Κοιτάζοντας Προσεκτικά με το Μικροσκόπιο

ΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟ χαρακτηρίζεται ως η θεμελιώδης μονάδα της ζωής. Πραγματικά, τα έμβια όντα—στα οποία περιλαμβάνονται τα φυτά, τα έντομα, τα ζώα και οι άνθρωποι—αποτελούνται από κύτταρα. Στο διάβα των ετών, οι επιστήμονες έχουν εξετάσει σε βάθος τις εσωτερικές λειτουργίες του κυττάρου και έχουν αποκαλύψει πολλά από τα μυστικά της μοριακής βιολογίας και της γενετικής. Ας ρίξουμε μια πιο κοντινή ματιά στα κύτταρα και ας εξετάσουμε τι έχει ανακαλύψει η επιστήμη σχετικά με αυτές τις συναρπαστικές, μικροσκοπικές μονάδες ζωής.

Μια Γρήγορη Ματιά στις Μικροσκοπικές Μονάδες

Τα κύτταρα έχουν διάφορα σχήματα. Μερικά έχουν σχήμα ορθογώνιου παραλληλόγραμμου· άλλα είναι τετράγωνα. Υπάρχουν κύτταρα στρογγυλά, κύτταρα ωοειδή και κύτταρα με απροσδιόριστη μορφή. Παρατηρήστε την αμοιβάδα, ένα μονοκύτταρο οργανισμό ο οποίος δεν έχει συγκεκριμένο σχήμα. Αντιθέτως, αλλάζει μορφή καθώς κινείται. Το ενδιαφέρον είναι ότι η λειτουργία ενός κυττάρου υποδηλώνεται συνήθως από το σχήμα του. Για παράδειγμα, μερικά μυϊκά κύτταρα είναι στενόμακρα και συσπώνται καθώς επιτελούν την εργασία τους. Τα νευρικά κύτταρα—τα οποία μεταβιβάζουν μηνύματα σε όλο το σώμα—έχουν μακριές αποφυάδες.

Τα κύτταρα διαφέρουν επίσης σε μέγεθος. Ωστόσο, τα περισσότερα είναι τόσο μικρά ώστε δεν μπορεί να τα δει κανείς με γυμνό μάτι. Για να καταλάβετε το μέγεθος ενός μέτριου κυττάρου, κοιτάξτε την τελεία στο τέλος αυτής της πρότασης. Περίπου 500 κύτταρα μετρίου μεγέθους θα μπορούσαν να χωρέσουν σε αυτή τη μικρή κουκκίδα! Αν αυτά σας φαίνονται μικροσκοπικά, σκεφτείτε ότι μερικά βακτηριακά κύτταρα είναι περίπου 50 φορές μικρότερα. Ποιο είναι το μεγαλύτερο κύτταρο; Αυτόν τον τίτλο τον κατέχει ο κρόκος του αβγού της στρουθοκαμήλου—πρόκειται για ένα μονοκύτταρο «γίγαντα» ο οποίος έχει το μέγεθος περίπου μιας μπάλας του μπέιζμπολ ή του κρίκετ!

Επειδή τα περισσότερα κύτταρα δεν είναι ορατά με γυμνό μάτι, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν διάφορα όργανα, όπως το μικροσκόπιο, για να τα μελετήσουν.a Ακόμα και τότε, μερικές πολύπλοκες λεπτομέρειες του κυττάρου δεν φαίνονται καθαρά. Σκεφτείτε το εξής: Ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μπορεί να μεγεθύνει ένα κύτταρο 200.000 φορές—μεγέθυνση η οποία θα μπορούσε να κάνει ένα μυρμήγκι να φαίνεται ότι έχει μήκος πάνω από 800 μέτρα. Εντούτοις, ακόμα και με αυτή τη μεγέθυνση, μας ξεφεύγουν μερικές λεπτομέρειες του κυττάρου!

Έτσι, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι το κύτταρο είναι αξιοθαύμαστα πολύπλοκο. Στο βιβλίο του Το Πέμπτο Θαύμα (The Fifth Miracle), ο φυσικός Πολ Ντέιβις δηλώνει: «Κάθε κύτταρο είναι γεμάτο με πολύ μικρές δομές οι οποίες θα μπορούσαν να είχαν προέλθει κατευθείαν από το εγχειρίδιο ενός μηχανικού. Υπάρχουν σε αφθονία μικροσκοπικές λαβίδες, ψαλίδια, αντλίες, κινητήρες, μοχλοί, βαλβίδες, αγωγοί, αλυσίδες, ακόμα και οχήματα. Ασφαλώς, όμως, το κύτταρο δεν είναι απλώς μια θήκη με εξαρτήματα. Τα διάφορα συστατικά συνδυάζονται και δημιουργούν ένα σύνολο το οποίο λειτουργεί ομαλά, σαν μια πολυσύνθετη γραμμή παραγωγής».

DNA—Το Μόριο της Κληρονομικότητας

Οι άνθρωποι, όπως και τα πολυκύτταρα φυτά και ζώα, στην αρχή της ύπαρξής τους αποτελούνται από ένα και μόνο κύτταρο. Αφού αυτό το κύτταρο φτάσει σε κάποιο συγκεκριμένο μέγεθος, διαιρείται και σχηματίζει δύο κύτταρα. Κατόπιν αυτά τα δύο κύτταρα διαιρούνται και σχηματίζουν τέσσερα κύτταρα. Καθώς τα κύτταρα συνεχίζουν να διαιρούνται, εξειδικεύονται—δηλαδή, διαφοροποιούνται και γίνονται μυϊκά κύτταρα, νευρικά κύτταρα, δερματικά κύτταρα, και ούτω καθεξής. Καθώς η διαδικασία συνεχίζεται, πολλά από τα κύτταρα ομαδοποιούνται και σχηματίζουν ιστούς. Τα μυϊκά κύτταρα, για παράδειγμα, ενώνουν τις δυνάμεις τους και σχηματίζουν το μυϊκό ιστό. Διαφορετικά είδη ιστών σχηματίζουν όργανα, όπως είναι η καρδιά, οι πνεύμονες και τα μάτια.

Κάτω από το λεπτό περίβλημα κάθε κυττάρου βρίσκεται ένα παχύρευστο υγρό το οποίο ονομάζεται κυτταρόπλασμα. Πιο κάτω βρίσκεται ο πυρήνας, ο οποίος χωρίζεται από το κυτταρόπλασμα με μια λεπτή μεμβράνη. Ο πυρήνας έχει χαρακτηριστεί ως το κέντρο ελέγχου του κυττάρου επειδή κατευθύνει σχεδόν όλες τις δραστηριότητες του κυττάρου. Μέσα στον πυρήνα βρίσκεται το γενετικό πρόγραμμα του κυττάρου, το οποίο είναι γραμμένο σε δεσοξυριβονουκλεϊνικό οξύ—για συντομία, DNA.

Τα ελικοειδή μόρια του DNA βρίσκονται σφιχτά τυλιγμένα μέσα στα χρωμοσώματα του κυττάρου. Τα γονίδιά σας, τα οποία αποτελούν τμήματα των μορίων του DNA, περιέχουν όλες τις απαραίτητες πληροφορίες που σας κάνουν αυτό που είστε. «Το γενετικό πρόγραμμα που υπάρχει μέσα στο DNA κάνει κάθε έμβιο ον διαφορετικό από όλα τα υπόλοιπα έμβια όντα», εξηγεί Η Παγκόσμια Εγκυκλοπαίδεια του Βιβλίου (The World Book Encyclopedia). «Αυτό το πρόγραμμα κάνει ένα σκύλο διαφορετικό από ένα ψάρι, μια ζέβρα διαφορετική από ένα τριαντάφυλλο και μια ιτιά διαφορετική από μια σφήκα. Κάνει εσάς διαφορετικό από κάθε άλλο άτομο στη γη».

Η ποσότητα των πληροφοριών που περιέχει το DNA ενός και μόνο κυττάρου σας είναι εκπληκτική. Θα μπορούσε να γεμίσει περίπου ένα εκατομμύριο σελίδες αυτού του μεγέθους! Επειδή το DNA ευθύνεται για τη μεταβίβαση των κληρονομικών πληροφοριών από τη μια γενιά κυττάρων στην επόμενη, έχει χαρακτηριστεί ως το πρωτότυπο σχέδιο κάθε μορφής ζωής. Αλλά με τι μοιάζει το DNA;

Το DNA αποτελείται από δύο κλώνους που τυλίγονται ο ένας γύρω από τον άλλον, με αποτέλεσμα να μοιάζει με ελικοειδή σκάλα. Οι δύο κλώνοι ενώνονται με συνδυασμούς τεσσάρων στοιχείων που ονομάζονται βάσεις. Η κάθε βάση του ενός κλώνου ενώνεται με μια βάση του άλλου κλώνου. Αυτά τα ζευγάρια βάσεων σχηματίζουν τα σκαλοπάτια της ελικοειδούς σκάλας του DNA. Η ακριβής σειρά των βάσεων μέσα στο μόριο του DNA είναι αυτή που καθορίζει τις γενετικές πληροφορίες τις οποίες μεταφέρει αυτό το μόριο. Για να το πούμε απλά, αυτή η αλληλουχία καθορίζει στην πραγματικότητα οτιδήποτε σας αφορά, από το χρώμα των μαλλιών σας μέχρι το σχήμα της μύτης σας.

DNA, RNA και Πρωτεΐνη

Οι πρωτεΐνες είναι τα πολυπληθέστερα μακρομόρια μέσα στα κύτταρα. Έχει υπολογιστεί ότι το 50 και πλέον τοις εκατό του βάρους των περισσότερων οργανισμών σε ξηρή μορφή οφείλεται στις πρωτεΐνες! Οι πρωτεΐνες αποτελούνται από μικρότερα δομικά υλικά τα οποία ονομάζονται αμινοξέα. Ορισμένα από αυτά τα κατασκευάζει το σώμα σας· άλλα πρέπει να τα πάρετε από τη διατροφή σας.

Οι πρωτεΐνες έχουν πολλές λειτουργίες. Για παράδειγμα, υπάρχει η αιμοσφαιρίνη, μια πρωτεΐνη η οποία βρίσκεται στα ερυθρά αιμοσφαίρια και μεταφέρει οξυγόνο σε όλο σας το σώμα. Έπειτα υπάρχουν τα αντισώματα, τα οποία βοηθούν το σώμα σας να αποκρούει τις ασθένειες. Άλλες πρωτεΐνες, όπως είναι η ινσουλίνη, σας βοηθούν να μεταβολίζετε τις τροφές, καθώς επίσης ρυθμίζουν διάφορες κυτταρικές λειτουργίες. Συνολικά, ίσως υπάρχουν χιλιάδες διαφορετικά είδη πρωτεϊνών στο σώμα σας. Ίσως υπάρχουν εκατοντάδες μέσα σε ένα και μόνο κύτταρο!

Κάθε πρωτεΐνη επιτελεί μια συγκεκριμένη λειτουργία η οποία καθορίζεται από το γονίδιο του DNA της. Αλλά πώς αποκωδικοποιείται η γενετική πληροφορία που υπάρχει σε κάποιο γονίδιο του DNA με αποτέλεσμα τη δημιουργία μιας συγκεκριμένης πρωτεΐνης; Όπως φαίνεται στο συνοδευτικό διάγραμμα «Πώς Κατασκευάζονται οι Πρωτεΐνες», οι γενετικές πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες στο DNA πρέπει αρχικά να μεταφερθούν από τον πυρήνα του κυττάρου στο κυτταρόπλασμα, όπου βρίσκονται τα ριβοσώματα, δηλαδή τα εργοστάσια παραγωγής πρωτεϊνών. Αυτή η μεταφορά επιτελείται μέσω ενός μεσάζοντα που ονομάζεται ριβονουκλεϊνικό οξύ (RNA). Τα ριβοσώματα που υπάρχουν μέσα στο κυτταρόπλασμα «διαβάζουν» τις οδηγίες του RNA και συναρμολογούν την κατάλληλη αλληλουχία αμινοξέων για να δημιουργήσουν μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη. Έτσι, υπάρχει μια σχέση αλληλεξάρτησης ανάμεσα στο DNA, στο RNA και στο σχηματισμό των πρωτεϊνών.

Από Πού Ξεκίνησε;

Η μελέτη της γενετικής και της μοριακής βιολογίας απασχολεί τους επιστήμονες εδώ και δεκαετίες. Ο φυσικός Πολ Ντέιβις αμφιβάλλει για το αν υπάρχει κάποιος Δημιουργός πίσω από όλα αυτά. Ωστόσο, παραδέχεται: «Κάθε μόριο έχει μια συγκεκριμένη λειτουργία και μια καθορισμένη θέση στο γενικό σχέδιο, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται τα σωστά αντικείμενα. Λαβαίνουν χώρα πολλές μετακινήσεις. Τα μόρια πρέπει να διασχίσουν το κύτταρο για να συναντήσουν άλλα μόρια στο σωστό μέρος και τη σωστή στιγμή προκειμένου να επιτελέσουν το έργο τους όπως πρέπει. Όλα αυτά συμβαίνουν χωρίς να υπάρχει κάποιο αφεντικό το οποίο να λέει στα μόρια τι να κάνουν και να τα κατευθύνει στα κατάλληλα σημεία. Κανένας επιστάτης δεν επιβλέπει τις δραστηριότητές τους. Τα μόρια απλώς κάνουν τη δουλειά τους: τινάζονται πέρα δώθε στα τυφλά, συγκρούονται μεταξύ τους, αναπηδούν, ενώνονται. . . . Με κάποιον τρόπο, συλλογικά, αυτά τα χωρίς λογική άτομα συνεργάζονται και εκτελούν το χορό της ζωής με εκπληκτική ακρίβεια».

Δικαιολογημένα, πολλά άτομα που έχουν μελετήσει τις εσωτερικές λειτουργίες του κυττάρου έχουν συμπεράνει ότι κάποια νοήμων δύναμη πρέπει να είναι υπεύθυνη για τη δημιουργία του. Ας εξετάσουμε το γιατί.

[Υποσημειώσεις]

[Πλαίσιο/Διάγραμμα στη σελίδα 5]

Μια Ματιά στο Εσωτερικό του Κυττάρου

Μέσα σε κάθε κύτταρο υπάρχει ο πυρήνας—το διοικητικό κέντρο του κυττάρου. Ο πυρήνας περιέχει χρωμοσώματα, τα οποία αποτελούνται από σφιχτά τυλιγμένα ελικοειδή μόρια DNA και πρωτεΐνη. Τα γονίδιά μας βρίσκονται σε αυτά τα μόρια DNA. Τα ριβοσώματα, τα εργοστάσια παραγωγής πρωτεϊνών, βρίσκονται στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου, έξω από τον πυρήνα.

[Διάγραμμα]

(Για το πλήρως μορφοποιημένο κείμενο, βλέπε έντυπο)

Κύτταρο

Ριβοσώματα

Κυτταρόπλασμα

Πυρήνας

Χρωμοσώματα

DNA—η σκάλα της ζωής

[Διάγραμμα στη σελίδα 7]

(Για το πλήρως μορφοποιημένο κείμενο, βλέπε έντυπο)

Πώς Αντιγράφεται το DNA

Για να είναι απλούστερη η απεικόνιση, η σπειροειδής έλικα του DNA φαίνεται επίπεδη

1 Προτού τα κύτταρα διαιρεθούν για να παραγάγουν την επόμενη γενιά κυττάρων, πρέπει να αντιγράψουν το DNA. Αρχικά, οι πρωτεΐνες βοηθούν στο να ανοίξουν σαν φερμουάρ τα τμήματα του δίκλωνου DNA

Πρωτεΐνη

2 Στη συνέχεια, ακολουθώντας αυστηρούς κανόνες σύζευξης, ελεύθερες (διαθέσιμες) βάσεις μέσα στο κύτταρο ενώνονται με τις αντίστοιχες βάσεις τους που υπάρχουν στους δύο αρχικούς κλώνους

Ελεύθερες βάσεις

3 Τελικά, σχηματίζονται δύο ίδιοι κώδικες. Έτσι, όταν διαιρείται το κύτταρο, κάθε καινούριο κύτταρο παίρνει από έναν πανομοιότυπο κώδικα DNA

Πρωτεΐνη

Πρωτεΐνη

Ο κανόνας σύζευξης των βάσεων του DNA:

Α πάντοτε με Τ

Α Τ Θυμίνη

Τ Α Αδενίνη

C πάντοτε με G

C G Γουανίνη

G C Κυτοσίνη

[Διάγραμμα στη σελίδα 8, 9]

(Για το πλήρως μορφοποιημένο κείμενο, βλέπε έντυπο)

Πώς Κατασκευάζονται οι Πρωτεΐνες

Για λόγους απλότητας, παρουσιάζουμε μια πρωτεΐνη που αποτελείται από 10 αμινοξέα. Οι περισσότερες πρωτεΐνες έχουν πάνω από 100

1 Μια ειδική πρωτεΐνη ανοίγει σαν φερμουάρ ένα τμήμα των κλώνων του DNA

Πρωτεΐνη

2 Ελεύθερες βάσεις RNA ενώνονται με τις εκτεθειμένες βάσεις DNA μόνο στον έναν κλώνο σχηματίζοντας έτσι έναν κλώνο αγγελιοφόρου RNA

Ελεύθερες βάσεις RNA

3 Ο καινούριος αγγελιοφόρος RNA αποσπάται και πηγαίνει στα ριβοσώματα

4 Ένας μεταφορέας RNA πιάνει ένα αμινοξύ και το φέρνει στο ριβόσωμα

Μεταφορέας RNA

Ριβόσωμα

5 Καθώς το ριβόσωμα διασχίζει τον αγγελιοφόρο RNA, σχηματίζεται μια αλυσίδα αμινοξέων

Αμινοξέα

6 Καθώς σχηματίζεται, η πρωτεϊνική αλυσίδα αρχίζει να αναδιπλώνεται για να πάρει το απαραίτητο σχήμα ώστε να λειτουργεί κανονικά. Στη συνέχεια η αλυσίδα απελευθερώνεται από το ριβόσωμα

Ο μεταφορέας RNA έχει δύο σημαντικά άκρα:

Το ένα αναγνωρίζει τον κώδικα του αγγελιοφόρου RNA

Το άλλο μεταφέρει το σωστό αμινοξύ

Μεταφορέας RNA

Οι βάσεις RNA χρησιμοποιούν U αντί για T, έτσι η U ταιριάζει με την Α

Α U Ουρακίλη

U Α Αδενίνη