτηρισrlKά που KαθOρίzovται από γονί
ση. Οι σχεηκές πί\ηροφορίες έχουν αξιοποιηθεί εκτενώς για τη χαρωγράφη
δlO σrα δύο άκρα ενός χρωμοσώματος
ση των γονιδίων πάνω σrα χρωμοσώματα. Αυωί οι γενεηκοί χάρτες είχαν α
σε σύγκριση με γονίδια που βρίσKovται
πoφασισrΙKό ρόί\ο σrην κλωνοποίηση γονιδίων που εμπί\έκονται σrην παθο
σε δύο διαφορεηκά χρωμοσώματα; Τι ι
γένεση νοσημάτων ωυ ανθρώπου, όπως ω γονίδιο για την KυσrΙKή ίνωση.
σχύει σrην πραγμαηκότητα;
Ο φαινότυπος ενός ετεΡΟΖυγώτη αποκαλύmει αν ένα αλ/ηλόμορφο είναι επικρατές ή υπολειπόμενο Όπως είδαμε, οι παρατηρήσεις ωυ
Mendel μπορεί να ερμηνευωύν
από
τη μετακίνηση των χρωμοσωμάτων κατά τη μείωση. Τα αλ/ηί\όμορφα δια
χωρίΖΟνται σroυς γαμέτες και οι γαμέτες ενώνονται για τη δημιουργία απο γόνων με νέους συνδυασμούς αλ/ηί\ομόρφων. Συνεπώς, τ' αλ/ηί\όμορφα που κί\ηρονομεί ένας οργανισμός κατά τη γονιμοποίηση υπαγορεύουν ων φαινότυπό ωυ. Πώς όμως ερμηνεύεται ω φαινόμενο της επικράτησης; Γιατί
ω αλ/ηί\όμορφο για τα σrρoγγυί\ά μΠιΖέί\ια να καί\ύmει την έκφραση ωυ αί\
ί\ηί\ομόρφου για τα Ζαρωμένα μΠΙΖέί\ια; Στην περίπτωση των Ζαρωμένων μΠΙΖεί\ιών του
Mendel, ω γονίδιο
που
καθορίΖει ω σχήμα κωδικοποιεί ένα ένΖυμο που συμβάλ/ει σrη μετατροπή
των σακχάρων σε διακΛαδισμένα μόρια αμύί\ου. Το υποί\ειπόμενο αλ/ηί\ό μορφο, Υ, είναι ένα μεταλ/αγμένο γονίδιο που δεν κωδικοποιεί δρασrΙKό έν Ζυμο. Λόγω της ενΖυμικής ανεπάρκειας, τα φυτά που είναι ομόΖυγα
rr περιέ
χουν περισσότερα σάκχαρα, άρα παράγουν ί\ιγότερο άμυί\ο, από τα φυτά
που διαθέωυν ω επικρατές γονίδιο
R. Η αφθονία
των σακχάρων και η έν
δεια ωυ διακΛαδισμένου αμύί\ου κάνει τα μΠΙΖέί\ια ΠΖαρωμένα. Στη γενεηκή, τα διαφορεηκά είδη μεταλ/άξεων ταξινομούνται σrις κατη
γορίες που ηεριγράφονται σrην Εικόνα
20-26.
Οι μεταλ/άξεις που εί\απώ
νουν ή απαί\είφουν τη δρασrΙKότητα ενός γονιδίου ονομάΖΟνται μεraλλάξεις απώλειας λεπουργίας
(loss-of-function mutations).
Κάθε οργανισμός με δύο
αντίγραφα ενός αλ/ηί\ομόρφου με απώί\εια ί\ειτουργίας έχει μεταλ/αγμένο φαινότυπο, που διαφέρει από ων «φυσιοί\ογικό», κοινό φαινότυπο. Στα μπl Ζέί\ια, το Ζαρωμένο σχήμα θεωρείται μεταλ/αγμένος φαινότυπος ενώ το σrρoγγυί\ό σχήμα φυσιοί\ογικός φαινότυπος
(wild-type).
Οι ετεΡΟΖυγώτες,
που διαθέωυν ένα μεταλ/αγμένο και ένα φυσιοί\ογlκό αλ/ηί\όμορφο, πα ράγουν αρκετό δρασrΙKό ένΖυμο ώσrε να λειτουργούν κανονικά και διατη
ρούν ων φυσιοί\ογικό φαινότυπο. Συνεπώς, οι μεταλ/άξεις απώί\ειας ί\ει ωυργίας συνήθως είναι υποί\ειπόμενες. Μια άλ/η κατηγορία αλ/ηί\ομόρφων παράγουν υπερδρασrήρια ένΖυμα ή
ένΖυμα τα οποία εμφανίΖουν απρόσφορη δρασrΙKότητα. Οι υπεύθυνες με-
Ο Mendel και οι νόμοι της κληρονομικότητας
847
Ισιορική Αναδρομή: Ερμηνεία ιων χαριών InS γενεnκήs σύνδεσηs ο Alfred Sturtevant, προmυχιακός φοιτητής στο εργα Thomas Hunt Morgan στο Πανεπιστήμιο Columbia, δη
πολύτιμοι για τον σχεδιασμό λεmομερώνχαρτών γενετικής σύν
μοσίευσε τον πρώτο γενετικό χάρτη σύνδεσης τον οποίο φαινόταν
ματος στις φρουτόμυγες φτάσαμε στη μεγάλης κλίμακας χαρτο
nucleotide polymorphism, SNPs). Όπως είδαμε στο Κεφάλαιο 9, οι SNPs είναι βραχείες αλληλουχίες που διαφέρουν κατά ένα νουκλε οτίδιο ανάμεσα στα άτομα ενός πληθυσμού (Εικόνα 20-23). Στο αν θρώπινο γονιδίωμα έχουν βρεθεί εκατομμύρια SNP. Κατανέμονται
γράφηση ολόκληρου του γονιδιώματος της
σε όλη την έκταση των χρωμοσωμάτων με πυκνότητα περίπου
Το
1913,
στήριο του
η σειρά
5 γονιδίων πάνω στο χρωμόσωμα χ της Drosophila. Από τη
χαρτογράφηση των γονιδίων για το χρώμα των ματιών και του σώ
Drosophila, του
ποντι
δεσης είναι οι πολυμορφισμοίμεμονωμένωννουκλεοτιδίων (single
βάσεις. Οι
SNPs που
συμβάλλουν ιδιαίτερα στον σχεδια
κού και του ανθρώπου. Οι γενετικοί χάρτες μπορεί να χρησιμοποιη
1: 1000
θούν για την ανεύρεση νέων γονιδίων, τη μελέτη της εξέλιξης του
σμό και την ανάλυση χαρτών γενετικής σύνδεσης είναι εκείνοι που
ανθρώπου και ίσως, μελλοντικά, για την εξακρίβωση των αιτίων πε
βρίσκονται σε υψηλή συχνότητα στον πληθυσμό
ρίπλοκων νόσων, όπως ο καρκίνος, ο διαβήτης και οι ψυχικές νόσοι.
μων εμφανίζουν ποικιλομορφία στις συγκεκριμένες θέσεις).
Σχεδιασμός του χάρτη
να χρησιμοποιηθούν για την αναγνώριση γονιδίων τα οποία σχετί
o~ χάρπς 'fεvε:nl'ής σuvοεσης
nO\J βασ(ζoντα~
(:::: 10% των
ατό
σε SNPs μnορε(
Ένας χάρτης γενετικής σύνδεσης αποκαλύmει τη σχετική εντό
ζονται με κληρονομικά νοσήματα του ανθρώπου. Για αυτό το σκο
πιση όλων των γονιδίων πάνω σ' ένα ορισμένο χρωμόσωμα. Οι χάρ
πό, συλλέγεται ΟΝΑ από μεγάλες οικογένειες προσβεβλημένες α
τες γενετικής σύνδεσης βασίζονται στη συχνότητα συγκληρονό
πό ένα ορισμένο νόσημα. Στη συνέχεια, τα δείγματα εξετάζονται
μησης δύο γονιδίων. Τα γονίδια που βρίσκονται κοντά το ένα στο
για να καθοριστούν οι
άλλο πάνω στο ίδιο χρωμόσωμα θα μεταβιβάζονται μαζί πολύ πιο
νείς όχι όμως και οι υγιείς συγγενείς τους (Εικόνα
συχνά από τα γονίδια που απέχουν πολύ μεταξύ τους, τα οποία, ό
SNPs είναι πιθανό
πως και τα γονίδια που βρίσκονται σε διαφορετικά χρωμοσώματα,
λαξη η οποία ευθύνεται για το νόσημα.
SNPs που
συνήθως κληρονομούν οι ασθε
20-24).
Αυτοί οι
να περιβάλλουν το γονίδιο που φέρει τη μετάλ
έχουν τις ίδιες πιθανότητες να διαχωριστούν ή να μεταβιβαστούν μαζί. Από τον καθορισμό της συχνότητας με την οποία διαχωρίζο
νται δύο γονίδια μπορεί να υπολογιστεί η σχετική απόσταση μετα ξύ τους (βλ. Παράρτημα
Ανεύρεση λειτουργικών Οι
SNPs που
SNPs
εντοπίζονται στην κωδικοποιητική ή στις ρυθμιστικές
περιοχές ενός γονιδίου μπορεί να επηρεάσουν τη δραστικότητα του
20-1).
Η ανάλυση που βασίζεται στον ανασυνδυασμό χρησιμεύει περισ
γονιδίου ή της αντίστοιχης πρωτείνης.
SNPs αυτού του είδους ίσως
σότερο στον σχεδιασμό χαρτών γενετικής σύνδεσης για πειραμα
ευθύνονται για μεγάλο μέρος της φαινοτυπικής ποικιλότητας που χα
τόζωα, όπως η
ρακτηρίζει τον ανθρώπινο πληθυσμό. Πρόσφατα πραγματοποιήθηκε
Drosophi/a,
στα οποία με το πέρασμα του χρόνου έ
χουν περιγραφεί πολλά χαρακτηριστικά μεταλλαγμένα στελέχη. Εί
μια λεmομερής ανάλυση των
ναι λιγότερο αποτελεσματική για τη χαρτογράφηση γονιδίων στον
μεταξύ των ανθρώπων ως προς την απάντηση στα φάρμακα. Οι ε
SNPs για να διερευνηθούν
οι διαφορές
άνθρωπο, επειδή κατ' αυτόν τον τρόπο μπορεί να χαρτογραφηθούν
ρευνητές επικεντρώθηκαν σε μια ομάδα πρωτε'ίνών μεμβρανικής με
μόνο τα γονίδια που υπάρχουν στον πληθυσμό τουλάχιστον σε δύο
ταφοράς που παίζουν κύριο ρόλο στην ανταπόκριση στα φάρμακα:
παραλλαγές. Επιπλέον, η πραγματική συχνότητα του ανασυνδυα
αυτές οι διαμεμβρανικές πρωτείνες ελέγχουν πόσο αποτελεσματικά
σμού ανάμεσα σε ζεύγη γονιδίων είναι δύσκολο να καθοριστεί επα
προσλαμβάνονται και απομακρύνονται από τα κύτταρα διάφορες ου
κριβώς λόγω του μικρού αριθμού απογόνων σε κάθε γενιά.
σίες, συμπεριλαμβανομένων και φαρμάκων που χρησιμοποιούνται
Στον άνθρωπο, η γενετική χαρτογράφηση προωθήθηκε πολύ α πό τη συλλογή μεγάλου αριθμού ΟΝΑ δεικτών
στη θεραπεία του καρκίνου και των ψυχικών διαταραχών. Για να κα
δηλαδή μικρών
θορίσουν γιατί μερικοί άνθρωποι είναι ανθεκτικοί σε αυτά τα φάρμα
αλληλουχιών ΟΝΑ που υφίστανται τουλάχιστον σε δύο διαφορετι
κα, ενώ άλλοι είναι εξαιρετικά ευαίσθητοι, οι ερευνητές εξέτασαν ε
κές μορφές
-
-
των οποίων η εντόπιση έχει καθοριστεί με ανάλυση
της αλληλουχίας των νουκλεοτιδίων. Οι δείκτες που αποδείχθηκαν
κατοντάδες δείγματα ΟΝΑ, διαφορετικής εθνικής προέλευσης, για παραλλαγές σε μια ομάδα γονιδίων που κωδικοποιούν
24 διαφορετι-
Εικόνα
20-23. Οι πολυμορφισμοί μεμονωμένων νουκλεΟTlδίων (SNPs) είναι αλληλουχίες του γονιδιώματος που διαφέρουν κα
τά ένα νουκλεοτίδιο ανάμεσα σε διάφορες ομάδες του πληθυ
άτομο Α
άτομο Β
==-:':;:ιι;:.1:;=:=
άτομο Γ
=--1
'τομοΔ
-_--.;
α
Δ
τ
~---
t SNP1
σμού. Οι περισσότεροι
SNPs του
ανθρώπινου γονιδιώματος εντο
πίζονται σε περιοχές όπου δεν επηρεάζουν τη λειτουργία.
~
e
C.A
'f' G
t
SNP2
Τ _ ;11;---
t SNP3
ζεύγος χρωμοσωμάτων
ζεύγος χρωμοσωμάτων στην πάσχουσα μητέρα
ελαττωματικό γονίδιο που προκαλεί νόσο
στον υγιή πατέρα
""'"---
SNP μόνο σε - αυτό το χρωμόσωμα
~
~
ωάριο - - _ - - _ - - σπερματοζωάριο
+ +
+
+ +
+ +
ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ πογ ΕΓιΝΑΝ ΣΕ
7
νόσημα
SNP
ΠΑΙΔΙΑ
ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ: το γονίδιο που προκαλεί το νόσημα συγκληρονομείται με το SNP από την πάσχουσα μητέρα στο 75% των προσβεβλημένων παιδιών. Αν η ίδια συσχέτιση παρατηρηθεί και σε άλλες οικογένειες, τότε το γονίδιο μπορεί να χαρτογραφηθεί στο ίδιο χρωμόσωμα με τον SNP και μάλιστα πρέπει να βρίσκεται σχετικά κοντά του.
Εικόνα
20-24. Η γενετική
ανάλυση μπορεί ν' αποκαλύψει την εντόπιση ενός άγνωστου γονιδίου που συνδέεται μ' ένα κληρονομικό νό
σημα του ανθρώπου ή με την ευπάθεια σε κάποιο νόσημα. Στη συγκεκριμένη περίmωση εξετάζεται η συγκληρονόμηση ενός ειδικού φαι νοτύπου (εδώ ενός γενετικού νοσήματος) μ' έναν ορισμένο τον SNP, τότε το γονίδιο και ο
SNP. Αν οι προσβεβλημένοι απόγονοι έχουν σχεδόν πάντοτε κληρονομήσει και SNP είναι πιθανό να βρίσκονται πάνω στο ίδιο χρωμόσωμα σε μικρή απόσταση μεταξύ τους. Για ν' αποδειχθεί
ότι μια παρατηρούμενη σύνδεση είναι στατιστικώς σημαντική μπορεί να χρειαστεί εξέταση εκατοντάδων ανθρώπων. Η σύνδεση δεν θα εί ναι απόλυτη αν ο
SNP δεν εντοπίζεται
στο ίδιο το παθολογικό γονίδιο. Σποραδικά, ένας γειτονικός
SNP θα διαχωρίζεται
από το γονίδιο λό
γω ανασυνδυασμού, κατά τη δημιουργία του ωαρίου ή του σπερματοζωαρίου: αυτό συνέβη στο τελευταίο ζεύγος χρωμοσωμάτων (δεξιά).
κές πρωτείiιες μεμβρανικής μεταφοράς. Κατ' αυτόν τον τρόπο, ανα γνώρισαν
680 SNPs και λίγες μικρές ενθέσεις
και ελλείψεις.
Στη συνέχεια, προσπάθησαν να καθορίσουν ποιοι από αυτούς τους
SNPs επηρεάζουν
τη λειτουργικότητα των μεταφορέων
-
με
άλλα λόγια, ποιες παραλλαγές θα μπορούσε να σχετίζονται με αλ
λαγές στη δραστικότητα των πρωτε'ίνών μεταφοράς, άρα και με διαφορές στην απάντηση προς τα φάρμακα. Για το σκοπό αυτό χαρτογράφησαν τους
SNPs και
διαπίστωσαν ότι, όπως αναμενό
ταν, αυτοί οι πολυμορφισμοί είναι πολύ σπανιότεροι σε θέσεις με υψηλή φυλογενετική διατήρηση. Η χαμηλή συχνότητα
SNPs σε
αυτές τις περιοχές υποδηλώνει ότι οι αλλαγές της αντίστοιχης αλ ληλουχίας ΟΝΑ ίσως επηρεάζουν τη λειτουργία του γονιδίου και της αντίστοιχης πρωτείνης. Πράγματι, όταν ανέλυσαν τη λειτουρ
γία
14 παραλλαγών
της ίδιας μεταφορικής πρωτεΊνης βρήκαν ότι
οι πέντε παραλλαγές με ελαπωμένη ή μηδενική δραστικότητα πε ριείχαν
SNPs που οδηγούσαν
σε αντικατάσταση αμινοξέων σ' εξε
λικτικά διατηρημένες περιοχές (Εικόνα
20-25). SNPs ή προτύπων SNPs
Εικόνα
20-25.
Ορισμένοι
SNPs
αλλάζουν τη δραστικότητα
μιας πρωτε'ί'νης μεμβρανικής μεταφοράς του ανθρώπου. Οι αλλαγές αυτού του είδους πιθανόν ευθύνονται για τις διαφορές της απάντησης των ανθρώπων στα φάρμακα. Σε αυτό το σχε διάγραμμα φαίνεται η εντόπιση των αμινοξέων που επηρεάζο
νται από παραλλαγές
SNP.
Οι αντικαταστάσεις αμινοξέων που
ελαπώνουν τη δραστικότητα του μεταφορέα συμβολίζονται με με
ανοιχτό μπλε. Οι αλλαγές που αδρανοποιούν πλήρως τον μετα
διαταραχές της λειτουργίας των μεταφορέων, οι ερευνητές ελπί
φορέα συμβολίζονται με σκούρο μπλε, ενώ όσες αυξάνουν τη
Από τη συσχέτιση συγκεκριμένων
ζουν ότι θα μπορούν να προβλέπουν πώς θ' απαντά ένας άνθρω πος σε μια ορισμένη δόση φαρμάκου απλώς εξετάζοντας τους πο
λυμορφισμούς του. Οι σχετικές αναλύσεις θα συμβάλλουν στην ε ξατομίκευση της θεραπείας, βελτιώνοντας τόσο την ασφάλεια όσο και την αποτελεσματικότητά της.
δραστικότητά του με κόκκινο. Τέλος, οι αλλαγές που δεν επη ρεάζουν τη δραστικότητα συμβολίζονται με σκούρο γκρΙ. (Προ σαρμοσμένο από: γ.
100:5909-5907,2003).
Shu et al., Proc. Natl. Acad. SCi. U.S.A.
Εικόνα
20-26.
Οι μεταλλάξεις μπορεί να επη
ρεάσουν την πρωτε"ί"νη που κωδικοποιείται από ένα γονίδιο με ποικίλους τρόπους. Στο
επαύξηση φυσιολογική
απώλεια λειτουργίας
λειτουργίας
εξαρτημένη μετάλλαξη
συγκεκριμένο παράδειγμα, η φυσιολογική πρωτεΊνη έχει μια ειδική λειτουργία στο κύπα
ρο που υποδηλώνεται από τις κόκκινες ακτί νες. Εδώ παρουσιάζονται μεταλλάξεις που κα ταργούν αυτή τη λειτουργία, την επαυξάνουν
σημειακή
κολόβωμα
μετάλλαξη
ή την καθιστούν ευαίσθητη σε υψηλές θερμο κρασίες. Μια θερμοευαίσθητη μετάλλαξη είναι ένα είδος εξαρτημένης μετάλλαξης (conditional mutation): το αλληλόμορφο παράγει φυσιο λογική πρωτεΊνη υπό ορισμένες συνθήκες (ε
δώ, στους
25' C) και ανενεργό
πρωτεΊνη σε άλ
λες συνθήκες. Στη συγκεκριμένη περίmωση, η πρωτεΊνη φέρει μια υποκατάσταση αμινοξέος (κόκκινο) που εμποδίζει το σωστό δίπλωμά της
στους
37'C. Οι εξαρτημένες μεταλλάξεις είναι
ταλ/άξεις αυξημένης λεπουργίας
(gain-of-function mutations) συνήθως εί ναι επικρατείς. Για παράδεΙΥμα, όπως είδαμε στο Κεφάλαιο 16, ορισμένες μεταλλάξεις στο Υονίδιο που κωδικοποιεί την πρωτεΊνη Ras, η οποία εμπλέ κεται στην αύξηση και στον πολλαπλασιασμό των κυπάρων, δημιουΡΥούν
ιδιαίτερα χρήσιμες για τη μελέτη απαραίτητων
μια μορφή της πρωτεΤνης που είναι συνεχώς δραστική και συνεπώς επικαλύ
γονιδίων. Ο μεταλλαγμένος οργανισμός αυξά
πτει το φυσιολΟΥικό αλληλόμορφο. Η μεταλλαΥμένη
νει υπό ορισμένες συνθήκες και μετά εκτίθεται
στις μη επιτρεmικές συνθήκες ώστε να μελε
30% των
ξησης. Στον άνθρωπο περίπου
νες μεταλλάξεις και οι μεταλλάξεις απώλειας
ενεΡΥοποιητικές επικρατείς μεταλλάξεις στο Υονίδιο
νώ οι μεταλλάξεις αυξημένης λειτουργίας εί ναι κυρίως επικρατείς.
την απρό
σφορη διαίρεση των κυπάρων ακόμα και χωρίς να υπάρχει κάποιο σήμα αύ
τηθεί η λειτουργία του γονιδίου. Οι εξαρτημέ λειτουργίας συνήθως είναι υπολειπόμενες, ε
Ras διεΥείρει
περιπτώσεων καρκίνου περιέχουν
ras.
Το κλειδίΥια να καθοριστεί αν ένα αλληλόμορφο είναι επικρατές ή υπο
λειπόμενο βρίσκεται στο φαινότυπο των ετεΡΟΖυΥωτών. Στους ετεΡΟΖυΥώτες, τα δύο αλληλόμορφα
-
μεταλλαΥμένο και φυσιολΟΥικό
-
συμμετέχουν σ' έ
να είδος λειτουΡΥικού ανταΥωνισμού. Αν ο ετεΡΟΖυΥώτης μοιάΖει με τον φυ σιολΟΥικό ΟΡΥανισμό, τότε το φυσιολΟΥικό αλληλόμορφο είναι επικρατές ε νώ το μεταλλαΥμένο είναι υπολειπόμενο. Αν όμως ο ετεΡΟΖυΥώτης έχει με
ταλλαΥμένο φαινότυπο, τότε επικρατές είναι το μεταλλαΥμένο Υονίδιο και υ πολειπόμενο το φυσιολΟΥικό.
Μερικές φορές τα μεταλλαγμέvα γοvίδια προσδίδουv έvα πλεοvέκτημα επιλογής Όπως είδαμε στο Κεφάλαιο
9,
οι μεταλλάξεις είναι κινητήριος μοχλός
της εξέλιξης. Οι μεταλλάξεις μπορεί να τροποποιήσουν την ευρωστία του ορ
Υανισμού, κάνοντάς τον περισσότερο (ή λΙΥότερο) ικανό να επιβιώσει και ν' αποκτήσει αΠΟΥόνους, ενώ η φυσική επιλΟΥή καθορίΖει αν θα διατηρηθούν
αυτές οι μεταλλάξεις. Οι αλλαΥές που προσδίδουν στον ΟΡΥανισμό ένα πλε ονέκτημα επιλΟΥής συνήθως διαιωνίΖΟνται, ενώ όσες επηρεάΖουν δυσμε
νώς τον ΟΡΥανισμό συνήθως Χάνονται Συνεπώς, Υιατί άραΥε τα υπολειπόμε να Υονίδια, που προξενούν βλάβες όταν υπάρχουν σε δύο αντίΥραφα, δεν α παλείφονται από τη δεξαμενή των Υονιδίων; Η απάντηση στο παραπάνω ερώτημα είναι ότι ακόμα και οι επιβλαβείς
μεταλλάξεις μπορεί να ωφελήσουν τον ΟΡΥανισμό, επειδή κάθε Υονίδιο έχει πολλές επιπτώσεις στο φαινότυπο. Ας πάρουμε Υια παράδεΙΥμα τη δρεπανο κυπαρική αναιμία στον άνθρωπο. Αυτό το νόσημα προκαλείται από μετάλ λαξη στο Υονίδιο της β-σφαιρίνης, ενός από τα πολυπεπτίδια που συΥΚΡΟ τούντην αιμοσφαιρίνη (βλ. Εικόνα
4-23). Η αιμοσφαιρίνη
συσκευάΖεται στα
ερυθροκύπαρα, όπου η λειτουΡΥία της συνίσταται στη μεταφορά του οξυΥό-
850
Κεφάλαιο 20: Γενετική, Μείωση και η Μοριακή Βάση της Κληρονομικότητας
Παράρτημα
20-1.
Βαοικέs αρχέs
κλαοικήs γενετικήs
rns
ΓΟΝΙΔΙΑ ΚΑΙ ΦΑΙΝΟΤΥΠΟΙ Γονίδιο:
μια λειτουργική μονάδα κληρονομικότητας, η οποία συνήθως αντιστοιχεί στο τμήμα του ΟΝΑ που κωδικοποιεί μια πρωτεινη
Γονιδίωμα: το σύνολο των γονιδίων του οργανισμού γενετικός τόπος: η θέση του γονιδίου στο γονιδίωμα
,-----,(~]r_---.,----------, αλληλόμορφα: εναλλακτικές μορφές ενός γονιδίου
m
Ο
φυσιολογικός (ή «άγριου» τύπου,
μεταλλαγμένος: διαφέρει από
wiId-type): ο φυσιολογικός τύπος
τον φυσιολογικό εξαιτίας μιας γενετικής αλλαγής (μετάλλαξης)
ομοζυγώτης ΝΑ ΓΟΝΟΤΥΠΟΣ: το ειδικό σύνολο αλληλομόρφωνπου απαρτίζουν
το γονιδίωμα ενός οργανισμού
ετεροζυγώτης
ομοζυγώτης ala
a/A
(:ι:::===0::::==-:====:Ι:) (=: ==-=:=:) (ι:::==: =0::::==:::==:Ι:) :::0::: :
~
ΦΑΙΝΟΤΥΠΟΣ: τα ορατά χαρακτηριστικάενός
οργανισμού
το αλληλόμορφο Α είναι επικρατές (σε σχέση με το α), ενώ το αλληλόμορφο α είναι υπολειπόμενο (σε σχέση με το Α) Στο παραπάνω παράδειγμα, ο φαινότυπος του ετεροζυγώτη είναι πανομοιότυπος με τον φαινότυπο ενός από τους ομοζυγώτες. Αν διαφέρει και από τους δύο ομοζυγώτες, τ' αλληλόμορφα χαρακτηρίζονται ως συνεπικρατή (co-dominant)
Δγο ΓΟΝΙΔΙΑ Ή ΕΝΑ Αν δύο μεταλλάξεις προκαλούν τον ίδιο φαινότυπο, πώς μπορούμε
Στην απλούστερη μορφή δοκιμασίας συμπληρωματικότητας, ένας
ν' αποφανθούμε αν αφορούν στο ίδιο γονίδιο; Αν οι μεταλλάξεις είναι
ομοζυγώτης για τη μια μετάλλαξη ζευγαρώνει μ' έναν ομοζυγώτη για
υπολειπόμενες (όπως συμβαίνει συνήθως), η απάντηση μπορεί να
την άλλη μετάλλαξη. Ο φαινότυπος των απογόνων προσφέρει την
δοθεί με μια δοκιμασία συμπληρωματικότητας.
απάντηση στο ερώτημα
ΣΥΜΠΛΗ ΡΩΜΑτι ΚΟΤΗΤΑ:
ΑΠΟΥΣΙΑ ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑΣ:
ΜΕΤΑΛΛΑΞΕΙΣ ΣΕ ΔΥΟ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΑ ΓΟΝίΔΙΑ
ΔΥΟ ΑΝΕΞΑΡΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΛΛΑΞΕΙΣ ΤΟ ΙΔΙΟ ΓΟΝΙΔΙΟ
ομόζυγη μεταλλαγμένη μητέρα
ομόζυγη μεταλλαγμένη μητέρα
ομόζυγος μεταλλαγμένος πατέρας
@~
''';;) ~~~
~.~I
@~ LJl
C::::::U::::::D!!!LJ b
~ <J
-
αντίγραφο κάθε γονιδίου
ι==::c)
Α
Β
πατρικό χρωμόσωμα
Ι
Ο
~
W)I a
b
διπλοειδες βλαστικό κύπαρο
γονότυπος ΑΒ ab
:::l
διαθέτουν ένα φυσιολογικό
γονότυπος
•
~ !J
φυσιολογικό φαινότυπο επειδή
μητρικό χρωμόσωμα
(1
a1
~ ~
οι υβριδικοίαπόγονοι έχουν
ΓΕΝΕΤΙΚΟΙ ΧΑΡΤΕΣ
Ι
Ι
•
----
~~~ .) Λ
ομόζυγος μεταλλαγμένος πατέρας
οι υβριδικοίαπόγονοιέχουν μεταλλαγμένοφαινότυπο
επειδή δεν διαθέτουν φυσιολογικά αντίγραφα του μεταλλαγμένου γονιδίου
Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση
Ab
ανάμεσα σε δύο γενετικούς τόπους
-
πάνω σ' ένα χρωμόσωμα, τόσο μεγα
Α
λύτερη είναι και η πιθανότητα ότι θα διαχωριστούν από έναν επιχιασμό σε
ΜΕΙΩΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΣΥΝΔVΑΣΜΟΣ
θέση επιχιασμού
μια θέση μεταξύ τους. Αν δύο γονίδια ανακατανεμηθούν με αυτό τον τρόπο
γονότυπος aB
σε ποσοστό χ% των γαμετών, τότε
λέγεται ότι απέχουν μεταξύ τους κατά
a
μια απόσταση χ μονάδων του γενετικού χάρτη (χ
centimorgans)
απλοειδείς γαμέτες (ωόρια ή σπερματοζωόρια)
Ο Mendel και οι νόμοι της κληρονομικότητας
851
νου από τους πνεύμονες προς τα κύπαρα και τους ιmούς σε όλο το σώμα. Η δρεπανοκυπαρική μετάλλαξη οδηγεί σε παραγωγή ενός ανώμαλου πολυπε
πτιδίου που κάνει τα ερυθροκύπαρα να υιοθετήσουν σχήμα δρεπανιού (βλ Εικόνα
6-19) . Τα
κακοσχηματισμένα κύπαρα αποφράσσουν τα μικρά αιμο
φόρα αΥΥεία και έτσι ελαπώνουν την παΡΟΧή του οξυγόνου σε διάφορους ι mούς προκαλώντας ποικίλα συμπτώματα
-
μεταξύ άλλων, πόνο, κόπωση,
μυϊκούς σπασμούς, δύσπνοια ή ακόμα και καρδιακή ανεπάρκεια. Επίσης, τα
ελαπωματικά κύπαρα είναι πολύ εύθραυmα και σπάΖουν εύκολα. Τα κατε mραμμένα και κατακερματισμένα ερυθροκύπαρα καταβροΧθίΖονται από φαγοκυπαρικά λευκοκύπαρα, με συνέπεια να ελαπώνεται ο αριθμός των ε ρυθροκυπάρων και να προκαλείται αναιμία. Ωmόσο, το χαρακτηριmικό της δρεπάνωσης έχει και οφέλη. Οι ετερΟΖυ
γώτες και οι ομΟΖυγώτες για τη δρεπανοκυπαρική μετάλλαξη εμφανίζουν α ντΟΧή
mnv ελονοσία.
Αυτό οφείλεται
(πλασμώδιο) αδυνατεί ν'
mo γεγονός ότι το υπεύθυνο μικρόβιο αναπαραΧθεί ma δρεπανοκύπαρα,τα οποία κατα
κερματίζονται προτού το παράσιτο κατορθώσεινα πολλαπλασιαmεί.Η αντο Χή
mnv ελονοσία
είναι πολύ σημαντική ιδίως για πληθυσμούς που Ζουν
mnv
Αφρική, όπου η νόσος ενδημεί και όπου, μάλλον, πρωτοεμφανίmηκε το υ
πολειπόμενο γονίδιο.
Η γενετική ωs πειραματικό εργαλείο Η γνώση ότι τα χρωμοσώματα είναι οι κυπαρικές δομές που ευθύνονται
για τη μεταφορά των γονιδίων από γενιά σε γενιά δεν αποσαφήνισε απλώς τη βάση της κληρονομικότητας αλλά επίσης ένωσε τη γενετική με άλλους ε
πιmημονικούς τομείς, τη βιολογία του κυπάρου, τη βιοχημεία, τη φυσιολογία
και την ιατρική. Γνωρίζοντας ότι τα γονίδια είναι οι μονάδες της κληρονομι κότητας και ότι αποτελούνται από ΟΝΑ μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τη
γενετική σαν εργαλείο για νέες ανακαλύψεις. Η εξέταση και ο πειραματι σμός με το ΟΝΑ προσφέρει πληροφορίες για τη συνεργασία των γονιδίων ώmε να δημιουργηθεί ο φαινότυπος, όπως επίσης και για τη σχέση μεταξύ
των διαφορών
ma γονίδια με τις διαφορές του φαινοτύπου μεταξύ των αν
θρώπων. Απώτερη επιδίωξη είναι να χρησιμοποιήσουμετις γνώσεις της γε νετικής για την επακριβή διάγνωση και θεραπεία των νοσημάτωντου αν
θρώπου και για την ανακάλυψητης ταυτότητάς μας, ως άτομα και ως είδος. Στις παραγράφουςπου ακολουθούν, θα παρουσιάσουμεσυνοπτικά την κλασική γενετική προσέΥΥισηγια την αναγνώρισηγονιδίων και τον καθορι σμό των επιmώσεώντους mov φαινότυπο. Η σχετική διεργασία περιλαμβά νει τη σκόπιμη δημιουργία πολλών μεταλλαγμένων πειραματικών οργανι σμών, τη χρησιμοποίηση γεvεπκnς δΙ0l\ογnς για την απομόνωση των σπά
νιων μεταλλαγμένων οργανισμών με ενδιαφέροντα φαινότυπο και τέλος την αναγνώριση του γονιδίου (ή των γονιδίων) που ευθύνεται για το παρατηρού μενο χαρακτηριmικό mους επιλεγμένους, μεταλλαγμένους οργανισμούς. Επίσης, θ' αναφέρουμε πώς μπορούμε να εξετάσουμε ανθρώπινο ΟΝΑ από πληθυσμούς απ' όλη τη Γη για ν' αποκτήσουμε ενδείξεις σχετικά με τη γενε-
852
Κεφάλαιο 20: Γενετική, Μείωση και η Μοριακή Βάση της Κληρονομικότητας
τική περίπλοκων χαρακτηριστικών και νοσημάτων όπως επίσης και ενδείξεις
για την εξέλιξη του ανθρώπου. Τέλος, θα σχολιάσουμε τη συνεισφορά των γονιδίων στη διαμόρφωση του πεπρωμένου μας.
Η κλασική προσέγγιση αΡΧίΖει με τυχαία μεταλλαξιγένεση Πριν από την εποχή της τεχνολογίας του ανασυνδυασμένου
Κεφάλαιο
10), τα περισσότερα
DNA
(βλ.
γονίδια αναΥνωρίΖονταν παρατηρώντας ποιες
διεργασίες παραβλάπτονταν όταν μεταλλάσσεται ένα γονίδιο. Η σχετική διεργασία αρχίΖει με την απομόνωση μεταλλαγμένων οργανισμών με ενδια φέρουσα ή ασυνήθιστη εμφάνιση, λ.Χ. φρουτόμυγες με άσπρα μάτια ή κα
τσαρά φτερά. Στη συνέχεια, ξεκινώντας από τον φαινότυπο προχωρούμε προς τον γονότυπο, τη μορφή του γονιδίου που ευθύνεται για το συγκεκρι μένο χαρακτηριστικό. Η κλασική γενετική προσέγγιση
-
απομόνωση των
γονιδίων που ευθύνονται για τον μεταλ/αγμένο φαινότυπο
-
εφαρμόΖεται
ευκολότερα σε οργανισμούς που αναπαράγονται γρήγορα και προσφέρο νται σε γενετικές παρεμβάσεις, όπως τα βακτήρια, οι Ζυμομύκητες, τα σκου λήκια και οι φρουτόμυγες.
Σποραδικά, αυθόρμητες μεταλλάξεις μπορεί να βρεθούν από την εξέτα ση εξαιρετικά μεγάλων πληθυσμών (Χιλιάδες ή δεκάδες χιλιάδες ξεχωριστοί
οργανισμοΌ. Ωστόσο, η διεργασία της αναΥνώρισης μεταλλαγμένων οργα νισμών γίνεται πολύ πιο αποτελεσματική από τη δημιουργία μεταλλάξεων με ουσίες που προκαλούν βλάβες στο
DNA
(μεταλ/αξιγόνα). Διαφορετικά με
ταλ/αξιγόνα προκαλούν διαφορετικά είδη μεταλλάξεων (Εικόνα
20-27). Με
την εφαρμογή μεταλ/αξιγόνων γρήγορα μπορεί να προκύψουν πολ/οί με
ταλ/αγμένοι οργανισμοί, οι οποίοι στη συνέχεια υποβάλ/ονται σε διαλογή για μια ορισμένη διαταραΧή.
Η μεταλ/αξιγένεση προσφέρεται για την ανάλυση των βιολογικών διερ γασιών στις μύγες και στα σκουλήκια, αλλά προφανώς είναι ακατάλ/ηλη για
τη μελέτη του ανθρώπου. Ο άνθρωπος δεν αναπαράγεται γρήγορα ούτε και επιτρέπεται να εκτεθεί σκόπιμα σε μεταλ/αξιγόνα. Επίσης, κάθε άνθρωπος με σοβαρή διαταραχή σε μια βασική διεργασία, όπως η αντιγραφή του
DNA,
πεθαίνει σε σύντομο χρόνο από τη γέwηση. Στο ερώτημα πώς μπορούμε να μελετήσουμε τα γονίδια του ανθρώπου δί
νονται δύο απαντήσεις. Πρώτον, επειδή τα γονίδια και η λειτουργία τους έ χουν διατηρηθεί κατά την εξέλιξη, η μελέτη λιγότερο περίπλοκων, πρότυπων οργανισμών αποδείχθηκε ότι αποκαλύmει σημαντικές πληροφορίες για πα-
---ΜTCCCnAG---
αλληλουχίαφυσιολογικούγονιδίου
---MTGCCnAG-
---MTGACCnAG---
--ΕΚ-Θ-ΕΣ-Η-Σ-Ε-++----MTfCnAG--ΠΑΡΑΓΟΝΤΑ πογ Βλ/ΠΤΕΙ ΤΟ DΝΑ (ΜΕΤΑΛΜΞΙΓΟΝΟ)
αVΤΙKαTάσταση νουκλεοτιδίου προσθήκη νουκλεοτιδίου απαλοιφή νουκλεοτιδίου
---MTGTGCCnAG---
προσθήκη πολλών νουκλεοτιδίων
---MCCnAG---
απαλοιφή πολλών νουκλεοτιδίων
ί
Εικόνα
20-27.
Μεταλλάξεις προκαλούνται α
πό ποικίλες τροποποιήσεις του
DNA.
Εδώ
παρoυσιάζovται μερικές κοινές κατηγορίες τροποποιήσεων. Τα διαφορετικά μεταλλαξιγό να συνήθως προκαλούν διαφορετικού είδους αλλαγές.
Η γενετική ως πειραματικόεργαλείο
853
ρόμοια γονίδια και διεργασίες στον άνθρωπο. Σιπ συνέχεια, τ' αντίστοιχα αν
θρώπινα γονίδια μπορεί να μελειπθούν περαιτέρω σε καλ/ιέργεlες ανθρώπι νων κυπόρων. Δεύτερον, πολ/ές μεταλ/άξεις οι οποίες δεν είναι αναγκαστι κά θαναιπφόρες, όπως η δρεπανοκυπαρική μετάλλαξη, εμφανίστηκαν αυ θόρμητα στον πληθυσμό. Η ανάλυση του φαινοτύπου των προσβεβλημένων
ανθρώπων σε συνδυασμό με τη μελέτη καλλιεργούμενων κυπάρων τους προσέφεραν πολ/ές και σημαντικές ενδείξεις για τη λειτουργία των ανθρώπι νων γονιδίων. Παρότι οι μεταλ/άξεις αυτού του είδους είναι σπάνιες, ανακα λύπτονται πολύ αποτελεσματικά, επειδή οι μεταλ/αγμένοl άνθρωποι προκα λούν το ενδιαφέρον αναΖητώντας εξειδικευμένη ιατρική φροντίδα.
Οι δοκιμασίες γενετικής διαλογής αναγνωρίΖουν μεταλλαγμένους οργανισμούς με ανεπάρκεια σε
κυπαρlκές διεργασίες Μόλις παραΧθεί μια συλ/ογή μεταλλαγμένων ατόμων σ' έναν πρότυπο οργανισμό, όπως ένα βακτήριο, ένας Ζυμομύκητας ή μια φρουτόμυγα, πρέ
πει να εξεταστούν πολ/ές Χιλιάδες άτομα ώστε να βρεθεί ο τροποποιημένος φαινότυπος που εξετάΖεταΙ. Αυτή η αναΖήτηση αποκαλείται γενετική διαλογή
(genetic screen).
Η πρόκληση μιας μετάλλαξης σ' ένα ορισμένο γονίδιο ε
ξαρτάται από την πιθανότητα ν' αδρανοποιηθεί ή να τροποποιηθεί το γονίδιο
κατά ιπν τυχαία μεταλ/αξlγένεση: όσο μεγαλύτερο είναι το γονιδίωμα, τόσο μικρότερη είναι η πιθανότητα να μεταλ/αΧθεί ένα οποιοδήποτε γονίδιο. Συ
νεπώς, όσο πιο περίπλοκος είναι ο οργανισμός, τόσο περισσότεροι είναι οι μεταλ/αγμένοl οργανισμοί που πρέπει να εξεταστούν ώστε να μην παραλει
φθούν γονίδια. Ο φαινότυπος που εξετάΖεται μπορεί να είναι απλός ή περίπλοκος. Οι α
πλοί φαινότυποι ανιχνεύονται ευκολότερα: ένα σχετικό παράδειγμα είναι μια μεταβολική ανεπάρκεια, κατά την οποία ο οργανισμός αδυνατεί ν' αναπτυ Χθεί χωρίς μια ορισμένη θρεπτική ουσία ή ένα συγκεκριμένο αμινοξύ.
Οι βλάβες στα γονίδια που εμπλέκονται σε θεμελιώδεις λειτουργίες του κυπάρου, όπως η σύνθεση και επεξεργασία του
RNA ή ο έλεγχος του
κυπα
ρικού κύκλου, συνήθως είναι θανατηφόροι Για το λόγο αυτό, η λειτουργία τέτοιων κρίσιμων γονιδίων συχνά μελετάται σε θερμοευαίσθητα μεταλ/αγ μένα στελέχη. Σε αυτούς τους μεταλ/αγμένους οργανισμούς, η πρωτεΊνη
που κωδικοποιείται από το γονίδιο είναι ελαπωματική υπό όρους: λειτουργεί κανονικά σε συνήθη θερμοκρασία, αλ/ά αδρανοποιείται με μικρή αύξηση ή ελάπωση της θερμοκρασίας (βλ. Εικόνα
20-26).
Συνεπώς, η ανωμαλία μπο
ρεί να ενεργοποιηθεί ή ν' απενεργοποιηθεί πειραματικά απλώς μεταβάλ/ο
ντας ΙΠ θερμοκρασία. Ένα κύπαρο που περιέχει μια θερμοευαίσθητη μετάλ λαξη σ' ένα γονίδιο απαραίτητο για την επιβίωση σε μια μη επιτρεπτική θερ μοκρασία διατηρείται Ζωντανό στην κανονική ή επιτρεπτική θερμοκρασία
(Εικόνα
20-28).
Πολ/ά θερμοευαίσθητα στελέχη απομονώθηκαν για ν' αναγνωριστούν τα γονίδια που κωδικοποιούν τις βακτηριακές πρωτε'ί'νες οι οποίες είναι απ α ραίιπτες για την αντιγραφή του ΟΝΑ. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, μεγάλοι
854
Κεφάλαιο 20: Γενετική, Μείωση και η Μοριακή Βάση της Κληρονομικότητας
Εικόνα 20-28. Οι θερμοευαίσθητοl μεταλλαγ μένοι οργανισμοί είναι πολύτιμοι για την α· μεταλλαγμένοκύτταρο
που διαιρείται σrην επιτρεmική θερμοκρασία αλλά αδυνατεί να διαιρεθεί στην απαγορευτικήθερμοκρασία
τα μεταλλαγμένα κύτταρα <J)(Tlματίζουν αποικίες στους 23'C
ναγνώριση των γονιδίων και των πρωτεϊνών που εμπλέκονται σε απαραίτητες κυπαρlκές διεργασίες, Εδώ κύπαρα ζυμομυκήτων εκτέ θηκαν σε μια χημική ουσία που προκαλεί με ταλλάξεις στο ΟΝΑ τους. Τα κύπαρα αυτά ε πιστρώνονται πάνω σ' ένα τρυβλίο και αφήνο
36'C
νται ν' αυξηθούν στην επιτρεmική θερμοκρα σία, στην οποία τα κύπαρα διαιρούνται κανο νικά. Στη συνέχεια, οι αποικίες μεταφέρονται σε δύο ταυτόσημα τρυβλία
πληθυσμοί βακτηρίων εκτεθειμένων σε μεταλ/αξιγόνα υποβλήθηκαν σε δια
Petri
με μια τεχνική
που ονομάζεται επίστρωση αντιγράφων
ca plating).
(repli-
Η μια από αυτές τις πλάκες επωά
λογή για κύπαρα που παύουν να συνθέτουν ΟΝΑ αν η θερμοκρασία του πε
ζεται στη χαμηλότερη, «επιτρεmική» θερμο
ριβάλ/οντος αυξηθεί από τους
κρασία, ενώ η άλλη σε υψηλότερη θερμοκρα
30 σroυς 42°C.
Θερμοευαίσθητα μεταλ/αγ
μένα βακτήρια έχουν επίσης χρησιμοποιηθεί για ν' αναyνωρισroύν πολ/ές
σία. Τα κύπαρα που περιέχουν μια θερμοευαί σθητη μετάλλαξη σ' ένα γονίδιο απαραίτητο
από τις πρωτεΊνες που εμπλέκονται σrη ρύθμιση του κυπαρικού κύκλου (βλ.
για τον πολλαπλασιασμό αναγνωρίζονται εύ
Κεφάλαιο
κολα επειδή διαιρούνται στην επιτρεmική θερ
18)
ή για να μελετηθεί η μετακίνηση των πρωτεϊνών κατά μήκος
της εκκριτικής οδού σroυς Ζυμομύκητες (βλ. Κεφάλαιο
15).
μοκρασία, αλλά αδυνατούν να διαιρεθούν στην υψηλότερη, απαγορευτική θερμοκρασία.
Περίπλοκοι φαινότυποι, όπως οι αλλαγές σrη μάθηση και σrη συμπερι
φορά, μπορεί επίσης να μελετηθούν με δοκιμασίες γενετικής διαλογής σε
πρότυπους οργανισμούς. Για παράδειγμα, οι ερευνητές απομόνωσαν ένα γονίδιο που επηρεάΖει την κοινωνική συμπεριφορά σrα σκουλήκια εφαρμό
Ζοντας δοκιμασίες διαλογής για σκουλήκια που τρέφονται μόνα τους (Εικό να
20-29).
Οι δοκιμασίες συμπληρωμαIlκόιηιος αποκαλύmουν αν δύο μειολλάξεις βρίσκονται σro ίδιο γονίδιο Μια γενετική διαλογή ευρείας κλίμακας μπορεί ν' αποκαλύψει πολ/ές διαφορετικές μεταλλάξεις με τον ίδιο φαινότυπο. Αυτές οι βλάβες θα μπο ρούσε να βρίσκονται σε διαφορετικά γονίδια που λειτουργούν σrην ίδια
διεργασία ή ν' αντιπροσωπεύουν διαφορετικές μεταλ/άξεις σro ίδιο γονίδιο. Πώς μπορεί να διακριθούν τα δύο ενδεΧόμενα; Αν οι μεταλ/άξεις είναι υπο λειπόμενες
-
για παράδειγμα, αν οδηγούν σε απώλεια λειτουργίας ενός ορι
σμένου γονιδίου - μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια δοκιμασία συμπληρωματι-
Εικόνα
20-29,
Δοκιμασίες γενετικής διαλο
γής μπορεί να χρησιμοποιηθούν για ν' ανα γνωριστούν μεταλλάξεις που επηρεάζουν τη συμπεριφορά ενός ζώου, (Α) Τα φυσιολογικά σκουλήκια
C. e/egans
συμμετέχουν σε ομαδι
κή σίτιση. Τα σκουλήκια περιδιαβαίνουν έως ό
του συναντήσουν τους γείτονές τους οπότε αρχίζουν να τρέφονται. (Β) Τα μεταλλαγμένα σκουλήκια τρέφονται μοναχικά. (Με την άδεια της
Cornelia Bargmann, Cell 1998. © Elsevier Science).
94:εξώφυλλο,
Η γενετική ως πειραματικό εργαλείο
855
κότητας για να καθοριστεί αν οι μεταλλάξεις εvτoπίzovτaι στο ίδιο ή σε δια φορετικά γονίδια. Στην απλούστερη μορφή δοκιμασίας συμπληρωματικότητας, ένα άτομο
ομόΖυγο για τη μια μετάλλαξη Ζευγαρώνει μ' ένα άτομο ομόΖυγο για την άλ
λη μετάλλαξη. Αν οι δύο μεταλλάξεις αφορούν στο ίδιο γονίδιο, οι απόγονοι θα εκδηλώνουν τον μεταλ/αγμένο φaινότυπo επειδή θα φέρουν μόνο ελατ τωματιKά αvτίγραφα του υπό εξέταση γονιδίου (βλ. Παράρτημα
20-1). Αν ό
μως οι μεταλλάξεις αφορούν σε διαφορετικά γονίδια, οι απόγονοι θα έχουν ένα φυσιολογικό (Kaι ένα μεταλ/αγμένο) αντίγραφο κάθε γονιδίου. Συνε
πώς, οι μεταλλάξεις αλ/ηλoσυμπληρώνovτaι Kaι αποκαθιστούν τον φυσιο λογικό φaινότυπo. Δοκιμασίες συμπληρωματικότητας σε μεταλλαγμένα στε λέχη που απομονώθηκαν με γενετική διαλογή αποκάλυψαν ότι απaιτoύvτaι
5 γονίδια για την
πέψη της γαλακτόΖης στον Ζυμομύκητα,
δημιουργία ενός λειτουργικού μαστιγίου στο Ε.
coli,
20 γονίδια
για τη
ενώ εKατovτάδες γονί
δια εμπλέKovται στην ανάπτυξη ενός ενήλικου σκουληκιού από ένα γονιμο ποιημένο ωάριο.
Τα γονίδια του ανθρώπου μειοβιβάΖΟνΙΟ1 σε απλοτύπους: αυτό συμβάλλει στην αναΖήτηση μειολλάξεων
που προκαλούν νοσήμαιο Απώτερη επιδίωξή μας είνaι να εξετάσουμε άμεσα πώς τα γονίδιά μας ε πηρεάΖουν τον φaινότυπo, με την ελπίδα ότι έτσι ίσως κατανοήσουμε καλύ τερα τη βιολογία του ανθρώπου. Με τον πρόσφατο καθορισμό της πλήρους αλ/ηλουχίας του ανθρώπινου γονιδιώματος, η μελέτη της γενετικής του αν θρώπου απέκτησε νέες δυνατότητες, οι οποίες ήταν αδιανόητες λίγα χρόνια πριν. Με αφετηρία την αλ/ηλουχία του ανθρώπινου γονιδιώματος, μπορού
με ν' αναΖητήσουμε τις διαφορές που διακρίνουν τον έναν άνθρωπο από τον άλ/ο. Όλοι οι άνθρωποι (μ' εξαίρεση τους μονΟΖυγωτικούς διδύμους) έχουν διαφορετικό γονιδίωμα. Κάθε άνθρωπος φέρει στο γονιδίωμά του μια ομά
δα πολυμορφισμών
-
αλλαγών στην αλ/ηλουχία των νουκλεοτιδίων
-
που
τον καθιστούν μοναδικό. Αυτοί οι πολυμορφισμοί μπορεί να χρησιμοποιη
θούν ως δείκτες για να σχεδιαστούν γενετικοί χάρτες ή για να διενεργηθούν γενετικές αναλύσεις που καθορίΖουν πώς συνδέovτaι συγκεκριμένοι πολυ μορφισμοί με ειδικά νοσήματα ή προδιάθεση σε νοσήματα. Τ ο πρόβλημα είναι ότι δύο οποιοιδήποτε άνθρωποι τυπικά διαφέρουν περίπου κατά
0.1 % ως προς την αλ/ηλουχία των νουκλεοτιδίων τους (περί που μια διαφορά ανά 1000 νουκλεοτίδια). Αυτό μεταφράzετaι περίπου σε 3 εκατομμύρια διαφορές από άνθρωπο σε άνθρωπο. Θεωρητικά, θα ήταν α παραίτητο να εξεταστούν όλοι αυτοί οι πολυμορφισμοί ώστε ν' αναγνωρι στούν οι λίγες (μια ή δύο) αλλαγές που ευθύνovτaι για ένα ορισμένο κληρο νομικό νόσημα ή για την ευπάθεια σε κάποιο νόσημα. Για να ελαπωθεί ο α
ριθμός των πολυμορφισμών που πρέπει να εξεταστούν, οι ερευνητές αξιο ποιούν την πρόσφατη ανακάλυψη ότι τα ανθρώπινα γονίδια συνήθως μετα
βιβάzovτaι κατά ομάδες
856
(bIocks).
Κεφάλαιο 20: Γενετική, Μείωση κω η Μοριακή Βάση της Κληρονομικότητας
Το ανθρώπινο είδος είναι σχετικά πρόσφαω. Η επικρατούσα άποψη είναι ότι προήλθαμε από έναν σχετικά μικρό πληθυσμό σων Αφρική, περίπου πριν από
10,000 χρόνια.
Επειδή μόνο λίγες εκατοντάδες γενιές μάς χωρίΖουν από
αυτόν τον αρχέγονο πληθυσμό, μεγάλα τμήματα των ανθρώπινων χρωμοσω μάτων έχουν μεταβιβαστεί άθικτα από τους γονείς στα παιδιά και από τους α
νασυνδυασμούς που συμβαίνουν κατά τη μείωση. Πράγματι, μερικές ομάδες αλ/ηλομόρφων
- και DNA δεικτών όπως οι πολυμορφισμοί μεμονωμένων νουκλεοτιδίων (SNPs, βλ. Κεφάλαιο 9) - μεταβιβάΖονται κατά μεγάλες, συν δεδεμένες ομάδες. Αυτά τα αρχέγονα χρωμοσωμικά τμήματα - ομάδες αλ/η λομόρφων και δεικτών που μεταβιβάΖΟνται κατά αθροίσματα με περιορισμέ
νες γενετικές αναδιατάξεις από γενιά σε γενιά
-
ονομάΖΟνται απλότυποl. Ό
πως τα γονίδια και οι γενετικοί δείκτες έχουν διαφορετικά αλ/ηλόμορφα, έτσι
και οι απλόΤUΠOΙ έχουν (λίγες) παραλλαγές που επικρατούν στον πληθυσμό: κάθε παραλλαγή αντιπροσωπεύει έναν συνδυασμό αλ/ηλομόρφων που με ταβιβάστηκαν από έναν κοινό πρόγονο στο μακρινό παρελθόν. Σήμερα, με την ανακάλυψη των απλοτύπων, οι ερευνητές σχεδιάζουν έναν διαφορετικό χάρτη του ανθρώπινου γονιδιώματος, ο οποίος βασίζεται στους α
πλοτύπους που βρίσκονται σε διαφορετικούς πληθυσμούς (πρώτα από την Αφρική, την Ασία και την Ευρώπη). Οι γενετιστές ελπίζουν ότι ο χάρτης των α
πλοτύπων του ανθρώπου θα διευκολύνει την ανεύρεση των γονιδίων που ευ θύνονται, λ.Χ., για την ευπάθεια ενός ανθρώπου σ' ένα ορισμένο νόσημα. Αντί να εξετάζονται όλα τα εκατομμύρια
SNP στον
ανθρώπινο πληθυσμό, θ' αρκεί
να εξετάΖεται μια πολύ μικρότερη ομάδα επιλεγμένων
SNP ώστε ν'
αναΥνωρι
στεί ο απλότυπος που φαίνεται ότι κληρονομείται από τους ανθρώπους με το νόσημα. Στη συνέχεια, για τη διαλογή των κατάλληλων πληθυσμών μπορεί να
χρησιμοποιηθούν αυτοματοποιημένες τεχνικές αναΥνώρισης
SNP.
Αν ένας ορισμένος απλότuπoς είναι πιο συχνός στους ασθενείς που πά σχουν από ένα ορισμένο νόσημα παρά στους υγιείς, η μετάλλαξη που συν δέεται με το συγκεκριμένο νόσημα πιθανόν θα εντοπίΖεται πάνω στο ίδιο τμήμα
DNA
(Εικόνα
20-30).
Συνεπώς, οι ερευνητές μπορεί να εστιαστούν
στη συγκεκριμένη περιοχή του γονιδιώματος για ν' αναΖητήσουν ένα ή πε
ρισσότερα γονίδια ή γενετικές παραλλαγές που σχετίΖονται με το νόσημα. Θεωρητικά, με αυτή την προσέΥΥιση ακόμα και η ευπάθεια σε κάποιο νόση
μα που προκαλείται από έναν συνδυασμό γονιδίων θα μπορούσε ν' αναχθεί στην υπεύθυνη ομάδα αλ/ηλουχιών
DNA.
Η λεπτομερής εξέταση των απλοτύπων μπορεί ν' αποκαλύψει ακόμα και αν ένα ορισμένο αλ/ηλόμορφο έχει ευνοηθεί από τη φυσική επιλογή. Γενι κά, όταν σ' ένα γονίδιο εμφανιστεί μια παραλ/αγή ουδέτερη από εξελικτική άποψη, χρειάΖεται αρκετός χρόνος προτού το συγκεκριμένο αλ/ηλόμορφο γίνει συχνό στον πληθυσμό. Όσο πιο συχνό
-
άρα και πιο παλιό
-
είναι ένα
τέτοιο αλ/ηλόμορφο, τόσο μικρότερος πρέπει να είναι και ο απλόΤUΠOς στον οποίο ανήκει, επειδή στο χρόνο που μεσολάβησε το αλ/ηλόμορφο είχε πολ
λές πιθανότητες να διαχωριστεί από τις γειτονικές παραλλαγές με τον ανα συνδυασμό που συμβαίνει κατά τη μείωση. Ένα νέο αλ/ηλόμορφο μπορεί να γίνει συχνό αρκετά γρήγορα αν προσ-
Η γενετική ως πειραματικό εργαλείο
857
, - - - 1/15,000 του ανθρώπινου γονιδιώματος (200,000 ζεύγη νουκλεοτιδίων) - - - - - - , Γ γονίδιο
ι- γονίδιο 2 ----,
1---,
ΜΙΑ ΜΕΤΑΛΜΞΗ ΠΟ ΓΟΝΙΔΙΟ
ι
Ι
1
j
(κόκκινο) που διακρίνουν αυιτόν τον άνθρωπο απ' όλους τους άλλους ανθρώπους
ΠΡΟΚΜΕΙ ΕΝΑ ΝΕΟ ΓΕΝΕΤιΚΟ ΝΟΣΗΜΑ
200 SNPs
~
~~I~~~~I~~Ι~~'~'~~IIIIΙIIIIIl~~I:~~~'IIIIIII~IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIίIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII11111111:: ΓΕΝΕΤιΚΟ ΝΟΣΗΜΑ
-30 συνεχή SNPs
•
εξακολουθούν να είναι ίδια όπως και
Ι ΕΠΙΧΙΑΣΜΟΙ XPΩMOΣΩM~TΩN ΜΕΤΑ ΑΠΟ
,400 ΓΕΝΕΕΣ (- 10,000 χΡονια) •
στον πρόγονο Ι
1111 Ι
J
I1
1111111
αυτοί οι
Η
Ι
Ι Ι
1111
\
!ιIΙΙ
Ι
Ι
• Ι
11
Ι
Ι
111
Ι
1111 1I
111
Ι J Ι
Ι
Ι
Ι
απλότυπος
ΣγΓΧΡΟΝΟΣ ΑΠΟΓΟΝΟΣ ΜΕ
ΓΕΝΕΤιΚΟ ΝΟΣΗΜΑ
SNPs (μπλε) διαφέρουν: προέρχονται από χρωμοσώματα των συντρόφων
ΣγΜΠΕΡΑΣΜΑ: ΜΙΑ ΜΕΤΑΛΜΞΗ ΠΟ ΓΟΝΙΔΙΟ
Εικόνα
20-30. Η
μελέτη της κληρονομικής μεταβίβασης των
SNPs στους
1 ΠΡΟΚΜΕΙ
ΤΟ ΝΟΣΗΜΑ
απλοτύπους μπορεί ν' αποκαλύψει την εντόπιση ενός γονιδί
ου που προκαλεί ένα νόσημα. Ένας πρόγονος που αποκτά μια νοσογόνο μετάλλαξη στο γονίδιο 1 θα τη μεταβιβάσει στους απογόνους του (της). Ένα μέρος αυτού του γονιδίου εντοπίζεται μέσα σ' έναν απλότυπο (κόκκινο), ένα άθροισμα παραλλαγών που μεταβιβάζονται ως ομά δα από τον πρόγονο. Στις
400 γενιές που
μεσολάβησαν από τον πρόγονο έως τους σύγχρονους απογόνους με το νόσημα, οι
ντοπίζονται στο μεγαλύτερο μέρος της αρχέγονης περιοχής των νιδίωμα των απογόνων (μπλε). Ωστόσο, οι
200,000 bp έχουν μετακινηθεί
30 SNPs μέσα στον απλότυπο
SNPs που ε
από διαδοχικούς ανασυνδυασμούς στο γο
(κόκκινο) έχουν μεταβιβαστεί ως ομάδα, επειδή ακόμα δεν διαχω
ρίστηκαν από επιχιασμούς. Για να εντοπιστεί ένα γονίδιο που προκαλεί το κληρονομικό νόσημα, οι ερευνητές εξετάζουν τα πρότυπα των
SNPs σε αρκετούς
ασθενείς. Ένας ασθενής θα διατηρεί το αρχέγονο πρότυπο των
SNPs που
εντοπίζονται μέσα στον απλότυπο της εικό
νας: αυτό αποκαλύπτει ότι η υπεύθυνη μετάλλαξη μάλλον εντοπίζεται σε αυτόν τον απλότυπο, άρα στο γονίδιο γκειται στο γεγονός ότι αρκεί να ελεγχθεί μόνο ένα κλάσμα του συνόλου των 10% των 3 εκατομμυρίων χρήσιμων SNPs του ανθρώπινου γονιδιώματος.
SNPs: γονίδια
1. Η γοητεία της μεθόδου
έ
μπορεί να εντοπιστούν με αναζήτηση μόλις στο
δίδει ένα σημαντικό πλεονέκτημα σων οργανισμό. Για παράδειγμα, οι με ταλ/άξεις ή οι παραλλαγές που προσδίδουν αντοχή σε μια λοίμωξη θα μπο ρούσε να επιλεγούν επειδή οι αντίσωιχοι οργανισμοί θα είχαν περισσότερες πιθανότητες να επιβιώσουν και να μεταβιβάσουν τη μετάλλαξη στους απογό νους τους. Από τη μελέτη των απλοτύπων για συγκεκριμένα γονίδια διαπι
στώθηκε θετική επιλογή για δύο γονίδια του ανθρώπου που προσδίδουν α ντοχή στην ελονοσία (διαφορετικά από το γονίδιο της β-σφαιρίνης). Τα αλ
ληλόμορφα που προσδίδουν αντοχή είναι διαδεδομένα στον πληθυσμό αλ λά βρίσκονται μέσα σε ασυνήθιστα μεγάλους απλοτύπους, ένδειξη ότι ανα δείχθηκαν πρόσφατα στη δεξαμενή των γονιδίων (Εικόνα
20-31).
Αποκαλύπτοντας τα μονοπάτια της εξέλιξης του ανθρώπου, ο χάρτης των
ανθρώπινων απλοτύπων ανοίγει ένα νέο παράθυρο στο παρελθόν μας. Επί σης, καθώς μας βοηθά ν' ανακαλύψουμε τα γονίδια που μας κάνουν ευπα θείς ή ανθεκτικούς σε διάφορα νοσήματα ίσως επίσης αποτελέσει έναν γενι κό οδηγό για το μέλ/ον μας.
Τα περίπλοκα χαρακιηρισIlκά επηρεάΖονται από
πολλά γονίδια Ένας πιανίστας έχει μια θεία που παίΖει βιολί. Σε μια άλ/η οικογένεια,
858
Κεφάλαιο 20: Γενετική, Μείωση και η Μοριακή Βάση της Κληρονομικότητας
τόσο οι γονείς όσο και ΤΟ παιδιά είναι παχύσαρκοι Σε μια τρίΤη οικογένεια,
Ερώmσn20-5
η γιαγιά ήτον αλκοολική και ο εγγονός Της παίρνει ναρκωπκά. Σε ποιο βαθ
Σε μια πρόσφαΤη αυωμαω
μό μετοβιβάΖονται γενεπκά αυτά ΤΟ χαραΚΤηριmικά (μουσική δεξιόΤηΤΟ, πα
ποιημένη ανάλυση,
χυσαρκία και εξάΡΤηση); Αυτό ω ερώΤημα απαντάται πολύ δύσκολα. Μερικά
που εντοπίΖΟνται σε χιλιά
χαρακτηριmικά ή νοσήματο είναι <<οικογενή» αλ/ά εκδηλώνονται μόνο σε
δες θέσεις ωυ γονιδιώμα
λίγους συγγενείς, χωρίς προφανές πρότυπο.
ως αναλύθηκαν σε μεικτά
Τα χαραΚΤηριmικά που δεν ακολουθούν ωυς νόμους ωυ έχουν κληρονομική συνιmώσα χαρακτηρίΖΟνται ως
traits).
Συχνά είναι πoλυyovιδιαKά
Mendel αλ/ά περίπλοκα (complex
(polygenic), δηλαδή
ελέγχονται από πολ
λά γονίδια, ω καθένα με Τη δική ωυ, μικρή συνεισφορά
mov εν λόγω
•,
SNPs
δείγματο ΟΝΑ ανθρώπων
που είχαν χωριmεί σε ομάδες με βάση
Την ηλικία ωυς. Για Τη μεγάλη πλειονό
φαι
τητο αυτών των θέσεων, δεν διαπιmώθη
νότυπο. Οι επιπτώσεις αυτών των γονιδίων είναι αθροιmικές: αυτό σημαίνει
κε αλ/αγή Της σχεπκής συχνότητος με Τη
όπ ΤΟ γονίδια, συλ/ογικά, δημιουργούν ένα φάσμα χαραΚΤηριmικών
γήρανση. Ωmόσο, σπάνια, μια ορισμένη
mov
πληθυσμό. Μεμονωμένα, κάθε γονίδιο που συνεισφέρει σ' ένα πολυγονι
παραλ/αγή σε μια θέση εμφάνΙΖε προο
διακό χαραΚΤηριmικό ακολουθεί ωυς νόμους ωυ
δευπκή μείωση ως συχνότητος σε αν
Mendel:
ωmόσο, επειδή
όλα επηρεάΖουν ων φαινότυπο, ω πρότυπο των χαραΚΤηριmικών που κλη
θρώπους μεγαλύτερους των
ρονομούν οι απόγονοι συχνά είναι πολύ περίπλοκο.
Ποια είναι η πιθανότερη ερμηνεία;
Ένα απλό παράδειγμα πολυγονιδιακού XapaKTηPlmlKOtS είναι ω χρώμα
Α. Το νουκλεοτίδιο
50
ετών.
mov SNP αυτής Της
Των μαπών. Όπως προαναφέραμε, ω χρώμα των μαπών καθορίΖετοι από έν
θέσης είναι αmαθές και μετολ/άσσε
Ζυμα που ελέγχουν Την κατονομή και παραγωγή Της μελανίνης. Όσο περισ
ται με ω χρόνο.
σότερη μελανίνη παράγετοι, τόσο πιο σκούρα είναι ΤΟ μάπα. Επειδή πολ/ά γονίδια συνεισφέρουν
mn σύνθεση
Β. Οι άνθρωποι που γεwήθηκαν ωυΜΧ1
Της μελανίνης, ω χρώμα των μαπών εμ
mov πριν
φανίΖει μεγάλη ποικιλομορφία, από ω ανοιχτό γκρίζο έως ω βαθύ καmανό.
κών. Οι πιο προφανείς φαινότυποι ωυ ανθρώπου
-
50 χρόνια
προήλθαν α
πό έναν πληθυσμό που εμφάνΙΖε Την
Τα μονογονιδιακά νοσήματο ήτον ΤΟ πρώτο που ανακαλύφθηκαν, αλ/ά
αντιπροσωπεύουν μόνο ένα μικρό κλάσμα των ανθρώπινων XapaΚTnPlml
από
τάση να χάνει ων εξαφανιΖόμενο
SNP.
Γ. Το νουκλεοτίδιο που δημιουργεί ων
SNP αλλάΖει
ύψος, βάρος, χρώμα των
μια σημαντική πρωτεινη
και έΤσι βραχύνει Την επιβίωση ωυ αν
θρώπου. (Α)
μέγεθος του απλοτύπου που περιβάλλει ένα τυπικό αλληλόμορφο αλληλόμορφα του γονιδίου 1
r--I
άτομο Α
10000100111010110101001100
11010
01110100101001
άτομο Β
01101011010101001010011011
11010
10101010010110
άτομο Γ
~'~10110100110000101110110L-' ~αΠλ~ότυπ_oς~IIOIOOOIOOIOOI _ ξεχωριστοί SNPs
(Β)
ένας ασυνήθιστα μεγάλος απλότυπος περιβάλλει ένα ορισμένο αλληλόμορφο του γονιδίου γονίδιο
2
2
άτομο γ
011101
101010
101
20-31.
Οι μεταλλάξεις που έχουν επι
στορία του ανθρώπινου είδους μπορεί ν' α
ΓΙ
άτομο χ
Εικόνα
λεγεί θετικά σχετικά πρόσφατα κατά την ι
101101100
101
010100110
101
110011001
ναγνωριστούν από το ασυνήθιστα μεγάλο μέγεθος των απλοτύπων μέσα στους οποί ους εντοπίζονται. Στο σχεδιάγραμμα, οι SNPs αποδίδονται με κάθετες γραμμές που ανάλο γα με την αλληλουχία τους είναι άσπρες ή
μπλε. Από αυτά τα δεδομένα συμπεραίνουμε άτομο Ζ
010111
απλότυπος
ότι το συγκεκριμένο αλληλόμορφο του γονιδί ου
2 προέκυψε σχετικά πρόσφατα κατά την ι
στορία του ανθρώπου.
Η γενετική ως πειραματικό εργαλείο
859
ματιών και των μαΛλιών, αΛλά και ευφυ'ί'α, ταμπεραμέντο, κοινωνικότητα και χιούμορ
-
προκύπτουν από την αΛληλεπίδραση πολ/ών γονιδίων. Επίσης,
είναι σχεδόν βέβαιο ότι πολ/ά γονίδια διαμορφώνουν την ευπάθεια στα πε ρισσότερα κοινά νοσήματα του ανθρώπου
-
διαβήτης, καρδιοπάθειες, αρτη
ριακή υπέρταση, αΛλεργίες, άσθμα, κατάθλιψη και σχΙΖοφρένεια. Οι ερευνη τές εφαρμόΖουν νέες στρατηγικές
-
όπως οι Χάρτες των απλοτύπων
-
για να
κατανοήσουν την περίπλοκη αΛληλεπίδραση μεταξύ γονιδίων που συνεργά
ΖΟνται για να καθορίσουν πολ/ές από τις «ανθρώπινες» ιδιότητες.
Το πεπρωμένο είναι γραμμένο σro ΟΝΑ; Οι ταυτόσημοι δίδυμοι που έχουν κοινά γονίδια ούτε μοιάΖουν απόλυτα ούτε συμπεριφέρονται κατά τον ίδιο ακριβώς τρόπο: αυτό σημαίνει ότι κάτι
περισσότερο από τα γονίδια διαμορφώνει τον φαινότυπό μας. Ένας σημα ντικός παράγοντας είναι το περιβάλ/ον. Τα περισσότερα γονίδια επηρεάΖΟ νται σε κάποιο βαθμό από το περιβάλ/ον. Για παράδειγμα, τα γονίδια που ε πηρεάΖουν το ύψος ανταποκρίνονται στη θρέψη: όσοι έχουν κακή θρέψη δεν θα γίνουν δύο μέτρα, άσχετα από τα γονίδιά τους. Παρομοίως, η άσκη ση αλ/άΖει την κατατομή, η έκθεση στον ήλιο σκουραίνει το δέρμα, ενώ η ε ξάσκηση βελτιώνει τις αθλητικές επιδόσεις. Το περιβάλ/ον επίσης επηρεάΖει την προδιάθεση σε νοσήματα. Η δίαιτα και η άσκηση επηρεάΖουν αποφασι
στικά αν ένας άνθρωπος με προδιάθεση θ' αναπτύξει καρδιοπάθεια. Το ίδιο ισχύει για το κάπνισμα και τον καρκίνο του πνεύμονα.
Οι γενετιστές επιχειρούν να διαχωρίσουν τη σχετική συνεισφορά των γο νιδίων και του περιβάλ/οντος στη διαμόρφωση ενός ορισμένου χαρακτηρι στικού, συγκρίνοντας τη μεταβίβασή του σε μονΟΖυγωτικούς και δΙΖυγωτι
κούς διδύμους. Οι μονΟΖυγωτικοί δίδυμοι αναπτύσσονται από το ίδιο γονί διο και έχουν κοινά όλα τα γονίδιά τους, ενώ οι δΙΖυγωτικοί δίδυμοι σχετίΖΟ νται γενετικά όσο και δύο οποιαδήποτε αδέλφια. Ένα χαρακτηριστικό που εκδηλώνεται συχνότερα σε μονΟΖυγωτικούς παρά σε δΙΖυγωτικούς διδύμους
πρέπει να ελέγχεται, τουλάχιστον εν μέρει, από τα γονίδια. Τέτοιες μελέτες προσέφεραν πληροφορίες σχετικά με τη συνεισφορά των γονιδίων και του περιβάλ/οντος σε πολ/ά χαρακτηριστικά, μεταξύ των οποίων και νοσήματα όπως η σχΙΖοφρένεια, ο διαβήτης και ο καρκίνος (Εικόνα
πολλαπλή
1"~
ΑΣΘΕΝΗΣ
ΓΕΝΕΤιΚΗ ΕΠΙΡΡΟΗ ΙΣΧΥΡΗ
ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤιΚΗ ΕΠΙΔΡΑΣΗ
καρδιο-
20-32. Ορισμένα
άσθμα
μείζων κατάθλιψη
εuφu'tα
f"I f 1 1
καρκίνος
Εικόνα
διαβήτης
Ι
νεύρωση/ εξωστρέφεια
20-32).
!
ΙΣΧΥΡΗ ΓΕΝΕΤΙΚΗ
f f
σχιζοφρένεια
ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΑΣΘΕΝΗΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤιΚΗ
ΕΠΙΔΡΑΣΗ
ψωρίαση
ανθρώπινα χαρακτηριστικά επηρεάζονται πολύ από το περιβάλλον, ενώ άλλα πολύ λιγότερο. Μελέτες σε μο
νοζυγωτικούς και διζυγωτικούς διδύμους προσέφεραν ενδείξεις για τη σχετική συνεισφορά των γονιδίων και του περιβάλλοντος σε διαφο ρετικά χαρακτηριστικά του ανθρώπου.
860
Κεφάλαιο 20: Γενετική, Μείωση και η Μοριακή Βάση της Κληρονομικότητας
Οι μελέτες υιοθετημένων παιδιών και των οικογενειών τους επίσης Βοη θούν στη διάκριση γενετικών και περιΒαλ/οντικών επιδράσεων. Για παρά δειγμα, τα παιδιά που υιοθετήθηκαν από ξένους έχουν κοινό περιΒάλ/ον με τη θετή οικογένειά τους αλ/ά γενετικώς διαφέρουν. Επίσης, έχουν γενετική
ομοιότητα με τους φυσικούς γονείς τους αλλά ανατρέφονται σε διαφορετικό περιΒάλλον. Συνεπώς, ΟΙ φαινοτυπικές ομοιότητες με τους θετούς γονείς μάλ/ον αντικατοπτρίΖουν τις περιΒαλ/οντικές επιδράσεις, ενώ οι ομοιότητες με τους φυσικούς γονείς κυρίως αντικατοπτρίΖουν τις γενετικές επιρροές. Μια
μελέτη υιοθετημένων ανθρώπων στη Δανία έδειξε ότι η σχΙΖοφρένεια ήταν πιο συχνή στους Βιολογικούς συΥΥενείς παρά στη θετή οικογένεια των ασθε νών, επιΒεΒαιώνοντας ότι η σχιζοφρένεια έχει ισχυρή γενετική συνιστώσα. Τα γονίδια που κληρονομούμε από τους γονείς μας κατά τη γονιμοποίη ση διαμορφώνουν τον φαινότυπό μας, χωρίς όμως να τον υπαγορεύουν αυ
στηρά. Κάθε άνθρωπος είναι το προϊόν ενός μοναδικού γονιδιώματος και ε νός μοναδικού συνόλου εμπειριών. Αν πρόκειται να κατανοήσουμε τη ση μασία της κληρονομικότητας επιΒάλ/εται να εκτιμήσουμε τη σημασία και των δύο συνεισφορών.
Βαοικέs έVVΟΙΕS •
Η φυλετική αναπαραγωγή συνίσταται σε κυκλική εναλλαγή απλοειδών και διπλοειδών καταστάσεων: τα διπλοειδή κύτταρα σχηματίΖουν απλοειδή
κύτταρα με τη μείωση, ενώ οι απλοειδείς γαμέτες δύο ατόμων ενώνονται κατά τη γονιμοποίηση για να σχηματίσουν ένα νέο διπλοειδές κύτταρο.
•
Κατά τη διάρκεια της μείωσης, τα πατρικά και μητρικά χρωμοσώματα ενός
διΜοειδούς κυττάρου κατανέμονται στους γαμέτες κατά τέτοιο τρόπο ώστε κάθε γαμέτης να παραλαμΒάνει μόνο ένα αντίγραφο κάθε χρωμοσώματος. Επειδή τα δύο χρωμοσώματα κάθε Ζεύγους κατανέμονται τυχαία, από το ί διο άτομο μπορεί να παραΧθούν πολ/οί γενετικώς διαφορετικοί γαμέτες.
•
Ο επιχιασμός διασφαλίΖει τον σωστό διαχωρισμό των ομόλογων χρωμο σωμάτων και αυξάνει τη γενετική ανακατανομή κατά τη μείωση με την α νταλ/αγή γονιδίων μεταξύ των ομόλογων χρωμοσωμάτων.
•
Τα περισσότερα μηχανικά χαρακτηριστικά της μείωσης είναι παρόμοια με τ' αντίστοιχα της μίτωσης: εντούτοις, η συμπεριφορά των χρωμοσωμάτων
διαφέρεΙ. Η μείωση παράγει τέσσερα γενετικώς ανόμοια κύτταρα με δύο διαδοχικές κυτταρικές διαιρέσεις, ενώ η μίτωση παράγει δύο γενετικώς ταυτόσημα κύτταρα με μια κυτταρική διαίρεση.
•
Ο Mendel αποκάλυψε τους νόμους της κληρονομικότητας μελετώντας τη με ταΒίΒαση λίγων ευδιάκριτων χαρακτηριστικών στα μΠιζέλια του κήπου του.
•
Ο νόμος του διαχωρισμού του
Mendel ορίΖει
ότι το μητρικό και το πατρικό
αλ/ηλόμορφο για κάθε χαρακτηριστικό διαχωρίΖΟνται κατά τη δημιουργία των γαμετών και ξαναενώνονται τυχαία κατά τη γονιμοποίηση.
•
Ο νόμος της ανεξάρτητης κατανομής του
Mendel ορίΖει
ότι κατά τη δημι
ουργία των γαμετών τα διαφορετικά αλ/ηλόμορφα διαχωρίΖΟνται με ανε ξάρτητο τρόπο.
Βασικές Έννοιες
861
•
Η συμπεριφορά των χρωμοσωμάτων κατά τη μείωση ερμηνεύει τους νό μους του
•
Mendel.
Αν δύο γονίδια βρίσκονται κοντά το ένα στο άλ/ο πάνω σ' ένα χρωμόσω μα, συνήθως μεταβιβάΖΟνται ως ενιαία ομάδα. Η συχνότητα του μεταξύ τους ανασυνδυασμού μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να σχεδιαστεί ένας γενετικός χάρτης που δείχνει τη σειρά των γονιδίων πάνω σ' ένα χρωμό σωμα.
•
Τα μεταλλαγμένα αλ/ηλόμορφα μπορεί να είναι επικρατή ή υπολειπόμε νο. Αν ο ετερόΖυγος οργανισμός έχει μεταλ/αγμένο φαινότυπο, τότε το μεταλ/αγμένο αλ/ηλόμορφο είναι επικρατές, ενώ αν έχει φυσιολογικό
φαινότυπο το μεταλλαγμένο γονίδιο είναι υπολειπόμενο.
•
Οι δοκιμασίες συμπληρωματικότητας αποκαλύπτουν αν δύο μεταλλάξεις που παράγουν τον ίδιο φαινότυπο βρίσκονται στο ίδιο γονίδιο ή σε διαφο ρετικά γονίδια.
•
Μεταλ/αγμένοι οργανισμοί μπορεί να προκύψουν με έκθεση των Ζώων σε χημικές ουσίες που παραβλάmουν το ΟΝΑ. Στη συνέχεια, οι μεταλ/αγμέ νοι οργανισμοί μπορεί να υποβληθούν σε διαλογή ώστε ν' αναΥνωριστούν ειδικοί φαινότυποι και τελικά ν' απομονωθούν τα υπεύθυνα γονίδια.
•
Εκτός από τους μονΟΖυγωτικούς διδύμους, οι υπόλοιποι άνθρωποι διαφέ ρουν γενετικά. Κάθε άνθρωπος φέρει ένα μοναδικό σύλ/ογο πολυμορφι
σμών (αλ/αγών στην αλ/ηλουΧία των νουκλεοτιδίων) που διαμορφώνουν τον φαινότυπό του.
•
Οι πολυμορφισμοί μεμονωμένων νουκλεοτιδίων είναι διαφορές ενός νουκλεοτιδίου σε μια αλ/ηλουΧία ΟΝΑ μεταξύ δύο ομάδων του πληθυ
σμού. Αποτελούν χρήσιμους δείκτες για γενετικές αναλύσεις που συνδέ ουν ένα ειδικό χαρακτηριστικό σε μια συγκεκριμένη περιοχή του ΟΝΑ.
•
Τα γονίδια του ανθρώπου συνήθως μεταβιβάΖονται σε μεγάλους απλοτύ πους, οι οποίοι περιέχουν ομάδες αλ/ηλομόρφων και
SNPs
που έχουν
κληρονομηθεί χωρίς πολ/ές γενετικές αναδιατάξεις. Η παρουσία τέτοιων
γενετικών αθροισμάτων διευκολύνει την αναΥνώριση γονιδίων και μεταλ λάξεων που σχετίΖΟνται με ανθρώπινα νοσήματα.
•
Πολ/ά χαρακτηριστικά του ανθρώπου είναι οικογενή αλλά δεν ακολου θούν αυστηρά τους νόμους του
Mendel. Αυτά τα περίπλοκα
χαρακτηριστι
κά προκύπτουν από αλληλεπιδράσεις πολ/ών γονιδίων.
•
Πολ/ά ανθρώπινα χαρακτηριστικά έχουν ισχυρή γενετική βάση, ενώ ορι σμένα καθορίζονται κυρίως από το περιβάλ/ον. Η μοναδικότητα κάθε αν θρώπου προκύπτει από τις αλληλεπιδράσεις των γονιδίων του με το περι βάλ/ον.
862
Κεφάλαιο 20: Γενετική, Μείωση και η Μοριακή Βάση της Κληρονομικότητας
Βασικοί Όροι αδελφή χρωματίδη
επιχιασμός
αλ/ηλόμορφο
ετερόΖυγος
ανασυνδυασμός
Ζυγώτης
απλοειδής
μείωση
απλότυπος
μετάλ/αξη απώλειας της λειτουργίας
αφυλετική αναπαραγωγή
μετάλ/αξη αυξημένης λειτουργίας
γαμέτης
νόμος της ανεξάρτητης κατανομής
γενεαλογικό δέντρο
ομόΖυγος
γενετική
ομόλογο χρωμόσωμα
γενετική διαλογή
ομόλογος
γενετικός χάρτης
περίπλοκο χαρακτηριστικό
γονιμοποίηση
πολυγονιδιακός
γονότυπος
σύΖευξη
διαχωρισμός
φαινότυπος
διπλοειδής
φυλετική αναπαραγωγή
δισθενές
χίασμα
Ερωιήσειs
Ερώmση20-8
Ερώτηση 20-6
νός χρωμοσώματος να καταλήξουν στο ίδιο θυγατρικό
Ποιες από τις ακόλουθες διαπιστώσεις είναι σωστές;
κύπαρο; Ποιες συνέπειες θα είχε αυτό το γεγονός αν συ
Α. Τα ωάρια και τα σπερμαΤΟΖωάρια των Ζώων περιέχουν
νέβαινε (α) στη μίτωση; (β) στη μείωση;
Τι θα μπορούσε να υποχρεώσει και τα δύο αντίγραφα ε
απλοειδή γονιδιώματα.
Β. Κατά τη διάρκεια της μείωσης, τα χρωμοσώματα κατα
Ερώτηση
20-9
νέμονται έτσι ώστε κάθε θυγατρικό κύπαρο να παρα
Γιατί ΟΙ αδελφές χρωματίδες πρέπει να παραμένουν Ζευ
λαμβάνει μόνο ένα αντίγραφο καθενός από τα διαφο
γαρωμένες κατά τη διαίρεση Ι της μείωσης;
ρετικά χρωμοσώματα.
Γ. Οι μεταλλάξεις που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της μείωσης δεν μεταβιβάΖονται στην επόμενη γενεά.
Ερώmση
20-10
Αντιπαραβάλετε τους ακόλουθους γενετικούς όρους: Α. Γονίδιο και αλ/ηλόμορφο.
Epώmon20-7
Β. ΟμόΖυγος και ετερόΖυγος.
Γιατί είναι επωφελές για έναν οργανισμό να είναι διπλοει
Γ. Γονότυπος και φαινότυπος.
δής; Σε τι δυσχεραίνει η διπλοειδία τη γενετική ανάλυση ε
Δ. Επικρατής και υπολειπόμενος.
νός οργανισμού; Για ποιο λόγο ένας διπλοειδής οργανι σμός είναι σκόπιμο να παράγει απλοειδείς γαμέτες προ
Ερώmση
κειμένου ν' αναπαραχθεί;
Από τρία Ζαρωμένα μΠΙΖέλια
20-11 -
ας τα ονομάσουμε Α, Β και
Ερωτήσεις
863
r - παράΧθηκαν ώριμα φυτά. Καθένα από αυτά τα φυτά, μόλις αυτογονιμοποιηθεί, παράγει μόνο Ζαρωμένα μΠΙΖέ
λια. Α. Ο φαινότυπος των Ζαρωμένων μΠΙΖελιών είναι υπολει πόμενος εξαιτίας μιας μετάλλαξης απώλειας της λει
τουργίας. Με αυτό το δεδομένο, τι συμπεραίνετε για τον γονότυπο κάθε φυτού; Β. Πόσο ασφαλές είναι το συμπέρασμα ότι και τα τρία φυ τά φέρουν μετάλλαξη στο ίδιο γονίδιο;
r. Αν η απάντηση στο προηγούμενο
ερώτημα είναι αρνητι
Εικόνα Ε20·13
κή, πώς θα μπορούσε ν' αποκλειστεί το ενδεχόμενο κά θε φυτό να φέρει μια μετάλλαξη σ' ένα διαφορετικό γο
νίδιο που οδηγεί κάθε φορά στον Ζαρωμένο φαινότυπο;
ρανε ότι το πρωτότοκο παιδί κάθε γενιάς έχει μεγαλύτερη
πιθανότητα να κληρονομήσει το μεταλλαγμένο αλληΛό μορφο σε σχέση με τα μικρότερα αδέλφια του.
Ερώmση
Α. Σύμφωνα με τους νόμους του
20-12
Μια μετάλλαξη που έτυχε να συμβεί κατά το σχηματισμό ε
νός από τα σπερμαΤΟΖωάρια του παππού της Ελένης οδή
Mendel,
αυτό είναι πιθα
νό; Β. Πόσο πιθανό είναι να προέκυψε τυχαία αυτή η κατά
γησε σε μια κληρονομική μορφή κώφωσης που μεταβιβά
σταση;
στηκε κληρονομικά στην οικογένεια όπως φαίνεται την Ει
r. Τι είδους
επιπρόσθετα δεδομένα θα ήταν απαραίτητα
ώστε να ελέγξετε το συμπέρασμα του συναδέλφου σας;
κόνα Ε20-12. Α. Η μετάλλαξη αυτή είναι πιθανότερο να είναι επικρατής
Ερώmση
ή υπολειπόμενη;
Β. ΕντοπίΖεται πάνω σ' ένα αυτόσωμα ή σ' ένα φυλετικό
r. Τα έντεκα
εγγόνια (τέσσερα πάσχοντα, επτά υγιή) υπο
βλήθηκαν σε πλήρη ανάλυση
Ορισμένες μεταλλάξεις αποκαλούνται εΠ1κρατε[ς-αρvnπ κές
χρωμόσωμα; Δικαιολογείστε την απάντησή σας.
20-14
(dominant-negative).
Κατά τη γνώμη σας, τι σημαίνει
αυτός ο όρος και πώς νομίΖετε ότι δρουν αυτές οι μεταλλά
Συγκρίνοντας τα
ξεις; Ερμηνεύστε τη διαφορά ανάμεσα σε μια επικρατή
σχετικά αποτελέσματα, πόσο μεγάλος αναμένετε να εί
αρνητική μετάλλαξη και μια μετάλλαξη επαύξησης της λει
ναι ο απλότυπος; Πώς θα μπορούσατε να τον ανιχνεύ
τουργίας.
SNP.
σετε;
Ερώτηση Ερώτηση
20-13
20-15
Σχολιάστε την ακόλουθη διαπίστωση: «Σήμερα δεν θα εί
Στο γενεαλογικό δέντρο της Εικόνας Ε20-13, το πρωτότο
χαμε καμιά ιδέα πόσο σημαντική είναι η ινσουλίνη ως ρυθ
κο παιδί σε κάθε γενιά είναι το μοναδικό προσβεβλημένο
μιστική ορμόνη αν η απουσία της δεν σχεΤΙΖόταν με την εκ
άτομο από την επικρατή κληρονομική νόσο Χ. Ένας συ
δήλωση του σακχαρώδους διαβήτη. Οι σοβαρές επιπτώ
νάδελφός σας εξετάΖοντας το γενεαλογικό δέντρο συμπέ-
σεις της έλλειψης ινσουλίνης επικέντρωσαν τις πρώιμες μελέτες στην αναγνώρισή της και στη μελέτη του ρόλου
της στη φυσιολογία του ανθρώπου. Ερώτηση
20-16
Οι πρώιμες γενετικές μελέτες στην
Drosophila έθεσαν
τα
θεμέλια των γνώσεών μας για τα γονίδια. Οι γενετιστές
που ασχολούνταν με τη
Drosophi1a ανέπτυξαν
μεταλλαγ
μένες μύγες με ποικίλες ευδιάκριτες φαινοτυπικές αλλα Ελένη
Εικόνα Ε20-12
864
γές. Οι αλλαγές στο χρώμα των ματιών από το φυσιολογι κό βαθυκόκκινο είναι διάσημες, επειδή η πρώτη μεταλ-
Κεφάλαιο 20: Γενετική, Μείωση και η Μοριακή Βάση της Κληρονομικότητας
Πίνακας Ε20-16. Ανάλυση συμπληρωματικότητας των μεταλλάξεων που επηρεάζουν το χρώμα των ματιών στην Drosophila Μετάλλαξη
white
white garnet ruby vermilion cherry coral apricot buff carnation
garnet
ruby
vermillίon
+
+ +
+ + +
λαγμένη μύγα την οποία ανακάλυψε ο
gan
cherry
coral
apricot
buff
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
carnation
+ + + + + + + +
Thomas Hunt Mor-
Γ. Με ποιο τρόπο διαφορεπκά αλ/ηλόμορφα του ίδιου γο
είχε άσπρα μάπα (Εικόνα Ε20-16). Έκτοτε, έχουν α
νιδίου μπορεί ν' αποδώσουν διαφορεπκά χρώματα μα
πομονωθεί πολ/ές μεταλ/αγμένες μύγες με μάπα ενδιά
πών;
μεσου χρώματος, ΟΙ οποίες πήραν ονόματα που παραπέ
μπουν
σε
διάφορα
χρώματα
(Π.Χ.
ρουμπινί/rubΥ,
Ερώmσn
20-17
κοραλί/coral, κλπ.). Οι μεταλ/άξεις που ευθύνονται για ό
Τι είναι ΟΙ πολυμορφισμοί μεμονωμένων νουκλεοπδίων
λους αυτούς τους φαινοτύπους είναι υπολειπόμενες. Για
(single nucleotide polymorphisms, SNPs)
να καθοριστεί αν ΟΙ μεταλ/άξεις εντοπίΖΟνται στο ίδιο ή σε
να χρησιμοποιηθούν για τον εντοπισμό ενός μεταλ/αγμέ
διαφορεπκά γονίδια, ομόΖυγες μύγες για κάθε μετάλ/αξη
νο γονιδίου με ανάλυση σύνδεσης;
και πώς μπορεί
διασταυρώθηκαν μεταξύ τους κατά Ζεύγη και εξετάσθηκε το χρώμα των μαπών των απογόνων τους. Στον Πίνακα
Ερώmσn
Ε20-16, τα βαθυκόκκινα, «φυσιολογικά» μάπα συμβολίζο
Η πλήρης ανάλυση της αλ/ηλουχίας του γονιδιώματος
νται ως
δύο ανθρώπων δίνει τη δυνατότητα να καταγραφούν τα
(+)
ενώ τα υπόλοιπα χρώματα ως
(-).
Α. Ερμηνεύστε το γεγονός όπ μύγες με δύο διαφορεπκά χρώματα μαπών
20-18 3
εκατομμύρια θέσεις όπου το ΟΝΑ τους εμφανίΖει διαφο
ρουμπινί και άσπρο) μπορεί ν' α
ρές μεμονωμένων νουκλεοπδίων. Γιατί πολλοί από αυ
ποκτήσουν απογόνους αποκλειστικά με βαθυκόκκινα
τούς τους SNP δεν θ' αποδειχθούν χρήσιμοι σε πειράματα
μάπα.
γενεπκής χαρτογράφησης; Με π είδους πείραμα θα μπο
(i\.x.
Β. Ποιες μεταλ/άξεις είναι αλ/ηλόμορφα του ίδιου γονιδί
ρούσε να διακριθούν οι χρήσιμοι
SNPs;
ου και ΠΟ1ες επηρεάΖουν διαφορεπκά γονίδια;
βαθυκόκκινο
άλλα χρώματα ματιών
άσπρο
Εικόνα Ε20-16
Ερωτήσεις
865
Ισιοί και Καριάvοs
Τα κύπαρα είναι οι δομικοί λίθοι των πολυκύπαρων οργανισμών. Η δή λωση αυτή φαίνεται απλή αλ/ά εγείρει σοβαρά Ζητήματα. Τα κύπαρα δεν εί
ναι σαν τα τούβλα: αντίθετα, είναι μικρά και μαλακά. Με ποιο τρόπο μπορεί να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή μιας καμηλοπάρδαλης ή ενός γιγα
ντιαίου δέντρου, όπως η σεκόγια; Κάθε κύπαρο περικλείεται σε μια εύθραυ στη μεμβράνη με πάχος μικρότερο από ένα χιλιοστό του χιλιοστόμετρου. Η ακεραιότητα αυτής της μεμβράνης είναι αναγκαία για την επιβίωση των κυτ
τάρων. Επομένως, πώς άραγε μπορεί να συνενωθούν τόσο ισχυρά τα κύπα ρα, με ακέραιες τις μεμβράνες τους, για να σχηματίσουν έναν μυ που θα ση κώνει το βάρος ενός ελέφαντα; Ακόμα πιο μυστηριώδες, αν τα κύπαρα είναι
οι δομικοί λίθοι, τότε πού είναι ο οικοδόμος και πού βρίσκονται τα σχέδια του αρχιτέκτονα; Με ποιο τρόπο παράγονται όλα τα διαφορετικά είδη κυπά ρων ενός φυτού ή ενός Ζώου, το καθένα στην κατάλ/ηλη θέση μέσα σ' ένα περίτεχνο σχέδιο (Εικόνα
21-1);
Τα περlOσότερα κύπαρα των πολυκύπαρων οργανισμών οργανώνονται σε συνεργατικά συγκροτήματα που αποκαλούνται ιστοί, όπως ο νευρικός, ο μυϊκός, ο επιθηλιακός και ο συνδετικός ιστός των σπονδυλωτών (Εικόνα
2). Το κεφάλαιο
21-
αυτό αρχίΖει με την εξέταση της αρχnεκτονικής των ιστών α
πό μηχανική άποψη. Όπως θα δούμε, οι ιστοί δεν αποτελούνται μόνο από κύπαρα μ' ένα εσωτερικό «ικρίωμα» νηματίων του κυπαροσκελετού (Κεφά λαιο
17), αλ/ά και από το εξωκυπάριο
στρώμα που εκκρίνουν τα κύπαρα γύ
ρω τους. Το στρώμα αυτό προσδίδει ισχύ στους στηρικτικούς ιστούς. Τα κύτ
ταρα μπορεί να συνδέονται μεταξύ τους μέσω του εξωκυπάριου στρώματος, ή με άμεσο τρόπο προσκολ/ώμενα το ένα στο άλ/ο. Στη συνέχεια, θα πα ρουσιάσουμε τους κυπαρικοι5ς συνδέσμους που διασυνδέουν τα κύπαρα στους ευέλικτους, κινητούς ιστούς των Ζώων, μεταδίδοντας δυνάμεις από τον
κυπαροσκελετό ενός κυπάρου στον κυπαροσκελετό ενός άλ/ου κυπάρου ή στο εξωκυπάριο στρώμα. Ωστόσο, η οργάνωση των ιστών δεν είναι μόνο ένα θέμα μηχανικής. Ό
πως ένα κτίριο χρειάΖεται σωληνώσεις, τηλεφωνικές γραμμές και άλ/ον εξο-
Το εξωκυπάριο στρώμα και οι συνδετικοί ιστοί Τα φUΤΙKά κύπαρα έχουν σκληρά εξωτερικά τοιχώματα Οι ίνες της κυπαρίνης προσδίδουν εκτατική ισχύ στο κυπαρικό τοίχωμα των φυτικών κυπάρων Οι συνδετικοί ιστοί των ζώων αποτελούνται κυρίως από εξωκυπάριο στρώμα Το κολλαγόνο προσδίδει εκτατική ισχύ στους συνδετικούς ιστούς των ζώων Τα κύπαρα οργανώνουν το κολλαγόνο που εκκρίνουν Οι ιντεγκρίνες συνδέουν το στρώμα που βρίσκεται στο εξωτερικό του κυπάρου με τον ενδοκυπάριο κυπαροσκελετό Πηκτές από πολυσακχαρίτες και πρωτείνες γεμίζουν τους χώρους ανάμεσα στα κύπαρα και ανθίστανται στη συμπίεση Επιθηλιακά φύλλα και διακυπάριοι σύνδεσμοι Τα επιθηλιακά φύλλα είναι πολωμένα και στηρίζονται πάνω σ' έναν βασικό υμένα Οι στεγανοί σύνδεσμοι εμποδίζουν τη διαρροή από το επιθήλιο και διαχωρίζουν την κορυφαία από τη βασική επιφάνειά του Οι διασυνδέσεις με τον κυπαροσκελετό προσδένουν γερά τα επιθηλιακά κύπαρα τόσο μεταξύ τους όσο και με τον βασικό υμένα Οι χασμοσύνδεσμοι επιτρέπουν τη δίοδο ιόντων και μικρών μορίων από κύπαρο σε κύπαρο Διατήρηση και ανανέωση των ιστών Οι ιστοί είναι οργανωμένα μείγματα πολλών κυπαρικών τύπων Οι διαφορετικοί ιστοί ανανεώνονται με διαφορετική ταχύτητα Τα αρχέγονα κύπαρα συνεχώς παράγουν διαφοροποιημένα κύπαρα Τα αρχέγονα κύπαρα μπορεί να χρησιμοποιηθούν για την επιδιόρθωση ιστικών βλαβών Η μεταμόσχευση πυρήνων προσφέρει τη δυνατότητα της δημιουργίας εξατομικευμένων αρχέγονων εμβρυ"ίκών κυπάρων: η στρατηγική της θεραπεUΤΙKής κλωνοποίησης Καρκίνος Τα καρκινικά κύπαρα πολλαπλασιάζονται, διαιρούνται και μεθίστανται Η επιδημιολογία αναγνωρίζει αίτια του καρκίνου που μπορεί να προληφθούν Ο καρκίνος χρειάζεται συσσώρευση μεταλλάξεων Τα καρκινικά κύπαρα αποκτούν ιδιότητες που τους προσδίδουν ένα συναγωνιστικό πλεονέκτημα Πολλά και ποικίλα είδη γονιδίων έχουν ιδιαίτερη σημασία για τον καρκίνο Ο καρκίνος του παχέος εντέρου δείχνει πώς η απώλεια ενός γονιδίου μπορεί να οδηγήσει σε ανάmυξη ενός όγκου Η κατανόηση της κυπαρικής βιολογίας του καρκίνου ανοίγει το δρόμο σε νέες θεραπείες
867
πλισμό έτσι και ένας Ζωικός ισrός έχει ανάγκη από αιμοφόρα αγγεία, νεύρα και άλλα συσrαηKά που σχηματίΖονίΟΙ από ποικίλα είδη εξειδικευμένων κυτ τάρων. Όλα ίΟ ισrΙKά συσrαηKά πρέπει να συντoνισroύν σωσrά και πολ/ά α πό αυτά απαιτούν συνεχή συντήρηση και ανανέωση. Τα κύτταρα πεθαίνουν
και πρέπει να αντΙKαθίσrανται από νέα κύτταρα του σωσroύ είδους σrις σω σrές θέσεις και σro σωσrό αριθμό. Θα εξετάσουμε πώς οργανώνονται αυτές οι διεργασίες και θα παρουσιάσουμε των κρίσιμο ρόλο των αρΧέγονων ΚΙΠ τάρων σrην ανανέωση και επιδιόρθωση των ισrών. Οι διαίΟραχές της ανανέωσης των ισrών ευθύνονται για σοβαρά νοσήμα
τα του ανθρώπου. Στο ίδιο πλαίσιο, οι διαίΟραχές που προκύπτουν από την ανώμαλη συμπεριφορά μεταλλαγμένων κυττάρων ευθύνονται για τον καρκί νο. Αυτό το νόσημα θα μας απασχολήσει σro τέλος του κεφαλαίου. Η μελέτη 500
μm
Εικόνα 21·1. Εγκάρσια διατομή μιας πευκο· βελόνας που δείχνει το ακριβές οργανωμένο
του καρκίνου προϋποθέτει μια σύνθεση των γνώσεων για τα κύτταρα και τους ισroύς σε κάθε επίπεδο, από τη μοριακή βιολογία της επιδιόρθωσης του ΟΝΑ έως ης αρΧές της φυσικής επιλογής και της κοινωνικής οργάνωσης των
σχέδιο των διαφορετικών κυτταρικών τύ·
κυττάρων σroυς ισroύς. Πολ/ές θεμελιώδεις εξελίξεις σrην κυτταρική βιολο
πων.
γία προωθήθηκαν από την έρευνα του καρκίνου. Από την πλευρά της, η βα σική έρευνα συνέβαλε σrην καλύτερη καίΟνόηση του καρκίνου και προσέ φερε μια νέα αισιοδοξία για τη θεραπεία του.
Το εξωκυιιάριο σιρώμα και οι συνδειικοί ισιοί Τα φυτά και τα Ζώα ανέπτυξαν την πολυκύτταρη οργάνωσή τους ανε ξάρτητα και οι ισroίτoυς καίΟσκευάΖΟνται με διαφορεηκές αρΧές. Τα Ζώα είναι αρπακηκά που επιβιώνουν τρώγοντας άλλα έμβια όντα και για το λό
γο αυτό πρέπει να είναι δυνατά και ευέλικτα: πρέπει να διαθέτουν ισroύς ι κανούς για γρήγορη μετακίνηση και τα κύτταρα που σχηματίΖουν τους ι
σroύς πρέπει να μπορούν ν' αναπτύσσουν και να μεταδίδουν δυνάμεις ό πως επίσης και ν' αλ/άΖουν σΧήμα γρήγορα. ΑντίθείΟ, τα φυτά είναι αδρα νή, oιισroί τους είναι λίγο-πολύ άκαμπτοι και, ξεxωρισrά, τα κύτταρά τους
είναι αδύναμα και εύθραυσrα. Η ισχύς ενός φυηκού ισroύ προέρχείΟΙ από ίΟ κυπαρικά τοιχώματα
Εικόνα
21·2. Η
(cell
οργάνωση των κυπάρων σε ι·
στούς. Απλοποιημένο σχεδιάγραμμα μιας ε γκάρσιας διατομής ενός τμήματος από το τοί χωμα του εντέρου ενός θηλαστικού. Το έντερο των θηλαστικών είναι ένα μακρύ, σωληνώδες
όργανο που «κατασκευάζεται" από επιθηλιακό ιστό (κόκκινο), συνδετικό ιστό (πράσινο) και μυ
'ίκό ιστό (κίτρινο). Κάθε ιστός είναι ένα οργανω μένο άθροισμα κυπάρων που συγκρατούνται σ' ένα σύνολο με διακυπάριες συγκολλήσεις, εξωKUΠάρΙO στρώμα ή και τα δύο.
868
Κεφάλαιο 21: Ιστοί και Καρκίνος
επιθηλιακό κύπαρο
Εικόνα
21-3. Το
κυπαρικό τοίχωμα των φυτι
κών κυπάρων. (Α) Μια εγκάρσια διατομή ε νός τμήματος από το μίσχο του ανθοφόρου φυτού
Arabidopsis χΡωσμένη
με φθορίζουσες
χρωστικές που σημαίνουν δύο διαφορετικά συστατικά του κυπαρικού τοιχώματος, την κυπαρίνη με μπλε χρώμα και έναν άλλο πολυ σακχαρίτη (πηκτίνη) με πράσινο χρώμα. Τα ί δια τα κύπαρα δεν έχουν σημανθεί και είναι α όρατα σε αυτό το παρασκεύασμα. (8) Τα κύτ ταρα και τα τοιχώματά τους φαίνονται καθαρά
σε αυτή την ηλεκτρονιομικρογραφία νεαρών κυπάρων της ρίζας του ίδιου φυτού. (Με την άδεια του Paul Linstead).
20
walls)
~
μm
2
μm
που σχηματίΖονται σαν κουτιά τα οποία περικλείουν, προστατεύουν
και περιορίζουν το σχήμα των κυπάρωντου ιστού (Εικόνα
21-3). Το κυπαρl
κό τοίχωμα είναι ένα είδος εξωκυπάριου στρώματος που εκκρίνει το φυτικό κύπαρο γύρω του. Το κύπαρο ελέγχει τη σύσταση του κυπαρικού τοιΧώμα τος: μπορεί να είναι παχύ και σκληρό, όπως στο ξύλο, ή λεπτό και εύκαμπτο, όπως σ' ένα φύλ/ο. Ωστόσο, σε κάθε περίπτωση, η γενική αρχή της κατα
σκευής των ιστών είναι κοινή: πολ/ά μικροσκοπικά κουτάκια συγκολ/ώνται και το καθένα από αυτά περιέχει στο εσωτερικό του ένα ευαίσθητο Ζωντανό
κύπαρο. Μάλιστα όπως αναφέραμε στο Κεφάλαιο και πλέον, ο
Robert Hooke
1,
πριν από τρεις αιώνες
εισήγαγε τον όρο κύπαρο
(cell,
«Kελί»j εμπνευ
σμένος από την εμφάνιση μιας μάΖας τέτοιων σφιχτά συσκευασμένων μι
κροσκοπικών θαλάμων στη διατομή ενός φελ/ού. Οι Ζωικοί ιστοί χαρακτηρίΖονται από μεγαλύτερη ποικιλότητα. Όπως και
οι φυτικοί ιστοί, αποτελούνται τόσο από κύπαρα όσο και από εξωκυπάριο στρώμα' ωστόσο, τα συστατικά αυτά οργανώνονται με πολ/ούς διαφορετι κούς τρόπους. Σε ορισμένους ιστούς, όπως τα οστά και οι τένοντες, το εξω κυπάριο στρώμα είναι άφθονο και εξαιρετικά σημαντικό από μηχανική άπο ψη. Αντίθετα, σε άλ/ους ιστούς, όπως οι μύες ή η επιδερμίδα, το εξωκυπάριο στρώμα είναι λιγοστό και το μηχανικό φορτίο το σηκώνουν τα ίδια τα κύπα ρα μέσω του κυπαροσκελετού τους. Θ' αρχίσουμε με μια σύντομη παρου σίαση των φυτών και μετά θα περάσουμε στα Ζώα.
Τα φυIlκά κύπαρα έχουv σκληρά εξωτερικά τοιΧώματα Ένα γυμνό φυτικό κύπαρο από το οποίο έχει αφαιρεθεί τεχνητά το τοί χωμα είναι αδύναμο και ευπαθές. Με κατάλ/ηλη φροντίδα μπορεί να διατη ρηθεί Ζωντανό σε καλ/Iέργεια. Ωστόσο, εύκολα υφίσταται ρήξη και ακόμα και μια μικρή μεταβολή της ωσμωτικής πίεσης του μέσου της καλ/Iέργειας
μπορεί να το κάνει να διογκωθεί έως ότου διαρραγεί. Ο κυπαροσκελετός
Το Εξωκυττάριο Στρώμα και οι Συνδετικοί Ιστοί
869
ωυ δεν διαθέτει τα ενδιάμεσα ινίδια των Ζωικών κυττάρων που προσδίδουν αντοχή σε δυνάμεις πίεσης και έτσι ω κύτταρο πρακτικά δεν έχει καμιά εκτα τική ισχύ. Συνεπώς, ω εξωτερικό ωίχωμα είναι απαραίτητο.
Το κυτταρικό ωίχωμα των φυτικών κυττάρων πρέπει να είναι σκληρό αλ λά δεν είναι αναγκαίο να είναι άκαμπω. Η ωσμωτική διόγκωση ωυ κυττά ρου που περιορίΖεται από την αντίmαση ωυ κυτταρικού τοιΧώμαως διατηρεί ων θάλαμο διατεταμένο. Μια μάΖα συγκολ/ημένων διογκωμένων θαλάμων σχηματίζει έναν ημιάκαμπω ιmό (Εικόνα 21-4). Αυτή είναι η κατάmαση σ' έ να τραγανό φύλ/ο μαρουλιού. Όταν απουσιάΖει ω νερό τα κύτταρα συρρι
κνώνονται, οπότε ω φύλ/ο μαραίνεται
Τα περισσότερα νεοσχηματισμένα κύτταρα ενός πολυκύτταρου φυωύ αρχικά κατασκευάΖουν ένα σχετικά λεπτό πρωτογενές κυπαρικό τοίχωμα
(primary cell wall)
ικανό να εκτείνεται αργά έτσι ώmε να επιτρέπει την κυτ
ταρική αύξηση. Η δύναμη που προκαλεί την αύξηση είναι η ίδια που δια
τηρεί ω φύλλο του μαρουλιού τραγανό: πρόκειται για μια ογκωτική πίεση, γνωmή ως πίεσn σπαργής της
ωυ
(turgor pressure), η οποία αναπτύσσεται λόγω ωσμωτικής ανισορροπίας ανάμεσα mo εσωτερικό του κυττάρου και περιBάλ/ovτός ωυ (Βλ Κεφάλαιο 12). Μόλις mαματήσει η αύξηση, η
επέκταση του κυτταρικού τοιΧώματος δεν είναι πλέον απαραίτητη. Τότε, συχνά παράγεται ένα πιο άκαμπω δευτερογενές κυπαρικό τοίχωμα
ondary cell wall),
(sec-
είτε με πάχυνση του πρωτογενούς τοιΧώμαως είτε μ' ε
ναπόθεση νέων mιΒάδων με διαφορετική σύmαση, κάτω από τις παλαιές mιΒάδες. Όταν εξειδικεύονται τα φυτικά κύτταρα, γενικά παράγουν ειδι κά προσαρμοσμένους τύπους τοιχωμάτων, όπως κηρώδη, αδιάΒροχα τοι χώματα για τα επιφανειακά επιδερμιδικά κύτταρα ενός φύλλου, σκληρά,
παχιά, ξυλώδη τοιΧώματα για τα κύτταρα του ξυλώματος του μίσχου κλπ. (Βλ Παράρτημα
Εικόνα
21·4.
21-1).
Ηλεκτρονιομlκρογραφία σάρω
σης των κυπάρων ενός φύλλου. Κύπαρα
διογκωμένα με νερό από ωσμωτικές πιέσεις, συγKOλλώVΤαι μέσω των τοιχωμάτων τους για
να σχηματίσουν ένα τραγανό φύλλο. (Με την άδεια του Κ. Findlay).
870
Κεφάλαιο 21: Ιστοί και Καρκίνος
~ 100 μm
Εικόνα
--- -
21-5.
Σχηματικό μοντέλο ενός τμήμα
τος του πρωτογενούς κυπαρικού τοιχώμα τος των φυτικών κυπάρων. Οι πράσινες ρά βδοι αντιπροσωπεύουν τα ινίδια της κυπαρί
μεσαίος
υμένας [
νης που προσδίδουν διατατική ισχύ. 'f1λ/oι πο
r---
λυσακχαρίτες (κόκκινες ταινίες) διασυνδέουν
Ι .--:~~~':x~"~""":~,"~ !
τα ινίδια της κυπαρίνης και γεμίζουν τους χώ ρους που παρεμβάλλονται ανάμεσά τους (μπλε ταινίες) προσδίδοντας αντοχή στη συμπίεση, Ο
μεσαίος υμένας είναι η στιβάδα που συγκολλά
πρωτογενές
το ένα κυπαρικό τοίχωμα με το άλλο.
κυτταρικό τοίχωμα
κυτταρίνη
50
nm
Οι ίνες της κυπαρίνης προσδίδουν εκταIlκή Ισχύ στο κυπαρικό τοίχωμα των φυIlκών κυπάρων Όπως κάθε εξωκυπάριο σφώμα, το κυπαρικό τοίχωμα των φυπκών κυτ Tάρων αποκτά Την εκωπκή IΣXU του από μακριές ίνες που προσανατολίΖΟ νίαl KGίά μήκος των Υραμμών της πίεσης. Σία ανώΤερα φυτά, οι μακριές ίνες Υενlκά παρασκευάΖονίαl από τον πολυσακχαρίΤη KVnaP[Vn
(cellulose), το
πιο άφθονο ΟΡΥανlκό μακρομόριο αη Υη. Οι ίνες Της κυπαρίνης διαπλέκο VΊαι με άλ/ους πολυσακχαρίτες και με ορισμένες δομικές πρωτεϊ'νες. Όλα
αυτά ω αοιχεία διασυνδέονίΟl Υια να ΣXημGίίσOυν μια περίπλοκη δομή που ανθίααίαl τόσο σε συμπίεση όσο και σε τάση (Εικόνα
21-5).
Στον ξυλώδη 1-
αό, μέσα αο αρώμα αυτό εναΠΟίίθείαl ένα δίκΤυΟ διασυνδεόμενων μο
πίεση σπαργής
• .. ~ .. (Α)
•
ρίων μιας άλ/ης καΤηΥορίας (δίκΤυΟ flιγv[vnς) που κάνει το αρώμα περισσό τερο άκαμπτο και αδιάβροχο.
Για ν' αυξηθεί ένα φυπκό κόπαρο (όπως επίσης και Υια ν' αλ/άξεl σχή μα), το κυπαρικό τοίχωμα πρέπει να διαωθεί ή να παραμορφωθεί. Επειδή οι ίνες Της κυπαρίνης ανθίααvίαι αη διάωση, ο προσανατολισμός τους καθο
ρίΖει Την κοιεόθυνση αην οποία θα αυξηθεί το κόπαρο: Υια παράδεΙΥμα, αν οι ίνες δlOIάσσOVΊαι περιμεφlκά σαν ένας κορσές, το κύπαρο θ' αυξάνει ευ κολότερα σε μήκος παρά σε πλάτος (Εικόνα
21-6).
Καθώς το ίδιο το φυπκό
κόπαρο εναποθέΤει το τοίχωμά του, συνάΥεωl όπ ελέΥχεl και την επακόλου θη διαμόρφωσή του, άρα και Την KGίεόθυνσn προς την οποία θ' αυξάνει ο 1αός αον οποίο ανήκει.
Εικόνα
21-6. Ο προσανατολισμός
των μικροϊ
νιδίων της κυπαρίνης μέσα στο κυπαρικό τοίχωμα επηρεάζει την κατεύθυνση στην ο
ποία θα επιμηκυνθεί το κύπαρο. Τα κύπαρα στο (Α) και το (8) έχουν παρόμοιο σχήμα αλλά διαφορετικό προσανατολισμό των μικροϊνι δίων της κυπαρίνης στο τοίχωμά τους, Παρό
Η κυπαρίνη παράΥεωl με ποΜ διαφορεπκό φόπο απ' ό,n ω περισσό τερα άλ/α εξωκυπάρια μακρομόρια. Avίί να παράΥεωl αο εσωτερικό του κυπάρου και κοιόπιν να εξάΥεωl με εξωκυπάρωση (βλ. Κεφάλαιο
(8)
λο που η πίεση σπαργής είναι ομοιόμορφη προς όλες τις κατευθύνσεις, κάθε κύπαρο τεί νει να επιμηκυνθεί προς μια κατεύθυνση κάθε
15), συ
τη στον προσανατολισμό των μικρο'ίνιδίων, τα
VΊίθεωl αην εξωτερική επιφάνεια του κυπάρου από ενΖυμlκά σόμπλοκα
οποία έχουν μεγάλη διατατική ισχύ. Το τελικό
ενσωμGίωμένα αην κυπαρική μεμβράνη. Τα σόμπλοκα αυτά μεωφέρουν ία υδαίανθρακικά μονομερή διαμέσου Της μεμβράνης και ία ενσωμGίώ-
σχήμα ενός οργάνου, όπως ένα βλαστάρι, κα θορίζεται από την κατεύθυνση προς την οποία εκτείνονται τα κύπαρά του.
Το Εξωκυττάριο Στρώμα και οι Συνδετικοί Ιστοί
871
Παράρτημα
21-1. Οι κυτταρικοί τύποι και οllοτοί από IOUS
οποίοus δομούνται τα ανώτερα φυτά ΤΟΦΥΤΟ
ΤΑ ΤΡΙΑ ΙΣΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Από τη διαίρεση, την αύξηση και τη διαφοροποίηση των κυπάρων προκύmουνιστικά συστήματα με εξει δικευμένες λειτουργίες.
~αίo βλαστητικό μερίστωμα
ανώτερη επιδερμίδα
μέση νεύρωση
ΕΠΙΔΕΡΜΙΔΙΚΟΣΙΣΤΟΣ (~): Είναι το προστατευτικό εξωτερικό περίβληματου φυτού που έρχεται σ' επαφή με το περιβάλλον. Διευκολύνειτην πρόσληψη του νερού
και των ιόντων στις ρίζες και ρυθμίζει την ανταλλαγή των αερίων στα φύλλα και τους μίσχους. ΑΓΓΕΙΑΚΟΣ ΙΣΤΟΣ: Από κοινού, το φλοίωμα (ι::::::J) και το ξύλωμα Ι-) σχηματίζουνένα συνεχές αγγειακό σύστημα που απλώνεται σε όλη την έκταση του φυτού. Ο ιστός αυτός μεταφέρει νερό και διαλυμένες ουσίες ανάμεσα στα όργανα και επίσης παρέχει μηχανική στήριξη. ΘΕΜΕΛΙΟΣ ΙΣΤΟΣ (ι::::::J): Αυτός ο στηρικτικός ιστός αντιπροσωπεύειένα μεγάλο μέρος της μάζας του νεαρού φυτού. Επίσης λειτουργείγια την παρασκευή και την αποθήκευσητων τροφών.
νεαρό ανθοφόρο φυτό
Το νέο ανθοφόρο φυτό που εικονίζεται εδώ δομείται από τρία κύρια είδη οργάνων: φύλλα, μίσχους και ρίζες. Με τη σειρά του, κάθε όργανο ενός φυτού κατασκευάζεταιαπό τρία ιστικά συστήματα: τον θεμέλιο ιστό (ι::::::J), τον επιδερμιδικό ιστό ( ), και τον αγγειακό ιστό (M::J). Και τα τρία ιστικά συστήματα προέρχονται από τα πολλαπλα σιαζόμενα κύπαρα της ρίζας ή ακραία ριζικά μεριστώματα και το καθένα περιέχει έναν σχετικά μικρό αριθμό εξειδικευμένων ειδών κυπάρων. Στο παράρτημα αυτό περιγράφονται τα τρία κοινά ιστικά συστήματα και τα κύπαρα που το απαρτίζουν.
ΡΙΖΑ
.:::\ j'
ενδοδερμίδα περικύκλιο
ακραίο ριζικό μερίστωμα
ΘΕΜΕΛΙΟΣ ΙΣΤΟΣ
Το σύστημα του θεμέλιου ιστού περιέχει τρία κύρια είδη κυπάρων που αποκαλούνται παρεγ χυματικά, κοιλεΥχυματικά και σκληρεγχυματικά.
Τα κοιλεγχυματικά κύπαρα είναι ζωντανά κύπαρα που μοιάζουν με τα παρεΥχυματικά, αλλά έχουν πολύ παχύτερο
κυπαρικό τοίχωμα και συνήθως είναι επι μήκη και συσκευάζονται σε μακριές σχοι νοειδείς ίνες. Μπορούν να διατείνονται και παρέχουν μηχανική στήριξη στο θεμέλιο ιστικό σύστημα των επιμηκυνόμενων περιοχών του φυτού. Τα κοιλεΥχυματικά κύπαρα είναι ιδιαίτερα άφθονα στις υποεπιδερμιδικές περιοχές των μίσχων.
Παρεγχυματικά κύπαρα υπάρχουν σε όλα τα ιστικά συστήματα των φυτών. Είναι ζωντανά κύπαρα, γενικά ικανά να διαιρούνται περαιτέρω και έχουν ένα λεmό πρωτογενές κυπαρικό τοίχωμα. Τα κύπαρα αυτά επιτελούν πολλές λειτουργίες. Τα κορυφαία και τα πλάγια μεριστωματικά κύπαρα των μίσχων και των ριζών παράγουν τα νέα κύπαρα που χρειά ζονται για την αύξηση. Η παραγωγή και αποθήκευση των τροφών γίνεται στα φωτοσυνθετικά κύπαρα των φύλλων και του μίσχου (μεσόφυλλα κύπαρα). Αποθηκευτικά παρεγχυματικά κύπαρα σχηματίζουν το κύριο μέρος των περισσότερων φύλλων και λαχανικών. Χάρη στην πολλαπλα σιαστική ικανότητά τους τα παρεγχυματικά κύπαρα λειτουργούν επίσης ως πηγές νέων κυπάρων για επούλωση των τραυμάτων και αναγέννηση.
τυπικές εντοπίσεις των
oμά~ωντων στηΡΙΚΤΙKώ~O fl Q
~
~[tJ
~~ ριζικά
πυρήνας 50
μεσόφυλλα κύπαρατου φύλλου
30
μm
Ένα μεταφορικό κύπαρο (εξειδικευμένη μορφή παρεγχυματικού κυπάρου) αναγνω ρίζεται εύκολα από τις περίτεχνες αναδι πλώσεις του πρωτογενούς κυπαρικού
\11
σκληρεΥχυματικές ίνες
a
αγγειακό ~εμάτιo κοιλεγχυμα
~
~
ενισχυτική και στηρικτική λειτουργία. Ωστόσο,
δεμάτιο ινών
συνήθως είναι νεκρά κύπαρα με παχύ, λιγνι τοποιημένο δευτερογενές κυπαρικό τοίχωμα που τα εμποδίζει να διατείνονται καθώς αυξάνει το φυτό. Δύο κοινοί τύποι είναι οι ίνες, που συχνά σχηματίζουν μακριές δέσμες, και οι σκληρε'[δες,
που είναι βραχύτερα διακλαδισμένα κύπαρα τα οποία βρίσκονται στο περίβλημα των σπερμάτων και στα φρούτα.
τοιχώματός του. Η αύξηση στην επιφάνεια της κυπαρικής μεμβράνης κάτω από το
μεταφορικό κύπαρο
872
Κεφάλαιο
τοίχωμα διευκολύνει την ταχεία μεταφορά των διαλυμένων ουσιών προς και από τα κύπαρα του αγγειακού συστήματος.
21 : Ιστοί και Καρκίνος
ο
Τα σκληρεΥχυμτικά κύπαρα, όπως και τα κοιλεγχυματικά, έχουν
μεριστωματικά
κύπαρα
μm
κυπαρων
100
μm
ΕΠΙΔΕΡΜΙΔΙΚΟΣΙΠΟΣ
Στόματα
κύτταρα-φρουροί
Τα τριχίδια είναι παράγωγατων επιδερμιδικών κυπάρων. γπάρχουν πολλών ειδών τριχίδια και βρίσκονται σε όλα τα μέρη του φυτού. Έχουν προστατευτική,απορροφητική και εκκριτική
Η επιδερμίδαείναι το πρωτογενέςεξωτερικό προστατευτικόπερίβληματου σώματος του φυτού. Τα κύτταρα της επιδερμίδας επίσης τροποποιούνται για να σχηματίσουνστόματα και τριχίδια ποικίλων ειδών. Επιδερμίδα
λειτουργία. Για παράδειγμα,
κηρώδης στιβάδα
Η επιδερμίδα (συνήθως μονόστιβη) καλύmει όλο το μίσχο, τα φύλλα και τις ρίζες του νεαρού φυτού. Τα κύτταρά της είναι ζωντανά, έχουν παχύ πρωτο γενές κυπαρικό τοίχωμα και στην εξωτερική επιφάνειάτους καλύmονταιαπό μια ειδική εφυμενίδα μ' ένα εξωτερικό κηρώδες στρώμα. Τα κύτταρα διαπλέκονται με διάφορους τρόπους.
στην επιδερμίδα των σπερμάτων του βαμβακιού αναmύσσονται μονοκύτταρα τριχίδια. Όταν τα τριχίδια αυτά μεγαλώ σουν, το τοίχωμά τους θα παXυVΘεί δευ τερογενώς με κυπαρίνη και θα σχηματιστούν οι ίνες του βαμβακιού.
επιδερμίδα
Αγγειακά δεμάτια Οι ρίζες συνήθως έχουν ένα μόνο αγγειακό δεμάτιο, ενώ οι μίσχοι έχουν αρκετά. Κάθε δεμάτιο είναι ένα σύμπλοκο κυπάρων διαφορετικών κυπάρων που σχηματίζει οδούς για τη μεταφορά υγρών.
L-..J
50μm
πάνω επιδερμίδα
ενός φύλλου
ένα πολυκύτταρο εκκριτικό τριχίδιο από ένα φύλλο γερανιού
έλυτρο σκληρεγχύματος
επιδερμίδα ενός μίσχου
1,1 ιJ ~ ~
~~ ~~
τα μονοκύτταρα ριζικά τριχίδια προσλαμβάνουν νερό και ιόντα από το έδαφος
φλοίωμα
.,...........,"-'t5'o--I-{ .--<1'FF''f- ξύλωμα
ΑΓΓΕΙΑΚΟΣ ΙΠΟΣ
Από κοινού, το φλοίωμα και το ξύλωμα σχημα τίζουν ένα συνεχές αγγειακό σύστημα σε όλη την έκταση του φυτού. Στα νεαρά φυτά, συνή θως συνδυάζονταιμε ποικίλα άλλα είδη κυπά ρων σε αγγειακά δεμάτια. Τόσο το φλοίωμα όσο και το ξύλωμα είναι περίπλοκοι ιστοί. Τα κύττα ρά τους, ή στοιχεία, σχετίζονται με τα παρεγχυ ματικά κύτταρα, που διατηρούν και ανταλλάσσουν ουσίες με τα στοιχεία. Επίσης, ομάδες
Ξύλωμα
παρέγχυμα
LJ
50
μm
ένα τυπικό αγγειακό δεμάτιο από ένα νεαρό μίσχο
...
..;
κοιλεγχυματικώνκαι σκληρεγχυματικώνκυπάρων παρέχουν μηχανική στήριξη.
Το ξύλωμα μεταφέρει νερό και διαλυμένα ιόντα στο φυτό. Τα κύρια κύτταρα είναι τα αγγειακά στοιχεία. Στο ώριμο φυτό, τα αγγειακά στοιχεία είναι νεκρά κύπαρα χωρίς κυπαρική μεμβράνη. Το κυπαρικό τοίχωμα έχει παχυνθεί δευτερογε νώς και είναι πολύ λιγνιτοποιημένο. Το ακραίο τοίχωμά τους έχει αφαιρεθεί σε μεγάλο βαθμό, έτσι ώστε να σχηματιστούν επιμή κεις, συνεχείς σωλήνες.
Φλοίωμα
κύπαρο συνοδός
κυπαρική μεμβράνη
νεαρό αγγειακό στοιχείο στο άκρο μιας ρίζας
ηθμώδες πεδίο εξωτερική άποψη του ηθμώδους σωληνώδους στοιχείου
εγκάρσια διατομή του ηθμώδους σωληνώδους στοιχείου
Το φλοίωμα εμπλέκεται στη μεταφοράτων διαλυμένων οργανικών ουσιών. Τα κύρια στοιχεία του παρατάσσονταικαι σχηματίζουν σωληνάριαγνωστά ως ηθμώδη σωληνάρια. Στο ώριμο φυτό, τα ηθμώδη σωληνώδη στοιχεία είναι ζωντανά κύτταρα που διασυνδέονταιμέσω στομίων στο ακραίο τοίχωμά τους, τα οποία σχηματίζονταιαπό μεγεθυμένα και τροποποιημέναπλασμοδέσματα (ηθμώδεις πλάκες). Τα κύτταρα αυτά διατηρούντην κυπαρική μεμβράνη τους, αλλά έχουν χάσει τον πυρήνα και το μεγαλύτερο μέρος του κυπαροπλάσματόςτους. Επο μένως, η επιβίωσή τους στηρίζεταιστα κύπαρα-συνοδούςπου σχετίζονται μαζί τους. Τα κύπαρα-συνοδοίεπιπλέον διενεργούν ενεργό μεταφορά διαλυτών μορίων της τροφής προς και από τα στοιχεία διαμέσου των πορωδών ηθμών του τοιχώματος.
Τα αγγειακά στοιχεία σχετίζονται στενά με τα παρεγχυματικά κύτταρα του ξυλώματος, τα οποία διενεργούν ενεργό μεταφορά επιλεγμένων δια λυτών ουσιών προς και από τα στοιχεία διαμέσου της κυπαρικής μεμβράνης τους.
παρεγχυματικά κύπαρα του ξυλώματος
----"w----
αγγειακό στοιχείο
Το ΕξωκυπάριοΣτρώμα και οι ΣυνδεTlκοίΙστοί
873
•,
Ερώmσn21-1
νουν σε μια ομάδα αυξανόμενων αλυσίδων πολυμερών στα σημεία της
Τα κύτταρα στο μίσχο ενός
προσκόλ/ησής τους στη μεμβράνη. Κάθε ομάδα αλυσίδων σχηματίΖει ένα
φυτού που αυξάνει στο σκο
μικροϊνίδιο κυτταρίνης. Τα ενΖυμικά σύμπλοκα μετακινούνται στη μεμβρά
τάδιπρoσανατoλ~oυντoυς
νη, υφαίνοντας νέα πολυμερή και αφήνοντας πίσω τους τα ίχνη προσανα
μικροσωληνίσκους τους ο
τολισμένων ινών κυτταρίνης.
ΡΙΖόντια. Τι επίδραση ανα
Οι οδοί που ακολουθούν τα ενΖυμικά σύμπλοκα καθορίΖουν τον προσα
μένετε να έχει αυτό στην αύ
νατολισμό στον οποίο θα εναποτίθεται η κυτταρίνη στο κυτταρικό τοίχωμα.
ξηση του φυτού;
Τί, όμως, καθοδηγεί τα ενΖυμικά σύμπλοκα; Αμέσως κάτω από την κυτταρι κή μεμβράνη, οι μικροσωληνίσκοι παρατάσσονται σε ακριβή αντιστοιΧία με τις ίνες της κυτταρίνης που βρίσκονται έξω από το κύτταρο (Εικόνες
21-7 Α
και Β). Οι μικροσωληνίσκοι αυτοί θεωρείται ότι λειτουργούν σαν οδοί που καθοδηγούν τη μετακίνηση των ενΖυμικών συμπλόκων (Εικόνα 21-ΊΓ). Με
αυτόν τον παράδοξα έμμεσο τρόπο, ο κυτταροσκελετός ελέγχει τη διάπλαση του φυτικού κυττάρου και τη διαμόρφωση των φυτικών ιστών. Όπως θα δού
με, αργότερα, για να ελέγξουν την αρχιτεκτονική των ιστών, τα Ζωικά κύττα ρα χρησιμοποιούν τον κυτταροσκελετό τους με πολύ πιο άμεσο τρόπο.
Εικόνα
21-7.
Η κατευθυνόμενη εναπόθεση
της κυπαρίνης στο κυπαρικό τοίχωμα των φυτικών κυπάρων. (Α) Προσανατολισμένα ι νίδια κυπαρίνης στο κυπαρικό τοίχωμα ενός
φυτικού κυπάρου όπως φαίνονται στο ηλε κτρονικό μικροσκόπιο. (Β) Προσανατολισμέ νοι μικροσωληνίσκοι ακριβώς κάτω από την κυπαρική μεμβράνη ενός φυτικού κυπάρου. (Γ) Ο προσανατολισμός των νεοαποθετειμέ νων εξωκυπάριων μικρο'ίνιδίων κυπαρίνης
τα εξωτερικά άκρα των μικρσ'ίνιδίων
μπορεί να καθορίζεται από τον προσανατολι
κυπαρίνης ενσωματώνονται στο προϋπάρχον τοίχωμα
σμό των ενδοκυπάριων μικροσωληνίσκων. Τα μεγάλα ενζυμικά σύμπλοκα της συνθάσης της κυπαρίνης είναι εσωτερικές
/\
μεμβρανικές
πρωτεΊνες οι οποίες συνεχώς συνθέτουν μι κρο'ίνίδια κυπαρίνης πάνω στην εξωτερική πλευρά της κυπαρικής μεμβράνης. Το εξωτε
κυπαρική
ΕΞΩΚΥΠΑΡΙΟΣ
μεμβράνη
ΧΩΡΟΣ
/
ρικό άκρο των άκαμπτων μικρο'ίνιδίων ενσω
ματώνεται στο τοίχωμα. Η επιμήκυνση των μι κρο'ίνιδίων στο άλλο άκρο προωθεί το σύ
μπλοκο της συνθάσης κατά μήκος του επιπέ δου της μεμβράνης. Επειδή οι μικροσωληνί σκοι του φλοιού προσκολλώνται στην κυπαρι
κή μεμβράνη κατά τρόπο που περιορίζει το εν ζυμικό σύμπλοκο σε καθορισμένα μεμβρανικά μονοπάτια, ο προσανατολισμός των μικροσω ληνίσκων καθορίζει και την κατεύθυνση στην
οποία θα εναποτίθενται τα μικροϊνίδια. (Α, με την άδεια των
Brian Wells και Keith Roberts. με την άδεια του Brian Gunning).
874
Κεφάλαιο 21: Ιστοί και Καρκίνος
Β.
σϋμπλοκο της συνθάσης της κυπαρίνης
ΚΥΠΑΡΟΔIΜγΜΑ
0.1
μm
ένας μικροσωληνίσκος προσκολλημένος στην κυπαρική μεμβράνη
Οι συνδεIlκοί Imol των Ζώων αποτελούνται κυρίως
από εξωκυπάρlO mρώμα Παραδοσιακά, οια Ζώα αναγνωρίΖΟνταιτέσσερα κύρια είδη ιοιών: συν δεηκός, επιθηλιακός, νευρικός και μυϊκός. Ωοιόσο, η βασική αρχιτεκτονική διάκριση γίνεται ανάμεσα οιο συνδεηκό ιοιό από τη μια και όλους τους άλ λους ιοιούς από την άλλη. Στο συνδεηκό ιοιό, το εξωκυπάριο οιρώμα είναι άφθονο και σηκώνει το μηχανικό φορτίο. Σε άλ/ους ιοιούς, όπως τα επιθή
λια, το εξωκυπάριο οιρώμα είναι λιγοοιό και τα κύπαρα συνδέονται άμεσα μεταξύ τους και σηκώνουν μόνα τους το μηχανικό φορτίο.
Οι συνδεηκοί ιοιοί των Ζώων εμφανίΖουν εξαιρεηκή ποικιλότητα. Μπορεί να είναι σκληροί και εύκαμπτοι, όπως οι τένοντες ή η δερμίς του δέρματος,
σκληροί και πυκνοί, όπως τα οοιά, ελαοιικοί και ικανοί να απορροφούντους κραδασμούς, όπως οι Χόνδροι, ή μαλακοί και διαφανείς, όπως η πηκτή που
γεμίΖει το εσωτερικό του οφθαλμού. Σε όλα αυτά τα παραδείγματα,το μεγαλύ τερο μέρος του ιστού καταλαμβάνεταιαπό εξωκυπάριο οιρώμα και τα κύπαρα που παράγουν το στρώμα είναι διάσπαρτα μέσα οιον ιοιό σαν ης οιαφίδες σ'
ένα οιαφιδόψωμο (Εικόνα 21-8). Σε όλους αυτούς τους ιοιούς, η εκταηκή δύ ναμη, άσχετα από το μέγεθός της, δεν παρέχεται από έναν πολυσακχαρίτη (ό
πως οια φυτά) αλλά από μια ινώδη πρωτε1\ιη, το κολ/αγόνο
(collagen). Τα διά
φορα είδη του συνδετικού ιοιού οφείλουν τα ειδικά χαρακτηριοιικά τους οιον τύπο του κολ/αγόνου που περιέχουν, στην ποσότητά του και, το πιο σημαντικό,
οι' άλλα μόρια που διαπλέκονται με το κολ/αγόνο σε ποικίλλουσες αναλογίες.
Το κολλαγόνο προσδίδει εκταIlκή Ισχύ mους συνδεIlκούς ιmούς των Ζώων Το κολ/αγόνο βρίσκεται σε όλα τα πολυκύπαρα Ζώα και υπάρχει σε πολ-
Εικόνα
21·8.
Εγκάρσια διατομή ενός οστού.
Τα κύπαρα φαίνονται σαν μικρές αράχνες εν σωματωμένες στο στρώμα του οστού που κα ταλαμβάνει το μεγαλύτερο μέρος του όγκου του οστού και του προσδίδει όλη τη μηχανική
ισχύ του. Οι εναλλασσόμενες φωτεινές και σκοτεινές ζώνες είναι στιβάδες στρώματος που περιέχουν προσανατολισμένο κολλαγόνο (γίνεται ορατό με τη βοήθεια του πολωμένου
φωτός). Οι χώροι ανάμεσα στα ινίδια του κολ λαγόνου γεμίζουν με κρυστάλλους φωσφορι κού ασβεστίου οι οποίοι κάνουν το στρώμα του
L--J 100
μm
οστού ανθεκτικό τόσο σε τάση όσο και σε συ μπίεση (ένα βιολογικό «μπετόν αρμέ»).
Το Εξωκuττάριο Στρώμα και οι Σuνδετικοί Ιστοί
875
•,
Ερώτηση
21-2
λές ποικιλίες. Τα θηλασΤικά έχουν περίπου
20
διαφορεηκά γονίδια κολ/α
Οι μεταλλάξεις στα γονίδια
γόνου, 10 οποία κωδΙΚΟΠΟ1ούνης ποικίλες μορφές 1Ου κολ/αγόνου που εί
που κωδικοποιούν τα κολ
νΟ! απαραίτητεςγια 1Ους διάφορους ιστούς. Τα κολ/αγόνα είνΟ! ΟΙ κύριες
λαγόνα συχνά έχουν κατα
πρωτεΤνες σΤα ΟσΤά, σΤους τένοντες κο! σΤΟ δέρμα κο! αντιπροσωπεύουν10
στροφικές συνέπειες κο! ο
25% της
δηγούν σε βαριά νοσήματα.
πό κάθε άλ/ο είδος πρωτεΤνης.
συνολικής μάΖας των πρωτεϊνών ενός θηλαστικού, περισσότερο α
Ιδιαίτερα δυσμενείς επιπτώ
Το χαρακτηΡΙσΤικό γνώρισμα ενός Τυπικού μορίου κολ/αγόνου είνΟ! η
σεις έχουν οι μεταλλάξεις που αλ/άΖουν
μακριά, άκαμπτη, τρίκλωνη ελικοειδής δομή 1Ου, σΤην οποία τρεις πολυπε
τα κοτάλΟ1πα της γλυκίνης, τα οποία εί
πηδικές αλυσίδες κολ/αγόνου περιελίσσovτO! η μια γύρω από την άλ/η σε
ναι απαραίτητα σε κάθε τρίτη θέση της
μια σΧΟ1νοειδή υπερέλικα (Εικόνα
πρωτεϊνικής αλυσίδας ώσΤε να μπορεί να
συναρμoλoγoύvτO!σε 1Οκηκά πολυμερή γνωστά ως ιv[διο κολ/αγόvοv (col-
συναρμολογηθεί στη χαρακτηΡΙσΤική τρί
lagen fibrils), 10 οποία είνΟ!λεπτά καλώδια με διάμετρο 10-300 nm
κλωνη ράβδο.
κος πολ/ών μικρομέτρων. Τα ινίδια 1Ου κολ/αγόνου συσκευάΖΟντΟ! μαΖί σε
Α. Οι μεταλλάξεις σΤα γονίδια 1Ου κολ/α
ακόμα παχύτερες [vες κολ/αγόvοv
21-9).
Με τη σειρά 1Ους, 10 μόρια αυτά
(collagen fibers)
(Εικόνα
κο! μή
21-9). ΆΛΛα μό
γόνου θα είναι άραγε καταστροφικές
ρια κολ/αγόνου διακοσμούν την επιφάνεια των Ινιδίων 1Ου κολ/αγόνου κο!
αν αφορούν σΤΟ ένα μόνο από τα δύο
δια συνδέουν 10 ινίδια τόσο 10 ένα με 10 άλ/ο όσο και με άλ/α συσΤαηκά1Ου
αvτίγραφα ενός γονιδίου;
εξωκυπάριουσΤρώμα1Ος.
Β. Μια αξιοσημείωτη παροτήρηση είναι
Τα κύπαρα 1Ου συνδεηκού ΙσΤού που κα1ΟικούνσΤο σΤρώμα κο! 10 παρα
όη η αλ/αγή μιας γλυκίνης σ' ένα άλ
σκευάΖουν έχουν διάφορες ονομασίες ανάλογα με 10 είδος 1Ου ΙσΤού: έτσι,
λο αμινοξύ έχει πιο δυσμενείς συνέ
σΤΟ δέρμα, στους τένοντες κο! σε πολ/ούς άλ/ους συνδεηκούς ΙσΤούς απο-
πειες αν συμβαίνει προς 10 αμινοτελι κό άκρο της ραβδοειδούς πεΡΙΟΧής. Προτείνοτεμια εξήγηση.
] 0.5-3
Εικόνα 21·9. Η οργάνωση και η δομή του κολ· λαγόνου. Στην ηλεκτρονιομικρογραφία φαίνο νται ινίδια κολλαγόνου στον συνδετικό ιστό
του δέρματος ενός εμβρύου όρνιθας. Τα ινίδια οργανώνονται σε δεμάτια, μερικά από τα ο ποία εκτείνονται στο επίπεδο της τομής ενώ
ινίδιο κολλαγόνου
άλλα περίπου σε ορθή γωνία προς αυτό το επί
πεδο. Το κύπαροτης φωτογραφίας είναι μια ι νοβλάστη που εκκρίνει το κολλαγόνο όπως ε πίσης και άλλα συστατικά του εξωκυπάριου στρώματος. Τα σχεδιαγράμματα δείχνουν τη
τρίκλωνο μόριο κολλαγόνου
μοριακή δομή των ινιδίων του κολλαγόνου. (Η
φωτογραφία προέρχεται από C. Ploetz, Ε.Ι.
Zycband
και Ο.Ε,
Birk, J. Struct.
ΒίοΙ.
106:73-
81,1991).
876
Κεφάλαιο 21 : Ιστοί και Καρκίνος
μονή πολυπεmιδική αλυσίδα κολλαγόνου
μm
KαλOύνταΙlνo6iΊάστες
στες
(fibroblasts)
(osteoblasts). Τα κύπαρα
(Εικόνα
21-10),
ενώ σω οστά οστεο6Λά
παράγουν το κολ/αγόνο και τα άλλα οργανικά
συσrαΤΙKά του σrρώματoς. Όλα σχεδόν αυτά τα μόρια συντίθενται ενδοκυπά ρια και κατόπιν απελευθερώνονται κατά τον συνήθη τρόπο, δηλαδή με εξω κυπάρωση. Στο εξωτερικό του κυπάρου συναρμολογούνται σε τεράσrια συσ σωματώματα. Αν η συναρμολόγηση συνέβαινε πρόωρα, πριν από την έκκρι
ση, το κύπαρο θ' ασφυκτιούσε KατασrΡOφlKά από ω δικά του προϊόντα. Στην περίπτωση του κολ/αγόνου, τα κύπαρα αποφεύγουν αυτόν τον κίνδυνο, εκ κρίνοντας τα μόρια του κολ/αγόνου σε μια πρόδρομη μορφή. Πρόκειται για
το ΠΡΟΚΟΜαvόvο
(procollagen), το οποίο
σε κάθε άκρο του διαθέτει επιπρό
L---.J
σθετα πεπτίδια που παρεμποδίΖουν τη συναρμολόγηση σε ινίδια κολ/αγό νου. Η ΚΟΜαvοvάσn
(collagenase), ένα εξωκυπάριο
ένΖυμο αποκόπτει αυτές
τις ακραίες περιοΧές. Έτσι, η συναρμολόγηση μπορεί να πραγματοποιηθεί
Εικόνα
21-10.
μm
Ηλεκτρονιομlκρογραφία σά
ρωσης ινοβλαστών στον συνδετικό ιστό. Ο
[-
στός προέρχεται από τον κερατοειδή ενός α
μόνο μετά την εξαγωγή των μορίων σroν εξωκυπάριο Χώρο. Μερικοί άνθρωποι έχουν μια γενετική διαταραΧή σrην κολ/αγονάση που εμποδίΖει τη σωσrή συναρμολόγηση των ινιδίων του κολ/αγόνου, με συνέ
πεια το δέρμα και διάφοροι άλ/οι συνδετικοί ισroί να έχουν μειωμένη εκτα τική ισχύ και παθολογική εκτασιμότητα (Εικόνα
0.1
21-11).
ρουραίου. Το εξωκυπάριο στρώμα που περι βάλλει τις ινοβλάστες αποτελείται κυρίως από ινίδια κολλαγόνου. Άλλα συστατικά τα οποία κανονικά σχηματίζουν μια ένυδρη πηκτή που γεμίζει τους χώρους ανάμεσα στα ινίδια του
κολλαγόνου έχουν αφαιρεθεί με κατεργασία
Τα κύπαρα των ισrών εκτός από το να παράγουν σrρώμα πρέπει επίσης
και να είναι ικανά να το αποδομούν. Αυτό είναι απαραίτητο για την αύξηση,
με ένζυμα και οξέα. (Από Τ. Nishida et al.lnvest. Ophtha/mo/. Vis. Sci. 29:1887-1890, 1988).
επιδιόρθωση και ανανέωση των ιστών. Επίσης είναι απαραίτητο σrην περί
πτωση των μετανασrευΤΙKών κυπάρων, όπως τα μακροφάγα, που πρέπει ν'
ανοίξουν δρόμο μέσα σro παΧύ σrρώμα του κολ/αγόνου και των άλλων πο λυμερών του στρώματος. Οι πρωτεάσες του στρώματος οι οποίες διασπούν εξωκυπάριες πρωτείνες συμμετέχουν σε πολ/ές παθολογικές διεργασίες, που κυμαίνονται από την αρθρίτιδα (συνεισφέρουν στην αποδόμηση του
Χόνδρου στις προσβεβλημένες αρθρώσεις) έως τον καρκίνο (βοηθούν τα
καρκινικά κύπαρα να διεισδύσουν στους φυσιολογικούς ιστούς).
Τα κύπαρα οργανώνουν το κολλαγόνο που εκκρίνουν Τα ινίδια του κολ/αγόνου, για να κάνουν τη δουλειά τους, πρέπει να έ χουν τη σωστή διάταξη. Για παράδειγμα, στο δέρμα υφαίνονται σ' ένα χαλα
ρό πλέγμα ή σ' εναλλασσόμενες σrιβάδες με διαφορετικό προσανατολισμό έτσι ώστε να μπορούν ν' ανθίστανται σε τράβηγμα που ασκείται από πολ/ές
κατευθύνσεις (Εικόνα
21-12).
Στους τένοντες (οι οποίοι διασυνδέουν τους
μυς με τα οστά), παρατάσσονται σε παράλληλες δέσμες κατά μήκος του κύ ριου άξονα της τάσης.
Τα κύπαρα του συνδετικού ιστού ελέγχουν τον προσανατολισμό εν μέρει εναποθέτοντας το κολ/αγόνο με ορισμένο προσανατολισμό και εν μέρει α-
Εικόνα
21-11. Υπερεκτασιμότητα
του δέρματος. Ο
James Morris, «ο άνθρωπος με το
ελαστικό δέρμα», σε μια φωτογραφία τραβηγμένη το
1890.
Η παθολογική εκτασιμότη
τα του δέρματος είναι μια εκδήλωση ενός γενετικού συνδρόμου που προκύmει από λανθασμένη συναρμολόγηση ή διασύνδεση του κολλαγόνου. Σε ορισμένα άτομα, αυτό οφείλεται σε βλάβη της κολλαγονάσης η οποία μετατρέπει το προκολλαγόνο σε κολ λαγόνο.
Το Εξωκυττάριο Στρώμα και οι Συνδετικοί Ιστοί
877
ναδιατάσσοντάς το στη συνέχεια. Κατά την ανάmυξη του ιστού, οllνοΒλάστες επεξεργάΖΟνται το κολ/αγόνο που ήδη είχαν εκκρίνει, έρποντας πάνω του και τραΒώντας το. Έτσι, συμΒάλ/ουν στην σύμπηξή του σε φύλ/α ή στη λέ πτυνσή του σε καλώδια. Ο μηχανικός ρόλος των lνοΒλαστών στη διαμόρφω
ση των στρωμάτων του κολ/αγόνου φαίνεται ξεκάθαρα σε μια καλ/Iέργεια. Αν αναμείξουμε lνοΒλάστες μ' ένα πλέγμα ινιδίων κολλαγόνου με τυχαίο προσανατολισμό που σχηματίΖουν μια πηκτή μέσα σ' ένα τρυΒλίο καλ/Iέρ
γειας, οllνοΒλάστες τραβούν το πλέγμα και συγκεντρώνουν το κολ/αγόνο α πό το περlΒάλ/ον τους, το οποίο μετά συμπυκνώνουν. Αν πάνω σε μια πηκτή κολ/αγόνου τοποθετηθούν δύο μικρά κομμάτια εμΒρυϊκού ιστού που περιέ χουν lνοΒλάστες, τότε το κολ/αγόνο που Βρίσκεται ανάμεσά τους θα οργα νωθεί σε μια συμπαγή Ζώνη ευθυγραμμισμένων ινών που θα συνδέουν 10
δύο κομμάτια (Εικόνα 21-13). ΟllνοΒλάστες εγκαταλείπουν τον εμΒρυϊκό ι στό και πορεύονται κατά μήκος των ευθυγραμμισμένων ινών του κολ/αγό νου. Επομένως, οllνοΒλάστες επηρεάΖουν την παράταξη των ινών του κολ
λαγόνου και αυτές, με τη σειρά τους, επηρεάΖουν την κατανομή των lνοβλα στών. Οllνοβλάστες φαίνεται ότι παίΖουν ανάλογο ρόλο στη δημιουργία τά
5μm
Εικόνα
21-12.
Ηλεκτρονιομικρογραφία μιας
ξης στο εξωκυπάριο στρώμα του σώματος. Για παράδειγμα, συμβάλ/ουν στη
εγκάρσιας διατομής από το δέρμα ενός γυ
δημιουργία των τενόντων και των αδρών, πυκνών στιΒάδων συνδετικού ι
ρίνου. Προσέξτε τη διάταξη των ινιδίων του
στού που περιΒάλουν και διασυνδέουν τα περισσότερα όργανα.
κολλαγόνου που μοιάζει με ξύλο κόντρα πλα κέ. Διαδοχικές στιβάδες ινιδίων εναποτίθενται
σχεδόν υπό ορθή γωνία η μια σε σχέση με την άλλη (βλ. επίσης Εικόνα 21-9). Η ίδια διάταξη βρίσκεται επίσης στα ώριμα οστά και στον κε ρατοειδή. (Με την άδεια του
Jerome Gross).
Οι ιντεγκρίνες συνδέουν 10 mρώμα που βρίσκεται
mo εξωτερικό 1Ου κυπάρου με τον ενδοκυπάρlO κυπαροσκελετό Τα κύπαρα πρέπει να προσκολ/ώνταl στο στρώμα για να μπορούν να το
τραΒούν και να έρπουν πάνω του. Τα κύπαρα δεν προσκολ/ώνται καλά πά νω στο γυμνό κολ/αγόνο. Μια σύνδεση ανάμεσα στα κύπαρα και το στρώμα παρέχεται από την ινωδονεκτίνΩ
(fibronectin),
μια άλ/η πρωτεΊνη του εξω
κυπάριου στρώματος: ένα τμήμα του μορίου της lνωδονεκτίνης προσδένεται
στο κολ/αγόνο ενώ ένα άλ/ο τμήμα του σχηματίΖει μια θέση προσκόλ/ησης για ένα κύπαρο (Εικόνα 21-14Α).
Εικόνα
21-13.
Η διάπλαση του στρώματος
του κολλαγόνου από τα κύπαρα. Στη μικρο γραφία αυτή φαίνεται μια περιοχή ανάμεσα σε
δύο κομμάτια της καρδιάς ενός εμβρύου όρνι θας (πλούσια σε ινοβλάστες όπως επίσης και σε μυοκαρδιακά κύπαρα) τα οποία έχουν υπο βληθεί σε καλλιέργεια επί τέσσερις ημέρες πά νω σε μια πηκτή κολλαγόνου. Ανάμεσα στα κομμάτια έχει σχηματιστεί μια πυκνή δέσμη ευ
θυγραμμισμένων ινών κολλαγόνου. Η δέσμη αυτή μάλλον προέκυψε από την επίδραση των ινοβλαστών των δύο κομματιών πάνω στο κολ λαγόνο. (Από ΒίοΙ.
878
D. Stopak 90:383-398, 1982).
και Α.Κ.
Harris, Dev.
Κεφάλαιο 21 : Ιστοί και Καρκίνος
1 mm
Ν
ίνα κολλαγόνου (ισχυρή) Ν
ινωδονεκτίνη σύνδεση με το κολλαγόνο
----/'-.. ιντεγκρίνη κυπαρική
~ΞΞ~I~§§§s ] μεμβράνη ~ ι;: (ασθενής)
νημάτιο ακτίνης (ισχυρό) (Α)
Εικόνα 21-14. Η μοριακή σύνδεση από το εξωκuπάριο στρώμα στον κuπαροσκελετό ενός ζωικού κuπάροu. (Α) Σχεδιάγραμμα και (Β) ηλεκτρονιομικρογραφία ενός μορίου ινωδονεκτίνης. (η Η διαμοριακή σύνδεση που διαμεσολαβείται από ένα μόριο ιντεγκρίνης. Το μόριο της ιντεγκρίνης μεταδίδει την τάση διαμέσου της κυπαρικής μεμβράνης. Στο εσωτερικό του κυπάρου αγκυροβολεί στον κυπαροσκελετό, ενώ στο εξωτερικό, μέσω της ινωδονεκτίνης, με το εξωκυπάριο στρώμα. Η ίδια η κυπαρική μεμβράνη δεν χρειάζεται να είναι ισχυρή [Β, α πό
J. Engel et al., J.
Μο/, Βίο/.
150:97-120,1981. Academic Press Inc. (London) Ltd).
Το κύπαρο προσδένετοι
aI:nv ειδική θέση της ινωδονεκτίνης μέσω μιας
πρωτεΊνης-υποδοχέα, Υνωστής ως lVτεγκρίνη
(integrin),
η οποία διαπερνά
την κυπαρική μεμβράνη. Ενώ η εξωκυπάρια περιοχή της ιντεγκρίνης προσ
δένετοι στην ινωδονεκτίνη, το άλ/ο άκρο του μορίου της ιντεγκρίνης που βρίσκετοι στο κυπαροδιάλυμα σχηματίΖει μια θέση προσκόλ/ησης για ΤΟ νη
μάτια της ακτίνης (Εικόνα 21-14Γ). Έτσι, αντί ν' αποκοπεί από τη μεμβράνη
ότον μετοξύ του κυπάρου και του στρώματος υπάρχει τάση, το μόριο της ι ντεγκρίνης μετοδίδει την τάση από το στρώμα στον κυπαροσκελετό. Στους συνδέσμους ανάμεσα στους μυς και τους τένοντες, τα μυϊκά κύπαρα διασυν δέουν με παρόμοιο τρόπο τη συσταλτική συσκευή τους με το εξωκυπάριο στρώμα και έτσι είναι σε θέση ν' ασκούν ισχυρές δυνάμεις ενώ εξακολου θούν να περικλείονται σε μια λεπτή, εύθραυστη λιπιδική διπλοστιβάδα. Οιιντεγκρίνες επίσης παίΖουν ρόλο στην κυπαρική σηματοδότηση. Η αλ ληλεπίδρασή τους με μόρια του εξωκυπάριου στρώματος ενεργοποιεί ενδο κυπάριες σηματοδοτικές ακολουθίες μέσω πρωτεϊνικών κινασών που σχετί
Ζονται με το ενδοκυπάριο άκρο των ιντεγκρινών. Κατ' αυτόν τον τρόπο, οι ε ξωτερικές συνδέσεις που πραγματοποιεί ένα κύπαρο ρυθμίζουν αν θ' αυξη θεί, θα διαιρεθεί, θα επιβιώσει, θα διαφοροποιηθεί ή θα πεθάνει.
Πηκτές από πολυσακχαρίτες και πρωτε'ί'vες γεμίΖουv τους Χώρους αvάμεσα στα κύπαρα και
OVelmaVIat
στη συμπίεση Το κολ/αγόνο παρέχει εκτατική ισχύ και εξασφαλίΖει αντοχή στη διάτο ση. Στο Ζώα, τη συμπληρωματική λειτουργία, δηλαδή την αντοχή στη συμπίε ση και την πλήρωση των Χώρων ανάμεσα στα κύπαρα, εξυπηρετεί μια εντε-
Το Εξωκυττάριο Στρώμα και οι Συνδετικοί Ιστοί
879
Εικόνα
21-15.
Το υαλουρονικό, μια σχετικά
επαναλαμβανόμενος δισακχαρίτης
απλή γλυκοζαμινογλυκάνη. Το υαλουρονικό αποτελείται από μια απλή μακριά αλυσίδα που 25,000 επαναλαμβανόμενες μο
περιέχει έως
νάδες δισακχαριτών, που καθεμιά τους φέρει αρνητικό φορτίο. Όπως και σε άλλες γλυκοζα
μινογλυκάνες, το ένα από τα υδατανθρακικά μονομερή κάθε δισακχαριτικής μονάδας είναι ένα αμινοσάκχαρο. Πολλές γλυκοζαμινογλυ
/
ΗΟ
CH
CH 3
~ Ι
-'ο
H2
Ο
ΝΗ
C=O
6Η 3
κάνες έχουν επιπρόσθετες αρνητικά φορτι σμένες πλευρικές αλυσίδες και ιδίως σουλφο
Ο
~ H ΗΟ
Ο
COOO Θ
Ι C=O
Ι
~ ΝΗ
0-_
Ο
Ι
ΟΗ
γλυκουρονικό οξύ
νικές ομάδες.
Θ
~ oΟ o ΟΗ
ΗΟ
2
Ν-ακετυλογλυκοζαμίνη
ί\ώς διαφορετική ομάδα μακρομορίων του εξωκυπάριου mρώματος. Είναι οι
πρωrεογί'Jvκάvες
(proteoglycans),
εξωκυπάριες πρωτεΙνες που συνδέονται
με τα μόρια μιας ειδικής κατηΥορίας πολύπλοκων, αρνητικά φορτισμένων
πολυσακχαριτών, Υνωmών ως ΥλυΚΟΖαμινΟΥλυκάνες
GAGs)
(Εικόνα
21-15).
(glycoaminoglycans,
Οι πρωτεΟΥλυκάνες έχουν εξαιρετική ποικιλότητα
ως προς το μέΥεθος, το σχήμα και τη χημεία τους. Συνήθως σε μια πρωτει'vη
προσδένονται πολλές αλυσίδες ΥλυΚΟΖαμινΟΥλυκανών, οι οποίες με τη σει ρά τους μπορεί να συνδέονται
mo
ένα άκρο τους με μια άλλη ΥλυΚΟΖαμινο
Υλυκάνη, δημιουΡΥώντας ένα τεράmιο μόριο που μοιάΖει με βούρτσα Υια μπουκάλια, μοριακού βάρους της τάξης των εκατομμυρίων (Εικόνα
1μm οι(
•
21-16).
συνάθραισμα πρωτεογλυκανών
~-~--
μόρια _.~~~~r,-
υaλOυΡOνΙKOύ ~
(Β)
Εικόνα
21-16. Ένα
συνάθροισμα πρωτεογλυκανών από έναν χόνδρο. (Α) Ηλεκτρονιομικρογραφία ενός συναθροίσματος απλωμένου πά
νω σε μια επίπεδη επιφάνεια. Φαίνονται επίσης πολλές ελεύθερες υπομονάδες που είναι μεγάλα μόρια πρωτεογλυκάνης. πόδοση του γιγαντιαίου συσσωματώματος που εικονίζεται στο (Α), που δείχνει πως συγκροτείται από γλυκοζαμινογλυκάνες
(8) Σχηματική α (GAG) και πρω
τε[νες. Το σύμπλοκο αυτό μπορεί να έχει μοριακό βάρος 108 ή και περισσότερο και καταλαμβάνει όγκο περίπου ίσο με τον όγκο ενός βα κτηρίου (περίπου 2 χ 10-12 cm 3). (Α, με την άδεια του Lawrence Rosenberg).
880
Κεφάλαιο 21 : Ιστοί και Καρκίνος
Στους πυκνούς, συμπαγείς συνδετικούς ιστούς όπως οι τένοντες και τα ο
στά, η αναλογία των γλυΚΟΖαμινογλυκανών είναι μικρή και το στρώμα απο τελείται σχεδόν αποκλειστικά από κολλαγόνο (ή, στην περίπτωση των οστών,
από κολλαγόνο μαΖί με κρυστάλλους φωσφορικού ασβεστίου). Στο άλλο ά κρο, η πηκτοειδής ουσία στο εσωτερικό του ματιού αποτελείται σχεδόν απο κλειστικά από ένα ορισμένο είδος γλυΚΟΖαμινογλυκανών και από νερό, ενώ
το κολλαγόνο που περιέχει είναι λίγο. Γενικά, οι γλυΚΟΖαμινογλυκάνες είναι πολύ υδρόφιλες και εκπτύσσονται πολύ, με συνέπεια να καταλαμβάνουν τε ράστιο όγκο σε σχέση με τη μάΖα τους (βλ. Εικόνα
21-16).
ΣχηματίΖουν πη
κτές ακόμα και σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Τα πολλαπλά αρνητικά
φορτία τους προσελκύουν ένα νέφος κατιόντων, όπως τα κατιόντα του
Na +,
που είναι ωσμωτικώς δραστικά και προσροφούν μεγάλες ποσότητες νερού μέσα στο στρώμα. Αυτό δημιουργείμια πίεση διόγκωσης, η οποία αντισταθ μίΖεται από την τάση των ινών του κολλαγόνου που διαπλέκονται με τις πρω
τεογλυκάνες. Όταν το στρώμα περιέχει άφθονο κολλαγόνο και μεγάλες πο σότητες γλυΚΟΖαμινογλυκανώνπαγιδευμένες στα πλέγματά του, τόσο η πίε ση διόγκωσης όσο και η αντισταθμιστική τάση είναι τεράστιες. Ένα τέτοιο στρώμα είναι σκληρό και ανθίσταται σε συμπίεση. Για παράδειγμα, τέτοιο χα ρακτήρα έχει το Χόνδρινο στρώμα που επενδύει την άρθρωση του γόνατος:
μπορεί ν' αντέξει σε πιέσεις εκατοντάδων κιλών ανά τετραγωνικό εκατοστό.
Εκτός από το γεγονός ότι παρέχουν ενυδατωμένοΧώρο γύρω από τα κύτ ταpα, οι πρωτεογλυκάνεςεπιτελούν πολλές περίτεχνες λειτουργίες. Σχηματί Ζουν πηκτές, με ποικίλλουσα πυκνότητα φορτίων και ποικίλο μέγεθος πό ρων, που δρουν ως ηθμοί για να ρυθμίΖουντη δίοδο μορίων διαμέσου του ε
ξωκυττάριου μέσου. Προσδένουν αυξητικούς παράγοντες και άλλες πρω τε'ί'νες που λειτουργούν ως σήματα για τα κύτταρα. ΠαρεμποδίΖουν, ενθαρ ρύνουν ή καθοδηγούν τη μετανάστευση των κυττάρων διαμέσου του στρώ
•,
ματος. Έτσι, με όλους αυτούς τους τρόπους, τα συστατικά του στρώματος ε
Ερώmσn21-3
πηρεάΖουν τη συμπεριφορά των κυττάρων, συχνά ακόμα και των ίδιων των
Οι πρωτεογλυκάνες χαρα
κυττάρων από τα οποία παράγεται το στρώμα: είναι μια αλληλεπίδραση που
κτηρίΖΟνται από την αφθο
έχει σημαντικές επιπτώσεις στη διαφοροποίησητων κυττάρων. Σήμερα, πα
νία των αρνητικών φορτίων
ρά την αδιαμφισβήτητη πρόοδο, πολλά ερωτήματα παραμένουν αναπάντητα
πάνω στις υδατανθρακικές
σχετικά με το πώς τα κύτταρα υφαίνουν το πλέγμα των μορίων του στρώμα
ομάδες τους. Πώς θα μετα
τος και πώς οργανώνονται και δρουν τα χημικά μηνύματα που αφήνουν μέ
βάλλονταν οι ιδιότητες αυ
σα στο στρώμα.
τών των ενώσεων αν τα αρνητικά φορτία
δεν ήταν τόσο άφθονα;
Επιθηλιακά φύλλα και
διακυιιάριοι σύνδεσμοι Στο σώμα ενός σπονδυλωτού υπάρχουν πάνω από
200 διαφορετικοί τύ
ποι κυττάρων. Οι περισσότεροι οργανώνονται σε επιθήλια, όπου τα κύτταρα συνενώνονται πλάι-πλάι για να σχηματίσουν πολυκύτταρα φύλλα. Μερικές
φορές, το φύλλο έχει πάχος πολλών κυττάρων, δηλαδή είναι πoί'Jύσπ6o
(stratified),
όπως στην επιδερμίδα, ενώ άλλοτε έχει πάχος ενός μόνο κυττά
ρου και αποκαλείται οπΛό, όπως στον βλεwογόνο του εντέρου. Τα κύτταρα
Επιθηλιακά Φύλλα κω Διακυττάριο\ Σύνδεσμοι
881
Εικόνα 21-17. Διάφοροι τρόποι συσκευασίας
--..
κυπάρων για τη δημιουργία ενός επιθηλια κού φύλλου.
απλό
πολύστιβο
••• κυλινδρικό
κυβικό
πλακώδες
μπορεί να είναι υψηΜ και κυΛινδρικά ή κυΒικά και πΛaκώδπ (Εικόνα
17).
21-
Μπορεί να είναι όλα ίδια ή ν' αποτελούν μείγμα από διάφορα είδη.
Μπορεί απλώς να λειτουργούν σαν ένα προστατευτικό φράγμα ή να επιτε λούν περίπλοκες βιοχημικές λειτουργίες, όπως να εκκρίνουν εξειδικευμένα
προϊόντα (π.χ. ορμόνες, γάλα ή δάκρυα), ν' απορροφούν θρεπτικές ουσίες (στον βλεwογόνο του εντέρου) ή ν' ανιχνεύουν σήματα (π.χ. οι φωτοϋποδο χείς του ματιού ή τα τριχωτά κύπαρα του αυτιού). Ωστόσο, με όλες αυτές και
πολ/ές άλ/ες παραλ/αγές, υπάρχει ένα σταθερό σύνολο δομικών γνωρι σμάτων που είναι κοινό σε όλα τα επιθήλια των Ζώων. Η επιθηλιακή διάταξη των κυπάρων είναι τόσο κοινή ώστε να θεωρείται δεδομένη: ωστόσο, όπως
θα δούμε, απαιτεί διάφορες εξειδικευμένες επινοήσεις που υπάρχουν σε με γάλη ποικιλία στα διάφορα είδη κυπάρων. Επιθήλια καλύπτουν την εξωτερική επιφάνεια του σώματος και επενδύ ουν όλες τις εσωτερικές κοιλότητές του. Τα επιθήλια πρέπει να υπήρξαν ένα πρώιμο χαρακτηριστικό στην ανάπτυξη των πολυκύπαρων Ζώων. Η σημασία τους είναι προφανής. Τα κύπαρα που διασυνδέονται σ' ένα επιθηλιακό φύλ
λο δημιουργούν έναν φραγμό που έχει για τον πολυκύπαρο οργανισμό την ίδια σημασία που έχει για ένα απλό κύπαρο η κυπαρική μεμβράνη. Έτσι, διατηρεί ορισμένα μόρια «μέσα» και άλ/α «έξω», προσλαμβάνει θρεπτικές ουσίες και απ οβάλ/ει άχρηστα προϊόντα, περιέχει υποδοχείς για περιβαλ/ο
ντlκά σήματα και προφυΜσσει το εσωτερικό του οργανισμού από τη διείσ ελεύθερη επιφάνεια κοργΦΑIΑ
, ,,• \
βασικός υμένας
Τα επιθηλιακά φύλλα είναι πολωμένα και στηρίΖονται
πάνω σ' έναν βασικό υμένα Ένα επιθηλιακό φύλ/ο έχει δύο πλευρές: η κορυφαία επιφάνεια
surface) είναι ελεύθερη ΒΑΣΙΚΗ
συνδετικός ιστός
Εικόνα
21·18.
Η πολωμένη οργάνωση ενός
επιθηλιακού φύλλου.
882
δυση των μικροοργανισμών και την απώλεια υγρών.
Κεφάλαιο 21 : Ιστοί και Καρκίνος
(apical
και εκτεθειμένη στον αέρα ή σ' ένα υδατικό υγρό, ε
νώ η βασική επιφάνεια υποστηρίΖεται σε κάποιον άλ/ο ιστό
έ
ναν συνδετικό ιστό - στον οποίο προσκολ/άται (Εικόνα
- συνήθως σ' 21-18). Η βασική
ε
πιφάνεια του επιθηλίου στηρίΖεται από ένα λεπτό σκληρό φύλ/ο εξωκυπά
ριου στρώματος που αποκαλείται Βασικός υμένας
(basallamina)
(Εικόνα
Εικόνα
21-19.
Ηλεκτρονιομlκρογραφία σά
ρωσης ενός βασικού υμένα στον κερατοειδή
επιθηλιακά κύπαρα
ενός εμβρύου όρνιθας. Μερικά από τα επιθη λιακά κύπαρα έχουν αφαιρεθεί έτσι ώστε να εκτεθεί η πάνω επιφάνεια του βασικού υμένα που «υφαίνεται» από κολλαγόνο τύπου
IV. Ένα
δίκτυο άλλων ινιδίων κολλαγόνου στον υποκεί
μενο συνδετικό ιστό αλληλεπιδρά με την κάτω πλευρά του υμένα. (Με την άδεια του
Robert
Trelstad).
ινίδια κολλαγόνου
10
21-19).
μm
Ο βασικός υμένας αποτελείτΟ! από ένα εξειδικευμένο τύπο κολ/α
γόνου (κολ/αγόνο τύπου
IV) ΚΟ! από πΟ!κίλα
βάνε1ΟΙ ΚΟ! η πρωτε'ί'νη Λαμιvfvn
(laminin),
άλλα μόρια. Σε αυτά περιλαμ η οποία περιέχει θέσεις προ
σκόλ/ησης γlΟ μόρια ΙνΤεγκρίνης Της κυπαρικής μεμβράνης των επιθηλlΟ κών κυπάρων, δηλαδή έχει ρόλο ανάλογο με 10 ρόλο Της ινωδονεκτίνης σΤους συνδεηκούς ΙσΤούς.
Γενικά, η κορυφαία ΚΟ! η βασική πλευρά ενός επιθηλίου διαφέρουν από χημική άποψη. Αυτό ανηκαωπφίΖειΤην πολωμένη εσωτερική οργάνωση
των επιθηλlΟκών κυπάρων, που δlΟθέωυν κορυφή ΚΟ! πυθμένα με δlΟφο ρεηκές ιδιόΤητες. Η πολωμένη οργάνωση έχει Ζωηκή σημασία γlΟ Τη λει
ωυργία Των επιθηλίων. ΘεωρείσΤε,γlΟ παράδειγμα,10 απλό κυλινδρικόεπι θήλιο που επενδύει 10 λεπτό ένΤερο ενός θηλασΤικού. Αυτό αποτελεί1ΟΙ κυ
ρίως από δύο αναμεμειγμένουςτύπους κυπάρων, 10 απορροφnπκάκύπαρα
(absorptive cel1s) που προσλαμβάνουν θρεπηκές ουσίες ΚΟ! 10 καΛυκοειδή cel1s) , που ονομάΖΟνΤΟ! έιοι από 10 σχήμα ωυς, 10 οποία εκ
κύπαρα (goblet
κρίνουν βλέwα που 10 προφυλάσσει ΚΟ! λιπαίνει ων βλεwογόνοωυ ενΤέ
ρου (Εικόνα 21-20). ΠολωμένΟ! είνΟ! ΚΟ! ΟΙ δύο τύπΟ! κυπάρων. Τα απορ ροφηηκά κύπαρα εισάγουν μόρια Της φοφής δlΟμέσου Της κορυφαίας επι
φάνειάς ωυς από ων αυλό ωυ ενΤέρου ΚΟ! 10 εξάγουν δlΟμέσου Της βασι κής επιφάνειάςωυς σΤους υποκείμενουςΙσΤούς. ΓlΟ 10 σκοπό αυτό, απΟ! ωύν δlΟφορεηκές ομάδες με1Οφορικώνμεμβρανικώνπρωτεϊνών σΤην κο ρυφαία και Τη βασική κυπαρική μεμβράνη ωυς (βλ. Εικόνα
12-15). Πολω
μένα πρέπει να είνΟ! επίσης και 10 καλυκοειδή κύπαρα, αλ/ά με διαφορεη
κό φόπο: 10 κύπαρα αυτά πρέπει να συνθέωυν βλέwα ΚΟ! μετά να Την α πεκκρίνουνμόνο από 10 κορυφαία άκρα ωυς (βλ. Εικόνα 21-20). Για να 10 πετύχουν αυτό, η συσκευή Golgi, 10 εκκρπικά κυσΤίδlΟ ΚΟ! ο κυπαροσκελε-
Επιθηλιακά Φύλλα και Διακυττάριοι Σύνδεσμοι
883
Εικόνα 21-20. Λειτουργικά πολωμένα είδη κυπάρων στον βλεννογόνο του εντέρου. Στον βλεwογόνο του εντέρου τα απορροφητι
κά κύπαρα, που προσλαμβάνουν θρεπτικές ουσίες από το έντερο, αναμειγνύονται με τα καλυκοειδή κύπαρα, που εκκρίνουν βλέννα
στο έντερο. Τα απορροφητικά κύπαρα συχνά αποκαλούνται κύπαρα της ψηκτροειδούς πα ρυφής επειδή στην κορυφαία επιφάνειά τους
μικρολά)(Vες
βλέννα σε εκκριτικά κυστίδια καλυκοειδές κύπαρο
έχουν μια μάζα μικρολαχνών που μοιάζει με
ψήκτρα (βούρτσα). Οι μικρολάχνες αυξάνουν την επιφάνεια της μεμβράνης που είναι διαθέ
σιμη για τη μεταφορά μικρών μορίων μέσα στο κύπαρο. Τα καλυκοειδή κύπαρα παίρνουν αυ
απορροφητικό κύπαρο
τό το σχήμα από τη μάζα των εκκριτικών κυστι δίων που διατείνει την κορυφαία περιοχή τους. (Προσαρμοσμένο από R. Krstic, Human MicroscopicAnatomy. Berlin: Springer, 1991). βασικός υμένας
τός τους είναι ΟΡΥανωμένα ασύμμετρα. Παρόλο που πολ/ά ερωτήματα σχε τικά με το πώς διατηρείται αυτή η ΟΡΥάνωση παραμένουν αναπάντητα, είναι πλέον σαφές ότι βασίΖεται στους συνδέσμους που σχηματίΖουν τα επιθηλια κά κύπαρα τόσο μεταξύ τους όσο και με τον βασικό υμένα. Αυτές οι συνδέ
σεις ελέΥχουν την ενδοκυπάρια εντόπιση των πρωτεϊνών που κατευθύνουν την πολωμένη ΟΡΥάνωση του κυπαροπλάσματος.
Οι σrεγανoί σύνδεσμοι εμποδίΖουν τη διαρροή από το επιθήλιο και διαχωρίΖουν την κορυφαία από τη βασική επιφάνειά του Οι σύνδεσμοι των επιθηλιακών κυπάρων ταξινομούνται σύμφωνα με τη λειτουΡΥία τους. Ορισμένοι παρέχουν ένα στεΥανό σφράΥισμα και εμποδί Ζουν τη διαρροή μορίων από το επιθήλιο μέσω των χασμάτων που υπάρχουν ανάμεσα στα κύπαρα. Άλ/οι παρέχουν ισχυρή μηχανική σύνδεση, ενώ ακό
μα άλ/οι επιτρέπουν να διεξαΧθεί μια ειδική μορφή μύχιας χημικής επικοι νωνίας. Στα περισσότερα επιθήλια, όλοι αυτοί οι σύνδεσμοι συνυπάρχουν (Εικόνα
21-21).
Κάθε είδος συμβολής χαρακτηρίΖεται από ιδιαίτερες μεμ
βρανικές πρωτεΤνες που συΥκρατούν κύπαρα.
Η λειτουΡΥία της απόφραξης εξυπηρετείται (στα σπονδυλωτά) από τους στεγavούς συvδέσμους
(tight junctions).
Οι σύνδεσμοι αυτοί «σφραΥίΖουν»
(συΥκολ/ούν) τα Υειτονικά κύπαρα ώστε διάφορα υδατοδιαλυτά μόρια να μη μπορεί να περάσουν εύκολα ανάμεσα στα κύπαρα: αν ένας ιχνηθέτης προ στεθεί στη μια πλευρά ενός επιθηλιακού κυπαρικού φύλ/ου, συνήθως δεν
θα περάσει πέρα από το στεΥανό σύνδεσμο (Εικόνα
21-22).
Ο στεΥανός
σύνδεσμος σχηματίΖεται από πρωτεΤνες που ονομάΖΟνται κΛωvτ[vες
(claudins, από το Λατιν.
κΛε[vω) και οκΛουvτ[vες
(occludins, από το Λατιν.
α
ποφράσσω), οι οποίες παρατάσσονται δίπλα-δίπλα ώστε να δημιουΡΥήσουν
884
Κεφάλαιο 21 : Ιστοί και Καρκίνος
συνδετικό σύμπλοκο
..: : ....• ... ..... ..... ..
ονομασία
λειτουργία
στεγανός σύνδεσμος
συγκολλά τα γειτονικά κύτταρα σε μια επιθηλιακή στιβάδα και έτσι αποτρέπει τη διαρροή μορίων ανάμεσά τους
σύνδεση προσκόλλησης
ενώνει ένα δεμάτιο ακτίνης ενός κυπάρου μ' ένα ανάλογο δεμάτιο ενός γειτονικού KUΠάΡOυ
δεσμοσωμάτιο
συγκόλληση που αγκυροδετεί τα αδρά ενδιάμεσα ινίδια γειτονικών KUΠάρων
χασμοσύνδεσμος
διακυπάρια συμβολή που επιτρέπει τη δίοδο μικρών υδατοδιαλυτών ιόντων και μορίων
ημιδεσμοσωμάτιο
αγκυροδετεί τα ενδιάμεσα ινίδια ενός κυπάρου στον βασικό υμένα
...-ακτίνη
ενδιάμεσα
ινίδια
\.
\
βασικός υμένας
Εικόνα
21-21. Τα
κύρια είδη διακυπάριων συνδέσμων στα επιθήλια των ζώων. Οι χασμοσύνδεσμοι υπάρχουν αποκλειστικά στα επιθήλια'
τα υπόλοιπα είδη συνδέσμων βρίσκονται επίσης, σε τροποποιημένες μορφές, σε ποικίλους μη επιθηλιακούς ιστούς.
ων φραγμό. Αν δεν υπήρχαν οι mεγανοί σύνδεσμοι για να εμποδίΖουν τη διαρροή, η αVΤ!\ηΤΙKή δραmηριότητα των απορροφητικών κυπάρων (όπως
δΙOKUΠάΡΙOς χώρος
)
αλυσίδες πρωτεϊνών των
στεγανών
συνδέσεων
KUΠαΡOπλα σματικό ήμισυ της λιπιδικής διπλοστιβάδας
κύπαρο
1
Εικόνα
21-22. Οι στεγανοί
κύπαρο 1'--,---,_ _---' 2 0.3 μm
σύνδεσμοι επιτρέπουν στα κυπαρικά φύλλα να λειτουργούν ως φραγμοί στη διάχυση των διαλυτών ουσιών.
(Α) Ένα μικρό εξωκυπάριο μόριο-ιχνηθέτης που προστίθεται στη μια πλευρά ενός επιθηλιακού κυπαρικού φύλλου δεν μπορεί να διαπερά σει τους στεγανούς συνδέσμους που συγκολλούν τα γειτονικά κύπαρα.
(8) Ηλεκτρονιομικρογραφίες κυπάρων ενός επιθηλίου, όπου ένα
μικρό, εξωκυπάριο μόριο-δείκτης (σκούρα χρωστική) έχει προστεθεί στην κορυφαία (αριστερά) ή στην πλαγιοβασική πλευρά (δεξιά). Και
στις δύο περιmώσεις, ο ιχνηθέτης ανακόmεται από τον στεγανό σύνδεσμο. (η Ένα μοντέλο της δομής ενός στεγανού συνδέσμου, στο ο ποίο φαίνεται με ποιο τρόπο πιστεύεται ότι συγκολλώνται τα κύπαρα από πρωτεινες του εξωτερικού φύλλου της κυπαρικής μεμβρανικής διπλοστιβάδας. (8, με την άδεια του Daniel Friend).
Επιθηλιακά Φύλλα και Διακυττάριοι Σύνδεσμοι
885
κυπαρική μεμβράνη
νημάτιο του κυπαροσκελετού
ΙΟ κύπαρα του εντέρου) θα ήιον μάιοια και η σύσταση του μέσου στις δύο
πλευρές του επιθηλίου θα ήιον ομοιόμορφη. Όπως είδαμε στο Κεφάλαιο
11,
οι στεγανοί σύνδεσμοι παίΖουν επίσης βασικό ρόλο στη διατήρηση της
πολικότπιος των επιθηλιακών κυπάρων: το σύμπλοκο του στεγανού συνδέ σμου γύρω από το κορυφαίο άκρο κάθε κυπάρου εμποδίΖει τη διάχυση των μεμβρανικών πρωτεϊνών και έτσι διατηρεί την κορυφαία περιοχή της κυπα ρικής μεμβράνης διαφορετική από τη βασική (ή την πλαγιοβασική) περιοχή
της (βλ Εικόνα ΚΥΠΑΡΟ
Εικόνα
ΚΥΠΑΡΟ2
1
21·23. Τα
μόρια της καντερίνης διεκ·
περαιώνουν τη μηχανική προσκόλληση δύο γειτονικών κυττάρων. Δύο παρόμοια μόρια καντερίνης που βρίσκονται στην κυπαρική μεμβράνη δύο γειτονικών κυπάρων συνδέο νται μεταξύ τους στον εξωκυπάριο χώρο. Στο
εσωτερικό του κυπάρου, τα μόρια αυτά προσ δένονται σε νημάτια του κυπαροσκελετού μέ σω συνδετικών πρωτε'ίνών.
11-39).
Οι διασυνδέσεις με τον κυπαροσκελετό προσδένουν
γερά τα επιθηλιακά κύπαρα τόσο μεταξύ τους όσο και με τον βασικό υμένα Οι σύνδεσμοι που συγκρατούν ένα επιθήλιο με μηχανικές διασυνδέσεις ανήκουν σε τρεις κυρίους τύπους. Οι σι5νδεσμΟ1 προσκόλ/πσπς
junctionS)
και οι σι5νδεσμΟ1 των δεσμοσωμarιων
(adherens (desmosome junctions)
προσδένουν το ένα επιθηλιακό κύπαρο με το άλ/ο, ενώ ΙΟ πμιδεσμοσωμάπα
(hemidesmosomes)
προσδένουν ΙΟ επιθηλιακά κύπαρα στον βασικό υμένα.
Όλες αυτές οι συνδέσεις παρέχουν μηχανική ισχύ με την ίδια στρατηγική που
ήδη συναντήσαμε στον συνδετικό ιστό (βλ Εικόνα 21-14Γ): το μόριο που προσκολ/άται απέξω διαπερνά την κυπαρική μεμβράνη και συνδέεται στο ε σωτερικό του κυπάρου με ισχυρά νημάτια του κυπαροσκελετού. Με τον τρό
πο αυτό, ΙΟ νημάτια του κυπαροσκελετού προσδένονται σ' ένα δίκτυο που ε κτείνειοι από κύπαρο σε κύπαρο σε όλη την έκταση του επιθηλιακού ιστού.
Οι σύνδεσμοι προσκόλ/ησης και οι σύνδεσμοι των δεσμοσωματίων δο μούνται γύρω από διαμεμβρανικές πρωτε'ί\ιες που ανήκουν στην ίδια οικογέ
νεια και ονομάΖΟνται καντερινες
(cadherins):
ένα μόριο καντερίνης στην κυτ
ιορική μεμβράνη ενός κυπάρου συνδέεται άμεσα με ένα παρόμοιο μόριο κα ντερίνης στην κυπαρική μεμβράνη του γειτονικού του κυπάρου (Εικόνα
23). Η σύνδεση
όμοιων μορίων αποκαλείται ομόφιΛπ
21-
(homophilic). Στην περί
mωση των καντερινών, απαραίτητη προϋπόθεση για να συμβεί η σύνδεση εί
ναι η παρουσία ιόντων Ca2+ στον εξωκυπάριο χώρο, εξ ου και το όνομά τους. Στους συνδέσμους προσκόλ/ησης, κάθε μόριο καντερίνης δένειοι μέσω
αρκετών συνδετικών πρωτεϊνών σε νημάτια ακτίνης. Συχνά, οι σύνδεσμοι προσκόλ/ησης σχηματίΖουν μια συνεχή Ζώνπ προσκόλ/πσπς γύρω από κα θένα από ΙΟ αλ/ηλεπιδρώντα επιθηλιακά κύπαρα. Η Ζώνη αυτή εντοπίΖεται κοντά στο κορυφαίο άκρο του κυπάρου, ακριβώς κάτω από τους στεγανούς
συνδέσμους (Εικόνα
21-24).
Έτσι, ΙΟ δεμάτια της ακτίνης συνδέονται από
κύπαρο σε κύπαρο σε όλη την έκιοση του επιθηλίου. Αυτό το πλέγμα ακτί
νης είναι δυνητικά συσταλτικό και προσδίδει στο επιθηλιακό φύλ/ο την ικα νότηιο ν' αναπτύσσει τάση και να μειοβάλ/ει το σχήμα του με αξιοσημείωτο τρόπο. Συρρικνώνοντας την κορυφαία επιφάνειά του κατά μήκος ενός άξο να, μπορεί να καμφθεί ώστε να τυλιχθεί και να σχηματίσει έναν σωλήνα (Ει
κόνα 21-25Α). Εναλ/ακτικά, αν συρρικνώσει τοπικά την κορυφαία επιφά νειά του ιουτόχρονα κατά μήκος και των δύο αξόνων, το φύλ/ο μπορεί να σχηματίσει μια κυπελ/οειδή KoίiΊανση και τελικά να δημιουργήσει ένα κυστί-
886
Κεφάλαιο 21: Ιστοί και Καρκίνος
Εικόνα 21·24. Οι ζώνες προσκόλλησης στα ε· πιθηλιακά κύπαρα του λεmού εντέρου. Κατά
νημάτια ακτίνης στο εσωτερικό της μικρολάχνης
μήκος της κυπαροπλασματικής επιφάνειας
της κυπαρικής μεμβράνης κοντά στην κορυφή κάθε κυπάρου διατρέχει μια συσταλτή δέσμη νηματίων ακτίνης. Οι δέσμες των γειτονικών KUΠάρων συνδέονται μεταξύ τους με τη μεσο λάβηση μορίων καντερίνης που διαπερνούν την κυπαρική μεμβράνη (βλ. Εικόνα 21-23). στεγανή σύνδεση δέσμη νηματίων ακτίνης
πλάγιες
κυπαρικές μεμβράνες
γειτονικών επιθηλιακών κυπάρων
βασική επιφάνεια
διο που είναι δυνατό ν' αποκοπεί από το υπόλωπο επιθήλιο. Μετακινήσεις ε πιθηλίων όπως αυτές έχουν σημασία για την ανάπτυξη του εμβρύου, όπου δημιουργούν δομές όπως ο νευρικός σωλήνας (η καταβολή του κεντρικού νευρικού συστήματος) (Εικόνα 21-25Β) και το κυστίδιο του φακού (η κατα
βολή του φακού του οφθαλμού) (Εικόνα 21-25Γ). Αντίθετα, σ' ένα δεσμοσωμάτιο, διαφορετικά μέλη της οικογένειας των
καντερινών προσδένονται στο εσωτερικό κάθε κυττάρου σε ενδιάμεσα νη μάτια και ιδίως στις κερατίνες, οι οποίες είναι ο τύπος των ενδιάμεσων νημα τίων που υπάρχουν στα επιθήλια (Εικόνα
21-26).
Χοντρά δεμάτια σχοινοει
δών ινιδίων κερατίνης που διατρέχουν το κυτταρόπλασμα και συνδέονται σταθερά μέσω των δεσμοσωματίων στα δεμάτια της κερατίνης των γειτονι κών κυττάρων προσδίδουν μεγάλη διατατική ισχύ και είναι ιδιαίτερα άφθονα σε αδρά, εκτεθειμένα επιθήλια όπως η επιδερμίδα.
Η επώδυνη ανάμνηση των φυσαλίδων που αναπτύσσονται στο δέρμα με τά από ένα κάψιμο υπογραμμίΖει ότι τα επιθηλιακά κύτταρα δεν αρκεί να
προσκολ/ώνται ισχυρά το ένα με το άλ/ο, αλ/ά πρέπει επίσης να προσδένο νται και στον υποκείμενο ιστό. Όπως προαναφέραμε, η πρόσδεση διαμεσο λαβείται από ιντεγκρίνες της βασικής κυτταρικής μεμβράνης των επιθηλια κών κυττάρων. Εξωτερικά, οιιντεγκρίνες προσδένονται στη λαμινίνη του βα
σικού υμένα, ενώ στο εσωτερικό του κυττάρου προσδένονται σε νημάτια κε ρατίνης δημιουργώντας μια δομή που μωάΖει επιφανειακά με μισό δεσμο
σωμάτιο. Για το λόγο αυτό, ω συγκεκριμένοι σύνδεσμω των επιθηλιακών κυττάρων με το εξωκυττάριο στρώμα που βρίσκεται από κάτω τους αποκα
λούνται nμιδεσμοσωμόπα
(hemidesmosomes)
(Εικόνα
21-27). Επιθηλιακά Φύλ/α και Διακυττάριο! Σύνδεσμοι
887
φύλλο επιθηλιακών KUΠάρων
ΕΓΚΟΛΠΩΣΗ ΤΟΥ ΕΠΙΘΗΛΙΑΚΟΥ ΦΥΜΟΥ
Ι ΠΡΟΚΑΛΟΥΜΕΝΗ ΑΠΟ ΜΙΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΕΝΙ
κορυφαίο δίκτυο ακτίνης
~ ΣΥΠΟΛΗ ΤΟΥ ΚΟΡΥΦΑΙΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΑΚΤΙΝΗΣ
!
Ο ΕΠΙΘΗΛΙΑΚΟΣ ΣΩΛΗΝΑΣ ΑΠΟΚΟΠΤΕΤΑΙ ΑΠΟ ΤΟ ΥΠΕΡΚΕΙΜΕΝΟ ΚΥΤΤΑΡΙΚΟ ΦΥΜΟ
.)Q:,r:J!I"'....i
επιθηλιακός σωλήνας
(Α)
νευρικός
νωτιαία
σωλήνας
χορδή
Εικόνα 21·25. Η κάμψη ενός επιθηλιακού φύλλου για το,σχηματισμό ενός σωλήνα ή ενός κυστιδίου. (Α) Διάγραμμα που δείχνει πώς η συ στολή των κορυφαίων δεσμίδων νηματίων της ακτίνης μεταξύ κυπάρων του φύλλου που διασυνδέονται μέσω συνδέσμων προσκόλλησης κάνει τα επιθηλιακά κύπαρα να στενεύουν στην κορυφή τους. Ανάλογα με τον χαρακτήρα της συστολής, δηλαδή με το αν η συστολή προ σανατολίζεται κατά μήκος ενός άξονα ή αν διεξάγεται ισότιμα προς όλες τις κατευθύνσεις, το επιθήλιο μπορεί να εξαναγκαστεί να τυλιχτεί για να σχηματίσει έναν σωλήνα ή να εγκολπωθεί για να σχηματίσει ένα κυστίδιο. (Β) Ο σχηματισμός του νευρικού σωλήνα. Ηλεκτρονιομι κρογραφία σάρωσης που δείχνει μια εγκάρσια διατομή από τον κορμό ενός εμβρύου όρνιθας ηλικίας δύο ημερών. Ένα μέρος του επιθη λιακού φύλλου που καλύmει την επιφάνεια του εμβρύου έχει παχυνθεί, έχει τυλιχθεί σ' έναν σωλήνα με κορυφαία συστολή και είναι έτοιμο ν' αποκοπεί για να γίνει μια ξεχωριστή εσωτερική δομή. (η Ο σχηματισμός του φακού. Μια περιοχή του επιφανειακού επιθηλίου που καλύ mει την εμβρυ'ίκή καταβολή του αμφιβληστροειδούς του οφθαλμού έχει κοιλανθεί και τελικά έχει αποκοπεί ως ένα ξεχωριστό κυστίδιο (το κυστίδιο του φακού) μέσα στο οφθαλμικό κύπελλο. (Β, με την άδεια του
888
Κεφάλαιο 21 : Ιστοί και Καρκίνος
Jean-Paul Revel. Γ, με την άδεια του K.W. Tosney).
Εικόνα
KOVΤερίνη
21-26. Δεσμοσωμάτια. (Α) Μια ηλε
κτρονιομικρογραφία
ενός δεσμοσωματίου
που συνδέει δύο κύπαρα στην επιδερμίδα μιας σαλαμάνδρας στην οποία φαίνεται η προ
σκόλληση των ινιδίων της κερατίνης, (8) Σχη ματική αναπαράσταση ενός δεσμοσωματίου, Πάνω στην κυπαροπλασματική επιφάνεια κα· θεμιάς από τις δύο KUΠαΡΙKές μεμβράνες που αλληλεπιδρούν βρίσκεται μια πυκνή μάζα η ο
ποία αποτελείται από ένα μείγμα ενδοκυπά ριων πρωτε'ίνών προσκόλλησης, Στην εσωτε
ρική πλευρά αυτής της πλάκας «αγκυροβο λούν» τα νημάτια της κερατίνης. Στην εξωτερι κή επιφάνεια κάθε πλάκας πρoσKoλλώvται πρωτε'ί'νες της οικογένειας των KαVΤερινών, οι οποίες διαπερνούν τη μεμβράνη και διασυνδέ ουν τα δύο κύπαρα. (Α, από D.E. Kelly, J. Ce/l ΒίοΙ. 28:51-59, 1966, με την feller University Press),
V
κυπορικές μεμβράνες που αλληλεπιδρούν
άδεια του
Οι χασμοσύνδεσμοι επιτρέπουν τη δίοδο ιόντων και
Ερώmσn21-4
μικρών μορίων από κύπαρο σε κύπαρο
Ανάλογα των ημιδεσμοσω
Το τελευταίο είδος διακυττάριων συνδέσμων ανάμεσα σε επιθηλιακά κύπαρα, που βρίσκεται σε όλα τα επιθήλια και σε πολ/ά άλ/α είδη ιστών, ε ξυπηρετεί τελείως διαφορετικό σκοπό. Αποκαλείται χασμοσύvδεσμος
junction). Στο ηλεκτρονικό
(gap
μικροσκόπιο φαίνεται ως μια περιοχή στην οποία
οι μεμβράνες δύο κυττάρων βρίσκονται πολύ κοντά η μια στην άλ/η και α
κριβώς παράλ/ηλα, με πολύ μικρό μεσοδιάστημα (χάσμα)
2-4 nm
(Εικόνα
21-28Α). Το χάσμα δεν είναι κενό, αλ/ά διαπερνάται από τα προεξέχοντα ά κρα πολ/ών παρόμοιων πρωτεϊνικών συμπi\όKων που βρίσκονται στην κυτ ταρική μεμβράνη των δύο αντικριστών κυττάρων. Τα σύμπλοκα αυτά, γνω
στά ως κοwεξόvιa
(connexons),
σχηματίΖουν διαύλους διαμέσου των δυο
μεμβρανών και παρατάσσονται άκρο με άκρο, δημιουργώντας στενές διό δους που επιτρέπουν σε ανόργανα ιόντα και μικρά υδατοδιαλυτά μόρια (μά Ζας έως
1000, περίπου, daltons) να μετακινούνται
ελεύθερα από το κυπαρό
πλασμα του ενός κυπάρου στο κυπαρόπλασμα του άλ/ου (Εικόνα 21-28Β). Έτσι δημιουργείται μια ηλεκτρική και μεταβολική σύΖευξη ανάμεσα στα κύτ-
ματίων είναι οι θέσεις εστια κής επαφής που περιγρά
φηκαν στο Κεφάλαιο
17 και
αποτελούν τις θέσεις όπου το κύπαρο προσκολλάται
Rocke-
•,
στο εξωκυττάριο στρώμα. Οι σύνδεσμοι αυτοί επικρατούν στις ινοβλάστες ενώ γε νικά απουσιάζουν από τα επιθηλιακά κύτ ταpα. Ακριβώς το αντίθετο συμβαίνει με τα ημιδεσμοσωμάτια. Στις θέσεις εστια κής επαφής σχηματίζονται ενδοκυττάριες
συνδέσεις με τον κυπαροσκελετό ως α κτίνης, ενώ στα ημιδεσμοσωμάτια οι συν
δέσεις αφορούν στα ενδιάμεσα ινίδια. Κατά τη γνώμη σας, γιατί τα δύο διαφορε τικά είδη κυττάρων προσκολ/ώνται δια φορετικά στο εξωκυπάριο στρώμα;
νημάτια κερατίνης
/
μόρια ~;ςt:-===!~=1~IΗI~~=Ι~1~1mf=Ι:~~:::::-::::===~ ιντεγκρίνης
βασική KUΠαΡΙKή μεμβράνη του επιθηλιακού κυπάρου
Εικόνα βασικός υμένας
21-27.
Τα ημιδεσμοσωμάTlα προσδέ
νουν τα νημάτια της κερατίνης ενός επιθη λιακού κυπάρου στον βασικό υμένα.
Επιθηλιακά Φύλλα και Διακυττάριοι Σύνδεσμοι
889
μικρός
μεγάλος
χασμοσύνδεσμος
χασμοσύνδεσμος
μεμβράνες
KuπαΡΙKές μεμβράνες που αλληλεπιδρούν δίαυλος
διαμέτρου
1.5 nm χάσμα
2--4 nm
\
/
Ι
(Α)
Ι
100
(Β)
κοwεξόνιο αποτελούμενο από έξι υπομονάδες
δύο κοwεξόνια σε σειρά που σχηματίζουν έναν ανοιχτό δίαυλο ανάμεσα σε γειτονικά κύπαρα
nm
Εικόνα 21-28. Οι χασμοσύνδεσμοl. (Α). Ηλεκτρονιομικρογραφία μιας λεmής διατομής ενός χασμοσυνδέσμου ανάμεσα σε δύο κύπαρα σε καλλιέργεια. (Β) Ένα μοντέλο ενός χασμοσυνδέσμου. Το σχεδιάγραμμα δείχνει την αλληλεπίδραση των κυπαρικών μεμβρανών δύο γειτο νικών κυπάρων. Οι αντικριστές λιπιδικές διπλοστιβάδες (κόκκινο) διαπερνώνται από πρωτε"ίνικά συγκροτήματα γνωστά ως κοννεξόνια (πράσινο). Κάθε κοwεξόνιο θεωρείται ότι σχηματίζεται από έξι παρόμοιες πρωτε"ίνικές υπομονάδες. Δύο κοwεξόνια ενώνονται στο διακυτ τάριο χάσμα για να σχηματίσουν έναν υδρόφιλο δίαυλο που συνδέει τα δύο κύπαρα. [Από Ν.Β. σελ.1-29. NewYork: Wiley, 1974. Αναδημοσιεύεται με την άδεια της John Wiley & Sons, Inc].
•,
Ερώτηση 21-5
Gilula, in Cell Communication (R.P. Cox, ed.),
ταρα. Για παράδειγμα, οι χασμοσύνδεσμοι ανάμεσα σrα μυοκαρδιακά κύτ
ΟΙ χασμοσύνδεσμοι
είναι
ταρα εξασφαλίΖουν την ηλεκτρική σύΖευξη που επιτρέπει σrα ηλεκτρικά κύ
δυναμικές δομές οι οποίες,
ματα της διέγερσης να διασπείρονται σε όλο τον Iσrό και να πυροδοτούν τη
όπως ΟΙ συμ6ατικοί ιοντικοί
συντονισμένη συσroi\ή των κυττάρων.
δίαυλοι, λειτουργούν σαν
Σε πολ/ούς IσrOύς ΟΙ χασμοσύνδεσμοι ανοιγοκλείνουν σύμφωνα με τις
πύλες: συγκεκριμένα, κλεί
ανάγκες σε απάντηση προς εξωκυττάρια σήματα. Για παράδειγμα, ο νευ
νουν με αντισrρεmή αλ/αγή
ΡOδια6I6ασrής ντοπαμίνη ελαττώνει την επικοινωνία μεταξύ χασμοσυνδέ
διαμόρφωσης σε απάντηση προς μετα
σμων σε μια κατηγορία νευρώνων του αμφIβλησrΡOεIδOύς σε απάντηση
βολές του κυττάρου. Η διαπερατότητα
προς την αύξηση της έντασης του φωτός (Εικόνα
των χασμοσυνδέσμων ελαττώνεται μέσα
διαπερατότητας των χασμοσυνδέσμων αλ/άΖει το πρότυπο της ηλεκτρικής
σε δευτερόλεπτα, για παράδειγμα όταν
σηματοδότησης. Έτσι, ο αμφIβλησrΡOεIδής παύει να χρησιμοποιεί τα ρα
αυξάνει το ενδοκυττάριο Ca
βδία, που είναι καλοί ανιχνευτές του ασθενούς φωτός, και σrρέφεται σrα
2
+.
Για ποιο
λόγο αυτή η μορφή ρύθμισης θα μπο ρούσε να είνOl σημαντική για την υγεία
21-29).
Η ελάττωση της
κωνία, τα οποία ανιχνεύουν χρώματα και λεπτομέρειες σro έντονο φως. Περιέργως, ΟΙ φυτικοί IσrOί, ενώ δεν διαθέτουν κανένα άλ/ο είδος δια-
ενός ισroύ;
Εικόνα
21-29.
Η σύζευξη των χασμοσυνδέ
σμων ρυθμίζεται από εξωκυπάρια σήματα. (Α) Ένεση της χρωστικής
Lucifer yellow σ'
έναν
νευρώνα του αμφιβληστροειδούς ενός κουνελι ού. Η χρωστική διαπερνά εύκολα τους χασμο
συνδέσμους και έτσι βάφει όλους τους νευρώ νες του ίδιου είδους που συνδέονται με χασμο
συνδέσμους. (Β) Εφαρμογή ντοπαμίνης πριν α πό την ένεση της χρωστικής. Η ντοπαμίνη ελάτ τωσε πολύ τη διαπερατότητα των χασμοσυνδέ σμων. (Με την άδεια του
890
David Vaney).
Κεφάλαιο 21 : Ιστοί και Καρκίνος
(Α)
πριν από τη νΤοπαμίνη
(Β)
μετά τη νΤοπαμίνη
Εικόνα λείο ενδοπλασματικό δίκτυο δεσμοσωληνάριο
21-30.
Πλασμοδέσματα. (Α) Τα πλα
σμοδέσματα είναι κυπαροπλασματικοί δίαυ
λοι που διατρυπούν το κυπαρικό τοίχωμα των φυτικών κυπάρων και διασυνδέουν όλα τα
~
_ _"""'"!,I1"'............
~"'>KυτταρO·
διάλυμα
...._ _~' Ι
~-_.~ κυττ?ρικά τοιχωματα
γεπονικών φυτικών
c=:::::::::J
κυττάρων
100 nm
Κάθε πλασμόδεσμα
είναι κοινή για τα δύο συνδεδεμένα κύπαρα. Επίσης, συνήθως περιέχει μια λεmή σωληνώ δη δομή, το δεσμοσωληνάριο, που προέρχε
ται από το λείο ενδοπλασματικό δίκτυο. Το τάρια μεταφορά μόνο των μικρών μορίων και
το πλασμόδεσμα το οποίο συνδέει δύο γειτονικά κύτταρα (Α)
(8)
πλασμόδεσμα συνήθως επιτρέπει τη διακυτ
L...-J κυτταρική μεμβράνη που επενδύει
κύπαρα ενός φυτού.
επενδύεται από κυπαρική μεμβράνη, η οποία
ιόντων.
(8)
κυπάριων επαφών, έχουν ένα ανΙίσΙΟΙΧΟ του χασμοσυνδέσμου. Τα κυπαρο
πλάσμαΤα των Υειτονικών φυηκών κυπάρων συνδέονΙαι μέσω μικροσκοπι κών διαύλων επικοινωνίας ΥνωσΙών ως π7Ίασμοδέσματο που διαπερνούν το ενδιάμεσο κυπαρικό τοίχωμα
(plasmodesmata), (Εικόνα 21-30). ΑντίθεΤα
από τους διαύλους των χασμοσυνδέσμων, Τα πλασμοδέσμαΤα επενδύονται από κυπαρική μεμβράνη, η οποία είναι συνεΧής από το ένα φυηκό κύπαρο
σιο επόμενο. Παρά ης δομικές διαφορές τους, Τα πλασμοδέσμαΤα και οι χα
σμοσύνδεσμοι εΠΙΤρέπουν Τη δίοδο ενός ανάλογου φάσματος ιόντων και μι κρών μορίων. Αυτό υποδηλώνει όη Τα Υειτονικά κύπαρα τόσο των φυτών ό σο και των Ζώων έχουν Τη βασική ανάΥκη να μοιράΖονται Τα συσΙαηκά τους και παράλληλα να δΙαΤηρούν διαχωρισμένα Τα μακρομόριά τους. Ο λόΥος
Υια τον οποίο συμβαίνει αυτό είναι άΥνωσΙος.
Διαιήρηση και ανανέωση ιων ισιών Όποιος ασχολείται με Την ΟΡΥάνωση Των ΙσΙών δεν μπορεί παρά
v'
ανα
ρωΤηθεί πώς προέκυψαν αυτές οι τόσο συΥΚΡΟΤημένες δομές. Αυτό εΥείρει ένα από Τα παλαιότερα και βασικότερα ερωτήμαΤα Της βιολΟΥίας: πώς δημι
ουΡΥείται ένας πολυκύπαρος ΟΡΥανισμός από ένα και μοναδικό Υονιμοποι ημένο ωάριο;
Κατά Τη διεΡΥασία Της ανάπτυξης, το ωάριο διαιρείΤαΙ επανειλημμένα Υια
v'
αποδώσει έναν κλώνο κυπάρων (περίπου
10,000,000,000,000 σ'
έναν
άνθρωπο) που μολονόη όλα περιέχουν το ίδιο Υονιδίωμα είναι διαφοροποι ημένα ΚαΤά διαφορεηκό Τρόπο. Ο κλώνος έχει δομή. Μπορεί να πάρει Τη
μορφή μιας μαΡΥαρίΤας ή μιας βελανιδιάς, ενός αχινού, μιας φάλαινας ή ε
νός ποντικού (Εικόνα 21-31). Η δομή καθορίΖεΤαΙ από το Υονιδίωμα που πε ριέχει το ωάριο. Η Υραμμική αλ/ηλουΧία των νουκλεοηδίων του
DNA κατευ
θύνει την παραΥωΥή πληθώρας διαφορεηκών κυπαρικών τύπων: ο καθένας εκφράΖει διαφορεηκές ομάδες Υονιδίων και δΙαΤάσσεται σύμφωνα μ' ένα α κριβές, περίτεχνο, ΤρισδιάσΙατο πρότυπο.
Παρόη η ΟΡΙσΙική δομή του σώματος ενός Ζώου μπορεί να είναι ενΙυπω σιακά περίπλοκη, δημιουΡΥείΤαΙ από ένα περιορισμένο «ρεπερτόριο» κυπα ρικών δρασΙηριοτήτων. ΠαραδείΥμαΤα αυτώντων δρασΙηριοτήτων δόθηκαν
Διατήρηση και Ανανέωση των Ιστών
891
Εικόνα 21-31. Το γονιδίωμα του ωαρίου κα θορίζει τη δομή του κλώνου των κυπάρων που θα αναmυχθούν από αυτό. (Α και Β). Έ
να ωάριο αχινού δημιουργεί έναν αχινό (Γ και Δ). Ένα ωάριο ποντικού αποδίδει έναν ποντι κό. (Α, με την άδεια του
David McClay. Β, με Oxford Scientific Fίlms. Γ, με την άδεια της Patricia Calarco, από G. Martin, Science 209:768-776, 1980. Δ, με την άδεια του Ο. Newman, Oxford Scientific Films).
την άδεια του
σε προηγούμενα κεφάλαια. Τα κύπαρα αυξάνουν, διαιρούνιοι και πεθαί νουν. Σχηματίζουν μηχανικές συνδέσεις και δημιουργούν κινητήριες δυνά
μεις. Διαφοροποιούνται ενεργοποιώντας ή απενεργοποιώντας ειδικές ομά
δες πρωτεϊνών. Παράγουν μοριακά σήμαιο ώστε να επηρεάσουν ΙΟ γειτονι κά κύπαρα και απαντούν σε σήμαιο που δέχονται από αυτά. Θυμούνται τις ε πιπτώσεις προηγούμενων σημάτων και έτσι γίνονται ολοένα και πιο εξειδι
κευμένα ως προς τα χαρακτηριστικά που υιοθετούν. Το γονιδίωμα σημο σε όλα τα κύπαρα
- ιουτό
- θεσπίΖει τους κανόνες λειτουργίας όλων αυτών
των ποικίλων, πιθανών δραστηριοτήτων. Το γονιδίωμα δρα ξεχωριστά σε κάθε κύπαρο και καθοδηγεί ολόκληρη την περίτεχνη διεργασία με την ο
ποία αναπτύσσεται ένας πολυκύπαρος οργανισμός από ένα γονιμοποιημέ νο ωάριο (Εικόνα
21-32).
Για τους αναπτυξιακούς βιολόγους, η πρόκληση έγκειται στην ερμηνεία
της ακολουθίας των αλ/ηλεπιδρώντων γεγονότων που οδηγούν από το ωά ριο στον ενήλικο οργανισμό. Εδώ δεν θα επιχειρήσουμε να δώσουμε μια λύ ση στο πρόβλημα: παρότι σήμερα γνωρίΖουμε πολ/ά, ο διαθέσιμος χώρος δεν επαρκεί για μια ικανοποιητική κάλυψη του θέματος. Ωστόσο, οι ίδιες βα σικές δραστηριότητες που συνδυάΖΟνται ώστε να δημιουργήσουν τον οργα νισμό κατά την ανάπτυξη συνεχίΖΟνται ακόμα και στον ενήλικο οργανισμό, στον οποίο συνεχώς παράγονται νέα κύπαρα σύμφωνα με πρότυπα που ε
λέγχονται με ακρίβεια. Αυτό το πιο περιορισμένο θέμα θα μας απασχολήσει στις επόμενες παραγράφους.
892
Κεφάλαιο 21: Ιστοί και Καρκίνος
Εικόνα
21·32.
Στάδια στην ανάπτυξη ενός
εμβρύου ψαριού ζέβρα. Το γονιμοποιημένο αυγό μετατρέπεται σε αναγνωρίσιμο έμβρυο ψαριού μέσα σε
48 ώρες
με περίπλοκες κυπα
ρικές μετακινήσεις και κυπαρική διαφοροποί ηση. (Προσαρμοσμένο από
C.B. KimmeI et aI., DeveIopmentaI Dynamics 203:256-310,1995).
12min
1h
3h
6h
12 h
2h
22 h
500
μm
Οι ιστοί είναι οργανωμένα μείγματα πολλών κυπαρικών τύπων Οι εξειδικευμένοι ιστοί του σώματός μας διαφέρουν από πολ/ές από ψεις. Ωστόσο όλοι έχουν ορισμένες βασικές απαιτήσεις, οι οποίες συνήθως ΙKανoπoιoύvται από ένα μείγμα κυπαρικών τύπων, όπως φαίνεται χαρακτη
ριστικά στην Εικόνα
21-33,
όπου παρουσιάΖεται το δέρμα. Όλοι οι ιστοί
xρειάzovται μηχανική ισΧύ, που συνήθως παρέχεται από ένα στηρικτικό
στρώμα ή σκελετό συνδετικού ιστού αποικισμένο από ινοβλάστες. Σε αυτόν
τον συνδετικό ιστό, αιμοφόρα αΥΥεία επενδυμένα με εvδοθniΊιaκά κύπaρa ιΔιατήρηση και Ανανέωση των Ιστών
893
(Α)
ΕΠIΔΕΡΜΙΔΑ
r
~}
--{
χαλαρός συνδετικός - [ -V--.;::,,~~~--.../t:::=FR-~~Ι,
ιστός της ΔΕΡΜΙΔΑΣ
πυκνόςσυνδετικός 1r
IT--I---I-~_ αισθητήρια νεύρα αιμοφόρο αγγείο
ιστός της ΔΕΡΜΙΔΑΣ λιπώδης συνδετικός
επιδερμίδα
Ι
-{
ιστός της ΥΠΟΔΕΡΜΙΔΑΣ
Ι
χαλαρός συνδετικός ιστός της δερμίδας
δερμίιδα; .:. "11
:
"
•
·ι·
'--_--=----::......L_ _--,-_---l..._.!..O.J 'r ' 100μm
χΡωμοφόρο κύπαρο (μελανοκύπαρο) μακροφάΥΟ κύπαρο (του Langerhans)
μακροφάγο
ενδοθηλιακό κύπαρο που σχηματίζει ένα τριχοειδές
Εικόνα 21-33. Το δέρμα των θηλαστικών. (Α) Σχηματικά διαγράμματα της κυπαρικής αρχιτεκτονικής του παχέος δέρματος.
(8) Φωτογρα
φία μιας εγκάρσιας διατομής του πέλματος ενός ανθρώπινου ποδιού, χΡωσμένης με αιματοξυλίνη και ηωσίνη. Το δέρμα μπορεί να θεωρη θεί ως ένα μεγάλο όργανο αποτελούμενο από δύο κύριους ιστούς: τον επιθηλιακό ιστό (η επιδερμίδα), που εντοπίζεται προς τα έξω, και τον συνδετικό ιστό, που περιλαμβάνει τη σκληρή δερμίδα (από την οποία παρασκευάζεται το δέρμα) και την υποκείμενη λιπώδη υποδερμίδα.
Κάθε ιστός περιέχει ποικίλους τύπους κυπάρων. Η δερμίδα και υποδερμίδα είναι πλούσιες σε αιμοφόρα αγγεία και νεύρα. Μερικές νευρι κές ίνες επίσης εκτείνονται και στην επιδερμίδα.
κανοποιούν την ανάγκη για οξυγόνο και θρεπτικές ουσίες και διεκπεραιώ νουν την απομάκρυνση των αποβλήτων. Παρομοίως, οι περισσότεροι ιστοί
εwευρώνονται από τους νευράξονες των vευρικώv ΚLJπάρωv, που περιβάλ λονται από τα κύπαρα του
Schwann.
Τα μακροφάγα αφαιρούν τα κύτταρα
που πεθαίνουν όπως επίσης και άλλα ανεπιθύμητα απόβλητα, ενώ τα Λεμφο κύπαρα και άλ/α λευκά αιμοσφαίρια καταπολεμούν τις λοιμώξεις. Τα περισ σότερα από αυτά τα είδη κυττάρων δεν προέρχονται από τον ίδιο τον ιστό, αλ/ά διεισδύουν σε αυτόν είτε σ' ένα πρώιμο στάδιο της ανάmυξής του (εν δοθηλιακά κύτταρα, νευράξονες, κύτταρα του
Schwann)
είτε συνεΧώς σε ό
λη τη διάρκεια της Ζωής (μακροφάγα και άλλα λευκά αιμοσφαίρια). Αυτό το περίπλοκο σύστημα στήριξης είναι απαραίτητο για τη διατήρηση των κύριων
εξειδικευμένων κυττάρων του ιστού, όπως για παράδειγμα τα συσταλτικά κύτταρα των μυών, τα εκκριτικά κύτταρα των αδένων ή τα αιμοπαραγωγά
κύτταρα του μυελού των οστών. Επομένως, σχεδόν κάθε ιστός είναι ένα πολύπλοκο μείγμα πολ/ών κυτ
ταρικών τύπων που πρέπει να παραμένουν διαφορετικά, ενώ συνυπάρχουν στο ίδιο περιβάλ/ον. Επιπλέον, σε όλους σχεδόν τους ενήλικους ιστούς συμ-
894
Κεφάλαιο 21 : Ιστοί και Καρκίνος
βαίνει συνεχής θάνατος και ανΙ1κατάσταση κυπάρων: μέσα σε όλη την ανα στάτωση της κυπαρικής αVΤΙKατάστασης και της ιστικής ανανέωσης, η ΟΡΥά
νωση του ιστού πρέπει να διατηρηθεί. Σε αυτό συνεισφέρουν τρεις κύριοι παράyovτες (Εικόνα
1. Κυπαρική
21-34).
επικοιvωvία: κάθε είδος εξειδικευμένου κυπάρου συνεΧώς διε
ρευνά το περιβάλ/ον του Υια σήματα από άλ/α κύπαρα και προσαρμόΖει κατάλ/ηλα τον πολ/απλασιασμό και τις ιδιότητές του. Στην πραΥματικότη τα, η ίδια η επιβίωση των κυπάρων εξαρτάται από την παρουσία τέτοιων
κοινωνικών σημάτων (Κεφάλαιο
16). Αυτή
η επικοινωνία διασφαλίζει ότι
νέα κύπαρα θα παράyovται μόνο όταν και όπου χρειάΖεται.
2. Εκλεκτική
διακυπάρια προσκόλ/ηση: επειδή τα διάφορα είδη κυπάρων έ
χουν στην κυπαρική μεμβράνη τους διαφΟΡεΙικές KαVΤερίνες και άλ/α μό ρια προσκόλ/ησης, συνήθως πρoσKoλ/ώvται εκλεκτικά, με ομόφιλη σύν
δεση, σε άλ/α κύπαρα του ίδιου είδους. Επίσης μπορεί να προσκολ/ηθούν
εκλεκτικά σε κύπαρα ορισμένων άλλων ειδών ή σε ειδικά συστατικά του ε ξωκυπάριου στρώματος. Η εκλεκτικότητα της προσκόλ/ησης αποτρέπει τη χαοτική ανάμειξη των διαφορετικών ειδών των κυπάρων ενός ιστού.
3.
Κυπαρική μvήμη: όπως είδαμε στο Κεφάλαιο
8, τα
εξειδικευμένα πρότυ
πα έκφρασης των Υονιδίων που προκλήθηκαν από σήματα τα οποία έδρα σαν κατά τη διάρκεια της εμβρυϊκής ανάπτυξης, αφότου εΥκαταστάθηκαν
διατηρoύvται σταθερά. Έτσι τα κύπαρα διατηρούν αυτόνομα τον διακριτό χαρακτήρα τους και τον μεταβιβάΖουν στους αΠΟΥόνους τους. Από τη διαί ρεση μιας ινοβλάστης παράyovται περισσότερες ινοβλάστες, ενώ από τη
διαίρεση ενός επιθηλιακού κυπάρου περισσότερα επιθηλιακά κύπαρα. Αυτή η αρΧή, με τροποποιήσεις που θα συΖητήσουμε αΡΥότερα, διατηρεί
την ποικιλότητα των κυπαρικών τύπων ενός ιστού.
Οι διαφορετικοί ιστοί ανανεώνονται με διαφορετική ταΧύτητα Τα κύπαρα των ιστών ποικίλλουν εξαιρετικά ως προς την ταΧύτητα και το πρότυπο της ανακύκλωσής τους. Στο ένα άκρο βρίσKovται τα νευρικά κύπαρα που εΠΙΖούν διαβίου χωρίς αVΤΙKατάσταση. Στο άλ/ο άκρο βρίσκο-
ΚΥΠΑΡΙΚΗ
ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑ
®
ΕΠΙΛΕΚΤΙΚΗ ΔΙΑΚΥΠΑΡΙΑ ΠΡΟΣΚΟΜΗΣΗ
ΚΥΠΑΡΙΚΗ ΜΝΗΜΗ
Εικόνα
21-34. Τρεις
κύριοι παράγοντες που
συντηρούν την κυπαρική οργάνωση των ι στών.
Διατήρηση και Ανανέωση των Ιστών
895
•,
Ερώmσn21-6
vιαι τα κύτταρα που επενδύουν το έvιερo, τα οποία αVΙΙKαθίσταvιαι στο σύ
Γιατί η lOvιίzoυσα ακnνοβο
νολό τους κάθε λίΥες ημέρες. Ανάμεσα στα δύο άκρα εκτείνεται ένα ολό
λία σταματά την κυτταρική
κληρο φάσμα προτύπων κυτταρικής αVΙΙKατάστασης και ιστικής ανανέω
διαίρεση;
σης. Για παράδεΙΥμα, στον άνθρωπο τα οστά έχουν χρόνο ανακύκλωσης
περίπου δέκα χρόνια. Μέσα σε αυτό το χρονικό διάστημα ανανεώνεται τό σο το στρώμα όσο και τα κύτταρα: το παλαιό στρώμα «καταβροΧθίΖεται}) α πό μια ομάδα κυττάρων γνωστών ως οστεοκΛάστες
(osteoclasts)
που μοιά
Ζουν με τα μακροφάγα, ενώ νέο στρώμα εναποτίθεται από μια άλ/η ομάδα κυπάρων Υνωστών ως οστεοΒΛάστες
(osteoblasts)
που μοιάΖουν με τις ινο
βλάστες. Νέα ερυθροκύτταρα παράγovιαι συνεΧώς στον μυελό των οστών (από μια άλ/η κατηΥορία κυπάρων) και απελευθερώνovιαι στην κυκλοφο ρία, απ' όπου απoμαKρύνovιαι και Kαταστρέφovιαι μετά από
120 ημέρες.
Στο δέρμα, στις εξωτερικές στιβάδες της επιδερμίδας συμβαίνει συνεΧής α πόπτωση κυττάρων και αVΙΙKατάστασή τους από κύτταρα που πρoέρxovιαι
από τις εσωτερικές στιβάδες. Έτοι, η επιδερμίδα ανανεώνεται με χρόνο α νακύκλωσης περίπου δύο μηνών.
Η Ζωή εξαρτάται από αυτές τις διεΡΥασίες ανανέωσης. Μια μεΥάλη δόση αρχέγονο κύπαρο
,---~ ι
~
!
~ / \ @ •
!
ιovιίzoυσας ακτινοβολίας αναστέλ/ει την κυπαρική διαίρεση και σταματά τις
συΥκεκριμένες διεΡΥασίες: Υια παράδεΙΥμα, μέσα σε λίγες ημέρες ο βλεwο Υόνος του εvιέρoυ Χάνει τα κύπαρα της επένδυσης με συνέπεια να προκα λείται η καταστροφική διάρροια και απώλεια υΥρών που χαρακτηρίΖει την ο
ξεία νόσο από ακτινοβολία.
Τα αρΧέγονα κύπαρα συνεΧώς παράγουν
διαφοροποιημένα κύπαρα Πολ/ά από τα διαφοροποιημένα κύπαρα που xρειάzovιαι συνεΧή ανανέ ωση δεν διαιρoύvιαι. Σε αυτή την κατηΥορία κυπάρων ανήκουν τα ερυθρο
κύπαρα, τα επιφανειακά επιδερμιδικά κύπαρα και τα απορροφητικά και κα λυκοειδή κύπαρα του βλεWΟΥόνου του εvιέρoυ. Τα κύπαρα αυτά αναφέρο vιαι ως τεΛικώς διαφΟΡοποιnμέvα κύπαρα
(termina!ly differentiated) και βρί
σKOVΙαι στο τέρμα της αναπτυξιακής πορείας τους. διαιρούμενα
πρόδρομα
κύπαρα
τελικώς διαφοροποιημένα
/
•!
κύπαρα
Τα τελικώς διαφοροποιημένα κύπαρα παράyovιαι από ένα απόθεμα πρό
δρομων Kuπ6ρων που αΠOKαλOύVΙαι αρχέγονα ή στελεχιαία κύπαρα
cells). Τα κύπαρα
(stem
αυτά διατηρoύvιαι στους αvιίστOlXoυς ιστούς μazί με τα δια
φοροποιημένα κύτταρα. Τα αρΧέΥονα κύπαρα δεν είναι τελικώς διαφοροποι ημένα και μπορούν να διαιρoύvιαι απεριόριστα (ή, τουλάχιστον, όσο Ζει το
Ζώο). Όταν διαιρείται ένα αρΧέΥονο κύπαρο, τα θυγατρικά κύτταρα έχουν δύο επιλογές: είτε να παραμείνουν αρχέγονα είτε ν' ακολουθήσουν την πο ρεία που οδηγεί μη αvιιστρεπτά προς την τελική διαφοροποίηση (Εικόνα
Εικόνα
21-35.
Κάθε θυγατρικό κύπαρο που
προκύmει από τη διαίρεση ενός αρχέγονου κυπάρου μπορεί είτε να παραμείνει ως αρ
35).
21-
Επομένως, η δουλειά του αρΧέγονου κυπάρου δεν είναι να επιτελεί την
εξειδικευμένη λειτουΡΥία του διαφοροποιημένου κυττάρου αλ/ά να παράγει
χέγονο είτε να προχωρήσει μέχρι την τελική
κύπαρα που θα κάνουν αυτή τη λειτουΡΥία. Έτοι, τα αρΧέγονα κύπαρα συχνά
διαφοροποίηση. Τα τελικώς διαφοροποιημέ
δεν έχουν χαρακτηριστική εμφάνιση, γεγονός που δυσχεραίνει την ταυτοποί
να κύπαρα συνήθως αναmύσσοvται από πρό δρομα κύπαρα τα οποία διαιρούνται λίγες φο ρές προτού διαφοροποιηθούν.
896
Κεφάλαιο 21 : Ιστοί και Καρκίνος
ησή τους. Ωστόσο, παρότι δεν είναι διαφοροποιημένα, τα αρΧέΥονα κύτταρα είναι προδιατεθειμένα
(determined):
εκφράΖουν σταθερά ομάδες ρυθμιστι-
κών πρωτεϊνών γονιδίων που διασφαλίΖουν όη οι διαφοροποιημένοι απόγο νοί τους θ' ανήκουν mους κοτάλ/ηλους κυπαρικούς τύπους. Το πρότυπο της κυπαρικής ανανέωσης ποικίλει από ιmό σε ιmό. Για πα
ράδειγμα,
mov βλεwογόνο
του λεπτού εντέρου ΤΟ απορροφηηκά ΚOl ΤΟ κα
λυκοειδή κύπαρα διοτάσσονται από κοινού σ' ένα μονόmιβο επιθήλιο που καλύπΤΕΙ Την επιφάνεια των δακτυλιοειδών λαχνών οι οποίες προβάλ/ουν
μέσα
mov εντερικό
αυλό. Το επιθήλιο αυτό συνέχεται με ΤΟ επιθήλιο που ε
πενδύει ης κρύπτες, οι οποίες βυθίΖΟνται και περιέχουν κοντά
mov πυθμένα
mov υποκείμενο
συνδεηκό ιmό
τους ΤΟ αρχέγονα κύπαρα. Τα απορρο
φηηκά και ΤΟ καλυκοειδή κύπαρα που μόλις παράΧθηκαν από ΤΟ αρχέγονα κύπαρα μετοφέροντOl προς ΤΟ πάνω
mo
επίπεδο του επιθηλιακού φύλ/ου
με ολίσθηση έως ότου φτάσουν mις εΚΤΕθειμένες επιφάνειες των λαχνών:
ma άκρα Των λαχνών ΤΟ κύπαρα πεθαίνουν και αποπίmουν mov αυλό του ε· ντέρου (Εικόνα 21-36).
ΑΥΛΟΣ ΤΟΥ ΕΝΤΕΡΟΥ
μετανάστευση των επιθηλιακών κυττάρων από τη «Υέννηση» στον πυθμένα της κρύπτης έως την απώλειά τους στην κορυφή της
λά)(VT1ς (χρόνος παραμονής 3-5 ημέρες) •
λά)(VT1 (καμιά κυτταρική διαίρεση)
•
εγκάρσια διστομή μιας λά)(VT1ς
λά)(VT1 -j-------;επιθηλιακά κύπαρα
απορροφητικά Kύπαρατης~--~ ψηκτροειδούς παρυφής
κρύπτη ------j---;;11!1
χαλαρός~-~~--ι-~~=~~~
συνδετικός ιστός
βλεwοεκκριτικά
.,+----...,':';.:,,",,,
καλυκοειδή κύπαρα
κρύπτη -ι-------<:"'::"O~------'Ξ-....,..:-~:_,.~,--'" ,'.JI.-Itι.::"'I:I
βραδέως διαιρούμενα
κύπαρα (διάρκεια κύκλου 2:24 ώρες) (Α)
μη διαιρούμενα διαφοροποιημένα κύπαρα
(8)
100
μm
Εικόνα 21-36. Η ανανέωση της επένδυσης του εντέρου. (Α) Το πρότυπο της κυπαρικής ανακύκλωσης και ο πολλαπλασιασμός των αρχέ γονων κυπάρων στο επιθήλιο που σχηματίζει τον βλεννογόνο του λεmού εντέρου. Τα μη διαιρούμενα διαφοροποιημένα κύπαρα στη βάση των κρυmών έχουν επίσης πεπερασμένο χρόνο ζωής που τερματίζεται με προγραμματισμένο κυπαρικό θάνατο. Τα κύπαρα αυτά αντικα θίστανται συνεχώς από τους απογόνους των αρχέγονων κυπάρων,
(8) Φωτογραφία
μιας διατομής από ένα μέρος του βλεwογόνου του λε
mού εντέρου' φαίνονται οι λάχνες και οι κρύmες. Στο επιθήλιο των λαχνών, ανάμεσα στα απορροφητικά κύπαρα της ψηκτροειδούς παρυ φής βρίσκονται διάσπαρτα βλεwοεκκριτικά καλυκοειδή κύπαρα (κόκκινα). Στο βλεwογόνο επίσης υπάρχουν μικρότεροι αριθμοί δύο άλ λων κυπαρικών τύπων που προέρχονται από τα ίδια αρχέγονα κύπαρα: τα εντεροεκκρικά κύπαρα, τα οποία εκκρίνουν τις εντερικές ορμό νες, και τα κύπαρα του
Paneth, τα οποία εκκρίνουν
βακτηριοκτόνες πρωτείVες. Η οργάνωση κρυmών-λαχνών θεωρείται ότι διατηρείται α
πό σήματα του περιβάλλοντος των κρυmών που συντηρούν τα κύπαρα των κρυmών σε κατάσταση πολλαπλασιασμού.
Διατήρηση και Ανανέωση των Ιστών
897
Εικόνα 21·37. Το πρότυπο της κυπαρικής α· νανέωσης στην επιδερμίδα. Νέα κύπαρα γεννιούνται από τη διαίρεση των αρχέγονων
,
κυπάρων στη βασική στιβάδα. Στη συνέχεια,
[!ί~III~~~II!!~~~~!~~-~ΑΠΟΠΙΠΤΟΥΝ
χάνουν την επαφή τους με τον βασικό υμένα και μετακινούνται προς τα έξω, ενώ παράλλη λα διαφοροποιούνται. Τελικά, τα κύπαρα πε
θαίνουν με ειδικό τρόπο: ο πυρήνας αποδομεί ται και το κύπαρο συρρικνώνεται στη μορφή
ΤΑΚΥΠΑΡΑ
-_!..-
ΕΠΙΔΕΡΜΙΔΑ
(επιθήλιο)
ενός επιπεδωμένου λεπιού γεμάτου κερατίνη. Το λέπι αργότερα θα αποπέσει από την επιφά
νεια του σώματος. ΤΑΚΥΤΤΑΡΑ
ΔΕΡΜΙΔΑ r
ΓΕΝΝΙΟΥΝΤΑΙ
(συνδετικός
ιστός) r 1+--30μm
διαιρούμενο
__
βασικό κύπαρο
Ένα αVΤίθεΤO παράδειγμα συναVΤάμε σrnν επιδερμίδα. Η επιδερμίδα εί ναι ένα πorιuστιβo επιθήλιο που περιέχει ΤΟ αρΧέγονα κύπαρα στη βασική
στιβάδα, δίπλα στον βασικό υμένα. Τα διαφοροποιούμενα κύπαρα μετοκι νoύvται από το σημείο της προέλευσής τους προς ΤΟ έξω σε κατεύθυνση κά
θετη προς το επίπεδο του κυπαρικού φύλ/ου (Εικόνα
21-37).
Συχνά, ένα ορισμένο είδος αρχέγονου κυπάρου αποδίδει αρκετά είδη διαφοροποιημένων απογόνων. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι τα αρΧέ γονα κύπαρα του εvτέρoυ που παράγουν απορροφητικά κύπαρα, καλυκοει
δή κύπαρα και ορισμένα άλ/α είδη κυπάρων. Ένα ακραίο παράδειγμα αυ τού του φαινομένου είναι η αψοποίnσn, δηλαδή η διεργασία του σχηματι σμού των κυπάρων του αίματος. Όλα ΤΟ διαφορετικά είδη κυπάρων του αί
ματος-τόσο ΤΟ ερυθροκύπαρα που μετοφέρουν το οξυγόνο όσο και ΤΟ πολ/ά είδη των λευκοκυπάρων που κατοπολεμούν τις λοιμώξεις (Εικόνα
21-38),
πρoέρxovται από ένα κοινό αρχέγοvο αιμΟΠΟ1nπκό κύπαρο, το οποίο κανο
νικά κατοικεί στον μυελό των οστών (Εικόνα
21-39).
Τα αρΧέγονα κύπαρα μπορεί να χρησιμοπOlηθούν για την επιδιόρθωση ισIlκών βλαβών Επειδή ΤΟ αρΧέγονα κύπαρα μπορούν να πoλ/απλασιάzovται όπως επί σης και να παράγουν διαφοροποιημένους απογόνους, εξυπηρετούν τόσο την αύξηση και επιδιόρθωση όσο και τη φυσιολογική συvτήρηση των ιστών.
Για παράδειγμα, με τη μετάγγιση λίγων αιμοποιητικών αρΧέγονων κυπάρων σ
, εναν .. "" ", ΠOVΤΙKO του οποιου ΤΟ αιμοποιητικα αρχεγονα κυπαρα εχουν κατο/
/'
στραφεί, μπορείν' αποκατοσταθείπλήρως η αιμοποίηση και έιοι να διασω θείτο Ζώο από το θάνατο από αναιμία. Μια ανάλογη προσέγγισηαποτελείτη βάση για τη θεραπεία της λευχαιμίας στον άνθρωπο με τη χρησιμοποίηση
μοσχευμάτωνμυελού των οστών.
Τα αρΧέγονα κύπαρα που παραλαμβάνovταιάμεσα από τους ενήλικους ιστούς υπόσxovταιπολ/ά για την επιδιόρθωσητων ιστών. Ωστόσο, ένα άλ/ο
898
Κεφάλαιο 21 : Ιστοί και Καρκίνος
Εικόνα
21-38. Ηλεκτρονιομlκρογραφία
σάρω
σης των κυπάρων του αίματος ενός θηλαστι
κού. Τα μεγαλύτερα, πιο σφαιρικά κύτταρα με την αδρή επιφάνεια είναι τα λευκά αιμοσφαίρια, ενώ τα μικρότερα, πιο λεία, επιπεδωμένα κύπα ρα είναι τα ερυθρά αιμοσφαίρια. (Από R.G. Kessel από R.H. Kardon, Tissues and Organs: Α Text-Atlas of Scanning Electon Microscopy. San Francisco: Freeman, 1979. Copyright © 1979 W.H. Freeman and Company).
5μm
είδος αρΧέγονου κυπάρου ίσως έχει ακόμα μεγαλύτερες δυνατότητες. Μια
Ερώmσn21-7
αξlOσημείωτη κατηγορία αρΧέγονων κυπάρων που ονομάΖΟνται εμβρυϊκά
Κατά τη Υνώμη σας, για ΠΟlo
αρΧέγονα κύπαρα
αναπτυχθεί από
λόγο τα επιθηλιακά κύπαρα
πρώιμα έμβρυα ποντικού με τεχνικές κυπαρικής καλ/ιέργειας. Υπό κατάλ
που επενδύουν το έντερο α
ληλες συνθήκες, αυτά τα κύπαρα μπορεί να συνεχίΖουν να πολ/απλασιάΖΟ-
νανεώνονται συνεΧώς, ενώ
(embryonic stem cells, ES cells) μπορεί ν'
ΟΙ περισσότεροι νευρώνες
•,
εΠΙΖούν δια βίου; Τ λεμφοκύπαρο
Β λεμφοκύπαρο
:_....
ο
00
ο
ο
ηωσινόφιλο
βασεόφιλο
000
C®αρχέγονο αιμοποιητικό
κύπαρο
ουδετερόφιλο 00
Ι---
ο
~ ι.....-
t----
ιι
./
μονοκύπαργ Ο
μακροφάγο
-
~~o
οστεοκλάστη
.
με~KαρυOKύπαρo
α/μο"cr~ο
Εικόνα
21-39.
Το αιμοποιητικό αρχέγονο
κύπαρο και οι απόγονοί του. Κανονικά, το αι μοποιητικό αρχέγονο κύπαρο διαιρείται σπά νια και παράγει πιο εξειδικευμένα κύτταρα, τα
οποία με τη σειρά τους διαιρούνται για ν' απο δώσουν τα ώριμα κύπαρα που βρίσκονται στην κυκλοφορία. Τα μακροφάγα που υπάρ χουν σε πολλούς ιστούς του σώματος και οι 0-
στεοκλάστεςπου καταβροχθίζουντο στρώμα του οστού προέρχονταιαπό το ίδιο κύπαρο.
_
ερυθρό αιμοσφαίριο
Το ίδιο ισχύει και με λίγα ακόμα είδη ιστικών
κυπάρωνπου δεν εικονίζονταιεδώ.
Διατήρηση και Ανανέωση των Ιστών
899
-,0
Εικόνα
21·40. Αρχέγονα εμβρυϊκά κύπαρα (embryonic stem cells, ES cells) μπορεί να
σχηματίσουν όλους τους ιστούς και τους κυπαρικούς τύπους του σώματος. Τα ES κύτ
λιποκύπαρο
ταρα συλλέγονται από την έσω κυτταρική μά ζα ενός πρώιμου εμβρύου και διατηρούνται επ' αόριστον ως αρχέγονα κύπαρα σε καλ
κύπαρα της έσω κυπαρικής μάζας
λιέργεια. Αν ξαναεισαχθούν σ' ένα έμβρυο θα ενσωματωθούν τέλεια και θα διαφοροποιη θούν σύμφωνα με το περιβάλλον στο οποίο το
ποθετήθηκαν. Τα κύπαρα μπορεί επίσης να
ψ-
διατηρηθούν σε καλλιέργεια και, υπό την επί δραση διαφορετικών ορμονών ή αυξητικών παραγόντων, να διαφοροποιηθούν σε ειδικούς κυπαρικούς τύπους. (Βασισμένο σε: Ε.
Fuchs
and J.A. Segre, CeJJ 100:1431-55, 2000).
πρώιμο έμβρυο (βλασroKύστη)
καλλιεργούμενα ES κύπαρα
λείο μυϊκό κύπαρο
νωι ατέρμονα σε καλ/ιέργεια και παρόΝ αυτά να διατηρούν απεριόριστο α
ναπτυξιακό δυναμικό. Αν κύπαρα από το τρυβλίο της καλ/ιέργειας επανατο
ποθετηθούν σ' ένα πρώιμο αναπτυσσόμενο έμβρυο, μπορεί ν' αποδώσουν όλους τους ιστούς και τα είδη κυπάρων του σώματος, συμπεριλαμβανομέ νων και των βλαστικών κυπάρων (Εικόνα
21-40).
Οι απόγονοί τους στο έμ
βρυο ενσωματώνονται άριστα στις θέσεις όπου καταΛήγουν και υlOθετούν τα χαρακτηριστικά και τη συμπεριφορά των φυσlOλογικών κυπάρων που βρί
σκονται σε αυτές τις θέσεις. Σήμερα, κύπαρα με παρόμοιες ιδιότητες μπορεί ν' αναπτυχθούν από πρώιμα έμβρυα ανθρώπου. Έτσι, μπορεί να δημlOυργηθεί ένα δυνητικά ανε ξάντλητο απόθεμα κυπάρων για πιθανή χρήση σε διεργασίες αντικατάστασης και επιδιόρθωσης βλαβών σε ώριμους ανθρώπινους ιστούς. Πειράματα σε ποντικούς υποδηλώνουν ότι στο άμεσο μέλ/ον θα είναι εφικτή η χρησιμοποί ηση εμβρυϊκών αρχέγονων κυπάρων για αντικατάσταση των γραμμωτών μυϊ
κών ινών που εκφυλίΖΟνται σε ασθενείς με μυϊκή δυστροφία, των νευρικών κυπάρων που πεθαίνουν σε ασθενείς με νόσο του
Parkinson, των ινσουλινο
εκκριτικών κυπάρων που καταστρέφονται στον διαβήτη τύπου Ι και των μυο
καρδιακών κυπάρων που πεθαίνουν κατά το έμφραγμα του μυοκαρδίου. Ί σως κάποτε επιτευχθεί η ανάπτυξη ακόμα και ολόκληρων οργάνων από εμ
βρυϊκά αρΧέγονα κύπαρα σε μια επανάληψη της εμβρυϊκής ανάπτυξης. Ωστόσο, η χρήση αυτών των κυπάρων για ιστική επιδιόρθωση αντιμετω πίΖει ένα κύριο πρόβλημα. Αν τα κύπαρα του μοσχεύματος διαφέρουν γενε
τικά από τα κύπαρα του δέκτη (ασθενούς), είναι πιθανό ν' απορριφθούν και να καταστραφούν από το ανοσοποιητικό σύστημα. Αυτό μπορεί να παρα καμφθεί χρησιμοποιώντας τη στρατηγική που αναφέρεται ευρέως ως «θερα πευτική κλωνοποίηση».
900
Κεφάλαιο 21 : Ιστοί και Καρκίνος
Η μεταμόσχευση πυρήνων προσφέρει τη δυνατότητα της δημιουργίας εξατομικευμένων αρΧέγονων εμβρυϊκών κυπάρων: η στρατηγική της θεραπευτικής κλωνοποίησης Ο όρος «κλωνοποίηση» έχει χρησιμοποιηθεί αδιακρίτως για να περιγρά ψει πολύ διαφορετικές διαδικασίες, ιδίως σε δημόσιες συΖητήσεις σχετικά με τις ηθικές διαστάσεις της έρευνας των αρΧέγονων κυπάρων. Αυτό έχει
προκαλέσει σύγχυση και επιβάλλει διευκρινίσεις ώστε να γίνουν κατανοητές οι διακρίσεις μεταξύ των σχετικών διαδικασιών.
Σύμφωνα με τον βιολογικό ορισμό, κλώνος είναι απλώς μια ομάδα γενε τικώς ταυτόσημων ατόμων που προέρχονται από τον ίδιο πρόγονο. Το α πλούστερο είδος κλωνοποίησης είναι η κλωνοποίηση κυπάρων. Έτσι, ένα
αρΧέγονο κύπαρο της επιδερμίδας μπορεί ν' αυξηθεί σε καλ/ιέργεια και ν' αποδώσει έναν μεγάλο κλώνο γενετικώς ταυτόσημων επιδερμιδικών κυπά ρων, τα οποία δυνητικά θα προσφέρονταν για την αντιμετώπιση ενός σοβα
ρού εγκαύματος. Αυτό 10 είδος κλωνοποίησηςαπλώς προεκτείνειμε τεχνη τά μέσα τις διεργασίεςτου κυπαρικού πολ/απλασιασμούκαι της επιδιόρθω σης που συμβαίνουνκανονικά στο σώμα. Η κλωνοποίηση ολόκληρων πολυκύπαρωνΖώων, γνωστή ως αναπαρα
γωγική κλωνοποίΩσΩ (reproductive
cloning),
είναι πολύ διαφορετικό εγχεί
ρημα, το οποίο αποκλίνει πολύ πιο δραστικά από τη φυσική πορεία των πραγ μάτων. Κανονικά, κάθε Ζώο έχει πατέρα και μητέρα και διαφέρει γενετικώς και από τους δύο γονείς του. Κατά την αναπαραγωγική κλωνοποίηση, η ανά
γκη για δύο γονείς και φυλετική ένωση παρακάμmετα1. Στα θηλαστικά, αυτό
το δύσκολο εγχείρημα έχει υλοποιηθεί στα πρόβατα και σε μερικά άλλα οικό σιτα Ζώα με μεraμόσxεuσΩ πυρήνων
(nuclear transplantation).
Η διαδικασία
αρχίζει με ένα μη γονιμοποιημένο ωάριο. Ο πυρήνας του απλοειδούς ωαρίου αφαιρείται με αναρρόφηση και στη θέση του εισάγεται ο πυρήνας ενός κανο
νικού διπλοειδούς κυπάρου, Π.Χ. από κάποιον ιστό ενός ενήλικου Ζώου. Το υβριδικό κύπαρο, στο οποίο διπλοειδής πυρήνας του δότη βρίσκεται μέσα
στο κυπαρόπλασμα του ωαρίου-ξενιστή, αφήνεται ν' αναπτυχθεί σε καλ/ιέρ γεια για σύντομο χρονικό διάστημα. Σε μικρή αναλογία περιπτώσεων, αυτό μπορεί ν' αποδώσει ένα πρώιμο έμβρυο, το οποίο στη συνέχεια τοποθετείται στη μήτρα μιας θετής μητέρας (Εικόνα
21-41). Αν το θέλει η τύχη,
η ανάmυξη
συνεχίΖεται όπως η ανάπτυξη ενός κανονικού εμβρύου, αποδίδοντας τελικά ένα ολόκληρο νέο Ζώο. Ο οργανισμός που παράγεται με αναπαραγωγική
κλωνοποίηση είναι γενετικώς ταυτόσημος με τον ενήλικο δότη του διπλοει δούς κυπάρου (εξαιρώντας τη μικρή ποσότητα γενετικών πληροφοριών στα μιτοΧόνδρια που προέρχονται από το κυπαρόπλασμα του ωαρίου). Μια άλλη δοκιμασία, που επίσης διαφέρει πολύ από τις προαναφερθείσες, χρησιμοποιεί την τεχνική της μεταμόσχευσης πυρήνων για την παραγωγή αρχέ
γονων εμβρυϊκών κυπάρων (βλ. Εικόνα πρώιμο έμβρυο (αποτελεπαι περίπου
21-41). Σε αυτή την περίmωση, το πολύ από 200 κύπαρα) δεν μεταφέρεται στη μή
τρα μιας θετής μητέρας. Αντίθετα, χρησιμοποιείται ως πηγή για την παραγωγή
αρχέγονων εμβρυϊκών κυπάρων σε καλ/ιέργεια με την επιδίωξη ν' αναmυ-
Διατήρηση και Ανανέωση των Ιστών
901
ΑΝΑΠΑΡΑΓΩΓιΚΗ ΚΛΩΝΟΠΟΙΗΣΗ
l'
μοσχάρι
κύπαρα από τον ενήλΙΚΟ?
ιστό που περιέχουντο
γονιδίωμα προς κλωνοποίηση
μειωτικη άτ ακτο
Cj p
μη γονιμοποιημένο ωάριο από ενήλικο θηλυκό
Εικόνα
21·41.
j
ςet
Ο
ΚΥΠΑΡΙΚΗ'
ΣΥΝΤΗΞΗ Ή
U
ΕΝΕΣΗ πγΡΗΝΑ
•
Ι
θ ....:.:.,"
----p;pjΚH
•
ΔΙΑΙΡΕΣΗ' •
τοποθέτησηεμβρύου σε
θετή μητέρα
-----.Ι \
μεταφορά κυττάρων του
πρώιμο πρώιμου εμβρύου σε τρυβλίο
~
\
ES
κύπαρα
ι.,~]
αφαίρεση του ΟΝΑ του ωαρίου
ΘΕΡΑΠΕΥΤΙΚΗ ΚΛΩΝΟΠΟΙΗΣΗ
Κύπαρα ενήλικων ιστών μπορεί να χρησιμοποιηθούν για «κλωνοποίηση» με δύο διαφορετικές έννοιες του όρου. Κατά
την αναπαραγωγική κλωνοποίηση δημιουργείται ένας ολόκληρος, νέος πολυκύπαρος οργανισμός. Κατά τη θεραπευτική κλωνοποίηση πα ράγονται μόνο κύπαρα.
χθούν πoικiί'lα είδη κυπάρων γι' αΠOKατάσrαση ισrΙKών βλαβών. Αυτή η λεγόμε
νη θεραπευΙ1κn κΛωvοποfnση
(therapeutic cloning) είναι
μια περίτεχνη τεχνική
για τη δημιουργία εξατομικευμένων αρΧέγονων εμβρυϊκών κυπάρων αντί για ο λόκληρα κλωνοποιημένα Ζώα. Επειδή τα κύπαρα προήλθαν κατ' αυτόν τον τρό πο και είναι γενετικώς ταυτόσημα με το αυθεντικό κύπαρο-δότη, μπορεί να χρη σιμοποιηθούν ως μόσχευμα σroν ενήλικο από τον οποίο είχε παραληφθεί το κύπαρο-δότης χωρίς να υπάρχει ο φόβος της άνοσης απόρριψης.
Αυτή η σrρατηγΙKή βρίσκεται ακόμα σε «βρεφικό» σrάδιo και σε μερικές χώρες απαγορεύεται Απομένει ν' αποδειΧθεί αν θα εκπληρώσει τις μεγάλες προσδοκίες που τρέφει η ιατρική κοινότητα.
Καρκίvοs Υπάρχει ένα τίμημα για την ικανότητά μας ν' ανανεώνουμε και να επι διορθώνουμε το σώμα μας. Οι προσεκτικά ρυθμΙΖόμενοι μηχανισμοί που ε λέγχουν αυτές τις διεργασίες μπορεί ν' απoρρυθμισroύν, οδηγώντας σε κα τασrρoφΙKές συνέπειες. Το σημαντικότερο νόσημα ανανέωσης των ισrών εί
ναι ο καρκίνος. ΜαΖί με τις λοιμώξεις, την υποθρεψία, τον πόλεμο και τις καρδιοπάθειες είναι οι κύριες αιτίες θανάτου του ανθρώπου. Στην Ευρώπη και σrη Β. Αμερική, ένας σroυς τέσσερις ανθρώπους πεθαίνει από καρκίνο. Ο καρκίνος αναπτύσσεται από παραβάσεις των βασικών κανόνων που
διέπουν την κοινωνική συμπεριφορά των κυπάρων. Για να κατανοήσουμε την προέλευση και την εξέλιξη της νόσου όπως επίσης και για να επινοήσου
με νέες θεραπείες πρέπει ν' αξιοποιήσουμε σχεδόν όλες τις γνώσεις μας σχετικά με τις λειτουργίες και τις αλληλεπιδράσεις των κυπάρων σroυς ι σroύς. Από την άλ/η πλευρά, πολ/ές από τις γνώσεις μας για τη βιολογία των κυπάρων και των ισrών προέκυψαν από την έρευνα του καρκίνου. Στις επό
μενες παραγράφους θα εξετάσουμε τα αίτια και τους μηχανισμούς του καρ-
902
Κεφάλαιο 21: Ιστοί και Καρκίνος
κίνου, τις διαταραχές της κυπαρικής συμπεριφοράς που συνεισφέρουν στην
εξέλιξή του και τους τρόπους με τους οποίους ελπίΖουμε να χρησιμοποιή σουμε τις Υνώσεις μας ώστε να νικήσουμε τα κύπαρα που παραφέρονται και
να μην τ' αφήσουμε να μας σκοτώσουν.
Τα καρκινικά κύπαρα πολλαπλασιάΖΟνΙαι, διαιρούνΙαι και μεθίστανΙαι Η ανανέωση των ιστών προϋποθέτει την ύπαρξη περίπλοκων μηχανισμών ελέγχου για τον συντονισμό της συμπεριφοράς κάθε ξεχωριστού κυπάρου με τις ανάγκες ολόκληρου του οργανισμού. Το κύπαρο πρέπει να διαιρείται όταν χρειάζονται νέα κύπαρα αυτού του είδους και να σταματά να διαιρείται όταν δεν χρειάζονταΙ. Πρέπει να Ζει όσο είναι απαραίτητο και να πεθάνει όταν πρέ πει να πεθάνει Πρέπει να διατηρεί τον κατάλ/ηλο εξειδικευμένο χαρακτήρα
και να καταλαμβάνει τη σωστή θέση χωρίς να ξεστρατίΖει σε άλλες επικράτειες. Ασφαλώς, ένας μεγάλος οργανισμός δεν παθαίνει μεγάλη Ζημιά αν, σπο ραδικά, ένα κύπαρό του παραφερθεί. Από την άλ/η πλευρά, όταν ένα κύπα ρο υποστεί μια γενετική τροποποίηση που του επιτρέπει να επιβιώνει και να
διαιρείται ενώ δεν θα έπρεπε, θα συμβεί μια ύπουλη και δυνητικά καταστρο φική απώλεια του ελέγχου που θα οδηγήσει σε παραγωγή θυγατρικών κυτ τάρων τα οποία θα συμπεριφέρονταΙ. Σε αυτή την περίπτωση, η οργάνωση
του ιστού, και τελικά και ολόκληρου του οργανισμού, μπορεί να διαταραΧθεί από έναν συνεΧώς αυξανόμενο κλώνο ανώμαλων κυπάρων. Αυτή η κατα στροφική εξέλιξη συμβαίνει στον καρκίνο. Τα καρκινικά κύπαρα χαρακτηρίΖΟνται από δύο κληρονομικές ιδιότητες:
αυτά τα ίδια και οι απόγονοί τους
λογικούς περιορισμούς και
(2)
(1) αναπαράγονται
αψηφώντας τους φυσιο
διεισδύουν και απ οικίΖουν τόπους που κανο
νικά αποτελούν την επικράτεια άλλων κυπάρων. Ο ιδιαίτερος κίνδυνος του καρκίνου δημιουργείται από τον συνδυασμό αυτών των δύο χαρακτηριστι κών. Τα κύπαρα που έχουν την πρώτη όχι όμως και τη δεύτερη ιδιότητα πολ
λαπλασιάΖονται υπέρμετρα αλλά παραμένουν συναθροισμένα σε μια ενιαία μάΖα και μπορεί να δημιουργήσουν έναν όγκο (ή νεόπλασμα,
tumor).
Στην
περίπτωση αυτή ο όγκος χαρακτηρίζεται ως κai\οriθnς: συνήθως μπορεί ν' α φαιρεθεί πλήρως με χειρουργική επέμβαση. Ένας όγκος είναι καρκινικός
μόνο αν τα κύπαρά του έχουν την ικανότητα να διεισδύουν στους περιβάλ/ο ντες ιστούς: στην περίπτωση αυτή ο όγκος χαρακτηρίΖεται ως κaκοriθnς. Τα κακοήθη καρκινικά κύπαρα με τη διεισδυτική ικανότητα μπορεί να εγκαταλεί
ψουν τον πρωτοπαθή όγκο, να εισέλθουν στην κυκλοφορία του αίματος ή στα λεμφαγγεία και να σχηματίσουν δευτεροπαθείς όγκους, ή αλλιώς μεrαστά
σεις, σε άλλες θέσεις του σώματος (Εικόνα
21-42). Όσο
περισσότερο έχει
διασπαρεί ο καρκίνος, τόσο δυσκολότερο είναι ν' αντιμετωπιστεί.
Η επιδημιολογία αναγνωρίΖει αίτια του καρκίνου που μπορεί να προληφθούν Η πρόληψη είναι καλύτερη από τη θεραπεία. Για την πρόληψη του καρκί-
Καρκίνος
903
φυσιολογικός
φυσιολογικά
ηπατικός ιστός
καρκινικά κύπαρα
ηπατικά κύπαρα
(Α)
L-J 20 mm
Εικόνα
21·42. Μετάσταση.
(Α) Για να δημιουργήσουν μια αποικία, ή αλλιώς μετάσταση, σε μια νέα θέση, τα κύπαρα του πρωτοπαθούς νε
οπλάσματος ενός επιθηλίου πρέπει να διασχίσουν τον βασικό υμένα, να μεταναστεύσουν διαμέσου του συνδετικού ιστού και να εισέλθουν στην κυκλοφορία του αίματος. (Β) Μεταστάσεις στο ήπαρ ενός ασθενούς που προέρχονται από έναν πρωτοπαθή καρκίνο του παχέος εντέ
ρου. Οι μεταστάσεις είναι οι ωχρές κυπαρικές μάζες. (η Σε μεγαλύτερη μεγέθυνση και με διαφορετική χρωστική έτσι ώστε να αναδειχθεί η αντίθεση ανάμεσα στα φυσιολογικά και τα νεοπλασματικά κύπαρα. (Β και Γ, με την άδεια του
Peter Isaacson).
νου είναι απαραίτητο να γνωρίΖουμε τα αίτιά του. Άραγε υπάρχουν περιβαλ λοντικοί παράγοντες ή χαρακτηριστικά του τρόπου Ζωής μας που πυροδο
τούν τη νόσο και συμβάλ/ουν στην εξέλιξή της; Αν ναι, ποια είναι; Απαντή σεις στα παραπάνω ερωτήματα προέρχονται κυρίως από την επιδημιολογία, δηλαδή τη στατιστική ανάλυση των ανθρώπινων πληθυσμών η οποία αναΖη τά παραμέτρους που συσχετίΖΟνται με την επίπτωση των νοσημάτων. Από τις
σχετικές μελέτες προέκυψαν ισχυρές ενδείξεις για το ρόλο του περιβάλ/ο ντος στην παθογένεση των περισσότερων περιπτώσεων καρκίνου. Για παρά
δειγμα, οι τύποι του καρκίνου που επικρατούν σ' έναν πληθυσμό ποικίλλουν από χώρα σε χώρα. Επίσης, μελέτες μεταναστών δείχνουν ότι ο κίνδυνος του καρκίνου μάλ/ον σχετίΖεται με τον τόπο κατοικίας παρά με τον τόπο γέwη σης. Η ανακάλυψη ειδικών παραγόντων του περιβάλ/οντος ή του τρόπου Ζωής με ιδιαίτερη σημασία για την καρκινογένεση εξακολουθεί να είναι δυ σχερής. Ωστόσο, ορισμένοι παράγοντες έχουν καθοριστεί επακριβώς. Έτσι, από καιρό ήταν γνωστό ότι ο καρκίνος του τραχήλου της μήφας ήταν πολύ συχνότερος σε παντρεμένες παρά σε ανύπαντρες γυναίκες, γεγονός που υ
ποδείκνυε κάποιο αίτιο σχεΤΙΖόμενο με τη σεξουαλική δραστηριότητα. Σύγ-
904
Κεφάλαιο 21 : Ιστοί και Καρκίνος
χρονες επιδημιολογικές μελέτες απέδειξαν ότι οι περισσότερες περιπτώσεις καρκίνου του τραχήλου της μήτρας συνδέονται με λοίμωξη του επιθηλίου του
τραχήλου με ορισμένους υποτύπους ενός κοινού ιού, του ιού των θηλωμά των του ανθρώπου
(human papilloma virus, HPV).
Ο
HPV μεταδίδεται
με τη
σεξουαλική επαφή και, σποραδικά, σε μια άτυχη γυναίκα μπορεί να προκα λέσει ανεξέλεγκτο πολ/απλασιασμό των μολυσμένων κυπάρων. Με αυτή τη γνώση, μπορούμε να προσπαθήσουμε να πρoi\άβoυμε τον καρκίνο παρε μποδίζοντας τη λοίμωξη, για παράδειγμα μ' εμβολιασμό εναντίον του
HPV.
Αυτό είναι ένα δραστήριο ερευνητικό πεδίο. Ωστόσο, οι ιοί δεν φαίνεται να παίΖουν ρόλο στη μεγάλη πλειονότητα των καρκίνων του ανθρώπου: ο καρκίνος δεν είναι λοιμώδες νόσημα. Η επιδη
μιολογία όμως αποκαΜπτει και άλ/ους προδιαθεσικούς παράγοντες. Για παράδειγμα, η παχυσαρκία σχετίΖεται με αυξημένο κίνδυνο καρκίνου και η σχέση μάλ/ον είναι αιτιολογική. Ωστόσο, το σημαντικότερο περιβαλ/οντικό
αίτιο του καρκίνου είναι το κάπνισμα. Το κάπνισμα ευθύνεται σχεδόν για ό λες τις περιπτώσεις καρκίνου του πνεύμονα. Επίσης αυξάνει την επίπτωση αρκετών άλ/ων τύπων καρκίνου, όπως ο καρκίνος της ουροδόχου κύστης. Αν σταματούσε το κάπνισμα, οι θάνατοι από καρκίνο θα ελαπώνονταν περί που κατά
30%. Καμιά
άλ/η πολιτική ή θεραπεία δεν θα μπορούσε να επηρε
άσει τόσο ποΜ τη θνητότητα από τον καρκίνο. Όσο σκληρά κι αν προσπαθήσουμε να πρoi\άβoυμε τον καρκίνο, ποτέ
δεν θα κατορθώσουμε να τον εξαλείψουμε εντελώς. Συνεχώς θ' αντιμετωπί Ζουμε περιπτώσεις που απαιτούν θεραπεία. Για ν' αναπτύξουμε θεραπείες με πιθανότητα επιτυχίας είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε τη βιολογία των καρκινικών κυπάρων και τους μηχανισμούς που εμπλέκονται στην αύξηση
και διασπορά του καρκίνου.
Ο καρκίνος χρειάΖειοι συσσώρευση μεταλλάξεων Ο καρκίνος είναι γενετικό νόσημα: προκύπτει από παθολογικές μεταβο λές στις πληροφορίες του ΟΝΑ. Διαφέρει από άλ/α γενετικά νοσήματα κατά
το γεγονός ό,τι οι εμπλεκόμενες μεταλ/άξεις είναι σωμαπκές
tations),
(somatic mu-
δηλαδή συμβαίνουν σε διάσπαρτα μεμονωμένα κύπαρα του ώρι
μου σώματος, και διαφέρουν από τις μεταΛΛάξεις [nς γαμεπκής σεφάς
(germ-line mutations),
που μεταβιβάΖονται από τα γαμετικά κύπαρα από τα
οποία αναπτύσσεται οΜκληρος ο πολυκύπαρος οργανισμός.
Οι περισσότεροι παράγοντες που προδιαθέτουν στην ανάmυξη του καρ κίνου, συμπεριλαμβανομένων των περισσότερων χημικών καρκινογόνων
και της ιοντίΖουσας ακτινοβολίας, είναι μεταλ/αξιγόνοι: προκαλούν αλ/αγές στην αλ/ηλουχία νουκλεοτιδίων του ΟΝΑ. Ωστόσο, ακόμα και σ' ένα περι
βάλ/ον χωρίς καπνό, ραδιενέργεια ή άλ/α επικίνδυνα εξωγενή μεταλ/αξι
γόνα, μεταλ/άξεις συμβαίνουν αυθόρμητα με συχνότητα περίπου 10-6 ή 10-7 μεταλ/άξεις ανά γονίδιο ανά κυπαρική διαίρεση, μια τιμή που καθορίΖεται α πό τους βασικούς ευγενείς περιορισμούς της ακρίβειας της αντιγραφής και της επιδιόρθωσης του ΟΝΑ. Σε όλη τη διάρκεια της Ζωής ενός ανθρώπου
συμβαίνουν περίπου 1016 κυπαρικές διαιρέσεις. Συνεπώς, κάθε γονίδιο του Καρκίνος
905
γονιδιώματος ενός ανθρώπου μπορεί να υποmεί μετάλλαξη περίπου σε 109 διαφορετικές περιmάσεις. Από αυτή την άποψη, το πρόβλημα του καρκίνου
φαίνεται πως είναι όχι γιατί συμβαίνει αλ/ά γιατί συμβαίνει τόσο σπάνια. Η εξήγηση, η οποία mηρίΖεται πλέον σε πολ/ές αποδείξεις, είναι ότι για
να μετατραπεί ένα φυσιολογικό κύπαρο σε καρκινικό χρειάΖΟνται περισσό
τερες από μια μεταλλάξεις. Είναι άyvωmο πόσες ακριβώς μεταλλάξεις απαι τούνται, αλ/ά σίγουρα είναι πάνω από
2-3. Αυτές οι μεταλλάξεις
συμβαίνουν
διαδοχικά και όχι ταυτόχρονα, συνήθως μέσα σε χρονική περίοδο πολ/ών ετών. Συνεπώς, ο καρκίνος είναι κυρίως νόσημα των ηλικιωμένων, επειδή για
να μπορέσει μια ξεχωριmή σειρά κυπάρων να συσσωρεύσει μεγάλο αριθμό σωματικών μεταλλάξεων χρειάΖεται πολύς χρόνος (βλ. Εικόνα
6-20). Τα πε
ρισσότερα καρκινικά κύπαρα του ανθρώπου δεν περιέχουν απλώς πολ/ές
μεταλλάξεις αλ/ά επίσης εμφανίΖουν και γενετική αστάθεια. Η γενετική α mάθεια προκύπτει από μεταλλάξεις οι οποίες
(1)
παρεμβαίνουν
mnv
πιmή
αντιγραφή του γονιδιώματος και έτσι αυξάνουν τη συχνότητα των ίδιων των μεταλλάξεων,
DNA,
ή
(3)
(2)
ελαπώνουν την αποτελεσματικότητα της επιδιόρθωσης του
αυξάνουν την επίπτωση των χρωμοσωμικών θραύσεων και ανα
διατάξεων, οδηγώντας σ' έναν πολύ διαταραγμένο και αmαθή καρυότυπο (Εικόνα
21-43).
Πιmεύεται ότι η αυξημένη συχνότητα μεταλλάξεων διευκο
λύνει την ανάπτυξη του καρκίνου.
Τα καρκινικά κύπαρα αποκτούν lδιό'ιητες που τους προσδίδουν ένα συναγωνΙσΙ1κό πλεονέκτημα Οι μεταλλάξεις που οδηγούν
mov καρκίνο
δεν προκαλούν αναπηρία
ma
μεταλ/αγμένα κύπαρα. Αντίθετα, προσδίδουν σε αυτά τα κύπαρα ένα συνα γωνιmικό πλεονέκτημα έναντι των γειτονικών κυπάρων, με καταmροφικές επιπτώσεις για τον πολυκύπαρο οργανισμό
mo
σύνολό του. Η φυσική επι
λογή ευνοεί κύπαρα με μεταλλάξεις που αυξάνουν τον πολ/απλασιασμό και την επιβίωση των κυπάρων, ανεξάρτητα από τις συνέπειες
Εικόνα
21·43. Τα
καρκινικά κύπαρα συχνά έ
χουν πολύ ανώμαλα χρωμοσώματα: αυτό εί ναι ένδειξη γενετικής αστάθειας. Στο παρά δειγμα της εικόνας, τα χρωμοσώματα παρα σκευάστηκαν από ένα κύπαρο καρκίνου μα στού σε μετάφαση, απλώθηκαν σ' ένα πλακί
διο και βάφηκαν με μια γενική χρωστική του ΟΝΑ (Α) ή μ' έναν συνδυασμό φθοριζουσών
χρωστικών που αποδίδουν ένα διαφορετικό χρώμα για κάθε φυσιολογικό χρωμόσωμα του ανθρώπου
(8).
Η χρώση (παρουσιάζεται με
ψεύτικα χρώματα) αποκαλύmει πολλές μετα θέσεις, μεταξύ άλ/ων και ένα χρωμόσωμα που
προέκυψε από διπλή μετάθεση (άσπρο βέλος) το οποίο αποτελείται από δύο κομμάτια του χρωμοσώματος
8 (πράσινο) και ένα κομμάτι 17 (μωβ). Το κύπαρο επί σης περιέχει 48 αντί για 46 χρωμοσώματα.
του χρωμοσώματος
906
Κεφάλαιο 21 : Ιστοί και Καρκίνος
(Α)
(8)
ma γειτονικά κύτ-
ταρα. Αυτή η διεργασία απολήγει στη γένεση καρκινικών κυττάρων που κη ρύσσουν ανταρσία μέσα στον οργανισμό, διαταράσσοντας την κανονική δο μή του. Ένας αρχικός πληθυσμός μεταλλαγμένων κυττάρων καθώς αυξάνει
μια μετάλλαξη προσδίδει σ' ένα κύπαρο ένα πλεονέκτημα
επιθηλιακά κύπαρα που αυξάνουν πάνω στον βασικό υμένα
παράλληλα εξελίσσεται με βραδύ ρυθμό: μερικά μέλη του τυχαία υφίστανται νέες μεταλλάξεις. Ορισμένες από αυτές τις μεταλλάξεις ευνοούνται από τη φυσική επιλογή (Εικόνα
21-44).
ΕΠΙΒΙΩΣΗ ΚΑΙ ΠΟΛΜΠΛΑΣΙΑΣΜΟΣ ΚΥΠΑΡΩΝ
!
Περιβαλ/οντικοί παράγοντες ή χαρακτηρι
στικά του τρόπου Ζωής χωρίς μεταλ/αξιγόνους ιδιότητες ίσως προδιαθέτουν στην ανάπτυξη του καρκίνου αλ/άΖοντας τις πιέσεις επιλογής που λειτουρ γούν στους ιστούς του σώματος, επίδραση που βοηθά τα μεταλλαγμένα κύτ ταρα να επιβιώσουν και να πολ/απλασιαστούν. Τελικά αναmύσσονται κύττα ρα με όλα τα χαρακτηριστικά των καρκινικών κυττάρων.
μια δεύτερη μετάλλαξη αυξάνει το πλεονέκτημα
Ι·Ι·Ι·ΙΞΙΞΙΞΙΞΙΞΙ·~I·Ι·I·I·Ι·I.I.I·I·I·IΞI μια τρίτη μετάλλαξη αυξάνει το πλεονέκτημα
Καθώς αναπτύσσεται, για να είναι επιτυχημένο ένα καρκινικό κύτταρο
ΕΠΙΒΙΩΣΗ ΚΑΙ ΠΟΛΜΠΛΑΣΙΑΣΜΟΣ ΚΥΠΑΡΩΝ
!
πρέπει ν' αποκτήσει ένα ολόκληρο φάσμα ανώμαλων ιδιοτήτων, μια συλ/ο
γή από «ανατρεπτικές», νέες δεξιότητες. Για παράδειγμα, ένα αρχέγονο επι
ΕΠΙΚΙΝΔΥΝΗ ΚΥΠΑΡΙΚΗ ΕΠΙΒΙΩΣΗ, ΠΟΛΜΠΛΑΣΙΑΣΜΟΣ
θηλιακό κύτταρο στον βλεwογόνο του εντέρου πρέπει να υποστεί αλλαγές
1
ΚΑΙ ΔΙΕΙΣΔΥΣΗ
που του επιτρέπουν να συνεχίσει να διαιρείται ενώ δεν θα έπρεπε, αλλά επί σης επιτρέπουν και στους απογόνους του να μην αποπίmουν από την εκτε
θειμένη επιφάνεια του επιθηλίου. Το κύτταρο και οι απόγονοί του πρέπει να είναι σε θέση να εκτοπίσουν τα φυσιολογικά γειτονικά κύτταρα και να εξα σφαλίσουν αιματική παροχή επαρκή για τη θρέψη του αναmυσσόμενου ό
γκου. Για ν' αποκτήσουν διεισδυτικότητα, τα καρκινικά κύτταρα πρέπει ν' α ποκτήσουν την ικανότητα ν' ανοίξουν δρόμο μέσω του βασικού υμένα προς τον υποκείμενο ιστό. Τέλος, για να μετασταθούν πρέπει να μπορούν να μπαινοβγαίνουν στην κυκλοφορία του αίματος ή της λέμφου, να εγκαθίστα νται και να επιβιώνουν σε νέες θέσεις (βλ. Εικόνα
21-42).
Εικόνα
21-44. Ο καρκίνος αναmύσσεται από
Διαφορετικοί καρκίνοι απαιτούν διαφορετικούς συνδυασμούς ιδιοτήτων.
επανειλημμένους γύρους μεταλλάξεων και πολλαπλασιασμού. Το τελικό αποτέλεσμα εί
Ωστόσο, υπάρχει μια σειρά κρίσιμων χαρακτηριστικών των καρκινικών κυτ
ναι ένας κλώνος κακοήθων καρκινικών κυπά
τάρων που τα διακρίνει από τα φυσιολογικά κύτταρα.
1. Τα
καρκινικά κύτταρα βασίΖΟνται λιγότερο σε σήματα από άλλα κύτταρα
ρων. Σε κάθε βήμα, ένα μεμονωμένο κύπαρο υφίσταται μια μετάλλαξη που επαυξάνει την ι
κανότητά του να πολλαπλασιάζεται, να επιβιώ
για την αύξηση, επιβίωση και διαίρεσή τους. Συχνά αυτό συμβαίνει επειδή
νει ή και τα δύο: έτσι, οι απόγονοί του συνι
περιέχουν μεταλλάξεις σε συστατικά των οδών κυτταρικής σηματοδότη
συνέχεια, ο πολλαπλασιασμός αυτού του κλώ
στούν τον κυρίαρχο κλώνο του καρκίνου. Στη
σης μέσω των οποίων τα κύτταρα απαντούν σε τέτοια «κοινωνικά μηνύμα
νου επιταχύνει το επόμενο βήμα στην εξέλιξη
τα». Για παράδειγμα, μια μετάλλαξη στο γονίδιο
του καρκίνου αυξάνοντας το μέγεθος του κυτ
ras
(βλ. Κεφάλαιο
16)
μπορεί να οδηγήσει σε παραγωγή ενός ενδοκυττάριου σήματος για πολ
ταρικού πληθυσμού σε κίνδυνο για επιπρόσθε τες μεταλλάξεις.
λαπλασιασμό παρότι δεν υπάρχει το εξωκυττάριο σήμα το οποίο κανονικά θα ήταν απαραίτητο για την παραγωγή του (σαν ένα χαλασμένο κουδούνι
Ερώmση21-8
που χτυπά έστω και αν κανείς δεν το πατά). κύτταρα είναι λιγότερο ευπαθή από τα φυσιολογικά κύτταρα
Ενώ κατά τη διάρκεια της
σε θάνατο με απόπτωση. Η «αποστροφή προς την αυτοκτονία» συχνά προ
Ζωής ενός ανθρώπου συμ-
καλείται από μεταλλάξεις σε γονίδια που ρυθμίΖουν το ενδοκυττάριο πρό
' β αινουν
γραμμα θανάτου (βλ. Κεφάλαιο
50%
ρικές διαιρέσεις, το σώμα ε
των καρκίνων του ανθρώπου ανιχνεύονται μεταλλάξεις στο γονίδιο ρ53.
νός ενήλικου ανθρώπου α
2. Τα καρκινικά
18).
Για παράδειγμα, περίπου στο
,
περιπου
1016 κυττα-
Η πρωτε'ϊνη ρ53 κανονικά συμμετέχει σ' έναν μηχανισμό ελέγχου που α
ποτελείται από
ναγκάΖει τα κύτταρα είτε να σταματήσουν να διαιρούνται (βλ. Εικόνα
ρα. Γιατί διαφέρουν τόσο πολύ αυτοί οι
16) είτε να πεθάνουν
με απόmωση όταν το
DNA τους
18-
έχει υποστεί βλάβη.
1013 κύττα
•,
δύο αριθμοί;
Καρκίνος
907
Για παράδειγμα, η θραύση των χρωμοσωμάτων, αν δεν επιδιορθωθεί, γε νικά αναγκάΖει το κύτταρο ν' αυτοκτονήσει. Αν όμως το κύτταρο έχει βλά βη
mo γονίδιο ρ53,
μπορεί να επιβιώσει και να συνεΧίσει να διαιρείται πα
ράγovτας πολύ ανώμαλα θυγατρικά κύτταρα που έχουν τη δυνατότητα να γίνουν ακόμα πιο κακοήθη.
3. Αντίθετα
από τα περισσότερα φυσιολογικά κύτταρα, τα καρκινικά κύτταρα
συχνά πολ/απλασιάΖΟνται απεριόριmα. Τα περισσότερα σωματικά κύττα
ρα του ανθρώπου όταν υπoβάλ/ovται σε καλ/ιέργεια πραγματοποιούν έ ναν περιορισμένο αριθμό κυτταρικών διαιρέσεων και μετά mαματούν ορι mικά, μάλ/ον επειδή έχουν βραχυνθεί πάρα πολύ τα τελομερίδια
ma δύο
άκρα τους. Τα καρκινικά κύτταρα παραβιάΖουν αυτό το όριο επανενεργο ποιώντας την παραγωγή της τελομεράσης, του ενΖύμου που διατηρεί το μήκος των τελομεριδίων.
4. Τα
περισσότερα καρκινικά είναι γενετικώς αmαθή και έχουν πολύ αυξη
μένη συχνότητα μεταλ/άξεων.
5. Τα
καρκινικά κύτταρα έχουν παθολογική διεισδυτικότητα. Αυτό συχνά ο
φείλεται (εν μέρει)
mo γεγονός
ότι δεν διαθέτουν ειδικά μόρια κυτταρικής
προσκόλ/ησης (όπως οι καντερίνες) που συγκρατούν τα φυσιολογικά κύτταρα
6. Τα
mn σωmή
θέση.
καρκινικά κύτταρα συχνά επιβιώνουν και πολ/απλασιάΖΟνται σε ξέ
νους ιmούς δημιουργώντας μεταλ/άξεις, ενώ τα περισσότερα φυσιολογι κά κύτταρα αν βρεθούν σ' έκτοπη θέση πεθαίνουν. Ακόμα δεν γνωρίΖου με πλήρως ποιες μεταλ/άξεις προσδίδουν αυτή την ικανότητα. Για να κατανοήσουμε τη μοριακή βιολογία του καρκίνου πρέπει να μπο ρούμε ν' αναγνωρίσουμε τις μεταλ/άξεις που οδηγούν σε αυτή την ανώμαλη συμπεριφορά.
Πολλά και ποικίλα είδη γονιδίων έχουν ιδιαίτερη σημασία για τον καρκίνο Πολ/ές διαφορετικές μέθοδοι έχουν εφαρμοmεί για την ανίχνευση των γονιδίων και μεταλ/άξεων που έχουν κρίσιμη σημασία
mnv ανάπτυξη
του
καρκίνου. Πολ/ά από τα πιο σημαVΤΙKά γονίδια έχουν ήδη ταυτοποιηθεί, αλ λά η αναΖήτηση συνεχίΖεται.
Μερικές φορές, οι επικίνδυνες μεταλ/άξεις είναι εκείνες που κάνουν το προϊόν του προσΒεΒλημένου γονιδίου υπερδραmήριο. Αυτές οι μεταλ/άξεις έχουν επικρατή δράση
-
δηλαδή για να προκληθούν προβλήματα αρκεί να
μεταλ/αΧθεί μόνο το ένα αλ/ηλόμορφο του γονιδίου: το μεταλ/αγμένο γονί
διο αποκαλείται OYΚOY0V1010 (Εικόνα
21-45),
ενώ το αvτίmοιχο φυσιολογι
κό γονίδιο αποκαλείται πρωιοογκογΟV1010. Διάφοροι τρόποι με τους οποί ους μπορεί να συμβεί η μετατροπή ενός πρωτοογκογονιδίου σε ογκογονίδιο παρουσιάΖονται
mnv Εικόνα 21-46.
Για άλ/α γονίδια, ο κίνδυνος έγκειται σε μεταλ/άξεις που καταmρέφουν
τη λειτουργία των γονιδίων. Αυτές οι μεταλ/άξεις γενικά είναι υπολειπόμε νες
-
δηλαδή προτού εκδηλωθεί κάποιο αποτέλεσμα πρέπει να χαθούν ή ν'
αδρανοποιηθούν και τα δύο αλ/ηλόμορφα του γονιδίου, που αποκαλείται 0-
908
Κεφάλαιο 21 : Ιστοί και Καρκίνος
(Α) ενεργοποιητική μετάλλαξη
®
γ /-: Υπ\ι
μεμονωμένη μετάλλαξη σε πρωτοογκογονίδιο
~\!V;-
δημιουργείογκογονίδιο
πρωτοογκογονίδια υπέρμετρη επιβίωση και πολλαπλασιασμός
κύπαρο
γονίδιο
καμιά
επίπτωση
αντίγραφο
του γονιδίου
/
/
Ι
\
είναι επικρατείς ή υπολειπόμενες. Τα ογκογο
πρωτοογκογονιδίου μπορεί να προωθήσει ένα
κύπαρο προς τον καρκίνο, Από την άλλη πλευ ρά, οι μεταλλάξεις σε ογκοκατασταλτικά γονί
αδρανοποιητική μετάλλαξη
φυσιολογικό
δος των επιβλαβών μεταλλάξεων, δηλαδή αν
ποιητική μετάλλαξη σ' ένα αντίγραφο του
το ογκογονίδιο διεγείρει την επιβίωση και τον πολλαπλασιασμότων κυττάρων
®~σr~~αλ;τ~ι:κΟο~i® ~, &
και ογκοκατασταλτικά
γονίδια. Κριτήριο της ταξινόμησης είναι το εί
νίδια δρουν με επικρατή τρόπο: μια ενεργο
//1\'
φυσιολογικό κύπαρο
(6)
Εικόνα 21·45. Τα γονίδια που έχουν κρίσιμο ρόλο στην καρκινογένεση διακρίνονται σε
δια γενικά δρουν με υπολειπόμενο τρόπο: για να προωθηθεί ένα κύπαρο προς τον καρκίνο υπέρμετρη
επιβίωση και πολλαπλασιασμός
πρέπει να χαθεί η λειτουργία και των δύο αλ ληλομόρφωντου γονιδίου.
,
οι δύο αδρανοποιητικές μεταλλάξεις προκαλούν λειτουργική αδρανοποίηση του OγKoKατασrαλΤΙKoύ γονιδίου, και έτσι διεγείρουν την επιβίωση και τον πολλαπλασιασμό των κυττάρων
γκοκατασταλτικό Y0V1010 (βλ. Εικόνα 21-45). Τα ογκοκατοσι:αληκά γονίδια ανακαλύφθηκαν από γενεηκές μελέτες. Σποραδικά, ορισμένοι άνθρωποι έ χουν κληρονομήσει μια μετάλλαξη σ' ένα ογκοκατοσι:αληκό γονίδιο. Μολο νόη ένα αντίγραφο του γονιδίου επαρκεί για τη φυσιολογική συμπεριφορά
του κυπάρου, ΤΟ κύπαρα αυτών των ανθρώπων απέχουν μόλις μια μετάλ/α ξη από την πλήρη απώλεια της λειτουργίας του γονιδίου (έναντι δύο μετολ
Λάξεων που απαιτούνται κανονικά). Επειδή ο αριθμός των επιπρόσθετων με τολ/άξεων που απαιτοόνται για ν' αναπτυχθεί καρκίνος είναι μικρότερος, ο καρκίνος συμβαίνει με υψηλότερη συχνότητο και, κατά μέσο όρο, σε μικρό τερη ηλικία (μερικές φορές σε παιδική ηλικία).
πρωτοογκογονίδιο
--------------
Γ
ΜΕΤΜΜΞΗΠΗΝ
ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΤΙΚΗΜΛΗΛογΧΙΑ
f-- - - - : : : : : : ; - - - - -
ί
ΕΠΑγΞΗΣΗ ΓΟΝΙΔΙΩΝ
~
ΑΝΑΔΙΑΤΑΞΗ ΧΡΩΜΟΣΩΜΑΤΩΝ
ή ~[::::J.ίίίϊί.ιr--ΟΝΑ
DΝΑ--j. . . . .ι--
RNA RNA παραγωγή φυσιολογικών ποσοτήτων της υπερδραστήριας πρωτεινης
υπερπαραγωγή της φυσιολογικής πρωτεινης
μια γειτονική ρυθμιστική αλληλουχία ΟΝΑ προκαλεί υπερπαραγωγή της φυσιολογικής πρωτεινης
η σύντηξη μ' ένα ενεργά
μεταγραφόμενο γονίδιο προκαλεί υπερπαραγωγή της χιμαιρικής πρωτεινης εναλλακτικά, η χιμαιρική πρωτεί\ιη είναι υπερδραστήρια
Εικόνα
21·46.
Διάφορες γενετικές αλλαγές μπορεί να μετατρέψουν ένα πρωτοογκογονίδιο σε ογκογονίδιο. Σε κάθε περίmωση, η αλ
λαγή προκαλεί αύξηση της λειτουργίας του γονιδίου,
Καρκίνος
909
Τα πρωτοογκογονίδια και τα OγKOKατασωΛίlKά γονίδια κατατάσσονται σε πολ/ές κατηγορίες που ανηοτοιχούν οτα πολ/ά διαφOρείlKά είδη κακής συμπεριφοράς των καρκινικών κυπάρων. Μερικά από αυτά τα γονίδια κωδι
κοποιούν αυξηίlKOύς παράγοντες, υποδοχείς ή (όπως το
ras) συOTαίlKά των
ενδοκυπάριων σημαΤOδOίlKών οδών που ενεργοποιούν οι αυξηnκοί παρά γοντες. ΆΛΛα κωδικοποιούν πρωτε'ϊνες επιδιόρθωσης του τές για Την απάντηση σε βλάβες του
DNA (όπως το ρ53),
DNA,
μεσοΛαβη
ρυθμιοτές του κυτ
ταρικού κύκλου ή του προγράμματος του κυπαρικού θανάτου, μόρια κυπα ρικής προσκόλ/ησης, όπως οι καντερίνες, κλπ. (Εικόνα
21-47).
Ο καρκίνος του παΧέος εντέρου δείχνει πώς η απώλεια ενός
γονιδίου μπορεί να οδηγήσει σε ανάmυξη ενός όγκου Ο καρκίνος του παΧέος εντέρου έχει μεΛετηθεί αρκετά καλά και δείχνει παραοταnκά, πρώτον, πώς μπορεί ν' αναγνωριοτεί ένα OγKOKαταOTαΛίlKό γονίδιο και, δεύτερον, πώς η αναγνώριση οδηγεί οτην κατανόηση του βασι κού μοριακού μηχανισμού που ευθύνεται για Την αύξηση μιας κοινής μορ φής καρκίνου. Ο καρκίνος του παΧέος εντέρου αναπτύσσεται από το επιθή
Λιο που επενδύει το παΧύ έντερο και ΤΟ ορθό. Οι περισσότερες περιπτώσεις παραΤηρούνται σε ηΛικιωμένους ασθενείς και δεν έχουν ευδιάκριτο κληρο
νομικό αίnο. Ωοτόσο, λίγες περιmώσεις συμβαίνουν σε οικογένειες με ιδιαί-
παράΥοντες
•
ΚΥΠΑΡΟΔIλ/γΜΑ
αντι-αυξησης! αντι-πολλαπλασιασμού
.J..
APC κύπαρα εξωKUΠάριO
στρώμα
....
....
Ε-καντερίνη
.....
-8-8-@
ιντεγκρίνες _ _
l~
παράγοντες υποδοχείς με δράση
:
.
τ rr * ,,~T
τυροσινης
@
t
ΚΛΕΙΔΙ:
διεγερτική
- - αλληλεπίδραση ανασταλτική
.....~--@
~~'ciτ\~~ι -- KΙ~~'ςlς ~ftRfas\ σιασμού
•
.1. β-KατεVΊνη
t
--ι αλληλεπίδραση
'-@
-8-@-'Π---
- " -@-e-.::π--παράγοντες επιβίωσης
-Ir·-~~~· _.-τ ~.=J===:. :~~~~~_~
Εικόνα 21-47. Πολλά διαφορετικά είδη γονιδίων με κρίσιμο ρόλο στην καρκινογένεση. Στο σχεδιάγραμμα παρουσιάζονται οι κύριες ση ματοδοτικές οδοί των ανθρώπινων κυπάρων που εμπλέκονται στην καρκινογένεση. Επίσης επισημαίνεται η κυπαρική εντόπιση μερικών πρωτεϊνών που τροποποιούνται από μεταλλάξεις σε διάφορους καρκίνους. Συχνά στις ίδιες οδούς λειτουργούν προ'ίόνΤα και ογκογονιδίων και ογκοκατασταλτικών γονιδίων. Οι διάφορες σηματοδοτικές πρωτείνες συμβολίζονται με κόκκινους κύκλους, ενώ τα συστατικά και οι μη
χανισμοί ελέγχου που εμπλέκονται στην καρκινογένεση γράφονται με πράσινα πλαίσια. (Προσαρμοσμένο από D. Hanahan and R.A. Wein-
berg, Ce//100:57-70, 2000).
91 Ο
Κεφάλαιο 21 : Ιστοί και Καρκίνος
τερη ευπάθεlO
010 νόσημα
και εκδηλώνονΤαι σε ασυνήθΙΟ1α νεαρή ηλικία.
Σε μlO ομάδα οικογενειών, η προδιάθεση Ο1ον καρκίνο συνδέθηκε με κλη ρονομική μετάλ/αξη σ' ένα ένζυμο επιδιόρθωσης ωυ ΟΝΑ (βλ. Κεφάλαιο
6).
Σε μια άλ/η κατηγορία ασθενών με κληρονομικό καρκίνο παΧέος ενΤέ
ρου ανιχνεύθηκε μια διαφορεηκή μετάλ/αξη που οδηγεί σ' έναν πολύ χαρα
κτηΡΙΟ1ικό φαινότυπο. Οι ασθενείς αναπτύσσουν καρκίνο σε νεαρή ηλικία, ενώ
010 επιθήλιο ωυ παΧέος
ενΤέρου και ωυ ορθού πριν από την έναρξη της
νόσου αναπτύσσονΤαι εκαωνΤάδες ή χιλιάδες μικροί όγκοι που αποκαλού
νΤαι ποΛύποδες. ΜελέΤες οικογενειών αποκάλυψαν όη αυτή η ανωμαλία συνδέε1ΟΙ με απαλοιφή ή αδρανοποίηση ωυ γονιδίου της αδενωματώδους
πoΛυπoδίασnς roυ εvrέρου
(adenomatous polyposis colί, APC). Οι ασθενείς
κληρονομούν ένα μεταλ/αγμένο και ένα φυσιολογικό αλ/ηλόμορφο ωυ γο
νιδίου. Ο καρκίνος αναmύσσε1ΟΙ από κύπαρα που έχουν υΠΟΟ1εί μια σωμα nκή μετάλλαξη η οποία aπενεργοποιεί ω φυσιολογικό αλληλόμορφο. Τι συμβαίνει όμως Ο1η μεγάλη πλειονότη1Ο των ασθενών με καρκίνο παχέος ε
νΤέρου, οι οποίοι έχουν κληρονομήσει δύο φυσιολογικά αλ/ηλόμορφα ωυ
APC και
δεν έχουν την κληρονομική μορφή ωυ καρκίνου ή οποιοδήποτε
σημανηκό οικογενειακό ΙΟ1ορικό καρκίνου; Από ης σχεηκές αναλύσεις δια
ΠΙΟ1ώθηκε όη σε περισσότερο από ω
60% των περιmώσεων,
ενώ 10 γειωνι
κά φυσιολογικάκύπαρα έχουν δύο φυσιολογικάαλ/ηλόμορφαωυ APC, 10 καρκινικά κύπαρα έχουν Χάσει και 10 δύο ανΤίγραφάωυ, μάλ/ον λόγω δύο ανεξάρτητωνσωμαnκώνμε1Ολ/άξεων. Όλα αυτά σαφώς 1Ουωποιούνω γονίδιο APC ως ογκοκα1ΟΟ1αληκό γο νίδιο. ΓνωρίΖΟνΤας την αλληλουΧία ωυ και ων με1Ολλαγμένο φαινότυπο μπορούμε ν' αρχίσουμε να κα1Ονοούμε πώς η απώλεlO ωυ
ρει Ο1ην καρκινογένεση. Όπως εξηγεί1ΟΙ
κά γονίδια ωυ καρκίνου», ω
010 Ένθεω
APC κωδικοποιεί
APC συνεισφέ
«ΓνωρίΟ1ε 10 σημανΤΙ
μια ανα01aληKή πρωτεΊνη η
οποία κανονικά περιορίΖει την ενεργοποίηση της οδού διοκυπάριας roδόrnσnς
Wnt που
anpa-
διεγείρει ων κυπαρικό πολ/απλασιασμό Ο1ις κρύπτες
ωυ ενΤερικού βλεwογόνου. Αν χαθεί η πρωτεΤνη
APC,
η οδός είναι υπερ
δραΟ1ήρια και 10 κύπαρα πολ/απλασιάΖΟνΤαιυπέρμετρα, δημιουργώνΤαςέ ναν πολύποδα (Εικόνα 21-48). Μέσα σε αυτή την αυξανόμενη ΙΟ1ική μάΖα μπορεί να συμβούν επιπρόσθετες με1Ολ/άξεις που οδηγούν Ο1ην ανάπτυξη
διεισδυηκού καρκίνου (Εικόνα
21-49).
Η κατανόηση της κυπαρικής βlOλογίας του καρκίνου ανοίγει
το δρόμο σε νέες θεραπείες Όσο καλύτερα κα1Ονοήσουμε 10 κόλπα που χρησιμοποιούν10 καρκινι
κά κύπαρα για να επιβιώσουν, να πολ/απλασιαΟ1ούνκαι να διασπαρούν, τόσο μεγαλύτερεςθα είναι και οι πιθανότητεςν' ανακαλύψουμετρόπους να 10 νικήσουμε. Το εγχείρημα είναι δύσκολο επειδή 10 καρκινικά κύπαρα με
1Ολ/άσσΟνΤωκαι, όπως 10 ΖΙΖάνια ή 10 παράσι1Ο, γρήγορα αναmύσσουνα νΤοχή Ο1η θεραπεία. Επίσης, επειδή οι με1Ολ/άξειςσυμβαίνουντυχαία, κάθε περίπτωση καρκίνου μπορεί να χαρακιηρίΖε1ΟΙαπό ων δικό της, μοναδικό
συνδυασμό με1Ολ/άξεων. Συνεπώς, φαίνετω όη καμιά θεραπεία δεν θα εί-
Καρκίνος
911
Εικόνα
21-48.
Ο καρκίνος του παχέος εντέ
ρου συχνά αρχίζει με απώλεια του ογκοκατα
σταλτικού γονιδίου
APC, το
οποίο οδηγεί σε
αύξηση ενός πολύποδα. (Α) Χιλιάδες πολύπο δες παρατηρούνται στο βλεwογόνο του εντέ ρου ενός ασθενούς με κληρονομική μετάλλα
ξη του γονιδίου
APC (στο βλεwογόνο ενός γε
νετικώς φυσιολογικού ανθρώπου μπορεί να παρατηρηθούν ένας-δύο πολύποδες). Αν ο ι στός δεν αφαιρεθεί χειρουργικά, μερικοί από τους πολύποδες αυτούς θα εξελιχθούν σε κα κοήθη νεοπλάσματα. (Β) Εγκάρσια διατομή ε νός πολύποδα: παρατηρείστε την εξαιρετική
mύχωση του επιθηλίου. (Α, με την άδεια του
John Northover και του Imperial Cancer Research Fund. Β, με την άδεια της Anne Campbell). (Α)
ναι αποτελεσματική σιο σύνολο των ασθενών. Επιπλέον, ο καρκίνος γενικά δεν ανιχνεύεται προτού ο πρωτοπαθής όγκος αποκτήσει διάμετρο τουλάΧι σΙον
φυσιολογικό επιθήλιο
ΑΠΩΛΕΙΑ ΤΟΥ ΟΓΚΟΚΑΤΑ
!
ΣΤΜΤΙΚΟΥ ΓΟΝΙΔΙΟΥ
1 cm, οπότε
ήδη αποτελείται από εκατοντάδες εκατομμύρια κύπαρα με
γενετική ποικιλότητα, τα οποία συχνά έχουν ήδη αρχίσει να μεθίαανται (Ει
κόνα
APC
υπέρμετρος πολλαπλασιασμός
21-51).
Παρά τις δυσχέρειες, πολ/ές περιπτώσεις καρκίνου θεραπεύονται αποτε
των επιθηλιακών κυττάρων
Ι ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ
λεσματικά και υπάρχουν λαμπρές προοπτικές για περισσότερες και καλύτε
~ ΟΓΚΟΓΟΝΙΔΙΟΥ ras
ρες μελ/οντικές θεραπείες. Σε πολ/ές περιπτώσεις, η χειρουργική αφαίρεση
μικρός καλοήθης όγκος
είναι η πιο αποτελεσματική αντιμετώπιση. Οι χειρουργικές τεχνικές βελτιώ
ΑΠΩΛΕΙΑ ΤΟΥ ΟΓΚΟΚΑΤΑ
! ! !
ΣΤΜΤΙΚΟΥ ΓΟΝΙΔΙΟΥ DCC
νονται συνεΧώς: αν ο καρκίνος δεν έχει διασπαρεί, μπορεί ν' αντιμετωΠΙσΙεί
μεγάλος όγκος
με απλή αφαίρεση. Αν αποτύχει η χειρουργική, μπορεί να χρησιμοποιηθούν
ΑΠΩΛΕΙΑ ΤΟΥ ΟΓΚΟΚΑΤΑ
θεραπείες που βασίΖονται σΙις ιδιαιτερότητες των καρκινικών κυπάρων. Ό
ΣΤΜΤΙΚΟΥ ΓΟΝΙΔΙΟΥ ρ53
πως είδαμε, υπάρχουν μερικά γονίδια, όπως τα ρ53 ή
διηθητικός όγκος
ras, των οποίων
οι με
ταλ/άξέις συνεισφέρουν αην καρκινογένεση σε υψηλή αναλογία περιπτώ
ΤΑΧΕΙΑ ΣΥΣΣΩΡΕΥΣΗ ΜΕΤΜΛΑΞΕΩΝ
σεων. Αυτό επιτρέπει το σχεδιασμό της θεραπείας με βάση την παρουσία ή
μετάσταση
απουσία των συγκεκριμένων μοριακών αόχων. Για παράδειγμα, η έλ/ειψη
Εικόνα 21·49. Ένας πολύποδας στο βλεννο γόνο του εντέρου που προκλήθηκε από α πώλεια του γονιδίου APC μπορεί να εξελι χθεί σε καρκίνο με συσσώρευση επιπρόσθε
του ρ53 καθιαά τα καρκινικά κύπαρα ιδιαίτερα ευπαθή σε βλάβες του ΟΝΑ.
των μεταλλάξεων. (Α) Μια ακολουθία μεταλ
λαπλασιάΖεται παράγοντας θυγατρικά κύπαρα που ίσως πεθάνουν επειδή
λάξεων που θεωρείται ότι είναι υπεύθυνη για πολλές περιπτώσεις καρκίνου του παχέος ε
Ενώ ένα φυσιολογικό κύπαρο παύει να πολ/απλασιάΖεται έως ότου επιδιορ θωθούν οι βλάβες, ένα κύπαρο με ανεπάρκεια του ρ53 θα συνεΧίσει να πολ κληρονομούν ένα ημιτελές σύνολο χρωμοσωμάτων. Ίσως αυτό εξηγεί γιατί
ντέρου. Η ακολουθία των συμβάντων που εικο
τα καρκινικά κύπαρα συχνά θανατώνονται με δόσεις ακτινοθεραπείας ή χη
νίζεται εδώ συνήθως διαρκεί
μειοθεραπείας που αφήνουν σχετικά άθικτα τα γειτονικά, φυσιολογικά κύτ
10-20 χρόνια
ή
και περισσότερο. Οι περισσότερες περιmώ σεις καρκίνου του παχέος εντέρου θεωρείται
ταρα.
ότι αρχίζουν με απώλεια του ογκοκατασταλτι
Οι παραπάνω θεραπείες είναι καθιερωμένες. Παράλληλα, όμως, διεξά
κού γονιδίου APC. Ωστόσο, η ακολουθία των επιπρόσθετων μεταλλάξεων δεν είναι σταθε
γεται εντατική έρευνα με αντικείμενο την ανάπτυξη νέων προσεΥΥίσεων. Μια
ρή: πράγματι, πολλοί πολύποδες ποτέ δεν εξε λίσσονται σε καρκίνο.
912
Κεφάλαιο 21 : Ιστοί και Καρκίνος
υποσχόμενη αρατηγική συνίααται σε ανασΙολή του σχηματισμού των νέων
αιμοφόρων αΥΥείων που κανονικά σχηματίΖονται σ' έναν αυξανόμενο όγκο.
Ιστορική Αναδρομή: Κατανόηση των γονιδίων με κρίσιμο ρόλο στην καρκινογένεση
Η αναζήτηση γονιδίων με κρίσιμο ρόλο στην ανάmυξη του καρ κίνου μερικές φορές αρχίζει από μια οικογένεια με κληρονομική
Μύγες χωρίς φτερά Λίγο πριν από την ανακάλυψη ότι η
APC προσδένεται στη β-κα Drosophi/a εί
προδιάθεση σε μια ορισμένη μορφή της νόσου. Όπως είδαμε, το
τενίνη, βιολόγοι που μελετούσαν την ανάmυξη της
γονίδιο
χαν επισημάνει ότι η β-κατενίνη του ανθρώπου είχε πολύ ομόλογη
APC -
ένα ογκοκατασταλτικό γονίδιο που συχνά απαλείφε
ται ή αδρανοποιείται σε ασθενείς με καρκίνο του παχέος εντέρου -
αλληλουχία με την πρωτε"ί\ιη
αναγνωρίστηκε κατά την αναζήτηση γενετικών βλαβών σε οικογέ
Armadillo παίζει
Armadillo της Drosophi/a.
Η πρωτεινη
βασικό ρόλο σε μια σηματοδοτική οδό με ιδιαίτερη
νειες με ευπάθεια στη νόσο. Ωστόσο, η αναγνώριση του γονιδίου
σημασία για τη φυσιολογική ανάmυξη της
δεν είναι παρά μόνο η αρχή. Το επόμενο βήμα είναι να καθοριστεί
νεργοποιείται από μια οικογένεια σηματοδοτικών μορίων που απο
τι κάνει το γονίδιο σ' ένα φυσιολογικό κύπαρο και γιατί οι βλάβες
καλούνται πρωτεινες
του προδιαθέτουν σε καρκίνο.
δίων
Πειστήρια ενοχής
χείς της κυπαρικής επιφάνειας και ενεργοποιούν μια ενδοκυπά
Drosophi/a.
Η οδός ε
Wnt. Το ιδρυτικό μέλος της οικογένειας γονι Wnt ονομάστηκε wing/ess (χωρίς φτερά) από τον μεταλλαγ μένο φαινότυπό του. Οι πρωτεινες Wnt προσδένονται σε υποδο
Ο καθορισμός της λειτουργίας ενός γονιδίου ή της αντίστοιχης
ρια σηματοδοτική οδό η οποία τελικά προκαλεί την ενεργοποίηση
πρωτεΙνης σ' ένα κύπαρο δεν είναι εύκολο εγχείρημα. Ας υποθέ
μιας ομάδας γονιδίων που επηρεάζουν την αύξηση, τη διαίρεση
σουμε ότι απομονώσαμε μια άγνωστη πρωτεΙνη και μάθαμε ότι
και τη διαφοροποίηση των κυπάρων. Μεταλλάξεις σε οποιαδήπο
δρα ως πρωτε'ίνική κινάση. Αυτή η πληροφορία δεν αποκαλύmει
τε από τις πρωτεινες αυτής της οδού οδηγούν σε αναmυξιακά λά
πώς λειτουργεί η πρωτεινη στο πλαίσιο ενός ζωντανού κυπάρου.
θη που διαταράσσουν το βασικό σωματικό σχέδιο της μύγας. Οι λι
Ποιοι είναι οι στόχοι της; Σε ποιους ιστούς είναι δραστική; Ποιο ρό
γότερο καταστροφικές μεταλλάξεις οδηγούν στην ανάmυξη μυ
λο έχει στην αύξηση ή την ανάmυξη του οργανισμού; Για να κατα
γών χωρίς φτερά. Ωστόσο, οι περισσότερες μεταλλάξεις προκα
νοήσουμε το πλαίσιο στο οποίο χρησιμοποιείται η βιοχημική δρα
λούν το θάνατο του εμβρύου. Σε κάθε περίmωση, η ζημιά μάλλον
στικότητα είναι απαραίτητες επιπρόσθετες πληροφορίες.
οφείλεται σε αλλαγές στην έκφραση των γονιδίων.
Οι περισσότερες πρωτείνες δεν δρουν μεμονωμένα αλλά αλληλε
Αυτό ήταν ισχυρή ένδειξη για το γεγονός ότι η
Armadillo, άρα και
πιδρούν με άλλες ενδοκυπάριες πρωτείνες. Συνεπώς ένας τρόπος
η ομόλογή της στα σπονδυλωτά, δηλαδή η β-κατενίνη, δεν ήταν α
για ν' αρχίσουμε ν' αποκρυmογραφούμε τον βιολογικό ρόλο μιας
πλώς συστατικά του μηχανισμού της κυπαρικής προσκόλλησης
πρωτεΙνης είναι ν' αναγνωρίσουμε τους συνοδούς της. Αν μια άγνω
αλλά εμπλέκονταν στον έλεγχο της έκφρασης των γονιδίων. Η ο
στη πρωτεινη αλληλεπιδρά με μια γνωστή πρωτεινη του κυπάρου,
δός
οι δράσεις των δύο πρωτε'ίνών πιθανόν σχετίζονται με κάποιο τρόπο.
γες. Όπως διαπιστώθηκε στη συνέχεια, μια παρόμοια ομάδα πρω
Wnt ανακαλύφθηκε και μελετήθηκε εντατικά στις φρουτόμυ
Η απλούστερη μέθοδος για την αναγνώριση πρωτεϊνών που προσ
τε'ίνών ελέγχει πολλές mυχές της εξέλιξης των σπονδυλωτών, με
δένονται σφιχτά μεταξύ τους ίσως είναι η συν-ανοσοκαθίζηση (βλ.
ταξύ άλλων του ποντικού και του ανθρώπου. Πράγματι, μερικές α
Παράρτημα
πό τις πρωτεινες της οδού είναι σχεδόν ανταλλάξιμες μεταξύ
4-6). Στη
συγκεκριμένη τεχνική, ένα αντίσωμα χρησιμο
ποιείται για την «αιχμαλωσία» και καθίζηση μιας ειδικής πρωτεΙνης
Drosophi/a
από ένα εκχύλισμα κυπάρων. Αν η εν λόγω πρωτεινη συνδέεται σφι
την έκφραση των γονιδίων έγινε σαφής από τη μελέτη κυπάρων
χτά με μια άλλη πρωτεί\ιη, τότε και αυτή θα καθιζάνει. Η παραπάνω
θηλαστικών. Η β-κατενίνη χρησιμοποιήθηκε σαν «δόλωμα» για την
προσέγγιση υιοθετήθηκε για τον χαρακτηρισμό της
αιχμαλωσία (με ανοσοκαθίζηση) της επόμενης πρωτείνης στην α
APC.
Δύο ομάδες ερευνητών χρησιμοποίησαν αντισώματα εναντίον
και σπονδυλωτών. Η άμεση σχέση της β-κατενίνης με
κολουθία, η οποία βρέθηκε ότι ήταν μια ρυθμιστική πρωτείνη γονι
μαζί με μια δεύτερη πρωτεΙνη. Από την εξέταση της αλληλουχίας
LEF-1/ TCF ή απλώς TCF. Σύντομα βρέθηκε η ο Drosophi/a στην οδό Wnt. Έτσι, ο συνδυα σμός της γενετικής ανάλυσης της Drosophi/a με την KUΠαΡΙKή βιο
των αμινοξέων διαπιστώθηκε ότι αυτή η πρωτεί\ιη ήταν η β-κατενίνη.
λογία των θηλαστικών αποκάλυψε πώς λειτουργεί ο μηχανισμός ε
της
APC για να την
απομονώσουν από εκχυλίσματα ανθρώπινων
κυπάρων σε καλλιέργεια. Τα αντισώματα «αιχμαλώτισαν» την
Η ανακάλυψη ότι η
APC αλληλεπιδρά
APC
με τη β-κατενίνη αρχικά ο
δήγησε σ' εσφαλμένες υποθέσεις σχετικά με το ρόλο της
δίων γνωστή ως
μόλογη πρωτεινη της
λέγχου των γονιδίων. Η πρωτεΙνη
APC
στον καρκίνο του παχέος εντέρου. Στα θηλαστικά, η β-κατενίνη ή
Wnt μεταδίδει το σήμα της προάγοντας τη συσσώ Armadillo),
ρευση της «ελεύθερης» β-κατενίνης (ή, στις μύγες, της
ταν γνωστή κυρίως για το ρόλο της στις συνδέσεις προσκόλλησης
δηλαδή της β-κατενίνης που δεν είναι «κλειδωμένη» σε συνδέσεις
μεταξύ των κυπάρων, όπου λειτουργεί σαν σύνδεσμος ανάμεσα
προσκόλλησης. Η ελεύθερη πρωτείνη μεταναστεύει από το κυπα
στις διαμεμβρανικές καντερίνες και στον ενδοκυπάριο σκελετό
ρόπλασμα στον πυρήνα. Εκεί προσδένεται στη ρυθμιστική πρω
της ακτίνης (βλ. πχ Εικόνα
τεΙνη
ωρήθηκε ότι η
APC
21-23). Έτσι, για κάποιο διάστημα, θε
ίσως εμπλέκεται στην κυπαρική προσκόλλη
TCF,
δημιουργώντας ένα σύμπλοκο που ενεργοποιεί τη με
ταγραφή ποικίλων γονιδίων-στόχων της
Wnt, μεταξύ των οποίων
ση. Ωστόσο, μέσα σε λίγα χρόνια προέκυψε ότι η β-κατενίνη έχει ε
και γονίδια που διεγείρουν τον κυπαρικό πολλαπλασιασμό (Εικό
πίσης και μια άλλη, εντελώς διαφορετική δράση και ότι η αλληλεπί
να
δρασή της με την
APC έχει σημασία
κετά διαφορετικούς λόγους.
για την καρκινογένεση για αρ
21-50). APC ρυθμίζει τη δραστικότητα αυτής της οδού διευκολύνο
Η
ντας την αποδόμηση της β-κατενίνης και έτσι αναστέλλοντας την
(Α) ΧΩΡΙΣ ΤΟ ΣΗ ΜΑ ΤΟΥ
Wnt
"~"γός)ι
υποδοχέας
(8)
~ ανενε~yός σηματοδοτική
L-.---\
«:t
ΜΕ ΤΟ ΣΗ ΜΑ ΤΟΥ
Wnt
ενεργός~
υποδοχέας
~
~ ενεργ~ς σηματοδοτική
πρωτεινη
~
6=<J Ο
"'ί'lfI'\'
ενεργό σ~μπλOKO
~ l
που περιεχει
TηvAPC
αποδόμηση \....... Δ <J β-κατενίνης
Ο
t> \)
!
ανενεργό σύμπλοκο TCF
~~ ι
ι
ανενεΡΥό, σύμπλοκο
που περιεχει
την
APC
ο-- σταθερή β-κατενίνη
6()
c::jI c:: ~Ξ§'~~ΞΞ50NA
πρωτεινη
ενεργό σύμπλοκο
TCF
rO(
8=~='EE:ΞΞ~ΞΟΝΑ
....
ΑΔΡΑΝΟΠΟΙΗΣΗ
ΜΕΤΑΓΡΑΦΗ
ΓΟΝΙΔΙΩΝ-ΣΤΟΧΩΝ ΤΗΣWnt
ΓΟΝΙΔΙΩΝ-ΣΤΟΧΩΝ ΤΗΣWnt
Εικόνα 21-50. Η πρωτε'ί'νη APC διατηρεί σε ανενεργό κατάσταση τη σηματοδοτική οδό Wnt όταν το κύπαρο δεν εκτίθεται στην πρω τε'ί'νη Wnt. Η APC προάγει την αποδόμηση της β-κατενίνης. Παρουσία της Wnt ή απουσία ενεργού APC, αυξάνεται η ελεύθερη β-κατενί νη και συνδυάζεται με τη ρυθμιστική πρωτεΊνη
TCF προωθώντας
ενεργοποίηση της
τη μεταγραφή των γονιδίων-στόχων της
Wnt.
TCF σε κύπαρα που δεν έχουν δεχθεί το σήμα Wnt (Εικόνα 21-50). Η απώλεια της APC επιτρέπει την αύξηση των επιπέδων της APC: έτσι ενεργοποιείται η TCF και τα γονίδια στόχοι της Wnt μεταγράφονται ακόμα και απουσία της Wnt. Πώς ό
πρωτεΊνη
μως αυτό προκαλεί καρκίνο του παχέος εντέρου; Για να βρουν την
TCF4.
απάντηση, οι ερευνητές στράφηκαν σε ποντικούς με έλλειψη του
σφορου πολλαπλασιασμού των αρχέγονων κυπάρων του εντέ
της
TCF4,
ενός γονιδίου της οικογένειας
TCF που
εκφράζεται ειδικά
στον βλεwογόνο του εντέρου.
Όταν λείπει η ρίς
APC βλέπουμε την άλλη όψη του νομίσματος. Χω APC για να προάγει την αποδόμησή της, η β-κατενίνη συσσω
ρεύεται σε υπέρμετρες ποσότητες, προσδένεται στη ρυθμιστική
TCF4 και έτσι
υπερενεργοποιεί τα γονίδια-στόχους της
Αυτό προωθεί τον σχηματισμό πολυπόδων λόγω του απρό
ρου. Διαφοροποιημένα θυγατρικά κύπαρα συνεχίζουν να παράγο νται και ν' αποπίmουν στον αυλό του εντέρου, αλλά ο πληθυσμός
των κυπάρων των κρυmών αυξάνει πολύ γρήγορα και δεν αντι Ιστορίες από το βάθος των κρumών
σταθμίζεται από διαφοροποίηση και απόmωση. Έτσι, οι κρύmες
Ίσως φαίνεται παράδοξο, αλλά ένας από τους πιο άμεσους τρό
μεγεθύνονται και σταδιακά πληθαίνουν, δημιουργώντας μια μάζα
πους για να βρεθεί τι κάνει ένα γονίδιο είναι να εξεταστεί τι συμβαί
που προεξέχει στον αυλό του εντέρου υπό μορφή πολύποδα (βλ.
νει στον οργανισμό όταν το συγκεκριμένο γονίδιο απουσιάζει. Αν ε
Εικόνα
ντοπιστούν οι KUΠαΡΙKές διεργασίες που διαταράσσονται μπορεί ν'
τικό καρκίνο απαιτούνται επιπρόσθετες μεταλλάξεις.
αρχίσει η αποκρυmογράφηση της λειτουργίας του γονιδίου.
Με αυτό κατά νου, οι ερευνητές δημιούργησαν ντικούς με διαταραχή του γονιδίου
TCF4.
"knockout» πο
Η μετάλλαξη είναι θανα
τηφόρος: τα μεταλλαγμένα ζώα πεθαίνουν λίγο μετά τη γέwηση
21-48). Για να μετατραπεί
ο πρωτοπαθής όγκος σε διεισδυ
Στον άνθρωπο, πάνω από το
60% των περιπτώσεων καρκίνου APC. Είναι α 1/4 των καρκίνων με ακέραιο APC εμ
του παχέος εντέρου φέρουν μεταλλάξεις στο γονίδιο
ξιοσημείωτο ότι περίπου το
φανίζουν ενεργοποιητικές μεταλλάξεις στο γονίδιο της β-κατενί
και εμφανίζουν μια ενδιαφέρουσα ανωμαλία στο έντερο. Συγκεκρι
νης. Αυτές οι μεταλλάξεις αυξάνουν την αντοχή στην αποδόμηση
μένα, οι εντερικές κρύmες με τους πληθυσμούς των αρχέγονων
της β-κατενίνης και έτσι έχουν το ίδιο αποτέλεσμα με την απώλεια
κυπάρων που απαιτούνται για την ανανέωση του βλεννογόνου
της
(βλ. Εικόνα
της β-κατενίνης έχουν βρεθεί σε πολλούς άλλους τύπους καρκίνου
μπέραναν
21-36), δεν αναmύσσονται καθόλου. Οι ερευνητές συ ότι το γονίδιο TCF4 κανονικά είναι υπεύθυνο για τη δια
APC.
Πράγματι, μεταλλάξεις που αυξάνουν τη δραστικότητα
(π.χ. μελάνωμα, καρκίνος στομάχου ή ήπατος). Συνεπώς, η σημα
τήρηση της "δεξαμενής» των πολλαπλασιαζόμενων αρχέγονων
ΤΟ δοτική οδός
κυπάρωντου εντέρου.
που μπορεί να πυροδοτήσουν την ανάmυξη του καρκίνου.
Wnt προσφέρει
πολλούς στόχους για μεταλλάξεις
,-
Έτσι, ω κύπαρα έχουν ανεπαρκή αιματΙκή παροχή και η αύξηση του όγκου
ι
αναχαιτίΖεωι Μια άλ/η στρατηγική βασίΖεται σε αντισώμαω που προσδένο
/
100
νται σε πρωτεΤνες της κυπαρικής επιφάνειας, ειδικές των καρκινικών κυπά
ρων. Τα αντισώματα μπορεί να είναι συΖευγμένα με τοξίνες ή ένΖυμα που
Ε 10
θάνατος του
Ε-
παράγουν τοξίνες, οι οποίες θανατώνουν τα στοχευμένα καρκινικά κύπαρα.
ασθενούς
:::J
(1012
fi!
Σε μερικά είδη καρκίνου είναι πλέον εφικτή η άμεση στόχευση των προϊ
.~
όντων ειδικών ογκογονιδίων, ώστε ν' ανασταλούν οι επιβλαβείς δράσεις
~
1
:::J
ψηλαφητή
1
μά~α
υ ο
τους. Για παράδειγμα, στη χρόνω μυείΊoγενrί ίΊευχaιμfa (ΧΜΛ), η ανώμαλη
(10
Q.
~ -g
συμπεριφορά των καρκινικών κυπάρων στηρίζεται σε μια μεωλ/αγμένη ση
καρκίνου σε ακτινογραφίες
(108 κύπαρα)
ταρα να πολ/απλασιάΖονται απρόσφορα. Ένα μικρό μόριο, που ονομάζεται
Gleevec
(ή
Glivec),
κύπαρα)
πρώτη εκδήλωση του
>Ο 0.1
ματοδΟτΙκή πρωτεϊ\ιη (μια πρωτεϊνική Κlνάση τηςτυροσίνης) που κάνει ω κύτ
κύπαρα)
σχεδιάστηκε ειδικά έιοι ώστε ν' αναστέλ/ει τη δραστικό
τητα αυτής της κινάσης (Εικόνα
21-52) . Τα αποτελέσματα του Gleevec υπήρ
10
ξαν εντυπωσιακά: στους περισσότερους ασθενείς αναστέλ/εται ισχυρά ο α νώμαλος πολ/απλασιασμός και η επιβίωση των λευχαιμικών κυπάρων και ε
20
30
40
διπλασιασμοίτου πληθυσμού των καρκινικών κυπάρων
Εικόνα
21-51.
Ο καρκίνος συνήθως διαγι
πιτυγΧάνεται παρατεταμένη ύφεση. Το ίδιο φάρμακο είναι αποτελεσματΙκό σε
γνώσκεται αφού προηγουμένως αυξηθεί τό
μερικούς άλλους καρκίνους που σχετίζονται με παρόμοια ογκογονίδια.
σο ώστε να περιέχει εκατοντάδες εκατομμύ
Το παράδειγμα του
Gleevec μας κάνει να αισιοδοξούμε
ότΙ σύντομα, δια
ρια κύπαρα. Λογαριθμικό διάγραμμα της αύ ξησης ενός τυπικού καρκίνου. Προτού γίνει α
θέτοντας εξελιγμένες γνώσεις για τη μοριακή βιολογία του καρκίνου, θα κα
ντιληπτός ο καρκίνος μπορεί να περάσουν
τορθώσουμε να σχεδιάσουμε ορθολογικά αποτελεσματΙκές μεθόδους θερα
χρόνια: για παράδειγμα, ο χρόνος διπλασια
πείας για ακόμα μεγαλύτερο φάσμα τύπων καρκίνου.
σμού του καρκίνου του μαστού συνήθως είναι περίπου
100 ημέρες.
(Α) ΔΡΑΣΤΗΡΙΑ ΟΓΚΟΓΟΝΟΣ ΚΙΝΑΣΗ
_
-
σήμα για
πολλαπλασιασμό
_
ΛΕΥΧΑΙΜΙΑ
και επιβίωση
των KUΠάρων ενεργοποιός φωσφορική ομάδα
ογκογόνος κινάση
ΑΝΑΣΤΟΛΗ ΟΓΚΟΓΟΝογ ΚΙΝΑΣΗΣ ΜΕ
GLEEVEC κανένα σήμα
-
ΟΧΙ ΛΕΥΧΑΙΜΙΑ
ογκογόνος
κινάση
Εικόνα
21-52. Το φάρμακο Gleevec αναστέλλει
τη δράση μιας ογκογόνου πρωτείνης και αναχαιτίζει την αύξηση μερικών μορφών καρ
κίνου. (Α) Η χρόνια μυελογενής λευχαιμία χαρακτηρίζεται από υπερπαραγωγή λευκών αιμοσφαιρίων. Σχεδόν πάντοτε οφείλεται σε μια ει δική μετάλλαξη (μια χΡωμοσωμική μετάθεση), η οποία επηρεάζει το γονίδιο μιουργεί μια ογκογόνο μορφή του
Abl: η αντίστοιχη
Abl που
κωδικοποιεί μια κινάση της τυροσίνης. Η μετάλλαξη δη
πρωτεΊνη είναι υπερδραστήρια, φωσφορυλιώνει άλλες πρωτεΊνες ενώ δεν θα έπρεπε και
έτσι δημιουργεί ένα ενδοκυπάριο σήμα που προάγει την υπέρμετρη παραγωγή λευκών αιμοσφαιρίων. Το Gleevec προσδένεται στο θύλα κο πρόσδεσης του ΑΤΡ πάνω στην υπερδραστήρια κινάση και έτσι την εμποδίζει να μεταφέρει μια φωσφορική ομάδα από το ΑΤΡ σε μια τυ
ροσίνη των πρωτε'ίνών-στόχων της. Η αναστολή εμποδίζει την προώθηση ενός σήματος για πολλαπλασιασμό και επιβίωση των κυττάρων. Gleevec επίσης είναι αποτελεσματικό και εναντίον μερικών άλλων καρκίνων που σχετίζονται με ογκογονίδια τα οποία κωδικοποιούν πρω τε'ίνικές κινάσες παρόμοιες με την Abl. (8) Η δομή ενός συμπλόκου του Gleevec (μπλε) με την περιοχή κινάσης τυροσίνης της πρωτεΊνης Abl (διάγραμμα κορδέλας), όπως καθορίστηκε με κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ. (Από: 1. Schindler et la., Science 289: 1938-1942, 2000. © AAAS). Το
Καρκίνος
915
Βαοικέs έvνΟΙΕS • •
ΟΙΙσΙοί αποτελούνιοι από κύπαρα και εξωκυπάριο σΙρώμα. Σιο φυτά, κάθε κύπαρο περιβάλλεται από εξωκυπάριο σΙρώμα υπό μορ φή ενός κυπαρικού τοιχώματος που αποτελείται από κυπαρίνη και άλλους πολυσακχαρίτες.
•
Τα γυμνά φυτικά κύπαρα είναι εύθραυσΙα αλλά μπορούν ν' ασκήσουν ω σμωτική ογκωτική πίεση σιο κυπαρικό τοίχωμα έτσι ώσΙε να διατηρούν τονΙσΙό.
•
Οι ίνες της κυπαρίνης σιο κυπαρικό τοίχωμα των φυτικών κυπάρων προσ δίδουν εκτατική ισχύ. Ά!\Λα συσΙατικά του τοιχώματος προσδίδουν αντοχή σΙη συμπίεση.
•
Ο προσανατολισμός σΙον οποίο εναποτίθεται η κυπαρίνη ελέγχει και την κατεύθυνση σΙην οποία θα αυξηθεί το φυτό.
•
Οι συνδετικοί ΙσΙοί των Ζώων παρέχουν μηχανική σΙήριξη και αποτελού νται από εξωκυπάριο σΙρώμα και λίγα διάσπαρτα κύπαρα.
•
Τα οργανικά συσΙατικά του σΙρώματος παράγονται από τα κύπαρα του συνδετικού ΙσΙού που είναι ενσωματωμένα σιο σΙρώμα (σΙους περισσότε ρους συνδετικούς ΙσΙούς αποκαλούνταιινοβΜσΙες).
•
Στο εξωκυπάριο σΙρώμα των Ζώων, εκτατική ισχύ παρέχει το κολλαγόνο, μια ινώδης πρωτεΊνη.
•
Η τάση μεταδίδεται από τον κυπαροσκελετό ενός κυπάρου του συνδετι κού ΙσΙού σΙις ίνες του κολλαγόνου μέσω της διαμεμβρανικής πρωτείνης
ιντεγκρίνη και της εξωκυπάριας πρωτεΊνης-ινωδονεκτίνη.
•
Οι γλυΚΟΖαμινογλυκάνες
(GAGs)
σχηματίΖουν σύμπλοκα με πρωτείνες
(πρωτεογλυκάνες), τα οποία γεμίΖουν τους χώρους ανάμεσα σΙα κύπαρα και προσδίδουν αντοχή σε συμπίεση.
•
Κύπαρα που διασυνδέονται με επιθηλιακά φύλλα επενδύουν όλες τις ε ξωτερικές και τις εσωτερικές επιφάνειες του σώματος των Ζώων.
•
Στα επιθηλιακά φύλλα, αντίθετα από τον συνδετικό ΙσΙό, η τάση μεταδίδε ται απευθείας από κύπαρο σε κύπαρο μέσω των διακυπάριων συνδέσμων.
•
Οι πρωτείνες της οικογένειας των καντερινών διαπερνούν την κυπαρική μεμβράνη των επιθηλιακών κυπάρων και προσδένονται σε παρόμοιες κα ντερίνες των γειτονικών επιθηλιακών κυπάρων.
•
Σ' ένα σύνδεσμο προσκόλλησης οι καντερίνες προσδένονται σε νημάτια ακτίνης, ενώ σ' ένα δεσμοσωμάτιο προσδένονται σε νημάτια κερατίνης.
•
Τα νημάτια ακτίνης που διασυνδέονται από κύπαρο σε κύπαρο μέσα σ' έ να επιθήλιο μπορεί να συσΙαλούν, αναγκάΖοντας το επιθήλιο να καμφθεί.
•
Τα ημιδεσμοσωμάτια προσκολλούν τη βασική πλευρά ενός επιθηλιακού κυπάρου σΙον βασικό υμένα.
•
Οι σΙεγανοί σύνδεσμοι «σφραγίΖουν» τα γειτονικά επιθηλιακά κύπαρα και δημιουργούν έναν φραγμό σΙη διάχυση διαμέσου του επιθηλίου.
•
Οι χασμοσύνδεσμοι σχηματίΖουν διαύλους που επιτρέπουν σΙα μικρά μό ρια και σΙα ιόντα να περνούν από κύπαρο σε κύπαρο. Τα πί\ασμοδέσμα τα των φυτών έχουν την ίδια λειτουργία αλλά διαφορετική δομή.
916
Κεφάλαιο 21 : Ιστοί και Καρκίνος
•
Οι περισσότεροι ιστοί των σπονδυίΊωτών είναι περίπίΊοκα μείΥματα κυττα ρικών τύπων που υπόκεινται σε συνεχή ανακύκλωση.
•
Η δομή του ενήίΊικου ΟΡΥανισμού συντηρείται και ανανεώνεται με τις ίδιες βασικές δΙεΡΥασίες που τη δημιουΡΥούν στο έμβρυο: κυτταρική επικοινω-
· •
νία, επιίΊεκτική διακυττάρια προσκόλ/ηση και κυτταρική μνήμη.
Νέα, τείΊικώς διαφοροποιημένα κύτταρα παράΥΟνται από τ' αρΧέΥονα κύτ ταρα' συνήθως μέσω της παραΥωΥής πολ/απίΊασιαΖόμενων πρόδρομων κυττάρων.
•
Τα εμβρυϊκά αρΧέΥονα κύτταρα μπορεί να διατηρηθούν επ' αόριστον σε καλ/ιέΡΥεια, διατηρώντας την ικανότητα να διαφοροποιούνται σε οποιο δήποτε είδος κυττάρων του σώματος.
•
Με την τεχνική της μεταμόσχευσης πυρήνων, θεωρητικά μπορεί να παρα
χθούν εξατομικευμένα αρΧέΥονα κύτταρα Υια οποιονδήποτε ενήίΊικο. Αυ τή η τεχνική ονομάΖεται «θεραπευτική κλωνοποίηση».
•
Τα καρκινικά κύτταρα παραβαίνουν εΥωιστικά τους περιορισμούς που διατηρούν την κανονική ΟΡΥάνωση των ιστών: πολ/απίΊασιάΖονται όταν δεν πρέπει και διεισδύουν σε περιοχές που θα έπρεπε να αποφεύΥουν.
•
Ο καπνός προκαίΊεί περισσότερους καρκίνους από οποιοδήποτε άλ/ο με ταλ/αξΙΥόνο του περιβάλ/οντος.
•
Ο καρκίνος προκύπτει από τη συσσώρευση πολ/ών σωματικών μεταλ/ά ξεων σε μια κυτταρική σειρά.
•
Τα καρκινικά κύτταρα είναι Υενετικώς ασταθή και χαρακτηρίζονται από υ ψηίΊή συχνότητα μεταλ/άξεων. Πολ/ά εμφανίΖουν μεΥάίΊες χρωμοσωμι
κές ανωμαίΊίες.
•
Τα καρκινικά κύτταρα συνήθως εκφράΖουν το ένΖυμο τείΊομεράση. Αυτό τους επιτρέπει να συνεΧίσουν να διαιρούνται όταν τα φυσιοίΊΟΥικά κύτταρα κανονικά θα σταματούσαν.
•
Τα περισσότερα καρκινικά κύτταρα του ανθρώπου φέρουν μεταλ/άξεις στο Υονίδιο ρ53. Έτοι επιβιώνουν και διαιρούνται, έστω και αν το ΟΝΑ τους έχει υποστεί βiΊάβες.
•
Οι μεταλ/άξεις που προάΥουν τον καρκίνο δρουν μετατρέποντας πρωτοο ΥΚΟΥονίδια σε υπερδραστήρια ΟΥΚΟΥονίδια ή αδρανοποιώντας ΟΥκοκατα σταίΊτικά Υονίδια.
•
ΟΥκοκατασταίΊτικά Υονίδια μερικές φορές αναγνωρίΖΟνται από τη μείΊέτη σπάνιων ΟΙΚΟΥενών μορφών καρκίνου: τα μέίΊη των προσβεβίΊημένων οι ΚΟΥενειών έχουν κληρονομήσει μια μετάλ/αξη στο ένα αντίΥραφο του ΥΟ νιδίου.
Βασικές Έννοιες
917
Βασικοί Όροι αναπαραγωγική κλωνοποίηση
καντερίνη
αρχέγονο εμβρυϊκό κύτταρο
καρκίνος
αρχέγονο κύτταρο
κολλαγόνο
βασικό
κορυφαίο
βασικός υμένας
κυτταρική μνήμη
γενεηκή ασrάθεια
κυτταρική συμβολή
γλυΚΟΖαμινογλυκάνη
κυτταρικό τοίχωμα
δεσμοσωμάηο
μετάσrαση
εξωκυττάριο σrρώμα
ογκογονίδιο
ημιδεσμοσωμάηο
OγKOKαTOσrαληKό γονίδιο
θεραπευηκή κλωνοποίηση
σrεγανή σύνδεση
ισrός
χασμοσύνδεσμος
Ερωιήσειs
Ερώmση 21-10 Ποιες από ης ακόλουθες ουσίες θα αναμένατε να διασπεί ρονται ανάμεσα σrα κύτταρα διαμέσου: (α) χασμοσυνδέ
Epώmon21-9
σμων και (β) πλασμοδεσμάτων: γλουταμικό οξύ,
Ποιες από ης ακόλουθες διαπισrώσεις είναι σωσrές; Δι
κυκλικό ΑΜΡ, Ca
KαιOλOγήσrε ης απαντήσεις σας.
πίδια.
2
+,
mRNA,
G-πρωτεινες, μεμβρανικά φωσφολι
Α. Οι χασμοσύνδεσμοι συνδέουν τον κυτταροσκελετό ε νός κυττάρου με τον κυτταροσκελετό ενός γειτονικού
Ερώτηση 21-11
κυττάρου ή με το εξωκυττάριο σrρώμα.
Σxoλιάσrε την ακόλουθη φράση: «Αν ΤΟ φυηκά κύτταρα
Β. Ένα μαραμένο φύλλο μοιάΖει με ξεφούσκωτο λάσrιxo ποδηλάτου.
r. Χάρη σrην άκαμπτη δομή τους, οι πρωτεογλυκάνες
περιείχαν ενδιάμεσα ινίδια ΤΟ οποία θα τους προσέδιδαν αντοχή σrην πίεση, τότε το κυτταρικό τοίχωμά τους θα ήτον
αν
περιττό».
θίσrανται σε μεγάλες συμπιεσrΙKές δυνάμεις. Δ. Ο βασικός υμένας είναι μια εξειδικευμένη σrιβάδα εξω
Ερώmση
21-12
κυττάριου σrρώματoς σrην οποία προσκολλώνται φύλ
Οι χασμοσύνδεσμοι διεκπεραιώνουν τη μετοβολική και η
λα επιθηλιακών κυττάρων.
λεκτρική σύΖευξη των κυττάρων μέσω της ανταλλαγής μι
Ε. Τα κύτταρα του δέρματος αποπίmουν συνεΧώς και ανα
κρών μετοβολιτών και ιόντων. Με αυτό το δεδομένο, κατά
νεώνονται κάθε λίγες εβδομάδες. Επομένως, για να γί
τη γνώμη σας, για ποιο λόγο οι νευρώνες επικοινωνούν
νει ένα μόνιμο τοτουάΖ είναι απαραίτητο να εναποτεθεί
κυρίως μέσω συνάψεων και όχι μέσω χασμοσυνδέσμων;
XρωσrΙKή κάτω από την επιδερμίδα.
Ζ. Τα αρΧέγονα κύτταρα δεν είναι διαφοροποιημένα. Ω
Ερώmση
21-13
σrόσo, είναι καθορισμένα και αποδίδουν μόνο ειδικούς
Η Ζελατίνη αποτελείτοι κυρίως από κολλαγόνο, το οποίο
κυτταρικούς τύπους.
ευθύνεται για την αξιοσημείωτη διαταηκή ισχύ του συνδε-
918
Κεφάλαιο 21 : Ιστοί και Καρκίνος
τικού ισroύ. Το κολ/αγόνο είναι το βασικό συσrαΤΙKό του
180
Ζελέ. Ωσrόσo, όπως γνωρίΖετε από πρώτο χέρι, όταν τρώτε
160
Ζελέ φράουλα, το Ζελέ δεν έχει καμιά διατατική ισχύ. Γιατί; (f ω
.'!> 140 σ > :::>
Ερώτηση 21-14
>-
ο
«Η δομή ενός οργανισμού καθορίΖεται από το γονιδίωμα
ο
ο
120
ό ο
που περιέχει το ωάριο». Σε ποιες ενδείξεις βασίΖεται αυτή
~
-σ
>
η διαπίσrωση; Mάλισrα, ένας φίλος, σας προκαλεί και προ
100
σ
:::> Ο
τείνει να αντΙKατασrήσετε το ΟΝΑ του ωαρίου ενός πελαρ
.~
80
'" '" 5" Q. σ
γού με ανθρώπινο ΟΝΑ και να δείτε αν θα προκύψει ένα μωρό. Τι απάντηση θα του δώσετε;
60
3
.5
5
Ερώτηση
40
21-15 20
Οι λευχαιμίες, δηλαδή οι καρκίνΟ! που προκύπτουν από
μεταλλάξεις Ο! οποίες προκαλούν υπέρμετρη παραγωγή
0-----
λευκών αιμοσφαιρίων, εκδηλώνονται σε μικρότερη ηλικία από άλλες μορφές καρκίνου. Γιατί άραγε συμβαίνει αυτό; Ερώτηση
10
20
30
40
50
60
70
80
ηλικία
Εικόνα Ε21-16
21-16
Eξετάσrε προσεκτικά τη γραφική παράσrαση της Εικόνας
Ε21-16 που αποδίδει την επίπτωση του καρκίνου του πα
τικών ορμονών) αυξάνουν την επίπτωση ορισμένων μορ
Χέος εντέρου σrις γυναίκες σε σΧέση με την ηλικία. Γιατί
φών καρκίνου. Για το λόγο αυτό μερικά από τα πρώτα α
είναι τόσο απότομη η κλίση της καμπύλης αν οι μεταλ/ά
ντισυλ/ηπτικά Χάπια που περιείχαν μεγάλες συγκεντρώ
ξεις συμβαίνουν με την ίδια συχνότητα σε όλη τη διάρκεια
σεις oισrρoγόνων τελικά αποσύρθηκαν, επειδή βρέθηκε
της Ζωής ενός ανθρώπου;
ότι αύξαναν τον κίνδυνο ανάmυξης του καρκίνου του εν δομητρίου.
Ερώτηση
21-17
Transexual άνδρες
που χρησιμοποιούν σκευ
άσματα oισrρoγόνων για να αποκτήσουν γυναικεία χαρα
Οι βαρείς Kαπνισrές όπως επίσης και οι βιομηχανικοί ερ
κτηρισrΙKά έχουν αυξημένο κίνδυνο καρκίνου του μασroύ.
γάτες οι οποίοι εκτίθενται για βραχύ χρονικό διάσrημα σ'
Τα υψηλά επίπεδα των ανδρογόνων (αρσενικές φυλετικές
ένα χημικό καρκινογόνο που προκαλεί μεταλλάξεις σro
ορμόνες) αυξάνουν τον κίνδυνο ορισμένων άλλων μορ
ΟΝΑ συνήθως δεν αναπτύσσουν καρκίνους XαραKτηρισrι
φών καρκίνου, όπως είναι ο καρκίνος του πρoσrάτη. Με
κούς για τη συνήθεια ή το επάΥΥελμά τους προτού περά
αυτά τα δεδομένα, δικαιούται κανείς να συμπεραίνει ότι τα
σουν
oισrρoγόνα και τα ανδρογόνα είναι μεταλ/αξιγόνα;
10, 20 ή ακόμα
περισσότερα χρόνια. Προτείνατε μια
ερμηνεία για αυτή τη μεγάλη χρονική Kαθυσrέρηση.
Ερώτηση Ερώτηση
21-18
21-19
Είναι κληρονομικό νόσημα ο καρκίνος;
Τα υψηλά επίπεδα των oισrρoγόνων (των θηλυκών φυλε-
Ερωτήσεις
919
Απαvιήσειs Κεφάλαιο Απάντηση
Απάντηση
1
1-3
Είναι εξαιρετικά απίθανο να δημιουργήσατε ένα νέο οργανισμό
1-1
με αυτό το πείραμα. Πολύ πιθανότερο είναι να έπεσε στον θρε
Η Ζωή δεν καθορίΖεται εύκολα από μια συλ/ογή ιδιοτήτων, ό
πτικό Ζωμό σας ένας σπόρος από τον αέρα, να βλάστησε και να
πως φαίνεται από τον Πίνακα ΑΙ-Ι. Οι ηλεκτρικές σκούπες εί
απέδωσε τα κύπαρα που παρατηρήσατε. Στα μέσα του 190υ αι
ναι πολύ οργανωμένα αντικείμενα, προσλαμβάνουν ύλη και ε
ώνα, ο
νέργεια σε κίνηση απαντώντας σε ερεθίσματα από τον χειριστή.
διαψεύσει την ευρέως διαδεδομένη άποψη ότι η Ζωή μπορούσε
Από την άλ/η πλευρά, δεν αναπαράγονται, δεν αυξάνουν και
ν' αναπτυχθεί αυθόρμητα. Έδειξε ότι οι κλειστές φιάλες ποτέ
δεν αναπτύσσονται
δεν
-
όμως το ίδιο συμβαίνει και με τα ηλικιωμέ
Louis Pasteur
avamuooouv κάτι
επινόησε μια «έξυπνη» συσκευή για να
αν προηγουμένως υποβληθούν σε απο
να Ζώα. Οι πατάτες δεν είναι ευαίσθητες στα ερεθίσματα Κ.Ο.Κ.
στείρωση με θερμότητα. Για να ξεπεράσει τις αντιρρήσεις όσων
Είναι παράδοξο ότι οι κλασικοί ορισμοί της Ζωής συνήθως δεν
ισχυρίΖονταν ότι γι' αυτό ευθυνόταν η έλ/ειψη οξυγόνου ή ότι η
αναφέρουν ότι οι Ζωντανοί οργανισμοί στη Γη αποτελούνται κυ
θέρμανση σκότωνε τη Ζωογόνο ουσία, χρησιμοποίησε μια ειδι
ρίως από οργανικά μόρια, δηλαδή ότι η Ζωή βασίΖεται στον άν
κή φιάλη με λεπτό «αυχένα κύκνου» που σχεδιάστηκε έτσι ώστε
θρακα. Απ' όσο γνωρίζουμε, τα βασικά «πληροφοριακά μακρο
ν' αποτρέπει την επιμόλυνση της καλλιέργειας με σπόρους από
μόρια»
τον αέρα (Εικόνα ΑI-3). Οι καλ/ιέργειες σε αυτές τις φιάλες δεν
- DNA,
ΗΝΑ και πρωτεινες
-
είναι τα ίδια σε κάθε Ζω
ντανό είδος.
εμφάνισαν ποτέ ενδείξεις Ζωής, παρότι μπορούσαν να συντη ρούν τη Ζωή, όπως φάνηκε όταν λίγη «σκόνη» από τον «αυΧένα»
Απάντηση
1-2
της φιάλης μεταφέρθηκε στο καλ/ιεργητικό υλικό.
Οι περισσότερες τυχαίες αλλαγές στο σχέδιο των υποδημάτων θα οδηγούσαν σε ελαπώματα και τα υποδήματα θα ήταν λιγότερο
Απάντηση
1-4
χρήσιμα: τα υποδήματα χωρίς σόλα, με πολ/ές σόλες ή με περίερ
6 χ 1039 (= 6 χ 1027 g/10-12 g) βακτήρια θα είχαν ίσπ μάΖα με τη
γο μέγεθος προφανώς δεν θα είχαν Ζήτηση στην αγορά. ΆΛΛες
μάΖα της γης. Σύμφωνα με την εξίσωση που περιγράφει την εκ tJ2
°~ t = 2642 min (ή 44 ώρες). Αυ
θετική αύξηση, 6 χ 1039
=2
το μέγεθος). Τέλος, λίγες αλλαγές θα μπορούσε να οδηγήσουν σε
τό αντιπροσωπεύει μόνο
πιο επιθυμητά υποδήματα: για παράδειγμα, σόλες με αδρή αντί
κατομμυρια χρονια περασαν
132 γενιές, ενώ στα τελευταία 3.5 δισε5 χ 1014 γενιες. / Π ροφανως, / η συ-
αλλαγές θα ήταν ουδέτερες (π.χ. μικρές παραλλαγές στο χρώμα ή
/
/
/
λεία επιφάνεια θα ήταν καλύτερες για βάδισμα στη βροχή, υποδή
νολική μάζα των βακτηρίων στον πλανήτη μας απέχει πολύ από
ματα χωρίς ψηλά τακούνια θα ήταν πιο άνετα για περπάτημα. Το
τη μάΖα της γης. Αυτό δείχνει ότι εκθετική αύξηση συμβαίνει μό
παράδειγμα αυτό δείχνει ότι οι τυχαίες αλλαγές μπορεί να οδηγή
νο για πολύ λίγες γενιές, δηλαδή για πολύ μικρές χρονικές πε
σουν σε ουσιαστικές βελτιώσεις αν ο αριθμός των δοκιμών είναι
ριόδους σε σύγκριση με την εξέλιξη. Σε κάθε ρεαλιστικό σενά
αρκετά μεγάλος και επιπλέον αν ασκούνται πιέσεις επιλογής.
ριο, τα αποθέματα της τροφής πολύ σύντομα περιορίζονται και ε πιβάλλουν περιορισμούς στην αύξηση. Αυτή η απλή εξίσωση μάς δείχνει ότι η ικανότητα για αύξηση και ταχεία διαίρεση όταν
Πίνακας Α 1·1. Υποθετικά σκορ της «ζωής» για μια ηλεκτρική σκούπα, μια πατάτα και έναν άνθρωπο
υπάρχει άφθονη τροφή είναι μόνο ένας από τους παράγοντες
Ηλεκτρική Χαρακτηριστικό
σκούπα
Πατάτα
Άνθρωπος
1. Οργάνωση
Ναι
Ναι
Ναι
2. Ομοιοστασία 3. Αναπαραγωγή 4. Ανάmuξη
Ναι
Ναι
Ναι
Όχι
Ναι
Ναι
Όχι
Ναι
Ναι
Ναι
Ναι
Ναι
Ναι
Όχι
Ναι
5. Ενέργεια 6. Ανταπόκριση σε ερεθίσματα
7.
Προσαρμογή
Όχι
Ναι
Ναι
αυθεντική
φιάλη με
φιάλη
«αυχένα κύκνου»
Εικόνα Α1·3
Απαντήσεις
921
ρη και επιτρέπει την παρατήρηση αντικειμένων μεΥέθΟl.Jς ακό
χώρος που φαίνεται ότι προέρχεται από το κυτταροδιάλυμα του μεμβράνη που φαίνεται ότι προέρχεται από τη
μα και
αρχέγονου αερόβιου βακτηρίου (περιέχει ΟΝΑ)
10 nm.
Για την εξέταση των δομικών λεπτομερειών των
μικροσωληνίσκων, των μιτοχονδρίων και των βακτηρίων χρειά
Ζεται το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Ωmόσο, αν προηΥΟl.Jμένως
μεμβράνη ενός αερόβιου μικροβίου
χρωσθούν με ειδικές χρωmικές, η εντόπισή ΤΟl.Jς μπορεί να κα
θοριmεί με το φωτονικό μικροσκόπιο. Απάντηση
1-8
Επειδή οι βασικές λεΙΤΟI.JΡΥίες των Κl.Jττάρων μοιάΖΟl.Jν τόσο πο Μ, πολλές πληροφορίες σl.JΥκεντρώθηκαν από τη μελέτη των πρότuπων σl.Jmημάτων. Η μαΥιά των Ζl.Jθοποιών είναι ένα καλό πρότuπo σύmημα επειδή τα κύτταρα των Ζl.Jμομl.Jκήτων είναι πο
λύ απλούmεΡα από τ' ανθρώπινα καρκινικά κύτταρα. Οι ZUΜOμό κητες μπορεί να καλ/ιεΡΥηθούν χωρίς πολ/ά έξοδα και σε τερά
μεμβράνη που φαίνεται ότι προέρχεται από την κυτταρική μεμβράνη του αρχέγονου ευκαρυωτικού κυττάρου
mιες ποσότητες. Επίσης, μπορεί να
I.JnOBAneOUV σε Υενετική
και
βιοχημική τροποποίηση πολό ευκολότερα από τ' ανθρώπινα κότ
ταρα. Αl.Jτά τα χαρακτηριmικά μάς επιτρέΠΟl.Jν να διαλεl.Jκάνοl.J
Εικόνα Α1·5
με ΤΟl.Jς βασικούς κανόνες ΠΟΙ.J καθορίΖΟl.Jν πώς αl.JξάνΟl.Jν και πώς διαιρούνται τα κύτταρα. Τα καρκινικά κύτταρα διαιρούνται, ενώ δεν θα έπρεπε (και επομένως δημΙΟI.JΡΥούν όΥΚΟl.Jς). Η βα
ΠΟΙ.J επηρεάΖΟl.Jντην επιβίωση ενός είδΟl.Jς. Η τροφή Υενικά είναι
σική κατανόηση ΤΟΙ.J ελέΥΧΟI.J της Κl.Jτταρικής διαίρεσης σχετίζεται
λΙΥοmή και τα κότταρα ΠΟΙ.J μποροόν να προσαρμοmοόν καΜτε
άμεσα με το πρόβλημα ΤΟΙ.J καρκίνοl.J. ΠράΥματι, το Εθνικό
ρα σε μεταβαλ/όμενο περιβάλ/ον και έΧΟl.Jν αποκτήσει πιο περί
τοότο Καρκίνοl.J των ΗΠΑ, η Αμερικανική Αντικαρκινική Εται
!vml-
τεχνα μέσα Υια τη χρησιμοποίηση διαφορετικών πηΥών τροφής
ρεία και πολ/ά άλ/α ιδρύματα ΠΟΙ.J επιδιώΚΟl.Jν να
σl.Jχνά έΧΟl.Jν ένα μεΥάλο OI.JναΥωνιmικό πλεονέκτημα.
ληλες θεραπείες Υια τον καρκίνο I.JnomnpΊZol.JV ισχl.Jρά τη βασι
BpOI.JV κατάλ
κή έρευνα σε ποικίλες πτuxές της Κl.Jτταρικής διαίρεσης σε διά Απάντηση
1-5
φορα πρότuπα σl.Jmήματα, όπως οι Ζl.Jμομόκητες.
Βλ. Εικόνα ΑI-5. Απάντηση
Απάντηση
1-6
1-9
ΕλέΥξτε τις απαντήσεις σας χρησιμοποιώντας το Γλωσσάριο και
Τα εl.JκαΡl.Jωτικά κότταρα μπορεί να καταβΡΟΧθίσΟl.Jν Οl.Jσίες ό
10 Παράρτημα 1-2.
πως τα σωματίδια της τροφής και να τα καταναλώσΟl.Jν εΥωιmι
1-10
κά. Αντίθετα, τα βακτήρια δεν διαθέΤΟl.Jν κάποιο τρόπο Υια να
Απάντηση
σl.Jλ/αμβάνΟl.Jν κομμάτια τροφής. ΕξάΥΟl.Jν Οl.Jσίες ΠΟΙ.J αποδο
Α. Λάθος. Οι κληρονομικές πληροφορίες κωδικοποιούνται
μοόντα μόρια της τροφής
mo περιβάλ/ον,
αλ/ά τα προϊόντα της
αποδόμησης τα μοιράΖΟνται με άλ/α κότταρα ΠΟΙ.J βρίσκονται
mnv ίδια περιοΧή.
mo
ΟΝΑ ΤΟΙ.J Κl.Jττάροl.J, το οποίο με τη σειρά ΤΟΙ.J κωδικοποιεί τις πρωτε'ϊνες. Β. Σωmό. Τα βακτήρια δεν έΧΟl.Jν Πl.Jρήνα.
Γ. Λάθος. Τα φl.Jτά αποτελοόνται από εl.JκαΡl.Jωτικά κύτταρα ΠΟΙ.J Απάντηση
1-7
περιέΧΟl.Jν
Το φωτονικό μικροσκόπιο είναι ποΜ πιο εόκολο
mn χρήση
και
απαιτεί ποΜ απλοόmερα εξαρτήματα. Αντικείμενα μεΥέθΟl.Jς
1
μm διακρίνονται εόκολα. Το κατώτερο (θεωρητικό) διακριτικό όριο είναι
0.2 μm και επιβάλλεται
από το μήκος κύματος ΤΟΙ.J 0-
ρατοό φωτός. Το ορατό φως είναι «αθώο» και διέρχεται εύκολα από το νερό: έτσι, κάνει εφικτή την παρατήρησητων Ζωντανών
Κl.Jττάρων. Από την άλ/η πλευρά, το ηλεκτρονικόμικροσκόπιο
mo
Κl.Jτταρόπλασμά ΤΟl.Jς χλωροπί'lάmες. Οι χλω
ροπί'lάmες θεωρείται ότι προέρχονται από προκαΡl.Jωτικά κύτταρα.
Δ. Σωmό. Ο αριθμός των χρωμοσωμάτων ποικίλει από ΟΡΥανι σμό σε ΟΡΥανισμό αλ/ά είναι mαθερός σε όλα τα κύτταρα ΤΟΙ.J ίδιοl.J ΟΡΥανισμού. Ε. Λάθος. Το Κl.Jτταροδιάλl.Jμα είναι ό,τι απομένει από το
Kl.Jna-
ρόπλασμα αν αφαιρεθούν όλα τα ΟΡΥανίδια.
είναι ποΜ πιο περίπλοκο, τόσο από την άποψη της επεξεΡΥα
Ζ. Σωmό. Το Πl.Jρηνικό περίβλημα είναι μια διπλή μεμβράνη και
σίας ΤΟΙ.J δείΥματος (ΠΟΙ.J πρέπει να κοπεί σε πολύ λεπτές τομές,
τα μιτοΧόνδρια περιβάλ/ονται τόσο από μια εσωτερική όσο
να χρωσθεί με ηλεκτρονιόΠl.Jκναβαριά μέταλ/α και ν' αφl.Jδα
και από μια εξωτερική μεμβράνη.
τωθεί εντελώς) όσο και ως προς την ίδια τη φύση lOI.J. Τα κύττα
Η. Λάθος. Τα πρωτόΖωα είναι μονοκότταροι ΟΡΥανισμοί και ε
ρα δεν είναι δl.Jνατό να παρατηρηθούν Ζωντανά. Η διακριτική ι
πομένως δεν έΧΟl.Jν διάφΟΡΟl.Jς ιmούς. Ωmόσο, έΧΟl.Jν περί
κανότητα ΤΟΙ.J ηλεκτρονικού μικροσκοπίοl.J είναι πολύ μεΥαΜτε-
πλοκη δομή με πολύ εξειδικεl.Jμένα τμήματα.
922
Απαντήσεις
Θ. Εν μέρει σωσrό. Τα υπεροξεισωμάτια και τα λυσοσωμάτια
μόνο ένα ή λίγα βακτήρια αποκτούν μια μετάλλαξη που τα κάνει
περιέχουν ένΖυμα τα οποία καταλύουν την αποδόμηση ου
ανθεκτικά στη δράση του. Τα αντιβιοτικά που είναι δηλητηριώ
σιών που παράγονται αο κυπαροδιάλυμα ή προσλαμβάνο
δη για τα βακτήρια, για παράδειγμα επειδή προσδένονται σε ο
νται από το κύπαρο.
ρισμένες βακτηριακές πρωτε'ίνες, δεν θα ήταν αποτελεσματικά αν η επιφάνεια των πρωτεϊνών είχε ελαφρώς αλλάξει ώστε η
Απάντηση
1-11
πρόσδεση να είναι ασθενέστερη ή να μην πραγματοποιείται κα
Κατά μέσο όρο, ένα εγκεφαλικό κύπαρο Ζυγίζει 10-8 g (= 1000 g/10 11 ). Επειδή 1 g νερού καταλαμβάνει όγκο 1 ml = 1 cm3 (=
/ / / / 10-14 m3 (10-8 ενος κυπαρου ειναι = g χ 10-6 10-6 m3) , ο ογκος 3 m /g). Η κυβική ρίζα αυτού του μεγέθους είναι 2.1 χ 10-5 m, ή 21 μm (106 μm = 1 m). Η σελίδα του βιβλίου έχει επιφάνεια 0.057 m2 (= 21 cm χ 27.5 cm) και κάθε κύπαρο αφήνει ένα αποτύπω μα έκτασης 441 χ 10-12 m2 (2.1 χ 10-5 m χ 2.1 χ 10-5 m). Επο μένως, 129 χ 106 (= 0.057 m2/441 χ 10-12 m2) κύπαρα χωρούν σε αυτή τη σελίδα αν απλωθούν σε μια απλή αιβάδα. Άρα, 1011 κύπαρα θα καταλάμβαναν 775 σελίδες (= 1011/129 χ 106).
θόλου. Αυτά τα μεταλλαγμένα βακτήρια θα συνέΧΙΖαν να διαι ρούνται γρήγορα ενώ τα «φυσιολογικά» βακτήρια θ' αναχαιτίζο νταν. Μέσα σε σύντομο χρονικό διάσrημα, τ' ανθεκτικά βακτή
ρια θα επικρατούσαν στην καλ/ιέργεια. Απάντηση
1-16
1013 = 2(t/1). Επομένως, θα χρειαΖόταν να μεσολαβήσουν μόνο 43 ημέρες [t = 13/1og(2)]. Αυτό ερμηνεύει το γιατί ορισμένοι καρκίνοι εξελίσσονται εξαιρετικά γρήγορα. Ωσrόσo, πολ/ά
καρκινικά κύπαρα αναπτύσσονται πολύ πιο αργά ή πεθαίνουν επειδή δεν αιματώνονται επαρκώς. Έτοι, στην πραγματικότητα,
Απάντηση
1-12
η εξέλιξη του καρκίνου συνήθως είναι βραδύτερη.
Σε αυτό το φυτικό κύπαρο, το Α είναι ο πυρήνας, το Β ένα κενο
1-17
τόπιο, το Γ είναι το κυπαρικό τοίχωμα και το Δ ένας χλωροπλά
Απάντηση
αης. Το άνυσμα της κλίμακας είναι περίπου
Τα Ζωντανά κύπαρα εξελίΧθηκαν από την άβια ύλη, αλ/ά αυξά
10 μm,
όσο και η
νουν και πολ/απλασιάΖΟνται. Όπως και τα υλικά από τα οποία
διάμετρος του πυρήνα.
προήλθαν, διέπονται από τους νόμους της φυσικής, της θερμο Απάντηση
1-13
δυναμικής και της χημείας. Για παράδειγμα, δεν μπορούν να
Τα τρία κύρια ινίδια είναι τα νημάτια της ακτίνης, τα ενδιάμεσα ι
δημιουργήσουν ενέργεια
νίδια και οι μικροσωληνίσκοι. Τα νημάτια της ακτίνης εμπλέκο
συγκροτημένες δομές χωρίς παροχή ενέργειας. Όλες, πρακτι
de
ηονο ούτε και να κατασκευάσουν
νται αις ταχείες μετακινήσεις των κυπάρων, όπως η μυϊκή συαο
κά, οι διεργασίες του κυπάρου, όπως ο μεταβολισμός, η κατά
λή. Τα ενδιάμεσα ινίδια παρέχουν μηχανική ααθερότητα. Οι μι
λυση, η συναρμολόγηση των μεμβρανών και η αντιγραφή του
κροσωληνίσκοι λειτουργούν σαν τις ράγες του σιδηρόδρομου για
ΟΝΑ μπορεί να γίνουν κατανοητές ως περίπλοκες χημικές αντι
ενδοκυπάριες μετακινήσεις και ευθύνονται για τον διαχωρισμό
δράσεις οι οποίες είναι δυνατό ν' αναπαραΧθούν πειραματικά
των χρωμοσωμάτων κατά την κυπαρική διαίρεση. Άλλες λειτουρ
και να μελετηθούν σε δοκιμαστικούς σωλήνες.
γίες όλων αυτών των ινιδίων παρουσιάζονται αο Κεφάλαιο
17.
Παρά τη βασική αυτή αναγωγή, ένα Ζωντανό κύπαρο είναι κάτι περισσότερο από το άθροισμα των τμημάτων του. Για παρά
Απάντηση
1-14
δειγμα, δεν θα παρασκευάσουμε ένα κύπαρο αν αναμείξουμε
Τα μεταλλαγμένα κύπαρα επικρατούν αην καλ/ιέργεια μετά
20
τυχαία σ' έναν δοκιμαστικό σωλήνα πρωτεϊνες, νουκλεϊνικά ο
ώρες, δηλαδή σε λιγότερο από μια μέρα. Χρησιμοποιώντας την
ξέα και άλλες χημικές ουσίες. Το κύπαρο λειτουργεί χάρη στην
εξίσωση που δίνεται αην ερώτηση, βλέπουμε ότι ο αριθμός των
οργανωμένη δομή του, η οποία είναι προϊόν της εξελικτικής ι
αρχικών βακτηριακών κυπάρων «<άγριος τύπος») σε χρόνο
t λε ενώ ο α-
στορίαςτου. Τα κύπαρα πάντα προέρχονται από προϋπάρχοντα
1 χ 2V15 . Για να βρου/
θυγατρικά κύπαρα τόσο χημικά συστατικά όσο και δομές. Για
mών αφότου συνέβη η μετάλλαξη ισούται με 106 χ 2
t12
θ /
/
/
/
ρι μος των μετα λ/ αγμενων κυπαρων ειναι
°,
κύπαρα και η διαίρεση ενός μητρικού κυπάρου μεταβιβάΖει στα
με πότε επικρατούν τα μεταλλαγμένα κύπαρα επί των κυπάρων
παράδειγμα, η κυπαρική μεμβράνη δεν σχηματίΖεται ποτέ
του άγριου τύπου δεν έχουμε παρά να εξισώσουμε τους δύο αυ
novo,
τούς αριθμούς (δηλαδή 106 χ
2t12o
= 2t/15). Ανάγοντας σε δεκα t = 1200 min (ή 20 ώρες). Στο χρόνο αυτό, η καλ/ιέργεια περιέχει 2 χ 1024 κύτταρα (106 χ 260 + 1 χ 280). δικό λογάριθμο,
Π
/
αρεπιπτοντως,
2
χ
1024 β ακτηριακα/ κυπαρα, / β αρους / 10- Ι2 g το
καθένα, θα ΖύγιΖαν 2 χ 1012 g (= 2 χ 109 kg, ή δύο εκατομμύρια
de
αλ/ά προκύmει από την επέκταση μιας προϋπάρχουσας
μεμβράνης. Επίσης, θα υπάρχει πάντα ένα ριβοσωμάτιο, εν μέ
ρει αποτελούμενο από πρωτε'ίνες, των οποίων η λειτουργία συ
νίααται σε παραγωγή περισσότερων πρωτεϊνών, συμπεριλαμ βανομένων και των πρωτεϊνών που κατασκευάζουν περισσότε ρα ριβοσωμάτια.
τόνους!). Προφανώς, το πείραμα αυτό απλώς είναι υποθετικό. Απάντηση Απάντηση
1-15
1-18
Σ' έναν πολυκύπαρο οργανισμό τα διάφορα κύπαρα μπορούν
Τα βακτήρια συνεΧώς αποκτούν μεταλλάξεις στο ΟΝΑ τους.
να επιτελούν καθορισμένες λειτουργίες και να συνεργάΖΟνται
Στον πληθυσμό των κυπάρων που εκτίθενται στο δηλητήριο,
μεταξύ τους. Με τέτοιους εξεΖητημένους μηχανισμούς, οι πολυ-
Απαντήσεις
923
KVΠαΡOσKελετός
μιτοχόνδριο
L-
ριβοσωμάτια
----------'
πυρηνικόςπόρος
χΡωματίνη
Εικόνα Α1·21
1-20
κύτταροι οργανισμοίείναι σε θέση να εκμεταλλεύονταιπηγές
Απάντηση
τροφών που είναι απρoσπέλασrεςαπό τους μονοκύτταρουςορ
Υπάρχουν πολ/ές ενδείξεις για έναν κοινό πρόγονο. Οι αναλύ
γανισμούς. Για παράδειγμα, ένα φυτό μπορείνα προσλαμβάνει
σεις των σημερινών Ζωντανών κυττάρων αποκαλύπτουν έναν ε
νερό και θρεπτικές ουσίες από το έδαφος μέσω των ΡΙΖών του
ντυπωσιακό βαθμό ομοιότητας ως προς τα βασικά συσrαΤΙKά τα
και ταυτόχρονανα συλλέγει φωτεινή ενέργεια και
CO2 από τον
οποία επιτελούν τις καίριες λειτουργίες σε κύτταρα που διαφέ
αέρα μέσω των φύλ/ων του. Πρoσrατεύoντας τ' αναπαραγωγι
ρουν πολύ μεταξύ τους. Για παράδειγμα, πολ/ές μεταβολικές
κά κύτταρά του με άλ/α εξειδικευμένα κύτταρα, ο πολυκύτταρος
διεργασίες διατηρούνται από κύτταρο σε κύτταρο. Επίσης, οι ε
οργανισμός μπορεί ν' αναπτύξει νέους τρόπους για να επιβιώ
νώσεις που απαρτίΖουν τα νουκλεϊνικά οξέα και τις πρωτεΊνες εί
νει σε δυσμενείς συνθήκες ή ν' αποκρούει τους διώκτες του. Ό
ναι οι ίδιες σε όλα τα Ζωντανά κύτταρα, έσrω και αν κανείς μπο
ταν η τροφή λιγoσrέψει, μπορεί να συντηρεί τ' αναπαραγωγικά
ρεί να φαντασrεί ότι μια άλ/η ομάδα ενώσεων θα λειτουργούσε
κύτταρα αφήνοντάς τα να χρησιμοποιήσουν αποθέματα των συ
εξίσου καλά (π.χ. αμινοξέα με διαφορετικές πλευρικές αλυσί
ντρόφων τους ή ακόμα και να επιδοθούν σε καwιβαλισμό (σrην
δες). Παρομοίως, συχνά διαπισrώνoυμε ότι σημαντικές πρω
πραγματικότητα, αυτό συμβαίνει συχνά).
τεΊνες έχουν ανάλογη δομή σrα προκαρυωτικά και σrα ευκα ρυωτικά κύτταρα. Θεωρητικά, θα ήταν δυνατό να υπάρχουν
Απάντηση
1-19
πολ/οί διαφορετικοί τρόποι για την παρασκευή πρωτεϊνών ικα
Ο όγκος και η επιφάνεια είναι
5.24 χ 10-19 m3 και 3.14 χ 10-12 2 m για το βακτηριακό κύτταρο και 1.77 χ 10-15 m3 και 7.07 χ 10-10 m2για το Ζωικό κύτταρο, αντισroίxως. Από τις τιμές αυτές,
νών να εκτελούν τις ίδιες λειτουργίες. Τα υπάρχοντα δεδομένα
προκύπτουν λόγοι επιφάνειας προς όγκο 6 χ
λα κατά τη διάρκεια της εξέλιξης έτσι ώσrε ν' ανταποκρίνονται
106 m-1 και 4 χ
δείχνουν αδιαφιλονίκητα ότι οι πιο σημαντικές διεργασίες «επι
νοήθηκαν» μόνο μια φορά και μετά διαμορφώθηκαν κατάλ/η
105 m-1, αντισroίxως. Με άλ/α λόγια, παρόλο που το Ζωικό κύτ ταρo έχει μεγαλύτερο όγκο κατά 3374 φορές, η επιφάνεια της μεμβράνης του είναι μόνο 225 φορές μεγαλύτερη. Αν, ωσrόσo,
να γίνει το αρχέγονο προγονικό κύτταρο του σημερινού έμβιο\) κό
σroν υπολογισμό ληφθούν υπόψη και οι εσωτερικές μεμβρά
σμο\). Καθώς η εξέλιξη δεν είναι μια κατε\)θυνόμενη διεργασία με
νες, τότε οι δύο λόγοι είναι περίπου ίσοι. Συνεπώς, χάρη σrις ε
σκόπιμη πορεία, είναι πιο πιθανό ότι υπήρξε ένας τεράσrlOς αριθ
σrις σ\)γκεκριμένες ανάγκες των εξειδΙKεUΜένων κ\)ττάρων. Ωσrόσo, είναι μάλλον απίθανο το πρώτο κύτταρο να επέΖησε για
σωτερικές μεμβράνες τους, τα ευκαρυωτικά κύτταρα μπορούν
μός αποτυχημένων «δOKιμασrΙKών» κυττάρων πο\) αντιγράφονταν
ν' αποκτούν μεγαλύτερο μέγεθος και να εξακολουθούν να δια
για λίγο και κατόπιν εξαφανίζονταν επειδή δεν ήταν ικανά να προ
τηρούν μια αρκετά μεγάλη επιφάνεια μεμβρανών η οποία, ό
σαρμoσroύν σrις αλ/αγές το\) περιβάλλοντος ή να επιβιώσο\)ν σε
πως θα δούμε λεπτoμερέσrερα σε επόμενα κεφάλαια, είναι α
ανταγωνισμό με άλλα είδη κυττάρων. Επομένως, μπορούμε να
παραίτητη για πολ/ές βασικές λειτουργίες. Ως ένα παράδειγμα,
ΠOθέσOUΜε ότι το αρχέγονο προγονικό κύτταρο ήταν ένα «τυχερό»
\)-
ήδη αναφέραμε την εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη, που
κύτταρο που κατέληξε σ' ένα σχετικά σrαθερό περιβάλλον, όπο\) εί
είναι πολύ πτυχωμένη έτσι ώσrε ν' αυξάνει την επιφάνειά της
χε τη δυνατότητα ν' αντιγραφεί και να εξελιχθεί.
(βλ. Εικόνα
1-18). Η μεμβράνη
αυτή είναι πολύ σημαντική για
1-21
την παραγωγή του ΑΤΡ, του φορέα ενέργειας που προωθεί τις
Απάντηση
περισσότερες κυτταρικές αντιδράσεις.
Βλ. Εικόνα
924
Απαντήσεις
1-21.
Κεφάλαιο
θη πρόσδεση κάθε πρωτονίου σ' ένα μόριο νερού (2Η 2 Ο
2
Η2 Ο
Aπdvmσn2-1
+ Η+ + ΟΗ-
--;>
Η3 Ο+
--;>
+ ΟΗΤ Σε ουδέτερο ρΗ, όταν
δηλαδή δεν υπάρχει κάποιο οξύ που να παρέχει περισσότε
Οι πιθανότητες είναι μεγάλες εξαιτίας του τεράστιου μεγέθους του αριθμού του
Avogadro. Το αρχικό κύπελλο περιείχε ένα γραμμομόριο νερού, ή 6 χ 1023 μόρια, και ο όγκος των ωKεG, ειναι , 1.5 χ 1024 cm.3 Μ' 'ξ η, κατα " ,ορο θ α νων ετα την αναμει μεσο 3 υπήρχαν 0.4 μόρια «Ελληνικού» νερού ανά cm (6 χ 1023/1.5 χ 1024) ή 7.2 μόρια σε 18 g νερού του Ειρηνικού Ωκεανού.
ρα ιόντα Η 3Ο+ ή κάποια βάση που να παρέχει περισσότερα
ιόντα ΟΗ-, η συγκέντρωση των ιόντων Η 3 Ο+ είναι ίση με τη
συγκέντρωση των ιόντων ΟΗ-. Σε ουδέτερες συνθήκες το
ρΗ
= 7.0 και, επομένως, η συγκέντρωση των Η+ είναι ίση με 10-7 Μ. Η συγκέντρωση των Η+ ισούται με τη συγκέντρωση
τωνΗ 3 Ο+.
Β. Για να υπολογίσουμε το λόγο των ιόντων Η 3 Ο+ προς τα μό
Aπdvmσn2-2
ρια του νερού πρέπει να γνωρίΖουμε τη συγκέντρωση των
Α. Ο ατομικός αριθμός είναι
6,
ενώ το ατομικό βάρος είναι
12
(=6 πρωτόνια + 6 νετρόνια).
μορίων του νερού. Το μοριακό βάρος του νερού είναι
(δηλαδή
Β. Τα ηλεκτρόνια είναι έξι (όσο και τα πρωτόνια). Γ. Η πρώτη στιβάδα μπορεί να χωρέσει δύο, ενώ η δεύτερη ο
18 g/mole) και ένα λίτρο νερού
18 1 kg. Επομέ 55.6 Μ [= 1000
Ζυγίζει
νως, η συγκέντρωση του νερού είναι
(g/L)/(18 g/mole)] και ο λόγος των ιόντων Η3 Ο+ προς τα μό
κτώ ηλεκτρόνια. Συνεπώς, για να συμπληρώσει την εξώτατη
ρια του νερού είναι 1.8 χ 10-9 (= 10-7/55.6). Έτσι, σε ουδέ
στιβάδα του, ένα άτομο άνθρακα πρέπει ν' αποκτήσει (ή να
τερο ρΗ, μόνο δύο μόρια νερού στο δισεκατομμύριο έχουν
προσφέρει) τέσσερα ηλεκτρόνια. Το άτομο του άνθρακα βρί
διασταθεί σε Η+ και ΟΗ-.
σκεται στην πιο σταθερή κατάσταση όταν μοιράΖεται τέσσερα επιπρόσθετα ηλεκτρόνια με άλλα άτομα (συμπεριλαμβανο
Aπdvmσn2-6
μένων και άλλων ατόμων άνθρακα) μέσω του σχηματισμού
Δεν πρόκειται για λάθος. Προσέξτε ότι τα μικρά άτομα του υ
τεσσάρων ομοιοπολικών δεσμών.
δρογόνου είναι εκείνα που συνδέονται μ' ένα άτομο οξυγόνου,
Δ. Ο άνθρακας
14 διαθέτει
στον πυρήνα του δύο επιπρόσθετα
ενώ τα άτομα που συνδέονται μ' ένα άτομο άνθρακα είναι μεγα
νετρόνια. Επειδή οι χημικές ιδιότητες ενός ατόμου καθορίζο
λύτερα. Αυτό αντικατοπτρίΖει την πολικότητα των αντίστοιχων
νται από τα ηλεκτρόνιά του, ο άνθρακας
δεσμών: ο δεσμός
τόσημος με τον άνθρακα
14 είναι χημικά ταυ
12.
H-C είναι μη πολικός, ενώ ο δεσμός Η-Ο εί
ναι πολικός. Το οξυγόνο απομακρύνει πιο ισχυρά τα κοινά ηλε κτρόνια από το υδρογόνο, οπότε η ακτίνα του ηλεκτρονιακού
Aπdvmσn2-3
νέφους γύρω από το άτομο του υδρογόνου είναι μικρότερη.
Η φράση είναι σωστή. Τόσο οι ιοντικοί όσο και οι ομοιοπολικοί
δεσμοί βασίζονται στις ίδιες αρΧές: ηλεκτρόνια μοιράΖΟνται ισό
Aπdvmσn2-7
τιμα ανάμεσα σε δύο άτομα που αΛληλεπιδρούν, οπότε σχημα
Προϋπόθεση για τη σύνθεση ενός μακρομορίου με μοναδική
τίΖεται ένας μη πολικός ομοιοπολικός δεσμός ηλεκτρόνια μοι
μορφή είναι η χρησιμοποίηση μόνο ενός στερεοϊσομερούς για
ράΖΟνται ανισότιμα ανάμεσα σε δύο άτομα που αλληλεπιδρούν,
κάθε θέση. Η αΛλαγή ενός αμινοξέος από την Ι- στην Ω-μορφή
οπότε σχηματίΖεται ένας πολικός ομοιοπολικός δεσμός ηλε
του θα οδηγούσε σε μια διαφορετική πρωτεΊνη. Επομένως, αν
κτρόνια χάνονται εντελώς από το ένα άτομο και κερδίΖονται από
για κάθε αμινοξύ που χρειάΖεται για την παρασκευή μιας πρω
το άλλο άτομο, οπότε σχηματίΖεται ένας ιοντικός δεσμός. Υπάρ
τεΊνης χρησιμοποιούνταν ένα τυχαίο μείγμα της
χουν δεσμοί κάθε πιθανής ενδιάμεσης κατάστασης και, στις ο
μορφής, τότε η αλληλουΧία των αμινοξέων της πρωτεΊνης αυτής
ριακές περιπτώσεις, η επιλογή ανάμεσα στον χαρακτηρισμό ε
δεν θα καθόΡιζε μια μοναδική δομή, αΛλά ποΛλές διαφορετικές
νός δεσμού ως πολύ πολικού ομοιοπολικού ή ιοντικού είναι αυ
(συγκεκριμένα 2 , όπου Ν ο αριθμός των αμινοξέων της πρω
θαίρετη.
τεΊνης). Ο λόγος για τον οποίο τα Ι-αμινοξέα επιλέΧθηκαν κατά
D-
και της Ι
Ν
την εξέλιξη ως αποκλειστικοί δομικοί λίθοι των πρωτεϊνών είναι
Aπdvmσn2-4
άγνωστος. Εύκολα μπορεί κανείς να φανταστεί ένα κύπαρο στο
Η φράση είναι σωστή. Ο δεσμός υδρογόνου-οξυγόνου στα μό
οποίο για την παρασκευή των πρωτεϊνών θα μπορούσε να χρη
ρια του νερού είναι πολικός, από την άποψη ότι το άτομο του ο
σιμοποιηθούν οι Ω-μορφές ορισμένων αμινοξέων (ή και όλων
ξυγόνου φέρει περισσότερο αρνητικό φορτίο από τα άτομα του
των αμινοξέων), αρκείτα συγκεκριμένα στερεοϊσομερή να χρη
υδρογόνου. Αυτά τα μερικά αρνητικά φορτία προσελκύονται
σιμοποιούνταν αποκλειστικά.
στα θετικά φορτισμένα ιόντα νατρίου ενώ απωθούνται από τα αρνητικά φορτισμένα ιόντα χλωρίου.
Aπdvmσn2-8 Ο όρος «πολικότηΤα>' μπορεί να έχει δύο έwοιες. Η πρώτη ανα
Aπdvmσn2-5
φέρεται στην κατευθυνόμενη ασυμμετρία, για παράδειγμα σε
Α. Τα ιόντα υδρωνίου (Η 3 Ο+) προκύmουν από τη διάσπαση του
γραμμικά πολυμερή όπως τα πολυπεmίδια, τα οποία έχουν ένα
νερού σε πρωτόνια και ιόντα υδροξυλίου και την επακόλου-
Ν- και ένα C-άκρο, ή τα νουκλεϊνικά οξέα, τα οποία έχουν ένα
Απαντήσεις
925
3' και ένα 5' άκρο. Επειδή δεσμοίσχπματίΖονΙαιμόνο ανάμεσα στην αμινοομάδα και την καρβοξlJλομάδατων αμινοξέων ενός
πολlJπεmιδίΟlJκαι ανάμεσα στα 3' και ΤΟ 5' άκρα των νΟlJκλεο
δημΙΟlJργούνΤαι από τη σlJνάθροιση τριαΚlJλογλlJκερο
nOlJ λών.
Η. Σωστό. Μεμονωμένα, οι δεσμοί αlJτοί είναι ασθενείς και δια
ηδίων ενός νΟlJκλεϊνικούοξέος, ΤΟ νΟlJκλεϊνικά οξέα και ΤΟ πο
σπώνται εύκολα με θερμικές κινήσεις. Ωστόσο, επειδή οι αλ
λlJπεπτίδια πάνΙα έΧΟlJν δύο διαφορεηκά άκρα, γεγονός nOlJ
ληλεπιδράσεις ανάμεσα σε δύο μακρομόρια περιλαμβάνΟlJν πολλούς ανάλογΟlJς δεσμούς, η σlJνολική σύνδεση μπορεί
προσδίδει στ' ανΙίστοιχα μόρια μια ορισμένη πολικότητο.
να είναι πολύ ισΧlJρή. Επίσης, επειδή δεσμοί lJδρογόνΟlJ
Η δεύτερη έwοια ΤOlJ όΡΟlJ έχει να κάνει με τον διαχωρισμό
TOlJ ηλεκτρικού
σχηματίΖΟνται μόνο ανάμεσα σε κοτάλληλα τοποθετημένες
φορτίΟlJ σ' ένα μόριο ή έναν δεσμό. ΑlJτό το εί
δος της πολικότητος επιτρέπει τον σχημαησμό των δεσμών
ομάδες των αλληλεπιδρώνΤων μακρομορίων, η σύνδεση με
lJ-
δεσμούς lJδρογόνΟlJ είναι και πολύ ειδική.
δρογόνΟlJ. Επειδή η διaλlJτότητο στο νερό (ή, αλλιώς, lJδροφι λία) ενός μορίΟlJ εξαρτάτοι από το να είναι πολικό, με αlJτή την έwοια ο όρος «πολικός» μερικές φορές χρησιμοποιείται για να
Απάvrnσn
δηλώσει τη διαλlJτότητο στο νερό.
Α. Ένα μόριο ΚlJπαρίνης έχει μοριακό βάρος η χ 1(Η)
Απάvrnσn
όη εύκολα ανΙιστρέφονΙαι με lJδρόλlJση (το νερό αφθονεί στο κύπαρο). ΑlJτό επιτρέπει στα κύπαρα ν' αποδομούν ΤΟ μακρο μόριά ΤΟlJς (ή ΤΟ μακρομόρια άλλων οργανισμών
nOlJ
έΧΟlJν
προσλάβει ως τροφή) και ν' αποδίδΟlJν ακέραιες lJπομονάδες μπορεί ν' «αναΚlJκλωθούν», δηλαδή να χρησιμοποιηθούν
για τον σχημαησμό νέων μακρομορίων.
Απάvrnσn
2-10
Πολλές από ης λεΙΤΟlJργίες
[12(C) + 2 χ + 16(0)]. Το η είναι άγνωστο' ωστόσο, μπορούμε να
καθορίσΟlJμε πόσο σlJμβάλλει κάθε στοιχείο στο βάρος της
2-9
Ένα κύριο πλεονέκτημα των ανΙιδράσεων σlJμπύκνωσης είναι
nOlJ
2-12
nOlJ επιτελούν
ΤΟ μακρομόρια βασί
ΚlJπαρίνης. Η σlJμβολή των ατόμων ΤOlJ άνθρακα είναι
40% [= 12/{12 + 2 +16) χ 100%]. ΣlJνεπώς, στην ΚlJπαρίνη nOlJ σχηματίΖει αlJτή Τη σελίδα περιέΧονΙαι 2 g ατόμων άνθρακα (40% των 5 g). Το ατομικό βάρος ΤOlJ άνθρακα είναι 12 g/mole Kaι ένα mole (γραμμομόριο) περιέχει 6 χ 1023 άτομα ή μόρια. Άρα, η σελίδα αlJτή περιέχει 1023 άτομα άνθρακα [= [2 g/12 (g/mole)] χ 6 χ 1023 (μόριοΙ mole)]. Β. Ο όγκος της σελίδας είναι 4 χ 10-6 m3 (= 21 cm χ 27.5 cm χ 0.07 mm) και αντιστοιχεί σ' έναν κύβο με πλεlJρά μήΚΟlJς 1.6 cm (= 4 χ 10-6 m3). Εφόσον η σελίδα περιέχει 1023 άτο
ΖΟνται στην ικανότητά ΤΟlJς να σlJνδέονΤαι και ν' αποσlJνδέΟνΤαι
μα άνθρακα, σε κάθε πλεlJρά OlJΤOU ΤOlJ κύβΟlJ παρατάσσο
εύκολα. Το γεγονός αlJτό επιτρέπει στα κύπαρα ν' αναδιοργα
νται περίΠΟlJ 4.6 χ 107 άτομα άνθρακα. Επομένως, το πάχος
νώνΟlJν το εσωτερικό ΤΟlJς ότον μετοκινούνΤαι ή ότον δια1Ρού
της σελίδας καλύπτετοι περίΠΟlJ από
νΙαι και να μετοφέΡΟlJν σuσταηKά από οργανίδιο σε οργανίδιο.
κα (= 4.6 χ 107 χ 0.07 χ 10-3 m/l.6 χ 10-2 m).
Οι ομοιοπολικοί δεσμοί θα ήτον πολύ ισχlJροί και μόνιμοι για
Γ. Αν επιστοιβαχθούν σφιχτά μετρο
μια τέΤοια λεΙΤΟlJργία.
0.2 nm θα
200,000 άτομα
άνθρα
350,000 άτομα άνθρακα με διά (0.07
κάλlJπτον το πάχος αlJτής της σελίδας
mm). Απάvrnσn
2-11
Δ. Η διαφορά των δύο lJπολογισμών αντικατοπτρίζει:
Α. Σωστό. Όλοι οι ΠlJρήνες αποτελούνται από θεηκά φορησμέ
(1)
όη τα
άτομα ΤOlJ άνθρακα δεν είνaι ΤΟ μοναδικά άτομα στην
KlJna-
να πρωτόνια και μη φορησμένα νετρόνια. Η μόνη εξαίρεση
ρίνη και
είναι ο ΠlJρήνας ΤOlJ lJδρογόνΟlJ,
βώς διατετογμένων μορίων (όπως ένα διαμάντι είναι ένα δί
nOlJ
αποτελείται μόνο από
(2)
όη το χαρτί δεν είναι ένα ατομικό δίκωο επακρι
κωο επακριβώς διατετογμένων ατόμων άνθρακα) αλλά ένα
ένα πρωτόνιο.
ωχαίο πλέγμα ινών
Β. Λάθος. Τα άτομα είναι ηλεκτρικώς ΟlJδέτερα. Ο αριθμός των
nOlJ περιέχει
πολλά κενά.
θεηκά φορησμένων πρωτονίων είναι πάντα ίσος με τον αριθ
Απάvrnσn
μό των αρνηηκά φορησμένων ηλεκτρονίων. Γ. Σωστό-αλλά μόνο για τον ΠlJρήνα ΤOlJ ΚlJπάΡΟlJ (βλ. Κεφά
λαιο
1)
και όχι για τον ΠlJρήνα ΤOlJ ατόμΟlJ
nOlJ
σlJιητείτοι σε
2-13
Α.
2, 8 και 8 ηλεκτρόνια, αντιστοίχως. Β. lJδρογόνο κέρδος 1 ή απώλεια 1 ήλιο
αlJτό το κεφάλαιο. Δ. Λάθος. Τα στοιχεία μπορεί να έΧΟlJν διαφορεηκά ισότοπα, ΤΟ
ήδη είναι πλήρες
οξlJγόνο
κέρδος
οποία διαφέΡΟlJν μόνο ως προς τον αριθμό των νετρονίων
άνθρακας
κέρδος
ΤΟlJς.
νάτριο
Ε. Σωστό. Σε ορισμένα ισότοπα, ο αριθμός των νετρονίων απο σταθεροποιεί τον ΠlJρήνα, ο οποίος αποσlJvrίθεται σε μια διεργασία
nOlJ αΠOKaλείTOΙ
ραδιενεργός απόσβεση.
Ζ. Σωστό. Χαρακτηριστικά παραδείγματο είναι τα κοκκία ΤOlJ
γλlJκογόνΟlJ (ένα πoλuμεpές της γλlJκόΖης)
nOlJ
lJπάΡΧΟlJν
στα ηπατοκύπαρα και ΤΟ λιποσταγονίδια των λΙΠΟΚlJπάρων
926
Απαντήσεις
χλώριο
Γ. Το ήλιο
nOlJ έχει πλήρως
2 4 ή απώλεια 4 απώλεια 1 κέρδος 1 σlJμπληρωμένη εξώτερη στιβάδα εί
ναι χημικώς αδρανές. ΑνΙίθετο, το νάτριο και το χλώριο είναι
πολύ δραστικά Kaι εύκολα αποδίδΟlJν σταθερά ιόνΙα Na + και CΓ
nOlJ
σχημοτίΖΟlJν ιοντικούς δεσμούς. Το οξlJγόνο πρέπει
να προσλάβει δύο ηλεκτρόνια, ενώ το lJδρογόνο μπορεί να
συμπεριφερθεί με δύο φόπους, δηλαδή να κερδίσει ή να χά
Γ. Σωσrό. Ο σκελετόςτων νουκλεϊνικώνοξέων αποτελείταιαπό
σει ένα ηλεκτρόνιο. Σ' έναν ομοιοπολικό δεσμό ανάμεσα σro
εναί\ί\ασσόμενες μονάδες ριβόΖης (ή δεοξυριβόΖης σro
οξυγόνο και το υδρογόνο, όπως σro νερό ή σro υδροξύλιο,
DNA) και φωσφορικών
τα ηλεκτρόνια έλκονται προς το άτομο του οξυγόνου. Επομέ
είναι σάκχαρα.
νως, ο δεσμός είναι πολικός, με αρνηηκό φορτίο σro άτομο του οξυγόνου και θεηκό φορτίο σro άτομο του υδρογόνου.
ομάδων. Η ριβόΖη και η δεοξυριβόΖη
Δ. Σωσrό. Περίπου τα μισά από τα
20 αμινοξέα
που υπάρχουν
σrη φύση έχουν υδρόφοβες πλευρικές αλυσίδες. Σης πτυχω
Ένας δεσμός οξυγόνου-άνθρακα επίσης είναι πολικός. Αντί
μένες πρωτεΤνες, ποί\ί\ές από ης αλυσίδες αυτές προσανατο
θετα, σ' έναν δεσμό υδρογόνου-άνθρακα και τα δύο αλ/ηλε
λίΖονται προς το εσωτερικό της πρωτείνη ς επειδή απωθού
πιδρώντα άτομα μοιράΖΟνται τα ηλεκτρόνια πιο ισόημα, οπό
νται από το νερό.
τε ο δεσμός είναι μη πολικός.
Ε. Σωσrό. Οι υδρόφοβες υδρογονανθρακικές ουρές περιέχουν μόνο μη πολικούς δεσμούς. Συνεπώς, δεν μπορούν να συμ
Aπdvmon 2-14
μετάσχουν σro σχημαησμό δεσμών υδρογόνου και απωθού
Ένα άτομο θείου είναι πολύ μεγαλύτερο από ένα άτομο οξυγό
νται από το νερό. Οι σχεηκές αρΧές εξετάΖΟνται λεπτομερώς
νου. Εξαιτίας του μεγαλύτερου μεγέθους του, τα εξώτατα ηλε
σro Κεφάλαιο 11. 2. Λάθος. Το ΗΝΑ περιέχει ης βάσεις αυτές, ενώ το DNA αντί για U περιέχει Τ. Οι βάσεις Τ και U μοιάΖουν πολύ, αλ/ά δια
κτρόνιά του δεν έλκονται προς τον πυρήνα τόσο ισχυρά όσο τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου οξυγόνου προς τον αντίσroιxo πυρή
να. Για το λόγο αυτό, ο δεσμός υδρογόνου-θείου είναι πολύ λι
φέρουν κατά μια μεθυλομάδα.
γότερο πολικός από τον δεσμό υδρογόνου-οξυγόνου. Εξαιτίας της μειωμένης πολικότητας, το άτομο του θείου ενός μορίου
Aπdvmon 2-17
H2S δεν έλκεται ισχυρά προς τα άτομα υδρογόνου ενός γειτονι κού μορίου H2S, οπότε δεν σχηματίΖΟνται δεσμοί υδρογόνου.
Α. (α) 400 (= 202), (β) 8000 (= 20\ (γ) 160,000 (= 204). Β. Μια πρωτείνη μοριακού βάρους
πό Aπdvmon
2-15
διαφορεηκοί τρόποι για να παρασKευασrεί μια τέτοια πρω
Οι αντιδράσεις αποδίδονται διαγραμμαηκά σrην Εικόνα όπου
4800 αποτελείται περίπου α 40 αμινοξέα. Επομένως, υπάρχουν 1.1 χ 1052 (= 2040)
f'.2-15,
R1 και R2 είναι πλευρικές αλυσίδες αμινοξέων.
Aπdvmon 2-16 Α. Λάθος. Οι ιδιότητες μιας πρωτεΤνης εξαρτώνται τόσο από τα αμινοξέα που περιέχει όσο και από τη σειρά με την οποία αυ
τεΤνη. Κάθε ξεxωρισrό πρωτεϊνικό μόριο ΖυγίΖει 8 χ 10-21 g (= 4800/6 χ 1023). Συνεπώς, ένα μείγμα που θα περιείχε έ να μόριο από κάθε πιθανή αί\ί\ηλουΧία θα Ζύγιζε 9 χ 1031 g (= 8 χ 10-2Ι g χ 1.1 χ 1052), δηλαδή θα ήταν 15,000 φορές βαρύτερο από το βάρος του πλανήτη που Ζυγίζει 6 χ 1024 kg. Μάί\ί\ον θα xρειαzόσασrαν ένα μεγάλο δοχείο.
τά συνδέονται μεταξύ τους. Η ποικιλότητα των πρωτεϊνών ο
Γ. Δεδομένου όη οι περισσότερες κυπαρικές πρωτεΤνες είναι α
φείλεται σroν σχεδόν απεριόρισro αριθμό των τρόπων με
κόμα μεγαλύτερες από την πρωτείνη του παραδείγματός μας,
τους οποίους μπορεί να συνδυασroύν σε μια γραμμική ακο
είναι σαφές όη τα Ζωντανά κύπαρα χρησιμοποιούν ένα μι
λουθία
20 διαφορεηκά
αμινοξέα.
κροσκοπικό κλάσμα του συνόλου των δυνατών αί\ί\ηλου
Β. Λάθος. Τα λιπίδια συναρμολογούνται σε διπλoσrιβάδες με
χιών.
μη ομοιοπολικές δυνάμεις. Επομένως, μια μεμβράνη δεν εί Απάντηση
ναι ένα μακρομόριο.
2-18
Επειδή όλα τα Ζωντανά κύπαρα αποτελούνται από χημικές ενώ σεις και επειδή όλες οι χημικές αντιδράσεις (είτε πραγματοποι ούνται σε Ζωντανά κύπαρα είτε σro δOKιμασrΙKό σωλήνα) υπα
R1
R2
Ι H2 N-C-COOH
Ι
+ H2N-C-COOH
~ Η,Ο JΙ,o ~
ΥΔΡΟΛΥΣΗ Ι 1 ΣΥΜΠΥΚΝΩΣΗ
κούν σroυς ίδιους κανόνες, η κατανόηση των βασικών χημικών αρχών έχει OυσιασrΙKή σημασία για την κατανόηση της βιολο
γίας. Στα επόμενα κεφάλαια θ' αναφέξουμε συχνά σrις συγκε
κριμένες αρΧές, σrις οποίες βασίΖΟνται όλες οι περίπλοκες διερ
γασίες και αντιδράσεις που πραγματοποιούνται σrα κύπαρα.
Aπ6vmon
2-19
Α. Οι δεσμοί υδρογόνου προϋποθέτουν αλ/ηλεπιδράσεις ειδι R1
Ο
R2
Ι 11 Ι H2 N-C-C-N-C-COOH Ι Ι Ι Η
Εικόνα Α2·15
Η
Η
κών ομάδων: η μια ομάδα πάντα είναι ένα άτομο υδρογό νου που συνδέεται μ' έναν πολικό δεσμό μ' ένα άτομο οξυ γόνου ή αΖώτου, ενώ η άλ/η συνήθως είναι ένα άτομο αΖώ του ή οξυγόνου. Οι δυνάμεις
van der Waals
είναι ασθενέ
σrερες και αναπτύσσονται ανάμεσα σε δύο οποιασδήποτε ά-
Απαντήσεις
927
1Ομα βρεθούν αρκετά κοντά. Τόσο οι δεσμοί υδρογόνου ό
,
σο και οι δυνάμεις
~ ]υδΡόψοβο
van der Waals είναι
αλληλεπιδράσεις μι
κρού βεληνεκούς που ενεργοποιούνται μόνο όταν δύο μό
]uδρόψιλο
ρια βρίσκονται ήδη κοντά 10 ένα στο άλ/ο. Επομένως, και τα
ΑΕΡΑΣ
δύο αυτά είδη δεσμών μπορεί να θεωρηθούν ως ένα μέσο για τον λεπτό συντονισμό μιας αλληλεπίδρασης,δηλαδή συμβάλ/ουνστην κατάλ/ηλητοποθέτηση δύο μορίων (το έ να σε σχέση με το άλ/ο) που έχουν ήδη βρεθεί κοντά-κοντά με διάχυση.
Β. Δυνάμεις van
der Waals
θα σχηματίΖονταν και στα τρία πα
ραδείγματα, ενώ δεσμοί υδρογόνου μόνο στο (γ). Απάντηση
2-20
Ανάμεσα στις υπομονάδες των μακρομορίων, Π.Χ. στις πλευρι κές αλυσίδες των αμινοξέων μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας, σχηματίΖΟνται μη ομοιοπολικές αλ/ηλεπιδράσεις που κάνουν
την πολυπεπτιδική αλυσίδα να προσλάβει μοναδικό σΧήμα. Στις αλ/ηλεπιδράσεις αυτές περιλαμβάνονται δεσμοί υδρογόνου,
ιοντικές αλ/niΊεπιδράσεις, αλ/ηλεπιδράσεις
van der Waals
και
υδρόφοβες αλ/ηλεπιδράσεις. Επειδή οι συγκεκριμένες αλ/η
Εικόνα Α2-21
λεπιδράσεις είναι ασθενείς, διασπώνται σχετικά εύκολα. Συνε πώς, τα περισσότερα μακρομόρια μπορεί να αποπτυχωθούν με θέρμανση, που αυξάνει τις θερμικές κινήσεις.
μία σχηματισμού δεσμών υδρογόνου κάνει τις υδρογοναν θρακικές αλυσίδες υδρόφοβες.
Απάντηση
2-21
Τα αμφιπολικά μόρια έχουν ένα υδρόφιλο και ένα υδρόφοβο άκρο. Τα υδρόφιλα άκρα τους μπορεί να σχηματίσουν δεσμούς υδρογόνου με το νερό, ενώ τα υδρόφοβα άκρα απωθούνται α
Na
Θ. Λάθος. Τα
Na +CΙ-,
και CΙ σχηματίΖουν έναν ιοντικό δεσμό,
εδώ όμως έχει σχεδιαστεί ένας ομοιοπολικός δε
σμός.
Ι. Λάθος. Το άτομο του οξυγόνου προσελκύει τα ηλεκτρόνια
πό το νερό επειδή διαταράσσουν τη δομή του. Συνεπώς, τα υ
περισσότερο απ' ότι 10 ά1Ομο 1Ου άνθρακα. Επομένως, η πο
δροφόρα άκρα των αμφιπολικών μορίων τείνουν να εκτίθενται
λικότητα των δύο δεσμών θα έπρεπε ν' αναστραφεί.
στον αέρα στη διάφαση αέρα-νερού ή να συσσωματώνονται
Κ. Πρόκειται για τη σωστή δομή της γλυκόΖης.
(βλ. Εικόνα Α2-21).
Λ. Σχεδόν σωστό. Είναι πιο σωστό να δείξουμε ότι μόνο ένα υ
Απάντηση
2-22
δρογόνο Χάνεται από την ομάδα -ΝΗ2 και ότι η ομάδα -ΟΗ
Χάνεται από την ομάδα -COOH.
Α, Β. Τόσο ο (Α) όσο και ο (Β) είναι σωστοί χημικοί τύποι του α
μινοξέος φαινυλαλανίνη. Σ1Ον τύπο (Β), η φαινυλαλανίνη παρουσιάΖεται στην ιοντισμένη μορφή που βρίσκουμε σ' ένα
υδατικό διάλυμα, όπου η βασική αμινοομάδα είναι πρωτο
Κεφάλαιο
3
νιωμένη και η όξινη καρβοξυλομάδα είναι αποπρωτονιωμέ
Απ6ντηση3-1
νη.
Η εξίσωση αυτή αντιπροσωπεύει μια μεγάλη ομάδα διαφορετι
Γ. Λάθος. Από αυτή τη δομή ενός πεπτιδικού δεσμού λείπει ένα
άτομο υδρογόνου που κανονικά συνδέεται με το άΖωτο. Δ. Λάθος. Αυτός ο χημικός τύπος μιας βάσης αδενίνης περι λαμβάνει έναν επιπλέον διπλό δεσμό, δημιουργώντας έτσι έ
κών αντιδράσεων που καταλύονται από πολ/ά διαφορετικά έν Ζυμα. Επειδή τα σάκχαρα είναι πιο περίπλοκα μόρια από 10 CO2 και 10 Η 2 Ο, η αντίδραση αυτή δημιουργείμια πιο οργανωμένη
κατάσταση στο εσωτερικό 1Ου κυπάρου. Όπως υπαγορεύει ο
να πεντασθενές άτομο άνθρακα και ένα τετρασθενές άτομο
δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής,σε πολ/ά βήματα κατά
αΖώτου.
μήκος της οδού των αντιδράσεωνπου συνοψίζονταισε αυτή την
Ε. Λάθος. Σε αυτόν τον τύπο ενός τριφωσφορικού νουκλεοτιδί
εξίσωση παράγεται θερμότητα.
ου θα έπρεπε να υπάρχουν δύο επιπλέον ά1Ομα οξυγόνου, 10 καθένα ανάμεσα σε δύο ά1Ομα φωσφόρου.
Ζ. Πρόκειταιγια 1Ον σωστό τύπο της αιθανόλης.
Απ6ντηση3-2 Η οξείδωση ορίΖεται ως αφαίρεση ηλεκτρονίων. Επομένως, η
Η. Λάθος. Το νερό δεν σχηματίζει δεσμούς υδρογόνουμε ά1Ο
(Α) είναι οξείδωση, ενώ η (Β) αναγωγή. Το κόκκινο ά1Ομο άν
μα υδρογόνου συνδεδεμέναμε ά1Ομα άνθρακα. Η αδυνα-
θρακα στην αντίδραση (Γ) σε μεγάλο βαθμό παραμένει αμετά-
928
Απαντήσεις
βλητο. Αντίθετα, το γειτονικό μαύρο άτομο του άνθρακα Χάνει
X~Y
ένα άτομο υδρογόνου (δηλαδή ένα ηλεκτρόνιο και ένα πρωτό νιο) και άρα οξειδώνεται. Το κόκκινο άτομο του άνθρακα σrnν αντίδραση (Δ) οξειδώνεται επειδή Χάνει ένα άτομο υδρογόνου, ενώ το άτομο του άνθρακα στην αντίδραση (Ε) ανάγεται επειδή προσλαμβάνει ένα άτομο υδρογόνου.
+χ
ΔG Ο
Aπ6vmσn3-3
Χ
Α. Οι δύο καταστάσεις του κέρματος, Κ και Γ, έχουν την ίδια πι
_
L
αναποδογύρισμα της Κ σε Γ, ή το αντίστροφο. Συνεπώς, για
= Ο.
1
γ Ζ
ναμη, δηλαδή μια δlOφορά ενέργειας, που θα ευνοούσε το
τη συγκεκριμένη αντίδραση η ΔG
v
ΔG Ο
θανότητα. Επομένως, δεν υπάρχει κάποlO προωθηηκή δύ
Ο
_
Ωστόσο, μια αντί
Ζ
δραση θα συμβεί αν μέσα στο κουτί ο αριθμός των κερμάτων με την «κορώνα» (Κ) προς τα πάνω διαφέρει από τον αριθμό των κερμάτων με τα «γράμματα» (Γ) προς τα πάνω. Στην πε
ρίπτωση αuτή, η δlOφορά της συγκέντρωσης ανάμεσα στα Κ και Γ δημιουργεί μlO προωθηηκή δύναμη, μlO ΔG
#
Ο, για
την αντίδραση, έως ότου επιτευΧθεί ισορροπία, οπότε Κ = Γ. Β. Ο βαθμός rnς ανατάραξης αντιστOlχεί στη θερμόrnτα που πα ράγεται από τη «θερμική» κίνηση των κερμάτων. Η ενέργεlO ενεργοποίησης της αντίδρασης είναι η ενέργεια που πρέπει
να δαπανηθεί έτσι ώστε ν' αναποδογυρίσει το κέρμα. Το «έν Ζυμο» θα μπορούσε να επιταΧύνει το αναποδογύρισμα ελατ
ΔG Ο
ρούσε να είναι ένας μαγνήτης μετέωρος πάνω από το κουτί
ηου θα βοηθούσε στην ανόρθωση των κερμάτων. Το «ένΖυ
Χ_ Ζ
_!_-
τώνoντας την αναγκαία ενέργεια. Γιο παράδειγμα, θα μπο
Ζ
Εικόνα Α3-4
μο» δεν θα επηρέαΖε το σημείο της ισορροπίας (ίσος αριθμός Κ και Γ) αλ/ά θα εΠl1άχυνε την επέλευση της ισορροπίας, ε
πειδή παρουσία του ενΖύμου περισσότερα κέρματα θ' ανα
τωθεί το ενεργειακό φράγμα ενεργοποίησης, περισσότερα μό
ποδογύΡιζαν προς τη μια ή την άλ/η πλευρά.
ρια θα έχουν επαρκή ενέργεια για να αντιδράσουν. Η πεΡΙΟΧή κάτω από την καμπύλη από το σημείο Α έως την άπειρη ενέρ
Aπ6vmσn3-4
γεlO ή από το σημείο Β έως την άπειρη ενέργεια υποδηλώνει Ο
Βλ. Εικόνα Α3-4. Προσέξτε όη η ΔG χ ~ Υ είναι θεηκή, ενώ τόσο
τον συνολικό αριθμό των μορίων που θ' αντιδράσουνμε ή χω
η ΔGΟΥ~Ζ όσο και η ΔGΟΥ~Ζ είναι αρνηηκές. Το διάγραμμα δεί
ρίς το ένΖυμο, αντιστοίχως. Παρόλο που δεν έχει σχεδlOστείστη
χνει επίσης όη ΔG\~Ζ = ΔGΟΧ~Υ
+ ΔGΟΥ~Ζ' Από τα δεδομέ
σωστή κλίμακα, ο λόγος της επιφάνειας αυτών των δύο περlO
να που δίνονται στην Εικόνα
δεν γνωρίΖουμε, κατά περί
Χών πρέπει να είναι 107.
3-13
σταση, πόσο υψηλή είναι η ενέργεlO ενεργοποίησης. Επομέ
νως, ορίΖεται αυθαίρετα και αποδίδεται με την έντονη γραμμή. Η ενέργεlO ενεργοποίησης κάθε αντίδρασης θα μπορούσε να ελαπωθεί από ένα ένζυμο το οποίο θα κατέλυε την αντίδραση, επιταΧύνοντάς την (στικτές γραμμές).
,§ Aπ6vmσn3-5
Q.
Η ταΧύτητα της αντίδρασης θα μπορούσε να περιορίζεται:
(J'
(1)
α
πό τη συγκέντρωση του υποστρώματος, δηλαδή το πόσο συχνά
ένα μόριο
(2)
CO 2 συγκρούεται με το
μόρια που διαθέτουν
~
ενεργό κέντρο του ενΖύμου,
(3)
Ι
Q. σ
ενέργεια ανά μόριο
Β
• ι-Α
μόρια που διαθέτουν αρκετή ενέργεια για να προχωρήσουν σε μια μη καταλυόμενη αντίδραση
από το πόσο
γρήγορα μπορεί το ένΖυμο ν' απελευθερώσει τα προϊόντα της α ντίδρασης ώστε να είναι ελεύθερο να προσδέσει το επόμενο υ πόστρωμα. Το διάγραμμα της Εικόνας Α3-5 δείχνει όη αν ελατ-
καταλυόμενη αντίδραση
::1. 'Β
από το πόσες από αυτές ης συγκρούσεις είναι αρκετά ισχυ
ρές έτσι ώστε να προωθήσουν την αντίδραση,
αρκετή ενέργεια για να προχωρήσουν σε μια
'ο
Εικόνα Α3-5
Απαντήσεις
929
Απάvmσn3-6
κλάσμα των συγκεντρώσεων αυτής της εξίσωσης είναι μικρότε
Όλες οι ανIlδράσεις είναι ανIlσφεπτές. Εφόσον η ένωση ΑΒ
ρο από
μπορεί να διασπαστεί σε Α και Β πρέπει επίσης να είναι δυνατή
είναι μια σταθερά για την αντίδραση που δεν ποικίλει ανάλογα
1 και ο λογάριθμός του είναι αρνηIlκός αριθμός.
Η ΔGΟ
και η ένωση των Α και Β για τον σχημαIlσμό ΑΒ. Το ποια αντί
με ιις συνθήκες της αντίδρασης. Αντίθετα, η ΔG εξαρτάται από
δραση θα επικρατήσει εξαρτάται από τη σταθερά ισορροπίας και
ιις συγκεντρώσεις των ΑΤΡ,
από τη συγκέντρωση των Α, Β και ΑΒ (όπως εξηγείται στην Εικό
ρουν ελαφρά από κύπαρο σε κύπαρο.
ADP και
Ρ, που μπορεί να διαφέ
να 3-20). Προφανώς, όταν απομονώθηκε το ένΖυμο η ενεργότη τά του ανιχνεύθηκε παρέχοντας τα Α και Β σε σχεIlκά μεγάλες
Απάvmσn3-9
ποσότητες και μετρώντας την ποσότητα του παραγόμενου ΑΒ.
Οι αντιδράσεις Β, Γ, Δ και Ε πρέπει να συΖευχθούν με άλλες, ε
Ωστόσο, μπορούμε να υποθέσουμε όIl στο κύπαρο υπάρχει με
νεργειακά ευνοϊκές αντιδράσεις. Σε κάθε περίπτωση, σχηματί
γάλη συγκέντρωση του ΑΒ, οπότε, υπό κανονικές συνθήκες, το
ΖΟνται δομές υψηλότερης τάξης οι οποίες είναι πιο περίπλοκες
+
και έχουν δεσμούς υψηλότερης ενέργειας από ιις πρώτες ύλες.
Β. (Αυτή η ερώτηση βασίζεται σ' ένα πραγμαIlκό παράδειγμα στο
Αντίθετα, η αντίδραση Α είναι μια καταβολική αντίδραση που ο
οποίο ένα ένΖυμο απομονώθηκε και ονομάστηκε σύμφωνα με
δηγεί σε ενώσεις χαμηλότερης ενεργειακής κατάστασης και
την αντίδραση προς μια κατεύθυνση, ενώ αργότερα βρέθηκε όIl
συμβαίνει αυθόρμητα.
ένζυμο στην πραγμαIlκότητα καταλύει την αντίδραση ΑΒ ~ Α
στα Ζωντανά κύπαρα καταλύει την αντίστροφη αντίδραση).
Απάvmσn3-10 Απάvmσn3-7
Α. Σχεδόν σωστό, αλ/ά υπό αυστηρή θεώρηση λάθος. Επειδή
Α. Οι βράΧοι της Εικόνας 3-31Β παρέχουν την ενέργεια για την
τα ένΖυμα αυξάνουν την ταΧύτητα αλ/ά δεν αλ/άΖουν το ση
ανύψωση του κουβά. Το ΑΤΡ προωθεί την αντίδραση και ε
μείο ισορροπίας μιας αντίδρασης, η αντίδραση αυτή πάντοτε
πομένως αντιστοιχεί στους βράχους. Οι θρυμμαIlσμένοι βρά
θα συμβαίνει έστω και αν απουσιάζει το ένΖυμο, αν και με ε
χοι στο έδαφος αντιστοιχούν στα
και (Ρ), δηλαδή στα
λάχιστη ταΧύτητα. Επιπλέον, διάφορες ανταγωνιστικές αντι
προϊόντα που προκύπτουν όταν το ΑΤΡ απελευθερώσει την ε
δράσεις μπορεί να καταναλώνουν πιο γρήγορα το υπόστρω
νέργειά του και ολοκληρώσει το έργο του. Στην αντίδραση, η
μα και έτσι να παρακωλύουν ακόμα περισσότερο την επιθυ
υδρόλυση του ΑΤΡ είναι συΖευγμένη με τη μετατροπή του Χ
μητή αντίδραση. Επομένως, από πρακτική άποψη, χωρίς έν
σε Υ. Επομένως, το Χ είναι η πρώτη ύλη (υπόστρωμα), που α
Ζυμο μερικές αντιδράσεις μπορεί να μην προχωρούν σχεδόν
ADP
ντιστοιχεί στον κουβά στο έδαφος, η οποία μετατρέπεται στο Υ (προϊόν), που αντιστοιχεί στον κουβά στο υψηλότερο σημείο.
Β. (α) Ο βράχος που προσκρούει στο έδαφος αντιστοιχεί στη μάταια υδρόλυση του ΑΤΡ. Αν δεν υπήρχε ένα ένζυμο το ο ποίο θα χρησιμοποιούσε την ενέργεια της υδρόλυσης του
καθόλου. Β. Λάθος. Τα ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας μεταφέρονται ευ κολότερα, δηλαδή είναι προσδεδεμένα πιο χαλαρά στο μό
ριο-δότη. Αυτό δεν σημαίνει όIl μετακινούνται και ταχύτερα. Γ. Σωστό. Η υδρόλυση ενός μορίου ΑΤΡ σε ΑΜΡ παράγει επί
ΑΤΡ για να προωθήσει μια κατά τα άλ/α μη ευνοϊκή αντίδρα
σης ένα μόριο πυροφωσφορικού (ΡΡί), το οποίο με τη σειρά
ση, η ενέργεια που αποθηκεύεται στον φωσφοανυδΡΙIlκό
του υδρολύεται σε δύο μόρια φωσφορικού. Αυτή η δεύτερη
δεσμό θα χανόταν υπό μορφή θερμότητας. (β) Η ενέργεια
αντίδραση απελευθερώνει σχεδόν την ίδια ποσότητα ενέρ
που αποθηκεύεται στο Υ θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί
γειας με την αρχική υδρόλυση του ΑΤΡ και έτσι περίπου δι
για να προωθήσει μια άλ/η αντίδραση. Αν το Υ αντιπροσώ πευε την ενεργοποιημένη μορφή ενός μορίου, Π.Χ. ενός αμι
νοξέος Χ, τότε θα μπορούσε να συμμετάσχει σε μια αντίδρα ση συμπύκνωσης για να σχηματίσει έναν πεΠIlδlκό δεσμό κατά την πρωτεϊνοσύνθεση.
πλασιάΖει την απόδοση σε ενέργεια. Δ. Σωστό. Η οξείδωση είναι η αφαίρεση ηλεκτρονίων, που ε
λαπώνει τη διάμετρο του ατόμου του άνθρακα. Ε. Σωστό. Το ΑΤΡ, για παράδειγμα, μπορεί να προσφέρει είτε ενέργεια είτε μια φωσφορική ομάδα. Ζ. Λάθος. Τα Ζωντανά κύπαρα έχουν επιλέξει ένα συγκεκριμέ
Απάvmσn3-8
νο είδος χημείας στο οποίο οι περισσότερες οξειδώσεις απε
Η ελεύθερη ενέργεια ΔG που προέρχεται από την υδρόλυση του
λευθερώνουν ενέργεια. Ωστόσο, υπό διαφορεIlκές συνθή
ΑΤΡ εξαρτάται τόσο από τη ΔGΟ όσο και από ιις συγκεντρώσεις
κες, όπως σε μια ατμόσφαιρα που θα περιείχε υδρογόνο, οι
του υποστρώματος και των προϊόντων. Στην περίmωση αυτή:
αναγωγές θ' απελευθέρωναν ενέργεια. Η. Λάθος. Όλα τα κύπαρα, ανάμεσά τους και τα κύπαρα τόσο
ΔG
[ADP]x[P]
των ψυχρόαιμων όσο και των θερμόαιμων Ζώων, ακιινοβο
[ΑΤΡ]
λούν συγκρίσιμες ποσότητες θερμότητας Χάρη στις μεταβο
= -12 kcal/mole = -7,3 kcal/mole + 0,616 Ιη - - - -
λικές αντιδράσεις τους. Στην περίπτωση των βακτηριακών
Η ΔG είναι μικρότερη από τη ΔGΟ επειδή στα κύπαρα η συγκέ
κυπάρων, αυτό γίνεται προφανές από τη θέρμανση της κο
millimoles) ενώ η 10 μΜ). Επομένως, το
Θ. Λάθος. Η σταθερά ισορροπίας της αντίδρασης Χ ~ Υ πα-
ντρωση του ΑΤΡ είναι υψηλή (της τάξης των
συγκέντρωση του
930
ADP χαμηλή
Απαντήσεις
(περίπου
πριάς.
ραμένει αμετάβλητη. Αν το Υ απομακρυνθεί από μια δεύτερη
αντίδραση, τότε περισσότερο Χ θα μετατραπεί σε Υ έτσι ώστε ο λόγος Χ προς Υ να παραμείνει σταθερός.
οξείδωση της γλυκόΖης σε
CO 2 και Η2 ο.
Β. Η συνολική απόδοση της παραγωγής του ΑΤΡ είναι περίπου
53% και
ορίΖεται ως ο λόγος του αριθμού των μορίων ΑΤΡ
που παράγονται στην πραγματικότητα
Aπ6vmσn 3-11 Η διαφορά ελεύθερης ενέργειας (ΔGΟ) ανάμεσα στα Β και Α που οφείλεται στους τρεις δεσμούς υδρογόνου είναι
kcal/mole.
(= 30) προς τον αριθ
μό των μορίων ΑΤΡ που θα μπορούσε να παραΧθούν αν όλη
-3
(Σημειώστε ότι η ελεύθερη ενέργεια του Β είναι χα
η ενέργεια ενός μορίου γλυκόΖης μπορούσε να συλ/εγεί ως
(= 57). 1 γραμμομορίου γλυκόΖης, 322 kcal (το 47% των διαθέσιμων 686 kcal σ' ένα γραμμομόριο
χημική ενέργεια στο ΑΤΡ
Γ. Κατά την οξείδωση
μηλότερη από εκείνη του Α, επειδή για να συμβεί η διάσπαση
υπόλοιπο
των δεσμών που θα μετατρέψει το Β στο Α απαιτείται κατανάλω
γλυκόΖης που δεν αποθηκεύονται ως χημική ενέργεια στο
ση ενέργειας. Επομένως, η τιμή της ΔGΟ για τη μετάβαση Α ~ Β
ΑΤΡ) απελευθερώνονται ως θερμότητα. Αυτή η ποσότητα ε
είναι αρνητική). Συνεπώς, η σταθερά ισορροπίας για την αντί
νέργειας θα αύξανε τη θερμοκρασία του σώματός σας κατά
δραση είναι περίπου
4.3"C (= 357 kcaV75 kg).
ισορροπίας τα μόρια
100 (Πίνακας 3-1), δηλαδή σε κατάσταση του Β θα είναι 100 φορές περισσότερα α
πό τα μόρια του Α. Αν υπήρχαν τρεις επιπλέον δεσμοί υδρογό
μοκρασίας κατά
νου η ΔGΟ θα αύξανε στα
να γραμμομόριο γλυκόΖης
-6 kcal/mole οπότε και η σταθερά ι σορροπίας θα αύξανε κατά 100 φορές και θα γινόταν 104. Έτσι,
σχετικά μικρές διαφορές ως προς την ενέργεια μπορεί να έχουν
μεγάλες επιπτώσεις στην ισορροπία.
Πρόκειται για μια σημαντική πο
σότητα θερμότητας, αν αναλογιστούμε ότι η άνοδος της θερ
4 ο C θα οδηγούσε σε υψηλό πυρετό και ότι έ (180 g) δεν είναι παρά δύο κού
πες Ζάχαρη.
Δ. Αν η απόδοση σε ενέργεια ήταν μόνο
20%, αντί για 53% ό 80% της διαθέσιμης
πως στο παραπάνω παράδειγμα, τότε το
ενέργειας θ' απελευθερωνόταν υπό μορφή θερμότητας και
Aπ6vmσn
θα έπρεπε να διαφύγει από το σώμα σας. Η παραγωγή θερ
3-12
Α. Η σταθερά ισορροπίας ορίζεται ως Κ = [ΑΒ]/([Α] χ [Β]). Οι
αγκύλες υποδηλώνουν τη συγκέντρωση. Συνεπώς, αν η συ
γκέντρωση καθενός από τα Α, Β, ΑΒ είναι 1 μΜ (10-6 Μ), τό τε η Κ θα ισούται με
106 Μ-Ι (= 10-6/10-6
χ
10-6).
Β. Παρομοίως, αν η συγκέντρωση καθενός από τα Α, Β και ΑΒ
είναι
1 μΜ (10-9 Μ), η Κ θα ισούται με 109 Μ-'.
Γ. Αυτό το παράδειγμα δείχνει ότι οι πρωτεΤνες που αλ/ηλεπι
δρούν και βρίσκονται στα κύπαρα σε χαμηλές συγκεντρώ
μότητας θα αύξανε κατά
1.5 φορές
και το σώμα σας σίγουρα
θα υπερθερμαινόταν.
Ε. Ο χημικός τύπος του ΑΤΡ είναι
Cl0H12013NsP3 και το μοριακό βάρος του ισούται με 503 g/mole. Συνεπώς, σε κατάσταση η ρεμίας, σε 24 ώρες το σώμα σας υδρολύει περίπου 80 γραμ μομόρια (= 40 kg/0.503 kg/mole) ΑΤΡ (αυτό αντιστοιχεί περί που σε απελευθέρωση 1000 kcal χημικής ενέργειας). Επειδή κάθε γραμμομόριο γλυκόΖης αποδίδει 30 γραμμομόρια ΑΤΡ,
σεις πρέπει να συνδέονται μεταξύ τους με υψηλή συγγένεια
αυτή η ποσότητα ενέργειας θα παραγόταν από την οξείδωση
προκειμένου σε κατάσταση ισορροπίας σημαντικό κλάσμα
480 g γλυκόΖης (= 180 g/mole χ 80 moles/30).
των μορίων να είναι συνδεδεμένα. Στη συγκεκριμένη περί πτωση, η ελάπωση της συγκέντρωσης κατά τρεις τάξεις μεγέ
Aπ6vmσn
θους (από τα μΜ στα ηΜ) προ()ποθέτει μια αντίστοιχη αλ/αγή
Ο επιστήμονας αυτός σίγουρα είναι απατεώνας. Τα
της σταθεράς ισορροπίας κατά τρεις τάξεις μεγέθους ώστε να
ΑΤΡ θ' αποθήκευαν
διατηρηθεί το πρωτεϊνικό σύμπλοκο ΑΒ ( ~
γειας, κάτι που σημαίνει ότι η απόδοση της παραγωγής του ΑΤΡ
ρης ενέργειας, Εικόνα
από τη γλυκόΖη θα ήταν το εξωφρενικό
3-20). Αυτό
-4.3 kcal ελεύθε αντιστοιχεί περίπου σε 4-
5 επιπρόσθετους δεσμούς υδρογόνου.
3-15 684 kcal (= 57
χ
12 kcal) 99.7%.
57 μόρια
χημικής ενέρ Με αυτή την α
πόδοση, σχεδόν καθόλου ενέργεια δεν θ' απελευθερωνόταν υ πό μορφή θερμότητας, ενώ η απελευθέρωση αυτή επιβάλλεται
Aπ6vmσn 3-13
από τους νόμους της θερμοδυναμικής.
Η διαπίστωση είναι σωστή. Το κριτήριο για το αν μια αντίδραση
θα πραγματοποιηθεί αυθόρμητα είναι η ΔG, και όχι η ΔGΟ, που
Aπ6vmσn
λαμβάνει υπόψη τις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων. Για παρά
Α. Στον Πίνακα
δειγμα, μια αντίδραση με αρνητική ΔGΟ δεν θα συνέβαινε αυ θόρμητα αν τα προϊόντα της ήταν ήδη σε περίσσεια, δηλαδή σε
μεγαλύτερη συγκέντρωση απ' ό,τι σε κατάσταση ισορροπίας. Α ντίθετα, μια αντίδραση με θετική ΔGΟ θα μπορούσε να εξελιΧθεί αυθόρμητα αν υπήρχε μια τεράστια περίσσεια υποστρώματος.
3-16 3-1
βλέπουμε ότι μια μεταβολή ελεύθερης ε
νέργειας της τάξης των
4.3 kcal/mole αντιστοιχεί σε μια στα θερά ισορροπίας 10-3, δηλαδή [Α*]/[Α] = 10-3. Επομένως, η συγκέντρωση του Α * είναι 1000 φορές μικρότερη από τη συ
γκέντρωση του Α. Β. Ο λόγος του Α προς το Α* θα παρέμενε αμετάβλητος. Η ε λάπωση της ενέργειας ενεργοποίησης θα επιτάχυνε την αντί
Aπ6vmσn
δραση, δηλαδή θα επέτρεπε να συμβαίνουν περισσότερες
3-14
Α. Η ενέργεια που διαθέτουν
57 μόρια
ΑΤΡ
(=686/12)
αντι
στοιχεί στην ενέργεια που απελευθερώνεται από την πλήρη
μετατροπές Α ~ Α * και Α * ~ Α στη μονάδα του χρόνου, αλ λά δεν θα επηρέαΖε το σημείο ισορροπίας.
Απαντήσεις
931
Aπόvmση 3-17
τερη αναλογία μορίων του υποστρώματος μπορεί να υπερβεί το
Α. Ο μεταλ/αγμένος οργανισμός θα ήταν μια μάλ/ον ασφαλής
«εμπόδιο» της ενέργειας ενεργοποίησης. Ωστόσο, πολ/ά υπο
-12 kcaVmole
στρώματα θα μπορούσαν ν' αντιδράσουν με πολ/ούς διαφορετι
ενέργειας. Αυτή η ποσότητα ενέργειας μετατοπίζει το σημείο
κούς τρόπους και η θερμότητα θα επαύξανε όλες τις σχετικές πι
ισορροπίας μιας αντίδρασης περίπου κατά
(στον
θανές οδούς. Αντίθετα, ένα ένΖυμο προσδίδει επιλεκτικότητα και
τροφή. Η υδρόλυση του ΑΤΡ παρέχει περίπου
108 φορές
σε μια
διευκολύνει μόνο μια συγκεκριμένη οδό, η οποία επιλέΧθηκε
σταθερά ισορροπίας 104. Επομένως -12 kcaVmole αντιστοι χούν περίπου σε 108. Σημειώστε ότι για τις συΖευγμένες αντι
κατά την εξέλιξη έτσι ώστε να είναι επωφελής για το κύπαρο. Ε
δράσεις οι ενέργειες των επιμέρους αντιδράσεων προστίθε
του ενΖύμου και η κοτόσουπα ασκεί την ευεργετική δράση της με
νται ενώ οι σταθερές ισορροπίας πολ/απλασιάΖΟνται). Συνε
άλ/ους μηχανισμούς, άΥνωστους μέχρι σήμερα.
Πίνακα
3-1
βλέπουμε ότι
-5.7 kcaVmole αντιστοιχούν
πομένως, η θερμότητα δεν μπορεί να υποκαταστήσει τη δράση
πώς, αν η ενέργεια της υδρόλυσης του ΑΤΡ δεν ήταν δυνατό να χρησιμοποιηθεί από το ένζυμο, η ποσότητα του παραγο
Aπdvmon 3-20
μένου δηλητηρίου θα ήταν κατά 108 φορές μικρότερη. Το
Α. Όταν
~, τότε το άθροισμα
[5] «
([5]
+ ~) θα προσεΥΥίΖει
την τιμή της ~. Επομένως, η εξίσωση απλουστεύεται ως ε
παράδειγμα αυτό δείχνει ότι η σύΖευξη μιας αντίδρασης με την υδρόλυση ενός ενεργοποιημένου μορίου-φορέα μπορεί
ξής: ταχύτητα = νmax~
να μετατοπίσει δραστικά το σημείο ισορροπίας.
γη με τη συγκέντρωση του υποστρώματος.
Β. Στην περίπτωση αυτή, ο μεταλ/αγμένος οργανισμός θα ήταν
Β. Όταν
[5], δηλαδή,
η ταχύτητα είναι ανάλο
[5] = ΚΜ , τότε το πηλίκο [5]/([5]
+~) θα ισούταιμε
%.
μια επικίνδυνη τροφή. Η ελάπωση της ταχύτητας της αντί
Επομένως, η ταχύτητα της αντίδρασης θα είναι ίση με το μισό
δρασης δεν θα επηρέαΖε το σημείο ισορροπίας της και αν η
της μέγιστης ταχύτητας.
αντίδραση αφηνόταν να εξελιχθεί επί αρκετά μεγάλο χρόνο,
Γ. Αν
[5] »
([5] + ~) θα προσεΥΥίΖει την [5]/([5] + ΚΜ )] = 1 και η αντίδραση
~, τότε το άθροισμα
ο μεταλ/αγμένος οργανισμός θα γέμΙΖε δηλητήριο. Η ισορ
τιμή του
ροπία της αντίδρασης ίσως να μην επιωγχανόταν ποτέ, επο
θα διεξάγεται με τη μέγιστη ταχύτητα νmax'
[5].
Επομένως,
μένως δεν θα ήταν σκόπιμο να ρισκάρει κανείς.
Aπdvmon 3-21
Aπdvmon
3-18
Η συγκέντρωση του υποστρώματος είναι
1 mM.
Η τιμή αυτή
Το ένΖυμο Α είναι επωφελές. Επιτρέπει την αλ/ηλομεταφοπή
προκύπτει από την εξίσωση, αλ/ά είναι απλούστερο να προσέ
δύο μορίων-φορέων ενέργειας, τα οποία στην φιφωσφορική
ξουμε ότι η επιθυμητή ταχύτητα
μορφή τους είναι και τα δύο απαραίτητα σε πολ/ές μεταβολικές
σή από τη μέγιστη ταχύτητα ν max' όπου η συγκέντρωση του υπο
αντιδράσεις. Όσο ΑΟΡ σχηματίζεται, μετατρέπεται γρήγορα σε
στρώματος τυπικά ισούται με ΚΜ . Οι δύο καμπύλες που καλείστε
ΑΤΡ και έτσι το κύπαρο διατηρεί έναν υψηλό λόγο
ATP-ADP.
(50 μΜ!sec)
είναι ακριβώς η μι
να σχεδιάσετε παρουσιάΖΟνται στην Εικόνα Α3-21. Η γραφική
Εξαιτίας του ενΖύμου Α, που ονομάΖεται φωσφοκινάση των νου
παράσταση της σχέσης Ι/ταχύτητα προς
κλεοτιδίων, ένα μέρος του ΑΤΡ χρησιμοποιείται για να διατηρεί
γραμμή, επειδή η αναδιάταξη της πρόωπης εξίσωσης δίνει την
εξίσου υψηλό και τον λόγο
εξίσωση που αναφέρεται στην Ερώτηση 3-23Β.
GTP-GDP.
1/[5]
είναι μια ευθεία
Το ένΖυμο Β θα ήταν πολύ καταστροφικό για το κύπαρο. Τα
κύπαρα χρησιμοποιούν το
NAD+ ως δέκτη ηλεκφονίων σε κα
Απάvmση
3-22 [5] είναι
πολύ μικρότερη από την ΚΜ , τότε το ενερ
ταβολικές αντιδράσεις. Για να μπορούν ν' αποδομούν τη γλυκό
Αν η τιμή της
Ζη και να παράγουν ΑΤΡ πρέπει να διατηρούν αυτή τη μορφή
γό κέντρο του ενΖύμου θα είναι κατεξοΧήν μη κατειλημμένο. Αν
του φορέα σε υψηλή συγκέντρωση. Αντίθετα, το ΝΑΟΡΗ χρησι
η
μοποιείται ως δότης ηλεκτρονίων σε βιοσυνθετικές αντιδράσεις
ριορίΖεται από τη συγκέντρωση του ενΖύμου (επειδή οι περισσό
και διατηρείται σε υψηλά επίπεδα στα κύπαρα ώστε να είναι δυ
τερες καλυτικές θέσεις θα είναι κατειλημμένες).
[5]
είναι πολύ μεγαλύτερη από την ~, τότε η ταχύτητα θα πε
νατή η σύνθεση των νουκλεοτιδίων, των λιπαρών οξέων και άλ
3-23
λων απαραίτητων μορίων. Επειδή το ένΖυμο Β θα εξαντλούσε τ'
Aπόvmση
αποθέματα του κυπάρου τόσο σε NAD+ όσο και σε NADPH, θα
Α, Β. Τα δεδομένα στα δύο ορθογώνια πλαίσια χρησιμοποιή
ελάπωνε την ταχύτητα τόσο των καταβολικών όσο και των βιο
θηκαν για να σχεδιαστεί η κόκκινη καμπύλη και η κόκκινη
συνθετικών αντιδράσεων.
γραμμή στην Εικόνα Α3-23. Από τα δεδομένα αυτά προκύ
Aπdvmon3-19
τι τα δεδομένα ερμηνεύονται πολύ ευκολότερα στη γραμμική
Επειδή τα ένΖυμα είναι καταλύτες, οι ενΖυμικές αντιδράσεις πρέ
καμπύλη, επειδή η καμπύλη στο (Α) προσεΥΥίΖει αλ/ά ποτέ
mει ότι η ~ είναι
πει να είναι θερμοδυναμικά εφικτές. Ένα ένΖυμο απλώς ελαπώ
1 μΜ και η ν max 2 μΜ!mίη. Παρατηρείστε ό
δεν φτάνει τη ν max'
νει το φράγμα της ενέργειας ενεργοποίησης το οποίο επιβραδύ
Γ. Είναι σημαντικό να τονιστεί ότι παράγεται μια πολύ μικρή ποσό
νει την ταχύτητα μιας αντίδρασης. Αντίθετα, η θερμότητα παρέχει
τητα προϊόντος, επειδή αλ/ιώς η ταχύτητα της αντίδρασης θα ε
στα υποστρώματα περισσότερη κινητική ενέργεια. Έτσι μεγαλύ-
λαπωνόταν καθώς θα εξαντλούνταν το υπόστρωμα και θα ΣUσ-
932
Απαντήσεις
0.07 r - - - - - - - - - - - - - - - - - - ,
100r-------------------,
~
0.05
.~
s<
J::::
0.03
0.01 Ο
10
5
Ο
υπόστρωμα
3
2
4
5
1 [8]
(mM)
Εικόνα Α3·21
σωρευόταν ΙΟ προϊόν. Συνεπώς, οι υπολογιζόμενες ταχύτητες
δέονται με δεσμούς υδρογόνου θα διαταρασσόταν, οπότε οι υ
θα προέκυmαν μικρότερες απ' ό,τι είναι στην πραγματικότητα.
δρόφοβες δυνάμεις θα ελαπώνοντανσημαντικά. Οι πρωτείνες
Δ. Αν αυξηθεί η ΚΜ , τότε θ' αυξηθεί και η συγκέντρωση του υπο
στρώματος που απαιτείται για να επιτευΧθεί μια ταΧύτητα ίση
αποδιατάσσονταιπαρουσία ουρίας λόγω των επιδράσεώντης σε αυτές τις δύο παραμέτρους.
με το μισό της νmax' Εφόσον για να επιτευΧθεί η ίδια ταΧύτητα απαιτείται περισσότερο υπόστρωμα, συνάγεται ότι η ενΖυμικά
Aη6vτnσn 4-2
καταλυόμενη αντίδραση έχει ανασταλεί από τη φωσφορυ
Υπάρχουν δύο α-έλικες και είναι και οι δύο δεξιόστροφες. Οι
λίωση. Οι αναμενόμενες γραφικές παραστάσεις για το φω
τρεις αλυσίδες που σχηματίζουν τη μεγαλύτερη περιοχή του β
σφορυλιωμένο ένΖυμο είναι η πράσινη καμπύλη και η πράσι
φύλ/ου (πράσινο) είναι αντιπαράλ/ηλες. Η πολυπεmιδική αλυ
νη γραμμή της Εικόνας Α3-23.
σίδα δεν έχει κόμπους, μάλ/ον επειδή ένας κόμπος θα δυσχέ ραινε το δίπλωμα της πρωτείνης στην τρισδιάστατη δομή της με τά την πρωτείνοσύνθεση.
Κεφάλοιο 4 Aη6vτnσn 4-1
Aπ6vτnσn
Η ουρία είναι ένα πολύ μικρό μόριο που λειτουργεί τόσο ως α
Η αλ/ηλουχία των αμινοξέων αποτελείται από μια εναλ/αγή μη
ποτελεσματικός δότης δεσμών υδρογόνου (μέσω των -ΝΗ 2 ο
πολικών και φορτισμένων ή πολικών αμινοξέων. Επομένως, η α
μάδων της) όσο και ως αποτελεσματικός δέκτης δεσμών υδρο
4-3
λυσίδα των αμινοξέων σ' ένα β-mυχωτό φύλ/ο θα ήταν πολική
-C=O ομάδας της). Χάρη στον χαρακτήρα
στη μια πλευρά της και υδρόφοβη στην άλ/η. Μια τέιοια αλυσίδα
της, μπορεί να παρεμβληθείανάμεσα στους δεσμούς υδρογό
μάλ/ον θα περιβαλ/όταν και από τις δύο πλευρές της από παρό
νου που σταθεροποιούντα μόρια των πρωτεϊνών και έτσι να α
μοιες αλυσίδες, οι οποίες από κοινού σχηματίζουν ένα β-mυχωτό
ποσταθεροποιήσειτη δομή τους. Επιπλέον, οι μη πολικές πλευ
φύλ/ο με μια υδρόφοβη και μια πολική πλευρά. Σε μια πρωτείνη,
ρικές αλυσίδες διατηρούνται μαΖί στο εσωτερικό των πτυχωμέ
ένα τέτοιο β-φύλ/ο (που αποκαλείται αμφιπολικό ή αμφιπαθές)
γόνου (μέσω της
νων πρωτεϊνών επειδή στην αντίθετη περίmωση (δηλαδή αν ε
θα τοποθετούνταν κατά τέτοιο τρόπο ώστε η υδρόφοβη πλευρά
κτίθεντο) θα διατάρασσαντη δομή του νερού. Σε υψηλές συ
να φέρεται προς το εσωτερικό της πρωτείνης και η πολική πλευρά
γκεντρώσειςουρίας, το πλέγμα των μορίων ιου νερού που συν-
να βρίσκεται στην επιφάνεια και να εκτίθεται στο νερό.
2r---------------,
Ο
5
10 υπόστρωμα
(mM)
0.08
12.50
0.12 0.54 1.23 1.82
8.30
0.56
1.3
2.72
0.37
1.5
4.94 10.00
0.20 0.10
1.7 1.8
1.85 0.81
0.15 0.21 0.70 1.1
6.7 4.8 1.4 0.91 0.77 0.67 0.59 0.56
Ο
4
8
12
[~] [~MJ
Εικόνα Α3-23
Απαντήσεις
933
Απάvmσn4-4
μπόριο στις κρέμες αΠΟτΡίχωσης. Επίσης, ήπιοι αναγωγικοί
Οι μεταλλάξεις που είναι επωφελείς για έναν οργανισμό επιλέ
παράγοντες χρησιμοποιούνται σε ουσίες που εφαρμόΖΟνται
γονται κατά την εξέλιξη επειδή προσδίδουν στον οργανισμό ένα
είτε για να ισιώσουν είτε για να κατσαρώσουν τα μαλλιά (βλ.
πλεονέκτημα αύξησης ή επιβίωσης. Παραδείγματα είναι η κα
Εικόνα Α4-5).
λύτερη χρήση μιας πηγής τροφής, η αυξημένη αντοχή σε περι
βαλλοντικά ερεθίσματα, όπως η θερμότητα ή η έκθεση σε υψη
Απάvmσn4-6
λή συγκέντρωση αλάτων, και η αυξημένη ικανότητα ανεύρεσης
Βλ. Εικόνα Μ-6.
ενός συντρόφου για φυλετική αναπαραγωγή. Αντίθετα, η συσ σώρευση άχρηστων πρωτεϊνών είναι καταστροφική για το κύτ
Απάvmσn4-7
ταρο. Οι άχρηστες μεταλλαγμένες πρωτεΤνες σπαταλούν τη με
Α. Η ανάδρομη αναστολή που ασκεί το Ζ στην αντίδραση Β ~ Γ
ταβολική ενέργεια που απαιτείται για την παρασκευή τους. Αν
θα αύξανε τη ροή διαμέσου της οδού Β ~ Χ ~ Υ ~ Ζ, επει
τέτοιες μεταλλαγμένες πρωτεΤνες παράγονταν σε περίσσεια, η
δή η μετατροπή του Β στο Γ θα είχε ανασταλεί. Επομένως, ό
σύνθεση των φυσιολογικών πρωτεϊνών θα υπολειπόταν, επειδή
σο περισσότερο Ζ υπάρχει, τόσο περισσότερο θα διεγειρόταν
οι δυνατότητες του κυπάρου είναι περιορισμένες. Σε πιο σοβα
και η παραγωγή του. Αυτό πιθανώς θα οδηγούσε σε μια ανε
ρές περιπτώσεις, οι μεταλλαγμένες πρωτεΤνες παρεμβαίνουν
ξέλεγκτη ενίσχυση της οδού.
στη φυσιολογική λειτουργία του κυπάρου. Για παράδειγμα, ένα
Β. Η ανάδρομη αναστολή από το Ζ στην αντίδραση Υ ~ Ζ ε
μεταλλαγμένο ένΖυμο που εξακολουθεί να προσδένει ένα ενερ
λέγχει την παραγωγή του Ζ. Ωστόσο, στην περίπτωση αυτή,
γοποιημένο μόριο-φορέα χωρίς όμως να καταλύει την αντίδρα
τα Χ και Υ εξακολουθούν να παράγονται με κανονική ταΧύ
σή του μπορεί να συναγωνίΖεται για μια περιορισμένη ποσότητα
τητα, έστω και αν κανένα από τα ενδιάμεσα αυτά δεν είναι
του φορέα και έτσι να αναστέλλει τις φυσιολογικές διεργασίες.
πλέον απαραίτητο στο συγκεκριμένο στάδιο. Επομένως, αυ
Επομένως, η φυσική επιλογή παρέχει μια ισχυρή προωθητική
τή η οδός είναι λιγότερο αποτελεσματική από την οδό που
δύναμη που οδηγεί στην απώλεια τόσο των άχρηστων όσο και των επιβλαβών πρωτεϊνών.
παρουσιάΖεται στην Εικόνα
4-37.
Γ. Αν το Ζ ήταν θετικός ρυθμιστής του βήματος Β ~ Χ, τότε όσο
περισσότερο Ζ υπήρχε, τόσο περισσότερο Β θα μετατρεπόταν
Απάvmσn4-5
σε Χ και επομένως θα εισερΧόταν στην οδό που παράγει πε
Οι ισχυροί αναγωγικοί παράγοντες που διασπούν όλους τους
ρισσότερο Ζ. Αυτό θα οδηγούσε σε μια ανεξέλεγκτη ενίσχυ
δεσμούς
S-S
θα προκαλούσαν τον διαχωρισμό όλων των νη
ση, ανάλογη εκείνης που περιγράφηκε στο (Α).
ματίωντης κερατίνης, οπότε οι τρίχες θ' αποδομούνταν. Πράγ
Δ. Αν το Ζ ήταν θετικός ρυθμιστής του βήματος Β ~ Γ, τότε η
ματι, ισχυροί αναγωγικοί παράγοντες χρησιμοποιούνται στο ε-
συσσώρευση του Ζ θα οδηγούσε σε αναδιαμόρφωση της ο
δού για την παραγωγή περισσότερου Γ. Πρόκειται για έναν δεύτερο τρόπο, εκτός από αυτόν που φαίνεται στην εικόνα, κατσαρά
με τον οποίο μπορεί να εξισορροπείται η κατανομή των ενώ σεων στους δύο κλάδους της οδού.
υπόστρωμα
!ήπια αναγωγή
κατοπτρικό είδωλο του υποστρώματος
-~--.. .,......-:eF!οξείδωση ίσια
Εικόνα Α4·5
934
Απαντήσεις
ενεργό κέντρο του ενζύμου
Εικόνα Μ·6
ενεργό κέντρο
του ενζύμου
με άλλες αλυσίδες. (Στις γνωοιές πρωτεΊνες, τα β-πτυχωτά
Aπdvmσn4-8 Τόσο η πρόσδεση ενός νουκλεοτιδίου όσο και η φωσφορυλίω
φύλ/α περιέχουν
2-16 αλυσίδες).
ση μπορεί να προκαλέσουν αλλοοιερικές αλλαγές σε πρω
Δ. Λάθος. Η εξειδίκευση ενός μορίου αντισώματος βρίσκεται
τεΊνες. Οι αλ/αγές αυτές μπορεί να έχουν πολ/ές επιπτώσεις, ό
μεν αποκλειοιικά οιους βρόχους της επιφάνειάς του, αλ/ά
πως Π.Χ. μεταβολή της ενεργότητας ενός ενΖύμου, δραοιικές
οιη δημιουργία αυτών των βρόχων συμβάλλουν περιοχές
μεταβολές σχήματος και μεταβολές οιη συγγένεια για άλλες
των πτυχωμένων βαριών και ελαφριών αλυσίδων (βλ Εικό
πρωτεΊνες ή μικρά μόρια. Και οι δύο μηχανισμοί είναι αρκετά
να
ευέλικωί. Ένα πλεονέκτημα της πρόσδεσης ενός νουκλεοτιδί ου είναι η μεγάλη ταΧύτητα με την οποία ένα μικρό νουκλεοτί
διο μπορεί να διαΧέεται προς την πρωτεΊνη. Για παράδειγμα, οι
4-32).
Ε. Λάθος. Τα ένΖυμα δεν μεταβάλλουν το σημείο ισορροπίας της αντίδρασης που καταλύουν.
2. Λάθος.
Οι πιθανές γραμμικές διατάξεις των αμινοξέων που
αλ/αγές του σχήματος που συνοδεύουν τη λειτουργία των κινη
οδηγούν οιη δημιουργία μιας οιαθερά πτυχωμένης πρωτεϊνι
τήριων πρωτεϊνών προϋποθέτουν ταχεία αναπλήρωση νουκλε
κής περιοχής είναι τόσο λίγες ώοιε οι περισσότερες νέες
οτιδίων. Αν οι διαφορές διαμόρφωσης μιας κινητήριας πρω
πρωτεΊ"νες εξελίσσονται με τροποποίηση άλ/ων παλαιότερων
τεΊνης ελέγχονταν με φωσφορυλίωση, τότε σε κάθε βήμα μια
πρωτεϊνών.
πρωτεϊνική κινάση θα έπρεπε να διαΧέεται προς την κατάλ/ηλη
Η. Σωοιό. Τα αλ/οοιερικά ένΖυμα γενικά προσδένουν ένα ή
θέση (μια πολύ βραδύτερη διεργασία) ή να συνδέεται μόνιμα με
περισσότερα μόρια που λειτουργούν ως ρυθμιοιές σε θέσεις
την κινητήρια πρωτεΊ"νη. Ένα πλεονέκτημα της φωσφορυλίω σης είναι ότι απαιτεί μόνο ένα αμινοξύ οιην επιφάνεια της πρω
διαφορετικές από το ενεργό κέντρο. Θ. Λάθος. Οι μη ομοιοπολικοί δεσμοί συμβάλ/ουν αποφασιοιι
τεΊνης αντί για μια ειδική θέση σύνδεσης. Επομένως, φωσφορι
κά οιη διαμόρφωση της Τρισδιάοιατης δομής των μακρομο
κές ομάδες μπορεί να προοιεθούν σε πολλές διαφορετικές
ρίων.
πλευρικές αλυσίδες της ίδιας πρωτεΊνης (όσο υπάρχουν πρωτε
Ι. Λάθος. Η χρωματογραφία χημικής συγγένειας διαχωρίζει ει
ϊνικές κινάσες με την κατάλ/ηλη ειδικότητα). Με τον τρόπο αυ
δικά μακρομόρια με βάση τις αλ/ηλεπιδράσεις τους με ειδι
τό, αυξάνεται εντυπωσιακά η πολυπλοκότητα της ρύθμισης που
κούς συνδέτες και όχι το φορτίο τους. Κ. Λάθος. Όσο μεγαλύτερο είναι ένα οργανίδιο, τόσο μεγαλύ
μπορεί να επιτευΧθεί για μια συγκεκριμένη πρωτεΊ"νη.
τερη θα είναι και η κεντρομόλος δύναμη οιην οποία εκτίθεται
Aπdvmσn4-9
και τόσο ωΧύτερα θα καθΙΖάνει, παρά την αυξημένη τριβή
Όταν λειτουργούν ως πρωτεϊνικό σύμπλοκο, και οι Τρεις πρω
που υφίοιαωι από το υγρό διαμέσου του οποίου μεωκινείται.
τεΊνες συμβάλλουν οιην εξειδίκευση (συνδέοντας άμεσα το κλειδί και το θησαυροφυλάκιο), βοηθούν οιη σωοιή τοποθέτη
Aπdvmσn
ση η μια της άλ/ης και εξασφαλίΖουν τη μηχανική οιήριξη που
Σε μια α-έλικα και οιις εσωτερικές αλυσίδες ενός β-πτυχωτού
τους επιτρέπει να εκτελούν ένα έργο που δεν θα μπορούσε να
φύλ/ου, όλοι οι πεΠTlδικοί δεσμοί συμμετέχουν σων σχημαTl
εκτελέσει η καθεμιά από μόνη της (για παράδειγμα, 10 κλειδίτο
σμό δεσμών υδρογόνου. Αυτό το χαρακτηριοιικό προδίδει α
χειρίζονται δύο υπομονάδες).Επιπλέον, οι λειτουργίεςτους γε
ξιοσημείωτη οιαθερότητα οια συγκεκριμένα δευτεροωγή δομι
νικά συντονίΖΟνταιοιο χρόνο (για παράδειγμα,η πρόσδεσητου
κά οιοιχεία και επίσης επιτρέπει να σχηματίΖΟνται από πολ/ές
ΑΤΡ σε μια υπομονάδα μπορεί να προϋποθέτειτην υδρόλυσή
διαφορετικές αλ/ηλουΧίες αμινοξέων.
4-11
του σε ΑDΡ από μια άλ/η υπομονάδα).
Aπdvmσn
Aπdvmσn4-10
4-12
ΌΧΙ. Δεν θα είχε την ίδια ή έοιω και παρόμοια δομή επειδή ο
Α. Σωοιό. Στη δημιουργίαωυ ενεργού κέντρου συμβάλ/ουνοι
πεΠTlδικός δεσμός έχει πολικότηω. ΕξετάΖοντας δύο διαδοχικά
πλευρικές αλυσίδες μόνο λίγων αμινοξέων. Το υπόλοιπο
αμινοξέα μιας πολυπεπτιδικής αί\υσίδας, διαπιοιώνουμε ότι 10
τμήμα της πρωτεΊνης διατηρεί την πολυπεπτιδική αλυσίδα
αμινοξύ που βρίσκεται πιο κοντά οιο αμινοτελικό άκρο συνει
οιη σωοιή θέση, παρέχει επιπρόσθετες θέσεις πρόσδεσης
σφέρει οιη δημιουργίατου πεΠTlδικού δεσμού που συνδέει ω
για ρυθμιοιικούς σκοπούς και συμβάλλει οιην τοποθέτηση
δύο αμινοξέατην καρβοξυλομάδα,ενώ το άλ/ο αμινοξύ συνει
της πρωτεΊ"νης οιην κατάλ/ηλη θέση μέσα οιο κύπαρο.
σφέρει την αμινοομάδα. Αν αλ/άξει η σειρά των δύο αμινοξέ
Β. Σωοιό. Μερικά ένΖυμα σχηματίΖουν ομοιοπολικά ενδιάμεσα με τα υποοιρώματά ωυς (βλ Εικόνα
13-5). Ωοιόσο,
σε όλες
τις περιπτώσεις, μετά την αντίδραση το ένΖυμο αποκαθίοιαται
ων, οι πλευρικές αλυσίδες τους θα τοποθετούντανσε διαφορε τική θέση σε σχέση με τον πεΠTlδικό σκελετό και επομένως θα βρίσκοντανσε διαφορετικόχημικό περιβάλ/ον.
οιην αρχική δομή του.
Γ. Λάθος. Θεωρητικά, δεν υπάρχει περιορισμός οιον αριθμό
Aπdvmσn 4-13
των αλυσίδων που μπορεί να περιέχει ένα β-πτυχωτό φύλ/ο,
Καθώς μια οιροφή της α-έλικας περιλαμβάνει
επειδή οι δύο αλυσίδες που βρίσκονται οιις παρυφές του
τή η αλ/ηλουΧία των
φύλ/ου είναι διαθέσιμες για σχηματισμό δεσμών υδρογόνου
που
4 πλήρεις
14 αμινοξέων
3.6 αμινοξέα,
αυ
θα πραγματοποιούσε περί
οιροφές. Είναι αξιοσημείωτο επειδή τα πολικά
Απαντήσεις
935
και τα υδρόφοβα αμινοξέα της είναι τοποθετημένα κατά τέτοιο
Απάντηση
4-16
φόπο ώσΤε όλα τα πολικά αμινοξέα να βρίσκονται σΤη μια πλευ
Πολλά δευτεροταγή δομικά στοιχεία δεν είναι αυτά καθαυτά
ρά της έλικας και όλα τα υδρόφοβα αμινοξέα στην άλ/η πλευ
σταθερά αλλά απαιτούν την παρουσία επιπρόσθετων τμημά
ρά. Επομένως, μια τέτοια αμφιπολική α-έλικα μπορεί να εκτίθε
των της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Οι υδρόφοβες περιοχές
ται σΤην επιφάνεια της πρωτεΤνης έτσι ώσΤε η υδρόφοβη πλευρά
που κανονικά θα κρύβονταν στο εσωτερικό μιας πτυχωμένης
της να φέρεται προς το εσωτερικό της πρωτεΤνης. Επιπλέον, δύο
πρωτεΤνης θα μπορούσαν να εκτεθούν σΤην εξωτερική επιφά
ανάλογες έλικες θα μπορούσαν να περιελιΧθούν η μια γύρω α
νειά της. Ωστόσο, επειδή η έκθεση των περιοχών αυτών δεν
πό την άλ/η όπως φαίνεται σΤην Εικόνα
ευνοείται ενεργειακά σε υδατικό διάλυμα, τα κλάσματα θα
4-16.
συσσωματώνονταν χωρίς εξειδίκευση. Επομένως, τα κλάσμα" Απάντηση
4-14
Α. Το σύμβολο
τα αυτού του είδους δεν θα είχαν καθορισμένη δομή και δεν
ES αντιπροσωπεύει
το σύμπλοκο ενΖύμου-υπο
θα μπορούσαν να προσδέσουν συνδέτες, έσΤω κΟ! αν περιεί χαν όλα τα αμινοξέα που κανονικά συνεισφέρουν στο σχημα
σΤρώματος.
Β. Το ένΖυμο και το υπόστρωμα βρίσκονται σε ισορροπία ανά
τισμό μιας θέσης πρόσδεσης. Αντίθετα, μια πρωτεϊνική περιο
μεσα σΤην ελεύθερη και τη δεσμευμένη κατάστασή τους. Μό
χή θεωρείται ως μονάδα πτύχωσης κο! τα κλάσματα της πολυ
λις προσδεθεί σΤΟ ένΖυμο, ένα μόριο υΠΟσΤρώματος μπορεί
πεπτιδικής αλυσίδας που αντιστοιχούν σε ακέραιες περιοχές
είτε να το εγκαταλείψει (εξ ου και τα αμφίδρομα βέλη) είτε να
συχνά μπορούν να πτυχωθούν σωστά. Συνεπώς, οι μεμονω
μετατραπεί σε προϊόν. Καθώς όμως το υπόστρωμα μετατρέ
μένες πρωτεϊνικές περιοχές συχνά διατηρούν τη δρασΤικότητά
πεται σε προϊόν (και συγχρόνως απελευθερώνεται ελεύθερη
τους (π.χ. πρόσδεση του συνδέτη), υπό την προϋπόθεση ότι η
ενέργεια), η αντίδραση συχνά προχωρεί με ορμή προς τα ε
θέση πρόσδεσης θα περιέχεται εξολοκλήρου στην περιοχή
μπρός, όπως υποδηλώνει το μονόδρομο βέλος.
αυτή. Επομένως, η καταλληλότερη θέση στην οποία θα μπο
Γ. Το ένΖυμο είναι ένας καταλύτης και επομένως απελευθερώ
ρούσε να κοπεί η πολυπεπτιδική αλυσίδα της πρωτεΤνης σΤην
νεται σε αμετάβλητη μορφή μόλις ολοκληρωθεί η αντίδραση.
Εικόνα
Επομένως, το "Ε» εμφανίΖεται και στα δύο άκρα της εξίσω
σΤΟ όριο ανάμεσα σΤις δύο περιοχές (δηλαδή σΤην αγκύλη α
σης.
νάμεσα σΤις δύο α-έλικες κάτω δεξιά).
4-19 για να
παραχθούν σΤαθερά κλάσματα βρίσκεται
Δ. Συχνά, τα προϊόντα μιας αντίδρασης μοιάΖουν αρκετά με τα
4-17
υποστρώματα και επίσης μπορεί να προσδένονται σΤΟ ένΖυ
Απάντηση
μο. Τα μόρια του ενΖύμου σΤα οποία έχει προσδεθεί προϊόν
Η αδρανοποίηση του ενΖύμου από τη θερμότητα υποδηλώνει ό
(δηλαδή, το σύμπλοκο «ΕΡ») δεν είναι διαθέσιμα για κατάλυ
τι η μετάλ/αξη προκαλεί αστάθεια στη δομή του ενΖύμου. Για
ση. Επομένως, η περίσσεια ιου προϊόντος Ρ ανασΤέλ/ει την
παράδειγμα, ένας δεσμός υδρογόνου που κανονικά σχηματίΖε
αντίδραση ελαττώνοντας τη συγκέντρωση του ελεύθερου Ε.
ται ανάμεσα σΤις πλευρικές αλυσίδες δύο αμινοξέων δεν θα
Ε. Η ένωση Χ είναι ανασΤολέας της αντίδρασης και δρα με πα
μπορούσε πλέον να σχημαΤΙσΤεί, επειδή η μετάλ/αξη οδηγεί σε
ρόμοιο φόπο, δηλαδή σχηματίΖει ένα σύμπλοκο ΕΧ. Ωστό
αντικατάσταση του ενός από αυτά τα αμινοξέα από ένα διαφο
σο, επειδή για να αναστείλει το Ρ την αντίδραση πρέπει προη
ρετικό αμινοξύ που δεν μπορεί να συμμετάσχει στον δεσμό.
γουμένως να παραχθεί, η δράση του εκδηλώνεται βραχύτε
Χωρίς έναν τέτοιο δεσμό, που κανονικά βοηθά σΤη σωσΤή πτύ
ρα από τη δράση της ένωσης Χ, που είναι παρούσα από την
χωση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας, η πρωτεΤνη ξεδιπλώνετΟ!
αρχή της αντίδρασης.
σε θερμοκρασίες σΤις οποίες κανονικά θα ήταν σΤαθερή. Οι πο
λυπεπτιδικές αλυσίδες που αποδιατάσσονται όταν αυξηθεί η Απάντηση
4-15
Τα πολικά αμινοξέα
θερμοκρασία συχνά συσσωματώνονται κο! σπάνια mυχώνοντΟ!
Ser, Ser-P, Lys, Gln, His και Glu είναι πιθα
ξανά σε λειτουργικές πρωτεΤνες όταν ελαττωθεί η θερμοκρασία.
νότερο να εκτίθενται σΤην εξωτερική επιφάνεια μιας πρωτεΤνης, ενώ τα υδρόφοβα αμινοξέα
Leu, Phe, Val, Ile
και
Met είναι
πι
Απάντηση
4-18
θανότερο να βρίσκονται στο εσωτερικό της. Η οξείδωση δύο
Η κινητήρια πρωτεΤνη της εικόνας μπορεί να μετακινείτΟ! εξί
καταλοίπων κυσΤεΤνης για τον σχηματισμό ενός δισουλφυδριλι
σου εύκολα προς τ' αριστερά ή τα δεξιά ΚΟ! έτσι δεν θα μετακι
κού δεσμού εξαλείφει τη δυνατότητά τους να σχηματίΖουν δε
νείται σΤαθερά προς τη μια κατεύθυνση. Ωστόσο, αν έσΤω και
σμούς υδρογόνου και επομένως τα κάνει ακόμα πιο υδρόφοβα.
ένα μόνο από τα βήματα συΖευχθεί με την υδρόλυση του ΑΤΡ
Δισουλφιδρυλικοί δεσμοί συνήθως υπάρχουν στο εσωτερικό
(για παράδειγμα, αν η απόσπαση ενός σκέλους που εξαρτάτΟ!
των πρωτεϊνών. Ανεξάρτητα από τη φύση των πλευρικών αλυσί
από την πρόσδεση του ΑΤΡ και η επανασύνδεσή του συΖευ
δων τους, τόσο το αμινοτελικό όσο και το καρβοξυτελικό αμινο
χθεί με την υδρόλυση του προσδεδεμένου ΑΤΡ), τότε η πρω
ξύ περιέχουν από μια φορτισμένη ομάδα, δηλαδή την αμινοο
τεΤνη θ' ακολουθεί συγκεκριμένη κατεύθυνση που προϋποθέ
μάδα και την καρβοξυλομάδα που οριοθετούν τα άκρα της πο
τει συνεχή κατανάλωση ΑΤΡ. Σημειώστε ότι, θεωρητικά, δεν
λυπεπτιδικής αλυσίδας, και για το λόγο αυτό συνήθως εκτίθε
έχει σημασία ποιο βήμα θα συΖευχθεί με την υδρόλυση του
ντΟ! σΤην επιφάνεια της πρωτεΤνης.
ΑΤΡ (Εικόνα Μ-18).
936
Απαντήσεις
Ωστόσο, κατά την ανάπτυξη των θηλυκών εμβρύων, η μεταγρα φή από το ένα χρωμόσωμα Χ σταματά επειδή αυτό συμπυκνώ νεται σε ετεροχρωματίνη (Εικόνα
5-28).
Η συμπύκνωση συμ
βαίνει τυχαία στο ένα από τα δύο χρωμοσώματα Χ. Επομένως, μερικά κύπαρα της γυναίκας θα εκφράΖουν το ελαπωματικό,
μεταλ/αγμένο αντίγραφο του γονιδίου ενώ άλλα κύπαρα θα εκ
Εικόνα Α4-18
φράΖουν το φυσιολογικό αντίγραφο. Αυτό οδηγεί στη δημιουρ γία ενός αμφιβληστροειδούς που θα περιέχει κατά μέσο όρο
μόνο
Aπ6vmon 4-19 Η βραδύτερη μετανάστευση των μικρών μορίων διαμέσου μιας στήλης διηθητικής πηκτής οφείλεται στο γεγονός ότι τα μικρά μόρια έχουν πρόσβαση σε πολύ περισσότερους χώρους μέσα στα πορώδη σφαιρίδια της στήλης απ' ό,τι τα μεγαλύτερα μόρια. Ωστόσο, έχει σημασία ν' αφήσουμε στα μικρά μόρια αρκετό χρόνο να εισρεύσουν στα σφαιρίδια. Σε πολύ μεγάλη ταΧύτητα
ροής όλα τα μόρια θα μετακινούνται γρήγορα γύρω από τα σφαιρίδια και, ανεξάρτητα από το μέγεθός τους, θα εξέρχονται από τη στήλη ταυτόχρονα.
Aπ6vmon
50% λειτουργικούς
φωτοϋποδοχείς για τα χρώματα. Έτσι,
οι γυναίκες που φέρουν το μεταλ/αγμένο γονίδιο πάνω στο ένα χρωμόσωμα Χ αντιλαμβάνονται τα χρώματα με μειωμένη ευκρί νεια.
Μια γυναίκα με αχρωματοψία πρέπει να έχει δύο ελαπωματι κά γονίδια του σχετικού γονιδίου, προερχόμενα από τον πατέ ρα και τη μητέρα της. Επομένως, ο πατέρας της πρέπει να φέρει
τη μετάλλαξη πάνω στο χρωμόσωμα Χ και επειδή αυτό είναι το μοναδικό αντίγραφο του γονιδίου θα είχε αχρωματοψία. Η μη τέρα της θα έφερε το ελαπωματικό γονίδιο είτε σε ένα είτε και στα δύο χρωμοσώματα Χ. Επομένως, είτε θα είχε αχρωματοψία είτε θ' αντιλαμβανόταν τα χρώματα με μειωμένη ευκρίνεια. Στον
4-20
Η α έλικα είναι δεξιόστροφη ενώ το σπειροειδές σπείραμα αριστε ρόστροφο. Η αναστροφή συμβαίνει εξαιτίας της βαθμιδωτής το
ποθέτησης των υδρόφοβων πί\ευρικών αί\υσίδων στην α-έί\1κα.
ανθρώπινο πληθυσμό, υπάρχουν αρκετά διαφορετικά είδη κλη ρονομικής αχρωματοψίας. Η συΖήτηση που προηγήθηκε αφο
ρά μόνο σ' ένα από αυτά τα είδη. Aπ6vmon5-4
Κεφάλαιο
Α. Ο συμπληρωματικός κλώνος έχει αλληλουΧία
5
TGTGGACAAAATCC-3'. Οι δύο Ζευγαρωμένοι
Aπ6vmon5-1
5'-TGAT-
κλώνοι ΟΝΑ
έχουν αντίθετη πολικότητα. Μια μονόκλωνη αλ/ηλουΧία
Α. Λάθος. Η πολικότητα ενός κλώνου ΟΝΑ συνήθως αναφέρε ται στον προσανατολισμό του σακχαροφωσφορικού σκελε
ΝΑ έχει αποφασιστεί να γράφεται με κατεύθυνση
Β. Σωστό. Τα Ζεύγη των βάσεων
G-C συγκρατούνται
από τρεις
δεσμούς υδρογόνου ενώ τα Ζεύγη Α-Τ από δύο.
-;>
3'.
Β. Το ΟΝΑ αποτελείται από τέσσερα νουκλεοτίδια (100%
=
+ Χ% Τ + Υ% G + Ζ% C). Επειδή τα νουκλεοτίδια
Α
13% Α
τού του.
5'
D-
Ζευγαρώνουν με τα νουκλεοτίδια Τ, οι δύο αυτές κατηγορίες
νουκλεοτιδίων αντιπροσωπεύονται σε ισομοριακές αναλο γίες στο ΟΝΑ. Επομένως, το συγκεκριμένο βακτηριακό ΟΝΑ
Aπ6vmon5-2
περιέχει
Το άνυσμα της κλίμακας στην Εικόνα
5-13 είναι της τάξης των ε
13% θυμιδίνη. Αυτό αφήνει ένα ποσοστό 74% [= 100% - (13% + 13%)] για τα νουκλεοτίδια G και C, τα οποία
κατομμυρίων Ζευγών νουκλεοτιδίων. Χρησιμοποιώντας αυτή
επίσης σχηματίζουν Ζεύγη βάσεων και συνεπώς είναι ισομο
την ταινία, προκύπτει ότι το ΟΝΑ που έχει συσκευαστεί στο χρω
ριακά. Επομένως, Υ
μόσωμα
1 περιλαμβάνει
περίπου
256 εκατομμύρια Ζεύγη νου κλεοτιδίων, οπότε σε πλήρη έκπτυξη θα είχε μήκος 8.7 cm (256 χ 106 χ 0.34 nm, 1 nm = 1/109 m). Έτσι το ΟΝΑ του χρωμο σώματος 1 έχει συμπηΧθεί κατά 8.7 cm/10 μm = 8700 φορές.
r. Ένα μονόκλωνο
= Ζ = 74/2 = 37.
μόριο ΟΝΑ μήκους Ν νουκλεοτιδίων μπο
ρεί να έχει οποιαδήποτε από τις 4Ν πιθανές αλ/ηλουΧίες, αλ λά ο αριθμός των πιθανών δίκλωνων μορίων ΟΝΑ είναι δυ
σκολότερο να υπολογιστεί. Πολ/ές από τις 4Ν μονόκλωνες αλ/ηλουΧίες
5'-AGTCC-3'
και
5' -GGACT-3'
σχηματίΖουν
Aπ6vmon5-3
το ίδιο δίκλωνο μόριο ΟΝΑ και επομένως μετρούν ως μια δί
Οι άνδρες έχουν μόνο ένα αντίγραφο του χρωμοσώματος Χ.
κλωνη δυνατότητα. Αν ο αριθμός Ν είναι περιπός, τότε κάθε
Έτσι, αν πάνω στο χρωμόσωμα Χ βρισκόταν ένα ελαπωματικό
μονόκλωνη αλ/ηλουΧία θα συμπληρώσει κάποια άλ/η αλ/η
γονίδιο, τότε για το γονίδιο αυτό δεν θα υπήρχε εφεδρικό. Αντί
λουΧία του καταί\όγου, οπότε ο αριθμός των δίκλωνων αλ/η
θετα, οι γυναίκες έχουν δύο αντίγραφα του χρωμοσώματος Χ,
λουχιών θα είναι 0.5 χ 4 . Αν ο Ν είναι άρτιος αριθμός, τότε
Ν
ένα από κάθε γονέα, οπότε ένα ελαπωματικό αντίγραφο ενός
οι συνολικές πιθανές αλ/ηλουΧίες θα είναι κάπως περισσότε
γονιδίου πάνω στο ένα χρωμόσωμα Χ μπορεί γενικά ν' αντιρ
ρες, επειδή μερικές αλ/ηλουΧίες θα είναι αυτοσυμπληρωμα
ροπείται από το φυσιολογικό αντίγραφο πάνω στο άλ/ο χρωμό
τικές (π.χ. n
σωμα. Αυτό ισχύει για το γονίδιο που προκαλεί αχρωματοψία.
0.5 χ 4Ν
5'-ACTAGT-3')
+ 0.5
και η πραγματική τιμή θα είναι
χ 4Ν/2.
Απαντήσεις
937
Δ. Για να εξειδικευτεί μια μοναδική αλ/ηλουΧία μήκους Ν νου Ν
λικας, μια πυριμιδίνη πρέπει πάντα να Ζευγαρώνει με μια
κλεοτιδίων, ο αριθμός 4 πρέπει να είναι μεγαλύτερος από 3 χ 106. Έτσι, αφού 4Ν >3 χ 106 --7 lη(3 χ 106 )/lη(4) = 10.7.
πουρίνη (βλ. Π.Χ. Ερώτηση
Συνεπώς, κατά μέσο όρο, μια αλληλουΧία μήκους
5-6). Συνεπώς, οι οκτώ πιθανοί συνδυασμοί είναι ν-Α, V-G, W-A, W-G, X-C, Χ-Τ, Y-C και Υ
νου
Τ. Ωστόσο, εξαιτίας της εντόπισης των ομάδων που δρουν ως
κλεοτιδίων θα είναι μοναδική στο γονιδίωμα. Αν ο ίδιος υπο
δότες και δέκτες δεσμών υδρογόνου, σε κανέναν από αυ
λογισμός εκτελεστεί και για το μέγεθος του γονιδιώματος ε
τούς τους συνδυασμούς δεν θα σχηματίΖονταν σταθερά Ζεύ
νός Ζωικού κυττάρου, τότε προκύπτει ότι το ελάχιστο μήκος
γη βάσεων, όπως φαίνεται για το Ζεύγος ν-Α στην Εικόνα
πρέπει να είναι
Α5-6, όπου θα μπορούσε να σχηματιστεί μόνο ένας δεσμός
16 νουκλεοτίδια.
11
Αυτό δείχνει ότι μια σχετικά
βραχεία αλ/ηλουΧία μπορεί να σημάνει μια μοναδική αλ/η
υδρογόνου.
λουΧία στο γονιδίωμα και να χρησιμοποιηθεί ως ταυτότητα Απάντηση
για ένα συγκεκριμένο γονίδιο.
5-7
Επειδή ΟΙ κλώνοι συγκρατούνται με δεσμούς υδρογόνου ανά Απάντηση
5-5
μεσα στις βάσεις, η σταθερότητα της έλικας σε μεγάλο βαθμό ε συχνά λάθος
ξαρτάται από τον αριθμό των δεσμών υδρογόνου που μπορεί να
βάσεις, τότε οι γενετικές πληροφορίες δεν θα μεταβιβάΖονταν
σχηματιστούν. Συνεπώς, η σταθερότητα καθορίΖεται από δύο
με ακρίβεια. Έτσι, η Ζωή όπως την ξέρουμε δεν θα υπήρχε. Πα
παραμέτρους, δηλαδή από τον αριθμό των Ζευγών των νουκλε
ρόλο που οι βάσεις μπορεί να σχηματίσουν τα Ζεύγη βάσεων
οτιδίων και από τον αριθμό των δεσμών υδρογόνου που συνει
Αν κατά την αντιγραφή του
DNA ενσωματώνονταν
που αναφέρονται στην ερώτηση, τα Ζεύγη αυτά δεν χωρούν στη
σφέρει το κάθε Ζεύγος. Όπως φαίνεται στην Εικόνα
δομή της διπλής έλικας. Συγκεκριμένα, στο Ζεύγος
Ζεύγος Α-Τ συνεισφέρει δύο δεσμούς υδρογόνου, ενώ ένα Ζεύ
A-C η γωνία
5-6,
ένα
με την οποία προσδένεται στον σακχαροφωσφορικό σκελετό η
γος
Α είναι πολύ διαφορετική, ενώ στο Ζεύγος
δεσμούς υδρογόνου) «τήκεται}} σε χαμηλότερη θερμοκρασία
A-G,
όπου αλ/ηλεπl
G-C τρεις.
Επομένως, η έλικα Γ (που περιέχει συνολικά
34
δρούν δύο μεγάλοι δακτύλιοι πουρίνης η απόσταση ανάμεσα
και ακολουθούν η έλικα Β (που περιέχει συνολικά
στους δύο σακχαροφωσφορικούς κλώνους αυξάνει πολύ. Επο
υδρογόνου) και η έλικα Α (με
μένως, η ενσωμάτωση λάθος βάσεων σε μια αλυσίδα ΟΝΑ δεν
είναι η πιο σταθερή, κυρίως λόγω της υψηλής περιεκτικότητάς
είναι καθόλου ευνοϊκή από ενεργειακή άποψη και τέτοια λάθη
της σε
συμβαίνουν πολύ σπάνια.
ριβάλ/ον με ακραία θερμοκρασία, όπως μερικά βακτήρια που
GC.
78 δεσμούς
65 δεσμούς
υδρογόνου), η οποία
Πράγματι, το ΟΝΑ των οργανισμών που Ζουν σε πε
Ζουν σε γεωθερμικές φλέβες, έχει ασυνήθιστα υψηλή περιεκτι Απάντηση
5-6
κότητα σε
GC.
νο μόριο με ιδιότητες πρακτικά ταυτόσημες με τις ιδιότητες
Απάντηση
5-8
του γνήσιου ΟΝΑ. Η ν θα έπρεπε να Ζευγαρώνει πάντα με Επομένως, τα μακρομόρια θα μπο
Το ΟΝΑ θ' αυξανόταν κατά 2.5 χ 106 φορές (= 5 χ 10-3/2 χ 10-9 m). Συνεπώς, η προέκταση θα είχε μήκος 2500 χιλιόμετρα,
ρούσε να πρoέρxovταl από έναν Ζωντανό οργανισμό ο ο
δηλαδή θα ήταν περίπου ίση με την απόσταση του Λονδίνου α
ποίος θα χρησιμοποιούσε τις
πό την Κωνσταντινούπολη, του Σαν Φρανσίσκο από το Κάνσας
ίδιες αρχές για την αντιγραφή
Σίτυ, του Τόκυο από το νότιο άκρο της Ταϊβάν και της Μελβούρ
του γονιδιώματός του. Κατά
νης από το Κερνς. Τα γειτονικά νουκλεοτίδια θ' απείχαν μεταξύ
την εξέλιξη, ως δομικοί λίθοι
τους περίπου
του ΟΝΑ στη γη θεωρητικά θα
μιας στοίβας
Α. Οι βάσεις ν,
την Χ και η
W,
χ και Υ μπορεί να σχηματίσουν ένα δίκλω
W με την Υ.
0.85 mm (απόσταση που ισοδυναμεί με το πάχος 12 σελίδων αυτού του βιβλίου). Ένα γονίδιο με 1000 Ζεύγη νουκλεοτιδίων θα είχε μήκος περίπου 85 cm.
ήταν δυνατό να έχουν επιλε γεί διαφορετικές βάσεις, όπως οι ν,
W, χ και Υ.
(Παρομοίως,
Απάντηση
υπάρχουν πολύ περισσότερα αμινοξέα από τα
20 που
5-9
Α. Για να καθορισθεί κάθε Ζεύγος νουκλεοτιδίων θα χρειάΖΟ
επιλέ
νταν δύο
bits
(για παράδειγμα, οι δυαδικοί κωδικοί για τα
χθηκαν κατά την εξέλιξη για
τέσσερα διαφορετικά νουκλεοτίδια, το καθένα Ζευγαρωμένο
την
με το κατάλ/ηλο ταίρι του, θα μπορούσε να είναι
παρασκευή
όλων
των
πρωτεϊνών).
και
Β. Καμιά από τις βάσεις ν,
W,
Β. Ολόκληρο το ανθρώπινο γονιδίωμα (3 χ 109 Ζεύγη νουκλε οτιδίων) θα μπορούσε να χωρέσει σε 2 CDs (3 χ 109 χ 2 bits/4.8 χ 109 bits).
χ
καιγ δεν μπορεί ν' αντικατα στήσει τις Α, Τ,
G ή C.
Για να
διατηρηθεί η απόσταση ανάμε Απάντηση
σα στους δύο σακχαροφωσφο ρικούς κλώνους μιας διπλής έ-
938
Απαντήσεις
00,01, 10
11).
Εικόνα Α5-6
Α. Σωστό.
5-10
Β. Λάθος. Οι πρωτε'ϊνες του πυρήνα των νουκλεοσωματίων έ χουν διάμετρο περίπου
11 nm.
Ένα μοντέλο του τρόπου με
τον οποίο συσκευάΖονται Υια να σχηματίσουν ένα ινίδιο δια
μέτρου
πρωτε'ϊνης, της αιμοσφαιρίνης. Ο πυρήνας Β προέρχεται από έ
να λεμφοκύτταρο, το οποίο μεταΥράφει ενεΡΥά πολ/ά διαφορε τικά Υονίδια.
30 nm παρουσιάΖεται mnv Εικόνα 5-24. Aπ6vτnσn 5-14
Aπ6vτnσn
Η έλικα Α είναι δεξιόmροφη. Η έλικα
5-11
Οι ερμηνείες των όρων δίνονται
C είναι αριmερόmροφη.
Γλωσσάριο. Το ΟΝΑ συ
Η έλικα Β έχει έναν δεξιόmροφο και έναν αριmερόmροφο
ναρμολΟΥείται με εξειδικευμένες πρωτεϊ'νες Υια να σχηματίσει
κλώνο. Υπάρχουν αρκετοί τρόποι Υια να διαπιmώσει κανείς τη
χρωματίvn. Σ' ένα πρώτο επίπεδο συσκευασίας, οι ιmόνες σχη
χειρότητα μιας έλικας. Για έλικες με κάθετο προσανατολισμό
mo
ματίΖουν τον πυρήνα των vουκl1εοσωματίωv. Σ' ένα νουκλεοσω
(όπως οι έλικες της Εικόνας Ε5-14), αν οι κλώνοι που βρίσκο
μάτιο, το ΟΝΑ περιελίσσεται Υύρω από αυτόν τον πυρήνα δύο
νται μπροmά κατευθύνονται προς τα δεξιά, τότε η έλικα είναι
φορές. Στο διάmημα που παρεμβάλ/εται ανάμεσα σε δύο πυρη
δεξιόmροφη, ενώ αν κατευθύνονται προς τ' αριmερά η έλικα
νικές διαιρέσεις, δηλαδή κατά τη μεσόφαση, η ΧΡωμαrίvn των
είναι αριmερόmροφη.
μεσοφασικώv χρωμοσωμάrωv βρίσκεται σε σχετικά εκτεταμένη (χαλαρή) μορφή και είναι διάσπαρτη
mov πυρήνα.
Ωmόσο, με
ρικές περιοχές της, που αποκαλούνται εrεΡΟΧΡωμarίvn, παρα μένουν σφιχτά συσκευασμένες και είναι ανενεΡΥές από μετα Υραφική άποψη. Κατά τη διαίρεση του πυρήνα (μίτωση), τ' αντι Υραμμένα χρωμοσώματα συμπυκνώνονται
mn μορφή των μιrω
rικώv χρωμοσωμάrωv, τα οποία είναι μεταΥραφικώς ανενεΡΥά
και προορίζονται Υια κατανομή
ma θυΥατρικά κύτταρα.
Aπ6vτnσn 5-12
Aπ6vτnσn 5-15 Μέσα
mov πυρήνα του νουκλεοσωματίου ο λόΥος συσκευασίας είναι 4.5 [(146 bp χ 0.34 nm/bp)/(l1 nm) = 4.5]. Επειδή υπάρ χουν επιπλέον 54 bp συνδετικού ΟΝΑ, ο λόΥος συσκευασίας Υια το ΟΝΑ με διάταξη «Χάντρες πάνω σε μια αλυσίδα» (beadson-a-string) είναι 2.3 [(200 bp χ 0.34 nm/bp)/(l1 nm + {54 bp χ 0.34 nm/bp}) = 2.3]. Αυτό το πρώτο επίπεδο συσκευασίας α ντιπροσωπεύει μόλις το 0.023% (2.3/10,000) της συνολικής συ μπύκνωσης που συμβαίνει κατά τη μίτωση.
Οι αποικίες είναι αθροίσματα κυττάρων που προέρχονται από έ
να ιδρυτικό κύτταρο και αυξάνουν καθώς τα κύτταρα διαιρού
Aπ6vτnσn
νται όλο και περισσότερες φορές. Στην κάτω αποικία της Εικό
Τα οκταμερή των ιmονών καταλαμβάνουν περίπου το
νας
όΥκου του πυρήνα. Ο όΥκος του πυρήνα είναι:
5-27Α, το Υονίδιο
ΑΟΕ2 αδρανοποιείται όταν τοποθετείται
5-16 V = 4/3 χ 3.14 χ (3 χ 103 nm)3 V = 1.13 χ 1011 nm 3
κοντά σ' ένα τελομερίδιο. Προφανώς όμως μπορεί να ενεΡΥΟ ποιηθεί αυθόρμητα σε λίΥα κύτταρα τα οποία αποκτούν λευκό χρώμα. Μόλις ενεΡΥοποιηθεί αυθόρμητα σ' ένα κύτταρο, το ΥΟ
νίδιο ΑΟΕ2 συνεχίΖει να είναι ενερΥό mους αΠΟΥόνους αυτού του κυττάρου, οδηΥώντας
κύτταρα (λευκοί τομείς)
mnv εμφάνιση σωρών από λευκά mnv αποικία. Το αποτέλεσμα αυτό δεί
9% του
Ο όΥκος των οκταμερών των ιmονών είναι:
V = 3.14 χ (4.5 nm)2 χ (5 nm) χ (32 χ 106) V = 1.02 χ 1010 nm 3 Ο λόΥος του όΥκου των οκταμερών των ιmονών προς τον όΥΚΟ
χνει ότι η αδρανοποίηση ενός Υονιδίου που τοποθετείται κοντά
του πυρήνα είναι
σ' ένα τελομερίδιο μπορεί ν' αναmραφεί όπως επίσης και ότι η
ταλαμβάνουν περίπου
0.09.
Συνεπώς, τα οκταμερή των ιmονών κα
9% του
όΥκου του πυρήνα. Επειδή το
αλ/αΥή αυτή μπορεί να μεταβιβαmεί mις επόμενες Υενεές (βλ.
ΟΝΑ επίσης καταλαμβάνει περίπου
Εικόνα
το ΟΝΑ και οι ιmόνες αθροιmικά καταλαμβάνουν περίπου
8-24). Η αλ/αΥή mnv έκφραση του Υονιδίου ΑΟΕ2
προ
φανώς οφείλεται σε μια αυθόρμητη αποσυμπύκνωση της δομής
9% του
όΥκου του πυρήνα,
18%
του όΥκου του πυρήνα.
της χρωματίνης Υύρω από το Υονίδιο.
Aπ6vτnσn Aπ6vτnσn
5-17
Αντίθετα από τις περισσότερες πρωτείνες, οι οποίες συσσωρεύ
5-13 παρατηρούνται περιοχές της
ουν αλ/αΥές αμινοξέων κατά την εξέλιξη, οι λειτουΡΥίες των ι
χρωματίνης με διαφορετική πυκνότητα: οι περιοΧές με μεΥάλη
mονών προϋποθέτουν την παρουσία σχεδόν όλων των αμινο
Στις ηλεκτρονιομΙΚΡΟΥραφίες
ετεροχρωματίνη, ενώ η λΙΥότερο
ξέων τους. Για το λόΥΟ αυτό, η αλ/αΥή σε οποιαδήποτε θέση εί
συμπυκνωμένη χρωματίνη έχει μικρότερη πυκνότητα. Η χρω
ναι επιβλαβής Υια το κύτταρο. Οιιmόνες είναι εξαιρετικά εξειδι
ματίνη του πυρήνα Α βρίσκεται κυρίως
κευμένες Υια τη λειτουΡΥία τους.
πυκνότητα αντιmοιχούν
mnv
mn
μορφή της συμπυ
κνωμένης, μεταΥραφικά ανενεΡΥού ετεροχρωματίνης. Αντίθε τα,
mo
μεyαίΊUτερo μέρος της η χρωματίνη του πυρήνα Β είναι
αποσυμπυκνωμένη και επομένως δυνητικά ενεΡΥός Υια μετα
Κεφάλαιο
6
Υραφή. Ο πυρήνας Α προέρχεται από ένα δικτυοερυθροκύττα
Aπ6vτnσn 6-1
ρο, ένα πρόδρομο κύτταρο του ερυθροκυττάρου, το οποίο σε
Α. Η απόmαση ανάμεσα mις διΧάλες αντΙΥραφής
μεΥάλο βαθμό έχει «αφιερωθεί»
mnv
παραΥωΥή μιας μόνο
ναι περίπου 280
nm
και αντιmοιχεί σε
#4 και #5 εί 824 νουκλεοτίδια (=
Απαντήσεις
939
28010,34). Αυτές οι δύο διΧάλες θα συγκρούονταν περίπου σε 8 δευτερόλεπτα. Οι διΧάλες #7 και #8 απομακρύνονταιη μια από την άλ/η και επομένως δεν θα συγκρουστούνποτέ. Β. Το συνολικό μήκος του ΟΝΑ που φαίνεται στην ηλεκφονιο μικρογραφία είναι περίπου 1.5 μm και αντιστοιχεί σε
4400
νουκλεοτίδια. Αυτό το ΟΝΑ αποτελεί μόνο το
περί
0,002%
που [= (440011.8 χ 108) χ 100%] του συνολικού ΟΝΑ του
καθυστερημένος κλώνος θα περιλάμβανε κλάσματα αποτε λούμενα τόσο από ΗΝΑ όσο και από ΟΝΑ. Ε. Χωρίς την ΟΝΑ ελικάση, η ΟΝΑ πoλUΜεράση θα σταματήσει
επειδή δεν μπορεί να διαχωρίσει τους κλώνους του ΟΝΑ εκ μαγείου που βρίσκονται μπροστά της. Έτοι, θα συντεθεί λίγο ή καθόλου ΟΝΑ. Ζ. Χωρίς την πριμάση δεν μπορεί να συντεθούν ΗΝΑ εκκινητές
ούτε στον προπορευόμενο ούτε στον καθυστερημένο κλώνο.
κυπάρου μιας μύγας.
Επομένως, δεν μπορεί ν' αρχίσει αντιγραφή του ΟΝΑ.
Απάvmσn6-2 Μολονότι η διεργασία μπορεί να φαίνεται άσκοπη, κατά τη διάρ
Εικόνα6-4
κεια της σύνθεσης των εκκινητών δεν γίνεται επιδιόρθωση των
Οι βλάβες του ΟΝΑ που προκαλούνται από αντιδράσεις απαμί
λαθών. Για ν' αρΧίσει η σύνθεση ενός νέου εκκινητή πάνω σ' έ
νωσης και αποπουρίνωσης συμβαίνουν αυθόρμητα. Δεν είναι
ένα νουκλεοτίδιο πρέπει να το
αποτέλεσμα της αντιγραφής και άρα έχουν την ίδια πιθανότητα
ποθετηθεί στη σωστή θέση και στη συνέχεια να συνδεθεί με ένα
να συμβούν είτε στον ένα είτε στον άλ/ο κλώνο. Αν τα ένΖυμα ε
δεύτερο νουκλεοτίδιο, μετά με ένα τρίτο Κ.Ο.Κ. Έστω και αν αυ
πιδιόρθωσης του ΟΝΑ αναγνώΡΙΖαν τέτοιες βλάβες μόνο πάνω
τά τα τρία πρώτα νουκλεοτίδια Ζευγάρωναν τέλεια με τον κλώνο
σε νεοσυντεθειμένους κλώνους
εκμαγείο, το τΡινουκλεοτίδιο που προκύπτει, όπως όλα τα βρα
παρέμεναν ανεπιδιόρθωτες. Συνεπώς, η διαπίστωση είναι ανα
χέα ολιγονουκλεοτίδια, προσδένεται με πολύ μικρή συγγένεια.
κριβής.
να κομμάτι μονόκλωνου
DNA,
DNA, τότε
οι μισές βλάβες θα
Έτοι, θα ήταν δύσκολο να διακριθούν οι σωστές από τις «λάθος» βάσεις από έναν υποθετικό έλεγχο της πιστότητας. Συνεπώς, το
Εικόνα6-5
έργο της πριμάσης είναι να «συνθέτει κάτι που προσδένεται αρ
Ο ιός του AIDS (ιός της ανοσοανεπάρκειας του ανθρώπου,
κετά καλά και να μην πολυσκοτίζεται για την πιστότητα». Αργότε
είναι ένας ρετΡοϊός και συνθέτει ΟΝΑ από ένα ΗΝΑ εκμαγείο
ρα, οι αλ/ηλουΧίες αυτές αφαιρούνται και αντικαθίστανται από
χρησιμοποιώντας την αντίστροφη μεταγραφάση. Αυτό συχνά ο
HIV)
την ΟΝΑ πολυμεράση, η οποία χρησιμοποιεί ως εκκινητή το α
δηγεί σε μεταλλάξεις στο γονιδίωμα του ιού. Στην πραγματικό
κριβές, σωστά διορθωμένο, νεοσυντεθειμένο ΟΝΑ. Η ΟΝΑ πο
τητα, οι ασθενείς με
λυμεράση, αντίθετα από την πριμάση, έχει το πλεονέκτημα ότι
ποικιλίες του Ηιν οι οποίες διαφέρουν γενετικά από τον αρχικό
προσθέτει το νέο νουκλεοτίδιο σ' έναν προϋπάρχοντα κλώνο.
ιό που τους μόλυνε. Αυτό δημιουργεί μεγάλα προβλήματα στην
Με τον τρόπο αυτό, το νέο νουκλεοτίδιο συγκρατείται ισχυρά στη
αντιμετώπιση της λοίμωξης: τα φάρμακα που αναστέλ/ουν απα
θέση του, οπότε μπορεί να ελεγΧθεί η πιστότητα του Ζευγαρώμα
ραίτητα ένΖυμα του ιού δρουν μόνο παροδικά, επειδή νέα στε
τός του με το επόμενο νουκλεοτίδιο πάνω στον κλώνο-εκμαγείο.
λέχη του ιού τα οποία είναι ανθεκτικά σε αυτά τα φάρμακα ανα
Συνεπώς, καθώς η ΟΝΑ πολυμεράση γεμίΖει το κενό, ελέγχει
πτύσσονται γρήγορα με μεταλλάξεις.
παράλ/ηλα για λάθη τον νέο κλώνο ΟΝΑ που συνθέrει.
AIDS
συχνά φέρουν πολ/ές διαφορετικές
Οι ΗΝΑ ρεπλικάσες (ΗΝΑ πολυμεράσες που συνθέτουν ΗΝΑ χρησιμοποιώντας ως εκμαγείο το ΗΝΑ) δεν ελέγχουν ούτε και
Εικόνα6-3
αυτές την πιστότητα του αντιγράφου. Επομένως, οι ΗΝΑ ιοί που
Α. Χωρίς την ΟΝΑ πολυμεράση δεν μπορεί να πραγματοποιη
αντιγράφουν απευθείας το ΗΝΑ γονιδίωμά τους επίσης μεταλ
θεί αντιγραφή. Οι ΗΝΑ εκκινητές θα σχηματιστούν στην αφε
λάσσονται συχνά. Σ' έναν τέτοιο ιό, το γεγονός αυτό προκαλεί
τηρία της αντιγραφής.
αλλαγές στις πρωτεΊνες του περιβλήματος που κάνουν τον με
Β. Η ΟΝΑ λιγκάση συνδέει τα κλάσματα ΟΝΑ που παράγονται
ταλ/αγμένο ιό να φαίνεται «νέος» στο ανοσοποιητικό σύστημα.
στον καθυστερημένο κλώνο. Αν απουσίαΖε η λιγκάση, οι νε
Συνεπώς, ο ιός δεν καταστέλ/εται από την ανοσία που έχει ανα
οσυντεθειμένοι κλώνοι ΟΝΑ θα παρέμεναν ως κλάσματα
πωΧθεί εναντίον της προηγούμενης ποικιλίας. Αυτό εν μέρει
χωρίς όμως να λείπουν νουκλεοτίδια.
ερμηνεύει την τακτική εμφάνιση νέων στελεΧών του ιού της γρί
Γ. Χωρίς τον ολισθαίνοντα συνδετήρα, η ΟΝΑ πολυμεράση συ
πης και του ιού του κοινού κρυολογήματος.
χνά θα έπεφτε από το ΟΝΑ εκμαγείο. θεωρητικά θα μπορού
σε να ξαναπροσδεθεί και να συνεΧίσει, αλλά η συνεΧής από
Απάvmσn6-6
σπαση και ανασύνδεση θα ήταν χρονοβόρος και θα επιβρά
Αν ο παλαιός κλώνος «επιδιορθωνόταν» χρησιμοποιώντας ως
δυνε πολύ την αντιγραφή του ΟΝΑ.
υπόστρωμα τον νέο κλώνο που περιέχει ένα λάθος αντιγραφής,
Δ. Αν απουσίαΖαν τα ένΖυμα που απομακρύνουν τους ΗΝΑ εκ
τότε το λάθος θα γινόταν μια μόνιμη μετάλλαξη στο γονιδίωμα.
κινητές, τα ΗΝΑ κλάσματα θα παρέμεναν ομοιοπολικά συν
Κατά τη διεργασία αυτή, οι παλαιές πληροφορίες θα Χάνονταν.
δεδεμένα με τα νεοσυντεθειμένα ΟΝΑ κλάσματα. Ωστόσο,
Επομένως, αν τα ένΖυμα επιδιόρθωσης δεν διέκριναν τους δύο
στην περίπτωση αυτή τα κλάσματα δεν θα συνδέονταν, επει
κλώνους, τότε η πιθανότητα να διορθωθεί ένα λάθος αντιγρα
δή η ΟΝΑ λιγκάση δεν συνδέει ΟΝΑ με ΗΝΑ. Επομένως, ο
φής θα ήταν μόνο
940
Απαντήσεις
50%.
Aπdvmon6-7 Πρόκειται για εντελώς λάθος συλλογισπκή. Ένα είδος δεν είναι δυνατό να μετατραπεί σε κάποιο άλλο είδος απλώς εισάγοντας
θεση του DNA από βαριά νουκλεοτίδια (π.χ. ο κόκκινος κλώνος mnv Εικόνα 6-4 που παράγεται κατά τον πρώτο γύρο της αντι γραφής) οδηγεί mo σχηματισμό υβριδικών μορίων DNA που πε
1% τυχαίες βάσεις στο DNA του. Είναι εξαιρετικά απίθανο οι 5000 μεταλλάξεις που θα συσσωρεύονταν καθημερινά αν δεν γινόταν επιδιόρθωση του DNA να εντοπίζονταν στις θέσεις όπου διαφέρουν οι αλληλουχίες του DNA του ανθρώπου και του χι
ριέχουν έναν ελαφρύ, αρχικό κλώνο και έναν βαρύ, νεοσυντε
μπαΤΖή. Επίσης είναι πολύ πιθανό ότι με τόσο υψηλή συχνότητα
πό έναν ελαφρύ και έναν βαρύ κλώνο (το πορτοκαλί/κόκκινο
θειμένο κλώνο. Μετά από έναν ακόμα γύρο αντιγραφής σε μέσο που περιέχει βαριά ισότοπα, εμφανίζονται δύο μορφές
DNA σε ί
σες περίπου αναλογίες: η μια μορφή είναι και πάΝ ένα υβρίδιο α
μεταλλάξεων πολλά βασικά γονίδια θ' αδρανοποιούνταν, οδη
DNA της Εικόνας 6-4) και έχει ενδιάμεση
γώντας σε κυτταρικό θάνατο. Επιπλέον, το σώμα σας αποτελείται
μορφή αποτελείται από δύο βαρείς κλώνους (το κόκκινοΙ πράσι
περίπου από
νο
1013 κύτταρα. Για να μετατραπείτε σε πίθηκο, θα έ
πρεπε ν' αλλάξουν πολλά κύτταρα και όχι μόνο ένα. Ακόμα και τότε, για να επιφέρουν αλλαγές
mo σχέδιο του σώματός
σας (ό
DNA της
Εικόνας
6-4)
πυκνότητα, ενώ η άλλη
και έχει υψηλή πυκνότητα. Κατά τη
διάρκεια των επακόλουθων γύρων αντιγραφής παράγεται περισ σότερο βαρύ
DNA και η αναλογία του DNA ενδιάμεσης
πυκνότη
πως Π.Χ. για να βγάλετε ουρά) πολλές από αυτές τις αλλαγές θα
τας ελαττώνεταΙ. Επομένως, τα αποτελέσματά σας συμφωνούν α
έπρεπε να συμβούν κατά τη διάρκεια της ανάmυξης.
πόλυτα με την υπόθεση που επιχειρήσατε να ελέγξετε.
Απάντηση
6-8
Εικ6να6-10
Α. Λάθος. Η σύνθεση του
DNA mov προπορευόμενο
και τον
καθυmερημένο κλώνο καταλύεται από ταυτόσημα μόρια
Αν υπήρχε μόνο μια αφετηρία αντιγραφής που θα καθέλκυε
Η διχάλα αντιγραφής είναι ασύμμετρη,
DNA πολυμεράσης σε αντίθετες κατευθύνσεις πάνω mo DNA με ταΧύτητα 100 νουκλεοτιδίων ανά δευτερόλεπτο, τό
επειδή ο καθυmερημένος κλώνος συντίθεται σε τμήματα τα
τε ο αριθμός των νουκλεοτιδίων που θ' αντιγράφονταν μέσα σε
οποία κατόπιν διασυνδέονταΙ.
24 ώρες θα ήταν 1.73 χ 107 (= 2 χ 100 χ 24 χ 60 χ 60). Έ τσι, για ν' αντιγραφούν μέσα σε 24 ώρες και τα 6 χ 109 νουκλε
DNA πολυμεράσης.
Β. Λάθος. Οι ΗΝΑ εκκινητές αφαιρούνται από μια ΗΝΑ νουκλε
Okazaki είναι τα τμήματα του νεοσυντεθει DNA τα οποία τελικά συνενώνονται για να σχηματιmεί
δύο μόρια
άση. Τα κλάσματα
οτίδια του
μένου
(= 6 χ 109/1.73 χ 107) αφετηρίες αντιγραφής. Συνεπώς, οι
ο νέος καθυmερημένος κλώνος.
mn διορθωτική
10,000 περίπου
DNA πολυμεράση έχει εντυπωσιακά χαμηλή συχνότητα λάθους (1:10\ Επιπλέ ον, καθώς το 99% των λαθών της επιδιορθώνονται από τα έν Ζυμα επιδιόρθωσης του DNA, η τελική συχνότητα λάθους γί νεται 1: 109.
Γ. Σωmό. Χάρη
δράση της, η
Δ. Σωmό. Μεταλλάξεις θα συσσωρεύονταν γρήγορα και θα κα τέmρεφαν τα γονίδια. Ε. Σωmό. Αν
mo DNA εμφανΙΖόταν μια εσφαλμένη βάση, τα DNA θα μπορούσαν ν' αναγνωρί
ένΖυμα επιδιόρθωσης του
σουν το αταίριαmο Ζεύγος που θα σχημαΤΙΖόταν όχι όμως και
να διακρίνουν τον κλώνο
mov οποίο
DNA του
είχε εισαΧθεί η λάθος
κυττάρου θα χρειάΖονταν
rouMxImov 348
αφετηρίες αντιγραφής που εκτιμάται ότι περιέ
χει το ανθρώπινο γονιδίωμα επαρκούν και με το παραπάνω για να ικανοποιήσουν αυτή την ελάχιmη απαίτηση.
Εικ6να6-11 Α. Η ένωση Α είναι η τριφωσφορική διδεοξυκυτοσίνη
(ddCTP), η οποία διαφέρει από την dCTP επειδή έχει μια λιγότερη 3'υδροξυλομάδα mov σακχαρικό δακτύλιό της. Η ddCTP ανα γνωρίΖεται από την DNA πολυμεράση όπως και η dCTP και ενσωματώνεται mo DNA. Ωmόσο, επειδή δεν διαθέτει την κρίσιμη 3' -υδροξυλομάδα,η προσθήκητης σ' έναν αυξανό μενο κλώνο DNA δημιουργεί ένα «αδιέξοδο» mo οποίο δεν
βάση. Επομένως, η πιθανότητα να επιδιορθωθεί ο σωmός
μπορεί να προmεθούν επιπρόσθετα νουκλεοτίδια. Επομέ
κλώνος θα ήταν μόνο
νως, αν η
50%.
Ζ. Σωmό. Συνήθως, για να μετατραπεί ένα φυσιολογικό κύττα ρο σε καρκινικό πρέπει προηγουμένως να συμβούν πολλές μεταλλάξεις ειδικού τύπου. Μια μετάλλαξη σ' ένα κύτταρο που κωδικοποιεί ένα ένΖυμο επιδιόρθωσης του
DNA μπορεί
να κάνει ένα κύτταρο πιο ευπαθές σε συσσώρευση επιπρό
ddCTP
προmεθεί σε μεγάλη περίσσεια, θα συντί
θενται κλώνοι που θα καταλήγουν
mo πρώτο G (το νουκλεο C) το οποίο θα συνα ντά το ένΖυμο πάνω mov κλώνο-εκμαγείο. Εκεί, αντί για C θα ενσωματώνονται ddCTP, οπότε η επέκταση του συγκεκρι
τίδιο που είναι συμπληρωματικό με το
μένου κλώνου θα mαματά.
mύχθηκαν σε κανονικές συνθήκες, όπως αναμενόταν, έχει χα
ddCTP προmεθεί σε αναλογία περίπου 10% της διαθέ dCTP, τότε θα ενσωματώνεται mov αυξανόμενο κλώ νο απέναντι σε νουκλεοτίδια G του κλώνου-εκμαγείο με πι θανότητα 10%. Επομένως, θα συντίθεται ένας πληθυσμός κλασμάτων DNA, από το μήκος των οποίων μπορεί να καθο ριmεί η εντόπιση των νουκλεοτιδίων G πάνω mov κλώνο-εκ
μηλή πυκνότητα. Μετά από μια γενεά αύξησης σε μέσο που πε
μαγείο. Το πείραμα αυτό είναι η βάση των μεθόδων που χρη
ριέχει βαριά ισότοπα, το
σιμοποιούνται για τον καθορισμό της αλληλουχίας των νου-
σθετων μεταλλάξεων και έτσι να επιταΧύνει την έναρξη του
σιμης
καρκίνου.
Aπdvmon6-9 Το
Β. Αν η
DNA που απομονώθηκε
από τα αρχικά κύτταρα τα οποία ανα
DNA έχει
ενδιάμεση πυκνότητα: η σύν-
Απαντήσεις
941
κλεοτιδίων ενός τμήματος ΟΝΑ (βλ. ΚεφάίΊαιο
10).
Το ίδιο χημικό φαινόμενο αξιοποιείται από το φάρμακο
3' -αΖιδο-3'-δεοξυθιμιδίνη (Α2Τ) το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως για την αντιμετώπισητου AIDS σε ασθενείς μοίΊυσμέ νους με τον ιό HIV. Στα κότταρα, η Α2Τ μετατρέπεται σε ddCTP και έτσι αναστέλ/ει τη σόνθεση του ΟΝΑ και την αντι
1. έναρξη της σύνθεσης [ου κλάσματος Okazaki
γραφή του ιou. Το φάρμακο έχει βαριές παρενέργειες, επει δή δεν ασκεί εκλεκτική δράση στο ΟΝΑ του ιοό, αλ/ά επηρε άΖει επίσης την αντιγραφή και την επιδιόρθωση και του κυπα
ρικοόΟΝΑ. Γ. Η ένωση Β είναι η μονοφωσφορική
(ddCMP), η οποία
δεν διαθέτει οότε την
διδεοξυκυτοσίνη
5' -τριφωσφορικήο
μάδα οότε την 3' -υδροξυίΊομάδαστον σακχαρικό δακτόίΊιό της. Επομένως, δεν μπορεί να προσφέρει την ενέργεια που
προωθείτην αντίδραση ποίΊυμερισμοότων νουκλεοτιδίωνσε ΟΝΑ και δεν ενσωματώνεταιστο αντιγραφόμενοΟΝΑ. Έτοι, δεν αναμένεταινα επηρεάΖειτην αντιγραφήτου ΟΝΑ.
Απάvmσn 6-12 Για να χρησιμοποιεί την ενέργεια της υδρόίΊυσης της
3' τριφω
σφορικής ομάδας για τον ποίΊυμερισμό, η αόξηση του κλώνου
θα έπρεπε να γίνεται στην αντίθετη κατεόθυνση, δηίΊαδή 3' ~
5'.
2.
η σύνθεση του κλάσματος
Okazaki
βρίσκεται περίπου στο μέσο της
Εικόνα Α6·13
Στην περίmωση αυτή, η διορθωτική δράση θα μποροόσε να
γίνει από μια νουκλεάση με δραστικότητα 5' ~
3'. Αυτό το σε
νάριο που περιγράφειτον υποθετικό οργανισμό είναι ίδιο με ε
παραΧθεί ο οργανισμός, το είδος θα εξαίΊειφθεί. Αν το ΟΝΑ των
κείνο που εικονίΖεταιστην Εικόνα 6-15, με την εξαίρεση ότι εκεί
αναπαραγωγικών κυπάρων δεν είναι αρκετά σταθερό, θα συσ
όίΊες οι φωσφορικές και τριφωσφορικές ομάδες βρίσκονται στη
σωρευθοόν πολ/ές μεταλ/άξεις και θα μεταβιβαστοόν στις επό
δεξιά πίΊευρά των δομών του ΟΝΑ και των νουκλεοτιδίων.
μενες γενιές. Έτοι, το είδος δεν θα διατηρηθεί.
Aπάvmσn
Απάvmσn 6·16
6-13
ΒίΊ. Εικόνα Α6-13.
Όπως φαίνεται στην Εικόνα Α6-16, η θυμίνη και η oυραKίiΊη
Απάvmσn
νωθοόν. Η απαμίνωση της αδενίνης και της γουανίνης παράγει
δεν περιέχουν αμινοομάδες και επομένως δεν μπορεί ν' απαμι
6-14
Οι δόο κλώνοι του βακτηριακοό χρωμοσώματος περιέχουν
χ
δακτυίΊίους πουρίνης που κανονικά δεν βρίσκονται στα νουκλε
106 νουκίΊεοτίδια. Κατά τον ποίΊυμερισμό των τριφωσφορικών
ϊνικά οξέα. Αντίθετα, η απαμίνωση της κυτοσίνης παράγει ουρα
6
νουκλεοτιδίων σε ΟΝΑ, για κάθε νουκλεοτίδιο που προστίθεται
KίiΊη. Επομένως, αν το ΟΝΑ περιείχε oυραKίiΊη, τα ένΖυμα επι
διασπώνται δόο φωσφοανυδριτικοί δεσμοί: το τριφωσφορικό
διόρθωσης δεν θα μποροόσαν να διακρίνουν αν μια oυραKίiΊη
νουκλεοτίδιο υδροίΊόεται για ν' αποδώσει το μονοφωσφορικό
είναι η κατάλ/ηίΊη βάση για τη θέση αυτή ή ένα ίΊάθος που προ
νουκλεοτίδιο που προστίθεται στον αυξανόμενο κλώνο ΟΝΑ
έκυψε από αυθόρμητη απαμίνωση. Ωστόσο, τα κόπαρα δεν έ
και το πυροφωσφορικό που απείΊευθερώνεται υδρoΊΊUεται σε
χουν αυτό το δίίΊημμα επειδή στο ΟΝΑ τους χρησιμοποιείται η
φωσφορικό. Επομένως, σε κάθε γόρο αντιγραφής του βακτη
θυμίνη. Συνεπώς, αν στο ΟΝΑ βρεθεί μια βάση ουρακίίΊης, μπο
ριακοό ΟΝΑ υδρoΊΊUoνται 1.2 χ 107 δεσμοί υψηίΊής ενέργειας. Αυτό απαιτεί 4 χ 105 (= 1.2 χ 107/30) μόρια γίΊυκόΖης που Ζυ γίΖουν 1.2 χ 10- Ι6 g (= 4 χ 105 μόρια χ 180 g/mole/6 χ 1023
ρεί αυτόματα να αναγνωριστεί ως λάθος, να εκταμεί και ν' αντι
μόρια/mοles), δηίΊαδή περίπου
Απάvmσn
0.01 % του
συνοίΊικοό βάρους
του κυπάρου.
κατασταθεί από κυτοσίνη.
6-17
Α. Χωρίς τείΊομερίδια και τείΊομεράση, σε κάθε γόρο αντιγρα φής τα άκρα των χρωμοσωμάτων θα συρρικνώνονταν επειδή
Απάvmσn 6-15
δεν θα υπήρχε κάποια
Η φράση είναι σωστή. Αν το ΟΝΑ των σωματικών κυπάρων δεν
θεση του ΟΝΑ που συμπίΊηρώνεταιμετά την αφαίρεση του
είναι αρκετά σταθερό (δηίΊαδή, αν συσσωρεόει μεταλ/άξεις πο
εκκινητή του πιο πρόσφατα συντεθειμένου κλάσματος ΟΝΑ
ΊΊU γρήγορα) ο οργανισμός θα πεθάνει (για παράδειγμα, από
πάνω στον καθυστερημένοκλώνο. Το πρόβλημααυτό δεν α
καρκίνο). Επειδή, αυτό συχνά μπορεί να συμβαίνει προτοό ανα-
νακόπτει για τα βακτηριακά χρωμοσώματατα οποία δεν έ-
942
Απαντήσεις
3' -ΟΗ ομάδα για να ξεκινήσειτη σόν
DNA,
καθώς και πάλι θα έπρεπε να χρησιμοποιηθεί ένας
ΗΝΑ εκκινητής.
Απάvmσn
6-18
Οι ιοί δεν μποροόν να Ζήσουν ως αυτόνομοι οργανισμοί: δεν
έχουν μεταβολισμό, δεν επικοινωνοόν με άίΊίΊους ιοός και δεν
αδενίνη
αναπαράγΟνΙαι από μόνοι τους. Άρα, δεν διαθέτουν καμία από τις ιδιότητες που κανονικά σχετίΖΟνΙαι με τη Ζωή. Μάλιστα, μπο
ρεί ακόμα και να κρυσταίΊίΊωθοόν μέσα στα κόπαρα και εκτρέ πουν τις φυσιολογικές βιοσυνθετικές λειτουργίες του κυπάρου στο έργο της παραγωγής περισσότερων ανΙιγράφων τους. Ω στόσο, κανένας ιός δεν μπορεί ν' αναπαραΧθεί χωρίς να εκμε ταίΊίΊευτεί ένα κόπαρο ξενιστή. Επομένως, η μόνη ιδιότητα της
γουανίνη
«Ζωής» που εμφανίΖουν οι ιοί είναι η ικανότητά τους να κατευ
θόνουν την αναπαραγωγή τους μόλις βρεθοόν μέσα σ' ένα κότ ταρο.
-
Απάvmσn 6-19 Κάθε φορά που ένα ανΙίγραφο ενός μεταθετοό στοιχείου εν σωματώνεται στο χρωμόσωμα, η αίΊίΊαγή μπορεί να είναι ου δέτερη, επωφελής ή επιβλαβής για τον οργανισμό. Επειδή οι
οργανισμοί που συσσωρεόουν επιβλαβή ένθετα στοιχεία θα υ πόκεινΙΟ σε αρνητική επιλογή, ο ποίΊίΊαπλασιασμός των μετα θετών στοιχείων ελέγχεται από τη φυσική επιλογή. Αν ανα
-
πτυσσόταν ένα μεταθετό στοιχείο ικανό να ποίΊίΊαπλασιάΖεται ΚΑΜΙΑ ΜΕΤΑΒΟΛΗ
ανεξέλεγκτα, τότε η επιβίωση του οργανισμοό-ξενιστή θα ήταν
μάίΊίΊον απίθανη. Για το λόγο αυτό, τα περισσότερα τρανσπο Ζόνια έχουν εξελιΧθεί κατά τέτοιο τρόπο ώστε να μετατίθενΙαι σπάνια. Για παράδειγμα, ποίΊίΊά τρανσΠΟΖόνια συνθέτουν σπά νια ποΜ μικρές ποσότητες της τρανσΠΟΖάσης που απαιτείται
ο
:(J:: ουρακίλη
για τη μετακίνησή τους.
-
ΚΑΜΙΑ ΜΕΤΑΒΟΛΗ
κυκλικό DΝΑ
γραμμικό DΝΑ
ι
κλώνος-εκμαγείο
~~~~'\~~~~ΓOH3'5'
Εικόνα Α6-16
Ι!!!
ΑΝΑ εκκινητής
χουν άκρα: θα υπάρχει πάνΙοτε διαθέσιμη μια
3' -ΟΗ για να
!
καθοδηγήσειτην ΟΝΑ πολυμεράση που ανΙικαθιστά τον
ΕΚΚΙΝΗΤΗ
ΗΝΑ εκκινητή με ΟΝΑ (Εικόνα Α6-17) . Τα τελομερίδια και η
3' άκρο ενός
ΟΝΑ κλώνου με επαναληπτικέςαίΊίΊηλουΧίεςΟΝΑ που προ
!
στίθενΙαι απευθείαςαπό την τελομεράσηχωρίς να χρειάΖεται
κάποιο εκμαγείο (βλ. Εικόνα 6-18). Μερικές από αυτές τις ε παναλήψεις ΧάνονΙαι σε κάθε γόρο ανΙιγραφής, αίΊίΊά ανα
HO!!ιl 3'
ΕΠΙΔΙΟΡΘΩΣΗDΝΑ
!
3'
~~~~====ΓOH3'
πληρώνΟνΙαι στη συνέχεια.
5' ι
Β. Όπως φαίνεται στην Εικόνα Α6-17, τα τελομερίδια και η τε λομεράση θα ήταν απαραίτητα ακόμα και αν το τελευταίο κλάσμα του καθυστερημένου κλώνου είχε συνΙεθεί υπό την
καθοδήγηση της πριμάσης στο
5'
r=·]\ ~5' HO!!ιl
τελομεράση παρεμποδίΖουν τη συρρίκνωση των χρωμοσω
μάτων, επειδή τα τελομερίδια προεκτείνουν το
!
ΑΦΑΙΡΕΣΗ ΑΝΑ
.]\
3'
άκρο του χρωμοσωμικοό
ΧΑΜΕΝΑ ΝΟΥΚΛΕΟTlΔIΑ! (Α)
(Β)
Εικόνα Α6-17
Απαντήσεις
943
Aπdvrnon 6-20
Χώνονται (δηλαδή, ν' αποκτούν τρισδιάστατη δομή) ενόσω συ
Α. Αν η μόνη αφετηρία αντιγραφής εντΟΠΙΖόταν ακριβώς στο κέντρο του χρωμοσώματος, η αντιγραφή του
DNA θα
διαρ
ντίθενται (βλ. Π.Χ. Εικόνα
7-5),
ενώ το
DNA είναι
μια εκτεταμέ
νη διπλή έλικα.
κούσε πάνω από 8 ημέρες [= 75 χ 106 νουκλεοτίδια!(100 νουκλεοτίδια!sec)]. Επομένως, η ταΧύτητα της αντιγραφής θα
Aπdvrnon
περιόΡΙΖε σημαντικά την ταΧύτητα της κυπαρικής διαίρεσης.
Από πρώτη ματιά, η καταλυτική ενεργότητα μιας ΗΝΑ πολυμερά
7-3
(Αν η αφετηρία εντΟΠΙΖόταν στο ένα άκρο του χρωμοσώμα
σης που χρησιμοποιείται για τη μεταγραφή θα μπορούσε ν' α α
τος η αντιγραφή θα διαρκούσε ακόμα περισσότερο.
ντικαταστήσει επαρκώς την πριμάση. Αν σκεφτούμε όμως πιο
Β. Αν ένα άκρο ενός χρωμοσώματος δεν «καλυπτόταν» από ένα
προσεκτικά, θα διαπιστώσουμε ότι υπάρχουν ορισμένα σοβαρά
τελομερίδιο, σε κάθε γύρο αντιγραφής θα έχανε νουκλεοτί
προβλήματα:
δια και σταδιακά θα συρρικνωνόταν. Με τον καιρό, βασικά
για τη σύνθεση των εκκινητών θα έπρεπε να δραστηριοποιείται
γονίδια θα Χάνονταν και τελικά το κύπαρο θα πέθαινε.
κάθε λίγες εκατοντάδες βάσεις, μια απόσταση πολύ μικρότερη
Γ. Αν δεν υπήρχε ένα κεντρομερίδιο για να τα προσκολ/ά στη
(1) Η ΗΝΑ πολυμεράση
που θα χρησιμοποιούνταν
από την απόσταση των υποκινητών πάνω στο
DNA. Επομένως,
η
μιτωτική άτρακτο, τα δύο νέα χρωμοσώματα που παράγονται
έναρξη της σύνθεσης θα έπρεπε να διεξάγεται ανεξάρτητα από
από την αντιγραφή δεν θα μπορούσε να κατανεμηθούν με α
τους υποκινητές ή, εναλ/ακτικά, το
κρίβεια στα δύο θυγατρικά κύπαρα. Συνεπώς, πολ/ά θυγα
περισσότερους εκκινητές, όμως και τα δύο ενδεΧόμενα θα δημι
τρικά κύπαρα θα πέθαιναν επειδή δεν θα παραλάμβαναν μια
ουργούσαν προβλήματα στον έλεγχο της μεταγραφής
πλήρη ομάδα χρωμοσωμάτων.
ρομοίως, οι ΗΝΑ εκκινητές που xρησιμoπoιoύvται στην αvτιγρα
DNA θα έπρεπε να έχει πολύ
φή είναι πολύ βραΧύτεροι από τα μόρια του
(2).
Πα
mRNA. Επομένως,
η
ΗΝΑ πολυμεράση θα έπρεπε να τερματίζει πολύ πιο συχνά απ' ό,τι κατά τη μεταγραφή. Ο τερματισμός θα έπρεπε να συμβαίνει
Κεφάλαιο 7 Aπdvrnon
αυθόρμητα, δηλαδή να είναι ανεξάρτητος από την παρουσία
7-1
μιας αλ/ηλουχίας τερματισμού στο
Η απάντηση δίνεται καλύτερα με τα λόγια του ίδιου του
Francis
Crick, ο οποίος εισήγαγε τον όρο στα μέσα της δεκαετίας του 1950: «Ονόμασα την ιδέα αυτή κεντρικό δόγμα για δύο, νομί Ζω, λόγους: είχα ήδη χρησιμοποιήσει την προφανή λέξη υπόθε ση στον όρο υπόθεση της αλ/ηλουΧίας
DNA,
ή, εναλ/ακτικά, θα έ
πρεπε να υπάρχουν πολύ περισσότερες αλ/ηλουΧίες τερματι
σμού. Για άλ/η μια φορά και τα δύο αυτά σενάρια θα δημιουρ γούσαν προβλήματα στον έλεγχο της μεταγραφής. Παρόλο που το πρόβλημα αυτό θα μπορούσε να ξεπεραστεί
(sequence hypothesis)
αν ειδικές πρωτείνες ελέγχου προσδένονταν στην ΗΝΑ πολυ
που προτείνει ότι οι γενετικές πληροφορίες κωδικοποιούνται
μεράση κατά τη διάρκεια της αντιγραφής, στην πραγματικότητα
στην αλ/ηλουΧία των βάσεων του
έχει επιλυθεί κατά την εξέλιξη με τη χρησιμοποίηση ξεχωριστών
DNA και
επιπλέον επιθυμού
σα να υποδηλώσω ότι αυτή η νέα υπόθεση ήταν πιο κεντρική
ενΖύμων με εξειδικευμένες ιδιότητες. Ωστόσο, μερικοί μικροί
και πιο ισχυρή ... Όπως αποδείΧθηκε, η λέξη δόγμα προκάλεσε
DNA ιοί πράγματι
περισσότερο θόρυβο απ' όσο άξιζε. Πολ/ά χρόνια αργότερα ο
νιστή για να συνθέσουν εκκινητές που ~ρειάZOνται για την αντι
Jacques Monod μού
γραφή τους.
υπέδειξε ότι μάλ/ον δεν είχα καταλάβει τη
χρησιμοποιούν την ΗΝΑ πολυμεράση του ξε
σωστή έwοια της λέξης δόγμα, δηλαδή μια πεποίθηση που δεν
7-4
επιδέχεται αμφισβήτηση. Στην πραγματικότητα, γενικά συμφω
Απάντηση
νώ με αυτή την άποψη, αλ/ά επειδή θεωρούσα ότι όλες οι θρη
Το πείραμα αυτό δείχνει πολύ παραστατικά ότι το ριβοσωμάτιο
σκευτικές πεποιθήσεις δεν στηρίΖονταν σε σοβαρά πειστήρια,
δεν ελέγχει το αμινοξύ που προσδένεται σ' ένα μόριο
χρησιμοποίησα τη λέξη κατά τον τρόπο που εγώ την εwοούσα,
Μόλις ένα αμινοξύ συΖευχθεί με ένα μόριο
όχι όπως την εwοεί όλος ο κόσμος, και απλά την εφάρμοσα σε
τιο θα ενσωματώσει «τυφλά» το συγκεκριμένο αμινοξύ στην κα
tRNA. tRNA, το ριβοσωμά
μια μεγαλειώδη υπόθεση η οποία, όσο και αν ήταν ευλογοφα
τάλ/ηλη θέση, σύμφωνα με το ταίριασμα ανάμεσα στο κωδικό
νής, εκείνη την εποχή δεν είχε άμεση πειραματική στήριξη».
νιο και το αντικωδικόνιο. Ένα σημαντικό μέρος της σωστής α
(Francis Crick, What Mad Pursuίt,
νάγνωσης του γενετικού κώδικα, δηλαδή το ταίριασμα ενός κω
σελ.
109).
δικονίου με το κατάλ/ηλο αμινοξύ, διενεργείται από τις συνθε Απάντηση
7-2
τάσες που ταιριάΖουν σωστά τα μόρια
tRNA με τα αμινοξέα.
Στην πραγματικότητα, οι ΗΝΑ πολυμεράσες δεν μετακινούνται καθόλου, επειδή έχουν μονιμοποιηθεί και επικαλυφθεί με μέ
Aπdvrnon
ταλ/ο στα πλαίσια της προετοιμασίας του δείγματος για την πα
Το
ρατήρηση με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Ωστόσο, προτού μο
τα του κλώνου του
7-5
νιμοποιηθούν μετακινούνταν από τ' αριστερά προς τα δεξιά, ό
5'-3', αντίθετα από την πολικότη DNA που λειτουργεί ως εκμαγείο. Άρα, η αλ ληλουΧία του mRNA θα είναι 5' -GMAAAAGC-CGUUM-3'.
πως υποδηλώνει η βαθμιαία επιμήκυνση των ΗΝΑ μεταγράφων.
Η τριπλέτα υΜ είναι ένα κωδικόνιο τερματισμού. Το καρβοξυ
Τα ΗΝΑ μετάγραφα είναι βραΧύτερα επειδή αρχίΖουν να πτυ-
τελικό αμινοξύ κωδικοποιείται από το αμέσως προηγούμενο
944
Απαντήσεις
mRNA θα έχει
πολικότητα
κωδικόνιο, δηλαδή το
της συρραφής. Η απλούστερη ερμηνεία είναι ότι το αντίστοιχο
λικό αμινοξύ
CGU, και είναι μια αργινίνη. Το αμινοτε κωδικοποιείται από το κωδικόνιο GM και είναι έ
γονίδιο περιέχει ένα εξόνιο μήκους
να γλουταμικόοξύ. Σημειώστε ότι συμβατικά η αλ/ηλουχίαπου
νιο «Ε2» της Εικόνας Α7-8) και ότι το εξόνιο αυτό χάθηκε κατά
δίνεται γιο ένα γονίδιο είναι η αλ/ηλουχίατου κλώνου που δεν
την επεξεργασία του μεταλλαγμένου πρόδρομου
173 νουκλεοτιδίων
(το εξό
mRNA.
Για
χρησιμοποιείταιως εκμαγείο γιο τη σύνθεση του ΗΝΑ. Η αλ/η
παράδειγμα, αυτό θα μπορούσε να συμβεί αν η μετάλλαξη άλ
λουχία αυτή είναι ίδια με την αλ/ηλουχίατου ΗΝΑ μεταγράφου,
λαΖε την 3' θέση συρραφήςτου προηγούμενουιντρονίου (<<11»),
με το γράμμα Τ στη θέση του γράμματος U.
έτσι ώστε πλέον να μην αναγνωρίΖεται από τον μηχανισμό της συρραφής (κάτι τέτοιο θα μπορούσε να επιτευχθεί από μια αλ
Απάντηση
7-6
λαγή στην αλ/ηλουΧΊα
που εικονίΖετω στην Εικόνα
ωρείται ότι υπήρξε ο πρώτος αυτο-αντιγραφόμενος καταλύτης,
ραφής, η οποία βρίσκεται στο 3' άκρο του επόμενου ιντρονίου
παρόλο που στα σημερινά κύπαρα δεν αυτο-αντιγράφεται πλέ
Η2») και, επομένως, η αντίδρασητης συρραφής θ' αφαιρούσε
ον. Ωστόσο, είναι αμφιλεγόμενο αν αυτό αποτελεί «υποβάθμι
το Ε2 μαΖί με τα
ση». Σήμερα, το ΗΝΑ είναι πολύ περισσότερο από ένας απλός
mRNA.
αΥΥελιοφόρος: μόριο ΗΝΑ λειτουργούν ως εκκινητές για την α
πρωτεlνη, υπεύθυνη για τη χρόνιο θλίψη.
6)
και καταλύουν
Το
αναΖητούσε την επόμενη διαθέσιμη
7-15).
Το
ντιγραφή του ΟΝΑ (συΖητείται στο Κεφάλαιο
snRNP θ'
UAG
Η πρώτη φράση στην πραγματικότητα είναι σωστή: το ΗΝΑ θε
3'
θέση συρ
11 κω 12 κω θα οδηγούσε σ' ένα βραχυσμένο mRNA αυτό θα μεταφραΖόταν σε μια ελαπωματική
Επειδή τα
173 νουκλεοτίδιο
δεν ισοδυναμούν μ' έναν ακέ
ρωο αριθμό κωδlκονίων, η διαγραφή αυτού του εξονίου μετα
μερικές από τις πιο θεμελιώδεις διεργασίες των κυπάρων.
τοπίΖει το πλαίσιο ανάγνωσης στη συμβολή της συρραφής. Επο Απάντηση
7-7
μένως, η πρωτεlνη, του γέλιου θα παρασκευαΖόταν σωστά μόνο
Α. Λάθος. Όλα τα ριβοσωμάτια είναι ισοδύναμα και μπορούν
έως το τέλος του εξονίου ΕΙ Καθώς το ριβοσωμάτιο αρχίΖει να
να παράγουν οποιαδήποτε πρωτεΙνη κωδικοποιείται από το
μεταφράΖει αλ/ηλουχίες του εξονίου Ε3, θα βρίσκεται σ' ένα
συγκεκριμένο
διαφορετικό πλαίσιο ανάγνωσης κω επομένως θα παράγει μια
mRNA που
μεταφράΖουν. Μετά τη μετάφρα
ση, τα ριβοσωμάτια απελευθερώνoντaι από το μπορούν ν' αρχίσουν τη μετάφραση ενός νέου Β. Λάθος. Τα μόρια του
mRNA μεταφράΖΟνται
mRNA mRNA.
και
πρωτεϊνική αλ/ηλουχία άσχετη από την αλ/ηλουχία της πρω-
ως γραμμικά πο
λυμερή και δεν χρειάζεται να διπλώνονται σε συγκεκριμένες τρισδιάστατες δομές. Στην πραγματικότητα, οι σχετικές δομές που δημιουργούνται από το
mRNA μπορεί ν'
(Α)
mRNA γιο να διαβάσει
r---ι
αναστεί7Ίουν τη
11
μετάφραση επειδή το ριβοσωμάτιο υποχρεώνεται να ξεδιπλώ
σει το
173 bp
ΦYΣIOΛOΓlKO
5'
Γ. Λάθος. Οι υπομονάδες των ριβοσωματίων αλ/ΆΖουν ταίρι μετά
! ! !
συρραφή
το μήνυμα που περιέχεΙ.
καλύmρα Ι
Ε1
Ι
./'"'...
Ι
Ε2
από κάθε γύρο μετάφρασης. Μόλις ένα ριβοσωμάτιο απελευ θερωθεί από ένα μόριο
mRNA, οι δύο υπομονάδες
του διίστα
cap Ι
νται και περνούν σε μια «δεξαμενή» από ελεύθερες μικρές και
Ε1
νέων ριβοσωματίων κατά τη μετάφραση ενός νέου
mRNA.
(8)
3'
ΜΕΤΑΛΛΑΓΜΕΝΟ
11
5'
καλύmρα
h
,/
καλύmρα Ι
τητα της σύνθεσης και την ταχύτητα της αποδόμησής της, όχι
όμως και από την καταλυτική δραστηριότητά της.
----.
3'
Ε1
! ! Ι
Ε3
ΙΑΑΑ
μεταλλαγμένο ΑΝΑ
ι-lI~ .ι
7-8
Επειδή η απαλειφή στο
μ~Ταλλαγμένo γονίδιο
Ε1
Το ΗΝΑ περιέχει ουρακί7Ίη και όχι θυμίνη.
Η. Λάθος. Η ποσότητα μιος πρωτεΊνης εξαρτάται από την ταχύ
Απάντηση
12
!
~υρραφη
λώς διαφορετική σημασία και πιθανόν μιο αλ/ηλουχία χωρίς
2. Λάθος.
Ε3 ΙΑΑΑ mRNA
θέση συρραφής
εντε
νόημα.
ΙΑΑΑ
πρόδρομο ΑΝΑ
~
που θα χρησιμοποιηθεί ως εκμαγείο. Η μεταγραφή στην α
mRNA με
Ε3
μετόλ/αξη που αδρανοποιεί την
Ε. Λάθος. Η εντόπιση του υποκινητή καθορίΖει την κατεύθυνση
ντίθετη κατεύθυνση θα παρήγαγε ένα μόριο
3'
Ι
πρωτε"[νη του γέλιου
αλ/ά δεν περιβάλ/ονται από απλή μεμβράνη.
στην οποία θα εξελιΧθεί η μεταγραφή και τον κλώνο του ΟΝΑ
Ι
Ε2
μεγάλες υπομονάδες που χρησιμοποιούνται γιο σχηματισμό
Δ. Λάθος. Τα ριβοσωμάτια είναι κυπαροπλασματικά οργανίδια
συρραφή
./'"'...
mRNA της πρωτεΊνης
μεταλλαγμένη πρωτε"[νη
του γέλιου είνω ε
σωτερική ίσως προκλήθηκε από μια ανωμαλία στη διεργασία
ΕlκόναΑ7-8
Απαντήσεις
945
τείνης του ΥέΛιου που αντιστοιχεί στο εξόνιο Ε3. Πιθανότατα, το
μπορούσε να χρησιμοποιηθούν οι κανόνες του ΖευΥαρώματος
ριβοσωμάτιο θα συναντήσει σύντομα ένα κωδικόνιο τερματι
των βάσεων: Υια παράδεΙΥμα, 10 κωδικόνιο AUG δεν θα ΖευΥα
σμού (σε αλ/ηΛουχίες ΗΝΑ που δεν κωδικοποιούν πρωτε'ϊνες,
ρώσει με το ίδιο αντικωδικόνιο, όπως το
UGA.
κωδικόνια τερματισμού αναμένεται να βρίσκονται κατά μέσο ό ρο κάθε
21
κωδικόνια (ανάμεσα στα
64 κωδικόνια
του yενετι~
κού κώδικα υπάρχουν τρία κωδικόνια τερματισμού).
Aπάvτπση
7-13
Στα σημερινά κύπαρα υπάρχει κάποια ταλάντευση ως προς 10 ταίριασματων κωδικονίωνμε τα αντικωδικόνια: σε αρκετές πε
Aπάvτπση
7-9
ριπτώσεις, 10 ίδιο tRNA μπορεί να ΖευΥαρώσει με αρκετά κωδι από τις αλ/η
κόνια που διαφέρουν εΛαφρά ως προς την αλ/ηΛουχία των νου
Επειδή ο Υενετικός κώδικας είναι πΛεονάΖων,
κΛεοτιδίων τους. Φαίνεται ότι στον αρχέΥονο κόσμο όπου δεν
διάφορες αλ/ηΛουχίες νουκΛεοτιδίων μπορεί να κωδικοποιούν
υπήρχαν τα πολύ εξεΛΙΥμένα ριβοσωμάτια που σήμερα βοη
την ίδια αλ/ηΛουχία αμινοξέων.
θούν στο ΖευΥάρωμα, μπορεί να συνέβαινε επίσης και 10 αντί
Η πεπτιδική αΛυσίδα Λουχίες
1 και 4.
Arg-GIy-Asp κωδικοποιείται
στροφο: συΥκεκριμένα, αρκετά διαφορετικά μόρια tRNA με ε Aπάvτπση
Λαφρά διαφορετικά αντικωδικόνια μπορεί να προσδένονταν
7-10
Α. Λάθος. Οι δεσμοί δεν είναι ομοιοποΛικοί και Υια να σχηματι στούν δεν απαιτείται παροχή ενέΡΥειας.
κό Υια τη μετάφραση του Υενετικού μηνύματος σε πρωτε'ϊνη, ε
Β. Σωστό. Το αμινοακυΛο-tRΝΑ εισέρχεται στο ριβοσωμάτιο Γ. Σωστό. Το ριβοσωμάτιο μετακινείται κατά μήκος του
mRNA
tRNA που έχουν προσφέρει 10 αμινοξύτους στην
αυξανόμενη ποΛυπεmιδικήαΛυσίδα απεΛευθερώνονταιαπό 10
κτός και αν τα αμινοξέα που μεταφέρονταν απ' όΛα τα μόρια
tRNA, τα οποία
στη θέσηΑ.
και τα μόρια
στο ίδιο κωδικόνιο. Αυτό θα ήταν δυνατό ν' αποβεί καταστροφι
ριβοσωμάτιοκαι α~ό το mRNA.
ήταν ικανά να προσδεθούν στο ίδιο κωδικόνιο,
ήταν παρόμοια από χημική άποψη. Συνεπώς, η φυσική επιλΟΥή
πρέπει να εξασφάΛισε ότι τα
tRNA με
παρόμοια αντικωδικόνια
θα μεταφέρουν χημικώς παρόμοια αμινοξέα. Στον αρχέΥονο κόσμο, προτού εξεΛιΧθούν οι συνθετάσες των αμινοακύΛο-tRNΑ των σημερινών κυπάρων, ίσως υπήρχε επί
Aπάvτπση
7-11
σης κάποια «ταΛάντευση» ως προς το ταίριασμα των μορίων των
ΑvrΙΥραφri. Ορισμός του Λεξικού: η δημιουΡΥία ενός πιστού α
tRNA με τα κατάλ/ηΛα
ντΙΥράφου' ερμηνεία της μοριακής βιοΛΟΥίας: η διεΡΥασία δι
Ζε μ' ένα οποιοδήποτε από αρκετά, χημικώς παρόμοια, αμινο
αμινοξέα: το ίδιο
tRNA μπορεί να ταίρια
πΛασιασμού του ΟΝΑ. ΜετaΥραφri: Ορισμός του Λεξικού: η
ξέα. Έτσι, ο Υενετικός κώδικας πιθανόν εξελίΧθηκε με την επε
Υραφή σε νέα φυσική μορφή' ερμηνεία της μοριακής βιοΛο
ξεΡΥασία μιας διεΡΥασίας ταιριάσματος που στην αρχή ήταν α
Υίας: η αvrΙΥραφή των πΛηροφοριών που περιέχοvrαι στο ΟΝΑ
νακριβής και οδηΥούσε μόνο σε μια ασαφή σχέση ανάμεσα σε
σε ΗΝΑ. Μετάφραση: Ορισμός του Λεξικού: η μεταφορά προ
ομάδες περίπου παρόμοιων κωδικονίων και ομάδες περίπου
φορικού ή Υραπτού λόΥου από μια ΥΛώσσα σε μια άλ/η' ερμη
παρόμοιων αμινοξέων.
νεία της μοριακής βιοΛΟΥίας η διεΡΥασία του ποΛυμερισμού των αμινοξέων σε μια Υραμμική αλ/ηΛουχία που καθορίζεται α
Aπάvτπση
πό τη Υραμμική αλ/ηΛουχία των νουκΛεοτιδίων του
Το κωδικόνιο Υια την τρυπτοφάνη είναι
mRNA.
7-14 5' -UGG-3' . Επομέ Trp-tRNA περιέχει στη θηΛειά του αντι αλ/ηΛουχία 5' -CCA-3 ' . Αν αυτό το tRNA με
νως, ένα φυσιοΛΟΥικό Aπάvτπση
κωδικονίου την
7-12
Ένας κώδικας δύο νουκΛεοτιδίων θα καθόΡιζε αμινοξέα
(= 42)
16 διαφορετικά
και ένας κώδικας τριπί'ιέτας στον οποία η θέση
ταΛΛαχθεί έτσι ώστε το αντικωδικόνιό του να μετατραπεί σε
UCA, τότε θ'
αναΥνωρίΖει ένα κωδικόνιο
UGA και θα οδηΥεί σε
20 διαφο
ενσωμάτωση μιας τρυπτοφάνης αντί να προκαΛεί τερματισμό
+ + 4 δυ
της μετάφρασης. Ωστόσο, πολ/ές άλ/ες κωδικοποιητικές αλ/η
νατότητες με διαφορετικές και τις τρεις βάσεις). Και στις δύο πε
τισμού και επιπΛέον η μετάλ/αξη θα επηρέαΖε αυτές τις θέσεις
ριπτώσεις, αυτός ο μέΥιστος αριθμός αμινοξέων θα έπρεπε να ε
τερματισμού. Συνεπώς, όΛες αυτές οι πρωτεΤνες θα παράΥονταν
Λαπωθεί τουΛάχιστον κατά ένα, επειδή θα χρειαΖόταν να υπάρ
με επιπρόσθετα αμινοξέα στο καρβοξυτεΛικό άκρο τους. Το μή
χουν και κωδικόνια τερματισμού της μετάφρασης. Είναι σχετικά
κος των επιπρόσθετων τμημάτων εξαρτάται από τον αριθμό των
των νουκΛεοτιδίων δεν θα είχε σημασία θα καθόΡιζε ρετικά αμινοξέα
12 δυνατότητες
(= 4 δυνατότητες με ίδιες και τις τρεις βάσεις με δύο βάσεις ίδιες και μια διαφορετική
Λουχίες περιέχουν κωδικόνια
UGA ως κανονικά
σήματα τερμα
εύκοΛο να φαvrαστούμε πώς θα μπορούσε να μεταφραστεί ένας
κωδικονίων που θα «διάβαΖαν» τα ριβοσωμάτια πάνω στο
κώδικας δύο νουκΛεοτιδίων μ' έναν μηχανισμό παρόμοιο εκεί
mRNA στο
πΛαίσιο ανάΥνωσης που μεταφράΖεται η πρωτεΤνη
νου που χρησιμοποιείται στον κόσμο μας, αν υπήρχαν μόρια
προτού συναντήσουν ένα άλ/ο κωδικόνιο τερματισμού διαφο
tRNA με δύο μόνο σχετικές
ρετικό από το
βάσεις στη θηΛειά του αντικωδικονί
UGA.
ου. Είναι πιο δύσκοΛο να φανταστούμε πώς θα μπορούσε να με
7-15
ταφραστεί η αλ/ηΛουΧΊα μιας φιπiΊέτας νουκΛεοτιδίων αν η σει
Aπάvτπση
ρά τους δεν είχε σημασία, επειδή στην περίmωση αυτή δεν θα
Ένας αποτεΛεσματικός φόπος Υια να προωθηθεί μια αντίδρα-
946
Απαντήσεις
ση μέχρι την ολοκλήρωσή της είναι ν' αφαιρεθεί ένα από τα
νός αμlνοξέος, αλλά δεν μεταβάλλει το πλαίσιο ανάγνωσης. Το
προϊόντα ώστε να μην μπορεί να συμβεί η αντίστροφη αντίδρα
αμινοξύ αυτό μπορεί να είναι ή να μην είναι σημαντικό για την
ση. Το ΑΤΡ περιέχει δύο δεσμούς υψηλής ενέργειας που συν
mύχωση ή τη δράση της πρωτεΙνης. Πολλές φορές, οι μεταλλά
δέουν τις τρεις φωσφορικές ομάδες. Στην αναγραφόμενη αντί
ξεις αυτού του είδους είναι σιωπηρές, δηλαδή έχουν μικρές ή
δραση απελευθερώνεται ΡΡί, που αποτελείται από δύο φωσφο
καθόλου επιπτώσεις στον οργανισμό. Η αντικατάσταση ενός
ρικές ομάδες οι οποίες συνδέονται με έναν από αυτούς τους δε
νουκλεοτιδίου από ένα άλλο [σενάριο (Ε)] συχνά είναι εντελώς
σμούς υψηλής ενέργειας. Επομένως, το ΡΡί μπορεί να υδρολυ
αθώα και δεν προκαλεί καν μεταβολή στην αλ/ηλουΧία των αμι
θεί με σημαντικό κέρδος ελεύθερης ενέργειας και έτσι ν' αφαι
νοξέων. Άλλοτε μπορεί να μεταβάλλει ένα αμινοξύ στην αλ/η
ρεθεί αποτελεσματικά. Αυτό συμβαίνει γρήγορα στα κύτταρα
λουΧία της πρωτεινης και, τέλος, στη χειρότερη περίπτωση, μπο
και, έτσι, οι αντιδράσεις που παράγουν ΡΡί και μετά το υδρoλU
ρεί να δημιουργήσει ένα νέο κωδlκόνιο τερματισμού και να ο
ουν είναι πρακτικά μη αντιστρεmές (βλ. Κεφάλαιο
δηγήσει σε μια κολοβωμένη πρωτεΙνη.
Aπόνmσn
3).
Aπόνmσn
7-16
Α. Ένα μόριο τιτίνης αποτελείται από
25,000 αμινοξέα.
Επομέ
7-18
Όπως φαίνεται στην Εικόνα
7-17, το
σχεδιάγραμμά σας θα έ
νως, η σύνθεση ενός μορίου τιτίνης σ' ένα μυϊκό κύτταρο
πρεπε να συμπεριλαμβάνει τα εξής βήματα:
διαρκεί περίπου
snRNP στο
3.5 ώρες.
Β. Εξαιτίας του μεγάλου μεγέθους του, η πιθανότητα να παρα χθεί ένα μόριο τιτίνης χωρίς λάθος είναι μόλις
(1) πρόσδεση του RNA, (2) σχηματισμός λάσου και κοπή συρραφής, (3) κοπή της 3<Ε θέσης συρραφής,
πρόδρομο
της 5<Ε θέσης
σύνδεση των αλληλουχιών των δύο εξονίων και απελευθέρωση
0.08 [= (110-4)25,000]. δηλαδή, μόνο 8 στα 100 παραγόμενα μόρια τιτί
του συρραμένου
νης είναι απαλλαγμένα από λάθη. Αντίθετα, πάνω από το
ντικό να συγκρατείται πάνω στο 5<Ε εξόνιο μετά την πρώτη αντί
97% των νεοσυντεθειμένων
δραση κοπής ώστε να είναι δυνατή η σύνδεσή του με το 3<Ε ε
πρωτεϊνών συνήθους μεγέθους
mRNA.
Το σύμπλοκο του
snRNP είναι
σημα
ξόνιο στο επόμενο βήμα. Αν η αντίδραση διεκπεραιωνόταν από
παράγονται χωρίς λάθος.
Γ. Η επίπτωση των λαθών περιορίζει το μέγεθος των πρωτεϊνών
ξεχωριστά ένΖυμα, θα μπορούσε να συμβεί ανάμειξη των εξο
που μπορεί να συντεθούν με ακρίβεια. Όπως συμβαίνει και
νίων ενός πρωτογενούς μεταγράφου και σύνδεσή τους με τα ε
με την τηίνη, ένα μεγάλο κλάσμα
ξόνια ενός άλλου μεταγράφου.
(87%)
των νεοσυντεθειμέ
νων μορίων της υποθετικής γιγαντιαίας ριβοσωματικής πρω τεινΌς αναμένεται να περιέχει τουλάχιστον ένα λάθος. Οι ρι βοσωματικές πρωτεινες συμφέρει να συντίθεται ξεχωριστά, ε πειδή με αυτόν τον τρόπο η αναλογία των μορίων της καθε
Κεφάλαιο
8
μιάς που θα περιέχουν λάθη θα είναι μικρή. Αυτά τα ελαττω
Aπόνmσn8-1
ματικά μόρια μπορεί να εξαλειφθούν, έτσι ώστε συνολικά το
Επαφές μπορεί να πραγματοποιηθούν ανάμεσα στην πρωτεινη
ριβοσωμάτιο να μην περιέχει λάθη.
και στα άκρα των Ζευγών των βάσεων που είναι εκτεθειμ~να στη
Δ. Για να υπολογίσουμε το χρόνο που χρειάΖεται η μεταγραφή
του
ffiRNA για την τιτίνη πρέπει να γνωρίΖουμε
το μέγεθος του
μείζονα αύλακα του DΝΑ (βλ. ΕικόναΑ8-1). Οι δεσμοί που ευθύ νονται για τις ειδικές επαφές είναι δεσμοί υδρογόνου και μια υ
αντίστοιχου γονιδίου, το οποίο πιθανώς θα περιέχει πολλά ι
δρόφοβη αλληλεπίδραση που μπορεί να αναmυχθεί με τη μεθυ
ντρόνια. Η μεταγραφή μόνο των εξονίων διαρκεί περίπου
42
λοομάδα του πυριμιδινlκού δακτυλίοi.J της Τ. Παρατηρείστε ότι η
λεπτά της ώρας. Επειδή τα ιντρόνια μπορεί να είναι αρκετά με
διάταξη των δοτών και των δεκτών για τον σχηματισμό δεσμών υ
γάλα, ο χρόνος που απαιτείται για τη μεταγραφή ολόκληρου
δρογόνου ενός Ζεύγους Τ-Α είναι διαφορετική από την αντίστοι
του γονιδίου μάλλον θα είναι αρκετά μεγαλύτερος.
χη διάταξη για ένα Ζεύγος Τ και
Aπόνmσn
7-17
G-C.
C-G. Το ίδιο ισχύει
και για τα Ζεύγη Α
Εκτός από τις επαφές που παρουσιάζονται στην Εικό
να Α8-1, οι αλ/ηλεπιδράσεις DΝΑ-πρωτείνης συνήθως σταθερο
Πιο επιβλαβείς είναι οι μεταλλάξεις που περιγράφονται στο (Β)
ποιούνται από ιοντικές αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στις θετικά
και στο (Δ). Και στις δύο περιπτώσεις, θα άλλαΖε το πλαίσιο α
φορτισμένες πλευρικές αλυσίδες της πρωτείνης και στις αρνητικά
νάγνωσης και επειδή η μετατόπιση του πλαισίου συμβαίνει κο
φορτισμένες φωσφορικές ομάδες του σκελετού του DΝΑ.
ντά στην αρχή ή στο μέσο της κωδlκοποιητικής αλληλουχίας,
μεγάλο μέρος της πρωτεινης θα περιέχει μια αλ/ηλουΧΊα χωρίς
Aπόνmσn8-2
νόημα ή μια κολοβωμένη αλ/ηλουΧΊα αμινοξέων. Αντίθετα, αν
Α. Το υπεριώδες φως πυροδοτεί τη μετάβαση από τον προφάγο
μια μετατόπιση του πλαισίου ανάγνωσης συμβεί κοντά στο τέ
στη λυτική κατάσταση: όταν αποδομηθεί η πρωτείνη
c1
πα
λος της κωδlκοποιητικής αλληλουχίας [όπως περιγράφεται στο
ράγεται η πρωτεινη
σενάριο (Α)], η πρωτεινη που θα προκύψει θα είναι σωστή σε
νέων μορίων της πρωτεινης
μεγάλο βαθμό και ίσως είναι λειτουργική. Η απαλειφή τριών
πρωτεινες του περιβλήματος οπότε σχηματίΖονται νέα σωμα
διαδοχικών νουκλεοτιδίων [σενάριο (Γ)] οδηγεί σε διαγραφή ε-
τίδια του ιού.
cro,
η οποία αναστέλλει την παραγωγή
c1.
Ο ιός αρχίΖει να παράγει
Απαντήσεις
947
υδρόφοβη
του είδους βρίσκονται τόσο mους προκαρυώτες όσο και mους ευκαρυώτες και εμπλέκονται σε ποίΊίΊά παραδείγματα μεταγρα φικής ρύθμισης.
Aπdvmσn8-4 θυμινηΑ
'"
~ q
~
Λάθος. Από μεμονωμένα κύπαρα καρότου αναπτύσσονται καρό
Ο
Ν"'-::
Ι
ΗΙ
ι
11
~
Ν
βατΡάχουν σε ωάρια βατράχου αναπτύσσονται γυρίνοι Όμως, α
Ηι
Η"'-/):Ν"Ν'ΗΙΙΙΙΙΙΟ
't
τα και από την ένεση πυρήνων από διαφοροποιημένα κύπαρα
Ο ΙΙΙΙΙΙΙΗ11
πό τα ωάρια του βατράχου δεν αναπτύσσονται ποτέ γυρίνοι
orllllllN Aπdvmσn8-5
ά
Α. Λάθος. Τα βακτήρια έχουν μόνο μια ΗΝΑ πολυμεράση που
\ "δ'~ (-{ΙΙ'11ΙΙΗ-
~
μεταγράφει όλα τα γονίδια. Αντίθετα, τα ευκαρυωτικά κύπα
~ω,,~
ρα έχουν τρεις διαφορετικές πολυμεράσες η καθεμία από τις οποίες μεταγράφει μια ορισμένη κατηγορία γονιδίων. Β. Σωmό. Τα προκαρυωτικά
mRNA συχνά
είναι μετάγραφα ο
λόκληρων οπερονίων. Τα ριβοσωμάτια μπορούν ν' αρχίσουν
fι Η Η uτοσίνηJ~
f
~
8' ~
Ο
να μεταφράΖουν σε εσωτερικές θέσεις λυσιmρονικών»
ι Η Ν
Ν
Ι Η Ν
% Η/ lί~ ~ Ν ά
Εικόνα
AUG 7-33).
αυτών των «πο
Γ. Σωmό. Η μείζων αύλακα του δίκλωνου ΟΝΑ είναι αρκετά ευ
~.,~, /ΗΙΙΙΙΙΙΟ Ν
mRNA (βλ.
ρεία και επιτρέπει σε μια πρωτεϊνική επιφάνεια, όπως η μια
orllllllN
πλευρά μιας α-έλικας, ν' αποκτήσει πρόσβαση
ma Ζεύγη των
βάσεων.
Η Ι Ο ΙΙΙΙΙΙΙΗ-
Δ. Σωmό. Είναι επωφελές να ασκείται έλεγχος
mo
κατά το δυ
νατόν πιο πρώιμο σημείο μιας οδού. Έτοι εξοικονομείται με
ταβολική ενέργεια, εφόσον δεν παράγονται περιπά προϊόντα.
\\'0':'" (Ν-{ΙΙΙΙ'Η~
Ε. Λάθος. Τα άτομα ψευδαργύρου mις περιοχές με δομή δα κτύλου ψευδαργύρου είναι απαραίτητα για τη σωmή πτύχω
~=~
ση της πρωτεϊνικής περιοχής. ΕντοπίΖΟνται στο εσωτερικό
αυτών των πρωτεϊνών και δεν έρχονται σε επαφή με το ΟΝΑ.
Aπdvmσn8-6 Με βάση όσα γνωρίΖουμε για τους ενισχυτές, θ' αναμέναμε η
Εικόνα Α8-1
Β. Όταν πάψει η έκθεση
λεnουργία τους να είναι σχετικά ανεξάρτητη από την απόmασή
mo
υπεριώδες φως, ο ιός παραμένει
σε λυτική κατάmαση. Επομένως, οι πρωτε'ϊνες
c1 και αο σχη
ματίΖουν έναν ρυθμιmικό γονιδιακό διακόπτη που «θυμάται» την προηγούμενη κατάmασή του.
Γ. Ο διακόπτης αυτός έχει ιδιαίτερη σημασία για τον κύκλο της
Ζωής του ιού: το υπεριώδες φως μπορεί να προξενήσει βλάβες
mo
βακτηριακό ΟΝΑ (βλ. Εικόνα
6-24)
και έτσι να κάνει το
βακτήριο έναν αναξιόπιmο ξενιmή για τον ιό. Επομένως, ένας ιός σε κατάmαση προφάγου μπορεί να μεταπέσει σε λυτική
κατάmαση και να εγκαταλείψει ένα ακτινοβολημένο κύπαρο για ν' αναΖητήσει νέα κύπαρα-ξενιmές τα οποία θα μολύνει
Aπdvmσn8-3 Οι πρωτείνες που κάμπτονται συμβάίΊίΊουν
mo
συμπλησίασμα
ρυθμιστική πρωτείνη
περιοΧών του ΟΝΑ οι οποίες αίΊίΊιώς θα έρχονταν σε επαφή κα
τά μη αποτελεσματικό τρόπο (Εικόνα Α8-3). Γlρωτείνες αυτού
948
Απαντήσεις
Εικόνα Α8-3
ιδιαίτερα σταθερή mυΧή στην πολυπεπτιδική αλυσίδα που τοπο
ενισχυτής στον οποίο έχει προσδεθεί μια ρυθμιστική πρωτεινη
θετεί κατάλληλα μια α-έλικα πάνω στην επιφάνεια της πρω τείνης ώστε να μπορεί να εισχωρήσει στη μείΖονα αύλακα της ΟΝΑ έλικας και να έλθει σ' επαφή με τα Ζεύγη των βάσεων (βλ
Εικόνα
8-5).
Απάvmση8-8 Α. Όταν τα κύτταρα περιέχουν αρκετή τρυπτοφάνη, ο κατα στοίΊέας της Τrp καταστέλ/ει τη σύνθεση των ενΖύμων που θα παρήγαγαν περισσότερη τρυπτοφάνη. Παρομοίως, αν
τα κύτταρα είχαν έλ/ειμμα τρυπτοφάνης, ο καταστοίΊέας δεν θα ήταν κατειλημμένος και δεν θα προσδένονταν στο
DNA,
55 bp
οπότε θα επάγονταν τα ένΖυμα που συνθέτουν Τrp.
Αυτή η απλή και κομψή μορφή αναστολής με ανάδρομη
τροφοδότηση επιτρέπει στα κύτταρα να προσαρμόΖουν την ταΧύτητα σύνθεσης της τρυπτοφάνης σύμφωνα με τις ανά γκες τους.
Β. Η μεταγραφή των γονιδίων που κωδικοποιούν τα βιοσυνθε τικά ένΖυμα της τρυπτοφάνης δεν θα ρυθμΙΖόταν πλέον από
60 bp
την παρουσία ή την απουσία της τρυπτοφάνης: στο σενάριο
ΕlκόναΑ8·6
(i)
θα ήταν μόνιμα ενεργοποιημένα, ενώ στο σενάριο
(ii)
μό
νιμα απενεργοποιημένα.
Γ. Στο σενάριο τους από τη θέση πρόσδεσης της ΗΝΑ πολυμεράσης, με μια πι
(i), τα
φυσιολογικά μόρια του καταστοίΊέα της
τρυπτοφάνης θ' αποκαθιστούσαν πλήρως τη ρύθμιση των
θανή εξασθένιση σε μεγαλύτερες αποστάσεις. Το αξιοπρόσεκτο
βιοσυνθετικών ενΖύμων της τρυπτοφάνης. Αντίθετα, η έκ
χαρακτηριστικό των δεδομένων (τα οποία έχουν ΠΡOσαρμoσtεί
φραση της φυσιολογικής πρωτεωης δεν θα είχε καμία επί
από ένα πραγματικό πείραμα) είναι η περιοδικότητα: ο ενισχυ
δραση στο σενάριο (ίΟ, επειδή οι θέσεις πρόσδεσης του κα
τής έχει μέγιστη δραστικότητα σε ορισμένες αποστάσεις από τη
ταστολέα της Τrp πάνω στο ΟΝΑ θα παρέμεναν μόνιμα κατει
θέση πρόσδεσης της ΗΝΑ πολυμεράσης
λημμένες από τη μεταλ/αγμένη πρωτείνη.
(50, 60 ή 70 νουκλεο
τίδια), ενώ είναι σχεδόν ανενεργός στις ενδιάμεσες αποστάσεις
(55 ή 65 νουκλεοτίδια).
Η περιοδικότητα του
10 υποδηλώνει
ό
Απάντηση
8-9
τι το μυστήριο μπορεί να ερμηνευθεί από την εξέταση της δομής
Η συγγένεια του διμερούς καταστοίΊέα λ για τη θέση όπου προσ
του δίκλωνου
βάσεων ανά
δένεται είναι η συνισταμένη όλων των αλ/ηλεπιδράσεων που
στροφή.-Έτοι, αν ο ενισχυτής τοποθετούνταν στην αντίθετη
DNA, που περιέχει
περίπου
10 Ζεύγη
πραγματοποιούνται από κάθε πρωτείνη πρόσδεσης του ΟΝΑ.
πλευρά του ΟΝΑ από την πλευρά που βρίσκεται ο υποκινητής
Κάθε ξεχωριστή περιοχή πρόσδεσης πραγματοποιεί τις μισές ε
(Εικόνα Α8-6), θα δυσχεραινόταν η αλ/ηλεπίδρασή του με τις
παφές και παρέχει ακριβώς τη μισή ενέργεια πρόσδεσης. Συνε
πρωτείνες που έχουν προσδεθεί στον υποκινητή. Σε μεγαλύτε
πώς, παρότι η συγκέντρωση των περιοΧών πρόσδεσης παραμέ
ρη απόσταση, η αρνητική επίπτωση ελαττώνεται καθώς υπάρχει
ναι αμετάβλητη, η πρόσδεσή τους ως μονομερή είναι ασθενής
περισσότερο ΟΝΑ που μπορεί ν' απορροφήσει την τάση της
με συνέπεια να μην μπορούν ν' ανταγωνιστούν για πρόσδεση
στρέβλωσης.
στην
RNA πολυμεράση.
Έτσι, ενεργοποιούνται τα γονίδια για
τη λυτική αύξηση.
Απόvmση8-7
Δύο πλεονεκτήματα των πρωτεϊνών που προσδένονται στο ΟΝΑ
Απάvmση
ως διμερή είναι τα εξής:
η συγγένεια σύνδεσης μπορεί να εί
Η λειτουργία των γονιδίων arg είναι να συνθέτουν αργινίνη. Ό
ναι πολύ μεγάλη επειδή ο αριθμός των δυνητικών επαφών με το
ταν αφθονεί η αργινίνη, η έκφραση των βιοσυνθετικών γονι
ΟΝΑ είναι διπλάσιος από τον αντίστοιχο αριθμό για μια μονο
δίων πρέπει να διακόπτεται. Επειδή η πρωτείνη
μερή πρωτεΊνη. (ίί) αρκετές διαφορετικές πρωτείνες μπορεί να
καταστολέας, η πρόσδεση της αργινίνης αυξάνει τη συγγένειά
συνδυαστούν με πολ/ούς τρόπους ώστε ν' αυξηθούν οι πιθανές
της για τις ρυθμιστικές θέσεις των γονιδίων αφήνοντάς την να
(i)
8-10
ArgR δρα
ως
ρυθμιστικές δυνατότητες των κυττάρων . Τρία από τα συχνότερα
προσδεθεί και ν' αναστείλει την έκφραση των γονιδίων. Αν η
χρησιμοποιούμενα δομικά μοτίβα που εμπλέκονται στην πρόσ
ArgR δρούσε
δεση με το ΟΝΑ είναι τα φερμουάρ της λευκίνης, οι ομοιοτικές
οδηγούσε σε ελάττωση της συγγένειάς της, αναστολή της πρόσ
περιοΧές και οι δάκτυλοι ψευδαργύρου. Το καθένα παρέχει μια
δεσης και διακοπή της έκφρασης των γονιδίων.
ως ενεργοποιητής, η πρόσδεση της αργινίνης θα
Απαντήσεις
949
Απάvmση 8-11
δραmικότητά τους ελέγχεται από ενδοκυπάρια ή εξωκυπάρια
Τα αποτελέσματα αυτού του πειράματος mηΡίΖουν το μοντέλο
σήματα (π.χ. από την παρουσία θρεπηκών ουσιών, όπως για τον
δημιουργίας αγκυλών (θηλιών) του
DNA, οι οποίες
δεν θα επη
ρεάΖονταν από την πρωτεϊνική γέφυρα (η οποία, εξάλ/ου αφή
νει το
DNA να σχηματίσει θηλιά). Το μοντέλο «σάρωσης» (scanning model) ή μοντέλο της εισόδου (entry site model) θα επηρε
καταmολέα της
Trp,
ή ορμονών, όπως για τον υποδοΧέα των
γλυκοκορηκοειδών), προσαρμόΖοντας έτσι το μεταγραφικό πρόγραμμα σύμφωνα με ης φυσιολογικές ανάγκες του κυπά
ρου. Επιπλέον, μια ρυθμιmική πρωτε1\ιη συνήθως ρυθμίΖει την
αΖόταν από το είδος της σύνδεσης μεταξύ ενισχυτή-υποκινητή.
έκφραση πολ/ών διαφορεηκών γονιδίων. Οι ρυθμιmικές πρω
Αν οι πρωτεΤνες εισέρχονταν
και μετακινούνταν
τε1\ιες συχνά χρησιμοποιούνται σε ποικίλους συνδυασμούς και
προς τον υποκινητή θα έπρεπε να διασΧίσουν την πρωτεϊνική
η μια μπορεί να επηρεάσει τη δραmlκότητα της άλλης. Έτσι, αυ
γέφυρα, κάη που ίσως παρουσιάσει δυσκολίες.
ξάνονται περαιτέρω οι δυνατότητες για ρύθμιση της έκφρασης
mov ενισχυτή
των γονιδίων από μια μικρή ομάδα πρωτεϊνών. Παρό7\' αυτά, το
Απάvmση
8-12
κύπαρο αφιερώνει ένα μεγάλο μέρος του γονιδιώματός του
Το πείραμα αυτό έδειχνε όη ένα διαφοροποιημένο κύπαρο που
mov έλεγχο της μεταγραφής:
παραλαμβάνεται από έναν εξειδικευμένο ιmό μπορεί ν' αναδη
ευκαρυωηκών κυπάρων κωδικοποιούν ρυθμιmικές πρωτεΤνες.
περίπου το
10% των γονιδίων των
μιουργήσει έναν ολόκληρο οργανισμό. Αυτό αποδεικνύει όη το κύπαρο πρέπει να περιέχει όλες ης πληροφορίες που απαιτού
νται για την παραγωγή ενός οργανισμού, συμπεριλαμβανομέ νων όλων των εξειδικευμένων κυπαρικών τύπων του. Βλ Εικό
να
Κεφάλαιο
9
Απάvmση9-1
8-2.
Η απάντηση είναι όη το κύπαρο πρέπει να διατηρεί μια ισορρο Απάvmση
8-13
πία ανάμεσα
mn
mαθερότητα και την αλ/αγή. Αν η επίπτωση
Από τέσσερις διαφορεηκές Ρυθμιmικές πρωτε1\ιες θα μπορού
μεταλλάξεων ήταν πολύ υψηλή, ένα είδος τελικά θα εξαλειφό
σε να δημιουργηθούν
είδη κυπάρων (τα
παρουσιάΖΟνται
άλ/α
8 που
ταν επειδή όλα τα μέλη του θα συσσώρευαν πάρα πολ/ές με
θα δημιουρ
ταλ/άξεις σε γονίδια απαραίτητα για την επιβίωση. Για να είναι
γούνταν από την προσθήκη μιας επιπλέον Ρυθμιmικής πρω
ένα είδος επιτυχημένο (από εξελικηκή άποψη), τα μέλη του
τε1\ιης). Από μόνη της, η
πρέπει να έχουν καλή γενεηκή μνήμη, δηλαδή ν' αντιγράφουν
16 διαφορεηκά mnv Εικόνα 8-22 και
8 που
MyoD επαρκεί για την επαγωγή της έκ
φρασης γονιδίων ειδικών για τα μυϊκά κύπαρα μόνο σε ορισμέ
το
να είδη κυπάρων, όπως μερικά είδη ινοβλαmών. Επομένως, η
εισάγουν μεταλλάξεις. Αν η αλ/αγή οδηγεί σε κάποια βελτίωση
δράση της
θα παραμείνει με επιλογή. Αν αποδειχθεί κατοmΡοφική, τότε ο
τοι
συγκεκριμένος οργανισμός που υπήρξε το άτυχο θύμα του πει
MyoD είναι συμβατή με το μοντέλο που παρουσιάΖε mnv Εικόνα 8-22: για παράδειγμα, αν ΤΟ μυϊκά κύπαρα κα θορίΖονταν από τον συνδυασμό των Ρυθμιmικών πρωτεϊνών 1, 3 και MyoD, τότε η προσθήκη της MyoD θα μετέτρεπε σε μυϊκά κύπαρα μόνο δύο από τα είδη κυπάρων της Εικόνας 8-22 (τα μυϊκά κύπαρα F και Η).
DNA τους με πιmότητα,
επιπλέον όμως σποραδικά πρέπει να
ράματος της φύσης θα πεθάνει, αλ/ά ο υπόλοιπος πληθυσμός θα εΠΙΖήσει.
Απάvmση9-2 Στους μονοκύπαρους οργανισμούς, το γονιδίωμα είναι η βλα
Απάvmση
8-14
mική σειρά και κάθε τροποποίηση μεταβιβάΖεται
mnv επόμενη
Η επαγωγή ενός ενεργοποιητή γονιδίων που διεγείρει την ίδια
γενεά. Αντίθετο, mους πολυκύπαρους οργανισμούς, ΤΟ περισ
τη σύνθεσή του μπορεί να δημιουργήσει μια αγκύλη θεηκής α
σότερα κύπαρα είναι σωμαηκά και δεν πραγματοποιούν καμιά
νάδρασης που δυνηηκά οδηγεί σε κυπαρική μνήμη. Η συνεχι
συνεισφορά
Ζόμενη αυτοδιεγειρόμενη σύνθεση του ενεργοποιητή Α μπορεί
τών των κυπάρων με ΟΡΙΖόντια μεταφορά γονιδίων δεν θα είχε
θεωρηηκά να διαρκέσει επί πολ/ές γενεές, ως συνεχής υπό
επιπτώσεις για την επόμενη γενεά. Τα βλαmικά κύπαρα συνή
μνηση ενός συμβάντος από το μακρινό παρελθόν. Αντίθετα, η
θως διατηρούνται απομονωμένα
επαγωγή ενός καταmολέα γονιδίων ο οποίος αναmέλ/ει την ί
ρων οργανισμών. Έτσι ελαχιmοποιείται η επαφή τους με ξένα
δια τη σύνθεσή του δημιουργεί μια καμπύλη αρνηηκής ανάδρα
κύπαρα, ιούς και
σης που εξασφαλίΖει μια εφήμερη απάντηση σ' ένα παροδικό ε
επιπτώσεις της ΟΡΙΖόντιας μεταφοράς γονιδίων.
ρέθισμα. Επειδή ο καταmολέας
R αναmέλ/ει τη σύνθεσή του, mnv κατάmαση που βρισκό
mnv επόμενη
DNA,
γενεά. Συνεπώς, η τροποποίηση αυ
mo εσωτερικό
των πολυκύπα
οπότε το είδος προφυλάσσεται από ης
το κύπαρο γρήγορα θα επανέλθει
Απάvmση9-3
ταν πριν το παροδικό σήμα.
Είναι μάλ/ον απίθανο κάποιο γονίδιο εξαρΧής να δημιουργή
θηκε άΡιmα προετοιμασμένο για τη λειτουργία του. Απάντηση
8-15
Πολ/ές ρυθμιmικές πρωτε1\ιες παράγονται συνεΧώς
όη τα πολύ διατηρημένα γονίδια, όπως τα γονίδια του ριβοσω
mo κύπα
ρο: αυτό σημαίνει όη η έκφρασή τους είναι ιδιοσύmατη και όη η
950
Απαντήσεις
nlmEISETOl
μαηκού
RNA, τελειοποιήθηκαν
με πολύ ταχύτερες εξελικηκές
αλ/αγές κατά την εξέλιξη του κοινού προγόνου των αρχαιοβα-
ΚΤηρίων, των ευ Βακτηρίων και των ευκαρυωτών. Επειδή τα ρι
νείς ανωμαλίες. Εκτός από πολύ ειδικές ανωμαλίες, συνήθως
Βοσωματικά ΗΝΑ (όπως και τα προϊόντα των περισσότερων
είναι δύσκολο να εξαΧθούν συμπεράσματα για τη λειτουργία ή
πολύ διατηρημένων γονιδίων) συμμετέχουν σε θεμελιώδεις
την κατηγορία της λειτουργίας. Επίσης, συχνά η σχέση είναι πο
διεργασίες που τελειοποιήθηκαν από νωρίς, δεν υπήρξε εξε
λύ έμμεση και γίνεται σαφής μόνο αφότου καθοριστεί η λει
λικτική πίεση (ούτε και περιθώριο) για αλλαγές. Αντίθετα, στα
τουργία του γονιδίου.
λιγότερο διατηρημένα
γονίδια συ
Με ποιες άλ/ες πρωτείνες αλ/ηλεπιδρά η κωδικοποιούμενη
νεΧώς παρουσιάΖονταν ευκαιρίες για εκπλήρωση νέων λει
πρωτείνη; Για να επιτελέσουν τη λειτουργία τους, οι πρωτεΊνες
τουργικών ρόλων. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι τα γονί
συχνά αλληλεπιδρούν με άλλες πρωτεΊνες που εμπλέκονται
δια σφαιρίνης, τα οποία στα πλακουντιακά θηλαστικά εξελί
στην ίδια ή σε πολύ παρεμφερείς διεργασίες. Αν αναΥνωριστεί
-
ταΧύτερα εξελισσόμενα
-
Χθηκαν για τη μεταφορά οξυγόνου ειδικά στα έμΒρυα ή στους
μια αλληλεπιδρώσα πρωτείνη και αν η λειτουργία της είναι ήδη
ενηλίκους.
Υνωστή (από προηγούμενες μελέτες ή από την αναΖήτηση σε
Andvmσn9-4
Ζεται σημαντικά.
Βάσεις δεδομένων) το εύρος των πιθανών λειτουργιών περιορί Τα μεταθετά στοιχεία θα μπορούσε να προσφέρουν δυνατότη
Mεrαλ/άξεις σε ποια άλ/α γονίδια μπορεί να KαrαστειΛoυν τις
τες για ομόλογο ανασυνδυασμό και έτσι να προκαλούν αναδια
επιmώσεις των μεrαλ/άξεων στο άγνωστο γονίδιο; Η αναΖήτη
τάξεις του γονιδιώματος. Θα μπορούσε να ενσωματωθούν σε
ση κατασταλτικών γονιδίων Βοηθά πολύ στη διερεύνηση της
γονίδια, καταργώντας θέσεις συρραφής και μεταΒάλλοντας έτσι
λειτουργίας των γονιδίων σε μικροοργανισμούς, όπως τα Βα
τη δομή του γονιδίου. Επίσης, θα μπορούσε να ενσωματωθούν
κτήρια και οι Ζυμομύκητες. Προς το παρόν, όμως, δεν εφαρμό
στη ρυθμιστική περιοχή ενός γονιδίου: στην περίπτωση αυτή η
Ζεται εύκολα στον ποντικό ή στους περισσότερους ανώτερους
ενσωμάτωση ανάμεσα σ' έναν ενισχυτή και σε μια αφετηρία με
ευκαρυώτες. Η λογική αυτής της προσέΥΥισης είναι ανάλογη με
ταγραφής θα μπορούσε ν' αναστείλει Τη λειτουργία του ενισχυ
τη λογική Της αναΖήΤησης σχεΤΙΖόμενων πρωτεϊνών: τα γονίδια
τή και έτσι να περιορίσει Την έκφραση του γονιδίου. Επιπλέον,
που αλληλεπιδρούν γενετικά συχνά εμπλέκονται στην ίδια ή σε
το ίδιο το μεταθετό στοιχείο θα μπορούσε να περιέχει έναν ενι
μια πολύ παρεμφερή διεργασία. Η αναΥνώριση ενός τέτοιου
σχυτή και έτσι να μεταΒάλλει τη χρονική περίοδο και τις θέσεις
γονιδίου και η Υνώση Της λειτουργίας του παρέχει σημαντικές
στις οποίες θα εκφραστεί το γονίδιο στον οργανισμό.
ενδείξεις για Τη λειτουργία του άΥνωστου γονιδίου. Η απάντηση σε καθένα από τα παραπάνω ερωτήματα προϋ
Andvmσn9-5
ποθέτει εξειδικευμένη εργαστηριακή εμπειρία και πολύ χρόνο.
Δεν είναι απλό να καθοριστεί η λειτουργία ενός γονιδίου όταν
Έτσι, δεν είναι περίεργο ότι η πρόοδος είναι πολύ ταΧύτερη ό
δεν υπάρχει καμιά ένδειξη, ούτε και υπάρχει «συνταγή" για κάτι
ταν προκύψει κάποια ένδειξη για τη λειτουργία του γονιδίου α
τέτοιο. Ωστόσο, υπάρχουν ποικίλα πρότυπα ερωτήματα που
πλώς από την αναΥνώριση ενός παρόμοιου γονιδίου με Υνωστή
Βοηθούν στη λύση. Στη συνέχεια παραθέτουμε ορισμένα από
λειτουργία σε μια Βάση δεδομένων.
αυτά τα ερωτήματα.
Σε Π010ύς ιστούς εκφράΖεται το γονίδιο; Αν το γονίδιο εκ φράΖεται σε όλους τους ιστούς, μάλλον έχει γενική λειτουργία.
Andvmσn9-6 Χάρη στην ικανόΤητά τους να διευκολύνουν το γενετικό ανα
Αν εκφράΖεται σ' έναν ή λίγους ιστούς, η λειτουργία του μάλ
συνδυασμό, τα μεταθετά στοιχεία σαφώς έπαιξαν σημαντικό
λον είναι πιο εξειδικευμένη και ίσως σχετίΖεται με την εξειδι
ρόλο στην εξέλιξη των σύγχρονων οργανισμών. Τα μεταθετά
κευμένη λειτουργία των ιστών. Αν το γονίδιο εκφράΖεται απο
στοιχεία επιταΧύνουν την εξέλιξη, πρόάγοντας τον διπλασιασμό
κλειστικά στο έμΒρυο και όχι στον ενήλικο, ίσως εμπλέκεται
γονιδίων ή τη δημιουργία νέων γονιδίων με ανακάτεμα εξο
στην ανάπτυξη.
νίων. Επίσης μπορεί ν' αλλάξουν το πρότυπο έκφρασης των γο
Σε Π010 διαμέρισμα του κυπάρου εκφράΖεται το γονίδιο; Η ε
νιδίων. Παρόλο που η μετακίνηση ενός μεταθετού στοιχείου
ντόπιση μιας πρωτεΊνης μέσα στο κύπαρο - πυρήνας, κυπαρική
μπορεί να Βλάψει έναν συγκεκριμένο οργανισμό
μεμΒράνη, μιτοΧόνδρια κλπ.
δειγμα, αν διαταράξει τη δράση ενός κρίσιμου γονιδίου
-
επίσης προσφέρει ενδείξεις για
-
για παρά
-
τα κι
Την πιθανή λειτουργία. Για παράδειγμα, μια πρωτείνη που εντο
νητά γενετικά στοιχεία είναι μάλλον επωφελή για το είδος ως
πίΖεται στην κυπαρική μεμΒράνη μπορεί να είναι μεταφορέας,
σύνολο.
υποδοΧέας ή άλλο συστατικό μιας σηματοδοτικής οδού, μόριο προσκόλλησης κλπ.
Τι επιmώσεις έχουν οι μεrαλ/άξεις στο γονίδιο; Οι μεταλλά ξεις που καταργούν ή τροποποιούν τη λειτουργία του προϊόντος του γονιδίου μπορεί επίσης να προσφέρουν ενδείξεις για τη λει
τουργία της. Για παράδειγμα, αν το προϊόν του γονιδίου παίΖει κρίσιμο ρόλο σε κάποιο συγκεκριμένο στάδιο της ανάmυξης, το
έμΒρυο συχνά πεθαίνει σε αυτό το στάδιο ή αναmύσσει εμφα-
Andvmσn9-7 Περίπου
7.6% κάθε γονιδίου μετατρέπεται σε mRNA [(5.4 εξό 266 Ζεύγη νουκλεοτιδίων/εξόνιο)/(19,000 Ζεύγη νουκλεοτιδίων/γονίδιο) = 7.6%]. Τα γονίδια καταλαμΒάνουν περίπου το 28% του χρωμοσώματος 22 [(700 γονίδια χ 19,000 Ζεύγη νουκλεοτιδίων/γονίδιο)/(48 χ 106 Ζεύγη νουκλεοτιδίων) = 27.7%]. νια/γονίδιο χ
Απαντήσεις
951
Απάντηση 9-8
τεΊνη (ούτε και περιέχει εκτεταμένες ρuθμιστικές αλ/ηλοu
Σωστό. Σuνολικά μόνο ένα μικρό ποσοστό τοι> ανθρώπινοι> γο
νιδιώματος είναι παρόν στο mRNA και μόλις το
1/3
τοι> γονιδιώ
ματος μεταγράφεται σε ΗΝΑ. Ακόμα και αν σuνuπολογίσοuμε
χίες) εξελίσσεταιμε ταΧύτητα παρόμοια με των ΙVΤpOνίων.
Γ. Τα γονίδια β-σφαιρίνης τοι> ανθρώποι>και τοι> ποντικού είναι επίσης ομόλογα στο
5'
άκρο τοuς, όπως φαίνεται από το ά
ou-
θροισμα των στιγμάτων κατά μήκος της διαγώνιας γραμμής
νολική εικόνα δεν αλλάΖει: πάνω από το μισό γονιδίωμα δεν
τοι> πρώτοι> εξονίοι> (Εικόνα Α9-10Β). Αuτές οι αλ/ηλΟUΧίες
φαίνεται να έχει κάποια λειτοuργία αλλά είναι «άχρηστο».
αvτιστoιxoύνστις ρuθμιστικές περιοΧές πριν από την αφετη
τις ρuθμιστικές περιοχές και άλλες κρίσιμες αλ/ηλΟUΧίες, η
ρία της μεταγραφής. Η ρuθμιστική λειτοuργία αuτής της πε Απάντηση
9-9
ριοχής έχει περιορίσει την εξελικτική απόκλισή της (όπως
Τα αθροίσματα γονιδίων Ηοχ είναι γεμάτα περίπλοκες και εκτε
σuμβαίνει και με τα εξόνια ποι> κωδικοποιούνπρωτε'ίνη). Οι
νείς ρuθμιστικές αλ/ηλΟUΧίες ποι> διασφαλίΖοuν τη σωστή έκ
λειτοuργικέςαλ/ηλοuχίες, οι οποίες uπόκειvται σε πιέσεις ε
φραση των ξεχωριστών γονιδίων Ηοχ στον κατάλληλο χρόνο
πιλογής, anOKMvOUV πολύ βραδύτερα από τις αλ/ηλΟUΧίες
και στον κατάλ/ηλο τόπο κατά την εξέλιξη. Η ενσωμάτωση με
χωρίς λεΙΤΟUΡγία.
ταθετών στοιχείων στ' αθροίσματα Ηοχ δεν εuνοείται επειδή θα
Δ. Το διάγραμμα δείχνει ότι το πρώτο ιντρόνιο έχει σχεδόν ίδιο
παρέβλαπτε τη σωστή ρύθμιση των γονιδίων Ηοχ. Η σύγκριση
μήκος στα γονίδια τοι> ανθρώποι> και τοι> ΠOVΤΙKoύ, ενώ το
της αλ/ηλοuχίας των γονιδίων Ηοχ τοι> ποντικού, τοι> αροuραί
μήκος τοι> δεύτεροι> ιντρονίοι> διαφέρει πολύ (Εικόνα
οι> και τοι> μπαμποuΊνοu αποκαλύπτει uψηλή σuχνότητα διατη
10Β), για άγνωστο λόγο.
9-
ρημένων μη κωδικοποιητικών στοιχείων, εύρημα ενδεικτικό για Απάντηση
την παPOUΣία άφθονων ρuθμιστικών αλ/ηλοuχιών.
9-11
Οι ηλεκτρονικοί uπολογιστές χρησιμοποιούν πεΡίπΓ.ιοκοuς αλ Απάντηση
γορίθμοuς για την αναγνώριση εξονίων. Οι σχετικοί αλγόριθμοι
9-10
Α. Τα εξόνια στο γονίδιο β-σφαιΡίνης τοι> ανθρώποι> αντιστοι χούν στις θέσεις ομολογίας με το
cDNA, το οποίο
είναι ένα ά
μεσο αντίγραφο τοι> ΟΝΑ και σuνεπώς δεν περιέχει ιντρόνια. Τα ιντρόνια αντιστοιχούν στις περιοΧές ανάμεσα στα εξόνια. Οι θέσεις των ιντρονίων και των εξονίων στο γονίδιο β-σφαι ρίνης τοι> ανθρώποι> επισημαίνονται στην Εικόνα Α9-10Α. Β. Από τις θέσεις των εξονίων, όπως καθορίΖΟνται στην Εικόνα
σuνδuάΖοuν στατιστικά δεδομένα από γνωστά γονίδια για να ε vτοπίσοuν άγνωστα γονίδια. Τέτοια δεδομένα είναι:
1. Ένα
εξόνιο ποι> κωδικοποιεί πρωτε'ίνη θα έχει ανοιχτό πλαί
σιο ανάγνωσης ποι> θα ταιριάΖει με το πλαίσιο ανάγνωσης
των γειτονικών εξονίων.
2. Τα εσωτερικά
εξόνια (δηλαδή όλα τα εξόνια ενός γονιδίοι> ε
κτός από το πρώτο και το τελεuταίο) έχουν σήματα συρραφής
Α9-10Α, είναι εμφανές ότι τα δύο πρώτα εξόνια τοι> γονιδίοι>
στα δύο άκρα τους. Αυτά τα σήματα σχεδόν πάvτα
β-σφαιΡίνης τοι> ανθρώποι> έχοuν ομόλογες αλληλΟUΧίες
ναι
στο γονίδιο β-σφαιΡίνης τοι> ποντικού (Εικόνα Α9-10Β). Ω
3. Τα
στόσο, μόνο το πρώτο μισό τοι> τρίτοι> εξονίοι> από το ανθρώ
στο
(98.1 %) εί
5' άκρο και GT στο 3' άκρο.
εναλ/ακτικά κωδικόνια για τα περισσότερα αμινοξέα δεν
χρησιμοποιούνται με την ίδια σuχνότητα. Αυτό μπορεί ν' α ξιοποιηθείγια την αναγνώριση πραγματικών εξονίων.
πινο γονίδιο είναι ομόλογο με το γονίδιο β-σφαιΡίνης τοι> ΠOVΤΙKoύ. Η ομόλογη πεΡΙΟΧή τοι> τρίτοι> εξονίοι> περιέχει
AG
4. Τα
εξόνια και τα ΙVΤpόνια έχοuν χαρακτηριστικό μήκος. Στον
κωδικοποιητικές περιοχές, ενώ το μη ομόλογο τμήμα αντι
άνθρωπο, τα εξόνια έχουν διάμεσο μήκος
προσωπεύει την
οτιδίων. Τα ιντρόνια σuνήθως είναι πολύ μεγαλύτερα: έχουν
3'
αμετάφραστη πεΡΙΟΧή τοι> γονιδίοu.
διάμεσο μήκος περίπου
Επειδή αuτή η πεΡΙΟΧή τοι> γονιδίοι> δεν κωδικοποιείπρω-
2 kb
120 Ζεύγη νουκλε
σε περιοΧές του γονιδιώματος
(Β) OMOΛOΓlA ΜΕΤΑΞΥΤΩΝ (Α) ΕΞΟΝΙΑ ΣΤΟ
cDNA ΤΗΣ
(f
.~ Q::> -
σ
Ο
t::
~.~
CΩ.
...
~6 ο
/
()
ΓΟΝΙΔΙΩΝ ΤΟΥ ΑΝΘΡΩΠΟΥ
β-ΣΦΑΙΡΙΝΗΣΤΟΥ ΑΝΘΡΩΠΟΥ
/
ΚΑΙ ΤΟΥ ΠΟΝΤιΚΟΥ
/
(f
.~ Q
/
Q'=>
9-0 b ~
<6.~
9 t::
!9 >
ο
-
>-
.':
----Υ;νίδιο β-σφαιρίνης ανθρώπου
3'
5'
Υονίδιο β-σφαιρίνης ανθρώπου
Εικόνα Α9·10
952
Απαντήσεις
3.
με 30-40% περιεκτικότητα σε GC και διάμεσο μήκος περίπου 500 Ζεύγη νουκλεοτιδίων σε περιοΧές με >50% περιεκτικό τητα σε GC.
5. Το
εναρκτήριο κωδικόνιο για την πρωτεϊνοσύνθεση (σχεδόν
πάντοτε είναι το
Απόντηση
9-15
Β. Η δημιουργία γονιδίων
de novo από την τεράστια ποσότητα
μη χρησιμοποιούμενου, μη κωδικοποιητικού DNA που χαρ
κτηρίΖει το γονιδίωμα των ευκαρυωτών δεν θεωρείται ως ση
σχετίΖεται με γειτονικά νουκλεοτίδια
μαντική διεργασία για την εξέλιξη. Η εισαγωγή μεταίΊίΊάξεων
που αυξάνουν την αναγνώρισή του από τους μεταγραφικούς
που θα δημιουργούσε μια κωδlκοποιητική αίΊίΊηλουΧία με τα
παράγοντες.
συνοδά ρυθμιστικά στοιχεία γίνεται με πολύ μικρή ταΧύτητα,
6. Το τελευταίο
ATG)
εξόνιο έχει ένα σήμα (συνηθέστερα το ΜΤΑΑΑ)
για κοπή και πολυαδενυλίωση κοντά στο
3'
άκρο του.
καθόλου ικανή να ερμηνεύσει την παρατηρούμενη ταΧύτητα
των εξελικτικών αίΊίΊαγών.
Ο στατιστικόςχαρακτήραςαυτών των δεδομένωνσε συνδυασμό
9-16
με τη χαμηλή συχνότητα των κωδlκοποιητικώνπληροφοριών
Απόντηση
στο γονιδίωμα (2-3%) και τη συχνότητα της εναίΊίΊακτικής συρ
Α. Οι συνώνυμες αίΊίΊαγές δεν μεταβάίΊίΊουν την αίΊίΊηλουΧία αμι
ραφής (περίπου
60% των
ανθρώπινων γονιδίων) δείχνουν πό
νοξέων της πρωτείνης. Για το λόγο αυτό δεν υπόκεινται σε
σο αξιοθαύμαστα αποτελεσματικοί είναι οι διαθέσιμοι αλγόριθ
πιέσεις επιλογής, οι οποίες λειτουργούν στο επίπεδο της λει
μοι που αναγνωρίΖουν περίπου
τουργίας της πρωτείνης (και των επιmώσεών της στη συνολι
και περίπου
70% των
ξεχωριστών εξονίων
20% των γονιδίων του ανθρώπινου
γονιδιώματος.
κή ευρωστία του οργανισμού). Αντίθετα, οι μη συνώνυμες αλ
λαγές, ΟΙ οποίες οδηγούν σε αντικατάσταση ενός αμινοξέος Απόντηση
9-12
από ένα νέο αμινοξύ, έχουν τη δυνατότητα να μεταβάίΊίΊουντη
Σε μια τυχαία αίΊίΊηλουΧία
DNA, καθένα
από τα
64 διαφορετικά 3 α
κωδlκόνια θα δημιουργείται με την ίδια συχνότητα. Επειδή
πό τα
64 κωδlκόνια
είναι κωδlκόνια τερματισμού, η αναμενόμε
νη συχνότητά τους είναι
1:21 (64/3 = 21.3).
λειτουργία της κωδlκοποιούμενης πρωτείνης (και έτσι ν' αλ
λάξουντην ευρωστία του οργανισμού). Επειδή οι περισσότε ρες υποκαταστάσεις αμινοξέων είναι επιβλαβείς για τη λει τουργία της πρωτείνης, υπόκεινται σε αρνητική επιλογή.
Β. Το γονίδιο της lστόνης Η3 πρέπει να είναι τόσο πολύ προσε Απόντηση
9-13
Γονίδιο είναι κάθε αίΊίΊηλουΧία
κτικά «συντονισμένο» στη λειτουργία της πρωτείνης, ώστε ό
DNA που
μεταγράφεται ως ενι
λες οι υποκαταστάσεις αμινοξέων είναι επιβλαβείς και υπό
αία μονάδα και παράγει ένα λειτουργικό ΗΝΑ ή κωδικοποιεί
κεινται σε αρνητική επιλογή. Η ακραία διατήρηση της ιστό
μια πολυπεπτιδική αλυσίδα ή μια ομάδα στενά σχεΤΙΖόμενων
νης Η3 είναι ένδειξη γlO τον αυστηρό καθορισμό της λει
πολυπεmιδlκών αλυσίδων (lσομορφές της πρωτείνης). Αυτός ο
τουργίας της, που μάίΊίΊον προκύπτει από εκτενείς αίΊίΊηλεπι
ορισμός θέτει ως προϋπόθεση τη μεταγραφή: συνεπώς, η πε
δράσεις με άλλες πρωτείνες και με το μόνιμο υπόστρωμά
ριοχή ελέγχου είναι επίσης μέρος του γονιδίου.
της, δηλαδή το
DNA.
Γ. Η ιστόνη Η3 δεν βρίσκεται σε μια «προστατευόμενη» θέση (έ Απόντηση
9-14
Σε πρώτη άποψη, η αξιοσημείωτη αντοχή του γενετικού κώδικα
να «άβατο») του γονιδιώματος, επειδή υφίσταται συνώνυμες αίΊίΊαγές νουκλεοτιδίων με την ίδια ταΧύτητα με άίΊίΊα γονίδια.
στις μεταίΊίΊάξεις θα μπορούσε να θεωρηθεί ως ένδειξη για το
9-17
γεγονός ότι εκτέθηκε στις δυνάμεις της φυσικής επιλογής. Σύμ
Απόντηση
φωνα με αυτό το σκεπτικό, δεν θα ήταν παράλογο να υποθέ
Α. Τα δεδομένα στο φυλογενετικό δέντρο (βλ. Εικόνα Ε9-17)
σουμε ότι η αντοχή στις μεταίΊίΊάξεις είναι πολύτιμο χαρακτηρι
καταρρίmουν την υπόθεση ότι τα γονίδια της αιμοσφαιρίνης
στικό για έναν γενετικό κώδικα που θα επέτρεπε στους οργανι
των φυτών προήλθαν από ΟΡΙΖόντlO μεταφορά γονιδίων.
σμούς να διατηρούν επαρκείς πληροφορίες ώστε να εξειδικεύ
ΕξετάΖοντας τα πιο οικεία «κλαδιά» του δέντρου, διαπιστώ
ουν περίπλοκους φαινοτύπους. Συνεπώς, θα ήταν μάίΊίΊον απί
νουμε ότι τα σπονδυλωτά (από τα ψάρια έως τον άνθρωπο)
θανο να βρούμε έναν κώδικα τόσο αλάνθαστο όσο ο δικός μας.
συναθροίζονται σε μια στενά σχεΤΙΖόμενη ομάδα ειδών. Επι
Τα πράγματα όμως δεν είναι τόσο απλά. Αν θεωρήσουμε ότι
πλέον, οι σχέσεις στο δέντρο της Εικόνας Ε9-17 είναι συμβα
η αντοχή στις μεταίΊίΊάξεις είναι θεμελιώδες γνώρισμα κάθε κώ
τές με τη σειρά της διακλάδωσης σύμφωνα με τις εξελικτικές
δικα ικανού να στηρίξει την πολυπλοκότητα οργανισμών όπως
σχέσεις μεταξύ αυτών των ειδών: τα ψάρια «διακλαδίστηκαν»
ο άνθρωπος, τότε οι μόνοι κώδικες που θα μπορούσαμε να παρ
(διαχωρίστηκαν) πριν από τ' αμφίβια, τα ερπετά πριν από τα
τηρήσουμε θα ήταν οι «ανθεκτικοί» στα λάθη.
Πέρα από αυτές τις θεωρίες, υπάρχουν ισχυρές ενδείξεις ότι ο
πτηνά, ενώ τελευταία διακλαδίστηκαν τα θηλαστικά σε μlO «σφιχτή» ομάδα. Τα φυτά επίσης συγκροτούν μια διακριτή ο
κώδικας δεν είναι στατικός και άρα θα μπορούσε ν' ανταποκρι
μάδα που εμφανίΖει σαφείς εξελικτικές σχέσεις: η βρώμη (έ
θεί στις δυνάμεις της φυσικής επιλογής. ΠαραίΊίΊαγές του κλασι
να μονοκοτυλήδονο) απέκλινε πριν από το μΠΙΖέλι, το αλ
κού γενετικού κώδικα έχουν αναγνωριστεί στο πυρηνικό και στο
φάλφα και τον λωτό (δικοτυλήδονα). Οι αλληλουχίες των
μιτοχονδριακό γονιδίωμα αρκετών οργανισμών. Σε κάθε περί
φυτικών αιμοσφαιρινών φαίνεται ότι απέκλιναν στο μακρινό
mωση, ένα ή λίγα κωδlκόνια απέκτησαν ένα νέο μήνυμα.
εξελικτικό παρελθόν, πριν ή κατά την εμφάνιση των μαλα-
Απαντήσεις
953
κίων, των εντόμων και των νηματωδών. Οι σχέσεις στο δέ
ληλουΧία τμημάτων του ΟΝΑ που απέχουν περισσότερο από
ντρο υποδηλώνουν ότι τα γονίδια της αιμοσφαιρίνης προήλ
τον εκκινητή.
θαν από κάποιον κοινό πρόγονο. Β. Αν τα γονίδια της αιμοσφαιρίνης των φυτών είχαν προκύψει
Απάντηση
10-3
από ΟΡΙΖόντια μεταφορά γονιδίων από μια παράσιτη νημα
Η παρουσία μιας μετάλλαξης σ' ένα γονίδιο δεν σημαίνει ανα
τέλμινθα, στο φυλογενετικό δέντρο της Εικόνας Ε9-17 οι αλ
γκαστικά ότι η πρωτεΊνη που εκφράζεται από το γονίδιο αυτό θα
ληλουχίες τους θα συναθροίΖονταν μαΖί με τις αλ/ηλουχίες
είναι ελαπωματική. Για παράδειγμα, η μετάλλαξη θα μπορούσε
των νηματωδών.
ν' αλ/άΖει ένα κωδικόνιο σ' ένα άλ/ο κωδικόνιο που όμως κα θορίζει το ίδιο αμινοξύ και έτσι δεν αλ/άΖει την αλλnίΊoυxία των
Απάντηση 9-18
αμινοξέων της πρωτεΊνης. Εναλλακτικά, η μετάλλαξη μπορεί να
Σε κάθε ανθρώπινη σειρά νέες μεταλλάξεις θα εισάγονται με
προκαλέσει μια αντικατάσταση ενός αμινοξέος από ένα άλ/ο,
συχνότητα 10-10 αλ/αγές ανά νουκλεοτίδιο ανά κυπαρική γε
αλ/ά σε μια θέση που δεν είναι σημαντική για την mύχωση ή τη
νεά και η διαφορά μεταξύ δύο ανθρώπινων σειρών θ' αυξάνει
λειτουργία της πρωτεΊνης. Για να εκτιμήσετε την πιθανότητα να
με τη διπλάσια συχνότητα. Για να συσσωρευθούν 10-3 διαφορές ανά νουκλεοτίδιο θα χρειαστούν 10-3/(2 χ 10-10) κυπαρικές γε
προκύψει μια ελαπωματική πρωτεΊνη από μια τέτοια μετάλλαξη,
νεές, που αντιστοιχούν σε (1/200) χ 10-3/(2 χ 10-10)
λάξεις του γονιδίου της β-σφαιρίνης στον άνθρωπο. Επομένως,
γενεές ανθρώπων, ή περίπου
750,000 χρόνια.
= 25,000
πρέπει να διαθέτετε πληροφορίες σχετικά με τις Υνωστές μεταλ
Στην πραγματι
θα έπρεπε να ΥνωρίΖετε επακριβώς την αλ/αγή που επήλθε στο
κότητα, ασφαλώς και δεν προήλθαμε όλοι από ένα Ζεύγος γε
μεταλ/αγμένο γονίδιο και να ερευνήσετε αν η αλ/αγή αυτή έχει
νετικώς ταυτόσημων αρΧέγονων ανθρώπων, αλ/ά μάλ/ον από
κάποιες Υνωστές ή προβλέψιμες επιπτώσεις στη λειτουργία της
μια σχετικά μικρή «ιδρυτική» γενεά ανθρώπων που ήδη εμφάνι
κωδικοποιούμενης πρωτεϊ'vης. Αν ο σύντροφός σας έχει δύο
Ζαν γενετική ποικιλότητα. Αυτός ο «ιδρυτικός» πληθυσμός φαί
φυσιολογικά αντίγραφα του γονιδίου της σφαιρίνης, τότε κανέ
νεται ότι έΖησε περίπου πριν από
να από τα παιδιά σας δεν θα εκδηλώσει την ασθένεια (τη θα
150,000 χρόνια.
Ωστόσο, υ
πάρχουν επίσης ενδείξεις για πιο πρόσφατους «ιδρυτικούς υπο
λασσαιμία), αλλά, κατά μέσο όρο, σε ποσοστό
πληθυσμούς» στην απαρχή ειδικών υποπληθυσμών των σύγ
ρείς του ελαπωματικού γονιδίου σας.
50% θα ήταν φο
χρονων ανθρώπων. Απάντηση
10-4
Παρόλο που αρκετές ερμηνείες είναι δυνατές, η απλούστερη εί
Κεφάλαιο Απάντηση
ναι ότι ο ΟΝΑ ανιχνευτής έχει υβριδιστεί κατά κύριο λόγο με το
10
αντίστοιχο μόριο
10-1
Α. Η πέψη με το ένΖυμο
mRNA,
το οποίο, μόλις εκφραστεί, τυπικά εί
ναι παρόν σε πολύ περισσότερα αντίγραφα απ' ό,τι το γονίδιο.
Eco RI παράγει
δύο προϊόντα:
Τα κύπαρα που υβρίζονται συχνά προφανώς εκφράΖουν το γο
5' ·ΜGΜΠGCGGΜΠCGΑGCΠΜGGGCCGCGCCGΜGCΠΤΑΜ-3·
νίδιο σε υψηλό επίπεδο και επομένως περιέχουν πολ/ά μόρια
3' -ΠCΠΜCGCCΠΜGCΤCGΜΠCCCGGCGCGGCΠCGΑΜΠΤ-5'
του συγκεκριμένου
mRNA.
Β. Η πέψη με το ένΖυμο Alu Ι παράγει τρία προϊόντα:
10-5
5' -ΜGΜΠGCGGΜΠCGΑGCΠΜGGGCCGCGCCGΜG CΠΤΑΜ-3'
Απάντηση
3' -ΠCΠΜCGCCΠΜGCΤCGΜΠCCCGGCGCGGCΠC GΑΜΠΤ-5'
Α. Μετά από έναν επιπλέον γύρο πολ/απλασιασμού θα υπάρ
Γ. Η αλ/ηλουΧίαδεν περιέχει καμία θέση διάσπασηςαπό το έν Ζυμο Not Ι. Δ. Επομένως, η πέψη και με τα τρία ένΖυμα παράγει τα εξής προϊόντα:
χουν
2 γκρι, 4 πράσινα, 4 κόκκινα
και
22
κίτρινα κλάσματα
και μετά από έναν ακόμα γύρο θα υπάρχουν να,
5 κόκκινα
και
52
2 γκρι, 5 πράσι
κίτρινα κλάσματα. Επομένως, τα κλά
σματα ΟΝΑ που αποδίδονται κίτρινα αυξάνουν εκθετικά και
5' -ΜGΜΠGCGGΜΠCGΑGCΠΜGGGCCGCGCCGΜG CΠΤΑΜ-3'
τελικά κυριαρχούν στα άλ/α προϊόντα της αντίδρασης. Το
3' -ΠCΠΜCGCCΠΑGCΓCGΜΠCCCGGCGCGGCΠCGΑΜΠΤ-5'
μήκος τους καθορίΖεται ακριβώς από την αλ/ηλουΧία του
ΟΝΑ η οποία παρεμβάλλεται ανάμεσα στους δύο εκκινητές Απάντηση 10-2
Αν ο λόγος των τριφωσφορικών διδεοξυριβονουκλεοσιδίων προς τα τριφωσφορικά δεοξυριβονουκλεοσίδια αυξηθεί, ο
που χρησιμοποιούνται για τον πολ/απλασιασμό.
Β. Η μάΖα ενός μορίου ΟΝΑ μήκους
500 Ζευγών νουκλεοτι
δίων είναι 5.5 χ 10- Ι9 9 [= 2 χ 500 χ 330 (g/mole)/6 χ 1023
πολυμερισμός του ΟΝΑ θα τερματίΖεται πιο συχνά και έτσι θα
(μόρια/mοle)]. Αν αγνοήσουμε την περιπλοκότητα των λί
παράγονται βραΧύτεροι κλώνοι ΟΝΑ. Οι συνθήκες αυτές εί
γων πρώτων βημάτων της αντίδρασης (που παράγουν μα
ναι ευνοϊκές για τον καθορισμό βραχειών αλ/ηλουχιών νου
κρύτερα προϊόντα τα οποία αποτελούν ένα ελάΧιστο κλά
κλεοτιδίων, δηλαδή των αλ/ηλουχιών που βρίσκονται κοντά
σμα του τελικού προϊόντος), αυτή η ποσότητα προϊόντος πε
στον εκκινητή που χρησιμοποιήθηκε για την αντίδραση. Αντί
ρίπου διπλασιάΖεται σε κάθε βήμα πολ/απλασιασμού. Επο
θετα, αν ο λόγος αυτός ελαπωθεί, μπορεί να καθοριστεί η αλ-
μένως, 100 χ 10-9 9 = 2 Ν χ 5.5 χ 10- Ι9 g, όπου Ν είναι ο
954
Απαντήσεις
αριθμός των βημάτων πολλαπΛασιασμού της αντίδρασης.
ρια
Αν επιΛύσουμε την εξίσωση αυτή ως προς το Ν [Ν =
ώστε να επιτρέψουν στους εκκινητές να υβριδιστούν για να
log
DNA, τα οποία,
σε κάθε κύκλο, πρέπει ν' αποδιαταΧθούν
(1.81 χ 10 11 )/log(2)] προκύπτει ότι Ν = 37.4. Επομένως, 40 μόνο κύκΛοι πολλαπΛασιασμού με την αντίδραση PCR
Ε. Λάθος. Η πέψη του γενωμικού ΟΝΑ με νουκλεάσες περιορι
επαρκούν για την παραγωγή ΟΝΑ από ένα μόνο μόριο σε
σμού που αναΥνωρίΖουν αλ/ηλουΧίες τεσσάρων νουκλεοτι
ποσότητα που προσφέρεται για πειραματικούς χειρισμούς
δίων παράγει κλάσματα, τα οποία, κατά μέσο όρο, έχουν μή
και βιοχημικές αναλύσεις. Στο εργαστήριο, η όΛη διεργα
κος
σία διαρκεί μόΛις
κος των παραγόμενων κλασμάτων εμφανίΖει μεγάΛες απο
4, περίπου,
ώρες.
μπορεί ν' αντιγραφεί ξανά ο κλώνος του ΟΝΑ.
256 νουκλεοτίδια.
Ωστόσο, στην πραγματικότητα, το μή
κλίσεις από αυτόν τον μέσο όρο.
Aπ6ντησn
10-6
Ζ. Σωστό. Για την αντιγραφή του
mRNA σε μονόκΛωνο
ΟΝΑ
Όπως συμβαίνει με τα περισσότερα γονίδια των θηΛαστικών,
πρώτα απαιτείται η αντίστροφη μεταγραφάση. Στη συνέχεια,
το γονίδιο της «γοητειάσης» πιθανότητα θα περιέχειιντρόνια.
για τη σύνθεση του δεύτερου κλώνου ΟΝΑ απαιτείται η ΟΝΑ
Τα βακτήρια δεν διαθέτουν τον αναγκαίο μηχανισμό συρρα φής για την αφαίρεση των ιντρονίων, και επομένως από το γο
νίδιο αυτό δεν μπορεί να εκφραστεί η σωστή πρωτε"ί"νη. Για την έκφραση των περισσότερων γονιδίων των θηλαστικών σε βα κτηριακά γονίδια, πρέπει να χρησιμοποιηθεί μια
cDNA εκδοχή
του γονιδίου.
ποΛυμεράση.
Η. Σωστό. Χρησιμοποιώντας κατάλληΛο αριθμό
VNTRs για
κά
θε άτομο μπορεί να δημιουργηθεί μια ξεχωριστή γενετική
ταυτότητα (βλ. Εικόνα
10-30).
Θ. Σωστό. Αν τα κύτταρα του ιστού δεν μεταγράφουν ένα γονί διο, τότε το γονίδιο αυτό δεν θ' αντιπροσωπεύεται σε μια
cD-
ΝΑ βιβΛιοθήκη που θα παρασκευάΖεται από τον συγκεκριμέ Aπ6ντησn
10-7
νο ιστό, ενώ, αντίθετα, θ' αντιπροσωπεύεται σε μια γενωμική
Γενική επιδίωξη της κυτταρικής βιολογίας είναι ν' ανακαλύψει
βιβλιοθήκη που παρασκευάΖεται από τον ίδιο ιστό.
πώς Λειτουργεί κάθε κύτταρο. Ωστόσο, οι περισσότερες διερ γασίες είναι πολύ δύσκοΛο να μελετηθούν σε μεμονωμένα
Aπ6ντησn
κύτταρα. Αν όμως διαθέτουμε έναν πΛηθυσμό ταυτόσημων
Οι κυτταρικές σειρές των αρΧέγονων εμβρυϊκών κυττάρων του
10-9
κυττάρων, τότε τ' αποτελέσματα της ανάλυσης για τις Λειτουρ
ανθρώπου προέρχονται από την έσω κυτταρική μάΖα. Έχουν
γίες των μεμονωμένων κυττάρων θα είναι αξιόπιστα. Αντίθετα,
την ικανότητα να πολ/απΛασιάΖονται επ' άπειρον και ν' αποδί
αν ο πληθυσμός είναι μείγμα κυτταρικών τύπων, η ανάλυση θ'
δουν οποιοδήποτε μέρος του σώματος. Αν η διαφοροποίησή
αφορά στις ιδιότητες του μείγματος, οι οποίες δεν είναι βέβαιο
τους καθοδηγηθεί κατάλ/ηλα σε καλλιέργεια
ότι θα περιγράφουν με ακρίβεια τις ιδιότητες κάθε ξεχωριστού
έρευνας
κυττάρου.
κανών ν' αντικαθιστούν ή να επιδιορθώνουν ιστούς που έχουν
-
-
πεδίο εντατικής
θα μπορούσε ν' αποτεΛέσουν μια πηγή κυττάρων ι
παραβΛαφθεί από νοσήματα ή Τραυματισμούς. Aπ6ντησn
10-8
Α. Λάθος. Θέσεις περιορισμού υπάρχουν σε όλη την έκταση του
DNA, δηλαδή τόσο μέσα
όσο και ανάμεσα στα γονίδια.
Β. Σωστό. Το ΟΝΑ φέρει ένα αρνητικό φορτίο σε κάθε φωσφο ρική ομάδα και συνολικά έχει αρνητικό φορτίο.
Γ. Λάθος. Οι κλώνοι που απομονώνονται από
Aπ6ντησn
10-10
Α. Η αλ/ηλουΧία του
DNA, από το 5ce προς το 3ce άκρο της, δια
βάΖεται αρχίζοντας από το κάτω μέρος της πηκτής, όπου μετα
ναστεύουν τα μικρότερα κλάσματα του ΟΝΑ. Κάθε Ζώνη προ
cDNA βιβΛιοθή
κύπτει από την ενσωμάτωση του κατάλληλου Τριφωσφορικού
κες δεν περιέχουν ποτέ αλληΛουΧίες υποκινητών. Οι αλλη
διδεοξυριβονουκλεοσιδίου· όπως θ' ανέμενε κανείς, καμιά
λουΧίες αυτές δεν μεταγράφονται και επομένως δεν είναι
Ζώνη δεν έχει την ίδια κινητικότητα με κάποια άλ/η Ζώνη. Έ
τμήμα των μορίων
τοι, η αλ/ηΛουΧία του ΟΝΑ μπορεί να καθοριστεί διαβάΖοντας
mRNA που γείο για την παραγωγή cDNA.
χρησιμοποιούνται ως εκμα
Δ. Σωστό. Κάθε αντίδραση ποΛυμερισμού παράγει δίκλωνα μό-
τις Ζώνες με τη σειρά, προχωρώντας από το κάτω μέρος της
πηκτής προς τα πάνω και εντοπίζοντας το σωστό νουκλεοτί-
(Α)
5' -TATAAACTGGACAACCAGTTCGAGCTGGTGTTCGTGGTCGGTTTTCAGAAGATCCTAACGCTGACG-3' 3' -ATATTTGACCTGTTGGTCAAGCTCGACCACAAGCACCAGCCAAAAGTCTTCTAGGATTGCGACTGC-5'
(8)
5· πάνωκλώνοςτοuΟΝΑ 3· TATAAACTGGACAACCAGTTCGAGCTGGTGTTCGTGGTCGGTTTTCAGAAGATCCTAACGCTGACG 1 LeuLysLeuGluAsnGlnPheGlnLeuValPheValValGlyPheGlnLysIleLeuThrLeuThr 2 IleAsnTrpThrThrSerSerSerTrpCysSerTrpSerValPheArgArgSer Arg 3 ThrGlyGlnProValArgAlaGlyValArgGlyArgPheSerGluAspprOAsnAlaAs~
Εικόνα Α10-10
Απαντήσεις
955
διο, σύμφωνα με τη στήλη στην οποία βρίσκεται η Ζώνη.
τιδίων. ΕξετάΖοντας προσεκτικά τις αλ/ηλουΧίες των νουκλε
Η αλ/ηλουΧία των νουκλεοτιδίων του πάνω κλώνου (Εικό
οτιδίων των περιοΧών που αναλύθηκαν με τη μέθοδο αυτή,
να ΑΙ0-Ι0Α) προέκυψε από την Εικόνα ΕΙ0-Ι0 ενώ η αλ/η
μπορεί να ταυτοποιηθεί η θέση και η αλ/ηλουΧία των υποψή
λουΧία του κάτω κλώνου καθορίστηκε με βάση τους κανόνες
φιων γονιδίων.
συμπληρωματικότητας των βάσεων.
Β. Στη συνέχεια, η αλ/ηλουΧία του ΟΝΑ μπορεί να μεταφραστεί
Aπ6ντησn
10-12
σε μια αλ/ηλουχία αμινοξέων χρησιμοποιώντας τον γενετικό
Αν συγκρίνουμε το μέγεθος των δεικτών με τις θέσεις διάσπα
κώδικα. Ωστόσο, δυνητικά, και οι δύο κλώνοι του ΟΝΑ θα
σης, διαπιστώνουμε ότι η πέψη με το ένΖυμο
μπορούσε να μεταγραφούν σε ΗΝΑ και να μεταφραστούν σε
δύο κλάσματα
πρωτείνη, ενώ για κάθε κλώνο υπάρχουν τρία δυνητικά πλαί
ποδίδει ένα κλάσμα
σια ανάΥνωσης. Συνεπώς, από τη συγκεκριμένη αλ/ηλουΧία
αποδίδει τρία
του ΟΝΑ θεωρητικά μπορεί να κωδικοποιηθούν έξι αλλη
θροίσουμε το μήκος των κλασμάτων κάθε στήλης, προκύπτει ένα συνολικό μήκος
σης για τον πάνω κλώνο, μόνο ένα δεν διακόπτεται από ένα
ΝΑ πρέπει να είχε μήκος
κωδικόνιο τερματισμού (Εικόνα ΑΙ 0-1 ΟΒ).
Επειδή η πέψη κους
10 kb,
αποδίδει
4 kb και 6 kb, αντιστοίχως η πέψη με το Not Ι α 10 kb· τέλος, η πέψη με τα Eco RI + Not Ι κλάσματα 6 kb, 3kb και 1 kb, αντιστοίχως. Αν α
λουΧίες αμινοξέων. Από τα τρία δυνητικά πλαίσια ανάγνω
Επίσης κωδικόνια τερματισμού περιέχουν και δύο από τα
Eco RI
10 kb. Συνεπώς, το αρχικό μόριο του D10 kb (10,000 Ζεύγη νουκλεοτιδίων). με το ένΖυμο Not Ι αποδίδει ένα κλάσμα μή
το αρχικό μόριο ΟΝΑ θα μπορούσε να είναι ένα
τρία πλαίσια ανάΥνωσης του κάτω κλώνου. Το τρίτο πλαίσιο
γραμμικό μόριο χωρίς καμία θέση περιορισμού για το
δίνει την ακόλουθη αλ/ηλουΧία αμινοξέων:
Ωστόσο, η ερμηνεία αυτή απορρίπτεται από τα αποτελέσματα
Not Ι.
ντιστοιχεί στην πρωτείνη που κωδικοποιείται από τη συγκε
Eco RI + Not Ι. ΓνωρίΖουμε ότι η Eco R! αποδίδει δύο κλάσματα 4 kb και 6 kb και ότι κατά τη διπλή πέψη το κλάσμα των 4 kb διασπάται από το Not Ι σε δύο κλάσματα μεγέθους 3 kb και 1 kb, αντιστοίχως. Επομένως, το ΟΝΑ περιέχει μια θέση περιορισμού Not Ι και ά
κριμένη αλ/ηλουχία ΟΝΑ.
ρα πρέπει να είναι κυκλικό, εφόσον όταν πέπτεται μόνο με το
SerAlaleuGlySerSerGluAsnArgProArgThrProAlaArgThrGlyCysProValIle Με βάση τις διαθέσιμες πληροφορίες δεν είναι δυνατό να καθοριστεί ποιο από τα δύο «ανοιχτά πλαίσια ανάΥνωσης» α
της ταυτόχρονης πέψης με
πέψη μόνο με το
Not Ι Aπ6ντησn
10-11
προκύπτει μόνο ένα κλάσμα μεγέθους
10 kb.
Αν τοπο
θετήσουμε τις θέσεις περιορισμού πάνω σ' ένα κυκλικό μόριο
Α. Η πέψη του γενωμικού ΟΝΑ του ανθρώπου με το ένΖυμο
ΟΝΑ έτσι ώστε ν' αποδίδονται κλάσματα του συγκεκριμένου
Hae ΠΙ θα παρήγαγε περίπου 11 χ 106 διαφορετικά κλάσμα τα [= 3 χ 109/104], με το ένΖυμο Eco RI περίπου 730,000 διαφορετικά κλάσματα [= 3 χ 109/46] και με το Not Ι περίπου 46,000 διαφορετικά κλάσματα [= 3 χ 109/48]. Επίσης, θα
μεγέθους, θα προκύψει ο χάρτης που παρουσιάΖεται στην Ει
Aπ6ντησn
παράγονταν ορισμένα επιπλέον κλάσματα επειδή το πατρικό
Αν τα ένΖυμα επιδιόρθωσης δράσουν στο πλασμίδιο προτού α
και το μητρικό χρωμόσωμα είναι μεν πολύ όμοια αλ/ά δεν έ
ντιγραφεί, το πλασμίδιο πράγματι θα επιδιορθωθεί στα κύπαρα.
χουν ταυτόσημη αλ/ηλουΧία ΟΝΑ.
κόνα ΑΙ0-12.
10-13
Ωστόσο, τα ένΖυμα επιδιόρθωσης δεν είναι σε θέση να διακρί
Β. Θα παραΧθεί μια ομάδα επικαλυπτόμενων κλασμάτων ΟΝΑ.
νουν ποιος κλώνος ΟΝΑ περιέχει τη μετάλ/αξη και ποιος το σω
Οι βιβλιοθήκες που δημιουργούνται από ομάδες επικαλυ
στό νουκλεοτίδιο. Επομένως, στα μισά από τα κύπαρα που έ
πτόμενων κλασμάτων ενός γονιδιώματος είναι πολύτιμες ε
χουν υποστεί μεταμόρφωση από το αταίριαστο πλασμίδιο το φυ
πειδή μπορεί να χρησιμοποιηθούν για να καθοριστεί η σειρά
σιολογικό γονίδιο θ' αποκατασταθεί ενώ στα υπόλοιπα κύπαρα
διάφορων κλωνοποιημένων αλ/ηλουχιών σε σΧέση με την
ο φυσιολογικός κλώνος θα μετατραπεί ώστε να ταιριάΖει με τον
πραγματική σειρά τους πάνω στο χρωμόσωμα, άρα και η αλ
μεταλλαγμένο και έτσι η μετάλλαξη θα διαδοθεί. Τα κύπαρα
ληλουΧία του ΟΝΑ ενός μεγάλου τμήματος ΟΝΑ. Αλ/ηλου
που περιέχουν ένα πλασμίδιο με την επιθυμητή μετάλ/αξη μπο-
χίες από το άκρο ενός κλωνοποιημένου τμήματος ΟΝΑ χρη
σιμοποιούνται ως ανιχνευτές υβριδισμού για την ανεύρεση και άλ/ων κλώνων της βιβλιοθήκης που περιέχουν αυτές τις
Νο!!
αλ/ηλουΧίες και πιθανόν θα μπορούσε να επικαλύπτονται. Επαναλαμβάνοντας αυτή τη διεργασία, σταδιακά συνθέτου με ένα μεγάλο τμήμα ΟΝΑ με συνεχή αλ/ηλουΧία (βλ. Ερώ τηση
10-17). Η επίπονη τεχνική της «βάδισης
πάνω στο χρω
μόσωμα» έχει χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό της αλ/η
Eco
λουΧίας περιοΧών του γονιδιώματος που είναι Υνωστό ότι πε ριέχουν σημαντικά γονίδια, για τις οποίες όμως δεν υπάρ χουν πληροφορίες σχετικά με την αλ/ηλουΧία των νουκλεο-
956
Απαντήσεις
ΕlκόναΑ10-12
ΑΙ
ρει να ταυτοποιηθούν, για παράδειγμα με υβριδισμό μ' έναν
Χία ανάμεσα στις αλληλουχίες που απομονώθηκαν από τη βι
μονόκλωνο ΟΝΑ ανιχνευτή που επιτρέπει τη διάκριση του φυ
βλιοθήκη θα ήταν μεγάλη (βλ. Ερώτηση
σιολογικού από το μεταλ/αγμένο γονίδιο.
10-5).
Ο ανιχνευτής
#2 πρακτικά είναι άχρηστος, επειδή μόνο το 1/7776 του ΟΝΑ στο μείγμα θα υβριδιΖόταν τέλεια με το επιθυμητό γονίδιο. Για
Απάvrnσn
10-14
την ανάλυση των αλ/ηλουχιών που απομονώθηκαν θα μπο
Α. Ο γενετικός κώδικας είναι εκφυλισμένος: εκτός από την τρυ πτοφάνη και τη μεθειονίνη, για κάθε αμινοξύ υπάρχουν πε ρισσότερα από ένα δυνητικό κωδικόνιο. Επομένως, για την
ρούσατε να χρησιμοποιήσετε τον ανιχνευτή
#3. Οι αλ/ηλου Χίες που υβριδίΖΟνται με τους ανιχνευτές # 1 και #3 είναι πο λύ πιθανό να περιέχουντο επιθυμητόγονίδιο.
ανίχνευση μιας αλ/ηλουΧίας νουκλεοτιδίων με βάση μόνο
Β. Η πληροφορίαότι η πε;1Τιδική αλ/ηλουχια #3 περιέχει το τε
την αλ/ηλουΧία των αμινοξέων της πρωτείνης που κωδικο
λευταίο αμινοξύ της πρωτεΤνης είναι πολύτιμη, επειδή αυτό
ποιεί πρέπει να παρασκευαστούν πολ/ά ολιγονουκλεοτίδια
σημαίνει ότι οι άλλες δύο πεπτιδικές αλ/ηλουΧίες πρέπει να
και να χρησιμοποιηθούν από κοινού, ώστε να διασφαλιστεί
προηγούνται,δηλαδή να εντοπίζονταιπιο κοντά στο αμινοτε
ότι το μειγμα θα περιέχει ένα ολιγονουκλεοτιδιο που θα ται
λικό άκρο της πληροφορίας. Η γνώση αυτής της σειράς έχει
ριάΖει επακριβώς με την αλ/ηλουχια του ΟΝΑ του γονιδΙου.
σημασία, επειδή οι ΟΝΑ εκκινητές επεκτείνονται από τις
Για τις τρεις πεπτιδικές αλ/ηλουχίες αυτής της ερώτησης,
ΟΝΑ πολυμεράσεςμόνο από τα 3ce άκρα τους. Κατά τη διάρ
πρέπει να παρασκευαστούν οι εξής ολιγονουκλεοτιδικοι ανι
κεια μιας αντίδρασης
χνευτές (οι εναλλακτικές βάσεις στην ίδια θέση γράφονται
πρέπει να είναι αντικριστά (βλ Εικόνα
μέσα σε παρενθέσεις):
νας εκκινητής για
λουΧία Ilεmfδιο
Μ
οκτώ (= 23) διαφορετικά ολιγονουκλεοτΙδια.
δεύτερη πεπτιδική αλ/ηλουχια ειναι πολύ πιο περΙπλοκο. Η και η
Ser,
Arg
κωδικοποιούνται από έξι διαφορετικά
κωδικόνια: επομένως, θα έπρεπε να συντεθούν 7776 (= 65) διαφορετικά ολιγονουκλεοτίδια. Ωστόσο, αυτό δεν θα μπο ρούσε να γινει χρησιμοποιώντας απλώς ένα διαφορετικό νουκλεοτιδιο για κάθε βάση, επειδή οι διαφορετικές βάσεις
κάθε κωδικονιου δεν είναι ανεξάρτητες. (Για παράδειγμα, η
Ser έχει ως
πρώτη βάση του κωδικονιου την Α ή την Τ, ως
δεύτερη βάση την ή
C.
Ilεπτfδιο
G ή την C και ως τριτη οποιαδήποτε από τις
Ωστόσο, όταν η πρώτη βάση ειναι η Α, η δεύτερη
ειναι πάντα η
G και η τριτη μπορει να είναι μόνο Τ ή C).
άκρο του να
# 1 θα ήταν η επιλογή σας για τον δεύτερο εκκι
νητή. Λόγω του μεγάλου εκφυλισμού του, ο ανιχνευτής
#2
και πάλι θα ήταν μια ακατάλ/ηλη επιλογή.
Γ. Τα άκρα του τελικού προϊόντος προέρχονται από τους εκκι νητές που έχουν και οι δύο μήκος
νως, έχει πολ/απλασιαστεί μήκους
15 νουκλεοτίδια. Επομέ ένα τμήμα του cDNA του γονιδίου
270 νουκλεοτιδίων.
90 αμινοξέα.
Το τμήμα αυτό θα κωδικοποιεί
Ilροσθέτοντας και τ' αμινοξέα που κωδικοποι
ούνται από τους εκκινητές, προκύπτει μια κωδικοποιητική αλ
ληλουΧία
100 αμινοξέων.
Η αλ/ηλουΧία αυτή μάλ/ον δεν α
ντιπροσωπεύει ολόκληρη την πρωτεΙ\ιη επειδή δεν γνωρίΖου
με την εντόπιση του πεπτιδίου
# 1 στην αλ/ηλουΧία της πρω CTATκωδικοποιείτην πεπτιδική αλ/ηλουΧία #2.
τεΤνης. Ωστόσο, παρατηρούμε ότι η αλ/ηλουΧία
CACGCTΠAGG
Επομένως, η πληροφορία αυτή επιβεβαιώνει ότι το προϊόν
PCR πράγματι
κωδικοποιεί ένα κλάσμα της πρωτείνης που εί
χατε απομονώσει αρχικά.
3:
5ce-TA (C,T)
3ce
ναι συμπληρωματική με το κωδικόνιο της Τrp):
Ο ανιχνευτής
2:
Το μειγμα των ολιγονουκλεοτιδιων που αντιπροσωπεύουν τη
G,A,T,
βασίΖεται στην πεπτιδική αλ/η
πρέπει να έχει αλ/ηλουΧία συμπληρωματικήμε
5ce-(TC) TGCAT (G,A,T,C) CC (G,A) Μ (G,A) TA-3ce
5ce-(T,C) Τ (G,A,T,C) (Α,Τ) (G,C) (G,A,T,C) (A,C) G (G,A,T,C) (T,C) Τ (G,A,T) (A,C) G (G,A,T,C)-3ce
η
έ
αντιστοιχεί στο πρώτο νουκλεοτίδιο της αλ/ηλουχΙας που εί
(A,G)-3ce
Λόγω του διπλού εκφυλισμού σε τρεις θέσεις, θα χρειάΖονταν
Leu,
PCR που
10-27). Επομένως,
την αλ/ηλουΧίατου ανιχνευτή #3 (ώστε το
1:
5ce-TGGATGCA (C,T) CA (C,T)
Ilεπτfδιο
#3
PCR, τα 3ce άκρα των δύο «εκκινητών»
Π
(C,T) GG (G,A,T,C) ATGCA (A,G)-3ce
Απάvrnσn
Λόγω της ύπαρξης τριών διπλών και ενός τετραπλού εκφυλι
10-15
Η βιοχημεία των πρωτεϊνών εξακολουθεί να έχει μεγάλη σημα
σμού, για το μείγμα θα χρειάΖονταν 32 (= 23 χ 4) διαφορετι
σία, κυρίως επειδή προσφέρει τον σύνδεσμο ανάμεσα στην αλ
κές αλ/ηλουχΙες.
ληλουΧία των αμινοξέων (που μπορεί να καθοριστεί από την αλ
Για τη διαλογή της βιβλιοθήκης σας με υβριδισμό, πρώτα μάλ
ληλουΧία του ΟΝΑ) και τις λειτουργικές ιδιότητες της πρωτεΙ\ιης.
λον θα χρησιμοποιούσατε τον ανιχνευτή
Για παράδειγμα, εξακολουθούμε να μην είμαστε σε θέση να
χουν μόνο οκτώ αλ/ηλουχΙες
#1.
Επειδή υπάρ
DNA, ο λόγος της σωστής
προς
προβλέψουμε την πτύχωση μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας με
τις λανθασμένες αλ/ηλουχιες θα είναι ο υψηλότερος. Έτσι,
βάση την αλληλουχΙα των αμινοξέων της. Έτσι, σε πολ/ές περι
κατά τη διαλογή της βιβλιοθήκης το σήμα θα ήταν ισχυρό και
πτώσεις, πληροφορίες σχετικά με τη λειτουργία της πρωτείνης
επομένως η πιθανότητα να βρίσκεται η επιθυμητή αλ/ηλου-
(π.χ. την καταλυτική ενεργότητά της) δεν συνάγονται από τη γνώ-
Απαντήσεις
957
ση της αλ/ηλΟUΧίας αλλά πρέπει να ΣUγKενφωθOύν πειραματι
βλημάτων είναι να χρησιμοποιούνται γενωμικοί κλώνοι, οι ο
κά αναλύοντας τις ιδιότητες της πρωτείνης. Επιπλέον, οι δομικές
ποίοι, Χάρη στο μεγάλο μήκος τοuς, uπερκαλύπτοuν την επα
πληροφορίες
ναληπτική αλ/ηλΟUΧία τou ΟΝΑ.
nou μπορεί να
σuγκεντρωθούν από τη μελέτη αλ
ληλΟUΧΙών τou ΟΝΑ αναγκαστικά είναι ατελείς. Για παράδειγμα, από τη μελέτη αuτή δεν προκύmοuν πληροφορίες σχετικά με τις
Aπdvmσn 10-18
τροποποιήσεις των πλεuρικών αλuσίδων των πρωτεϊνών (όπως η
Α. Τα βρέφη
2 και 8 έχοuν ταuτόσημα πρόωπα και μάλ/ον είναι 3 και 6. Αuτά τα Ζεu
φωσφορuλίωση), την πρωτεολuτική επεξεργασία της, την πα
αδέλφια. Το ίδιο ισχύει και για τα βρέφη
ροuσία ισχuρά προσδεδεμένων σuνενΖύμων, ή τη διασύνδεση
γάρια είναι μονΟΖuγωτικά δίδuμα. Τα δύο άλλα Ζεuγάρια
της πρωτε'ίνης με άλλες πολuπεπτιδικές αλuσίδες.
μάλ/ον είναι διΖuγωτικά δίδuμα, επειδή τα uπόλοιπα πρόω πα διαφέροuν. Τα δΙΖuγωτικά δίδuμα, όπως και όλα τ' αδέλ
Aπdvmσn
φια, έχοuν κοινό το μισό γονιδίωμά τοuς. Σuνεπώς, περίποu
10-16
Τα προϊόντα θα περ!λαμβάνοuν έναν μεγάλο αριθμό διαφορε
οι μισοί πολuμορφισμοίVNΤR θα είναι ταuτόσημοι. Με αuτό
τικών μονόκλωνων μορίων
το κριτήριο, αδέλφια είναι τα βρέφη
DNA,
ένα για κάθε νοuκλεοτίδιο
της αλ/η!ΊΟUΧίας. Ωστόσο, τα προϊόντα αuτά θα έχοuν ένα από τέσσερα διαφορετικά χρώματα, ανάλογα με το διδεοξuριβονοu κλεοτίδιο
nou τερμάτισε
την αντίδραση πολuμερισμού της
ou-
και
1 και 7 και τα
βρέφη
4
5.
Β. Με την ίδια στρατηγική, τα βρέφη μπορεί να «ταιριάξοuν» με τοuς γονείς τοuς. Κάθε Ζώνη στην ανάλuση ενός βρέφοuς
γκεκριμένης αλuσίδας τou ΟΝΑ. Ο διαχωρισμός με ηλεκφο
πρέπει να έχει το «ταίρι» της στην ανάλuση ενός από τοuς γο
φόρηση σε πηκτή θ' αποδώσει μια σειρά από Ζώνες,
νείς. Επίσης, κάθε βρέφος θα έχει
xouv μεταξύ τοuς κατά
nou
απέ
ένα νοuκλεοτίδιο. Το χρώμα κάθε Ζώνης
50% κοινούς
πολuμορφι
σμούς νΝΤΗ με καθέναν από τοuς γονείς τou. Σuνεπώς, ο
uποδηλώνει το νοuκλεοτίδιο τou εκμαγείοu στη σuγκεκριμένη
βαθμός σύμπτωσης παιδιού-γονιού θα είναι ίδιος με τον α
θέση της αλ/ηλοuχίας. Η μέθοδος
ντίστοιχο βαθμό μεταξύ δύο διΖuγωτικών αδελφών.
nou περιγράφηκε
εδώ απο
τελεί τη βάση της στρατηγικής για τον καθορισμό της αλληλοu
Χίας των νοuκλεοτιδίων τou ΟΝΑ
nou ακολοuθούν
τα περισσό
Aπdvmσn
10-19
τερα αuτοματοποιημένα μηχανήματα ανάλuσης της αλ/ηλοu
Μεταλ/αγμένα βακτήρια
Χίαςτοu ΟΝΑ (Εικόνα ΑΙ0-16).
πάγοu φαίνεται ότι έχοuν αναπωχθεί πολ/ές φορές στη φύση.
nou
Ωστόσο, επειδή τα βακτήρια
Aπdvmσn
δεν παράγοuν την πρωτεΤνη τou
nou
παράγοuν την πρωτεΤνη τou
πάγοu έχοuν ένα μικρό πλεονέκτημα αύξησης, θα ήταν δύσκο
10-17 δεν θα μπορούσε να χρησιμοποιηθούν ε
λο να βρεθούν μεταλλαγμένα βακτήρια στη φύση (και επιπλέον
πειδή δύο κλώνοι
τα βακτήρια αuτά θα ήταν δύσκολο να εΠιΖήσοuν έχοντας ν' α
προέρχονται
cDNA δεν επικαλύmονται ακόμα και όταν από γονίδια nou βρίσκονται δίπλα-δίπλα στο
ντιμετωπίσοuν τον ανταγωνισμό των φuσιολογικών ομολόγων
Α. Οι
cDNA κλώνοι
τοuς). Η γενετική μηχανική,
χρωμόσωμα.
Β. Τέτοιες επαναληπτικές αλ/ηλΟUΧίες ΟΝΑ μπορεί να περι
μεταλ/άσσονται εσκεμμένα
nou χρησιμοποιεί γονίδια τα οποία ίη vitro, διεuκολύνει πολύ τη δημι
πλέξοuν το βάδισμα πάνω στο χρωμόσωμα, επειδή η δια
οuργία τέτοιων μεταλλαγμένων στελεΧών. Επομένως, οι επι
δρομή θα έμοιαΖε να διακλαδίΖεται σε πολ/ές κατεuθύνσεις
πτώσεις, εuμενείς και δuσμενείς, από τη χρησιμοποίηση ενός
ταuτόχρονα. Η γενική αρχή για την αποφuγή τέτοιων προ-
γενετικώς φοποποιημένοu μικροοργανισμού για πρακτικούς
λόγοuς σχεδόν δεν διακρίνονται από τις επιπτώσεις
nou θα είχε
η χρησιμοποίηση ενός φuσικού μεταλλαγμένοu στελέχοuς. Πράγματι, από πολύ παλιά, στελέχη βακτηρίων και Ζuμομuκή
G Α
-
-
των επιλέγονται για επιθuμητά γενετικά χαρακτηριστικά τοuς
nou τα κάνοuν κατάλ/ηλα
για βιομηχανικές εφαρμογές, όπως η
παραγωγή ωριού και κρασιού. Ωστόσο, οι δuνατότητες της γε
C C
νετικής μηχανικής είναι απεριόριστες και, όπως σuμβαίνει με
G
πρόβλεπτες σuνέπειες. Επομένως, ο πειραματισμός με το ανα
Α
σuνδuασμένο ΟΝΑ uπόκειται σε ρύθμιση και ο κίνδuνος των
C
διαφόρων προγραμμάτων εκτιμάται προσεκτικά από ειδικές ε
Τ
κάθε τεχνολογία, uπάρχει κάποιος κίνδuνος να προκύψοuν α
Τ
πιτροπές προτού χορηγηθεί έγκριση. Οι γνώσεις μας έχοuν εξε
G Τ
λιχθεί τόσο ώστε να μπορεί να προβλεφθούν με αρκετή βεβαιό
Α
τητα οι επιπτώσεις μερικών αλ/αγών, όπως η διαταραχή ενός βακτηριακού γονιδίοu. Άλ/ες εφαρμογές, όπως η θεραπεία της
γαμετικής σειράς για την επιδιόρθωση νοσημάτων τou ανθρώ Εικόνα Α10-16
958
Απαντήσεις
nou,
μπορεί να έχοuν πολύ πιο περίπλοκη έκβαση. Για το λόγο
αυτό θα χρειαστούν πολύ περισσότερα χρόνια έρευνας
KQl ηθι
κού προβληματισμού προτού καθοριστεί αν τελικά θα εφαρμο στούν τέτοιες θεραπείες.
Κεφάλαιο Απάντηση
11
11-1
Το νερό είνQl ένα ρευστό και έτσι οι δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των μορίων του νερού δεν είναι στατικοί. Συνεχώς ΣΧηματίΖΟ
VIQl KQl
βαλίνη
ισολεuκίνη
αλανίνη
Εικόνα Α 11-5
καταστρέφονται πάλι λόγω των θερμικών κινήσεων.
Οταν ένα μόριο νερού βρεθεί κοντά σ' ένα υδρόφοβο μόριο, τότε οι κινήσεις του θα περιοριστούν και θα έχει λιγότερους γεί τονες για ν' αλ/ηλεπιδράσεl, επειδή δεν μπορεί να σχηματίσει
υδρόφιλη. Η ομάδα ΟΗ και οι ομάδες
κανένα δεσμό υδρογόνου προς την πλευρά του υδρόφοβου μο
είνQl πολικές, μπορούν να σχηματίσουν δεσμούς υδρογόνου
C-O-C στο Triton Χ-Ι00
ρίου. Επομένως θα σχηματίσει δεσμούς υδρογόνου μ' έναν πε
με το νερό και επομένως είναι υδρόφιλες. Αντίθετα, τα πράσινα
ριορισμένο αριθμό μορίων νερού που βρίσκοντQl πλησιέστερα
τμήματα των μορίων είναι είτε υδρογονανθρακικές αλυσίδες ή
σε αυτό. Η σύνδεση με λιγότερα μόρια έχει ως αποτέλεσμα μια
αρωματικοί δακτύλιοι
πιο τακτοποιημένη δομή του νερού όπως η δομή του κλωβού
μπορούσε να σχηματίσουν δεσμούς υδρογόνου με το νερό. Ά
της Εικόνας
ρα είναι υδρόφοβα (βλ. Εικόνα Α11-5).
KQl
11-9. Αυτή
η δομή παρομοιάΖεΤQl με τον πάγο αν
είναι πιο ασταθής, λιγότερο οργανωμένη
λιγότερο εκτεταμένο ακόμα
KQl από
KQl μ'
ένα πολύ μικρό κρύσταλ/ο
ώνει την εντροπία του συστήματος (βλ. Κεφάλαιο
δεν έχουν πολικές ομάδες που θα
ένα δίκτυο
πάγου. Ο σχηματισμός οποιασδήποτε οργανωμένης δομής μει
VQl μη
KQl
3) KQl αυτό εί
Απάντηση
11-6
Στις πρωτείνες, οι α-έλικες χρησιμοποιούνται συχνά για να δια
περνούν τις λιπιδικές διπλοστιβάδες. Οι α-έλικες είναι κατάλ/η λες για το σκοπό αυτό επειδή εκθέτουν υδρόφοβες πλευρικές
ευνοϊκό ενεργειακά.
αλυσίδες των αμινοξέων στο υδρόφοβο εσωτερικό της λιπιδl Απάντηση Το
(8)
11-2
κής διπλοστιβάδας αλ/ά απομονώνουν τους πολικούς πεπτιδl
είνQl η σωστή αναλογία για τη συναρμολόγηση της λιπι
κούς δεσμούς του πολυπεπτιδικού σκελετού από την υδρόφοβη
δικής διπλοστιβάδας, επειδή επιδρούν περισσότερο δυνάμεις
φάση (βλ. Εικόνες
αποκλεισμού του νερού παρά ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των λι
ρικοί ασυνήθιστοι τρόποι διαμόρφωσης μιας πολυπεmιδlκής α
πιδικών μορίων. Εάν τα λιπιδικά μόρια σχημάΤΙΖαν δεσμούς με
λυσίδας ώστε να επιτευχθεί το ίδιο αποτέλεσμα, όπως φαίνετQl
11-22 έως 11-25). Υπάρχουν
ωστόσο
KQl με
ταξύ τους, η διπλοστιβάδα θα ήταν λιγότερο ρευστή και πιθανόν
στη μικρή θηλειά του φωτoσυνθεnKoύ κέντρου αντίδρασης. Αυ
να γινόταν άκαμπτη εάν οι αλληλεπιδράσεις ήταν ισχυρές.
τό δείχνει εμφανώς την σημασία του προσδιορισμού της τρισ διάστατης δομής, η οποία σήμερα είναι Υνωστή μόνο για λίγες
Απάντηση
11-3
μεμβρανlκές πρωτεΛιες.
Η ρευστότητα της διπλοστιβάδας περιορίΖεΤQl αυστηρά στο ένα
11-7
επίπεδο: τα λιπιδικά μόρια μπορούν να διaxέοντQl πλευρικά αλ
Απάντηση
λά δεν μεταπηδούν εύκολα από τη μια μονοστιβάδα στην άλ/η.
Μερικά από τα μόρια των δύο διαφορετικών διαμεμβρανικών
Επομένως, ειδικές κατηγορίες λιπιδικών μορίων που εισχω
πρωτεϊνών είνQl προσκολ/ημένα στα ινίδια της σπεκτρίνης του
ρούν στη μια μονοστιβάδα παραμένουν σε αυτήν, εκτός εάν με
κυπαρικού φλοιού. Αυτά τα μόρια δεν είναι ελεύθερα να περι
ταφερθούν ενεργά από ένα ένζυμο
-
μια φi\ιπάση.
στρέφονται ή να διαχέονται στο επίπεδο της μεμβράνης. Υπάρ χει όμως περίσσεια των διαμεμβρανlκών πρωτεϊνών σε σχέση
Απάντηση
11-4
με τις διαθέσιμες θέσεις προσκόλ/ησης στον φλοιό και, έτσι,
Τόσο στην α-έλικα όσο και στο β-απύθμενο βαρέλι, οι πολικοί
μερικά από τα μόρια των διαμεμβρανlκών πρωτεϊνών μπορούν
πεπτιδικοί δεσμοί του πολυπεπτιδικού σκελετού μπορούν να
να περιστρέφοντQl
θωρακιστούν πλήρως από το υδρόφοβο περιβάλ/ον της λιπιδι
μεμβράνης. Πράγματι, μετρήσεις της κινητικότητας των πρωτεϊ
KQl να διαΧέονται
ελεύθερα στο επίπεδο της
κής διπλοστιβάδας μέσω των υδρόφοβων πλευρικών αλυσίδων
νών αποκαλύπτουν την ύπαρξη δύο διαφορετικών πληθυσμών
των αμινοξέων. Εσωτερικοί δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των πε
για κάθε διαμεμβρανlκή πρωτείνη, που αντιστοιχούν στις προσ
πτιδικών δεσμών σταθεροποιούν την α έλικα
δεδεμένες και στις ελεύθερες πρωτείνες.
Απάντηση
KQl το β βαρέλι.
11-5
Η σουλφονική ομάδα στο
Απάντηση
SDS είναι
φορτισμένη
KQl επομένως
11-8
Οι διαφορετικοί τρόποι με τους οποίους οι μεμβρανlκές πρω-
Απαντήσεις
959
τείνες περιορίΖονται σε διαφορετικές μεμβρανικές περιοχές συ νοψίΖονται στην Εικόνα
Γ. Οι σχημαΤΙΖόμενες διπλοστιβάδες θα ήταν πολύ λιγότερο
Η κινητικότητα των μεμβρανι
ρευστές. Ενώ μια φυσιολογική λιπιδική διπλοστιβάδα έχει το
κών πρωτεϊνών μειώνεται δραστικά όταν προσδεθούν σε άλ/ες
ιξώδες του ελαιόλαδου, μια διπi\oστιβάδα που αποτελείται α
11-35.
πρωτείνες, όπως του κυτταροσκελετού ή του εξωκυττάριου
πό τα ίδια λιπίδια τα οποία όμως έχουν κορεσμένες υδρογο
στρώματος. Η κινητικότητα των πρωτεϊνών δεν επηρεάΖεται ό
νανθρακικές ουρές θα είχε τη συνοχή του χοιρινού λίπους.
ταν δεν προσδένονται σε άλ/ες πρωτείνες. Οι πρωτε'ίνες περιο
Δ. Οι σχημαΤΙΖόμενες διπλοστιβάδες θα ήταν πολύ περισσότερο
ρίΖΟνται σε μεμβρανικές περιοΧές μέσω φραγμών, όπως είναι
ρευστές. Επίσης, επειδή τα λιπίδια συσκευάΖΟνται μεταξύ
οι στεγανοί σύνδεσμοΙ. Η ρευστότητα της λιπιδικής διπλοστιβά
τους λιγότερο καλά, θα υπήρχαν πολ/ά κενά και η διπλοστι
δας δεν επηρεάΖεται σημαντικά από το αγκυροβόλημα των μεμ
βάδα θα ήταν πιο διαπερατή σε μικρά υδατοδιαλυτά μόρια.
βρανικών πρωτεϊνών. Η πληθώρα των λιπιδικών μορίων ρέει
Ε. Εάν υποθέσουμε ότι τα λιπιδικά μόρια είναι τελείως αναμε
γύρω από τις προσκολ/ημένες πρωτείνες όπως το νερό γύρω α
μειγμένα, η ρευστότητα της μεμβράνης δεν θα μεταβληθεί.
πό την προβλήτα ενός λιμανιού.
Σε τέτοιες διπλοστιβάδες όμως, τα κορεσμένα λιπιδικά μόρια
ΕΙκόνα
ρούν να συσκευάΖΟνται πιο σφικτά, και επομένως θα σχημά
έχουν την τάση να συναθροίζονται μεταξύ τους, επειδή μπο
11-9
ΤΙΖαν τμήματα πολύ μειωμένης ρευστότητας. Ετσι η διπλοστι
Ολες οι προτάσεις είναι σωστές. Α, Β, Γ, Δ. Η λιπιδική διπλοστιβάδα είναι ρευστή επειδή τα λιπι
δικά μόρια της διπλοστιβάδας υφίστανται αυτές τις κινήσεις. Ε. Τα γλυκολιπίδια περιορίΖΟνται κυρίως στη μονοστιβάδα των
βάδα δεν θα έχει ομοιόμορφες ιδιότητες σε όλη την επιφά νειά της. Επειδή στα λιπιδικά μόρια μια κορεσμένη και μια α
κόρεστη υδρογονανθρακική αλυσίδα συνδέονται στην ίδια
μεμβρανών που βρίσκεται από την άλ/η πλευρά του κυτταρο
υδρόφιλη κεφαλή, κανονικά τέτοιος διαχωρισμός δεν παρα
διαλύματος. Μερικά ειδικά γλυκολιπίδια, όπως η φωσφατι
τηρείται στις κυτταρικές μεμβράνες.
δυλο-ινοσιτόλη (αναφέρεται στο Κεφάλαιο
βρίσκονται
Ζ. Οι σχηματιΖόμενες διπλοστιβάδες θα είχαν σχεδόν τις ίδιες ι
ειδικά στη μονοστιβάδα που είναι σε επαφή με το κυτταρο
διότητες. Κάθε λιπιδικό μόριο θα διαπερνούσε τώρα ολόκλη
διάλυμα.
ρη τη μεμβράνη με μια από τις δυο κεφαλές να εκτίθεται σε
16),
Ζ. Η αναγωγή των διπλών δεσμών (με υδρογόνωση) επιτρέπει
κάθε επιφάνεια της μεμβράνης. Τέτοια λιπιδικά μόρια συνα
στα λιπιδικά μόρια να συσκευάΖΟνται πιο κοντά το ένα στο
ντώνται στις μεμβράνες θερμόφιλων βακτηρίων τα οποία
άλ/ο, με αποτέλεσμα την αύξηση του ιξώδους, δηλαδή, μετα
μπορούν να Ζήσουν σε θερμοκρασίες που προσεγγίΖουν την
τρέπει το λάδι σε μαργαρίνη.
θερμοκρασία βρασμού του νερού. Οι διπλοστιβάδες τους δεν
Η. Παραδείγματα αποτελούν τα ένΖυμα που συμμετέχουν στη σηματοδότηση (αναφέρονται στο Κεφάλαιο
16).
Θ. Οι πολυσακχαρίτες είναι τα κύρια συστατικά της βλέwας και
διαχωρίΖΟνται σε υψηλές θερμοκρασίες, όπως οι συνήθεις διπλοστιβάδες, επειδή οι δύο αρχικές μονοστιβάδες είναι τώ
ρα συνδεδεμένες ομοιοπολικά σε μια μονή μεμβράνη.
της γλοιώδους ουσίας. Ο γλυκοκάλυκας που αποτελείται α πό πολυσακχαρίτες και ολιγοσακχαρίτες είναι ένα πολύ ση
Απάvmση
μαντικό λιπαντικό' για παράδειγμα, για τα κύτταρα που επεν
Το σχήμα των λιπιδικών μορίων είναι σχεδόν κυλινδρικό. Αντί
11-12
δύουν εσωτερικά τα αιμοφόρα αγγεία ή μετακινούνται στο
θετα, τα μόρια των απορρυπαντικών έχουν σχήμα κώνου ή σφή
κυκλοφορικό σύστημα.
νας. Για παράδειγμα, ένα λιπιδικό μόριο μόνο με μια υδρογο νανθρακική ουρά θα ήταν απορρυπαντικό. Για να κάνετε ένα λι
Απάντηση
11-10
Σ' ένα διδιάστατο ρευστό τα μόρια είναι ελεύθερα να μετακι
πιδικό μόριο απορρυπαντικό θα πρέπει να κατασκευάσετε την υδρόφιλη κεφαλή μεγαλύτερη ή ν' απομακρύνετε μια από τις
νούνται μόνο σ' ένα επίπεδο. Αντίθετα σ' ένα κανονικό ρευστό
ουρές έτσι ώστε να μπορεί να σχηματιστεί ένα μικύλ/ιο. Επίσης
τα μόρια μπορούν να κινηθούν σε τρεις διαστάσεις.
τα μόρια των απορρυπαντικών έχουν πιο κοντές υδρογοναν
θρακικές ουρές από τα λιπίδια. Αυτό τα καθιστά ελαφρώς υδα Απάvmση
11-11
τοδιαλυτά και έτσι σε υδατικό διάλυμα τα μόρια των απορρυπα
Α. Θα προέκυπτε ένα απορρυπαντικό. Η διάμετρος της «κεφα
ντικών εξέρχονται και εισέρχονται συχνά στα μικύλ/ια. Εξαιτίας
λής» του λιπιδίου θα ήταν πολύ μεγαλύτερη από τη διάμετρο
της ιδιότητας αυτής, υπάρχουν πάντα μερικά μονομερή μόρια
της υδρογονανθρακικής ουράς με αποτέλεσμα το σχήμα του
απορρυπαντικών στο υδατικό διάλυμα και επομένως μπορούν
μορίου να είναι πιο πολύ κωνικό παρά κυλινδρικό και τα μό
να εισχωρούν σε λιπιδικές διπλοστιβάδες και να διαλυτοποιούν
ρια να συναθροίΖΟνται σε μικύλ/ια και όχι σε διπλοστιβάδες.
μεμβρανικές πρωτε'ίVες (βλ. Εικόνα
11-27).
Β. Οι σχημαΤΙΖόμενες διπλοστιβάδες θα ήταν πολύ πιο ρευστές.
Επίσης οι διπλοστιβάδες θα ήταν λιγότερο σταθερές επειδή
Απάvmση
οι μικρότερες υδρογονανθρακικές ουρές είναι λιγότερο υ
Όταν τα βακτήρια ευθυγραμμιστούν, υπάρχουν περίπου
δρόφοβες και έτσι οι δυνάμεις που προωθούν το σχηματισμό
μόρια λιπιδίων (το καθένα πλάτους
της διπλοστιβάδας μειώνονταΙ.
πίδιο στη μια άκρη του βακτηρίου και σ' ένα άλ/ο στην άλ/η ά-
960
Απαντήσεις
11-13 0.5 nm)
4000
ανάμεσα σ' ένα λι
κρη. Έτσι, αν ένα από αυτά τα μόρια αρχίσει να κινείται προς
την κατεύθυνση του άλ/ου ανταλ/άσσοντας θέση με γειτονικά
μόρια κάθε 10-7 δευτερόλεmα, θα χρειαστεί μόλις 4 χ 10-4 δευ τερόλεπτα (= 4000 Χ 10-7 δευτερόλεπτα) για να φτάσει στο άλ λο άκρο. Στην πραγματικότητα όμως, το μόριο του λιπιδίου θ' α κολουθήσει τυχαίες διαδρομές και όχι μια συγκεκριμένη κατεύ θυνση με αποτέλεσμα να χρειαστεί σαφώς περισσότερο χρόνο
(1
δευτερόλεπτο) για να φτάσει στο άλ/ο άκρο. Αν μια μπάλα
του πινγκ-πονγκ (διαμέτρου
4 cm)
Εικόνα Α11·17
αντάλλασσε θέση με την γει
τονική της κάθε 10-7 δευτερόλεπτα, η ταΧύτητά της θα ήταν
1,440,000 km/h (::::::4 cm/10-7δευτερόλεπτα). Αν μετακινείτο μόνο προς μια κατεύθυνση, θα έφτανε στην άλ/η άκρη σε 1.5 χ 10-15 δευτερόλεπτα, ενώ μια τυχαία διαδρομή θα διαρκούσε σα φώς περισσότερο (",,2 χιλιοστά του δευτερολέπτου).
Aπdvmσn
11-17
Η σύντηξη των μεμβρανών δεν μεταβάλλει τον προσανατολι σμό των μεμβρανικών πρωτεϊνών με τα συνδεδεμένα έγχρωμα σήματα: το τμήμα κάθε διαμεμβρανικής πρωτε'ίνης που εκτίθε
Aπόντησn
ται στο κυπαροδιάλυμα παραμένει πάντα εκτεθειμένο στο κυτ
11-14
Οι μεμβρανικές πρωτε'ίνες καθηλώνουν τη λιπιδική διπλοστιβά
ταροδιάλυμα και το τμήμα που εκτίθεται προς τα έξω παραμένει
δα στον κυπαροσκελετό ενισχύοντας έτσι την κυπαρική μεμβρά
πάντοτε εκτεθειμένο έξω (Εικόνα Αl1-7). Σε
νη με αποτέλεσμα ν' αντέχει στις δυνάμεις που ασκούνται σε αυ
της μεμβράνης μειώνεται και η ανάμιξη των μεμβρανικών πρω
O°C η ρευστότητα
τήν όταν το ερυθροκύπαρο διέρχεται μέσα από μικρά αιμοφόρα
τεϊνών είναι πολύ πιο αργή.
αΥΥεία. Οι μεμβρανικές πρωτεΊνες μεταφέρουν επίσης θρεmικά
Aπdvmσn
υλικά και ιόντα διαμέσου της κυπαρικής μεμβράνης.
11-18
Η έκθεση υδρόφοβων πλευρικών αλυσίδων των αμινοξέων στο
Aπdvmσn
νερό είναι μη ευνοϊκή ενεργειακά. Υπάρχουν δύο τρόποι με
11-15
Καθεμιά από τις υδρόφιί\ες όψεις των πέντε διαμεμβρανικών α
τους οποίους τέτοιες αλυσίδες αποκλείονται από το νερό ώστε
ελίκων που διαπερνούν τη μεμβράνη συνεισφέρει μια διαφορε
να επιτευΧθεί μια κατάσταση περισσότερο ευνοϊκή ενεργειακά.
τική υπομονάδα και πιστεύεται ότι οργανώνονται έτσι ώστε να
Πρώτον, μπορούν να σχηματίσουν διαμεμβρανικά τμήματα που
σχηματίσουν έναν πόρο διαμέσου της λιπιδικής διπλοστιβάδας.
διαπερνούν την λιπιδική διπλοστιβάδα. Αυτό προϋποθέτει ότι
Εσωτερικά, ο πόρος επικαλύπτεται από τις υδρόφιί\ες πλευρικές
θα υπάρχουν περίπου
αλυσίδες των αμινοξέων. Τα ιόντα μπορούν να περάσουν μέσω
μένες διαδοχικά σε μια πολυπεπτιδική αλυσίδα. Δεύτερον, οι υ
του υδρόφιλου πόρου. Οι υδρόφοβες πλευρικές αλυσίδες των
δρόφοβες πλευρικές αλυσίδες των αμινοξέων μπορεί ν' απομο
αμινοξέων αλληλεπιδρούν με τις υδρόφοβες λιπιδικές ουρές
νωθούν στο εσωτερικό της διπλωμένης πολυπεπτιδικής αλυσί
της διπλοστιβάδας.
δας. Αυτό είναι μια από τις σημαντικότερες δυνάμεις που «κλει
20 τέτοιες
πλευρικές αλυσίδες τοποθετη
δώνει» την πολυπεπτιδική αλυσίδα σε μια μοναδική τρισδιάστα Aπόντησn
τη δομή. Σε κάθε περίπτωση, οι υδρόφοβες δυνάμεις στη λιπι
11-16
Υπάρχουν περίπου
100 μόρια
λιπιδίων (φωσφολιπίδια και χο
ληστερόλη) για κάθε πρωτεϊνικό μόριο στην μεμβράνη
50,000)/(800+386)].
[= (2
χ
δική διπλοστιβάδα ή στο εσωτερικό μιας πρωτε'ίνης βασίΖΟνται στις ίδιες αρΧές.
Μια παρόμοια αναλογία παρατηρείται σε
Aπdvmσn
πολ/ές κυπαρικές μεμβράνες.
11-19
(Α) Τα ψάρια της Ανταρκτικής Ζουν σε θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν και είναι ψυχρόαιμα. Για να διατηρούν τις μεμβράνες ΥΔΡΟΦΙΛΟΣ ΠΟΡΟΣ
τους ρευστές σε αυτές τις θερμοκρασίες έχουν υψηλό ποσοστό
υδρόφιλη όψη
ακόρεστων φωσφολιπιδίων. λιπιδική
διπλοστοιβάδα
Aπdvmσn
11-20
Η αλ/ηλουΧία Β είναι πιο πιθανό να σχηματίσει μια διαμεμβρα
νική έλικα. Αποτελείται κυρίως από υδρόφοβα αμινοξέα και συ νεπώς μπορεί να ενσωματωθεί σταθερά σε μια λιπιδική διπλο στιβάδα. Αντίθετα, η αλ/ηλουΧία Α περιέχει πολ/ά πολικά αμι υδρόφοβη όψη
Εικόνα Α11·15
νοξέα
(5, Τ, Ν, Q), ενώ η αλ/ηλουΧία C πολ/ά φορτισμένα αμι R, Η, Ε, D) των οποίων η παρουσία δεν ευνοείται στο
νοξέα (Κ,
υδρόφοβο εσωτερικό της λιπιδικής διπλοστιβάδας.
Απαντήσεις
961
Κεφάλαιο Aπ6vmσn
ρα κατειλημμένη, η πρωτείνη-φορέας μπορεί να μεταπέσει
12
στην αρχική διαμόρφωση μόνο αφού προηγουμένως «ξε
12-1
φορτωθεί» το διαλυτό μόριο Α.
Α. Η μεταφορά που διεκπεραιώνεται από μια πρωτεΤνη-φορέα
διαμεμβρανική πρωτεΊνη με τις ακόλουθες ιδιότητες δύο θέ
μπορεί να περιγραφεί με μια ανάλογη εξίσωση:
+ S::;;:::=:
(1) CP όπου
CPS ~ CP
σεις πρόσδεσης, μια για το διαλυτό μόριο Α και μια για το Β.
+ S*
S είναι το διαλυτό μόριο, S* είναι το διαλυτό
Η πρωτεΊνη μπορεί ν' αλ/άΖει διαμόρφωση και να ταλαντεύε
μόριο στην
άλ/η πλευρά της μεμβράνης (εξακολουθεί να είναι το ίδιο μό
ριο, τώρα όμως βρίσκεται σε διαφορετικό περιβάλ/ον) και
CP
είναι η πρωτεΤνη φορέας.
Β. Η εξίσωση αυτή είναι χρήσιμη επειδή περιγράφει ένα στάδιο πρόσδεσης που ακολουθείται από ένα στάδιο απελευθέρω σης. Η μαθηματική επεξεργασία αυτής της εξίσωσης είναι παρόμοια με αυτήν που περιγράφηκε για τα ένΖυμα (βλ Ει
κόνα
3-25). Έτοι,
οι πρωτεΤνες-φορείς χαρακτηρίΖΟνται από
μια τιμή ΚΜ που περιγράφει τη συΥΥένειά τους για το διαλυτό μόριο και μια τιμή ν max που περιγράφει τη μέγιστη ταχύτητα
μεταφοράς. Για μεγαλύτερη ακρίβεια θα μπορούσε να συ μπεριληφθεί στην εξίσωση και η αλ/αγή της διαμόρφωσης της πρωτεΤνης-φορέα:
(2α)
CP
ται μεταξύ δύο καταστάσεων: με τις δύο θέσεις εκτεθειμένες αποκλειστικά στη μια ή στην άλ/η πλευρά της μεμβράνης. Η
πρωτεΤνη μπορεί να μεταπίπτει από τη μια διαμόρφωση στην άλ/η μόνο όταν η μια θέση πρόσδεσης είναι κατειλημμένη,
αλ/ά δεν μπορεί ν' αλ/άξει διαμόρφωση αν και οι δύο θέσεις είναι κατειλημμένες ή κενές. Παρατηρείστε ότι αυτοί οι κανόνες παρέχουν ένα εναλ/α
κτικό πρότυπο από αυτό που φαίνεται στην Εικόνα
12-14.
Ε
τοι, υπάρχουν δύο δυνατοί τρόποι για τη σύΖευξη της μεταφο ράς δύο διαλυτών μορίων:
(1) να υπάρχουν
συνεργατικές θέ
σεις πρόσδεσης των διαλυτών μορίων που επιτρέπουν στην
αντλία να ταλαντεύεται τυχαία μεταξύ των δύο διαμορφώσεων όπως φαίνεται στην Εικόνα
12-14 ή (2) τα δύο διαλυτά
μόρια
να προσδένονται ανεξάρτητα και η αλ/αγή της διαμόρφωσης να εξαρτάται τώρα από την κατάληψη των θέσεων πρόσδε
+ S::;::::::::::= CPS::;::::::::::= CP*S* ~ Cp* + S* (2β)
Γ. Ενας αντιμεταφορέας μπορεί παρομοίως να σχεδιαστεί ως
CP::;::::::::::= Cp*
σης. Εφόσον η δομή των συΖευγμένων μεταφορέων δεν έχει
ακόμα προσδιοριστεί, δεν γνωρίΖουμε ποιόν από τους δύο μηχανισμούς χρησιμοποιούν αυτές οι αντλίες.
όπου
CP*
είναι η πρωτεΊνη-φορέας μετά την αλ/αγή της δια
μόρφωσης που εκθέτει το προσδεμένο διαλυτό μόριο στην
Aπ6vmσn
άλ/η πλευρά της μεμβράνης. Ο υπολογισμός αυτός χρειάΖε
Εάν η αντλία
ται μια δεύτερη εξίσωση (2β) που επιτρέπει στην πρωτεΤνη
αναστέλ/εται μερικώς από την ουαμπα'ί\ιη ή τη δακτυλίτιδα, δη
φορέα να επιστρέψει στην αρχική διαμόρφωση.
μιουργεί μια ηλεκτροχημική βαθμίδωση
Γ. Οι εξισώσεις δεν περιγράφουν τη συμπεριφορά των διαύλων
12-3 Na+-κ+ δεν λειτουργεί με πλήρη απόδοση επειδή Na+ που
είναι λιγότε
ρο απότομη από αυτήν των κυπάρων χωρίς φάρμακα. Συνε-
'C a 2 +Ν+λ - a ειτουργει'λ' ιγοτερο
,
λ ε-
επειδή τα διαλυτά μόρια που περνούν μέσω των διαύλων δεν
πως, ο αντιμεταφορεας
προσδένονται σε αυτούς με τον τρόπο που ένα υπόστρωμα
σματικά και το Ca + απομακρύνεται από το κύπαρο πιο αργά.
προσδένεται σ' ένα ένΖυμο.
Όταν αρχίσει ο επόμενος κύκλος της μυϊκής συστολής, θα υ
αποτε
2
πάρχουν ακόμα υψηλά επίπεδα Ca + στο κυπαροδιάλυμα. Η είσοδος του ίδιου αριθμού ιόντων Ca 2 + μέσα στο κύπαρο θ' 2
Aπ6vmσn
12-2
Α. Οι ιδιότητες προσδιορίΖουν έναν συμμεταφορέα
αυξήσει ακόμα περισσότερο την συγκέντρωση του, σε σύγκρι
Β. Δεν χρειάζεται να καθοριστούν επιπλέον ιδιότητες. Το σημα
ση με τα κύπαρα στα οποία δεν έχουν προστεθεί τα φάρμακα,
ντικό χαρακτηριστικό που εξασφαλίΖει τη σύΖευξη των δύο
και θα οδηγήσει σε ισχυρότερη και πιο παρατεταμένη συστολή.
διαλυτών μορίων είναι ότι η πρωτεΊνη δεν μπορεί ν' αλ/άξει
Επειδή η αντλία
διαμόρφωση εάν έχει προσδεθεί μόνο ένα από τα διαλυτά
σε όλα τα Ζωικά κύπαρα, όπως η διατήρηση της ωσμωτικής ι
μόρια. Το διαλυτό μόριο Β που προωθεί τη μεταφορά του Α
σορροπίας και η δημιουργία της βαθμίδωσης του
βρίσκεται σε περίσσεια στην πλευρά της μεμβράνης από την
σιμοποιείται για να τροφοδοτήσει πολ/ούς μεταφορείς, σε με
οποία αρχίζει η μεταφορά και τον περισσότερο χρόνο κατα
γαλύτερες συγκεντρώσεις τα φάρμακα είναι θανατηφόρα δη
λαμβάνει τις θέσεις πρόσδεσής του. Σε αυτή την κατάσταση η
λητήρια.
Na+-κ+
εκπληρώνει ουσιαστικές λειτουργίες
Na+ που χρη
πρωτεΊνη-φορέας δεν αλ/άΖει διαμόρφωση αλ/ά περιμένει έως ότου κάποια στιγμή προσδεθεί ένα διαλυτό μόριο. Με τις
Aπ6vmσn124
δύο θέσεις πρόσδεσης κατειλημμένες, η πρωτεΤνη αλ/άΖει
Καθεμιά από τις ορθογώνιες κορυφές αντιστοιχεί στο άνοιγμα
διαμόρφωση. Τώρα στην άλ/η πλευρά της μεμβράνης εκτί
ενός μόνο διαύλου που επιτρέπει τη διέλευση ενός μικρού ρεύ
θεται η θέση πρόσδεσης για το Β, που είναι κυρίως κενή, ε
ματος. Όπως φαίνεται από τη καταγραφή, οι δίαυλοι που βρί
πειδή υπάρχει πολύ λίγο Β σε αυτή την πλευρά της μεμβρά
σκονται στο τεμαΧίδιο της μεμβράνης ανοιγοκλείνουν συχνά.
νης. Παρότι η θέση πρόσδεσης για το Α είναι τώρα συχνότε-
Κάθε δίαυλος παραμένει ανοικτός για πολύ μικρό, κάπως μετα-
962
Απαντήσεις
βλητό, διάστημα που είναι κατά μέσο όρο περίπου
10 χιλιοστά
πό το άνΟΙΥμά τους, η ροή του κ+ μέσω ελεΥΧόμενων από την
του δευτερολέπτου. Όταν ανοίξουν, οι δίαυλοι επιτρέπουν τη
τάση διαύλων του κ+ και διαύλων διαφυΥής του κ+ μπορεί ν' α
διέλευση ενός μικρού ρεύματος μοναδικής έντασης (4 ρΑ, ένα picoampere = 10-12 Α). Σε κάποια χρονική στΙΥμή το ρεύμα δι
ποκαταστήσει το αρχικό δυναμικό ηρεμίας της μεμβράνης αμέ
σως μετά τη διέλευση του δυναμικού ενέΡΥειας
(95 λέξεις).
πλασιάΖεται, ένδειξη ότι στο ίδιο μεμβρανlκό τμήμα άνοιξαν ταυτόχρονα δύο δίαυλοι.
Απάντηση
12-7
Αν η ακετυλοχολίνη παραληφθεί ή προστεθεί στο διάλυμα έ
Εάν ο αριθμός των λειτουΡΥικών υποδοΧέων της ακετυλοχολί
ξω από την πιπέπα, θα μετρηθεί μόνο το ρεύμα ηρεμίας. Η ακε
νης μειωθεί με τα αντισώματα, ο νευροδιαβιβαστής (ακετυλοχο
τυλοχολίνη πρέπει να προσδεθεί στο εξωκυπάριο τμήμα των
λίνη) που απελευθερώνεται από ης νευρικές απολήξεις δεν θα
μορίων του υποδοΧέα της ακετυλοχολίνης Υια ν' ανοίξει ο δίαυ
μπορέσει να διεΥείρεl τη συστολή του μυός (ή θα δράσει αδύνα
λος στο μεμβρανlκό τεμαΧίδιο που φαίνεται στην Εικόνα
μα).
12-22.
Η κυπαροπλασματική πλευρά της μεμβράνης βρίσκεται στο διά
λυμα έξω από το μικροηλεκτρόδιο. Απάντηση
Απάντηση
12-8
Κατ' αναλΟΥία με την αντλία
12-5
Το δυναμικό ισορροπίας του κ+ είναι-90
να
Na+-κ+ που φαίνεται στην Εικό
12-12, το ΑΤΡ μπορεί να υδρολυθεί και να
δώσει μια φω
mV [= 62 mV 10glO (5 mM/140 mM)] και του Na+ είναι +72 mV [= 62 mV !Og10 (145 mM/10 mM)]. Οι δίαυλοι διαφυΥής του κ+ στην κυπαρική μεμ
μόριο έχει προσδεθεί στην εσωτερική πλευρά της μεμβράνης
βράνη ενός κυπάρου σε ηρεμία επιτρέπουν στο κ+ να φτάνει σε
τήσει μια αλλαΥή της διαμόρφωσης (στάδιο
ισορροπία, επομένως το δυναμικό της μεμβράνης του κυπάρου
διαλυτό μόριο θα δεσμευτεί και θα εκτεθεί στην «εξωτερική»
πλησιάΖει τα -90 mV. Οταν ανοίΥουν οι δίαυλοι του Na+, εισρέει Na+, οπότε το δυναμικό της μεμβράνης αντιστρέφει την πολικό τητά του και φτάνει σε μια τιμή κοντά στα +72 mV που είναι η τι μή ισορροπίας Υια το Na +. Μετά το κλείσιμο των διαύλων του Na +, οι δίαυλοι διαφυΥής του κ+ επιτρέπουν στο Κ+, που δεν
πλευρά. Το φωσφορικό μπορεί ν' απομακρυνθεί από την
σφορική ομάδα στην πρωτε'ί'νη-φορέα μόνο όταν το διαλυτό (στάδιο
1 --ο> 2).
Η προσάρτηση του φωσφορικού θα πυροδο
2
--ο>
3).
Έτσι, το
πρωτε'ί'νη μόνο όταν το διαλυτό μόριο διασταθεί από την πρω τε'ί'νη και τότε η κενή, μη φωσφορυλιωμένη, πρωτε'ί'νη μπορεί να μεταπέσει στην αρχική κατάσταση (στάδιο
3 --ο> 4)
(Εικόνα
Α12-8).
βρίσκεται πλέον σε ισορροπία, να εξέρχεται από το κύπαρο έως ότου αποκατασταθεί το δυναμικό της μεμβράνης στην τιμή ισορ
Απάντηση
ροπίας Υια το Κ+, περίπου
Α. Λάθος. Η κυπαρική μεμβράνη περιέχει πρωτε'ί'νες που εξα
-90 mV.
12-9
σφαλίΖουν επιλεκηκή διαπερατότητα σε πολ/ά φορησμένα Απάντηση
12-6
'Οταν το δυναμικό ηρεμίας της μεμβράνης ενός νευράξονα πέ σει κάτω από μια οριακή τιμή, οι ελεΥχόμενοι από την τάση δί
αυλοι του
Na+ που βρίσκονται σε άμεση Υειτνίαση ανοίΥουν και Na+. Αυτό εκπολώνει την μεμβράνη
μόρια. Αντίθετα, μια καθαρή λιπιδlκή διπλοστιβάδα χωρίς πρωτε'ίνες είναι αδιαπέραστη απ' όλα τα φορτισμένα μόρια.
Β. Λάθος. Οι πρωτεΙνες-δίαυλοι δεν προσδένουν τα διαλυτά μόρια που περνούν από αυτές. Η επιλεκηκότητα μιας πρω
επιτρέπουν την είσοδο του
τεΙνης-διαύλου εξαρτάται από το μέΥεθος του πόρου και από
περισσότερο αναΥκάΖοντας πιο απομακρυσμένους διαύλους
φορησμένες περιοχές στην είσοδο του πόρου που προσελ
του Na+ που ελέΥΧΟνται από την τάση ν' ανοίξουν. Έτσι δημι ουΡΥείται ένα κύμα εκπόλωσης το οποίο μεταδίδεται ΥρήΥορα
κύουν ή απωθούν ιόντα με το κατάλ/ηλο φορτίο.
Γ. Σωστή Υια τα Ζωικά κύπαρα. Τα κύπαρα περιέχουν ένα πυ
κατά μήκος του νευράξονα και ονομάΖεται δυναμικό ενέΡΥειας.
κνό διάλυμα πολ/ών μορίων που προκαλεί ωσμωηκή εισροή
Επειδή οι δίαυλοι του Na+ απενεΡΥοποιούνται ΥρήΥορα μετά α-
νερού. Αν τα ιόντα δεν αντλούνται διαρκώς προς τα έξω Υια
Εικόνα Α 12-8
Απαντήσεις
963
να διατηρηθεί η ωσμωτική ισορροπία, τα κύπαρα τελικά θα
μεταφοράς. Η παθητική μεταφορά ενός διαλυτού μορίου γί
διαρραγούν. Λάθος για τα φυτικά κύπαρα, τους σακχαρομύ
νεται «κατηφορικά» προς την κατεύθυνση της συγκέντρω
κητες και τα βακτήρια. Παρότι το νερό τείνει να εισρέει ί\όγω
σης ή της ηλεκτροχημικής βαθμίδωσης, ενώ η ενεργός με
της ώσμωσης, τα κύπαρα αυτά περιβάλ/ονται από ένα σκλη
ταφορά γίνεται «ανηφορικά» και επομένως χρειάΖεται μια
ρό κυπαρικό τοίχωμα που εμποδίΖει τη ρήξη της κυπαρικής
πηγή ενέργειας. Ενεργός μεταφορά μπορεί να πραγματο
μεμβράνης.
ποιηθεί από πρωτείνες-φορείς αλ/ά όΧΙ από πρωτεΤνες-δι
Δ. Λάθος. Οι πρωτείνες-φορείς είναι πιο αργές. Εχουν ιδιότη τες παρόμοιες με αυτές των ενΖύμων, δηλαδή προσδένουν
θεί και από τις δύο.
διαλυτά μόρια και χρειάΖεται ν' αλ/άξουν διαμόρφωση κατά
Γ. Και οι δύο όροι περιγράφουν μεταβολές της ενέργειας που
τη διάρκεια του κύκλου λειτουργίας τους. Αυτό περιορίΖει το
συμμετέχουν στην μετακίνηση ενός ιόντος από τη μια πλευρά
μέγιστο ρυθμό μεταφοράς περίπου σε
μόρια α
της μεμβράνης στην άλ/η. Το δυναμικό της μεμβράνης ανα
νά δευτερόλεπτο, ενώ οι πρωτεΙ\/ες-δίαυλοι μπορούν να δια
φέρεται στην μεταβολή της ηλεκτρικής ενέργειας. Η ηλεκτρο
κινήσουν έως
χημική βαθμίδωση είναι η συνισταμένη της μεταβολής της η
1,000,000 διαλυτά
1000 διαλυτά
μόρια ανά δευτερόλεmο.
Ε. Σωστή. Η βακτηριοροδοψίνη μερικών φωτοσυνθετικών βα
2.
αύλους, ενώ παθητική μεταφορά μπορεί να πραγματοποιη
λεκτρικής ενέργειας και της αλ/αγής της χημικής ενέργειας,
κτηρίων μετακινεί Η+, χρησιμοποιώντας ενέργεια που προ
που σχετίΖεται με τη μετακίνηση μεταξύ μιας περιοχής υψη
σλαμβάνει από το ορατό φως.
λής συγκέντρωσης και μιας περιοχής χαμηλής συγκέντρω
Σωστή. Τα περισσότερα Ζωικά κύπαρα περιέχουν στην κυπα
σης. Το δυναμικό της μεμβράνης ορίΖεται ανεξάρτητα από το
ρική μεμβράνη διαύλους διαφυγής Κ+ οι οποίοι συνήθως εί
ιόν ενώ η ηλεκτροχημική βαθμίδωση εξαρτάται από τη βαθμί
ναι ανοικτοί. Η συγκέντρωση του κ+ στο εσωτερικό του κυτ
δωση της συγκέντρωσης ενός συγκεκριμένου ιόντος και επο
τάρου παραμένει μεγαλύτερη απ' ότι στο εξωτερικό επειδή το
μένως είναι μια παράμετρος που εξαρτάται από το ιόν.
δυναμικό της μεμβράνης είναι αρνητικό και επομένως εμπο
Δ. Μια αντλία είναι μια εξειδικευμένη πρωτείνη-φορέας που
δίΖει τα θετικά φορτισμένα ιόντα του Κ+ να διαφύγουν. Επί
χρησιμοποιεί ενέργεια για να μεταφέρει ένα διαλυτό μόριο
σης το κ+ αντλείται διαρκώς μέσα στο κύπαρο από την αντλία
Na+-K+.
«ανηφορικά», αντίθετα από την ηλεκτροχημική βαθμίδωση.
Ε. Και τα δύο μεταδίδουν σήματα με ηλεκτρική δραστηριότητα.
Η. Λάθος. Ενας συμμεταφορέας προσδένει δυο διαφορετικά
Τα καλώδια είναι κατασκευασμένα από χαλκό, οι νευράξο
διαλυτά μόρια στην ίδια πλευρά της μεμβράνης. Αν αναπο
νες όμως όχΙ. Η ισχύς του σήματος που μεταδίδεται από έναν
δογυρίσει δεν θα μετατραπεί σε αντιμεταφορέα, ο οποίος ε
νευράξονα δεν μειώνεται επειδή αυτοενισχύεται, ενώ το σή
πίσης προσδένει δύο διαλυτά μόρια αλ/ά σε αντίθετες πλευ
μα σ' ένα καλώδιο μειώνεται με την απόσταση (λόγω διαρ
ρές της μεμβράνης.
ροής του ρεύματος στο μονωτικό περίβλημα).
Θ. Λάθος. Η κορυφή ενός δυναμικού ενέργειας αντιστοιχεί σε μια παροδική μετατόπιση του δυναμικού της μεμβράνης από
μια αρνητική σε μια θετική τιμή. Η εισροή του
2. Και τα δύο επηρεάΖουν
την ωσμωτική πίεση του κυπάρου. Έ
να ιόν είναι ένα διαλυτό μόριο που φέρει ένα φορτίο.
Na+ προκαλεί
το δυναμικό της μεμβράνης αρχικά να μετακινηθεί προς το
Aπdvmσn
μηδέν και κατόπιν ν' αναστραφεί, με αποτέλεσμα το εσωτε
Μια γέφυρα επιτρέπει τη διέλευση οχημάτων με μια σταθερή
ρικό του κυπάρου να φορτιστεί θετικά. Τελικά, το δυναμικό
συνεχή ροή. Η είσοδος μπορεί να σχεδιαστεί έτσι ώστε ν' απο
ηρεμίας αποκαθίσταται από την έξοδο του κ+ διαμέσου των
κλείονται, για παράδειγμα, τα υπερμεγέθη φορτηγά και μπορεί
ελεγΧόμενων από την τάση διαύλων κ+ και των διαύλων δια
να κλείνει περιοδικά με μια πύλη. Κατ' αντιστοιΧία, οι δίαυλοι ε
φυγής του Κ+.
12-12
πιτρέπουν τη διέλευση ιόντων διαμέσου της μεμβράνης με ε λεγΧόμενη ροή, επιβάλ/οντας περιορισμούς στο μέγεθος και το
Aπdvmσn
12-10
φορτίο του ιόντος.
Οι διαπερατότητες κατά σειρά είναι: Ν 2 (μικρό και μη πολικό)
>
Αντίθετα, ένα οχηματαγωγό πλοίο φορτώνει οΧήματα στη
νερό (μικρό και πολι
μια όΧθη και τα ξεφορτώνει στην άλλη όΧθη. Η διαδικασία αυ
κό) > γλυκόΖη (μεγάλη και πολική) > Ca 2+ (μικρό και φορτι
τή είναι πιο αργή. Κατά τη διάρκεια του φορτώματος, μερικά ο
αιθανόλη (μικρή και ελαφρώς πολική) σμένο)
>
> ΗΝΑ (πολύ μεγάλο και φορτισμένο).
χήματα μπορεί να επιλεγούν επειδή ταιριάΖουν καλύτερα στο κατάστρωμα του οχηματαγωγού. Κατ' αντιστοιχία, οι πρω
Aπdvmσn
12-11
τείνες-φορείς προσδένουν διαλυτά μόρια στη μια πλευρά της
Α. Και οι δύο διεκπεραιώνουν τη μετακίνηση δύο διαφορετικών
μεμβράνης και κατόπιν, αφού αλλάξουν διαμόρφωση, απε
διαλυτών μορίων διαμέσου της μεμβράνης. Οι συμμεταφο
λευθερώνουν τα διαλυτά μόρια στην άλ/η πλευρά. Η εξειδι
ρείς μετακινούν και τα δυο μόρια προς την ίδια κατεύθυνση
κευμένη πρόσδεση επιτρέπει την επιλογή των μορίων για με
ενώ οι αντιμεταφορείς μετακινούν τα διaί\υτά μόρια προς α
ταφορά. Όπως και στην περίπτωση της συΖευγμένης μεταφο
ντίθετες κατευθύνσεις.
ράς, μερικές φορές πρέπει να περιμένετε να γεμίσει το οχημα
Β. Και τα δυο πραγματοποιούνται από μεμβρανικές πρωτείνες
964
Απαντήσεις
ταγωγό για να φύγετε.
Aπ6vmσn
πτωση Α. Εντούτοις, τα μόρια της αντλίας που βρίσκονται στη
12-13
Η ακετυλοχολίνη μεταφέρεται σιο εσωτερικό των κυσηδίων μέ
μεμβράνη με τον αντίθετο προσανατολισμό θα είναι τελείως
σω ενός ανημεταφορέα Η+ -ακετυλοχολίνης της μεμβράνης ιου
ανενεργά (δηλαδή δεν θα μπορούσαν, όπως λανθασμένα
κυσηδίου. Η βαθμίδωση του Η+ που προωθεί την πρόσληψη,
θα υπέθετε κανείς, ν' αντλήσουν ιόντα προς την αντίθετη κα
δημιουργείται από μια αντλία Η+ της μεμβράνης του κυσηδίου
τεύθυνση), επειδή ΙΟ ΑΤΡ δεν έχει πρόσβαση για να φωσφο
που προωθείται από το AT~ (γι' αυτό το Μγο η αντίδραση εξαρ
ρυλιώσει ης κατάλ/ηλες θέσεις πάνω σε αυτά τα μόρια. Αυτές
τάται από 10 ΑΤΡ). Όταν αυξάνει το ρΗ του διαλύματοςπου πε
οι θέσεις κανονικά βρίσκονται εκτεθειμένες στο κυπαροδιά
ριβάλ/ειτα κυστίδια, αυξάνει και η βαθμίδωσητων Η+: σε υψη
λυμα. Το ΑΤΡ είναι πoi\ό φορησμένο και δεν μπορεί να δια
Μ ρΗ υπάρχουνλιγότερα ιόντα Η+ στο διάλυμα έξω από τα κυ
περάσει μεμβράνες χωρίς την βοήθεια εξειδικευμένων πρω
στίδια ενώ ο αριθμός των ιόντων στο εσωτερικό παραμένει ο ί
τεϊνών-φορέων.
Ε. Το ΑΤΡ θα υδρολυθεί και τα ιόντα
διος. Αυτό εξηγείτον αυξημένο ρυθμό της πρόσληψης.
Na + και Κ+ θ' αντληθούν
διαμέσου της μεμβράνης, όπως περιγράφηκε για την περί
Aπ6vmσn 12-14
mωση Α. Αμέσως όμως το Κ+ θα ξαναεισέλθει στο εσωτερικό
Η βαθμίδωση του δυναμικού (ηλεκτρική τάση) διαμέσου της
των κυστιδίων μέσω των διαύλων διαφυγής του Κ+. ΤΟ Κ+ θα
μεμβράνης είναι περίπου
150,000 V/cm.
Αυτό το εξαιρεηκά ι
μετακινηθεί «κατηφορικά» προς τη βαθμίδωση της συγκέ
σχυρό ηλεκτρικό πεδίο είναι πoi\ό κοντά στο όριο στο οποίο τα
ντρωσης ιου Κ+ που έχει δημιουργήσει η αντλία
Na+-Κ+.
Με
μονωηκά υλικά, όπως η λιπιδική διπλοσηβάδα, καταστρέφο
κάθε ιόν Κ+ που μετακινείται μέσα στο κυστίδιο διαμέσου ιου
νται και παύουν να λειτουργούν ως μονωτές. Το ισχυρό πεδίο
διαύλου διαφυγής, ένα θεηκό φορτίο μετακινείται διαμέσου
αντιπροσωπεύει το μεγάλο ποσό της ενέργειας που μπορεί ν' α
της μεμβράνης σχηματίΖοντας ένα μεμβρανικό δυναμικό το
ποθηκευτεί στις ηλεκτρικές βαθμιδώσεις διαμέσου της μεμβρά
οποίο είναι θεηκό στο εσωτερικό των κυστιδίων. Τελικά, το
νης και ης ακραίες ηλεκτρικές δυνάμεις που υφίστανται οι πρω
Κ+ θα σταματήσει να εισέρχεται μέσω των διαύλων διαφυγής
τε'ί'νες μιας μεμβράνης. Μια τάση
δημιουργούσε
όταν το δυναμικό της μεμβράνης εξισορροπήσει τη βαθμίδω
στιγμιαία μ' εκκένωση ένα ηλεκτρικό τόξο διαμέσου μιας σχι
ση της συγκέντρωσης. Το σενάριο που περιγράφεται εδώ εί
σμής εύρους
ναι ελαφρώς απλοποιημένο: στα κύπαρα των θηλαστικών η
1 cm (δηλαδή,
150,000 V θα
ο αέρας είναι ανεπαρκές μονωηκό
αντλία Na+-Κ+ μετακινεί τρία ιόντα νατρίου έξω από το κύπα
για πεδία τέτοιας ισχύος).
ρο για κάθε δύο ιόντα καλίου που αντλεί στο εσωτερικό, δη Aπ6vmσn
12-15
μιουργώντας έτσι ένα ηλεκτρικό ρεύμα διαμέσου της μεμ
Α. Τίποτα. ΧρειάΖεται ΑΤΡ για την προώθηση της αντλίας
Na +-
Κ+.
βράνης το οποίο συμμετέχει μερικώς στο δυναμικό ηρεμίας της μεμβράνης (το οποίο συνεπώς αντιστοιχεί μόνο κατά
Β. Το ΑΤΡ θα υδρολυθεί και το Na + θ' αντληθεί μέσα στα κυστί δια δημιουργώντας μια βαθμίδωση συγκεντρώσεων διαμέ
προσέγγιση στην κατάσταση ισορροπίας για τη μετακίνηση
του Κ+ μέσω των διαύλων διαφυγής του Κ+).
σου της μεμβράνης. Ταυτόχρονα, ΙΟ Κ+ θ' αντληθεί έξω από τα κυστίδια δημιουργώντας μια βαθμίδωση συγκεντρώσεων
Aπ6vmσn
Κ+ αντίθετης πολικότητας. Οταν αντληθούν όλα τα ιόντα Κ+
Οι ιοντικοί δίαυλοι μπορεί να ελέγχονται από προσδέτες, τάση
έξω από τα κυστίδια ή καταναλωθεί το ΑΤΡ, η αντλία θα στα
και μηχανική πίεση.
12-16
ματήσεΙ.
Γ. Η αντλία
Na+-Κ+ θα λεnουργήσει σύμφωνα με τα στάδια 1, 2 και 3 της Εικόνας 12-12. Ομως, επειδή όλα τα στάδια της
Aπ6vmσn
12-17
ρά, η αποφωσφορυλίωση και η αλ/αγή της διαμόρφωσης
Ο όγκος του κυπάρου είναι 10- Ι2 λίτρα (= 10-15 m3 ) και επομέ νως περιέχει 6 χ 104 ιόντα ασβεστίου (= 6 χ 1023 μόρια/γραμ μομόριο χ 100 χ 10-9 γραμμομόρια/λίτρο χ 10- Ι2 λίτρα). Επο
δεν μπορεί να συμβεί απουσία Κ+. Επομένως, η αντλία
μένως, για ν' αυξηθεί η ενδοκυπάρια συγκέντρωση του ασβε
αντίδρασης πρέπει να πραγματοποιηθούν με αυστηρή σει
Na +-
Κ+ θα παραμείνει σε φωσφορυλιωμένη κατάσταση περιμέ νοντας επ' αόριστον κάποιο ιόν καλίου.Ο αριθμός των ιό ντων νατρίου που θα μεταφερθεί θα είναι ελάχιστος επειδή καθένα από τα μόρια της αντλίας είχε λεnουργήσει μια μό νο φορά.
Παρόμοια πειράματα, στα οποία κάθε φορά παραλείπο νται συγκεκριμένα ιόντα και αναi\όoνται οι επιπτώσεις, έχουν
στίου πέντε φορές, στο κύπαρο πρέπει να εισέλθουν
2,940,000 επιπλέον ιόντα ασβεστίου (σημειώστε όη μια συγκέντρωση 5 μΜ αντιστοιχεί σε 3 χ 106 ιόντα στο εσωτερικό του κυπάρου, α πό τα οποία 60,000 βρίσκονται εκεί πριν ανοίξουν οι δίαυλοι). Επειδή καθένας από τους 1000 διαύλους επιτρέπει τη διέλευση
106 ιόντων ανά δευτερόλεπτο, κάθε δίαυλος πρέπει να μείνει α 3 χιλιοστά του δευτερολέπτου.
νοικτός μόνο για
χρησιμοποιηθεί για να προσδιοριστούν τα διαδοχικά στάδια
λεnουργίας της αντλίας Na+-Κ+.
Δ. Το ΑΤΡ θα υδρολυθεί και τα ιόντα
Aπ6vmσn
12-18
Na + και Κ+ θ' αντληθούν
Τα Ζωικά κύπαρα προωθούν ης περισσότερες διαδικασίες με
διαμέσου της μεμβράνης, όπως περιγράφηκε για την περί-
ταφοράς διαμέσου της κυπαρικής μεμβράνης με τη βοήθεια της
Απαντήσεις
965
ηλεκφοχημικής βαθμιδωσης του
Na +. Το ΑΤΡ
και δεν μπορεί να διαπεράσει την μεμβράνη χωρίς τη βοήθεια
ειναι απαραιτη
το για να προμηθεύει με ενέργεια την αντί\fα Na +-κ+ ώστε να
μιας πρωτείνης μεταφοράς.
Γ. Για την αιθανόλη υπολογίστηκε μια γραμμική σχέση μεταξύ
διατηρειται η βαθμίδωση του Na +.
της συγκέντρωσης και της ταχύτητας μεταφοράς. Έτσι, σε
Απάντηση
12-19
mM η ταχύτητα μεταφοράς είναι 10 μmοΙ/λεπτό mM η ταχύτητα είναι 2 μmοVλεmό.
Α. Όταν Η+ αντλειται διαμέσου της μεμβράνης προς το εσωτε
και σε
0.5 100
ρικό των ενδοσωματιων, προκύπτει μια ηλεκφοχημική βαθ
Για τη μεταφορά του οξικού, που πραγματοποιείται μέσω
μιδωση (αποτελειται από ένα ηλεκτρικό δυναμικό και τη βαθ
μιας πρωτείνης μεταφοράς, η σχέση ανάμεσα στη συγκέ
μιδωση της συγκέντρωσης) και το εσωτερικό του κυστιδίου
ντρωση,
φορτίΖεται θετικά. Τα δύο αυτά συστατικά προστίθενται στην
από την εξίσωση
ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στη βαθμίδωση και κατα
ενΖυμικές αντιδράσεις:
ναλώνεται για να τη δημιουργήσει. Η ηλεκτροχημική βαθμί
S και την ταχύτητα μεταφοράς μπορεί να περιγραφεί Michaelis-Menten που αντιστοιχεί σε απλές
(1) ταχύτητα
δωση επομένως θα περιορίσει τη μεταφορά περισσότερων
μεταφοράς
(rate)
= Vmax χ S/[~ + S]
πρωτονίων. Όταν όμως η μεμβράνη περιέχει και διαύλους
θυμηθείτε από το Κεφάλαιο
CΙ-, το αρνητικά φορτισμένο CΙ- θα εισρεύσει στα ενδοσωμά
προσδιορίσουμε την
3 (βλ. Ερώτηση 3-20) ότι για να Vmax και την ~, χρησιμοποιούμε ένα τέ η εξίσωση Michaelis-Menten μετασχημα
τια και θα μειώσει το ηλεκτρικό δυναμικό. Συνεπώς, η άντλη
χνασμα με το οποίο
ση περισσότερων Η+ διαμέσου της μεμβράνης είναι λιγότε
τίΖεται ώστε να είναι δυνατή η αποτύπωση των δεδομένων σε
ρο δαπανηρή ενεργειακά και έτσι το εσωτερικό των ενδοσω
ευθεία γραμμή. Ένας απλός μετασχηματισμός είναι:
ματίων μπορεί να γίνει πιο όξινο.
(2) 1/rωώmta = (ΚJ\'max)(1/S)
Β. ΝαΙ. Όπως εξηγήθηκε στο (Α), μερική οξύνιση επιτυγχάνεται
Απάντηση
+ 1Nmax
(δηλαδή, μια εξίσωση του τύπου Υ = αχ
και απουσία των διαύλων του CΙ-.
12-20
Ο υπολογισμός του Ι/ταχύτητα και του
l/S
+b)
από τα συγκεκρι
Α. Βλ Εικόνα ΑΙ2-20 (Α).
μένα δεδομένα και η αποτύπωσήτους σ' ένα καινούργιο διά
Β. Η ταχύτητα μεταφοράς της ένωσης Α είναι ανάλογη της συ
γραμμα όπως φαίνεται στην Εικόνα Α12-19(Β) δίνει μια ευ θεία γραμμή. Η ΚΜ
γκέντρωσής της, ένδειξη ότι η ένωση Α μπορεί να διαχέεται
(= 1.0 mM)
και η
Vmax (= 200 μmοVmίη)
προσδιορίΖΟνται από το σημείο τομής της γραμμής με τον ά
διαμέσου των μεμβρανών χωρίς άλ/η βοήθεια. Η ένωση Α πιθανότατα είναι η αιθανόλη επειδή είναι ένα μικρό και σχε
ξονα των Υ (ΙΝ max) και από την κίΊιση της (K~ max)' ΓνωρίΖΟ
τικά μη πολικό μόριο που μπορεί να διαχέεται ελεύθερα δια
ντας τις τιμές της ΚΜ και της
Vmax μπορούμε να υπολογίσουμε 0.5 mM και 100 mM οξικού χρη σιμοποιώντας την εξίσωση (1). Τα αποτελέσματα είναι 67 μmοVλεmό και 198 μmοVλεmό, αντίστοιχα.
τις ταχύτητες μεταφοράς για
μέσου της λιπιδικής διπλοστιβάδας. Αντίθετα, η ταχύτητα μεταφοράς για την ένωση Β φτάνει σε κορεσμό σε υψηλές συγκεντρώσεις, ένδειξη ότι η ένωση Β μεταφέρεται μέσω μιας πρωτείνης μεταφοράς. Η ταχύτητα με
12-21
ταφοράς δεν μπορεί ν' αυξηθεί πέρα από μια μέγιστη ταχύτη
Απάντηση
τα με την οποία λειτουργεί αυτή η πρωτείνη. Η ένωση Β πιθα
Το μεμβρανικό δυναμικό και η υψηλή εξωκυπάρια συγκέντρω
νότατα είναι το οξικό ανιόν, επειδή είναι φορτισμένο μόριο
ση του
.06 .05 .04
Yv
Na + εξασφαλίΖουν μια μεγάλη ηλεκτροχημική προωθη-
s 0.1 0.3 1.0 3.0 10.0
Ys 10.0 3.3 1.0 0.33 0.1
V 18 46 100 150 182
.03
κλίση = ~ Vmax
.02 .01
~ σημείοτομής= 3
συγκέντρωσητου διαλυτού μορίου (Α)
(mM) (8)
Εικόνα Α 12-20
966
Ο
579
Απαντήσεις
YVmax
024
6
8
10
Ys
τική δύναμη κοι ένα μεγάλο απόθεμα ιόνΙων Na +: έτσι, μόλις α
από τη διάσπαση του δεσμού υψηλής ενέργειας δεν μπορεί να
νοίξουν οι υποδοχείς της ακετυλοχολίνης, ΟΙΟ κύπαρο θα ει
«δεσμευτεί» γιο την παραγωγή ΑΤΡ. Επομένως, οιην Εικόνα
13-6, η ανΙίδραση
σέλθουν κυρίως ιόνΙα Na +
που ανΙΙΟΙΟ1χεί ΟΙΟ βέλος με την αιχμή προς
τα κάτω θα εξακολουθούσε να διεξάγεται, χωρίς όμως να υπάρ
Aπdvmσn
χει η «τροχαλία» που διεκπεραιώνει τη σύΖευξη με τη σύνθεση
12-22
Η ποικιλότητα των διαύλων με «πύλες» νεuρoδΙOβιβαOIών είναι
του ΑΤΡ. Το αρσενικό δαπανά μεταβολική ενέργεια με την απο
καλό πράγμα για τη βιομηχανία επειδή αυξάνει την πιθανότητα
σύΖευξη πολ/ών ανΙιδράσεων μεταφοράς φωσφορικών ομά
νΌναπτυχθούν νέα φάρμακα, ειδικά γιο κάθε είδος διούλου.
δων με τον ίδιο μηχανισμό. Αυτό εξηγεί γιατί είνοι τόσο δηλητη
Καθένας από τους ποικίλους υποτύπους αυτών των διούλων εκ
ριώδες.
φράΖεται σε μια μικρή ομάδα νευρώνων. Έτσι, θεωρητικά, θα
μπορούσε να σχεδιαοιούν ή ν' ανακαλυφθούν φάρμακα ώοιε
AπόνIησn
να επηρεάΖουν ειδικούς υποτύπους σε μιο ορισμένα ομάδα
Η οξείδωση των λιπαρών οξέων διασπά την ανθρακική αλυσίδα
13-3
νευρώνων και, συνεπώς, ν' ασκούν επιλεκτική δράση σε ιδιοί
σε μονάδες από δύο άτομα άνθρακα (ακετυλομάδες) που συ
τερες περιοχές του εγκεφάλου.
vdmOVIOl οιο CoA. ΑνΙίθετα, κατά τη βιογέwησή τους τα λιπα
ρά οξέα σχηματίΖΟνΙαι από τη διασύνδεση ακετυλομάδων. Επο
μένως, τα περισσότερα λιπαρά οξέα έχουν άρτιο αριθμό ατό
Κεφάλαιο Aπdvmσn
μων άνθρακα.
13
Aπdvmσn
13-1
Γιο να συνεχιοιεί η γλυκόλυση, τα κύπαρα πρέπει ν' αναγεν
νούν το
13-4
Επειδή η λειτουργία του κύκλου του κιτρικού οξέος είνοι να
NAD+ από το NADH. Αυτό δεν θα μπορούσε να γίνει αν δεν υπήρχε η Ζύμωση. Χωρίς το αναγεwημένο NAD+, το βή μα 6 της γλυκόλυσης (δηλαδή η οξείδωση της 3-φωσφορικής
της οξείδωσης, η συνολική ανΙίδραση είνοι σκόπιμο να επιμερί
γλυκεριναλδευδης σε 1,3-διφωσφογλυκερινικό (Παράρτημα
χρησιμοποιούνΙαν μιο ένωση με δύο άτομα άνθρακα, οι χημι
13-1) δεν
θα μπορούσε να συμβεί και το προϊόν 3-φωσφορική
κές δυνατότητες θα ήταν πολύ πιο περιορισμένες κοι θα ήταν α
γλυκεριναλδευδη θα συσσωρευόταν. Το ίδιο θα συνέβαινε σε
δύνατο να σχηματιοιούν τόσα πολ/ά ενδιάμεσα. Γιο παράδειγ
κύπαρα ανίκανα να παράγουν πυροοιαφυλικό ή οιθανόλη: ού
μα, προσέξτε ότι πολ/ές από τις ανΙιδράσεις του κύκλου οξει
συλλέγει την ενέργειο που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια Ζετοι σε όσο περισσότερα βήματα γίνεται (βλ. Εικόνα
13-1). Αν
τε τα κύπαρα αυτά θα μπορούσαν ν' αναγεwήσουν το NAD+, ο
δώνουν άτομα άνθρακα που έχουν πραγματοποιήσει περισσό
πότε η γλυκόλυση θα αναοιελ/όταν οιο ίδιο βήμα.
τερους από έναν γύρους κοι επομένως δεν προέρχονΙΟΙ άμεσα
από την ακετυλομάδα που προοιέθηκε πρόσφατα.
Aπdvmσn
13-2
Το αρσενικό ενσωματώνετοι οιο προϊόν του βήματος
6 της γλυ
Aπdvmσn
13-5
κόλυσης οπότε σχηματίΖετοι 1-αρσενο-3-φωσφογλυκερινικό
Το οξυγόνο πράγματι επιοιρέφει οιην ατμόσφαιρα ως μέρος του
(Εικόνα Α13-2). Εξαιτίας της ευαισθησίας του σε υδρόλυση οιο
CO 2. Ωοιόσο, το CO2 που απελευθερώνεται από τα κύπαρα δεν
νερό, ο δεσμός υψηλής ενέργειος καταοιρέφετοι προτού το μό
περιέχει τα ίδιο άτομα οξυγόνου που καταναλώθηκαν οια πλαί
ριο που τον περιέχει φτάσει με διάχυση οιο επόμενο ένΖυμο. Το
σια της ανΙίδρασης της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης κοι μετα
προϊόν της υδρόλυσης, δηλαδή το 3-φωσφογλυκερινικό, είναι
τράπηκαν σε νερό. Αυτό φαίνετοι άμεσα αν επωάσει κανείς Ζω
το ίδιο προϊόν που σχηματίζεται κανονικά οιο βήμα
7 με τη δρά
νΙανά κύπαρα σε μια ατμόσφαιρα με μοριοκό οξυγόνο που ανΙί
ση της κινάσης του φωσφογλυκερινικού. Επειδή όμως η υδρό
γιο το συνηθισμένο οιη φύση ισότοπο 160 περιέχει ένα διοφορε τικό ισότοπο, το 180. Σ' ένα τέτοιο πείραμα, διαπιοιώνουμεότι ό
λυση συμβαίνει μη ενΖυμικά, η ενέργεια που απελευθερώνεται
λο το
CO 2 που
απελευθερώνεται από τα κύπαρα περιέχει μόνο
16ο. Επομένως, τα άτομα του οξυγόνου των μορίων του CO2 που απελευθερώνΟνΙαι δεν προέρχονΙΟΙ άμεσα από την ατμόσφαιρα
Ο Ο
11
~
/
C Ι
O'lll//lAs-OΙ Ο
Η-γ-ΟΗ CΗρΘ
Ο
~
/
ΟΗ
C Ι
-τ-:ι---· Η-γ-ΟΗ ΗΡ
CΗρΘ
αλ/ά από οργανικά μόριο τα οποία πρώτα παρασκεύασε το κύτ ταρο γιο να τα οξειδώσει οιη συνέχειο ως καύσιμα.
Aπdvmσn
13-6
Τα άτομα του άνθρακα οια μόριο των σακχάρων ήδη είναι εν μέ
ρει οξειδωμένα, ανΙίθετα απ' ό,τι συμβαίνει με όλα (εκτός από το πρώτο οιη σειρά), τα άτομα του άνθρακα των αλυσίδων των λι παρών οξέων. Κατά συνέπεια, τα δύο από τα έξι άτομα άνθρακα
Εικόνα Α 13-2
της γλυκόΖης ΧάνΟνΙαι ως
CO 2 κατά τη μετατροπή του πυροοιαΑπαντήσεις
967
Ε. Σωστό. Αν συνέβαινε μόνο σε ένα βήμα, τότε όλη η ενέργεια
θ' απ ελευθερωνόταν διαμιάς και θα ήταν αδύνατο να αξιο ποιηθεί αποτελεσματικά για να προωθήσει άλλες αvιιδρά σεις, όπως τη σύνθεση του ΑΤΡ. Ζ. Λάθος. Μοριακό οξυγόνο
(02)
χρησιμοποιείται μόνο στο τε
λευταίο βήμα της αvιίδρασης.
Η. Σωστό. Τα φυτά μετατρέπουν το
CO 2 σε
σάκχαρα συλ/έγο
vιας την ενέργεια του φωτός κατά τη φωτοσύνθεση. Κατά τη διεργασία αυτή παράγεται
02
που απελευθερώνεται από τα
φυτικά κύτταρα.
Θ. Σωστό. Τα κύτταρα που αυξάνουν υπό αναερόβιες συνθήκες χρησιμοποιούν τη γλυκόλυση για να οξειδώνουν τα σάκχα
ρα σε πυροσταφυλικό. Τα Ζωικά κύτταρα μετατρέπουν το πυ ρο σταφυλικό σε γαλακτικό, χωρίς παράλ/ηλα να παράγεται
μεταβολίτες
CO 2. Ωστόσο,
Εικόνα Α13-7
οι Ζυμομύκητες μετατρέπουν το πυροσταφυλι
κό σε αιθανόλη και
CO2 . Αυτό το αέριο CO 2, που απελευθε
ρώνεται από τους Ζυμομύκητες κατά τη Ζύμωση, κάνει τη Ζύ
φυλικού σε ακεωλο-CοΑ και μόνο τα υπόλοιπα τέσσερα μπο
μη του ψωμιού να φουσκώνει και τη μπύρα και τη σαμπάνια
ρούν να εισέλθουν στον κύκλο του κιτρικού οξέος, όπου συλ/έ
ν' αφρίΖουν.
γεται το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας. Avιίθετα, όλα τα άτομα
13-9
του άνθρακα ενός λιπαρού οξέος μετατρέπονται σε ακεωλο
Απάντηση
CoA
Ο Δαρβίνος εξέπνευσε το άτομο του άνθρακα σ' ένα μόριο
CO 2.
Αφού παρέμεινε για κάποιο χρόνο στην ατμόσφαιρα, το μόριο
Aπdvmoη
13-7
του CO 2 εισήλθε σ' ένα φυτικό κύτταρο, όπου «δεσμεύτηκε» από
Ο κύκλος συνεχίΖεται επειδή τα ενδιάμεσα αναπληρώνονται
τη φωτοσύνθεση και μετατράπηκε σ' ένα τμήμα ενός μορίου
σύμφωνα με τις ανάγκες από αντιδράσεις που συγκλίνουν στον
σακχάρου. Αυτά τα πρώτα στάδια είναι βέβαιο ότι συνέβησαν
κύκλο του κιτρικού οξέος (αvιί ν' αποκλίνουν από αυτόν). Μια
κατ' αυτόν τον τρόπο. Ωστόσο, από το σημείο αυτό και μετά, το ά
από τις πιο σημαVΙΙKές αVΙιδράσεις αυτού του είδους είναι η με
τομο του άνθρακα θα μπορούσε να έχει ακολουθήσει πολ/ές
τατροπή του πυροσταφυλικού σε οξαλοξικό από το ένΖυμο καρ
διαφορετικές οδούς. Για παράδειγμα, το σάκχαρο θα μπορούσε
βοξυλάση του πυροσταφυλικού:
να έχει αποδομηθεί από το φυτικό κύτταρο σε πυροσταφυλικό ή
Πυροοιαφυλικό
+ CO2 + Η 2 Ο ~ οξαλοξικό + ΑΟΡ + Ρί + 2Η+
ακεωλο-CοΑ τα οποία θα μπορούσε να έχουν εισέλθει σε βιο
Η αvιίδραση αυτή είναι ένα από τα πολ/ά παραδείγματα της πε
συνθετικές αVΙιδράσεις για το σχηματισμό ενός αμινοξέος. Το α
ρίτεχνης εξισορρόπησης και συνεργασίας των μεταβολικών ο
μινοξύ θα μπορούσε να ενσωματωθεί σε μια φυτική πρωτε'ί\ιη, ό
δών ώστε όλοι οι μεταβολίτες που είναι απαραίτητοι για το κύττα
πως ένα ένΖυμο ή μιC;Ι πρωτε'ί\ιη που συγκροτεί το κυτταρικό τοί
ρο να διατηρηθούν στα κατάλ/ηλα επίπεδα (βί\. Εικόνα Α13-7).
χωμα. Εσείς, με τη σειρά σας, θα μπορούσατε να είχατε φάει τα
λαχταριστά φύλ/α του φυτού στη σαλάτα σας και κατόπιν να εί Απάντηση
13-8
χατε πέψει την πρωτεΊνη στο έVΙερό σας, οπότε θα παράγOVΙαν
Α Λάθος. Αν αυτό συνέβαινε, τότε η αvιίδραση θα ήταν άχρη
ξανά αμινοξέα. Με την κυκλοφορία του αίματος, το αμινοξύ πι
στη για το κύτταρο, καθώς δεν θα ήταν δυνατό να συλ/εγεί
θανόν προσλήφθηκε από ένα αναπωσσόμενο ερυθροκύτταρο
χημική ενέργεια σε χρήσιμη μορφή (π.χ. ΑΤΡ) για να χρησι
για να χρησιμοποιηθεί στη σύνθεση των πρωτεϊνών του, όπως η
μοποιηθεί σε μεταβολικές διεργασίες. (Τα κύτταρα όμως θα
αιμοσφαιρίνη. Βεβαίως, αν θέλουμε, μπορούμε να κάνουμε το
ήταν Ζεστά!).
σενάριο της τροφικής αλυσίδας πολύ πιο σύνθετο. Για παρά
Β. Λάθος. Καμιά διεργασία μετατροπής ενέργειας δεν έχει απο
τελεσματικότητα
100%. Θυμηθείτε
δειγμα, το φυτό ίσως έχει φαγωθεί από ένα Ζώο, που με τη σειρά
ότι η εVΙΡOπία του σύμπα
του έγινε τροφή για σας. Επιπλέον, επειδή ο Δαρβίνος πέθανε
vιoς πρέπει πάVΙα ν' αuξάνει: για τις περισσότερες αVΙιδρά
πριν από 100 και πλέον χρόνια, το άτομο του άνθρακα μπορεί να
σεις αυτό επιωγχάνεται με απελευθέρωση θερμότητας.
πραγματοποίησε μια τέτοια διαδρομή πολλές φορές. Ωστόσο,
Γ. Σωστό. Τα άτομα του άνθρακα της γλυκόΖης είναι πιο ανηγ
μένα από τ' αντίστοιχα άτομα του
CO 2 ,
που είναι πλήρως ο
ξειδωμένα.
σε κάθε γύρο θα έπρεπε ν' αρχίΖει ξανά ως πλήρως οξειδωμένο
αέριο
CO 2 και να εισέρχεται στον έμβιο κόσμο μετά την αναγω
γή του κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης.
Δ. Λάθος. Η αvιίδραση πράγματι παράγει κάποια ποσότητα νε
13-10
ρού, αλ/ά το νερό είναι τόσο άφθονο στη βιόσφαιρα ώστε η
Απάντηση
ποσότητα αυτή δεν είναι παρά μια «σταγόνα στον ωκεανό».
Οι Ζυμομύκητες αuξάνOυν πολύ καλύτερα υπό αερόβιες συνθή-
968
Απαντήσεις
κες. Υπό αναερόβιες συνθήκες δεν μπορούν να διεκπεραιώ
ΒΗΜΑ ΒΗΜΑ
σουν rnν οξειδωτική φωσφορυλίωση και επομένως υποχρεώ
1
Ι
νovιαι να παράγουν όλο το ΑΤΡ που xρειάzovιαι με τη γλυκό λυση, που είναι λιγότερο αποτελεσματική. Ενώ κατά τη γλυκό
ΒΗΜΑ
ΒΗΜΑ
3
4
2
λυση ένα μόριο γλυκόΖης αποδίδει καθαρά δύο μόρια ΑΤΡ, η ε πιπρόσθετη χρησιμοποίηση του κύκλου του κιτρικού οξέος και
της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης εκτινάσσει την ενεργειακή α πόδοση περίπου στα
Aπ6vmσn
1
30 μόρια ΑΤΡ.
8.0
1
13-11
Η ποσόrnτα της ελεύθερης ενέργειας που αποθηκεύεται στον φωσφορικό δεσμό της φωσφορικής κρεατίνης είναι μεγαλύτε
14.2
ρη από την αvιίστoιxη ποσότητα των ανυδριτικών δεσμών του
0.6
ΑΤΡ. Επομένως, η υδρόλυση της φωσφορικής κρεατίνης μπο
----.1-
--r--t
L...-..-.I
ρεί να συΖευχθεί άμεσα με την παραγωγή του ΑΤΡ: φωσφορική κρεατίνη
+ ADP
-?
Η ΔGΟ για αυτή rnν αvιίδραση είναι -3
κρεατίνη
kcaVmole,
+ ΑΤΡ
5.3
κάτι που υπο
δηλώνει ότι προχωρεί γρήγορα προς τα δεξιά, όπως γράφεται πιο πάνω.
03 (Α)
Aπ6vmσn
13-12
Η ακραία εξελικτική διατήρηση της γλυκόλυσης είναι ένδειξη ό
(Β)
L f
Εικόνα Α13·14
τι όλα τα σημερινά κύπαρα πρoέρxovιαι από ένα κοινό αρχέγο
νο κύπαρο (βλ. Κεφάλαιο
1). Επομένως,
οι αvιιδράσεις της γλυ
Aπ6vιησn
13-15
κόλυσης πρέπει να εξελίχθηκαν μόνο μια φορά και κατόπιν να
Α. Το πυροσταφυλικό μετατρέπεται σε ακετuλο-CοΑ και το ση
μεταβιβάzovιαν κληρονομικά καθώς εξελίσσovιαν τα κύπαρα.
μασμένο άτομο 14C απελευθερώνεται ως αέριο 14C02 (βλ. Ει
Η μεταγενέστερη επινόηση rnς οξειδωτικής φωσφορυλίωσης ε
κόνα 13-8Β).
πέτρεψε στις επακόλουθες αvιιδράσεις να συλ/έγουν 15πί\άσια
Β. AKOλOυθώvιας το σημασμένο άτομο σε κάθε αvιίδpαση του
ποσότητα ενέργειας απ' ό,τι είναι δυνατό μόνο από τη γλυκόλυ
κύκλου που παρουσιάΖεται στο Παράρτημα
ση. Αυτή η αξιοσημείωτη αποτελεσματικότητα προσεΥΥίΖει το θε
νετε οτι το ρα δ ιενεργο
13-2, διαπιστώ, 14C τελ ικα' συγKεVΙpωνεται , στο ο ξ α λ ο-
ωρητικό όριο και επομένως πρακτικά καταργεί τη δυνατότητα για
ξικό. Ωστόσο, η ανάλυση επίσης αποκαλύπτει ότι δεν βρίσκε
περαιτέρω βελτιώσεις. Συνεπώς, η δημιουργία εναλ/ακτικών ο
ται πλέον στην κετονομάδα αλ/ά στη μεθυλενομάδα του οξα
δών δεν θα οδηγούσε σε κάποιο προφανές πλεονέκτημα το ο
λοξικού (Εικόνα Α13-15).
,
ποίο θα μπορούσε να έχει επιλεγεί κατά την εξέλιξη. Aπ6vιησn
Aπdvmσn
13-13
Όπως συΖητείται στο κείμενο, από κάθε μόριο γλυκόΖης που ο ξειδώνεται παράγovιαι
30 μόρια ΑΤΡ, σύμφωνα με την αvιί δραση C6H120 6 (γλυκόΖη) + 602 - ? 6C0 2 + 6Η 2 Ο + ενέργεια.
13-16
Παρουσία μοριακού οξυγόνου, η οξειδωτική φωσφορυί\ίωση μετατρέπει το μεγαλύτερο μέρος του NADH του κυπάρου σε NAD+. Επειδή η Ζύμωση απαιτείΝΑDΗ, αναστέλ/εται έvιoνα από την παρουσία του αερίου οξυγόνου.
Επομένως, για κάθε πέvιε μόρια ΑΤΡ που παράγovιαι κατανα
λώνεται ένα μόριο
02' Συνεπώς, το κύπαρο καταναλώνει 2 χ 108 μόρια 02/min, κάτι που αvιιστoιxεί σε κατανάλωση 3.3 χ 10-16 moles (= 2 χ 108/6 χ 1023) ή 7.4 χ 10-15 λίτρων (= 3.3 χ 10-16 χ 22.4) ανά λεπτό. Ο όγκος του κυπάρου είναι 10-15 m3 [= (10-5)3], δηλαδή 10-12 λίτρα. Άρα, το κύπαρο καταναλώνει σε αέριο 02 περίπου το 0.7% του όγκου του ανά λεπτό ή το σύ νολο του όγκου του μέσα σε 2 ώρες και 15 λεmά.
Aπdvmσn
COOΙ C=O 14 Ι
Ι COO-
Ι 2 COO-
CH 2
προσθήκη ραδιενεργού οξαλοξικού στο εκχύλισμα
13-14
Όλες οι αvιιδράσεις έχουν αρνητικές τιμές ΔG και επομένως είναι ενεργειακά ευνοϊκές (για τα ενεργειακά διαγράμματα βλ ΕικόναΑ13-14).
COOΙ 14C =O Ι
CH
ραδιενεργό οξαλοξικό που απομονώθηκε μετά από ένα γύρο του κύκλου του κιτρικού οξέος
Εικόνα Α13-15
Απαντήσεις
969
Κεφάλαιο
γερισίνη, τα κ+ θα προωθηθούν προς το στρώμα από το ηΛε
14
κτρικό δυναμικό της εσωτερικής μεμβράνης (αρνηηκό στο ε
Aπ6vmσn Η
14-1
DNP κάνει ης μεμβράνες
σωτερικό, θεηκό στο εξωτερικό). Η εισροή των θετικά φορη διαπερατές από τα πρωτόνια και έ
σμένων κ+ θα εξαΛείψει το ηΛεκτρικό δυναμικό της μεμβρά
τσι καταστρέφει, ή σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις εΛαπώνει, τη
νης. Αντίθετα, η συνιστώσα της συγκέντρωσης της βαθμίδω
βαθμίδωση των πρωτονίων διαμέσου της εσωτερικής μιτοχον
σης των Η+ (δηΛαδή η διαφορά του ρΗ) δεν επηρεάΖεται α
δριακής μεμβράνης. Τα κύπαρα συνεχίζουν να οξειδώνουν τα
πό τη νιγερισίνη. Επομένως, Χάνεται μόνο ένα μέρος από
μόρια των τροφών και τροφοδοτούν με ηΛεκτρόνια την αλυσίδα
την προωθηηκή δύναμη που καθιστά ενεργειακά ευνοϊκή τη
μεταφοράς των ηΛεκτρονίων, αΛΛά τα ιόντα Η+ που αντΛούνται
ροή των ιόντων Η+ προς το στρώμα.
διαμέσου της μεμβράνης επιστρέφουν στα μιτοΧόνδρια σ' έναν μάταιο κύκλο. Η ενέργειά τους δεν μπορεί ν' αξιοποιηθεί για να
Aπdvmσn
προωθήσει τη σύνθεση του ΑΤΡ και έτσι απεΛευθερώνεται υπό
Α. Μια τέτοια τουρμπίνα που περιστρέφεται ανάποδα είναι μια
μορφή θερμότητας. Οι ασθενείς που Λαμβάνουν μικρές δόσεις
ηΛεκτροκίνητη αντΛία νερού, ανάΛογα απ' ό,η συμβαίνει στη
14-4
βάρος επειδή τ' αποθέματα Λίπους που διαθέτουν
συνθάση του ΑΤΡ όταν χρησιμοποιεί την ενέργεια της υδρό
χρησιμοποιούνται πιο γρήγορα για να τροφοδοτήσουν την αΛυ
Λυσης του ΑΤΡ για ν' αντΛήσει πρωτόνια αντίθετα από την η
σίδα μεταφοράς των ηΛεκτρονίων, καθώς η όΛη διεργασια α
Λεκτροχημική βαθμίδωσή τους διαμέσου της εσωτερικής μι
DNP Χάνουν
πΛώς «κατασπαταλά» ενέργεια.
τοχονδριακής μεμβράνης.
Ένας παρόμοιος μηχανισμός παραγωγής ενέργειας χρησι
Β. Η σύνθεση του ΑΤΡ θα σταματήσει όταν η ενέργεια που μπο
μοποιείται από έναν εξειδικευμένο ιστό καφέ Λιποκυπάρων,
ρεί ν' αντΛήσει από τη βαθμίδωση των πρωτονίων εξισωθεί
που αφθονεί στα νεογνά του ανθρώπου και στα Ζώα που πέ
με τη μεταβοΛή της εΛεύθερης ενέργειας που απαιτείται για
φτουν σε XEIμEplG νάρκη. Τα κύπαρα αυτά εΙναι γεμάτα μιτο
την παραγωγή του ΑΤΡ. Σε αυτό το σημείο ισορροπίας δεν
Χόνδρια που δαπανούν ένα μέρος από τη βαθμίδωση των πρω
θα συμβαίνει ούτε καθαρή σύνθεση ούτε καθαρή κατανάΛω
τονιων τους απΛώς για να θερμάνουν τον οργανισμό. Το χρώμα
ση ΑΤΡ.
τους εΙναι καφέ επειδή είναι γεμάτα μΙΤΟΧόνδρια, τα onOlG πε ριέχουν σε μεγάΛη συγκέντρωση διάφορες έγχρωμες πρω τείνες, όπως τα κυτοχρώματα.
Γ. Καθώς το κύπαρο καταναΛώνει το ΑΤΡ, ο Λόγος ΑΤΡ:
ADP
στο στρώμα πέφτει κάτω από το σημείο ισορροπίας που μόΛις περιγράψαμε και η συνθάση του ΑΤΡ χρησιμοποιεί την ενέρ γεια που έχει αποθηκευτεί στη βαθμίδωση των πρωτονίων για
Aπ6vmσn 14-2
να συνθέσει ΑΤΡ, έτσι ώστε ν' αποκαταστήσει τον αρχικό λό
Η εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη είναι η θέση όπου διεξά
γο
γεται η οξειδωηκή φωσφορυΛίωση και παράγει το μεγαλύτερο
πέσει κάτω από την ημή της στο σημείο ισορροπίας, η συνθά
ATP:ADP.
Αντίθετα, όταν η ηΛεκτροχημική βαθμίδωση
μέρος του ΑΤΡ του κυπάρου. Οι ακροΛοφιες ειναι τμήματα της
ση του ΑΤΡ χρησιμοποιεί ΑΤΡ στο στρώμα για ν' ανακτήσει
εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης που πτυΧώνονται προς
τη βαθμίδωση.
τα μέσα. Επομένως, τα μιτοΧόνδρια που έχουν υψηλότερη πυ κνότητα ακροΛοφιών διαθέτουν και μεγαλύτερη επιφάνεια ε
Aπ6vmσn
σωτερικής μεμβράνης, επομένως και μεγαλύτερη ικανότητα να
Α. Ένα Ζεύγος ηΛεκτρονίων που περνά από το
14-5 NADH
στο
02
διενεργούν οξειδωηκή φωσφορυΛίωση. Ο καρδιακός μυς δα
διαμέσου των τριών αναπνευστικών συμπΛόκων προωθεί την
πανά μεγάΛα ποσά ενέργειας κατά τη διάρκεια των συνεΧών συ
άντΛηση
στοΛών του, ενώ τα κύπαρα του δέρματος έχουν μικρότερες ε
ενός μορίου ΑΤΡ απαιτούνται τέσσερα Η+: τρία για τη σύνθε
νεργειακές απαιτήσεις. Συνεπώς, η αυξημένη πυκνότητα ακρο
ση από το
Λοφιών των μυοκαρδιακών κυπάρων αυξάνει και την ικανότητά
ροδιάΛυμα. Επομένως, από κάθε μόριο ΝΑΟΗ συντίθενται
τους για παραγωγή ΑΤΡ. Αυτό είναι ένα αξιοσημείωτο παρά
δειγμα για το πώς τα κύπαρα προσαρμόΖουν τον αριθμό των ξε χωριστών συσταηκών τους σύμφωνα με ης ανάγκες τους.
10 Η+ διαμέσου της μεμβράνης. Για την παραγωγή ADP
και ένα για την εξαγωγή του ΑΤΡ στο κυπα
2.5 μόρια ΑΤΡ. Β. Από την οξείδωση ενός μορίου γΛυκόΖης στον κύκλο του κι τρικού οξέος παράγονται
20 μόρια
ΑΤΡ, ενώ από την πΛήρη
οξείδωση ενός μορίου γΛυκόΖης παράγονται
Aπ6vmσn
14-3
Α. Η
εξαΛείφει πΛήρως την ηΛεκτροχημική βαθμίδωση
DNP
Aπdvmσn
30 μόρια ΑΤΡ:
14-6
των πρωτονίων. Τα ιόντα Η+ που αντΛούνται στη μια πΛευρά
Μπορούν ν' αναφερθούν τέσσερις βασικοί ρόΛοι για ης πρω
της μεμβράνης ρέουν εΛεύθερα προς τα πίσω' έτσι, διαμέσου
τείνες που συμμετέχουν στην όΛη διεργασία. Πρώτον, το χημι
της μεμβράνης δεν μπορεί ν' αποθηκευθεί ενέργεια.
κό περιβάλ/ον που παρέχουν οι πΛευρικές αΛυσίδες των αμινο
Β. Μια ηΛεκτροχημική βαθμίδωση αποτεΛείται από δύο συσταη
ξέων μιας πρωτείνης καθορίΖει το οξειδοαναγωγικό δυναμικό
κά: μια βαθμίδωση συγκέντρωσης και ένα ηΛεκτρικό δυναμι
κάθε ιόντος
κό. Αν η μεμβράνη γίνει διαπερατή από τα ιόντα Κ+ με τη νι-
καθορισμένη σειρά από το ένα συσταηκό στο άλ/ο, ν' αποδί-
970
Απαντήσεις
Fe. Έτσι,
τα ηΛεκτρόνια μπορεί να περνούν με μια
μιτοχονδριακό στρώμα και το κυπαροδιάλυμα είναι σχετικά μι Πίνακας Α 14·5
κρή (μια μονάδα ρΗ). Αντίθετα, μεγάλο μέρος της ενέργειας
Διεργασία
Άμεσο προ'ίόν
Γλυκόλυση
2ΝΑΟΗ
ΤελικόΑΤΡ
3
(κυπαροδιάλυμα) 2ΑΤΡ
2 5
Οξείδωση του
2 ΝΑΟΗ
πυροσταφυλικού
στρώμα)
(μιτοχονδριακό
Οξείδωση του
6 ΝΑDΗ
ακετυλο-CοΑ
2 FADH 2
3
(δύο μόρια ανά
2GTP
2
που αποθηκεύεται στη μιτοχονδριακή ηλεκτροχημική βαθμίδω
ση των πρωτονίων οφείλεται στο ηλεκτρικό δυναμικό της μεμ βράνης (βλ Εικόνα
14-12).
Αντίθετα, οι xίΊωρoπiΊάστες διαθέτουν ένα ιδιαίτερο μικρότε ρο διαμέρισμα στο οποίο αντλούνται τα πρωτόνια. Έτσι, μπορεί να επιτευχθούν πολύ υψηλότερες διαφορές συγκέντρωσης (έ
(μιτοχονδριακό στρώμα) 15
μόριο γλυκόζης)
ως και
3 μονάδες ρΗ).
Μεγάλο μέρος της ενέργειας που απο
θηκεύεται στη βαθμίδωση των Η+ του θυλακοειδούς χώρου ο φείλεται στη διαφορά της συγκέντρωσης των Η+ ανάμεσα στον θυλακοειδή Χώρο και το στρώμα.
Συνολική απόδοση ανά μόριο γλυκόζης
30 Απάvmση
14-9
Όλες οι φράσεις είναι σωστές. Α. Πρόκειται για αναγκαία συνθήκη. Αν δεν ίσχυε, τα ηλεκτρό δουν την ενέργειά τους σε μικρά βήματα και να προσδένονται
νια δεν θα ήταν δυνατό ν' αφαιρεθούν από το νερό οπότε
πιο ισχυρά καθώς προχωρούν. Δεύτερον, οι πρωτείνες τοποθε
δεν θα συνέβαινε και η αντίδραση που διασπά τα μόρια του
τούν τα ιόντα
νερού (Η 2 Ο -72Η+
Fe έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια
να μετακινούνται απο
τελεσματικά ανάμεσά τους. Τρίτον, εμποδίΖουν τα ηλεκτρόνια
+ 1;202 + 2e-).
Β. Αυτή η μεταφορά επιτρέπει στην ενέργεια του φωτονίου ν' α
να παραίΊείψουν ένα ενδιάμεσο βήμα' επομένως, όπως γνωρί
ξιοποιηθεί ως ενέργεια που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για
Ζουμε και για άλ/α ένΖυμα (βλ. Κεφάλαιο
χημικές μετατροπές.
4),
διοχετεύουν τη
ροή των ηλεκτρονίων κατά μήκος μιας καθορισμένης πορείας.
Γ. Μπορεί να ισχυριστεί κανείς ότι αυτό ήταν ένα από τα πιο ση
Τέταρτον, οι πρωτείνες διασυνδέουν τη μετακίνηση των ηλε
μαντικά εμπόδια που έπρεπε να ξεπεραστούν κατά την εξέλι
κτρονίων κατά μήκος της ενεργειακής βαθμίδας τους με την ά
ξη της φωτοσύνθεσης: τα μερικώς ανηγμένα μόρια οξυγό
ντληση των πρωτονίων διαμέσου της μεμβράνης και έτσι αξιο
νου, όπως η ρίΖα του υπεροξειδίου
ποιούν την ενέργεια που απελευθερώνεται και την αποθηκεύ
στικά, αντιδρούν και καταστρέφουν σχεδόν όλα τα βιολογι
ουν σε μια βαθμίδωση πρωτονίων η οποία στη συνέχεια χρησι
κώς ενεργά μόρια. Επομένως, αυτά τα ενδιάμεσα πρέπει να
02-' είναι επικίνδυνα δρα
παραμείνουν ισχυρά προσδεδεμένα στα μέταλ/α του ενερ
μοποιείται για την παραγωγή ΑΤΡ.
γού κέντρου του ενΖύμου έως ότου και τα τέσσερα ηλεκτρό Απάvmση
14-7
νια αφαιρεθούν από τα δύο μόρια του νερού. Αυτό προϋπο
Δεν θα ήταν αποδοτικό να χρησιμοποιηθεί ο ίδιος φορέας σε
θέτει τη διαδοχική δέσμευση τεσσάρων φωτονίων από το ίδιο
δύο βήματα. Για παράδειγμα, αν η ουβικινόνη μπορούσε να με
αντιδραστικό κέντρο.
ταφέρει nίΊεκτρόνια στην οξειδάση του κυτοχρώματος με άμεσο
τρόπο, τότε όταν τα ηλεκτρόνια θα συλ/έγονταν από τη δεϋδρο
Απάvmση 14-10
γονάση του
το σύμπλοκο των
Α. Η φωτοσύνθεση παράγει σάκχαρα (κυρίως σουκρόΖη) που
διαφορά δυναμι
μεταφέρονται με τον οπό από τα φωτοσυνθετικά κύπαρα στα
NADH συχνά θα παρακαμπτόταν κυτοχρωμάτων b-c]. Με δεδομένη τη μεγάλη
κού ανάμεσα στην ουβικινόνη και την οξειδάση του κυτοχρώ
κύπαρα των ΡΙΖών. Εκεί, τα σάκχαρα οξειδώνονται με γλυκό
ματος, μια μεγάλη ποσότητα ενέργειας θ' απελευθερωνόταν υ
λυση στο κυπαρόπλασμα και με οξειδωτική φωσφορυλίωση
πό μορφή θερμότητας και έτσι θα σπαταλιόταν. Παρομοίως, η
στα μιτοΧόνδρια για να παραΧθεί ΑΤΡ. Επίσης, χρησιμοποι
άμεση μεταφορά των ηλεκτρονίων από τη δεϋδρογονάση του
c θα οδηγούσε επίσης του συμπλόκου των κυτοχρωμάτων b-c]. NADH
στο κυτόχρωμα
σε παράκαμψη
ούνται ως δομικοί λίθοι για πολ/ούς άλ/ους μεταβολίτες. Β. Τα μιτοΧόνδρια είναι απαραίτητα ακόμα και κατά τη διάρκεια
της ημέρας σε κύπαρα που περιέχουν xίΊωρoπiΊάστες για να
εφοδιάσουν το κύπαρο με ΑΤΡ που προέρχεται από οξειδω Απάvmση
14-8
τική φωσφορυλίωση. Η 3-φωσφορική γλυκεριναλδευδη που
Τα πρωτόνια που αντλούνται διαμέσου της εσωτερικής μιτοχον
παράγεται από τη φωτοσύνθεση στους xίΊωρoπiΊάστες μετα
δριακής μεμβράνης στον διαμεμβρανικό χώρο εξισορροπού
κινείται προς το κυπαροδιάλυμα και τελικά χρησιμοποιείται
νται στο κυπαροδιάλυμα, που λειτουργεί σαν τεράστια δεξαμε
ως πηγή ενέργειας για να προωθήσει την παραγωγή ΑΤΡ στα
νή Η+. Τόσο στο μιτοχονδριακό στρώμα όσο και στο κυπαρο
μιτοΧόνδρια.
διάλυμα διεξάγονται πολ/ές μεταβολικές αντιδράσεις που απαι
14-11
τούν περίπου ουδέτερο ρΗ. Επομένως, η διαφορά της συγκέ
Απάντηση
ντρωσης των Η+, ΔρΗ, που μπορεί να επιτευΧθεί ανάμεσα στο
Α. Σωστό. Το
NAD+ και οι κινόνες είναι παραδείγματα ενώσε-
Απαντήσεις
971
ων που δεν έχουν ιόντα μετάλ/ων αλ/ά μπορεί να συμμετά
νόμενης οξείδωσης ξεκινά από την οξειδάση του κυτοχρώματος
σχουν σε μεταφορές ηλεκτρονίων.
και προχωρεί προς τα πίσω διαμέσου των συστατικών της αλυσί
Β. Λάθος. Το δυναμικό οφείλεται σε πρωτόνια (Η+) που α
δας μεταφοράς των ηλεκτρονίων, καθώς κάθε συστατικό ανα
ντλούνται διαμέσου της μεμβράνης από το στρώμα προς τον
κτά τη δυνατότητα να μεταφέρει τα ηλεκτρόνιά του σε επόμενα
διαμεμβρανικό χώρο. Τα ηλεκτρόνια παραμένουν προσδε
συστατικά.
δεμένα σε φορείς ηλεκτρονίων στην εσωτερική μιτοχονδρια ΑπάνΤηση
κή μεμβράνη.
Γ. Σωστό. Και τα δύο συστατικά συνεισφέρουν στην προωθητι
14-14
Καθώς η οξειδωμένη ουβικινόνη ανάγεται, προσλαμβάνει από
κή δύναμη που καθιστά ενεργειακώς ευνοϊκή τη ροή των Η+
το νερό δύο ηλεκτρόνια αλ/ά και δύο πρωτόνια (Εικόνα
πίσω προς το στρώμα.
Κατά την οξείδωση, τα πρωτόνια αυτά απελευθερώνονται. Αν η
Δ. Σωστό. Και τα δύο μετακινούνται γρήγορα στο επίπεδο της
14-20).
αναγωγή συμβαίνει στη μια πλευρά της μεμβράνης και η οξεί
δωση στην άλ/η πλευρά, για κάθε ηλεκτρόνιο που μεταφέρεται,
μεμβράνης.
Ε. Λάθος. Τα φυτά χρειάΖΟνται μιτοΧόνδρια για την παραγωγή
ένα πρωτόνιο θ' αντλείται διαμέσου της μεμβράνης. Επομένως,
ΑΤΡ σε κύπαρα που δεν περιέχουν χί\ωροπί\άστες, όπως τα
η μεταφορά των ηλεκτρονίων από την ουβικινόνη συνεισφέρει
κύπαρα των ΡΙΖών. Επιπλέον, όμως, τα μιτοΧόνδρια παρά
άμεσα στη δημιουργία της βαθμίδωσης των Η+.
γουν το μεγαλύτερο μέρος του ΑΤΡ του κυπαροδιαλύματος
Aπdvrnon
σε όλα τα φυτικά κύπαρα.
14-15
Ζ. Σωστό. Απαραίτητη προϋπόθεση για τη φυσιολογική λειτουρ
Τα φωτοσυνθετικά βακτήρια και τα φυτικά κύπαρα χρησιμοποι
γία της χί\ωροφύλ/ης είναι η ικανότητά της ν' απορροφά το
ούν τα ηλεκτρόνια που προέρχονται από την αντίδραση 2Η 2 Ο
+ 4Η+ + 02 για την αναγωγή του NADP+ σε NADPH, το
φως. Η αίμη απλώς τυχαίνει να είναι μια έγχρωμη ένωση από
~ 4e-
την οποία παίρνει κόκκινο χρώμα το αίμα.
οποίο στη συνέχεια χρησιμοποιείται για την παραγωγή χρήσι
Η. Λάθος. Η χί\ωροφύλ/η απορροφά φως και μεταφέρει ενέρ
γεια υπό μορφή ενός ενεργοποιημένου ηλεκτρονίου, ενώ ο σίδηρος της αίμης είναι ένας απλός φορέας ηλεκτρονίων.
Θ. Λάθος. Το περισσότερο ξηρό βάρος ενός δέντρου προέρχε
ται από τον άνθρακα του
CO 2 που
έχει δεσμευθεί κατά τη
μων μεταβολιτών. Αν τα ηλεκτρόνια χρησιμοποιούνΤαν για την
παραγωγή Η 2 εκτός από
02' τότε τα
κύπαρα θα έχαναν όποιο
πλεονέκτημα αποκτούν διενεργώντας την αντίδραση, επειδή στην περίπτωση αυτή τα ηλεκτρόνια δεν θα μπορούσε να χρησι μοποιηθούν σε μεταβολικώς χρήσιμες αντιδράσεις.
διάρκεια της φωτοσύνθεσης.
Aπdvrnon
14-12
ΑπάνΤηση
14-16
Α. Η αλλαγή των διαλυμάτων δημιουργεί μια βαθμίδωση ρΗ
ΧρειάΖΟνται τρία πρωτόνια. Η ακριβής τιμή της ΔG για τη σύν
διαμέσου της θυλακοειδούς μεμβράνης. Η ροή των ιόντων
θεση του ΑΤΡ εξαρτάται από τις συγκεντρώσεις των ΑΤΡ,
Η+ κατά μήκος του ηλεκτροχημικού δυναμικού τους προω
ADP
υψηλότερος
θείτη συνθάση του ΑΤΡ, η οποία μετατρέπει τoADP σε ΑΤΡ.
είναι ο λόγος της συγκένΤρωσης του ΑΤΡ προς τη συγκέντρωση
Β. Το φως δεν είναι απαραίτητο επειδή η βαθμίδωση των Η+ ε
και Ρί (όπως περιγράφεται στο Κεφάλαιο του
ADP,
3). Όσο
τόσο περισσότερη ενέργεια χρειάΖεται για την παρα
γωγή επιπρόσθετου ΑΤΡ. Άρα, η χαμηλότερη τιμή των
caVmole ισχύει
11 k-
για συνθήκες στις οποίες τα κύπαρα έχουν κα
ταναλώσει πολύ ενέργεια και συνεπώς έχουν ελαπώσει τον κα νονικό λόγο
γκαθίσταται τεχνητά χωρίς να χρειάΖεται η προωθούμενη α
πό το φως αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων.
Γ. Τίποτα. Η βαθμίδωση των Η+ θα ήταν σε λάθος κατεύθυνση, οπότε η σύνθεση του ΑΤΡ δεν θα λειτουργούσε. Δ. Το πείραμα προσέφερε ενδείξεις υπέρ του χημειοωσμωτικού
ATP:ADP.
μοντέλου δείχνοντας ότι μια βαθμίδωση Η+ από μόνη της ε Aπdvrnon Όταν το
παρκεί για να προωθήσει τη σύνθεση του ΑΤΡ.
14-13
02 δεν είναι
διαθέσιμο, όλα τα συστατικά της μιτοχον
14-17
δριακής αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων θα συσσωρεύονται
ΑπάνΤηση
στην ανηγμένη μορφή τους. Αυτό συμβαίνει επειδή τα ηλεκτρό
Α. Όταν τα κυστίδια εκτίθενται στο φως, τα ιόντα Η+ (που προ
νια που προέρχονται από το
NADH εισέρχονται
δα αλ/ά δεν μπορεί να μεταφερθούν στο
μεν στην αλυσί
02' Επομένως,
η αλυ
σίδα μεταφοράς των ηλεκτρονίων σταματά με όλα τα συστατικά της σε ανηγμένη μορφή. Αν ξαφνικά ξαναπροστεθεί
02'
οι φο
ρείς των ηλεκτρονίων της οξειδάσης του κυτοχρώματος θα οξει δωθούv του
ξω διαμέσου της συνθάσης του ΑΤΡ, οδηγώντας σε παραγω γή ΑΤΡ στο διάλυμα που περιβάλ/ει τα κυστίδια σε απάντηση στο φως.
Β. Αν τα κυστίδια εμφανίσουν διαρροή, τότε δεν θα μπορούσε
02 η 0-
να δημιουργηθεί βαθμίδωση Η+ και έτσι η συνθάση του ΑΤΡ
γίνεται επειδή μετά την προσθήκη του
ξειδάση του κυτοχρώματος προσφέρει αμέσως τα ηλεκτρόνιά
972
κυστιδίων από τη βακτηριοροδοψίνη ρέουν ξανά προς τα έ
nplV από τους αντίστοιχους φορείς της δεϋδρογονάσης
NADH. Αυτό
της στο
έρχονται από το Η 2 Ο) τα οποία ανΤλούνΤαι στο εσωτερικό των
02 και άρα
οξειδώνεται. Στη συνέχεια, ένα κύμα αυξα-
Απαντήσεις
δεν θα λειτουργούσε. Γ. Η χρησιμοποίηση συστατικών από πολύ διαφορετικούς ορ-
γανισμούς είναι ένα ισχυρότατο πειραματικό εργαλείο. Επει
χημειωσμωτική σύΖευξη ανάμεσα στη μεταφορά των ηλεκτρο
δή οι δύο πρωτείνες προέρχονται από τόσο διαφορετικές πη
νίων και σε μια συνθάση του ΑΤΡ.
γές, είναι μάλ/ον απίθανο ν' αναmύξουν άμεση λειτουργική
14-20
αλ/ηΛεπίδραση. Επομένως, το πείραμα αυτό υποδηΛώνει ι
Απάντηση
σχυρά ότι η μεταφορά των ηΛεκτρονίων και η σύνθεση του
Οι φράσεις Α και Β είναι σωστές. Η φράση Γ είναι λάθος, επει
ΑΤΡ είναι ανεξάρτητα γεγονότα. Επομένως, η προσέγγιση
δή οι χημικές αντιδράσεις που διενεργούνται σε κάθε κύκλο εί
αυτή είναι έγκυρη.
ναι εντελώς διαφορετικές, έστω και αν το συνολικό αποτέλεσμα είναι το ίδιο με το αναμενόμενο για την απΛή αναστροφή.
Απάντηση
14-18
Το οξειδοαναγωγικό δυναμικό του
FADH 2 είναι
πολύ χαμηΛό
Απάντηση
14-21
για να επιτρέψει τη μεταφορά ηΛεκτρονίων στο σύμπΛοκο της
Αυτό το πείραμα υποστηρίζει ένα μοντέΛο για τη Λειτουργία της
δεϋδρογονάσης του
συνθάσης του ΑΤΡ που περιλαμβάνει δύο βήματα. Σύμφωνα με
NADH αλ/ά
αρκετά υψηλό για τη μεταφο
ρά ηλεκτρονίων στην ουβικινόνη (Εικόνα ηΛεκτρόνια από το
FADH 2 μπορεί να
Συνεπώς, τα
αυτό το μοντέΛο, η ροή των πρωτονίων διαμέσου της βάσης της
εισέλθουν στην αλυσίδα
συνθάσης προωθεί την περιστροφή της κεφαλής, η οποία με τη
14-21).
μεταφοράς των ηλεκτρονίων μόνο σε αυτό το βήμα (Εικόνα
σειρά της προκαλεί τη σύνθεση ΑΤΡ. Στο πείραμά τους, οι συγ
Α14-18). Επειδή παρακάμπτεται το σύμπλοκο της δεϋδρογονά
γραφείς επέτυχαν ν' αποσυνδέσουν αυτά τα δύο βήματα. Αν η
σης του
NADH, λιγότερα ιόντα Η+ αντΛούνται διαμέσου της
μηχανική περιστροφή της κεφαλής επαρκούσε για την παραγωγή
μεμβράνης και παράγεται Λιγότερο ΑΤΡ. Το παράδειγμα αυτό
του ΑΤΡ χωρίς να χρειάζεται βαθμίδωση πρωτονίων, τότε η συν
δείχνει την ευεΛιξία της αλυσίδας μεταφοράς των ηλεκτρονίων.
θάση του ΑΤΡ θα ήταν μια πρωτεϊνική μηχανή η οποία πράγματι
Η ικανότητα χρησιμοποίησης πολύ διαφορετικών πηγών ηΛε
θα Λειτουργούσε σαν «μοριακή τουρμπίνα". Το πείραμα αυτό θα
κτρονίων από το περιβάλ/ον για την τροφοδοσία της μεταφο
ήταν πολύ εντυπωσιακό επειδή θα κατεδείκνυε άμεσα τη σχέση
ράς των ηλεκτρονίων θεωρείται ότι υπήρξε ένα βασικό γνώρι
ανάμεσα στη μηχανική κίνηση και την ενΖυμική ενεργότητα. Α
σμα στην πρώιμη εξέλιξη.
σφαλώς θα έπρεπε να δημοσιευθεί και θα γινόταν «κλασικό".
Απάντηση
14-19
Απάντηση
14-22
Αν αυτά τα βακτήρια χρησιμοποιούσαν μια βαθμίδωση πρωτο
Μεταφορά ηΛεκτρονίων και αναγωγή του κυτοχρώματος
νίων για να συνθέσουν ΑΤΡ κατά τρόπο ανάλογο με άλ/α βα
βαίνει μόνο στο πείραμα (Ε). Στο μείγμα αυτό έχει ανασυσταθεί
κτήρια (δηλαδή με λιγότερα πρωτόνια στο εσωτερικό) θα έπρε
ένα τμήμα της αλυσίδας μεταφοράς ηΛεκτρονίων, οπότε τα ηλε
πε ν' αυξήσουν το ρΗ του κυτταροπλάσματός τους ακόμα πε
κτρόνια μπορούν να ρέουν στην ενεργειακώς ευνοϊκή αντίδρα
ρισσότερο από το ρΗ του περιβάλ/οντος (ρΗ
ση από την ανηγμένη ουβικινόνη στο σύμπλοκο των κυτοχρω
με κυτταροπλασματικό ρΗ μεγαλύτερο από
10). Τα
κύτταρα
10 δεν θα ήταν βιώ
μάτων
b-c)
και από εκεί στο κυτόχρωμα
c.
c συμ
Μολονότι ενεργεια
σιμα. Επομένως, τα βακτήρια αυτά πρέπει να χρησιμοποιούν
κώς ευνοϊκή, η μεταφορά που περιγράφεται στο (Α) δεν μπορεί
βαθμιδώσεις ιόντων διαφορετικών από το Η+ (π.χ. του Na+) στη
να συμβεί αυθόρμητα χωρίς το σύμπΛοκο των κυτοχρωμάτων
b-
c) για να καταλύσει την αντίδραση. Στα υπόλοιπα πειράματα δεν συμβαίνει ροή ηΛεκτρονίων, άσχετα από την παρουσία του συ
μπΛόκου των κυτοχρωμάτων
b-c):
στα πειράματα (Β) και
σο η ουβικινόνη όσο και το κυτόχρωμα
(2) τό
c είναι οξειδωμένα'
στα
πειράματα (Γ) και (Η) και τα δύο μόρια είναι ανηγμένα' τέλος, 2ΗΡ
στα πειράματα (Δ) και (Θ), η ροή των ηΛεκτρονίων δεν ευνοείται ενεργειακά επειδή το ανηγμένο κυτόχρωμα
c έχει χαμηλότερη
ελεύθερη ενέργεια από την οξειδωμένη ουβικινόνη. δεϋδΡΟΥονάση του ηλεκτρικού ενσω ματωμένη στη μεμβράνη που έχει προσδέσει FADH 2 φουμαρικό
ΤΟΥ
) ΚΙΤΡΙΚΟΥ/ " - ΟΞΕΟΣ
--
Εικόνα Α14-18
Κεφάλαιο Απάντηση
15
15-1
Παρότι το πυρηνικό περίβΛημα σχηματίΖει μια συνεχή μεμβρά
νη, έχει εξειδικευμένες περιοχές που περιέχουν ειδικές πρω τείνες και χαρακτηριστική εμφάνιση. Μια τέτοια εξειδικευμένη περιοχή είναι η εσωτερική πυρηνική μεμβράνη. Οι μεμβρανικές
πρωτείνες πράγματι διαχέονται ανάμεσα στην εσωτερική και την εξωτερική πυρηνική μεμβράνη στις επαφές που σχηματίΖο-
Απαντήσεις
973
νται γύρω από τους πυρηνικούς πόρους. Οι πρωτείνες όμως
τήσει η μετατόπιση μόλις φτάσει η αλληλουΧία λήξης της με
που διεκπεραιώνουν ιδιαίτερες λειτουργίες στην εσωτερική
ταφοράς. Η σύνθεση συνεχίζεται και δημιουργείται ένα πρω
μεμβράνη παραμένουν αγκυροβολημένες εκεί αλληλεπιδρώ
τεϊνικό τμήμα που παραμένει στο κυπαροδιάλυμα έως ότου
ντας με άλλα συστατικά, όπως τα χρωμοσώματα και ο πυρηνι
να φτάσει η αλληλουΧία έναρξης της μεταφοράς, οπότε αρΧί
κός υμένας, ένα πρωτεϊνικό δίκτυο που βρίσκεται κάτω από την
Ζει πάλι η μετατόπιση. Η κατάσταση τώρα μοιάΖει με αυτήν
εσωτερική πυρηνική μεμβράνη και συμβάλλει στη δομική ακε
που περιγράφηκε στο (Α) και το καρβοξυτελικό άκρο της
ραιότητα του πυρηνικού περιβλήματος.
πρωτεΤνης μετατοπίΖεται στον αυλό του ΕΔ. Επομένως, η
Aπdvmσn
Τόσο το αμινοτελικό όσο και το καρβοξυτελικό άκρο βρίσκο
πρωτε1\ιη που προκύπτει διαπερνά δύο φορές τη μεμβράνη.
15-2
Η έκφραση των γονιδίων στα ευκαρυωτικά κύπαρα είναι πιο
νται στον αυλό του ΕΔ και η θηλειά μεταξύ των δύο διαμεμ
πολύπλοκη από την έκφραση των γονιδίων στα προκαρυωτικά.
βρανικών περιοΧών είναι εκτεθειμένη στο κυπαροδιάλυμα
Ειδικότερα, τα προκαρυωτικά κύπαρα δεν έχουν ιντρόνια που διακόmουν τις κωδικές αλληλουΧίες Ιων γονιδίων τους και έτσι
(Εικόνα Α15-4Β). Γ. Η πρώτη αλληλουΧία του σήματος πρέπει ν' αποκοπεί και ν'
μεταφραστεί αμέσως μετά τη μεταγραφή
ακολουθεί μια εσωτερική αλληλουΧία λήξης της μεταφοράς
του χωρίς να χρειάΖεται επιπλέον επεξεργασία (αναφέρεται στο
και στη συνέχεια ν' ακολουθούν Ζεύγη αλληλουχιών έναρξης
ένα
mRNA μπορεί να
Κεφάλαιο
7).
Πράγματι, στα προκαρυωτικά κύπαρα τα ριβοσω
και λήξης της μεταφοράς (Εικόνα Α15-4Γ).
mRNA πριν τε
Αυτά τα παραδείγματα δείχνουν πώς μπορεί να δημιουργηθούν
λειώσει η μεταγραφή. Αυτό θα είχε καταστροφικές επιπτώσεις
περίπλοκες διαμορφώσεις με απλές παραλλαγές και συνδυα
στα ευκαρυωτικά κύπαρα επειδή τα περισσότερα μετάγραφα
σμούς των δύο βασικών μηχανισμών που παρουσιάΖΟνται στις
του
Εικόνες
μάτια αρχίΖουν τη μετάφραση των περισσότερων
RNA πρέπει
να συρραφούν πριν αρΧίσει η μετάφραση. Το
15-15 και 15-16.
πυρηνικό περίβλημα διαχωρίΖει τις διαδικασίες της μεταγραφής και της μετάφρασης και τοπικά και χρονικά. Ένα πρωτογενές
Aπdvmσn
μετάγραφο
Α. Τα καλύμματα της κλαθρίνης δεν συναρμολογούνται απου
RNA συγκρατείται
στον πυρήνα έως ότου υποστεί τη
15-5
mRNA, και τότε
σία ανταmινών, ΟΙ οποίες συνδέουν την κλαθρίνη με τη μεμ
μόνο μπορεί να εγκαταλείψει τον πυρήνα και να μεταφραστεί α
βράνη. Σε υψηλές συγκεντρώσεις κλαθρίνης και υπό κατάλ
πό τα ριβοσωμάτια.
ληλες ιοντικές συνθήκες, δημιουργούνται κλωβοί κλαθρίνης
σωστή επεξεργασία, ώστε να δημιουργηθεί ένα
οι οποίοι μοιάΖουν με άδεια κελύφη που δεν έχουν άλλες
Aπdvmσn
πρωτείνες και δεν περιέχουν μεμβράνη. Αυτό αποδεικνύει ό
15-3
Ένα μόριο
προσκολλάται στη μεμβράνη του ΕΔ μέσω
τι η πληροφορία για το σχηματισμό των κλωβών της κλαθρί
των ριβοσωματίων που το μεταφράΖουν. Επειδή αυτός ο πληθυ
νης περιέχεται στα ίδια τα μόρια της κλαθρίνης τα οποία συ-
mRNA
σμός των ριβοσωματίων δεν είναι στατικός, το
mRNA μετακινεί
ται συνεχώς σε σχέση με το ριβοσωμάτιο. Τα ριβοσωμάτια που
έχουν περατώσει τη μετάφραση διίστανται από το
mRNA και τη μεμβράνη
του ΕΔ, αλλά το
3'
άκρο του
mRNA παραμένει
(~
προ
σκολλημένο σε άλλα ριβοσωμάτια, που στρατολογήθηκαν τε
λευταία από τη δεξαμενή του κυπαροδιαλύματος, προσκολλή
θηκαν στο
mRNA και μεταφράΖουν ακόμα το mRNA. Σε κάθε μόριο mRNA που είναι συνδεδεμένο με τη μεμ βράνη προσκολλώνται περίπου 10-20 ριβοσωμάτια και ο αριθ μός αυτός εξαρτάται από το μήκος του mRNA. Aπdvmσn
5'
άκρο του
(Α)
15-4
Α. Η εσωτερική σηματοδοτική αλληλουΧία αγκυροβολεί στη μεμβράνη όπως φαίνεται στην Εικόνα
15-16.
Επειδή όμως
δεν υπάρχει αλληλουΧία λήξης της μεταφοράς, το καρβοξυ τελικό άκρο της πρωτεΤνης συνεχίΖει να μετατοπίΖεται προς τον αυλό του ΕΔ. Επομένως η πρωτε'ί\ιη που προκύπτει έχει την αμινοτελική περιοχή της στο κυπαροδιάλυμα (ακολου
θείται από ένα μονό διαμεμβρανικό τμήμα) και το καρβοξυ τελικό άκρο στον αυλό του ΕΔ (Εικόνα Α15-4Α). Β. Η αμινοτελική αλληλουΧία του σχήματος αρχίΖει τη μετατόπι ση της αμινοτελικής περιοχής της πρωτεΊνης έως ότου σταμα-
974
Απαντήσεις
Εικόνα Α15·4
•
~~=c=
νεπώς έχουν την ικανότητα να αυτοσυναρμολογούντα1.
ρος, ΤΟ σύμπλοκο τρανσφερίνης-σιδήρου μπορεί να προσδεθεί
Β. Απουσία κΛαθρίνης, οι ανταmίνες συνεχίζουν να προσδένο
mov υποδοΧέα
της τρανσφερίνης
mnv επιφάνεια
του κυπάρου
νται σε υποδοχείς της μεμβράνης, αλ/ά δεν μπορεί να δημι
και να ενδοκυπαρωθεί. Στις όξινες συνθήκες του ενδοσωματίου,
ουργηθεί κάλυμμα κΛαθρίνης και έτσι δεν σχηματίΖονται ε
η τρανσφερίνη απελευθερώνει τον σίδηρο αλ/ά παραμένει προσ
σοΧές καλυμμένες με κΛαθρίνη ή κυmίδια.
δεδεμένη με τον υποδοΧέα της τρανσφερίνης, ο οποίος επιmρέ
Γ. ΣχηματίΖΟνται εσοχές καλυμμένες με κΛαθρίνη που εγκολ
πώνονται πολύ βαθιά
mnv μεμβράνη
αλ/ά δεν μπορούν ν' α
ποκοπούν και να δημιουργήσουν κΛειmά κυmίδια.
φεl
mnv κυπαρική
επιφάνεια, όπου το ρΗ του περιβάλ/οντος
του αίματος είναι ουδέτερο. Το ουδέτερο ρΗ προκαλεί την απε λευθέρωση της τρανσφερίνης από τον υποδοΧέα
Δ. Τα προκαρυωτικά κύπαρα δεν πραγματοποιούν ενδοκυπά
mnv κυκλοφο
ρία, όπου μπορεί να προσδέσει ένα νέο ιόν σιδήρου και να επα
ρωση. Επομένως, ένα προκαρυωτικό κύπαρο δεν περιέχει
ναλάβει τον κύκλο. Ο σίδηρος που έχει απελευθερωθεί
υποδοχείς με κατάλ/ηλες αλυσίδες
δοσωμάτιο, όπως η
mo
κυπαροδιάλυμα για
την πρόσδεση της ανταπτίνης. Άρα, η κΛαθρίνη δεν μπορεί
να προσδεθεί, με αποτέλεσμα να μην είναι δυνατή η συναρ
ποτελεσματικά τον σίδηρο ακόμα και όταν ΟΙ συγκεντρώσεις του
μολόγηση καλυμμάτων κΛαθρίνης.
Απάντηση
mo εν LDL mnv Εικόνα 15-32, μετακινείται ma λυ σοσωμάτια και από εκεί μεταφέρεται mo κυffiαροδιάiΊυμα. Το σύmημα αυτό επιτρέπει ma κύπαρα να προσλαμβάνουν α
mo αίμα είναι πολύ χαμηλές. Ο σίδηρος που είναι προσδεδεμέ νος mnv τρανσφερίνη συγκεντρώνεται mnv κυπαρική επιφά
15-6
Η προκατασκευασμένη αλυσίδα σακχάρων εξασφαλίΖει καλύ
νεια μέσω της πρόσδεσης με τους υποδοχείς της τρανσφερίνης.
τερο ποιοτικό έλεγχο. Οι συναρμολογημένες αλυσίδες των ολl
Στη συνέχεια συγκεντρώνεται ακόμα περισσότερο
γοσακχαριτών ελέγχονται για την ορθότητα της δομής τους πριν
να κυmίδια κΛαθρίνης που συλ/έγουν τους υποδοχείς της τραν
προmεθούν
σφερίνης. Με τον τρόπο αυτό, η τρανσφερίνη ανακυκλώνεται
mnv
πρωτείνη. Εάν γίνει ένα λάθος κατά τη
διακή προσθήκη σακΧάρων
mnv
ma-
πρωτείνη, τότε ολόκληρη η
πρωτείνη πρέπει ν' απορριφθεί. Επειδή απαιτείται πολύ περισ
ma καλυμμέ
μεταξύ του αίματος και των ενδοσωματίων, απελευθερώνοντας τον σίδηρο που χρειάζονται τα κύπαρα για ν' αναmυχθούν.
σότερη ενέργεια για να κατασκευαmεί μια πρωτείνη απ' ό,τι μια
15-9
μικρή αλυσίδα σακΧάρων, π διαδικασία αυτή είναι πολύ πιο οι
Απάντηση
κονομική mρατηγlκή. Επίσης, μόλις προmεθεί ένας διακΛαδl
Α. Σωmή.
Ζόμενος ολιγοσακχαρίτης σε μια πρωτεΤνη, είναι ηολύ δυσκο
Β. Λάθος. Οι σηματοδοτικές αλ/ηλουΧίες που κατευθύνουν τις
λότερο για τα ένΖυμα να τροποηοιήσουν τις διακλαδώσεις του
πρωτεlνες προς το ΕΔ περιέχουν μια αλ/ηλουΧία οκτώ ή πε
από το να τροποποιήσουν έναν ελεύθερο διακλαδΙΖόμενο ολl
ρισσότερων υδρόφοβων αμινοξέων. Η αλ/ηλουΧία που φαί
γοσακχαρίτη. Η δυσκολία αυτή γίνεται φανερή καθώς η πρω
νεται εδώ περιέχει πολ/ές υδρόφιλες πλευρικές αλυσίδες α
τείνη μετακινείται προς την κυπαρική επιφάνεια; παρότι ΟΙ αλυ
μινοξέων, όπως των φορτισμένων αμινοξέων
σίδες των σαΚΧάρων τροποποιούνται συνεχώς από ένΖυμα
και
ma
διάφορα διαμερίσματα της εκκριτικής οδού, οι τροποποιήσεις αυτές συχνά είναι ατελείς. Έτσι προκύπτει η αξιοσημείωτη ετε ρογένεια των γλυκοπρωτεϊνών που εγκαταλείπουν το κύπαρο. Η ετερογένεια σε μεγάλο βαθμό οφείλεται
mnv
περιορισμένη
Lys και των μη KalSer.
φορτισμένων υδρόφιλων
His, Arg, Asp αμινοξέων Gln
Γ. Σωmή. Διαφορετικά δεν θα μπορούσε ν' αγκυροβολήσουν
mn
σωmή μεμβράνη mόΧΟ ή να τοποθετήσουν ένα σύμπλο
κο σύντηξης
mn θέση
αγκυροβόλησης.
πρόσβαση που έχουν τα ένΖυμα mους διακΛαδΙΖόμενους ολιγο
Δ. Σωmή.
σακχαρίτες, οι οποίοι είναι προσδεδεμένοι
Ε. Σωmή. Οι πρωτεΤνες των λυσοσωματίων επιλέγονται
mnv επιφάνεια
των
πρωτεϊνών. Η ετερογένεια επίσης εξηγεί γιατί είναι πολύ πιο δύ
κτυο
trans Golgi
mo
δί
και συσκευάΖΟνται σε κυmίδια μεταφοράς
σκολο να μελετηθούν οι γλυκοπρωτεΤνες από τις μη γλυΚΟΖυ
που τις παραδίδουν
λιωμένες πρωτείνες.
γούν, υποχρεωτικά θα εισέλθουν
mo
όψιμο ενδοσωμάτιο. Εάν δεν επιλε
ma
κυmίδια μεταφοράς
που μετακινούνταισυmηματικά προς την κυπαρική επιφά
Απάντηση
15-7
νεια.
Θα σχηματιmούν συσσωματώματα εκκριτικών πρωτεϊνών μέσα
mov αυλό του
ΕΔ, όπως ακριβώς και
mo δίκτυο trans Golgi.
Ε
Ζ. Λάθος. Τα λυσοσωμάτια επίσης αποδομούν εσωτερικά ορ γανίδια με αυτοφαγοκυπάρωση.
πειδή τα συσσωματώματα αφορούν ειδικά τις εκκριτικές πρω
Η. Λάθος. Τα μιτοΧόνδρια δεν συμμετέχουν mn μεταφορά με
τεΤνες, οι πρωτεΤνες του ΕΔ αποκλείονται από τα συσσωματώμα
κυmίδια. Οι γλυκοπρωτεΤνες που συναρμολογούνται απο
τα αυτά. Τελικά, τα συσσωματώματα θ' αποδομηθούν.
κΛειmlκά
mo
ΕΔ δεν μπορεί να μεταφερθούν
ma μιτοΧόν
δρια. Απάντηση
15-8
Η τρανσφερίνη χωρίς προσδεδεμένο σίδηρο δεν αλ/ηλεπιδρά
Απάντηση 15-10
με τον υποδοΧέα της και κυκλοφορεί
mo αίμα μέχρι να συναντή
Πρέπει επίσης να περιέχουν ένα σήμα πυρηνικού εντοπισμού.
σει και να προσδέσει ένα ιόν σιδήρου. Οταν προσδεθεί ο σίδη-
Οι πρωτείνες που περιέχουν πυρηνικό σήμα εξόδου πηγαινο-
Απαντήσεις
975
έρχονιοι ανάμεσα σων πυρήνα και το κυτταρόπλασμα. Ένα
μέσα
παράδειγμα είναι η πρωrεTνη ΑΙ η οποία προσδένει mRNA mov
διευκολύνουν τις αλληλεπιδράσεις της σωmής
πυρήνα και το οδηγεί διαμέσου των πυρηνικών πόρων. Οτ:αν εί
την
ναι
mo
mo
ΕΔ μαΖΙ με τις
SNARE σε
κυmίδια μειοφοράς και
v-SNARE με
t-SNARE mo δίκτυο cis Golgi.
κυτταροδιάλυμα, το σήμα του πυρηνικού εντοπισμού
διασφαλίΖει την επιmροφή της πρωτεΤνης ΑΙ έτσι μπορεί να συμμετέχει
mn μεταφορά
mov
και άλλων
πυρήνα και
Aπdvmon
mRNA.
Η συναmική μεταβίβαση συνεπάγεται απελευθέρωση νευροδια
15-13
βιβαmών με εξωκυπάρωση. Κατά τη διάρκεια αυτού του βήματος,
Aπdvmon
15-11
η μεμβράνη των συναmικών κυmιδίων συντήκειοι με την κυπα
Ο ιός της γρίπης εισέρχεται
ma κύπαρα με ενδοκυπάρωση και
ρική μεμβράνη των νευρικών απολήξεων. Για να καιοσκευα
απελευθερώνειοι ma ενδοσωμάτια, όπου το ρΗ είναι όξινο και
mούν νέα συναmικά κυmίδια, η μεμβράνη πρέπει να υποχωρή
αυτό ενεργοποιεί την πρωτεΤνη της σύντηξης του ιού. Στη συνέ
σει από την κυπαρική μεμβράνη με ενδοκυπάρωση. Το mάδιο
χεια, η πρωτεΤνη του ιού συντήκεται με τη μεμβράνη του ενδο
αυτό της ενδοκυπάρωσης παρεμποδίζεται όιον η δυναμίνη είναι
σωματίου απ ελευθερώνοντας το γονιδίωμα του ιού
κυπα
ελαπωματική, εφόσον η πρωτεΤνη είναι απαραίτητη για την απο
Η ΝΗ 3 είναι ένα μικρό μόριο που
κοπή των κυmιδίων ενδοκυπάρωσης που είναι καλυμμένα με
ροδιάλυμα (Εικόνα
AI5-1l).
mo
διεισδύει εύκολα mις μεμβράνες. Ετσι, μπορεί να εισέλθει σε ό
κλαθρίνη. Το κλειδί για την αποκρυπωγράφηση του ρόλου της
λα ΙΟ ενδοκυπάρια διαμερίσματα, και
δυναμίνης προέκυψε από ηλεκτρονιομικρογραφίες των συνάψε
mo ενδοσωμάτιο,
με διά
χυση. Όιον βρεθεί σ' ένα διαμέρισμα που έχει όξινο ρΗ, η ΝΗ 3
ων των μειολ/αγμένων εντόμων (Εικόνα ΑI5-Ι3). Παρατηρείmε
προσδένει Η+ και σχηματίΖει ΝΗ 4 +, που είναι ένα φορτισμένο
ότι υπάρχουν πολ/ές εγκολπώσεις της κυτταρικής μεμβράνης
ιόν και δεν μπορεί να διαπεράσει τη μεμβράνη με διάχυση. Ε
που μοιάΖουν με φιάλες, οι οποίες αντιπροσωπεύουν βαθιά ε
πομένως ΙΟ ιόντα ΝΗ 4 + συσσωρεύονται ma όξινα διαμερίσμα
γκολπωμένες εσοχές κλαθρίνης που δεν μπορούν να αποκο
ιο, αυξάνοντας το ρΗ τους. Παρότι το ρΗ του ενδοσωματίου εί
πούν. Τα ορατά περιλαίμια γύρω από τους λαιμούς αυτών των ε
ναι αυξημένο, η ενδοκυπάρωση των ιών συνεχίΖεται αλλά επει
γκολπώσεων αποτελούνται από τη μεταλ/αγμένη δυναμίνη.
δή η πρωτεΤνη σύντηξης των ιών δεν ενεργοποιείται, οι ιοί δεν
μπορούν να εισέλθουν
mo
κυτταροδιάλυμα. Θυμηθείτε αυτό
την επόμενη φορά που θα κολ/ήσετε συνάχι και μπορείτε να πάτε σε ένα mάβλο.
Aπdvmon
15-14
Οι δύο πρώτες προτάσεις είναι σωmές. Η τρίτη όχι. Έπρεπε να είναι: «Επειδή το περιεΧόμενο του αυλού του ΕΔ ή οποιουδήπο τε άλ/ου διαμερίσματος της εκκριτικής οδού ή της οδού ενδο
Aπdvmon
15-12
κυπάρωσης δεν αναμειγνύειοι ποτέ με το κυπαροδιάλυμα, οι
Α. Το πρόβλημα είναι ότι ΙΟ κυmίδιαπου έχουν δύο διαφορετι κά είδη
v-SNARE mις
μεμβράνες τους, μπορούν να προσα
ράξουν σε δύο διαφορετικές μεμβράνες.
πρωτεΤνες που συμμετέχουν σε αυτές τις οδούς δεν χρειάΖεται ποτέ πια να επανεισαΧθούν». 'Οτ:αν το πυρηνικό περίβλημα και
το ΕΔ θρυμματίζονται κατά τη μίτωση, σχηματίζουν κυmίδια και
Β. Η απάντηση σε αυτό το πρόβλημα δεν είναι ακόμα γνωmή,
αλλά μπορούμε να υποθέσουμε ότι ΙΟ κύπαρα διαθέτουν μη
το περιεΧόμενό τους διαχωρίΖειοι από το κυπαροδιάλυμα μέσω της μεμβράνης του κυmιδίου.
χανισμούς που ενεργοποιούν ή καιοmέλ/ουν την ικανότηιο
προσάραξης των
SNARE. Για παράδειγμα,
αυτό μπορεί να ε
πιτευχθεί με τη βοήθεια άλλων πρωτεϊνών που πακετάρονται
Aπdvmon
15-15
Η πρωτεΤνη θα μειοτοπιmεί μέσα
mo
ΕΔ. Η σηματοδοτική αλ
ληλουΧία για το ΕΔ αναγνωρίΖειοι αμέσως μετά την εμφάνισή της από το ριβοσωμάτιο. Το ριβοσωμάτιο θα προσκολ/ηθεί
mn
μεμβράνη του ΕΔ και η αυξανόμενη πολυπεπτιδική αλυσίδα θα μειοφερθεί διαμέσου του διαύλου μειοτόπισης του ΕΔ. Επομέ",-~~~~~~
...:K=υπαΡΙKή μεμβράνη
*ενδοκυπάρωση
Παραχωρήθηκε από
Εικόνα Α 15·11
976
Απαντήσεις
Εικόνα Α 15·13
Kazuo Ikeda
νως, η αλληλουΧία του πυρηνικού εντοπισμού δεν θα εκτεθεί
λογική πρωτεΙνη, ή
ποτέ στο κυπαροδιάλυμα. Δεν θα συναντήσει ποτέ πυρηνικούς
λουΧία σηματοδότησης του ΕΔ και εμποδίΖει την είσοδο της
υποδοχείς εισαγωγής και δεν θα εισέλθει στον πυρήνα.
πρωτε"ίνης στο ΕΔ.
(2)
η μετάλλαξη απενεργοποιεί την αλλη
(3) Μια
άλλη εξήγηση ίσως είναι ότι η μετάλ
λαξη άλλαξε την αλληλουΧία και δημιούργησε ένα σήμα συ
Απάντηση
15-16
γκράτησης στο ΕΔ, με αποτέλεσμα η μεταλλαγμένη πρωτεΙνη
Οι πρωτε"ίνες θα εισέλθουν στον πυρήνα αφού πρώτα συντε
να παραμένει στο ΕΔ. Θα μπορούσε κανείς να διακρίνει τους
θούν, διπλωθούν και συναρμολογηθούν σε σύμπλοκα εάν χρει
παραπάνω τρόπους χρησιμοποιώντας φθορίΖοντα αντισώματα
άΖεται. Αντίθετα, οι μη διπλωμένες πολυπεmιδικές αλυσίδες με
εναντίον της πρωτεΙνης και να παρακολουθήσει τη μεταφορά
τατοπίζονται μέσα στο ΕΔ ενόσω κατασκευάΖΟνται στα ριβοσω
της πρωτεΙνης στα κύπαρα (βλ Παράρτημα
(1)
4-6).
μάτια. Τα ριβοσωμάτια συναρμολογούνται μέσα στον πυρήνα, αλλά λειτουργούν στο κυπαροδιάλυμα και τα ενΖυμικά σύμπλο
Aπdvmon
κα που καταλύουν τη σύνθεση του
Κριτική: «Η
RNA και τη συρραφή
συναρ
15-19
Dr. Outonalimb προτείνει την μελέτη της βιοσύνθε φοργκετίνης (forgetin), μιας πρωτεΙνης σημαντικού εν
μολογόύνται στο κυπαροδιάλυμα όμως λειτουργούν στον πυρή
σης της
να. Έτσι, τα ριβοσωμάτια και τα ενΖυμικά σύμπλοκα πρέπει να
διαφέροντος. Όμως, η κύρια υπόθεση στην οποία στηρίΖεται
μεταφερθούν άθικτα διαμέσου των πυρηνικών πόρων.
(2) Οι πυ
αυτή η πρόταση χρειάΖεται επιπλέον επιβεβαίωση. Ειδικότερα,
ρηνικοί πόροι είναι πύλες που είναι πάντα ανοικτές για τα μικρά
είναι αμφισβητήσιμο αν η φOργKετΊVη είναι πράγματι μια εκκρι
μόρια. Αντίθετα, οι δίαυλοι μετατόπισης της μεμβράνης του ΕΔ
νόμενη πρωτεΙνη όπως προτείνεται. Οι σηματοδοτικές αλλη
κανονικά είναι κλειστοί και ανοίγουν μόνο όταν ένα ριβοσωμά
λουΧίες για το ΕΔ κανονικά βρίσκονται στο αμινοτελικό άκρο.
τιο προσκολληθεί στη μεμβράνη και η μεταΤΟΠΙΖόμενη πολυπε
Οι καρβοξυτελικές υδρόφοβες αλληλουΧίες θ' αποκαλυφθούν
πτιδική αλυσίδα κλείσει στεγανά τον δίαυλο προς το κυπαροδιά
από το ριβοσωμάτιο μόνο μετά το τέλος της σύνθεσης της πρω
λυμα. Είναι σημαντικό η μεμβράνη του ΕΔ να παραμένει αδια
τεΙνης και γι' αυτό δεν μπορεί ν' αναΥνωρισθούν από το ΣΑΣ
πέραστη από μικρά μόρια κατά τη διάρκεια της μετάθεσης, επει 2
κατά τη διάρκεια της μετάφρασης. Επομένως, η μετατόπιση της
δή το ΕΔ είναι η κύρια πηγή Ca + στο κύπαρο και η απελευθέρωση του
Ca2+
στο
'λ υμα κυπαρο δ ια
ρά (αναφέρεται στο Κεφάλαιο
' να ελ'εΥχεται αυστηπρεπει 16). (3) Τα σήματα τοποθέτησης
στον πυρήνα δεν αποκόπτονται μετά την είσοδο της πρωτεΊνης
φοργκετίνης μ' έναν μηχανισμό που εξαρτάται από το ΣΑΣ είναι
απίθανη και γι' αυτό μάλλον θα παραμείνει στο κυπαροδιάλυ μα. Η
Dr. Outonalimb πρέπει
να λάβει υπόψη τις παρατηρήσεις
αυτές εάν υποβάλλει μια αναθεωρημένη πρόταση».
στον πυρήνα, ενώ αντίθετα, τα σηματοδοτικά πεπτίδια του ΕΔ συνήθως κόβονται Τα σήματα του πυρηνικού εντοπισμού είναι
Aπdvmon
απαραίτητα για την επαναληπτική επανεισαγωγή πυρηνικών
Η συσκευή
πρωτεϊνών μετά την απελευθέρωσή τους στο κυπαροδιάλυμα
τα της μεμβράνης του ΕΔ. Οι περιοΧές αυτές του ΕΔ ίσως απο
κατά τη διάρκεια της μίτωσης όταν θρυμματίΖεται το πυρηνικό πε
κολλήθηκαν, δημιουργώντας ένα καινούργιο διαμέρισμα (Ει
ρίβλημα.
κόνα Α15-20), το οποίο συνεχίΖει να επικοινωνεί με το ΕΔ μέσω
15-20 Golgi πιθανόν
προέκυψε από εξειδικευμένα τμήμα
κυστιδίων μεταφοράς. Για να είναι όμως χρήσιμο το νέο διαμέ-
Aπdvmon
15-17
Η παροδική ανάμειξη του περιεχομένου του πυρήνα και του κυπαροδιαλύματος κατά τη διάρκεια της μίτωσης ενισΧύει την
άποψη ότι το εσωτερικό του πυρήνα και το κυπαροδιάλυμα έ χουν εξελικτική συγγένεια. Πράγματι, μπορεί κανείς να υποθέ σει ότι ο πυρήνας είναι ένα τμήμα του κυπαροδιαλύματος που περικυκλώθηκε από το πυρηνικό περίβλημα και η επικοινωνία μπορεί να γίνει μόνο μέσω των πυρηνικών πόρων.
Aπdvmon
15-18
Η ισχύουσα εξήγηση είναι ότι η αλλαγή ενός μόνο αμινοξέος
προκαλεί ελαφρώς λανθασμένο δίπλωμα της πρωτεΊνης. Έτσι, παρότι η πρωτεΙνη εξακολουθεί να δρα ως αναστολέας των πρωτεασών, οι πρωτεωες συνοδοί του ΕΔ παρεμποδίΖουν την έξοδό της από αυτό το οργανίδιο. Επομένως, η πρωτεΙνη συσ
σωρεύεται στον αυλό του ΕΔ και τελικά αποδομείται. Εναλλα κτικές ερμηνείες μπορεί να είναι:
(1)
η μετάλλαξη επηρεάΖει τη
σταθερότητα της πρωτε"ίνης μέσα στην κυκλοφορία του αίματος
και έτσι αποδομείται πολύ γρηγορότερα στο αίμα από τη φυσιο-
Εικόνα Α 15-20
Απαντήσεις
977
ρισμα
Golgi, πρέπει
να εξεΛίχθηκαν παράλ/ηΛα και τα κυστίδια
Απάντηση
Λα ως αΥΥελιοφόρος από ένα κύπαρο σ' ένα άλ/ο μέσω του ε ξωκυπάριου υγρού.
μεταφοράς.
15-21
Απάvmση
16-4
Αυτή είναι μια ερώτηση του τύπου: η κότα γέwησε τ' αυγό ή το
Στην περίπτωση του υποδοΧέα των στεροειδών, ένα σύμπΛοκο
αυγό την κότα; Πράγματι, τα σημερινά κύπαρα δεν αντιμετωπί
ορμόνης και υποδοΧέα
Ζουν ποτέ αυτή την κατάσταση, μοΛονότι μάλ/ον αποτέΛεσε ένα
γοποιήσει τη μεταγραφή. Επομένως, ανάμεσα στην πρόσδεση
σημαντικό πρόβΛημα κατά τη δημιουργία των πρώτων κυπά
του συνδέτη και την ενεργοποίηση της μεταγραφής δεν συμβαί
ρων. Καινούργιες κυπαρικές μεμβράνες δημιουργούνται με ε
νει καμία ενίσχυση. Η ενίσχυση συμβαίνει αργότερα, επειδή α
1: 1 προσδένεται στο DΝΑ για να ενερ
πέκταση των μεμβρανών που υπάρχουν και το ΕΔ δεν κατα
πό τη μεταγραφή ενός γονιδίου παράγovται ποΛλά μόρια
σκευάΖεται ποτέ εκ νέου
mRNA και
(de novo).
Θα υπάρχει πάντοτε κάποιο
από τη μετάφραση κάθε μορίου παράγονται πολ/ά
κομμάτι του ΕΔ με διαύΛους μετατόπισης για να ενσωματωθούν
μόρια πρωτε'ί\ιης (βλ Κεφάλαιο
νέοι δίαυΛοι μετατόπισης. Επομένως η κΛηρονομικότητα δεν
Χέων που συνδέονται με διαύλους ιόντων, κατά το χρονικό διά
7).
Στην περίπτωση των υποδο
περιορίΖεται στη μεταβίβαση του γονιδιώματος: τα οργανίδια ε
στημα που θα παραμείνει ανοιΧΤός, ένας μόνο δίαυΛος επιτρέ
νός κυπάρου πρέπει επίσης να περάσουν από γενιά σε γενιά.
πει τη δίοδο σε χιΛιάδες ιόντα: αυτό λειτουργεί ως το βήμα ενί
Πράγματι, η προέλευση των διαύΛων μετατόπισης του ΕΔ μπο
σχυσης στο συγκεκριμένο σηματοδοτικό σύστημα.
ρεί να ιχνηΛατηθεί σε δομικώς παρόμοιους διαύΛους μετατόπι σης της κυπαρικής μεμβράνης των προκαρυωτικών κυπάρων.
16-5
Απάvmση
Η μεταλ/αγμένη
Απάvmση
15-22
νεργοποιημένη
G πρωτείνη θα παρέμενε σχεδόν συνεΧώς ε καθώς το GDP θα διίστατο αυθόρμητα, αφή
Α. Εξωκυπάριος χώρος
νοντας το
Β. ΚυπαροδιάΛυμα
γοποιημένου υποδοΧέα που διασυνδέεται με τη συγκεκριμένη
Γ. Πλασματική ή κυπαρική μεμβράνη
πρωτεΊνη. Επομένως, οι επιπτώσεις για το κύπαρο θα ήταν πα
Δ. ΚάΛυμμα κλαθρίνης
ρόμοιες με τις επιπτώσεις της χοΛερικής τοξίνης, η οποία τρο
Ε. Μεμβράνη βαθιά εγκοΛπωμένης εσοχής καλυμμένης με κλα θρίνη
GTP να
ποποιεί την α υπομονάδα ώστε να μην μπορεί να υδρολύσει το
GTP για ν'
Ζ. Δεσμευμένα μόρια φορτίου
Η. Αυλός βαθιά εγκοΛπωμένης εσοχής καλυμμένης με κλαθρίνη
προσδένεται ακόμα και απουσία του ενερ
απενεργοποιηθεί. Αντίθετα όμως από την περίmω
ση της χοΛερικής τοξίνης, η μεταλ/αγμένη
G πρωτείνη δεν θα
παρέμενε μόνιμα ενεργοποιημένη: θα μπορούσε ν' απενερ γοποιηθεί κανονικά αΛλά κατόπιν θα επανενεργοποιούνταν
ακαριαία από τη διάσταση του
Κεφάλαιο Απάvmση
16
16-1
του
GDP
και την επαναπρόσδεση
GTP.
Απάvmση
16-6
Τα περισσότερα μόρια που χρησιμοποιούνται για παρακρινή
Η ταχεία αποδόμηση διατηρεί τα επίπεδα του κυκΛικού ΑΜΡ
σηματοδότηση είναι πολύ βραΧύβια και αποδομούνται γρήγορα
χαμηλά. Όσο χαμηλότερα είναι τα επίπεδα του
μετά την απελευθέρωσή τους από τα κύπαρα. Επιπλέον, μερικά
γαλύτερη θα είναι και η αύξηση της ενεργότηταςτης αδενυΛικής
μόρια προσκολ/ώνται στο εξωκυπάριο στρώμα και έτσι δεν α
κυκλάσης που παράγει νέο κυκλικό ΑΜΡ. Αν είχατε έναν τρα
φήνονται να διαχυθούν ποΛύ μακριά, ή απεΛευθερώνονται σ' έ
πεΖικό Λογαριασμό
ναν περιορισμένο χώρο, όπως η συναπτική σχισμή ανάμεσα σ'
τε θα διπΛασιάΖατε τις καταθέσεις σας. Αν όμως ο Λογαριασμός
ένα νευρικό και ένα μυϊκό κύπαρο, όπου περιορίΖεται η διάχυ
σας είχε μόνο
ση στον περιβάλ/οντα Χώρο.
θέσεις σας θα δεκαπλασιάΖονταν. Συνεπώς, από την ίδια κατά
cAMP τόσο
με
100 ευρώ και καταθέτατε άλ/α 100 ευρώ τό
10 ευρώ
και καταθέτατε άλ/α
100, τότε
οι κατα
θεση θα προέκυπτε πολύ μεγαλύτερη αναλογική αύξηση.
Απάvmση
16-2 16-7
Κάθε φωτόνιο προκαΛεί την υδρόΛυση
Απάvmση
κού
Η επιφάνεια της κυπαρικής μεμβράνης είναι μικρή σε σχέση με
ρές
80,000 μορίων κυκλι GMP, δηλαδή το σήμα πολ/απΛασιάΖεται κατά 80,000 φο (= 200 χ 4000 χ 0.1).
τη συνοΛική επιφάνεια των μεμβρανών του κυπάρου (βλ Κεφά
Λαιο Απάvmση
16-3
15). Το
ενδοπΛασματικό δίκτυο γενικά είναι ποΛύ πιο ά
φθονο και διατρέχει όλο τον χώρο του κυπάρου, ως ένα τερά
Οι ποΛικές ομάδες είναι υδρόφιΛες και η χοΛηστερόΛη, που έ
στιο δίκτυο μεμβρανικών σωλήνων και φύλ/ων. Αυτό εξασφα
χει μόνο μια ομάδα -ΟΗ, είναι πολύ υδρόφοβη για να Λειτουρ
ΛίζεΙ την ομοιογενή απεΛευθέρωση Ca2+ σε όΛη την έκταση του
γήσει αποτεΛεσματικά ως ορμόνη. Ένα Λιπίδιο που είναι πρα
κυπάρου, που έχει σημασία επειδή η ταχεία απομάκρυνση των
κτικά αδιάΛυτο στο νερό δεν θα μπορούσε να μετακινείται εύκο-
ιόντων Ca 2+ από το κυπαροδιάΛυμα μέσω των αντΛιών Ca2+
978
Απαντήσεις
δεν επιτρέπει στο Ca + να διαΧέεται σε σημαντική απόσταση μέ 2
τις οποίες συνδέει το σάκχαρο με τη διακυΛογΛυκερόΛη. Η ΙΡ 3 παράγεται με μια απΛή υδρόΛυση.
σα στο KυτταΡOδιMUΜα.
Ε. Λάθος. Η καΛμοδουΛίνη ανιχνεύεται, αλ/ά δεν ρυθμίΖει τα Απάντηση
16-8
/ επιπε / δ α του Ca2+ . δ οκυτταρια Ζ. Σωστό. ΒΛ. Εικόνα 16-38 Η. Λάθος. Το Ras είναι ένα πρωτο-ογκογονίδιο. εν
Κάθε αντίδραση που εμπΛέκεται στην ενίσχυση του σήματος
πρέπει ν' απενεργοποιείται, ώστε η σηματοδοτική οδός να επα
Γίνεται ογκο
νέρχεται στο επίπεδο ηρεμίας. Επομένως, και οι δύο διακόπτες
γονίδιο, δηΛαδή προάγει την ανάπτυξη του καρκίνου, όταν
είναι εξίσου σημαντικοί.
περιέχει μεταλ/άξεις που το διατηρούν συνεχώς σε ενεργό κατάσταση.
Απάντηση
16-9
Θ. Σωστό. ΒΛ. Εικόνα
16-30.
Επειδή κάθε αντίσωμα διαθέτει δύο θέσεις για σύνδεση με το α ντιγόνο, η πρόσδεση στους υποδοχείς μπορεί να προκαλέσει τη
Απάντηση
συσσώρευση των μορίων του υποδοΧέα πάνω στην κυτταρική ε
1. Θα
16-12
αναμένατε ένα υψηλό επίπεδο δραστικότητας της πρω
πιφάνεια. Αυτό είναι πιθανό να ενεργοποιήσει υποδοχείς με
τε'ί'νης
δράση κινάσης της τυροσίνης, οι οποίοι ενεργοποιούνται με αυ
γοποιηθεί αποτεΛεσματικά.
τοφωσφορυΛίωση μόΛις συμπΛησιάσουν οι περιοχές με δραστι κότητα κινάσης διαφορετικών μορίων υποδοΧέα. Η ενεργοποί ηση των υποδοΧέων που συνδέονται με
G πρωτε'ί'νες
είναι πιο
περίπΛοκη επειδή ο συνδέτης πρέπει να προκαΛέσει μια συγκε κριμένη μεταβοΛή διαμόρφωσης. ΠοΛύ Λίγα ειδικά αντισώματα
επειδή η πρωτεΤνη δεν θα μπορούσε να απενερ
Ras,
2. Επειδή
μερικά μόρια της
Ras
έχουν ήδη προσδέσει
3. Η απάντηση
Ras θα είχαν
προσδέσει
GTP.
σ' ένα σήμα θα ήταν ποΛύ βραδύτερη επειδή η ε
ξαρτώμενη από το σήμα αύξηση των μορίων της
προκαλέσουν τη μεταβοΛή της διαμόρφωσης που ενεργοποιεί
χουν προσδέσει
τον υποδοΧέα.
δο μορίων
4. Η
16-10
η
μεγαΛύτερη από το κανονικό, αλ/ά θα υφίστατο κορεσμό ό ταν όΛα τα μόρια της
μιμούνται τόσο KαiΊά τους συνδέτες των υποδοΧέων ώστε να
Απάντηση
GTP,
δράση της σε απάντηση προς ένα εξωκυττάριο σήμα θα ήταν
αύξηση
Ras
που έ
GTP θα συνέβαινε σ' ένα ήδη υψηλό επίπε Ras προσδεδεμένων με GTP. της ενεργότητας της Ras σε απάντηση προς ένα
σήμα επίσης θα ήταν αυξημένη σε σύγκριση με τα φυσιοΛογι
Όσο περισσότερα βήματα υπάρχουν σε μια σηματοδοτική οδό
κά κύτταρα.
τόσο περισσότερα σημεία διατίθενται στο κύτταρο για να ρυθμί
16-13
σει την οδό, να ενισΧύσει το σήμα, να συνδυάσει σήματα από
Απάντηση
διαφορετικές οδούς και να διοχετεύσει το σήμα προς διάφορες
Α. Και τα δύο είδη σηματοδότησης μπορεί να έχουν μεγάΛο βε
κατευθύνσεις (βΛ. Εικόνα
Ληνεκές: οι νευρώνες μπορούν ν' αποστείλουν δυναμικά ε
16-8).
νέργειας κατά μήκος ποΛύ μακριών νευραξόνων (για σκε Απάντηση
16-11
φθείτε τον αυχένα μιας καμηΛοπάρδαΛης) και οι ορμόνες
Α. Σωστό. Για παράδειγμα, η αKετυΛoXOί'lίνη εΛαττώνει τη συ
μεταφέρονται με την κυκλοφορία του αίματος σε όΛο τον ορ
χνότητα της συστοΛής των μυοκαρδιακών κυττάρων μέσω
γανισμό. Επειδή σε μια σύναψη οι νευρώνες εκκρίνουν με
της πρόσδεσής της σ' έναν υποδοΧέα που συνδέεται με μια
γάΛες ποσότητες νευροδιαβιβαστών σ' έναν μικρό, KαiΊά κα
G-πρωτε'ί'νη και διεγείρει τη συστοΛή των γραμμωτών μυϊκών
θορισμένο χώρο ανάμεσα σε δύο κύτταρα, οι συγκεντρώσεις
κυττάρων μέσω της πρόσδεσής της σ' έναν διαφορετικό υπο
των νευροδιαβιβαστών στις συνάψεις είναι υψηΛές: επομέ
δοΧέα της ακετυΛοχοΛίνης, ο οποίος είναι ένας δίαυΛος ιό
νως, οι υποδοχείς των νευροδιαβιβαστών, προκειμένου να
ντων που εΛέγχεται από τον συνδέτη.
προσδέσουν τα αντίστοιχα μόρια δεν χρειάΖεται να έχουν για
Β. Λάθος. Η ακετυΛοχοΛίνη είναι βραΧύβια και ασκεί τις δράσεις
αυτά υψηΛή συγγένεια. Αντίθετα, οι ορμόνες αραιώνονται
της τοπικά. Πράγματι, οι επιπτώσεις από την παράταση του
πάρα πολύ στην κυκλοφορία του αίματος, όπου κυκΛοφο
χρόνου Ζωής της είναι καταστροφικές. Οι ενώσεις που ανα
ρούν σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις: επομένως, οι υποδο
στέλ/ουν το ένΖυμο ακετυΛοχοΛινεστεράση, το οποίο κανονι
χείς των ορμονών γενικά προσδένουν τις αντίστοιχες ορμό
κά διασπά την ακετυΛοχοΛίνη στις νευρομυϊκές συνάψεις, εί
νες με εξαιρετικά υψηλή συΥΥένεια.
ναι εξαιρετικά τοξικές: ένα παράδειγμα, είναι η σαρίνη, ένα νευρικό αέριο που χρησιμοποιείται στον χημικό πόΛεμο.
Β. Ενώ ή νευρωνική σηματοδότηση είναι μια «ιδιωτική υπόθε ση», όπου ένας νευρώνας «συνομιΛεί» με μια επίλεκτη ομάδα
Γ. Σωστό. Τα σύμπΛοκα βγ που είναι εΛεύθερα νουκΛεοτιδίων
κυττάρων-στόχων μέσω ειδικών συνάψεων, η ορμονική ση
μπορούν να ενεργοποιήσουν διαύΛους ιόντων, ενώ οι α-υπο
ματοδότηση είναι μια «δημόσια ανακοίνωση», στην οποία τα
μονάδες που είναι προσδεδεμένες με
μπορούν να ε
κύτταρα-στόΧοι «αισθάνονται» τα επίπεδα της ορμόνης στο
νεργοποιήσουν ένΖυμα. Οι τριμερείς G-πρωτε'ί'νες που είναι
αίμα. Η νευρωνική σηματοδότηση είναι ποΛύ ταχεία, καθώς
συνδεδεμένες με
περιορίΖεται μόνο από την ταΧύτητα μετάδοσης του δυναμι
GDP βρίσκονται
GTP
σε ανενεργό κατάσταση.
Δ. Σωστό. Η ΡΙΡ 2 περιέχει τρεις φωσφορικές ομάδες, μια από
κού ενεργείας και τις Λειτουργίες της σύναψης, ενώ η ορμο-
Απαντήσεις
979
νική σηματοδότηση είναι βραΔUτερη, επειδή περιορίζεται α
ρίς την εξωκυπάρια περιοχή για την πρόσδεση του σuνδέτη,
πό τη ροή του αίματος και τη διάχυση σε μεγαλύτερες απο
ο μεταλ/αγμένος υποδοΧέας δεν μπορεί να ενεργοποιηθεί και έτσι είναι ανενεργός (Εικόνα 16-16Α).
στάσεις.
Β. Αuτός ο μεταλ/αγμένος uποδΟΧέας επίσης είναι ανενεργός, Απάντηση
16-14
Α. Το κύπαρο περιέχει
αλ/ά η παρουσία τοι> θ' αναστείλει τη σηματοδότηση από
100,000 μόρια Χ και 10,000 μόρια Υ (=
ταΧύτητα σύνθεσης Χ μέση διάρκεια Ζωής).
τοuς φυσιολογικούς uποδοχείς. Μόλις ο σuνδέτης προσδε
θεί είτε στον φυσιολογικό είτε στον μεταλ/αγμένο υποδοΧέα
Β. Μετά από ένα δευτερόλεπτο, η συγκέντρωση του Χ θα έχει αυξηθεί κατά
θα προκαλέσει τον διμερισμό τοuς. Για να ενεργοποιηθούν
10,000 μόρια, οπότε το κύπαρο θα περιέχει συ 110,000 μόρια Χ, δηλαδή 10% περισσότερα μόρια
δύο φυσιολογικοί υποδοχείς πρέπει να σuμπλησιάσουν ώ
απ' ό,τι περιείχε προτού αυξηθεί η ταΧύτητα σύνθεσης του Χ.
ρίσσεια μορίων του μεταλ/αγμένοι> uποδοχέα, οι φuσιολογι
Η συγκέντρωση του Υ επίσης θ' αυξηθεί κατά
10,000 μόρια,
κοί uποδοχείς σuνήθως θα σχηματίΖοuν μεικτά διμερή, στα
δηλαδή θα διπλασιαστεί (για λόγους απλούστευσης, στον υ
οποία η ενδοκuπάρια περιοχή δεν μπορεί να ενεργοποιηθεί
πολογισμό αυτό μπορούμε ν' αγνοήσουμε την αποδόμηση,
επειδή ο συνοδός τοuς θα είναι μεταλ/αγμένος (Εικόνα Α16
επειδή κατά τη διάρκεια του ενός δευτερολέπτου της διέγερ
16Β).
νολικά
στε να μπορεί να φωσφορuλιωθούν. Αν όμως uπάρxει πε
σης τα Χ και Υ είναι σχετικά σταθερά).
Γ. Εξαιτίας της μεγαλύτερης αναλογίας αύξησής του, το Υ είναι
Απάντηση
16-17
το προτιμώμενο σηματοδοτικό μόριο. Ο υπολογισμός επιση
Η φράση είναι σωστή. Μόλις προσδεθεί ο σuνδέτης, οι διαμεμ
μαίνει την παράδοξη αλ/ά σημαντική αΡΧή ότι ο χρόνος που
βρανικές έλικες των υποδοΧέων πολ/απλών διόδων, όπως οι
χρειάΖεται για να ενεργοποιηθεί ένα σήμα καθορίΖεται από το
uποδοχείς που συνδέονται με G-πρωτεΊνες, μετατοπίΖονται και
χρόνο Ζωής του σηματοδοτικού μορίου.
Απάντηση
16-15
Οι πληροφορίες που μεταδίδονται από μια σηματοδοτική οδό
(Α) διαμεμβρανικές έλικες των
του κυπάρου περιέχονται στη συγκέvrρωσn του αγγελιοφόροu,
υποδοχέων
είτε αuτός είναι ένα μικρό μόριο είτε μια φωσφορuλιωμένη πρω τεΊνη. Επομένως, για να μπορεί ν' ανΙXνΕUθεί μια αλ/αγή, ο αρ χικός αγγελιοφόρος πρέπει να καταστραφεί. Όσο πιο ασταθής είναι ο αγγελιοφόρος, τόσο ταχύτερα μπορεί το σύστημα ν' α παντά σε αλ/αγές. Η ανθρώπινη επικοινωνία βασίΖεται σε μη νύματα ποι> εκφέρονται μόνο μια φορά και γενικά δεν ερμη νεύονται με βάση την αφθονία αλ/ά το περιεχόμεvότοuς. Έτσι, ας μην σκοτώσοuμε τοuς αγγελιοφόρους: μπορεί να χρησιμο
ποιηθούν περισσότερο από μια φορά. Απάντηση
16-16
Α. Ο μεταλ/αγμένος uποδΟΧέας με δραστικότητα κινάσης της
ΤUΡOσίνης είναι ανενεργός και η παροuσία τοι> δεν έχει
ou-
(Β)
νέπειες για τη λειτοuργία του φuσιολογικού uποδΟΧέα. Χω-
~~ (Α)
περιοχή κινάσης
~~
~LJ=lFI Εικόνα Α16-16
980
Απαντήσεις
. .
ενζυμική περιοχή των υποδοχέων
Εικόνα Α 16·17
αναδιατάσσονται η μια σε σχέση με την άλλη (Εικόνα Α16
δείξεις ότι ένας τέτοιος μηχανισμός συμβάλει στη ρύθμιση του
17Α). Αυτή
αριθμοό των κυττάρων, τόσο στους αναmυσσόμενους όσο και
η μεταβολή διαμόρφωσης γίνεται αντιληπτή στη μια
πλευρά της μεμβράνης εξαιτίας μιας αλ/αγής στη διάταξη των
στους ενήλικους ιστούς (Εικόνα
18-27).
κυτταροπλασματικών βρόχων. Ένα μοναδικό διαμεμβρανικό
16-21
τμήμα δεν επαρκεί για να μεταδώσει άμεσα ένα σήμα διαμέ
Απάντηση
σου της μεμβράνης, εφόσον μόλις προσδεθεί ο συνδέτης δεν πραγματοποιούνται αναδιατάξεις στη μεμβράνη. Μετά την
Οι δίαυλοι Ca 2 + που ενεργοποιοόνται από το Ca 2+ δημιουρ γοόν μια θετική ανατροφοδότηση: όσο περισσότερο Ca2+ απε
πρόσδεση του συνδέω, οι υποδοχείς μονής διόδου (όπως οι
λευθερώνεται, τόσο περισσότεροι δίαυλοι ανοίγουν. Επομέ
υποδοχείς με δραστικότητα κινάσης της τuρoσίνης) διμερίΖΟ
νως, το σήμα του Ca2+ στο κυτταροδιάλυμα διαδίδεται εκρηκτι
νται και έτσι φέρνουν τις ενδοκυττάριες ενΖυμικές περιοχές
κά σε όλη την έκταση του μυϊκού κυττάρου, εξασφαλίΖοντας έτσι
τους κοντά-κοντά ώστε η μια να μπορεί να ενεργοποιήσει την
ότι όλα τα νημάτια της ακτίνης/μυοσίνης θα συσταλοόν σχεδόν
άλ/η (Εικόνα ΑI6-Ι7Β).
συγχρονισμένα.
Aπdvmon
Aπdvmon
16-18
16-22
Και στις δόο περιπτώσεις, η ενεργοποίηση βασίΖεται σε πρω
Η Κ2 ενεργοποιεί την ΚΙ. Αν η ΚΙ ενεργοποιηθεί μόνιμα, θα
τε1\ιες που καταl\Uουν την ανταλλαγή
G-
παρατηρηθεί μια απάντηση ανεξάρτητα από την κατάσταση της
Ενώ, οι υποδοχείς που συνδέο
Κ2. Αν η σειρά αναστρεφόταν, η ΚΙ θα έπρεπε να ενεργοποιεί
νται με G-πρωτεΊνες επιτελούν αυτή τη λειτουργία άμεσα, οι υ
την Κ2, κάτι που δεν μπορεί να γίνει επειδή στο παράδειγμά μας
ποδοχείς που συνδέονται με ένΖυμα συναρμολογούν πολ/α
η Κ2 περιέχει μια αδρανοποιητική μετάλλαξη.
πρωτε1\ιη ή στην πρωτε1\ιη
Ras.
GDP/GTP πάνω
στην
πλές πρωτείνες προσαρμογής σ' ένα σηματοδοτικό σόμπλοκο μόλις ενεργοποιηθούν με φωσφορυλίωση. Μια από αυτές τις
Aπdvmon
πρωτεΊνες επιστρατεύει μια ειδική πρωτεΊνη που ενεργοποιεί
Α. Εξωκυττάριο σήμα ~ υποδοχέας με δράση κινάσης της τu
την πρωτε1\ιη
Ras.
16-23
ροσίνης ~ προσαρμοστική πρωτε1\ιη ~ πρωτεΊνη που ενερ
γοποιεί την
Aπdvmon
16-19
Ras
~ κινάση της κινάσης της ΜΑΡ κινάσης ~
κινάση της ΜΑΡ κινάσης ~ ΜΑΡ κινάση ~ ρυθμιστική πρω
Επειδή η ενδοκυττάρια συγκέντρωση του Ca2+ είναι τόσο χαμη λή, μια εισροή σχετικά λίγων ιόντων Ca2+ προκαλεί μεγάλες αλ λαγές στη συγκέντρωση του Ca2+ στο κυτταροδιάλυμα. Έτσι, μια δεκαπλάσια αόξηση του Ca2+ μπορεί να επιτευχθεί με μια
τείνη γονιδίων ή
εξωκυττάριο σήμα ~ υποδοχέας που συνδέεται με
G-npw-
τεΊνη ~ G-πρωτεΊνη ~ φωσφολιπάση C ~ ΙΡ3 ~ Ca2+ ~
αόξηση της συγκέντρωσης του Ca2+ της τάξης των μmοΙes, δη
καλμοδουλίνη ~ CaΜ-κινάση ~ ρυθμιστική πρωτε1\ιη γονι
λαδή με ποl\U λιγότερα ιόντα απ' ό,τι θα χρειαΖόταν για ν' αλλά
δίων
ξει σημαντικά η συγκέντρωση ενός περισσότερο άφθονου ιό
ή
ντος, όπως το Na +. Στους μυς, μέσα σε μsec (10-6 sec) μπορεί να επιτευχθεί μια υπερδεκαπλάσια αύξηση με απελευθέρωση Ca2 +
τεΊνη ~ G-πρωτεΊνη ~ αδενυλlκή κυκλάση ~ κυλικό ΑΜΡ
εξωκυττάριο σήμα ~ υποδοχέας που συνδέεται με
από τις ενδοκυττάριες αποθήκες του σαρκοπλασματικοό δικτό ου, ένα αποτέλεσμα που θα ήταν δόσκολο να επιτευχθεί αν χρειάζονταν αλ/αγές της τάξης των
mmoles.
G-npw-
~ ΡΚΑ ~ ρυθμιστική πρωτε1\ιη γονιδίων
Β.
TGF-B ~ υποδοχέας TGF-B ~ ρυθμιστική
πρωτεΊνη
SMAD
ή
κυτταροκίνη ~ υποδοχέας κυτταροκίνης ~ JAΚ κινάση ~
Aπdvmon
16-20
ρυθμιστική πρωτείνη
STAT
Σ' έναν πολυκύτταρο οργανισμό, όπως ένα Ζώο, τα κύτταρα πρέπει να εΠΙΖοόν μόνο όταν και όπου χρειάΖεται. Αυτό μπορεί
να διασφαλιστεί με απλό τρόπο, αρκεί η επιβίωση των κυττάρων
Aπdvmon
να εξαρτάται από σήματα προερχόμενα από άλ/α κότταρα. Για
Τα Ζώα και τα φυτά πιστεύεται ότι ανέπτuξαν ανεξάρτητα την
παράδειγμα, ένα έκτοπο κύτταρο μάλ/ον δεν θα κατόρθωνε να
ιδιότητα ν' αποτελοόνται από πολλά κόπαρα. Συνεπώς, ει
παραλάβει όλα τα σήματα επιβίωσης που χρειάΖεται (καθώς θα
κάΖεται ότι ανέπτυξαν επίσης και μερικοός διαφορετικοός
16-24
είχε ακατάλ/ηλους γείτονες) και επομένως θα αυτοκτονούσε. Η
σηματοδοτικούς μηχανισμούς για την επικοινωνία μεταξό
τακτική αυτή μπορεί επίσης να συμβάλει στη ρόθμιση του αριθ
των κυττάρων τους. Από την άλλη πλευρά, επειδή τα Ζώα και
μοό των κυττάρων: αν το κότταρο Α εξαρτάται από ένα σήμα επι
τα φυτά μάλλον προέρχονται από ένα κοινό ευκαρυωτικό
βίωσης από το κύτταρο Β, τότε ο αριθμός των κυττάρων Β θα έ
προγονικό κότταρο αναμένεται να μοιράΖΟνται μερικοός εν
λεγχε τον αριθμό των κυττάρων Α παράγοντας μια περιορισμέ
δοκυττάριους ορσηματοδοτικούς μηχανισμούς που χρησι
νη ποσότητα του σήματος επιβίωσης, οπότε θα επιβίωνε μόνο έ
μοποιούσε το κοινό προγονικό κύτταρο για ν' απαντά στο
νας ορισμένος αριθμός κυττάρων Α. Πράγματι, υπάρχουν εν-
περιβάλ/ον του.
Απαντήσεις
981
Κεφάλαιο Aπ6vmσn
GTP,
17
δηλαδή όταν οι υπομονάδες της τουμπουλίνης
κρο του είναι όλες προσδεδεμένες με
17-1
mo
ά
GDP. Οι υπομονάδες GTP από το διά
της τουμπουλίνης που είναι φορτωμένες με
Τα κύτταρα που μεταναmεύουν γρήγορα από μια θέση σε μια
λυμα θα προmεθούν σε αυτό το άκρο αλ/ά θα παραμείνουν
άλλη, όπως οι αμοιβάδες (Α) και τα σπερμαΤΟΖωάρια
για λίγο, είτε επειδή υδρολύουντο
χρειάΖΟνται ενδιάμεσα ινίδια
mo
(2),
δεν
κυτταρόπλασμά τους επειδή
GTP, είτε επειδή
πέφτουν,
καθώς αποσυναρμολογείται ο μικροσωληνίσκος. Εάν όμως
δεν αναπτύσσουν ούτε δέχονται μεγάλες ελαmικές δυνάμεις.
ικανός αριθμός υπομονάδων που φέρουν
Τα φυτικά κύτταρα (Η) πιέΖονται και τεντώνονται από τον αέρα
αρκετά γρήγορα ώmε να καλύψει τις υπομονάδες της του
και το νερό, αλ/ά αντέχουν σε αυτές τις δυνάμεις βασΙΖόμενα
μπουλίνης που έχουν
κυρίως
τότε θα
ma σκληρά κυτταρικά τοιχώματά τους και όχι mov
κυτ
ταροσκελετό τους. Τα επιθηλιακά κύτταρα (Β), τα λεία μυϊκά
GTP
προmεθεί
GDP mo άκρο του μικροσωληνίσκου, ξανασχηματιmεί το κάλυμμα GTP και θα ευνοηθεί η
αύξηση του μικροσωληνίσκου.
κύτταρα (Γ) και οι επιμήκεις άξονες των νευρικών κυττάρων (Ε)
Β. Η ταχύτητα προσθήκης της GΤΡ-τουμπουλίνης θα είναι με
περιέχουν άφθονα κυτταροπλασματικά ενδιάμεσα ινίδια, τα ο
γαλύτερη σε υψηλότερες συγκεντρώσεις τουμπουλίνης. Ε
ποία εμποδίΖουν τη ρήξη τους καθώς τεντώνονται και συμπιέΖΟ
πομένως, η συχνότητα με την οποία οι μικροσωληνίσκοι με
νται από τις κινήσεις των ιmών που τα περιβάλ/ουν.
ταπηδούν
mnv
κατάmαση αύξησης είναι μεγαλύτερη όσο
Όλα τα κύτταρα που προαναφέρθηκαν περιέχουν τουλάΧι
αυξάνει η συγκέντρωση της τουμπουλίνης. Η συνέπεια αυτής
mov ενδιάμεσα ινίδια mov πυρηνικό υμένα τους. Τα βακτήρια, όπως τα Escherichia coli (Δ), δεν περιέχουν τίποτα παρόμοιο.
της ρύθμισης είναι ότι το σύmημα ισορροπεί μόνο του: όσο
συρρικνώνονται οι μικροσωληνίσκοι (με αποτέλεσμα ν' αυ ξάνει η συγκέντρωση της ελεύθερης τουμπουλίνης), τόσο
Aπ6vmσn
17-2
συχνότερα οι μικρο σωληνίσκοι θ' αρχίΖουν να ξαναυξάνουν.
Δύο διμερή τουμπουλίνης έχουν μικρότερη συγγένεια μεταξύ
Αντίθετα, όσο μεγαλώνουν οι μικροσωληνίσκοι, τόσο θα μει
τους (λόγω του περιορισμένου αριθμού θέσεων αλ/ηλεπίδρα
ώνεται η συγκέντρωση της ελεύθερης τουμπουλίνης και η τα
σης) απ' ό,τι έχει ένα διμερές τουμπουλίνης για το άκρο ενός μι
χύτητα προσθήκης της GΤΡ-τουμπουλίνης θα γίνεται μικρό
κροσωληνίσκου (όπου υπάρχουν πολ/ές δυνατές θέσεις αλ/η
τερη. Σε κάποια mιγμή, η υδρόλυση του
λεπίδρασης τόσο άκρο με άκρο των διμερών της τουμπουλίνης
σει» την προσθήκη της GΤΡ-τουμπουλίνης, το κάλυμμα
που προmίθενται σ' ένα πρωτοϊνίδιο όσο και πλευρικές αλ/ηλε
θα καταmραφεί και ο μικροσωληνίσκος θα μεταπέσει
πιδράσεις των διμερών της τουμπουλίνης με υπομονάδες του μπουλίνης σε γειτονικά πρωτοϊνίδια σχηματίζοντας την δακτυ
GTP
θα «προφτά
GTP mnv
κατάmαση συρρίκνωσης.
Γ. Εάν υπάρχει μόνο το
GDP,
οι μικροσωληνίσκοι θα συνεχί
λιοειδή εγκάρσια τομή). Επομένως, για ν' αρχίσει η κατασκευή
σουν να συρρικνώνονται και τελικά θα εξαφανιmούν, επειδή
ενός μικροσωληνίσκου, αρκετά διμερή τουμπουλίνης πρέπει να
τα διμερή τουμπουλίνης με
βρεθούν αρκετά κοντά και να παραμείνουν προσδεδεμένα με
νεια μεταξύ τους και δεν προmίθενται mαθερά mους μικρο
ταξύ τους για αρκετό χρονικό διάmημα έως ότου προmεθούν
σωληνίσκους.
και άλ/α μόρια τουμπουλίνης. Μόνον όταν συναρμολογηθεί έ
Δ. Εάν υπάρχει
GTP αλ/ά
GDP
έχουν πολύ μικρή συγγέ
δεν μπορεί να υδρολυθεί, οι μικρο
νας αριθμός διμερών τουμπουλίνης, θα επιτραπεί η πρόσδεση
σωληνίσκοι θα συνεχίσουν ν' αυξάνουν έως ότου χρησιμο
της επόμενης υπομονάδας. Επομένως, ο σχηματισμός αυτών
ποιηθούν όλες οι ελεύθερες υπομονάδες της τουμπουλίνης
των αρχικών «θέσεων εμπυρήνωσης» είναι σπάνιος και δεν συμβαίνει αυθόρμητα mις συγκεντρώσεις της τουμπουλίνης
Aπ6vmσn
που υπάρχουν
Εάν όλοι οι βραχίονες της δυνεΤνης ήταν εξίσου ενεργοί, τότε
ma κύτταρα.
17-4
Τα κεντροσωμάτια περιέχουν προσυναρμολογημένους δα
δεν θα υπήρχε αξιοσημείωτη μετακίνηση του ενός μικροσωλη
κτυλίους γ-τουμπουλίνης (mους οποίους οι υπομονάδες της
νίσκου σε σχέση με τον άλλο όπως απαιτείται για την κάμψη
γ-τουμπουλίνης συνδέονται μεταξύ τους με πολύ ισχυρότερες
(φανταmείτε έναν κύκλο από εwέα αρσιβαρίmες, ο καθένας α
πλευρικές αλληλεπιδράσεις από αυτές του διμερούς της αβ
πό τους οποίους προσπαθεί ν' ανασηκώσει τον διπλανό του α
τουμπουλίνης), mους οποίους μπορεί να προσδεθούν τα δι
πό το έδαφος: εάν τα καταφέρουν όλοι, τότε ολόκληρη η ομάδα
μερή της αβ-τουμπουλίνης. Οι συνθήκες πρόσδεσης των διμε
πρέπει ν' ανυψωθεΩ). Πρέπει επομένως να ενεργοποιηθούν ε
ρών της αβ-τουμπουλίνης είναι παρόμοιες με αυτές της προ
πιλεκτικά λίγα μόρια δυνεΤνης
σθήκης στο άκρο ενός συναρμολογημένου μικροσωληνί
Καθώς μετακινούν τους διπλανούς μικροσωίΊηνίσκους προς
σκου. Οι δακτύλιοι της γ-τουμπουλίνης
mn
μια πλευρά της βλεφαρίδας.
κεντοσωμάτιο
την κορυφή της βλεφαρίδας, η βλεφαρίδα κάμπτεται προς την
μπορεί να θεωρηθούν ως μόνιμες προσυναρμολογημένεςθέ
αντίθετη πλευρά από την πλευρά που περιέχει τις ενεργοποιη
σεις «εμπυρήνωσης».
μένες δυνεΤνες.
Aπ6vmσn 17-3
Aπ6vmσn
Α. Ο μικροσωληνίσκος συρρικνώνεται όταν χάσει το κάλυμμα
Κάθε πρωτεΤνη που προσδένει ακτίνη και mαθεροποιεί σύ-
982
Απαντήσεις
mo
17-5
μπίΊοκα δύο ή περισσότερων μονομερών ακτίνης χωρίς να ε
μυοσίνης είναι προσανατοίΊισμένα με τις κεφαίΊές τους προς την
μποδίΖει τα άκρα που χρειάΖΟνται για την αύξηση του νηματίου,
ίδια κατεύθυνση. Αυτή η ποίΊικότητα είναι απαραίτητη για την α
θα διευκοίΊύνει την έναρξη ενός νέου νηματίου (εμπυρήνωση).
νάπτυξη της ικανότητας συστοίΊής των μυών.
Aπdvmon
Aπdvmon
17-6
17-10
Ορατά είναι μόνο τα φθορίΖοντα μόρια ακτίνης που έχουν συ
Α. Τα διαδοχικά μόρια της ακτίνης στο νημάτιο της ακτίνης εί
ναρμοίΊογηθεί σε ινίδια. Τα μη ποίΊυμερισμένα μόρια ακτίνης
ναι πανομοιότυπα ως προς τη θέση και τη διαμόρφωση. Με
διαΧέονται τόσο γρήγορα- ώστε παράγουν ένα διάχυτο, αχνό, ο
τά την πρόσδεση μιας πρώτης πρωτεΤνης (όπως της φοπονί
μοιόμορφο σήμα. Επειδή στο πείραμά σας έχουν σημανθεί τό
νης) στο νημάτιο της ακτίνης, δεν είναι πίΊέον δυνατό για μια
σο ίΊίγα μόρια ακτίνης
δεύτερη πρωτεΤνη ν' αναγνωρίΖει κάθε έβδομο μονομερές
(1:10,000),
θα υπάρχει το ποίΊύ ένα ση
μασμένο μονομερές ακτίνης ανά ινίδιο (βίΊ. Εικόνα
17-30) . Το
ακτίνης σ' ένα «γυμνό» νημάτιο ακτίνης. Η τΡοπομυοσίνη ό
είΊασματοπόδιο έχει πολ/ά ινίδια ακτίνης, από τα οποία μερικά
μως προσδένεται κατά μήκος του νηματίου της ακτίνης κα
επικαίΊύπτονται και έτσι αποδίδουν ένα τυχαίο, στικτό πρότυπο
ίΊύπτοντας ακριβώς εmά μονομερή ακτίνης και έτσι παρέχει
μορίων ακτίνης.
ένα μοριακό «χάρακα» που μετρά το μήκος εmά μονομερών
Αυτή η τεχνική (<<στικτός φθορισμός») μπορεί να χρησιμοποι ηθεί για να μείΊετηθεί η μετακίνηση της ποίΊυμερισμένης ακτί
ακτίνης. Η τροπονίνη εντοπίΖεται μετά την πρόσδεσή της στο άκρο του μορίου της τΡοπομυοσίνης.
νης σ' ένα κύπαρο που μεταναστεύει. Αν παρακοίΊουθήσουμε
Β. Τα ιόντα ασβεστίου επηρεάΖουν τη δημιουργία δυνάμεων
αρκετά, θα δούμε ότι ξεχωριστές φθορίΖουσες κηίΊίδες (στίγμα
στο σύστημα ακτίνης-μυοσίνης υπό την προϋπόθεση ότι υ
τα) μετακινούνται με σταθερό ρυθμό από το προπορευόμενο ά
πάρχει τόσο η τροπονίνη (για την πρόσδεση των ιόντων α
κρο προς το εσωτερικό του κυπάρου. Αυτή η κίνηση συμβαίνει
σβεστίου) όσο και η τροπομυοσίνη (για τη μεταβίβαση της
άσχετα από τη μετακίνηση του κυπάρου. OφείiΊεται στην προ
πίΊηροφορίας ότι η τΡοπονίνη έχει προσδέσει ασβέστιο στο
σθήκη μονομερών ακτίνης στα ινίδια στο συν άκρο και στην α
νημάτιο της ακτίνης). (α) Η τροπονίνη δεν μπορεί να προσ
πώίΊεια μονομερών από το πίΊην άκρο (όπου πραγματοποιείται
δεθεί στην ακτίνη απουσία τροπομυοσίνης. Το νημάτιο της α
αποποίΊυμερισμός της ακτίνης, βίΊ. Εικόνα
κτίνης θα είναι μόνιμα εκτεθειμένο στη μυοσίνη και το σύ
17-36).
στημα θα είναι μόνιμα ενεργό, ανεξάρτητα από την παρουσία Απάντηση
17-7
ή μη των ιόντων ασβεστίου (επομένως, ένα μυϊκό κύπαρο θα
Τα κύπαρα περιέχουν πρωτε'ί\ιες που προσδένουν ακτίνη οι ο
βρίσκεται σε διαρκή συστοίΊή χωρίς δυνατότητα ρύθμισης).
ποίες δημιουργούν δεσμίδες και διασυνδέουν νημάτια ακτίνης
(β) Η φοπομυοσίνη θα προσδεθεί στην ακτίνη και θα παρε
(βίΊ. Εικόνα
που εκτείνονται από τα είΊασμα
μποδίσει εντείΊώς τη πρόσδεση της μυοσίνης. Το σύστημα θα
τοπόδια και τα φιίΊοπόδια συνδέονται ισχυρά με το ινώδες δί
είναι μόνιμα ανενεργό ανεξάρτητα από την παρουσία των ιό
17-32). Τα νημάτια
κτυο του κυπαρικού φίΊοιού παρέχοντας έτσι το μηχανικό αγκυ
ντων ασβεστίου επειδή η φοπομυοσίνη δεν επηρεάΖεται από
ροβόίΊιο που απαιτείται ώστε τα αυξανόμενα ραβδόμορφα νη
το ασβέστιο. (γ) Το σύστημα θα σuσταίΊεί αποκρινόμενο στα
μάτια να παραμορφώνουν την κυπαρική μεμβράνη.
ιόντα ασβεστίου.
Aπdvmon
17-8
Απάντηση
17-11
ΠαρόίΊο που οι υπομονάδες πράγματι συγκρατούνται με ομοιο
Α. Σωστή. Μια συνεχής κίνηση του ΕΔ προς τη περιφέρεια είναι
ποίΊικούς δεσμούς που ο καθένας είναι ασθενής, οι δεσμοί εί
απαραίτητη. Απουσία μικροσωίΊηνίσκων το ΕΔ καταρρέει
ναι πάρα πολ/οί και κατανέμονται σε ποίΊύ μεγάίΊο αριθμό ινι
προς το κέντρο του κυπάρου.
δίων. Έτσι, η τάση που ασκεί ένας άνθρωπος όταν σηκώνει ένα
Β. Σωστή. Η ακτίνη είναι απαραίτητη για τη δημιουργία του συ
βαρύ αντικείμενο κατανέμεται σε τόσο πολ/ές υπομονάδες ώ
σταίΊπκού δακτυίΊίου που προκαίΊεί το διαχωρισμό των δύο
στε δεν συμβαίνει υπέρβαση της δύναμης αλ/ηίΊεπίδρασης με
θυγατρικών κυπάρων ενώ η μιτωτική άτρακτος που κατανέ
ταξύ των ινιδίων.
μει τα χρωμοσώματα αποτείΊείται από μικροσωίΊηνίσκους.
Γ. Σωστή. Και οι δύο προεξοΧές συνδέονται με διαμεμβρανlκές
Aπdvmon
17-9
Και τα δύο είδη ινιδίων αποτείΊούνται από υπομονάδες που έ χουν τη μορφή πρωτεϊνικών διμερών, οι οποίες συνδέονται με
πρωτεΤνες που προεξέχουν από την κυπαρική μεμβράνη και
δίνουν τη δυνατότητα στο κύπαρο να σχηματίΖει νέα σημεία ΠΡOσKόλ/nσης στο υπόστρωμα.
ταξύ τους με αλ/ηίΊεπιδράσεις σπειροειδούς σπειράματος. Επι
Δ. Λάθος. Για να προκληθεί η κάμψη, το ΑΤΡ υδροίΊύεταl από
πίΊέον, και στις δύο περιmώσεις τα διμερή ποίΊυμερίΖΟνται μέσω
τις κινητήριες πρωτεΤνες της δυνεΤνης που είναι προσκολ/η
των σπειραμαηκών περιοΧών σε lνίδια. Ενώ όμως τα διμερή
μένες σε εξωτερικούς μικροσωίΊηνίσκους του μαστιγίου.
των ενδιάμεσων ινιδίων συναρμοίΊογούνται με τις κεφαίΊές τους
Ε. Λάθος. Τα κύπαρα δεν μπορούν να διαιρεθούν χωρίς ανα
να εφάmονταl και δημιουργούν έτσι ένα ινίδιο χωρίς ποίΊικότη
διάταξη των ενδιάμεσων ινιδίων, αλ/ά πολ/ά τείΊικώς-διαφο
τα, όίΊα τα μόρια της μυοσίνης που βρίσκονται στο νημάτιο της
ροποιημένα και μακρόβια κύπαρα, όπως τα νευρικά κύπα-
Απαντήσεις
983
ρα, έχουν σταθερά ενδιάμεσα ινίδια τα οποία δεν αποπολυ
ναι η μετακίνηση των μεμβρανικών κυστιδίων (οργανιδίων) σε
μερίΖΟνΙαι.
μεγάλη απόσταση κατά μήκος των μικροσωληνίσκων ενός νευ
Ζ. Λάθος. Ο ρυθμός αύξησης είναι ανεξάριπιος από το μέγεθος του καλύμματος
GTP.
Τα άκρα «συν» και «πλην» έχουν δια
φορετική ταΧύτητα αύξησης επειδή έχουν διακριτές θέσεις
ράξονα, που μπορεί να φτάσει και ΙΟ 1 μέτρο, στην περίπτωση των νευρικών κυπάρων που εκτείνονΙαι από το νωτιαίο μυελό μέχρι το πόδι σας.
πρόσδεσης για τις νέες υπομονάδες της τουμπουλίνης και ο
ρυθμός προσθήκης των υπομονάδων της τουμπουλίνης είναι
Aπ6vτnσn
διαφορετικός στα δύο άκρα.
Τα άκρα ενός ενδιάμεσου ινιδίου δεν διακρίνονΙαι μεταξύ τους
Η. Σωστή. Και τα δύο είναι καλά παραδείγματα του τρόπου με
17-14
επειδή τα ινίδια έχουν κατασκευαστεί από τη συναρμολόγηση
τον οποίο η ίδια μεμβράνη μπορεί να έχει περιοΧές με υψη
συμμετρικών τετραμερών τα οποία αποτελούνΙαι από δύο μονο
λή εξειδίκευση για μια συγκεκριμένη λειτουργία.
μερή με δομή σπειροειδούς σπειράματος. ΑνΙίθετα επομένως
Θ. Λάθος. Η κίνηση της μυοσίνης ενεργοποιείται από τη φω
σφορυλίωση των ελαφρών αλυσίδων της μυοσίνης ή από
από τους μικροσωληνίσκους και τα νημάτια της ακτίνης, τα εν
διάμεσα ινίδια δεν έχουν πολικότητα.
την πρόσδεση του ασβεστίου στην τροπονίνη.
Aπ6vτnσn Aπ6vτησn
17-12
17-15
Τα ενδιάμεσα ινίδια δεν έχουν πολικότητα, τα άκρα τους δεν
Ο μέσος χρόνος που χρειάΖεται ένα μικρό μόριο (όπως το ΑΤΡ)
διακρίνονΙαι χημικώς. Θα ήταν επομένως δύσκολο να φανΙα
για να διαχυθεί σε απόσταση
στούμε πώς μια υποθετική κινητήρια πρωτε'ίνη που έχει προσ
10 μm δίνεται από ιπν εξίσωση: (10-3)2;(2 χ 5 χ 10-6) = 0.1 δευτερόλεπτα Παρομοίως, μια πρωτε'ί'νη χρειάΖεται κατά μέσο όρο 1 δευτερό λεπτο και ένα κυστίδιο 10 δευτερόλεπτα για να διατρέξουν 10 μm. Ένα κυστίδιο θα χρειαστεί κατά μέσο όρο 109 δευτερόλε πτα ή αλλιώς περισσότερα από 30 χρόνια για να φτάσει με διά χυση στο άκρο ενός άξονα μήκους 10 cm. Ο υπολογισμός QU-
δεθεί στο μέσο ενός ινιδίου μπορεί να διακρίνει μια συγκεκρι μένη κατεύθυνση. Μια τέτοια πρωτεΊνη θα έχει την ίδια πιθανό ιπτα να προσκολ/ηθεί στο ένα ή ΙΟ άλ/ο άκρο ιου ινιδίου.
Aπ6vτησn
17-16
Η κατανίνη διασπά κατά μήκος τους μικροσωληνίσκους σε θέ
τός καθιστά σαφές γιατί εξελίΧθηκαν οι κινησίνες και άλλες κι
σεις που βρίσκονΙαι μακριά από τα καλύμματα-GΤΡ. Επομένως
νητήριες πρωτε'ίνες για να μεταφέρουν μόρια και οργανίδια κα
τα κλάσματα που σχηματίΖΟνΙαι περιέχουν στα ελεύθερα άκρα
τά μήκος των μικροσωληνίσκων.
τους GDΡ-τουμπουλίνη και αποπολυμερίΖΟνΙαι γρήγορα. Ετσι η κατανίνη προσφέρει ένα γρήγορο τρόπο καταστροφής των υ
Aπ6vτησn
(1)
17-13
παρΧόνΙων μικροσωληνίσκων.
Τα Ζωικά κύπαρα είναι πολύ μεγαλύτερα, με διαφορετικά
σχήματα και χωρίς κυπαρικό τοίχωμα. Τα στοιχεία του κυπαρο
Aπ6vτnσn
σκελετού είναι απαραίιπτα για την παροχή μηχανικής ανΙοΧής
Η κυπαρική διαίρεση εξαρτάται από την δυνατότητα των μικρο
17-17
(2) Τα Ζωικά
σωληνίσκων να πολυμερίΖΟνΙαι και ν' αποπολυμερίΖΟνΙαι. Αυ
κύπαρα και όλα τα ΕUKαρυωΤΙKά κύπαρα έχουν έναν πυρήνα ο
τό είναι περισσότερο σαφές όταν κανείς λάβει υπόψη ότι ο σχη
οποίος παίρνει το σχήμα ιου και τη θέση του στο κύπαρο με τη
ματισμός της μιτωτικής ατράκτου προϋποθέτει τον αποπολυμε
βοήθεια των ενδιάμεσων ινιδίων. Οι πυρηνικές λαμίνες που εί
ρισμό άλλων κυπαρικών μικροσωληνίσκων ώστε ν' απελευθε
και σχήματος απουσία του κυπαρικού ιοιΧώματος.
ναι προσκολ/ημένες στην εσωτερική πυρηνική μεμβράνη υπο
ρωθεί η τουμπουλίνη που χρειάΖεται για την κατασκευή της α
στηρίΖουν και συμμετέχουν στη διαμόρφωση ιου σΧήμαιος της
τράκτου. Αυτή η αναδιάταξη είναι αδύνατη όταν στα κύπαρα έ
πυρηνικής μεμβράνης και ένα δίκτυο ενδιάμεσων ινιδίων περι
χει προστεθεί ταξόλη, ενώ στα κύπαρα που έχει προστεθεί κολ
βάλλει τον πυρήνα που εκτείνεται στο κυπαρόπλασμα.
(3) Τα
χικίνη η διαίρεση παρεμποδίΖεται επειδή δεν μπορεί να συναρ
Ζωικά κύπαρα μπορούν να μετακινηθούν με μια διαδικασία που
μολογηθεί η άτρακτος. Σ' ένα άλ/ο μάλ/ον σημανΙικό επίπεδο
απαιτεί αλ/αγή σχήματος. Τα νημάτια της ακτίνης και οι κινητή
και τα δύο φάρμακα παρεμποδίΖουν την δυναμική αστάθεια των
ριες πρωτεΊνες της μυοσίνης είναι απαραίτητες για τη δραστη
μικροσωληνίσκων και επομένως επηρεάΖουν τις λειτουργίες
ριότητα QUτή.
της μιτωτικής ατράκτου ακόμα και εάν μπορούσε να συναρμο
(4) Τα Ζωικά
κύπαρα έχουν πολύ μεγαλύτερο γο
νιδίωμα από τα βακτήρια. Το γονιδίωμα QUτό είναι κατανεμημέ
λογηθεί σωστά.
νο σε πολ/ά χρωμοσώματα. Κατά την κυπαρική διαίρεση, είναι απαραίτητη η σωστή κατανομή των χρωμοσωμάτων στα θυγα
Aπ6vτnσn
τρικά κύπαρα, που απαιτεί τη λειτουργία των μικροσωληνίσκων
Οι κινητήριες πρωτε'ίνες λειτουργούν μόνο προς μια κατεύθυν
οι οποίοι σχηματίΖουν την μιτωτική άτρακιο.
ση: η κινησίνη πάνΙα μετακινείται προς ΙΟ «συν» άκρο ενός μι
(5) Τα Ζωικά
κύπα
17-18
ρα έχουν εσωτερικά οργανίδια. Η τοποθέτησή τους στο κύπαρο
κροσωληνίσκου και η δυνεΊνη προς το «πλην» άκρο. Έτσι, αν
εξαρτάται από κινητήριες πρωτε'ίνες που μετακινούνΙαι κατά μή
μόρια κινησίνης προσκολ/ηθούν σε μια ανΙικειμενοφόρο πλά
κος των μικροσωληνίσκων. Ένα αξιοσημείωτο παράδειγμα εί-
κα, μόνο τα κινητήρια μόρια που έχουν το σωστό προσανατολι-
984
Απαντήσεις
σμό σε σχέση με τους υπερκείμενους μικροσωληνίσκους μπο
ποίο έχει χαθείαπό μικροσωληνίσκουςπου συρρικνώνετω)συ
ρούν να προσδεθούν σιους μικροσωληνίσκους και ν' ασκήσουν
γκρατείτα πρωτοϊνίδια σωστά ευθυγραμμισμέναμεταξύ τους,
κάποια δύναμη για να ιους προωθήσουν. Επειδή η κινησίνη με
πιθανόν ενισχύονταςτις πλευρικέςαλ/ηλεπιδράσειςμεταξύ των
τακινείται προς το «συν» άκρο, ο μικροσωληνίσκος θα έρπει πά
υπομονάδωναβ-τουμπου!\ίνηςόταν βρίσκοντω στη μορφή που
ντα με το «πλην» άκρο προσκολ/ημένο πάνω στην αντικειμενο
έχει προσδεδεμένοGTP.
φόρο.
17-21
Απάντηση Απάντηση
17-19
Η κυτοχαλασίνη παρεμβαίνει στον σχηματισμό των νηματίων της
Α. Η φάση Α αντιστοιχεί στην αργή φάση κατά τη διάρκεια της
ακτίνης κω οι επιδράσεις της στα κύπαρα αποδεικνύουν τη ση
οποίας μόρια τουμπουλίνης συναρμολογούντω για να σχη
μασία της ακτίνης στη μετακίνηση του κυπάρου. Το πείραμα με
ματίσουν κέντρα εμπυρήνωσης (Εικόνα Α17-19Α). Η εμπυ
την κο!Ίχικίνη φανερώνει ότι οι μικροσωληνίσκοι χρειάΖοντω για
ρήνωση ακολουθείται από μια ταχεία άνοδο (φάση Β) προς
να παρέχουν πολικότητα στο κύπαρο η οποία στη συνέχεια κα
μια τιμή κορεσμού, καθώς τα διμερή της τουμπου!\ίνης προ
θορίζει ποιο άκρο θα είνω το οδηγό άκρο (βλ. Εικόνα
σθέτονται στα άκρα των επιμηκυνόμενων μlκροσωληνίσκων
πουσία μlκροσωληνίσκων, τα κύπαρα εξακολουθούν να κάνουν
17-14). Α
(Εικόνα Α17-19Β). Στη φάση Γ το σύστημα έχει φτάσει σε ι
τις κινήσεις που συνήθως ΣΧετΊΖοντω με τη μετακίνησή τους, ό
σορροπία κω μερικοί μlκροσωληνίσκοι αυξάνουν, ενώ άλ
πως η προσεκΒολή των ελασματοποδίων, αλ/ά απουσία κυπαρι
λοι συρρικνώνοντω γρήγορα (Εικόνα Α17 -19Γ). Αντίθετα,
κής πολικότητας οι κινήσεις αυτές είνω μάτωες ασκήσεις αφού
σε αυτό το σημείο η συγκέντρωση της ελεύθερης τουμπου!\ί
γίνονται αδιακρίτως προς όλες τις κατευθύνσεις. Τα αντισώματα προσδένονται ισχυρά στο αντιγόνο εναντίον
νης είναι σταθερή επειδή ο πολυμερισμός και ο αποπολυμε ρισμός βρίσκονται σε ισορροπία (βλ. επίσης Ερώτηση
του οποίου έχουν παραΧθεί (σε αυτή την περίπτωση, στη Βιμε
17-3).
ντίνη) (Βλ Παράρτημα
Β. Η προσθήκη κεντροσωματίων εισάγει θέσεις εμπυρήνωσης
4-6).
Ένα αντίσωμα, αφού προσδεθεί,
οι οποίες εξαλείφουν την αργή φάση Α όπως φαίνεται από
μπορεί να επηρεάσει τη λειτουργία του αντιγόνου εμποδίΖοντάς
την κόκκινη καμπύλη στην Εικόνα Α17 -19. Ο ρυθμός αύξη
το να αλ/ηλεπιδράσει σωστά με άλ/α κυπαρικά συστατικά. Ε
σης των μικροσωληνίσκων (δηλαδή η κ!\ίση της καμπύλης
πομένως, το πείραμα της εισαγωγής αντισώματος υποδεικνύει
κατά τη φάση Β της επιμήκυνσης) κω το επίπεδο ισορροπίας
ότι τα ενδιάμεσα lνίδια δεν είνω απαραίτητα για τη διατήρηση
της ελεύθερης τουμπου!\ίνης παραμένουν τα ίδια, επειδή η
της πολικότητας του κυπάρου ούτε για τον μηχανισμό της κίνη
παρουσία των μικροσωληνίσκων δεν επηρεάΖει τους ρυθ
σης.
μούς πολυμερισμού κω αποπολυμερισμού. Απάντηση
Απάντηση
17-20
17-22
Είτε η (Β) είτε η (Γ) μπορούν να συμπληρώσουν σωστά τη φρά
Τα άκρα του μlκροσωληνίσκου που συρρικνώνεται διακρίνο
ση. Το άμεσο επακόλουθο του δυναμικού ενέργειας στην κυτ
ντω ξεφτισμένα και τα πρωτοϊνίδια φαίνονται ν' αποχωρΊΖοντω
ταρική μεμΒράνη είνω η απελευθέρωση Ca 2+ από το σαρκο
κω να «κατσαρώνουν» καθώς αποπολυμερΊΖεταl το άκρο. Επο
πλασματικό δίKΤUO στο κυπαροδιάλυμα κω η αστραπιαία αυτή
μένως, η μικρογραφία υποδεικνύει ότι το κάλυμμα-GΤΡ (το 0-
αύξηση του Ca 2 + στο κυπαροδιάλυμα πυροδοτεί τη συστολή
μόριο τουμπουλίνης
\
~ αJ αJ
προσθήκη κεντροσωματίων
-
~
J- συνάθροισμα
~ ~
(Α)
εμπυρήνωση
(8)
επιμήκυνση
(η
ισορροπία
τουμπουλίνης
ισορροπία
L--.J
εμπυρήνωση
χρόνος σε
370 C
Εικόνα Α17-19
Απαντήσεις
985
των μυϊκών κυπάρων. Τα ιόντα Ca2+ σε μεγάλες συγκεντρώσεις
προκαλούν φωσφορυλίωση και αποφωσφορυλίωση της ανενε
προσδένονται στην τροπονίνη, η οποία στη συνέχεια προκαλεί
νεργού
τη μετατόπιση της τροπομυοσίνης με συνέπεια ν' αποκαί\όπτο
νεπώς, ένα εΚΧύλισμα του δεύτερου ωοκυπάρου, που βρίσκεται
M-Cdk στις
κατάλ/ηλες θέσεις (βλ. Εικόνα
18-11).
Συ
νται οι θέσεις πρόσδεσης της μυοσίνης στα νημάτια της ακτίνης.
και αυτό πλέον στη φάση Μ, περιέχει τόση ποσότητα ενεργού
Η (Λ) και η (Δ) είναι λανθασμένες επειδή το Ca + δεν επηρεάΖει
M-Cdk όση και το αρχικό
2
κυπαροπλασματικό εΚΧύλισμα Κ.Ο.Κ.
την αποκόλ/ηση της κεφαλής της μυοσίνης από την ακτίνη, που
προκαλείται από την υδρόλυση του ΛΤΡ. Ούτε παίΖει κάποιο ρόλο στη διατήρηση της δομής του νηματίου της μυοσίνης.
Απάvmση
18-5
Ο έλεγχος της κυπαρικής διαίρεσης είναι πολύ σημαντικός για
τους πολυκύπαρους οργανισμούς. Μεμονωμένα, τα κύπαρα Απάντηση
δεν πρέπει να πολ/απλασιάΖονται εκτός και αν πρόκειται για το
17-23
Μόνο το (Δ) είναι σωστό. Κατά τη συστολή, οι δίσκοι Ζ μετακινού
συμφέρον ολόκληρου του οργανισμού. Η κατάσταση
GOπροφυ
νται πί\ησιέστερα ο ένας προς τον άλ/ον, αλ/ά ούτε η ακτίνη ούτε
λάσσει από το ενδεχόμενο της λανθασμένης ενεργοποίησης της
η μυοσίνη συστέλ/ονται. Η απάντηση στην ερώτηση αυτή είναι πε
κυπαρικής διαίρεσης, επειδή κατά τη φάση αυτή το σύστημα ε
17-43 και 17-44.
λέγχου του κυπαρικού κύκλου είναι σε μεγάλο βαθμό απενερ
ρισσότερο σαφής αν επανεξεταστούν οι Εικόνες
γοποιημένο. Από την άλ/η πλευρά, αν ένα κύπαρο απλώς στα ματούσε στη φάση
Κεφάλαιο Απάvmση
Gl , θα εξακολουθούσε να περιέχει όλο τον ε
ξοπλισμό του κυπαρικού κύκλου και έτσι θα μπορούσε ακόμα
18
να παρακινηθεί για να διαιρεθεί. Επίσης, θα έπρεπε να ξαναλά
18-1
βει την «απόφαση» να μην διαιρείται συνεΧώς. Για να επανεισέλ
Επειδή όλα τα κύπαρα προκύπτουν από τη διαίρεση ενός άλ/ου
θει στον κυπαρικό κύκλο από την κατάσταση GO' το κύπαρο πρέ
κυπάρου, η φράση αυτή είναι σωστή, υποθέτοντας ότι με τον ό
πει να συνθέσει ξανά όλα τα συστατικά που έχουν εξαφανιστεί.
ρο «πρώτη κυπαρική διαίρεση» εwοείται η διαίρεση του επιτυ
18-6
χημένου αρΧέγονου κυπάρου από το οποίο προήλθε κάθε μορ
Απάvmση
φή Ζωής. Προφανώς, για την έναρξη της αλυσίδας της Ζωής έγι
Εφόσον η απόπτωση συμβαίνει σε ευρεία κλίμακα τόσο στους
ναν πολ/ές άλ/ες ανεπιτυχείς απόπειρες.
αναπτυσσόμενους όσο και στους ενήλικους ιστούς, δεν πρέπει
να πυροδοτεί αντιδράσεις που κανονικά σχετίΖΟνται με τον Απάντηση
18-2
τραuματισμό των κυπάρων. Για παράδειγμα, ο τραυματισμός ε
Τα κύπαρα στην κορυφή Β περιέχουν διπλάσια ποσότητα ΟΝΛ
νός ιστού οδηγεί σε απελευθέρωση σηματοδοτικών μορίων, τα
από τα κύπαρα στην κορυφή Λ, ένδειξη ότι περιέχουν αντι
οποία επάγουν τον πολ/απλασιασμό των γειτονικών κυπάρων
γραμμένο ΟΝΛ, ενώ τα κύπαρα στην κορυφή Λ περιέχουν μη
έτσι ώστε να επουλωθεί το τραύμα. Παράλ/ηλα, απελευθερώ
αντιγραμμένο ΟΝΑ. Επομένως, η κορυφή Λ περιέχει κύπαρα
νονται και άλ/α σήματα που μπορεί να προκαλέσουν μια κατα
που βρίσκονται στη
Gj , ενώ η κορυφή Β κύπαρα που βρίσκο G2 και στη μίτωση. Τα κύπαρα στη φάση 5 έχουν αρΧί
στροφική φλεγμονώδη αντίδραση. Επιπλέον, η απελευθέρωση
νται στη
ενδοκυπάριων συστατικών μπορεί να υποκινήσει άνοσες απα
σει αλ/ά δεν έχουν ακόμα ολοκληρώσει τη σύνθεση του ΟΝΑ.
ντήσεις εναντίον μορίων με τα οποία το ανοσοποιητικό σύστημα
Συνεπώς, περιέχουν ποικίλες, ενδιάμεσες ποσότητες ΟΝΛ και
κανονικά δεν έρχεται σε επαφή. Κατά τη φυσιολογική ανάπτυ
εντοπίΖΟνται στην περιοχή ανάμεσα στις δύο κορυφές. Τα πε
ξη, τέτοιες αντιδράσεις θα ήταν αυτοκαταστροφικές αν συνέβαι
ρισσότερα κύπαρα βρίσκονται σε φάση
ναν σε απάντηση προς τον κυπαρικό θάνατο.
Gj ,
γεγονός που υπο
δηλώνει ότι αυτή είναι η πιο παρατεταμένη φάση του κυπαρικού κύκλου (βλ Εικόνα
18-2).
Απάντηση
18-7
Α. Λάθος. Τα κύπαρα δεν μεταβαίνουν από τη φάση
Απάvmση
18-3
στη φά
ση Μ. Ωστόσο, η φράση είναι σωστή για τη μετάβαση από τη
Το κύπαρο θ' αντέγραφε το κατεστραμμένο ΟΝΑ και έτσι κατά
φάση
τη διαίρεσή του θα εισήγαγε μεταλλάξεις στα δύο θυγατρικά
λουθήσουν τον κύκλο διαίρεσης.
κύπαρα. Αυτές οι μεταλ/άξεις θ' αύξαναν την πιθανότητα να με
Gj
Gj
στη φάση 5, όπου τα κύπαρα «δεσμεύονται» ν' ακο
Β. Σωστό. Ο προγραμματισμένος κυπαρικός θάνατος είναι μια
τατραπούν σε καρκινικά τα κύπαρα που θα προέλθουν από τα
ενεργός διεργασία που επιτελείται από ειδικές πρωτεάσες
δύο θυγατρικά κύπαρα.
που διεξάγουν αυτή τη λειτουργία. Γ. Σωστό. Ο μηχανισμός αυτός θεωρείται ότι προσαρμόΖει τον α
Απάvmση
18-4
Τα ωοκύπαρα του βατράχου πρέπει να περιέχουν μια αδρανή μορφή της
Δ. Σωστό. Μια εντυπωσιακή εξελικτική διατήρηση!
ενεργού
Ε. Σωστό. Οι μελέτες αυτές χρησιμοποιούν τις λεγόμενες «υπό
σότερα
986
M-Cdk. Επομένως, η ένεση μιας μικρής ποσότητας M-Cdk σ' ένα νέο ωοκύπαρο ενεργοποιεί πολύ περισ μόρια ανενεργού M-Cdk με ρύθμιση των ενΖύμων που
ριθμό των νευρώνων ανάλογα με τον αριθμό των ειδικών κυτ τάpων-στόxων με τα οποία έρχονται σε επαφή οι νευρώνες.
Απαντήσεις
όρους» μεταλ/άξεις
(conditional mutations),
οι οποίες οδη-
γούν σε παραγωγή πρωτεϊνών που συνήθως είναι σταθερές
στικότητα της ενεργοποιού φωσφατάσης: αυτή η θετική ανατρο
και λειτουργικές σε μια θερμοκρασία αλ/ά ασταθείς ή ανε
φοδότηση τελικά οδηγεί σε εκρηκτική ενεργοποίηση του
MPF.
νεργές σε μια άλ/η θερμοκρασία. Τα κύπαρα μπορεί ν' αυ
Η απότομη καταστροφή της κυκλίνης τερματίζει τη δραστικότη
ξηθούν πρώτα στη θερμοκρασία στην οποία η μεταλ/αγμένη
τα του
πρωτεΙνη λειτουργεί κανονικά και κατόπιν να εκτεθούν σε
κυκλίνης.
MPF,
οπότε αρχίΖει ένας νέος γύρος συσσώρευσης της
μια θερμοκρασία στην οποία η πρωτεlVη δεν λειτουργεί.
2.
Σωστό. Η ενεργότητα μιας
Cd κινάσης
εξαρτάται από τη δια
σύνδεσή της με μια κυκλίνη (από αυτό προέρχεται και το ό
νομά της:
Aπ6vτnσn
18-11
Η προσέγγιση που έχει τις μεγαλύτερες πιθανότητες επιτυΧίας
κινάση που εξαρτάται α
(αν έτσι ονομάΖαμε αυτή την επιδίωξη) είναι το σχέδιο Γ, το ο
πό την κυκλίνη). Επιπλέον, για την ενεργοποίηση του συ
ποίο θα οδηγούσε σε αύξηση του αριθμού των κυπάρων. Α
μπλόκου κυκλίνης-Cd κινάσης απαιτείται φωσφορυλίωση
σφαλώς, το πρόβλημα είναι ότι ενώ ο αριθμός των κυπάρων κά
cyclin-dependent kinase,
και αποφωσφορυλίωση σε ειδικές θέσεις της
Cd κινάσης.
θε ιστού πρέπει ν' αυξάνει ανάλογα ώστε οι αναλογίες του ορ
Η. Λάθος. Ογκογονίδια που παράγουν πρωτεlVες οι οποίες διε
γανισμού να διατηρούνται ισόρροπες, εντούτοις τα διάφορα
γείρουν ανεξέλεγκτα τον κυπαρικό πολ/απλασιασμό προκύ
κύπαρα απαντούν σε διαφορετικούς αυξητικούς παράγοντες.
πτουν από τις μεταλ/άξεις των πρωτο-ογκογονιδίων. Αντίθε
Όμως, όπως φαίνεται στην Εικόνα Α18-11, η τακτική αυτή είχε
τα, τα ογκοκατασταλτικά γονίδια αναστέλ/ουν τον κυπαρικό
περιορισμένη επιτυχια: ένας ποντικός που παράγει πολύ μεγά
πολ/απλασιασμό. Συνεπώς, οι μεταλ/άξεις που τα αδρανο
λες ποσότητες αυξητικής ορμόνης (aρισcερά) αποκτά σχεδόν
ποιούν προάγουν τον κυπαρικό πολ/απλασιασμό.
διπλάσιο μέγεθος από έναν φυσιολογικό ποντικό (δεξιά). Ω στόσο, για να επιτευχθεί αυτή η διπλάσια αύξηση του μεγέθους,
Aπ6vτnσn
18-8
η παραγωγή της αυξητικής ορμόνης έχει αυξηθεί σε τεράστιο
Η απώλεια της Μ-κυκλίνης οδηγεί σε αδρανοποίηση της
M-Cdk
βαθμό (περίπου κατά πενήντα φορές). Οι άλ/ες τακτικές έχουν
με συνέπεια οι πρωτεΤνες-στόχοι αυτής της τελευταίας ν' απο
εγγενή προβλήματα:
φωσφορυλιώνονται από φωσφατάσες και τα κύπαρα να εξέρ
Α. Η αναστολή της απόπτωσης θα μπορούσε να οδηγήσει σε α
χονται από τη μίτωση: συγκεκριμένα, αποσυναρμολογούν τη μι
ναπτυξιακές διαταραΧές, εφόσον η ανάπτυξη προϋποθέτει ε
τωτική άτρακτο, ανασυναρμολογούν το πυρηνικό περίβλημά
κλεκτικό θάνατο κυπάρων. Με την προσέγγιση αυτή είναι
τους, αποσυμπυκνώνουν τα χρωμοσώματά τους κλπ. Η κυκλίνη αποδομείται στα πρωτεασωμάτια μετά από ουβlκουϊτινίωση που πιθανότατα -προκαλείται από την ενεργοποίηση της
μάλ/ον απίθανο να προκύψει ένα βιώσιμο Ζώο. Β. Η αναστολή της λειτουργίας της πρωτεΤνης ρ53 θ' απάλειφε
αν
ένα σημαντικό σημείο ελέγχου του κυπαρικού κύκλου που
και με σημαντική καθυστέρηση. Όπως αναφέραμε στο Κεφά
ανιχνεύει βλάβες του ΟΝΑ και σταματά τον κύκλο ώστε το
λαιο
7,
M-Cdk,
η ουβικουϊτινίωση σημαδεύει τις πρωτεΤνες για αποδό
μηση στα πρωτεασωμάτια.
κύπαρο να μπορεί να επιδιορθώσει τις βλάβες. Η αφαίρεση της ρ53 θα αύξανε την επίπτωση των μεταλ/άξεων και θα ο δηγούσε στην ανάπτυξη καρκίνου. Πράγματι, ποντικοί χωρίς
Aπ6vτnσn
ρ53 συνήθως αναmύσσονται κανονικά, αλ/ά πεθαίνουν από
18-9
Τα κύπαρα ενός Ζώου πρέπει να συμπεριφέρονται για το καλό
καρκίνο σε νεαρή ηλικία.
όλου του οργανισμού, σε πολύ μεγαλύτερο βαθμό απ' ό,τι γενι κά συμπεριφέρονται οι άνθρωποι για το καλό ολόκληρης της
κοινωνίας. Στο πλαίσιο ενός οργανισμού, η αντικοινωνική συ μπεριφορά θα οδηγούσε σε απώλεια οργάνωσης και σε ανά πτυξη καρκίνου. Πολ/οί από τους κανόνες τους οποίους πρέπει να υπακούσουν τα κύπαρα θα ήταν απαράδεκτοι για μια αν
θρώπινη κοινωνία. Για παράδειγμα, οι περισσότεροι άνθρωποι θα ήταν απρόθυμοι ν' αυτοκτονήσουν για το καλό της κοινω νίας, ενώ τα κύπαρα συνεχώς κάνουν κάτι τέτοιο.
Aπ6vτnσn
18-10
Η κυκλίνη συσσωρεύεται σταδιακά, επειδή συντίθεται σταθερά. Καθώς συσσωρεύεται, σχηματίΖει σύμπλοκα με τα παρόντα μό ρια της
Cd κινάσης.
Μόλις η συγκέντρωση της κυκλίνης ξεπε
ράσει ένα οριακό επίπεδο, σχηματίΖεται μια επαρκής ποσότητα
συμπλόκου
MPF που
ενεργοποιείται από τις κατάλ/ηλες κινά
Παραχωρήθηκε από
σες και φωσφατάσες που το φωσφορυλιώνουν και το αποφω σφορυλιώνουν. Μόλις ενεργοποιηθεί, ο MPF επαυξάνει τη δρα-
Ralph Brinster
Εικόνα Α 18·11
Απαντήσεις
987
Δ. Δεδομένων των συνθηκών, η αλ/αγή επαν/έλματος δεν θα
ένα συγκεκριμένο μέγεθος. Τα δύο μεταλλαγμένα στελέχη εμ φανώς έχουν διαταραΧές σε αυτό τον μηχανισμό ελέγχου του
ήταν άσχημη ιδέα.
μεγέθους. Στην περίπτωση του πρώτου στελέχους, το μέγεθος
Απάvrnσn
των κυττάρων αυξάνει χωρίς ποτέ να πυροδοτείται η κυτταρική
18-12 ένα
διαίρεση, γεγονός που υποδηλώνει ότι η μεταλλαγμένη πρω
τραύμα πυροδοτεί τη διαίρεση των γειτονικών κυττάρων έως ό
τε'ίi.ιη ελέγχου του κυτταρικού κύκλου έχει Χάσει την ικανότητά
του αποδομηθεί ο
της να καταγράφει το κυτταρικό μέγεθος. Για παράδειγμα, η με
λευθέρωση
ταλ/αγμένη πρωτε'ίi.ιη θα μπορούσε να αναστέλ/εl μόνιμα την
Η κατ' επίκληση περιορισμένη απελευθέρωση του
PDGF σ'
PDGF. Αυτό διαφέρει από τη συνεχή απε του PDGF από μεταλ/αγμένα κύτταρα, όπου το μό
Στην περίπτωση του δεύτερου στελέχους, η μεταλ/αγ
ριο υπερπαράγεταl ανεξέλεγκτα. Επιπλέον, τα μεταλλαγμένα
M-Cdk.
κύτταρα που παράγουν
μένη πpωτε'ίi.ιη πυροδοτεί πρόωρα την κυτταρική διαίρεση, προ
τον υποδοΧέα του
PDGF συχνά εκφράΖουν απρόσφορα PDGF, οπότε μπορεί να διεγείρουν τον πολ
τού τα κύτταρα αποκτήσουν το κατάλ/ηλο μέγεθος. Αυτή η πρω
λαπλασιασμό τους και με τον τρόπο αυτό να προάγουν την ανά
τε'ίi.ιη θα μπορούσε, για παράδειγμα, να μην αναστέλ/εl την Μ
Cdk η
πτυξη του καρκίνου.
οποία έτσι θα ενεργοποιείτο πρόωρα. Στην πραγματικό
τητα, στους Ζυμομύκητες υπάρχει μια πρωτε'ίi.ιη ελέγχου του κυτ
Απάvrnσn
18-13
ταpKoύ κύκλου
Α. Η ακτινοβολία προκαλεί βλάβες στο ΟΝΑ. Αυτό ενεργοποιεί
(Wee 1), η οποία είναι μια κινάση που φωσφο ρυλιώνεl την M-Cdk σε μια ορισμένη θέση και έτσι προκαλεί την
έναν αναδραστlκό μηχανισμό ελέγχου (διαμεσολαβείται από
αδρανοποίησή της. Οι Ζυμομύκητες με μετάλλαξη στο αvτίστoι
τις πρωτεΤνες ρ53 και ρ21, βλ. Εικόνα
χο γονίδιο έχουν σύvτoμo κυτταρικό κύκλο και μικρό μέγεθος.
18-15)
που σταματά
τον κυτταρικό κύκλο έως ότου επιδιορθωθεί το ΟΝΑ. Β. Το κύτταρο θ' αντιγράψει ελαττωματικό ΟΝΑ. Έτσι, όταν θα διαιρεθεί θα εισάγει μεταλ/άξεις στα θυγατρικά κύτταρα.
Απάvmσn
18-16
Α. Ραδιενεργό ΟΝΑ θα περιέχουν μόνο εκείνα τα κύτταρα τα ο
νουν πάντα στο ΟΝΑ ως συνέπεια της φυσικής ακτινοβολίας,
30 λεπτών της περιόδου σήμανσης S του κυτταρικού κύκλου τους (δηλα δή, τα κύτταρα που συνέθεταν DNA).
Γ. Το κύτταρο αυτό θα μπορεί να διαιρείται κανονικά αλ/ά θα εί ναι επιρρεπές σε μεταλ/άξεις, επειδή κάποιες βλάβες συμβαί
ποία κατά τη διάρκεια των
βpίσKovταν στη φάση
που προκαλείται για παράδειγμα από την κοσμική ακτινοβο
Β. Αρχικά, τα μιτωτικά κύτταρα δεν περιέχουν ραδιενεργό ΟΝΑ
λία. Το σημείο ελέγχου που διαμεσολαβείται από την πpωτε'ίi.ιη
επειδή κατά τη διάρκεια της περιόδου σήμανσης δεν ασχολού
ρ53 είναι απαραίτητο κυρίως για ν' αποτρέψει τις καταστροφι
νταν με σύνθεση ΟΝΑ. Τα πρώτα σημασμένα μιτωτικά κύτταρα
κές συνέπειες από τις βλάβες του
DNA,
όΧΙ όμως και για την
κανονική εξέλιξη του κυτταρικού κύκλου στα υγιή κύτταρα.
εμφανίζονται μετά παρέλευση περίπου δύο ωρών. Γ. Η αρχική άνοδος της καμπύλης αvτlστoιxεί στα κύτταρα τα ο
Δ. Η κυτταρική διαίρεση είναι μια εξελισσόμενη διεργασία που
ποία ολοκλήρωναν την αντιγραφή του ΟΝΑ όταν προστέθηκε
δεν σταματά με την ενηλικίωση. Για παράδειγμα, τα κύτταρα
η ραδιενεργός θυμιδίνη. Η καμπύλη ανεβαίνει καθώς περισ
του αίματος, τα επιθηλιακά κύτταρα του δέρματος και του
σότερα κύτταρα εlσέpxovται στη μίτωση. Η κορυφή αντιστοι
βλεwογόνου του εντέρου, όπως επίσης και τα κύτταρα του α
χεί στα κύτταρα τα οποία άρχισαν τη φάση
νοσοποιητικού συστήματος παράγονται συνεχώς με κυτταρι
κε η ραδιενεργός θυμιδίνη. Στη συνέχεια, τα σημασμένα κύτ
κή διαίρεση ώστε να ικανοποιούνται οι ανάγκες του οργανι
ταρα εξέρχονται από τη μίτωση και αVΤIKαθίσταVΤαι από μη
σμού. Κάθε μέρα το σώμα μας παράγει περίπου 1011 νέα ε
σημασμένα μιτωτικά κύτταρα τα οποία δεν βpίσKovταν σε φά
ρυθροκύτταρα.
ση
S κατά τη διάρκεια της περιόδου
S μόλις προστέθη
σήμανσης. Μετά από
20
ώρες η καμπύλη αρχίΖει ν' ανεβαίνει ξανά, επειδή τα σημα
Απάvrnσn
σμένα κύτταρα εισέpxovται σ' έναν δεύτερο γύρο μίτωσης.
18-14
Και τα τρία είδη μεταλλαγμένων κυττάρων θα ήταν ανίκανα να
Δ. Η αρχική καθυστέρηση των δύο ωρών πριν από την εμφάνιση
διαιρεθούν. Τα κύτταρα
μιτωτικών κυττάρων αvτιστoιxεί στη φάση
Α. θα εισέρχονταν στη μίτωση χωρίς όμως να μπορούν να εξέλ
διάστημα που μεσολαβεί ανάμεσα στο τέλος της φάσης
θουν.
G2, η οποία είναι το S και
στην αρχή της μίτωσης. Τα πρώτα σημασμένα κύτταρα στη μί
Β. θα σταματούσαν μόνιμα στη φάση
Gj
επειδή τα σύμπλοκα
κυκλίνης-Cd κινάσης θ' αδpανOΠOΙOύVΤαν
τωση ήταν εκείνα που μόλις ολοκλήρωναν τη φάση S (σύνθε ση του ΟΝΑ) όταν προστέθηκε η ραδιενεργός θυμιδίνη.
Γ. δεν θα ήταν ικανά να ενεργοποιήσουν τη μεταγραφή γονι
18-17
δίων απαραίτητων για την κυτταρική διαίρεση, επειδή οι απα
Απάvmσn
ραίτητες ρυθμιστικές πρωτεΤνες θα παγlδεύOVΤαν από τη μη
Στον αλκοολισμό, τα ηπατοκύτταρα πoλ/απλασιάzovται επειδή
φωσφορυλιωμένη πρωτεΤνη
το ήπαρ καταπονείται και τελικά βλάπτεται από τις μεγάλες πο
Rb.
σότητες αλκοόλ που πρέπει να μεταβολιστούν. Η ανάγκη για
Απάvrnσn
18-15
Κανονικά, τα κύτταρα διαιpoύvται μόνο όταν έχουν αποκτήσει
988
Απαντήσεις
περισσότερα ηπατοκύτταρα ενεργοποιεί τους μηχανισμούς ε
λέγχου που κανονικά ρυθμίΖουν τον πολ/απλασιασμό. Εκτός
19-2
και αν έχει υπoσrεί εκτεωμένες βλάβες, 10 ήπαρ συνήθως επα
Απάvmση
νέρχεται σro κανονικό μέγεθος, αν ο ασθενής πάψει να πίνει υ
Το πείραμα δείχνει ότι οι κινητοΧώροι δεν έχουν ΠΡOKαθoρισrεί
περβολικά. Αντίθεω, σ' ένα ηπατικό νεόπλασμα διάφορες με
για τον έναν ή τον άλ/ο πόλο της ατράκτου: οι μικροσωληνίσκοι
τaλ/άξεις έχουν καωργήσειτον φυσιολογικόέλεγχο του κυπα
προσκολ/ώνται σroυς κινητοΧώρους που μπορούν να φτάσουν.
ρικού πολ/απλασιασμού,με συνέπεια τα κύπαρα να διαιρού
Για να παραμείνουν προσκολ/ημένοι πρέπει ν' ασκηθεί τάση.
νται και να συνεχίΖουννα πολ/απλασιάΖΟνταιανεξέλεγκτα.
Κανονικά, η τάση επιτυγΧάνεται από τις αντιτιθέμενες ελκτικές δυνάμεις που ασκούν οι δύο πόλοι της ατράκτου. Η ανάγκη για
Απάντηση 18-18
αυτή την τάση εξασφαλίζει ότι αν δύο αδελφοί κινητοΧώροι τύ
Στην Εικόνα 18-20Α η κυπαρική μεμβράνη του κυπάρου που
χει να προσκολ/ηθούν σroν ίδιο πόλο της ατράκτου, με συνέ
πέθανε με νέκρωση έχει διαρραγεί. Για παράδειγμα, ένα σαφές
πεια να μη μπορεί ν' αναmυΧθείτάση, η μια ή και οι δύο συνδέ
ρήγμα είναι ορατό σε μια θέση που αντισroιxεί σrην
11 n ώρα του
σεις θα μπορούσε να σπάσουν. Στην περίπτωση αυτή, οι μικρο
ρολογιού. Το περιεχόμενο του κυπάρου, κυρίως κατάλοιπα Ιων
σωληνίσκοι από 1Ον αντίθετο πόλο της ατράκτου θα είχαν μια ε
κυπαρικών μεμβρανών και 1Ου κυπαροσκελετού, έχει διαρρεύ
πιπλέον πιθανότητα να προσκολ/ηθούν σωσrά.
σει σro περιβάλ/ον διαμέσου αυτών των ρηγμάτων. Το κυπα ροδιάλυμα είναι ανΟΙΧΤόχρωμο, επειδή τα περισσότερα συσrατι
Απάvmση
κά είχαν χαθεί προτού μονιμοποιηθεί το κύπαρο. Στην Εικόνα
Ανατρέχοντας στην Εικόνα
18-208, το κύπαρο
που διεξήγαγε προγραμματισμένο κυπαρι
κό περίβλημα ανασυναρμολογείται πάνω στην επιφάνεια των
κό θάνα1Ο περιβάλ/εωι από μια ακέραιη μεμβράνη και 10 κυτ
χρωμοσωμάτων. Η στενή εναπόθεση του περιβλήματος στα
ταροδιάλυμά1Ου είναι βαθύχρωμο, ένδειξη ότι η συγκέντρωση
χρωμοσώμαω εμποδίΖει την παγίδευση πρωτεϊνών του κυπα
των κυπαρικών συσrαΤΙKών είναι κανονική. Ωσrόσo, το περιε
ροδιαίΊύματος ανάμεσα στα χρωμοσώματα και στο περίβλημα.
χόμενο 1Ου κυπάρου διαφέρει πολύ από το περιεχόμενο ενός
Στη συνέχεια, οι πυρηνικές πρωτεΊνες εισάγονται εκλεκτικά δια
φυσιολογικούκυπάρου. Ιδιαίτερα XαρακτηρισrΙKέςείναι οι με
μέσου των πυρηνικών πόρων με συνέπεια ο πυρήνας να εκτεί
γάλες «κηλίδες» ("blobs") που προεξέχουν από τον πυρήνα,
νεται ενώ παράλ/ηλα διατηρεί τη χαρακτηριστική σύσταση σε
μάλ/ον εξαιτίας της αποδόμησης 1Ου πυρηνικού υμένα. Το κυτ
πρωτεl'νες.
19-3 19-18,
βλέπουμε ότι το νέο πυρηνι
ταροδιάλυμα επίσης περιέχει πολ/ά μεγάλα, σφαιρικά μεμβρα
19-4
νικά Kυσrίδια άyvωσrης προέλευσης τα οποία κανονικά δεν πα
Απάvmση
ρατηρούνται σε υγιή κύπαρα. Οι εικόνες επιβεβαιώνουν οπτικά
Οι μεμβράνες των κυστιδίων
την άποψη ότι η νέκρωση περιλαμβάνει λύση του κυπάρου, ό
σουν τις νέες κυπαρικές μεμβράνες των δύο θυγατρικών κυπά
πως επίσης και ότι τα κύπαρα που διεξάγουν προγραμματισμέ
ρων. Το εσωτερικό των κυστιδίων, που είναι γεμάτα με πρώτες
Golgi συντήκονται
για να σχηματί
νο κυπαρικό θάνατο παραμένουν σχετικά ακέραια έως ότου
ύλες για το κυπαρικό τοίχωμα, γίνεται το στρώμα του νέου κυτ
φαγοκυπαρωθούν από ένα φυσιολογικό κύπαρο.
ταριKoύ τοιΧώματος που διαχωρίΖει τα δύο θυγατρικά κύπαρα. Επομένως, οι πρωτεl'νες των μεμβρανών των κυστιδίων
ΚεφάλOlο Aπdvman
19
19-1
Σ' έναν ευκαρυωτικό οργανισμό, οι γενετικές πληροφορίες τις
Golgi
γίνονται πρωτεl'νες της κυπαρικής μεμβράνης. Τα τμήματα των
πρωτεϊνών που ήταν εκτεθειμένα στον αυλό των κυστιδίων
gi
Gol-
καωλήγουν εκτεθειμένα στο νέο κυπαρικό τοίχωμα (Εικόνα
Α19-4).
οποίες χρειάΖεται ο οργανισμός για να επιβιώσει και ν' αναπα ραΧθεί κατανέμονται σε πολ/ά χρωμοσώματα. Επομένως, ό
ταν διαιρείται ένα κύπαρο, κάθε θυγατρικό κύπαρο πρέπει να παραλαμβάνει ένα αντίγραφο κάθε χρωμοσώματος: αν ένα θυγατρικό κύπαρο παραλάβει πολύ λίγα ή πάρα πολ/ά χρω μοσώματα, τ' αποτελέσμαω συνήθως είναι επιβλαβή ή ακόμα και θανατηφόρα. Κατά τη μίτωση, από την αντιγραφή των χρω
μοσωμάτων παράγονται μόνο δύο αντίγραφα κάθε χρωμοσώ ματος. Αν το κύπαρο κατένειμε τυχαία τα χρωμοσώματά του ό
ταν διαιρείτο, τότε θα ήταν σχεδόν απίθανο κάθε θυγατρικό κύπαρο να παραλαμβάνει ακριβώς ένα αντίγραφο κάθε χρω
μοσώμα1Ος. Αντίθετα, 10 ενδοπλασματικόδίκτυο θρυμματίΖε
KVΠαΡΙKή μεμβράνη KVΠαΡΙKό τοίχωμα σύντηξη δύο κυστιδίων
~. J 7
"Ρ~τ/G-/
θυγατρικό κύτταρο 1
θυγατρικό κύτταρο
2
ται σε χιλιάδες Kυσrίδια τα οποία όλα μοιάΖουν μεταξύ 1Ους. Έτσι, ακόμα και με τυχαία κατανομή, όλα τα θυγατρικά κύπα ρα είναι πολύ πιθανό να παραλάβουνπερίπου τον ίδιο αριθμό Kυσrιδίων.
σύντηξη κυστιδίου KVΠαΡΙKής μεμβράνης
Εικόνα Α 19-4
Απαντήσεις
989
Απάvmση
19-5
σrις φάσεις
Α. Σωσrό. Τα κεντροσωμάτια ανnγράφονΙαΙ κατά το πρώτο βή
G1και Gz έως ότου διπΛασιασrεί το μέγεθός τους, οι
φάσεις αυτές πρακτικά απουσιάΖουν από τις πρώτες Λίγες κυπα
μα της μίτωσης. Ο μηχανισμός με τον οποίο από τη διαίρεση
ρικές διαιρέσεις των ωαρίων. Επειδή η
ενός κεντροσωματίου παράγονται μόνο δύο κεντροσωμάτια
ρισσότερο από την
είναι άyνωσroς.
πιο δρασrΙKά.
G1συνήθως διαρκεί πε
Gz, η G1είναι και η φάση που συντομεύεται
Β. Σωσrό. Στην πραγματικότητα, το πυρηνικό περίβΛημα συνέ
19-9
χεται με τη μεμβράνη του ενδοπΛασματικού δικτύου (βΛ. Κε
Απάvmση
φάΛαιο
Αν η ταΧύτητα αύξησης των μικροσωΛηνίσκων ήταν η ίδια τόσο
15).
Επομένως, μερικά κλάσματα περιέχουν μεμ
βράνες από δύο προεΛεύσεις.
Γ. Σωσrό. Οι αδεΛφές χρωματίδες διαχωρίΖΟνται μόνο σro σrά διο της ανάφασης.
σrα μιτωτικά όσο και σrα μεσοφασικά κύπαρα, τότε το μήκος
τους θα ήταν ανάΛογο με το χρόνο Ζωής τους. Συνεπώς, το μέ σο μήκος των μικροσωΛηνίσκων κατά τη μίτωση θα ήταν
Δ. Σωσrό. Οι γαμέτες που παράγονται από τη μείωση είναι α
(= 20 μm χ 15 s/300 s). Αν οι μικροσωΛηνίσκοι όρο
Μοειδείς. Ε. Λάθος. Τα άκρα των μικροσωΛηνίσκων επικαλύπτονται και
20 φορές
ήταν κατά μέσο
βραχύτεροι, αλ/ά περιείχαν συνοΛικά τον ίδιο α
ριθμό μονομερώντουμπουλίνης, τότε κατά τη μίτωση θα έπρεπε
προσκολ/ώνται μεταξύ τους μέσω πρωτεϊνών που Λειτουρ
να υπάρχουν 20πλάσιοι μικροσωΛηνίσκοι ή
γούν σαν γέφυρες ανάμεσα σroυς μικροσωΛηνίσκους.
ρήνωσης ανά κεντροσωμάτιο.
2. Λάθος.
1 mm
2000 θέσεις
εμπυ
Οι μικροσωΛηνίσκοι δεν παίΖουν ρόΛο σrην αντιγρα Απάvmση
φήτουΟΝΑ.
Η. Λάθος. Για να ήταν σωσrή η φράση, οι όροι «κεντρομερίδιο»
19-10
Τα αντισώματα προσδένονται ισχυρά σro αντιγόνο εναντίον του
και «κεντροσωμάτιο» θα έπρεπε να χρησιμοποιηθούν ο ένας
οποίου αναπτύχθηκαν (σrην περίπτωσή μας εναντίον της μυοσί
σrη θέση του άλ/ου.
νης). ΜόΛις προσδεθούν, μπορεί να διαταράξουν τη Λειτουργία
του αντιγόνου εμποδίΖοντάς το από το ν' αλ/ηΛεπιδράσει σωσrά
Απάvmση
19-6
με άλ/α συσrαΤΙKά του κυπάρου. (α) Η μετακίνηση των χρωμο
Επειδή ο κυπαρικός πΛηθυσμός αυξάνει εκθετικά, διπΛασιάΖΟ
σωμάτων κατά την ανάφαση εξαρτάται από τους μικροσωΛηνί
ντας το βάρος του σε κάθε κυπαρική διαίρεση, το βάρος του α
σκους και όχι από την ακτίνη ή τη μυοσίνη. Επομένως, η ένεση
θροίσματος των κυπάρων μετά από Ν κυπαρικές διαιρέσεις θα
ενός αντισώματος εναντίον της μυοσίνης μέσα σ' ένα κύπαρο
είναι2 Ν χ 10-9 g. Επομένως, 70 kg (70 χ 103 g) = 2 Ν χ 10-9 g,
δεν θα έχει καμία επίδραση σrη μετακίνηση των χρωμοσωμά
ή 2 Ν = 7 χ 1013. ΛογαριθμίΖοντας τις δύο πΛευρές της εξίσωσης λύνετε ως προς Ν. Επομένως, Ν = Ιη (7 χ 10 13 )/Ιη 2 = 46. Συ
των κατά τη διάρκεια της μίτωσης. (β) Η κυπαροκίνηση εξαρτά
νεπώς, αν τα κύπαρα αύξαναν εκθετικά, τότε θα χρειάΖονταν
τίων ακτίνης και μυοσίνης που σχηματίζουν την αύΛακα η οποία
μόνο
διαιρεί το κύπαρο σrα δύο. Συνεπώς, η ένεση αυτών των αντι
46 ημέρες.
Ωσrόσo, σrα Ζώα η κυπαρική διαίρεση εΛέγχε
ται αυσrηρά. Τα περισσότερα κύπαρα σro ανθρώπινο σώμα
ται από τη συναρμολόγηση και συσroiΊή ενός δακτυΛίου νημα
σωμάτων θ' ανασrείiΊει την κυπαροκίνηση.
σrαματoύν να διαιρούνται μόΛις οΛοκληρωθεί η διαφοροποίη σή τους. Το παράδειγμα αυτό δείχνει ότι εκθετική κυπαρική αύ
Απάvmση
ξηση συμβαίνει μόνο για πολύ βραχείες περιόδους, ακόμα και
Η αδεΛφή χρωματίδη δεσμεύεται μόΛις ένας μικροσωΛηνίσκος
κατά την εμβρυϊκή ανάπτυξη.
19-11
από τον ένα πόΛο της ατράκτου προσκολ/ηθεί σroν κινητοΧώρο της. Η προσκόλ/ηση του μικροσωΛηνίσκου είναι αντισrρεπτή έ
Απάvmση
19-7
ως ότου ένας δεύτερος μικροσωΛηνίσκος από τον άλ/ο πόΛο
Η σειρά είναι Η, Γ, Β, Α, Δ. ΣυνοΛικά, αυτά τα πέντε βήματα α
προσκολ/ηθεί σroν κινητοΧώρο της συνοδού αδεΛφής χρωμα
ποκαΛούνται μίτωση
Καμιά φάση δεν επηρεάΖεται από την
τίδης έτσι ώσrε το διπΛασιασμένο χρωμόσωμα να τεθεί υπό μη
(2).
πανσέΛηνο! Η κυπαροκίνηση είναι το τεΛευταίο βήμα σrη φάση
χανική τάση από εΛκτικές δυνάμεις προερχόμενες και από τους
Μ το οποίο επικαλύπτεται με την ανάφαση και την τελόφαση. Η
δύο πόΛους. Η τάση εξασφαλίΖει ότι και οι δύο μικροσωΛηνί
μίτωση και η κυπαροκίνηση ανήκουν σrη φάση Μ.
σκοι θα παραμείνουν προσκολ/ημένοι σro χρωμόσωμα. Η θέ ση του χρωμοσώματος σro κύπαρο κατά το χρόνο που αποδο
Απάvmση
19-8
Πολ/ά ωάρια είναι μεγάΛα και περιέχουν αποθέματα κυπαρι
μείται το πυρηνικό περίβΛημα επηρεάζει και τον πόΛο της ατρά
κτου προς τον οποίο θα μετακινηθεί η χρωματίδη, εφόσον ένας
κών συσrαΤΙKών που επαρκούν για πολ/ές κυπαρικές διαιρέ
κινητοΧώρος έχει μεγαλύτερη πιθανότητα να προσκοΛΛηθεί
σεις. Τα θυγατρικά κύπαρα που σχηματίΖΟνται κατά τις πρώτες
σroν πόΛο της ατράκτου που βρίσκεται απέναντί του.
κυπαρικές διαιρέσεις μετά τη γονιμοποίηση του ωαρίου είναι
προοδευτικώς μικρότερα σε μέγεθος και επομένως μπορεί να
Απάvmση
σxηματισroύν χωρίς να χρειάΖεται σύνθεση νέων πρωτεϊνών ή
Στην πραγματικότητα, δεν γνωρίζουμε πώς ακριβώς επιτυγχάνε
ΗΝΑ. Ενώ τα κύπαρα που διαιρούνται κανονικά θα περίμεναν
ται αυτό. Δύο πιθανά μοντέΛα για το πώς θα μπορούσε ο κινητο-
990
Απαντήσεις
19-12
κατεύθυνση της κίνησης του
κατεύθυνση της κίνησης του χρωμοσώματος
χρωμοσώματος
πρωτεινη με μεγάλη συγγένεια για την πολυμερισμένη
κινητήρια πρωτεινη του μικροσωληνίσκου που προωθείται από το ΑΤΡ
τουμπουλίνη
μικροσωληνίσκος του κινητοχώρου κινητοχώρος
κινητοχώρος
χΡωμόσωμαL..-
(Α)
χρωμόσωμα- -
--'
(Β)
η μετακίνησητου χρωμοσώματοςπου ωθείται από το ΑΤΡ προωθείτην αποσυναρμολόγηση των μικροσωληνίσκων
η αποσυναρμολόγησητων μικροσωληνίσκων προωθείτη μετακίνησητου χρωμοσώματος
Εικόνα Α19·12
χώρος να ασκεί σιο χρωμόσωμάτου μια δύναμη με κατεύθυνση
χρωμοσωμάτων προωθείται από την αΠOσυναρμoi\όγηση των
προς τον πόλο κατά την ανάφαση Α δίνovται σιην Εικόνα Α19
μικροσωληνίσκων, την οποία καωλύει ένα ένΖυμο που χρησιμο
12. Στο
(Α) οι κινητήριες πρωτε'1νες των μικροσωληνίσκων είναι
ποιεί την ενέργεια της υδρόλυσης του ΑΤΡ για ν' αφαιρέσει υπο
μέρος του κινητοΧώρου και χρησιμοποιούν την ενέργεια της υ
μονάδες τουμπουλίνης από το δεσμευμένο άκρο του μικροσω
δρόλυσης του ΑΤΡ για να έλξουν το χρωμόσωμα κατά μήκος
ληνίσκου. Καθώς δι'1σιαvται οι υπομονάδες της τουμπουλίνης, ο
των προσδεδεμένων μικροσωληνίσκων. Αυτή η μεωκίνηση θα
κινητοΧώρος εξαναγκάΖεται να ολισθήσει προς τον πόλο ώσιε
οδηγούσε σε αποπολυμερισμό των μlκροσωληνίσκων σια άκρα
να διατηρήσει τη σύνδεσή του με τα τοΙΧώμαω του μlκροσωληνί
τους που βρίσKovται σιον κινητοχώρο. Στο (Β) η μετακίνηση των
σκου. ΙΊιθανόν xρησιμoπoιoύvται και οι δύο μηχανισμοί.
+
+~t+~+~ --....
+v+
+-....,.""':"------:~
+~r-<--~+ +J~:ς ατράκτου
επικαλυmόμενοι πολικοί μικροσωληνίσκοι της μιτωτικής ατράκτου
+\~_+ __:!l~----~ /+
++-----/j~ :~: ~+ +
κινητήριες πρωτεΤνες που
.
+
κατευθύνονται προς το συν άκρο
Εικόνα Α19-13
Απαντήσεις
991
Απόvmσn
19-13
δούμε το ακόλουθο σκεmικό. ΟμόΖυγα προσβεβλημένα άτομα
Όπως φαίνεται σων Εικόνα Α19-13, τα συν άκρα των επικαλυ
μπορεί να προκύψουν μόνο ως απόγονοι μιας διασταύρωσης
πτόμενων πολικών μικροσωηνίσκων από τους αντίθετους πό
μεταξύ δύο ετερόΖυγων ατόμων. Σύμφωνα με τους νόμους του
λους της ατράκτου έχουν αντίθετη κατεύθυνση. Κινητήριες πρω
Mendel,
τεΊνες με κατεύθυνση προς τα συν άκρα διασυνδέουν παρακεί
θούν την αναλογία:
μενους αντιπαράλ/ηλους μικροσωληνίσκους και τους μετακι
τες:
οι απόγονοι μιας τέτοιας διασταύρωσης θ' ακολου
1 φυσιολογικός ομΟΖυγώτης: 2 ετεΡΟΖυγώ 1 προσβεβλημένος ομΟΖυγώτης. Συνεπώς, από στατιστική
νούν κατά τέτοιο τρόπο ώστε οι πόλοι της ατράκτου τελικά να
άποψη, οι ετεΡΟΖυγώτες πάντοτε θα υπερτερούν σε σΧέση με
διαχωριστούν. Κινητήριες πρωτεΊνες με κατεύθυνση προς τα
τους προσβεβλημένους ομΟΖυγώτες. Μολονότι η φυσική επιλο
πλην άκρα επίσης διασυνδέουν παρακείμενους αντιπαράλ/η
γή εξαλείφει αποτελεσματικά τα ελαττωματικά γονίδια από τους
λους μικροσωληνίσκους αλ/ά μετακινούνται προς αντίθετες κα
προσβεβλημένους ομΟΖυγώτες, δεν μπορεί να επηρεάσει τα ε
τευθύνσεις, με συνέπεια οι πόλοι να συμπλησιάΖουν.
λαττωματικά γονίδια στους ετεΡΟΖυγώτες επειδή δεν έχουν αντί
Απόvmσn
λή τη συχνότητα του ελαττωματικού γονιδίου στον πληθυσμό
κτυπο στον φαινότυπο. Η φυσική επιλογή θα διατηρήσει χαμη
19-14
Και οι δύο αδελφές χρωματίδες θα κατέληγαν στο ίδιο θυγα
αλλά, αν δεν υπάρξει κάποιος άλ/ος παράγοντας, θα διατηρεί
τρικό κύτταρο για πολ/ούς λόγους.
(1) Αν οι μικροσωληνίσκοι
ται πάντοτε ένα απόθεμα ελαττωματικών γονιδίων στους ετερο
ή οι συνδέσεις τους μ' έναν κινητοχώρο έσπαΖαν κατά την α
Ζυγώτες. Όταν η συχνότητα του ελαττωματικού γονιδίου είναι
νάφαση, και οι δύο αδελφές χρωματίδες θα μπορούσε να κα
χαμηλή, υπεισέρχεται ο παράγοντας της τύχης. Η συχνότητα
ταλήξουν στον ίδιο πόλο, άρα και στο ίδιο θυγατρικό κύτταρο.
των ετεΡΟΖυγωτών (άρα και του ελαττωματικού γονιδίου) μπορεί
Αν μικροσωληνίσκοι από τον ίδιο πόλο της ατράκτου συν
ν' αυξηθεί ή να ελαττωθεί κατά τύχη. Οι απόγονοι δύο ετερΟΖυ
δέονταν και με τους δύο κινητοΧώρους, το χρωμόσωμα θα κα
γωτών μπορεί κατά τύχη να είναι όλοι φυσιολογικοί, με συνέ
τέληγε στον ίδιο πόλο.
Αν οι κοεΖίνες που συνδέουν τις α
πεια την εξάλειψη του ελαττωματικού γονιδίου. Η αύξηση της
δελφές χρωματίδες δεν αποδομούνταν, τότε το Ζεύγος των
συχνότητας ενός επιβλαβούς γονιδίου δεν ευνοείται από τη φυ
(2)
(3)
χρωματίδων θα μπορούσε να καταλήξει στον ίδιο πόλο.
(4) Αν
ένα χρωμόσωμα δεν συνδεθεί με μικροσωληνίσκους και μεί
σική επιλογή, αντίθετα από την ελάττωσή της που μπορεί να ο δηγήσει σ' εξαφάνιση του γονιδίου από τον πληθυσμό.
νει εκτός ατράκτου, επίσης θα μπορούσε να καταλήξει σ' ένα θυγατρικό κύτταρο.
Απόvmσn 20-2
Μερικά από αυτά τα λάθη της μίτωσης αναμένεται να ενεργο ποιήσουν έναν μηχανισμό ελέγχου ο οποίος καθυστερεί την έ
Μετά την πρώτη μειωτική διαίρεση, κάθε θυγατρικό κύτταρο έ
χει διπλοειδή ποσότητα
DNA.
Ωστόσο περιέχει μόνο μια απλο
ναρξη της ανάφασης έως ότου όλα τα χρωμοσώματα προσδε
ειδή ομάδα χρωμοσωμάτων (αν και σε δύο αντίγραφα), που α
θούν σωστά και στους δύο πόλους της ατράκτου (βλ. Κεφάλαιο
ντιπροσωπεύουν μόνο το ένα από τα δύο ομόλογα κάθε χρω
18). Αυτός
ο μηχανισμός θα επέτρεπε την επιδιόρθωση των πε
ρισσότερων λαθών προσκόλ/ησης των χρωμοσωμάτων.
μοσώματος (μολονότι έχει ήδη συμβεί κάποια ανάμειξη κατά
τον επιχιασμό). Επειδή το μητρικό και το πατρικό χρωμόσωμα
Η κατάληξη και των δύο αδελφών χρωματίδων στο ίδιο θυγα
κάθε Ζεύγους φέρουν διαφορετικές εκδοχές για πολ/ά γονίδια,
τρικό κύτταρο συνήθως έχει καταστροφικές συνέπειες. Το ένα
τα θυγατρικά κύτταρα δεν θα είναι γενετικώς ταυτόσημα. Αντί
θυγατρικό κύτταρο θα περιείχε μόνο ένα αντίγραφο όλων των
θετα, τα σωματικά κύτταρα που διαιρούνται με μίτωση κληρονο
γονιδίων του συγκεκριμένου χρωμοσώματος ενώ το άλ/ο θυ
μούν ένα διπλοειδές σύνολο χρωμοσωμάτων και όλα τα θυγα
γατρικό κύτταρο θα περιείχε τρία αντίγραφα. Η αλ/αγή της «δό
τρικά κύτταρα είναι γενετικώς ταυτόσημα. Ο ρόλος των γαμετών
σης» των γονιδίων, που οδηγεί σε αντίστοιχη αλλαγή της ποσό
που παράγονται κατά τη μείωση είναι ν' αναμείξουν και ν' ανα
τητας των παραγόμενων
και πρωτεϊνών συ
κατανείμουν τις «δεξαμενές» των γονιδίων κατά τη φυλετική α
χνά είναι καταστροφική για το κύτταρο. Επίσης, το κύτταρο με
ναπαραγωγή. Συνεπώς είναι ασφαλώς πλεονεκτικό να έχουν ε
μόνο μια «δόση» του χρωμοσώματος είναι πιθανό να εμφανίσει
λαφρώς διαφορετική γενετική σύσταση. Αντίθετα, ο ρόλος των
διαταραχή σ' ένα κρίσιμο γονίδιο που κανονικά δεν θα γινόταν
σωματικών κυττάρων είναι να σχηματίσουν έναν οργανισμό
εμφανής λόγω της παρουσίας ενός δεύτερου, καλού αντιγρά
που θα περιείχε τα ίδια γονίδια σε όλα τα κύτταρά του.
mRNA μεταγράφων
φου του γονιδίου πάνω στο δεύτερο χρωμόσωμα, το οποίο τώ Απόvmσn
ρα απουσιάζεΙ.
20-3
Κατά τη διάρκεια της Ζωής της μια γυναίκα παράγει λιγότερα α
πό
Κεφάλαιο
20
Aπ6vmσn 20-1
1000 ώριμα ωάρια (12 κάθε χρόνο
Αυτό αντιπροσωπεύει λιγότερο από το
επί 40, περίπου, χρόνια).
1%0 του συνόλου
των πι
θανών γαμετών (εξαιρώντας τις επιπτώσεις του μειωτικού επι χιασμού). Ένας άνδρας παράγει δισεκατομμύρια σπερμαΤΟΖω
Από μόνη της, η φυσική επιλογή δεν επαρκεί για να εξαλείψει
άρια: έτσι, θεωρητικά, όλοι οι πιθανοί συνδυασμοί χρωμοσω
τα θανατηφόρα υπολειπόμενα γονίδια από τον πληθυσμό. Ας
μάτων ελέγχονται πολ/ές φορές.
992
Απαντήσεις
Απάντηση 20-4
διπλοειδείς γαμέτες, σε κάθε γενιά ο αριθμός των χρωμοσωμά
Για λόγους απλoύσrευσης, ας θεωρήσουμε μια Kατάσrαση κατά
των του θα διπλασιαΖόταν. Επιπλέον έχει διατυπωθεί η άποψη
την οποία ο πατέρας φέρει γονίδια για δύο επικρατή χαρακτηρl
ότι οι απλοειδείς γαμέτες επιτρέπουν σ' έναν διπλοειδή οργανι
σrlKά (Μ και Ν) πάνω σ' ένα από τα δύο αντίγραφα του χρωμο
σμό ν' απαλείψει πολ/ές επιβλαβείς μεταλ/άξεις που δεν γίνο
σώματος
αυτά τα δύο γονίδια εντοπίΖονταν σrα δύο άκρα
νται εμφανείς σrα διπλοειδή κύτταρα, επειδή οι ελαττωματικοί
του χρωμοσώματος και συνέβαινε μόνο ένας επιχιασμός ανά
1. Αν
γαμέτες δεν έχουν τις ίδιες πιθανότητες επιτυΧίας κατά τη γονι
χρωμόσωμα (όπως προτείνεται σrην ερώτηση), τότε τα μισά παι
μοποίηση. Οι γαμέτες συνήθως παράγονται σε μεγάλη περίσ
διά του θα εξέφραΖαν το XαραKτηρlσrlKό Μ, τ' άλ/α μισά το χα
σεια σε σΧέση με τον θεωρούμενο ως απαραίτητο αριθμό και
ραKτηρlσrlKό Ν, ενώ κανένα παιδί δεν θα εξέφραΖε και τα δύο
πρέπει να περάσουν πολ/ές συναγωνlσrlKές δοκιμασίες «ευρω
XαραKτηρισrΙKά. Στην πραγματικότητα όμως κάτι τέτοιο δεν ι
σrίας». Για παράδειγμα, σrα θηλασrlKά εκατομμύρια σπερματο
σχύει, επειδή σε κάθε χρωμόσωμα συμβαίνουν πολ/οί επιχια
Ζωάρια συμμετέχουν σ' έναν σκληρό αγώνα να φτάσουν και να
σμοί, με συνέπεια τα XαραKτηρlσrΙKά Μ και Ν να μεταβιβάΖΟνται
διεισδύσουν σ' ένα ωάριο.
σαν να βρίσκονταν σε ξεxωρισrά χρωμοσώματα. Έτοl, θ' ανα
μέναμε το ι;4 των παιδιών αυτού του πατέρα να κληρονομήσουν / / 1/4 μονο / το Μ , το 1/4 μονο / το Ν και και τα δ υο XαραKτηρισrlKα, το το 1/4 κανένα από τα δύο.
Απάντηση
20-8
Δύο αντίγραφα του ίδιου χρωμοσώματος μπορεί να καταλήξουν
σro ίδιο θυγατρικό κύτταρο αν σπάσει μια από τις συνδέσεις των μlκροσωληνίσκων προτού δlαXωρlσrOύν οι αδελφές χρωματίδες.
Απάντηση 20-5
Εναλ/ακτικά, μικροσωληνίσκοι από τον ίδιο πόλο της ατράκτου
Θεωρητικά και οι τρεις ερμηνείες θα μπορούσε να ερμηνεύ
θα μπορούσε να συνδεθούν με τους δύο κινητοΧώρους του χρω
σουν το παρατηρούμενο αποτέλεσμα. Ωσrόσo, οι ερμηνείες Α
μοσώματος. Εξαιτίας αυτού του σοβαρού και σπάνιου λάθους, το
και Β μπορεί ν' αΠOκλεlσrOύν ως αβάσιμες.
ένα θυγατρικό κύτταρο θα περιείχε μόνο ένα αντίγραφο απ' όλα
Α. Δεν υπάρχει προηγούμενο για τόσο μεγάλη ασrάθεια σro
τα γονίδια του συγκεκριμένου χρωμοσώματος, ενώ το άλ/ο θυ
ΟΝΑ που να είναι ανιχνεύσιμη σε μια τέτοια ανάλυση
SNP.
γατρικό κύτταρο θα περιείχε τρία αντίγραφα. Πολ/ές φορές, η
Σε κάθε περίπιτωση, σύμφωνα με την υπόθεση Α, η συχνό
αλ/αγή της «δόσης» των γονιδίων, η οποία οδηγεί σε αντίσrOIXη
τητα του
αλ/αγή της ποσότητας των παραγόμενων
SNP θα έπρεπε να ελαττώνεται
σrαδιαKά με το πέρα
σμα του χρόνου και όχι απότομα μετά την ηλικία των
mRNA μεταγράφων
50 ετών.
και πρωτεϊνών, είναι επιβλαβής για το κύτταρο. Αν το λάθος συμ
Β. Οι ανθρώπινοι πληθυσμοί αλ/άΖουν με πολύ βραδύ ρυθμό.
βεί κατά τη μείωση, ενόσω σχηματίζονται οι γαμέτες, θα διαδοθεί
Κατά μέσο όρο, όσοι γεwήθηκαν πριν από
50 χρόνια
δεν
διαφέρουν απ' όσους γεwιώνται σήμερα. Γ. Αυτή είναι η σωσrή υπόθεση. Πρόσφατα, ένας
σε όλα τα κύτταρα του οργανισμού. Για παράδειγμα, το σύνδρο μο
SNP με αυτές
τις ιδιότητες χρησιμοποιήθηκε για ν' ανακαλυφθεί ένα γονί
Down, μια
βαριά μορφή διανοητικής Kαθυσrέρησης, οφείλε
ται σrην παρουσία τριών αντιγράφων του χρωμοσώματος
21 σε ό
λα τα εμπύρηνα κύτταρα του σώματος.
διο το οποίο, όταν τροποποιηθεί από τον SNP, φαίνεται ν' αυ
20-9
ξάνει σημαντικά την πιθανότητα του θανάτου από καρδιακά
Απάντηση
νοσήματα.
Η μείωση αρχίΖει με την αντιγραφή του ΟΝΑ και παράγει ένα τε
τραπλοειδές κύτταρο που περιέχει τέσσερα αντίγραφα κάθε Απάντηση
20-6
χρωμοσώματος. Αυτά τα χρωμοσώματα πρέπει να μoιρασroύν Ι
Α. Σωσrό.
σότιμα σε τέσσερα θυγατρικά κύτταρα κατά τη διάρκεια δύο δια
Β. Σωσrό.
δοχικών μειωτικών διαιρέσεων. Οι αδελφές χρωματίδες παρα
Γ. Λάθος. Οι μεταλ/άξεις που συμβαίνουν κατά τη μείωση μπο
μένουν Ζευγαρωμένες ώσrε
(1) τα κύτταρα
που παράγονται από
ρεί να διαδοθούν, εκτός και αν οδηγήσουν σrη δημιουργία
την πρώτη διαίρεση να παραλάβουν δύο πλήρεις ομάδες χρω
μη βιώσιμων γαμετών.
μοσωμάτων,
(2)
τα χρωμοσώματα να μoιρασroύν ισότιμα και
κατά τη δεύτερη μειωτική διαίρεση. Αν οι αδελφές χρωματίδες Απάντηση
20-7
δεν παρέμεναν Ζευγαρωμένες, κατά τη δεύτερη διαίρεση δεν
Οι διπλοειδείς οργανισμοί περιέχουν σε κάθε κύτταρο δύο αντί
θα ήταν δυνατό να διακριθεί ποιες χρωματίδες ανήκουν σrην ί
γραφα για τα περισσότερα γονίδιά τους. Έτοl, διαθέτουν «εφε
δια ομάδα. Έτσι, θα ήταν δύσκολο να εξασφαλισrεί ότι σε κάθε
δρικά αντίγραφα» για γονίδια που μπορεί να υπoσroύν βλάβες
θυγατρικό κύτταρο θα καταλήξει ακριβώς ένα αντίγραφο κάθε
από μεταλ/άξεις. Αυτό περιπλέκει τη γενετική ανάλυση. Πολ/ές
χρωματίδης. Το Ζευγάρωμα των αδελφών χρωματίδων κατά την
μεταλ/άξεις σε διπλοειδή κύτταρα δεν προκαλούν κάποια ανl
πρώτη μειωτική διαίρεση είναι ένας εύκολος τρόπος να καθορl
χνεύσιμη διαταραχή σrις κυτταρικές διεργασίες επειδή σrα ίδια
σrεί ποιες χρωματίδες ανήκουν σrην ίδια ομάδα.
κύτταρα εκφράΖεται επίσης και ένα φυσιολογικό αντίγραφο του
20-10
γονιδίου, το οποίο μπορεί ν' αντιρροπήσεl τη δράση του μεταλ
Απάντηση
λαγμένου γονιδίου. Αν ένας διπλοειδής οργανισμός παρήγαγε
Α. Γονίδιο είναι ένα τμήμα ΟΝΑ που κωδικοποιεί μια πρωτεΤνη
Απαντήσεις
993
ή ένα λειτουργικό ΗΝΑ. Αλ/ηλόμορφο είναι μια εναλ/ακτική
είτε μόνο τα κορίτσια (αν η μετάλλαξη είχε συμβεί σ' ένα γο
μορφή ενός γονιδίου. Σ' έναν πληθυσμό συχνά υπάρχουν
νίδιο πάνω
αρκετά «φυσιολογικά» αλ/ηλόμορφα των οποίων η λειτουρ
(αν η μετάλλαξη είχε συμβεί σ' ένα γονίδιο πάνω
γία δεν διακρίνεται Επίσης, μπορεί να υπάρχουν σπάνια αλ
σωμα Υ του πατέρα). Στην πραγματικότητα, το γενεαλογικό
ληλόμορφα με ποικίι\ου βαθμού ελαπώματα. Κανονικά, ένα
δέντρο αποκαλύπτει ότι το μεταλ/αγμένο γονίδιο κληρονό
άτομο έχει το πολύ δύο αλ/ηλόμορφα κάθε γονιδίου. Β. Ένα άτομο χαρακτηρίΖεται ως ομόΖυγο αν τα δύο αλ/ηλό
mo χρωμόσωμα
Χ του παπού) είτε μόνο τ' αγόρια
mo χρωμό
μησαν τόσο μερικά αγόρια όσο και μερικά κορίτσια.
Γ. Ας υποθέσουμε ότι η μετάλλαξη συνέβη σ' ένα από τα δύο α
μορφα ενός γονιδίου είναι ίδια και ως ετερόΖυγο αν τα δύο
ντίγραφα του χρωμοσώματος
αλ/ηλόμορφα διαφέρουν.
τά τα αντίγραφα θα έφερε ένα διαφορετικό πρότυπο
Γ. Γονότυπος είναι το ειδικό σύνολο αλ/ηλομόρφων που απαρ
12 του
παπού. Καθένα από αυ
SNP,
πειδή το ένα προήλθε από τον πατέρα του ενώ το άλ/ο από τη
τίΖουν το γονιδίωμα ενός ατόμου. Είναι η απογραφή όλων
μητέρα του. Καθένα από τ' αντίγραφα του χρωμοσώματος
των μορφών κάθε γονιδίου
που μεταβιβάmηκε
τους οργανισμούς
σεις (μια ανά γενιά).
mo γονιδίωμα. Στην πράξη, για που μελετώνται mo εργαmήριο, ο γονότυ
ε
12 ma εγγόνια του θα πέρασε από δύο μειώ
πος συνήθως ορίζεται ως το σύνολο των Υνωmών διαφορών
Κατά τη μείωση, σε κάθε χρωμόσωμα συμβαίνουν
ανάμεσα
(ο συνήθης, κανο
σμοί. Έτσι, κάθε χρωμόσωμα που κληρονομεί ένα εγγόνι θα έ
νικός τύπος). Φαινότυπος είναι η περιγραφή των χαρακτηρι
χει υποmεί περίπου πέντε επιχιασμούς αφότου εγκατέλειψε τον
mικών του ατόμου. Στην πράξη, ο φαινότυπος συνήθως είναι
παπού. Όποιο γονίδιο προκαλεί την κώφωση σε καθένα από τα
το σύνολο των διαφορών ως προς τα εμφανή χαρακτηριmικά
τέσσερα προσβεβλημένα εγγόνια του θα έπρεπε να περιβάλ/ε
ανάμεσα
ται από ένα ταυτόσημο πρότυπο
mo άτομο
mo άτομο
και
και
mov «άγριο» τύπο
mov άγριο τύπο.
Δ. Ένα αλ/ηλόμορφο είναι επικρατές (σε σχέση μ' ένα δεύτερο αλ/ηλόμορφο) αν ο φαινότυπος είναι ο ίδιος τόσο όταν το
2-3
επιχια
SNP. Αυτοί οι SNP θα σχημάτι
Ζαν έναν ασυνήθιmα μακρύ απλότυπο που θα καταλάμβανε πε
ρίπου το
1/5 του
χρωμοσώματος 12.
αλ/ηλόμορφο είναι ομόΖυγο όσο και όταν είναι ετερόΖυγο.
20-13
Σε αυτή την περίπτωση, το δεύτερο αλ/ηλόμορφο το οποίο
Απάντηση
δεν συνεισφέρει
Ο φίι\ος σας έχει λάθος. (Α) Οι νόμοι του
mov φαινότυπο
χαρακτηρίΖεται ως υπολει
πόμενο (σε σχέση με το πρώτο αλ/ηλόμορφο). Αν ο φαινό
Mende! και
οι σαφείς
γνώσεις μας για τους μηχανισμούς που τους παράγουν απο
τυπος του ετεΡΟΖυγώτη διαφέρει από τον φαινότυπο των 0-
κλείουν πολ/ές πλάνες σχετικά με την κληρονομικότητα, όπως
μΟΖυγωτώνγια το ένα ή το άλ/ο αλ/ηλόμορφο,τα δύο αλ/η
ότι το πρωτότοκο παιδί έχει διαφορετική πιθανότητα να κληρο
λόμορφα χαρακτηρίΖΟνταιως συνεπικρατή.
νομήσει ορισμένα χαρακτηριmικά από τους γονείς του συγκρι
τικά με τα μικρότερα αδέλφια του. (Β) Η πιθανότητα να προκύ Α. Επειδή το μΠΙΖέλι είναι διπλοειδές, κάθε ομομεικτικό φυτό
ψει κατά τύχη ένα τέτοιο γενεαλογικό δέντρο είναι 1/4 ανά γενεά ή 1/64 για τις τρεις εικονιζόμενες γενεές. (Γ) Τα δεδομένα από έ
πρέπει να φέρει δύο μεταλλαγμένα αλ/ηλόμορφα του ίδιου
να μεγαλύτερο δείγμα της οικογένειας, ή από περισσότερες γε
γονιδίου
και τα δύο με απώλεια λειτουργίας.
νιές, γρήγορα θ' αποκάλυπταν αν το κανονικό πρότυπο που πα
Β. Όχι, ο ίδιος φαινότυπος συχνά προκαλείται από αρκετούς
ρατηρείται σε αυτό το γενεαλογικό δέντρο προέκυψε κατά τύχη.
Απάντηση 20-11
-
διαφορετικούς γονοτύπους.
Γ. Αν κάθε φυτό φέρει μια μετάλλαξη σ' ένα διαφορετικό γονί
Απάντηση 20-14
διο, αυτό θ' αποκαλυφθεί με δοκιμασίες συμπληρωματικότη
Μια επικρατής-αρνητική μετάλλαξη παράγει ένα μεταλ/αγμένο
τας (βλ. Παράρτημα
προϊόν που παρεμβαίνει
20-1). Αν το φυτό Α διαmαυρωθεί με το Fι γενιάς θα παράγουν μόνο mpoy-
mn λειτουργία
του φυσιολογικού γονι
φυτό Β, όλα τα φυτά της
δίου και προκαλεί έναν φαινότυπο απώλειας λειτουργίας ακό
γυλά μΠΙΖέλια. Ίδιο αποτέλεσμα θα προκύψει αν το φυτό Β
μα και όταν υπάρχει ένα φυσιολογικό αντίγραφο του γονιδίου.
διαmαυρωθεί με το φυτό
αν το φυτό Α διαmαυρωθεί με
Η ικανότητα ενός ελαπωματικού αλ/ηλομόρφου να καθορίΖει
μια διαmαύρωση ανάμεσα σε δύο οποι
τον φαινότυπο εξηγεί γιατί ένα τέτοιο αλ/ηλόμορφο είναι επι
αδήποτε ομομεικτικά φυτά που φέρουν μεταλλάξεις απώλει
κρατές. Μια μετάλλαξη επαύξησης της λειτουργίας αυξάνει την
ας λειτουργίας
(έmω και διαφορετικές) θα ο
ενεργότητα του γονιδίου ή το κάνει ενεργό σε απρόσφορες κα
δηγούσε σε παραγωγή φυτών με αποκλειmικά Ζαρωμένα
ταmάσεις. Συχνά, η αλ/αγή της ενεργότητας έχει φαινοτυπικές
μΠιζέλια.
επιπτώσεις και γι' αυτό οι σχετικές μεταλλάξεις συνήθως είναι ε
το φυτό
C. Αντίθετα,
Cή
mo ίδιο γονίδιο
πικρατείς.
Απάντηση
20-12
Α. Η μετάλλαξη μάλ/ον είναι επικρατής, επειδή οι μισοί απόγο νοι ενός προσβεβλημένου γονέα εμφανίζουν κώφωση.
Απάντηση
20-15
Η διαπίmωση είναι κυρίως σωmή. Ο διαβήτης είναι ένα από τα
Β. Η μετάλλαξη βρίσκεται πάνω σ' ένα αυτόσωμα. Αν εντΟΠιζό
παλαιότερα Υνωmά νοσήματα. Οι αρχαίοι Έλ/ηνες του έδωσαν
ταν πάνω σ' ένα φυλετικό χρωμόσωμα, θα προσβάλ/ονταν
αυτή την ονομασία που σημαίνει «σιφώνιο» για να περιγράψουν
994
Απαντήσεις
ένα από τα κύρια συμπτώματά του, την αυξημένη διούρηση. Αν
χουν μάτια φυσιολογικού χρώματος): συνεπώς καθένα από
δεν υπήρχε κάποιο ανθρώπινο νόσημα, ο ρόλος της ινσουλίνης
αυτά τα στελέχη καθορίΖει ένα διαφορετικό γονίδιο. Αντίθε
δεν θα ήταν επιτακτικό να γίνει αντιληπτός. Με τον καιρό θα κα
τα, τα στελέχη
white, cherry, coral, apricot και buff δεν αλ/η
ταλαβαίναμε το ρόλο της, κάτι που συμβαίνει σήμερα. Ώmόσο
λοσυμπληρώνονται: συνεπώς πρέπει να είναι αλ/ηλόμορφα
πρέπει να υπογραμμίσουμε το ρόλο του διαβήτη που επικέ
του ίδιου γονιδίου, το οποίο έχει ονομαmεί γονίδιο
ντρωσε τις προσπάθειές μας προς τη μοριακή κατανόηση. Ακό
ρα, αυτά τα εννέα διαφορετικά στελέχη καθορίΖουν πέντε
μα και σήμερα, η επιθυμία να κατανοήσουμε και να θεραπεύ
διαφορετικά γονίδια.
σουμε τα νοσήματα του ανθρώπου είναι βασική προωθητική δύ ναμη
mn βιοϊατρική
r. Τα διαφορετικά
έρευνα.
white. Ά
αλ/ηλόμορφα του ίδιου γονιδίου, όπως τα
πέντε αλ/ηλόμορφα του γονιδίου
white, συχνά
έχουν διαφο
ρετικό φαινότυπο. Οι διαφορετικές μεταλλάξεις επηρεάΖουν Απάντηση
20-16
Α. Όπως φαίνεται
σε ποικίλο βαθμό τη λειτουργία του προϊόντος του γονιδίου, Εικόνα Α20-16, αν οι μύγες εμφανί
ανάλογα με την εντόπισή τους. Τ' αλ/ηλόμορφα ενός γονιδί
Ζουν βλάβη σε πολ/ά γονίδια, οι απόγονοί τους θα έχουν έ
ου που δεν παράγουν καθόλου λειτουργικό προϊόν (μηδενι
να φυσιολογικό γονίδιο σε κάθε γενετικό τόπο. Αν διαmαυ
κά,
mnv
ρωθούν μια μύγα με <<ρουμπινί»
(ruby)
έχουν τον ίδιο φαινότυπο.
null)
μάτια με μια μύγα με
20-17
άσπρα μάτια, κάθε απόγονος θα κληρονομήσει ένα λειτουρι
Απάντηση
γκό αντίγραφο του άσπρου γονιδίου και ένα λειτουργικό α
Οι
ντίγραφο του <<ρουμπινί» γονιδίου. Επειδή και τα δύο μεταλ
των ατόμων με συχνότητα περίπου
λαγμένα γονίδια είναι υπολειπόμενα σε σχέση προς τ' αντί
ρα υπάρχουν μεγάλες συλ/ογές
moιxa φυσιολογικά γονίδια, οι απόγονοι θα έχουν τον «ά
σμούς, μεταξύ των οποίων και μια συλ/ογή από αρκετά εκατομ
γριο» φαινότυπο, δηλαδή μάτια κεραμιδί χρώματος.
μύρια
Β. Τα mελέχη
garnet, ruby, vermillion και carnation αλ/ηλοσυ
SNP
είναι διαφορές μεμονωμένων νουκλεοτιδίων μεταξύ
SNP για το
1:1000 νουκλεοτίδια. Σήμε SNP από ποικίλους οργανι
ανθρώπινο γονιδίωμα. Οι
SNP ανιχνεύονται
με υβριδισμό με κατάλληλα ολιγονουκλεοτίδια. Λειτουργούν
μπληρώνονται μεταξύ τους, αλλά και με τα διάφορα αλ/ηλό
ως φυσικοί δείκτες με yvωmή εντόπιση
μορφα του γονιδίου
(με άλλα λόγια, αν διασταυρω
ντας τη μεταβίβαση ενός γονιδίου σε διαφορετικές διασταυρώ
θούν αυτές οι μεταλλαγμένες μύγες, οι απόγονοί τους θα έ-
σεις και συσχετίΖοντας την παρουσία του γονιδίου με τη συ-
white
γενετικός
ελαπωματικός
---!
γενετικός
λειτουργικός
f--- ---!
---!
Ιελαπωματικός
Ι-
f--- ---1
~
~
προϊόν
προϊόν
ruby
white
ruby
ελαπωματικός
f--- ---1 λειτουργικός
f---
Ψ
τόπος
λειτουργικός
---!
f--λειτουργικός
ελαπωματικός
γενετικός
τόποςwhίte
ruby
f--- ---!
---!
ΧΡΩΜΑΤΟΣ ΡΟΥΜΠΙΝΙ
γενετικός τόπος
Μελετώ
ΜΥΓΕΣ ΜΕ ΜΑΤιΑ
ΜΥΓΕΣ ΜΕ ΑΣΠΡΑ ΜΑΤιΑ
τόποςwhίte
mo γονιδίωμα.
Ψ
ΔΙΑΣΤΑΥΡΩΣΗ ΟΛΟΙ Οί ΑΠΟΓΟΝΟΙ ΕΧΟΥΝ ΚΟΚΚΙΝΑ ΜΑΤιΑ
γενετικός
γενετικός
τόποςwhίte
ruby
ελαπωματικός
λειτουργικός
λειτουργικός
ελαπωματικός
από τον γονέα με ---!
f--- ---!
τα άσπρα μάτια
από τον γονέα με
τόπος
τα ρουμπινί μάτια ---!
f--- -ι
f--Ι--
πρσ'ίόν
προϊόν
white
ruby
Εικόνα Α20-16
Απαντήσεις
995
ενδείξεις για
γάλες ποσότητες νερού, προσδίδοντας έτσι mις πρωτεογλυκά
την εντόπιση ενός γονιδίου σε μια χρωμοσωμική πεΡΙΟΧή που ί
γκληρονόμηση συγκεκριμένων
SNP προκύπτουν
νες τις μοναδικές ιδιότητές τους. Αντίθετα, οι μη φορτισμένοι
σως περιέχει λίγα γονίδια. Στη συνέχεια, αυτά τα γονίδια μπορεί
πολυσακχαρίτες, όπως η κυπαρίνη, το άμυλο και το γλυκογόνο,
να εξεταmούν για την παρουσία μιας μετάλλαξης, η οποία θα
εύκολα συμπυκνώνονται σε ίνες ή κοκκία.
μπορούσε ν' αποτελεί τη βάση του αυθεντικού μεταλ/αγμένου
φαινοτύπου (βλ. Εικόνα
Απάντηση 21-4
20-30).
Οι θέσεις εmιακής επαφής είναι κοινές Απάντηση
20-18
mov συνδετικό
ιmό και
σε καλλιέργειες κυπάρων όπου παρατηρείται ερπισμός των κυτ
Αμέσως συμπεραίνετε ποιες είναι οι διαφορές μεταξύ των δύο
τάρων. Οι δυνάμεις που προωθούν τις ερπυmικές κινήσεις δη
αλ/ηλουχιών. Ωmόσο, οι
πληθυ
μιουργούνται από τον κυπαροσκελετό της ακτίνης. Στα ώριμα ε
SNPs που
είναι σπάνιοι
mov
σμό δεν χρησιμεύουν mις περισσότερες μελέτες γενετικής χαρ
πιθήλια, οι θέσεις εmιακής επαφής είναι λιγότερο εμφανείς ε
τογράφησης. Αντίθετα, για τις αναλύσεις χαρτογράφησης γονι
πειδή τα κύπαρα σε μεγάλο βαθμό είναι καθηλωμένα
δίων επιλέγονται
και δεν χρειάΖεται να έρπουν πάνω από τον βασικό υμένα.
SNP με
συχνότητα τouIΊάxImov
10% σ'
έναν
mo χώρο
συγκεκριμένο πληθυσμό. Απάντηση
21-5
Ας υποθέσουμε ότι ένα κύπαρο έχει υποmεί βλάβη ώmε η κυτ
Κεφάλαιο Απάντηση
ταρική μεμβράνη του να εμφανίΖει διαρροή. Στην κατάmαση
21
αυτή, τα ιόντα που είναι παρόντα σε υψηλή συγκέντρωση ξωκυπάριο υγρό, όπως το Na + και το Ca2+, εισρέουν mo
21-1
mo ε κύπα
ρο ενώ πολύτιμοι μεταβολίτες εκρέουν. Αν το κύπαρο παρέμε
Ο ΟΡΙΖόντιος προσανατολισμός των μικροσωληνίσκων σχετίΖε
νε συνδεδεμένο με τους υγιείς γείτονές του, τότε και αυτοί θα υ
ται με τον ΟΡΙΖόντιο προσανατολισμό των ινών της κυπαρίνης
φίmαντο τη βλάβη. Ωmόσο, η εισροή του Ca2+ mo «άρρωmο»
που έχουν εναποτεθεί
κυπαρικό τοίχωμα. Επομένως, τα
κύπαρο αναγκάΖει τους χασμοσυνδέσμους του να κλείσουν α
κύπαρα θ' αυξάνουν σε κάθετη κατεύθυνση, αυξάνοντας έτσι τα
μέσως, απομονώνοντας αποτελεσματικά το κύπαρο και παρε
μεσοδιαmήματα ανάμεσα mις ίνες της κυπαρίνης χωρίς όμως
μποδίζοντας τη διασπορά της βλάβης.
mo
να τις διατείνουν. Με αυτόν τον τρόπο, ο μίσχος θα επιμηκυνθεί
21-6
γρήγορα. Σ' ένα συνηθισμένο φυσικό περιβάλ/ον αυτό θα επι
Απάντηση
ταΧύνει την ανάδυση από το σκοτάδι
Η ιοντίΖουσα ακτινοβολία (ακτινοβολία υψηλής ενέργειας) δια
mo φως.
περνά την ύλη, εκτινάσσει τα ηλεκτρόνια από τις τροχιές τους
Απάντηση
21-2
και διασπά τους χημικούς δεσμούς. Συγκεκριμένα, δημιουργεί
Α. Εφόσον για να σχηματιmεί η τριπλή έλικα πρέπει να συνδυα
moIJv τρεις
mo DNA και έτσι αναγκάΖει τα κύτ mov κυπαρικό κύκλο (βλ. Κεφάλαιο 18).
θραύσεις και άλλες βλάβες
ταρα να mαματήσουν
αλυσίδες κολ/αγόνου, ένα ελαπωματικό μόριο
θα διαταράξει τη συναρμολόγηση, έmω και αν συγχρόνως υ
Αν η βλάβη είναι τόσο σοβαρή ώmε να μην μπορεί να επιδιορ
πάρχουν και κανονικές αλυσίδες κολ/αγόνου. Επομένως, οι
θωθεί, τα κύπαρα mαματούν μόνιμα και υφίmανται απόmωση,
μεταλλάξεις των γονιδίων που κωδικοποιούν κολ/αγόνα εί
δηλαδή ενεργοποιούν ένα πρόγραμμα αυτοκτονίας.
ναι επικρατείς, δηλαδή έχουν καταmροφικές συνέπειες ακό Απάντηση
μα και παρουσία ενός φυσιολογικού αντιγράφου του γονιδί
21-7 Τα κύπαρα mo επιθήλιο του εντέρου
ου.
την πολικότητα
mn διεργασία
συναρμολόγησης. Τα μονομε
ρή του κολ/αγόνου συναρμολογούνται
mnv τρίκλωνη
εκτίθενται σ' ένα αρκετά ε
Χθρικό περιβάλ/ον που περιέχει πεπτικά ένΖυμα και πολ/ές άλ
Β. Η διαφορετική βαρύτητα των μεταλλάξεων προκύπτει από
λες ουσίες που ποικίλουν δραmικά από μέρα σε μέρα, ανάλογα
ρά
με τη δίαιτα του οργανισμού. Τα επιθηλιακά κύπαρα επίσης
βδο αρχίΖοντας από τ' αμινοτελικά άκρα τους. Επομένως, μια
σχηματίΖουν μια πρώτη γραμμή άμυνας εναντίον δυνητικώς ε
μετάλλαξη σε μια «πρώιμη» γλυκίνη επιτρέπει να σχηματι
moIJv μόνο
βραχείες ράβδοι ενώ μια μετάλλαξη σε πιο προ-
πικίνδυνων ενώσεων και μεταλλαξιγόνων που υπάρχουν πα
.
ντού
mo
περιβάλ/ον μας. Η ταχεία ανακύκλωση προφυλάσσει
χωρημένη θέση επιτρέπει να σχηματιmούν μακρύτερες και
τον οργανισμό από δυσμενείς συνέπειες, εφόσον τα τραυματι
περισσότερο κανονικές ράβδοι
σμένα και άρρωmα κύπαρα αποβάλ/ονταl. Αν ένα επιθηλιακό κύπαρο άΡΧΙΖε να διαιρείται απρόσφορα, για παράδειγμα εξια
Απάντηση 21-3
τίας μιας μετάλλαξης, τότε το πιθανότερο είναι ότι τόσο αυτό όσο
Η αξιοσημείωτη ικανότητα των πρωτεογλυκανών να διογκώνο
και οι ανεπιθύμητοι απόγονοί του απλώς θ' αποβάλ/ονταν από
νται και έτσι να καταλαμβάνουν πολύ χώρο εξαρτάται από τ' αρ
την κορυφή μιας λάχνης παρόλο που τέτοιες μεταλλάξεις μάλ
νητικά φορτία τους. Τα φορτία αυτά προσελκύουν ένα νέφος
λον συμβαίνουν συχνά, σπανίως οδηγούν
θετικών ιόντων, κυρίως
κίνου.
996
Απαντήσεις
Na +, JG οποία αντλούν με ώσμωση με-
mnv ανάπτυξη
καρ
Από την άλ/η πλευρά, ένας νευρώνας Ζει σ' ένα πολύ προ
Απάντηση
21-11
στατευμένο περιβάλ/ον, απομονωμένος από τον εξωτερικό κό
Τα φυτά εκτίθενται σε ακραίες αλ/αγές του περιβάλ/οντος, οι ο
σμο. Η λειτουργία του στηρίΖεται σ' ένα περίπλοκο σύστημα
ποίες συχνά συνοδεύονται από ευρείες διακυμάνσεις στις ω
συνδέσεων με άλ/ους νευρώνες, ένα σύστημα που δημιουργεί
σμωτικές ιδιότητες του περιβάλ/οντος. Ένα δίκτυο ενδιάμεσων
ται κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης και δεν είναι εύκολο ν' ανα
ινιδίων, όπως το γνωρίΖουμε από τα Ζωικά κύπαρα, δεν θα μπο
συγκροτηθεί αν ο νευρώνας πεθάνει αργότερα.
ρούσε να προσφέρει στα κύπαρα πλήρη ωσμωτική στήριξη: τα
αραιά σημεία προσκόλ/ησης δεν θα μπορούσαν να παρεμπο Απάντηση 21-8
δίσουν τη ρήξη της μεμβράνης σε απάντηση προς μια τεράστια
Κάθε κυπαρική διαίρεση δημιουργεί ένα επιπρόσθετο κύπαρο.
ωσμωτική πίεση ασκούμενη από το εσωτερικό του κυπάρου.
Συνεπώς, αν τα κύπαρα δεν Χάνονταν ή δεν αποβάλ/ονταν από
21-12
το σώμα, τότε ο αριθμός τους θα ήταν ίσος με τον αριθμό των δι
Απάντηση
αιρέσεων συν ένα. Ο αριθμός των διαιρέσεων είναι
10,000 φο
Τα δυναμικά ενεργείας μπορεί να περνούν από κύπαρο σε κύτ
ρές μεγαλύτερος από τον αριθμό των κυπάρων επειδή κατά τη
ταρo διαμέσου χασμοσυνδέσμων. Πράγματι, έτσι συνδέονται
διάρκεια της Ζωής του οργανισμού για κάθε κύπαρο που διατη
τα μυοκαρδιακά κύπαρα, γεγονός που διασφαλίΖει ότι θα συ
ρείται στο σώμα
στέλ/ονται συγχρονισμένα όταν διεγείρονται. Ωστόσο, αυτός ο
10,000 άλ/α κύπαρα αποβάλ/ονται και αντικα
θίστανταΙ.
μηχανισμός μεταβίβασης του σήματος από κύπαρο σε κύπαρο
είναι κάπως περιορισμένος. Όπως είδαμε στο Κεφάλαιο Απάντηση
21-9
12, οι
συνάψεις είναι πολύ πιο περίτεχνες και επιτρέπουν την τροπο
Α. Λάθος. Οι χασμοσύνδεσμοι δεν συνδέονται με τον κυπαρο
ποίηση των σημάτων και την επεξεργασία και ενσωμάτωσή τους
σκελετό, αλ/ά εξασφαλίΖουν την επικοινωνία ανάμεσα στα
με άλ/α σήματα που παραλαμβάνει το κύπαρο. Συνεπώς, οι χα
κύπαρα, επιτρέποντας σε μικρά μόρια να περνούν από κύτ
σμοσύνδεσμοι μοιάζουν με συγκολ/ήσεις ανάμεσα σε ηλεκτρι
ταρo σε κύπαρο.
κά συστατικά, ενώ οι συνάψεις μοιάΖουν με περίπλοκες συ
Β. Σωστό. Μόλις μαραθεί ένα φύλ/ο, η πίεση σπαργής στα φυ τικά κύπαρα έχει ελαπωθεί και επομένως τα κυπαρικά τοι
σκευές αναμετάδοσης που επιτρέπουν σε συστήματα νευρώ νων να εκτελούν υπολογισμούς.
χώματα, τα οποία έχουν μεν εκτατική αλ/ά όχι και συμπιεστι
21-13
κή ισχύ (όπως το λάστιχο ενός τροχού), δεν παρέχουν πλέον
Απάντηση
ακαμψία.
Για να φτιάξουμε Ζελέ, διαλύουμε τη Ζελατίνη σε καυτό νερό,
Γ. Λάθος. Οι πρωτεογλυκάνες ανθίστανται σε μεγάλες συμπιε
που μετουσιώνει τις ίνες του κολλαγόνου. Μόλις κρυώσει το
στικές δυνάμεις αλ/ά δεν έχουν άκαμπτη δομή. Οι χωροπλη
διάλυμα, οι μετουσιωμένες ίνες σχηματίΖουν ένα μπερδεμένο
ρωΤΙK~ς ιδιότητές τους προκύπτουν από την τάση τους ν' α
πλέγμα που στερεοποιείται σε μια πηκτή. Στην πραγματικότητα
πορροφούν μεγάλες ποσότητες νερού.
αυτή η πηκτή μοιάΖει με το κολ/αγόνο όπως εκκρίνεται αρχικά
Δ. Σωστό.
από τις ινοβλάστες, δηλαδή προτού παραταΧθούν και διασυν
Ε. Σωστό.
θεθούν οι ίνες.
l.
Σωστό. Τα αρΧέγονα κύπαρα σταθερά εκφράΖουνγονίδια ε λέγχου που εξασφαλίΖουνότι τα θυγατρικά κύπαρα θ' ανή
Απάντηση
21-14
κουν στους κατάλληλους διαφοροποιημένουςκυπαρικούς
Οι ενδείξεις για το γεγονός ότι το ΟΝΑ καθορίΖει όλα τα δομικά
τύπους.
χαρακτηριστικά ενός οργανισμού προέρχονται από την παρατή
ρηση ότι οι μικρές αλ/αγές που συμβαίνουν στο ΟΝΑ με μεταλ Απάντηση 21-10
λάξεις οδηγούν σε αλ/αγές στον οργανισμό. Παρόλο που το
Μικρά μόρια του κυπαροδιαλύματος, όπως το γλουταμlκό οξύ,
ΟΝΑ παρέχει τα σχέδια που καθορίζουν τη δομή, τα σχέδια αυ
το κυκλικό ΑΜΡ και τα ιόντα Ca
περνούν εύκολα διαμέσου
τά πρέπει να εκτελεστούν κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης. Αυτό
των χασμοσυνδέσμων και των πλασμοδεσμάτων. Αυτό δεν συμ
προϋποθέτει ένα κατάλ/ηλο περιβάλ/ον (ένα μωρό δεν θα χω
βαίνει με τα μεγάλα μακρομόρια του κυπαροδιαλύματος, όπως
ρούσε στο κέλυφος ενός αυγού πελαργού), κατάλ/ηλη διατρο
τα μόρια
φή, κατάλ/ηλα εργαλεία (π.χ., κατάλ/ηλες γονιδιακές ρυθμιστι
mRNA και
οι
2
+,
G πρωτείνες.
Η πρωτείνη
Sonic hedge-
είναι μια εκκρινόμενη πρωτείνη. Συνεπώς, δεν συναντά
κές πρωτείνες, απαραίτητες για την πρώιμη ανάπτυξη), κατάλ
ποτέ ούτε χασμοσυνδέσμους ούτε πλασμοδέσματα. Τα φωσφο
ληλη χωροταξική οργάνωση (όπως οι ασυμμετρίες στο ωάριο
λιπίδια της κυπαρικής μεμβράνης διαΧέονται στο επίπεδο της
που απαιτούνται για την κατάλ/ηλη κυπαρική διαφοροποίηση
μεμβράνης διαμέσου των πλασμοδεσμάτων, επειδή στους συν
κατά τις πρώιμες κυπαρικές διαιρέσεις) κλπ. Συνεπώς, η κλη
δέσμους αυτούς οι μεμβράνες των γειτονικών κυπάρων συνέ
ρονομική μεταβίβαση δεν περιορίΖεται μόνο στη μεταβίβαση
χονται. Η επικοινωνία δεν είναι εφικτή στους χασμοσυνδέ
του ΟΝΑ του οργανισμού, επειδή η ανάπτυξη προϋποθέτει να έ
hog
σμους, επειδή οι μεμβράνες των συνδεόμενων κυπάρων παρα
χουν δημιουργηθεί οι κατάλ/ηλες συνθήκες από τον γονέα. Ό
μένουν ανεξάρτητες.
ταν πληρούνται όλες οι προϋποθέσεις, τα σχέδια που αρχειοθε-
Απαντήσεις
ΤΕΙ
ΛΑΡΙΣΑΣ
ΚΕΝΤΡΙΚΗ
ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΗ
997
τούνται ΟίΟ γονιδίωμα θα καθορίσουν τη δομή του οργανισμού
κό. Με το πέρασμα του χρόνου, τα κύπαρα που εμφανίΖουν
που θ' αναmυχθεί.
προδιάθεση σε καρκίνο (λόγω των μεταλ/άξεων από το καρκι νογόνο) συσσωρεύουν όλο και περισσότερες μεταλ/άξεις. Τε
Aπ6vmσn 21-15
λικά, ένα από αυτά θα μετατραπεί σε καρκινικό κύπαρο. Το με
Τα λευκοκύπαρα του αίματος κυκλοφορούν Οία αιμοφόρα αγ
γάλο μεσοδιάΟίημα ανάμεσα Οίην έκθεση και την ανάπτυξη του
γεία και μεταναΟίεύουν μέσα και έξω από τους ΙΟίούς για να ε
καρκίνου καθΙΟίά πολύ δύσκολο το να ενοχοπOlηθούν ΟΙ κα
πιτελέσουν τη φυσιολογική λειτουργία τους που είναι η ΠΡΟΟία
πνοβιομηχανίες ή ΟΙ χημικές βιομηχανίες για ης βλάβες που
σία του σώματος από λοιμώξεις: από τη φύση τους είναι διεισ
ΠΡOKaί\Oύνται από τα προϊόντα τους.
δυτικά. Μόλις συμβούν μεταλλάξεις που διαταράσσουν τους φυσιολογικούς μηχανισμούς ελέγχου της παραγωγής των λευ
Aπdvmσn21-18
κοκυπάρων, δεν χρειάΖΟνται επιπρόσθετες μεταλ/άξεις προκει
Εξ ορισμού, καρκινογόνο είναι κάθε ουσία που προάγει την α
μένου τα κύπαρα να διασπαρούν ΟίΟ σώμα. Συνεπώς, ο αριθ
νάmυξη ενός ή περισσότερων ειδών καρκίνου. Συνεπώς, ΟΙ φυ
μός των μεταλ/άξεων που πρέπει να συσσωρευθούν για ν' ανα
λετικές ορμόνες μπορεί να θεωρηθούν ως φυσικά καρκινογό
πτυχθεί μια λευχαιμία είναι μικρότερος απ' ό,τι χρειάΖεται για
να. Μολονότι τα περισσότερα καρκινογόνα δρουν προκαλώ
άλ/ες μορφές καρκίνου.
ντας απευθείας μεταλ/άξεις, καρκινογόνες δράσεις συχνά α
Aπ6vmσn
νουν τόσο την ταΧύτητα της κυπαρικής διαίρεσης όσο και τον α
σKoύντaι Kaι με άλ/ους τρόπους. Οι φυλετικές ορμόνες αυξά
21-16
Το σχήμα της καμπύλης υποδηλώνει την ανάγκη να συσσωρευ
ριθμό των κυπάρων των ορμονοευαίσθητων οργάνων (Π.Χ. μα
θούν πολ/ές μεταλ/άξεις σ' ένα κύπαρο προτού αναπτυχθεί
Οίοί, μήτρα και ΠΡΟΟίάτης). Η πρώτη επίδραση αυξάνει τον ρυθ
καρκίνος. Αν επαρκούσε μια μετάλ/αξη, τότε η καμπύλη θα ή
μό των μεταλ/άξεων ανά κύπαρο, επειδή ανεξάρτητα από τους
ταν μια ευθεία ΟΡΙΖόντια γραμμή: η πιθανότητα να συμβεί μια
περιβαλ/οντlκούς παράγοντες, μεταλ/άξεις δημιoυργoύντaι
συγκεκριμένη μετάλ/αξη, και επομένως ν' αναπτυχθεί καρκί
αυθόρμητα κατά την αντιγραφή του ΟΝΑ και τον διαχωρισμό
νος, θα ήταν η ίδια σε κάθε ηλικία. Αν απαιτούνταν δύο ειδικές
των χρωμοσωμάτων. Η δεύτερη επίδραση αυξάνει τον αριθμό
μεταλ/άξεις, η καμπύλη θα ήταν μια ευθεία γραμμή με ανοδική
των κυπάρων σε κίνδυνο. Με αυτούς Kaι πιθανώς Kaι άλ/ους
πορεία από την αφετηρία: η δεύτερη μετάλ/αξη έχει την ίδια πι
τρόπους, ΟΙ ορμόνες μπορεί να προάγουν την ανάπτυξη του
θανότητα να συμβεί σε κάθε ηλικία, αλ/ά κάνει το κύπαρο καρ
καρκίνου, έΟίω και αν δεν προκαλούν άμεσα μεταλ/άξεις.
κινικό μόνο αν έχει ήδη προηγηθεί η πρώτη μετάλ/αξη Οίην ί δια κυπαρική σειρά. Στην περίπτωση αυτή, η πιθανότητα να έχει
Aπdvmσn21-19
συμβεί η πρώτη μετάλ/αξη είναι ανάλογη με την ηλικία του ατό
Η σύντομη απάντηση είνaι όχΙ. Ο καρκίνος γενικά δεν είνaι
μου. Η καμπύλη της εικόνας ανέρχεται περίπου ανάλογα με την
κληρονομικό νόσημα. Προέρχεται από νέες μεταλλάξεις που
πέμπτη δ6ναμη της ηλικίας, γεγονός που υποδηλώνει ότι πρέ
συμβαίνουν Οία σωματικά κυπαρα του οργανισμού μας παρά α
πει να έχουν προηγηθεί πολύ παραπάνω από δύο μεταλ/άξεις
πό μεταλ/άξεις που κληρονομούμε από τους γονείς μας. ΩΟίό
προτού εκδηλωθεί ο καρκίνος. Δεν είναι εύκολο να καθΟΡΙΟίεί
σο, σε μερικούς πολύ σπάνιους τύπους καρκίνου υπάρχει ισχυ
επακριβώς ο αριθμός των μεταλ/άξεων εξαιτίας της περίπλοκης
ρή κληρονομική προδιάθεση: έτσι, τόσο ΟΙ γονείς όσο Kaι τα
παθογένεσης του καρκίνου. Οι διαδοχικές μεταλ/άξεις μπορεί
πaιδιά εμφανίΖουν την ίδιa προδιάθεση σε μιa ειδική μορφή
ν' αλ/άξουν τον αριθμό και τη συμπεριφορά των κυπάρων και
της νόσου. Γιa παράδειγμα, αυτό συμβαίνει σε οικογένειες ΟΙ ο
έτσι επίσης ν' αλ/άξουν τόσο την πιθανότητα να συμβούν επα
ποίες φέρουν μια μετάλ/αξη που αδρανοπOlεί το ένα από τα
κόλουθες μεταλ/άξεις όσο και τις πιέσεις επιλογής που προω
δύο αντίγραφα του ογκοκαταΟίαλτικού γονιδίου APC. Τα παι
θούν την εξέλιξη του καρκίνου.
διά αυτών των οικογενειών εμφανίζουν αυξημένη προδιάθεση ν' αναmύξουν καρκίνο του παΧέος εντέρου. Πολύ ασθενέΟίερη
Aπdvmσn
21-17
κληρονομική προδιάθεση παρατηρείται επίσης σε αρκετές άλ
Κατά την έκθεση ΟίΟ καρκινογόνο επάγoντaι μεταλ/άξεις. Ω
λες μορφές καρκίνου, συμπεριλαμβανομένου και του καρκίνου
Οίόσο, για ένα κύπαρο ο αριθμός των κρίσιμων μεταλ/άξεων
του μαΟίού. ΩΟίόσο, τα περισσότερα υπεύθυνα γονίδια εξακο
συνήθως δεν επαρκεί γιa να το μετατρέψει αμέσως σε καρκινι-
λουθούν να είναι άγνωΟία.
998
Απαντήσεις
Γλωσσάριο αγΥελι0φ6ρο RNA (messenger RNA, mRNA) Μόριο
RNA που
μιας πρωτε'ίνης. Παράγεται με συρραφή του ΗΝΑ (στους ευ
καρυώτες) από ένα μεγαλύτερο μόριο ΗΝΑ που συντίθεται α πό την ΗΝΑ πολυμεράση ως ένα συμπληρωματικό αντίγραφο του ΟΝΑ. ΜεταφράΖεται σε πρωτεΊνη σε μια διεργασία που καταλύεται από τα ριβοσωμάτια.
άγριος τύπος
ακολουθία
(cascade) - βλ σηματοδοτική ακολουθία.
καθορίΖει Την αλ/ηλουΧία των αμινοξέων
ακόρεστο (Για ένα οργανικό μόριο που) περιέχει έναν ή περισσότερους διπλούς ή τριπλούς δεσμούς άνθρακα-άνθρακα.
ακυλoμάδa Λειτουργική ομάδα που προέρχεται α
(wild type)
()
R
Η φυσιολογική, μη μεταλλαγμένη μορφή ενός είδους που
πό ένα καρβοξυλικό οξύ (το σύμβολο
προκύmει από διασταύρωση υπό φυσιολογικές συνθήκες.
αντιπροσωπεύει μια ακυλομάδα, Π.Χ.
I~
μια μεθυλομάδα).
αδενυλικήκυκΜση (adenylate cyclase) Μεμβρανικό ένΖυμο που καταλύει τον σχηματισμό του κυκλι
αλδεϋδη
κού ΑΜΡ από το ΑΤΡ. Είναι σημαντικό συστατικό ορισμένων
Δραστική οργανική ένωση που περιέχει την ομάδα
ενδοκυπάριων σηματοδοτικών οδών.
για παράδειγμα, η γλυκεριναλδευδη.
ΑΟΡ (5' -διφωσφορική αδεvoσίνη) Νουκλεοτίδιο που παράγεται με υδρόλυση της τελικής φω σφορικής ομάδας του ΑΤΡ (βλ. Εικόνα
αλκαλικός
-
-CH=O,
βλ. βασικός
3-32). αλκάvιo
αδρό εvδoπλασμoτικό δίκτυο
(alkane)
Ένωση που αποτελείται από άτομα άν
Περιοχή του ενδοπλασματικού δικιύου που διασυνδέεται με
θρακα και υδρογόνου, η οποία έχει α
τα ριβοσωμάτια. Εμπλέκεται στη σύνθεση των εκκρινόμενων
ποκλειστικά απλούς ομοιοπολικούς
και των μεμβρανικών πρωτεϊνών.
δεσμούς. Ένα παράδειγμα είναι το αι
Η
LΙ
I1
(
(
Ι
Ι
LΙ
Ι
Ι ι
Ι
I1
θάνιο.
α-έλικα Κοινό δομικό μοτίβο των πρωτεϊνών, στο οποίο μια γραμμική αλ/ηλουΧία αμινοξέων πτυΧώνεται σε μια δεξιόστροφη έλικα
που σταθεροποιείται με εσωτερικούς δεσμούς υδρογόνου α νάμεσα σε άτομα του σκελετού, δηλαδή τα άτομα των πεmιδι κών δεσμών.
Μικρό υδατοδιαλυτό μόριο που μεταφέρει ακετυλομάδες στα κύπαρα. Περιέχει μια ακετυλομάδα που συνδέεται με το συ
(CoA)
Υδρογονάνθρακες με έναν ή περισσό
Η
τερους διπλούς δεσμούς άνθρακα-άν θρακα. Ένα παράδειγμα είναι το αιθυ
Η
( -(
/ Η
Η
λένιο.
ακετυλο-CoΑ (ακετυλo-συνΈVZΥμo Α)
νένΖυμο Α
αλκένιο
με έναν θειολεστερικό δεσμό που μπορεί
να υδρολυθεί εύκολα.
ακετυλομάδα
αλκοόλη
Οργανική ένωση που περιέχει ένα υδροξύλιο (-ΟΗ) συνδε δεμένο με μια κορεσμένη αλκυλομάδα, για παράδειγμα, η αιθυλική αλκοόλη.
αλκυλομάδα
Χημική ομάδα που προέρχεται από το
Γενικός όρος για μια ομάδα ομοιοπολικά συνδεδεμένων ατό
οξικό οξύ.
μων άνθρακα και υδρογόνου, για παράδειγμα η μεθυλομάδα
(-CH3) ή η αιθυλομάδα (-CH 2CH3). A-Κ1νάσn (εξαρτώμενηaπό το κυκλικόΑΜΡ πρωτεϊνικήΚ1νάσn,
cyclic-AMP-dependent protein kinase)
αλληλόμορφο
ΈνΖυμο που φωσφορυλιώνει πρωτεΊνες-στόχους σε απάντη
Μια από τις εναλ/ακιικές μορφές ενός γονιδίου. Σ' ένα δι
ση προς μια αύξηση στο ενδοκυπάριο κυκλικό ΑΜΡ.
πλοειδές κύπαρο κάθε γονίδιο έχει δύο αλ/ηλόμορφα που
Γλωσσάριο
999
καταλαμβάνουν την ίδια θέση (τόπο) πάνω στα ομόλογα χρω
αμοιβάδα Γενικός όρος για μονοκόπαρους σαρκοβόρους οργανισμοός
μοσώματα.
που έρπουν: μια υποδιαίρεση των πρωτόΖωων. Το
aλ/nλoυxία
proteus είναι ένα είδος γιγαvτιαίας
Amoeba
αμοιβάδας του γλυκοό νε
Η γραμμική σειρά των υπομονάδων σε μια πολυμερή αλυσί
ροΙ> που χρησιμοποιείται ευρέως σε μελέτες με αVΤΙKείμενo
δα-για παράδειγμα, των αμινοξέων μιας πρωτεΊνης ή των νου
τον ερπυσμό των κυπάρων.
κλεοτιδίων του ΟΝΑ. Γενικά, η αλ/ηλουΧία ενός μακρομορί ου καθορίΖει την ακριβή βιολογική λειτουργία του.
ΑΜΡ
(5' -μονοφωσφορική
αδεvoσίνη)
Ένα από τα τέσσερα νουκλεοτίδια στο
aλ/nλoυxία-σήματoς
(Signal sequence)
Λλ/ηλουΧία αμινοξέων που κατευθόνει μια πρωτεΊνη σε μια
RNA.
Το ΑΜΡ παρά
γεται από την ενεργειακά ευνοϊκή υδρόλυση του ΑΤΡ (βλ Ει κόνα
3-41).
ειδική θέση του κυπάρου, όπως ο πυρήνας, τα μιτοΧόνδρια ή
άμυλο
το ενδοπλασματικό δίκτυο.
Πολυσακχαρίτης που αποτελείται εκλεκτικά από μονάδες γλυκόΖης και χρησιμοποιείται ως απόθεμα ενέργειας στα φυ
aλ/nλoυxία ΤΑΤΑ (ΤΑΤΑ box) Χαρακτηριστική αλ/ηλουΧία πλοόσια σε Τ και Α που βρίσκε ται στην πεΡΙΟΧή του υποκινητή πολ/ών ευκαρυωτικών γονι
δίων και καθορίΖει την αφετηρία της μεταγραφής.
τικά κόπαρα.
αμφmοruκή (ή αμφmαθής,
amphipathic)
Ένωση που διαθέτει υδρόφοβες και υδρόφιλες περιοΧές, για παράδειγμα, ένα μόριο φωσφολιπιδίου ή αΠOρρυπαVΤΙKOό.
αλ/οστερική πρωτείνη ΠρωτεΊνη που βρίσκεται σε δόο ή περισσότερες διαμορφώ σεις ανάλογα με την πρόσδεση ενός μορίου (συνδέτης) σε μια θέση διαφορετική από την καταλυτική θέση. Οι αλ/οστε ρικές πρωτεΊνες που αΠOτελOόVΤαι από πολ/απλές υπομονά δες συχνά εμφανίΖουν μια συνεργητική δράση στην πρόσδε ση του συνδέτη.
Όρος που αναφέρεται σε μια βιοχημική αντίδραση ή σε μια
σειρά αvτιδράσεων στην οποία μεγάλα μόρια παράγovται α πό άλ/α μικρότερα. Βιοσυνθετικός. αναγνώριση
αλυσιδωτή αVΤίδραση πολυμεράσης reactίon,
αναβολικός
(polyrnerase chaίn
PCR)
Τεχνική για την ποσοτική αόξηση (επαόξηση) ειδικών περιο
Χών του ΟΝΑ με πολ/απλοός κόκλους πολυμερισμοό, ο κα θένας από τους οποίους ακολουθείται από μια σόVΤOμη πε ρίοδο θέρμανσης ώστε να διαxωρίzovται οι συμπληρωματικοί κλώνοΙ.
-
βλ. μοριακή αναγνώριση.
αναγωγή (reductίon) Η προσθήκη ηλεκτρονίων σ' ένα άτομο, όπως συμβαίνει κα τά την προσθήκη υδρογόνου σ' ένα μόριο ή την αφαίρεση ο
ξυγόνου από ένα μόριο. Το αvτίθετo της οξείδωσης (βλ. Εικό
να
3-12).
αναερόβιος Όρος που αναφέρεται σ' ένα κόπαρο, έναν οργανισμό ή μια
αμιοιο Μόριο που περιέχει μια καρβονυλομά
δα συνδεδεμένη με μια αμίνη.
μεταβολική διεργασία που λειτουργεί απουσία αέρα ή, πιο
σωστά, απουσία μοριακοό οξυγόνου.
ανακάτεμα ή ανάμειξη εξoVΊων
αμινομάδα (-ΝΗ Ζ )
Ασθενώς βασική λειτουργική ομάδα που προέρχεται από την αμμωνία (ΝΗ 3 ). Σε υδατικό διάλυμα, μια αμινομάδα μπορεί
να προσλάβει ένα πρωτόνιο και να φέρει ένα θετικό φορτίο. αμινοξύ
(exon shuffling)
Εξελικτική διεργασία με την οποία δημΙOυργOόVΤαι νέα γονί δια από τη συνένωση συνδυασμών εξονίων που αρχικά ήταν
ανεξάρτητα και κωδικοποιοόσαν διαφορετικές πρωτεϊνικές περιοΧές.
αναπvoή (respίration)
Οργανικό μόριο που περιέχει μια αμινομάδα και μια καρβο
Γενικός όρος για κάθε διεργασία ενός κυπάρου στην οποία η
ξυλομάδα. Τα α-αμινοξέα (εκείνα στα οποία η αμινομάδα
πρόσληψη μορίων 02 είναι συΖευγμένη με την παραγωγή
και η καρβοξυλομάδα συνδέovται με το ίδιο άτομο άνθρα
CO2 ·
κα) λειτουργοόν ως δομικοί λίθοι των πρωτεϊνών (βλ Πα ράρτημα
ανάπτυξη
2-5).
Η διαδοχή των αλ/αγών με την οποία ένα γονιμοποιημένο ω
αμινοτελικό άκρο
1000
-
βλ Ν-άκρο.
Γλωσσάριο
άριο σχηματίΖει ένα πολυκόπαρο φυτό ή Ζώο.
αντιμεrαφoρέας
αναστολή από ανάδρομη τροφοδότηση
(feedback inhibitίon)
(antiport)
Μεμβρανική μεταφορική πρωτείνη που μεταφέρει δύο δια
Μια μορφή μεταβολικού ελέγχου σων οποία 10 τελικό προϊόν
φορετικά ιόντα ή μικρά μόρια διαμέσου μιας μεμβράνης προς
μιας αλυσίδας ενΖυμικώναντιδράσεωνελαπώνειτην ενεργό
αντίθετες κατευθύνσεις, είτε ταυτόχρονα είτε διαδοχικά.
τητα ενός ενΖύμου που δρα σ' ένα αρχικό στάδιο της μεταβο αντιπαράλ/nλoς
λικής οδού.
11
Σε παράλληλη διάταξη αλ/ά με αντί θετο προσανατολισμό.
ανασυνδυασμός(recombίnatίon)
Ένα παρά
Η διεργασίακατά την οποία χρωμοσώματαή μόρια ΟΝΑ δια
δειγμα είναι οι δύο κλώνοι της διπλής
σπώνται και τα κλάσματα ανασυνδέονταισε νέους συνδυα
έλικας 1Ου ΟΝΑ.
σμούς. Μπορείνα συμβεί ίη νίνο, για παράδειγμαμέσω 1Ου ε πιχιασμού κατά τη διάρκεια της μείωσης, ή ίη
vitro,
χρησιμο
αντίστροφη μεrαγραφάση
(reverse transcriptase)
ποιώντας καθαρό ΟΝΑ και ένΖυμα που διασπούν και συνδέ
ΈνΖυμο των ρετροϊών που παράγει ένα δίκλωνο ΟΝΑ αντί
ουν 1Ους κλώνους 1Ου ΟΝΑ.
γραφο από ένα μονόκλωνο ΗΝΑ εκμαγείο.
αντίσωμα (ανοσοσφαιρίvn)
ανάφαση
Στάδιο της μίτωσης κατά τη διάρκεια ίΟυ οποίου οι δύο ομά δες χρωμοσωμάτων διαχωρίζονται και απομακρύνονται η μια από την άλλη. Περιλαμβάνει την ανάφαση Α (τα χρωμοσώμα
τα μετακινούνται προς 1Ους δύο πόλους της ατράκτου) και την ανάφαση Β (οι πόλοι της ατράκτου απομακρύνονται ο ένας α
πό1Ονάλ/ο).
ση προς ένα ξένο μόριο ή έναν εισβάλλονταμικροοργανισμό.
Προσδένεταιισχυρά στο ξένο μόριο ή κύπαρο και με ίΟν τρό πο αυτό το αδρανοποιείή ίΟ σημαδεύειγια καταστροφή.
αντλία ΔιαμεμβρανικήπρωτεΊνη που προωθείτην ενεργό μεταφορά ιόντων και μικρών μορίων διαμέσου της λιπιδικής διπλοστι
ανιόν Αρνητικά φορτισμένο ιόν, Π.Χ. ίΟ CΙ- ή ίΟ
Πρωτε"lνη που παράγεται από τα Β-λεμφοκύπαρασε απάνω
CH3COO-.
βάδας.
αντλία Na+-Κ+
αvnγόνο Μόριο που αναγνωρίΖεται από ένα μόριο αντισώμα1Ος και
προσδένεται ειδικά σε αυτό. ΟνομάΖεται έτσι επειδή προκα λείτην άνοση αντίδραση (απάντηση) που παράγει τα αντισώ ματα.
(Na+-Κ+ ΑΤΡάση, αντλία νατρίου)
Διαμεμβρανική πρωτεΊνη-φορέας που βρίσκεται στην κυπα
ρική μεμβράνη των περισσότερων Ζωικών κυπάρων, η οποία
αντλεί Na + έξω από 10 κύπαρο και κ+ στο εσωτερικό1Ου κυτ τάρoυ' χρησιμοποιώνταςτην ενέργεια που προέρχεται από
την υδρόλυση1Ου ΑΤΡ.
αvnγραφη του ΟΝΑ (ΟΝΑ replicatίon)
aπλoειδης (haploid)
Η διεργασία με την οποία παράγεται ένα αντίγραφο ενός μο
Περιλαμβάνει μόνο μια ομάδα χρωμοσωμάτων, Π.Χ. ένα
ρίου ΟΝΑ.
σπερμα1ΟΖωάριο ή ένα βακτήριο (βλ επίσης διπλοειδής).
αντίδραση αφυδότωσης (dehydratίon reactίon)
-
βλ αντίδραση
συμπύκνωσης.
απλότυπος
(haplotype block)
Συνδυασμός αλ/ηί\ομόρφων και άλλων ΟΝΑ δεικτών που μεταβιβάζονται ως σύνολο επί πολ/ές γενεές.
αντίδραση συμπύκνωσης Είδος χημικής αντίδρασης στην οποία δύο οργανικά μόρια
απόπτωση
-
βί\. προγραμματισμένος κυπαρικός θάνα1Ος.
συνδέονται μεταξύ 1Ους μ' έναν ομοιοπολικό δεσμό με ταυτό χρονη αφαίρεση ενός μορίου νερού. Αποκαλείται επίσης και αντίδρασης αφυδάτωσης.
απορρυπαντικό Σαπωνοειδής ένωση με μια υδρόφοβη ουρά και μια υδρόφι λη κεφαλή. Χρησιμοποιείται ευρέως από 1Ους βιοχημικούς
αντικωδικόνιο (antίcodon) Άλ/ηλουΧία τριών νουκλεοτιδίων σ' ένα μόριο μεταφορικού
για τη διαλυ1Οποίηση των μεμβρανικών πρωτεϊνών και άλλων υδρόφοβων μορίων.
ΗΝΑ η οποία είναι συμπληρωματική με 10 κωδικόνιο ενός
μορίου αγγελιοφόρουΗΝΑ. Το αντικωδικόνιοσυνταιριάΖεται
αριθμός ανακύκλωσης
(turnover number)
μ' ένα αμινοξύ που συνδέεται ομοιοπολικά με 10 μόριο 1Ου
Στην ενΖυμική κατάλυση, ο αριθμός των μορίων 1Ου υπο
μεταφορικούΗΝΑ.
στρώμα1Ος που μετατρέπονται σε προϊόν ανά δευτερόλεπ1Ο
Γλωσσάριο
1001
και ανά μόριο ενΖUμοu. Παρά το γεγονός ότι ο αριθμός ανα
ρει ένα κόπαρο σε αόξηση ή πολ/απλασιασμό. Παραδείγμα
κόκλωσης διαφορετικών ενΖόμων ποικίλλει πoΛU, αρκετά
τα είναι ο επιδερμικός αuξητικός παράγοντας
χνά ξεπερνά το
1000, ένδειξη
ou-
για την εντuπωσιακή KoτoλUTl
ξητικός παράγοντας των αιμοπεταλίων
(EGF) (PDGF).
και ο OU-
κή ισχό των ενΖόμων.
αφεmρία αντιγραφής (replicatίon οήgin) αρχaιo6ακrήρια
Η θέση ενός βακτηριακοό, ιικοό ή εuκαρuωτικοu χρωμοσώ
Η μια από τις δόο διαιρέσεις των προκαρuωτών. Σuνήθως
ματος από την οποία αρχίζει η αντιγραφή τou
DNA.
βρίσκονται σε αφιλόξενο περιβάλ/ον (π.χ. θερμές πηγές ή α
αφυλετική αναπαραγωγή
λατοόΧο νερό).
Κάθε είδος αναπαραγωγής (όπως η εκβλάστηση στο
αρχέγονο (σrε?ιΕXΙaίO) κύτταρο
(stem cell)
Hydra,
η διμερής σχάση στα βακτήρια, η μιτωτική διαίρεση των εuκα
Σχετικά αδιαφοροποίητο κόπαρο ικανό να σuνεχίσει να διαι
ρuωτικών μικροοργανισμών) ποι! δεν περιλαμβάνει δημι
ρείται επ' αόριστον. Αποδίδει θuγατρικά κόπαρα ποι! διαφο
οuργία και σόντηξη γαμετών. Παράγει ένα άτομο γενετικώς
ροποιοόνται σε ειδικοός τuποuς κuπάρων.
ταuτόσημο με τον γονέα.
aτoμικό βάρος
Β-πωχωτό φύλ/ο
Η μάΖα τou ατόμοι! ενός ισοτόποι! εκφραΖόμενη σε
daltons.
aτoμικός αριθμός
Πρόωπο πτUXωσης ποι! uπάρχει σε
W
πολ/ές πρωτεΤνες, στο οποίο γειτονικές ~ περιοΧές μιας πολuπεπτιδικής αλuσί-
Ο αριθμός των πρωτονίων στον πuρήνα τou ατόμοι! ενός στοι
δας σuνδuάΖΟνται μεταξό τοuς με δε-
χείοu.
σμοός uδρογόνοu και σχηματίΖοuν μια
άκαμπτη, επίπεδη δομή. άτομο
Το μικρότερο σωματίδιο ενός στοιχείοι! ποι! εξακολοuθεί να διατηρεί τις χαρακτηριστικές χημικές ιδιότητές τou.
6ακrήριo Γενικό όνομα για ένα προκαρuωτικό κόπαρο. Τα βακτήρια
διακρίνονται σε δόο εξελικτικά αρΧέγονες ομάδες: τα ΑΤΡ
(5' -τριφωσφορική
αδεvoσίνη)
EuBa-
κτήρια (ονομάΖονται επίσης και βακτήρια) και τα Αρχαιοβα
Τριφωσφορικό νοuκλεοτίδιο ποι! αποτελείται από αδενίνη, ρι
κτήρια (επίσης ονομάΖΟνται και Αρχαία).
βόΖη και τρεις φωσφορικές ομάδες. Είναι ο κόριος φορέας της
χημικής ενέργειας στα κόπαρα. Οι τελικές φωσφορικές ομά
6aκτnριoρoδoψίνη
δες είναι πολό δραστικές από χημική άποψη: η uδρόλuση ή η
Φωτοαπορροφητική πρωτεΤνη με ιώδες χρώμα ποι! uπάρχει
μεταφορά τοuς σ' ένα άλ/ο μόριο ΣUμβαίνει με απελεuθέρωση
στην κuπαρική μεμβράνη τou αλόφιλοι! βακτηρίοι!
μεγάλης ποσότητας ελεόθερης ενέργειας (βλ. Εικόνα
terium halobium:
2-23).
Halobac-
αντλεί πρωτόνια έξω από το κόπαρο σε α
πάντηση προς το φως.
αριθμός του Ο
Avogadro αριθμός των daltons
(μονάδες μοριακής μάΖας) σ' ένα
Βασικό σωμάτιο
-
βλ. κεντριόλιο.
γραμμάριο. Ισοόται με τον αριθμό των μορίων σε Μ γραμμά ρια μιας οuσίας με μοριακό βάρος Μ
daltons.
Η τιμή τou είναι
6.02 χ 1023.
Βασικός ΕντΟΠΙΖόμενος κοντά στη βάση. Η βασική επιφάνεια ενός
κuπάροu βρίσκεται απέναντι στην κορuφαία επιφάνεια (βλ. ασrέρας
βασικός uμένας).
Αστεροειδές σόστημα μικροσωληνίσκων ποι! εκφόονται από ένα κεντροσωμάτιο ή από τον ένα πόλο της μιτωτικής ατρά
Εκείνος ποι! έχει τις ιδιότητες μιας βάσης. Αλκαλικός.
ΚTou.
αυλός
βασικός
βασικός υμένας
(lumen)
(basaI lamina)
Κοιλότητα ποι! περικλείεται από ένα επιθηλιακό φόλ/ο (σ' έ
Λεπτή στιβάδα εξωκuτ
ναν ιστό) ή από μια μεμβράνη (σ' ένα κόπαρο), για παράδειγ
τάριοι! στρώματος ποι!
μα, ο αuλός τou ενδοπλασματικοό δικτUοu.
διαχωρίΖει
επιθηλιακά
φόλλα και πολλά είδη
αυξητικός παρ6γovτας
(growth factor)
Εξωκuπάριο σηματοδοτικό πολuπεπτιδικό μόριο ποι! διεγεί-
1002
Γλωσσάριο
κuπάρων, όπως τα μuϊ-
κά κόπαρα ή τα λιποκότ-
ωρα, από τον συνδετικό ισrό. Μερικές φορές ονομάΖεΤαΙ βα
cDNA -
Βλ συμπΛηρωματικό
DNA
σική μεμβράνη.
γαμέmς
Είδος κυπάρων ενός διπΛοειδούς οργανισμού που φέρει μό
βάση
Μόριο που παραλαμβάνει ένα πρωτόνιο σε διάλυμα. Ο ίδιος
νο μια ομάδα χρωμοσωμάτων και έχει εξειδικευτεί για φυΛε
όρος αναφέρεΤαΙ επίσης σrις πουρίνες και τις πυριμιδίνες του
τική αναπαραγωγή. Ένα σπερμαΤΟΖωάριο ή ένα ωάριο.
DNA και ίΟυ RNA. βιβλιοθήκη
γαμεrικό (βλασrικό) κύπαρο
DNA (DNA library)
ΣυΛΛογή κΛωνΟΠΟ1ημένων μορίων
DNA.
Συνήθως αντι
προσωπεύει είτε ένα ολόκΛηρο γονιδίωμα (γενωμική βι βΛιοθήκη) είτε τ' αντίγραφα των μορίων
mRNA που απομο (cDNA βι
νώνονται από ένα κύπαρο ή ένα ισrΙKό δείγμα βΛιοθήκη)
(germ cell)
Κύπαρο που ανήκει σrην εξειδικευμένη κυπαρική σειρά που
.
σχηματίΖει τους γαμέτες (ωάρια ή σπερμαΤΟΖωάρια) ενός πο
Λυκύπαρου Ζώου ή φυτού.
GDP (5'
διφωσφορική γουανοσίvn)
Νουκλεοτίδιο που παράγεΤαΙ με υδρόΛυση της τεΛικής φω σφορικής ομάδας του GTP. ΜόΛις βρεθεί εΛεύθερο σε διάλυ μα, το
βιοσυνθετικ6ς
ΑναφέρεΤαΙ σrις διεργασίες με τις οποίες τα Ζωντανά κύπαρα παράγουν οργανικά μόρια.
GDP επαναφωσφορυΛιώνεται
γρήγορα σε
GTP, συνή
θως με μεταφορά της τεΛικής φωσφορικής ομάδας από το ΑΤΡ σrην αντίδραση: ΑΤΡ
+ GDP ~ ADP + GTP.
γενεαλογικό δέντρο
βιοχημεία Η μελέτη των χημικών ενώσεων και αντιδράσεων που συνα ντούμε σroυς Ζωντανούς οργανισμούς.
βλεφαρίδa!Kρoσσός
Η προέΛευση ενός Ζώου.
γενετική (genetίcs) Η μεΛέτη των γονιδίων ενός οργανισμού που βασίζεται σrην
(ciliurn)
Τριχοειδής προσεκβοΛή της επιφάνειας ενός κυπάρου που περιέχει ένα κεντρικό δεμάτιο μικροσωΛηνίσκων και μπορεί
κληρονομικότητα και σrην ΠOΙKιiΊότηω.
γενετική διαλογή (genetίc
screen)
να εκτεΛεί επανειΛημμένους ΧΤόπους. ΠοΛυάριθμοι κροσσοί
ΑναΖήτηση ενός ορισμένου φαινοτόπου μέσα σε μια συλ/ογή
προωθούν τη μετακινηση υγρών πάνω από επιθηΛιακά φύΛ
μεταλ/αγμένων σrεΛεxών.
Λα, Π.Χ. σroυς πνεύμονες.
γενετική μηχανική (genetίc engineeήng) βλεφαριδοφ6ρο
(ciliate)
συνδυασμένου
-
βΛ. τεχνοΛογία ανα
DNA
Τύπος μονοκύπαρου ευκαρυωτικού οργανισμού (πρωτόΖωο) που έχει σrην επιφάνειά του ποΛυάριθμες βΛεφαρίδες. Οι
γενετικός κώδικας (genetίc
code)
βΛεφαρίδες χρησιμοποιούνται για κολύμβηση, σίτιση και για
Το σύνοΛο των κανόνων που καθορίζουν την αντισr01Xία α
τη σύλ/ηψη των θηραμάτων.
νάμεσα σrις φιπλέτες των νουκλεοτιδίων του
DNA ή του RNA
(κωδικόνια) και σr' αμινοξέα των πρωτεϊνών.
VΠ1BX
Η μέγισrη Ταχύτητα μιας ενΖυμικής αντίδρασης, που επιτυγ
γενετικ6ς χάρτης
Χάνεται αμέσως μετά την προσθήκη του υπoσrρώμαίOς σε συ
Γραφική αναπαράσrαση της σειράς των γονιδίων σrα χρωμο
γκέντρωση κορεσμού.
σώμαω σε απoσrάσεις οι οποίες αντισroιxoύν σroν βαθμό α να συνδυασμού που συμβαίνει μεταξύ τους.
C-όκρο (καρβοξυτελικό όκρο) Το άκρο μιας ποΛυπεmιδικής αΛυσίδας που φέρει μια εΛεύ
θερη ομάδα καρβοξυΛικού οξέος.
γενικός μεταγρaφικ6ς παράγοντας Κάθε πρωτείνη που πρέπει να συναρμοΛογηθεί γύρω από την αλ/ηΛουΧία ΤΑΤΑ για ν' αρχίσει η μεταγραφή των περισσότε
Cd κινάση (κινάση που εξαρτάται dependent kinase)
από mv κυκλίvn,
cyclin
Πρωτεϊνική κινάση η οποία για να δράσει πρέπει να σχηματί
ρων ευκαρυωτικών γονιδίων.
γλυκογόνο
σει σύμπΛοκο με ένα μόριο κυκλίνης. Διαφορετικά σύμΜοκα
ΠοΛυσακχαρίτης που αποτεΛείΤαΙ αΠOκλεισrΙKά από μονάδες
κινάσης-κυκΛίνης πυροδοτούν TG διάφορα βήματα του
γΛυκόΖης και χρησιμοποιείΤαΙ για αποθήκευση ενέργειας σrα
Cd
κύκλου της κυπαρικής διαίρεσης με φωσφορυΛίωση ειδικών
Ζωικά κύπαρα. Μεγάλα κοκκία γΛυκογόνου αφθονούν ιδιαί
πρωτεϊνών-σrόxων.
τερα σrα ηπατικά και TG μυϊκά κύπαρα.
Γλωσσάριο
1003
γλυΚΟΖαμινογλυκάνη
νεργοποιούνταιαπό την πρόσδεση μιας ορμόνης ή ενός άλ
(GAG)
Οικογένεια πολυσακχαριτών υψηλού μοριακού βάρους που
λου συνδέτη σ' έναν μεμβρανικό υποδοΧέα.
περιέχουν αμινοσάκχαρο και σχηματίΖουν ΠΡOσrατευTlKά πε
γραμμομόριο (mole)
ριβλήματα γύρω από τα Ζωικά κύτταρα.
Μ γραμμάρια μιας ουσίας, όπου Μ η σχετική μοριακή μάΖα
της (μοριακό βάρος). Ένα γραμμομόριο οποιασδήποτε ου
γλυκόΖη Σάκχαρο με έξι άτομα άνθρακα που παίζει κύριο ρόλο σroν μετα βολισμό των Ζωντανών κυττά
ρων. Αποθηκεύεται σε πολυμερή μορφή ως γλυκογόνο σrα Ζωικά
κύτταρα και ως άμυλο σrα φυTlκά κύτταρα (βλ. Παράρτημα
σίας περιέχει
ς:Η 2 ΟΗ
Η/Υ --ο" ΟΗ Ι
c
Η
Ι'\.. ΟΗ
ΗΟ ~I
ν
c
GTP (5' τριφωσφορική
γουανοσίνη)
Κύριο τριφωσφορικό νουκλεοτίδιο που χρησιμοποιείται σrη
Η ./ ι
I~ Η
σύνθεση του ΗΝΑ και σε μερικές αντιδράσεις μεταφοράς ε
C-C Ι Η
6.02 χ 2023 μόρια.
Ι ΟΗ
νέργειας. Παίζει ειδικό ρόλο σrη συναρμολόγηση των μικρο σωληνίσκων, σrην πρωτεϊνοσύνθεση και σrην κυτταρική ση
2-3).
ματοδότηση.
γλυκολιπίδιο Μεμβρανικό λιπίδιο που φέρει μια μικρή υδατανθρακική α λυσίδα συνδεδεμένη με μια υδρόφοβη ουρά.
DAG -
Βλ. διακυλογλυκερόλη.
δακώMoςγ~oυμπoυλίνης Πρωτεϊνικό σύμπλοκο σrα κεντροσωμάτια που οργανώνει τη
γλυκόλυση Οικουμενική μεταβολική οδός σro κυτταροδιάλυμα, κατά την οποία τα σάκχαρα αποδομούνται ατελώς και παράγεται ΑΤΡ.
συναρμολόγηση των μικροσωληνίσκων.
dalton Μονάδα μοριακής μάΖας. ΟρίΖεται ως το ένα δωδέκατο της
γλυκοπρωτεΤνη Κάθε πρωτεΤνη που φέρει μια ή περισσότερες ομοιοπολικά συνδεδεμένες ολιγοσακχαριτικές αλυσίδες. ΓλυκοπρωτεΤνες είναι οι περισσότερες εκκρινόμενες πρωτεΤνες και οι περισ σότερες πρωτεΤνες που εκτίθενται σrην εξωτερική επιφάνεια της κυτταρικής μεμβράνης.
μάΖας ενός ατόμου άνθρακα 12 (1.66χ 10-24 g). Είναι περί που ίσο με τη μάΖα ενός ατόμου υδρογόνου.
δεαKεruλάση των ιστονών
(histone deacetylase)
ΈνΖυμο που αφαιρεί ακετυλομάδες από τα κατάλοιπα λυσί νης των ιστονών. Η Kατάσrαση ακετυλίωσης των ισroνών λει τουργεί ως σήμα που προσελκύει άλλες πρωτε'ίνες οι οποίες
γονιοιο
ενεργοποιούν ή Kατασrέλ/oυν τη μεταγραφή.
Η περιοχή του ΟΝΑ που ελέγχει ένα ξεxωρισrό κληρονομικό
χαρακτηριστικό ενός οργανισμού. Συνήθως αντισroιxεί μόνο σε μια πρωτεωη ή ΗΝΑ.
δέκτης ηλεκτρονίων
(electron acceptor)
Άτομο ή μόριο που εύκολα προσλαμβάνει ηλεκτρόνια. Μόλις προσλάβει ένα ηλεκτρόνιο, λέμε ότι υπέσrη αναγωγή.
γονιδίωμα
(genome)
Το σύνολο των γενεTlκών πληροφοριών ενός κυττάρου ή ε
δεvδρπης
(dendrite)
νός οργανισμού (ή τα μόρια ΟΝΑ που μεταφέρουν αυτές τις
Αποφυάδα ενός νευρικού κυττάρου, συνήθως διακλαδισμέ
πληροφορίες)
νη και σχετικά βραχεία, που δέχεται ερεθίσματα από άλλα
.
νευρικά κύτταρα.
γονιμοποίηση
Ακολουθία γεγονότων που αρχίΖει όταν ένα σπερμαΤΟΖωάριο
δεoξυρι6oνoυκλεϊvικό οξύ
-
βλ. ΟΝΑ.
έλθει σ' επαφή μ' ένα ωάριο, οπότε ακολουθεί σύντηξή τους και περαιτέρω ανάπτυξη.
δέσμευση του αΖώτου
(nitrogen fίxatίoη)
Η ενσωμάτωση του αΖώτου από την ατμόσφαιρα σε αΖωτούχα
γονότυπος
οργανικά μόρια. Διενεργείται από βακτήρια του εδάφους και
(genotype)
Το ειδικό σύνολο των γονιδίων που φέρει ένα ορισμένο κύτ
από κυανοβακτήρια.
ταρo ή οργανισμός.
δέσμευση του άνθρακα
G πρωτεΤνες (G proteins) Μεγάλη οικογένεια πρωτεϊνών που προσδένουν
GTP.
Είναι
σημαντικά ενδιάμεσα σrις σηματοδοτικές οδούς. Συνήθως ε-
1004
Γλωσσάριο
(earbon fίxatίon)
Η διεργασία με την οποία τα πράσινα φυτά ενσωματώνουν ά τομα άνθρακα από το διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαι
ρας σε σάκχαρα. Το δεύτερο στάδιο της φωτοσύνθεσης.
διαλυτή ουσία
δεσμός - βλ χημικός δεσμός.
(solute)
Κάθε μόριο διαλυμένο σ' ένα υγρό. Το υγρό είναι ο διαλύτης.
δεσμός υδρογόνου διαμόρφωση(conformatίon)
Ασθενής χημικός δεσμός ανάμεσα σ' ένα ηλεκφοαρνητικό άτομο, όπως
ένα άτομο αΖώτου ή οξυγόνου, και σ' ένα άτομο υδρογόνου συνδεδεμένο
Η"
Ειδική διάταξη των ατόμων ενός μορίου. Το ακριβές σχήμα OIIIIIIIIIlIIH - 0 -
Η/
μιας πρωτείνης ή ενός μακρομορίουσε φεις διαστάσεις.
διαυλική πρωτείνη (channel protein)
μ' ένα άλ/ο ηλεκτροαρνητικό άτομο.
Μια πρωτείνη που σχηματίΖει έναν στενό υδρόφιλο πόρο
δεσμός υψηλής ενέργειας
διαμέσου μιας μεμβράνης, επιτρέποντας σε ιόντα ή μικρά
(high-energy bond)
Ομοιοπολικός δεσμός του οποίου η υδρόλυση απελευθερώ νει ασυνήθιστα μεγάλη ποσότητα ελεύθερης ενέργειας υπό
τις συνθήκες που επικρατούν στο κύπαρο. Παράδειγμα είναι οι φωσφοανυδριτικοί δεσμοί του ΑΤΡ και ο θειολεστερικός
δεσμός του ακετυλο-CοΑ.
άλλη.
δίαυλος
ΟΟ
Υδρόφιλος πόρος με πρωτεϊνι κά τοιΧώματα σε μια λιπιδική μεμβράνηο οποίος επιτρέπειτη
δεσμοσωμάτιο(desmosome)
διέλευση επιλεγμένωνιόντων ή
Εξειδικευμένος διακυπάριος σύν
μορίων.
δεσμος. Συνήθως σχηματίΖεται α
πό δύο επιθηλιακά κύπαρα, όπου
δίαυλος ελεγχόμενος από το δυναμικό
μεσολαβούν μόρια καντερίνης και
(voltage-gated channel)
Μεμβρανική πρωτείνη που επιτρέπει εκλεκτικά σε ορισμένα
χαρακτηρίΖεται από πυκνές πρωτε
ιόντα, όπως το
ϊνικές πλάκες στις οποίες εισχω
Na +, να διαπεράσουνμια μεμβράνη. Ο δίαυ
λος ανοίγει από αλ/αγές του δυναμικούτης μεμβράνης. Βρί
ρούν ενδιάμεσα ινίδια των δύο γει
σκεται κυρίως σε ηλεκτρικώς διεγειρόμενακύπαρα, όπως τα
τονικών κυπάρων.
δεύτερος αγγελιοφόρος
μόρια να μετακινούνται παθητικά από τη μια πλευρά στην
νευρικά και τα μυϊκά κύπαρα.
(second messenger)
Μικρό ενδοκυπάριο μόριο που σχηματίΖεται στο κυπαροδιά λυμα ή απελευθερώνεται εκεί σε απάντηση προς ένα εξωκυτ τάριο σήμα. Ο δεύτερος αΥΥελιοφόρος μεταδίδει το σήμα στο εσωτερικό του κυπάρου. Παραδείγματα είναι το και το Ca 2+.
cAMP,
η ΙΡ3
δίαυλος ελεγχόμενος από συνδέτη
(ligand-gated channel) Ιοντικός δίαυλος που ανοίγει από την πρόσδεση ενός μικρού μορί ου, όπως ένας νευροδιαβιβαστής.
δίαυλος ιόντων (ίοη
δευτεροταγής δομή
channel) ή ΙOVΤΙKός
δίαυλος
Διαμεμβρανική πρωτε'ίνη που σχηματίΖει έναν υδρόφιλο δί
Κανονικό, τοπικό πρότυπο πτύχωσης ενός πολυμερούς μορίου. Στις πρωτεΤνες, οι α-έλικες και τα β-πτυχωτά φύλ
λα.
αυλο διαμέσου της λιπιδlκής διπλοστιβάδας μέσω του οποίου
μπορεί να διαχυθούν συγκεκριμένα ανόργανα ιόντα ακολου θώντας την ηλεκτροχημική βαθμίδωσή τους.
διαγovιδιαKός
(transgenic)
δίαυλος που ενεργοποιείται από μηχανική δύναμη
(Για ένα φυτό ή Ζώο) που διαθέτει, σε σταθερά ενσωματωμέ
(stress-actίvated
νη μορφή, ένα ή περισσότερα γονίδια προερχόμενα από ένα
Μεμβρανική πρωτείνη που επιφέπει την εκλεκτική είσοδο ει
άλ/ο κύπαρο ή οργανισμό και μπορεί να τα μεταβιβάσει στις
δικών ιόντων σ' ένα κύπαρο και ανοίγει με μηχανική δύναμη.
channel)
επόμενες γενεές.
διαφοροποίηση (differentίatίon)
διακυλογλυκερόλη
(diacylglycerol, DAG)
Λιπίδιο που παράγεται από τη διάσπαση των φωσφολιπι
Η διεργασία με την οποία ένα κύπαρο αλ/άΖει και αποκτά έ να ξεχωριστό εξειδικευμένο γνώρισμα.
δίων lνοσιτόλης σε απάντηση προς εξωκυπάρια σήματα. Αποτελείται από δύο αλυσίδες λιπαρών οξέων συνδεδεμέ
διάχυση
νες με τη γλυκερόλη και λειτουργεί ως σηματοδοτικό μό
Η διασπορά μορίων και μικρών σωματιδίων από μια θέση σε
ριο που συμβάλλει στην ενεργοποίηση της πρωτεϊνικής κι
μια άλλη μέσω τυχαίων κινήσεων που προωθούνται από τη
νάσης
θερμότητα.
C.
Γλωσσάριο
1005
διμερές
ΟΝΑ μικροσυστοιχία (ΟΝΑ microarray)
(dimer)
Μια δομή που αποτελείται από δύο ισοδύναμες υπομο
Γυάλινο πλακίδιο πάνω στο
νάδες. Μερικές φορές, όταν οι δύο υπομονάδες διαφέ
οποίο τοποθετούνται με τα
ρουν, χρησιμοποιείται ο όρος «ετεροδιμερές»
κτική σειρά δεκάδες χιλιάδες
(hetero-
βραχέα μόρια
dimer).
DNA.
Καθένα
από αυτά τα κί\άσματα
δι6ρθωση λαθών
(proofreading) ή έλεγχος πιστ6mτας Η διεργασία με την οποία η DNA πολυμεράση διορθώνει ί\άθη της καθώς μετακινείται κατά μήκος του DNA.
τα
ένα ειδικό γονίδιο και επιτρέ πει να μελετηθούν ταυτόΧρο να τα
διπλή έλικα
DNA
λειτουργεί ως ανιχνευτής για
(double helίx)
mRNA μετάγραφα
χι
λιάδων γονιδίων.
Η τυπική διαμόρφωση ενός μορίου
DNA ΟΝΑ πολυμεράση (ΟΝΑ polymerase)
στην οποία δύο κλώνοι περιελίσσονται ο έ
-
βλ. πολυμεράση.
νας γύρω από τον άλ/ο με Ζευγάρωμα των
δ6mς ηλεκτρονίων
βάσεων ανάμεσα στους κλώνους.
(electron donor)
Μόριο που εύκολα αποδίδει ηλεκτρόνια. Μόλις συμβεί αυτό, διπλοειδής
λέμε ότι υπέστη οξείδωση.
Περιλαμβάνει δύο σύνολα ομόλογων χρωμοσωμάτων και επομένως δύο αντίγραφα κάθε γονιδίου ή γενετικού τό
Drosophila melanogaster Είδος μικρής μύγας, που κοινώς ονομάΖεται φρουτόμυγα.
που.
Χρησιμοποιείται ευρύτατα σε γενετικές μελέτες με αντικείμενο
διπλός δεσμός
την ανάπτυξη.
Είδος χημικού δεσμού ανάμεσα σε δύο άτομα, που σχηματί
δύναμη νοο
Ζεται με συνεισφορά τεσσάρων ηλεκτρονίων.
der Waals
Ασθενής ελκτική δύναμη που οφείλεται σε κυμαινόμενα ηλε
διοaκxαρfmς
κτρικά φορτία η οποία αναπτύσσεται ανάμεσα σε δύο άτομα
Μόριο υδατάνθρακα, όπως η σουκρόΖη, που αποτελείται α
που απέχουν
πό δύο ομοιοπολικά συνδεδεμένες μονοσακχαριτικές μο
να λειτουργούν ισχυρές απωθητικές δυνάμεις.
0.3-0.4 nm.
Σε μικρότερη απόσταση, αρχίΖουν
νάδες.
δυναμική αστάθεια δισθενές
(dynamic instability)
Η ιδιότητα των μικροσωληνίσκων ν' αυξάνουν και να συρρι
(bivalent)
Ένα διπλασιασμένο χρωμόσωμα Ζευγαρωμένο με το ομόλο
κνώνονται επανειΛημμένα με προσθήκη και απώλεια υπομο
γό του διπλασιασμένο χρωμόσωμα στην αρχή της μείωσης.
νάδων τουμπουλίνης στα εκτεθειμένα άκρα τους.
διοουλφυδριλικ6ς δεσμός (δεσμός
δυναμικό δράσης (actίon potentίal)
5-5)
Ομοιοπολικός δεσμός που σχηματίΖεται ανάμεσα σε δύο
Ταχύ, παροδικό, αυτο-διαδιδόμενο ηλεκτρικό σήμα στην κυτ
σουλφυδριλικές ομάδες δύο καταλοίπων κυστεΊνης. Έ
ταριKή μεμβράνη ενός κυττάρου όπως ένας νευρώνας ή ένα
νας κοινός τρόπος για τη σύνδεση δύο πρωτεϊνών ή δια
μυϊκό κύτταρο. Μια νευρική ώση.
φορετικών τμημάτων της ίδιας πρωτεΊνης στον εξωκυττά
δυνείνη
ρω χώρο.
(dynein)
Μέλος της οικογένειας μεγάλων κινητήριων πρωτεϊνών που
διχάλα αντιγραφής (replicatίon
διεκπεραιώνουν μια εξαρτώμενη από το ΑΤΡ μετακίνηση κα
fork)
ΠερΙΟΧή σε σχήμα γ ενός αντιγραφόμενου μορίου
DNA στην
οποία διαχωρίΖΟνται οι δύο αρχικοί κλώνοι και συντίθενται οι
τά μήκος των μικροσωληνίσκων. Η δυνεΊνη είναι υπεύθυνη για την κάμψη των κροσσών.
δύο νέοι θυγατρικοί κλώνοΙ.
ειδικ6mτα
-
βλ. μοριακή ειδικότητα
ΟΝΑ (δεoξυριβoνoυκλεϊVΙK6 οξύ) Δίκλωνο πολυνουκλεοτίδιο που σχηματίΖεται από δύο ξεχω ριστές αλυσίδες δεοξυριβονουκλεοτιδίων. Λειτουργεί ως φο
έκκριση
Παραγωγή και έκλυση μιας ουσίας από ένα κύτταρο.
ρέας των γενετικών πληροφοριών.
εκκρπικό κυστίδιο ΟΝΑ λιγκάση (ΟΝΑ
1006
Γλωσσάριο
Iigase) -
βλ. λιγκάση.
(secretory vesicle)
Μεμβρανικό οργανίδιο στο οποίο αποθηκεύονται πριν από
την απελευθέρωσή τους τα μόρια που προορίζονται για έκκρι
εναρκτήριο
tRNA tRNA που
ση. Μερικές φορές αποκαλείται εκκριτικό κοκκίο επειδή το
Εξειδικευμένο
βαθυχρωματικό περιεΧόμενο κάνει το οργανίδιο να φαίνεται
ρει το αμινοξύ μεθειονίνη.
αρχίζει τη μετάφραση. Πάντοτε φέ
σαν ένα μικρό πυκνό αντικείμενο.
ενδιάμεσο ινίδιο εκμαγείο
(intermediate filarnent)
Ινώδες πρωτεϊνικό νημάτιο (διαμέτρου περίπου
(template)
10 nm)
που
Μια μοριακή δομή που λειτουργεί ως υπόδειγμα για την πα
σχηματίζει σχΟ1νοειδή δεμάτια στα Ζωικά κύπαρα. Συχνά πα
ραγωγή άλλων μορίων. Επομένως, μια ειδική αλληλουΧία
ρέχει εκτατική ισχύ για αντίσταση στην τάση που ασκείται στο
νουκλεοτιδίων του ΟΝΑ μπορεί να δράσει ως εκμαγείο για να
κύπαρο από έξω.
κατευθύνει τη σύνθεση ενός νέου κλώνου ΟΝΑ με συμπλη
ενδOKUΠάρωση (endocytosΊS)
ρωματική αλ/ηλουΧία.
Η πρόσληψη υλικών από ένα κύπαρο με μια εγκόλπωση της
εκτύπωση κατά
Southem (Southem bIottίng)
κυπαρικής μεμβράνης που οδηγεί στη δημιουργία ενός εν
Τεχνική κατά την οποία κλάσματα ΟΝΑ πρώτα διαχωρίΖΟνται
δοκυπάριου, μεμβρανικού κυστιδίου (βλ. επίσης πινοκυπά
με ηλεκτροφόρηση, έπειτα καθηλώνονται σ' ένα φίλτρο και
ρω ση και φαγοκυπάρωση).
τέλος ανιχνεύονται μ' έναν σημασμένο ανιχνευτή (ένα σημα
σμένο νουκλεϊνlκό οξύ). Επινοήθηκε από τον
Ed Southern.
ενδοκυπάρωση διαμεσολαβούμενη από υποδοχείς
(receptor-
mediated endocytosΊS) εKφραzόμεvn αλ/nλoυXΊα-σήμα
(expressed sequence tag, EST) Άλ/ηλουΧία νουκλεοτιδίων (μήκους συνήθως 300-500 νου κλεοτιδίων) που προέρχεται από το mRNA ενός οργανισμού. Μεγάλες συλ/ογές EST χρησιμεύουν επειδή επισημαίνουν
Μηχανισμός επιλεκτικής πρόσληψης από τα Ζωικά κύπαρα
στον οποίο ένα μακρομόριο προσδένεται σ' έναν υποδοΧέα της κυπαρικής μεμβράνης και εισέρχεται στο κύπαρο ως κυ
στίδιο επικαλυμμένο με κλαθρίνη.
τις κωδικοποιητικές περιοχές των γονιδιωμάτων.
ενδοπλασμαπκό δίκτυο έκφραση γονιδίου
retίculum,
(gene expression)
(endoplasmic
ER)
Η διεργασία με την οποία ένα γονίδιο ασκεί τη δράση του σ'
Ένα λαβυρινθώδες μεμβρανικό διαμέ
ένα κύπαρο ή έναν οργανισμό, συνήθως κατευθύνοντας τη
ρισμα στο κυπαρόπλασμα των ευκα
σύνθεση ενός μορίου ΗΝΑ που μπορεί να μεταφραστεί σε μια
ρυωτικών κυπάρων, όπου εκκρίνονται
πρωτεΙνη με χαρακτηριστική δράση.
τα λιπίδια και παρασκευάΖΟνται ΟΙ μεμ βρανικές πρωτείνες.
ελασματοπ6διο
(larnel1ipodium)
Δυναμική φυλ/οειδής προσεκβολή της κυπαρικής μεμβρά
νης ενός Ζωικού κυπάρου, ιδίως όταν μεταναστεύει πάνω σε
ενδοσωμάτιο Μεμβρανικό διαμέρισμα ενός ευκαρυωτικού κυπάρου διαμέ
μια επιφάνεια.
σου του οποίου τα ενδοκυπαρωμένα υλικά προχωρούν προς
ελεύθερη ενέργεια
τα λυσοσωμάτια.
(G)
Ενέργεια που μπορεί ν' αποσπαστεί από ένα σύστημα για την εκτέλεση χρήσιμου έργου, όπως η προώθηση μιας χημικής
ενέργεια δεσμού Η ισχύς του χημικού δεσμού ανάμεσα σε δύο άτομα, η οποία
αντίδρασης.
μετράται από την ενέργεια (σε XιiΊlOθερμίδες!γραμμoμόριo) που χρειάΖεται για τη διάσπασή του.
έλικα Επιμήκης δομή που περιελίσσεται κανονικά
γύρω από έναν κεντρικό άξονα (βλ. επίσης ενέργεια ενεργοποίησης
α-έλικα).
Η επιπρόσθετη ενέργεια που πρέπει ν' αποκτήσει ένα μόριο
εμβρυϊκό αρχέγονο κύπαρο (embιyonic
stem οοll, ES οοll)
Αδιαφοροποίητο κύπαρο που προέρχεται από την έσω κυπα
για να ξεπεράσει το φράγμα της ενέργειας για να συμμετά σχει σε μια συγκεκριμένη χημική αντίδραση.
ρική μάΖα ενός πρώιμου εμβρύου θηλαστικού. Τα εμβρυϊκά αρΧέγονα κύπαρα μπορεί να διατηρηθούν επ' αόριστον ως
ενεργό κέντρο (actίve
site)
κυπαρική σειρά σε καλ/ιέργεια. Ωστόσο, όταν τοποθετηθούν
Η πεΡΙΟΧή της επιφάνειας ενός ενΖύμου στην οποία προσδέ
στο κατάλ/ηλο περιβάλ/ον μπορεί να διαφοροποιηθούν σε
νεται ένα μόριο υποστρώματος προτού συμμετάσχει σε μια
οποιοδήποτε είδος κυπάρων του ενήλικου σώματος.
καταλυόμενη αντίδραση.
Γλωσσάριο
1007
εξίσωση
ενεργοποιημένος φορέας
Nemst
Μικρό μόριο που περιέχει μια χημική ομάδα σε δεσμό υψηλής
Ποσοτική έκφραση που συσχετίζει τον λόγο των συγκεντρώ
ενέργειας. Λειτουργεί ως δότης ενέργειας ή μιας χημικής ομά
σεων ενός ιόντος στις δύο πλευρές μιας διαπερατής μεμβρά
δας σε πολ/ές διαφορετικές χημικές αντιδράσεις. Χαρακτηριστι
νης σε κατάαταση ισορροπίας με τη διαφορά δυναμικού δια
κά παραδείγματα είναι το ΑΤΡ, το ακετυλο-CοΑ και το NADH.
μέσου της μεμβράνης.
ενεργοποιητής (actίvator)
εξόvιo
Στα βακτήρια, μια πρωτεΤνη ποι> προσδένεται σε μια ειδική περιοχή του
DNA για να
επιτρέψει τη μεταγραφή ενός γειτο
νικού γονιδίου.
(exon)
Το τμήμα ενός ευκαρυωτικού γονιδίου που μεταγράφεται σε ΗΝΑ και κωδικοποιεί την αλ/ηλουΧία των αμινοξέων ενός τμήματος μιας πρωτεΤνης (βλ. επίσης ιντρόνιο).
ενεργός μεταφορά
εξωKuπάριo στρώμα (extracellUΙar matrίx)
Η μετακίνηση ενός μορίου διαμέσου μιας μεμβράνης που
Περίπλοκο δίκτυο πολυσακχαριτών (όπως οι γλυΚΟΖαμινο
προωθείται από την υδρόλυση του ΑΤΡ ή κάποιο άλ/ο είδος
γλυκάνες ή η κυτταρίνη) και πρωτεϊνών (όπως το κολ/αγόνο)
μεταβολικής ενέργειας.
που εκκρίνονται από τα κύτταρα. Ένα δομικό συατατικό των ιατών που επίσης επηρεάΖει την ανάπτυξη και τη φυσιολογία
ένζυμο
τους.
Μια πρωτεΤνη που καταλύει μια ειδική χημική αντίδραση.
εξωKUΠόρωση
ένζυμο περιορισμού (restrίctίon
enzyme) ή νουκλεάση περιορι σμού (restrictίon nuclease)
κύτταρο τα περισσότερα εκκρινόμενα μόρια. Τα μόρια ou-
σκευάΖΟνται σε μεμβρανικά κυατίδια τα οποία συντήκονται με
Μια νουκλεάση που αναγνωρίΖει μια ειδική βραχεία αλ/ηλουΧΊα νου
κλεοτιδίων του
την κυτταρική μεμβράνη και απελευθερώνουν το περιεΧόμε
illt,
DNA και διασπά το
DNA σε αυτή την αλ/ηλουΧία.
Τα
νό τους ατον εξωκυττάριο Χώρο.
~~
διαφορετικά ένΖυμα περιορισμού νουκλεοτιδίων.
καθώς ωριμάΖεΙ. Για ένα ευκαρυωnκό ΗΝΑ, η επεξεργασία
Χρησι
συνήθως περιλαμβάνει την προσθήκη της καλύmρας, τη συρ
μοποιούνται ευρέως στην τεχνολο
γία του ανασυνδυασμένου ενισχυτής
ραφή και την πολυαδενυλίωση.
DNA.
εωδιόρθωση aταίριαστων Ζευγών
(enhancer)
Ρυθμιστική αλ/ηλουΧία του
DNA ατην
οποία ηροσδένονται
ρυθμιστικές πρωτεΛ/ες επηρεάζοντας τη μεταγραφή ενός δομι κού γονιδίου το οποίο μπορεί ν' απέχει Χιλιάδες Ζεύγη βάσεων.
Διεργασία με την οποία ένα μόριο
DNA ανασυνδυάΖεται
με έ
να άλ/ο μόριο και ενσωματώνεται σε αυτό. Για παράδειγμα, το γονιδίωμα ενός ρετροϊού ενσωματώνεται στο γονιδίωμα ε νός κυττάρου-ξενιστή.
(entropy)
Θερμοδυναμικός όρος που μετρά τον βαθμό της αταξίας ενός
(mismatch repair)
Σημαντικός μηχανισμός επιδιόρθωσης λαθών κατά την αντι γραφή του
DNA.
Πυροδοτείται από την παρουσία αταίρια
ατων Ζευγών βάσεων.
επιδιόρθωση του ΟΝΑ (ΟΝΑ
ενσωμάτωση (integratίon)
εντροπία
επεξεργασία RNA Γενικός όρος για τις τροποποιήσεις που υφίαταται ένα ΗΝΑ
αναγνωρίζουν διαφορετικές αλ/η
λουΧίες
(exocytosis)
Η διεργασία με την οποία εξάγονται από ένα ευκαρυωnκό
repair)
Όρος που αναφέρεται συνολικά στις διεργασίες που επιδιορ θώνουν τις επιβλαβείς αλ/αγές οι οποίες επηρεάΖουν τη συ νέχεια ή την αλ/ηλουΧία ενός μορίου
DNA.
επιθήλιο Ένα κυτταρικό φύλ/ο που καλύmει ή επενδύει μια εξωτερική επιφάνεια ή μια κοιλότητα.
συστήματος. Όσο μεγαλύτερη είναι η εντροπία τόσο μεγαλύ τερη είναι και η αταξία του συστήματος.
επικαλυμμένο κυατίδιο Μικρό μεμβρανικό οργανίδιο μ' έ
εξέλιξη
ναν κλωβό
(κάλυμμα)
πρωτεϊνών
Σταδιακή αλ/αγή σ' έναν πληθυσμό Ζωντανών οργανισμών
προς την πλευρά του κυτταροδιαλύ
που πραγματοποιείται με μεταλ/άξεις και φυσική επιλογή μέ
ματος. ΣχηματίΖεται με αποκοπή από
σα σε πολ/ές γενεές. Η διεργασία με την οποία δημιουργού
μια επικαλυμμένη περιοχή της μεμ
νται νέα είδη Ζωντανών οργανισμών.
βράνης.
1008
Γλωσσάριο
επιχιασμός
Ζύμωση
(crossing-over)
Η διεργασία με την οποία δύο ομόλογα χρωμοσώματα σπά
Η αποδόμηση οργανικών μορίων χωρίς τη συμμετοχή μορια
Ζουν σε αντίστοιχες θέσεις και επανασυνδέονται για να σχη
κού οξυγόνου. Η οξείδωση είναι λιγότερο πλήρης απ' ό,τι
ματίσουν δύο ανασυνδυασμένα χρωμοσώματα.
στις αερόβιες διεργασίες και αποδίδει λιγότερη ενέργεια.
Escheήchίa
coli (Ε. coli)
Ραβδόσχημο βακτήριο το οποίο
κανονικά βρίσκεται στο παχύ έ-
ντερο των ανθρώπων και άλλων
Q;;e-Q.
ηλεκτρόνιο Θεμελιώδες υποατομικό σωματίδιο. Η μονάδα του αρνητικού φορτίου
(e-).
ηλεκτροχημική βαθμίδωση
θηλαστικών και χρησιμοποιείται
(electrochemical gradient)
Προωθητική δύναμη που αναγκάΖει ένα ιόν να μετακινηθεί
ευρύτατα στη βιοϊατρική έρευνα.
διαμέσου μιας μεμβράνης. Προκαλείται από διαφορές της
εσωτερική μεμβράνη
συγκέντρωσης των ιόντων και του ηλεκτρικού δυναμικού στις
Μεμβράνη ενός ευκαρυωτικού κυττάρου διαφορετική από
δύο πλευρές της μεμβράνης.
την κυτταρική μεμβράνη. Παράδειγμα είναι οι μεμβράνες του ενδοπλασματικού δικτύου και της συσκευής
ημιδεσμοσωμ6τιο
Golgi.
Εξειδικευμένη κυτταρική συμβολή ανάμεσα σ' ένα επιθηλια
κό κύτταρο και στον υποκείμενο βασικό υμένα.
εrερόzυγoς Οργανισμός με ανόμοια αλ/ηλόμορφα για ένα γονίδιο.
θειολεστερικός δεσμός εrερoxρωματίνη
Δεσμός υψηλής ενέργειας που σχηματίΖεται με μια αντίδρα
(heterochromatin)
Περιοχή ενός χρωμοσώματος που παραμένει ασυνήθιστα συ
ση συμπύκνωσης ανάμεσα σε μια όξινη ομάδα (ακυλομάδα)
μπυκνωμένη και μεταγραφικά ανενεργός κατά τη μεσόφαση.
και μια θειολική ομάδα
(-SH). Για παράδειγμα, βρίσκεται στο
OKEIυAoCoA και σε πολλά σύμπλοκα ενΖύμου-υποστρώμα ευβακτήρια (eubacteήa)
τος.
Ο κατάλ/ηλος όρος για τα κοινά βακτήρια. Χρησιμοποιείται
θερμίδα (caιοήe)
για να τα διακρίνει από τα αρχαιοβακτήρια.
Μονάδα θερμότητας. Μια θερμίδα είναι η ποσότητα της θερ
ευκαρυώmς
μότητας που χρειάΖεται για ν' αυξηθεί η θερμοκρασία
Ζωντανός οργανισμός που αποτελείται από ένα ή περισσότε
μαρίου νερού κατά
1 γραμ
1 ο C.
ρα κύτταρα με χαρακτηριστικό πυρήνα και κυτταρόπλασμα. Ο όρος περιλαμβάνει τα Ζώα, τα φυτά, τους μύκητες και τα πρω
θέση πρόσδεσης
(binding site)
Η περιοχή στην επιφάνεια μιας πρωτεl\ιης
τόΖωα, όχι όμως και τα βακτήρια (προκαρυώτες).
λότητα ή μια αύλακα
Ζεύγος βάσεων
συνήθως μια κοι
η οποία έχει συμπληρωματικό σχήμα
μ' ένα άλ/ο μόριο (τον συνδέτη) και επομένως μπορεί να το
Δύο νουκλεοτίδια σ' ένα μόριο ΗΝΑ ή
DNA που
νουν με δεσμούς υδρογόνου, για παράδειγμα, το και το Α με το Τ ή το
-
-
Ζευγαρώ
προσδέσει μέσω του σχηματισμού πολ/απλών ασθενών (μη
G με το C
ομοιοπολικών) δεσμών.
U. ίη VΊtro
Όρος που χρησιμοποιείται από τους βιοχημικούς για να περι
Ζυγώmς Διπί\οειδές κύτταρο που σχηματίζεται από τη σύντηξη ενός αρσε νικού και ενός θηλυκού γαμέτη. Ένα γονιμοποιημένο ωάριο.
γραφεί μια διεργασία που πραγματοποιείται σ' ένα απομονω μένο υποκυτταρικό εκΧύλισμα. Επίσης, χρησιμοποιείται από τους κυτταρικούς βιολόγους κατά την αναφορά σε κύτταρα
που αυξάνουν σε καλ/ιέργεια.
Ζύμη Κοινός όρος για αρκετές οι κογένειες μονοκύτταρων μυ
κήτων.
Περιλαμβάνει
είδη
ίηvίνo
Σ' ένα ακέραιο κύτταρο ή οργανισμό.
που χρησιμοποιούνται για τη Ζύμωση της μπύρας και την
παρασκευή του ψωμιού, ό
ινοβλάστη (fίbroblast) Κοινό είδος κυττάρων που βρίσκεται στον συνδετικό ιστό και
πως επίσης και είδη που προ
εκκρίνει ένα εξωκυττάριο στρώμα πλούσιο σε κολ/αγόνο και
καλούν νοσήματα.
άλ/α μακρομόρια. Μεταναστεύει και πολ/απλασιάΖεται γρή-
Γλωσσάριο
1009
γορα κατά την επούλωση των τραυμάτων και σε ιστική καλ
νιστή, από το οποίο απελευθερώνονται νέα σωματίδια ιού για
λιέργεια.
να μολύνουν άλ/α κύπαρα. Συχνά είναι παθογόνος.
ινοπ6διο (fίlopodiurn)
ισομερές (σrερεoϊσoμερές)
Μακριά, λεmή αποφυάδα στην επιφάνεια ενός Ζωικού κυπά
Μέλος μιας ομάδας ουσιών που περιέχουν τα ίδια άτομα και
ρου που περιέχει ακτίνη. Μερικές φορές έχει εξερευνητική
έχουν τον ίδιο χημικό τύπο (π.χ.
λειτουργία, όπως στον αυξητικό κώνο ενός αναΠΤUσσόμενOυ
ως προς τη χωροταξικήδιάταξη αυτών των ατόμων. Δύο οπτι
νευρικού κυπάρου.
κά ισομερή είναι κατοπτρικά είδωλα το ένα του άλ/ου.
ινοσπόλη
ΟΗ
Σάκχαρο με έξι υδροξυλομάδες που αποτελεί το υδατανθρακικό τμήμα των φωσφολιπιδίων της ινοσιτόλης.
H~ ΟΗ ΟΗ ΗΟ
ΟΗ
ισομορφή
αλ/ά διαφέρουν
(isoform)
Μια από τις διάφορες μορφές της ίδιας πρωτε'fνης που διαφέ
ρουν κάπως ως προς την αλληλουΧία των αμινοξέων τους. Μπορεί να παράγονται από διαφορετικά γονίδια ή με εναλ/α κτική συρραφή
Μρ6νιο (ίηποη)
C6 H120 6 ),
(alternative splicing) RNA μεταγράφων
του ί
διου γονιδίου.
Η περιοχή ενός ευκαρυωτικούγονιδίου που δεν κωδικοποιεί
μια πρωτεϊνική αλληλουΧία αλ/ά μεταγράφεταισε
RNA και
ισορροπία
στη συνέχεια αφαιρείται με τη διεργασία της συρραφής του
Σε χημικό πλαίσιο, μια κατάσταση στην οποία δύο αντιστρε
RNA έτσι
πτές αντιδράσεις πραγματοποιούνται με την ίδια ακριβώς τα
ώστε να παραΧθεί
mRNA.
(ΟνομάΖεται έτσι επειδή
παρεμβάλ/εται ανάμεσα στα τμήματα του
RNA που
κωδικο
Χύτητα, οπότε δεν συμβαίνει καμιά χημική μεταβολή.
ποιούν πρωτεΤνες).
ισότοπο ινώδης πρωτείνη
(isotope)
Μια από τις μορφές ενός ατόμου που έχουν την ίδια χημεία
Μια πρωτεΤνη με επίμηκες σχήμα. Συνήθως, μια πρωτεΤνη, ό
αλ/ά διαφέρουν ως προς τον ατομικό αριθμό. Μπορεί να εί
πως το κολ/αγόνοή η πρωτεΤνητων ενδιάμεσωνινιδίων, ικα
ναι σταθερό ή ραδιενεργό.
νή να συγκροτείμακριές νηματοειδείςδομές. ισrόνες
ιόν
Ομάδα βασικών πρωτεϊνών, πλούσιων σε αργινίνη και λυσί
Άτομο ή μόριο που φέρει ένα ηλεκτρικό φορτίο, θετικό ή αρ
νη, που διασυνδέονται με το
DNA στα χρωμοσώματα.
νητικό.
ισrός
ιόν υδρογόνου (Η+)
Οργανωμένο συνάθροισμα εξειδικευμένων κυπάρων που
Ένα πρωτόνιο σε υδατικό διάλυμα εκφράΖει την οξύτητα. Τα
σχηματίζει ένα χαρακτηριστικό μέρος ενός φυτού ή ενός Ζώου.
πρωτόνια αυτά συνδέονται εύκολα με μόρια νερού και σχη
ματίΖουν Η 3 Ο+ (ιόντα υδρωνίου). Έτσι, τα ιόντα υδρογόνου γενικά είναι σπάνια.
Kαθυσrερημένoς κλώνος
(lagging strand)
Ο ένας από τους δύο νεοσυντεθειμένους κλώνους του
DNA σε
μια διχάλα αντιγραφής. Ο καθυστερημένος κλώνος παράγεται σε
ιόν υδρωνίου (Η 3Ο+)
ασυνεχή τμήματα τα οποία αργότερα συνδέονται ομοιοπολικά.
Το ιόν που δημιουργείται από την προσθήκη ενός πρωτονίου καλμοδουΜνη
σ' ένα μόριο νερού.
(CaM)
Μικρή πρωτεΤνη που προσδένει Ca 2 +, η οποία τροποποιείτη ιονπκός δεσμός
(ionic bond)
Ελκτική δύναμη που συγκρατεί δύο ιόντα, το ένα θετικό και το
δραστηριότηταπολ/ών ενΖύμων και άλ/ων πρωτεϊνών σε α-
,
παντηση προς μετα
β ο λ' ες
,
της συγκεντρωσης του
Ca2+ .
άλ/ο αρνητικό.
CaM κινάση (κινάση εξαρτώμενη από το σύμπλοκο ασβεσrίoυ/ καλμοδουΜνης)
ιός Λοιμώδες σωματίδιο που αποτελείται από ένα νουκλεϊνικό οξύ (ΗΝΑ ή
ΈνΖυμο που φωσφορυλιώνει πρωτεΤνες-στόχους σε απάντη ση προς μια αύξηση των ιόντων Ca2+ μέσω της αλ/ηλεπίδρα
DNA) που περικλείεται
σής του με την καλμοδουλίνη.
σ' ένα πρωτε
ϊνικό περίβλημα. Αντιγράφεται με πα ρασιτισμό σε βάρος του αναπαραγω
γικού μηχανισμού ενός κυπάρου-ξε-
1Ο 1Ο
Γλωσσάριο
καντερίνη
Μέλος μιας οικογένειας πρωτεϊνών που μεσολαβούν στην ε-
ξαρτώμενη αηό το ασβέσrιo διακυττάρια προσκόλ/ηση σroυς
κατευθυνόμενη μεταλλαξιOγΈVεση Τεχνική για την εισαγωγή μεταλλάξεων σε ειδικές θέσεις του
Ζωικούς ισroύς.
ΟΝΑ.
KαρβOVΥλOμάδα
(-C=O)
Χημική ομάδα που αποτελείται από ένα ά
τομο άνθρακα ηου συνδέεται με διπλό δε
/
c
Ο
κατιόν
Θετικά φορτισμένο ιόν, όπως το Na + ή το
CH3NH 3+.
σμό μ' ένα άτομο οξυγόνου.
κεντρικό δόγμα καρβοξυλομάδα
(-COOH)
Η αρχή που ορίΖει ότι
Χημική ομάδα που αποτελείται από ένα άτομο άνθρακα το
οι γενετικές πληροφο
οποίο συνδέεται με διπλό δεσμό μ' ένα άτομο οξυγόνου
ρίες
και με απλό δεσμό με μια υδροξυλομάδα. Τα μόρια που
ΟΝΑ σro ΗΝΑ και από
περιέχουν μια καρβοξυλομάδα είναι ασθενή οξέα (καρβο
εκεί σrlς πρωτε'ί\ιες.
ρέουν
από
το
ξυλικά οξέα).
κεντριόλιο (centrίole) καρβοξυτελικό άκρο
-
βλ. C-άκρο.
Βραχεία κυλινδρική παράταξη μικροσωληνίσκων. Στα Ζωικά κύτταρα συνήθως βρίσκεται κατά Ζεύγη σro κέντρο ενός κε
καρκίνος
ντροσωματίου. Ανάλογες δομές υπάρχουν σrη βάση των
Νόσημα που προκαλείται από μεταλλαγμένα κύτταρα τα 0-
κροσσών και των μασrlγίων, όπου αποκαλούνται βασικά σω
ηοία ξεφεύγουν από τους φυσιολογικούςμηχανισμούςελέγ
μάτια.
χου της κυτταρικής διαίρεσης και διεισδύουν και αποικίΖουν τους lσrOύς του σώματος.
κέντρο αντίδρασης Στις φωτοσυνθετικές μεμβράνες, ένα εξειδικευμένο Ζεύγος
καρυότυπος Η πλήρης ομάδα χρωμοσωμάτωντου κυττάρου σε παράταξη
μορίων χλωροφύλ/ης που επιτελούν φωτοχημικές αντιδρά σεις.
σύμφωνα με το μέγεθος, το σχήμα και τον αριθμό.
κέντρο σιδήρου-θείου (ίron-sulfur καταβολισμός
center)
Ομάδα ατόμων μέσα σ' ένα είδος πρωτεϊνών, η οποία αποτε
Το σύσrηματων ενΖυμικά καταλυόμενωναντιδράσεωνσ' ένα
λείται από άτομα σιδήρου που συνδέονται με άτομα θείου και
κύτταρο με το οποίο περίπλοκα μόρια αποδομούνταισε άλλα
με τις πλευρικές αλυσίδες καταλοίπων Kυσrε'ϊνης.
απλoύσrεpαμε ταυτόχρονηαπελευθέρωσηενέργειας. Τα εν διάμεσα αυτών των αντιδράσεωνμερικές φορές ονομάΖΟνται καταβολίτες.
κεντρομερίδlο
(centromere)
Περlσφlγμένη περιοχή
ενός μιτωτικού χρωμο-
καταλύτης
Kενrρoμερίδιo
σώματος που συγκρα
Ουσία που επιταΧύνει μια χημική αντίδραση χωρίς η ίδια να
τεί τις αδελφές χρωμα
υφίσroται μεταβολή. Τα ένΖυμα είναι καταλύτες που αποτε
τίδες. Επίσης, η περιο
λούνται από πρωτε'ί\ιη.
χή πάνω σro ΟΝΑ όπου σχηματίΖεται ο κlνητοΧώρος ως θέση προσκόλ/ησης για
καταστολέας (repressor)
μικροσωληνίσκους από τη μιτωτική άτρακτο.
Μια πρωτε'ϊνη που προσδένεται σε μια ειδική περιοχή του ΟΝΑ για να παρεμποδίσει τη μεταγραφή ενός γειτονικού γο νιδίου.
κεντροσωμάτιο
(centrosome)
Κεντρικά εντΟΠIΖόμενο οργανίδιο των Ζωικών κυττάρων. Εί ναι το κύριο κέντρο οργάνωσης των μlκροσωληνίσκων και δι
καταστολέας τρυmοφάvnς
πλασιάΖεται για να σχηματίσει τους πόλους της ατράκτου κατά
Βακτηριακή πρωτε'ϊνη η οποία, παρουσία τρυπτοφάνης,
τη διάρκεια της μίτωσης. Στα περισσότερα Ζωικά κύτταρα πε
προσδένεται σε μια ειδική περιοχή του ΟΝΑ και διακόπτει την
ριέχει ένα Ζεύγος κεντριολίων.
παραγωγή των ενΖύμων βιοσύνθεσης της τρυπτοφάνης. Κlνάση
καταστροφίvn
ΈνΖυμο που μεταφέρει μια φωσφορική ομάδα από το ΑΤΡ (ή
Πρωτε'ί\ιη που αποπολυμερίΖεl και έτσι απoσrαθερoΠOΙεί τους
από ένα άλ/ο τριφωσφορικό νουκλεοσίδιο) σ' ένα άλ/ο μό
μlκροσωληνίσκους.
ριο (βλ. επίσης πρωτεϊνική κινάση).
Γλωσσάριο
1Ο 11
κινάση εξαρτώμενηαπό mv κυκλίνη
-
βλ.
κλίμaκαpH
Cdk
Κοινό μέτρο της οξότητας ενός διαΛUματoς: το <'Ρ» αναφέρε κινάση εξαρτώμενη από το κυκλικό ΑΜΡ
-
βλ Α-κινάση.
ται σε μια δεκαδική δόναμη του
10 και το «Η» στο
υδρογόνο.
ΟρίΖεται ως ο αρνητικός λογάριθμος της συγκέντρωσης των κινάση σερίνης/θρεoVΊνης
ιόντων υδρογόνου σε γραμμομόρια ανά λίτρο (Μ). Επομέ
ΈνΖυμο που φωσφορυλιώνει ειδικές πρωτε'ίνες σε κατάλοιπα
νως, ένα όξινο διάλυμα με ρΗ 3 θα περιέχει 10-3 Μ ιόντα υ
σερίνης ή θρεονίνης.
δρογόνου. κλωνοποίηση
κινάση mς τυροσίνης
(c!oning)
ΈνΖυμο που φωσφορυλιώνει ειδικά κατάλοιπα ωροσίνης
Η παρασκευή πολ/ών ταυτόσημων αντιγράφων ενός κυττά
των πρωτεϊνών.
ρου ή ενός μορίου ΟΝΑ.
κινησίνη
κλωνοποίηση του ΟΝΑ (ΟΝΑ
(kinesin)
c1oning) -
βλ κλωνοποίηση.
Μια από τις κινητήριες πρω
~
τείνες που χρησιμοποιοόν την
ενέργεια της υδρόλυσης του
Η συγκέντρωση ενός υποστρώματος στην οποία ένα ένΖυμο
ΑΤΡ για να μεωκινηθοόν κα
λειτουργεί στο ήμισυ της μέγιστης ταΧότητάς του. Όταν η τιμή
τά μήκος των μικροσωληνί-
της Κ Μ είναι μεγάλη, αυτό συνήθως σημαίνει ότι το ένΖυμο
προσδένεται στο υπόστρωμά του με μικρή συΥΥένεια.
σκων.
κινητήρια πρωτείνη
knockout ποντικός
(motor protein)
Μια πρωτείνη, όπως η μυοσίνη ή η κινησίνη, η οποία χρη
Γενετικά τροποποιημένος ποντικός στον οποίο έχει αδρανο
σιμοποιεί ενέργεια που προέρχεωι από την υδρόλυση του
ποιηθεί ένα ειδικό γονίδιο.
ΑΤΡ για να προωθηθεί κατά μήκος ενός πρωτεϊνικοό ινι
κοεΖίνη
δίου.
{cohesin}
Πρωτεϊνικό σόμπλοκο που συγκρατεί τις αδελφές χρωματί κινητό γενετικό στοιχείο
δες μετά την αντιγραφή του ΟΝΑ στον κυτταρικό κόκλο.
Μικρό κλάσμα ΟΝΑ ικανό να μεωκινείωι, ορισμένες φορές
μέσω ενός ΗΝΑ ενδιαμέσου, από μια θέση του γονιδιώματος σε μια άλ/η θέση.
κολλαγόνο Ινώδης πρωτείνη πλοόσια σε γλυκίνη και προλίνη η οποία εί
ναι το κόριο συστατικό του εξωκυττάριου στρώματος των Ζωι
κιvnτoxώρoς
κών ιστών. Υπάρχει σε πολ/ές μορφές: ο τόπος Ι, που είναι
(kinetochore)
Περίπλοκη δομή ενός μιτωτικοό χρωμοσώματος που περιέ
και ο πιο συχνός, βρίσκεται στο δέρμα, στους τένοντες και στα
χει πρωτε'ί'νες, πάνω στην οποία συνάπτονται μικροσωληνί
οστά, ο τόπος
σκοι. Ο κινητοΧώρος σχηματίΖεωι πάνω στην περιοχή του
κοός υμένες κλπ.
11 βρίσκεται
στο Χόνδρο, ο τόπος ΙV στους βασι
χρωμοσώματος που είναι γνωστή ως κεντρομερίδιο.
κορεσμένος κινόνη
(Για ένα οργανικό μόριο που) περιέχει μόνο δεσμοός
Μικρός, λιποδιαλυτός, κινητός φορέας ηλεκτρονίων στην α
και όΧΙ δεσμοός
C=C ή CΞC.
ναπνευστική και στη φωτοσυνθετική αλυσίδα μεωφοράς ηλε
κτρονίων (βλ Εικόνα
κορυφαίος
14-20).
ΕντΟΠΙΖόμενοςστην κορυφή ενός κυττά
cis Κοντά, για παράδειγμα το
cis δίκτυο Golgi (cis Golgi network) Golgi που βρίσκεται πιο κοντά
είναι το τμήμα της συσκευής
στο ενδοπλασματικό δίκτυο.
ρου, μιας δομής ή ε
νός οργάνου. Η κο ρυφαία επιφάνεια ε νός
κλάσμα
Okazaki
επιθηλιακοό
κυττάρου είναι η ε
Μικρό κλάσμα ΟΝΑ που παράγεται κατά την αντιγραφή του
κτεθειμένη ελεόθε-
ΟΝΑ πάνω στον καθυστερημένο κλώνο. Τα κλάσματα
Okaza-
ρη επιφάνεια (εδώ
ενώνονται μεωξό τους από την ΟΝΑ λιγκάση ώ
αποδίδεταιμε κόκκι-
ki γρήγορα
στε να σχηματιστεί ένας συνεχής κλώνος ΟΝΑ.
1012
Γλωσσάριο
t •••
νο) που βρίσκεται απέναντι στη βασική επιφάνεια.
C-C
κυκλικό ΑΜΡ (cAMP)
άλλη. Ιδίως η μετανάστευση ενός κυπάρου πάνω σε μια επι
Νουκλεοτίδιο που παράγεται από το ΑΤΡ σε απάντηση προς
φάνεια.
ορμονική διέγερση υποδοΧέων της κυπαρικής επιφάνεως. Το
cAMP δρα ως σηματοδοηκό
μόριο ενεργΟΠΟ1ώντας την Α
κινάση. γδροΜεταl σε ΑΜΡ από μια φωσφοδιεστεράση.
κυπαρική μνήμη
Η ικανότητα των κυπάρων και των απογόνων τους να διατη ρούν τα «ίχνη» των προηγούμενων εμπειριών τους χωρίς αλ
κυκλίνη
λαγή στο ΟΝΑ τους.
Πρωτεϊ'νη της οποίας η συγκέντρωση περιοδικά αυξάνει και ελαπώνεται στα διάφορα στάδω του ευκαρυωηκού κυπαρl
κυπαρική σειρά
(cellline)
κού κύκλου. Οι κυκλίνες ενεργΟΠ010ύν ειδικές πρωτεϊνικές
Κλώνος κυπάρων φυηκής ή Ζωικής προέλευσης, ικανών να
κινάσες (βλ.
διαιρούνται επ' άπειρον σε καλ/Iέργεω.
Cdk) και έτσι συμβάλ/ουν
στον έλεγχο της εξέλι
ξης από το ένα στάδιο του κυπαρικού κύκλου στο επόμενο. κυπαρική σηματ0δ6τηση
κύκλος του κεντροσωματίου
(cell signalling)
Η εΠΙΚΟ1νωνία ανάμεσα σε κύπαρα με εξωκυπάρω χημικά
Διπλασωσμός του κεντροσωματίου (κατά τη μεσόφαση) και
σήματα και ιδίως ΟΙ χημικοί μηχανισμοί με τους οποίους τα
δωχωρισμός των δύο νέων κεντροσωματίων (στην αρχή της
κύπαρα ανιχνεύουν αυτά τα σήματα για να εκδηλώσουν την
μίτωσης) ώστε να σχημαηστούν ΟΙ πόλοι της μιτωηκής ατρά
κατάλ/ηλη απάντηση.
κτου.
κυπαρική συμβολή (celljunctίon) (σύνδεσμος)
κύκλος του κπρικού οξέος ή κύκλος των τρικαρβοξυλικών οξέων Κεντρική μεταβολική οδός σε όλους τους αερόβιους οργανι
Εξειδικευμένη περιοχή επικοινωνίας ανάμεσα σε δύο κύπα ρα ή σ' ένα κύπαρο και το εξωκυπάριο στρώμα.
σμούς που οξειδώνει ακετυλομάδες προερχόμενες από τα μόρια των Τροφών σε
CO 2. Στα ευκαρυωηκά κύπαρα, ΟΙ αντι
δράσεις αυτές συμβαίνουν στο μιτοχονδριακό στρώμα.
κυπαρικ6 σώμα
(cell body)
Το κύρlO τμήμα ενός νευρικού κυπάρου που περιέχει τον πυ
ρήνα. Τα άλ/α μέρη είναι ο νευράξονας και οι δενδρίτες. κυστίδιο
(vesicle)
Μικρό, μεμβρανlκό, σφαιρικό οργανίδιο στο κυπαρόπλασμα ενός ευκαρυωηκού κυπάρου.
κυπαρικό τοίχωμα Μηχανικά ισχυρή ινώδης στιβάδα που
εναποτίθεται από ένα κύπαρο έξω από κυτόχρωμα
την κυπαρική μεμβράνη του. Είναι ΚΟ1
Έγχρωμη πρωτεϊ'νη που περιέχει αίμη, η οποία μεταφέρει η
νό στα περισσότερα φυτά, στα βακτή
λεκτρόνια κατά τη διάρκεω της κυπαρικής αναπνοής και της
ρια, στις άλγες και στους μύκητες όχι
φωτοσύνθεσης.
όμως και στα περισσότερα Ζωικά κύτ ταρα.
κυπαρική γήρανση
(cell senescence)
Η φυσιολογική γήρανση των κυπάρων ενός ανώτερου Ζώου
κυπαρικός κύκλος
(cell cycle)
κατά την οποία, μετά από έναν ορισμένο αριθμό διαιρέσεων,
Ο αναπαραγωγικός
είτε στο σώμα είτε σε καλ/Iέργεια, τα κύπαρα παύουν να διαι
του κυπάρου. Η τακηκή ακο
κύκλος
ρούνται και τελικά πεθαίνουν.
λουθία των γεγονότων με την οποία το κύπαρο διπλασιάΖει
κυπαρική διαίρεση
Ο διαχωρισμός του κυπάρου σε δύο θυγατρικά κύπαρα. Στα
το περιεχόμενό του και δωι ρείται στα δύο.
ευκαρυωηκά κύπαρα, περιλαμβάνει τη διαίρεση του πυρήνα (μίτωση) που αμέσως ακολουθείται από τη δωίρεση του κυτ ταροπλάσματος (κυπαροκίνηση).
κυπαρικός φλοιός
(cell cortex)
Εξειδικευμένη στιβάδα του κυπαροπλάσματος στην εσωτερι κή πλευρά της κυπαρικής μεμβράνης. Στα Ζωικά κύπαρα, εί
κυτι:αρική μεμβράνη ή πλασματική μεμβράνη
(plasma membrane)
ναι πλούσια σε ακτίνη και ευθύνεται γω ης μετακινήσεις της κυπαρικής επιφάνειας.
Η μεμβράνη που περιβάλ/εl ένα Ζωντανό κύπαρο. κυπαρίνη
κυπαρική μετακίνηση (μετανάστευση κυπάρων) Η ενεργός μετακίνηση ενός κυπάρου από μια θέση σε μια
Δομικός πολυσακχαρίτης που αποτελείται από μακριές αλυσίδες ομOlοπολικά συνδεδεμένων μονάδων γλυκό-
Γλωσσάριο
1013
Ζης. Παρέχει εκτατική ισχύ στο τοίχωμα των φυτικών κυτ
λιγκάση
(ligase)
ΈνΖυμο που διασυνδέει δύο τμήματα ΟΝΑ ή ΗΝΑ.
τάρων.
λιπαρό οξύ
κύπαρο Η βασική μονάδα από την οποία δημιουργούνται οι Ζωντανοί
Μια ένωση όπως
οργανισμοί. Αποτελείται από ένα υδατικό διάλυμα οργανικών
το παλμιτικό οξύ
μορίων που περικλείεται από μια μεμβράνη. Όλα τα κύτταρα
που περιέχει ένα
προκύπτουν από προϋπάρχοντα κύτταρα, συνήθως με μια
καρβοξυλικό οξύ
διεργασία διαίρεσης στα δύο.
συνδεδεμένο με μια μακριά υδρο-
KUΠαΡOδιάλυμα
γονανθρακική αλυσίδα. Χρησιμοποιείται ως κύρια πηγή ε
(cytosol)
Υδατικό διάλυμα μικρών και μεγάλων
νέργειας κατά τον μεταβολισμό και ως πρώτη ύλη για τη σύν
μορίων που γεμίζει το κύριο διαμέρισμα
θεση των φωσφολιπιδίων (βλ. Παράρτημα
2-4).
του κυτταροπλάσματος. Δεν περιλαμβά
λιπιδική διπλοστιβάδα
νει μεμβρανικά οργανίδια, όπως το εν δοπλασματικό δίκτυο και τα μιτοΧόνδρια.
(lipid bilayer)
Λεπτή στιβάδα από δύο μόρια (κυρίως μόρια φωσφολι
KUΠαΡOκίvnση
πιδίων) που αποτελείτη δομι
Διαίρεση του κυτταροπλάσματος ενός φυτικού ή Ζωικού κυτ
κή βάση όλων των κυτταρι
τάρου στα δύο, διαφορετική από τη διαίρεση του πυρήνα του
κών μεμβρανών. Οι δύο στι
(δηλαδή, τη μίτωση).
βάδες των μορίων των φω
σφολιπιδίων συσκευάΖΟνται
KUΠαρόπλασμα
με τις υδρόφοβες ουρές τους
Το περιεΧόμενο του κυττάρου που περικλείεται από την κυτ
προς τα μέσα και τις υδρόφι-
ταρική μεμβράνη, εκτός από τον πυρήνα (στην περίπτωση
λες κεφαλές τους προς τα έ-
των ευκαρυωτικών κυττάρων).
ξω, εκτεθειμένες στο νερό.
Kuπαρoσκελεrός
'I~'I'I~·I~Ι.I·I~' ~·u·I·I~·I~·~ )j Ιλhl -- (nI - ιr~ • ••••••• ••
λιπίδιο
Σύστημα πρωτεϊνικών ινιδίων στο κυτταρόπλασμα ενός ευκα
Οργανικό μόριο, που γενικά περιέχει υδρογονανθρακικές α
ρυωτικού κυττάρου που προσδίδει στο κύτταρο πολωμένο
λυσίδες, το οποίο είναι αδιάλυτο στο νερό ενώ διαλύεται εύ
σΧήμα και την ικανότητα για κατευθυνόμενη κίνηση. Τα πιο
κολα σε μη πολικούς οργανικούς διαλύτες. Μια κατηγορία λι
άφθονα συστατικά του είναι τα ινίδια ακτίνης, οι μικροσωλη
πιδίων, τα φωσφολιπίδια, αποτελούν τη δομική βάση των βιο
νίσκοι και τα ενδιάμεσα ινίδια.
λογικών μεμβρανών.
Kωδικ6vιo
i\ίπoς
(codon)
ΑλληλουΧία τριών νουκλεοτιδίων ενός μορίου ΟΝΑ ή αγγε
Λιπίδιο που χρησιμοποιείται από τα Ζωντανά κύτταρα για την
λιοφόρου ΗΝΑ που περιέχει τις οδηγίες για την ενσωμάτωση
αποθήκευση μεταβολικής ενέργειας. Αποτελείται κυρίως από
ενός ειδικού αμινοξέος σε μια πολυπεmιδική αλυσίδα.
φιακυλογλυκερόλες (βλ. Παράρτημα
λείο ΕVδOπλασμαΤΙK6 δίκτυο
.•.
~:~~:ή~~~ ~~~O:~~τ~~ε~:~:~ I~. ~.'
ριβοσωμάτια. Εμπλέκεται στη r~ σύνθεση των λιπιδίων.
λιπόφiλoς
-
2-4).
βλ. υδρόφοβος.
λυσοσωμάτιο
(lysosome)
Ενδοκυττάριο, μεμβρανικό οργανίδιο που περιέχει πεπτικά ένΖυμα. Το εσωτερικό ενός λυσοσωματίου είναι πολύ όξινο και τα ένΖυμά του είναι δραστικά σε όξινο ρΗ.
λεμφοκύπαρο
(lymphocyte)
Λευκοκύτταρο που διεκπεραιώνει την ειδική άνοση απάντη
μακρομόριο
ση εναντίον ενός ξένου μορίου (ενός αντιγόνου). Τα Β-λεμ
Πολυμερές μόριο, όπως μια πρωτε'ίνη, ένα νουκλεϊνικό οξύ ή
φοκύτταρα παράγουν αντισώματα. Τα Τ-λεμφοκύτταρα ανα
ένας πολυσακχαρίτης, με μοριακό βάρος χιλιάδων
daltons.
γνωρίΖουν ξένα μόρια που εκτίθενται σε κυτταρικές επιφάνει ες και απαντούν σε αυτά. Επίσης, βοηθούν στη ρύθμιση της
λειτουργίας των Β-λεμφοκυττάρων.
1014
Γλωσσάριο
μακροφάγο
(macrophage)
Κύτταρο που βρίσκεται στους ιστούς των Ζώων, εξειδικευμένο
για την πρόσληψη υλικών με φαγοκυττάρωση. Πρoέρxετaι α
λετaι σε μια ελαφριά περίσσεια θετικών ιόντων στη μια πλευ
πό ένα είδος λευκοκυττάρων.
ρά της Kaι αρνητικών ιόντων στην άλλη. Ένα τυπικό μεμβρα
νικό δυναμικό για την κυτταρική μεμβράνη ενός Ζωικού κυτ ΜΑΡ-κινάση
τάρου, μετρούμενο με αναφορά το εξωκυττάριο υγρό, είναι
Πρωτεϊνική κινάση με κρίσιμο ρόλο στη μεταβίβαση σημάτων
-60 mV
(με το εσωτερικό αρνητικό).
από υποδοχείς της κυτταρικής επιφάνειας προς τον πυρήνα.
Eίνaι η τελευταία κινάση σε μια ακολουθία τριών κινασών γνωστή ως ακολουθία των ΜΑΡ κινασών.
μεσόφαση
Μακρά περίοδος του κυτταρικού κύκλου που παρεμβάλ/ε τaι avάμεσα σε δύο μιτώσεις. Περιλαμβάνει τις φάσεις
μαστίγιο
{flagellum}
GI , S
KaiG 2·
Μακριά προσεκβολή που προωθεί με το χτύπο του ένα κύτταρο μέσα σ' ένα υγρό
μεσoφaσικό χρωμόσωμα
(interphase chromosome)
μέσο. Τα ευκαρυωτικά μαστίγια είνaι μα
Ένα χρωμόσωμα στην αποσυμπυκνωμένη (ανοιχτή) κατά
κρύτερες παραλλαγές των κροσσών. Τα
σταση κατά τη μεσόφαση του κυτταρικού κύκλου, όταν το
βακτηριακά μαστίγια είνaι εντελώς διαφο
ΟΝΑ είνaι προσπελάσιμο για μεταγραφή (βλ. επίσης χρωμό
ρετικά: είνaι βραΧύτερα Kaι πολύ πιο απλά.
σωμα, μιτωτικό χρωμόσωμα).
μεθυλομάδα
μεταΒατική κατάσταση (transitίon
{-CH3}
state)
Υδρόφοβη χημική ομάδα που προέρχεται από το μεθάνιο
Χημική δομή που σχηματίΖεται παροδικά κατά την πορεία
(CH 4)·
μιας αντίδρασης και έχει την υψηλότερη ελεύθερη ενέργεια aπό κάθε ενδιάμεσο της αντίδρασης.
μείωση
Ειδικόςτύπος κυτταρικής διαίρεσης με την οποία παράγoντaι
μεταΒίβαση σήματος
(signal transductίon)
τα ωάρια και τα σπερμαΤΟΖωάρια.ΔιεKπερaιώνειτη μείωση
Η μετατροπή ενός σήματος από μια φυσική ή χημική μορφή
μιας διπλοειδούς (διπλής) σε μια απλοειδή (μονή) ομάδα
σε μια άλλη. Στην κυτταρική βιολογία, η διεργασία με την ο
χρωμοσωμάτων.Από το αρχικό διπλοειδές κύτταρο, με δύο
ποία ένα κύτταρο απαντά σ' ένα εξωκυττάριο σήμα ή ερέθι
διαδοχικές διαιρέσειςτου πυρήνα Kaι μόνο έναν γύρο αντι
σμα.
γραφής του ΟΝΑ δημιoυργoύντaιτέσσερα απλοειδή, θυγα
μεταBo?ιtί ελεύθερης ενέργειας (ΔG)
τρικά κύτταρα.
Η διαφορά της ελεύθερης ενέργειας ανάμεσα στα προϊόντα μεμΒράνη
Kaι τα αντιδρώντα μιας χημικής αντίδρασης. Μια μεγάλη αρ
Λεπτό φύλ/ο λιπιδίων και σχεΤΙΖόμενωνπρωτεϊνώνπου περι
νητική τιμή ΔG υποδηλώνει ότι η αντίδραση έχει ισχυρή τάση
κλείει όλα τα κύτταρα Kaι σχηματίΖειτα όρια των περισσότε
να συμβεί αυθόρμητα.
ρων ευκαρυωτικώνοργανιδίων.
μεταΒολική οδός μεμBραvικήμεταφορικήπρωτείνη {membrane transport
Ακολουθία ενΖυμικών αντιδράσεων στην οποία το προϊόν
protein}
μιας αντίδρασης είναι το υπόστρωμα της επόμενης αντίδρα
Κάθε πρωτεΊνη που είνaι ενσωματωμένη σε μια μεμβράνη Kaι
σης.
επιτρέπει τη δίοδο ιόντων Kaι μικρών μορίων από τη μια πλευ ρά της μεμβράνης στην άλλη.
μεταΒολισμός Το σύνολο των χημικών αντιδράσεων που πραγματοποιού
μεμBραVΙΚΉ περιοχή
-
μεμBραVΙΚΉ πρωτεΤνη
βλ. περιοΧή.
{membrane protein}
ντaι σ' ένα Ζωντανό κύτταρο ή πολυκύτταρο οργανισμό. μεταγραφή
Μια πρωτε'ίνη που σχετίΖεται με μια λιπιδική διπλοστιβάδα. Οι
Η αντιγραφή ενός κλώνου ΟΝΑ σε μια συμπληρωματική αλ
εσωτερικές μεμβρανικές πρωτεΊνες είνaι ενσωματωμένες στη
ληλουΧία ΗΝΑ από το ένΖυμο ΗΝΑ πολυμεράση.
διπλοστιβάδα Kaι γενικά την διαπερνούν. Οι περιφερειακές μεμβρανικές πρωτεΤνες είνaι προσκολ/ημένες στην επιφά
μεταγραφικός παράγοντας (transCΉptίon
factor)
Όρος που δίνεται σε κάθε πρωτείνη απαραίτητη για την έναρ
νειά της.
ξη ή τη ρύθμιση της μεταγραφής στους ευκαρυώτες. Αναφέ
μεμBραVΙKό δυναμικό
{membrane potentίal}
Η διαφορά δυναμικού διαμέσου μιας μεμβράνης που οφεί-
ρεται τόσο στις γονιδιακές ρυθμιστικές πρωτεΤνες όσο και στους γενικούς μεταγραφικούς παράγοντες.
Γλωσσάριο
1015
μεrαγωγή
μεroυσίωσn!απoδΙόταξη
(transduction)
(denaturation)
(Στη γενετική) η διαμεσολαβούμενη από ιούς μεταφορά του
Σημαντική αλλαγή της δομής μιας πρωτεΙνης ή ενός νουκλεϊ
DNA του ξενιστή
νικού οξέος που προκαλείται με θέρμανση ή με χημικές ου
από ένα κύτταρο σ' ένα άλ/ο.
σίες. Συνήθως οδηγεί σε απώλεια της βιολογικής λειτουρ
μεr6λλαξη
γίας.
Μια κληρονομική αλλαγή στην αλ/ηλουχία των νουκλεοτι
μη διαχωρισμός
δίων ενός χρωμοσώματος.
(nondisjunction)
Ένα γεγονός που συμβαίνει σποραδικά κατά τη διάρκεια της
(loss-of-function mutation)
μείωσης κατά το οποίο δύο ομόλογα χρωμοσώματα δεν δια
Μετάλ/αξη που ελαττώνει ή εξαλείφει τη δραστικότητα ενός
χωρίΖΟνται, οπότε το γαμετικό κύτταρο που παράγεται έχει έ
γονιδίου. Συνήθως υπολειπόμενη.
να λιγότερο ή ένα περισσότερο χρωμόσωμα.
μεr6λλαξη απώλειας της λεπουΡΥίας
μεr6λλαξη αυξημένης λεπουρΥίας
(gain-of-function mutation)
μη ομοιοπολικός δεσμός
(noncovaIent bond)
Μετάλ/αξη που αυξάνει τη δραστικότητα ενός γονιδίου ή το
Χημικός δεσμός στον οποίο, αντίθετα από έναν ομοιοπολικό
κάνει δραστήριο σε απρόσφορες καταστάσεις. Συνήθως επι
δεσμό, δεν υπάρχει συνεισφορά ηλεκτρονίων. Οι μη ομοιο
κρατής.
πολικοί δεσμοί είναι σχετικά ασθενείς, ωστόσο, μπορεί να συναθροιστούν και να δημιουργήσουν ισχυρές και πολύ ειδι
μεrαμόρφωση
κές αλ/ηλεπιδράσεις ανάμεσα σε μόρια.
(transformation)
Η διεργασία με την οποία τα κύτταρα προσλαμβάνουν μόρια
DNA από το περιβάλ/ον δια αυτού του DNA.
τους και κατόπιν εκφράΖουν τα γονί
μη πολικό μόριο Μόριο που δεν περιέχει σε κάποιο τμήμα του θετικά ή αρνητι κά φορτία. Γενικά, τα μη πολικά μόρια είναι αδιάλυτα στο νε
μεr6φαση
ρό.
Στάδιο της μίτωσης στο οποίο τα χρωμοσώματα είναι ισχυρά προσκολ/ημένα στον ισημερινό της μιτωτικής ατράκτου, χω
μήκος δεσμού
ρίς να έχουν ακόμα διαχωριστεί προς τους αντίθετους πόλους
Η απόσταση ανάμεσα σε δύο άτομα που συνδέονται μ' έναν
της.
ειδικό (συνήθως ομοιοπολικό) χημικό δεσμό.
μεrαφoρ6 ηλεκτρονίων
μικρο-
(electron transport).
Μετακίνηση ηλεκτρονίων από ένα υψηλότερο σ' ένα χαμηλό
(micro-)
Πρόθεμα που Sηλώνεl 10-6.
τερο ενεργειακό επίπεδο κατά μήκος μιας σειράς μορίων-φο ρέων ηλεκτρονίων (μιας αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων), όπως στην οξειδωτική φωσφορυλίωση και τη φωτοσύνθεση.
μικρό πυρηνικό ρι6oνoυκr.εoπρωτεϊvικό σωματίδιο
nucIear ήbοηucΙeΟΡrοteίη
partίcle,
(small
snRNP)
Δομική μονάδα ενός σωματιδίου συρραφής. Αποτελείται από
μεrαφoΡΙKό κυστίδιο
ΗΝΑ και πρωτεl\ιες.
(transport vesicle)
Μεμβρανlκό κυστίδιο που μεταφέρει πρωτεΙνες από ένα εν δοκυττάριο διαμέρισμα σ' ένα άλ/ο (για παράδειγμα, από το
ενδοπλασματικό δίκτυο στη συσκευή
μικρό πυρηνικό Μόρια
Golgi).
RNA
RNA (small nucIear RNA, snRNA) 200 νουκλεοnδίων
μεγέθους περίπου
που ε
μπλέκονται στη συρραφή του ΗΝΑ. μεrαφoρικό
RNA (tRNA) RNA που χρησιμοποιείται
Μικρό μόριο
στην πρωτεϊνοσύνθε
μικρογραφία
(micrograph)
ση ως ενδιάμεση φάση (προσαρμογέας) ανάμεσα σ' ένα ειδι
Φωτογραφία που έχει ληφθεί από ένα μικροσκόπιο, φωτονι
κό κωδlκόνιο ή ομάδα κωδικονίων στο
σε ειδικά
κό ή ηλεκτρονικό (ηλεκτρονιομικρογραφία).
αμινοξέα. Κάθε διαφορετικό είδος
ομοιοπο
mRNA και tRNA συνδέεται
λικά με ένα συγκεκριμένο αμινοξύ και αναγνωρίΖει ένα συ γκεκριμένο κωδlκόνιο ή ομάδα κωδlκονίων με Ζευγάρωμα
μικρόμεrρo (μrn)
Μονάδα μήκους ίση με 10-6 μέτρα ή 10-4 εκατοστά.
βάσεων.
μικρoσωλnνίσκoς (mίcrοtubώe) μεr6φραση
Η διεργασία με την οποία η αλ/ηλουχία των νουκλεοτιδίων ε
Μακριά, άκαμπτη, κυλιν δρική ενδοκυττάρια δομή,
νός μορίου αγγελιοφόρου ΗΝΑ κατευθύνει την ενσωμάτωση
διαμέτρου
των αμινοξέων σε μια πρωτείνη. Συμβαίνει σ' ένα ριβοσωμάτιο.
τρων, που αποτελείται από
1016
Γλωσσάριο
20
νανομέ
την πρωτε'ίνη τουμπουλίνη. Ένα από τα κύρια συστατικά του
μοριακή αναγνώριση
(molecular recognition)
κυτταροσκελετού. Χρησιμοποιείται από τα ευκαρυωτικά κύτ
Η εκλεκτική σύνδεση δύο μορίων με ταίριασμα των συμπλη
ταρα για τη ρύθμιση του σχήματος και τον έλεγχο των κινήσε
ρωματικών χαρακτηριστικών τους. Για παράδειγμα, ένα ένΖυ
ώντους.
μο αναγνωρίΖει το υπόστρωμά του και ένα αντίσωμα το αντl γόνο του.
μιλλι-
(milli)
Πρόθεμα που δηλώνει 10-3.
μοριακή εξειδίκευση
(molecular specίficity)
Η εκλεκτική συΥγένεια ενός μορίου για ένα άλ/ο μόριο που
τους επιτρέπει να συνδεθούν ή να αντιδράσουν ακόμα και
μπογόνο
Εξωκυττάριο σηματοδοτικό μόριο που διεγείρει τον κυτταρικό
παρουσία πολ/ών, άσχετων μορίων.
πολ/απλασιασμό. μοριακό βάρος μποχόνδριο
(molecular weight)
Η μάΖα ενός μορίου εκφραΖόμενη σε daltons.
Μεμβρανlκό οργανίδιο, με μέγεθος περίπου ίσο με το μέγεθος ενός βα
μοριακό σύμπi\OKO
(molecular complex)
κτηρίου, που διενεργεί οξειδωτική
Σύμπλοκο μορίων, συνήθως μακρομορίων, που συγκρατού
φωσφορυλίωση και παράγει το μεγα
νται με μη ομοιοπολικούς δεσμούς, το οποίο επιτελεί μια ειδι
λύτερο μέρος του ΑΤΡ των ευκαρυω
κή λειτουργία, όπως η αντιγραφή του ΟΝΑ ή η σύνθεση των
τικών κυττάρων.
φωσφολιπιδίων. μοριακός διακόπτης
μίτωση
Η διαίρεση του πυρήνα ενός ευκαρυωτικού κυττάρου, που
Πρωτείνη ή πρωτεϊνικό σύμπλοκο σε μια ενδοκυττάρια σημα
περιλαμβάνει τη συμπύκνωση του πυρήνα σε ορατά χρωμο
τοδοτική οδό που μπορεί να μεταπίπτει αντιστρεmά από ανε
-σώματα. (Από την ελ/ηνική λέξη μίτος, δηλαδή κλωστή, μια
νεργό σε ενεργό κατάσταση και το αντίστροφο.
αναφορά στη νηματοειδή εμφάνιση των συμπυκνωμένων χρωμοσωμάτων)
μόριο
.
Ομάδα ατόμων που διασυνδέονται με οποιοπολικούς δε μπωτική άτρακτος
(mitotic spίndle)
σμούς.
Συγκρότημα μικροσωληνίσκων και σχεΤιζόμενων πρωτεϊνών που σχη
ματίΖεται ανάμεσα στους δύο πό
MPF (M-phase promoting factor - Παράγοντας που προάγει mφ6σηΜ)
λους ενός ευκαρυωτικού κυττάρου
Πρωτεϊνικό σύμπλοκο που περιέ
κατά τη διάρκεια της μίτωσης και
χει κυκλίνη και μια πρωτεϊνική ΚΙ-
συμβάλ/εl στον διαχωρισμό των δι πλασιασμένων χρωμοσωμάτων.
νάση η οποία πυροδοτεί ένα κύτταρο να εισέλθει στη φάση Μ. (Πα-
8J "'/~
λαιότερα ονομαΖόταν παράγοντας
μπωτικήCdk
που προάγει την ωρίμανση, mat-
Πρωτεϊνική κινάση που σχηματίΖει σύμπλοκο με την Μ-κυκλί νη
(M-Cdk) στην
uration promoting factor).
αρχή της φάσης Μ του κυτταρικού κύκλου.
mRNA μπωτικό χρωμόσωμα (mίtotic
βλ. αΥγελιοφόρο ΗΝΑ.
chromosome)
Ένα χρωμόσωμα στη συμπυκνωμένη κατάσταση που υιοθε
μυοϊνιοιο (myofίbrίl)
τείται κατά τη μιτωτική φάση του κυτταρικού κύκλου. Αντίθετα
Μακριά, πολύ οργανωμένη, συσταλτή δέσμη ακτίνης, μυοσί
από τα μεσοφασικά χρωμοσώματα, τα μιτωτικά χρωμοσώμα
νης και άλλων πρωτεϊνών στο κυτταρόπλασμα ενός μυϊκού κυτ
τα είναι ορατά με το φωτονικό μικροσκόπιο ως πυκνά, νημα
τάρου. Συστέλ/εται μ' έναν μηχανισμό ολισθαινόντων ινιδίων.
τοειδή ή αλ/αντοειδή σωμάτια. (Βλέπε επίσης χρωμόσωμα, μεσοφασlκό χρωμόσωμα).
μυοσίνη Κινητήρια πρωτείνη που χρησιμοποιεί το ΑΤΡ για να προω
μονομερές
θήσει μετακινήσεις κατά μήκος ινιδίων ακτίνης. Η μυοσίνη
Μικρό μόριο που μπορεί να συνδεθεί με άλλα μόρια του ίδι
ΙΙ είναι μια μεγάλη πρωτεΊνη που σχηματίΖει τα παχιά lνίδια
ου είδους ώστε να σχηματιστεί ένα μεγαλύτερο μόριο (βλ. ε
των γραμμωτών μυών. Μικρότερες μυοσίνες, όπως η μυο
πίσης πολυμερές).
σίνη Ι, βρίσκονται σε πολλά κύτταρα και είναι υπεύθυνες
Γλωσσάριο
1017
για πολλές ενδοκυπάριες μετακινήσεις που βασίΖονται
νημ6τιο ακτίνης
Πρωτεϊνικό νημά-
σΙην ακτίνη.
τιο, πάχους περί
Ν-6κρο (αμινοτελικό 6κρο, N-tenninus)
7 nm,
που
Το άκρο μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας που φέρει μια ελεύ
που
σχηματίΖεται
από
θερη α-αμινομάδα.
μια αλυσίδα μορίων σφαιρικής ακτίνης. Είναι κύριο συστατικό του κυπαρο
Na+
σκελετού όλων των ευκαρυωτικών κυπάρων και αφθονεί ιδι
Ιόν νατρίου
-
βασικό ιόν των Ζωντανών κυπάρων.
NAD + (vικοnvο-aδεvιvο-διvουκλεοτίδιο)
αίτερα στα μυϊκά κύπαρα.
ΝΟ - βλ. οξείδιο του αΖώτου.
Μόριο που συμμετέχει σε μια οξειδωτική αντίδραση παρα λαμβάνοντας ένα ιόν υδριδίου (Η-) από ένα μόριο δότη και
παράγοντας έτσι
NADH, το
οποίο λειτουργεί ως ενεργοποι
νόμος mς αvεξ6ρmmς κατανομής Ο δεύτερος νόμος Ιης κληρονομικότητας που διατυπώθηκε
ημένος φορέας ηλεκτρονίων. Σημαντικό στην αποδόμηση
από τον
των σακΧάρων και των λιπών (βλ Εικόνα
τα αλ/ηλόμορφα για τα διαφορετικά χαραΚΙηριστικά κατανέ
3-35).
Mendel.
ΟρίΖει ότι κατά
rn
δημιουργία των γαμετών
μονται ανεξάρτητα το ένα από το άλ/ο.
NADPH (φωσφορικό vικoτινo-αδεvινo-δινoυκλεoτίδιo) Ένα μόριο-φορέας που σχετίΖεται στενά με το ΝΑΟΗ και χρη σιμοποιείται ως δότης ηλεκτρονίων σε βιοσυνθετικές οδούς.
νόμος του διαχωρισμού
Ο πρώτος νόμος της κληρονομικόΙητας που διατύπωσε ο Μeή
del. νανόμετρο
ΟρίΖει ότι το μητρικό και το πατρικό αλ/nί\όμoρφo ενός
χαρακτηριστικού διαχωρίΖΟνται κατά τη δημιουργία των γα
(nm)
Μονάδα μεγέθους που χρησιμοποιείται ευρέως για τη μέτρηση
μορίων και κυπαρικών οργανιδίων 1 nm
μετών και ξαναενώνονται κατά τη γονιμοποίηση.
= 10-3 μm = 10-9 m. νoυκλεϊvικό οξύ
νετρόνιο
ΗΝΑ ή ΟΝΑ. Αποτελείται από μια αί\υσίδα νουκλεοτιδίων που
Θεμελιώδες, υποατομικό σωματίδιο που βρίσκεται στον πυ
συνδέονται μεταξύ τους με φωσφοδιεστερικούς δεσμούς.
ρήνα ενός ατόμου με μάζα ίση με τη μάΖα ενός πρωτονίου αί\
λά χωρίς ηλεκτρικό φορτίο.
νουκλεοσιοιο Ένωση αποτελούμενη από μια βάση πουρίνης ή πυριμιδίνης
νευρόξονας
(axon)
που συνδέεται με μια ριβόΖη ή μια δεοξυριβόΖη (βλ. Παράρ
Μακριά, λεπτή αποφυάδα ενός νευρικού κυπάρου ικανή να
τημα
2-6).
μεταδίδει γρήγορα νευρικές ώσεις σε μεγάλες αποστάσεις ώ στε να παραδίδει σήματα σε άλλα κύπαρα.
νουκλεοσωμ6τιο
(nucleosome)
Δομική μονάδα ενός
νευρική απόί\nξn (neιve
terminal)
ευκαρυωτικού
χρω
Η απόληξη ενός νευράξονα από Ιην οποία σήματα μεταβιβά
μοσώματος που μοι
ΖΟνται σ' ένα ή περισσότερα κύπαρα-στόχους, συνήθως μέ
άΖει με Χάντρα και α
σω μιας σύναψης.
ποτελείται από ένα βραχύ τμήμα ΟΝΑ περιελιγμένο γύρω από έναν πυρήνα ιστο
νευρικό κύπαρο
-
βλ νευρώνας.
νευροδιαβιβαστής
νών. Η βασική υπομονάδα της χρωματίνης.
νουκλεοτιοιο
Μικρό σηματοδοτικό μόριο που εκκρίνεται από ένα νευρικό
Ένα νουκλεοσίδιο στο υδατανθρακικό τμήμα του οποίου έ
κύπαρο σε μια χημική σύναψη για να σηματοδοτήσει το μετα
χουν συνδεθεί μια ή περισσότερες φωσφορικές ομάδες. Το
συναmικό κύπαρο. Παραδείγματα είναι η ακετυλοχολίνη, το
ΟΝΑ και το ΗΝΑ είναι πολυμερή νουκλεοτιδίων.
γλουταμικό, το
GABA και η γλυκίνη. ογκΟΥΟνιοιο
νευρώνας (νευρικό κύπαρο)
(oncogene)
Ένα γονίδιο που κάνει ένα κύπαρο καρκινικό. Τυπικά, η με
Κύτταρο με μακριές αποφυάδες (νευράξονας και
ταλ/αγμένη μορφή ενός φυσιολογικού γονιδίου (πρωτο-ο
δενδρίτες), εξειδικευμένο να δέχεται, να μεταβιβά
γκογονίδιο) που εμπλέκεται στον έλεγχο Ιης αύξησης ή της
Ζει και να μεταδίδει σήματα στο νευρικό σύστημα.
διαίρεσης του κυπάρου.
1018
Γλωσσάριο
ΟΥκογ6νος ι6ς
ομ6λογο χρωμ6σωμα
(tumor vinιs)
Ιός που μετατρέπει τα κύπαρα που μολύνει σε καρκινικά κύτ
(homologous chromosome)
Το ένα από τα δύο αντίγραφα ενός συγκεκριμένου χρωμο
σώματος ενός διπλοειδούς κυπάρου, που προέρχονται το έ
ταρα.
να από τον πατέρα και το άλ/ο από τη μητέρα.
ΟΥΚοκαταστα?ιτικ6 γονίδιο
(tumor-suppressor gene)
Ένα γονίδιο που λειτουργεί σ' ένα φυσιολογικό κύπαρο για
ομ6λογος
(homologous)
να περιορίζει τον κυπαρικό πολ/απλασιασμό ή τη διεισδυτική
Παρόμοιος Χάρη σε κοινή εξελικτική προέλευση. Τα ομόλο
συμπεριφορά. Η απώλεια ή η αδρανοποίηση και των δύο α
γα χρωμοσώματα και οι ομόλογες πρωτείνες γενικά εμφανί
ντιγράφων ενός τέτοιου γονιδίου από ένα διπλοειδές κύπαρο
Ζουν ομοιότητες στην αλληλουΧία τους.
οδηγεί σε απώλεια του ελέγχου και συμβάλλει στη μετατροπή
ομ6λογος (γεvικός) ανασυνδυασμός
αυτού του κυπάρου σε καρκινικό.
Ανταλλαγή γενετικού υλικού μεταξύ δύο ομόλογων αλ/ηλου
οικογένεια
χιών
Bcl-2
Οικογένεια ενδοκυπάριων πρωτεϊνών που προάγουν ή ανα
DNA, συνήθως
πάνω στα δύο αντίγραφα του ίδιου χρω
μοσώματος.
στέλ/ουν την ενεργοποίηση των κασπασών.
ομ6φιλος οικογένεια πρωτεϊνών
(homophilic)
(Για ένα μόριο προσκόλ/ησης που)
Ομάδα πρωτεϊνών ενός οργανισμού με παρόμοια αλ/ηλου
συνδέεται με άλ/α μόρια του ίδιου
Χία αμινοξέων. Η ομοιότητα θεωρείται ότι αντικατοπτρίΖει την
είδους.
εξέλιξη των αντίστοιχων γονιδίων από ένα κοινό πρόδρομο
γονίδιο με μια διεργασία διπλασιασμού και απόκλισης γονι δίων. Συνήθως τα διαφορετικά μέλη μιας οικογένειας έχουν
οξείδιο του azώτου (ΝΟ) Μικρό μόριο που διαχέεται εύκολα, το οποίο χρησιμοπOlείται
συΥΥενή αλλά ιδιαίτερη λειτουργία. Για παράδειγμα, κάθε μέ
ευρέως για σηματοδότηση ανάμεσα σε κύπαρα. Είναι ικανό
λος της οικογένειας των πρωτεϊνικών κινασών επιτελεί μια
να διαΧέεται διαμέσου των κυπαρικών μεμβρανών χωρίς τη
παρόμοια αντίδραση φωσφορυλίωσης, αλ/ά τα υποστρώμα
βοήθεια μεμβρανικών μεταφορικών πρωτεϊνών.
τα και η ρύθμιση διαφέρουν κατά περίmωση.
oξειδoaναγωγική αvnοραση
οικογένεια πρωτεϊνών
Μια αντίδραση στην οποία ηλεκτρόνια μεταφέρονται από μια
Rho
Μονομερείς GΤΡάσες που εμπλέκονται στη σηματοδότηση
χημική ένωση σε μια άλλη.
της αναδιάταξης του κυπαροσκελετού της ακτίνης.
οξειδοαναγωΥικ6 δυναμικ6
(redox potentίal)
Ένα μέτρο της τάσης ενός συστήματος να προσφέρει ηλε
oru.yoΠρόθεμα που δηλώνει ένα αντικείμενο -όπως ένα βραχύ πο
κτρόνια (δρα ως αναγωγικός παράγοντας) ή ν' αποδέχεται η
λυμερές- με μικρό αριθμό υπομονάδων. Ένα ολιγομερές
λεκτρόνια (δρα ως οξειδωτικός παράγοντας).
(βραχύ πολυμερές) μπορεί ν' αποτελείται από αμινοξέα (ολι γοπεπτίδιο), σάκχαρα (ολιγοσακχαρίτης) ή νουκλεοτίδια
λιγονουκλεοτίδιο)
(0-
οξειδοαναγωΥικ6 Ζεύγος
(redox pair)
Ζεύγος μορίων στο οποίο το ένα μόριο δρα ως δότης ηλε
.
κτρονίων και το άλ/ο ως δέκτης ηλεκτρονίων σε μια οξειδοα ομάδα - βλ. χημική ομάδα.
ναγωγική αντίδραση. Για παράδειγμα, ΝΑΟΗ (δότης ηλε
κτρονίων) και
NAD+
(δέκτης ηλεκτρονίων).
ομ6Ζυγος
Οργανισμός με ταυτόσημα αλ/ηλόμορφα για ένα ορισμένο
οξείδωση Η απώλεια της πυκνότητας των ηλεκτρονίων ενός ατόμου, ό
γονίδιο.
πως συμβαίνει κατά την προσθήκη οξυγόνου σ' ένα μόριο ή
oμoιoπoru.κ6ς δεσμ6ς
κατά την αφαίρεση υδρογόνου. Το αντίθετο είναι η αναγωγή
Σταθερός χημικός δεσμός ανάμεσα σε δύο άτομα που παρά
(βλ. Εικόνα
3-12).
γεται με κοινή συνεισφορά ενός ή περισσότερων Ζευγών ηλε
οξειδωτική φωσφορυλίωση
κτρονίων.
Διεργασία που πραγματοπOlείται στα βακτήρια και στα μιτο
ομ6λογο
(1)
Χόνδρια, στην οποία ο σχηματισμός του ΑΤΡ προωθείται από
(homologue)
Ένα ομόλογο χρωμόσωμα.
(2)
Ένα μακρομόριο με στε
νή εξελικτική σχέση μ' ένα άλ/ο μακρομόριο.
τη μεταφορά ηλεκτρονίων από μόρια των τροφών προς το μο
ριακό οξυγόνο. Περιλαμβάνει τη δημιουργία μιας βαθμίδω-
Γλωσσάριο
1019
σης ρΗ διαμέσου της μεμβράνης που προωθεί τη σύνθεση
ματίων με το
του ΑΤΡ με χημειωσμωηκή σύΖευξη.
νοσύνθεσης.
mRNA και απαιτείται
παράγοντας επιΒίωσης (survίval
οξύ
για την έναρξη της πρωτεϊ
factor)
και απελευθερώνει πρωτόνια
Εξωκυπάριο σηματοδοηκό μόριο που πρέπει να είναι παρόν
(ιόντα Η+), παράγοντας έτσι χαμηλό ρΗ. Τα πρωτόνια αυτά α
προκειμένου να παρεμποδίσει τον προγραμμαησμένο κυπα
ντιδρούν με το νερό και σχηματίΖουν ιόντα υδρωνίου (Η 3 Ο +).
ρικό θάνατο.
Ουσία που διίmαται
mo νερό
οργανίδιο (organelle)
παράγοντας που προάγει m φάση Μ
Μια διαKPlίή δομή ή ένα υποδιαμέρισμα ενός ευκαρυωηκού
factor) -
βλ.
(M-phase promotίng
MPF
κυπάρου εξειδικευμένο για να επιτελεί μια συγκεκριμένη λει τουργία. Μια κυπαρική υποδομή ορατή με το φωτονικό μι
πεπτιδικός δεσμός
κροσκόπιο. Παραδείγματα είναι τα μlίOXόνδpια και η συ
Χημικός δεσμός ανάμεσα
σκευή
νύλιο της καρβοξυλικής ομάδας ενός
Golgi.
mo
καρβο
αμινοξέος και την αμινομάδα ενός δεύ
ο 11
-C-N-
τερου αμινοξέος-μια ειδική μορφή αμι
οργανική χημεία
Ο κλάδος της χημείας που ασχολείται με ης ενώσεις που πα
δικού δεσμού (βλ. Παράρτημα
Ι
Η
2-5).
ρασκευάΖΟνται από άνθρακα. Πρακηκά περιλαμβάνει όλα τα μόρια από τα οποία παρασκευάΖονται τα Ζωντανά κύπαρα, ε
περιοχή (domaίn) Ξεχωριmή περιοχή μιας μεγαλύτερης δομής. Μια πρωτεϊνική
κτός από το νερό.
πεΡΙΟΧή ΟΡιζόντιαμεrαφoράγονιδίων
(protein domain)
είναι ένα συμπαγές και mαθεΡά
πτυχωμένο τμήμα ενός πολυπεπηδίου. Μια μεμβρανική πε
Μεταφορά ΟΝΑ από οργανισμό σε οργανισμό που οδηγεί
ριοχή
σε μόνιμη αλ/αγή της σύmασηςτου ΟΝΑ mov δέκτη. Αντίθε
δας με χαΡακτηΡιmική σύνθεση σε λιπίδια και πρωτεΊνες.
(membrane domain)
είναι μια περιοχή της διπλοmιβά
τη από την «κάθετη» μεταφορά γονιδίων κατά την κληρονομι κή μεταβίβαση γονιδίων από τους γονείς
ma παιδιά.
πέψη (digestίon) Η ενΖυμική αποδόμηση μεγάλων μορίων που προσλαμβάνο
ορμόνη
νται με την τροφή. Τα μικρά μόρια που προκύπτουν από την
Ένα χημικό σήμα που παράγεται από μια ομάδα ειδικών κυτ
αποδόμηση εισέρχονται
τάρων ενός πολυκύπαρου οργανισμού και μεταφέρεται με
και μεταβολίζονταΙ.
mo
κυπαροδιάλυμα των κυπάρων
την κυκλοφορία του αίματος σε απομακρυσμένους ιmούς
mόχους mους οποίους ασκεί ειδικές επιδράσεις.
πινOKUΠάρωση Η πρόσληψη υγρού από ένα κύπαρο με ενδοκυπάρωση.
παθητική μεrαφoρά Η μετακίνηση ενός μικρού μορίου ή ενός ιόντος διαμέσου
πλαίσιο ανάγνωσης
(reading frame)
μιας μεμβράνης που προωθείται από μια διαφορά συγκέ
Η επιλογή του τρόπου υποδιαίρεσης μιας αλ/ηλουΧίας νουκλε
ντρωσης ή ηλεκτρικού δυναμικού.
οηδίων σε διαδοχικές φιπλέτες που προορίΖΟνται να διαβα mούν ως κωδικόνια για τη μετάφραση σε πρωTε1i.ιη. Μια αλ/η
PCR -
βλ. αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης.
λουχία νουκλεοηδίων μπορεί να διαβαmεί σε οποιοδήποτε από τα τρία πιθανά πλαίσια ανάγνωσης, ανάλογα με την αφετηρία.
παλίνδρομηαλληλουχία
πλασμιοιο (pIasmid)
Λλ/ηλουΧία νουκλε
ΟTlδίων, η οποία εί
5'
ναι ταυτόσημη με τον
συμπληρωμαηκότης
κλώνο, όταν ο κάθε κλώνος
μα. Χρησιμοποιείται ευρέως ως φο 3'
ρέας για κλωνοποίηση ΟΝΑ.
διαβάΖεται
προς την ίδια
3'
Μικρό κυκλικό μόριο ΟΝΑ που αντι
γράφεται ανεξάρτητα από το γονιδίω
5'
~
χημική κατεύθυνση.
πλασμόδεσμα
(plasmodesma)
Διακυπάριος σύνδεσμος των φυτών,
mov οποίο
ένας κυπα
ροπλασμαηκός δίαυλος που επενδύεται με μεμβράνη δια
παράγοντας έναρξης (initίatίon factor) ΠρωτεΊνη που προάγει τη σωmή αλληλεπίδραση των ριβοσω-
1020
Γλωσσάριο
συνδέει δύο γεlίOνΙKά κύπαρα μέσω ενός μικρού πόρου τοίχωμά τους.
mo
πλευρική αλυOlοα
σάκχαρα. Παραδείγματα είναι το γλυκογόνο, το υαλουρονι
Σ' ένα αμινοξύ, το τμήμα του μορίου που δεν εμπλέκεται στη
κό οξύ και η κυπαρίνη.
δημιουργία πεmιδικών δεσμών και προσδίδει σε κάθε αμινο
πολυσωμ6ηο (ΡοΙΥsome/πολυριβοσωμάτιο, polyrίbosome)
ξύ τις μοναδικές ιδιότητές του.
Μόριο αγγελιοφόρου
πολικ6ς
RNA
Αναφέρεται σ' ένα μόριο, ή σ' έναν ομοιοπολικό δεσμό ενός
με συνδεδεμένα
ριβοσωμάτια το οποίο
μορίου, όπου τα ηλεκτρόνια ενός δεσμού έλκονται ισχυρότε
πραγματοποιεί πρωτεϊ
ρα προς ένα άτομο, δημιουργώντας έτσι μια άνιση (ή πολω
νοσύνθεση.
μένη) κατανομή ηλεκτρικού φορτίου. πορίνη
πόλος mς ατράκτου
οικογένεια πρωτεϊνών που σχηματίΖουν μεγάλους υδατικούς
Το ένα από τα δύο κεντροσωμάτια ενός κυπάρου σε μίτωση.
διαύλους (<<πόρους») στην εξωτερική μεμβράνη των βακτη
Οι μικροσωληνίσκοι που ξεκινούν ακτινωτά από αυτά τα κε
ρίων ή των μιτοχονδρίων.
ντροσωμάτια σχηματίζουν τη μιτωτική άτρακτο.
πουρίνη
ΠOλυγOVΙδιαKό χαρακτηριστικό
Η μια από τις δύο κατηγορίες αΖωτούχων κυκλικών ενώσεων
Ένα χαρακτηριστικό που ελέγχεται από πολ/ά γονίδια, το
που υπάρχουν στο ΟΝΑ και στο ΗΝΑ. Παραδείγματα είναι η
καθένα από τα οποία συνεισφέρει κάτι στον φαινότυπο.
αδενίνη και η γουανίνη (βl\. Παράρτημα
πολυμεράση
πράσινη φθορίζουσα πρωτείνη
2-6).
(green fluorescent protein, GFP)
Γενικός όρος για ένΖυμα που καταλύουν την προσθήκη υπο
ΦθορίΖουσα πρωτείνη (από μια μέδουσα) που χρησιμοποιεί
μονάδων σ' ένα πολυμερές. Για παράδειγμα, η ΟΝΑ πολυμε
ται ευρέως ως δείκτης για την παρατήρηση της μετακίνησης
ράση παράγει ΟΝΑ, ενώ η ΗΝΑ πολυμεράση ΗΝΑ.
πρωτεϊνών σε Ζωικά κύπαρα.
πολυμερές
προγραμματισμένος KUΠαρικός θάνατος
(programmed cell
Μεγάλο και συνήθως γραμμικό μόριο που σχηματίΖεται από
death) ή aπόπτωση
τη συνένωση πολ/απλών ταυτόσημων ή παρόμοιων μονάδων
Φυσιολογική καλοήθης διεργασία κυπαρικής αυτοκτονίας, στην
(μονομερή) μ' επαναληmικό τρόπο.
οποία το κύπαρο συρρικvώνεται, διαλύει το περιεΧόμενό του και ενεργοποιεί τη φαγοκυπάρωσή του από τα γειτονικά κύτταρα.
πολυμορφισμός μεμονωμένου νουκλεοτιδίου nucleotίde
(single
polymorphism, SNP)
προκαρυώmς
Αλ/ηλουΧίες του γονιδιώματος που διαφέρουν κατά ένα νου
Είδος Ζωντανού κυπάρου που χαρακτηρίΖεται από την έλ/ει
κλεοτίδιο ανάμεσα σε δύο πληθυσμιακές ομάδες.
ψη ενός ευδιάκριτου πυρήνα. Βακτήριο.
πολυνουκλεοτίδιο
προμετάφαση
Μια μοριακή αλυσίδα νουκλεοτιδίων που συνδέονται χημικά
(prometaphase)
Στάδιο της μίτωσης πριν από τη μετάφαση.
με φωσφοδιεστερικούς δεσμούς. ΗΝΑ ή ΟΝΑ.
προπορευόμενος κλώνος πολυπεπτιδικ6ς σκελετός (polypeptίde
backbone)
(leading strand)
Ο ένας από τους δύο νεοσυντεθειμένους κλώνους του ΟΝΑ
Η γραμμική αλυσίδα ατόμων που περιέχει επαναλαμβανόμε
σε μια διχάλα αντιγραφής. Ο προπορευόμενος κλώνος πα
νους πεπτιδικούς δεσμούς η οποία διατρέχει ένα πρωτεϊνικό
ράγεται με συνεχή σύνθεση σε κατεύθυνση
5'
~
3 ..
μόριο και στην οποία συνδέονται οι πλευρικές αλυσίδες των αμινοξέων.
προσαρμογή (adaptatίon) Η προσαρμογή της ευαισθησίας ενός κυπάρου ή ενός οργα
πoλυπεrnίδιo
νισμού μετά από επανειλημμένη διέγερση. Επιτρέπει να εκ
Γραμμικό πολυμερές που αποτελείται από πολ/ά αμινοξέα.
δηλωθεί μια απάντηση ακόμα και όταν υπάρχει υψηλό βασι
Οι πρωτείνες είναι μεγάλα πολυπεπτίδια και οι δύο όροι μπο
κό επίπεδο διέγερσης.
ρεί να χρησιμοποιηθούν εναλ/ακτικά.
πρ6τυπος oργαvισμός
πολυσaκxαρfmς Γραμμικό ή διακλαδισμένο πολυμερές αποτελούμενο από
Οργανισμός που επιλέγεται για εντατική μελέτη ως αντιπρο σωπευτικός μιας μεγάλης ομάδας ειδών.
Γλωσσάριο
1021
πρωτεϊνική φωσφατάση (φωσφοπρωτεϊνική φωσφaτάση)
πρ6φαση
Το πρώτο στάδιο της μίτωσπς κατά τπ διάρκεια του οποίου τα
ΈνΖυμο που αφαιρεί, με υδρόλυση, μια φωσφορική ομάδα
χρωμοσώματα είναι μεν συμπυκνωμένα αλλά δεν έχουν ακό
από μια φωσφορυλιωμένη πρωτεΊνη, συνήθως με υψηλή ε
μα προσκολ/πθεί στπ μιτωτική άτρακτο. Επίσης ένα επιφανει
ξειδίκευση.
ακά παρόμοιο στάδιο της μείωσης.
πρωτεογλυκάνη πρωτεάση (πρωτεϊνάση, πρωτεoλιmκό ένζυμο)
Μόριο που αποτελείται από μια ή περισσότερες αλυσίδες γλυ
Ένα ένΖυμο, όπως η θρυψίνη που αποδομεί πρωτεΊνες υδρο
ΚΟΖαμινογλυκανών συνδεδεμένων με την ίδια πρωτεΊνη.
λόοντας μερικοός πεmιδικοuς δεσμοός. πρωτεόλυση
πρωτεασωμάτιο
Η αποδόμηση μιας πρωτε'ίνης με τη δράση μιας πρωτεάσης.
(proteasome)
Μεγάλο πρωτεϊνικό σόμπλοκο στο κυτ
πρωτογενές μετάγραφο (prίmωy transcrίpt) - βλ. μεταγραφή.
ταροδιάλυμα, υπεόθυνο για την αποδό μηση πρωτεϊνών του κυπαροδιαΜμα
τος που έχουν σημαδευτεί για κατα
πρωτογενές μετάγρaφo
-
βλ. μεταγραφή.
στροφή με προσθήκη ουβικουϊτίνης ή
με κάποιο άλ/ο τρόπο.
πρωτόΖωο Μη φωτοσυνθετικός, μονοκόπαρος, κινητός ευκαρυωτικός
πρωτείνη
οργανισμός. Τα περισσότερα πρωτόΖωα, όπως τα
Γραμμικό πολυμερές αμινοξέων που συνδέονται σε μια ειδι
um και
κή αλληλουΧία με πεπτιδικοός δεσμοός.
σμοός, ως άρπαγες ή ως παράσιτα.
πρωτεΤνη που προσδένει
πρωΤΟ-ΟΥκογονιοιο
GTP (GTP binding protein)
Parameci-
Ζουν εκμεταλλευόμενα άλλους οργανι
Amoeba,
-
βλ. ογκογονίδιο
Αλ/οστερική πρωτε'ίνη, της οποίας η διαμόρφωση καθορίζε
ται από τη σόνδεσή της με το
GTP ή το GDP.
Στην οικογένεια
αυτών των πρωτεϊνών περιλαμβάνονται πολλές πρωτεΊνες που εμπλέκονται στην κυπαρική σηματοδότηση, όπως οι
G
πρωτεΊνες.
πρωτόνιο Θετικά φορτισμένο υποατομικό σωματίδιο που βρίσκεται στον πυρήνα των ατόμων. Ο πυρήνας ενός ατόμου υδρογό νου. Επίσης υφίσταται ως ανεξάρτητο χημικό είδος υπό τη
μορφή ενός θετικοό ιόντος υδρογόνου.
πρωτεΤνη-φορέας
(carrier protein)
Μεμβρανική μεταφορική πρωτεΊνη που προσδένει μια διαλυ
πυριμιδίνη
τή ουσία και τη μεταφέρει διαμέσου της μεμβράνης. Για να τα
Η μια από τις δόο κατηγορίες αΖωτοόχων κυκλικών ενώσεων
καταφέρει υφίσταται μια σειρά μεταβολών διαμόρφωσης.
που υπάρχουν στο ΟΝΑ και στο
RNA.
Παραδείγματα είναι η
κυτοσίνη, η θυμίνη και η ουρακίλη (βλ. Παράρτημα
2-6).
πρωτεϊνική Κ1νάση
ΈνΖυμο που μεταφέρει μια φωσφορική ομάδα από το ΑΤΡ σ' ένα ειδικό αμινοξό μιας πρωτεΊνης-στόχου. Τα κόπαρα
πυρήνας
(1) Σ' ένα ευκαρυωτικό
κόπαρο, το οργανίδιο που περιέχει ΟΝΑ
περιέχουν εκατοντάδες διαφορετικές πρωτεϊνικές κινάσες
οργανωμένο σε χρωμοσώματα.
που φωσφορυλιώνουν διαφορετικές ομάδες πρωτεϊνικών
ντρικό σωματίδιο, που αποτελείται από νετρόνια και πρωτόνια.
(2)
Σ' ένα άτομο, το μεγάλο κε
στόχων.
πυρηνικό περίβλημα πρωτείνική μηχανή
(nuclear envelope)
Το περίβλημα του πυρήνα ενός ευκαρυωτικοό κυπάρου. Απο
Ομάδα πρωτεϊνών που συνδέονται μεταξό τους με ειδικό
τελείται από Μο λιπιδικές διπλοστιβάδες, την εξωτερική και
τρόπο έτσι ώστε οι συντονισμένες κινήσεις μέσα στο σό
την εσωτερική, και είναι διάτρητο από πυρηνικοός πόρους.
μπλοκο να μποροόν να διεκπεραιώνουν μια ακολουθία α ντιδράσεων με μεγάλη ταΧότητα και αποτελεσματικότητα. Πολλές από τις βασικές αντιδράσεις του κυπάρου κατα
πυρηνικός πόρος
(nuclear pore)
Δίαυλος διαμέσου του πυρηνικοό περιβλήματος που επιτρέ
Μονται από τέτοιες πρωτεϊνικές μηχανές, με γνωστότερα
πει σ' επιλεγμένα μόρια να μετακινοόνται ανάμεσα στον πυ
παραδείγματα την αντιγραφή του ΟΝΑ και την πρωτεϊνο
ρήνα και το κυπαρόπλασμα.
σόνθεση.
πυρηνικός υμένας πρωτεϊνική περιοχι'ί
1022
-
Γλωσσάριο
βλ. περιοχή
(nuclear larnina)
Ινώδης στιβάδα στην εσωτερική επιφάνεια της εσωτερικής
πυρηνικής μεμβράνης. Αποτελείται από ένα πλέγμα ενδιάμε
σων ινιδίων που σχηματίΖΟνται από τις πυρηνικές λαμίνες.
RNA (ρι60νoυκλεϊvικ6
οξύ)
Πολυμερές που σχηματίΖεται από ομοιοπολικά συνδεδεμένα ριβονουκίΊεοτίδια.
πυρηvίσκoς
(nucleolus)
Δομή στον πυρήνα όπου μεταγράφεται το ριβοσωματικό ΗΝΑ
και συναρμολογούνται οι ριβοσωματικές υπομονάδες.
ρυθμισrική aίΊίΊnλoυxία ΟΝΑ ΑλληλουΧία DΝΑ στην οποία προσδένεται μια ρυθμιστική πρωτείνη γονιδίων ώστε να καθορίσει πότε, που και σε ποιες
πυροσταφυλικ6
ποσότητες θα μεταγραφεί σε ΗΝΑ ένα γονίδιο.
Μεταβολίτης που σχηματίΖεται από την αποδόμηση της γλυ
κόΖης κομβικό σημείο για τον κύκίΊο του κιτρικού οξέος και ποίΊίΊές βιοσυνθετικές οδούς.
ρυθμιστική πρωτεΤνη (γονιδίου)
(gene regu1atory protein)
Γενική ονομασία για κάθε πρωτεΊνη που προσδένεται σε μια ειδική αίΊίΊηλουΧία DΝΑ για να μεταβάλει την έκφραση ενός γονιδίου.
ρεrρoϊ6ς
Ιός που περιέχει ΗΝΑ. Αναπαράγεται μετά την είσοδό του σ' ένα κύπαρο-ξενιστή συνθέτοντας ένα DΝΑ αντίγραφο του
σaκxαρfmς
ΗΝΑ γονιδιώματός του με αντίστροφη μεταγραφή και ενσω
Χρησιμοποιείται ως κατάληξη για να δηλώσει ένα σάκχαρο,
ματώνοντας αυτό το DΝΑ στο γονιδίωμα του κυπάρου-ξενι
όπως στις λέξεις δισακχαρίτης (αποτελείται από δύο σάκχα
στή. Στη συνέχεια, το ενσωματωμένο ιικό DΝΑ κατευθύνει τη
ρα) και/ή πολυσακχαρίτης (αποτελείται από ποίΊίΊά σάκχαρα).
σύνθεση ποίΊίΊών μορίων νέου ιικού ΗΝΑ έι:σι ώστε να παρα χθούν νέα σωματίδια του ιού.
σάκχαρο
Μια ουσία που αποτελείται από άνθρακα, υδρογόνο και οξυ ρεrρoτρανσπoz6νιo
γόνο με το γενικό τύπο
(CH20Jn. Ένας υδατάνθρακας
ή σακ
Είδος μεταθετού στοιχείου που μετακινείται αφού προηγου
χαρίτης. Η Ζάχαρη που χρησιμοποιούμε καθημερινά είναι έ
μένως μεταγραφεί σε ΗΝΑ, το οποίο στη συνέχεια μετατρέπε
νας ειδικός δισακχαρίτης με γλυκιά γεύση που παράγεται α
ται ξανά σε DΝΑ από την αντίστροφη μεταγραφάση και ενσω
πό Ζαχαρότευτλα ή σακχαροκάλαμο.
ματώνεται σε άίΊίΊη θέση των χρωμοσωμάτων.
σαρκομερίδιο ρι60ένΖυμο (ήbοzyme)
(sarcomere)
Επαναλαμβανόμενη μονάδα ε
Ένα μόριο ΗΝΑ με καταλυτικές ιδιότητες.
νός μυοϊνιδίου σ' ένα μυϊκό κύπαρο, μήκους περίπου
ριβοσωμοτικ6
RNA (ήbοsοmal RNA, rRNA)
2.5
μm, που αποτελείται από επικα
Είδος μορίων ΗΝΑ που συμμετέχουν στο σχηματισμό ενός
λυπτόμενα παχιά ινίδια μυοσί
ριβοσωματίου και στην πρωτεϊνοσύνθεση.
νης και λεmά ινίδια ακτίνης.
σημaτoδoτική ακολουθία
ριβοσωμ6τιο
(signaling cascade)
ΑίΊίΊηλουΧία διασυνδεόμενων πρωτεϊνικών αντιδράσεων, οι
Σωματίδιο που αποτελείται από μόρια
οποίες συχνά περιλαμβάνουν φωσφορυλιώσεις και αποφω
ριβοσωματικού
σφορυλιώσεις, που μεταδίδουν ένα σήμα στο εσωτερικό ενός
RNA και
ριβοσωματι
κών πρωτεϊνών που σχετίΖεται με το αγ
κυπάρου.
γελιοφόρο ΗΝΑ και καταλύει τη σύνθε ση μιας πρωτείνης.
σημείο ελέγχου
(checkpoint)
Ένα σημείο στον κύκίΊο διαίρεσης ενός ευκαρυωτικού κυπά ρου όπου η εξέλιξη στον κύκίΊο μπορεί να σταματήσει έως ό
RNA ειοονητής (RNA pήmer) Βραχύ τμήμα ΗΝΑ που σχηματίζεται πάνω στον καθυστερη
του οι συνθήκες είναι κατάίΊίΊηλες ώστε το κύπαρο να προχω ρήσει στο επόμενο στάδιο.
μένο κλώνο κατά την αντιγραφή του DΝΑ για ν' αφαιρεθεί στη συνέχεια.
σθένος
(valence)
Για ένα άτομο, ο αριθμός των ηλεκτρονίων που πρέπει να
RNA πολυμεράση
κερδίσει ή να Χάσει (με μοίρασμα ή μεταφορά ηλεκτρο
ΈνΖυμο που καταλύει τη σύνθεση ενός μορίου ΗΝΑ πάνω σ'
νίων) ώστε ν' αποκτήσει μια πλήρως συμπληρωμένη εξωτε
ένα DΝΑ εκμαγείο χρησιμοποιώντας ως πρώτη ύλη τριφω
ρική στιβάδα. Συνεπώς, για παράδειγμα, το σθένος του
σφορικά νουκίΊεοτίδια.
είναι
1 (πρέπει
να Χάσει ένα ηλεκτρόνιο), όπως και του
Γλωσσάριο
Na Cl
1023
(πρέπει να κερδίσει ένα ηλεκτρόνιο). Το σθένος ενός ατό
χώρος ενός χί\ωροπλάστη, που περιέχει ένΖυμα τα οποία εν
μου είναι ίσο με τον αριθμό των απλών δεσμών που μπορεί
σωματώνουν
CO2 σε σάκχαρα για φωτοσύνθεση.
να σχηματίσει.
συzευγμέvn αντίδραση
SNARE
(coupled reaction)
Ζεύγος συνδεόμενων χημικών αντιδράσεων στην οποία η ε
Οικογένεια μεμβρανlκών πρωτεϊνών υπεύθυνων για την ε
λεύθερη ενέργεια που απελευθερώνεται από τη μια αντίδρα
κλεκτική σύντηξη κυστιδίων με τις κατάλ/ηλες μεμβράνες
ση προωθεί την άλλη.
στόχους.
συzευγμέvn μεταφορά σουλφυδριλική ομάδα
(-SH, θειόλη)
(coupled transport)
Διεργασία μεμβρανlκής μεταφοράς στην οποία η μεταφορά
Χημική ομάδα που περιέχει θείο και υδρογόνο και βρίσκεται
ενός μορίου εξαρτάται από την ταuτόχρονη ή διαδοχική μετα
στο αμινοξύ κυστείνη και σε άλ/α μόρια.
φορά ενός δεύτερου μορίου.
σπειροειδές σπείραμα
(coiled-coil)
συμΒίωση
Ιδιαίτερα σταθερή ραβδοειδής πρωτεϊνική δομή που δημι
Μια στενή σΧέση ανάμεσα σε δύο οργανισμούς διαφορεπ
ουργείται από δύο α-έλικες που περιελίσσονται η μια γύρω α
κού είδους από την οποία απορρέει ένα μακροπρόθεσμο
πότην άλλη.
πλεονέκτημα επιλογής και για τοuς δύο οργανισμούς.
συμμεταφορά(~Ροrt)
σπερματΟΖωάριο Ο αρσενlκός γαμέτης, συνήθως μικρός και
Μορφή συμμεταφοράς στην οποία μια μεμβρανlκή πρωτείνη
πολύ κινητός. Παράγεται σε μεγάλους α
φορέας μεταφέρει δύο διαλυτές ουσίες διαμέσου μιας μεμ
ριθμούς.
βράνης προς ιπν ίδια KOΤEIJeUvan.
σταθερά ισορροπίας (equilibήurn
constant, Κ)
Αριθμός που χαρακτηρίζει την κατάσταση ισορροπίας για μια
συμπληρωματικό ΟΝΑ Μόριο ΟΝΑ
(complementary ΟΝΑ, cDNA) ως ένα αντίγραφο του mRNA και
nou παράγεται
αντιστρεπτή χημική αντίδραση. Δίνεται από το λόγο της στα
επομένως δεν περιέχει τα ιντρόνια που υπάρχοuν στο γενω
θεράς ταχύτητας των δύο κατευθύνσεων της αντίδρασης (βλ.
μικό ΟΝΑ. Χρησιμοποιείται για τον καθορισμό της αλ/ηλου
Πίνακα
Χίας των αμινοξέων μιας πρωτείνης ή για την παραγωγή της
3-1) .
πρωτεΤνης σε μεγάλες ποσότητες με κλωνοποίηση
στεγανή σύνδεσπ
(tightjunction)
nou
ακο
λουθείται από έκφραση.
Διακυπάρια σύνδεση που συγκολ/ά τα γειτονικά επιθηλιακά κύπαρα και παρεμποδίΖει τα διαλυμένα μόρια του εξωκυπά ριου μέσου να περάσουν από τη μια πλευρά ενός επιθηλια κού φύλ/ου στην άλλη.
συμπληρωματικός
(complementary)
(Για δύο αλ/ηλΟUΧίες νοuκλεϊνικών οξέων) ικανές να Ζευγα ρώνοuν ακριβώς με Ζευγάρωμα της την Τ ή την
U, όπως
G με την C και ιπς Α με
οι δύο κλώνοι μιας διπλής έλικας ΟΝΑ.
στεροειδής ορμόνη Λιπόφιλη ορμόνη που σχετίΖεται με τη χοληστερόλη. Παρα
σύμπλοκο
-
βλ. μοριακό σύμπλοκο.
δείγματα είναι τα οιστρογόνα και η τεστοστερόνη. σύμπλοκο αναγνώρισης mς αφετηρίας (oήgίn
στιβάδα υδατανθράκων
(carbohydrate layer)
recognition
complex,ORC)
Περίβλημα πολυσακχαριτών στην εξωτερική επιφάνεια ενός
Μεγάλο πρωτεϊνικό
nou
G"\
κυττάρου, το οποίο περιλαμβάνει και τα πολυσακχαριτικά
προσδένεταιστο ΟΝΑ στις αφετηρίες
Γ?2J
σύμπλοκο
τμήματα των πρωτεογλυκανών που συνάπτονται σε μόρια
αντιγραφήςτων ευκαρυωτικώνχρωμο-
πρωτεϊνών ή λιπιδίων.
σωμάrων καθόλη τη διάρκεια του KUΤ-
U
~
ταρικού KIJκIΊOU.
στοιχείο
(element)
Ουσία που δεν μπορεί να διασπαστεί σε κάποια άλ/η χημική μορφή. Αποτελείται από ένα είδος ατόμων.
σύμπλοκο αναδιαμόρφωσης mς χρωματίνης ΈνΖυμο (πολυμερές) που χρησιμοποιεί την uδρόλuση τou
. ΑΤΡ για να τροποποιήσει τις στρώμα
(1) Ο συνδετικός ιστός στον οποίο είναι ενσωματωμένο ένα (2) Ο μεγάλος εσωτερικός
αδενικό ή κάποιο άλ/ο επιθήλιο.
1024
αλ/ηλεπιδράσεις lστονών-ΟΝΑ
στα ευκαρυωτικά χρωμοσώματα. Η τροποποίηση κάνει το
Γλωσσάριο
ΟΝΑ προσπελάσιμο από άλλες πρωτείνες, όπως οι μεταγρα φικοί παράγοντες.
σύμπ?ιοκο που προάγει την ανάφαση (anaphase-promotiηg
complex, APC) Πρωτεϊνικό σύμπλοκο που προάγει τη
αποδόμηση ειδ
. ώ','
πρωτεϊνών καταλύοντας την ουβικουϊτινίωσή τους. Κρίm, ο συστατικό του συστήματος ελέγχου του κυπαρικού κύκλου,
συμπύκνωση χρωμοσωμάτων
συνθετάση των αμIVoακυi\o-:
Συσκευασία ενός χρωμοσώματος σε μια πιο συμπαγή δομή
ΈνΖυμο που συνδέει το σωστό a.
πριν από τη φάση Μ του κυπαρικού κύκλου.
στε να σχηματιστεί ένα αμινοακυλο-tRΝΑ
συναmικό Kυσrίδιo
συρραφή του
(synaptic vesicle)
'οξι: G έ:c:<
RNA (ΗΝΑ splicing)
Μικρός μεμβρανικός σάκος γεμάτος με νευροδιαβιβαστή που
Διεργασία στην οποία οι αiΊiΊηλoυxίες των ιντρονίων εκτέμνο
εντοπίΖεται στη νευρική απόληξη στην περιοχή μιας σύναψης.
νται από τα μόρια του ΗΝΑ στον πυρήνα κατά το σχηματισμό
Τα συναπτικά κυστίδια απελευθερώνουν το περιεχόμενό τους
με συρραφή του αγγελιοφόρου ΗΝΑ.
με εξωκυπάρωση μόλις μια νευρική ώση (ένα δυναμικό ε νέργειας) φτάσει στη νευρική απόληξη.
συσκευή Golgί (Golgί
apparatus)
Μεμβρανικό οργανίδιο των ευκαρυωτι σύναψη
κών κυπάρων, όπου υφίστανται τροπο
Εξειδικευμένος σύνδεσμος ανάμεσα σ'
ποίηση και διαiΊoγή οι πρωτε'ίνες και τα Ν
ένα νευρικό κύπαρο και ένα άiΊiΊo κύτ
πίδω που παράγονται στο ενδoπiΊασματι
ταρο (νευρικό, μυϊκό ή αδενικό) διαμέ
κό δίκτυο. (Πήρε το όνομά του από τον
σου της οποίας το νευρικό κύπαρο με
Camillo Golgi ο οποίος την ανακάλυψε).
ταδίδει το σήμα του. Στις περισσότερες συνάψεις, το σήμα μεταφέρεται από έ-
σύσmμα ελέγχου του κυπαρικού κύκλου
ναν νευροδιαβιβαστή, ο οποίος εκκρί-
Δίκτυο ρυθμιστικών πρωτεϊνών που ελέγχει την πορεία ενός
νεται από τη νευρική απόληξη ως συνέ-
ευκαρυωτικού κυπάρου στον κυπαρικό κύκλο.
πεια μιας νευρικής ώσης και διαΧέεται
σφαιρική πρωτείνη
στο κύπαρο-στόΧο.
(g1obu1ar protein)
Κάθε πρωτείνη με περίπου αποστρογγυλωμένο σχήμα. Οι πε
σύνδεσμος ή συμβολή προσκόλλησης
(adherens junction)
ρισσότερες πρωτείνες είναι σφαιρικές.
Κυπαρική συμβολή στην οποία η κυπαροπλασματική πλευρά της μεμβράνης στην περιοχή της συμβολής συνάπτεται σε νη
σωματικό κύπαρο Κάθε κύπαρο ενός φυτού ή ενός Ζώου εκτός από τα βλαστικά
μάτια ακτίνης.
κύπαρα και τους απογόνους τους.
συνδέτης ή πρoσδέrnς
(ligand)
Ένα μόριο, όπως μια ορμόνη ή ένας νευροδιαβιβαστής, που
προσδένεται σε μια ειδική θέση μιας πρωτε'ίνης.
ΈνΖυμο που επιμηκύνει τα τελομερίδια, τις επαναληπτικές αiΊiΊηλoυxίες νουκλεοτιδίων που βρίσκονται στα άκρα των ευ καρυωτικών χρωμοσωμάτων.
συνδυαστικός (cοmbίηatοήa1) Κάθε διεργασία που κατευθύνεται από έναν ειδικό συνδυα σμό παραγόντων (αντί για έναν μόνο παράγοντα). Οι διαφο
ρετικοί συνδυασμοί έχουν διαφορετικά αποτελέσματα.
συνδυαστικός έλεγχος (cοmbίηatοήa1
τελομεράση
control)
Έλεγχος της έκφρασης ενός γονιδίου που εξαρτάται από την
τελομερίδιο Δομή στο άκρο ενός χρωμοσώματος, που σχετίΖεται με μια
χαρακτηριστική aiΊiΊηλoυxία
DNA η
οποία αντιγράφεται κατά
ειδικό τρόπο. τελ6φaση
παρουσία ή την απουσία ενός ειδικού συνδυασμού ρυθμιστι
Το τελικό στάδιο της μίτωσης στο οποίο οι δύο ομάδες των
κών πρωτεϊνών.
διαχωρισμένων χρωμοσωμάτων αποσυμπυκνώνονται και πε ρικλείονται από πυρηνικό περίβλημα.
συνένζυμο Α (CoA) Μικρό μόριο που χρησιμοποιείται στην ενΖυμlκή μεταφορά α
τεχνική καταγραφής με καθήλωση του δυναμικού
(patch-
κυλομάδων στο κύπαρο (βλ. επίσης ακετυλο-CοΑ και Εικόνα
clamp recording)
3-37).
Τεχνική στην οποία το άκρο ενός μικρού γυάλινου ηλεκτρο-
Γλωσσάριο
1025
δίου εφαρμόΖει σ' ένα τεμαχίδιο της κυπαρικής μεμβράνης
υβριδισμός
in situ (ίη situ hybridization)
RNA ή
και έτοι επιτρέπει την καταγραφή της ροής του ρεύματος δια
Τεχνική στην οποία ένας μονόκλωνος
μέσου μεμονωμένων διαύλων ιόντων του μεμβρανικού τεμα
τής χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό ενός γονιδίου ή ενός
χιδίου.
μορίου
τεχνολογία ανασυνδυασμέvOυ ΟΝΑ
technology) ή γεvεrική
(recombinant ΟΝΑ
μηχανική.
mRNA σ'
ΟΝΑ ανιχνευ
ένα κύτταρο ή έναν ιστό.
υδατάνθρακας Γενικός όρος για σάκχαρα και συγγενείς ενώσεις με το γενι
Το σύνολο των τεχνικών με τις οποίες τμήματα ΟΝΑ διαφο
κό τύπο (CHz0Jπ,
ρετικής προέλευσης συνδυάΖονται για τη δημιουργία ενός νέ
ου μορίου ΟΝΑ. Οι τεχνικές αυτές χρησιμοποιούνται ευρέως
υδρόλυση
για την κλωνοποίηση γονιδίων, τη γενετική τροποποίηση των
Η διάσπαση ενός ομοιοπολικού δεσμού με προσθήκη νερού,
οργανισμών και γενικά στη μοριακή βιολογία.
όπου στο ένα προϊόν της διάσπασης προστίθεται -Η ενώ στο
άλ/ο-ΟΗ. τουμπουλίνη Πρωτείνη από την οποία αποτελούνται οι μικροσωληνίσκοι.
υδροξυλομάδα (-ΟΗ) Χημική ομάδα που αποτελείται από ένα άτομο υδρογόνου που συνδέεται μ' ένα άτομο οξυγόνου, όπως σε μια αλκοόλη.
trans Πέρα, ή στην άλ/η πλευρά.
υδρόφιλο trans-δίκτυο
Φορτισμένο ή πολικό μόριο ή τμήμα ενός μορίου που σχημα
Golgi (trans Golgi network, TGN) Το τμήμα της συσκευής Golgi που απέ
τίζει αρκετούς δεσμούς υδρογόνου με το νερό οπότε και δια
χει περισσότερο από το ενδοπλασματι
λύεται εύκολα στο νερό.
κό δίκτυο. Οι πρωτείνες και τα λιπίδια
υδρόφοβο (λιπ6φιλο)
που προορίΖΟνται για τα λυσοσωμάτια, τα εκκριτικά κυστίδια ή την επιφάνεια
Μη πολικό μόριο ή ένα τμήμα ενός μορίου που αδυνατεί να
του κυττάρου προέρχονται από το δί
σχηματίσει δεσμούς με τα μόρια του νερού και επομένως εί
κτυο
ναι αδιάλυτο στο νερό.
trans-Golgi.
τρανσπΟΖ6νιο
(transposon) ή μεrαθεr6
στοιχείο
(transposable
υπεροξεισωμάτιο
(peroxisome)
element)
Μικρό μεμβρανικό οργανίδιο που χρησιμοποιεί το μοριακό
Τμήμα ΟΝΑ που μπορεί να μετακινείται από μια θέση σε μια
οξυγόνο για να οξειδώσει οργανικά μόρια. Περιέχει μερικά
άλ/η θέση ενός χρωμοσώματος ή από ένα χρωμόσωμα σ' έ
ένΖυμα που παράγουν υπεροξείδιο του υδρογόνου (ΗΖΟ Ζ )
να άλ/ο χρωμόσωμα του ίδιου κυπάρου. Σημαντική πηγή γε
και άλ/α που το διασπούν.
νετικής ποικιίΊότητας για τους περισσότερους οργανισμούς.
υπέρτονο
τριακυλογλυκερ6λη
(Για ένα διάλυμα που περιβρέχει ένα κύτταρο), το οποίο έχει
Εστέρας λιπαρών οξέων με γλυκερόλη. Το κύριο συστατικό
αρκετά υψηλή συγκέντρωση διαίΊυμένων ουσιών και αναγκά
των λιποσταγονιδίων στους Ζωικούς ιστούς (όπου τα λιπαρά
Ζει το νερό να εξέλθει από το κύπαρο με ώσμωση.
οξέα είναι κορεσμένα) και των φυτικών ελαίων (όπου τα λιπα υποδοχέας
ρά οξέα είναι κυρίως ακόρεστα).
(receptor)
Μια πρωτείνη που ανιχνεύει ένα ερέθισμα, συνήθως μΙα μεταβολή
1,4,5-τριφωσφορική lVοσπόλη (ΙΡ3)
στη συγκέντρωση ενός ειδικού σηματοδοτικού μορίου, και κατό
Μικρό ενδοκυττάριο σηματοδοτικό μόριο. Παράγεται κατά
πιν πυροδοτεί μια απάντηση μέσα στο κύτταρο. Πολ/οί υποδοχείς
την ενεργοποίηση της σηματοδοτικής οδού των φωσφολιπι
εντοπίζονται στην κυτταρική μεμβράνη και αίΊλnίΊεπιδρoύν με ορ
Z
δίων lνοσιτόλης και οδηγεί σε έκλυση Ca + από το ενδοπλα
μόνες, νευροδιαβιβαστές και άλλα μόρια του εξωτερικού μέσου.
σματικό δίκτυο. υποδοχέας με δράση Κ1νάσης σερίνηc;lθρεοvίνης
υβριδισμός
(hybridization)
Υποδοχέας της κυπαρικής επιφάνειας με
Πειραματική διεργασία, κατά την οποία δύο συμπληρωματι
μια εξωκυπάρια περιοχή πρόσδεσης του σή
κοί κλώνοι νουκλεϊνlκών οξέων προσδένονται εκλεκτικά με
ματος και μια ενδοκυπάρια περιοχή κινάσης
ταξύ τους. Μια πολύ αποτελεσματική μέθοδος για την ανί
που φωσφορυλιώνεl σηματοδοτικές πρω
χνευση ειδικών αλ/ηλουχιών νουκλεοτιδίων.
τείνες σε κατάλοιπα σερίνης ή θρεονίνης.
1026
Γλωσσάριο
φαινόμενο θέσεως (positίon
υπoδoxέaς με δράση κινάσης τυροσίνης
effects)
Είδος υποδοχέων που συνδέΟVIQJ με ένZUΜα, των οποίων η
Αναφέρεται mις διαφορές της έκφρασης ενός γονιδίου που
κυπαροπλασματική ουρά έχει ενδογενή ενεργότητα κινάσης
εξαρτώVIQJ από την εντόπισή του
mo γονιδίωμα.
της τυροσίνης που ενεργοποιείΤQJ από την πρόσδεση του συν δέτη.
φαινότυπος Τα παρατηρούμενα χαρακτηριmlκά ενός κυπάρου ή ενός ορ
υποδοχέας που συνδέεται με G πρωτεΤνη
(G-protein-linked
γανισμού.
receptor) Υποδοχέας της κυπαρικής επιφάνειας
φάση
G1 (G 1 phase)
που αλληίΊεπιδρά με μια ενδοκυπάρια
Το πρώτο διάκενο
τριμερή
κίΊου, ανάμεσα
G πρωτε'ίνη μόίΊις ενεργοποιη
θεί από ένα εξωκυπάριο σήμα. Είναι
(gap)
mo τέίΊος
του ευκαρυωτικού κυπαρικού κύ της κυπαροκίνησης και
mnv έναρ
ξη της σύνθεσης του ΟΝΑ.
μια διαμεμβρανlκή πρωτε'ίνη επτά δια φάση
βάσεων.
G2 (G 2 phase)
Το δεύτερο διάκενο του ευκαρυωτικού κυπαρικού κύκίΊου, α υποκινητής
(promoter)
νάμεσα
ΑίΊίΊηίΊουχία νουκίΊεοτιδίων του ΟΝΑ
mnv οποία προσδένεται
mo τέίΊος της σύνθεσης του ΟΝΑ και mnv έναρξη της
μίτωσης.
η ΗΝΑ ποίΊυμεράση για ν' αρχίσει τη μεταγραφή. φάση Μ
υπομονάδα
Η περίοδος του κυπαρικού κύκίΊου κατά τη διάρκεια της ο
Μια χημική ομάδα ή ένα μόριο που αποτείΊεί μέρος ενός μεγα
ποίας τα χρωμοσώματα συμπυκνώνονται και ο πυρήνας και
ίΊύτερου μορίου. Ένα μονομερές. Για παράδειγμα, ποίΊίΊές πρω
το κυπαρόπίΊασμα διαιρούνταl.
τεΊνες είναι σύμπλοκα από ποίΊίΊές ποίΊυπεπτιδικές αίΊυσίδες που ΣUYKpaΤOIJVIQJ με μη ομοιοποίΊικούς δεσμούς. Κάθε ξεχωριmή ποίΊυπεπτιδlκή αίΊυσίδα είναι μια πρωτεϊνική υπομονάδα.
φάσηS
Η περίοδος ενός ευκαρυωτικού κυπαρικού κύκίΊου
mnv ο
ποία συντίθεται ΟΝΑ.
υπόστρωμα Η ουσία
(substrate) mnv οποία επιδρά
ένα ένζυμο.
φορέας
(vector)
(Στη μοριακή γενΕΤική) γενΕΤικό mοιχείο, συνήθως ένας βακτη
υπόστρωμα Στερεή
(substratum) επιφάνεια mnv οποία
ριοφάγος ή ένα πίΊασμίδιο, που μπορεί να ενσωματώσει ένα προσκοίΊίΊάταl ένα κύπαρο.
κίΊάσμα ξένου ΟΝΑ και να το μεταφέρει σ' ένα κύπαρο-δέκτη. ΧρησιμοποιείΤQJ ευρέως για την κίΊωνοποίηση των γονιδίων.
υπότονο Για ένα διάίΊυμα που περιβρέχει ένα κύπαρο, το οποίο έχει
φορέας ηλεκτρονίων
(electron carrier)
χαμηλή συγκέντρωση διαίΊυμένων ουσιών και ωθεί το νερό
Μόριο, όπως ένα κυτόχρωμα, το οποίο μεταφέρει ένα ηίΊε
να εισέίΊθει
κτρόνιο από ένα μόριο-δότη σ' ένα μόριο δέκτη.
mo κύπαρο
με ώσμωση.
φαγοκύτταρο
φορέας κίΊωνοποίησης
(cloningvector) -
βίΊ. φορέας.
Ένα κύπαρο, όπως ένα μακροφάγο ή ένα ουδετερόφιίΊο, ε
ξεlδlKεUΜένO να προσίΊαμβάνει σωματίδια και μικροοργανι
φραγμοπλάστη
(phragmoplast)
Δομή αποτείΊούμενη από μlκροσωίΊηνίσκους και μικρά κυmί
σμούς με φαγοκυπάρωση.
δια η οποία σχηματίΖεται
φαγοκυπάρωση
mnv
περιοχή του ισημερινού ενός
διαιρούμενου φυτικού κυπάρου.
(phagocytosis)
Η διεργασία με την οποία το κύπαρο καταβροΧθίΖει σωματί δια. Ιδιαίτερα εμφανής σε αρπαχτικά πρωτόΖωα, όπως το
Amoeba proteus, και σε ορισμένα
εξειδικευμένα κύπαρα πο
ίΊυκύπαρων Ζώων, όπως τα μακροφάγα.
φυλετική αναπαραγωγή Είδος αναπαραγωγής κατά το οποίο τα γονιδιώματα δύο ορ γανισμών αναμειγνύΟνΙαl για τη δημιουργία ενός νέου οργα
νισμού. Οι οργανισμοί που παράγΟVIQJ με φυίΊετική αναπαρα
FADH 2 (ανηγμΈVo φλαBινo-αδεvινo-δινoυκίΊεoτίδιo) Κύριος μεταφορέας ηίΊεκτρονίων mov μεταβοΛισμό. Παρά γεται από την αναγωγή του FAD κατά την οξείδωση καταβοΛι τών, όπως το ηίΊεκτρικό οξύ.
γωγή διαφέρουν από τους γονείς τους αλ/ά και μεταξύ τους.
φυλετικό χρωμόσωμα Ένα χρωμόσωμα το οποίο μπορεί να είναι παρόν ή απόν ή
Γλωσσάριο
1027
να υπάρχει σε ποικίλο αριθμό αντιγράφων, ανάλογα με το φύλο του ατόμου. Στα θηλαmικά, τα χρωμοσώματα Χ και Υ.
φωτοσύνθεση Η διεργασία με την οποία τα φυτά και μερικά βακτήρια χρησι
μοποιούν την ενέργεια του ηλιακού φωτός για να προωθή
φυλoγεvεrικ6 δέντρο
σουν τη σύνθεση οργανικών μορίων από διοξείδιο του άν
«Οικογενειακό δέντρο» που δείχνει την εξελικτική ιmορία
θρακα και νερό.
μιας ομάδας οργανισμών. φωτoσύσmμα
φυσική επιλογή
Μεγάλο πολυπρωτεϊνικό σύμπλοκο που περιέχει χλωροφύλ
Διεργασία κατά την οποία τα άτομα με ορισμένα χαρακτηρι
λη και αιχμαλωτίζει την ηλιακή ενέργεια.
mικά τείνουν να εξαλειφθούν από τον πληθυσμό ενώ τα άτο μα με άλ/α χαρακτηΡιmικά επιβιώνουν και αναπαράγονταΙ.
Χάρmς περιορισμού
Τα άτομα με μεγαλύτερες πιθανότητες επιβίωσης και επιτυ
Γραφική αναπαΡάmαση ενός μορίου ΟΝΑ που δείχνει τις θέ
χούς αναπαραγωγής λέμε ότι έχουν μεγαλύτερη ευρωmία.
σεις κοπής από ποικίλες νουκλεάσες περιορισμού.
Εξαιτίας της φυσικής επιλογής, οι κληρονομικοί παράγοντες
που προσδίδουν μεγαλύτερη ευΡωmία διαδίδονται και το α ντίmΡοφο. Αυτή είναι η θεμελιώδης αρχή της εξέλιξης.
χασμοσύνδεσμος
(gap junctίon)
Διακυττάριος σύνδεσμος που επιτρέπει τη δίοδο ιόντων και
μικρών μορίων από το κυτταρόπλασμα ενός κυττάρου φωσφατιδυλοχολίνη
mo
κυτταρόπλασμα ενός άλ/ου κυττάρου.
Ένα κοινό φωσφολιπίδιο που αφθονεί mις περισσότερες κυτταρικές μεμβράνες (βλ. Εικόνα
χημική ομάδα
11-6).
Ομάδα ομοιοπολικά συνδεδεμένων ατόμων, όπως μια υδρο
φωσφοδιεmερικ6ς δεσμός Ένας ομοιοπολικός χημικός δεσμός που σχηματίΖεται όταν
ξυλομάδα (-ΟΗ) ή μια αμινομάδα (-ΝΗ2 ) που υπάρχει σε πολ
λά διάφορα μόρια και έχει έναν ιδιαίτερο χημικό χαρακτήρα.
δύο υδροξυλομάδες συνδέονται με εσrεpΙKό δεσμό με την ί
δια φωσφορική ομάδα, όπως συμβαίνει σε γειτονικά νουκλε οτίδια του ΟΝΑ ή του ΗΝΑ (βλ. Εικόνα
χημικ6ς δεσμ6ς
Σύνδεσμος ανάμεσα σε δύο άτομα που τα συγκρατεί σε μια
2-25).
χημική ένωση. Στα είδη των δεσμών που βρίσκονται
φωσφολιπάση
ma Ζω
ντανά κύτταρα περιλαμβάνονται οι ιοντικοί, οι πολικοί και οι
C
Ένζυμο που σχετίΖεται με την κυτταρική μεμβράνη το οποίο
ομοιοπολικοί δεσμοί όπως επίσης και οι δεσμοί υδρογόνου.
διεκπεραιώνει ένα κρίσιμο βήμα mις σηματοδοτικές οδούς
των φωσφολιπιδίων της ινοσιτόλης: διασπά τα φωσφολιπίδια της ινοσιτόλης και απελευθερώνει διακυλογλυκερόλη
(DAG)
χημειωσμωτική σύζευξη (chemiosmotic coupling) Ένας μηχανισμός
mov οποίο
μια βαθμίδωση ιόντων υδρο
γόνου (μια βαθμίδωση ρΗ) διαμέσου μιας μεμβράνης χρησι
και τΡιφωσφορική ινοσιτόλη (ΙΡ 3 ).
μοποιείται για να προωθήσει μια διεργασία που απαιτεί ενέρ
φωσφολιπίδιο
γεια, όπως η παραγωγή ΑΤΡ ή η μεταφορά ενός μορίου δια
Είδος λιπιδίου που χρησιμοποιείται για τη
μέσου μιας μεμβράνης.
δημιουργία των βιολογικών μεμβρανών. Γενικά αποτελείται από δύο λιπαρά οξέα
χίασμα
που συνδέονται μέσω της φωσφορικής
Σύνδεση σχήματος Χ που γίνεται ορατή μεταξύ των Ζευγαρω
γλυκερόλης με μια από τις διάφορες πο
μένων ομόλογων χρωμοσωμάτων κατά τη διαίρεση Ι της μεί
λικές ομάδες.
ωσης και αντιπροσωπεύει μια θέση επιχιασμού.
φωσφολιπίδια mς ινoσπ6λnς (φωσφοϊνοσπίδιο) Δευτερεύοντα λιπίδια της κυτταρικής μεμβράνης που περιέ
χιλιο-
(milli-)
Πρόθεμα που δηλώνει 10-3.
χουν φωσφορυλιωμένα παράγωγα ινοσιτόλης. Σημαντικά
mn μεταβίβαση
σημάτων
ma ευκαρυωτικά
κύτταρα.
χιλιοθερμιοα (kilοca!οήe,
kca!)
Μονάδα θερμότητας ίση με
φωσφορυλίωση
1000 θερμίδες.
Συχνά χρησιμο
ποιείται για να δηλωθεί η ενέργεια που περιέχεται
ma μόρια
Η ομοιοπολική σύνδεση μιας φωσφορικής ομάδας μ' ένα μι
ή τις τροφές. Για παράδειγμα, η ισχύς των δεσμών μετράται
κρό μόριο ή μια πρωτεΊνη. Στο κύτταρο, οι φωσφορυλιώσεις
σε
καταλύονται από ένΖυμα (κινάσες) και πιο συχνά χρησιμοποι
ευρέως είναι το χιλιοjοu!e
ούν ως πηγή της φωσφορικής ομάδας το ΑΤΡ.
ται με
1028
Γλωσσάριο
kcaVmo!e.
Μια εναλ/ακτική μονάδα που χρησιμοποιείται
4.2 χιλιοjοu!es.
(kilojou!e):
μια χιλιοθερμίδα ισού
xIλIojou1e
τικών πληροφοριών ενός οργανισμού. Ιδιαίτερα ε φcr:έ_ σε
(kilojou1e, kJ)
Μονάδα ενέργειας στο σύστημα
MKS
(μέτρο-χιλιογραμμά
φυτικά και Ζωικά κύπαρα που πραγματοποιούν μliωσr; _~ .~
ριο-δευτερόλεπτο), ίση με
ωση (βλ. επίσης μεσοφασικό χρωμόσωμα, μπωnκό χ.
τόνων που κινείται με ταχύτητα
σωμα).
0.239 Χιλιοθερμίδες. Μια μάΖα 2 1 μέτρο/δευτερόλεmο έχει κι νητική ενέργεια ακριβώς 1 kJ.
:""
χρωμόσωμα Υ Το ένα από τα δύο φυλετικά χρωμοσώματα των θnλαστικώ Ό
Chlamydomonas Μονοκύπαρη πράσινη άλγη με δύο μαστίγια.
χλωρoπ?ιάσmς
που βρίσκεται αποκλειστικά στους αρσενικούς οργανισμούς. χρωμόσωμα Χ
Εξειδικευμένο οργανίδιο των αλγών και των φυτών που πε
Το ένα από τα δύο φυλετικά χρωμοσώματα των θηλαστικών.
ριέχει χλωροφύλλη. Εκεί διεξάγεται η φωτοσύνθεση.
Τα κύπαρα των αρσενικών οργανισμών περιέχουν ένα χρω μόσωμα Χ και ένα χρωμόσωμα Υ, ενώ τα κύπαρα των θηλυ κών οργανισμών περιέχουν δύο χρωμοσώματα Χ.
χλωροφύλλη Φωτο-απορροφητική χρωστική που παίΖει κύριο ρόλο στη
ψευδοπ6διο
φωτοσύνθεση.
Μεγάλη προσεκβολή της κυπαρικής επιφάνειας που σχημα χοληστερόλη
τίζεται από αμοιβαδοειδή κύπαρα καθώς έρπουν. Πιο γενικά,
Λιπίδιο με χαρακτηριστική στεροειδή δομή τεσσάρων δαKΤU
κάθε δυναμική, πλούσια σε ακτίνη, προέκταση της επιφάνει
λίων. Σημαντικό συστατικό της κυπαρικής μεμβράνης των Ζω
ας ενός Ζωικού κυπάρου.
ικών κυπάρων (βλ. Εικόνα
11-7). ωάριο
χρωματιοη
(chromatid)
Το ένα από τα δύο ταυτόσημα αντίγραφα ενός χρωμοσώμα
(egg)
Το θηλυκό γαμετικό (βλαστικό) κύπαρο. Συνήθως είναι με
γάλο, ακίνητο και έχει άφθονο κυπαρόπλασμα.
τος που σχηματίΖΟνται από την αντιγραφή του ΟΝΑ αλλά εξα
κολουθούν να συνδέονται στο κεντρομερίδιο. Στη μίτωση, οι
ώσμωση
χρωματίδες διαχωρίΖΟνται και γίνονται ξεχωριστά θυγατρικά
Η μετακίνηση μορίων νερού διαμέσου μιας ημιδιαπερατής
χρωμοσώματα.
μεμβράνης που προωθείται από μια διαφορά της συγκέντρω σης των διαλυτών ουσιών στις δύο πλευρές της μεμβράνης. Η
χρωματίνη
Σύμπλοκο ΟΝΑ, ιστονών και άλλων πρωτεϊνών που βρίσκεται
μεμβράνη πρέπει να είναι διαπερατή από το νερό όχι όμως και από τα διαλυτά μόρια.
στον πυρήνα ενός ευκαρυωτικού κυπάρου. Το υλικό από το οποίο κατασκευάΖΟνται τα χρωμοσώματα.
ωσμωnκή πίεση
Η πίεση που πρέπει ν' ασκηθεί σε μια ημιδιαπερατή μεμβρά χρωμόσωμα
Μακριά νηματοειδής δομή που αποτελείται από ΟΝΑ και συ
νη ώστε ν' αντιΡροπιστεί η τάση του νερού να ρέει διαμέσου της μεμβράνης με ώσμωση.
ναφείς πρωτεΊνες. Περιέχει ένα μέρος ή το σύνολο των γενε-
Γλωσσάριο
1029
Ευρειήριο Στο ευρετήριο των λέξεων προτάσσονται αλφαβητικά τα λήματα στην Αγγλική γλώσσα. Οι αριθμό σελίδων που ακολουθούνται από το γράμμα Ε αναφέρονται σε Εικόνες και οι ακολουθούμενοι από τα γράμματα ΕΕ σε διαδοχικές εικόνες. Οι αριθμοί με το
γράμμα Π αναφέρονται σε Πίνακα.
GABA, 665Π,
Α
ADP,128 AIDS,266 Αlυ αλληλουχία, 263, 264Ε, Alzheimer, νόσος του, 150
368
Arabidopsis thalίana, 35 ΑΤΡ, 137Ε συνθάσητου,560, 568,572,574ΕΕ
Avogadro,
αριθμός του,
49
675Π υποδοχέας, 519Π GDP, 676Ε, 678, 694 GFP, 434,434Ε,435Ε,644
Ρ ρ21, ρ53,
GMP κυκλικό, 670 Golgi συσκευή, 617, 642 GTP, 185,676Ε,679,694 κάλυμμα, 722 υδρολάση του, 679 Η
R Ras,
συμβολή, 260Ε σύνδεση του, 259
Human genome project, 380 Huntington, νόσος του, 150
278Ε
αγγελιοφόρο, 281 καλύmρα του, 285 κόσμος του, 312,312Ε μεταφορικό, 281, 295 παρεμβολή στο, 439 πολυμεράση, 280, 280Ε,283Ε,333Ε,334,
Ιπ
situ υβριδισμός, 416, 416Ε, 417Ε Ιπ νίΙΓΟ καλλιέργεια κυττάρων, 399 Ιπ νίνο καλλιέργεια κυττάρων, 399 IΡ3,686
334Π 11,336,339Ε ριβοσωματικό,
J
JAK, 699, κινάση,
700Ε
699
RNAi,439 rRNA, 281, 300, Rubisco, 599
κύκλος του,
S
LDL, 651, 651 Ε 651 Ε
L1ΝΕ
1,262 L1NEs, 382Ε Μ 767Ε, 770Ε, 794 ΜΑΡ κινάση, 694 ακολουθία της, 694 Mendel, νόμος του διαχωρισμού, Methanococcus, 606, 607Ε Michaelίs σταθερά, 122
M-Cdk, 766,
MPF,768 mRNA, 281, MyoD,347
304Ε
Saccharomyces cerevisiae, 34, 38 SDS, 195Ε SINEs, 382Ε SMAD, 699, 701 Ε SNARE, 638, 638Ε, 638Ε SNPs, 383 snRNPs, 288, 290Ε Southern, εκτύπωση κατά, 413, 414Ε SRP, 630 STAT, 699, 700Ε πρωτεινη, 699
L υποδοχέας,
281, 300
541
ΚΓϋΡΡθ/,344Ε
Drosophi//a, 343 Drosophίla me/anogaster, 35
696 693, 694Ε
Rb,783 RNA, 71, 244,
Ι
Krebs,
αντιγραφή του, 233, 235Ε αποτύπωμα, 427 αφετηρία αντιγραφής, 236Ε, 237 βιβλιοθήκη, 422 διαστηματικό, 284 δίκλωνο, 203, 204Ε διπλή έλικα, 208, 209Ε κλωνοποίηση του, 417 λιγκάση του, 418, 418Ε, 421Ε μικροσυστοιχία, 238, 238Ε, 414, 415, 415Ε πολυμεράση, 240, 243Ε ρυθμιστική αλληλουχία, 328 σακχαροφωσφορικός σκελετός, 204Ε, 208Ε συνδετικό, 220, 220Ε Down σύνδρομο, 833
694,694Ε,
πρωτεινη,
Κ
D DAG,686 ΟΝΑ, 71, 204Ε
907
PCR, 427, 428Ε PDGF, 665Π, 694, 784 ρΗ, 61, 85Ε βαθμίδωση, 572 κλίμακα του, 61, 85Ε Prions, 150, 150Ε PrP πρωτεΊνη, 150
HIV, 266 Holliday
Caenorhabditis e/egans, 37, 40Ε Calvin, κύκλος του, 600 CaM κινάση, 688 cAMP, 683Ε Cd κινάση, 766 αναστολέας της, 774 CDC2,39 Cdks, 766 cDNA βιβλιοθήκη, 424 cis Golgi, 642 Creutzfeldt-Jacob, νόσος του, 150
775Ε
πρωτεινη,774
GΤΡάση,680Ε
C
775Ε
γονίδιο,
Β
BAC, 409, 422 Baχ, 780, 781Ε Bcl-2, 780, 781 Ε Bicoid,344E
774, 774,
840
303Ε
Τ
t-SNARE, 638 ΤGF-β, 665Π, 700, 701Ε trans Golgi, 643, 646 tRNA, 281, 295, 296Ε, 303Ε, 562 εναρκτήριο, 305, 306Ε
Ε
Ν
Escherichia co/i, 33 ESTs,385
NAD+, 131,580 ΝΑΟΗ, 123, 131,530,565, 566Ε, 580 NADP+, 131,594 ΝΑΟΡΗ, 123, 131, 132ΕΕ, 594, 597 Nernst, εξίσωση του, 507, 507Ε NGF,665n
V v-SNARE, 638 van der Waals δύναμη, 77, Viagra,670 Vm"", 122, 124 VNTR,430E
Ο
χ
Okazaki, 242, 246Ε ORC, 772, 773Ε ORFs, 408
Xenopus, 366 Xeroderma pigmentosum, 257
F
FACS,398 FADH 2 ,565 Fugu rubripes, 377,
94Ε
377Ε
G G-πρωτείνη,186,678Ε,680Ε τριμερής, 694
Ευρετήριο
1031
Αναγωγή, 108, 109Ε Αναδιάταξη, 411,909 Ανάδρομη τροφοδότηση, αναστολή από,
Α
α-Έλικα,
153,
163Ε
Αγγειακό δεμάτιο, 872Ε Αγγελιοφόρο RNA, 281 Αδελφή χΡωματίδη, 795, 796Ε, 798 Αδενίνη,70,92Ε,208Ε Αδενυλική κυκλάση, 682, 683 Αδενωματώδης πολυποδίαση του εντέρου, Αδρανοποίηση χ χρωμοσώματος, 225Ε Αδρεναλίνη, 683 Αδρό ενδοπλασματικό δίκτυο,
617,
617Ε,
Άζωτο δέσμευση του, 607 οξείδιο του, 670, 671Ε Αζωτούχος δακτύλιος, 69 Αιθυλένιο, 704 Αίμη, 179, 180Ε, 364Ε Αιμοπεταλιακός αυξητικός παράγοντας, Αιμοποίηση, 898 Αιμορροφιλία, 368, 421 Αιμοσφαιρίνη, 364 Ακετυλάση των ιστονών, 340Ε Ακετυλο-CοΑ,
134Ε,
133,
529, 541 Ε,
Ακετυλοχολίνη, 517,518Ε,
υποδοχέας της,
517,
666, 681
518Ε, 519Π
Ακολουθία κασπασών, 781Ε σηματοδοτική,668
της ΜΑΡ κινάσης, 694 φωσφορυλίωσης, 677 Ακόρεστο λιπαρό οξύ, 67Ε, 88Ε Άκρο
καρβοξυτελικό,69Ε Ακρολοφία, 565
Αναπαραγωγή αφυλετική,821 φυλετική,821 Αναπαραγωγική κλωνοποίηση, 901, 902Ε Αναπνοή, 107, 107Ε Ανασταλτική σύναψη, 519Ε Αναστολέας Cd κινασών, 774 συναγωνιστικός, 126 Αναστολή από ανάδρομη τροφοδότηση, 182, 182Ε Ανασυνδυασμός, 828 γενετικός, 258 ομόλογος, 258,258Ε, 259Ε σε ειδική θέση, 260 Ανάφαση,797,800Ε,807 Άνθρακας αντίδραση δέσμευσης του, 594 δέσμευση του, 106,599, 600Ε κύκλος δέσμευσης του, 600 Ανιόν, 54 Άνισος επιχιασμός, 363, 363Ε Ανιχνευτής,10Ε,412,413Ε,415 Ανοιy::rό πλαίσιο ανάγνωσης, 408 Ανοσοκαθίζηση, 197Ε Ανοσοσφαιρίνη, 173 Ανταλλάκτης Na+ -Η+, 493
πολυμεράσης αλυσιδωτή,
Ακτίνη ινίδιο, 27 πρωτεΊνη που προσδένει,
σκοτεινή,594 συζευγμένη, 117, 127 συμπύκνωσης, 64 φωτεινή,593 φωτοσυνθετική,593 Αντικωδικόνιο, 296, 303Ε Αντιμεταφορέας, 490 Αντιμιτωτικά φάρμακα, 723 Αντιπαράλληλη, 161, 162Ε Αντίστροφη μεταγραφάση, Αντίσωμα, 173, 174Ε, 196Ε μονοκλωνικό,197Ε Αντλία, 488
735
Αλδευδη,83Ε Αλδόζη,86Ε Αλκοόλη, 83Ε Αλληλόμορφο,
826, 839,851 839, 851 συνεπικρατές, 851 υπολειπόμενο, 839, 851 ΑλληλουχίαΑlυ, 263, 264Ε έναρξης της μεταφοράς, 632 λήξης της μεταφοράς, 632 σηματοδοτική, 623, 624Ε επικρατές,
ΤΑΤΑ,337Ε Αλλοστερικό ένζυμο, 183 Αλυσίδα βαριά, 174Ε, 196Ε ελαφριά, 174Ε, 196Ε μεταφοράς ηλεκτρονίων, 548, 560, πλευρική, 90Ε, 146, 147Ε Αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης, Αλφισμός, 840 Αμίδιο,83Ε
Ευρετήριο
367Ε
233, 235Ε Αντίδραση δέσμευσης του άνθρακα, 594 οξειδοαναγωγική, 571,580
5"209Ε αμινοτελικό, 69Ε
1032
911
360, 360Ε, 367,
Ανταπτίνη,635,637Ε Αντιγόνο, 173 Αντιγραφή του DNA,
3',209
Αμίνη,83Ε Αμινοξύ,90Ε μη πολικό, 148Ε πολικό, 148Ε Αμινοτελικό άκρο, 69Ε ΑΜΡ κυκλικό, 93Ε, 682, Άμυλο, 550,551, 601 Αμφιπολικό μόριο, 66 Αναβολική οδός, 101 Ε
Ανακάτεμα εξονίων,
784
542Ε,
Αστέρας,
182Ε
629
543Ε,565
182,
683,
686Ε
Ca2+, 496 Na+-K+, 488,
567 426
Αστάθεια γενετική,906 δυναμική, 798, 802Ε
797, 803Ε Ατομικό βάρος, 49, 53Ε Ατομικός αριθμός, 48, 48Ε Άτομο,48,48Ε Άτρακτος μιτωτική, 796, 799 πόλοςτης,802,803Ε Αυλάκωση, 811 Αυξητικός παράγοντας, 782 Αυτοφαγοσωμάτιο, 654 Αφετηρία αντιγραφής DNA, 216 αντιγραφής ΟΝΑ, 236Ε, 237 μεταγραφής, 339Ε Αφυδρογονάση του πυροσταφυλικού, 540Ε Αφυλετική αναπαραγωγή, 821 ΑχΡωματοψία, 225 Β
β-βαρέλΙ, 463 Β-λεμφοκύπαρο, 196Ε
β-πτυχωτό φύλλο, 153, 163Ε Βαθμίδωση ρΗ, 572 Βακτηριακό τεχνητό χρωμόσωμα, Βακτηριοροδοψίνη, 465 Βαρβιτουρικά, 520 Βαριά αλυσίδα, 174Ε, 196Ε Βάρος ατομικό, 49, 53Ε μοριακό,49 Βάση,61,69,85Ε,92Ε,580 συμπληρωματική, 208Ε Βασικό σωμάτιο, 721 Βασικός υμένας,
426
540,
882,
422
883Ε
Βιβλιοθήκη γενωμική,
422, 422Ε cDNA,424 DNA,422 Βιμεντίνη, 716 Βιοτίνη, 135Ε, 180 Βιταμίνη, 180 Βλαστική σειρά, 358, 358Ε, 822 Βλαστικό κύπαρο, 358, 823Ε 263, 266,
425Ε Γ
Γαλακτικό Οξύ, 533, 536Ε Γαλακτοκεραβροζίδιο, 453
489Ε
Ανυδρίτης φωσφορικός, 83Ε Απαλοιφή γονιδίου, 360, 360Ε Απαμwωση, 254, 254Ε Απλός δεσμός, 57, 57Ε, 82Ε Απλότυπος, 857 Αποακετυλάση των ιστονών, 340 AΠOθηKεUΤΙKή πρωτεΊνη, 144Ε Αποπουρίνωση, 254, 254Ε Απόπτωση, 778, 780Ε, 781Ε, Αποτύπωμα DNA, 427 Αποφωσφορυλίωση, 766 Αριθμός ανακύκλωσης, 122 ατομικός, 48, 48Ε
785,907
Avogadro,49 Αρχαιοβακτήριο, 18, 379Ε Αρχέγονο κύπαρο, 896, 896Ε εμβρυ'ίκό, 438Ε, 899, 899Ε, 900Ε
Γαμέτης, 820, 822 Γενεαλογικό δέντρο, 842, 842Ε Γενετική αστάθεια, 906 Γενετική διαλογή, 854 Γενετική μετατόπιση, 373 Γενετική μηχανική, 396, 431 Γενετικός ανασυνδυασμός, 258 Γενετικός κώδικας,
294,
295Ε,
297
Γενετικός τόπος, 851 Γενικός μεταγραφικός παράγοντας, 336, 342Ε Γενωμική βιβλιοθήκη, 422, 422Ε Γλυκεριναλδευδη 3-φωσφορική, 532Ε, 534, 538Ε Γλυκερόλη,
67, 88Ε Γλυκογόνο, 549,550Ε ΓλυΚΟζαμWΟγλυκάνη, Γλυκόζη 6-φωσφορική, 534 φορέας της, 485
880
ΓλυKOKoρnκoειδή,327 υποδοχέας,346.347Ε Γλυκολιπίδιο, 67. 89Ε, 451. 47 Ε Γλυκόλυση, 529, 531.532Ε Γλυκοπρωτείνη.469,470Ε Γλυκουρονικό οξύ, 880Ε Γονίδιο, 213, 851 απαλοιφή, 360, 360Ε «δείκτης», 434, 434Ε διπλασιασμός, 359, 360Ε, 363, 363Ε επαύξηση, 772,909 ογκοκατασταλτικό, 909, 909Ε οικογένεια, 362 ομόλογο, 371 οριζόντια μεταφορά, 360Ε, 369 Γονιδίωμα, 6, 210, 851 Γονιμοποίηση, 834 Γονότυπος, 435, 839,851 Γουανwη, 70, 92Ε,208Ε Γουανυλική κυκλάση, 670 Γραμμομόριο, 49, 49Ε
Δ Δακτύλιος αζωτούχος,
- _ ..-
=-- =-.=-
ταση-ελε'α ιοντικός. 51 Ε Διαφανής ζώνη, 834 Διαφορική φυγοκέντρηση, 193Ε Διαφοροποίηση, 324 Διάχυση, 120 διευκολυνόμενη, 483 Διδεοξυριβονουκλεοσίδιο, 407Ε Διεγερτική σύναψη, 519Ε Διευκολυνόμενη διάχυση, 483 Δίκλωνη εκτοπή, 259Ε Δίκλωνο ΟΝΑ, 203 Δίκτυο ενδοπλασματικό, 24, 24Ε, 25Ε,
750, 750Ε Διμερές θυμίνης, 257 Δινιτρoφaινόλη, 561,568 Διπλασιασμός γονιδίου, 359, Διπλή έλικα ΟΝΑ, 208, 209Ε
υψηλής ενέρ εια . -3· Ξ ·3:: Ενδοκρινέςκύπαρο. 663 EνδOKUΠάρωση, 648 μέσω υποδοχέων, 650 Ενδοπλασματικό δίκτυο, 24, 24Ε, 25Ε,
616, 628,
629Ε,485Ε,
360Ε,
71,71 Ε, 202
Δέσμη συστολής, 735, 746 Δεσμός απλός, 57,57Ε,82Ε διπλός, 57, 57Ε, 82Ε δισουλφιδρυλικός, 91Ε, 170, 170Ε ιοντικός, 51, 54, 95Ε μη ομοιοπολικός, 76, 78Ε Ν-γλυκοζιτικός, 92Ε, 640 ομοιοπολικός, 51, 55, 55Ε, 56Ε, 82Ε
363,
363Ε
πολικός, 52, 58Ε πεmιδικός, 68, 90Ε, 145Ε, 301 υδρογόνου, 59, 77, 84Ε,94Ε, 149Ε υψηλής ενέργειας, 539Ε φωσφοδιεστερικός, 71, 93Ε φωσφορικού ανυδρίτη, 70, 70Ε, 93Ε, 129Ε χημικός, 51 ΔεσμοσωληνάΡΙΟ,891 Δεσμοσωμάτιο, 714Ε, 716, 885Ε, 889Ε Δεύτερος αγγελιοφόρος, 682 Δεύτερος νόμος θερμοδυναμικής, 103Ε Δευτεροταγής δομή, 161, 163Ε Διάγνωση προγεννητική, 412 Διαγονιδιακό ζώο, 439 Διαγονιδιακό φυτό, 440, 440Ε Διαγονιδιακός οργανισμός, 436 Διακυλογλυκερόλη, 682,686,687Ε Διάλυμα, 85Ε, 85Ε Διαμεμβρανικός χώρος, 563, 564Ε, 573Ε Διαμεσολαβητής τοπικός, 663 Διαμόρφωση, 76, 76Ε, 148 Διαστηματικό ΟΝΑ, 284
μείζων αύλακα, 209Ε 57, 57Ε, 82Ε Διπλοστιβάδα λιπιδική, 68, 451 Δισακχαρίτης, 87Ε Δισδιάστατη ηλεκτροφόρηση σε πηκτή, 195Ε Δισθενές χρωμόσωμα, 828 Δίσκος Ζ, 747, 747Ε, 748Ε Δισουλφιδρυλικός δεσμός, 91 Ε, 170, 170Ε Διφωσφορική ριβουλόζη, καρβοξυλάση της, Διπλός δεσμός,
599 1,6-διφωσφορική φρουκτόζη, 532Ε Διχάλα αντιγραφής, 240, 240Ε, 247 Δοκιμασία συμπληρωματικότητας, 851 Δολιχόλη, 640, 641Ε φωσφορική,89Ε Δομή δευτεροταγής, 161, 163Ε πρωτοταγής,161 τεταρτοταγής, 162 τριτοταγής,162 Δομική πρωτε'ίνη, 144Ε Δρεπανοκυπαρική αναιμία, 250, 250Ε, 413Ε,850
Δύναμη van der Waals, 77, 94Ε Δυναμική αστάθεια, 722, 798, 802Ε Δυναμικό ενέργειας, 509, 510Ε, 515Ε, 750 ηρεμίας της μεμβράνης, 506 μεμβράνης, 486, 487Ε, 505 οξειδοαναγωγικό, 581 Ε, 582 Δυναμίνη, 635,637Ε Δυνείνη, 726, 727Ε Δωδεκυλοθειικό νάτριο, 465 Ε Εγκάρσιο σωληνάριο,
616,
629Ε
ελάσσων αύλακα, 209Ε
69 συσταλτικός, 796, 812, 813Ε συστολής, 746 ψευδαργύρου, 330, 330Ε
Δεμάτιο αγγειακό, 872Ε Δενδρ~ης,508,508E Δέντρο γενεαλογικό, 842, 842Ε φυλογενετικό, 373, 374Ε Δεξαμενή,642 Δεοξυριβονουκλεϊνικό οξύ, Δέρμα, 894 Δερμίδα, 894 Δέσμευση άνθρακα, 106, 599, 600Ε αζώτου, 607
;:i;_
412,
αδρό,617,617Ε,629 λείο, 617 Ενδοσωμάτιο, 617, 650, 652 Ενέργεια ελεύθερη, 113, 116Ε ενεργοποίησης, 110, 111Ε, 112Ε, 176 Ενεργό κέντρο, 111, 176 Ενεργοποιημένος φορέας, 123, 127Ε, 133Π Ενεργός μεταφορά, 484 Ενζυμική κατάλυση, 179Ε Ένζυμο, 111, 144Ε, 175 αλλοστερικό,183 Ενισχυτής, 338, 339Ε Έντερο, αδενωματώδης πολυποδίαση, 911 Εντεροεκκριτικό κύπαρο, 897Ε Εντροπία, 102 Εξαρτημένη μετάλλαξη, 850Ε Εξέλιξη, 6, 371 Εξίσωση του Nernst, 507, 507Ε Εξοκινάση, 534 Εξόνιο, 287,287Ε Εξόνιο ανακάτεμα, 360, 360Ε,367,367Ε EξωKUΠάριO στρώμα, 9,169 EξωKUΠάρωση, 639 Εξωτερική μεμβράνη, 563, 564Ε Επαύξηση γονιδίων, 772, 909 Επιδερμίδα, 873, 894Ε Επιδερμόλυση φυσαλιδώδης, 716 Επιθήλιο, 881 Επικρατές αλληλόμορφο, 839, 851 Επιχιασμός, 363, 363Ε Εστέρας,83Ε Εστίαση ισοηλεκτρική, 195Ε Εσωτερική μεμβράνη, 13,563, 564Ε μιτοχονδριακή, 567 Ετερόζυγος, 839 ΕτεΡΟχΡωματίνη, 218Ε, 223Ε Ευβακτήριο, 18, 379Ε Ευκαρυώτης, 15,379Ε ΕυχΡωματίνη, 223Ε
Ζ
750, 750Ε Εκκαθαριστική επιλογή, 376 Εκκινητής, 246Ε, 247Ε, 427, 428Ε Έκκριση, 646 Εκκριτικό κυστίδιο, 646 Εκμαγείο, 234, 234Ε Εκπόλωση, 510 Εκτύπωση κατά Southern, 413, 414Ε Εκφραζόμενη αλληλουχία-σήμα, 385 Eλασμaτoπόδιo, 740, 740Ε, 741Ε
Ζεύγος βάσεων, 208 οξειδοαναγωγικό, 580, Ζυγώτης,822,823Ε,835 Ζύμωση, 533 Ζώνη
Ελαστίνη, 169Ε Ελαφριά αλυσίδα, 174Ε, 196Ε
Η Ηλεκτρονιακός φλοιός,
διαφανής, 834 προσκόλλησης, Ζώνωση,212
581 Ε
886, 887Ε
51 Ευρετήριο
1033
Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διέλευσης, 11Ε, 13 σάρωσης, 11Ε, 15 Ηλεκτρόνιο, 48, 579, 579Ε, 580Ε αλυσίδα μεταφοράς, 548, 560, 567 φορέας, 548 Ηλεκτροφόρηση σε πηκτή, 195Ε, 405Ε Ηλεκτροχημική βαθμίδωση, 487, 487Ε Ημιδεσμοσωμάτιο, 885Ε, 887, 889Ε Ηρεμιστικά, 520
Καλλιέργεια κυττάρων, ίπ νίΙΓΟ,
ίπ νίνο, Καλμοδουλίνη,
688, 689Ε Καλυκοειδές κύπαρο, 897Ε Κάλυμμα GTP, 722 Καλυμμένο κυστίδιο, 635, 637Ε, 637Π Καλύmρα του ΑΝΑ, 285 Καντερwη,886,887Ε Καρβονύλιο, 83Ε Καρβοξυλάση της διφωσφορικής ριβουλόζης,
Θ Θειική κερατάνη, 880Ε Θειική χονδρο"ίτίνη, 880Ε Θειοβακτήριο, 604, 605Ε Θερμοδυναμική, 102 πρώτος νόμος, 104 δεύτερος νόμος, 103Ε Θέση εμπυρήνωσης, 720 έναρξης, 328 σύνδεσης, 172 Θυλακοειδή, 593 Θυλακοειδής μεμβράνη, 593 Θυμίνη,70,92Ε,208Ε διμερή της, 257 Θυρεοειδής ορμόνη, Θυροξίνη, 671
599
671
Ι
Ιατροδικαστική, 427, 430Ε Ίνα κολλαγόνου, 876, 876Ε χΡωματίνης, 222Ε
Ινίδιο ακτwης,27, 712, 712Ε ενδιάμεσο, 27, 169, 712,712Ε,
713,
714Ε
κολλαγόνου, 876,876Ε μυ"ίκό, 747, 747Ε φυλετικό, 370Ε Ινοβλάστη, 877 lνοσιτόλη 1,4,5-τριφωσφορική, 686, 687Ε τριφωσφορική, 682 οδός των φωσφολιπιδίων της, 686 φωσφολιπίδιο της, 685 Ιντεγκρίνη, 742, 879, 879Ε lντερφερόνη, 699 lντρόνιο, 287, 287Ε Ινώδης πρωτείνη, 168 Ινωδονεκτίνη, 878, 879Ε Ίνωση κυστική, 642
Ιόν, 54 υδρωνίου, 60, 579Ε Ιοντικός δεσμός, 51, 54, 95Ε Ιοντικός δίαυλος, 498 Ιός, 265Π της ανοσοανεπάρκειας του ανθρώπου, των θηλωμάτων του ανθρώπου, 905 lσοηλεκτρική εστίαση, 195Ε lσοηλεκτρικό σημείο, 195Ε Ισομερές, 86Ε Ισομερίωση, 534 Ισορροπία χημική, 114, 115Ε lστόνη, 219, 220Ε ακετυλάση των, 340Ε αποακετυλάση των, 340
1034
Ευρετήριο
242,
Καρβοξυλικό οξύ, 83Ε Καρβοξύλιο, 83Ε Καρβοξυλομάδα,88Ε Καρβοξυτελικό άκρο, 69Ε Καρκίνος, 902 Καρυότυπος,212,212Ε Κασπάση,778 ακολουθία, 781 Ε Καταβολική οδός, 101Ε Καταγραφή καθήλωσης δυναμικού, 501 Κατάλυση, 113 ενζυμική, 179Ε Καταλύτης, 111 Κατάσταση μεταβατική, 176 Καταστολέαςτηςτρυmοφάνης,331 Καταστροφίνη, 799, 805 Κατευθυνόμενη μεταλλαξιγένεση, 436, 437Ε Κατιόν, 54 Καφείνη, 683 Κεντρίδιο, 721, 797 Κέντρο αντίδρασης, 595, 596Ε ενεργό,111 σιδήρου-θείου, 584, 584Ε Κεντρομερίδιο, 217, 218Ε, 802 Κεντροσωμάτιο, 718, 720, 724, 797, 800Ε Κερατάνη θειική, 880Ε Κερατίνη, 716, 887 Κετόζη,86Ε Κετόνη,83Ε Κινάση, 185,676 Α,684,686Ε C πρωτεϊνική, 687
CaM,688 Cd,766 JAK,699 ΜΑΡ, 694 πρωτεϊνική, 766 εξαρτώμενη από τις κυκλίνες,
266
Κ
Καθίζηση, 75Ε Καθυστερημένος κλώνος,
399
399 399
243Ε, 246Ε
766
σερίνης/θρεονίνης, 699 τυροσίνης, 691 τυροσίνης JAK, 700Ε Κινησίνη, 726, 727Ε, 804 Κινητήρια πρωτεινη, 144Ε, 726 Κινητοχώρος, 800Ε,802, 803Ε Κινόνη, 583, 583Ε Κιτρικό οξύ, 542, 546Ε Κλαθρwη, 635, 636Ε, 637Ε Κλάσμα Okazaki, 242, 246Ε, 247Ε Κλασματοποίηση, 193Ε Κλίμακα ρΗ, 61, 85Ε Κλωνοποίηση αναπαραγωγική, 901, 902Ε θεραπευτική,902,902Ε κυπάρων, 901 ΟΝΑ,417 Κλώνος, 901 καθυστερημένος, 242, 243Ε, 246Ε προπορευόμενος, 242, 243Ε Κοεζίνη, 795, 796Ε,829
ΚοιλεΥχυματικό κύπαρο, 872Ε Κοκκύτης, 679 Κοκκυτική τοξίνη, 679 Κολλαγόνο, 169, 169Ε,876 ίνα, 876, 876Ε ινίδιο, 876, 876Ε Κολχικίνη, 723, 812 Κοwεξόνιο, 889, 890Ε Κοντενσίνη, 795, 796Ε Κορεσμένο λιπαρό οξύ, 67Ε, 88Ε Κορτιζόλη,671 Κόσμος του ΑΝΑ, 312, 312Ε Κουράριο, 517 KouτίTATA,336,339E Κροσσός, 719, 733Ε Κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ, 157Ε Κυκλάση αδενυλική, 682, 683 γουανυλική,670 Κυκλικό ΑΜΡ, 93Ε, 682, 683, 686Ε φωσφοδιεστεράση του, 683 Κυκλικό GMP, 670 Κυκλίνη, 766, 770Ε
G1/S,770 S, 770 φάσης G1, 770 Κύκλος δέσμευσης του άνθρακα, 600 κιτρικού οξέος, 529, 541, 543Ε, κυπαρικός, 216, 759, 760Ε
544, 546
Q,588 Calvin, 600 του Krebs, 541
του
των τρικαρβοξυλικών οξέων, Κυστίδιο, 25 εκκριτικό, 646 καλυμμένο, 635, 637Ε,637Π μεταφοράς, 623, 633 συναmικό,514
541
φακού,887 Κυστική ίνωση,
642 70, 92Ε,208Ε Κυτόχρωμα, 584,780 c,584E, 585Ε, 781Ε οξειδάση του, 585, 586Ε Κυπαρική επικοινωνία, 895 Κυπαρική θεωρία, 8 Κυπαρική μεμβράνη, 13,449, 450Ε Κυπαρική νέκρωση, 778 Κυπαρική σειρά, 400 Κυπαρικό τοίχωμα, 868 Κυτοσwη,
Κυτταρικός Κυπαρικός σύστημα Κυπαρικός Κυπαρίνη,
θάνατος προγραμματισμένος, κύκλος, 216, 759, 760Ε ελέγχου του, 793 φλοιός, 468, 739, 809
65,
871,871Ε
Κύπαρο αρχέγονο, 896,896Ε εμβρυϊκό, 438Ε, 899, 899Ε, 900Ε βλαστικό, 358, 823Ε ενδοκρινές, 663 εντεροεκκριτικό, 897Ε καλλιέργεια, 399 καλυκοειδές, 897Ε κλωνοποίηση, 901 κοιλεΥχυματικό, 872Ε κωνιοφόρο,689 μεταβολισμός, 101 Ε ραβδιοφόρο, 689, 690Ε σκληρεΥχυματικό, 872Ε στελεχιαίο, 896 σωματικό, 358, 823Ε
777
του
Μεταθετό στοιχείο,
Paneth, 897
Kuτταρoδιάλυμα, 26, 616 KUΤΤαΡOKίνη,699,700E υποδοχείς των, 700Ε KUΤΤαΡOKίνηση, 794Ε,762, 762Ε,
798, 800Ε,
811 Kuτταρόπλασμα, 12 KUΤΤαΡOσKελετός, 27, 28, 711 Κώδικας γενετικός, 294, 295Ε Κωδικόνιο, 294, 295Ε, 303Ε τερματισμού, 306, 408 Κωνίο,890
Κωνιοφόρο κύτταρο,
689
Λ Λακτόζη, οπερόνιο της,
333,
368
Ν
L1,262
334Ε
Λαμίνη, 717, 810Ε Λαμινίνη, 883 Λάχνη, 897Ε Λείο ενδοπλασματικό δίκτυο, 617 Λεκτίνη, 470 Λεμφοκύπαρο Β, 196Ε Λεmίνη,374Ε Λευχαιμία χρόνια μυελογενής, 915, 915Ε Λιγκάση του DNA, 246, 418, 418Ε, 421 Ε Λιπαρό οξύ, 65, 66Ε, 88Ε ακόρεστο, 67Ε, 88Ε κορεσμένο, 67Ε, 88Ε Λιπιδική διπλοστιβάδα, 451, 470Ε Λιπίδιο, 67 διπλοστιβάδα, 68 Λιποπρωτεινη,651 Λιποσταγονίδιο,551Ε Λιπόσωμα, 455, 456Ε Λυσοζύμη, 177Ε, 178Ε Λυσοσωμάτιο, 24, 617, 653, 653Ε
Μ
Μακρομόριο, 72, 74 Μακροπρόθεσμο απόθεμα ενέργειας, 65 Μακροφάγο, 648 Μανιοκατάθλιψη, 520 Μαστίγιο, 2, 576Ε, 719, 733, 733Ε, 734Ε Μεθάνιο, 607Ε Μέθοδος των διδεοξυνουκλεοτιδίων, 405 7-Μεθυλογουανοσίνη, 286Ε Μείωση, 815, 823Ε, 825 ΜελαγχΡωματική ξηροδερμία, 257 Μεμβράνη δυναμικό της, 486, 487Ε εξωτερική, 563, 564Ε εσωτερική, 13,563, 564Ε μιτοχονδριακή, 567 θυλακοειδής, 593 KUΤΤαΡΙKή, 13,449, 450Ε Μεμβρανική πρωτεινη, 460, 472 Μεμβρανικό δυναμικό, 505 Μεμβρανικό οργανίδιο, 616 Μερίστωμα, 872 Μεσόφαση, 762, 762Ε,800Ε Μεταβατική κατάσταση, 176 Μεταβίβαση σήματος, 662 Μεταβλητή περιοχή, 174Ε Μεταβολή ελεύθερης ενέργειας, 115Π Μεταβολισμός, 101 Μεταβολισμός KUΤΤάΡOυ, 101Ε Μεταγραφάση αντίστροφη, 425Ε Μεταγραφή, 277, 283Ε Μεταγραφικός παράγοντας, 335 γενικός, 336, 342Ε Μετάγραφο, 279
Μετάλλαξη, 6, 250 απώλειας λειτουργίας, 847 αυξημένης λειτουργίας, 850 γαμετικής σειράς, 905 εξαρτημένη, 850Ε σιωπηρή, 362, 905 Μεταλλαξιγένεση κατευθυνόμενη, Μεταμόρφωση, 206Ε Μεταμόσχευση πυρήνων, 901 Μετάσταση,903,904Ε Μετασχηματισμός, 419
436, 437Ε
Μετατόπιση γενετική, 373 Μετάφαση, 797, 800Ε, 806 πλάκα της, 806, 827 Μεταφορά ενεργός, 484 παθητική,483 Μεταφορείς συζευγμένοι, 487 Μεταφορική πρωτεΊνη, 144Ε Μεταφορικό RNA, 281, 295 Μετάφραση, 294, 303Ε Μη διαχωρισμός, 833
Νευρώνας, 508 Νημάτιο μυοσίνης,
746 741 Νιτρογλυκερίνη, 670
Νηματοπόδιο,
Νόμος ανεξάρτητου διαχωρισμού, Νόσος
Μη ομοιοπολικός δεσμός,
76, 78Ε Μη πολικό αμινοξύ, 148Ε Μήκος δεσμού, 55, 84Ε Μηχανο-ενεργοποιούμενος δίαυλος, 503 ΜικρολάΧΝΗ, 735 Μικροσκοπία παρακολούθησης μεμονωμένων σωματιδίων, 474 Μικροσκόπιο, 7 διέλευσης, 11 Ε, 13 σάρωσης, 11Ε, 15 συνεστιακό, 11 Ε φθορισμού,10Ε φωτονικό, 7, 10Ε Μικροσυστοιχία DNA, 238, 238Ε, 414, 415, 415Ε Μικροσωληνίσκος, 27, 712, 712Ε, 718, 727Ε Μιτογόνο, 782 Μιτοχονδριακή μεμβράνη εσωτερική, 567 Μιτοχόνδριο, 17, 19, 22Ε, 562 Μίτωση, 762, 762Ε, 794Ε, 823Ε Μιτωτική άτρακτος, 718, 796, 799 Μονοκλωνικό αντίσωμα, 197Ε Μονομερές, 72 Μονομερής πρωτείνη που συνδέεται με το GTP, 694 Μονοσακχαρίτης, 63, 86Ε Μοντέλο κορδέλας, 153, 158Ε, 164Ε ρευστού μωσα"ίκού, 473 συρμάτων, 153, 159Ε χωροπληρωτικό, 153, 159Ε Μοριακό βάρος, 49 Μοριακός διακόmης, 676 Μοριακός συνοδός, 150 Μόριο, 55 αμφιπολικό, 66 υδρόφιλο, 59, 84Ε υδρόφοβο, 59, 84Ε φορέας, 566 Μυασθένεια, 517 Μυελογενής λευχαιμία χρόνια, Μυ"ίκό ινίδιο, 747, 747Ε Μυκήλλιο, 89Ε, 464 Μυοβλάστη, 346 Μυοκάρδιο, 752 Μυοσίνη,743 Ι, 743, 744Ε
11,743, 745 746
νημάτιο,
Ν-ακετυλογλυκοζαμίνη, 65, 880Ε Ν-γλυκοζιτικός δεσμός, 92Ε, 640 Νάτριο δωδεκυλοθειικό, 465 Νέκρωση, 778 Νεόπλασμα, 903 Νετρόνιο, 48 Νευράξονας, 508, 508Ε Νευρική απόληξη, 508, 508Ε, 514 Νευρικός σωλήνας, 887, 888 Νευροδιαβιβαστής, 514, 664 Νευρο"ίνίδιο, 716 Νευρομυ"ίκή συμβολή, 517
Alzheimer, 150 Creutzfeldt-Jacob, 150 Huntington, 150 MERRF,562 «τρελών αγελάδων», 150 Νουκλεάση, 246 περιορισμού, 401,402, 403Ε, 421 Ε Νουκλε"ίνικό οξύ, 71, 93Ε Νουκλεοσίδιο, 69 Νουκλεοσωμάτιο, 219, 219Ε Νουκλεοτίδιο, 69, 92Ε πολυμορφισμός μεμονωμένου, 848, Νωτιαία χορδή, 888 Ξηροδερμία μελαγχρωματική, Ξύλωμα,873 Ο Ογκογονίδιο,
πολικός,
915Ε
848Ε
257
908
Ογκοκατασταλτικό γονίδιο, 909, 909Ε Όγκος, 903 κακοήθης, 903 καλοήθης, 903 Οδός αναβολική,101Ε καταβολική, 101 Ε των φωσφολιπιδίων της ινοσιτόλης, Οικογένεια πρωτεΙνης Bcl-2, 780 πρωτε"ίνών Rho, 744 Οικογένεια γονιδίων, 362 σφαιρίνης, 365Ε Οιστραδιόλη, 671 Ολιγοσακχαρίτης, 64, 87Ε, 469 Ολισθαίνων συνδετήρας, 248 Ομάδα φωσφορική, 83Ε χημική,62 Ομόζυγος, 839
Ομοιοπολικός δεσμός,
915,
843
52,
51, 55, 55Ε,
686
56Ε, 82Ε
58Ε
Ομοιοτική περιοχή, 330, 330Ε Ομόλογο, 41 γονίδιο, 371 χρωμόσωμα, 826 Ομόλογος ανασυνδυασμός, 258, 258Ε, 259Ε Οξαλοξικό, 543Ε, 546Ε Οξειδάση του κυΤΟχΡώματος, 585, 586Ε Οξείδιο του αζώτου, 670, 671 Ε Οξειδοαναγωγική αντίδραση, 571, 580 Οξειδοαναγωγικό ζεύγος, 580, 581Ε Οξειδοαναγωγικό δυναμικό, 581 Ε, 582
Ευρετήριο
1035
Οξείδωση, 108, 109Ε Οξειδωτική φωσφορυλίωση, 531, 567, 573Ε Οξύ, 60, 85Ε, 580 γαλακτικό, 533 γλυκουρονικό,880Ε δεοξυριβονουκλεϊνικό, 71,71 Ε, 202 καρβοξυλικό, 83Ε
Πολικός ομοιοπολικός δεσμός, 52, 58Ε Πόλος της ατράκτου, 802, 803Ε Πολυαδενυλίωση, 285 Πολυγονιδιακό χαρακτηριστικό, 859 Πολυμεράση αλυσιδωτή αντίδραση, 426
κιτρικό, 542 λιπαρό, 65, 66Ε, 88Ε νουκλεϊνικό, 71, 93Ε πυροφωσφορικό, 241 ριβονουκλεϊκό, 244 ριβονουκλε'ίνικό,71 υαλουρονικό,880Ε Οπερόνιο, 331 λακτόζης, 333, 334Ε Οριζόντια μεταφορά γονιδίου, 360Ε, Ορμόνη, 663 θυρεοειδής, 671 στεροειδής, 670 Οστεοβλάστη, 896 Οστεοκλάστη, 896 ΟυαμπαΤνη, 489 Ουβικινόνη, 583, 583Ε, 584Ε Ουβικουϊτίνη,310 Ουβικουϊτινίωση, 767 Ουδετερόφιλο, 470 Ουρά πολυ(Α) , 286 Ουρακίλη, 70, 278Ε
επιδιόρθωσης, 246 RNA,280, 280Ε, 283Ε,333Ε,334,334Π, 336 Πολυμορφισμός μεμονωμένων νουκλεοτιδίων,
369
483
Παράγοντας αιμοπεταλιακός αυξητικός, 784 απελευθέρωσης,306,307Ε αυξητικός, 782 έναρξης, 305, 306Ε επιβίωσης, 782 μεταγραφικός, 335 προαγωγής της φάσης Μ, 768 σίγμα, 284
VIII, 368, 421 Παρακρινής σηματοδότηση, Παρεμβολή στο RNA, 439
663
Παρυφή ψηκτροειδής, 897Ε Πεντόζη, 92Ε
Πεmιδικός δεσμός, 68, 90Ε, 145Ε, 301 Πεmιδυλοτρανσφεράση, 303 Περίβλημα πυρηνικό, 25Ε, 217, 218Ε, 810Ε Περιοδικός πίνακας, 53, 53Ε Περιοχή μεταβλητή, 174Ε ομοιοτική, 330, 330Ε Πέψη, 529 Πηκτή δισδιάστατη ηλεκτροφόρηση, 195Ε ηλεκτροφόρηση σε, 195Ε, 405Ε πολυακρυλαμίδης, 195Ε Πηκτίνη, 871 Ε Πίεση σπαργής, 495 ωσμωτική, 494 ΠινOKUΤΤάρωση, 648, 650 Πλαίσιο ανάγνωσης, 295, 296Ε Πλάκα της μετάφασης, 806, 827 Πλασμίδιο, 420 Πλασμόδεσμα,891,891Ε Πλαστοκwόνη,583Ε Πλαστοκυανίνη,598Ε Πλεκτίνη, 717 Πλευρική αλυσίδα, 90Ε, 146, 147Ε Πολικό αμινοξύ, 148Ε
1036
Ευρετήριο
240,
383,
Π
Παθητική μεταφορά,
DΝΑ,
Πρωτεογλυκάνη,
Πρωτόνιο, 48, 60, 60Ε, 579, 579Ε, 580Ε Πρωτοογκογονίδιο, 908, 909ΕΕ Πρωτοταγής δομή, 161
243Ε
Πτύχωση, 146 Πυρήνας, 12,616 μεταμόσχευση, 901 Πυρηνικό περίβλημα, 25Ε,
Πολυπεmιδικός σκελετός, 146, 147Ε Πολύποδας, 911 Πολυποδίαση εντέρου αδενωματώδης, 911 Πολυριβοσωμάτιο, 307, 308Ε, 629 Πολυσακχαρπης,64,87Ε Πολυσωμάριο, 307 Πορίνη, 463, 498, 563 Πόρος πυρηνικός, 218Ε, 292Ε, 616, 625, 626Ε,
Πυρηνικός πόρος, 218Ε, 292Ε,
Που ρίνη, 92Ε Πράσινη φθορίζουσα πρωτεΤνη, 434, 644 Πριμάση, 246Ε, 247Ε Προγεwητική διάγνωση, 412 Πρόγραμμα για το ανθρώπινο γονιδίωμα, 380 Προγραμματισμένος κυπαρικός θάνατος, 777 Προκαρυώτης, 15 Προκασπάση, 781Ε Προκολλαγόνο,877 Προμετάφαση, 797, 800Ε, 802 Προπορευόμενος κλώνος, 242, 243Ε Προπυρήνας, 835 Προσαρμογή, 690,693 Προσδετο-ελεγχόμενος δίαυλος, 503 Πρότυπη μεταβολή ελεύθερης ενέργειας, 114, 117Ε Πρόφαση, 797,800Ε Πρωτεάση, 309
616, 624,
616, 625,
626Ε,
Πυρηνικός υμένας,
217, 218Ε, 713, 717, 718Ε Πυρηνικός υποδοχέας εισαγωγής, 625 Πυρηνίσκος, 217, 218Ε Πυριμιδίνη, 92Ε Πυροσταφυλικό, 529, 532Ε, 536Ε, 540Ε, 542Ε, 544Ε αφυδρογονάση του,
Πυροφωσφορικό οξύ,
540, 540Ε 241
Ρ
Ραβδίο, 890 Ραβδιοφόρο κύπαρο, 689, 690Ε Ρετwάλη, 179, 180Ε,466 Ρετινοβλάστωμα, πρωτεινη του, 782 Ρετροϊός, 265,267Ε Ρετροτρανσποζόνιο, 262, 263Ε Ριβοένζυμο, 304, 314, 314Ε, 315Π Ριβονουκλε'ίνικό οξύ, 71,244 Ριβονουκλεοτίδιο, 70,277 Ριβοσωματική υπομονάδα
μεγάλη,302Ε μικρή,302Ε Ριβοσωματικό RNA,
281 , 300 27, 300, 301Ε, 302Ε υπεροξειδίου, 586
Ριβοσωμάτιο,
Ρίζα του Ροδοψwη, 689,690Ε Ρυθμιστική αλληλουχία DΝΑ, 328 Ρυθμιστική πρωτεΤνη, 329, 342Ε
Πρωτεασωμάτιο, 309, 310Ε ΠρωτεΤνη αποθηκευτική, 144Ε Bcl-2, οικογένεια της, 780 δίαυλος, 479,483Ε δομική, 144Ε G, 186, 680Ε τριμερής, 694 ινώδης, 168 κινητήρια, 144Ε, 726 μεμβρανική, 460, 472 μεμβρανικής μεταφοράς, 479 μεταφορική, 144Ε μονομερής που συνδέεται με το GΤP, που προσδένει ακτίνη, 735 που συνδέει GΤP, 185 που συνδέεται με ακτίνη, 738 πράσινη φθορίζουσα, 434 ρ53,774
PrP, 150 342Ε
σημαΤΟδοτική,144Ε συνοδός,627,642Ε σφαιρική,168 SΤAΤ, 699,700Ε φορέας, 479,483Ε,484 χιμαιρική, 909 Πρωτε'ίνική κινάση, 766 Πρωτε'ίνική κινάση C, 687 εξαρτώμενη από τις κυκλίνες, Πρωτε'ίνική μηχανή, 189, 189Ε
218Ε,
718Ε,810Ε
810Ε
329, Ras, 693, 694Ε Rb, 783, 783Ε Rho,744
217,
810Ε
848,848Ε
ρυθμιστική,
469, 470Ε, 880
Πρωτεόλυση, 309 Πρωτόζωο, 32, 33Ε
766
Σ Σάκχαρο,
694
63
Σακχαροφωσφορικός σκελετός DΝΑ, 204Ε Σαρκομερίδιο, 747, 747Ε Σαρκοπλασματικό δίκτυο, 485Ε, 750, 750Ε Σειρά βλαστική, 358, 358Ε, 822 Σερwοπρωτεάση, 165Ε Σήμα διαλογής, 622 μεταβίβαση, 662 μεταφοράς, 635 πυρηνικού εντοπισμού, 625 Σηματοδοτική ακολουθία, 668 Σηματοδοτική αλληλουχία, 623, 624Ε Σηματοδοτική πρωτε'ί\/η, 144Ε Σημείο ισοηλεκτρικό, 195Ε Σιωπηρή μετάλλαξη, 362 Σκελετός πολυπεmιδικός, 146, 147Ε σακχαροφωσφορικός DΝΑ, 208Ε Σκληρεγχυματικό κύπαρο, 872Ε Σκοτεινή αντίδραση, 594 Σπειροειδές σπείραμα, 160, 162Ε Σπεκτρίνη, 468 Σπερματοζωάριο, 822 Σταθερά ισορροπίας, 115Π, 118Ε Michaelίs, 122 Σταθερή περιοχή, 174Ε Στεγανή σύνδεση,
472
Στεγανός σύνδεσμος, 884, 885ΕΕ Στελεχιαίο κύπαρο, 896 Στερεοκροσσός,504Ε Στεροειδές, 89Ε Στεροειδής ορμόνη, 670 Στερόλη, 451 Στηθάγχη, 670 Στιβάδα υδατανθράκων, 469, 470Ε Στοίβα θυλακοειδών, 592 Στοιχείο
-
Σ
- ;:;--
;;-
Σχισμή
;;-;;
Σωληνάριο εγκάρσιο,
- ,;"- - Ξ Σωλήνας νευρικός, 887, 888 Σωματίδιο αναγνώρισης του σήματος, συρραφής, 288 Σωματική μετάλλαξη, 905 Σωματικό κύπαρο, 358, 823Ε Σωμάτιο βασικό, 721
L1,264E L1ΝΕ 1, 263 μεταθετό, 368 Στόμα, 873 Στρυχνίνη, 518 Στρώμα, 563, 564Ε, 573Ε εξωκυττάριο, 9, 169 Συζευγμένη αντίδραση, 117, 127 Συζευγμένος μεταφορέας, 487 Σύζευξη, 112 χημειωσμωτική, 561, 567Ε
630, 631Ε
Τ
Ταξόλη, 723 Ταση-ελεγχόμενος δίαυλος, Ταχύτητα διάσταση, 121 Τελομερά .248 ελο ΤελJ'
G7"'.
503, 51 ΟΕ, 519Π
ασταθε "29S ταλάντευσης, 296 Υποκινητής, 282, 283Ε, 338, 339Ε, 342Ε Υπολειπόμενο αλληλόμορφο, 839, 851 Υπομνηματισμός, 408 Υπομονάδα, 72 ριβοσωματική μεγάλη, 302Ε μικρή,302Ε Υπόστρωμα, 111, 175 φ
.2' ;g-
Συμβολή
Holliday,
260Ε
νευρομυ"ίκή,517 συρραφής, 290Ε Συμμεταφορέας, 490 Συμπληρωματική βάση, 208Ε Σύμπλοκο αναγνώρισης της αφετηρίας, 772, 773Ε αναδιαμόρφωσης της χΡωματίνης, 225, 226Ε, 340Ε
αναπνευστικών ενζύμων, 570, 570Ε αφυδρογονάσης του NADH, 570, 584Ε οξειδάσηςτου κυΤΟχΡώματος, 570, 584Ε που προάγει την ανάφαση, 767 κυΤΟχΡωμάτων
b-c, 570 b-c 1, 584Ε, b6-f,598E
588Ε
Συμπύκνωση,65Ε,135Ε αντίδραση, 64 Συναγωνιστικός αναστολέας, Συναmική σχισμή, 514, 516 Συναmικό κυστίδιο, 514 Σύναψη, 514 ανασταλτική,519Ε διεγερτική,519Ε Σύνδεση
.....-:
ο
,
Τόπας ι ός. 85 Τοuμποuλίνη. 2. 9 Τρανσδουσίνη,689 Τρανσποζάση,261Ε,262 Τρανσποζόνιο, 261, 262Ε, 368, 382Ε Τριακυκλογλυκερόλη, 67Ε,88Ε,454Ε Τριγλυκερίδιο,89Ε
Τριμερής G πρωτεΊνη, 694 Τριτοταγής δομή, 162 Τριφωσφορική ινοσιτόλη, 682 1,4,5-τριφωσφορική ινοσιτόλη, 686, 687Ε Τροπομυοσίνη, 751, 751Ε Τροπονίνη, 751, 751Ε Τρυmοφάνη, καταστολέαςτης, 331
691
φωσφατάση της.
693
Υ
Υαλουρονικό οξύ, 880Ε Υβριδισμός,
411, 413Ε, 414Ε in sItu, 416, 416Ε, 417Ε Υδατάνθρακες, στιβάδα, 469, 470Ε Υδρογόνο, δεσμός, 59, 77,84Ε,94Ε, Υδρολάση του GTP, 679 Υδρόλυση, 65, 65Ε, 117Ε, 135Ε
προσκόλλησης, 885Ε Σύνδεσμος στεγανός, 884, 885ΕΕ Συνδέτης, 171 Συνδετικό DNA, 220, 220Ε Σύνδρομο Down, 833 Συνένζυμο Α, 93Ε, 529 Συνεπικρατές αλληλόμορφο, 851 Συνεστιακό μικροσκόπιο, 11 Ε Συνθάση του ΑΤΡ, 560, 568, 572, 574ΕΕ Συνθετάση των αμινοακυλο-tRΝΑ, 299
Υδροξύλιο, 83Ε Υδρόφιλο μόριο, 59, 84Ε Υδρόφοβη αλληλεπίδραση, Υδρόφοβο μόριο, 59, 84Ε Υδρώνιο, ιόν, 60 Υμένας
149Ε
77
βασικός, 882, 883Ε πυρηνικός, 217, 218Ε Υπεροξεισωμάτιο, 25, 617 Υπερφυγόκεντρος,75Ε Υποδοχέας,662 ακετυλοχολίνης,517,518Ε,519Π
150 627
Συρραφή, 289Ε εναλλακτική, 388, 388Ε
συμβολή,290Ε Συσκευή Golgi, 24, 25Ε, 617, 642 Συσταλτικός δακτύλιος, 796, 812, 813Ε Σύστημα ελέγχου του κυπαρικού κύκλου, Συστολή, 735 Σφαιρική πρωτεινη, 168 Σφαιρίνη, 364Ε γονίδιο, 364
.. 69
ός
Τυροσίνη κινάση της,
126
Holliday, 259
Συνοδός μοριακός, πρωτεινη,
xoλεριJ Το
γλυκοκορτικοειδών,
346, 347Ε
GABA,519n 793
κυπαροκινών, 700Ε
LDL,651E με ενεργότητα κινάσης της τυροσίνης, 691 με εmά διαμεμβρανικές α-έλικες. 677 που συνδέεται με διαύλους ιόντων, 674, 674Ε
--.... , -~;
-~--
::..L.=
-.:;=
Ξ::Ξ
Φερρε
Φλοίωμα, 873 Φορέας γλυκόζης. 485 έκφρασης, 432 ενεργοποιημένος, 123, 127Ε, 133Π ηλεκτρονίων, 548 κλωνοποίησης, 420, 420Ε Φραγμοπλάστης, 814 Φρουκτόζη 1.6-διφωσφορική, 532Ε Φυγοκέντρηση διαφορική, 193Ε Φυγόκεντρος, 192Ε Φυλετική αναπαραγωγή, 821 Φυλετικό ινίδιο, 370Ε Φυλογενετικό δέντρο, 373, 374Ε Φυσαλιδώδης επιδερμόλυση, 716 Φυτό διαγονιδιακό, 440, 440Ε Φωσφατάση, 185, 676 της τυροσίνης. 693 Φωσφατιδυλοαιθανολαμίνη, 454Ε Φωσφατιδυλοσερίνη, 453 Φωσφατιδυλοχολίνη, 451 Φωσφοδιεστέραση του κυκλικού ΑΜ Φωσφοδιεστερικός δεσμός, 71, 93Ε Φωσφολιπάση C, 682, 685, 686Π, 68 Φωσφολιπίδιο, 67, 68Ε, 88Ε, 451 της ινοσιτόλης, 685 3-φωσφορική γλυκεριναλδευδη, 532.Ξ.. ;:;~-
=
538Ε
6-φωσφορική γλυκόζη, 534 Φωσφορική δολιχόλη, 89Ε Φωσφορική ομάδα, 83Ε Φωσφορικός ανυδρίτης, 70, 70Ε, δεσμός,93Ε,129Ε
Ευρετήριο
_
Φωσφορυλίωση,
129, 184, 185Ε, 676 οξειδωτική, 531, 567, 573Ε Φωτεινή αντίδραση, 593 Φωτονικό μικροσκόπιο, 7, 10Ε Φωτόνιο, 595 Φωτοσύνθεση, 105, 106Ε, 107Ε, 590 Φωτοσυνθετική αντίδραση, Φωτοσύστημα, 595
593
Χ Χαρακτηριστικό πολυγονιδιακό,
859
Χάρτης περιορισμού, 404 Χασμοσύνδεση, 498 Χασμοσύνδεσμος, 885Ε,889,890Ε Χειριστής, 331, 331 Ε Χημειωσμωτική σύζευξη, 561, 567Ε Χημική ισορροπία, 114, 115Ε Χημική ομάδα, 62 Χημικός δεσμός, 51
1038
Ευρετήριο
Χίασμα, 828Ε, 829 Χιμαιρική πρωτείνη, 909 Χιτίνη,65 Χλωροπλάστης, 18,21,23Ε,24Ε,552,591, 592Ε,593Ε, 872Ε Χλωροφύλλη, 23,23Ε,593,595 Χολέρα, 679 Χολερική τοξίνη, 679 Χοληστερόλη,89Ε,453,457,651 ΧονδροΙτίνη θειική, 880Ε Χορδή νωτιαία, 888 Χρόνια μυελογενής λευχαιμία, 915, 915Ε Χρωματίνη, 219,222Ε ίνα, 222Ε σύμπλοκο αναδιαμόρφωσης, 225, 226Ε, 340Ε
αναδιάταξη, 909 βακτηριακό τεχνητό, 422 δισθενές, 828 ομόλογο, 826 τεχνητό βακτηριακό, 409 Χρωστική πράσινη φθορίζουσα, 644 Χωροπληρωτικό μοντέλο, 153, 159Ε Χώρος διαμεμβρανικός, 563, 564Ε, 573Ε
Χρωματογραφία, 194Ε Χρωματογραφία στήλης, 194Ε Χρωμόσωμα, 19,211 αδρανoπo~ση,225E
Ω Ωάριο, 822 Ώσμωση, 494, 494Ε Ωσμωτική πίεση, 494
Ψ Ψάρι ζέβρα,
366
Ψευδογονίδιο, 365 Ψευδοπόδιο, 649, 649Ε Ψηκτροειδής παρυφή, 897Ε
ISBN: 960-399-390-5
111111111111111111111111
9789603993902
![Hierachies [Part Ii Of Ii]](https://epdf.tips/img/300x300/hierachies-part-ii-of-ii_5afba0ceb7d7bcdc12225aa8.jpg)
