ΔΙΑΛΕΞΗ 2 Εισαγωγή στα κύτταρα

Εισαγωγή Το κύτταρο είναι η θεμελιώδης μονάδα της ζωής Όλα τα όντα αποτελούνται από κύτταρα (μεμβράνη με χημικό υλικό) Αυξάνονται με τη διαίρεση Ποικίλλουν σε μέγεθος, σχήμα και κινήσεις Ποικίλλουν ως προς τις χημικές απαιτήσεις και δραστηριότητές τους Ορισμένα εξειδικεύονται ως προς τη λειτουργία τους (πχ. σπερματοζωάριο) Θεμελειώδης μοναδα ζωης

ΟΜΩΣ Όλα έχουν παρόμοια χημική οργάνωση, κοινούς μηχανισμούς και κοινές βασικές λειτουργίες Όλα αποθηκεύουν τις γενετικές τους οδηγίες στο DNA που αποτελείται από νουκλεοτίδια Σε όλα οι οδηγίες του DNA οδηγούν στην παραγωγή RNA και στην πρωτεϊνοσύνθεση Σε όλα οι πρωτεΐνες συντίθενται από τα αμινοξέα με διαφορετική αλληλουχία

ΕΞΕΛΙΞΗ Μεταβίβαση DNA από ένα κύτταρο στα δύο θυγατρικά Εάν η αντιγραφή δεν είναι τέλεια, οι πληροφορίες αλλοιώνονται (mutations) προς το χειρότερο, καλύτερο ή η αλλαγή είναι ουδέτερη. Όποιοι απόγονοι προσαρμοστούν και επιζήσουν θα μεταβιβάσουν το τροποποιημένο DNA τους στην επόμενη γενιά Η ΑΛΛΑΓΗ και η ΕΠΙΛΟΓΗ αποτελούν τη βάση της ΕΞΕΛΙΞΗΣ Ένα αρχέγονο κύτταρο – 3 δισ χρόνια

ΓΟΝΙΔΙΩΜΑ Το ίδιο DNA περιέχει τις πληροφορίες για τη δημιουργία λιποκυττάρων, δερματοκυττάρων, νευρικών κυττάρων κλπ. Διαφορετικά κύτταρα ΕΚΦΡΑΖΟΥΝ διαφορετικά γονίδια.

ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ Η ανακάλυψή του κατέστησε τα κύτταρα ορατά (Robert Hooke 1665) Οι Schleiden και Schwann το 1839 απέδειξαν ότι τα κύτταρα είναι οι δομικοί λίθοι όλων των ζωντανών ιστών (ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ) Χρήση χρωστικών για να δούμε τα διαφανή κύτταρα. Παρατηρούμε: Εξωκυττάριο στρώμα Περιβάλλουσα μεμβράνη Πυρήνα Κυτταρόπλασμα Οργανίδια

Οργανίδια περικλειόμενα από μεμβράνες κατανέμονται σε όλη την έκταση του κυτταροπλάσματος Μιτοχόνδρια – παράγουν ενέργεια (ATP) με τη κυτταρική αναπνοή Πυρήνας – περικλείεται από πυρηνικό περίβλημα, χρωμοσώματα, DNA Ενδοπλασματικό δίκτυο – ακανόνιστη μεμβράνη στην οποία συντίθενται τα συστατικά της κυτταρικής μεμβράνης και τα υλικά που θα εξαχθούν Συσκευή Golgi – τροποποίηση χημικών μορίων Λυσοσώματα – διεκπαιρεώνεται ενδοκυττάρια πέψη Υπεροξεισωμάτια – κυστίδια στα οποία παράγεται υπεροξείδιο του υδρογόνου

ΚΥΤΤΑΡΟΔΙΑΛΥΜΑ - ΚΥΤΤΑΡΟΣΚΕΛΕΤΟΣ Το κυτταροδιάλυμα είναι ένα πυκνό διάλυμα μορίων Διεξάγονται πολλές χημικές αντιδράσεις του κυττάρου Πρωτεϊνοσύνθεση (ριβοσώματα) Αεικίνητη φύση του εσωτερικού του κυττάρου Περιλαμβάνει μακριά και λεπτά ινίδια πρωτεϊνών, τον κυτταροσκελετό Ο κυτταροσκελετός συνέχεια μεταβάλλεται δυναμικά λόγω της συναρμολόγησης/αποσυναρμολόγησης ινιδίων Λεπτά – ινίδια ακτίνης (μυϊκά κύτταρα) Παχιά – μικροσωληνίσκοι (διαιρούμενα κύτταρα) Ενδιάμεσα ινίδια – προσδίδουν μηχανική ισχύ

ΤΑ ΜΟΡΙΑ ΤΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ Η ποικιλότητα των οργανισμών οφείλεται σε υπεράριθμες χημικές ουσίες που αποτελούνται από περιορισμένο αριθμό στοιχείων (C, H, N, O) Πρωταρχικό ρόλο παίζει το μόριο του άνθρακα που μπορεί να σχηματίζει τέσσερις δεσμούς με άλλα άτομα Σχηματίζει αλυσίδες και δακτύλιους – οργανικά μόρια Τα υπόλοιπα (συμπεριλαμβανομένου και του νερού) είναι ανόργανα Το κυτταρόπλασμα είναι διάλυμα μικρών οργανικών μορίων που χρησιμοποιούνται ως υποομάδες για σύνθεση πολυμερών μακρομορίων (πρωτεΐνες, νουκλεϊνικά οξέα, λίπη, πολυσακχαρίτες) Τα μακρομόρια έχουν πολλαπλούς ρόλους (δομικούς, ενεργειακούς, λειτουργικούς)

ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ Τα μακρομόρια είναι πολυμερή ξεχωριστών υπομονάδων και κατασκευάζονται με επαναληπτικές αντιδράσεις συμπύκνωσης

ΣΑΚΧΑΡΑ - ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΕΣ Οι μονοσακχαρίτες είναι οι δομικοί λίθοι των πολυσακχαριτών Έχουν τύπο (CH2O)ν, (πχ. γλυκόζη C6H12O6), όμως το ίδιο σύνολο ατόμων μπορεί να συνδεθούν με δεσμούς κατά πολλούς τρόπους – ισομερή - (πχ. γλυκόζη, μαννόζη, γαλακτόζη). Επίσης, μπορεί να έχουν υδροξύλια (αλδεϋδική ομάδα -C=Ο, ή καρβονυλική ομάδα C=Ο ) Enonontai meta3i tous me omoiopolikous desmous

ΔΙΣΑΚΧΑΡΙΤΕΣ - ΠΟΛΥΣΑΚΧΑΡΙΤΕΣ Οι μονοσακχαρίτες ενώνονται μεταξύ τους με ομοιοπολικούς δεσμούς .Σχηματίζουν δισακχαρίτες, ολιγοσακχαρίτες, μέχρι και πολυσακχαρίτες. Τρείς κοινοί δισακχαρίτες είναι: Μαλτόζη=Γλυκόζη + Γλυκόζη Λακτόζη=Γαλακτόζη + Γλυκόζη Σουκρόζη=Γλυκόζη + Φρουκτόζη Μακροπρόθεσμο απόθεμα ενέργειας: Πολυσακχαρίτης της γλυκόζης στα ζώα = γλυκογόνο Πολυσακχαρίτης της γλυκόζης στα φυτά = άμυλο Μηχανική στήριξη : Πολυσακχαρίτης της γλυκόζης στο κυτταρικό τοίχωμα των φυτών: Κυτταρίνη Πολυσακχαρίτης στο σκελετό εντόμων και μυκήτων: Χιτίνη Σύνδεση με λιπίδια ή πρωτεΐνες:Γλυκολιπίδια/γλυκοπρωτεΐνες

ΛΙΠΑΡΑ ΟΞΕΑ Αμφιπολικά/Αμφιπαθή μόρια με: Υδρογονανθρακική αλυσίδα (υδρόφοβη) Ομάδα καρβοξυλίου (-COOH) (υδρόφιλη και χημικά δραστική)

Κορεσμένα λιπαρά οξέα - δεν υπάρχουν διπλοί δεσμοί μεταξύ των ατόμων άνθρακα στην ‘ουρά’ με αποτέλεσμα να υπάρχει ο μέγιστος δυνατός αριθμός ατόμων υδρογόνου Ακόρεστα λιπαρά οξέα - υπάρχει ένας ή περισσότεροι διπλοί δεσμοί που προκαλούν κάμψη των αλυσίδων Τα περισσότερα ζωïκά λίπη είναι κορεσμένα και είναι συνήθως στερεά στις θερμοκρασίες δωματίου. Τα φυτικά λίπη και ιχθυέλαια είναι ακόρεστα και σε υγρή μορφή. Τα ‘υδρογονωμένα φυτικά έλαια’ είναι ακόρεστα που έχουν συνθετικά μετατραπεί σε κορεσμένα με την προσθήκη υδρογόνου π.χ. μαργαρίνη. Όταν το διαιτολόγιο είναι πλούσιο σε κορεσμένα, είναι δυνατό να προκληθεί η καρδιοαγγειακή ασθένεια γνωστή ως αθηροσκλήρωση (αρτηριοσκλήρυνση) στην οποία προκαλείται στένωση στα αιμοφόρα αγγεία από την κατάθεση σε αυτά της λεγόμενης αθηρωματικής πλάκας. Τα υγρά λίπη (έλαια) σαν υγρά κυλούν στις αρτηρίες και δεν κατακάθονται στο εσωτερικό τους, όπως τα κορεσμένα που είναι στερεά.

ΡΟΛΟΣ Τα λίπη επιτελούν σημαντικότατο ρόλο ο οποίος είναι κατ’ εξοχήν αποταμιευτικός και ενεργειακός Περιέχουν εξαπλάσια ποσότητα ενέργειας από ότι οι υδατάνθρακες ανά γραμμάριο, γι’αυτό και αποτελούν την ελαφρότερη μορφή αποταμιευτικών ουσιών Τα ζώα μετακινούνται και κουβαλούν μαζί τους τις ‘αποθήκες’ τους που είναι πολύ ελαφρότερες από ότι θα ήταν αν η αποθηκευμένη ουσία ήταν άμυλο ή άλλος υδατάνθρακας Τα λίπη είναι κακοί αγωγοί της θερμότητας (θερμομονωτικά υλικά) Είναι αδιάβροχα και παρεμποδίζουν την εξάτμιση του νερού στους οργανισμούς και τη διάβρεξη διαφόρων οργάνων Περιβάλλουν και προστατεύουν διάφορα όργανα όπως τους e.g νεφρούς (περινεφρικό λίπος)

Αποθηκεύονται στο κυτταρόπλασμα ως τριγλυκερίδια - ένα μόριο γλυκερόλης και τρείς αλυσίδες λιπαρών οξέων Τα 3 λιπαρά οξέα συνδέονται με τη γλυκερόλη με εστερικούς δεσμούς (ΕΣΤΕΡΟΠΟΙΗΣΗ)

Συγκροτούν κυτταρικές μεμβράνες Γλυκερόλη με 2 λιπαρά οξέα Η τρίτη υδροξυλομάδα της γλυκερόλης είναι ενωμένη με φωσφορική ομάδα η οποία είναι αρνητικά φορτισμένη και ενώνεται με διάφορα μικρά μόρια οργανικών βάσεων (πχ. χολίνη)

ΣΤΕΡΟΕΙΔΗ Διαφέρουν από τα υπόλοιπα λιπίδια ως προς τη δομή τους. ΔΕΝ σχηματίζονται από γλυκερόλη και λιπαρά οξέα. Τα άτομα του άνθρακα στα στεροειδή είναι τοποθετημένα σε 4 συνδεδεμένους δακτύλιους. Τα στεροειδή διαφοροποιούνται από τις πλευρικές ομάδες, που είναι συνδεδεμένες με τους δακτύλιους. Η χοληστερόλη για παράδειγμα έχει τον εξής τύπο

Η χοληστερόλη είναι συστατικό της χολής και παράγεται από τα κύτταρα του ήπατος ή την παίρνουμε με τις τροφές μας Χρησιμεύει στη γαλακτωματοποίηση των λιπαρών ουσιών στο δωδεκαδάκτυλο και απορροφάται με τα λίπη από το λεπτό έντερο Αρνητικές συνέπειες στην υγεία μας λόγω υψηλής συγκέντρωσης της χοληστερόλης στο αίμα περιλαμβάνουν την αρτηριοσκλήρυνση και τη δημιουργία αθηρωματικής πλάκας. Αυτά μπορούν να προκαλέσουν εγκεφαλικά επεισόδια, προβλήματα στην κυκλοφορία του αίματος και εμφράγματα μυοκαρδίου Επειδή η χοληστερόλη δεν διαλύεται στο νερό, προσκολλάται σε πρωτεΐνες και μεταφέρεται. Σχηματίζονται έτσι οι λιποπρωτεΐνες. HDL (High Density Lipoprotein) – ‘καλή’ – μεταφέρει τη χοληστερόλη από τα κύτταρα στο συκώτι όπου λαμβάνει μέρος στο σχηματισμό της χολής( apo ta kittara-sikoti.) LDL (Low Density Lipoprotein) – ‘κακή’ – μεταφέρει τη χοληστερόλη στα κύτταρα, σχηματίζοντας αθηρωματικές πλάκες μέσα στις αρτηρίες

ΠΡΩΤΕÏΝΕΣ Σχηματίζονται με ς δομικούς λίθους που λέγονται ΑΜΙΝΟΞΕΑ Όλα περιέχουν όξινη καρβοξυλική ομάδα, αμινομάδα στο ίδιο άτομο άνθρακα (α) και διαφορετική πλευρική αλυσίδα (R)

20 αμινοξέα Κάποια έχουν αλυσίδες που (A)σχηματίζουν ιόντα σε διάλυμα, άλλα είναι (b)η φορτισμένα, άλλα είναι (c)δρόφοβα και άλλα υδρόφιλα.

ΠΕΠΤΙΔΙΚΟΣ ΔΕΣΜΟΣ Οι πρωτεΐνες είναι πολυμερή αμινοξέων που συνδέονται μεταξύ τους με Πεπτιδικούς Δεσμούς (συμπύκνωση) Η αλυσίδα μετά διπλώνεται σε τρισδιάστατη δομή Η πρωτεΐνη στο ένα άκρο έχει Αμινομάδα, και στο άλλο Καρβοξυλομάδα

DNA και RNA Τα νουκλεοτίδια είναι τα δομικά στοιχεία του DNA και RNA

ΡΟΛΟΣ Αποθήκευση και ανάκληση βιολογικών πληροφοριών → νουκλεϊνικά οξέα (πολυμερή) Τα μονομερή συνδέονται μεταξύ τους με φωσφοδιεστερικούς δεσμούς Η αλληλουχία του μορίου κωδικοποιεί τις γενετικές πληροφορίες του κυττάρου

Ενέργεια, Κατάλυση και Βιοσύνθεση

ΚΑΤΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΤΑ ΚΥΤΤΑΡΑ ΚΑΤΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΤΑ ΚΥΤΤΑΡΑ Κάθε κύτταρο είναι ένα χημικό εργοστάσιο Οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί χρησιμοποιούν το ηλιακό φως για να συνθέτουν οργανικά μόρια Τα κύτταρα αποκτούν ενέργεια από την οξείδωση οργανικών μορίων

ΕΝΖΥΜΑ Η ώθηση των αντιδράσεων και ο έλεγχός τους ασκείται από τα ένζυμα Κάθε ένζυμο καταλύει μόνο ένα είδος αντίδρασης, χωρίς το ίδιο να μεταβάλλεται Τα ένζυμα χαμηλώνουν τα ‘φράγματα’ που παρεμποδίζουν τις χημικές αντιδράσεις Η ταχεία διάχυση επιτρέπει στα ένζυμα να βρίσκουν τα υποστρώματά τους Οι τιμές Vmax και KM μετρούν την αντίδραση των ενζύμων

ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ = ΚΑΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ - ΑΝΑΒΟΛΙΣΜΟΣ Καταβολικές οδοί – αποδόμηση μορίων τροφών με τη παραγωγή ενέργειας και μικρών δομικών λιθών Αναβολικές/Βιοσυνθετικές οδοί – χρήση ενέργειας για σύνθεση μορίων που απαρτίζουν το κύτταρο

ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ Από πού προέρχεται η ενέργεια του κυττάρου; Πρόσληψη τροφής και μετατροπή μέρους της ενέργειας που είναι αποθηκευμένη στους χημικούς δεσμούς ανάμεσα στα άτομα σε θερμική ενέργεια Αυτή η ενέργεια βοηθά το κύτταρο να κάνει τις διεργασίες του και να παράγει βιολογική τάξη στη δομή και τις λειτουργίες του Στη βάση της αλυσίδας βρίσκονται οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί (ενέργεια φωτός σε ενέργεια δεσμών χημικών ενώσεων) φωτεινή ενέργεια + CO2 + Η2O → σάκχαρα + O2 + θερμική ενέργεια

ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΜΟΡΙΩΝ Η ενέργεια που αποθηκεύεται στους χημικούς δεσμούς αποσπάται για να γίνουν οι διάφορες βιολογικές λειτουργίες με τη διαδικασία της καύσης ή οξείδωσης Από την αντίδραση παράγονται CO2 + Η2O Η διεργασία αυτή ονομάζεται Αναπνοή

ΕΝΖΥΜΑ - ΚΑΤΑΛΥΤΕΣ Η πιο ευνοϊκή μορφή του άνθρακα είναι το CO2 και του υδρογόνου είναι το Η2O Όμως δεν εξαφανιζόμαστε σε ένα σύννεφο καπνού!!! Άρα, βρισκόμαστε σε σταθερή κατάσταση λόγω της απαιτούμενης ενέργειας ενεργοποίησης (ενεργειακός φραγμός)

ΕΝΖΥΜΑ Μειώνουν την ενέργεια που χρειάζεται το κύτταρο για να γίνουν οι αντιδράσεις του Αυξάνουν την ταχύτητα που γίνονται αυτές οι αντιδράσεις Παρουσιάζουν εξειδίκευση ως προς τις αντιδράσεις που καταλύουν Παρουσιάζουν αντιστρεπτικότητα (δηλ. το ίδιο ένζυμο καταλύει μια αμφίδρομη αντίδραση) Τα ένζυμα δεν αλλοιώνονται κατά τη διάρκεια της καταλυτικής τους δράσης Σε κάθε αντίδραση, το αντιδρόν σώμα ονομάζεται υπόστρωμα Για κάθε ένζυμο υπάρχει μια άριστη τιμή της θερμοκρασίας στην οποία η ταχύτητα της αντίδρασης που καταλύει γίνεται μέγιστη Μικρές αλλαγές στο pH των κυττάρων προκαλούν δραματικές αλλαγές στην καταλυτική δράση των ενζύμων. Τα περισσότερα δρούν σε pH 6.5-8.5

Τα μόρια κινούνται στον ενδοκυττάριο χώρο και συγκρούονται με άλλα μόρια (Διάχυση) Η ταχεία διάχυση επιτρέπει στα ένζυμα να βρίσκουν τα υποστρώματά τους, έστω και εαν αυτά βρίσκονται σε μικρές ποσότητες Λόγω της θερμικής ενέργειας, τα μόρια βρίσκονται σε συνεχή κίνηση

Τα ένζυμα διαχέονται στο κυτταρόπλασμα πολύ πιο αργά από τα μικρά μόρια Όταν όμως το υπόστρωμα συναντηθεί με το ενεργό κέντρο του ενζύμου, τότε θα δημιουργηθεί το σύμπλοκο με πολλούς ασθενείς δεσμούς και θα γίνει η αντίδραση Εάν η συγκέντρωση του υποστρώματος αυξηθεί, τότε και και η ταχύτητα σχηματισμού του προϊόντος θα αυξηθεί Όταν ολά τα μόρια ενζύμου θα καταληφθούν, η ταχύτητα της αντίδρασης θα περιοριστεί μέχρι να φτάσει το Vmax Η συγκέντρωση του υποστρώματος που απαιτείται για να λειτουργεί το ένζυμο στο μισό του Vmax ονομάζεται KM

ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΜΕΝΑ ΜΟΡΙΑ-ΦΟΡΕΙΣ Η ενέργεια που ελευθερώνεται από τη οξείδωση των τροφών αποθηκεύεται ως ενέργεια χημικών δεσμών στους ενεργοποιημένους φορείς Παραδείγματα ATP, NADH, NADPH Έτσι η ενέργεια δεν σπαταλάται άσκοπα υπό μορφή θερμότητας Η χρήσιμη ενέργεια συλλαμβάνεται μέσω μιας συζευγμένης αντίδρασης, όπου μια ενεργειακά ευνοϊκή αντίδραση προωθεί μια άλλη ενεργειακά μη ευνοϊκή αντίδραση

ATP Είναι το σημαντικότερο ενεργοποιημένο μόριο φορέας (απόθεμα ενέργειας) Φωσφορυλίωση: μεταφορά φωσφορικής ομάδας P ATP ADP + ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΠΟ ΦΩΣ Ή ΤΡΟΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΔΙΑΘΕΣΙΜΗ ΓΙΑ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ Η ΧΗΜΙΚΕΣ ΣΥΝΘΕΣΕΙΣ

NADH και NADPH Μεταφέρουν ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας και άτομα υδρογόνου NADH H+ 2e- + NAD+ NADPH H+ 2e- + NADP+

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΙΚΑ Τα μόρια των τροφών παρέχουν τον ανθρακικό σκελετό για τον σχηματισμό μεγαλύτερων μορίων. Οι ομοιοπολικοί δεσμοί αυτών των μορίων συνήθως σχηματίζονται με αντιδράσεις συζευγμένες με ενεργειακά ευνοϊκές μεταβολές δεσμών σε ενεργοποιημένα μόρια-φορείς, όπως το ATP, και το NADPH.