Το κύτταρο: πυρήνας, ΕΔ, μιτοχόνδρια, χλωροπλάστες
Τεύχος Α΄ · Εισαγωγή Κεφ. 2 και §2.3 (Πυρήνας, αδρό ΕΔ, Χλωροπλάστες – Μιτοχόνδρια)
Γιατί ένα ερυθρό αιμοσφαίριο ζει μόνο περίπου 120 μέρες;
Τα ώριμα ερυθρά αιμοσφαίρια του αίματός σου δεν έχουν πυρήνα ούτε μιτοχόνδρια — έτσι χωράνε περισσότερη αιμοσφαιρίνη. Το τίμημα; Χωρίς πυρήνα δεν μπορούν να φτιάξουν νέες πρωτεΐνες ούτε να επισκευάσουν τις φθορές τους, και μετά από περίπου 120 μέρες απομακρύνονται. Για να καταλάβεις τι «χάνουν», δες τι κάνει καθένα από τα οργανίδια που λείπουν.
Προκαρυωτικά και ευκαρυωτικά κύτταρα
Όλοι οι οργανισμοί αποτελούνται από κύτταρα, τα οποία διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες:
- Προκαρυωτικά (βακτήρια): δεν έχουν πυρήνα ούτε μεμβρανώδη οργανίδια. Το γενετικό τους υλικό βρίσκεται σε μια περιοχή του κυτταροπλάσματος, το πυρηνοειδές. Είναι συνήθως μικρότερα και πιο απλά.
- Ευκαρυωτικά (πρωτίστες, μύκητες, φυτά, ζώα): έχουν πυρήνα που περιβάλλεται από μεμβράνη και πολλά οργανίδια με εξειδικευμένες λειτουργίες.
Και τα δύο έχουν πλασματική μεμβράνη, κυτταρόπλασμα, ριβοσώματα και DNA ως γενετικό υλικό. Τα απολιθώματα δείχνουν ότι τα προκαρυωτικά κύτταρα προϋπήρξαν των ευκαρυωτικών.
«Κάρυον» στα αρχαία ελληνικά σημαίνει καρύδι — ο πυρήνας. Προ-καρυωτικό = κύτταρο από την εποχή πριν από τον πυρήνα (τα προκαρυωτικά προϋπήρξαν). Ευ-καρυωτικό = με «καλό», πραγματικό πυρήνα, τυλιγμένο σε μεμβράνη.
Ο πυρήνας
Ο πυρήνας περιέχει το μεγαλύτερο μέρος του γενετικού υλικού του ευκαρυωτικού κυττάρου και ελέγχει τις λειτουργίες του.
- Περιβάλλεται από τον πυρηνικό φάκελο, μια διπλή μεμβράνη με πυρηνικούς πόρους, από τους οποίους γίνεται η ελεγχόμενη ανταλλαγή μορίων με το κυτταρόπλασμα (π.χ. έξοδος mRNA, είσοδος πρωτεϊνών).
- Στο εσωτερικό του το DNA βρίσκεται συνδεδεμένο με πρωτεΐνες και σχηματίζει τη χρωματίνη. Όταν το κύτταρο διαιρείται, η χρωματίνη συσπειρώνεται και σχηματίζει τα ευδιάκριτα χρωμοσώματα.
- Ο πυρηνίσκος είναι περιοχή του πυρήνα όπου συντίθεται το rRNA και συγκροτούνται οι υπομονάδες των ριβοσωμάτων, που εξέρχονται στο κυτταρόπλασμα.
Το αδρό ενδοπλασματικό δίκτυο
Το ενδοπλασματικό δίκτυο (ΕΔ) είναι ένα σύστημα μεμβρανών που σχηματίζουν σωληνάρια και σάκους. Το αδρό ΕΔ φέρει στην εξωτερική επιφάνεια των μεμβρανών του ριβοσώματα, γι' αυτό φαίνεται «αδρό».
- Οι πρωτεΐνες που συντίθενται στα ριβοσώματα του αδρού ΕΔ εισέρχονται στο εσωτερικό του, όπου αναδιπλώνονται και συχνά τροποποιούνται (π.χ. προσθήκη σακχάρων → γλυκοπρωτεΐνες).
- Πρόκειται κυρίως για πρωτεΐνες που εκκρίνονται από το κύτταρο (π.χ. ορμόνες, αντισώματα, πεπτικά ένζυμα) ή ενσωματώνονται σε μεμβράνες και σε άλλα οργανίδια.
- Μεταφέρονται μέσα σε κυστίδια προς τους προορισμούς τους.
Γι' αυτό κύτταρα που εκκρίνουν πολλές πρωτεΐνες (π.χ. τα κύτταρα του παγκρέατος, τα πλασματοκύτταρα) έχουν πολύ ανεπτυγμένο αδρό ΕΔ.
Ποιο κύτταρο αναμένεται να έχει το πιο ανεπτυγμένο αδρό ενδοπλασματικό δίκτυο;
Χλωροπλάστες και μιτοχόνδρια: οι μετατροπείς ενέργειας
- Μιτοχόνδρια: υπάρχουν σε σχεδόν όλα τα ευκαρυωτικά κύτταρα. Σε αυτά γίνεται η κυτταρική αναπνοή: η χημική ενέργεια των θρεπτικών ουσιών μετατρέπεται σε ενέργεια αποθηκευμένη στο ATP. Έχουν διπλή μεμβράνη· η εσωτερική σχηματίζει πολλές αναδιπλώσεις (ακρολοφίες) που αυξάνουν την επιφάνειά της. Ο εσωτερικός χώρος λέγεται μήτρα.
- Χλωροπλάστες: υπάρχουν στα φυτά και στα φύκη. Σε αυτούς γίνεται η φωτοσύνθεση: η φωτεινή ενέργεια μετατρέπεται σε χημική ενέργεια οργανικών ενώσεων. Έχουν διπλή μεμβράνη και ένα εσωτερικό σύστημα μεμβρανών, τα θυλακοειδή, που περιέχουν τη χλωροφύλλη. Ο χώρος γύρω τους λέγεται στρώμα.
Και τα δύο οργανίδια περιέχουν δικό τους DNA (κυκλικό) και δικά τους ριβοσώματα, οπότε συνθέτουν μερικές από τις πρωτεΐνες τους και αυτοδιπλασιάζονται. Γι' αυτό χαρακτηρίζονται ημιαυτόνομα οργανίδια. Οι ομοιότητές τους με τα βακτήρια στηρίζουν την ενδοσυμβιωτική θεωρία: προήλθαν από προκαρυωτικούς οργανισμούς που εγκαταστάθηκαν μέσα σε πρόγονο των ευκαρυωτικών κυττάρων.
Η ιδέα ότι τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες ήταν κάποτε ελεύθεροι προκαρυωτικοί οργανισμοί θεωρούνταν περιθωριακή, μέχρι που η Lynn Margulis τη διατύπωσε συστηματικά το 1967. Σήμερα την ενισχύει και το ίδιο το DNA τους: είναι κυκλικό και μοιάζει με το DNA των βακτηρίων.
Ποιο από τα παρακάτω δεν αποτελεί κοινό χαρακτηριστικό μιτοχονδρίων και χλωροπλαστών;
Μέθοδος: σύγκριση κυττάρων σε ερωτήσεις κρίσης
- Ρώτα πρώτα: προκαρυωτικό ή ευκαρυωτικό; Αν προκαρυωτικό, αποκλείονται πυρήνας, ΕΔ, μιτοχόνδρια, χλωροπλάστες.
- Αν ευκαρυωτικό: φυτικό ή ζωικό; Χλωροπλάστες μόνο σε φωτοσυνθετικά κύτταρα (φυτά, φύκη)· μιτοχόνδρια σε φυτικά και ζωικά.
- Σύνδεσε τη λειτουργία του κυττάρου με το οργανίδιο που «χρειάζεται»: έκκριση πρωτεϊνών → αδρό ΕΔ· υψηλές ενεργειακές ανάγκες (μυϊκά κύτταρα) → πολλά μιτοχόνδρια.
- Για ερωτήσεις γενετικού υλικού: DNA βρίσκεται στον πυρήνα και στα μιτοχόνδρια/χλωροπλάστες.
Παράδειγμα 1: Γιατί τα κύτταρα του καρδιακού μυός έχουν πολύ περισσότερα μιτοχόνδρια από τα κύτταρα της επιδερμίδας;
Λύση: Ο καρδιακός μυς συσπάται συνεχώς και έχει πολύ μεγάλες ενεργειακές ανάγκες. Τα μιτοχόνδρια είναι τα οργανίδια της κυτταρικής αναπνοής, όπου παράγεται το ATP. Άρα κύτταρα με αυξημένες ενεργειακές απαιτήσεις διαθέτουν περισσότερα μιτοχόνδρια.
Παράδειγμα 2: Σε ένα φυτικό κύτταρο φύλλου, πού θα βρούμε DNA;
Λύση: Στον πυρήνα (το μεγαλύτερο μέρος, με μορφή χρωματίνης), στα μιτοχόνδρια και στους χλωροπλάστες (κυκλικά μόρια DNA). Αντίθετα, σε ένα ζωικό κύτταρο DNA υπάρχει μόνο στον πυρήνα και στα μιτοχόνδρια.
Άσκηση τύπου Πανελλαδικών: Μια ραδιενεργά σημασμένη πρωτεΐνη ανιχνεύεται διαδοχικά στα ριβοσώματα του αδρού ΕΔ, στο εσωτερικό του ΕΔ, σε κυστίδια και τελικά έξω από το κύτταρο.
(α) Τι είδους πρωτεΐνη είναι; (β) Αναφέρετε δύο παραδείγματα τέτοιων πρωτεϊνών. (γ) Θα μπορούσε η ίδια πορεία να παρατηρηθεί σε βακτήριο;
Λύση:
(α) Είναι εκκρινόμενη πρωτεΐνη: συντίθεται στα ριβοσώματα του αδρού ΕΔ, εισέρχεται στο εσωτερικό του όπου τροποποιείται, και μεταφέρεται με κυστίδια ώστε να εκκριθεί.
(β) Π.χ. η ινσουλίνη (ορμόνη), τα αντισώματα, πεπτικά ένζυμα.
(γ) Όχι. Τα βακτήρια είναι προκαρυωτικά κύτταρα και δεν διαθέτουν ενδοπλασματικό δίκτυο ή άλλα μεμβρανώδη οργανίδια.
Πού συντίθεται το rRNA και συγκροτούνται οι υπομονάδες των ριβοσωμάτων;
Εξετάζεις τρία κύτταρα:
- Α: έχει DNA σε μία μόνο θέση (κυκλικό μόριο), ριβοσώματα στο κυτταρόπλασμα και κανένα μεμβρανώδες οργανίδιο.
- Β: έχει DNA σε τρεις διαφορετικές θέσεις.
- Γ: έχει DNA σε δύο θέσεις και πολύ ανεπτυγμένο αδρό ενδοπλασματικό δίκτυο.
(α) Τι είδους κύτταρο είναι το καθένα; (β) Δίνεις στα κύτταρα ραδιενεργή ουρακίλη. Σε ποια θα εμφανιστεί ραδιενέργεια στον πυρηνίσκο και γιατί;
Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση
(α) Α: προκαρυωτικό (βακτήριο) — χωρίς πυρήνα και οργανίδια, με το DNA στο πυρηνοειδές. Β: ευκαρυωτικό φυτικό φωτοσυνθετικό κύτταρο — DNA στον πυρήνα, στα μιτοχόνδρια και στους χλωροπλάστες. Γ: ευκαρυωτικό κύτταρο χωρίς χλωροπλάστες (DNA σε πυρήνα και μιτοχόνδρια), που εκκρίνει πρωτεΐνες — π.χ. ζωικό κύτταρο του παγκρέατος ή πλασματοκύτταρο.
(β) Η ουρακίλη ενσωματώνεται μόνο σε RNA. Στον πυρηνίσκο συντίθεται το rRNA, άρα ραδιενέργεια στον πυρηνίσκο θα δεις στα Β και Γ. Το Α δεν έχει πυρήνα, άρα ούτε πυρηνίσκο — θα συνθέσει βέβαια σημασμένο RNA, αλλά στο κυτταρόπλασμα.
- «Τα βακτήρια δεν έχουν ριβοσώματα.» Έχουν· δεν έχουν πυρήνα και μεμβρανώδη οργανίδια.
- «Τα φυτικά κύτταρα έχουν χλωροπλάστες αντί για μιτοχόνδρια.» Έχουν και τα δύο.
- «DNA υπάρχει μόνο στον πυρήνα.» Υπάρχει και στα μιτοχόνδρια και στους χλωροπλάστες.
- Σύγχυση πυρηνίσκου με πυρήνα: ο πυρηνίσκος είναι περιοχή μέσα στον πυρήνα.
- Προκαρυωτικά: χωρίς πυρήνα και οργανίδια, DNA στο πυρηνοειδές· ευκαρυωτικά: πυρήνας και οργανίδια.
- Πυρήνας: διπλή μεμβράνη με πόρους, χρωματίνη, πυρηνίσκος (rRNA, υπομονάδες ριβοσωμάτων).
- Αδρό ΕΔ: ριβοσώματα στην εξωτερική επιφάνεια, σύνθεση και τροποποίηση πρωτεϊνών για έκκριση ή για μεμβράνες.
- Μιτοχόνδρια: κυτταρική αναπνοή (ATP)· χλωροπλάστες: φωτοσύνθεση.
- Και τα δύο: διπλή μεμβράνη, δικό τους κυκλικό DNA και ριβοσώματα — ημιαυτόνομα, ενδοσυμβιωτική θεωρία.