ΕΡΓΑΣΙΕΣ ΣΤΗ ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΙV

 

20. Ιδιότητες και σημασία των εσωνίων (introns)

Τα περισσότερα γονίδια στους ανώτερους ευκαρυωτικούς οργανισμούς αποτελούνται από εξώνια και εσώνια. Τα εσώνια πρέπει να εξαχθούν και τα εξώνια να συνδεθούν, για να σχηματιστεί το τελικό mRNA με μία διαδικασία που ονομάζεται μάτισμα. Το μάτισμα πρέπει να είναι εξαιρετικά ευαίσθητο: Μία ολίσθηση έστω και ενός νουκλεοτιδίου στο σημείο ματί­σματος, θα μετατόπιζε το πλαίσιο ανάγνωσης στη 3’ πλευρά του ματίσματος, δίνοντας μία τελείως διαφορετική αλληλουχία αμινοξέων. Επομένως η σωστή θέση ματίσματος πρέπει να είναι καθαρά σημειωμένη. Σήμερα οι αλληλουχίες βάσεων των συνδέσμων εσωνίων- εξω­νίων στα μεταγραφήματα RNA είναι γνωστές. στους ανώτερους ευκαρυωτικούς οργανι­σμούς, από τους ζυμομήκυτες έως τα θηλαστικά, οι αλληλουχίες αυτές έχουν ένα κοινό δο­μικό πρότυπο: Η αλληλουχία βάσεων ενός εσωνίου αρχίζει με GU και τελειώνει με AG. H ομόφωνη αλληλουχία στο 5’ άκρο του εσωνίου σε σπονδυλωτά, είναι AGGUAAGU. Στο 3’ άκρο ενός εσωνίου η ομόφωνη αλληλουχία είναι ένα τμήμα 10 πυριμιδινών (U ή C) ακολου­θούμενο από οποιαδήποτε βάση (Ν) και κατόπιν από μία C, ή οποία τελειώνει με την αμετά­βλητη αλληλουχία AG.(Εικόνα 1.)[1]

Εικόνα 1. Θέσεις ματίσματος. Φαίνονται οι ομόφωνες αλληλουχίες για τις θέσεις ματίσματος 5’ και 3’. Το Py συμβολίζει την πυριμιδίνη.[1]

Τα εσώνια έχουν επίσης μία σημαντική εσωτερική θέση που τοποθετείται μεταξύ 20 και 50 νουκλεοτιδίων ανοδικά της θέσης ματίσματος 3’. Το σημείο αυτό ονομάζεται θέση διακλάδωσης, και προσβάλει το ανοδικό εξώνιο κατά τη διαδικασία του ματίσματος. Στους ζυμομήκυτες, η θέση διακλάδωσης σχεδόν πάντοτε είναι UACUAAC, ενώ στα θηλαστικά απαντά μία ποικιλία αλληλουχιών. Τα τμήματα των εσωνίων πέρα απ’ τις θέσεις ματίσματος 5’ κ 3’ και τη θέση διακλάδωσης, είναι λιγότερο σημαντικά για τον καθορισμό του σημείου που θα γίνει το μάτισμα. Το μήκος των εσωνίων ποικίλει από 50 μέχρι 10000 νουκλεοτίδια. Το μεγαλύτερο μέρος ενός εσωνίου μπορεί να απαλειφθεί χωρίς να αλλάξει η θέση και η αποτελεσματικότητα του ματίσματος. Παρομοίως το μάτισμα δεν επηρεάζεται από την εισα­γωγή μεγάλων τμημάτων DNA στα εσώνια γονιδίων. Επιπλέον χειμαιρικά εσώνια που κατα­σκευάστηκαν με μεθόδους του ανασυνδυασμένου DNA, από τo 5’ άκρο του ενός εσωνίου και το 3’ άκρο άλλου τελείως διαφορετικού εσωνίου, ματίζονται κανονικά εφ’ όσον δεν έχουν αλλαχθεί οι θέσεις ματίσματος και διακλάδωσης. Αντίθετα μεταλλάξεις σε οποιαδήποτε από αυτές τις τρείς κρίσιμες περιοχές οδηγούν σε έκτροπο μάτισμα.[1]

Το μάτισμα των νεοσυντιθέμενων μορίων RNA είναι μία πολύπλοκη διαδικασία, η οποία απαιτεί τη συνεργασία αρκετών μικρών μορίων RNA (snRNA) και πρωτεϊνών που σχηματίζουν ένα μεγάλο σύμπλοκο που ονομάζεται σωματίδιο ματίσματος. Οι θέσεις διάσπασης προσδιορίζονται από τις ειδικές αλληλουχίες στα άκρα των εσωνίων και από τη θέση διακλάδωσης κοντά στο 3’ άκρο τους. Το 2’-ΟΗ ενός νουκλεοτιδίου αδενίνης (Α) στη θέση διακλάδωσης, προσβάλλει τη θέση διάσπασης προς το 5’ άκρο σχηματίζοντας ένα ενδιάμεσο μόριο δομής βρόχου. Το νεοσχηματιζόμενο 3’-ΟΗ του ανοδικού εξωνίου, προσβάλλει στη συνέχεια την 3’ θέση διάσπασης συνδεόμενο με το καθοδικό εξώνιο. Ο αριθμός των φωσφο­διεστερικών δεσμών παραμένει σταθερός κατά τη διάρκεια αυτών των δύο αντιδράσεων τρανσεστεροποίησης. Επομένως το μάτισμα επιτυγχάνεται με δύο αντιδράσεις τρανσεστερο­ποίησης, και όχι με υδρόλυση ακολουθούμενη από ανασύνδεση. Η πρώτη αντίδραση δημι­ουργεί μία ελεύθερη 3’-υδροξυλομάδα στο 3’-άκρο του ανοδικού εξωνίου, και η δεύτερη αντίδραση συνδέει την ομάδα αυτή με την 5’ φωσφορική ομάδα του καθοδικού εξωνίου. Ο αριθμός φωσφοδιεστερικών δεσμών παραμένει ο ίδιος, γεγονός ιδιαίτερα κρίσιμο διότι επι­τρέπει στην αντίδραση ματίσματος να προχωρά χωρίς πηγή ενέργειας όπως ΑΤΡ ή GTP. ( ATP όμως απαιτείται στα snRNP για την κατάλυση της αντίδρασης του ματίσματος). [2]

Τα εσώνια όλων των γονιδίων που κωδικοποιούν πρωτεΐνες και ριβοσωματικά RNA (εκτός των γονιδίων που κωδικοποιούν t-RNAs) χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες. Στα εσώνια των πυρηνικών προδρόμων mRNA αναγνωρίζουμε μόνο τις μικρές συντηρημένες αλληλουχίες (GU και AG στα 5΄ και 3΄ άκρα αντίστοιχα και την κλαδική περιοχή), αλλά δεν διακρίνουμε αλληλουχίες που θα μπορούσαν να δημιουργήσουν δευτεροταγείς δομές με πιθανή λειτουρ­γικότητα. Στις δύο άλλες κατηγορίες όμως, των εσωνίων της ομάδας Ι και της ομάδας ΙΙ, αναγνωρίζουμε δευτεροταγείς δομές που είναι μάλιστα χαρακτηριστικές της κάθε ομάδας. Εσώνια των ομάδων Ι και ΙΙ βρίσκονται σε γονίδια βακτηρίων και κυτταρικών οργανιδίων (εσώνια της ομάδας Ι βρίσκονται και σε πυρηνικά γονίδια απλούστερων ευκαρυωτικών). Τα εσώνια των ομάδων Ι και ΙΙ δεν έχουν μεταξύ τους κοινά χαρακτηριστικά (όπως αλληλουχίες, η δευτεροταγή δομή) εκτός από μια σημαντική ιδιότητα, το ότι το RNA του εσωνίου μπορεί να κάνει την εκτομή του μόνο του in vitro χωρίς την παρουσία πρωτεϊνών. Πρωτεΐνες είναι αναγκαίες in vivo για τη σταθεροποίηση της σωστής δευτεροταγούς δομής των εσωνίων αυ­τών, αλλά όχι για κάποιες ενζυμικές αντιδράσεις. Το κοινό χαρακτηριστικό των εσωνίων των ομάδων Ι και ΙΙ με τα εσώνια των πυρηνικών προδρόμων mRNA, είναι ότι και στις τρεις κα­τηγορίες η εκτομή γίνεται με δύο μετα-εστεροποιήσεις, τη μεταφορά δηλαδή δύο φωσφοδιε­στερικών δεσμών. Η πρώτη μετα-εστεροποίηση γίνεται από την επίδραση ενός ελεύθερου υδροξυλίου στο σύνορο εξωνίου 1-εσωνίου και η δεύτερη με την επίδραση του ελεύθερου υδροξυλίου που σχηματίζεται στο 3΄ άκρο του πρώτου εξωνίου, στο σύνορο εσωνίου-εξωνίου 2. Η διαφορά στις δύο μετα-εστεροποιήσεις μεταξύ των τριών κατηγοριών εσωνίων είναι ότι το υδροξύλιο στην πρώτη μετα-εστεροποίηση παρέχεται από ένα εσωτερικό νουκλεοτίδιο στα εσώνια των πυρηνικών προδρόμων mRNA και της ομάδας ΙΙ, ενώ στην ομάδα Ι το υδρο­ξύλιο παρέχεται από μια ελεύθερη γουανίνη.

Τα εσώνια ομάδας ΙΙ των μιτοχονδριακών RNA έχουν μερικά κοινά χαρακτηριστικά με τα εσώνια των πυρηνικών προδρόμων mRNA. Έχουν παρόμοια 5΄ και 3΄ άκρα και η εκτομή τους γίνεται με τη δημιουργία θηλιάς. Τα εσώνια της ομάδας ΙΙ σχηματίζουν μια ειδική δευ­τεροταγή δομή, έτσι ώστε η περιοχή 5 να βρίσκεται αντιμέτωπη με την περιοχή 6, η οποία περιέχει την αδενίνη που προσφέρει το 2΄-ΟΗ για την πρώτη μετα-εστεροποίηση. Οι δύο αυ­τές περιοχές συγκροτούν το καταλυτικό κέντρο.

Στην αυτοκαταλυτική εκτομή εσωνίων ομάδας ΙΙ, ο αριθμός των φωσφοδιεστερικών δεσμών (2) παραμένει ο ίδιος πριν και μετά την εκτομή και συνεπώς η χορήγηση εξωτερικής πηγής ενέργειας (ATP) δεν είναι αναγκαία. Αυτό το στοιχείο μπορεί να είναι ένα σημαντικό χαρα­κτηριστικό στην εξελικτική πορεία της εκτομής των εσωνίων. Και στην εκτομή εσωνίων πυ­ρηνικών προδρόμων mRNA ο αριθμός των φωσφοδιεστερικών δεσμών παραμένει σταθερός, αλλά η προσέλευση, μετακίνηση και απομάκρυνση των snRNPs απαιτεί ATP σε διάφορα στάδια. Τα χαρακτηριστικά της εκτομής εσωνίων ομάδας ΙΙ, υποδηλώνουν ότι η εκτομή εσω­νίων πυρηνικών προδρόμων mRNA εξελίχθηκε από μια αυτοκαταλυτική αντίδραση ενός μο­ρίου RNA, το οποίο δημιουργώντας την κατάλληλη δευτεροταγή δομή (χωρίς πρωτεΐνες) μπορούσε να φέρει εις πέρας την ελεγχόμενη εκτομή μιας εσωτερικής αλληλουχίας. Καθώς τα υποστρώματα (εσώνια) αύξαναν σε αριθμό, μέγεθος και πολυπλοκότητα, τις λειτουργίες του αυτοκαταλυτικού συστήματος ανέλαβαν σταδιακά τα snRNAs οι λειτουργίες των οποίων εξελίχθηκαν από αυτό. Στη σημερινή του βέβαια μορφή το σύστημα εκτομής εσωνίων πυρη­νικών προδρόμων mRNA χρησιμοποιεί και έναν μεγάλο αριθμό πρωτεϊνών που αντικατέ­στησαν σταδιακά λειτουργίες που ανήκαν αποκλειστικά στο RNA.[3]

Τα πρόδρομα μόρια του αγγελιαφόρου RNA στα μιτοχόνδρια των ζυμομυκήτων και των μυ­κήτων υφίστανται αυτο-μάτισμα, καθώς και ορισμένα πρόδρομα μόρια RNA στους χλωρο­πλάστες μονοκύτταρων οργανισμών, όπως είναι η Clamydomonas. Αντιδράσεις αυτο-ματί­σματος μπορούν να ταξινομηθούν σύμφωνα με τη φύση της μονάδας που προσβάλλει την ανοδική θέση ματίσματος. Το αυτο-μάτισμα της ομάδας Ι διεκπεραιώνεται από έναν συ-μπα­ράγοντα γουανοσίνης, όπως στο Tetrahymena. (Εικόνα 2 )Η προσβάλλουσα ομάδα στο αυτο-μάτισμα της ομάδας II (Εικόνα 3 )είναι η 2'-ΟΗ ενός ειδικού αδενυλικού του εσωνίου (Ει­κόνα 4 ).[4]

Εικόνα 2. P4-P6 domain από την ομάδα Ι του εσωνίου RNA στην Tetrahymena [5]

Εικόνα 3. Δευτεροταγής δομή του RNA εσωνίου της ομάδας II [6]

Εικόνα 4. Σύγκριση πορειών ματίσματος.

Τα εξώνια που συνδέονται φαίνονται μπλέ και κίτρινα, ενώ η προσβάλλουσα μονάδα φαίνεται πράσινη. Στο μάτισμα της ομάδας Ι και της ομάδας II η καταλυτική θέση σχηματίζε­ται από το ίδιο το εσώνιο (κόκκινο). Αντίθετα, το μάτισμα των πυρηνικών πρόδρομων μο­ρίων του mRΝΑ καταλύεται από snRΝΑ και τις σχετιζόμενες με αυτά πρωτεΐνες στο σωμά­τιο ματίσματος.[4]

Η παρουσία πολυάριθμων εσωνίων στο DΝΑ καθιστά εφικτό τον γενετικό ανασυνδυασμό εξω­νίων από διαφορετικά γονίδια. Αυτό σημαίνει ότι γονίδια για νέες πρωτεΐνες θα ήταν δυνατό να εξελιχθούν αρκετά γρήγορα από τον συνδυασμό τμημάτων προϋπαρχόντων γονιδίων, όπως μια νέα μηχανή μπορεί να συναρμολογηθεί από ένα σύνολο προϋπαρχόντων λειτουργικών τμημάτων. Πράγματι, πολλές πρωτεΐνες των σημερινών κυττάρων μοιάζουν να αποτελούνται από μια ομάδα κοινών πρωτεϊνικών κομματιών, γνωστών ως πρωτεϊνικές περιοχές (protein domaims)[7]

Οι διπλασιασμοί που απαιτούνται για τον σχηματισμό ενός ενιαίου γονιδίου με επανα­λαμβανόμενες αλληλουχίες μπορεί να γίνουν με έναν άνισο επιχιασμό οπουδήποτε μέσα στα μεγάλα εσώνια τα οποία πλαισιώνουν ένα εξώνιο που κωδικοποιεί μια πρωτεϊνική περιοχή (Εικόνα 5 ). Αντίθετα, χωρίς, εσώνια θα υπήρχαν πολύ λίγες θέσεις στο αρχικό γονίδιο όπου ένας ανασυνδυασμός μεταξύ ομολόγων χρωμοσωμάτων θα μπορούσε να διπλασιάσει την περιοχή χωρίς να προκαλέσει βλάβη. Επομένως, τα εσώνια αυξάνουν πολύ την πιθανότητα να προκύψουν λειτουργικά γονίδια από διπλασιασμούς του DΝΑ που κωδικοποιούν λειτουρ­γικές πρωτεΐνες.

Για τους ίδιους λόγους, χάρη στα εσώνια. αυξάνει πολύ η πιθανότητα να δημιουργηθεί ένα λειτουργικό υβριδικό γονίδιο από μια τυχαία σύνδεση δύο εξωνίων που κωδικοποιούν πολύ διαφορετικές πρωτεϊνικές περιοχές, τα οποία προηγουμένως, ήταν ανεξάρτητα.[8]

Εικόνα 5. Διπλασιασμός ενός εξωνίου μέσω άνισου επιχιασμού. που αντί για ένα ολό­κληρο γονίδιο έχει διπλασιασθεί μόνο ένα εξώνιο ενός γονιδίου. Το mRΝΑ του αρχικού γο­νιδίου περιέχει δυο εξώνια, τα Α και Β. ενώ το μακρύ χρωμόσωμα παράγει ένα mRΝΑ με τρία εξώνια (Α. Β και Β). Επειδή ανάμεσα στα διπλασιασμένα εξώνια παρεμβάλλεται ένα εσώνιο με ακέραιες τις αλληλουχίες συρραφής, η τροποποιημένη αλληλουχία του DΝΑ μπο­ρεί να συρραφεί εύκολα μετά τη μεταγραφή ώστε να παραχθεί ένα λειτουργικό mRΝΑ.[8]

 Τα iRNAs είναι λειτουργικά εσώνια. Υπάρχουν πολλές διαφορετικές ρυθμιστικές και άλλες λειτουργίες που χρησιμοποιούν DNA που παράγεται από τα εσώνια. Το μέγεθος και η επικράτηση των εσωνίων στους πιο σύνθετους οργανισμούς (μέχρι το 99% των ανθρώπινων ακολουθιών γονιδίων είναι εσώνια) προτείνει ότι τα εσώνια θα μπορούσαν να είναι σημα­ντικά λειτουργικά στοιχεία στα μεγάλα γονιδιώματα. [9]

Στην έναρξη της μεταγραφής σπουδαίο ρόλο έχουν και άλλα ομαδοποιημένα στοιχεία που βρίσκονται σε μεγάλη συνήθως απόσταση από τον υποκινητή ενός γονιδίου και καλού­νται ενισχυτές. Η παρουσία ενός ενισχυτή έχει σαν αποτέλεσμα τη μεγάλη αύξηση της ενερ­γότητας ενός υποκινητή. Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά ενός ενισχυτή είναι ότι τα στοιχεία του επιδρούν κατά τον ίδιο τρόπο με τον υποκινητή όταν μεταβληθεί η απόσταση μεταξύ τους ή όταν αλλάξει η κατεύθυνση των αλληλουχιών βάσεων του ενισχυτή ως προς αυτή του υποκι­νητή. Επίσης, ένας ενισχυτής μπορεί να αυξήσει την ενεργότητα οποιουδήποτε υποκινητή τοποθετηθεί στην περιοχή του.( Εικόνα 6) Ένας ενισχυτής με πολλά ομαδοποιημένα στοιχεία του ιού SV40 περιέχει και στοιχεία που βρίσκονται σε υποκινητές. Μεταλλάξεις των βάσεων του ενισχυτή φανερώνουν την πυκνότητα των διαφόρων στοιχείων που αναγνωρίζονται από πρωτεΐνες όπως και τον λειτουργικό πλεονασμό τους, καθώς καμιά μετάλλαξη από μόνη της δεν επιφέρει ελάττωση της ενεργότητας περισσότερο από 5 φορές αυτή του άγριου τύπου.

Εικόνα 6. CA λειτουργικές επαναλήψεις in vitro σαν μήκος-εξαρτώμενοι εσωνικοί ενισχυτές ματίσματος. a, Γενωματική οργάνωση εξωνίου-εσωνίου στο ανθρώπινο γονίδιο eNOS και T7-CMV μινιγονίδιο,, σύσταση του εξωνίου 13 (105 bp), του μικρότερου εσωνίου 13 (210 bp + CA επαναλήψεις) και του εξωνίου 14 (68 bp). b, In vitro μάτισμα του T7 eNOS pre-mRNAs του μινιγονιδίου σε HeLa cell πυρηνικό απόσπασμα. Κάθε pre-mRNA, για χρο­νικά σημεία 0, 30, 60 και 90 min αναλύθηκε με RT-PCR. Η στατιστική ανάλυση της φαινό­μενης ποσότητας αποδοτικότητας του ματίσματος παρουσιάζονται παρακάτω (χρησιμοποί­ηση του ποσοστού mRNA σήματος σε σύνολο pre-mRNA και mRNA σημάτων σαν μέ­τρο).[10]

 

Η σημερινή άποψη για το ρόλο των ενισχυτών είναι ότι αυξάνουν τη συγκέντρωση των μεταγραφικών παραγόντων στην περιοχή του υποκινητή. Για να επιτευχθεί ο σκοπός αυτός, ενώ η απόσταση δεν έχει σημασία, είναι αναγκαίο ένας ενισχυτής και ένας υποκινητής να βρίσκονται σε τέτοια θέση ώστε να μπορούν να έλθουν κοντά ο ένας στον άλλο. Αυτό μπορεί να συμβεί είτε με μια πρωτεϊνική γέφυρα που ενώνει τα δύο άκρα γραμμικού DNA, είτε με την παρουσία του ενισχυτή και του υποκινητή σε δύο κυκλικά μόρια DNA που περνά το ένα μέσα από το άλλο, όπως οι κρίκοι αλυσίδας. Οι ενισχυτές δεν αυξάνουν την ενεργότητα υπο­κινητών που βρίσκονται σε διαφορετικά μη συνδεόμενα κομμάτια DNA. [11]

Ένας σημαντικός τρόπος με τον οποίο η έκφραση γονιδίων ρυθμίζεται είναι οι απλοί πρωτεϊνικοί βρόγχοι ανατροφοδότησης , στους οποίους οι μεταγραφικοί παράγοντες συνδέ­ουν στο DNA. Πολλές από αυτές τις περιοχές συνδέσεων έχουν αποδειχθεί ότι τοποθετηθούν εσώνια. Η σημασία τους σε αυτόν τον τύπο ρύθμισης είναι στο ρητό μεταξύ των επιστημό­νων που εργάζονται με την in vitro έκφραση των ευκαρυωτικών γονιδίων: "τα γονίδια λει­τουργούν καλύτερα με εσώνια ". Μια άλλη κατηγορία στοιχείων ενισχυτών εσωνίων είναι οι μεγάλου μήκους αποκαλούμενοι ενισχυτές 50-1500 b, τα οποία είναι δύσκολο να εξηγηθούν από την άποψη των συμβατικών DNA-πρωτεϊνης αλληλεπιδράσεων. Παραδείγματος χάριν, η αναπτυξιακή ρύθμιση στο ΙΙ γονίδιο της drosophila tropomyosin σε διαφορετικούς μύες, ελέγχεται από τα στοιχεία ακολουθίας, που υποτίθεται ότι ήταν μεταγραφικοί ενισχυτές που βρίσκονται στο πρώτο εσώνιο του γονιδίου. Οι αναλύσεις διαγραφής έχουν εντοπίσει αυτά τα στοιχεία σε μια μεγάλη περιοχή (~600bp), αλλά αυτό έχει προκαλέσει τις προσπάθειες στην περαιτέρω ανατομή, η οποία εκπλήσσει δίνοντας τις συμβατικές μεταγραφικές περιοχές συν­δέσεως του παράγοντα να είναι συνήθως της τάξης των 8-15 bp. Αυτές οι περιοχές έχουν προταθεί να είναι στοιχεία διεξαγωγής που ενσωματώνονται σε εσώνια. [9]

Διαφορετικές μελέτες έχουν αναφέρει τους εναλλακτικούς υποκινητές εσωνίων, κατά προτίμηση στο πρώτο εσώνιο (ανθρώπινο CD4 γονίδιο, ανθρώπινο ST5 γονίδιο, αρουραίου kallikrein συνδεδεμένο πρωτεϊνικό γονίδιο), αν και σε μερικές περιπτώσεις μπορούν να τοπο­θετηθούν και σε άλλα εσώνια, όπως στην περίπτωση του ανθρώπινου γονιδίου CΒ στο οποίο ο υποκινητής είναι τοποθετημένος στο εσώνιο 35. (Εικόνα 7) [9]

Εικόνα 7. Αποτύπωση κατά Northern της έκφραση του LEF1 σε κανονικό ιστό θύμων αδένων και σε γραμμές κυττάρων καρκίνικών και προσδιορισμός ενός δεύτερου υποκινητή στο εσώνιο 2 του ανθρώπινου LEF1 a, Το ολικό RNA ή poly(A)+ RNA από τους υποδεδειγ­μένους ιστούς και οι γραμμές κυττάρων αναλύθηκαν με τους ελέγχους από δύο διαφορετικές περιοχές του LEF1 cDNA. Ένας έλεγχος από ORF ανίχνευσε δύο mRNAs από 3.6 kb και 2.2 kb. Ένας έλεγχος από 5' UTR ανίχνευσε μόνο 3.6-kb mRNA (5' UTR; το συνολικό μήκος 5' UTR στο εξώνιο 1 είναι 1,186 nt). Jurkat και τα 2017 κύτταρα είναι ανθρώπινα και κυτταρι­κές γραμμές T-λεμφοκυττάρων ποντικού, αντίστοιχα, and Colo 320, DLD1 και Colo 205 κύτταρα παράγονται από τα ανθρώπινα κόλον καρκινώματα. RNAs ποντικού δεν ανιχνεύθη­καν με 5' UTR εξετάση επειδή η ακολουθία νουκλεοτιδίων σε αυτήν την περιοχή αποκλίνει μεταξύ του ανθρώπου και του ποντικιού (Τα K.H. και M.L.W., δεδομένα δεν φαίνονται). Η ίδια αποτύπωση κατά northern εξετάστηκε με έναν έλεγχο (GAPDH). b, LEF1 περιέχει έναν υποκινητή στο εσώνιο 2. Τεμάχια από το δεύτερο εσώνιο του LEF1 εξετάστηκαν για τη δρα­στηριότητα υποκινητών σε Jurkat T λεμφοκύτταρα χρησιμοποιώντας pGL2 luciferase πλα­σμίδιο αναφοράς. A 232-nt τεμάχιο (EspI-XhoI) δρά ως υποκινητής για τη μεταγραφή προς τα εμπρός, αλλά όχι προς τα πίσω, προσανατολισμό. Λουσιφεράσης φωτεινές μονάδες ποικί­λουν από 500 σε 15,000. Τα στοιχεία προκύπτουν από τα διπλά δείγματα, και τα αποτελέ­σματα που παρουσιάζονται αντιπροσωπεύουν ένα από τέσσερα επιβεβαιωμένα πειράματα. Ένα σχήμα με τα εσώνια 1−3 δείχνει τη σχετική θέση των εσωνικών υποκινητων, και τις κω­δικές αλληλουχίες για το LEF1 beta-catenin σύνδεσης domain.[12]

Τα στοιχεία στα εσώνια μπορούν να ενεργήσουν ως Rna-μεσολαβητές παράγοντες διε­ξαγωγής της μεταγραφής/μετάφρασης. Αυτό μπορεί κάλιστα να είναι ένας γενικός ρυθμιστι­κός μηχανισμός των ανώτερων ευκαρυωτών. Δεδομένου ότι τα εσώνια υποβάλλονται σε επε­ξεργασία παράλληλα με την πρωτεϊνική σύνθεση, μπορούν να ενεργήσουν σαν εύκαμπτοι παράγοντες ρύθμισης της μεταγραφής /μετάφρασης. Αυτά τα στοιχεία αλληλεπιδρούν έπειτα με άλλα γονίδια, RNAs ή πρωτεϊνες. Ένας πρωτεϊνικός παράγοντας μεταγραφής θέλει χρόνο να παραχθεί, είναι μεγαλύτερος, θέλει περισσότερη ενέργεια ενεργοποίησης και είναι αργός να εξελίξει τις τοποειδικές περιοχές συνδέσεων. Επιπλέον ένα RNA/ πυρηνικά μεσολαβη­μένο ρυθμιστικό σύστημα περιέχει μια μνήμη όλων των τρεχόντων αντιγράφων (εσώνια κομμένα από πρόδρομο mRNA) που δίνει στους ευκαρυώτες κυτταρικές ιδιότητες παρόμοιες με μια μηχανή πεπερασμένης κατάστασης.Ένα καλά χαρακτηρισμένο παράδειγμα Rna-μεσο­λαβημένης ρύθμισης γονιδίων είναι η ρύθμιση του lin4από το γονίδιο lin14, στο οποίο το προϊόν που ρυθμίζει τη μετα-μεταγραφική έκφραση του γονιδίου lin14 (που περιλαμβάνεται στη συνέχεια στο χρονικό έλεγχο της μεταεμβρυονικής ανάπτυξης του C.elegans) είναι ένα μικρό RNA που προέρχεται από το εσώνιο ενός γονιδίου χωρίς το ανοικτό πλαίσιο ανάγνω­σης Μικρά πυρηνικά snRNAs είναι μια άλλη κατηγορία για να πραγματοποιήσουν συναλλα­γές τα στοιχεία που προέρχονται από επεξεργασμένα εσώνια των διάφορων γονιδίων [9]

Εσώνια έχουν αποδειχθεί να καθοδηγούν συγκεκριμένη περιοχή σύνταξης RNA δια­φορετικών γονιδίων. Η αντίδραση σύνταξης καταλύεται από διπλοέλικη ειδική διαμινάση αδενοσίνης RNA (dsRNA) που τροποποιεί επιλεκτικά κωδικόνια στις διπλοέλικες περιοχές του πρόδρομου mRNA. Παραδείγματος χάριν στις διπλοέλικες περιοχές όπου η τροποποίηση καθοδηγείται από downsream εσώνια που διπλώνει πίσω και επάνω σε ένα εξώνιο για να δι­αμορφώσει ένα υπόστρωμα σύνταξης dsRΝΑ Οι Herbert και Rich (1999) έχουν προτείνει ότι η σύνταξη dsRNA μπορεί να είναι διαδεδομένο φαινόμενο βασισμένο στο γεγονός ότι η δρα­στηριότητα της διαμινάσης του dsRNA βρίσκεται σε όλα τα metazoa.[9]

Ο Zuckerkandl (1997) έχει προτείνει ότι τα εσώνια περιλαμβάνονται στην τμηματική καταστολή γονιδίων μέσω της κατοχής ενός σταθεροποιητικού ρόλου στις τμηματικώς κατα­σταλμένες δομές χρωματίνης. Αυτό αντιτάσσεται για να τονίσει την καταστολή γονιδίων που ασκείται στα ενιαία συγκεκριμένα γονίδια όπως στις περιπτώσεις των εσωνικών ενισχυτών, κατά τρόπο ενδιαφέροντα το εσώνιο Ι του γονιδίου των αυξητικών ορμονών στον αρουραίο έχει αποδειχθεί να υποκινεί την ευθυγράμμιση του νουκλεοσώματος in vitro και στα διαγενε­τικά ποντίκια [9]

Πολλά μικρά RNAs πυρηνίσκου (snoRNA) και μικρά πυρηνικά RNAs (snRNA) κωδι­κοποιούνται από εσώνια και πολλοί άλλοι τύποι γονιδίων και ψευδογονιδίων έχουν περιγρα­φεί σε εσώνια. Τα γονίδια εσωνίων είναι ενδιαφέροντα επειδή αποκαλύπτουν τις πληροφο­ρίες σχετικά με την επεξεργασία του RNA, όπως το να συνδέσουν και συγχρόνως να δώσουν μια ένδειξη για τη λειτουργική σημασία τους. Δύο κύριες κατηγορίες γονιδίων που κωδικο­ποιούνται από εσώνια υπάρχουν. Η πρώτη περιλαμβάνει γονίδια που περιέχουν ένα ανεξάρ­τητο υποκινητή που ελέγχει τη μεταγραφή. Η άλλη κατηγορία γονίδιων (π.χ. πολλά snoRΝΑ και snRΝΑ) δεν έχουν υποκινητές και μεταγράφονται με ένα γονίδιο εσωτερικά τοποθετη­μένο, και μετά εμφανίζονται ως ανεξάρτητα RΝΑs στον πυρήνα. Οι μελέτες προτείνουν ότι τα snoRNAs υποβάλλονται σε επεξεργασία από έξω-ματισμένα εσώνια ενδεχομένως από έναν μηχανισμό που περιλαμβάνει τις εξωνουκλεάσες Ο Mattick (1994) έχει προτείνει ότι πολλοί τέτοιοι παράγοντες διεξαγωγής σε εσώνια μπορούν να υπάρξουν και να περιληφθούν σε ένα γενετικό ρυθμιστικό δίκτυο. Οι αναφορές υπολογιστών των γενωματικών συσχετι­σμών έχει αποκαλύψει πολλά tRNAs που κωδικοποιούνται από εσώνια.[9]

Εναλλακτικό μάτισμα έχει αποδειχθεί ότι έχει μια σημαντική λειτουργία στις διαδικά­σίες ανάπτυξης ειδικών καταστάσεων και ειδικών ιστών. Με 20% των ανθρώπινων γονιδίων εναλλακτικά ματισμένων, σαν ένας πιθανά υποτιμημένος μηχανισμός, το εναλλακτικό μάτι­σμα είναι ένας μηχανισμός θεμελιώδους σημασίας για τη ρυθμισμένη έκφραση των ευκαριω­τικών κυττάρων. Χρησιμοποιώντας τις συντηρημένες ακολουθίες αναγνώρισης στο μοτίβο του RNA για να σχεδιάσουμε τους εκκινητήρες για την PCR επαύξηση, η ύπαρξη τουλάχι­στον 300 διαφορετικών πρωτεϊνών που περιλαμβάνονται στη ρύθμιση του εναλλακτικού μα­τίσματος στη drosophila έχουν υπολογιστεί. Αυτό ξεπερνά αριθμητικώς τις πρωτεϊνες παρά­γοντα μεταγραφής που περιλαμβάνονται πιθανά στους πιό κοινούς ρυθμιστικούς μηχανι­σμούς. Εναλλακτικό μάτισμα αυξάνει τη γενετική πολυπλοκότητα λαμβάνοντας υπ'όψη την παραγωγή ενός συνόλου σχετικών πρωτεϊνών με διαφορετικές ιδιότητες από ένα ενιαίο γονί­διο. Για ακραία παραδείγματα υπάρχουν περιπτώσεις όπου η εναλλακτική παραγωγή έχει μια συνολικά διαφορετική ή αντίθετη λειτουργία Εναλλακτικό μάτισμα έχει αποδειχθεί ότι παρα­γάγει μέχρι 64 διαφορετικά mRNA από το ίδιο αρχικό αντίγραφο. Εσώνια εμπλέκονται στο εναλλακτικό μάτισμα με διάφορους τρόπους. Έχουν μια λειτουργία ως σημεία στίξης, ως στοιχεία διάσπασης εξωνίων και καθιστούν πιθανό το μηχανιστικό πίσω από εναλλακτικό μάτισμα. Επιπλέον περιέχουν συχνά τις περιοχές συνδέσεων για τις πρωτεϊνες SR που κατευ­θύνουν συχνά εναλλακτικά ματίσματα Άλλοι μηχανισμοί που ρυθμίζουν εναλλακτικά ματί­σματα υπάρχουν, όπως η αυτο-συμπληρωματικότητα στα εσώνια της ζύμης επιβάλλοντας το συνυπολογισμό εξωνίων Τελικά οι ακολουθίες των εσωνίων περιλαμβάνονται συχνά είτε επειδή περιέχουν τα αινιγματικά εξώνια ή επειδή ο μηχανισμός εναλλακτικού ματίσματος είναι ολόκληρη ή μερική διατήρηση εσωνίων.[9]

Πολύ από το επαναλαμβανόμενο DNA είναι παρόν σε επαναλαμβανόμενα τμήματα των 100– 500 bp σε μήκος που βρίσκονται μεταξύ σε 1 με 2-Kb τμήματα μοναδικού DNA. Το καλύτερα γνωστό παράδειγμα είναι η ανθρώπινη Alu οικογένεια, αποκαλούμενη έτσι επειδή περιέχει μια περιοχή για το κόψιμο των αλληλουχιών της από το ένζυμο περιορισμού Alu Ι Αλληλουχίες της οικογένειας Alu υπάρχουν επίσης σε άλλα πρωτεύοντα και στα τρω­κτικά. Η ακολουθία Alu ~ 300-bp επαναλαμβάνεται πάνω των 500.000 φορές στο ανθρώπινο γονιδίωμα με τις διάφορες αλλαγές ακολουθίας, αλλά μια ομολογία – 80 -90%. Αυτή η ακο­λουθία (Εικόνα 8 ) αποτελείται από δύο παρόμοια τμήματα ~ 130-bp αποκαλούμενα το "αρι­στερό μονομερές" και "δεξί μονομερές." Το δεξί μονομερές περιέχει μια εισαγωγή 31-bp και το αριστερό τέλος φέρνει μια πολύ (dA) ακολουθία. Επιπλέον υπάρχει μια κοντή 7 με 20 bp ακολουθία , η οποία είναι μεταβλητή μεταξύ των διαφορετικών ακολουθιών Alu αλλά επα­ναλαμβάνεται άμεσα σε κάθε τέλος μιας δεδομένης ακολουθίας Alu. Η ακολουθία Alu έχει ισχυρή ομολογία με το 7S RNA που είναι μέρος του μορίου αναγνώρισης σημάτων που περι­λαμβάνεται στις μεταφορές των πρόσφατα συντεθειμένων αλυσίδων πεπτιδίων στις μεμβρά­νες του ER. Αlu αλληλουχίες μεταγράφονται σε hnRNA, το πρόδρομο του mRNA. Μερικές ακολουθίες Alu είναι παρούσες σε παρεμβαλλόμενες ακολουθίες (εσώνια), άλλες μέσα στα γονίδια και άλλες στις μη κωδικοποιούσες ακολουθίες μεταξύ των γονιδίων. [13]

Εικόνα 8 Δομή αλληλουχιών DNA Alu στον άνθρωπο και στα τρωκτικά.[13]

Ελαττωματικό μάτισμα μπορεί να προκαλέσει ασθένεια Τουλάχιστον μια μορφή β - θαλασσαιμίας, μια ασθένεια στην οποία το β globin γονίδιο της αιμογλοβίνης (Εικόνα 9) εί­ναι αυστηρά κατεσταλμένο εμφανίζεται σαν αποτέλεσμα μιας αλλαγής νουκλεοτιδίου σε μία σύνδεση εξωνίου - εσωνίου, αποκλείοντας την αφαίρεση εσωνίου και επομένως οδηγώντας στη μειωμένη ή απούσα σύνθεση του β – αλυσίδας της πρωτεϊνης. Αυτό είναι μια συνέπεια του γεγονότος ότι το κανονικό πλαίσιο ανάγνωσης μεταφράσεων του mRNA αναστατώνεται -μια ατέλεια σε αυτήν την θεμελιώδη διαδικασία (μάτισμα) που υπογραμμίζει την ακρίβεια του ματίσματος που το Rna πρέπει να επιτύχει.[14]

Εικόνα 9 Εσώνια σε 2 ευκαρυωτικά γονίδια . Το γονίδιο της β υπομονάδας της αιμογλοβίνης έχει 2 εσώνια και 3 εξώνια, περικλείοντας ένα εσώνιο που από μόνο του περιέχει περισσό­τερα από το ¼ των βάσεων του γονιδίου. [15]

Όλα τα κύτταρα προκειμένου να χρησιμοποιήσουν τις γενετικές πληροφορίες τους, αρ­χικά τις μεταγράφουν mRΝΑ χρησιμοποιώντας το ένζυμο RΝΑ πολυμεράση και τους κανό­νες του ζευγαρώματος των συμπληρωματικών βάσεων. Αυτή η βασική διεργασία της μετα­γραφής είναι οικουμενική. Ωστόσο, ο τρόπος με τον οποίο το κύτταρο χειρίζεται το προκύ­πτον μετάγραφα (το οποίο στους ευκαρυώτες ονομάζεται πρωτογενές μετάγραφα) διαφέρει πολύ ανάμεσα στους προκαρυώτες και τους ευκαρυώτες. Μολονότι πολλές πτυχές της παρα­γωγής του mRΝΑ στους προκαρυώτες και στους ευκαρυώτες είναι ανάλογες, περιέργως, άλ­λες -και ιδιαίτερα η συρραφή του RΝΑ- διαφέρουν ριζικά. Ασφαλώς, η ανακάλυψη ότι τα ευκαρυωτικά γονίδια περιέχουν εσώνια προξένησε έκπληξη στους βιολόγους, των οποίων οι γνώσεις σχετικά με τη δομή των γονιδίων έως εκείνη την εποχή προέρχονταν από μελέτες σε προκαρυώτες. Πως προέκυψε αυτή η θεμελιώδης διαφορά; Η συρραφή του RΝΑ προσφέρει ορισμένα πλεονεκτήματα από την άποψη της εξελικτικής ευελιξίας και των δυνατοτήτων ελέγχου της έκφρασης των γονιδίων. Ωστόσο, τα πλεονεκτήματα αυτά έχουν και ένα αντίτιμο: το κύτταρο υποχρεώνεται να συντηρεί ένα μεγαλύτερο γονιδίωμα. Σύμφωνα με μια άποψη, τα πρώτα κύτταρα, δηλαδή οι κοινοί πρόγονοι των προκαρυωτών και των ευκαρυω­τών, περιείχαν εσώνια. τα οποία στη συνεχεία χάθηκαν από τους προκαρυώτες κατά την εξέλιξη. Οι προκαρυώτες συνήθως αναπαράγονται πολύ γρήγορα και για το λόγο αυτό συμφέρει να έχουν ένα γονιδίωμα μικρού μεγέθους (οπότε το DΝΑ τους θα μπορεί να αντιγράφεται μέσα σε σύντομο χρόνο). Ενδεχομένως αυτός ήταν ένας από τους παράγοντες που συνέβαλαν στη σταδιακή απώλεια των εσωνίων από τα βακτήρια. Με την άποψη αυτή συμβαδίζει το γεγονός ότι οι απλοί ευκαρυώτες οι οποίοι αναπαράγονται γρήγορα (π.χ., ορισμένοι ζυμομύκητες) έχουν σχετικά λίγα εσώνια και, μάλιστα, πολύ βραχύτερα από τα εσώνια των ανωτέρων ευκαρυωτών.[16]

Με απλά λόγια, τα πρώτα γονίδια πρέπει να περιείχαν εσώνια (διαχωριστικές αλλη­λουχίες µεταξύ διαδοχικών κωδικών αλληλουχιών), ο δε µηχανισµός αποβολής τους θα µπορούσε να συγκριθεί µε το µηχανισµό αποβολής του εσωνίου των σηµερινών pre–rRNA της Tetrahymena. Η διακεκοµµένη µορφή των πρώτων γονιδίων επέτρεψε τη γρήγορη δηµιουργία νέων, µέσω ανακατατάξεων (ανασυνδυασµών) των ήδη υπαρχόντων κωδικών περιοχών(εξωνίων). Για παράδειγµα, δύο αποµακρυσµένα εξώνια, που το κάθε ένα ανήκει σε ανεξάρτητη µονάδα µεταγραφής («γονίδιο»), έχουν µεγαλύτερη πιθανότητα να σχηµατίσουν µια νέα (νέο «γονίδιο»), αν ανασυνδυαστούν ακέραια και οµόρροπα (δηλ. αν το σηµείο του ανασυνδυασµού βρεθεί µέσα σε εσώνιο), παρά αν ένα τυχαίο κοµµάτι του ενός συνδεθεί µε ένα τυχαίο κοµµάτι του άλλου (δηλ. αν το σηµείο του ανασυνδυασµού βρεθεί µέσα σε κω­δική περιοχή, –εξώνιο–). Η δεύτερη περίπτωση έχειµεγαλύτερη πιθανότητα να οδηγήσει σε µετατόπιση του πλαισίου ανάγνωσης (frameshift) και έτσι να προκύψει ένα ανενεργό προϊόν Έτσι η εµφάνιση συνθετότερων γονιδίων (και σε τελευταία ανάλυση, λειτουργιών) δεν ήταν απαραίτητο να ξεκινούσε από την «αρχή», γιατί, απλά, βασιζόταν σε ήδη υπάρχοντα γονίδια Η πιο πάνω άποψη σχετικά µε τη δηµιουργία νέων γονιδίων είναι γνωστή ως θεωρία των εξωνίων,«exon theory»ή, σύµφωνα µε τον Walter Gilbert, «domainstheory». Στην προκειµένη περίπτωση είναι προτιµότερη η λέξη «εξώνια» παρά η λέξη«domains», η οποία κυριολεκτικά σηµαίνει «επικράτεια Όσον αφορά την περιγραφή του αντίστοιχου µηχανισµού, αναφέρεται ως ανακατάταξη εξωνίων(exonshuffling, στην κυριολεξία η λέξη «shuffling» εννοεί «ανακάτεµα των φύλλων µιας τράπουλας»), ο οποίος, παρατηρείται και στα γονιδιώµατα των σηµερινών οργανισµών και εντάσσεται στη γενική κατηγορία των µηχανισµών γονιδιακής σύγκλισης(gene conversion).Η εδραίωση της θεωρίας των εξωνίων προέκυψε από διεξοδική συγκριτική ανάλυση της δοµής και της οργάνωσης σύγχρονων γονι­δίων. Έναυσµα ή αρχή αποτέλεσε η παρατήρηση ότι µεταξύ πρωτεϊνών διαφορετικής λει­τουργίας εντοπίζονται περιοχές µε παρόµοια δοµή και επιµέρους λειτουργία, και οι περιοχές αυτές αντιπροσωπεύουν συγκεκριµένα εξώνια αντίστοιχων γονιδίων. Οι µηχανισµοί ανακα­τάταξης και σύγκλισης συµβαίνουν και σε σύγχρονα γονίδια και εποµένως, κατ’ αναλογία µε την «ιεράρχηση» του Doolittle, τα εσώνια µπορούν να διακριθούν σε πρώιµα (early introns), που υπήρχαν σε παλαιές προγονικές µορφές (ως φαινόµενο και όχι ως αλληλουχία, αφού συσσωρεύουν γρήγορα µεταλλαγές), και σε όψιµα ή πρόσφατα (late introns), τα οποία εµφανίστηκαν αργότερα σε ορισµένα µόνο κλαδιά του εξελικτικού δενδρογράµµατος των οργανισµών. Σηµαντική συµβολή στη θεωρία των εξωνίων είχαν οι εργασίες της οµάδας του W.Gilbert, µε πρωτεργάτη τον Manyuan Long, που έδειξαν ότι τα περισσότερα από τα σηµερινά γονίδια περιέχουν εσώνια που δεν διακόπτουν το πλαίσιο ανάγνωσης(δηλ. παρεµβάλλονται µεταξύ ακέραιων τριπλετών) ή, αντίστροφα, ότι τα περισσότερα εξώνια εί­ναι «συµµετρικά», δηλαδή αρχίζουν και τελειώνουν σε ακέραιες τρι-πλέτες.[17]


[1] Berg J., Tymoczko J., Stryer L., Βιοχημεία, Τόμος ΙΙ, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2005, σελ. 899-900

[2] Berg J., Tymoczko J., Stryer L., Βιοχημεία, Τόμος ΙΙ, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2005, σελ. 901

[3] Κατσώρης Π., Μοριακή βιολογία Εναλλακτικό διδακτικό υλικό για τη θεματική ενότητα: Οργάνωση της ύλης σε έμβια όντα ,Ε.Α.Π 2005, σελ 64-65.

[4] Berg J., Tymoczko J., Stryer L., Βιοχημεία, Τόμος ΙΙ, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2005, σελ. 906-907

[5] www.scs.uiuc.edu/~scott/RNAfoldcat.html

[6] homepages.ucalgary.ca/~zimmerly/introduction.htm

[7] Alberts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter, Βασικές Αρχές Κυτταρικής Βιολογίας, Εισαγωγή στην Μοριακή Βιολογία του Κυττάρου, Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ. Πασχα­λίδης, σελ.257

[8] Alberts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter, Βασικές Αρχές Κυτταρικής Βιολογίας, Εισαγωγή στην Μοριακή Βιολογία του Κυττάρου, Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ. Πασχα­λίδης, σελ.345-346.

[9] http://isis.bit.uq.edu.au/irnas.html

[10] Jingyi Hui1, Karl Stangl2, William S. Lane3 & Albrecht Bindereif1, HnRNP L stimulates splicing of the eNOS gene by binding to variable-length CA repeats, Nature Struc­tural Biology 10, 33 - 37 (2002) Published online: 25 November 2002; | doi:10.1038/nsb875

[11] Κατσώρης Π., Μοριακή βιολογία Εναλλακτικό διδακτικό υλικό για τη θεματική ενότητα: Οργάνωση της ύλης σε έμβια όντα ,Ε.Α.Π 2005, σελ 49-50.

[12] Karine Hovanes1, Tony W.H. Li1, Jesus E. Munguia1, Trung Truong3, Tatjana Milovanovic3, J. Lawrence Marsh2, Randall F. Holcombe3 & Marian L. Waterman1, β-cat­enin−sensitive isoforms of lymphoid enhancer factor-1 are selectively expressed in colon cancer, Nature Genetics 28, 53 - 57 (2001) doi:10.1038/ng0501-53

[13] Metzler D., Biochemistry, The Chemical Reaction of the Living Cells, Vol. 1 and 2, second edition, p.1538.

[14] Murray R., Harper’s Illustrated Biochemistry, 26th edition, 2003, p.354.

[15] Nelson D. Cox M., Lehninger – Principle of Biochemistry, 4th Edition, p.929.

[16] Alberts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter, Βασικές Αρχές Κυτταρικής Βιολογίας, Εισαγωγή στην Μοριακή Βιολογία του Κυττάρου, Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ. Πασχα­λίδης, σελ.258-259

[17] PΟ∆ΑΚΗΣ Γ., Eξέλιξη Θεµατική Ενότητα ΓENETIKH, Τόμος Γ, Ε.Α.Π. Πάτρα 2001,σελ.105-107.


21. « Κύριοι σταθμοί μετάβασης από το μακρόκοσμο στο μικρόκοσμο και γένεσης των σύγχρονων βιοεπιστημών»

Όλοι έχουμε ακούσει κάτι από την ιστορία της επιστήμης. Για παράδειγμα, όλοι έχουμε ακούσει πως ο Αρχιμήδης βγήκε από το λουτρό και έτρεχε στους δρόμους των Συρακουσών φωνάζοντας «Εύρηκα», πως ο Γαλιλαίος, αφού ομολόγησε μπροστά στην Ιερά Εξέταση ότι δεν πιστεύει, στην κίνηση της γης, σιγοψιθύρισε «Κι όμως κινείται», πως ο Νεύτων ανακάλυψε το νόμο της παγκόσμιας έλξης, όταν είδε να πέφτει ένα μήλο, πως ο Αϊνστάιν δεν πέτυχε στις εισαγωγικές εξετάσεις για το πανεπιστήμιο κτλ. Και όμως, τίποτα από τα παραπάνω δεν ανταποκρίνεται στην αλήθεια. Αλλά ακόμα κι αν ανταποκρινόταν, τέτοιου τύπου ανεκδοτολογικές αναφορές στη ζωή των μεγάλων επιστημόνων δεν είναι ιστορία της επιστήμης. Η ιστορία της επιστήμης είναι η ιστορία των ανθρώπων που προσπαθούν να κατανοήσουν τη φύση (έμβια και μη), και στην προσπάθεια τους αυτή διατυπώνουν νέες έννοιες και νέους συλλογισμούς, χρησιμοποιούν τα κατάλληλα εργαλεία της λογικής και των μαθηματικών, αναπτύσσουν τεχνικές μέτρησης και παρατήρησης, διαμορφώνουν νέες θεωρίες, επινοούν νέες υπολογιστικές μεθόδους και προτείνουν νέα πειράματα. Βεβαίως, με τα σημερινά κριτήρια και με τις σύγχρονες γνώσεις θα λέγαμε ότι σχεδόν όλες αυτές οι προσπάθειες οδήγησαν στο παρελθόν σε λανθασμένες ή ατελείς θεωρίες. Τι νόημα έχει τότε να μάθουμε την ιστορία λανθασμένων θεωριών, μεθόδων και τεχνικών; Πιστεύουμε πως έχει μεγάλη σημασία να μελετήσουμε τις προσπάθειες που έγιναν στο παρελθόν για την κατανόηση της φύσης, για να καταλάβουμε τι ακριβώς πίστευαν οι άνθρωποι σε κάθε εποχή, ασχέτως εάν αυτά που πίστευαν θεωρούνται για εμάς σήμερα σωστά ή λανθασμένα.

Πρωταγωνιστές στην ιστορία της επιστήμης, δεν είναι μόνο οι ιδέες αλλά κυρίως οι άνθρωποι με τις αδυναμίες και τις αντιφάσεις τους, με το πείσμα και την απόλυτη αφοσίωση τους σε αυτό που κάνουν, με τη μικροψυχία αλλά και με τη μεγαλοψυχία τους, με τον εγωισμό τους αλλά και με την ανιδιοτέλειά τους, αυτοί που με τις μεγαλειώδεις συλλήψεις τους μας βοήθησαν να κατανοήσουμε καλύτερα το φυσικό κόσμο μέσα στον οποίο ζούμε, το σώμα μας αλλά και τα άλλα έμβια όντα.[1]

Βλέπουμε και ερμηνεύουμε τον κόσμο γύρω μας, τόσο τον φυσικό όσο και τον πολιτιστικό, μέσα από αναπαραστάσεις δικής μας κατασκευής, φτιαγμένες σύμφωνα με την αντίληψη και τη νόηση του καθενός μας. Οι φυσικές επιστήμες υποστηρίζουν ότι οι μέθοδοι που χρησιμοποιούν, η διατύπωση υπόθεσης, η παρατήρηση και το πείραμα, μπορούν να προσεγγίσουν μια πιστή αναπαράσταση της υλικής πραγματικότητας. Παρ' όλα αυτά, εδώ και πολλές δεκαετίες, φιλόσοφοι, ιστορικοί και κοινωνιολόγοι επισημαίνουν ότι η επιστημονική μας γνώση στηρίζεται, ουσιαστικά, σε κοινωνικά, πολιτιστικά και ιστορικά δεδομένα. Υποστηρίζουν δηλαδή ότι η επιστήμη προσφέρει μια περιορισμένη ερμηνεία του υλικού κόσμου. Ο πρώτος περιορισμός τίθεται από την ίδια την κατασκευή του εγκεφάλου μας και από τη βιολογία των μηχανισμών που διαθέτουμε για την αντίληψη του περιβάλλοντος. Σε αυτό προσθέτουμε ότι ο εγκέφαλος δεν λειτουργεί ανεξάρτητα από το σώμα: η αντίληψη μας επηρεάζεται από την ορμονική, ανοσοβιολογική και γενική φυσιολογική κατάσταση του οργανισμού μας. Ο τρόπος με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε τον κόσμο οφείλεται στο ότι το οπτικό μας σύστημα διεγείρεται από ένα συγκεκριμένο εύρος ακτινοβολίας, η σχέση μας με τη βαρυτική δύναμη καθορίζεται από τη μάζα και τον όγκο μας. Η αίσθηση που έχουμε για τη χρονική διάρκεια των γεγονότων έχει διαμορφωθεί με βάση το γεγονός ότι ζούμε το πολύ εκατό χρόνια. Ο άνθρωπος, χάρη στην τεχνολογία, κατόρθωσε να υπερβεί αυτούς τους δομικούς και χρονικούς περιορισμούς. Έχουμε πλέον τη δυνατότητα παρατήρησης στο υπεριώδες και το υπέρυθρο τμήμα του φάσματος (και όχι μόνο), υπολογισμού της μάζας μικροσκοπικών (υποατομικών) σωματιδίων και μέτρησης του χρόνου σε κλίμακα που εκτείνεται από τα νανοδευτερόλεπτα έως τα έτη φωτός. Και όμως, ακόμη και όταν ασχολούμαστε με το ασύλληπτα μικρό (μικρόκοσμος) ή το ασύλληπτα μακρινό (μακρόκοσμος), αυτό γίνεται με βάση κλίμακες που σχετίζονται με την ανθρώπινη κατάσταση: το μέτρο του ανθρώπου είναι ο άνθρωπος.

Υπάρχουν όμως και άλλοι περιορισμοί εκτός από τα όρια των βιολογικών μας προδιαγραφών. Ένας από αυτούς είναι ότι οι ερμηνείες τις οποίες αποδίδουμε στον κόσμο που μας περιβάλλει πρέπει, απαράβατα να συμφωνούν με τις παρατηρήσεις και τα πειράματα μας. Ο δεύτερος περιορισμός έγκειται στο γεγονός ότι οι δυνατότητες που μας προσφέρουν οι τεχνολογίες τις οποίες έχουμε στη διάθεση μας είναι περιορισμένες. Για όσο διάστημα δεν ήμασταν σε θέση να κάνουμε τον γύρο της Γης, πιστεύαμε πως η Γη ήταν επίπεδη και αυτή η προσέγγιση ήταν αποδεκτή.[2]

Η σφαιρικότητα του πλανήτη μας δεν είναι προφανής με γυμνό μάτι και παρόλο που το σχήμα του συμπεραίνεται «εύκολα» από τις εκλείψεις της σελήνης, καθώς πάνω της προβάλλεται η «φιγούρα» του, ούτε έτσι μπορεί κανείς να είναι σίγουρος, αν δεν υπάρχει μια προηγούμενη γνώση. Τα πρώτα σωστά επιχειρήματα για τη σφαιρικότητα της Γης προέρχονται περισσότερο από την παρατήρηση των ουρανίων σωμάτων. Τη μεγαλύτερη συνεισφορά μας προσέφερε ο Ίωνας φιλόσοφος Αναξίμανδρος (611 – 545 π.χ.) ο οποίος αναγνώρισε ότι η Γη είναι ένα ουράνιο σώμα, κυλινδρικού σχήματος, απομονωμένο στο διάστημα. Με άλλα λόγια διατύπωσε για πρώτη φορά την άποψη ότι η Γη είναι μετέωρη στο διάστημα. Τον 4ο αιώνα ο Αριστοτέλης (384 – 322 π.χ.) συνόψισε τους λόγους που οδηγούν στο σωστό συμπέρασμα της σφαιρικότητας της Γης. Έτσι, η ιδέα της επίπεδης Γης θα έπρεπε να απορριφθεί εφόσον δεν συμφωνούσε με τα δεδομένα της παρατήρησης από διαφορετικά σημεία της Γης[3]

Ο Έλληνας φιλόσοφος Λεύκιππος (5ος αιώνας π.χ.) ήταν ο πρώτος που υποστήριξε κατηγορηματικά ότι κάθε συμβάν έχει ένα φυσικό αίτιο. Αυτή η θέση απορρίπτει κάθε επέμβαση υπερφυσικών δυνάμεων και αντιπροσωπεύει την επιστημονική άποψη που επικρατεί και σήμερα. Ο μαθητής του ο Δημόκριτος ενστερνίστηκε και επεξέτεινε τις ιδέες του δασκάλου του. Από το 440 π.χ. περίπου ο Δημόκριτος υποστήριξε ότι η γη αποτελείται από μικροσκοπικά σωματίδια τόσο μικρά που είναι αδύνατο να γίνει αντιληπτό κάτι μικρότερο. Επομένως δεν μπορούν να διαιρεθούν, να τμηθούν, να κοπούν περισσότερο και γι αυτό τα ονόμασε άτομα. [4]

Η ιδέα της ατομικής δομής της ύλης δεν είχε χαθεί εντελώς από την εποχή του Δημόκριτου. Υπήρχαν πάντοτε στοχαστές που δεχόταν την ύπαρξη των ατόμων, όμως τα πειράματα του Μπόϋλ ήταν η ισχυρότερη ένδειξη που είχε παρουσιαστεί μέχρι εκείνη την εποχή για την εγκυρότητα της θεωρίας, και ο ίδιος ο Μπόϋλ την υιοθέτησε. Τα σημαντικότερα συμπεράσματα των πειραμάτων του Μπόϋλ ήταν ότι ο αέρας, και θεωρητικά τα άλλα αέρια, έχουν ατομική δομή και ότι τα άτομα τους βρίσκονται σε μεγάλες αποστάσεις μεταξύ τους. Με την πίεση τα άτομα αναγκάζονται να πλησιάσουν περισσότερο, με αποτέλεσμα να μικραίνει ο όγκος. [5]

Από την εποχή των πειραμάτων του Μπόϋλ αναφορικά με τη συμπίεση των αερίων εξακολουθούσαν να συσσωρεύονται ενδείξεις για την ατομική σύσταση της ύλης. Το 1803 ο Άγγλος χημικός Τζών Ντάλτον παρουσίασε μια σύνοψη της ατομικής θεωρίες υποστηρίζοντας την με τα δεδομένα που είχαν συγκεντρωθεί και ανάμεσα στα οποία ξεχωρίζουν ο νόμος των σταθερών αναλογιών του Προύστ και οι δικές του έρευνες πάνω στην συμπεριφορά των αερίων. Ουσιαστικά ο Ντάλτον επέστρεψε στις απόψεις του Δημόκριτου ο οποίος είχε υποστηρίξει ότι η ύλη αποτελείται από μικροσκοπικά σωματίδια. Μάλιστα χρησιμοποίησε και το όνομά που είχε δώσει ο Δημόκριτος σε αυτά τα σωματίδια: άτομα. Η διαφορά ήταν ότι η θεωρία του Δημόκριτου στηριζόταν μόνο σε υποθέσεις, ενώ του Ντάλτον βασιζόταν σε ενάμιση αιώνα προσεκτικών χημικών παρατηρήσεων.[6]

Έκτοτε πολλοί χημικοί είχαν ασχοληθεί με τον προσδιορισμό του ατομικού βάρους των διαφόρων στοιχείων. Από τις έρευνές τους είχαν προκύψει δύο δεδομένα. Το πρώτο ήταν ότι το άτομο του υδρογόνου είχε τη μικρότερη μάζα από όλα τα άλλα άτομα και το δεύτερο ότι το ειδικό βάρος των διαφόρων στοιχείων ήταν ένα πολλαπλάσιο του ατομικού βάρους του υδρογόνου. Έτσι το 1815 ο Άγγλος χημικός Γουίλιαμ Πράουτ υποστήριξε ότι το υδρογόνο είναι το θεμελιώδες άτομο και ότι όλα τα άλλα άτομα αποτελούνται από διαφορετικούς αριθμούς ατόμων υδρογόνου. Εδώ έχουμε μια κλασική περίπτωση επιστήμονα που προηγείται κατά πολύ της εποχής του. Ωστόσο έναν αιώνα αργότερα αποδείχτηκε ότι η υπόθεση του Πράουτ είχε μια μεγάλη δόση αλήθειας, αν και όπως συμβαίνει συνήθως σε αυτές τις περιπτώσεις η αλήθεια ήταν πιο πολύπλοκη από ότι θα μπορούσε να φανταστεί.[7]

Μέχρι τη στιγμή που ο Lavoisier κατάφερε να ζυγίσει τα προϊόντα της καύσης, η θεωρία του φλογιστού θεωρούνταν εξίσου έγκυρη με τη θεωρία του οξυγόνου. Μέχρι τη στιγμή που παρατηρήσαμε, χάρη στο μικροσκόπιο, τα εσωτερικά συστατικά των ζωντανών ιστών, ήταν αποδεκτό να θεωρούμε ότι τα κύτταρα αποτελούνται από ομογενές πρωτόπλασμα. [8]

Ο πρωτοπόρος Ολλανδός επιστήμονας Άντονι Βαν Λέουενχούκ (1632-1723) σχεδίασε και κατασκεύασε ένα μικρό μικροσκόπιο με έναν φακό. Ήταν ο πρώτος άνθρωπος που το 1683 είδε βακτήρια με αυτό το όργανο.[9]

Το πώς βλέπουμε τον κόσμο, τα πειράματα που καταστρώνουμε, τα αποτελέσματα που δεχόμαστε ως σωστά, οι θεωρίες που διατυπώνουμε, επηρεάζονται έντονα από πολιτιστικούς παράγοντες. Αυτό σημαίνει ότι δεν μπορούμε να κατανοήσουμε τη μορφή της βιολογικής σκέψης αν δεν ανατρέξουμε στην ιστορία του συγκεκριμένου κλάδου. [8]

Στο δεύτερο μισό του 20ού αιώνα συνέβη στις βιοεπιστήμες μια σειρά από τις μεγαλύτερες επιστημονικές επαναστάσεις όλων των εποχών: αυτό που αργότερα έγινε γνωστό ως μοριακή βιολογία. Η επανάσταση αυτή συνεχίζεται ακόμη, και μπορεί πλέον να διακριθεί σε τρεις φάσεις. Κατά την έναρξη αυτής της περιόδου η γενετική είχε ήδη ταχτοποιήσει το γονίδιο ως μονάδα κληρονομικότητας σε διάφορους οργανισμούς: γνώριζε ότι αποτελεί τη βάση φαινοτυπικών χαρακτηριστικών του ατόμου και ότι μεταφέρεται από γενιά σε γενιά. [10]

Η γενετική αποτελεί τον κλάδο της βιολογίας που επιχειρεί να δώσει απαντήσεις σε ερωτήματα γύρω από τους μηχανισμούς της κληρονομικότητας και της βιοποικιλότητας. Ο όρος γενετική χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Άγγλο επιστήμονα Γουίλλιαμ Μπέιτσον σε ένα γράμμα του προς τον Άνταμ Σέντζγουϊκ, με ημερομηνία 18 Απριλίου1905. Επίσημα, πατέρας της γενετικής θεωρείται ο Γκρέγκορ Μέντελ, ο οποίος το 1865 διατύπωσε τους νόμους που φέρουν το όνομα του. Η αλήθεια όμως είναι πως το ζήτημα της μετάδοσης χαρακτηριστικών από γενιά σε γενιά έχει απασχολήσει τον άνθρωπο από την αρχαιότητα. Για παράδειγμα, οι αρχαίοι Βαβυλώνιοι γνώριζαν ότι για να παραχθεί καρπός σε φοινικόδεντρα έπρεπε να μεταφερθεί γύρη από άρρενα φυτά στους υπέρους των ανθών θηλυκών φυτών. Επίσης ένα βαβυλωνιακό πινακίδιο, του οποίου η ηλικία χρονολογείται πάνω από 6.000 έτη, παρουσιάζει γενεαλογίες αλόγων και υποδεικνύει πιθανά κληρονομικά χαρακτηριστικά. Στην αρχαία Ελλάδα, ο Πυθαγόρας διατύπωσε την υπόθεση ότι η ζωή ξεκινά με την ανάμιξη αρσενικών και θηλυκών σπερμάτων, τα οποία βρίσκονται σε τμήματα του ανθρώπινου σώματος. Τον 4ο αιώνα π.Χ. ο Αριστοτέλης υποστήριξε ότι φορέας των κληρονομικών χαρακτηριστικών είναι το αίμα (αρκετοί θεωρούν ότι κατάλοιπα αυτής της αντίληψης αποτελούν εκφράσεις όπως 'γαλαζοαίματος' ή 'συγγενείς εξ αίματος' που μέχρι τις μέρες μας χρησιμοποιούνται). Παράλληλα ο Αριστοτέλης θεωρούσε ότι η συμβολή καθενός από τους γονείς ήταν διαφορετική: το αρσενικό προσφέρει στους απογόνους την 'κίνηση', ενώ το θηλυκό την 'ύλη'. Το 1651, ο Άγγλος γιατρός Γουίλλιαμ Χάρβεϋ υποστήριξε μια διαφορετική άποψη. Μελετώντας τα έμβρυα ελαφιών, διαπίστωσε ότι στα πρώτα στάδια ανάπτυξής τους έχουν τη μορφή αυγού. Έτσι μέχρι το τέλος του 17ου αιώνα είχε διατυπωθεί η υπόθεση ότι τα 'αυγά' παράγονται σε όργανα των θηλυκών (που γι'αυτό το λόγο ονομάζονται ωοθήκες) και ότι το σπέρμα μεταφέρει το κληρονομικό υλικό του αρσενικού. Στις αρχές του 19ου αιώνα, ο Γάλλος φυσιοδίφης Ζαν Λαμάρκ υποστήριξε ότι και τα επίκτητα χαρακτηριστικά κληρονομούνται. Αργότερα τον ίδιο αιώνα, ο Κάρολος Δαρβίνος τόνισε τη σημασία που έχει η κατανόηση των μηχανισμών της κληρονομικότητας για τη μελέτη της εξέλιξης των ειδών. Γύρω στο 1865, ο Γκρέγκορ Μέντελ παρουσίασε τις δίασημες πλέον εργασίες του πάνω στην κληρονομικότητα, οι οποίες αποτελούν κομβικό σημείο για την επιστήμη της γενετικής. Έτσι, ο 20ος αιώνας αποτελεί τον αιώνα που η γενετική εξελίσσεται, μέσα από μία σειρά συναρπαστικών ανακαλύψεων γύρω από τους μηχανισμούς της κληρονομικότητας. [11]

Το απλό αλλά ανατρεπτικό ερώτημα του Schrodinger, «Τί είναι ζωή;», μετέτρεψε τη διερεύνηση των βιολογικών φαινομένων σε αναζήτηση μιας άπιαστης, ανώτερης αλήθειας: της χημικής φύσης του γονιδίου. Στρατολογημένοι σε αυτή την προσπάθεια από φυσικούς, μια αρχικά μικρή κοινότητα νέων βιολόγων εστίασαν την αναζήτηση τους στις απλούστερες μορφές ζωής (τα βακτήρια και τους ιούς τους), προκειμένου να κατανοήσουν τι είναι το γονίδιο και, συνεπώς, η ίδια η ζωή. Οι μελέτες που πραγματοποίησαν, αποτέλεσαν την πρώτη επανάσταση στο χώρο της μοριακής βιολογίας [12]

Χάρη στις έρευνες του Μόργκαν με τη δροσόφιλα αποδείχθηκε ότι τα χρωμοσώματα περιέχουν πολλές ¨μονάδες κληρονομικότητας ¨. Το 1909 ο Δανός βοτανολόγος Βίλχελμ Λούντβιχ Γιόχανσεν πρότεινε να ονομαστούν γονίδια. Η πρότασή του υιοθετήθηκε. [13]

Τα γονίδια αποτελούνται από DΝΑ το δε DΝΑ είναι ένα επίμηκες, αλυσιδωτό και δίκλωνο είδος μορίου, που συνήθως παίρνει την τρισδιάστατη μορφή διπλής έλικας. Ο καθένας από τους δύο μοριακούς κλώνους στο DΝΑ είναι συμπληρωματικός προς τον άλλο και άρα ορίζεται αμοιβαία από αυτόν. Η άλλη όψη του γονίδιου, η έκφραση του προς ένα φαινοτυπικό χαρακτηριστικό, οφείλεται στην ικανότητα που έχει να υπαγορεύει την παραγωγή μιας αντίστοιχης (προς αυτό) πρωτεΐνης, και βασίζεται στη συμπληρωματικότητα των βάσεων και στο γενετικό κώδικα τριπλέτας Ο γενετικός κώδικας συνίσταται στους κανόνες σύμφωνα με τους οποίους κάθε τριπλέτα βάσεων ορίζει ένα από τα 20 αμινοξέα που μπορεί να περιέχει μια πρωτεΐνη. [12]

Ο Ζακόμπ και ο Μονό, οι βιολόγοι που είχαν διατυπώσει την ιδέα για την ύπαρξη του αγγελιοφόρου RNA, προσπαθούσαν να εξηγήσουν το γεγονός ότι διαφορετικά κύτταρα σε ένα σώμα παρουσιάζουν διαφορετική χημική συγκρότηση, παρ’όλο που όλα τα κύτταρα έχουν την ίδια γενετική σύσταση. Επίσης στους απλούστερους οργανισμούς, υποστήριξαν ότι τα γονίδια που υπάρχουν στο DΝΑ δεν εκφράζονται όλα σε πρωτεΐνες συνεχώς και ταυτόχρονα. Η έκφραση συγκεκριμένων γονιδίων ρυθμίζεται χρονικά σύμφωνα με ένα εγγενές πρόγραμμα, ή ως απόκριση στις αλλαγές που συμβαίνουν στο περιβάλλον. Για παράδειγμα, ορισμένοι ιοί του κολοβακτηριδίου Εscherichia coli (βακτηριοφάγοι) μπορούν να παραμείνουν αδρανείς, ενώ το DΝΑ τους αντιγράφεται μαζί με αυτό του βακτηρίου· διαφορετικά, μπορούν να περάσουν σε έναν ενεργό «λυτικό» κύκλο, κατά τον οποίο η συνεχής έκφραση κάποιον ιικών γονιδίων οδηγεί σε γρήγορο πολλαπλασιασμό και απελευθέρωση των ιών η οποία συνοδεύεται από καταστροφή του βακτηριακού κυττάρου-ξενιστή. Σε ένα άλλο παράδειγμα, βακτήρια που υπό φυσιολογικές συνθήκες τρέφονται με ένα απλό σάκχαρο, τη γλυκόζη, μπορεί να βρεθούν σε περιβάλλον όπου δεν υπάρχει γλυκόζη, υπάρχει όμως ένα πιο περίπλοκο σάκχαρο του γάλακτος, η λακτόζη, που αποτελείται από γλυκόζη και γαλακτόζη. Τότε τα βακτήρια θα σταματήσουν την έκφραση των γονιδίων που είναι υπεύθυνα για το μεταβολισμό της γλυκόζης αλλά θα ενεργοποιήσουν την έκφραση των γονιδίων που απαιτούνται για να τραφούν με λακτόζη. Αλλαγές όπως οι παραπάνω προκαλούνται από ρυθμιστικές πρωτεΐνες, καθεμία εκ των οποίων μπορεί να προσδεθεί σε ένα συγκεκριμένο είδος ρυθμιστικών αλληλουχιών του DΝΑ ενεργοποιώντας ή απενεργοποιώντας τα προσκείμενα στις αλληλουχίες αυτές γονίδια. Πολλές ρυθμιστικές πρωτεΐνες αλλάζουν την τρισδιάστατη δομή τους, και άρα τη λειτουργικότητα τους, με αφορμή ερεθίσματα από το περιβάλλον. Για παράδειγμα, οι πρωτεΐνες-καταστολείς των βακτηριοφάγων μπορούν να απενεργοποιηθούν με υπεριώδη ακτινοβολία, κάτι που επιτρέπει την έκφραση των γονιδίων που μέχρι πρότινος τελούσαν υπό καταστολή, προκαλώντας έτσι την έναρξη ενός λυτικού κύκλου. Επίσης, οι καταστολείς της λακτόζης στην Ε. coli μπορούν να απενεργοποιηθούν αν προσδεθούν σε ίχνη λακτόζης γεγονός που τους αναγκάζει να αποσπαστούν από τη ρυθμιστική περιοχή του DΝΑ και επιτρέπει την έκφραση των γονιδίων πρόσληψης και μεταβολισμού της λακτόζης. [14]

Η κλασική μοριακή βιολογία μας έδωσε τη δυνατότητα να κατανοήσουμε τον τρόπο με τον οποίο λειτουργούν οι απλοί οργανισμοί, σύμφωνα με τα όσα υπαγορεύει το κληρονομούμενο γονιδίωμά τους και ανάλογα με τις συνθήκες του περιβάλλοντος. Το εκπληκτικό αυτό επίτευγμα προέκυψε χάρη σε μια αναγωγιστική προσέγγιση, που εστιάστηκε στα πλέον θεμελιώδη ερωτήματα και τους απλούστερους οργανισμούς. Χρειάστηκε να ενοποιηθούν προσεγγίσεις από το χώρο της γενετικής, της μικροβιολογίας, της βιοχημείας και της δομικής βιολογίας και να καταρρεύσουν τα σύνορα που υπήρχαν μέχρι πρότινος ανάμεσα σε διακριτές ειδικότητες. Θα μπορούσαμε, άραγε, να εφαρμόσουμε τις παραπάνω γνώσεις και σε ανώτερους οργανισμούς, θεωρώντας ότι ισχύουν και γι' αυτούς: Ο Jacques Monod είχε πει πως ό,τι ισχύει για την Ε. coli ισχύει και για τον ελέφαντα. Η ισχυρή αυτή διαισθητική πεποίθηση παρέμεινε, εντούτοις, απλώς μια τολμηρή υπόθεση, έως ότου επεκταθεί η μοριακή βιολογία στους ανώτερους οργανισμούς, χαρακτηριστικό των οποίων είναι το γεγονός ότι διαθέτουν πυρήνα: οργανισμοί-μοντέλα «ευκαρυωτών», από τη μαγιά ως τα τυπικά ζώα (όπως ο νηματώδης Caenorhabditis η μύγα του ξιδιού Drosophila sp., το ποντίκι) και τα φυτά (όπως το μικρό αγριόχορτο Arabidopsis thaliana). Αυτή ήταν η δεύτερη επανάσταση στο χώρο της μοριακής βιολογίας: η επέκταση της στη μελέτη των ευκαρυωτικών οργανισμών, η οποία έλαβε χώρα από τις αρχές της δεκαετίας του 1970 ως τις αρχές της δεκαετίας του 1990. Η επανάσταση αυτή πραγματοποιήθηκε χάρη στην ανάπτυξη νέων τεχνολογιών που επέτρεψαν στους επιστήμονες να κόβουν, να εισάγουν και να αναπαράγουν (μοριακή κλωνοποίηση) στα βακτήρια οποιαδήποτε μόρια DΝΑ (ανασυνδυασμένο DΝΑ) να διαβάζουν την αλληλουχία βάσεων του DΝΑ (αλληλούχηση του DΝΑ) και να μεταφέρουν συγκεκριμένα γονίδια DΝΑ από τον ένα οργανισμό στον άλλο (δημιουργία διαγονιδιακών οργανισμών). Οι ερευνητές απέκτησαν, συνεπώς, τη δυνατότητα «ανάγνωσης» του DΝΑ οποιουδήποτε οργανισμού και απομόνωσης, πειραματικής μετατροπής και επανεισαγωγής διαφόρων γονιδίων in vivo, γεγονός που αποτέλεσε ορόσημο για τη βιολογία. Έτσι, κατέστη δυνατή η μοριακή περιγραφή των γονιδίων ανεξαρτήτως προέλευσης, καθώς και ο λειτουργικός τους χαρακτηρισμός μέσω μιας νέας μορφής γενετικής ανάλυσης, της αντίστροφης γενετικής (reverse genetics). Η κλασική γενετική ξεκινά από την παρατήρηση μιας λειτουργίας ενός οργανισμού και προσπαθεί να ανακαλύψει την αλληλουχία του γονιδίου που ευθύνεται γι’ αυτήν, ενώ η αντίστροφη γενετική ξεκινά από την αλληλουχία ενός γονιδίου και προσπαθεί να συναγάγει τη λειτουργία του, εισάγοντας το σε ένα κύτταρο ή έναν οργανισμό από όπου φυσιολογικά απουσιάζει. Οι σχετικές τεχνικές μας έδωσαν τη δυνατότητα για μοριακή μελέτη ολόκληρου του δέντρου της ζωής και έτσι προώθησαν μια κρίσιμη μετάβαση από το πιο απλό και γενικό στο πιο πολύπλοκο και ειδικό. Η δεύτερη επανάσταση μετέτρεψε ανώτερου τομείς ειδίκευσης (όπως η κυτταρική βιολογία, η αναπτυξιακή βιολογία, η ανοσοβιολογία, και μέρος της νευροβιολογίας) σε μοριακές επιστήμες. Ταυτόχρονα, η μοριακή βιολογία απέκτησε συγκριτικό χαρακτήρα, καθώς βρέθηκε ενώπιον της εκπληκτικής ποικιλομορφίας της ζωής πάνω στη Γη, αλλά και του γεγονότος ότι όλοι οι οργανισμοί έχουν κοινή καταγωγή. Ανακαλύφθηκε μια πληθώρα κοινών σημείων μεταξύ των διαφόρων οργανισμών, από τη μαγιά ώς τον άνθρωπο. Οι επιστήμονες αντιλήφθηκαν ότι υπήρχαν ενδοκυτταρικά «μονοπάτια» πρωτεϊνών που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους ενισχύοντας και τροποποιώντας τα σήματα διακυτταρικής επικοινωνίας, μετατρέποντας τα εξωγενή ερεθίσματα σε έκφραση ομάδων γονιδίων που λειτουργούν διαδοχικά. Δια πίστωσαν επίσης ότι το ίδιο μονοπάτι μπορεί να ακολουθείται σε εργασίες φαινομενικά άσχετες μεταξύ τους, όπως είναι η ανάπτυξη, η ανοσολογική απόκριση η ο καρκίνος και άλλες παθολογικές καταστάσεις στον άνθρωπο. Εκ παραλλήλου, η βιολογία επεκτάθηκε από το χώρο της βασικής επιστήμης στο χώρο της εφαρμοσμένης επιστήμης, καθώς εμφανίστηκε η βιοτεχνολογία., χάρη στην οποία μπόρεσε να γίνει παραγωγή πρωτεϊνών με ιατρική σημασία, όπως η ινσουλίνη, η ιντερφερόνη και η ερυθροποιητίνη. Ξαφνικά, η απόσταση ανάμεσα στα εργαστήρια. τα εργοστάσια, τις κλίνες των νοσοκομείων, και τις γεωργικές καλλιέργειες άρχισε να περιορίζεται. Η τρίτη επανάσταση εισήγαγε στη βιολογία μεθόδους ανάλυσης μαζικής κλίμακας, υψηλής ταχύτητας και καθολικής εφαρμογής. Ξεκίνησε κατά τη Δεκαετία του 1980 και συνεχίζεται ακόμη. Αιχμή του δόρατος της τρίτης επανάστασης είναι οι περιγραφικές δυνατότητες που μας προσφέρει. Ναυαρχίδα της θεωρείται η γονιδιωματική, η ταχεία ανάλυση αλληλουχιών (αλληλούχηση) ολόκληρων γονιδιωμάτων. Η πλήρης περιγραφή θεωρείται ως το πιο πρόσφορο έδαφος για τη διαμόρφωση υποθέσεων, και η άποψη αυτή δεν είναι καινούρια· αντίθετα, ήταν ευρύτατα διαδεδομένη στη βιολογία κατά τον 19ο αιώνα και εξακολουθεί να απαντάται συχνά σε υπερκείμενους κλάδους της, όπως η πληθυσμιακή βιολογία, η οικολογία και οι μελέτες βιοποικιλότητας. Σε πεδία της βιολογίας που ασχολούνται περισσότερο με τη μελέτη συγκεκριμένων μηχανισμών τα επιτεύγματα, της πλήρους περιγραφής που αποτέλεσαν ορόσημο για την επιστήμη ήταν η πλήρης αλληλούχηση των γονιδιωμάτων ιών, βακτηρίων και ευκαρυωτών (το πρώτο που αλληλουχήθηκε ήταν το γονιδίωμα της μαγιάς, του οργανισμού Saccharomyces cerevisiae). Ένας πρώιμος θρίαμβος ως προς τη μελέτη των οργανισμών σε κυτταρικό επίπεδο ήταν η ταξινόμηση των κυτταρικών σειρών και όλων των ενήλικων κυττάρων (πλην των γονάδων) στον νηματώδη C. Elegans, την οποία ακολούθησε η δημιουργία ενός φυσικού γονιδιωματικού χάρτη. Ο χάρτης αυτός αποτελούνταν από αλληλοκαλυπτόμενους μοριακούς κλώνους που κάλυπταν το μεγαλύτερο μέρος του DΝΑ του οργανισμού. Τέλος, έγινε αλληλούχηση ολόκληρου σχεδόν τον γονιδιώματος του οργανισμού αυτού. Τέτοιου είδους εργαλεία έχουν διευκολύνει σημαντικά την έρευνα, τόσο στη μαγιά όσο και στον C. Elegans. Έχουμε πλέον στη διάθεση μας εκτεταμένους γενετικούς και σχεδόν πλήρεις φυσικούς χάρτες και γονιδιωματικές αλληλουχίες και για άλλα ζώα (τη μύγα του ξιδιού Drosophila melanogaster, το κουνούπι Anopheles gambiae, το ποντίκι, τον άνθρωπο) και φυτά (Α. thaliana, ρύζι). Βρισκόμαστε, επίσης, σε αρκετά προηγμένο στάδιο ως προς την αλληλούχηση ολόκληρου του γονιδιώματος ορισμένων άλλων ζώων. Επιπλέον, έχουν δημοσιευθεί οι αλληλουχίες πάνω από 50 μικροβιακών γονιδιωμάτων, ενώ ορισμένες άλλες αποτελούν ιδιοκτησία εταιρειών.

Πέραν όμως της αλληλούχησης του γονιδιώματος, ποιά είναι τα υπόλοιπα στοιχεία που συνθέτουν την τρίτη επανάσταση της μοριακής βιολογίας; Μπορούμε να αποκαλέσουμε την επανάσταση αυτή επανάσταση της «λειτουργικής ανάλυσης του γονιδιώματος», χρησιμοποιώντας τον πλέον περιεκτικό και περιγραφικό όρο (σε αντίθεση με τον όρο μετα-γονιδιωματική, post-genomics). Ο όρος λειτουργική ανάλυση του γονιδιώματος δεν είναι ουδέτερος, σκοπός του είναι να τονίσει το γεγονός ότι η πλήρης περιγραφή είναι εργαλείο για την κατανόηση της λειτουργίας. Η λειτουργική ανάλυση του γονιδιώματος είναι, συνεπώς η γονιδιωματική στη βιολογία. Προκειμένου να αξιοποιηθεί το ανεξάντλητο δυναμικό της γονιδιωματικής και να μετατραπούν οι πληροφορίες σε γνώση, οι καθολικές μέθοδοι ανάλυσης πρέπει να ενοποιηθούν πλήρους με τα μοριακά, κυτταρικά και αναπτυξιακά πειράματα. [12]

Οι σημαντικότερες ανακαλύψεις στις βιοεπιστήμες

Ø  1859: Ο Κάρολος Δαρβίνος δημοσιεύει το βιβλίο Η Καταγωγή των Ειδών (The Origin of Species)

Ø  1865: Ο Γκρέγκορ Μέντελ δημοσιεύει τις εργασίες του

Ø  1903: Αποδεικνύεται ότι τα χρωμοσώματα είναι φορείς του κληρονομικού (γενετικού) υλικού

Ø  1905: Ο Γουίλλιαμ Μπέιτσον χρησιμοποιεί για πρώτη φορά τον όρο γενετική

Ø  1910: Ο Τόμας Μόργκαν (Thomas Hunt Morgan) δείχνει ότι το γονίδια βρίσκονται στα χρωμοσώματα

Ø  1913: Ο Άλφρεντ Στούρτεβαντ (Alfred Sturtevant) κατασκευάζει τον πρώτο γενετικό χάρτη ενός χρωμοσώματος

Ø  1918: Ο Ρόναλντ Φίσερ (Ronald Fisher) δημοσιεύει το άρθρο On the correlation between relatives on the supposition of Mendelian inheritance - η μοντέρνα σύνθεση ξεκινά

Ø  1927: Αποδίδεται ο όρος μεταλλάξεις στις αλλαγές που πραγματοποιούνται στην αλληλουχία του DNA

Ø  1928: O Φρέντερικ Γκρίφιθ (Frederick Griffith) πραγματοποιεί πειράματα που δείχνουν ότι στο βακτήριο πνευμονιόκοκκος υπάρχει ένα μόριο που μεταφέρει γενετική πληροφορία

Ø  1931: Η Μπάρμπαρα Μακλίντοκ (Barbara McClintock) αποδεικνύει ότι η μειωτική διαίρεση συνοδέυεται από ανταλλαγή χρωματοσωμικού υλικού

Ø  1941: Οι Έντουαρντ Τάτουμ (Edward Lawrie Tatum) και Τζωρτζ Μπιντλ (George Wells Beadle) δείχνουν ότι ο ρόλος των περισσοτέρων γονιδίων είναι να κατευθύνουν τη σύνθεση ενζύμων

Ø  1944: Οι Όσβαλντ Άβερι (Oswald Theodore Avery), Κόλιν Μακλέοντ (Colin McLeod) και Μακλίν Μακάρτι (Maclyn McCarty) επαναλαμβάνουν το πείραμα του Γκρίφιθ in vitro και αποδεικνύουν ότι το DNA είναι το γενετικό υλικό

Ø  1950: Ο Ίρβιν Τσάργκαφ (Erwin Chargaff) εντοπίζει την ύπαρξη ορισμένων γενικών κανόνων που αφορούν τον αριθμό νουκλεοτίδιων σε κάθε μόριο DNA (πχ. ότι ο αριθμός των νουκλεοτιδίων που έχουν ως βάση την αδενίνη είναι ίσος με τον αριθμό των νουκλεοτιδίων που έχουν ως βάση τη θυμίνη.

Ø  1952: Οι Χέρσεϋ και Τσέις δείχνουν ότι το γενετικό υλικό του βακτηριοφάγου Τ2 είναι το DNA

Ø  1953: Οι Τζέιμς Γουάτσον (James D. Watson) και Φράνσις Κρικ (Francis Crick) προτείνουν το μοντέλο της διπλής έλικας για τη δομή του DNA

Ø  1956: Οι Jo Hin Tjio και Άλμπερτ Λεβάν (Albert Levan) καθορίζουν τον αριθμό 46 ως το πλήθος των χρωμοσωμάτων στον ανθρώπινο οργανισμό

Ø  1958: Οι Μέσελσον και Σταλ αποδεικνύουν ότι το DNA αντιγράφεται με ημισυντηρητικό τρόπο

Ø  1961: Οι Κρικ και Νίρενμπεργκ ανακαλύπτουν τη νουκλεοτιδική τριπλέτα και αποκρυπτογραφούν εν μέρει το γενετικό κώδικα

Ø  1964: Ο Χάουαρντ Τέμιν (Howard Temin) δείχνει (μετά από πειράματα με ιούς RNA) ότι η διατύπωση του Γουάτσον για το κεντρικό δόγμα της μοριακής βιολογίας είναι ελλιπής

Ø  1970: Ανακαλύπτεται στους ρετροϊούς το ένζυμο αντίστροφη μεταγραφάση

Ø  1972: Δημιουργείται το πρώτο ανασυνδυασμένο μόριο DNA σε εργαστηριακές συνθήκες

Ø  1974: Επιτυγχάνεται η κλωνοποίηση ευκαρυωτικών γονιδίων σε βακτηριακά πλασμίδια

Ø  1977: Επιτυγχάνεται η ανάπτυξη τεχνικών προσδιορισμού της αλληλουχίας βάσεων του DNA, από ερευνητές που δούλεψαν ανεξάρτητα, όπως οι Φρεντ Σάνγκερ (Fred Sanger]], Γουόλτερ Γκίλμπερτ (Walter Gilbert) και Άλαν Μέιξαμ (Allan Maxam). Η ερευνητική ομάδα του Σάνγκερ προσδιορίζει την αλληλουχία βάσεων του βακτηριοφάγου Φ-X174.

Ø  1983: Ο Κέρι Μούλις (Kary Banks Mullis) ανακαλύπτει τη μέθοδο αλυσιδωτής αντίδρασης (PCR) που διευκολύνει τον πολλαπλασιασμό συγκεκριμένων αλληλουχιών DNA

Ø  1985: O Άλεκ Τζέφρις (Alec Jeffreys) ανακαλύπτει τη μέθοδο αποτυπωμάτων DNA (DNA fingerprinting)

Ø  1989: Για πρώτη φορά προσδιορίζεται η αλληλουχία βάσεων σε ανθρώπινο γονίδιο, από τους Φράνσις Κόλινς (Francis Collins) και Λαπ-Τσι Τσούι (Lap-Chee Tsui). Πρόκειται για το γονίδιο που κωδικοποιεί την πρωτεϊνη CFTR

Ø  1990: Ξεκινά το Πρόγραμμα για τη χαρτογράφηση του Ανθρώπινου Γονιδιώματος

Ø  1996: Αποκρυπτογραφείται για πρώτη φορά το γονιδίωμα ενός ευκαρυωτικού οργανισμού, του Saccharomyces cerevisiae

Ø  1998: Αποκρυπτογραφείται το γονιδίωμα του νηματοσκώληκα Caenorhabditis elegans

Ø  2003: (14 Απριλίου) Ολοκληρώνεται, ως προς το σκέλος της χαρτογράφησης, το Πρόγραμμα για το Ανθρώπινο Γονιδίωμα. Με ακρίβεια 99.99%, έχει αποκρυπτογραφηθεί το 99% του ανθρώπινου Γονιδιώματος [11]

Από την ιστορία των φυσικών επιστημών

Η Αρχαία Αντίληψη του Ατόμου

Αρχαιότητα - 1550 μ.χ. Οι Έλληνες συνεισφέρανε πολλά στον κόσμο της Φυσικής με το να αναπτύξουν τη βάση των στοιχειωδών μοντέρνων αρχών όπως για παράδειγμα την διατήρηση της ύλης, την ατομική θεωρία και πολλά άλλα. Πολύ ελάχιστα πράγματα αναπτύχθηκαν κατά τους αιώνες μετά την περίοδο των Ελλήνων φιλοσόφων. Όταν όμως η έντονη διανοητική δύναμη της Αναγέννησης εισήλθε στο πεδίο της Φυσικής, ο Κοπέρνικος και άλλοι μεγάλοι στοχαστές άρχισαν να απορρίπτουν τις ιδέες των Ελλήνων προς όφελος καινούριων ιδεών που βασίζονταν σε εμπειρικούς κανόνες. Οι μετά τον Κοπέρνικο θεωρίες έθεσαν τέλος στην παλιά εποχή της επιστημονικής αντίληψης και άρχισαν την καινούρια επιστημονική επανάσταση. Παρόλα αυτά ταιριάζει καλύτερα να συμπεριλάβουμε τον Κοπέρνικο μεταξύ των αρχαίων στοχαστών.

Περίοδος

Θεωρίες

624 – 547 π.χ.

Ο Θαλής ο Μιλήσιος υποστηρίζει ότι το νερό είναι το βασικό συστατικό της γης. Επίσης, εξοικειώθηκε με την ελκτική δύναμη των μαγνητών και του κεχριμπαριού όταν το τρίβουμε.

580 – 500 π.χ.

Ο Πυθαγόρας θεωρούσε ότι η Γη είναι σφαιρική. Αναζήτησε να βρει μία μαθηματική αντίληψη του σύμπαντος. 

500 – 428 π.χ.

494 – 434 π.χ.

Ο Αναξαγόρας και Εμπεδοκλής. Ο Αναξαγόρας αμφισβήτησε την προηγούμενη διαμάχη των Ελλήνων φιλοσόφων σχετικά με την δημιουργία και την καταστροφή της ύλης, διδάσκοντας ότι οι αλλαγές στην ύλη οφείλονται στη διαφορετική διάταξη αόρατων σωματιδίων. (Θα μπορούσε κανείς να πει ότι οι διδασκαλία του αποτελεί τον πρόδρομο της αρχής διατήρησης της ύλης). Ο Εμπεδοκλής περιόρισε αυτά τα αόρατα σωματίδια σε τέσσερα στοιχεία: τη γη, τον αέρα, τη φωτιά και το νερό.

460 – 370 π.χ.

Ο Δημόκριτος ανέπτυξε την θεωρία ότι το σύμπαν αποτελείται από κενό χώρο και από ένα (σχεδόν) άπειρο αριθμό αόρατων σωματιδίων τα οποία διαφέρουν μεταξύ τους ως προς το σχήμα και τη θέση που καταλαμβάνουν στο χώρο. Η ύλη αποτελείται εξ' ολοκλήρου από σωμάτια που δεν μπορούν να διαιρεθούν περαιτέρω και καλούνται άτομα. 

384 – 322 π.χ.

Ο Αριστοτέλης τυποποίησε την συλλογή επιστημονικής γνώσης. Παρόλο που είναι δύσκολο να υποδείξει μία συγκεκριμένη θεωρία, το αποτέλεσμα της συλλογής αυτής ήταν να παρέχει τις βασικές αρχές της επιστήμης για μία χιλιετία. 

310 – 230 π.χ.

O Αρίσταρχος περιγράφει την κοσμολογία με τον ίδιο τρόπο που θα προτείνει ο Κοπέρνικος 2000 χρόνια αργότερα. Παρόλα αυτά με δεδομένο το μεγάλο κύρος του Αριστοτέλη, το ηλιοκεντρικό μοντέλο του Αρίσταρχου απορρίφθηκε προς όφελος του γεωκεντρικού μοντέλου.

287 – 212 π.χ.

Ο Αρχιμήδης ήταν ένας πρωτοπόρος της θεωρητικής Φυσικής. Έθεσε τις βάσεις της υδροστατικής. 

70 – 147 μ.χ.

Ο Πτολεμαίος από την Αλεξάνδρεια συνέλεξε την γνώση της οπτικής της εποχής. Επίσης επινόησε μία πολύπλοκη θεωρία για την κίνηση των πλανητών.

~1000 μ.χ.

Ο Άραβας Alhazen, έγραψε 7 βιβλία με θέμα την οπτική.

1214 – 1294 μ.χ.

Ο Roger Bacon δίδαξε ότι για να μάθει κανείς τα μυστικά της φύσης θα πρέπει πρώτα να κάνει παρατηρήσεις. Με αυτό τον τρόπο παρείχε την μέθοδο με την οποία οι άνθρωποι μπορούν να αναπτύξουν επαγωγικές θεωρίες χρησιμοποιώντας παρατηρήσεις από την φύση.

1473 – 1543 μ.χ.

Ο Κοπέρνικος (Nicholaus Copernicus) ξεκίνησε την θεωρία ότι η γη περιστρέφεται γύρω από τον ήλιο. Το ηλιοκεντρικό μοντέλο ήταν επαναστατικό διότι αμφισβήτησε το προηγούμενο δόγμα περί της επιστημονικής αυθεντίας του Αριστοτέλη, και επειδή δημιούργησε μία πλήρη επιστημονική και φιλοσοφική

Η Επιστημονική Επανάσταση και η Ιστορία της Κλασσικής Μηχανικής

Ακολουθώντας την επανάσταση του Κοπέρνικου, ήταν εμφανές ότι οι επιστημονικές θεωρίες δεν μπορούν να γίνουν αποδεκτές χωρίς αυστηρό έλεγχο. Η επικοινωνία μεταξύ των επιστημόνων αυξήθηκε και έδωσε το έναυσμα για περισσότερες ανακαλύψεις.

Περίοδος

Θεωρίες

1564 – 1642

Ο Γαλιλαίος (Galileo Galilei) θεωρείται από πολλούς ο πατέρας της μοντέρνας Φυσικής λόγω της επιμονής του να αντικαταστήσει παλιές υποθέσεις με επιστημονικά τεκμηριωμένες θεωρίες. Είναι γνωστός για τις θεωρίες του σχετικά με τα ουράνια σώματα και τις εργασίες του στην μηχανική που άνοιξαν τον δρόμο για τον Νεύτωνα.

1546 – 1601,

1571 – 1630

Ο Tycho Brahe και ο Johannes Kepler. Οι ακριβείς μετρήσεις του Brahe επέτρεψαν στον Kepler να αναπτύξει τη θεωρία του για την ελλειπτική κίνηση των πλανητών και παρείχαν την απόδειξη για το σύστημα του Κοπέρνικου. Επιπλέον, ο Kepler γράφει μία ποιοτική περιγραφή της βαρύτητας. 

1642 – 1727

O Ισαάκ Νεύτων (Sir Isaac Newton) αναπτύσσει τους νόμους της μηχανικής (τώρα τους ονομάζουμε Κλασσική Μηχανική) που εξηγούν την κίνηση των σωμάτων με μαθηματικό τρόπο.

1773 – 1829

Ο Thomas Young αναπτύσσει την κυματική θεωρία του φωτός και περιγράφει την περίθλαση του φωτός.

1791 – 1867

Ο Michael Faraday δημιουργεί τον ηλεκτρικό κινητήρα, και αναπτύσσει την μία αντίληψη της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, η οποία παρέχει την απόδειξη ότι ο ηλεκτρισμός έχει σχέση με τον μαγνητισμό. Επί πλέον, ανακαλύπτει την ηλεκτρόλυση και περιγράφει την αρχή διατήρησης της ενέργειας.

1799 – 1878

Η έρευνα του Joesph Henry πάνω στην ηλεκτρομαγνητική επαγωγή έγινε την ίδια εποχή με αυτή του Faraday. Δημιούργησε τον πρώτο κινητήρα. Η δουλειά του στους ηλεκτρομαγνήτες οδήγησε στην ανάπτυξη του τηλέγραφου.

1873

Ο James Clerk Maxwell έκανε πολύ σημαντική έρευνα σε τρία θέματα : την όραση του χρώματος, την μοριακή θεωρία και την ηλεκτρομαγνητική θεωρία. Οι ιδέες που αποτελούν την βάση των θεωριών του Maxwell για τον ηλεκτρομαγνητισμό περιγράφουν την διάδοση των κυμάτων του φωτός στο κενό.

1874

Ο George Stoney αναπτύσσει την θεωρία του ηλεκτρονίου και υπολογίζει την μάζα του.

1895

Ο Wilhelm Roentgen ανακαλύπτει τις ακτίνες Χ.

1898

Οι Marie και Pierre Curie ξεχωρίζουν τα ραδιενεργά στοιχεία.

1898

Ο Joseph Thompson μέτρησε το ηλεκτρόνιο και ανέπτυξε την θεωρία του "σταφιδόψωμου" για το άτομο -- ότι δηλαδή το άτομο είναι μία σφαίρα ελαφρά θετικά φορτισμένη γεμάτη με ηλεκτρόνια όπως οι σταφίδες στο σταφιδόψωμο.

Η Διαδρομή της Κβαντικής Θεωρίας στο Χρόνο

Στην αρχή του εικοστού αιώνα οι επιστήμονες πίστευαν ότι καταλάβαιναν τις πιο θεμελιώδης αρχές της φύσης. Τα άτομα ήταν συμπαγή δομικά υλικά της φύσης, οι άνθρωποι εμπιστεύονταν τους νόμους της κίνησης του Νεύτωνα και τα περισσότερα προβλήματα της φυσικής φαινόταν να έχουν λυθεί. Παρόλα αυτά, αρχίζοντας με την θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν που αντικατέστησε τη Νευτώνεια μηχανική, οι επιστήμονες άρχισαν να συνειδητοποιούν ότι οι γνώση τους κάθε άλλο παρά ολοκληρωμένη ήταν. Ιδιαίτερου ενδιαφέροντος έτυχε το αναπτυσσόμενο πεδίο της κβαντομηχανικής που άλλαξε τελείως τους βασικούς κανόνες της φυσικής:

Σωματίδια που ανακαλύφθηκαν την περίοδο 1898 – 1964:

 

Περίοδος

Θεωρίες

1900

Ο Max Planck προτείνει την κβαντική μορφή της ακτινοβολίας (υπάρχει σε διακριτές ποσότητες ενέργειας.)

 

1905

Ο Albert Einstein, ένας από τους ελάχιστους επιστήμονες που πήρε στα σοβαρά τις ιδέες του Plank, προτείνει το κβάντο του φωτός (το φωτόνιο) το οποίο συμπεριφέρεται σαν σωματίδιο. Οι άλλες θεωρίες του Einstein εξήγησαν την ισοδυναμία της μάζας και της ενέργειας, την δυαδικότητα σωματιδίου - κύματος για το φωτόνιο, την αρχή της ισοδυναμίας και την ειδική θεωρία της σχετικότητας.

 

1909

Ο Hans Geiger και ο Ernest Marsden, υπό την καθοδήγηση του Ernest Rutherford, μελέτησαν την σκέδαση σωματιδίων άλφα πάνω σε χρυσόχαρτο και παρατήρησαν σκεδάσεις σε μεγάλες γωνίες, οι οποίες υποδεικνύουν την ύπαρξη ενός μικρού, πυκνού και θετικά φορτισμένου πυρήνα.

 

1911

Ο Ernest Rutherford συμπέρανε την ύπαρξη του πυρήνα σαν αποτέλεσμα του πειράματος της σκέδασης των σωματιδίων άλφα των Hans Geiger και Ernest Marsden.

 

1912

Ο Albert Einstein εξηγεί την καμπύλωση του χώρο-χρόνου.

 

1913

Ο Niels Bohr επιτυγχάνει την σύνταξη μιας θεωρίας για την δομή του ατόμου βασισμένη στις ιδέες των κβάντων.

 

1919

Ο Ernest Rutherford βρίσκει την πρώτη απόδειξη για την ύπαρξη του πρωτονίου.

 

1921

Ο James Chadwick και ο E.S. Bieler συμπεραίνουν ότι κάποια ισχυρή δύναμη διατηρεί την συνοχή του πυρήνα.

 

1923

Ο Arthur Compton ανακαλύπτει την κβαντική (σωματιδιακή) υφή των ακτίνων Χ. Με αυτό τον τρόπο επιβεβαιώνει ότι τα φωτόνια είναι σωματίδια.

 

1924

Ο Louis de Broglie προτείνει ότι η ύλη έχει κυματικές ιδιότητες.

 

1925 (Jan)

Ο Wolfgang Pauli διατυπώνει την απαγορευτική αρχή για τα ηλεκτρόνια στο άτομο.

 

1925 (April)

Ο Walther Bothe και ο Hans Geiger αποδεικνύουν ότι η ενέργεια και η μάζα διατηρούνται στις ατομικές αντιδράσεις.

 

1926

Ο Erwin Schroedinger αναπτύσσει την κυματομηχανική, η οποία περιγράφει την συμπεριφορά του κβαντικού συστήματος των μποζονίων. Ο Max Born ερμηνεύει την κβαντομηχανική με πιθανότητες. Ο G.N. Lewis προτείνει το όνομα "φωτόνιο" για το κβάντο του φωτός.

 

1927

Είχε παρατηρηθεί ότι ορισμένα υλικά εκπέμπουν ηλεκτρόνια (βήτα διάσπαση). Εφόσον και το άτομο και ο πυρήνας έχουν συγκεκριμένες ενεργειακές στάθμες, είναι δύσκολο να εξηγηθεί πως τα ηλεκτρόνια που παράγονται από μεταπτώσεις μπορούν να έχουν ένα συνεχές ενεργειακό φάσμα. (η απάντηση το 1930)

 

1927

Ο Werner Heisenberg διατυπώνει την αρχή της αβεβαιότητας: με όση μεγαλύτερη ακρίβεια γνωρίζει κανείς την ενέργεια ενός σωματιδίου με τόσο μικρότερη ακρίβεια γνωρίζουμε τον χρόνο (και αντίστροφα). Η ίδια αβεβαιότητα ισχύει για την ορμή και τις συντεταγμένες ενός σωματιδίου.

 

1928

Ο Paul Dirac συνδυάζει την κβαντομηχανική και την ειδική θεωρία της σχετικότητας για να περιγράψει το ηλεκτρόνιο.

 

1930

Η κβαντομηχανική και η ειδική θεωρία της σχετικότητας έχουν εδραιωθεί. Υπάρχουν μόνο τρία στοιχειώδη σωματίδια: τα πρωτόνια, τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια. Ο Max Born, αφού έμαθε την εξίσωση του Dirac, δήλωσε, "Σε έξι μήνες θα είναι το τέλος της φυσικής που ξέρουμε".

 

1930

Ο Wolfgang Pauli προτείνει το νετρίνο για να εξηγήσει το συνεχές φάσμα της ενέργειας του ηλεκτρονίου από τις διασπάσεις βήτα.

 

1931

Ο Paul Dirac αντιλαμβάνεται ότι τα θετικά φορτισμένα σωματίδια που απαιτούνται από την εξίσωσή του είναι καινούρια αντικείμενα (τα ονομάζει "ποζιτρόνια"). Είναι ακριβώς σαν τα ηλεκτρόνια, αλλά έχουν θετικό φορτίο. Αυτό είναι το πρώτο παράδειγμα των αντισωματιδίων.

 

1931

Ο James Chadwick ανακαλύπτει το νετρόνιο. Οι μηχανισμοί της συνοχής και της διάσπασης του πυρήνα αποτελούν κύρια προβλήματα για την επιστήμη.

 

1933-34

O Enrico Fermi προτείνει μία θεωρία για την βήτα διάσπαση που εισάγει τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις. Είναι η πρώτη θεωρία που χρησιμοποιεί σαφώς τα νετρίνο και την αλλαγή του "αρώματος" των σωματιδίων.

 

1933-34

Ο Hideki Yukawa συνδυάζει την ειδική θεωρία της σχετικότητας και την κβαντική θεωρία για να περιγράψει τις πυρηνικές αλληλεπιδράσεις με την ανταλλαγή μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων, νέων σωματιδίων (τα "πιόνια" που είναι ένα είδος μεσονίων). Από το μέγεθος του πυρήνα ο Yukawa συμπεραίνει ότι τα ανταλλασσόμενα σωματίδια (τα μεσόνια) έχουν μάζα περίπου 200 φορές την μάζα του ηλεκτρονίου. Αυτή είναι η αρχή της θεωρίας των μεσονίων στις πυρηνικές δυνάμεις.

 

1937

'Ενα σωματίδιο ισοδύναμο με 200 μάζες ηλεκτρονίων ανακαλύπτεται στις κοσμικές ακτίνες. Ενώ στην αρχή οι φυσικοί θεωρούσαν ότι είναι το πιόνιο, αργότερα αποδείχθηκε ότι ήταν το μιόνιο.

 

1938

Ο E.C.G. Stuckelberg παρατηρεί ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια δεν διασπόνται σε κανένα συνδιασμό με ηλεκτρόνια, νετρίνο, μιόνια ή τα αντισωμάτιά τους. Η σταθερότητα του πρωτονίου δεν μπορεί να εξηγηθεί σε σχέση με την διατήρηση του φορτίου και της ενέργειας. Γι' αυτό το λόγο προτείνει ότι τα βαρέα σωματίδια διατηρούνται ανεξάρτητα του είδους τους.

 

1941

Ο C. Moller και ο Abraham Pais εισάγουν τον γενικό όρο "νουκλεόνιο" για τα πρωτόνια και τα νετρόνια.

 

1946-47

Οι φυσικοί συνειδητοποιούν ότι το σωματίδιο που παρατηρήθηκε στις κοσμικές ακτίνες και εθεωρείτο ότι είναι το μεσόνιο του Yukawa, είναι το "μιόνιο" το οποίο αποτελεί το πρώτο σωματίδιο της δεύτερης γενιάς που ανακαλύφθηκε. Η ανακάλυψή του ήταν τελείως απρόσμενη. Το σχόλιο του I.I.Rabi ήταν: "Αυτό ποιός το παρήγγειλε " Εισήχθη ο όρος "λεπτόνιο" γιά να περιγράψουν το καινούριο αυτό αντικείμενο που δεν αλληλεπιδρά ισχυρά (τα ηλεκτρόνια και τα μιόνια είναι και τα δύο λεπτόνια).

 

1947

'Ενα μεσόνιο που αλληλεπιδρά ισχυρά βρέθηκε στις κοσμικές ακτίνες και ταυτοποιήθηκε ότι είναι το πιόνιο.

 

1947

Οι φυσικοί αναπτύσσουν τους τρόπους για να υπολογίσουν τις ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες των ηλεκτρονίων, ποζιτρονίων και φωτονίων. Εισαγωγή των διαγραμμάτων Feynman.

 

1948

Το συγχροκύκλοτρο του Berkeley παράγει τα πρώτα τεχνητά πιόνια.

 

1949

Ο Enrico Fermi και ο C.N. Yang προτείνουν ότι το πιόνιο αποτελείται από ένα νουκλεόνιο και ένα αντινουκλεόνιο. Η ιδέα για σύνθετα σωματίδια είναι ριζοσπαστική.

 

1949

Ανακάλυψη του K+ μέσω των διασπάσεων του.

 

1950

Ανακάλυψη του ουδέτερου πιονίου.

 

1951

Δύο νέου τύπου σωματίδια ανακαλύπτονται στις κοσμικές ακτίνες. Ανακαλύφθηκαν κοιτώντας τροχιές που έμοιαζαν με V και αναπλάθοντας το ηλεκτρικά ουδέτερο αντικείμενο το οποίο διασπώμενο παρείγαγε δύο φορτισμένα σωματίδια που ανιχνεύτηκαν μέσω των τροχιών που αφήσανε. Τα σωματίδια αυτά ονομάσθηκαν Λ0 και K0.

 

1952

Ανακάλυψη των σωματιδίων Δέλτα: Υπάρχουν τέσσερα σωματίδια του είδους (Δ++, Δ+, Δ0, και Δ-.)

 

1952

Ο Donald Glaser εφευρίσκει τον θάλαμο φυσαλίδων. To Κόσμοτρο του Brookhaven , ένας επιταχυντής 1.3 GeV, αρχίζει την λειτουργία του.

 

1953

Η αρχή της "έκρηξης των Σωματιδίων" - 'Ενας πραγματικός πολλαπλασιασμός των γνωστών σωματιδίων.

 

1953 - 57

Η σκέδαση ηλεκτρονίων σε πυρήνες αποκαλύπτει την ύπαρξη κατανομής φορτίου μέσα στα πρωτόνια και ακόμη και στα νετρόνια. Η περιγραφή της ηλεκτρομαγνητικής δομής των πρωτονίων και των νετρονίων υποδεικνύει την ύπαρξη κάποιας εσωτερικής δομής αν και ακόμη και τα δύο σωματίδια θεωρούνται σαν στοιχειώδη.

 

1954

Ο C.N. Yang και ο Robert Mills αναπτύσσουν ένα καινούριο είδος θεωριών που ονομάζονται "θεωρίες βαθμίδος". Παρότι δεν έγινε αντιληπτό εκείνη την εποχή, τέτοιου είδους θεωρία αποτελεί την βάση του Καθιερωμένου Πρότυπου. 

 

1957

Ο Julian Schwinger προτείνει σε μία δημοσίευσή του την ενοποίηση των ασθενών και των ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων.

 

1957-59

Οι Julian Schwinger, Sidney Bludman, και Sheldon Glashow, σε ξεχωριστές δημοσιεύσεις ο καθένας, προτείνουν ότι όλες οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις συμβαίνουν με την μεσολάβηση βαρέων φορτισμένων μποζονίων, τα οποία αργότερα ονομάσθηκαν W+ και W-. Στην πραγματικότητα ο Yukawa ήταν αυτός που για πρώτη φορά πριν από είκοσι χρόνια είχε μιλήσει για την ανταλλαγή μποζονίων, αλλά είχε προτείνει το πιόνιο σαν ενδιάμεσο φορέα της ασθενούς δύναμης. 

 

1961

Καθώς ο αριθμός των γνωστών σωματιδίων αυξάνει, μια μαθηματική ταξινόμηση στην οργάνωση των σωματιδίων (η ομάδα SU(3)) βοηθά τους φυσικούς να αναγνωρίσουν διαφορετικούς τύπους σωματιδίων.

 

1962

Τα πειράματα επαληθεύουν την ύπαρξη δύο διαφορετικών τύπων νετρίνο (τα ηλεκτρονικά και τα μιονικά νετρίνο). Αυτό είχε προηγουμένως συναχθεί από θεωρητικές μελέτες. 

 

Η Σύγχρονη Άποψη (το Καθιερωμένο Πρότυπο): 1964 - σήμερα

Μέχρι τα μέσα της δεκαετίας του 1960, οι φυσικοί αντελήφθησαν ότι η προηγούμενη αντίληψή τους, ότι δηλαδή η ύλη αποτελείται από στοιχειώδη πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια, ήταν ανεπαρκής για να εξηγήσει τις δεκάδες καινούρια σωματίδια που έχουν ανακαλυφθεί. Η θεωρία των κουάρκ των Gell-Mann και Zweig έλυσε αυτά τα προβλήματα. Κατά την διάρκεια των τριάντα τελευταίων ετών, η θεωρία που σήμερα είναι γνωστή σαν το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων και αλληλεπιδράσεων έχει σταδιακά μεγαλώσει και έγινε κοινά αποδεκτή με τις καινούριες αποδείξεις από τους καινούριους επιταχυντές σωματιδίων.

Στοιχειώδη Σωματίδια που ανακαλύφθηκαν μεταξύ 1964 έως σήμερα:

Περίοδος

Θεωρίες

 

 

1964

Ο Murray Gell-Mann και ο George Zweig προτείνουν πειραματικά την ιδέα των κουάρκ (quarks). Προτείνουν ότι τα μεσόνια και τα βαρυόνια αποτελούνται από τρία κουάρκ ή αντικουάρκ που ονομάζονται "up", "down", ή "strange" (u, d, s) με ιδιοστροφορμή 0.5 και ηλεκτρικά φορτία 2/3, -1/3, -1/3, αντίστοιχα (όπως αποδείχθηκε αργότερα αυτή η θεωρία δεν είναι τελείως ακριβής). Επειδή, κλασματικά φορτία δεν είχαν ποτέ παρατηρηθεί στην φύση, η θεωρία των κουάρκ αντιμετωπίσθηκε περισσότερο σαν μία μαθηματική εξήγηση της γενικής εικόνας που παρουσίαζαν οι μάζες των σωματιδίων παρά σαν μια φυσική θεωρία. Αργότερα με την περαιτέρω ανάπτυξη της θεωρίας καθώς και οι πειραματικές παρατηρήσεις μας επέτρεψαν να δούμε τα κουάρκ σαν μία φυσική οντότητα, παρότι δεν μπορούν ποτέ να απομονωθούν. 

 

1964

Παρατηρώντας την γενική εικόνα των λεπτονίων, προτάθηκε η ύπαρξη ενός τετάρτου κουάρκ ώστε να έχουμε παρόμοια εικόνα και στα κουάρκ που σήμερα είναι γνωστή σαν γενεές της ύλης. Πολύ λίγοι φυσικοί πήραν αυτή την ιδέα στα σοβαρά εκείνη την εποχή. Οι Sheldon Glashow και James Bjorken εισάγουν το όνομα "charm" (χαριτωμένο) για το τέταρτο (c) κουάρκ.

 

1965

Οι O.W. Greenberg, M.Y. Han, και Yoichiro Nambu εισήγαγαν το φορτίο χρώματος σαν ιδιότητα των κουάρκ. Όλα τα αδρόνια που έχουν παρατηρηθεί έχουν ουδέτερο χρώμα.

 

...1966...

Το πρότυπο των κουάρκ γίνεται αποδεκτό σχετικά αργά μια και τα κουάρκ δεν έχουν παρατηρηθεί. 

 

1967

Οι Steven Weinberg και Abdus Salam προτείνουν (ανεξάρτητα ο καθένας) μία θεωρία που ενοποιεί την ηλεκτρομαγνητική και την ασθενή αλληλεπίδραση στην ηλεκτρασθενή αλληλεπίδραση. Η θεωρία τους απαιτεί την ύπαρξη ενός ουδέτερου μποζονίου που αλληλεπιδρά μέσω της ασθενούς αλληλεπίδρασης (σήμερα ονομάζεται μποζόνιο Z0) και μεσολαβεί στις ασθενείς αλληλεπιδράσεις. Το σωματίδιο αυτό δεν είχε παρατηρηθεί εκείνο τον καιρό. Επίσης προέβλεψαν ένα ακόμη βαρύ μποζόνιο, το ονομαζόμενο μποζόνιο Higgs που επίσης δεν έχει παρατηρηθεί.

 

1968-69

Στον Γραμμικό Επιταχυντή του Stanford, σ' ένα πείραμα κατά το οποίο μελετούσε την σκέδαση ηλεκτρονίων από πρωτόνια, φαινόταν ότι τα ηλεκτρόνια σκεδάζονται από από μικρά "κέντρα" μέσα στο πρωτόνιο. Οι James Bjorken και Richard Feynman ανέλυσαν τα πειραματικά δεδομένα χρησιμοποιώντας ένα πρότυπο σύμφωνα με το οποίο το πρωτόνιο είχε δομικά σωματίδια (δεν χρησιμοποίησαν τον όρο "κουάρκ" για τα δομικά σωματίδια, παρότι αυτό το πείραμα έδωσε την απόδειξη για τα κουάρκ).

 

1970

Οι Sheldon Glashow, Γιάννης Ηλιόπουλος, και Luciano Maiani αναγνώρισαν την μεγάλη σημασία που έχει η ύπαρξη του τέταρτου κουάρκ στο πλαίσιο του Καθιερωμένου Πρότυπου. 

 

1973

Ο Donald Perkins, παρακινούμενος από τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Πρότυπου, επαναλαμβάνει την ανάλυση παλιών δεδομένων από το CERN και βρίσκει ενδείξεις για την ύπαρξη ασθενών αλληλεπιδράσεων χωρίς αλλαγή φορτίου (λόγω της ανταλλαγής ενός μποζονίου Z0.) 

 

1973

Αναπτύσσεται η κβαντική θεωρία πεδίου για τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Η θεωρία των κουάρκ και των γκλουονίων (που σήμερα αποτελεί μέρος του Καθιερωμένου Πρότυπου) έχει δομή παρόμοια με την κβαντική ηλεκτροδυναμική (QED). Επειδή αυτή η θεωρία ασχολείται με το φορτίο χρώματος ονομάζεται κβαντική χρωμοδυναμική (QCD). Τα κουάρκ ορίζονται σαν πραγματικά σωματίδια που έχουν φορτίο χρώματος. Τα γκλουόνια είναι τα κβάντα του πεδίου της ισχυρής αλληλεπίδρασης και έχουν μηδενική μάζα. Αυτή η θεωρία των ισχυρών αλληλεπιδράσεων προτάθηκε από τους Harald Fritzsch και Murray Gell-Mann. 

 

1973

Οι David Politzer, David Gross, και Frank Wilczek ανακάλυψαν ότι η θεωρία του χρώματος στις ισχυρές αλληλεπιδράσεις έχει μια ιδιαίτερη ιδιότητα που σήμερα ονομάζεται "ασυμπτωτική ελευθερία" ("asymptotic freedom"). Αυτή η ιδιότητα ήταν αναγκαία για την εξήγηση των πειραματικών δεδομένων του 1968-69 σχετικά με το πρωτόνιο. 

 

1974

Στην τελευταία ομιλία ενός συνεδρίου, ο Γιάννης Ηλιόπουλος, παρουσιάζει για πρώτη φορά συγκεντρωμένη την ολική άποψη της φυσικής που σήμερα είναι γνωστή σαν το Καθιερωμένο Πρότυπο. Περισσότερες πληροφορίες για το Καθιερωμένο Πρότυπο μπορείτε να διαβάσετε στην Περιπέτεια των Σωματιδίων.

 

1974

(Νοέμβριος)

Ο Burton Richter και ο Samuel Ting, επικεφαλείς δύο διαφορετικών πειραμάτων, ανακοίνωσαν την ίδια μέρα ότι ανακάλυψαν ένα καινούριο σωματίδιο. Ο Τing και οι συνεργάτες του στο Brookhaven ονόμασαν το σωματίδιο "J", ενώ ο Richter και οι συνεργάτες του στο SLAC το ονόμασαν "ψ". Επειδή και οι δύο παρατηρήσεις έχουν την ίδια βαρύτητα το σωματίδιο είναι σήμερα γνωστό σαν J/ψ. Το J/ψ είναι ένα μεσόνιο με ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ τύπου c. 

 

1976

Οι Gerson Goldhaber και Francois Pierre βρήκαν το μεσόνιο D0 (αποτελείται από ένα αντικουάρκ τύπου u και ένα κουάρκ τύπου c). Οι προβλέψεις της θεωρίας συμφωνούν με τα πειραματικά αποτελέσματα, προσφέροντας μ' αυτό τον τρόπο υποστήριξη στο Καθιερωμένο Πρότυπο. 

 

1976

Ο Martin Perl και οι συνεργάτες του στο SLAC ανακάλυψαν το λεπτόνιο τ. Επειδή αυτό το λεπτόνιο είναι το πρώτο που παρατηρήθηκε από την τρίτη γενιά των σωματιδίων, ήταν τελείως απρόσμενο. 

 

1977

Ο Leon Lederman και οι συνεργάτες του στο Fermilab ανακάλυψαν άλλο ένα κουάρκ (και το αντικουάρκ του). Αυτό το κουάρκ ονομάζεται "bottom" (χαμηλό) ή "beauty" (ομορφιά). Επειδή τα κουάρκ υπάρχουν σε ζεύγη, αυτή η ανακάλυψη έδωσε την ώθηση για τις έρευνες για το έκτο κουάρκ το t. 

 

1978

Οι Charles Prescott και Richard Taylor παρατηρούν μία ασθενή αλληλεπίδραση με την ανταλλαγή ενός μποζονίου Z0 σε πείραμα σκέδασης πολωμένων ηλεκτρονίων από δευτέριο. Αυτή η παρατήρηση απέδειξε την παραβίαση της συμμετρίας χώρου επιβεβαιώνοντας τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Πρότυπου. 

 

1979

Η πρώτη απόδειξη για ένα γκλουόνιο που εκπέμπεται από ένα κουάρκ (ή αντικουάρκ) βρέθηκε στον επιταχυντή PETRA, στο εργαστήριο DESY στο Αμβούργο.

 

1983

Τα μποζόνια W± και Z0 που είναι τα σωματίδια φορείς των ασθενών αλληλεπιδράσεων παρατηρούνται από δύο πειράματα στο σύγχροτρο του CERN που συγκρούει πρωτόνια και αντιπρωτόνια χρησιμοποιώντας τεχνικές που αναπτύχθηκαν από τους Carlo Rubbia και Simon Van der Meer.

 

1989

Πειράματα που έγιναν στο CERN και στο SLAC απέδειξαν την ύπαρξη τριών μόνο γενεών θεμελιωδών σωματιδίων. Αυτό το συμπέρασμα βγήκε αποδεικνύοντας ότι ο χρόνος ζωής του μποζονίου Z0 είναι αυτή που περιμένει κανείς αν έχει ακριβώς τρία πολύ ελαφρά (ή με μηδενική μάζα) νετρίνο.

 

1995

Μετά από έρευνες δεκαοκτώ ετών σε διάφορους επιταχυντές, τα πειράματα CDF και D0 στο Fermilab ανακάλυψαν το κουάρκ τύπου t (top) που έχει μάζα 175 GeV. Κανείς δεν καταλαβαίνει γιατί η μάζα του είναι τόσο πιο μεγάλη από τα άλλα πέντε κουάρκ.

 [15]


ΣΧΕΔΙΟ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ

Ü  Στοιχεία εκπαιδευτικού:

Ονοματεπώνυμο:                     Μπακολίτσας Κωνσταντίνος

Βαθμίδα εκπαίδευσης:             Δευτεροβάθμια Εκπαίδευση

Ειδικότητα:                             Βιολόγος ΠΕ04(04)

Μαθήματα που διδάσκει :       Βιολογία.-Φυσική-Χημεία.

Τίτλος μαθήματος: « Κύριοι σταθμοί μετάβασης από το μακρόκοσμο στο μικρόκοσμο και γένεσης των σύγχρονων βιοεπιστημών»

Ü  Γνωστικό αντικείμενο (Σχέση με το Πρόγραμμα Σπουδών): Βιολογία Γενικής Παιδείας.

Ü  Τάξη:                                       Β' Λυκείου.

Ü  Διδακτική ενότητα:            Εισαγωγή.

Ü  Προβλεπόμενος χρόνος:    2 διδακτικές ώρες. Αυξομειώσεις κατά το δοκούν.

Σύνοψη

Το παρόν σχέδιο μαθήματος φιλοδοξεί να καθοδηγήσει τους μαθητές σε ένα ταξίδι πίσω στον χρόνο, με όχημα την τεχνολογία που τους προσφέρει το νέο σύγχρονο σχολικό εργαστήριο φυσικών επιστημών, ένα ταξίδι έρευνας ,γνώσης , ψυχαγωγίας για να γνωρίσει την ιστορία των Φυσικών Επιστημών και ειδικότερα των Βιοεπιστημών.

Σκοποί διδασκαλίας

Ο μαθητής θα πρέπει να :

ü  Αναγνωρίζει ότι οι επιστημονικές ερμηνείες για τα φαινόμενα της ζωής θα πρέπει να πληρούν συγκεκριμένα κριτήρια, για να γίνονται αποδεκτές, και να κατανοεί τη συμβολή των θεωριών στην πρόοδο της επιστήμης.

ü  Αναγνωρίζει ιστορικά τη συμβολή των Βιοεπιστημών στην επίλυση πολλών προβλημάτων του ανθρώπου και να διακρίνει τη σχέση αλληλεξάρτησης επιστήμης και κοινωνίας.

ü  Να καταγράφει την πορεία μέσα από την οποία αποκτήθηκε, σταδιακά, η σύγχρονη γνώμη μας σχετικά με τους ζωντανούς οργανισμούς.

ü  Ξεχωρίζει ποια ιστορικά γεγονότα ανταποκρίνονται στην αλήθεια και ποια όχι.

ü  Χρησιμοποιεί γνώσεις και δεξιότητες που απέκτησε για την επεξεργασία και την αξιολόγηση δεδομένων ή την επίλυση προβλημάτων.

ü  Συλλέγει πληροφορίες από επιστημονικές πηγές πληροφοριών ή πλήρεις μελέτες τεκμηρίωσης και να χρησιμοποιεί την τεχνολογία της Πληροφορικής, όπου αυτή μπορεί να εξυπηρετήσει τις ανάγκες της εργασίας του.

ü  Μελετά μόνος ή σε συνεργασία με τους συμμαθητές, τον εκπαιδευτικό αλλά και άλλους φορείς του τοπικού κοινωνικού περιβάλλοντος, θέματα που αφορούν το σχολικό ή το ευρύτερο κοινωνικό περιβάλλον.

ü  Αξιολογεί τη δράση του στις διάφορες εκπαιδευτικές δραστηριότητες, συνεκτιμώντας τους παράγοντες επιτυχίας και αποτυχίας. [15]

Διδακτικοί στόχοι

·         Γνωστικοί

·         Ψυχοκινητικοί

·         Συναισθηματικοί

Ειδικοί στόχοι :

1)      Οι μαθητές ασκούνται στην έρευνα και την αξιολόγηση των πηγών του διαδικτύου (internet).

2)      Ασκούνται στην επιλογή πληροφοριών από το διαδίκτυο.

3)      Εξοικειώνονται με τις μηχανές αναζήτησης. Μαθαίνουν να αναζητούν ένα βιβλίο σε μια ηλεκτρονική βιβλιοθήκη, ένα ηλεκτρονικό βιβλίο σε ένα ηλεκτρονικό βιβλιοπωλείο, και μαθαίνουν να θέτουν κριτήρια κατά την αναζήτηση.

4)      Εξοικειώνονται με τη χρήση του επεξεργαστή κειμένου, του λογισμικού παρουσιάσεων κλπ.

Παιδαγωγικοί στόχοι

Παιδαγωγικές αρχές και μέθοδοι: Η διδασκαλία στηρίζεται στην ενθάρρυνση από τον εκπαιδευτικό της ενεργητικής συμμετοχής και της εμπλοκής των μαθητών στη μαθησιακή διαδικασία (συμμετοχή σε συζήτηση, σε συνεργατικές πρακτικές δραστηριότητες).

Μεθοδολογικές προσεγγίσεις της διδασκαλίας

·         Χρήση τεχνικών που ενισχύουν την ενεργητική συμμετοχή.

·         Εισήγηση μικρής διάρκειας που έχει φωτοτυπηθεί και έχει διανεμηθεί σε όλους τους μαθητές.

·         Ερωτήσεις – Απαντήσεις - Έλεγχος για προηγούμενες γνώσεις, εμπειρίες και βιώματα των μαθητών και με χρήση ερωτηματολογίου που τους δίδεται πριν την έναρξη του μαθήματος .

·         Συζήτηση - διάλογος με τους μαθητές σχετικά με τις απαντήσεις που έδωσαν.

·         Καταιγισμός ιδεών π.χ. στην έννοια μικρόκοσμος.

·         Επίδειξη - παρουσίαση διαφανειών που θα έχουν σχεδιαστεί με χρονολογική σειρά των «σταθμών μετάβασης» ή προβολή dvd-video που θα έχει επιλεγεί για το μάθημα αυτό.

·         Ομάδες εργασίας:

o   Συγκρότηση ομάδων (προτείνεται οι μαθητές να χωριστούν σε ομάδες με βάση τη δική τους προτίμηση. Ο καθηγητής φροντίζει με διακριτικότητα να υπάρχει σε κάθε ομάδα ένας μαθητής που χειρίζεται με άνεση τον υπολογιστή) και επιλογή ενός θέματος από κάθε ομάδα π.χ. η ανακάλυψη του μικροσκοπίου.

o   Καθορισμός στόχων και επιμερισμός εργασίας στα μέλη της κάθε ομάδας.

o   Καθορισμός πηγών πληροφόρησης (θα δοθεί λίστα διευθύνσεων στο internet , μηχανών αναζήτησης κ.λ.π. ) και συλλογή στοιχείων.

o   Θα γίνεται επιμέρους αξιολόγηση της πορείας της εργασίας (και αν υπάρξει ανάγκη , θα γίνει επαναπροσδιορισμός των στόχων)

o   Ταξινόμηση, αξιολόγηση και σύνθεση δεδομένων.

o   Παρουσίαση της εργασίας από έναν μαθητή κάθε ομάδας και τελική αξιολόγηση στην τάξη.

o   Προσομοίωση με χρήση λογισμικού όπως το εκπαιδευτικό λογισμικό ‘Κύτταρο μια πόλη’.[16]

Ρόλοι και ενέργειες του καθηγητή.

Ο καθηγητής έχει το ρόλο του διευκολυντή της υλοποίησης του σχεδίου. Παρακολουθεί διακριτικά τις εργασίες των ομάδων και συζητά με τις ομάδες των μαθητών, χωρίς να προκαταλαμβάνει ή να κατευθύνει άμεσα τις ενέργειές τους.

Μέσα και υλικό

Εξοπλισμός: Υπολογιστές με σύνδεση στο Διαδίκτυο, βιντεοπροβολέας, οθόνη προβολής κλπ.

Λογισμικό:

Office 2003, Windows XP, Wbs, εκπαιδευτικό λογισμικό κλπ.

Ενδεχόμενα προβλήματα και πιθανές λύσεις.

Επειδή το παρόν σχέδιο μαθήματος στηρίζεται και στην περιήγηση σε συγκεκριμένους ιστοχώρους , ενδέχεται να εμφανιστούν προβλήματα που οφείλονται στη μη λειτουργία κάποιου ιστοχώρου ή και γενικότερα του Διαδικτύου τη δεδομένη χρονική στιγμή, ο καθηγητής θα πρέπει να έχει ¨κατεβάσει¨ τις ιστοσελίδες με το webstripper, λογισμικό που κάνει αυτή τη δουλειά και διατίθεται ελεύθερα , να τις αποθηκεύσει στον κεντρικό υπολογιστή του εργαστηρίου και έτσι να γίνεται η περιήγηση χωρίς σύνδεση.


Βιβλιογραφία

             [1]            Αραμπατζής Θ., Γαβρόγλου Κ., Διαλέτης Δ., Χριστιανίδης Γ., Κανδεράκης Ν., Βερνίκος Σ., Ιστορία των Επιστημών και της τεχνολογίας, Γ΄ Τάξη Ενιαίου Λυκείου, εκδ. ΟΕΔΒ, Αθήνα 1999 σελ.11-12.

             [2]            Steven P.R. Rose, EUROPEAN MOLECULAR BIOLOGY LABORATORY (EMBL), Το μέλλον των Βιοεπιστημών, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2006 σελ.55-56.

             [3]            http://www.dapontes.gr/index.php?option=com_content&task=view&id=171&Itemid=46\

             [4]            Asimov Isaac, Το χρονικό των επιστημονικών ανακαλύψεων, 4η έκδ.,Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2001, σελ.48.

             [5]            Asimov Isaac, Το χρονικό των επιστημονικών ανακαλύψεων, 4η έκδ.,Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2001, σελ.167.

             [6]            Asimov Isaac, Το χρονικό των επιστημονικών ανακαλύψεων, 4η έκδ.,Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2001, σελ.278.

             [7]            Asimov Isaac, Το χρονικό των επιστημονικών ανακαλύψεων, 4η έκδ.,Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2001, σελ.294.

             [8]            Steven P.R. Rose, EUROPEAN MOLECULAR BIOLOGY LABORATORY (EMBL), Το μέλλον των Βιοεπιστημών, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2006 σελ.57.

             [9]            DAVID BURNIE, ΑΝΑΚΑΛΥΠΤΩ ΤΗΝ ΕΠΙΣΤΗΜΗ , ΖΩΗ, ΔΕΛΗΘΑΝΑΣΗΣ-ΕΡΕΥΝΗΤΕΣ ΕΠΕ, σελ. 12.

          [10]            Καφάτος Φ., EUROPEAN MOLECULAR BIOLOGY LABORATORY (EMBL), Το μέλλον των Βιοεπιστημών, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2006 σελ.12.

          [11]            http://el.wikipedia.org

          [12]            Καφάτος Φ., EUROPEAN MOLECULAR BIOLOGY LABORATORY (EMBL), Το μέλλον των Βιοεπιστημών, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2006 σελ.13-19.

          [13]            Asimov Isaac, Το χρονικό των επιστημονικών ανακαλύψεων, 4η έκδ.,Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2001, σελ.502.

          [14]            Μπίρκας Β.,Καφάτος Φ., Η αποφασιστική καμπή στη μοριακή βιολογία. Το έργο των Francois Jacob, Andre Lwoff, Jacques Monod. Εκδόσεις ΡΑΠΠΑ.1998 σελ.85-100.

          [15]            http://www.physics.ntua.gr/eesfye/partadv/other/history.html

          [16]            Καψάλης Α., κ.α., Βιολογία γενικής παιδείας Β’ τάξης ενιαίου λυκείου, Βιβλίο καθηγητή ΟΕΔΒ , σελ 14-15.

          [17]            Βαλάκας Γ., κ.α., ΕΚΕΠΙΣ 2006, Εκπαιδευτικό υλικό για τους εκπαιδευτές θεωρητικής κατάρτισης τόμος Ι , σελ. 201.



22. “Ο ρόλος της ώσμωσης στην παραγωγή ενέργειας και στην παθογένεια των ζωντανών οργανισμών.”

A. Ο ρόλος της ώσμωσης στην παραγωγή ενέργειας

Η κυτταρική μεμβράνη είναι διαπερατή από το νερό (Εικόνα 11-20).

[1]

Όταν η συνολική συγκέντρωση των διαλυτών μορίων είναι μικρή στη μια πλευρά της μεμβράνης και μεγάλη στην άλλη πλευρά, τότε το νερό τείνει να μετακινηθεί διαμέσου της μεμβράνης ώστε να εξισωθούν οι συγκεντρώσεις, Η μετακίνηση του νερού από μια περιοχή χαμηλής συγκέντρωσης μορίων (υψηλή συγκέντρωση νερού) σε μια περιοχή με υψηλή συγκέντρωση μορίων (χαμηλή συγκέντρωση νερού) καλείται ώσμωση. Η κινητήρια δύναμη για τη μετακίνηση του νερού είναι ίση με τη διαφορά της πίεσης του νερού και ονομάζεται ωσμωτική πίεση. Εάν δεν υπάρχει άλλη πίεση που να εξασκείται προς την αντίθετη κατεύθυνση, η ωσμωτική μετακίνηση του νερού μέσα στο κύτταρο προκαλεί τη διόγκωση του. Τέτοιες επιδράσεις αποτελούν ένα σοβαρό πρόβλημα για τα ζωικά κύτταρα τα οποία δεν διαθέτουν σκληρά εξωτερικά τοιχώματα για να παρεμποδίζουν τη διόγκωση τους. Τα ζωικά κύτταρα όταν τοποθετηθούν σε καθαρό νερό θα διογκωθούν μέχρι να διαραγούν (Εικόνα 12-15).[2]

[3]

Στους ιστούς του σώματος τα κύτταρα διαβρέχονται από ένα υγρό που περιέχει πολλά διαλυτά μόρια, κυρίως Νa+ και Cl-(Εικόνα 1). Αυτό εξισορροπεί τη συγκέντρωση των ανόργανων και οργανικών μορίων που βρίσκονται στο εσωτερικό του κυττάρου και έτσι εμποδίζει την ωσμωτική καταστροφή, Η ωσμωτική ισορροπία όμως διατρέχει πάντα τον κίνδυνο να διαταραχθεί, επειδή τα εξωκυττάρια μόρια εισρέουν συνεχώς προς το εσωτερικό του κυττάρου σύμφωνα με τις επιμέρους ηλεκτροχημικές βαθμιδώσεις τους. Έτσι τα κύτταρα εργάζονται ασταμάτητα, αντλώντας προς τα έξω τα ανεπιθύμητα μόρια για να διατηρήσουν την ωσμωτική ισορροπία (Εικόνα 12-16).

[4]

Εικόνα 1.[5]

Η λειτουργία αυτή εκτελείται κυρίως από την αντλία Νa+ - K+ η οποία αντλεί το Νa+ που εισρέει στο εσωτερικό. Ταυτόχρονα, συμμετέχοντας και στη διατήρηση του δυναμικού της μεμβράνης η αντλία Νa+ - K+ εμποδίζει την είσοδο του αρνητικά φορτισμένου Cl-. Όταν η λειτουργία της αντλίας σταματήσει από έναν αναστολέα όπως η ουαμπαΐνη ή όταν το κύτταρο δεν έχει αποθέματα ΑΤΡ για τον εφοδιασμό της αντλίας με ενέργεια, τότε τα ιόντα Νa+ και K+ εισέρχονται στο κύτταρο διαμέσου πρωτεϊνών-φορέων ή ανοικτών δίαυλων και ανατρέπουν την ωσμωτική ισορροπία με αποτέλεσμα το κύτταρο να διογκωθεί και πιθανόν να διαρραγεί(Εικόνα 2).[3]

Εικόνα 2.[5]

Άλλα κύτταρα αντιμετωπίζουν τα ωσμωτικά τους προβλήματα με διαφορετικούς τρόπους. Τα φυτικά κύτταρα αποφεύγουν τη διόγκωση και τη διάρρηξη με τα ανθεκτικά κυτταρικά τοιχώματα που διαθέτουν και μπορούν να ανεχθούν μια μεγάλη διαφορά ωσμωτικής πίεσης διαμέσου της κυτταρικής τους μεμβράνης. Το κυτταρικό τοίχωμα εξασκεί μια αντίθετη πίεση που τείνει να εξισορροπεί την ωσμωτική πίεση που δημιουργούν τα διαλυτά μόρια του κυττάρου και έτσι περιορίζει την κίνηση του νερού μέσα στο κύτταρο. Η ώσμωση, μαζί με την ενεργό μεταφορά των ιόντων μέσα στο κύτταρο έχουν ως αποτέλεσμα τη δημιουργία πίεσης σπαργής που διατηρεί τα φυτικά κύτταρα σε κατάσταση διαστολής λόγω της παρουσίας του νερού και το κυτταρικό τοίχωμα τεντωμένο. Έτσι. τα φυτικά κύτταρα μπορούν να παρομοιαστούν με μια μπάλα ποδοσφαίρου της οποίας η εξωτερική δερμάτινη επένδυση διατηρείται τεντωμένη λόγω της πίεσης που εξασκείται από την εσωτερική φουσκωμένη σαμπρέλα. Το κυτταρικό τοίχωμα ενεργεί όπως η εξωτερική δερμάτινη επένδυση της μπάλας και η κυτταρική μεμβράνη ενεργεί όπως η λαστιχένια σαμπρέλα. Η πίεση σπαργής εξυπηρετεί διάφορες λειτουργίες. Διατηρεί τους φυτικούς μίσχους σκληρούς και τα φύλλα τεντωμένα. Συμμετέχει στη ρύθμιση της ανταλλαγής αερίων διαμέσου των στομάτων -τα μικροσκοπικά "στόματα'' της επιφάνειας των φύλλων. Τα καταφρακτικά κύτταρα γύρω από τα στόματα ρυθμίζουν την πίεση σπαργής (ρυθμίζοντας τη μετακίνηση του Κ+ διαμέσου της κυτταρικής μεμβράνης) ώστε να ανοίγουν και να κλείνουν τα στόματα.[3]

Σε μερικά πρωτόζωα που ζουν στο γλυκό νερό, όπως οι αμοιβάδες, η περίσσεια του νερού που εισέρχεται συνεχώς στο κύτταρο συγκεντρώνεται σε συσπώμενα κενοτόπια τα οποία αποβάλλουν περιοδικά το περιεχόμενο τους στο εξωτερικό. Το κύτταρο επιτρέπει αρχικά στο κενοτόπιο να γεμίσει με ένα διάλυμα πλούσιο σε διαλυτά μόρια, προκαλώντας έτσι και την είσοδο του νερού λόγω ώσμωσης. Κατόπιν το κύτταρο παραλαμβάνει τα διαλυτά μόρια με ενεργό άντληση προς το κυτταροδιάλυμα και στη συνέχεια το κενοτόπιο αδειάζει στο εξωτερικό του κυττάρου. Όμως για τα περιοσότερα ζωικά κύτταρα καθοριστική σημασία για τη διατήρηση της ωσμωτικής ισορροπίας έχει η λειτουργία της αντλίας Νa+ - K+ .[3]

Το κύριο ενεργειακό χημικό νόμισμα των κυττάρων είναι το ΑΤΡ. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα, μικρές ποσότητες ΑΤΡ παράγονται κατά τη διάρκεια της γλυκόλυσης στο κυτταροδιάλυμα. Ωστόσο, το μεγαλύτερο μέρος του ΑΤΡ παράγεται στα μιτοχόνδρια (όπως επίσης και στους χλωροπλάστες των κυπάρων των φυτών και των αλγών) με διεργασίες που βασίζονται στις μεμβράνες. Πολλές παρόμοιες διεργασίες συμβαίνουν επίσης και στην κυτταρική μεμβράνη πολλών βακτηρίων. Ο βασικός μηχανισμός που χρησιμοποιείται για την παραγωγή όλου αυτού του ΑΤΡ εμφανίστηκε πολύ πρώιμα κατά την ιστορία της ζωής και ήταν τόσο επιτυχής, ώστε τα κύρια χαρακτηριστικά του διατηρήθηκαν στο μακρύ εξελικτικό ταξίδι από τους πρώιμους προκαρυώτες έως τα σημερινά κύτταρα. Η όλη διεργασία αποτελείται από δύο αλληλένδετα στάδια, τα οποία διεκπεραιώνονται και τα δυο από πρωτεϊνικά σύμπλοκα ενσωματωμένα σε μια μεμβράνη.[6]

·         Στάδιο 1. Τα ηλεκτρόνια (τα οποία προέρχονται από την οξείδωση των μορίων της τροφής η από άλλες πήγες) μεταφέρονται κατά μήκος μιας σειράς φορέων ηλεκτρονίων που είναι γνωστή ως αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, η οποία είναι ενσωματωμένη στη μεμβράνη. Η μεταφορά αυτή απελευθερώνει ενέργεια που χρησιμοποιείται για την άντληση πρωτονίων (Η+ τα οποία προέρχονται από το νερό που υπάρχει άφθονο σε όλα τα κύτταρα) διαμέσου της μεμβράνης. Έτσι, δημιουργείται μια ηλεκτροχημική βαθμίδωση πρωτονίων. Μια βαθμίδωση ιόντων διαμέσου μιας μεμβράνης είναι μια μορφή αποθηκευμένης ενέργειας. Η ενέργεια αυτή μπορεί να αξιοποιηθεί για την εκτέλεση χρήσιμου έργου όταν τα ιόντα μετακινηθούν αντίθετα διαμέσου της μεμβράνης προς τη φορά της ηλεκτροχημικής βαθμίδωσής τους.[7]

·         Στάδιο 2. Τα ιόντα των Η+ ρέουν παλίνδρομα, ακολουθώντας την ηλεκτροχημική βαθμίδωση τους διαμέσου ενός πρωτεϊνικού συμπλόκου, γνωστού ως συνθάση του ΑΤΡ. Η συνθάση του ΑΤΡ καταλύει τη σύνθεση του ΑΤΡ από ΑDΡ και ανόργανο φωσφορικό (Ρi), μια αντίδραση που απαιτεί ενέργεια. Το οικουμενικό αυτό ένζυμο χρησιμεύει σαν ένας υδροτροχός που επιτρέπει στη βαθμίδωση των πρωτονίων να προωθήσει την παραγωγή του ΑΤΡ (Εικόνα 13-3). [7]

[8]

Στη δεκαετία του 1960, όταν προτάθηκε η διασύνδεση της μεταφοράς των ηλεκτρονίων και της άντλησης των πρωτονίων με τη σύνθεση του ΑΤΡ η όλη διεργασία ονομάστηκε χημειωσμωτική υπόθεση, επειδή οι αντιδράσεις που συνθέτουν ΑΤΡ (στις οποίες σχηματίζονται χημικοί δεσμοί) συνδέονται με τις διεργασίες της μεμβρανικής μεταφοράς (ωσμωτικές διεργασίες). Το όλο φαινόμενο αναφέρεται πλέον ως χημειωσμωπκή σύζευξη .[8]

Το 1961, ο Peter Mitchell διατύπωσε την άποψη ότι η μεταφορά ηλεκτρονίων και η σύνθεση της ΑΤΡ είναι συζευγμένες με μια βαθμίδωση συγκέντρωσης πρωτονίων μεταξύ των δυο πλευρών της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης, παρά με ένα ομοιοπολικό ενδιάμεσο υψηλής ενέργειας ή μια ενεργοποιημένη στερεοδιάταξη της πρωτεΐνης. Σύμφωνα με το μοντέλο του, η μεταφορά ηλεκτρονίων δια μέσου της αναπνευστικής αλυσίδας οδηγεί σε άντληση πρωτονίων από τη μήτρα προς την άλλη πλευρά της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης. Η συγκέντρωση Η+ γίνεται μικρότερη στη μήτρα, και έτσι δημιουργείται μια διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ των δυο πλευρών της εσωτερικής μεμβράνης, αρνητική προς την πλευρά της μήτρας (Εικόνα 18.25).[9]

[9]

Η ιδέα του Mitchell που ονομάστηκε χημειωσμωτική υπόθεση ήταν ότι αυτή η πρωτονιοκίνητη δύναμη οδηγεί στη σύνθεση της ΑΤΡ από το σύμπλόκο συνθετάσης της ΑΤΡ. Η πολύ μεγάλη καινοτομία στην υπόθεση του Mitchell ότι η οξείδωση και η φωσφορυλίωση είναι συζευγμένες μέσω μιας βαθμίδωσης συγκέντρωσης πρωτονίων, υποστηρίζεται σήμερα από πολλές αποδείξεις. Πράγματι, η μεταφορά ηλεκτρονίων παράγει βαθμίδωση συγκέντρωσης πρωτονίων μεταξύ των δύο πλευρών της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης. Το pΗ εξωτερικά της μεμβράνης αυτής είναι κατά 1,4 μονάδες μικρότερο από ότι στη μήτρα, και η διαφορά δυναμικού της μεμβράνης είναι 0.14 V, με θετικό το εξωτερικό. Αυτή η διαφορά δυναμικού της μεμβράνης αντιστοιχεί σε ελεύθερη ενέργεια 5,2 Kcal (21.8 Kj) ανά γραμμομόριο πρωτονίων. [10]

Μια κομψή απόδειξη της βασικής αρχής της χημειωσμωπκής υπόθεσης έγινε με τη δημιουργία ενός τεχνητού συστήματος. Παρήχθησαν συνθετικά κυστίδια που περιείχαν βακτηριοροδοψίνη, την πορφυρή μεμβρανική πρωτεΐνη από αλοβακτήρια, που αντλεί πρωτόνια όταν φωτίζεται, και καθαρισμένη ΑΤΡάση από μιτοχόνδρια καρδιάς βοός (Εικόνα 37-26).[10]

[10]

 Όταν τα κυστίδια εκτέθηκαν στο φως, σχηματίστηκε ΑΤΡ. Αυτό το κεφαλαιώδες πείραμα έδειξε κατηγορηματικά ότι η αναπνευστική αλυσίδα και η συνθάση του ΑΤΡ είναι βιοχημικά διαφορετικά συστήματα που συνδέονται μόνο με μια πρωτονιοκίνητη δύναμη.[10]

Βιοχημικές και κρυσταλλογραφικές μελέτες, κάθως και μελέτες με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, της συνθάσης της ΑΤΡ έχουν αποκαλύψει πολλές λεπτομέρειες της δομής της (Εικόνα 18.27).

[10]

Είναι ένα μεγάλο ενζυμικό σύμπλοκο, βυθισμένο στην εσωτερική μεμβράνη, που μοιάζει με σφαίρα επάνω σε ράβδο. Η σφαίρα διαμέτρου 85Α, που ονομάζεται υπομονάδα F1, προβάλλει στη μήτρα των μιτοχονδρίων και παρουσιάσει την καταλυτική δραστικότητα της συνθάσης. Στην πραγματικότητα, απομονωμένες υπομονάδες F1, είναι έδρα της ΑΤΡάσης. Η υπομονάδα F1 περιέχει πέντε τύπους πολυπεπτιδικών αλυσίδων με στοιχειομετρία (α3β3γδε). Οι υπομονάδες α και β, που αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος της F1, είναι χωροθετημένες εναλλάξ ως ένας εξαμερής δακτύλιος. Οι αλυσίδες είναι μεταξύ τους ομόλογες και ανήκουν στην οικογένεια ΝΤΡάσης με θηλιά Ρ. Προσδένουν και οι δύο νουκλεοτίδια. αλλά μόνον οι υπομονάδες β συμμετέχουν άμεσα στην κατάλυση. Ο κεντρικός μίσχος αποτελείται από δύο πρωτεΐνες, τις γ και ε. Η υπομονάδα γ περιέχει ένα μακρύ α-ελίκωμένο σπείραμα το οποίο προεκτείνεται μέσα στο κέντρο τον εξαμερούς α3β3. Η υπομονάδα γ αναιρεί τη συμμετρία του εξαμερούς α3β3 διότι κάθε μία από υπομονάδες β είναι διακριτή λόγω της αλληλεπίδρασής της με διαφορετική όψη της γ. Η διάκριση μεταξύ των τριών υπομονάδων β είναι κρίσιμη για τον μηχανισμό σύνθεσης της ΑΤΡ.[10]

Η υπομονάδα F0 είναι ένα υδρόφοβο τμήμα που διασχίζει την εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη. Η F0 είναι ο δίαυλος πρωτονίων αυτού του συμπλόκου.

Ο δίαυλος αυτός αποτελείται από έναν δακτύλιο ο οποίος έχει από 10 έως 14 υπομονάδες c που είναι βυθισμένες στη μεμβράνη. Μια μοναδική υπομονάδα a προσδένεται στο εξωτερικό αυτού του δακτυλίου. Ο δίαυλος πρωτονίων εξαρτάται από την υπομονάδα a και από τον δακτύλιο c. Οι υπομονάδες F0και F1 συνδέονται με δύο τρόπους με τον κεντρικό μίσχο γε και με μια εξωτερική στήλη. Η τελευταία αποτελείται από μία υπομονάδα a δύο υπομονάδες b και μία υπομονάδα δ. Mπορούμε να θεωρήσουμε ότι το ένζυμο έχει δύο λειτουργικές συνιστώσες: (1) μια κινούμενη μονάδα ή περιστροφέα, που αποτελείται από τον δακτύλιο c και τον μίσχο γε, και (2) μια στατική μονάδα, ή στάτορα, που αποτελείται από το υπόλοιπο του μορίου.[10]

Ο βασικός χημειωσμωτικός μηχανισμός χρησιμοποιείται από τους περισσότερους ζωντανούς οργανισμούς. Επίσης, πολλές άλλες χημικές ουσίες μπορεί να λειτουργήσουν ως πηγή των ηλεκτρονίων που προωθούν την άντληση των πρωτονίων. Για παράδειγμα, η χημειωσμωτική σύζευξη είναι η κεντρική αντίδραση στην αερόβια αναπνοή, η οποία παράγει ΑΤΡ στα μιτοχόνδρια και τα αερόβια βακτήρια. Στην περίπτωση αυτή, τα ηλεκτρόνια τελικά προέρχονται από την οξείδωση της γλυκόζης ή των λιπαρών οξέων και το οξυγόνο δρα ως τελικός δέκτης των ηλεκτρονίων, παράγοντας νερό ως άχρηστο προϊόν (Εικόνα 13-4).[8]

[11]

Στη χημειωσμωτική σύνδεση κατά τη φωτοσύνθεση, τα απαραίτητα ηλεκτρόνια προέρχονται από την επίδραση του φωτός στην πράσινη χρωστική, τη χλωροφύλλη. Τέλος, ορισμένα βακτήρια χρησιμοποιούν ως πηγή των ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας που χρειάζονται για τη σύνθεση του ΑΤΡ διάφορες ανόργανες ουσίες, όπως το υδρογόνο, τον σίδηρο και το θειο. Η χημειωσμωτική σύζευξη πρώτα εξελίχθηκε στα βακτήρια. Επομένως, δεν πρέπει να μας ξενίζει το γεγονός ότι τα αερόβια ευκαρυωτικά κύτταρα υιοθέτησαν ακέραιους τους χημειωσμωτικούς μηχανισμούς των βακτηρίων, καταρχήν εγκολπώνοντας αερόβια βακτήρια για το σχηματισμό των μιτοχονδρίων και κάπως αργότερα, οι άλγες και τα φυτά, εκκολπώνοντας κυανοβακτήρια για το σχηματισμό των χλωροπλαστών.[11]

Όπως είδαμε η ηλεκτροχημική βαθμίδωση των πρωτονίων διαμέσου της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης χρησιμοποιείται για να προωθήσει τη σύνθεση του ΑΤΡ κατά τη διεργασία της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης (Εικόνα 13-13).[12]

[13]

Αυτό πραγματοποιείται χάρη στη συνθάση του ΑΤΡ, ένα πολύ μεγάλο μεμβρανικό ένζυμο. Το ένζυμο αυτό δημιουργεί μια υδρόφιλη δίοδο στην εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη μέσω της οποίας τα πρωτόνια είναι ελεύθερα να κινηθούν προς την κατεύθυνση της ηλεκτροχημικής βαθμίδωσής τους. Καθώς τα πρωτόνια διατρέχουν τη συνθάση του ΑΤΡ, χρησιμοποιούνται για να προωθήσουν την ενεργειακά μη ευνοϊκή αντίδραση ανάμεσα στο ΑDΡ και το Ρi από την οποία παράγεται το ΑΤΡ. Η συνθάση του ΑΤΡ έχει αρχέγονη προέλευση: το ίδιο ένζυμο υπάρχει στα μιτοχόνδρια των ζωικών κυττάρων, στους χλωροπλάστες των φυτών και των αλγών και στην κυτταρική μεμβράνη των βακτηρίων. Η δομή της συνθάσης του ΑΤΡ παρουσιάζεται στην Εικόνα 13-14. [12]

[14]

Πρόκειται για μια μεγάλη, πολυμερή πρωτεΐνη. Ένα μεγάλο ενζυμικό τμήμα της, που μοιάζει με το κεφάλι ενός "ζαχαρωτού σε ξυλάκι" προεξέχει στην εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη προς το στρώμα και συνάπτεται μέσω ενός λεπτότερου πολυμερούς πρωτεϊνικού "μίσχου" σε έναν διαμεμβρανικό φορέα για πρωτόνια. Ο ακριβής μηχανισμός της δράσης του ενζύμου δεν έχει ακόμα διαλευκανθεί. Ωστόσο πιστεύεται ότι η διέλευση των πρωτονίων από το διαμεμβρανικό φορέα κάνει τον μίσχο να περιστρέφεται γρήγορα μέσα στην κεφαλή, επάγοντας την παραγωγή ΑΤΡ. Η συνθάση είναι ικανή να συνθέτει περισσότερα από 100 μόρια ΑΤΡ ανά δευτερόλεπτο. Επίσης για κάθε μόριο ΑΤΡ που συντίθεται. τρία πρωτόνια πρέπει να διέλθουν από την καταπληκτική αυτή μηχανή.[13]

Η συνθάση του ΑΤΡ είναι μια επινόηση αντιστρεπτής σύζευξης. Μπορεί είτε να αξιοποιήσει τη ροή των πρωτονίων προς την κατεύθυνση της ηλεκτροχημικής βαθμίδωσής τους ώστε να παράγει ΑΤΡ (που είναι ο ρόλος της στα μιτοχόνδρια και την κυτταρική μεμβράνη των αερόβιων βακτηρίων) είτε να χρησιμοποιήσει την ενέργεια που απελευθερώνεται από την υδρόλυση του ΑΤΡ για να αντλήσει πρωτόνια διαμέσου μιας μεμβράνης, όπως οι αντλίες Η. (Εικόνα 13-15).

[14]

 Η επιλογή της συνθάσης ανάμεσα στη σύνθεση η την κατανάλωση του ΑΤΡ εξαρτάται από το μέγεθος της ηλεκτροχημικής βαθμίδωσης των πρωτονίων διαμέσου της μεμβράνης στην οποία βρίσκεται. Σε πολλά Βακτήρια που αυξάνονται τόσο σε αερόβιες όσο και σε αναερόβιες συνθήκες, η κατεύθυνση προς την οποία λειτουργεί η συνθάση του ΑΤΡ αντιστρέφεται όταν σταματήσει η παροχή Ο2. Στο σημείο αυτό. η συνθάση του ΑΤΡ χρησιμοποιεί ένα μέρος του ΑΤΡ που σχηματίστηκε στο εσωτερικό του κυττάρου από τη γλυκόλυση για να αντλήσει πρωτόνια στον εξωκυττάριο χώρο. Έτσι. δημιουργεί τη βαθμίδωση πρωτονίων που χρειάζεται το βακτηριακό κύτταρο προκειμένου να εισάγει τις απαραίτητες θρεπτικές ουσίες με ενεργό μεταφορά.[13]

Η σύνθεση του ΑΤΡ δεν είναι η μονή διεργασία που προωθείται από την ηλεκτροχημική βαθμίδωση των πρωτονίων. Στα μιτοχόνδρια, πολλά φορτισμένα μόρια, όπως το πυροσταφυλικό. το ΑDΡ και το Ρi αντλούνται από το κυτταροδιάλυμα προς το στρώμα, ενώ άλλα μόρια, όπως το ΑΤΡ, πρέπει να μεταφερθούν προς την αντίθετη κατεύθυνση. Πολλές μεταφορικές πρωτεΐνες διασυνδέουν τη μεταφορά με την ενεργειακά ευνοϊκή ροή των Η+ προς ίο μιτοχονδριακό στρώμα.[13]

Έτσι, το πυροσταφυλικό και το ανόργανο φωσφορικό (Ρi) συμμεταφέρονται προς τα μέσα μαζί με τα Η+ καθώς αυτά μετακινούνται προς το στρώμα. Αντίθετα, το ΑDΡ συμμεταφέρεται με το ΑΤΡ προς αντίθετες κατευθύνσεις από μια ειδική μεταφορική πρωτεΐνη. Επειδή ένα μόριο ΑΤΡ έχει ένα επιπλέον αρνητικό φορτίο από ένα μόριο ΑDΡ, κάθε ανταλλαγή των νουκλεοτιδίων καταλήγει συνολικά σε εξαγωγή ενός αρνητικού φορτίου από το μιτοχόνδριο. Επομένως, η ανταλλαγή ΑDΡ-ΑΤΡ προωθείται από τη διαφορά φορτίου διαμέσου της μεμβράνης. [14]

B. Ο ρόλος της ώσμωσης στην παθογένεια των ζωντανών οργανισμών

Ζώα

Τα βαρέως πάσχοντα μικρά ζώα συχνά παρουσιάζουν ηλεκτρολυτικές διαταραχές ποικίλης βαρύτητας που μπορεί να αφορούν σε περισσότερους του ενός ηλεκτρολύτες. Αυτές προκαλούνται είτε από την ίδια τη νόσο είτε από τις θεραπευτικές παρεμβάσεις. Συνήθως έχουν επιπτώσεις στη διεγερσιμότητα των μυϊκών κυττάρων, στην κίνηση των μορίων του νερού αλλά και ιόντων μέσω των κυτταρικών μεμβρανών και στην ακεραιότητα των τελευταίων. Μερικές φορές, η συμπτωματολογία είναι ασαφής για αυτό και στα ζώα αυτά πρέπει να γίνεται συνεχής έλεγχος της συγκέντρωσης των ηλεκτρολυτών στο αίμα. Οι σημαντικότεροι ηλεκτρολύτες είναι: το κάλιο, το νάτριο, το ασβέστιο, ο φωσφόρος, το μαγνήσιο και το χλώριο. Τελευταία, «ξεχασμένοι» ηλεκτρολύτες {μαγνήσιο, χλώριο) προσελκύουν το ενδιαφέρον στην κτηνιατρική, νέα στοιχεία προκύπτουν για άλλους (ασβέστιο, νάτριο, φωσφόρος). Στον υπολογισμό συγκεντρώσεων και δόσεων ηλεκτρολυτών, μεγάλη σημασία έχει το ατομικό βάρος τους και το σθένος τους.[15]

To χλώριο Cl- είναι εξωκυτταρικό ανιόν και συμμετέχει στη ρύθμιση της ωσμωτικότητος των υγρών του σώματος, στο ισοζύγιο του ύδατος και στην οξεοβασική ισορροπία. Στην ομοιοστασία του Cl- ρόλο παίζουν το έντερο και οι νεφροί και ως εκ τούτου πεπτικές διαταραχές και νεφρική δυσλειτουργία συμβάλλουν κατά μείζονα λόγο σε διαταραχές της συγκέντρωσης του στο αίμα. Προτείνεται η συγκέντρωση του να διορθώνεται ως προς αυτήν του νατρίου, ώστε να ανιχνεύονται οι μεταβολές που οφείλονται στις διαταραχές του ύδατος

Η υποχλωριαιμία συνήθως προκαλείται από την απώλεια υγρών πλούσιων σε Cl- και φτωχών σε νάτριο. Κάτι τέτοιο συμβαίνει σε εμετό γαστρικού περιεχομένου (π.χ. κατά τις αποφρακτικές πυλωροπάθειες κατά τον εγκλωβισμό γαστρικών εκκρίσεων στο στόμαχο, όπως στη διάταση και στροφή του στομάχου στο σκύλο) και σπανιότερα ύστερα από χορήγηση διουρητικών ή μεγάλων ποσοτήτων διαλυμάτων πλούσιων σε νάτριο αλλά χωρίς Cl- (π.χ. διττανθρακικό νάτριο). Σε αυτήν την περίπτωση, οι νεφροί αποβάλλουν περισσότερα ιόντα υδρογόνου και επαναρροφούν διττανθρακικά προκαλώντας μεταβολική αλκάλωση. Κλινικά, η επικρατούσα εικόνα είναι εκείνης του αιτιολογικού παράγοντα και της μεταβολικής αλκάλωσης και η αντιμετώπιση στηρίζεται στη χορήγηση κρυσταλλοειδών διαλυμάτων που περιέχουν.

Η υπερχλωρίαιμία μπορεί να είναι συνέπεια οξείας νεφρικής ανεπάρκειας, νεφρικής σωληναριακής οξέωσης, απώλειας νατρίου μεγαλύτερης συγκριτικά με αυτή του Cl- (π.χ. διάρροια) ή χορήγησης μεγάλης ποσότητας υγρών πλούσιων σε Cl- και φτωχών σε νάτριο όπως μπορεί να συμβεί κατά τη διόρθωση άλλων ηλεκτρολυτικών διαταραχών π.χ. με χλωριούχο κάλιο. Κατά την αφυδάτωση, η υπερχλωριαιμία συνοδεύεται με αύξηση της συγκέντρωσης του νατρίου στο αίμα. Η υπερχλωριαιμία συνοδεύεται από μεταβολική οξέωση, τα συμπτώματα της οποίας κυριαρχούν σε σχέση με εκείνα της πρωτογενούς αίτιας. Θεραπευτικά, αφού αναπληρωθούν -εφόσον υπάρχουν- οι απώλειες ύδατος, δεν αναλαμβάνεται ειδική θεραπεία πέραν της αιτιολογικής, εκτός από τις περιπτώσεις εκείνες στις οποίες η συνυπάρχουσα μεταβολική οξέωση είναι έντονη (pΗ<7,2), οπότε η υπερχλωριαιμία πρέπει να αντιμετωπίζεται.[16]

Το Κάλιο K+ είναι το κυριότερο ενδοκυτταρικό κατιόν. Η διαφορά της ενδοκυτταρικής με την εξωκυτταρική συγκέντρωση του είναι ο κυριότερος παράγοντας που ελέγχει την ηλεκτρική δραστηριότητα των μυών (σκελετικών, λείων και μυοκαρδίου). Η κυριότερη ορμόνη που επηρεάζει την ομοιοστασία του K+ είναι η αλδοστερόνη (αυξάνει την απέκκριση κυρίως από τους νεφρούς). Επίσης, η ινσουλίνη και η αδρεναλίνη προκαλούν τη μετακίνηση του ενδοκυτταρικό.

Η υπερκαλιαιμία συναντάται συχνότερα σε αποφρακτικές παθήσεις του ουροποιητικού (π.χ. αποφρακτική νόσος του κατώτερου ουροποιητικού της γάτας), σε νεφρική ανεπάρκεια (με ολιγουρία ή ανουρία) και σε ρήξη της ουροφόρου οδού και πρόκληση ουροπεριτοναίου. Παρατηρείται όμως και σε υποφλοιοεπινεφριδισμό (ειδικά σε αδισσόνεια κρίση), σε σακχαρώδη διαβήτη (κυρίως στον κετοξεωτικό), σε εκτεταμένες κακώσεις των μαλακών μορίων, σε επαναιμάτωση μετά από ισχαιμία (π.χ. θρομβοεμβολή της αορτής στη γάτα), σε ζώα που ακολουθούν χημειοθεραπεία και τέλος σε ιατρονενή υπερβολική χορήγηση K+ ή χορήγηση αναστολέων του μετατρεπτικού ενζύμου του αγγειοτασινογόνου (π.χ. εναλαπρίλη). Σε οξέωση -συνηθέστερα μεταβολική- K+ μετακινείται εξωκυτταρικό με ανταλλαγή ιόντων υδρογόνου.[17]

[18]

Άνθρωπος

Διαταραχές στην ομοιόσταση νερού και αλάτων

Η αιτία για τέτοιες διαταραχές μπορεί να αναζητηθεί στα ρυθμιστικά κυκλώματα της ομοιόστασης του νερού. Αυτό συμβαίνει συνήθως σε υπέρ- ή υπολειτουργία των ενδοκρινών αδένων, πού συμμετέχουν στη ρύθμιση (νευροϋπόφυση και φλοιός των επινεφριδίων). Διαταραχές στην ομοιόσταση νερού και αλάτων μπορούν όμως να παρουσιασθούν και σε περιπτώσεις υπερφορτίσεως των ρυθμιστικών μηχανισμών. Αυτό συμβαίνει σε πρωτογενείς νόσους άλλου τύπου, στις όποιες ή διαταραχή στην ομοιόσταση του νερού και των αλάτων είναι δευτερογενής (παρ' όλο ότι είναι συχνά επικίνδυνη για τη ζωή). Μια αρχική κατάταξη των διαταραχών αυτών μπορεί να γίνει με βάση το κριτήριο της αφυδατώσεως (απώλεια όγκου) ή της υπερυδάτωσης (αύξηση όγκου). Με βάση την ωσμωτικότητα, οι καταστάσεις αυτές μπορούν επιπλέον να υποδιαιρεθούν σε ισότονες, υπότονες και υπέρτονες.

Αφυδάτωση

Ισότονη αφυδάτωση μπορεί να προκύψει λόγω εκτεταμένης απώλειας ισότονου υγρού. Αίτια γι' αυτό είναι π.χ. εμετοί, διάρροια, συρίγγια, καθώς και απώλεια αίματος ή πλάσματος. Η υπερβολική χορήγηση διουρητικών μπορεί επίσης να οδηγήσει σε τέτοιες καταστάσεις, Κλινικά συμπτώματα είναι δίψα, κόπωση και αδυναμία, Η ελάττωση του όγκου του αίματος οδηγεί σε ταχυκαρδία με τάση καταρρεύσεως ' Ο όγκος των ούρων ελαττώνεται πολύ, ενώ οι ουσίες που πρέπει να αποβληθούν από τα ούρα δεν μπορούν να απεκκριθούν στις αναγκαίες ποσότητες και έτσι προκαλείται ουραιμία.

Υπότονη αφυδάτωση. Μετά από μεγάλη ελάττωση του όγκου του εξωκυτταρικού υγρού, λόγω απώλειας νατρίου, ό οργανισμός εγκαταλείπει την ωσμωρρύθμιση και προσπαθεί να κρατήσει σταθερό τον όγκο αυξάνοντας την επαναρρόφηοη νερού. Το υγρό γίνεται τότε υπότονο. Σαν πρωτογενή αίτια θεωρούνται οι ίδιες νόσοι πού οδηγούν στην ισότονη αφυδάτωση, εφ' όσον παρουσιάζουν συνεχή απώλεια Να+.

Κλινικά συμπτώματα: Στα συμπτώματα πού αναφέραμε παραπάνω προστίθενται εγκεφαλικές διαταραχές (αφαίρεση, πυρετός, παραλήρημα, εγκεφαλικοί σπασμοί) λόγω της προσβολής της νευρικής λειτουργίας από την έλλειψη νατρίου στο εξωκυτταρικό υγρό. Συχνά τα συμπτώματα είναι βαρύτατα, αφού ή έλλειψη υγρών επιτείνεται με την, για ωσμωτικούς λόγους, είσοδο νερού στα κύτταρα.

Η υπέρτονη αφυδάτωση οφείλεται συνήθως σε μη επαρκή χορήγηση νερού και παρατηρείται είτε σε καταστάσεις λειψυδρίας, είτε σε βαριά άρρωστους και σε παιδιά πού δεν μπορούν να πιουν αρκετά υγρά. Απώλεια νερού παρατηρείται και σε καταστάσεις υπερβολικής εφιδρώσεως, μετά από υπεραερισμό, διάρροιες ή σε πολυουρία (στον όποιο διαβήτη). Τέτοιες καταστάσεις δημιουργούνται επίσης στο σακχαρώδη διαβήτη με έντονη γλυκοζουρία. Σ' αυτές τις μορφές αφυδατώσεως είναι ελαττωμένος και ο ενδοκυτταρικός όγκος (γενική αφυδάτωση). Κλινικά συμπτώματα είναι, εκτός από την έντονη δίψα, και η ελαττωμένη σπαργή του δέρματος, ξηροί βλεννογόνοι, η ολιγουρία με ούρα υψηλού ειδικού βάρους και η ελάττωση του όγκου του ενδαγγειακού υγρού.

Υπερυδάτωση

Η ισότονη υπερυδάτωση χαρακτηρίζεται από αύξηση του εξωκυτταρικού όγκου, κυρίως του διάμεσου χώρου. Αίτια γι’ αυτό είναι συνήθως η ανεπαρκής απέκκριση νατρίου ή η υπερβολική κατακράτηση νατρίου. Ο ενδοκυτταρικός όγκος δεν μεταβάλλεται. Κύριο κλινικό σύμπτωμα είναι τα εκτεταμένα οιδήματα, συνήθως γενικευμένα, με ανάλογη αύξηση βάρους. Στην καρδιακή ανεπάρκεια -μια συνηθισμένη αίτια υπερυδατώσεως- είναι επίσης αυξημένος και ο όγκος του αίματος

Ο σχηματισμός οιδήματος χαρακτηρίζει κατάσταση διαταραγμένης ανταλλαγής υγρών στην περιοχή των τριχοειδών. Σε καταστάσεις αυξημένης υδροστατικής πιέσεως συγκεντρώνονται υπερβολικές ποσότητες υγρού στον μεσοκυττάριο χώρο, σε καταστάσεις ελαττωμένης συγκεντρώσεως λευκώματος στο πλάσμα (σύνδρομο ελλείψεως πρωτεϊνών, νεφρωσικό σύνδρομο) η κολλοειδωσμωτική πίεση στην περιοχή των φλεβών δεν επαρκεί για να επιτευχθεί η κανονική επαναρρόφηση των υγρών.

Η υπότονη υπερυδάτωση χαρακτηρίζεται από το ότι και ο ενδοκυτταρικός όγκος έχει αυξηθεί. Αιτία είναι συνήθως η υπερβολική πρόσληψη νερού, λόγω νεφρικών και ηπατικών νόσων ή λόγω καρδιακής ανεπάρκειας. Φαίνεται, ότι συνήθως συνυπάρχει αυξημένη απέκκριση αντιδιουρητικής ορμόνης (βλάβη στη ρύθμιση). Τα κλινικά συμπτώματα προκαλούνται συνήθως από την αύξηση του ενδοκυτταρικού όγκου στο κεντρικό νευρικό σύστημα: αυξημένη ενδοκρανιακή πίεση, πονοκέφαλοι, ναυτία και εμετοί, σύγχυση.

Η υπέρτονη υπερυδάτωση είναι σπανία. Οφείλεται στην πρόσληψη περισσότερου νατρίου παρά νερού, π.χ. κατά την πόση θαλασσινού νερού από τους ναυαγούς ή κατά την έγχυση υπέρτονου διαλύματος χλωριούχου νατρίου. Λόγω της αυξημένης ωσμωτικότητας εξέρχεται νερό από τα κύτταρα στους εξωκυτταρικούς χώρους, δηλαδή δημιουργείται κυτταρική αφυδάτωση, με σύγχρονη αύξηση του εξωκυτταρικού υγρού. Στην κλινική εικόνα δεσπόζουν οι βαριές εγκεφαλικές βλάβες λόγω της κυτταρικής αφυδατώσεως.

Διαταραχή στην ομοιόσταση του Να+ και Cl-

Yπάρχει στενή σύνδεση μεταξύ συγκεντρώσεως Να+, ωσμωτικότητας και ομοιοστάσεως νερού. Η υπερνατριαιμία αντιστοιχεί σε αύξηση της ωσμωτικής πιέσεως. Μπορεί να παρουσιασθεί σαν υπέρτονη αφυδάτωση ή (σπανιότερα) σαν υπέρτονη υπερυδάτωση Τα αντίστοιχα συμπτώματα αναφέρθηκαν προηγουμένως. Αντίστροφα, ή υπονατριναιμία αντιστοιχεί στην υπότονη αφυδάτωση ή στην υπερυδάτωση, πού αναφέραμε παραπάνω.

Υπερχλωραιμία. Η συγκέντρωση των ιόντων χλωρίου ακολουθεί, σε γενικές γραμμές, τη συγκέντρωση των ιόντων νατρίου και ρυθμίζεται κατά τον ίδιο τρόπο. Μεμονωμένη υποχλωραιμία (χωρίς συμμετοχή του νατρίου) μπορεί να παρουσιασθεί σε επίμονους εμετούς ή σε αφαίρεση του γαστρικού υγρού πού είναι πλούσιο σε ΗCl σ' αυτές τις περιπτώσεις χάνεται μόνο Cl- όχι Να+. Το χλωριούχο ανιόν αντικαθίσταται κυρίως από ΗCΟ3- εμφανίζεται έτσι υποχλωραιμική αλκάλωση που μπορεί να συνοδεύεται με συμπτώματα τετάνου (στομαχικός τέτανος).[19]

Η αιμολυτική αναιμία είναι το αποτέλεσμα της καταστροφής των ερυθρών αιμοσφαιρίων. Τα ερυθρά αιμοσφαίρια ζουν περίπου 120 μέρες. Αν η καταστροφή των ερυθρών αιμοσφαιρίων δεν μπορεί να αντιρροπιστεί από την παραγωγή καινούριων ερυθρών αιμοσφαιρίων, τότε ο οργανισμός θα οδηγηθεί σε αιμολυτική αναιμία.
Κατά αρχήν, οι αιμολυτικές αναιμίες χωρίζονται σε συγγενείς και επίκτητες.

Στις επίκτητες αναιμίες συμπεριλαμβάνονται μεταξύ άλλων η αυτοάνοση αιμολυτική αναιμία (ο ίδιος ο οργανισμός καταστρέφει τα ερυθρά αιμοσφαίρια) και το αιμολυτικό ουραιμικό σύνδρομο (αναιμία με ελάττωση της λειτουργίας των νεφρών). [20]

Σε περίπτωση που μεταφερθεί ενέσιμα ποσότητα απεσταγμένου νερού (υποτονικό διάλυμα) στο αίμα, λόγω της ώσμωσης και της πολύ μεγαλύτερης συγκέντρωσης στα ερυθρά αιμοσφαίρια θα γίνει πλασμόλυση των κυττάρων που μπορεί να προκαλέσει αιμολυτική αναιμία και τον θάνατο του ατόμου.

Αν τώρα συμβεί το αντίθετο δηλαδή μεταφερθεί ενέσιμα ποσότητα υπέρτονου διαλύματος στο αίμα αυτό θα προκαλέσει ( ενδοκυττάρια αφυδάτωση ), θρόμβωση, εμβολή και τελικά τον θάνατο.

Όταν τραυματιζόμαστε, ενεργοποιείται ο μηχανισμός πήξεως του αίματος, ώστε να σταματήσει η αιμορραγία. Έτσι, απελευθερώνεται στην παρακείμενη περιοχή πλήθος χημικών ουσιών, που ενεργοποιούν το αίμα και το κάνουν να πήζει. Για να εμποδιστεί το αίμα να πήξει υπερβολικά πολύ δημιουργώντας θρόμβους, και μάλιστα σε λάθος χρονικές στιγμές, ο οργανισμός μας παράγει επίσης άλλες χημικές ουσίες με φυσικές αντιθρομβωτικές ή αιμολυτικές ικανότητες. Ο όρος θρόμβωση, λοιπόν, χρησιμοποιείται για να περιγραφεί η δημιουργία ενός θρόμβου αίματος.[21]

[5]

Για παράδειγμα μπορούμε να αναφέρουμε την χρήση νοθευμένων ναρκωτικών ουσιών π.χ. ηρωίνης με ζάχαρη άχνη που μπορεί να προκαλέσει τον θάνατο του χρήστη λόγω της υπερβολικής και απότομης αύξησης της συγκέντρωσης της γλυκόζης στον ορό του αίματος και την πλασμόλυση των ερυθροκυττάρων. Τονίζουμε πως η διαφορά συγκέντρωσης θα πρέπει να είναι σημαντική για να προκληθεί βλάβη στην υγεία.

Yπερκαλιαιμία- υπoκαλιαιμία

Τα διουρητικά αυξάνουν τη νεφρική απέκκριση νατρίου (νατριουρητικά) ή αποβαλλόμενα τα ίδια (ωσμωτικώς δρώντα) συμπαρασύρουν νερό αυξάνοντας έτσι τη διούρηση. Χορηγούνται για να μειωθεί ο βαθμός ενυδάτωσης τον οργανισμού. Σε ανουρία (ή έντονη ολιγουρία) συνήθως δε δρουν. Από τα νατριουρητικά, οι θειαζίδες (και τα παρόμοιας δράσης), τα διουρητικά της αγκύλης και οι αναστολείς της καρβοανυδράσης σνναπεκκρίνουν κάλιο (καλιοουρητικά). Αντιθέτως, οι ανταγωνιστές της αλδοστερόνης και τα προστατευτικά της απώλειας καλίου μειώνουν την αποβολή του. Οι αναστολείς της καρβοανυδράσης, πολύ ήπια διουρητικά, έχουν περιορισμένη εφαρμογή στην αντιμετώπιση τον γλαυκώματος[22]

Ανεπιθύμητη ενέργεια των ανταγωνιστών της αλδοστερόνης και των προστατευτικών της απώλειας καλίου διουρητικών είναι η υπερκαλιαιμία, ενώ των καλιουρητικών η υποκαλιαιμία. Γι' αυτό, σε χρόνια χορήγηση, συχνά συνδυάζονται ένα φάρμακο της μίας κατηγορίας με ένα της άλλης. Κοινή ανεπιθύμητη ενέργεια και των δύο κατηγοριών είναι η υπονατριαιμία. 'Ολων των διουρητικών πιθανή ανεπιθύμητη ενέργεια είναι η αφυδάτωση, ιδιαιτέρως όταν συνυπάρχουν και άλλοι παράγοντες, όπως π.χ. πυρετός, διάρροια και ιδίως σε ηλικιωμένα άτομα τους θερινούς μήνες.[22]

Η φουροσεμίδη ενδέχεται να μειώσει το ασβέστιο τον ορού, ενώ οι θειαζίδες να το αυξήσουν. Τα ωσμωτικώς δρώντα ενδέχεται, πριν εκδηλώσουν τη διουρητική τους δράση, να αυξήσουν τον όγκο αίματος της κυκλοφορίας και να επιδεινώσουν προϋπάρχουσα καρδιακή ανεπάρκεια. Όλα μπορούν να προκαλέσουν αύξηση της ουρίας, αλλά η ουραιμία δεν είναι απόλυτη αντένδειξη στη χορήγησή τους (αντιθέτως, αν οφείλεται σε μείωση της σπειραματικής διήθησης από καρδιακή ανεπάρκεια, ενδέχεται να μειωθεί με κατάλληλα διουρητικά).[22]

Σακχαρώδης διαβήτης

Πρόκειται για μία αρκετά συχνή διαταραχή του μεταβολισμού η οποία χαρακτηρίζεται από αυξημένη γλυκόζη (σάκχαρο) αίματος. Υπεύθυνη γι' αυτό είναι η μειωμένη έκκριση ινσουλίνης ή η μειωμένη της δράση ή ο συνδυασμός και των δύο. Η χρόνια αυτή υπεργλυκαιμία συνδυάζεται με μακροχρόνια βλάβη, δυσλειτουργία και ανεπάρκεια διαφόρων οργάνων και κυρίως των οφθαλμών, των νεφρών, των νεύρων, της καρδιάς και των αρτηριών. Σχεδόν κάθε τροφή που τρώτε ο οργανισμός σας έχει την ικανότητα να τη μετατρέπει σε γλυκόζη (σάκχαρο). Η γλυκόζη είναι η βασική τροφή (ενέργεια) των κυττάρων. Για να μπορέσει όμως η γλυκόζη να μπει μέσα στα κύτταρα, είναι απαραίτητη μία ορμόνη, η ινσουλίνη. Η ορμόνη αυτή εκκρίνεται από το πάγκρεας (πρόκειται για ένα μεγάλο αδένα που βρίσκεται πίσω από το στομάχι). Όταν λοιπόν το πάγκρεας δεν παράγει αρκετή ινσουλίνη ή η ινσουλίνη που παράγει δεν δρα σωστά, τότε η γλυκόζη που παίρνετε από τις τροφές δεν εισέρχεται μέσα στα κύτταρα και επομένως παραμένει στο αίμα με αποτέλεσμα να έχετε υψηλό σάκχαρο αίματος, δηλαδή διαβήτη. [24]

Τα συμπτώματα του διαβήτη είναι: η αυξημένη όρεξη (πολυφαγία), η αυξημένη δίψα (πολυδιψία), η συχνή και μεγάλη σε ποσότητα ούρηση (πολυουρία), η απώλεια βάρους και μερικές φορές διαταραχή της όρασης. Υπάρχουν όμως και περιπτώσεις χωρίς κανένα από τα παραπάνω συμπτώματα. Άλλες συνέπειες της υπεργλυκαιμίας είναι η διαταραχή της ανάπτυξης στα παιδιά και η ευαισθησία στις λοιμώξεις. Οι οξείες επιπλοκές του αρύθμιστου διαβήτη είναι η υπεργλυκαιμία με κετοοξέωση ή το μη κετωτικό υπερωσμωτικό σύνδρομο.[24]

H εμφάνιση των επιπλοκών είναι διαφορετική και διακρίνονται σε οξείες και χρόνιες. Στις οξείες επιπλοκές συμπεριλαμβάνονται η υπογλυκαιμία, η διαβητική κετο-οξέωση, η υπεργλυκαιμία, το υπερωσμωτικό μη κετονικό κώμα. Tο τελευταίο χαρακτηρίζεται από αύξηση της ωσμωτικότητας του ορού πάνω από 330mosm/l και της γλυκόζης του αίματος πάνω από 600mgr/dl, χωρίς οξέωση. Προδιαθεσικοί παράγοντες είναι τραύμα, σήψη και ηλικιωμένα άτομα με διαβήτη. H υπεργλυκαιμία προκαλεί αξιοσημείωτη ωσμωτική διούρηση και αφυδάτωση. Άρρωστοι ευαίσθητοι στην πιο πάνω κατάσταση είναι διαβητικοί όλων των τύπων, ιδιαίτερα αυτοί με νεφρική ανεπάρκεια, κατά τη διάρκεια καρδιοχειρουργικής επέμβασης και εντερικής ή παρεντερικής διατροφής.[23]

Οι μακροχρόνιες επιπλοκές του διαβήτη είναι η αμφιβληστροειδοπάθεια με απώτερη επιπλοκή την τύφλωση, η νεφροπάθεια που μπορεί να οδηγήσει σε νεφρική ανεπάρκεια, η περιφερική νευροπάθεια με τον κίνδυνο των ελκών των κάτω άκρων, των ακρωτηριασμών και των αρθρώσεων Charcot και τέλος η αυτόνομη νευροπάθεια που προκαλεί γαστρεντερικά, ουρογεννητικά και καρδιαγγειακά συμπτώματα, όπως επίσης και σεξουαλική δυσλειτουργία. Οι διαβητικοί ασθενείς έχουν αυξημένη συχνότητα αθηροσκλήρωσης και κατά συνέπεια στεφανιαίας νόσου, περιφερικής αγγειοπάθειας και εγκεφαλικών επεισοδίων. Η υπέρταση και η δυσλιπιδαιμία ανευρίσκονται με μεγαλύτερη συχνότητα στα διαβητικά άτομα. [24]

Χρόνια διάρροια

Aπό πλευράς παθοφυσιολογίας, η χρόνια διάρροια διακρίνεται σε τέσσερις κατηγορίες: την ωσμωτική, την εκκριτική, τη φλεγμονώδη και αυτήν που οφείλεται σε διαταραχή της κινητικότητας του γαστρεντερικού σωλήνα. Πολλές φορές μπορεί να συνυπάρχουν δύο ή περισσότερες από τις παραπάνω καταστάσεις. H ωσμωτική διάρροια προκαλείται από την παρουσία μη απορροφήσιμων ωσμωτικά ενεργών μορίων στο γαστρεντερικό σωλήνα (π.χ. δυσαπορρόφηση υδατανθράκων) και σταματά όταν η σίτιση διακοπεί. Παράδειγμα ωσμωτικής διάρροιας αποτελεί η δυσαπορρόφηση υδατανθράκων, με πιο συχνή αυτή της λακτόζης από επίκτητη ανεπάρκεια του ενζύμου λακτάση. Aντίθετα, η εκκριτική διάρροια προκαλείται από την ενεργό έκκριση ύδατος και ηλεκτρολυτών από το εντεροκύτταρο και παραμένει ακόμη και μετά τη διακοπή της σίτισης. Στην αμιγή εκκριτική διάρροια τα κόπρανα δεν περιέχουν αίμα ή λευκοκύτταρα. Παραδείγματα εκκριτικής διάρροιας αποτελούν οι συγγενείς διαμαρτίες μεταφοράς ηλεκτρολυτών μέσω του εντερικού επιθηλίου, όπως η συγγενής χλωροδιάρροια και οι νευροενδοκρινικοί όγκοι (νευροβλάστωμα, γαγγλιονευ-ροβλάστωμα).[25]

Υπογκαιμία από Νεφρικά Αίτια: Νεφρικές βλάβες : ΧΝΑ, ωσμωτική διούρηση, σωληναριακές βλάβες (σωληναριακή οξέωση, νεφρογενής άποιος διαβήτης, διουρητικά, μεταποφρακτική διούρηση, σ. Barttler) Έλλειψη ορμονών : υποφυσιογενής άποιος διαβήτης, ανεπάρκεια αλδοστερόνης (νόσος Addison, διάμεση νεφρίτιδα)[26]

Υπερωσμωτικές καταστάσεις-υπερνατριαιμία

Το νάτριο συμμετέχει στη διατήρηση της ωσμωτικής πίεσης, στη ρύθμιση της οξεοβασικής ισορροπίας και στη διεγερσιμότητα των μυών και των νεύρων. Περιέχεται, εκτός από το επιτραπέζιο αλάτι, στο γάλα, στα πράσινα φύλλα των λαχανικών, στο αβγό κ.ά. Οι ημερήσιες ανάγκες σε νάτριο υπολογίζονται σε 2mEq/kg.[26]

Η υπερνατριαιμία εκτός από τις σπάνιες περιπτώσεις χορήγησης αυξημένων ποσοτήτων νατρίου, αποτελεί βασικά διαταραχή που αφορά στο ισοζύγιο του ύδατος. Μπορεί δηλαδή να προκληθεί όταν αυξηθεί το νάτριο του οργανισμού, αναλογικά περισσότερο σε σχέση με το ύδωρ του ή όταν ελαττωθούν και τα δύο, αλλά αναλογικά περισσότερο το ύδωρ. Βέβαια αν το αίσθημα της δίψας λειτουργεί φυσιολογικά, είναι πολύ δύσκολο να υπάρξει υπερνατριαιμία, όσο σημαντική κι αν είναι η απώλεια ύδατος. Έτσι παρά το γεγονός ότι το αίσθημα της δίψας διεγείρεται σε μεγαλύτερη αύξηση της ωσμωτικής πίεσης, σε σχέση με τη διέγερση έκκρισης της ADH, αποτελεί βασικό αμυντικό μηχανισμό έναντι της πιθανότητας πρόκλησης υπερνατριαιμίας από απώλεια ύδατος. Άρα σε κάθε περίπτωση απώλειας ύδατος ή υπότονου διαλύματος, προκαλείται υπερνατριαιμία μόνο όταν δεν προσλαμβάνεται ύδωρ. Φυσικά αυτό μπορεί να συμβεί σε περιπτώσεις κακής ιατρικής εκτίμησης ασθενών που δεν έχουν τις αισθήσεις τους και λαμβάνουν υγρά παρεντερικά, αλλά και σε υποθαλαμικές βλάβες, όπου δεν λειτουργεί φυσιολογικά το αίσθημα της δίψας.[27]

Υπερτονικές ή υπερωσμωτικές είναι οι καταστάσεις όπου η σχέση διαλελυμένων σωματιδίων προς το ολικό ύδωρ του οργανισμού αυξάνεται (όλες οι υπερνατριαιμικές καταστάσεις είναι υπερωσμωτικές), αυτές δε που οδηγούν σε κώμα είναι όσες συνοδεύονται από ωσμωτική πίεσης ορού>350 mOsmol/L. Η υπερωσμωτικότητα μπορεί να οφείλεται σε εξωγενή ωσμώλια, όπως στη χορήγηση παρεντερικής διατροφής, στη χορήγηση υπέρτονων νατριούχων ορών, στη δηλητηρίαση με αιθανόλη, μαννιτόλη ή και εθυλενογλυκόλη. Τα ενδογενή μόρια που μπορούν να προκαλέσουν υπερωσμωτικότητα διαπιστώνονται σε υπερκαταβολικούς ασθενείς (ουρία), σε ασθενείς με σακχαρώδη διαβήτη και υπεργλυκαιμικό μη κετοξικό κώμα (γλυκόζη) κ.ά.. Τελικά στις καταστάσεις αυτές ο εγκέφαλος συρρικνώνεται, αν και τα κύτταρά του όταν τους δίδεται χρόνος τείνουν να διατηρήσουν τον όγκο τους, παράγοντας ωσμωτικά δραστικά μόρια, τα "ιδιογενή ωσμώλια", τα οποία και περιορίζουν τη διαφορά ωσμωτικότητας εκατέρωθεν της κυτταρικής τους μεμβράνης. Αυτό σημαίνει ότι η γρήγορη διόρθωση ενός υπερωσμωτικού κώματος, μπορεί να προκαλέσει θανατηφόρο ιατρογενές εγκεφαλικό οίδημα, το οποίο για να αποφευχθεί πρέπει κατά τη χορήγηση υγρών να ελαττώνεται η ωσμωτική πίεσης κατά λιγότερο από 2 mΟsmol/ώρα.[27]

Υπερνατριαιμία είναι η κατάσταση κατά την οποία η συγκέντρωση του νατρίου του ορού ξεπερνά τα 145 mEq/L, η οποία ωστόσο είναι αδύνατο να επιτευχθεί με υπερβολική λήψη νατρίου από το στόμα (επειδή παράλληλα διεγείρεται το αίσθημα της δίψας). Συνοδεύεται πάντοτε από υπερωσμωτικότητα, αφού το νάτριο αποτελεί το κύριο κατιόν από το οποίο εξαρτάται η παράμετρος αυτή και η οποία δημιουργεί ωσμωτική κλίση, που προκαλεί μετακίνηση ύδατος από τον ενδοκυττάριο προς τον εξωκυττάριο χώρο. Βέβαια και η συσσώρευση μορίων όπως η γλυκόζη και η ουρία μπορούν να οδηγήσουν σε υπερωσμωτικές καταστάσεις, δεν προκαλούν όμως κλινικές εκδηλώσεις, αφού η αύξηση της ωσμωτικότητας αφορά τόσο στον ενδοκυττάριο, όσο και στον εξωκυττάριο χώρο. Δηλαδή οι ουσίες αυτές ενώ αυξάνουν την ωσμωτικότητα, δεν μεταβάλλουν την τονικότητα του εξωκυττάριου χώρου, από την οποία εξαρτάται η μετακίνηση του ύδατος. Υπερτονικές λοιπόν είναι οι καταστάσεις όπου αυξάνεται στον εξωκυττάριο χώρο η συγκέντρωση ουσιών που αδυνατούν να διέλθουν ελεύθερα τις κυτταρικές μεμβράνες (μαννιτόλη ή γλυκόζη επί απουσίας ινσουλίνης) και οδηγούν στην μείωση του ύδατος του ενδοκυττάριου χώρου, λόγω μετακίνησής του προς τα έξω. Υπερνατριαιμία βέβαια υπάρχει και όταν η απώλεια του ύδατος ξεπερνά αυτή του νατρίου, σε συνδυασμό με μειωμένη πρόσληψη ύδατος (κακή λειτουργία του αισθήματος της δίψας ή αδυναμία πρόσληψης ύδατος από ηλικιωμένα ή κατακεκλιμένα άτομα, βρέφη κ.α). Στα ηλικιωμένα άτομα είναι πολύ συχνή (αφορά στο 1% περίπου των ασθενών άνω των 60 ετών που νοσηλεύονται στα νοσοκομεία, όπου το 43% έχει τη διαταραχή αυτή πριν την εισαγωγή του).

Αιτίες: Υπερωσμωτικότητα μπορεί να προκύψει από αύξηση των σωματιδίων που δρουν ωσμωτικά ή από απώλεια ύδατος. Οι κύριες αιτίες κλινικά σημαντικής υπερνατριαιμίας αποτελούν συνέπειες τριών κυρίως παθολογικών μηχανισμών : α) Της διαταραχής του αισθήματος της δίψας, β) της ωσμωτικής διούρησης και γ) της υπερβολικής απομάκρυνσης ύδατος δια των νεφρών ή άλλης οδού.[27]

Διαταραχές στην ομοιόσταση του μαγνησίου

Υπερμαγνησιαιμία. Βλάβες με πολύ μεγάλες αυξήσεις του μαγνησίου στο πλάσμα (πάνω από 2,5 mmol/l) είναι σπάνιες. Μπορούν όμως να παρατηρηθούν σε περιπτώσεις μαζικής χορηγήσεως ΜgSΟ4 σαν καθαρτικού, μετά από εγχύσεις υγρών που περιέχουν Μg2+ η σε πλασματοκαθάρσεις στις οποίες το υγρό της καθάρσεως είναι πλούσιο σε Μg2+. Η νόσος εκδηλώνεται με νευρομυϊκές διαταραχές, όμοιες με τις του κουράριου ενώ σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις μαγνησίου εμφανίζεται λήθαργος, μυϊκή αδυναμία και αδυναμία ουρήσεως. Τα οξέα συμπτώματα ελαττώνονται ή εξαφανίζονται με έγχυση ασβεστίου.

Υπομαγνησιαιμία μπορεί να οφείλεται είτε σε ελαττωμένη πρόσληψη μαγνησίου, π,χ, στο χρόνιο αλκοολισμό, ή σε απώλεια από τα νεφρά ή το έντερο. Στον υπερθυρεοειδισμό παρατηρείται αυξημένη αποβολή Μg2+ ώστε να είναι δυνατή η πρόκληση υπομαγνησιαιμίας, Άλλες αιτίες είναι ό υπερπαραθυρεοειδισμός και ο υπεραλδοστερονισμός. Στην κλινική, ή έλλειψη Μg2+ εκδηλώνεται σαν νευρομυϊκή υπερευαισθησία, με σπασμούς, τρόμο, τετανία και ταχυκαρδία.[28]

Διαταραχές στην ομοιόσταση του ασβεστίου και του φωσφορικού

Οι διαταραχές αυτές είναι συνήθως δευτερογενούς φύσεως και προκαλούνται συχνά από υπέρ-και υπολειτουργία των ενδοκρινών αδένων που συμμετέχουν στη ρύθμιση του ασβεστίου. Η υπερασβεστιαιμία οφείλεται συνήθως στην υπερβολική μετακίνηση Ca2+ από τα οστά. Συχνή αίτια γι αυτό είναι μια πρωτογενής υπερλειτουργία του παραθυρεοειδούς και πιο σπάνια μια έκτοπη παραγωγή παραθορμόνης. Η υπερασβεοτιαιμία μπορεί επίσης να προκληθεί από υπερβολική απορρόφηση ασβεστίου (π.χ, σε λήψη υπερβολικών ποσοτήτων γάλακτος). Ή υπερβιταμίνωση D οδηγεί επίσης σε αυξημένη απορρόφηση καί μετακίνηση ασβεστίου από τα οστά και έτσι σε υπερασβεστιαιμία. Κλινικά συμπτώματα είναι βλάβη των νεφρών, σε χρόνιες περιπτώσεις με σχηματισμό λίθων, σε οξείες περιπτώσεις με πολυουρία, που καταλήγει σε υποκαλιαιμία. Λόγω αντίθετης μετατοπίσεως του Κ+ καί του Ca2+ μεταβάλλεται δραστικά ή σχέση του Szent-Gyorgy, με πρόκληση νευρολογικών και νευρομυϊκών διαταραχών, πού εμφανίζονται και στο ηλεκτροκαρδιογράφημα, Η υπασβεστιαιμία οφείλεται είτε σε υπολειτουργία των παραθυρεοειδών αδένων, είτε συχνότερα, σε ελαττωμένη πρόσληψη ή απορρόφηση Ca2+ λόγω ελλείψεως βιταμίνης D ή λόγω μη επαρκούς μετατροπής της βιταμίνης D στην ενεργό της μορφή. Αυτό συμβαίνει σε νεφρική ανεπάρκεια και σε διαταραχές της απορροφήσεως. Κλινικά εκδηλώνεται κυρίως με νευρομυική υπερδιεγερσιμότητα, σπασμούς και, σε βαρύτερες μορφές, με τετανία. Σε περιπτώσεις ελαττωμένης συγκεντρώσεως ασβεστίου στο πλάσμα, ή ισορροπία μεταξύ προσδεμένου σε πρωτείνη και ιοντισμένου ασβεστίου μπορεί, λόγω οξεώσεως, να μετατοπισθεί τόσο πολύ προς τη μεριά του ιονισμένου τμήματος, ώστε να μην παρουσιάζονται κλινικά συμπτώματα. Η αλκάλωση οδηγεί σε αντίθετη μετατόπιση: λόγω της αυξήσεως του pΗ οι πρωτείνες του πλάσματος παίρνουν ένα έντονο ανιοντικό χαρακτήρα, δεσμεύουν αυξημένα ποσά ασβεστίου και διευκολύνουν έτσι την υπερδιεγερσιμότητα.

Υπερφωσφαταιμία. Παρατηρείται συχνά μαζί με υπασβεστιαιμία. π.χ, σε υποπαραθυρεοειδισμό και σε νεφρική ανεπάρκεια. Η νεφρική ανεπάρκεια οδηγεί, λόγω ανεπαρκούς καθάρσεως, σε ελάττωση της απεκκρίσεως του φωσφορικού και αύξηση του στο πλάσμα.

Σημασία έχει και ό δευτερογενής υπερπαραθυρεοειδισμός. Στις περισσότερες όμως μορφές του δευτερογενούς υπερπαραθυρεοειδισμού ή συγκέντρωση των φωσφορικών είναι φυσιολογική. Αύξηση του φωσφορικού και του ασβεστίου στο πλάσμα παρατηρείται σε δηλητηριάσεις με βιταμίνη D.

Υποφωσφαταιμία. Ελάττωση του φωσφορικού του πλάσματος παρατηρείται σε πρωτογενή υπερπαραθυρεοειδισμό και στη ραχίτιδα.. Είναι το σημαντικότερο κλι-νικοχημικό εύρημα στην ιδιοπαθή υποφωσφαταιμική ραχίτιδα. Ή ανωμαλία αυτή κληρονομείται με χαρακτήρα φυλοσύνδετο επικρατητικό. Η επαναρρόφηση του φωσφορικού στους νεφρούς είναι ελαττωμένη, με αποτέλεσμα υπερφωσφατουρία και υποφωσφαταιμία. Ή εντερική απορρόφηση Ca2+ είναι ελαττωμένη, πιθανώς λόγω μη επαρκούς σχηματισμού της 1,25-διυδροξυχοληκαλσιφερόλης στους νεφρούς. Μεταβολές από τα οστά δεν είναι υποχρεωτικές, αλλά αποτελούν συχνά σύμπτωμα της νόσου. Στις περισσότερες περιπτώσεις παρατηρείται φυσιολογική συγκέντρωση του ασβεστίου του πλάσματος. Πάντως έχουν περιγραφεί περιπτώσεις με υπασβεστιαιμία.[29]

Όγκοι και ωσμωλικότητες του εξωκυττάριου και του ενδοκυττάριου υγρού σε παθολογικές καταστάσεις.

Οι ανωμαλίες στη σύσταση και τον όγκο υγρών του σώματος περιλαμβάνονται μεταξύ των συνηθέστερων και των πλέον σημαντικών κλινικών προβλημάτων, και αφορούν σχεδόν όλους του βαρέως ασθενείς που νοσηλεύονται σε νοσοκομεία. Για την κατανόηση και Η κυτταρική μεμβράνη είναι διαπερατή από το νερό (Εικόνα 11-20).

θεραπευτική αντιμετώπιση αυτών των διαταραχών απαιτείται η γνώση των διακινήσεων των υγρών μεταξύ του ενδοκυττάριου και του εξωκυττάριου διαμερίσματος πριν και μετά τη θεραπευτική αντιμετώπιση. Μερικοί από τους διάφορους παράγοντες που μπορούν να προκαλέσουν σημαντική μεταβολή στον όγκο του εξωκυττάριου και ενδοκυττάριου υγρού είναι η πρόσληψη νερού, η αφυδάτωση, οι ενδοφλέβιες εγχύσεις διαλυμάτων διαφόρων τύπων, η απώλεια μεγάλης ποσότητας υγρού από τη γαστρεντερική οδό, και απώλεια παθολογικής ποσότητας υγρού με εφίδρωση είτε από τους νεφρούς. Μπορεί κανείς να υπολογίσει τόσο τις μεταβολές του όγκου του ενδοκυττάριου και του εξωκυττάριου υγρού όσο και τους τύπους της θεραπευτικής αντιμετώπισης που πρέπει να εφαρμοσθεί εφόσον ληφθούν υπόψη οι ακόλουθοι παράγοντες:

1)      Το νερό διακινείται γρήγορα μέσα από τις κυτταρικές μεμβράνες. Γι' αυτό το λόγο, οι ωσμωλικότητες του εξωκυττάριου και του ενδοκυττάριου υγρού διατηρούνται σχεδόν ίσες μεταξύ τους, εκτός από χρονικά διαστήματα μερικών λεπτών μετά από μεταβολή στο ένα από τα δύο αυτά διαμερίσματα.

2)      Η κυτταρική μεμβράνη είναι σχεδόν τελείως αδιαπέραστη για πολλές από τις διαλυμένες ουσίες. Γι' αυτό ο αριθμός των ωσμωλίων στο εξωκυττάριο είτε στο ενδοκυττάριο υγρό διατηρείται σταθερός, εκτός εάν προστίθενται είτε απομακρύνονται από το εξωκυττάριο διαμέρισμα.[30]

Με τις παραπάνω αρχές υπόψη, μπορούμε να αναλύσουμε τις επιδράσεις διαφόρων ανωμαλιών των υγρών του σώματος που αφορούν όγκους εξωκυττάριων και ενδοκυττάριων υγρών, καθώς και ωσμωλικότητες. Η επίδραση της προσθήκης διαλύματος χλωριούχου νατρίου στο εξωκυττάριο υγρό. Εάν ισότονο διάλυμα χλωριούχου νατρίου προστίθεται στο διαμέρισμα του εξωκυττάριου υγρού, η ωσμωτικότητα του εξωκυττάριου υγρού δεν μεταβάλλεται. Κατά συνέπεια δεν επιτελείται ώσμωση στα κύτταρα. Η μοναδική επίδραση συνίσταται σε αύξηση του όγκου του εξωκυττάριου υγρού (Σχήμα 20-6Α). Το νάτριο και χλώριο, κατά μέγα μέρος παραμένουν στο εξωκυττάριο υγρό γιατί η κυτταρική μεμβράνη συμπεριφέρεται σαν να ήταν ουσιαστικά αδιαπέραστη από το χλωριούχο νάτριο. Εάν υπέρτονο διάλυμα προστίθεται στο εξωκυττάριο υγρό, η ωσμωτικότητα του εξωκυττάριου υγρού αυξάνεται και προκαλεί ώσμωση νερού από τα κύτταρα προς το εξωκυττάριο διαμέρισμα (Σχήμα 20-6Β). Και πάλι όλο σχεδόν το προστιθέμενο χλωριούχο νάτριο παραμένει στο εξωκυττάριο διαμέρισμα, και υγρό διαχέεται από τα κύτταρα προς τον εξωκυττάριο χώρο για την επίτευξη ισορροπίας. Το καθαρό αποτέλεσμα συνίσταται σε αύξηση στον εξωκυττάριο όγκο (μεγαλύτερη από το προστιθέμενο υγρό), ελάττωση του ενδοκυττάριου όγκου και αύξηση της ωσμωτικότητας και στα δύο διαμερίσματα.[31]

[31]

Εάν υπότονο διάλυμα προστίθεται στο εξωκυττάριο υγρό, η ωσμωτικότητα του εξωκυττάριου υγρού ελαττώνεται και ένα μέρος από το εξωκυττάριο υγρό διαχέεται προς το εσωτερικό των κυττάρων μέχρις ότου το ενδοκυττάριο και εξωκυττάριο διαμέρισμα αποκτήσουν την ίδια ωσμωτικότητα (Σχήμα 20-6C). Τόσο ο όγκος του ενδοκυττάριου όσο και ο όγκος του εξωκυττάριου υγρού αυξάνονται με την προσθήκη υπότονου διαλύματος, αν και ο ενδοκυττάριος όγκος αυξάνεται κατά μεγαλύτερο ποσοστό.[31]

Διάλυμα γλυκόζης και άλλων ουσιών που χορηγούνται για θρέψη του οργανισμού.

Πολλοί είναι οι τύποι διαλυμάτων, που χορηγούνται ενδοφλεβίως για τη διατροφή ασθενών οι οποίοι δεν μπορούν με άλλο τρόπο να προσλαμβάνουν τα απαραίτητα θρεπτικά στοιχεία. Ιδιαίτερα, χρησιμοποιούνται τα διαλύματα γλυκόζης, και σε μικρότερη έκταση διαλύματα αμινοξέων. Σπανιότερα χρησιμοποιούνται και τα διαλύματα ομογενοποιημένου λίπους. Κατά τη χορήγηση τους, η συγκέντρωση των ωσμωτικά δραστικών ουσιών που περιέχουν προσαρμόζεται, ώστε να είναι σχεδόν ισότονα, είτε χορηγούνται με βραδύ ρυθμό, ώστε να μη προκαλείται διαταραχή της ωσμωτικής ισορροπίας των υγρών του σώματος. Εν τούτοις, μετά το μεταβολισμό της γλυκόζης είτε και άλλων θρεπτικών ουσιών, παραμένει στον οργανισμό περίσσεια νερού, ιδιαίτερα εάν προσελήφθη επιπρόσθετο νερό. Συνήθως οι νεφροί απεκκρίνουν αυτό το νερό με τη μορφή αραιών, υπότονων ούρων. Έτσι, το τελικό αποτέλεσμα συνίσταται μόνο στην προσθήκη της θρεπτικής ουσίας στο σώμα.[31]

Οίδημα: Περίσσεια υγρού στους ιστούς.

Οίδημα σημαίνει την παρουσία υπέρμετρου πόσου υγρού στους ιστούς του σώματος. Σε πολλές περιπτώσεις το οίδημα αφορά μόνο το διαμέρισμα του εξωκυττάριου υγρού, μπορεί όμως να αφορά και το ενδοκυττάριο υγρό.[32]

Βιβλιογραφία

                        [1]  Alberts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter, (2000). Βασικές Αρχές Κυτταρικής Βιολογίας, Εισαγωγή στην Μοριακή Βιολογία του Κυττάρου. Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ. Πασχαλίδης, Αθήνα .σελ.418.

                        [2]  Alberts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter, (2000). Βασικές Αρχές Κυτταρικής Βιολογίας, Εισαγωγή στην Μοριακή Βιολογία του Κυττάρου. Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ. Πασχαλίδης, Αθήνα .σελ.448.

                        [3]  Alberts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter, (2000). Βασικές Αρχές Κυτταρικής Βιολογίας, Εισαγωγή στην Μοριακή Βιολογία του Κυττάρου. Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ. Πασχαλίδης, Αθήνα .σελ.449.

                        [4]  Alberts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter, (2000). Βασικές Αρχές Κυτταρικής Βιολογίας, Εισαγωγή στην Μοριακή Βιολογία του Κυττάρου. Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ. Πασχαλίδης, Αθήνα .σελ.450.

                        [5]   Φιλντίσης Γ. ,(2004).Υγρά – Ηλεκτρολύτες – ΟΒΙ.

                        [6]  www.nurs.uoa.gr/.../4th%20ICU%20%2022%20OKT%2004%20ΥΓΡΑ%20- %20ΗΛΕΚΤΡΟΛΥΤΕΣ%20-%20ΟΒΙ.ppt

                        [7]  Alberts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter, (2000). Βασικές Αρχές Κυτταρικής Βιολογίας, Εισαγωγή στην Μοριακή Βιολογία του Κυττάρου. Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ. Πασχαλίδης, Αθήνα .σελ.480.

                        [8]  Alberts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter, (2000). Βασικές Αρχές Κυτταρικής Βιολογίας, Εισαγωγή στην Μοριακή Βιολογία του Κυττάρου. Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ. Πασχαλίδης, Αθήνα .σελ.481.

                        [9]  Alberts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter, (2000). Βασικές Αρχές Κυτταρικής Βιολογίας, Εισαγωγή στην Μοριακή Βιολογία του Κυττάρου. Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ. Πασχαλίδης, Αθήνα .σελ.482.

                    [10]  Berg J., Tymoczko J., Stryer L., Βιοχημεία, Τόμος Ι, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2005, σελ. 568.

                    [11]  Berg J., Tymoczko J., Stryer L., Βιοχημεία, Τόμος Ι, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2005, σελ. 569.

                    [12]  Alberts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter, (2000). Βασικές Αρχές Κυτταρικής Βιολογίας, Εισαγωγή στην Μοριακή Βιολογία του Κυττάρου. Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ. Πασχαλίδης, Αθήνα .σελ.483.

                    [13]  Alberts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter, (2000). Βασικές Αρχές Κυτταρικής Βιολογίας, Εισαγωγή στην Μοριακή Βιολογία του Κυττάρου. Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ. Πασχαλίδης, Αθήνα .σελ.491.

                    [14]  Alberts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter, (2000). Βασικές Αρχές Κυτταρικής Βιολογίας, Εισαγωγή στην Μοριακή Βιολογία του Κυττάρου. Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ. Πασχαλίδης, Αθήνα .σελ.492.

                    [15]  Alberts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter, (2000). Βασικές Αρχές Κυτταρικής Βιολογίας, Εισαγωγή στην Μοριακή Βιολογία του Κυττάρου. Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ. Πασχαλίδης, Αθήνα .σελ.493.

                    [16]  Καζάκος Γ., Σάββας Ι., Αναγνώστου Τ., Ραπτόπουλος Δ.. Χειρουργική Κλινική, Τμήμα Κτηνιατρικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Ηλεκτρολυτικές διαταραχές σε βαρέως πάσχοντα ζώα, Ημερίδα Αναισθησιολογίας και Εντατικής Θεραπείας Μικρών Ζώων, Πρακτικά, Γούβες, Ηράκλειο Κρήτης 2002, σελ.51.

                    [17]  Καζάκος Γ., Σάββας Ι., Αναγνώστου Τ., Ραπτόπουλος Δ.. Χειρουργική Κλινική, Τμήμα Κτηνιατρικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Ηλεκτρολυτικές διαταραχές σε βαρέως πάσχοντα ζώα, Ημερίδα Αναισθησιολογίας και Εντατικής Θεραπείας Μικρών Ζώων, Πρακτικά, Γούβες, Ηράκλειο Κρήτης 2002, σελ.57-58.

                    [18]  Καζάκος Γ., Σάββας Ι., Αναγνώστου Τ., Ραπτόπουλος Δ.. Χειρουργική Κλινική, Τμήμα Κτηνιατρικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Ηλεκτρολυτικές διαταραχές σε βαρέως πάσχοντα ζώα, Ημερίδα Αναισθησιολογίας και Εντατικής Θεραπείας Μικρών Ζώων, Πρακτικά, Γούβες, Ηράκλειο Κρήτης 2002, σελ.59-60

                    [19]  Καζάκος Γ., Σάββας Ι., Αναγνώστου Τ., Ραπτόπουλος Δ.. Χειρουργική Κλινική, Τμήμα Κτηνιατρικής, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Ηλεκτρολυτικές διαταραχές σε βαρέως πάσχοντα ζώα, Ημερίδα Αναισθησιολογίας και Εντατικής Θεραπείας Μικρών Ζώων, Πρακτικά, Γούβες, Ηράκλειο Κρήτης 2002, σελ.64.

                    [20]  Karlson P., Gerok W., Groβ W., Κλινική Παθολογική Βιοχημεία, Ιατρικές εκδόσεις Λίτσας, Αθήνα 1993, σελ.131-132.

                    [21]  http://www.paidiatros.com/PrintArticles.asp?parent=164

                    [22]  http://health.in.gr/stefaniaia

                    [23]  http://www.incardiology.gr/farmaka/diouritika.html

                    [24]  http://www.mednet.gr/hss/96_04_05.htm

                    [25]  http://www.medweb.gr/diabetes/info.htm

                    [26]  http://www.iatrikionline.gr/deltio_49a/a3.htm

                    [27]  http://health.in.gr/news/article.asp?lngArticleID=32789

                    [28]  http://www.renalkomotini.gr/gr_news_migiatron23.htm

                    [29]  Karlson P., Gerok W., Groβ W., Κλινική Παθολογική Βιοχημεία, Ιατρικές εκδόσεις Λίτσας, Αθήνα 1993, σελ.133.

                    [30]  Karlson P., Gerok W., Groβ W., Κλινική Παθολογική Βιοχημεία, Ιατρικές εκδόσεις Λίτσας, Αθήνα 1993, σελ.135-136.

                    [31]  Guyton A., Hall J., Φυσιολογία του Ανθρώπου και Μηχανισμοί των νόσων, Επιστημονικές Εκδόσεις Παρισιανού Α.Ε., Αθήνα 2001, σελ.244.

                    [32]  Guyton A., Hall J., Φυσιολογία του Ανθρώπου και Μηχανισμοί των νόσων, Επιστημονικές Εκδόσεις Παρισιανού Α.Ε., Αθήνα 2001, σελ.245.

                    [33]  Guyton A., Hall J., Φυσιολογία του Ανθρώπου και Μηχανισμοί των νόσων, Επιστημονικές Εκδόσεις Παρισιανού Α.Ε., Αθήνα 2001, σελ.246.



23.  “Βιολογικώς σημαντικά παράγωγα αμινοξέων και φυσιολογικές δυσλειτουργίες στις οποίες συμμετέχουν.”

Σε αντίθεση με τους υδατάνθρακες και τα λίπη, των οποίων ένας πολύ σημαντικός ρόλος είναι να αποθηκεύουν ενέργεια, τα αμινοξέα δεν παίζουν τέτοιο ρόλο. Αυτό δεν σημαίνει βέβαια ότι τα αμινοξέα δεν μπορούν να αξιοποιηθούν ενεργειακά. Κάθε άλλο. Μπορούμε θαυμάσια να επιβιώσουμε τρώγοντας φιλέτα όλη σας τη ζωή, χωρίς να βάλουμε υδατάνθρακες και λίπη στο στόμα σας (φτάνει να βρίσκουμε μια πηγή των απαραίτητων λιπαρών οξέων). Μόνο που θα μας κόστιζε ακριβά. Από ενεργειακής σκοπιάς τα αμινοξέα είναι ισοδύναμα περίπου με τους υδατάνθρακες. Έτσι τα αμινοξέα χρησιμεύουν κυρίως για σύνθεση πρωτεϊνών. Πέραν όμως τούτου, πολλά αμινοξέα αποτελούν πρόδρομες ενώσεις για σύνθεση ενός σημαντικού αριθμού βιολογικά δραστικών προϊόντων.[1]

1. Γλουταθειόνη (GSH).

Πρόκειται για ένα τριπεπτίδιο που αποτελείται από γλουταμινικό οξύ, κυστεΐνη και γλυκίνη. Βρίσκεται στα κύτταρα όλων σχεδόν των οργανισμών.(Εικόνα 1)

Εικόνα 1.[2]

Εικόνα 2.[3]

Ο κύριος ρόλος του είναι αντιοξειδωτικός. Λόγω της σουλφυδρυλομαδάς του μπορεί και ανάγει μη ενζυμικά οξειδωμένες σουλφυδρυλομάδες πρωτεϊνών οξειδούμενο το ίδιο.

2 GSH + πρωτεΐνη(S-S) à GS-SG + πρωτεΐνη(SΗ)2

Είναι σε θέση επίσης να ανάγει υπεροξείδια που δημιουργούνται στα κύτταρα, τόσο ανόργανα (Η2Ο2) όσο και οργανικά (R-Ο-Ο-Η). Η αναγέννηση της γλουταθειόνης γίνεται από ειδικό ένζυμο με συνένζυμο το ΝΑDΡΗ.(Εικόνες 2,3)

GS-SG + ΝΑDΡΗ + Η+    à    2GSH + ΝΑDΡ+     

                                           ß                                               [4]

Εικόνα3.[5]

Στα ερυθρά αιμοσφαίρια η γλουταθειόνη εξουδετερώνει τόσο υπεροξείδια που δημιουργούνται όσο και τρισθενή σίδηρο από την οξείδωση σιδήρου της αιμοσφαιρίνης. Ίσως αυτός είναι και ο λόγος γιατί κατά την εξέλιξη παρέμεινε στα ερυθρά αιμοσφαίρια ο κύκλος των φωσφορικών πεντοζών, η λειτουργία του οποίου συμβάλλει στην αναγέννηση της γλουταθειόνης. Τέλος, η γλουταθειόνη συμμετέχει και σε μια διεργασία μεταφοράς αμινοξέων μέσα στα κύτταρα, διεργασία που είναι ανεξάρτητη από την αντιοξειδωτική της δράση.[4]

Η ρεδουκτάση της GSH έχει βρεθεί στους χλωροπλάστες. Χρησιμοποιεί ως δότη e- το NADPH. Για τον πόλο της γλουταθειόνης στους χλωροπλάστες έχουν προταθεί οι εξής υποθέσεις:

a)       ρύθμιση της αφομοίωσης του CO2 δια μέσου της ενεργοποίησης ή της αναστολής ενζυμικών αντιδράσεων από GSH ή /και GSSG.

b)      προστασία απαραίτητων –SH ομάδων των ενζύμων από αξείδωση.

c)       προστασία της φωτοσυνθετικής συσκευής από τα φωτοσυνθετικώς παραγόμενα H2O2 και O2 . Αυτά αποτελούν ισχυρότατους αναστολείς της φωτοσύνθεσης και πιστεύεται ότι ανάγονται προς   H2O2  και O2  με τη βοήθεια της GSH. [6]

Η αφυδρογονάση της 6-φωσφορικής γλυκόζης παίζει καθοριστικό ρόλο στην προστασία από τις αντιδραστικές ενώσεις του οξυγόνου.

Αντιδραστικές ενώσεις οξυγόνου (ROS) (Εικόνα4) που παράγονται στον οξειδωτικό μεταβολισμό επιφέρουν καταστροφή σε όλες τις τάξεις των μακρομορίων και τελικά μπορούν να οδηγήσουν στον κυτταρικό θάνατο. Πράγματι, οι ROS εμπλέκονται σε αρκετές ασθένειες του ανθρώπου.

Mερικές από αυτές είναι:

·         Αθηρογένεση

·         Εμφύσημα-βρογχίτιδα

·         Νόσος Πάρκινσον

·         Μυϊκή δυστροφία Duchenne

·         Καρκίνος του τραχήλου της μήτρας

·         Ηπατική νόσος λόγω υπερβολικής κατανάλωσης αλκοόλ

·         Διαβήτης

·         Οξεία νεφρική ανεπάρκεια

·         Σύνδρομο Down

·         Οπισθοφάκια ινοπλασία

·         Διαταραχές του εγκεφάλου

·         Ισχαιμία- Βλάβη λόγω επαναιμάτωσης  [7]

Εικόνα 4.

Για την καταπολέμηση του οξειδωτικού στρες και τη διατήρηση της φυσιολογικής κατάστασης αναγωγής του κυττάρου χρειάζεται το ανηγμένο γλουταθείο (GSH), ένα τριπεπτίδιο με ελεύθερη σουλφυδρυλική ομάδα. Το οξειδωμένο γλουταθείο (GSSG) ανάγεται από το ΝΑDΡΗ που παράγεται από την 6-φωσφορική γλυκόζη στην πορεία των φωσφορικών πεντοζών. Πράγματι, κύτταρα με ελαττωμένα επίπεδα της αφυδρογονάσης της 6-φωσφορικής γλυκόζης είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα στο οξειδωτικό στρες. Στα ερυθροκύτταρα το στρες αυτό είναι περισσότερο οξύ διότι δεν έχουν μιτοχόνδρια και έτσι δεν έχουν εναλλακτικούς τρόπους για την παραγωγή αναγωγικής ισχύος. Ανεπάρκεια της αφυδρογονάσης της 6-φωσφορικης γλυκόζης προξενεί φαρμακοεπαγόμενη αιμολυτική αναιμία Η παμακίνη, ένα φάρμακο κατά της ελονοσίας, με την εισαγωγή της το 1926 συνδέθηκε με την εμφάνιση σοβαρών και μυστηριωδών ασθενειών. Οι περισσότεροι ασθενείς ανέχθηκαν το φάρμακο καλά. αλλά ορισμένοι ανέπτυξαν σοβαρά συμπτώματα μετά από θεραπεία αρκετών ημερών. Τα ούρα τους ήταν μαύρα, ανέπτυξαν ίκτερο και η ποσότητα της αιμοσφαιρίνης στο αίμα τους μειώθηκε δραστικά. Σε μερικές περιπτώσεις, η μαζική καταστροφή ερυθροκυττάρων προκάλεσε τον θάνατο. Τριάντα χρόνια αργότερα, αποδείχθηκε ότι η φαρμακοεπαγόμενη αυτή αιμολυτική αναιμία προκαλείται από ανεπάρκεια της αφυδρογονάσης της 6-φωσφορικής γλυκόζης. του ενζύμου που καταλύει το πρώτο βήμα στον οξειδωτικό κλάδο της πορείας των φωσφορικών πεντοζών. Αυτή η ανεπάρκεια, η οποία κληρονομείται με το χρωμόσωμα Χ, είναι η πλέον κοινή ενζυμοπάθεια, η οποία προσβάλλει Εκατοντάδες εκατομμύρια ανθρώπους. Ο κύριος ρόλος του ΝΑDΡΗ στα ερυθροκύτταρα είναι η αναγωγή της δισουλφιδικής μορφής του γλουταθείου προς τη σουλφυδρυλική μορφή. Το ένζυμο που καταλύει την αναπαραγωγή του ανηγμένου γλουταθείου. η φλαβινοπρωτεΐνη αναγωγάση του γλουταθείου, ένα διμερές με υπομονάδες των 50 kd, είναι ομόλογο της αναγωγάσης του ζεύγους φερρεδοξίνης-ΝADΡ+, το οποίο συναντήσαμε στη φωτοσύνθεση. Η ανηγμένη μορφή του γλουταθείου χρησιμεύει ως ρυθμιστικό μέσον των σουλφυδρυλικών ομάδων, διατηρώντας τα κατάλοιπα κυστεΐνης της αιμοσφαιρίνης και των άλλων πρωτεϊνών των ερυθροκυττάρων σε ανηγμένη μορφή. Ο λόγος της ανηγμένης προς την οξειδωμένη μορφή του γλουταθείου στα ερυθροκύτταρα κανονικά είναι περίπου 500. Πώς αναπαράγεται το GSΗ από GSSG και ΝADΡΗ από την αναγωγάση του γλουταθείου; Τα ηλεκτρόνια από το ΝADΡΗ δεν μεταφέρονται απευθείας στον δισουλφιδικό δεσμό του οξειδωμένου γλουταθείου. Μάλλον μεταφέρονται από το ΝΑDΡΗ σε ένα σφιχτά προσδεμένο στην αναγωγάση φλάβινο-αδένινο-δινουκλεοτίδιο (FAD), στη συνεχεία στη δισουλφιδική γέφυρα μεταξύ δύο καταλοίπων κυστεΐνης στην υπομονάδα του ενζύμου και τελικά στο οξειδωμένο γλουταθείο. Το ανηγμένο γλουταθείο είναι απαραίτητο για τη διατήρηση της κανονικής δομής των ερυθροκυττάρων και για τη διατήρηση της αιμοσφαιρίνης στη σιδηρο-κατάσταση. Επίσης η ανηγμένη μορφή παίζει έναν ρόλο στην αποτοξίκωση αντιδρώντας με το υπεροξείδιο του υδρογόνου και οργανικά υπεροξείδια.

2 GSH + ROOH    à   GSSG + Η2O + RΟΗ

Κύτταρα με χαμηλό επίπεδο γλουταθείου είναι πιο ευαίσθητα σε αιμόλυση. Πώς μπορούμε να ερμηνεύσουμε βιοχημικά αυτό το φαινόμενο; Η παρουσία της παμακίνης. ή άλλων μη ενζυμικών οξειδωτικών παραγόντων, όπως της βικίνης που είναι ένας γλυκοζίτης πυριμιδίνης των κουκιών, οδηγεί στην παραγωγή υπεροξειδίων, αντιδραστικών ενώσεων οξυγόνου, που μπορούν να καταστρέψουν μεμβράνες καθώς και άλλα βιομόρια. Κανονικά, τα υπεροξείδια απομακρύνονται από την οπεροξείδάση του γλοιιταθείου με τη χρησιμοποίηση του γλουταθείου ως αναγωγικού παράγοντα. Επιπλέον, απουσία του ενζύμου, οι σουλφυδρυλίκές ομάδες της αιμοσφαιρίνης δεν μπορούν να διατηρηθούν στην ανηγμένη μορφή και τότε τα μόρια της αιμοσφαιρίνης διασυνδέονται για να σχηματίσουν συσσωματώματα επάνω στις κυτταρικές μεμβράνες τα οποία ονομάζονται σωμάτια Heinz.(Εικόνα 20.25)

[7]

Μεμβράνες κατεστραμμένες από τα σωμάτια Heinz και αντιδραστικές ενώσεις οξυγόνου παραμορφώνονται, και τα κύτταρα πιθανότατα διαλύονται. Εντούτοις. απουσία οξειδωτικού στρες, η ανεπάρκεια είναι πολύ ήπια. Επίσης, η ύπαρξη αυτής της ανεπάρκεια; της αφυδρογονάσης δείχνει καθαρά ότι άτυπες αντιδράσεις στα φάρμακα μπόρα να έχουν γενετική βάση.[8]

Όπως ξέρουμε ο ελεύθερος cu2+ είναι πολύ τοξικός και πιθανώς  να μην μπορεί να υπάρξει in vivo. Ο λόγος για την υψηλή τοξικότητα Cu2+ είναι ότι καταλύει τη γενεά των αντιδραστικών ειδών οξυγόνου (ROS) όπως το υπεροξείδιο και το υπεροξείδιο υδρογόνου, και η υπεροξειδοτική ικανότητα αμέσου αντιδράσεως της παράγει επίσης ρίζες υδροξυλίου. Επομένως, υπάρχουν διάφοροι βιοχημικοί ρυθμιστές που βάζουν στην καραντίνα το Cu2+ από μια τέτοια ανώμαλη  αντιδραστικότητα, κατά τη διάρκεια του κύκλου του Cu2+ μέσα στο κύτταρο, και οι οποίοι συμμετέχουν σε ουσιαστικές δραστηριότητες όπως η μεταφορά e- μέσω της αναπνευστικής αλυσίδας.  Το SOD1 αντιπροσωπεύει ένα μεγάλο μέρος Cu2 + μέσα στο κύτταρο, και οι μεταλλοθειονίνες είναι αρμόδιες για να συμπλοκοποιήσουν Cu2+ κάτω από συνθήκες πλεονάσματος Cu2+. Το γλουταθείο (GSH) απαιτείται για να μεταφέρει Cu2+ παίρνοντάς το από το κύτταρο και μεταφέροντάς το στις μεταλλοθειονίνες, και ένα μέρος του συνολικύ κυτταροπλασματικό Cu2+ συνδεδεμένο σε GSH μπορεί να φθάσει στο 60% σε μερικές στιβάδες κυττάρων. Εάν GSH μειωθεί, το ποσό Cu2+ που θα είναι συνδεδεμένο στις μεταλλοθειονίνες μειώνεται αντίστοιχα, που σημαίνει ότι περισσότερο κυτταροπλασματικό Cu2+ θα μπορούσε να είναι διαθέσιμο για την παραγωγή ROS. Αυτό μπορεί να εξηγήσει γιατί η GSH προστατεύει το κύτταρο από την τοξικότητα του Cu2+, όπως καταδεικνύεται σε αναφορές ότι το β-αμυλοειδές μειώνει στα νευρωνικά κύτταρα την GSH και τα καθιστά πιο τρωτά στην τοξικότητα του Cu2+, μειώνοντας το κύτταρο την GSH το καθιστά πιό τρωτό στην Αβ-διαμεσολαβημένη τοξικότητα. Δεδομένου ότι η οξειδοαναγωγική σίγαση του Cu2+ επιτυγχάνεται από την μετακίνηση του Cu2+ από την GSH επάνω στην ΜΤ, τα συμπεράσματΑ των ευεργετικών αποτελεσμάτων της (NAC) στα διαγονιδιακά ποντίκια FALS που αντέχουν τη SOD1 G9Α μεταλλαγή μπορούν επίσης να εξηγηθούν από τα αποτελέσματα της αύξησης της GSH-διαμεσολαβημένης μετατόπισης κυτταροπλασματικού Cu2+ επάνω στο ΜΤ.[9]

2. Παράγωγα αποκαρβοξυλίωσης αμινοξέων.

Υπάρχουν ένζυμα που χρησιμοποιούν ως συνένζυμο τη φωσφορική πυριδοξάλη και τα οποία αποκαρβοξυλιώνουν αμινοξέα. Τα προϊόντα αποκαρβοξυλίωσης είναι γνωστά ως βιογενείς αμίνες, και πολλά από αυτά ή παράγωγα τους έχουν ενδιαφέρουσες βιολογικές δράσεις. Έτσι, το προϊόν αποκαρβοξυλίωσης της ιστιδίνης, η ισταμίνη,(Εικόνα 5) είναι ισχυρός αγγειοδιασταλτικός παράγοντας, ενώ η σεροτονίνη, το υ-δροξυλιωμένο παράγωγο της βιογενούς αμίνης της τρυπτοφάνης, είναι ισχυρός αγγείο συσταλτικός παράγοντας. Η χολίνη που απαντήσαμε ως συστατικό των λεκιθινών είναι μεθυλιωμένο παράγωγο της αιθανολαμίνης, η οποία είναι αποκαρβοξυλιωμένο προϊόν της σερίνης. Ένας πολύ σημαντικός νεύρο διαβιβαστή ς (ουσία που ελευθερώνεται και δρα σε νευρικές απολήξεις) είναι η ακετυλοχολίνη.

Εικόνα 5.[4]

Φυσιολογικές δυσλειτουργίες που οφείλονται στην ισταμίνη.

Αλλεργία.

Αναφυλαξία. Όταν ένα συγκεκριμένο αλλεργιογόνο εγχέεται άμεσα στην κυκλοφορία, μπορεί να αντιδράσει σε εκτεταμένες περιοχές του σώματος με τα βασεόφιλα του αίματος και με τα ιστιοκύτταρα που βρίσκονται αμέσως έξω από τα μικρά αγγεία του αίματος εάν αυτά έχουν ευαισθητοποιηθεί από τη σύνδεση με IgE ρεαγκίνες.[10]

Τα ιστιοκύτταρα, ένα σημαντικό συστατικό του συνδετικού ιστού, φέρνει στους κυτταροπλασματικούς κόκκους διάφορες βιολογικά ενεργές ουσίες, όπως η ηπαρίνη, η ισταμίνη, και ένα ευρύ φάσμα ενζύμων. Αυτός ο τύπος κυττάρων διαδραματίζει έναν προεξέχοντα ρόλο στις φλεγμονώδεις και αλλεργικές καταστάσεις.[11]

Μια εκτεταμένη αλλεργική αντίδραση εμφανίζεται σε όλο το αγγειακό σύστημα και τους πολύ σχετικούς ιστούς. Αυτό καλείται αναφυλαξία. Ισταμίνη απελευθερώνεται στην κυκλοφορία και προκαλεί το εκτεταμένη περιφερική αγγειοδιαστολή, καθώς επίσης και την αύξηση της διαπερατότητας των τριχοειδών αγγείων με την επακόλουθη χαρακτηριστική απώλεια πλάσματος από την κυκλοφορία. Ένα άτομο που δοκιμάζει περιστασιακά αυτήν την αντίδραση πεθαίνει από κυκλοφοριακό σοκ μέσα σε λίγα λεπτά εκτός αν αντιμετωπιστεί με επινεφρίνη για να αντιτάξει τα αποτελέσματα της ισταμίνης. Επίσης απελευθερώνεται από τα κύτταρα ένα μίγμα λευκοτριένια αποκαλούμενων αργά-αντιδρούσες ουσίες της αναφυλαξίας. Αυτά τα λευκοτριένια μπορούν να προκαλέσουν το σπασμό του λύου μυός των βρογχιολίων, που αποσπά μια άσθματόμορφη επίθεση και μερικές φορές προκαλεί το θάνατο από ασφυξία. [10]

Κνίδωση. Η κνίδωση είναι μια βλενο-δερματική ασθένεια που χαρακτηρίζεται από ένα δερμικό ή υποδερμικό οίδημα λόγω της αγγιοδιαστολής που αποδίδεται στην απελευθέρωση της ισταμίνης από τα ιστιοκύτταρα και τα βασεόφιλα. Η κνίδωση είναι μια πολύ κοινή πάθηση, δεδομένου ότι το 20% του πληθυσμού θα δοκιμάσει τουλάχιστον ένα επεισόδιο της κνίδωσης κατά τη διάρκεια της ζωής τους. Η χρόνια κνίδωση είναι εξ ορισμού καθημερινή και εμμένει για τουλάχιστον έξι εβδομάδες. Κατ’ αντίθεση με την οξεία κνίδωση, οι αιτιολογικές και θεραπευτικές προσεγγίσεις της μπορούν να παρουσιάσουν μια σημαντική πρόκληση, πλαισιωμένες με επαναλαμβανόμενες εξετάσεις. Η θεραπεία της χρόνιας κνίδωσης είναι προ πάντων βασισμένη στην εξάλειψη των συμπτωμάτων, είτε σε μια συγκεκριμένη μέθοδο, εάν η αιτιολογική διάγνωση είναι ήδη γνωστή, ή με έναν μη συγκεκριμένο τρόπο. Οι αντι-Η1 παράγοντες, είναι τα φάρμακα που επιλέγονται για την πρώτη γραμμή αντιμετώπισης. Η παθοφυσιολογία της χρόνιας κνίδωσης μέχρι σήμερα εξακριβωμένη καλά. Δεδομένου ότι οι υπεύθυνοι μηχανισμοί για τη χρόνια κνίδωση προσδιορίζονται καλύτερα, περισσότεροι θεραπευτικοί παράγοντες, που είναι αποτελεσματικοί σε άλλους στόχους εκτός από την ισταμίνη, πρέπει να διατεθούν. Επιπλέον, οι πρόσφατες πρόοδοι έχουν υποστηρίξει την άποψη ότι μια ελλοχεύουσα αυτοάνοση διαδικασία θα μπορούσε να εξηγήσει πολλές περιπτώσεις χρόνιας "ιδιοπαθούς" κνίδωσης. [12]

Η οξεία κνίδωση προκύπτει από ένα αντιγόνο που εισέρχεται από συγκεκριμένες περιοχές του δέρματος και προκαλεί τοπικές αναφυλακτοειδείς αντιδράσεις. Η ισταμίνη απελευθερώνεται τοπικά και εξαιτίας της αγγειοδιαστολής , προκαλεί ένα άμεσο κοκκίνισμα και  μια αυξανόμενη τοπική διαπερατότητα των τριχοειδών αγγείων που οδηγεί στους τοπικούς περιφερειακούς τομείς διόγκωση του δέρματος σε λίγα λεπτά.  Το οίδημα αυτό καλείται συνήθως εξάνθημα (ερύθημα). Η χορήγηση των  αντισταμινικών φαρμάκων σε ένα άτομο πριν από την έκθεση θα αποτρέψει τα εξανθήματα.[10]

Πυρετός του χόρτου. Στον πυρετό του χόρτου, η αντίδραση αλλεργιογόνου-ρεαγκίνης  εμφανίζεται στη μύτη. Η ισταμίνη που απελευθερώνεται σε απάντηση στην αντίδραση προκαλεί την τοπική ενδορυνική αγγειακή θερμική διαστολή, με επακόλουθο την αύξηση της πίεσης του αίματος των τριχοειδών αγγείων, επίσης δε αυξάνει και η διαπερατότητα. Αυτών. Και τα δύο αποτελέσματα προκαλούν τη γρήγορη καταρροή στις ρινικές κοιλότητες και στους σχετικούς ιστούς της μύτης, τα ρινικά τοιχώματα πρήζονται και εκκρίνουν βλέννες. Εδώ πάλι, η χρήση των αντισταμινικών φαρμάκων μπορεί να αποτρέψει αυτήν την αντίδραση. Άλλα προϊόντα της αντίδρασης αλλεργιογόνου  προκαλούν ακόμα την ενόχληση της μύτης, προκαλώντας το χαρακτηριστικό σύνδρομο φτερνίσματος παρά τη θεραπεία  με φάρμακα. [10]

Άσθμα. Το άσθμα εμφανίζεται συχνά στον "αλλεργικό" τύπο ανθρώπου. Σε ένα τέτοιο άτομο, η αντίδραση αλλεργιογόνου εμφανίζεται στα βρογχιόλια των πνευμόνων. Εδώ, ένα σημαντικό προϊόν που απελευθερώνεται από τα κύτταρα των ιστών φαίνεται να είναι η αργής-αντίδρασης ουσία της αναφυλαξίας, η οποία προκαλεί το σπασμό του βρογχιολικού λείου μυός. Συνεπώς, το άτομο έχει δυσκολία στην αναπνοή έως ότου  απομακρυθούν τα αντιδραστικά προϊόντα της αλλεργικής αντίδρασης. Η χρήση των αντισταμινικών έχει λίγη επίδραση στην πορεία του άσθματος επειδή η ισταμίνη δεν εμφανίζεται να είναι ο σημαντικότερος παράγοντας που προκαλεί την ασθματική αντίδραση.[10]

Τα αντιισταμινικά ανακαλύφθηκαν πριν από 50 χρόνια και αποτελούν τον στυλοβάτη της θεραπείας για την αλλεργία. Την τελευταία δεκαετία, έχουν κυκλοφορήσει πολλά καινούργια, διαφορετικά σκευάσματα αντιισταμινικών - πρόκειται για τα επονομαζόμενα αντιισταμινικά δεύτερης γενιάς. Όπως και τα αντιισταμινικά της πρώτης γενιάς, τα σκευάσματα αυτά εμποδίζουν τη δράση της ισταμίνης που απελευθερώνεται από τα ιστιοκύτταρα και είναι πολύ αποτελεσματικά στην αντιμετώπιση του κνησμού και του φτερνίσματος. Έχουν, ωστόσο, σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των παλαιότερων αντιισταμινικών πρώτης γενιάς, όπως η χλωροφενιραμίνη (Piriton). Τα αντιισταμινικά δεύτερης γενιάς έχουν το πλεονέκτημα να μην εισχωρούν στον εγκέφαλο και κατά συνέπεια να μην προκαλούν υπνηλία. Πρόκειται για ένα σημαντικό πλεονέκτημα, διότι σημαίνει ότι η λήψη του φαρμάκου δεν επηρεάζει την ικανότητά σας να επιτελείτε πολύπλοκες εργασίες, όπως η οδήγηση ή ο χειρισμός μηχανημάτων. Έχουν επίσης λιγότερες πιθανότητες να προκαλέσουν ξηροστομία.[13]

O πόνος στη στεφανιαία ασθένεια σχετίζεται με την ισταμίνη. Κανονικά, ένα άτομο δεν μπορεί "να αισθανθεί" την καρδιά του, αλλά  ο ισχαιμικός καρδιακός μυς συχνά την κάνει αισθητή με εκδήλωση της αίσθησης του πόνου. Ακριβώς ποιες είναι οι αιτίες αυτού του πόνου δεν είναι γνωστό, αλλά  θεωρείται ότι η ισχαιμία αναγκάζει το μυ να απελευθερώσει όξινες ουσίες, όπως το γαλακτικό οξύ, ή άλλα πόνο - προάγοντα προϊόντα, όπως οι κινίνες της ισταμίνης, η κυτταρικά πρωτεολυτικά ένζυμα, τα οποία δεν αφαιρούνται αρκετά γρήγορα  από το αργά κινούμενο στεφανιαίο αίμα. Οι υψηλές  συγκεντρώσεις αυτών των ανώμαλων προϊόντων διεγείρουν έπειτα  τις απολήξεις του πόνου στον καρδιακό μυ, και το νευρικό ερέθισμα του πόνου  διευθύνεται μέσω των κεντρομόλων συμπαθητικών αισθητήριων  νευρικών ινών στο κεντρικό νευρικό σύστημα.[14]

Απελευθέρωση των τοξινών από τον ισχαιμικό ιστό. Σε όλη την ιστορία της έρευνας στον τομέα του σοκ, έχει προταθεί ότι το σοκ αναγκάζει τους ιστούς να απελευθερώνουν τοξικές ουσίες, όπως η σεροτονίνη, η ισταμίνη και τα ένζυμα του ιστού, οι οποίες προκαλούν την περαιτέρω επιδείνωση του κυκλοφοριακού συστήματος. Οι ποσοτικές μελέτες έχουν αποδείξει τη σημασία τουλάχιστον μιας τοξίνης, ενδοτοξίνης, σε πολλούς τύπους σοκ.[15]

Μερικές κλινικές ανωμαλίες του πόνου και άλλων σωματικών αισθήσεων σχετίζονται με την ισταμίνη.

Υπεραλγεσία.

Μια νευρική διάβαση πόνου γίνεται μερικές φορές υπερβολικά διεγέρσιμη. Αυτό δίνει αφορμή για υπεραλγεσία , που σημαίνει υπερευαισθησία στον πόνο. Οι βασικές αιτίες της υπεραλγεσίας είναι (1) υπερβολική ευαισθησία του δέκτη πόνου, που καλείται πρωταρχική υπεραλγεσία, και (2) διευκόλυνση της αισθητήριας μετάδοσης, η οποία καλείται δευτερεύουσα υπεραλγεσία. Ένα παράδειγμα πρωταρχική υπεραλγεσίας είναι η ακραία ευαισθησία του μαυρισμένου από τον ήλιο δέρματος, το οποίο προκύπτει από την ευαισθητοποίηση των απολήξεων του πόνου από τα τοπικά προϊόντα του ιστού από τα εγκαύματα, ίσως από την ισταμίνη, ή από τις προσταγλαδίνες. Τα αποτελέσματα της δευτερεύουσας υπεραλγεσίας  προκαλούνται από τα τραύματα στο νωτιαίο μυελό ή το θάλαμο.[16]

3. Άλλα σημαντικά παράγωγα αμινοξέων.

Αν ψάξουμε, θα βρούμε πολλές ενώσεις στη σύνθεση των οποίων συμβάλλουν διάφορα αμινοξέα προσφέροντας τόσο άτομα άνθρακα όσο και άζωτο. Η γλυκίνη λ.χ. στα ζώα συμμετέχει στη σύνθεση του πυρολικού δακτυλίου, ο οποίος αποτελεί μέρος του πορφυρινικού δακτυλίου της αίμης (Εικόνα 6) και της χλωροφύλλης. Στα φυτά τα πυρόλια συνθέτονται εξ ολοκλήρου από γλουταμινικό οξύ. Ο πορφυρινικός δακτύλιος μεταβολίζεται σε χολοχρωστικές, όπως είναι η χολερυθρίνη (Εικόνα 7) στα ζώα και η φυκοερυθροχολίνη στα φυτά. [17]

Εικόνα 7.[17]

Εικόνα 6.[18]

Σε μερικές κληρονομικές διαταραχές του μεταβολισμού των πορφυρινών οι πορφυρίνες συσσωρεύονται.

Οι πορφυρίες είναι κληρονομικές ή επίκτητες διαταραχές που προκαλούνται από ανεπάρκεια των ενζύμων στη βιοσυνθετική πορεία της αίμης. Η πορφυρίνη συντίθεται στους ερυθροβλάστες και στο ήπαρ, που μπορεί να αποτελούν τη θέση της διαταραχής. Η συγγενής ερυθροποιητική πορφυρία, παραδείγματος χάριν, καταστρέφει πρόωρα τα ερυθροκύτταρα. Η ασθένεια αυτή είναι αποτέλεσμα της έλλειψης της συνσυνθάσης. Στην πορφυρία αυτή, η σύνθεση της απαιτούμενης ποσότητας ουροπορφυρινογόνου III συνοδεύεται από τον σχηματισμό, σε πολύ μεγάλες ποσότητες, του ουροπορφυρινογόνου Ι, του άχρηστου συμμετρικού ισομερούς. Συσσωρεύονται επίσης η ουροπορφυρινη Ι, η κοπροπορφυρίνη Ι και άλλα συμμετρικά παράγωγα. Τα ούρα των ασθενών που πάσχουν από τη νόσο αυτή είναι κόκκινα, λόγω της απέκκρισης μεγάλων ποσοτήτων ουροπορφυρίνης Ι. Τα δόντια τους παρουσιάζουν έναν έντονο κόκκινο φθορισμό κάτω από υπεριώδες φώς, λόγω της εναπόθεσης πορφυρινών. Επιπλέον, το δέρμα τους είναι συνήθως πολύ ευαίσθητο στο φως, διότι οι φωτοδιεγειρόμενες πορφυρίνες είναι πλήρως ενεργές. Η οξεία διαλείπουσα πορφυρία είναι η πλέον διαδεδομένη από τις πορφυρίες που προσβάλλει το ήπαρ. Η πορφυρία αυτή χαρακτηρίζεται από την υπερπαραγωγή πορφοχολινογόνου και δ-αμινολεβουλινικού, με αποτέλεσμα έντονο κοιλιακό πόνο και δυσλειτουργίες του νευρικού συστήματος. Η «τρέλα» του Γεωργίου του III, βασιλιά της Αγγλίας κατά τη διάρκεια της Αμερικανικής Επανάστασης, πιστεύεται ότι οφειλόταν στην πορφυρία αυτή.[17]

Διάφορα νοσήματα επίσης σχετίζονται με την υπερτρίχωση και είναι Πορφυρίες, κυρίως η ερυθροποιητική και η cutanea tarda [19]

Η tarda cutanea πορφυρία, είναι πιθανώς ο πιό κοινός τύπος πορφυρίας.  Ο ιατρικός έλεγχος για αυτήν είναι μια ομαδική εργασία.Η ανάπτυξη του εύθραυστου δέρματος και οι φουσκάλες είναι τα συμπτώματα που φέρνουν γενικά τον ασθενή στον δερματολόγο. Κατά τη διάρκεια της προηγούμενης δεκαετίας η ασθένεια έχει αναγνωριστεί όπως είναι από ετερογενή αιτιολογία, και έχει προταθεί μια παθογενετική ταξινόμηση. Η σημασία για την επιλογή μιας στρατηγικής διαχείρισης είναι αναγκαία, όπως είναι αναγκαία και η στενή παρακολούθησή της εξ αιτίας του κινδύνου κοινών PCT-συνδεδεμένων καταστάσεων του συκωτιού. Κατά προτίμηση ο ασθενής PCT πρέπει να αντιμετωπιστεί από έναν δερματολόγο και ένα ηπατολόγο που συνεργάζονται  και να υποστηριχθεί από ένα εξειδικευμένο εργαστήριο πορφυρίας. [20]

4. Υπεργλυκιναιμία

Γνωρίζουμε δυο τύπους αυτής της γενετικά καθορισμένης μεταβολικής νόσου: Την κετοτική και τη μη κετοτική υπεργλυκιναιμία. Η κετοτική μορφή της υπεργλυκιναιμίας παρουσιάζεται σαν συνοδό φαινόμενο στη προπιοναιμία, σε περίπτωση ελλείψεως της προπιονυλο-CοΑ-καρβοξυλάσης. Μαζί με τη γλυκίνη παρατηρείται συχνά στο πλάσμα αύξηση και άλλων αμινοξέων. Οι σχέσεις μεταξύ της πρωτογενούς ενζυμικής βλάβης και της συσσωρεύσεως της γλυκίνης δεν έχουν ακόμη διευκρινισθεί. Η βιοχημική βλάβη στη μη κετοτική μορφή αφορά την αποκαρβοξυλίωση καί την απαμίνωση της γλυκίνης, με τη μεταφορά της μονανθρακικής ομάδος στο τετραυδροφολικό οξύ. Ή αντίδραση του μεθυλενοτετραυδροφολικού οξέος με τη γλυκίνη για το σχηματισμό της σερίνης είναι ανέπαφη, φαίνεται όμως ότι, λόγω ελλείψεως μονανθρακικών ομάδων, ο δρόμος αυτός δεν μπορεί να ακολουθηθεί σε επαρκή βαθμό. Αντίθετα προς προηγούμενες αντιλήψεις, δεν έχει βλαφθεί ή μετατροπή της γλυκίνης σε γλυοξυλικό. Αποτέλεσμα της ενζυμικής βλάβης είναι ή αύξηση της συγκεντρώσεως της γλυκινης στο πλάσμα, στα ούρα και στο εγκεφαλονωτιαίο υγρό. Η συγκέντρωση όλων των άλλων αμινοξέων είναι φυσιολογική. Η κλινική εικόνα είναι ελαφρότερη στις μη κετοτικές υπεργλυκιναιμίες παρά στις κετοτικές μορφές. Οι άρρωστοι κατορθώνουν να φθάσουν την παιδική ή τη νεανική ηλικία. Βασική σημασία έχει ή διαταραχή της πνευματικής αναπτύξεως. Συχνά εμφανίζονται νευρολογικά συμπτώματα (οπισθότονος, μεταβολές στο ηλεκτροεγκεφαλογράφημα, βαριές κρίσεις σπασμών). Ο τρόπος κληρονομικότητας είναι αυτοσωματικός υπολειπόμενος. Θεραπεία δεν είναι γνωστή Η πτώση της συγκεντρώσεως της γλυκίνης στο αίμα είναι δυνατή με την ελάττωση της γλυκίνης καί της σερίνης στη δίαιτα, με τη χορήγηση βενζοϊκοϋ νατρίου (με το όποιο ενώνεται ή γλυκίνη σε ιππουρικό οξύ). Ν-φορμυλο-τετραυδροφολικού οξέος ή και μεθειονίνης, 'Αλλά με τα θεραπευτικά αυτά μέτρα δεν επηρεάζεται ή εξέλιξη της νόσου.[21]

5. Φαινυλοκετονουρία

Η πρωτογενής βιοχημική διαταραχή σ' αυτή τη νόσο είναι ή έλλειψη του ένζυμου υδροξυλάση της φαινυλαλανίνης, πού οξειδώνει τη φαινυλαλανίνη σε τυροσίνη.(Εικόνα 4.11) Αντίθετα, ό αναγκαίος παράγοντας, καθώς και ή δραστικότητα της ρεδουκτάσης της διυδροπτεριδίνης είναι φυσιολογικά. Ο τρόπος κληρονομικότητας είναι αυτοσωματικός υπολειπόμενος, με συχνότητα εμφανίσεως της νόσου 1 προς 10.000. Αποτέλεσμα της ένζυμικής βλάβης είναι ή αύξηοη της συγκεντρώσεως της φαινυλαλανίνης στο πλάσμα του αίματος. Αν ή συγκέντρωση της φαινυλαλανίνης στο πλάσμα φθάσει μια οριακή τιμή (περίπου 1 mol/l), χρησιμοποιούνται οι παράπλευροι δρόμοι αποικοδομήσεως της φαινυλαλανίνης, Ό σπουδαιότερος είναι ή τρανσαμίνωση σε φαινυλοπυρο-σταφυλικό, μια πού η τρανσαμινάση επάγεται από το υπόστρωμα της. Το φαινυλοπυροσταφυλικό αποβάλλεται σε αυξημένες ποσότητες με τα ούρα (γι' αυτό και ή ονομασία «φαινυλοκετονουρία»), ό­που μπορεί να ανιχνευθεί με μια απλή αντίδραση με FeCl3. Ο ελαττωμένος σχηματισμός της τυροσίνης πιθανώς οδηγεί και στην ελαττωμένη παραγωγή κατεχολαμινών και μελανίνης. Η φαινυλαλανίνη σε μεγάλες συγκεντρώσεις αναστέλλει το σύστημα της τυροσινάσης, πού είναι υπεύθυνο για τη σύνθεση της μελανίνης. Κλινική εικόνα: Βασικό σύμπτωμα είναι ή διαταραχή της πνευματικής αναπτύξεως. Μόνο 2% των παιδιών πού πάσχουν από φαινυλοκετονουρία έχουν ΙQ πάνω από 60. Μπορούν να εμφανισθούν νευρολογικά συμπτώματα (υπερκινησία, υπερτονία των μυών, αύξηση των αντανακλαστικών, τρόμος διαταραχές του ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος). Η διαταραχή της συνθέσεως της μελανίνης οδηγεί σε έλλειψη χρώσεως ή σε ελαττωμένη χρώση του δέρματος, των τριχών και της ίριδας, καθώς και σε αυξημένη τάση για ερύθημα μετά από επί δράση φωτός. Η απέκκριση του φαινυλογαλακτικού προκαλεί έντονη μυρουδιά των ούρων και του ίδρωτα. Χωρίς θεραπεία μόνο 25% των αρρώστων φθάνουν στο τριακοστό έτος της ηλικίας. Η σχέση μεταξύ βιοχημικών βλαβών και διαταραχών στο κεντρικό νευρικό σύστημα είναι άγνωστη και πιθανώς πολύπλοκη. Υπάρχει υπόνοια, ότι σημαντικό ρόλο παίζει η ελαττωμένη παραγωγή των σπουδαίων για την εγκεφαλική λειτουργία αμινών σεροτονίνης και νοραδρεναλίνης ή η αυξημένη παραγωγή της φαινυλαιθυλαμίνης.

[22]

Η θεραπεία συνίσταται στη χορήγηση τροφής πτωχής σε φαινυλαλανίνη. Έτσι περιορίζεται ή συγκέντρωση της φαινυλαλανίνης στο αίμα κάτω από την οριακή τιμή των 0,75mmol/l. "Αν ή θεραπεία αρχίσει στον τρίτο μήνα της ζωής ή νωρίτερα ακόμη, μπορεί να εμποδιστεί ή εμφάνιση των συμπτωμάτων, κυρίως των διανοητικών και των νευρολογικών διαταραχών.[22]

6. Αλφισμός

Βιοχημεία. Σαν αλφισμό εννοούμε διάφορες κληρονομικές διαταραχές του σχηματισμού της μελανίνης.

Ή σύνθεση της μελανίνης είναι ειδική λειτουργία των μελανοκυττάρων και επιτελείται σε κυτταροπλαοματικά οργανίδια των κυττάρων αυτών, τα μελανοσώματα. Η σύνθεση της χρωστικής (Εικόνα 4.13) καταλύεται από ένα μόνο ένζυμο, την φαινολοξειδάση (παλιά λεγόταν τυροσινάση) που περιέχει χαλκό. Στον αλφισμό υπάρχουν μελανοκύτταρα αλλά δεν είναι σε θέση να παράγουν στα μελανοσώματά τους τη μελανίνη. Δύο βλάβες στη σύνθεση της μελανίνης έχουν καταδειχθεί μέχρι σήμερα: Στον αλφισμό με έλλειψη τυροσινάσης παρατηρείται βλάβη ή τέλεια έλλειψη του ενζύμου. Ακόμη και αν αυξηθεί η προσφορά τυροσίνης, δεν παράγεται μελανίνη. Αντίθετα, στην περίπτωση αλφισμοϋ με θετική τυροσινάση, ή αυξημένη προσφορά της τυροσίνης οδηγεί σε σύνθεση μελανίνης. Πρόκειται πιθανό­τατα για μια βλάβη της μεταφοράς της τυροσίνης δια της κυτταρικής μεμβράνης (βλάβη στην «περμεάση» της τυροσίνης). Η κλινική εικόνα του αλφισμού διαχωρίζεται, ανάλογα με την εντόπιση της βλάβης της μελανίνης, σε οφθαλμοδερματική και σε οφθαλμική μορφή. Στην οφθαλμοδερματική μορφή η κληρονομικότητα είναι αυτοσωματική υπολειπόμενη. Με βιοχημικά κριτήρια μπορεί να γίνει διαφοροποίηση των δύο τύπων της αρνητικής και θετικής τυροσινάσης. Ό οφθαλμικός αλφισμός χαρακτηρίζεται από μια φυλοσύνδετη υπολειπόμενη κληρονομικότητα. Ή βιοχημική διαταραχή δεν είναι γνωστή. Συχνότερη μορφή του αλφισμού είναι η οφθαλμοδερματική. Σ' αυτήν υπάρχει έλλειψη μελανίνης τόσο στο δέρμα όσο και στα μάτια. Για το λόγο αυτό το δέρμα είναι ωχρό και τα μαλλιά χαρακτηριστικά ξανθά ή κοκκινίζουν ελαφρά, Η έλλειψη χρωστικής στο δέρμα οδηγεί σε έντονο ερύθημα μετά από επίδραση ηλιακών ακτινών. Ακτινοβολία μακρύτερης διαρκείας οδηγεί σε προκαρκινωματώδεις κερατώσεις και σε βασικοκαρκινώματα.[23]

[23]

Η έλλειψη της μελανίνης στα μάτια προκαλεί γκριζογάλαζη χρώση της ίριδας. Λόγω ελλείψεως της χρωστικής στον αμφιβληστροειδή και στον χοριοειδή, ο βυθός του οφθαλμού είναι πορτοκαλλέρυθρος, Ή όραση των αρρώστων είναι συνήθως περιορισμένη. Επιπλέον υπάρχει συχνά εκσεσημασμένη μυωπία, υπερμετρωπία, κεντρικό σκότωμα, στραβισμός ή νυσταγμός. Στον οφθαλμικό τύπο του αλφισμού ή βλάβη του σχηματισμού μελανίνης περιορίζεται στα μελανοκύτταρα του οφθαλμού, ενώ ή σύνθεση μελανίνης στα μελανοκύτταρα του δέρματος εξελίσσεται φυσιολογικά. Εμφανίζονται όμοια οφθαλμικά συμπτώματα, όπως και στον οφθαλμοδερματικό αλφισμό. Άγνωστη παραμένει η αιτιολογική ή η αποτελεσματική συμπτωματική θεραπεία.[23]

7. Οξείδιο του αζώτου (Ν=Ο)

Παράγωγο της αργινίνης (καταλύεται από τη συνθάση του ΝΟ) επίσης είναι το οξείδιο το» αζώτου (Ν=Ο, με απαίτηση ΝΑDPH και Ο2),(Εικόνα 24.33) το οποίο είναι ένα από τα πιο σημαντικά «μηνύματα» του μεταβολισμού (δρα δεσμευόμενο και ενεργοποιώντας μια διαλυτή γουανυλική κυκλάση, ένα ένζυμο σημαντικό στη μεταγωγή σήματος)  και ρυθμίζει διεργασίες όπως την εξουδετέρωση καρκινικών κυττάρων και μικροβίων από τα μακροφάγα κύτταρα, τη χαλάρωση των λείων μυϊκών ινών, τη διακίνηση σίδηρου στα κύτταρα κ.ά. Το ΝΟ υπάρχει ως αέρια ελεύθερη ρίζα με χρόνο ημιζωής λίγων δευτερολέπτων. Είναι ενεργοποιητής του ενζύμου γουανυλκυκλάση.[17]

[24]

Πιστεύεται ότι το ΝΟ υποκινεί την σύνθεση (βιογένεση) νέων μιτοχονδρίων. Τα μικρά ποσά του ΝΟ υποκινούν την μιτοχονδριακή βιογένεση και ωθούν τον ανεφοδιασμό του οξυγόνου και των αναπνευστικών υποστρωμάτων στα μιτοχόνδρια. Αντίθετα, τα υψηλά ποσά του ΝΟ που παράγονται από iNOS εμποδίζουν τη μιτοχονδριακή αναπνοή και μπορούν να είναι κυτταροτοξικά.

Η διαπίστωση είναι ότι το ΝΟ που παράγεται από τα iNOS, (Εικόνα 8) είναι το ίδιο ένας κύριος ρυθμιστής του μιτοχονδριακού αριθμού, και έτσι ενδεχομένως της αεροβικής άσκησης, της παραγωγής θερμότητας, και της παχυσαρκίας. Αυτή η εκπληκτική ανακάλυψη έχει σημαντικές επιπτώσεις στην κατανόηση του ενεργειακού μεταβολισμού και προτείνει θεραπευτικές επεμβάσεις για την μεταχείριση της παχυσαρκίας. Εάν το ΝΟ πράγματι ρυθμίζει το μιτοχονδριακό αριθμό στον ανθρώπινο σκελετικό μυ, είναι πιθανόν να υποκινεί την παραγωγή μιτοχονδρίων στους μύες με τα φάρμακα ή με γονιδιακή θεραπεία, προκειμένου να αυξηθεί η αθλητική απόδοση, να μειωθεί η παχυσαρκία, ή ακόμα και να αντιστραφεί η γήρανση. Από την άλλη πλευρά, τα μιτοχόνδρια μπορούν τα ίδια να συμβάλλουν στο θάνατο κυττάρων και στην γήρανση, με το ΝΟ να ρυθμίζει πολλές άλλες κυτταρικές διαδικασίες.[25]

Εικόνα 8.[25]


Βιβλιογραφία

                                 [1]   Γεωργάτσος Ι., Δομή και Λειτουργία του Κυττάρου, Βιοχημεία Τόμος Β’, , Ε.Α.Π.2006, σελ. 122.

                                 [2]   Berg J., Tymoczko J., Stryer L., Βιοχημεία, Τόμος Ι, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2005, σελ. 643.

                                 [3]   Lehninger Principlew of biochemistry, FIGURE 22-27, p. 858.

                                 [4]   Γεωργάτσος Ι., Δομή και Λειτουργία του Κυττάρου, Βιοχημεία Τόμος Β’, , Ε.Α.Π.2006, σελ. 123.

                                 [5]   Lehninger Principlew of biochemistry, FIGURE 19-35, p. 722.

                                 [6]   Πετροπούλου Γ., Μανέτας Ι., Φωτοσύνθεση, Σημειώσεις, Εργαστήριο Φυσιολογίας

                                 [7]   Berg J., Tymoczko J., Stryer L., Βιοχημεία, Τόμος Ι, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2005, Εικόνα 20-25, σελ. 567.

                                 [8]   Berg J., Tymoczko J., Stryer L., Βιοχημεία, Τόμος Ι, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2005, σελ. 642.

                                 [9]   Khalid Iqbal, Sangramm S. Sisodia and Bengt Winblad , Parallels between the Redox Properties and Toxicity of Aβ in Alzheimer's Disease and Mutant Cu/Zn-SOD in Familial Amyotrophic Lateral Sclerosis, Alzheimer's Disease :Advances in Etiology, Pathogenesis and Therapeutics, Copyright 2001 John Wiley & Sons Ltd, Print ISBN 0-471-52176-0   Online  ISBN 0-470-84645-3, p. 339.

                              [10]   Guyton Α., Hall W., Textbook of Medical Physiology, 10th ed.,2000, σελ. 411.

                              [11]   Stenfors LE, Albiin N, Bloom GD, Hellstrom S, Widemar L., Mast cells and middle ear effusion, PMID: 2409831 [PubMed - indexed for MEDLINE]

                              [12]   Staumont-Salle D, Piette F, Delaporte E. ,Clinique dermatologique, hopital Claude-Huriez, CHRU, Lille,France., Etiological diagnosis and treatment of chronic urticaria PMID: 12614856 [PubMed - indexed for MEDLINE]

                              [13]   http://health.in.gr/allergies

                              [14]   Guyton A., Hall W. Textbook of Medical Physiology, , 10th ed.,2000, p. 232.

                              [15]   Guyton Α., Hall W., Textbook of Medical Physiology, 10th ed.,2000, p. 257.

                              [16]   Guyton Α., Hall W., Textbook of Medical Physiology, 10th ed.,2000, p. 559.

                              [17]   Γεωργάτσος Ι., Δομή και Λειτουργία του Κυττάρου, Βιοχημεία Τόμος Β’, , Ε.Α.Π.2006, σελ. 125.

                              [18]   Berg J., Tymoczko J., Stryer L., Βιοχημεία, Τόμος ΙΙ, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2005, σελ. 774.

                              [19]   http://www.iator.gr/kalogeropoylos/trixofiia2.html

                              [20]   Harper P, Thunell S, Hultcrantz R, Ros AM, Wennersten G. ,Porfyricentrum Sverige., Porphyria cutanea tarda is the most common type of porphyria. Medical control is a team work, PMID: 9700265 [PubMed - indexed for MEDLINE] Τομέας Βιολογίας Φυτών, Τμήμα Βιολογίας, Πανεπιστήμιο Πατρών, σελ. 12.

                              [21]   Karlson P., Gerok W., Groβ W., Κλινική  Παθολογική Βιοχημεία, Ιατρικές εκδόσεις Λίτσας, Αθήνα 1993, σελ.75.

                              [22]   Karlson P., Gerok W., Groβ W., Κλινική  Παθολογική Βιοχημεία, Ιατρικές εκδόσεις Λίτσας, Αθήνα 1993, σελ.87-88.

                              [23]   Karlson P., Gerok W., Groβ W., Κλινική  Παθολογική Βιοχημεία, Ιατρικές εκδόσεις Λίτσας, Αθήνα 1993, σελ.92-94.

                              [24]   Berg J., Tymoczko J., Stryer L., Βιοχημεία, Τόμος ΙΙ, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2005, σελ. 772.

                              [25]   Ζορμπά Ε., Βιογένεση και ασθένειες μιτοχονδρίων, Διάλεξη 14/7/2006. http://multimedia.biol.uoa.gr/media2005_06/zorba_files/lobby0.htm



24. «Δομές πρωτεϊνών και ρόλος τους στη λειτουργικότητά τους. Να περιγράψετε διδακτικά ανάλογα για την κατανόησή τους.»

Από τη δεκαετία του ’70, η εκπαιδευτική έρευνα επηρεάστηκε από πολλές θεωρίες για τη μάθηση και τη γνώση που ορίζονται ως εποικοδομητικές. Οι εποικοδομητικές θεωρίες περιγράφουν την ανθρώπινη γνώση σαν διαδικασία γνωστικής κατασκευής ή επινόησης, στην οποία εμπλέκεται το άτομο στην προσπάθειά του να κατανοήσει, για οποιοδήποτε σκοπό, το φυσικό ή το κοινωνικό του περιβάλλον.[1]

Αυτές οι θεωρίες βασίζονται σε μελέτες της ιστορίας και φιλοσοφίας της επιστήμης, σύμφωνα με τις οποίες η αντίληψή μας για τον κόσμο είναι υποκειμενική. Οι παρατηρήσεις μας εμπλέκονται με τις προηγούμενες αντιλήψεις και τις υπάρχουσες θεωρίες για τον κόσμο. Οικοδομούμε νόημα για τον κόσμο γύρω μας, βασισμένοι στις προηγούμενές μας προσπάθειες να τον κατανοήσουμε.

Οι εποικοδομητικές θεωρίες στηρίζονται σε μελέτες της γνωστικής ψυχολογίας που θεωρούν τη μάθηση ως διαδικασία αλληλεπίδρασης με τις προηγούμενες αντιλήψεις και οικοδόμησης νέων νοητικών δομών από τις προηγούμενες εμπειρίες .[2]

Υπάρχουν πολλές διαφορετικές εκδοχές του εποικοδομητισμού, ωστόσο όλες συγκλίνουν στο ότι η γνώση είναι μεταβαλλόμενη, οικοδομείται από τον καθένα χωριστά γι αυτό και είναι υποκειμενική. Επίσης τονίζουν ότι το σύνολο των προηγούμενων βιωματικών εμπειριών ενός ατόμου συνιστούν ένα εννοιολογικό πλαίσιο αναφοράς, για να αντιληφθεί και να κατανοήσει νέα φαινόμενα .[3]

Οι εποικοδομητικές θεωρίες έστρεψαν την προσοχή των ερευνητών στην καταγραφή των ιδεών και εναλλακτικών αντιλήψεων των μαθητών, προκειμένου να διαπιστωθεί η σημασία της προηγούμενης γνώσης του μαθητή στη διαδικασία της μάθησης. Πολλοί διαφορετικοί συγγραφείς, όπως ο Piaget, ο Bachelard και ο Ausubel υποστηρίζουν ότι το παιδί, ακόμη και από την πολλή μικρή ηλικία, έχει ιδέες σχετικά με τα πράγματα, και αυτές οι ιδέες παίζουν κάποιο ρόλο στη διαδικασία της μάθησης. Ο Piaget υποστηρίζει ότι τα παιδιά, όπως και οι επιστήμονες, προσπαθούν να ερμηνεύσουν τον κόσμο με βάση τα όσα γνωρίζουν και τα ερεθίσματα που δέχονται. Επίσης είναι σε θέση να συσχετίζουν τη νέα γνώση με την παλιά, αλλά και να κάνουν λάθος συσχετίσεις .[4]

Ο Bachelard διαπιστώνει ότι οι καθηγητές των φυσικών επιστημών, περισσότερο από άλλους, δεν μπορούν να κατανοήσουν πως οι μαθητές τους δεν καταλαβαίνουν. Το γεγονός πως ο μαθητής φθάνει στο σχολείο κατέχοντας ήδη συγκροτημένες εμπειρικές γνώσεις δεν τους έχει προβληματίσει. Το πρόβλημα δεν είναι να αποκτήσουν οι μαθητές μια πειραματική γνώση, αλλά να αλλάξουν γνώση ανατρέποντας τα εμπόδια που τους έχει συσσωρεύσει η καθημερινή ζωή. [5]

Ο Ausubel, τέλος, υποστηρίζει: «εάν έπρεπε να συμπυκνώσω την εκπαιδευτική ψυχολογία σε ένα και μόνο κανόνα, θα έλεγα το εξής: Ο πιο σημαντικός και απλός παράγοντας που επηρεάζει τη μάθηση είναι αυτό που ήδη γνωρίζει ο μαθητής. Εξακριβώστε το και διδάξτε τον ανάλογα.».[6]

Τα τελευταία χρόνια πολλοί ερευνητές έχουν στρέψει την προσοχή τους στην καταγραφή των ιδεών και εναλλακτικών αντιλήψεων των παιδιών για διάφορες επιστημονικές έννοιες . Από τις έρευνες αυτές έγινε γνωστό ότι τα παιδιά πριν ακόμη φοιτήσουν στο σχολείο έχουν διαμορφώσει άποψη για τα φυσικά φαινόμενα και έχουν δώσει τη δική τους ερμηνεία γι αυτά. Τα παιδιά διαμορφώνουν τις ιδέες τους μέσω των αλληλεπιδράσεων, την κοινωνική επαφή, τη γλώσσα και με αυτές προσπαθούν να ερμηνεύσουν πως λειτουργεί ο κόσμος. Επιπλέον αυτές τις ιδέες χρησιμοποιούν, για να προβλέψουν και να ερμηνεύσουν ότι υποπίπτει στην αντίληψή τους. Οι ιδέες ή εναλλακτικές αντιλήψεις των μαθητών μπορούν να ομαδοποιηθούν, έχουν γενικότητα και διαχρονική ισχύ. Μερικές από αυτές είναι τόσο καλά εδραιωμένες που δεν αλλάζουν με τη διδασκαλία. Έτσι είναι δυνατόν οι μαθητές να εφαρμόζουν τις επιστημονικές ιδέες σε προβλήματα των εξετάσεων, αλλά αδυνατούν να τις εφαρμόσουν εκτός σχολείου για την ερμηνεία των φυσικών φαινομένων. Οι ιδέες δεν είναι απλές παρανοήσεις που ίσως οφείλονται σε κακή πληροφόρηση των μαθητών, αλλά πιθανόν να δημιουργούνται από κάποιους μηχανισμούς που αυτοί διαθέτουν και με αυτούς αντιλαμβάνονται ότι συμβαίνει γύρω τους.[7]

Οι μαθητές, για να κατανοήσουν τον κόσμο που τους περιβάλλει και τα φαινόμενα του, δομούν εσωτερικές αναπαραστάσεις – νοητικά μοντέλα που τους επιτρέπουν να μαθαίνουν, να εξηγούν και να προβλέπουν. Αυτά τα μοντέλα είναι προσωπικά, ατελή και ποιοτικά. Δηλαδή, αυτά τα μοντέλα των φυσικών φαινομένων – μοντέλα τα οποία δεν είναι ούτε σύμφωνα με εκείνα που είναι επιστημονικά αποδεκτά, και ούτε απαραίτητα σύμφωνα μεταξύ τους, και τα οποία μόνο σε αναγκαίες συνθήκες είναι χρήσιμα (λειτουργικά), επιτρέποντας στους μαθητές να τα χειρίζονται στην καθημερινή τους ζωή - αποτελούν την πρότερη γνώση που οι μαθητές φέρνουν στην τάξη. Είναι εκεί , στην τάξη, όπου τα εννοιολογικά μοντέλα παρουσιάζονται σ΄ αυτούς. Όταν οι μαθητές λαμβάνουν αυτή την πληροφορία, έχουν διαφορετικές πιθανότητες. Η πρώτη ίσως είναι η προσπάθεια να την ερμηνεύσουν σε συμφωνία με την γνώση που ήδη κατέχουν και έτσι να παράγουν υβριδικά μοντέλα. Η δεύτερη πιθανότητα θα ήταν να την απομνημόνευαν σε ασύνδετες λίστες – διαμέσου εσωτερικών προτασιακών αναπαραστάσεων – για να περάσουν τις εξετάσεις. Μία τρίτη, και ίσως η πιο παρατραβηγμένη, θα ήταν να δομούσαν νοητικά μοντέλα σε συμφωνία με τις πληροφορίες που οι μαθητές προσέλαβαν. Ωστόσο, η διαδικασία μοντελοποίησης διαμέσου της οποίας θα μπορούσε να διευκολυνθεί η δόμηση αυτών των νοητικών μοντέλων, και, έτσι, η κατανόηση των εννοιολογικών μοντέλων που παρουσιάστηκαν, δεν έχει ρητά τονισθεί. [8]

Οι εναλλακτικές αντιλήψεις των παιδιών αναφέρονται στη βιβλιογραφία και ως «επιστήμη των παιδιών». Με τον όρο «επιστήμη των παιδιών» εννοούμε τις απόψεις του κόσμου και τις έννοιες των λέξεων, που τα παιδιά τείνουν να αποκτούν, πριν τυπικά διδαχθούν επιστήμη. Η «επιστήμη των παιδιών» αναπτύσσεται, καθώς τα παιδιά προσπαθούν να κατανοήσουν τον κόσμο στον οποίο ζουν υπό τους όρους των δικών τους εμπειριών, την ισχύουσα γνώση και τη δική τους χρήση της γλώσσας. Ο Kelly υποδεικνύει ότι όλοι είμαστε κατά κάποιο τρόπο επιστήμονες από μια μικρή ηλικία. Οι Vicentini–Mossori θεωρούν ότι τα παιδιά, ως επιστήμονες, χρησιμοποιούν ομοιότητες και διαφορές, για να οργανώσουν γεγονότα και φαινόμενα και, κατά την παρατήρηση γεγονότων και φαινομένων, ερευνούν για στοιχεία, και τις σχέσεις ανάμεσα στα στοιχεία, για να οικοδομήσουν τις δομές των σχέσεων. Επιπροσθέτως, τα παιδιά, ως επιστήμονες, συλλέγουν γεγονότα και κτίζουν μοντέλα, για να εξηγήσουν γνωστά γεγονότα και να κάνουν προβλέψεις.

Δομές πρωτεϊνών και ρόλος τους στη λειτουργικότητά τους

Οι παραδοχές που θα χρησιμοποιηθούν για την πραγματοποίηση της διδασκαλίας είναι οι ακόλουθες:

  • Οι μαθητές έρχονται στην τάξη με διαμορφωμένη αντίληψη για τον κόσμο, η οποία έχει δημιουργηθεί μέσα από τις εμπειρίες και τη γνώση που έχουν αποκτήσει
  • Η άποψη που έχουν οι μαθητές για τη κόσμο επηρεάζει την ερμηνεία που δίνουν στις διάφορες παρατηρήσεις που κάνουν
  • Η γνώση οικοδομείται και δεν μεταφέρεται
  • Η προϋπάρχουσα γνώση επηρεάζει τη καινούργια
  • Το κτίσιμο της γνώσης απαιτεί προσπάθεια και προγραμματισμό

Διδακτικοί στόχοι

Στο τέλος της διδασκαλίας ο μαθητής θα πρέπει:

  • Να αναγνωρίζει το είδος των μονομερών των πρωτεϊνών (αμινοξέα) και να περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο αυτά συνδέονται, ώστε να αποτελέσουν πεπτιδικές αλυσίδες.
  • Να συσχετίζει την «ιδιαιτερότητα» κάθε πρωτεΐνης με τη συγκεκριμένη αλληλουχία των αμινοξέων, τα οποία δομούν την πεπτιδική αλυσίδα.
  • Να αναγνωρίζει ότι κάθε συγκεκριμένη αλληλουχία αμινοξέων προσδιορίζει μια συγκεκριμένη στερεοδιάταξη, που με τη σειρά της προσδιορίζει έναν καθορισμένο βιολογικό ρόλο για την πρωτεΐνη.
  • Να κατατάσσει τις πρωτεΐνες με βάση τη λειτουργία τους και να αναγνωρίζει ό­τι αυτές είναι τα μακρομόρια χάρη στα οποία επιτελείται ένα πλήθος από διαφορετικές κυτταρικές λειτουργίες.

Περιεχόμενο

  • Πρωτείνες: Διαδεδομένες, πολύπλοκες και εύθραυστες
  • Αμινοξέα: οι δομικοί λίθοι
  • Οργάνωση των πρωτεϊνικών μορίων
  • Η δομή των πρωτεϊνικών μορίων καθορίζει τη λειτουργία τους

Ενδεικτικές διδακτικές ενέργειες - διδακτικά ανάλογα.

Για να πετύχουμε τους διδακτικούς μας στόχους:

1)      Μπορούμε να ξεκινήσουμε τη διδασκαλία των πρωτεϊνών, ζητώντας από τους μαθητές μας να μας αναφέρουν πρωτεΐνες τις οποίες γνωρίζουν και να προσδιορίσουν με βάση την προηγούμενη γνώση τους, το βιολογικό ρόλο τους. Πρέπει να έχουμε υπόψη τι ξέρει καλά ο μαθητής από την καθημερινή του ζωή και είναι σε θέση να κάνει αντιπαράθεση. Μπορούμε να τους κατευθύνουμε, ώστε να αναζητήσουν προϊόντα που διαφημίζονται για το περιεχόμενο τους σε πρωτεΐνη (π.χ. κρέμες καλλυντικών που περιέχουν κολλαγόνο) ή φαρμακευτικά προϊόντα (π.χ. ινσουλίνη). Συζητάμε μαζί τους, σύντομα ,που συναντώνται οι πρωτείνες που ανέφεραν, τι ρόλο επιτελούν και κάνουμε αναφορά σε πρωτεΐνες που ίσως τους είναι άγνωστες (π.χ. ακτίνη, μυοσίνη, αντισώματα κ.ά.) και τους προβάλουμε και μια διαφάνεια όπως η ακόλουθη:

Διαφάνεια [9]

2)      Αφού έχουμε εξετάσει ένα μικρό αλλά ποικίλο δείγμα πρωτεϊνών, παρουσιάζουμε το δομικό τους λίθο, τα αμινοξέα. Προβάλλοντας τους μάλιστα ένα πίνακα με τα 20 διαφορετικά αμινοξέα, (Σχήμα 2) μπορούμε να τους οδηγήσουμε να ανακαλύψουν ότι όλα τους διαθέτουν μια τουλάχιστον καρβοξυλομάδα και μια τουλάχιστον αμινομάδα, αλλά καθένα έχει μια χαρακτηριστική, γι’ αυτό, πλευρική ομάδα R. Στη συνέχεια συζητάμε τον τρόπο σύνδεσης των αμινοξέων μεταξύ τους (πεπτιδικό δεσμό), (Εικόνα 1) προσπαθώντας να τους βοηθήσουμε να κατανοήσουν ότι είναι ανυδριτικός και ότι στην πεπτιδική αλυσίδα το 1ο αμινοξύ έχει ελεύθερη αμινομάδα, ενώ το τελευταίο έχει ελεύθερη καρβοξυλομάδα.

[11]

Εικόνα 1. Πεπτιδικός δεσμός [12]

3)      Μπορούμε να τους ζητήσουμε να γράψουν όσες περισσότερες λέξεις μπορούν χρησιμοποιώντας τα γράμματα α, ν, ε. Αφού συνθέσουν λέξεις, όπως: νέα, αν, εάν, ένα, εννέα, Άννα κ.ά., τους ρωτάμε τι είναι αυτό που διαφοροποιεί τις λέξεις αυτές μεταξύ τους. 'Οταν οδηγηθούν στην απάντηση ότι είναι το είδος και η καθορισμένη σειρά των γραμμάτων που τις συνθέτουν, και η διαφορετική κάθε φορά σημασία τους, εξηγούμε ότι με παρόμοιο τρόπο τα 20 διαφορετικά αμινοξέα μπορούν να συνθέσουν ένα ποικίλο αριθμό διαφορετικών πρωτεϊνών.[10]

4)      Παρουσιάζουμε στους μαθητές μας τα διαφορετικά επίπεδα οργάνωσης των πρωτεϊνών. Στο σημείο αυτό χρησιμοποιούμε παραδείγματα από αντικείμενα μέσα στην τάξη, που να μοιάζουν με τη δομή της α-έλικας και της β-πτύχωσης που αποτελούν την δευτεροταγή δομή των πρωτεϊνών (Εικόνα 2,3). Παίρνουμε το καλώδιο του πληκτρολογίου του ηλεκτρονικού υπολογιστή του εργαστηρίου και τους δείχνουμε το σχήμα που είναι σπιράλ σε φυσιολογική κατάσταση. Αυτό μοιάζει με την α-έλικα. Αν όμως το τεντώσουμε, θα χάσει την σπιράλ δομή του και θα γίνει περίπου γραμμικό, όπως και η πρωτοταγής δομή της πρωτεϊνης. (Για την πρωτοταγή επίσης δομή μπορούμε να αναφέρουμε το κομπολόϊ όπου οι χάντρες του αντιπροσωπεύουν τα αμινοξέα, ή τα περιδέρια των γυναικών.) Στρίβουμε το καλώδιο έτσι ώστε να δημιουργηθεί ένας βρόγχος που μπορεί να παρομοιωθεί με τη δευτεροταγή δομή τους. Τους εξηγούμε ότι όπως ασκούνται δυνάμεις και επαναφέρουν το σπιράλ σχήμα στο καλώδιο, έτσι και μεταξύ των αμινοξέων ασκούνται δυνάμεις (δεσμοί υδρογόνου στην περίπτωσή μας) και συγκρατούν τη δομή της α-έλικας.

Τους ρωτάμε γιατί το καλώδιο έχει το σχήμα αυτό; Μήπως για να προσδίδει ελαστικότητα στις μεταφορές του πληκτρολογίου; Υπάρχει μήπως πρωτεϊνη που να κάνει κάτι ανάλογο χάρις στην δομή της; Κάνουμε μια αναφορά στην ελαστίνη που υπάρχει στους τένοντες και στα τοιχώματα των μεγάλων αγγείων.

Εικόνα 2. α-έλικα [13]

Εικόνα 3. β-πτύχωση [14]

Στη συνέχεια τους δείχνουμε την πόρτα του εργαστηρίου η οποία είναι μια πτυχωτή πλαστική πόρτα με 5 φύλλα. Είναι ένα καλό ανάλογο της β-πτύχωσης (β-πτυχωτό φύλλο). Κάθε φύλλο περιέχει τα άτομα που γειτονεύουν με τον πεπτιδικό δεσμό και επαναλαμβάνονται σαν ραχοκοκκαλιά στον πρωτεϊνικό κορμό.

Οι μεντεσέδες είναι στην ουσία τα άτομα α άτομα C .

Υπάρχουν και άλλα παραδείγματα αντικειμένων που έχουν παραπλήσιες δομές και μπορούμε να αναφέρουμε στους μαθητές μας, όπως τα σπιράλ σύρματα των τετραδίων τους, τα αμορτισέρ των αυτοκινήτων και των μηχανών (α-έλικα), τα πτυσσόμενα διαφημιστικά φυλλάδια των εκδηλώσεων του σχολείου (β-πτύχωση), τα ξύλινα πορτοπαράθυρα (πατζούρια) που πολλοί έχουμε στα σπίτια μας και άλλα.

‘Όμως είναι σκόπιμο οι μαθητές να κατασκευάσουν μόνοι τους αντικείμενα, με απλά υλικά που τους είναι γνωστά και τα χρησιμοποιούν στην καθημερινή τους ζωή, ανάλογα των πρωτεϊνών προκειμένου να κατανοήσουν σε βάθος τη σχέση δομής και λειτουργίας αυτών.

Έτσι προτείνουμε την παρακάτω κατασκευή:

Υλικά: χαλκόσυρμα 2mm αρκετά μέτρα (μπορούμε να το πάρουμε από ηλεκτρολογικό καλώδιο αφού το γυμνώσουμε), πένσα, κόλα, κύλινδροι χαρτονιού διαμέτρου 5cm, (τους έχουν άφθονους τα καταστήματα που εμπορεύονται ρετάλια) λωρίδες «κράτς» που ράβονται στα ρούχα (θετικά και αρνητικά τμήματα) φάρδους 1cm, ψαλίδια. (από καταστήματα ψηλικών)

Τα υλικά αυτά είναι γνωστά στους μαθητές, και η κατασκευή αυτή μπορεί να αποτελέσει ένα καλό διδακτικό ανάλογο.

Κατασκευή:

Με το σύρμα και τον κύλινδρο τυλίγουμε 10 σπείρες διαμέτρου 5cm που να απέχουν 2cm (βήμα έλικας). Κόβουμε το σύρμα και στις άκρες του φτιάχνουμε θηλιές. Απομακρύνουμε τον κύλινδρο-καλούπι.

Έχουμε μια α-έλικα. Κόβουμε τα κράτς (τα θετικά) σε κομμάτια των 2cm περίπου και τα τυλίγουμε-κολλάμε (χρησιμοποιώντας την κόλα) στο σύρμα σε σημεία τέτοια ώστε κάθε σπείρα να έχει 3 με 4 κράτς (όσα και τα αμινοξέα).

Εξηγούμε ότι τα θετικά κράτς παίζουν ρόλο πλευρικών π.χ. ομάδων -R που θα δημιουργήσουν δεσμούς με τα αρνητικά κράτς των αμινοξέων των β-πτυχώσεων που θα κατασκευάσουμε στη συνέχεια. Η α-έλικά μας έχει μήκος περίπου 20cm. Τώρα κατασκευάζουμε με το σύρμα β-πτυχώσεις , με κάθε πτύχωση να έχει μήκος 5cm (συνολικά 10 πτυχώσεις). Σε κάθε κορυφή της πτύχωσης τοποθετούμε (τυλίγουμε-κολλάμε) και ένα αρνητικό κράτς, και στα άκρα του σύρματος δημιουργούμε θηλιές. (Εικόνα 4)

Αφού έχουμε κατασκευάσει 3 α-έλικες και 3 β-πτυχώσεις, με μικρά κομμάτια σύρμα (τυχαία διαμόρφωση πρωτεϊνης) μήκους 5-10cm συνδέω έλικες με πτυχώσεις χαλαρά για να υπάρχει καλή σχετική κίνηση και λέμε στους μαθητές να ανακατέψουν με προσοχή τις έλικες με τις πτυχώσεις έτσι ώστε να κολλήσουν αρκετά θετικά με αρνητικά κράτς.

Εικόνα 4.

Οι μαθητές έχουν πετύχει τη δημιουργία της τριτοταγούς δομής μιας πρωτεϊνης, με τις πλευρικές ομάδες -R να συνδέονται (πχ δεσμοί S-S) και να σταθεροποιούν μια τρισδιάστατη διαμόρφωση του μορίου. Τους εξηγούμε ότι στη δημιουργία της τριτοταγούς δομής συμβάλλουν ασθενείς κυρίως δεσμοί όπως δεσμοί υδρογόνου, ιοντικοί και υδρόφοβοι και ότι σε ορισμένες περιπτώσεις, η στερεοδιάταξη σταθεροποιείται με δισουλφιδικούς δεσμούς (S-S). (Ενώ οι δεσμοί που συμβάλλουν στη δημιουργία της δευτεροταγούς δομής οφείλονται στον πεπτιδικό δεσμό, οι δεσμοί που συμβάλλουν στην τριτοταγή δομή οφείλονται στις αλληλεπιδράσεις των πλευρικών ομάδων των αμινοξέων). [ 15]

Εικόνα 5.[16]

Μάλιστα αν έχουν χωριστεί σε ομάδες και έχουν κατασκευάσει 4 τέτοιες 3D διαμορφώσεις, (Εικόνα 5,6) τους λέμε να τις ανακατέψουν, να κολλήσουν τα κράτς μεταξύ τους και να πάρουν μια ακόμη πιο πολύπλοκη διαμόρφωση, την τεταρτοταγή (η πεμπτοταγής δεν αναφέρεται στην ύλη τους). Εδώ αναφερόμαστε στην αιμοσφαιρίνη Α (α2β2), χαρακτηρίζοντας τις πρωτεϊνες που κατασκεύασαν κάποιες ομάδες σαν α και κάποιες σαν β. Επιλέγοντας 2 α και 2 β έχουμε πετύχει την κατασκευή της αιμοσφαιρίνης Α.

Εικόνα 6.[17]

Τους εξηγούμε τον τρόπο με τον οποίο η στερεοδιάταξη της πρωτεΐνης τελικά καθορίζεται από την πρωτοταγή δομή της. Παράλληλα τους βοηθάμε να διακρίνουν τη διαφορά ανάμεσα στους όρους πολυπεπτίδιο και πρωτεΐνη, δείχνοντας ότι μερικές πρωτεΐνες αποτελούνται από περισσότερες της μίας πολυπεπτιδικές αλυσίδες.

5)      Κάνουμε μια πολύ σύντομη αναφορά στα ένζυμα ως πρωτεΐνες που έχουν την ικανότητα να επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις που γίνονται μέσα στο κύτταρο, αλλά και έξω από αυτό, στον οργανισμό (π.χ. στομάχι), και παρουσιάζουμε με κατάλληλα σχήματα τη στερεοδιάταξη μερικών ενζύμων και μερικών υποστρωμάτων.

6)      Ζητάμε από τους μαθητές μας να διακρίνουν με ποιο υπόστρωμα συνδέεται κάθε ένζυμο και στη συνέχεια τους ρωτάμε από τι εξαρτάται η ικανότητα κάθε ενζύμου να επιταχύνει μια συγκεκριμένη χημική αντίδραση. Αφού απαντήσουν ότι η μορφή τους είναι αυτή που προσδιορίζει την ικανότητα τους να συνδέονται με το ένα η με το άλλο υπόστρωμα, μπορούμε να επανέλθουμε ρωτώντας τους από τι εξαρτάται η μορφή τους. Έτσι θα βοηθήσουμε τους μαθητές να κα­τανοήσουν και να αιτιολογήσουν τη λογική σειρά:

Πρωτοταταγής δομή —> στερεοδιάταξη —> βιολογικός ρόλος


Βιβλιογραφία

                                 [1]  Taylor, P.C.S., Collaborating to reconstruct Teaching: The Influence of Researcher Beliefs, in Tobin Kenneth (eds), The Practice of Constructivism in Science Education, New Jersey, ed. Lawrence Erlbaum Associates, pub.Hillsdate,1993, p.268. and Fosnot, C.T., Constructivism: Theory, Perspectives and Practice, New York, ed. Teachers College Press, 1995, p.149.

                                 [2]  Carr, M., Barker, M., Bell, B., Biddulph, F., Jones, A., Kirkwood, V., Pearson, J. & Symington, D., The constructivist Paradigm and Some Implications for Science Content and Pedagogy, in Fensham P.J., Gunstone R.F. & White R.T. (eds), The Content of Science: A constructivist approach to its teaching and learning, London, ed. The Palmer Press, 1995, p.149.

                                 [3]  Taylor, P.C.S., Collaborating to reconstruct Teaching: The Influence of Researcher Beliefs, in Tobin Kenneth (eds), The Practice of Constructivism in Science Education, New Jersey, ed. Lawrence Erlbaum Associates, pub.Hillsdate,1993, p.269.

                                 [4]  Driver, R. and Easley, J., Pupils and paradigms: A review of literature related to concept development in adolescent science students, Studies in Science Education, vol. 5, p.68.

                                 [5]  Bertrand, Y. ( Μετ. Σιπητάνου Αθηνά – Λινάρδου Ελένη), Σύγχρονες εκπαιδευτικές θεωρίες, Αθήνα, Ελληνικά Γράμματα, Β΄εκδ., 1999.,σελ.66.

                                 [6]  Ausubel, D.P., Novac, J.D. & Hanesian, H., Educational Psychology. A cognitive view, New York: Holt, Rinehart and Winston, 1978.iv.

                                 [7]  Driver, R., Squires, A., Rushworth, P. & Wood – Robinson, V., (μετ. Χατζή Μ.), Οικοδομώντας τις έννοιες των φυσικών επιστημών. Μια παγκόσμια σύνοψη των ιδεών των μαθητών., Αθήνα, εκδ. Τυπωθήτω, 1998. σελ.12-13.

                                 [8]  Greca, H.M.& Moreira, M.A., mental models, conceptual models, and modelling, International Journal of Science Education, 2000, vol.22 no.1, p.8.

                                 [9]  Alberts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter, (2000), Βασικές Αρχές Κυτταρικής Βιολογίας, Εισαγωγή στην Μοριακή Βιολογία του Κυττάρου, Αθήνα,Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ. Πασχαλίδης,σελ.153.

                              [10]  Καψάλης Α., κ.α., Βιβλίο καθηγητή , Βιολογία γενικής παιδείας Β’ τάξης Ενιαίου Λυκείου, ΟΕΔΒ , σελ 31-33.

                              [11]  Μαρμάρας Β., Πρωτεϊνες, Εναλλακτικό διδακτικό υλικό για τη θεματική ενότητα: Οργάνωση της ύλης σε έμβια όντα, Ε.Α.Π. 2005, σελ.9.

                              [12]  Οικονόμου Τ., Δομή πρωτεϊνών, Διάλεξη Ι, διαφάνεια 10, http://ecoserver.imbb.forth.gr/BIO321.htm

                              [13]  Οικονόμου Τ., Δομή πρωτεϊνών, Διάλεξη Ι, διαφάνεια 24, http://ecoserver.imbb.forth.gr/BIO321.htm

                              [14]  Οικονόμου Τ., Δομή πρωτεϊνών, Διάλεξη Ι, διαφάνεια 30, http://ecoserver.imbb.forth.gr/BIO321.htm

                              [15]  Μαρμάρας Β., Πρωτεϊνες, Εναλλακτικό διδακτικό υλικό για τη θεματική ενότητα: Οργάνωση της ύλης σε έμβια όντα, Ε.Α.Π. 2005, σελ.12.

                              [16]  http://www.rpc.msoe.edu/cbm/pdf/2005_CBM_Fact_Sheet.pdf

                              [17]  Οικονόμου Τ., Δομή πρωτεϊνών, Διάλεξη Ι, διαφάνεια 37, http://ecoserver.imbb.forth.gr/BIO321.htm




25.  «Τι γνωρίζετε για το νουκλεόσωμα και την ουβικιτίνη (ubiquitin);

1. Νουκλεόσωμα ( nucleosome)

Το DΝΑ των ευκαρυωτικών χρωμοσωμάτων δεν είναι γυμνό. Αντίθετα, το ευκαρυωτικό DΝA είναι ισχυρά συνδεδεμένο με μια ομάδα μικρών βασικών πρωτεϊνών που ονομάζονται ιστόνες. Πράγματι, οι ιστόνες (που έχουν εξαιρετικά βασικές ιδιότητες διότι το ένα τέταρτο των αμινοξικών καταλοίπων της κάθε μίας είναι είτε, αργινίνη είτε λυσίνη) αποτελούν το ήμισυ της μάζας ενός ευκαρυωτικού χρωμοσώματος. Το συνολικό σύμπλεγμα του DΝΑ ενός κυττάρου και των συνδεδεμένων με αυτό πρωτεϊνών ονομάζεται χρωματίνη.[1]

Η χρωματίνη υφίσταται σε διαφορετικές καταστάσεις στις διάφορες φάσεις του κύκλου της ζωής ενός κυττάρου. Στους μεσοφασικούς πυρήνες βρίσκεται σε μια πιο χαλαρή κατάσταση στην κατάσταση αυτή τα ένζυμα και οι άλλες πρωτεΐνες που απαιτούνται για την έκφραση των γονιδίων και την αντιγραφή του DΝΑ μπορούν να προσπελάσουν το DΝΑ.

Εικόνα 8-7 [2]

Καθώς τα χρωμοσώματα προετοιμάζονται για να εισέλθουν στην μίτωση, η ίνα της χρωματίνης συσπειρώνεται περισσότερο και προσλαμβάνει όλο και πιο συμπαγή δομή μέχρις ότου σχηματισθεί το πολύ συμπυκνωμένο μιτωτικό χρωμόσωμα.(Εικόνα 8-7) Στα μιτωτικά χρωμοσώματα, το DΝΑ έχει ήδη αντιγραφεί και η μεταγραφή έχει σταματήσει. Όπως θα δούμε σε λίγο, η ικανότητα του ευκαρυωτικού κυττάρου να μεταβάλλει τη συσκευασία του DΝΑ του χρησιμοποιείται επίσης κατά τη διάρκεια της μεσόφασης ως ένας μηχανισμός για τον έλεγχο της έκφρασης των γονιδίων. Προκειμένου να τον κατανοήσουμε είναι απαραίτητο να διαλευκάνουμε πώς ακριβώς επιτυγχάνεται η συσκευασία του DΝΑ.[2]

Το πρώτο και πιο βασικό επίπεδο συσκευασίας της χρωματίνης, δηλαδή το νουκλεοσωμάτιο, ανακαλύφθηκε από τον Roger Kornberg το 1974. Η συνολική δομή του νουκλεοσώματος ανακαλύφθηκε με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο και κρυσταλλογραφικές μελέτες με προτοπόρους τον Aaron Klug και τους συνεργατες του. Πιο πρόσφατα προσδιορίστηκε η τρισδιάστατη δομή ενός ανασυσταμένου πυρήνα νουκλεοσώματος με σχετικά υψηλή διακριτική ικανότητα εφαρμόζοντας μεθόδους περίθλασης ακτινών Χ. Όπως απέδειξε ο Ευάγγελος Μουνδριανάκης, οι τέσσερις τύποι ιστονών που αποτελούν τον πρωτεϊνικό πυρήνα είναι ομόλογοι και παρόμοιοι ως προς τη δομή τους. Οι οκτώ ιστόνες στον πυρήνα είναι διατεταγμένες σε ένα τετραμερές (Η3)2(Η4)2 και ένα ζεύγος διμερών Η2Α-Η2Β. Το τετραμερές και τα διμερή συναντώνται για να σχηματίσουν μια αριστερόστροφη υπερσπειρωμένη «ράμπα» γύρω από την οποία τυλίγεται το DΝΑ. Επιπλέον, κάθε ιστόνη έχει μια αμινοτελική ουρά, η οποία εκτείνεται έξω από την κεντρική δομή. Οι ουρές αυτές είναι εύκαμπτες και περιέχουν έναν αριθμό καταλοίπων λυσινών και αργινινών. Όπως θα δούμε, οι ομοιοπολικές τροποποιήσεις αυτών των ουρών παίζουν ουσιώδη ρόλο στη ρύθμιση της χημικής συγγένειας, των  ιστονών για το DΝΑ και άλλων ιδιοτήτων.[3]

Το DΝΑ σχηματίζει μια αριστερόστροφη υπερέλικα, καθώς τυλίγεται γύρω από το εξωτερικό του οκταμερούς των ιστονών. Ο πρωτεϊνικός πυρήνας σχηματίζει επαφές με την εσωτερική επιφάνεια της υπερέλικας σε πολλά σημεία, ιδιαίτερα κατά μήκος του φωσφοδιεστερικού κορμού και της μικρής αύλακας του DΝΑ. Νουκλεοσώματα σχηματίζονται σε όλες σχεδόν τις θέσεις του DΝA, αν και μερικές αλληλουχίες προτιμούνται διότι οι αποστάσεις μεταξύ τον δίνουκλεοτιδίων είναι κατάλληλα ρυθμισμένες ώστε να ευνοείται η κάμψη γύρω από τον πυρήνα των ιστονών. Η ιστόνη Η1 η οποία έχει μια διαφορετική δομή από τις άλλες ιστόνες, σφραγίζει το νουκλεόσωμα στη θέση όπου εισέρχεται και εξέρχεται το συνθετικό DΝA. Οι αλληλουχίες των αμινοξέων των ιστονών, συμπεριλαμβανομένων των αμινοτελικών ουρών, είναι εντυπωσιακά συντηρημένες από τους ζυμομύκητες μέχρι τον άνθρωπο.

Το τύλιγμα του DΝΑ γύρω από τον πυρήνα του νουκλεοσώματος συμβάλ­λει στο πακετάρισμα του DΝΑ μειώνοντας τη γραμμική του έκταση. Μια έκταση γραμμικού DΝΑ 200 bp έχει μήκος περίπου 680 Α. Τυλίγοντας αυτό το DΝΑ γύρω από το οκταμερές των ιστονών μειώνει το μήκος σε περίπου 100 Α ως προς τη μεγάλη διάσταση του νουκλεοσώματος. Έτσι, το DΝΑ συμπυκνώνεται κατά επτά φορές. Ωστόσο, ανθρώπινα χρωμοσώματα κατά τη μετάφαση, τα οποία είναι εξαιρετικά συμπυκνωμένα, έχουν βαθμό συμπύκνωσης 104 φορές. Είναι σαφές ότι το νουκλεόσωμα είναι μόνο το πρώτο βήμα συμπύκνωσης του DΝΑ. Ποιο είναι το επόμενο βήμα: Τα νουκλεοσώματα από μόνα τους παίρνουν μια ελικοειδή διάταξη πάχους περίπου 360 Α σχηματίζοντας μια σειρά από στοιβαγμένα στρώματα που το κάθε ένα απέχει από το άλλο περίπου 110 Α. Η αναδίπλωση αυτών των ινών των νουκλκοσωμάτων σε θηλιές συμπυκνώνει ακόμη περισσότερο το DΝΑ. Η συστροφή του DΝΑ γύρω από τον πυρήνα των ιστονών κατά έναν αριστερόστροφο ελικοειδή τρόπο επιπλέον αποθηκεύει αρνητικά υπερσπειράματα. Εάν το DΝΑ ενός νουκλεοσώματος τεντωθεί, θα ξετυλιχθεί. Αυτό το ξετύλιγμα είναι ακριβώς ότι χρειάζεται για να ξεχωρίσει τους δύο κλώνους του DΝΑ κατά την αντιγραφή και τη μεταγραφή.[3]

Η εξέταση του περιεχομένου μεσοφασικών πυρήνων με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο (μετά από ήπια ρήξη τους) αποκάλυψε ότι το μεγαλύτερο μέρος της χρωματίνης υφίσταται υπό μορφή μιας ίνας διαμέτρου περίπου 30 nm.(Εικόνα 8-8Α) Αν αυτή η χρωματίνη υποβληθεί σε κατάλληλη επεξεργασία ώστε να αποπτυχωθεί μερικώς, τότε κατά την εξέταση με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο θα φαίνεται σαν μια σειρά από «χάντρες σ' ένα κορδόνι». [2]

Εικόνα 8-8Α. [2]

Το κορδόνι είναι το DΝΑ και κάθε χάντρα είναι ο "πυρήνας" του νουκλεοσωματίου που περιέχει DΝΑ περιελιγμένο σχεδόν δύο φορές γύρω από έναν πρωτεϊνικό πυρήνα.

Η δομή των νουκλεοσωματίων καθορίσθηκε μετά την απομόνωση τους από ιην αποπτυχωμένη χρωματίνη. Αυτό επιτεύχθηκε μετά από κατεργασία με νουκλεάσες οι οποίες αποδομούν το DΝΑ κόβοντας δεσμούς μεταξύ νουκλεοτιδίων. Μετά από βραχεία έκθεση στις νουκλεάσες, το εκτεθειμένο DΝΑ που βρίσκεται ανάμεσα στους "πυρήνες" των νουκλεοσωματίων, γνωστό και ως συνδετικό DΝΑ (linker DNA), έχει αποδομηθεί. Ο πυρήνας ενός νουκλεοσωματίου αποτελείται από ένα σύμπλοκο οκτώ πρωτεϊνικών μορίων των ιστονών (ανά δύο μόρια των ιστονών Η2Α. Η2Β. Η3 και Η4) και ενός τμήματος δίκλωνου DΝΑ μήκους περίπου 146 ζευγών νουκλεοτιδίων. Το οκταμερές των ιστονών σχηματίζει έναν πρωτεϊνικό "πυρήνα" γύρω από τον οποίο περιελίσσεται η δίκλωνη έλικα του DΝΑ.[2]

Το μοντέλο αυτό υποστηρίζεται σθεναρά από τα αποτελέσματα μιας ποικιλίας πειραμάτων, τα. οποία περιλαμβάνουν και παρατηρήσεις παρασκευασμένων δειγμάτων χρωματίνης που έχουν εξεταστεί με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Η χρωματίνη που απεικονίζεται με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο έχει την εμφάνιση χαντρών σε μια κλωστή, με κάθε χάντρα να έχει διάμετρο περίπου 100Α. Ο όρος "νουκλεοσωμάτιο" αναφέρεται σ' έναν "πυρήνα" νουκλεοσωματίου μαζί με ένα γειτονικό συνδετικό DΝΑ. Ο σχηματισμός των νουκλεοσωματίων (FIGURE 10-20) μετατρέπει ένα μόριο DΝΑ σε μια ίνα χρωματίνης με μήκος ίσο με το ένα τρίτο περίπου, του αρχικού μήκους και αποτελεί το πρώτο στάδιο συσκευασίας του DΝΑ. Οι ιστόνες είναι μικρές πρωτεΐνες που περιέχουν μεγάλο ποσοστό θετικά φορτισμένων αμινοξέων (λυσίνη και αργινίνη). Τα θετικά φορτία βοηθούν τις ιστόνες να συνδεθούν ισχυρά με τον αρνητικά φορτισμένο σακχαροφωσφορικό σκελετό του DΝΑ, άσχετα από την αλληλουχία των νουκλεοτιδίων του. Πάνω στο DΝΑ, τα νουκλεοσωμάτια απέχουν μεταξύ τους περίπου 200 ζεύγη νουκλεοτιδίων (τα 146 από αυτά αντιστοιχούν σε DΝΑ περιελιγμένο γύρω από τον πυρήνα των ιστονών και τα υπόλοιπα στο συνδετικό DΝΑ που παρεμβάλλεται ανάμεσα σε γειτονικούς πυρήνες νουκλεοσωματίων). Οι ιστόνες βρίσκονται σε τεράστιες ποσότητες (περίπου 60 εκατομμύρια μόρια κάθε είδους ανά κύτταρο) και η συνολική τους μάζα στη χρωματίνη είναι περίπου ίση με τη μάζα του DΝΑ.[4]

(Δομή του νουκλεοσώματος βασισμένη σε κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ) [5]

Οι ιστόνες που σχηματίζουν τον πυρήνα του νουκλεοσωματίου ανήκουν στις πλέον συντηρητικές (από εξελικτική άποψη) ευκαρυωτικές πρωτεΐνες: για παράδειγμα, οι αλληλουχίες των αμινοξέων της ιστόνης Η4 των μπιζελιών και της αγελάδας διαφέρουν μεταξύ τους μόνο σε δύο αμινοξέα. Πρόσφατα, ιστόνες βρέθηκαν σε αρχαιοδακτήρια, ένα φυλογενετικό βασίλειο διαφορετικό από εκείνα των φυτών και των ζώων. Αυτή η εντυπωσιακή εξελικτική διατήρηση αντικατοπτρίζει τον ζωτικό δομικό ρόλο των ιοτονών στον σχηματισμό της χρωματίνης. Στα ζωντανά κύτταρα, η χρωματίνη σπάνια υιοθετεί την εκτεταμένη μορφή σαν "χάντρες σε κορδόνι". Αντίθετα, τα νουκλεοσωμάτια στοιβάζονται το ένα πάνω στο άλλο και σχηματίζουν μια πιο συμπαγή δομή, την ίνα των 30 nm. Η συσκευασία των νουκλεοσωματίων στην ίνα των 30 nm (Εικόνα 2) στηρίζεται σ' ένα πέμπτο είδος ιστόνης, την ιστόνη Η1 η οποία πιστεύεται ότι φέρνει τα νουκλεοσωμάτια κοντά το ένα στο άλλο σε μια κανονική επαναληπτική συστοιχία.[4].

Εικόνα 2.

Η αλληλεπίδραση μορίων ιστόνης Η1 οργανώνει τα νουκλεοσώματα σε οκταμερή. Η δομή αυτή μεταπίπτει στην ίνα των 11 nm (Εικόνα 2) με απομάκρυνση των Η1 μορίων και πιστεύεται πως κάτι τέτοιο είναι το πρώτο βήμα προκειμένου να εκφραστεί μία περιοχή του γονιδιώματος, [6]

Η έναρξη της μεταγραφής στα ευκαρυωτικά κύτταρα γίνεται περίπλοκη επειδή το ευκαρυωτικό DΝΑ συσκευάζεται στη χρωματίνη. Μπορούν άραγε οι ρυθμιστικές πρωτεΐνες, οι γενικοί μεταγραφικοί παράγοντες και η RΝΑ πολυμεράση να προσπελάσουν το DΝΑ που είναι συσκευασμένο σε νουκλεοσωμάτια; Πως επηρεάζεται η έναρξη της μεταγραφής από τη συσκευασία του DΝΑ;[7]

Όπως προαναφέραμε, η χρωματίνη των γονιδίων που εκφράζονται φαίνεται ότι βρίσκεται σε εκτενή μορφή. Ωστόσο, το DΝΑ εξακολουθεί να είναι συσκευασμένο σε νουκλεοσωμάτια. Η παρουσία των νουκλεοσωματίων γενικά δεν παρακωλύει το στάδιο επιμήκυνσης της μεταγραφής, επειδή η RΝΑ πολυμεράση μπορεί να διαπεράσει ένα νουκλεοσωμάτιο προκαλώντας μόνο μια παροδική διαταραχή στη δομή του. Τα νουκλεοσωμάτια μπορεί όμως να αναστείλουν την έναρξη της μεταγραφής αν βρίσκονται πάνω σ' έναν υποκινητή, πιθανόν επειδή παρεμποδίζουν την πρόσδεση των γενικών μεταγραφικών παραγόντων ή της RΝΑ πολυμεράσης στο DΝΑ.[7]

Επειδή τα νουκλεοσωμάτια είναι τοποθετημένα στο DΝΑ ανά τακτές αποστάσεις χωρίς κάποια προφανή ειδική σχέση με την αλληλουχία των νουκλεοτιδίων. είναι πιθανό να βρίσκονται και σε περιοχές υποκινητών. Τα νουκλεοσωμάτια που βρίσκονται στις περιοχές αυτές εκτοπίζονται μόλις ενεργοποιηθεί η μεταγραφή του γονιδίου, με αδιευκρίνιστο εως τώρα μηχανισμό. Ενδεχομένως το κύτταρο διαθέτει εξειδικευμένες πρωτεΐνες, το έργο των οποίων είναι να εκτοπίζουν τα νουκλεοσωμάτια από τους υποκινητές και να ανοίγουν το δρόμο για την πρόσδεση των γενικών μεταγραφικών παραγόντων. Μια άλλη πιθανότητα είναι ότι πριν αρχίσει η μεταγραφή, οι ιστόνες που βρίσκονται στην περιοχή του υποκινητή θα μπορούσε να υποστούν χημική τροποποίηση με συνέπεια να αποσταθεροποιούνται τα αντίστοιχα νουκλεοσωμάτα.[7]

Τα νουκλεοσωμάτια που σχηματίζονται πάνω σε ρυθμιστικές αλληλουχίες DΝΑ θα μπορούσε επίσης να επηρεάζουν την έκφραση των γονιδίων παρεμποδίζοντας την πρόσδεση ρυθμιστικών πρωτεϊνών. Αυτό, ωστόσο, δεν φαίνεται να ισχύει πάντα. Μολονότι μερικές ρυθμιστικές αλληλουχίες βρίσκονται εκτεθειμένες σε περιοχές του DΝΑ χωρίς νουκλεοσωμάτια, εντούτοις ορισμένες άλλες ρυθμιστικές πρωτεΐνες προσδένονται στις αντίστοιχες αλληλουχίες του DΝΑ, έστω και αν αυτές είναι ενσωματωμένες σ’ ένα νουκλεοσωμάτιο. Πιθανόν κατά τη διεργασία της πρόσδεσης τους μάλλον αποσταθεροποιούν και εν μέρει αποσυναρμολογούν το νουκλεοσωμάτιο.

Η αλληλεπίδραση ανάμεσα στη δομή της χρωματίνης και την έναρξη της μεταγραφής. μόλις άρχισε να γίνεται κατανοητή. Το κύτταρο διαθέτει αρκετές μεθόδους που εξασφαλίζουν ότι η μεταγραφή μπορεί να αρχίζει σε DΝΑ που είναι διπλωμένο σε νουκλεοσωμάτια. Ωστόσο, είναι επίσης σαφές ότι οι πιο συμπαγείς μορφές της χρωματίνης (όπως εκείνες που υπάρχουν στα μιτωτικά χρωμοσώματα, τα αδρανή χρωμοσώματα Χ και άλλες ετεροχρωματικές περιοχές των μεσοφαστκών χρωμοσωμάτων) "ανθίστανται" στην έναρξη της μεταγραφής. Αυτό ίσως οφείλεται στο γεγονός ότι όταν το DΝΑ είναι τόσο σφιχτά διπλωμένο είναι και απροσπέλαστο από τις ρυθμιστικές πρωτεΐνες, τους γενικούς μεταγραφικούς παράγοντες και την RΝΑ πολυμεράοη. Οι πρωτεΐνες που είναι υπεύθυνες για το αυξημένο "πακετάρισμα" του DΝΑ μόλις άρχισαν να ανακαλύπτονται και σ’αυτές περιλαμβάνονται και μη-ιστόνες πρωτεϊνες.[7]

Μη-ιστόνες πρωτεϊνες: Οι ιστόνες αντιπροσωπεύουν τον κύριο όγκο των πρωτεϊνών στη χρωματίνη και είναι σχετικά ομοιογενής στη φύση. Οι υπόλοιπες πρωτεϊνες της χρωματίνης, που περιγράφονται συλλογικά ως πρωτεϊνες μη-ιστόνες αντιπροσωπεύουν ένα μικρό αλλά εξαιρετικά ετερογενές μέρος. Οι μη-ιστόνες πρωτεϊνες περιλαμβάνουν  τα ένζυμα εμπλεκόμενα στον μεταβολισμό την αντιγραφή, τον ανασυνδιασμό και την μεταγραφική ρύθμιση του DNA και των ιστονών. Περιλαμβάνουν επίσης τις πρωτεϊνες σκαλωσιές που οργανώνουν τις ανώτερες δομές της χρωματίνης, και τις υψηλής κινητικότητας ομάδας πρωτεϊνες (πρωτεϊνες HMG), οι οποίες  είναι πολύ φορτισμένες πρωτεϊνες με ποικίλες λειτουργίες στην γονιδιακή ρύθμιση και τη δομική οργάνωση. Από  αυτούς, η οικογένεια HMG14/17 των νουκλεόσωμα-συνδεδεμένων πρωτεϊνών είναι εμπλουτισμένη σε ενεργό χρωματίνη και  θεωρείται ότι βοηθάει αποσυσπείρωση των ανώτερων δομών της χρωματίνης. Η οικογένεια των HMGI/Y πρωτεϊνών, των οποίων ο ακριβής ρόλος δεν είναι γνωστός, δεσμεύονται κατά προτίμηση στο επαναλαμβανόμενο πλούσιο σε ΑΤ DNA, και όπως η ιστόνη Η1,  μπορούν να είναι φωσφωρυλιωμένες από κυκλίνη-εξαρτώμενες κινάσες. Οι κύρια επίδραση των HMG πρωτεϊνών στο πακετάρισμα   και στην ενεργοποίηση της αντιγραφής είναι να εισαγάγουν τις απότομες κάμψεις στο  DNA. Σε ένα πλαίσιο πακετάρισματος, αυτό μπορεί να απαιτείται για το DNA για τις ιδιαίτερες τρισδιάστατες διαμορφώσεις ενώ σε ένα μεταγραφικό πλαίσιο μπορεί να φέρει τους ρυθμιστικούς παράγοντες επί των διαφορετικών θέσεων πιο κοντά (q.v.  παράγοντας SRY, enhanceosome )  Μια άλλη κατηγορία πρωτεϊνών μη-ιστονών, που καλείται πρωταμίνες, διευκολύνουν το πακετάρισμα του DNA στην κεφαλή του σπέρματος. Αυτές οι πρωτεϊνες ευθυγραμμίζουν τις μείζονες αύλακες των γειτονικών δίκλωνων DNA και διπλώνουν το DNA σε μια ιδιαίτερα συμπαγή σειρά παράλληλων ινών.[8]

Η μεθυλίωση του DNA είναι ένας από ιδιαίτερους αλληλεπιδραστικούς μηχανισμούς που ρυθμίζει την έκφραση των γονιδίων με όλο και περισσότερο σταθερούς τρόπους.  Ο δυναμικότερος αυτών των μηχανισμών είναι αποακετυλίωση των ιστονών στα νουκλεοσώματα των ρυθμιστικών περιοχών γονιδίων. Η ακετυλίωση ενισχύεται από τους μεταγραφικούς ενεργοποιητές που δεσμεύονται στο DNA και από τους ομο-ενεργοποιητές με τη δράση της ακετυλάσης της ιστόνης (ΗΑΤ).  Αντιθέτως, η αποακετυλίωση καταλύεται από τις αποακετυλάσες της ιστόνης (ΗDACs) που στρατολογούνται από καταστολείς ή ομο-καταστολείς.  Η μεθυλίωση των ιστονών επί των συγκεκριμένων τόπων, προεξέχουσα της K9 της H3, με την μεθυλτρανφεράση της ιστόνης (ΗMTs) είναι ένα περαιτέρω βήμα προς την αδρανοποίηση ενώ  η μεθυλίωση επί άλλων τόπων, π.χ. της K4 της Η 3 σταθεροποιεί την ενεργοποίηση γονιδίων. Η τροποποίηση της K9 προσελκύει καταστολεις των πρωτεϊνών, π.χ. ΗΡ 1, αλλά και της DNA μεθυλτρανσφεράσης  (DNMTs), τα οποία κλειδώνουν την  σίγαση των γονιδίων. Η μεθυλίωση του DNA εμποδίζει άμεσα τη σύνδεση μερικών μεταγραφικών ενεργοποιητών και προάγει τη σύνδεση των καταστολέων πρωτεϊνικών συγκροτημάτων που αναγνωρίζουν μεθυλοκυτοσίνη μέσω των πρωτεϊνών MBD. Οι DNMTs αλληλεπιδρούν επίσης με HDACs και ΗMTs, με αυτόν τον τρόπο ενισχύοντας την σίγαση. Η ενεργοποίηση γονιδίων καθώς επίσης και η αδρανοποίηση γονιδίων χρησιμοποιεί τα συμπλέγματα της χρωματίνης αναδιαμορφώνοντας τα συγκροτήματα που αλληλεπιδρούν αμοιβαία με ενεργοποιητές και καταστολείς.[9]

Οι μηχανισμοί που οδηγούν στη σίγαση των γονιδίων περιλαμβάνουν τις τροποποιήσεις των ιστονών και τις αλλαγές στη σύνδεση των μη-ιστονών πρωτεϊνών στο DNA. Ενεργά μεταγραφόμενα γονίδια χαρακτηρίζονται από την ακετυλίωση των ιστονών H3 και H4 (Figure 8.7) καθώς επίσης και από την μεθυλίωση των H3 στη Lys4 (K4). Αυτές οι αλλαγές τείνουν να χαλαρώσουν τη σύνδεση του DNA στα νουκλεοσώματα, που επιτρέπουν την αναδιαμόρφωση και τη σύνδεση των μεταγραφικών ενεργοποιητών. Οι ενεργοποιητικοί παράγοντες μεταγραφής στρατολογούν τους συνενεργοποιητές και αποκλείουν συνκαταστολείς. Οι χαρακτηριστικοί συνενεργοποιητές εκθέτουν τους ίδιους στις δραστηριότητες των ακετυλοτρανσφερασων των ιστονών (ΗΑΤ) ή προσελκύουν τις πρόσθετες πρωτεϊνες που ακετυλιώνουν και μεθυλιώνουν ιστόνες για να παραγάγουν μια ενεργό δομή νουκλεοσώματος. Κατ' αυτό τον τρόπο, η ενεργός κατάσταση ενός γονιδίου τείνει να είναι αυτό-ενισχυόμενη. Δεν είναι εξ ολοκλήρου σαφές, πώς αυτή η ενεργός κατάσταση διαδίδεται μέσω της φάσης S και της μίτωσης. Διάφοροι μηχανισμοί συζητούνται. Από αυτούς, η φωσφορυλίωση των ιστονών επί συγκεκριμένων θέσεων χαρακτηρίζεται η καλύτερη.[10]

Μηχανισμός δράσης των ΑΤΡ-Εξαρτώμενων συμπλόκων.

Τα νουκλεοσώματα βρίσκονται σε μια δυναμική ισορροπία ανάμεσα σε μια καλά τυλιγμένη γύρω από το νουκλεόσωμα μορφή και σε μια παροδικά ξετυλιγμένη κατάσταση. Η μετάπτωση από την μια κατάσταση στην άλλη είναι τυχαία και γρήγορη. Το DΝΑ παραμένει προσδεδεμένο στο οκταμερές των ιστονών για περίπου 250 ms (Εικόνα 3) πριν ξετυλιχθεί τυχαία και ξανατυλιχτεί μέσα σε 10-15 ms. Τα αναδομητικά σύμπλοκα μπορεί να βοηθούν το DΝΑ να ξετυλιχτεί παγιδεύοντας την ξετυλιγμένη κατάσταση και εμποδίζοντας την επιστροφή στην τυλιγμένη μορφή. Η υδρόλυση του ΑΤΡ χρησιμοποιείται έτσι ώστε να δημιουργηθεί μηχανική δύναμη η οποία θα απελευθερώσει μια μικρή περιοχή του DΝΑ.[11]

Εικόνα 3.

Αναδόμηση που εξαρτάται από ΑΤΡ.

Η τροποποίηση της χρωματίνης επιτελείται από μεγάλα μοριακά συμπλέγματα τα οποία υδρολύουν ΑΤΡ ώστε να παρέχουν την απαραίτητη ενέργεια για την αντίδραση .

Οι κύριες κατηγόριες είναι η SWI/SNFκαι η ISW (Εικόνα 4) (η ταξινόμηση γίνεται με βάση την υπομονάδα που έχει ενεργότητα ΑΤΡασης).[11]

Εικόνα 4.

Αποτελέσματα δράσης των ΑΤΡ-Εξαρτώμενων συμπλόκων.

Γενικά τα αποτελέσματα των τροποποιητικών συμπλοκών που οδηγούν στην αναδόμηση της χρωματίνης είναι τα εξής:

  • Μέσω ενός «γλιστρήματος» των νουκλεοσωμάτων πάνω στο DΝΑ μια τυχαία διευθέτηση νουκλεοσωμάτων μπορεί να μετατραπεί σε μια κανονική όπου το κάθε νουκλεόσωμα έχει μια πολύ συγκεκριμένη θέση (ΙSW).
  • Τοπική ή πιο εκτεταμένη αποβολή των οκταμερών ιστονών από το γενετικό υλικό.
  • Αλλαγή στην δομή του οκταμερούς ιστονών μεταβάλλει τις ιδιότητες του
    νουκλεοσώμστος το οποίο «μεταναστεύει» σε κάποιο άλλο σημείο(    SWI/SNF).
  • Σε όλες τις περιπτώσεις το αποτέλεσμα είναι αλλαγή της θέσης του οκταμερούς σε σχέση με το DΝΑ.[11]

Η δράση των τροποποιητικών συμπλόκων εντοπίζεται στην περιοχή του υποκινητή.

Η αλληλεπίδραση των τροποποιητικών συμπλοκών με τους μεταγραφικούς παράγοντες είναι ένα καθοριστικό γεγονός στην ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης από την χρωματίνη. Ένας μεταγραφικός παράγοντας μπορεί να ενεργοποιεί τα γονίδια στόχους με στιγμιαία πρόσδεση και αποβολή, ενώ όλη η δράση του εντοπίζεται στην πρόσδεση συμπλοκών που τροποποιούν την δομή της χρωματίνης. Κλασσικά παραδείγματα: hsp70 (drosophila), σύστημα ΡΗΟ, υποδοχέας στεροειδών ορμονών. Η αλλαγή στην τοπολογία των νουκλεοσωμάτων επιτρέπει την πρόσδεση παραγόντων που είναι απαραίτητοι για την ενεργοποίηση του γονιδίου.[11]

Ο ακριβής προσανατολισμός των νουκλεοσωμάτων κατά την μεταγραφή ενός γονιδίου είναι απαραίτητος για δυο λόγους : 1) επειδή το νουκλεόσωμα «παρουσιάζει» αλληλουχίες DΝΑ με ένα συγκεκριμένο περιστροφικό τρόπο και έτσι αλληλουχίες που μπορεί να είναι απαραίτητες για την μεταγραφή του γονιδίου πιθανόν να μην είναι προσβάσιμες, 2) επειδή υπάρχουν αλληλεπιδράσεις πρωτεΐνης - πρωτεΐνης ανάμεσα στις ιστόνες ή και άλλων συστατικών της χρωματίνης . Έτσι έχουμε αλλάξει τον τρόπο που βλέπουμε την χρωματίνη από μια στατική δομή που ο μόνος της ρόλος είναι το πακετάρισμα του DΝΑ σε μια δυναμική οντότητα που παίζει καθοριστικό ρόλο στην γονιδιακή έκφραση.[11]

Χημική τροποποίηση ιστονών.

Όλες οι ιστόνες τροποποιούνται με την πρόσδεση επιπλέον μορίων σε συγκεκριμένες ομάδες συγκεκριμένων αμινοξέων. Οι θέσεις που τροποποιούνται είναι συγκεντρωμένες στις αμινοτελικές ουρές. Η ακετυλίωση και η μεθυλίωση συμβαίνουν στην ελεύθερη αμινομάδα της λυσίνης η μεθυλίωση συμβαίνει σε κατάλοιπα αργινίνης η ιστιδίνης. Τέλος η φωσφορυλίωση συμβαίνει στην υδροξυλομάδα της σερίνης και της ιστιδίνης. (Πίνακας 1) Η σύμπτωση της τροποποίησης των ιστονων με γεγονότα όπως η αντιγραφή και η μεταγραφή υποδεικνύει πως η ακετυλίωση και η μεθυλίωση μπορούν να συνδεθούν με αλλαγές στην δομή του νουκλεοσώματος. Οι τροποποιήσεις στην δομή των ιστονών έχουν άμεσο αποτέλεσμα στην δομή του νουκλεοσώματος. Γενικά έχει διαπιστωθεί ότι η ακετυλίωση συνδέεται με την ενεργοποίηση της χρωματίνης ενώ η μεθυλίωση με την απενεργοποίηση της.[11]

Πίνακας 1.

Λειτουργικές επιπτώσεις της ακετυλίωσης.

Η ακετυλίωση των αμινοτελικών ουρών των ιστονών ευνοεί την μεταγραφή με τους εξής πιθανούς τρόπους:

  • Η ακετυλίωση προκαλεί μείωση του θετικού φορτίου των ιστονών κάτι που αποσταθεροποιεί – εξασθενεί την αλληλεπίδραση των ιστονών με το DΝΑ .
  • Επίσης μπορεί να μειώσει την συμπύκνωση του γενετικού υλικού διακόπτοντας τις διανουκλεοσωμικές αλληλεπιδράσεις που λαμβάνουν χώρα μέσω των αμινοτελικών άκρων των ιστονών.
  • Μια τρίτη πιθανότητα είναι πως τα ακετυλιωμένα κατάλοιπα σε διάφορους συνδυασμούς εμπλέκονται στην στρατολόγηση επιπλέον μεταγραφικών παραγόντων.[11]

Αλλαγή στην τοπολογία των νουκλεοσωμάτων κατά την μεταγραφή.

Η τοπολογία των νουκλεοσωμάτων αλλάζει σε όλο το μήκος της μεταγραφόμενης αλληλουχίας εξαιτίας της παρουσίας της RΝΑ pol.

Κατά την διάρκεια της μεταγραφής καθώς η RΝΑ πολυμεράση (Εικόνα 5) προχωρά πάνω στο DΝΑ προσδένεται ισχυρά σε μια περιοχή περίπου 50 βάσεων, η οποία περιλαμβάνει μια τοπικά αποδιατεταγμένη περιοχή της τάξεως των 12 bp. Η ανάγκη για αποδιάταξη του DΝΑ καθιστά απίθανη την παραμονή του DΝΑ στο οκταμερές των ιστονών.[11]

Εικόνα 5.

Κατά την μεταγραφή όταν η RΝΑ πολυμεράση εισέλθει στο νουκλεόσωμα το DΝΑ απελευθερώνεται από το οκταμερές ιστονών, αλλά καθώς η πολυμεράση προχωρά φτάνει σε ένα σημείο στο οποίο το DΝΑ σχηματίζει θηλιά ώστε να τυλιχτεί γύρω από το οκταμερές .Με το πέρασμα της η πολυμεράση ξεκλώθει το DΝΑ και δημιουργεί θετικές υπερέλικες στην θηλιά.(Εικόνα 6)  Στην πραγματικότητα η RΝΑ πολυμεράση προχωρά εύκολα για τα πρώτα 30 bp του νουκλεοσωμικού DΝΑ και κατόπιν χαμηλώνει ταχύτητα αφού συναντά αυξανόμενη δυσκολία στην μετακίνηση της. Η πορεία του ενζύμου διακόπτεται κάθε 10 bp υποδεικνύοντας ότι η δομή της θηλιάς θέτει εμπόδια σχετιζόμενα με την ελίκωση του DΝΑ. Όταν η πολυμεράση φτάσει στο μέσο του νουκλεοσώματος οι διακοπές στην πορεία της εξαφανίζονται. Κάτι τέτοιο σημαίνει ότι στο σημείο αυτό το οκταμερές απομακρύνεται ( πιθανότατα εξαιτίας του ότι η υπερελίκωση έχει φτάσει σε κάποιο επίπεδο στο οποίο το οκταμερές αποβάλλεται από το DΝΑ).[11]

Εικόνα 6.


Βιβλιογραφία

                [1]  Berg J., Tymoczko J., Stryer L., Βιοχημεία, Τόμος ΙΙ, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2005, σελ. 984.

                [2]  Alberts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter, Βασικές Αρχές Κυτταρικής Βιολογίας, Εισαγωγή στην Μοριακή Βιολογία του Κυττάρου, Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ. Πασχαλίδης, σελ.291-292.

                [3]  Berg J., Tymoczko J., Stryer L., Βιοχημεία, Τόμος ΙΙ, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2005, σελ. 986.

                [4]  Alberts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter, Βασικές Αρχές Κυτταρικής Βιολογίας, Εισαγωγή στην Μοριακή Βιολογία του Κυττάρου, Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ. Πασχαλίδης, σελ.293-294.

                [5]  Lodish H., Berk A., Matsudaira P.,κ.α.,Molecular Cell Biology, fifth ed.,σελ. 425

                [6]  Κατσώρης Π., Μοριακή Βιολογία, Εκπαιδευτικό υλικό του Μεταπτυχιακού Προγράμματος Σπουδών:«Μεταπτυχιακή Ειδίκευση Καθηγητών Φυσικών Επιστημών» Εναλλακτικό διδακτικό υλικό για τη θεματική ενότητα: «Οργάνωση της ύλης σε έμβια συστήματα»,Ε.Α.Π.2005, σελ.10

                [7]  Alberts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter, Βασικές Αρχές Κυτταρικής Βιολογίας, Εισαγωγή στην Μοριακή Βιολογία του Κυττάρου, Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ. Πασχαλίδης, σελ.311-312.

                [8]  Twyman R.M., Advanced Molecular Biology, bios scientific publishes, σελ.37

                [9]  Wolfgang Arthur Schulz, Molecular Biology of Human Cancers, Spinger 2005, σελ.167.

            [10]  Wolfgang Arthur Schulz, Molecular Biology of Human Cancers, Spinger 2005, σελ.180.

            [11]  Καραμάνος Θ., Ο ρόλος του νουκλεοσώματος στη γονιδιακή έκφραση, Διάλεξη 14/7/06, http://multimedia.biol.uoa.gr/media2005_06/karamanos_files/lobby0.htm


2. Ουβικιτίνη (Ubiquitin)

Η ουβικιτίνη είναι μια μικρή ρυθμιστική πρωτεϊνη που είναι πανταχού παρούσα μέσα στους ευκαριωτικούς οργανισμούς. Η ουβικιτινιλύωση (Ubiquitination) (ή Ubiquitylation) αναφέρεται μετα-μεταφραστική τροποποίηση μιας πρωτεϊνης μέσω μιας ομοιοπολικής σύνδεσης (μέσω δεσμού ισοπεπτιδικού) ενός ή περισσότερων μονομερών ουβικιτίνης. Η ουβικιτίνη προσδιορίστηκε αρχικά το 1975 ως 8,5 kDa  πρωτεϊνη άγνωστης λειτουργίας που εκφράζεται παγκοσμίως στα ζωντανά κύτταρα. Οι βασικές λειτουργίες της ουβικιτίνης και των συστατικών της διαδικασίας ουβικιτινιλύωσης, διευκρινίστηκαν στις αρχές της δεκαετίας του '80 με την διενεργηθείσα εργασία από τους Aaron Ciechanover, Avram Hershko και Irwin Rose για την οποία απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ στη χημεία το 2004.

Η κύρια λειτουργία της είναι να σημαδεύει άλλες πρωτεϊνες για την καταστροφή τους, γνωστή όπως  πρωτεόλυση. Διάφορα μόρια ουβικιτίνης συνδέονται με την καταδικασμένη πρωτεϊνη (polyubiquitination), και κινούνται έπειτα προς το πρωτεόσωμα, μια βαρελοειδή δομή όπου γίνεται η πρωτεόλυση. Η ουβικιτίνη  μπορεί επίσης να σημαδέψει  διαμεμβρανικές πρωτεϊνες  (παραδείγματος χάριν,  δέκτες) για την αφαίρεση από  τις μεμβράνες  και εκπληρώνουν διάφορους σηματοδοτικούς ρόλους μέσα στο κύτταρο.[1]

 Για παράδειγμα, η ταχεία αιφνίδια ελάττωση της συγκέντρωσης της κυκλίνης που πυροδοτεί την έξοδο από την μίτωση, οφείλεται στην ταχεία αποδόμησή της (προτού το κύτταρο εισέλθει στην ανάφαση) από το πρωτεολυτικό σύστημα που εξαρτάται από την  ουβικιτίνη. Με κάθε μόριο κυκλίνης συνδέονται ομοιοπολικά πολλά μόρια ουβικιτίνης και το οδηγούν για αποδόμηση στα πρωτεασωμάτια. Η ουβικιτινίωση των μορίων της κυκλίνης είναι έμμεσο αποτέλεσμα της ίδιας της MPF κινάσης. Η ενεργοποιημένη κινάση κινητοποιεί μια διεργασία, η οποία μετά από μια ορισμένη χρονική καθυστέρηση οδηγεί στην ουβικιτινιλύωση και αποδόμηση της κυκλίνης και έτσι αδρανοποιεί την κινάση.(Figure 12-44) [2]

[3]

Η ουβικιτίνη (Εικόνα 1) αποτελείται από 76 αμινοξέα  και έχουν μοριακή μάζα  περίπου 8500 DA. Συντηρείται ιδιαίτερα μεταξύ των ευκαριωτικών ειδών: Ποσοστό ταυτότητας ακολουθίας 96% ουβικιτίνης ανθρώπων και ζύμης (διαφέρουν μόνο σε 3 από τα 76 κατάλοιπα αμινοξέων). Η ανθρώπινη ακολουθία της ουβικιτίνης είναι: MQIFVKTLTGKTITLEVEPSDTIENVKAKIQDKEGIPPDQQRLIFAGKQLEDGRTLSDYNIQKESTLHLVLRLRGG [1]

Εικόνα 1.[4]

Τρία ένζυμα παίρνουν μέρος στη σύνδεση της ουβικιτίνης σε κάθε πρωτεϊνη το ένζυμο που ενεργοποιεί την ουβικιτίνη ,η Ε1, το ένζυμο που προσδένει την ουβικιτίνη,(Εικόνα 2) ή Ε2, και η πρωτεϊνική λιγάση της ουβικιτίνης, ή Ε3.

Εικόνα 2.[5]

Αρχικά, η τελική καρβοξυλική ομάδα της ουβικιτίνης συνδέεται σε μια σουλφυδρυλική ομάδα του Ε1 με θειοεστερικό δεσμό. Η αντίδραση αυτή που ωθείται από ΑΤΡ θυμίζει την ενεργοποίηση των λιπαρών οξέων. Μια ομάδα αδενυλικού συνδέεται στην (C-τελική καρβοξυλική ομάδα της ουβικιτίνης με απομάκρυνση πυροφωσφορικού και η ουβικιτίνη μεταφέρεται σε μια σουλφυδρυλική ομάδα ενός βασικού καταλοίπου κυστεΐνης στο Ε1. Δεύτερον, η ενεργοποιημένη ουβικιτίνη μετακομίζει σε μια σουλφυδρυλική ομάδα του Ε2. Τέλος, το Ε3 καταλύει τη μεταφορά της ουβικιτίνης από το Ε2 σε μια ε-αμινική ομάδα στην πρωτεΐνη-στόχο,

Η σύνδεση ενός μορίου ουβικιτίνης είναι μονό ένα ασθενές σήμα για αποικοδόμηση. Ωστόσο, η αντίδραση ουβικιτινιωσης εξελίσσεται: αλυσίδες ουβικιτίνης μπορεί να δημιουργηθούν με τη σύνδεση της ε-αμινικής ομάδας του καταλοίπου λυσίνης 48 του ενός μορίου ουβικιτίνης στην τελική καρβοξυλική ομάδα του άλλου. Αλυσίδες τεσσάρων ή περισσότερων μορίων ουβικιτίνης είναι ιδιαίτερα δραστικές στη σηματοδότηση αποικοδόμησης.[5]

 Η χρήση των αλυσίδων μορίων ουβικιτίνης μπορεί να έχει τουλάχιστον δύο πλεονεκτήματα. Πρώτον, τα μόρια ουβικιτίνης αντιδρούν με ένα άλλο προς σχηματισμό μιας επιφάνειας δέσμευσης διαφορετικής από εκείνη που δημιουργείται με ένα μόνο μόριο ουβικιτίνης. Δεύτερον, επιμέρους μόρια ουβικιτίνης μπορούν να αποκοπούν χωρίς απώλεια του σήματος αποικοδόμησης.

Αν και τα περισσότερα ευκαρυωτικά κύτταρα έχουν μόνο ένα ή μικρό αριθμό διακριτών ενζύμων Ε1, όλα έχουν πολλά διακριτά ένζυμα Ε2 και Ε3. Επιπλέον, φαίνεται να υπάρχει μόνο μια απλή οικογένεια εξελικτικά σχετικών πρωτεϊνών Ε2 αλλά πολλές διακριτές οικογένειες των πρωτεϊνών Ε3. Αν και το συστατικό Ε3 εξασφαλίζει σε μεγάλο βαθμό την εξειδίκευση έναντι του υποστρώματος για την ουβικιτινυλίωση, οι πολλαπλοί συνδυασμοί του συμπλόκου Ε2-Ε3 επιτρέπουν τον πλέον εξαιρετικό συντονισμό της διάκρισης του υποστρώματος.[5]

Τι προσδιορίζει το αν μια πρωτεΐνη θα ουβικιτινυλιωθεί; Ένα σήμα συμβαίνει να είναι ανεξήγητα απλό. Ο χρόνος ημιζωής μιας πρωτεϊνης του κυτοσολίου προσδιορίζεται σε μεγάλο βαθμό από το αμινοτελικό κατάλοιπο.  Η εξάρτηση αυτή αναφέρεται ως ο κανόνας του Ν-τελικού κατάλοίπου. Μια πρωτεΐνη της ζύμης με μεθειονίνη στο αμινοτελικό άκρο της τυπικά έχει χρόνο ημιζωής μεγαλύτερο από 20 ώρες, ενώ μια με αργινίνη στη θέση αυτή έχει χρόνο ημιζωής περίπου 2 λεπτά. Ένα πολύ αποσταθεροποιητικό αμινοτελικό κατάλοιπο, όπως η αργινίνη ή η λευκίνη, ευνοεί την ταχεία ουβικιτινυλίωση, ενώ ένα σταθεροποιητικό κατάλοιπο, όπως η μεθειονίνη ή η προλίνη, όχι. Τα ένζνιμα Ε3 είναι οι αναγνώστες του αμινο-τελικού καταλοίπου. Άλλα σήματα υπεύθυνα για την αναγνώριση πρωτεΐνών για αποικοδόμηση περιλαμβάνουν το πλαίσιο καταστροφής της κυκλίνης, δηλαδή αλληλουχίες αμινοξέων που σημαίνουν πρωτεΐνες του κυτταρικού κύκλου για ανοικοδόμηση, καθώς και πρωτεΐνες πλούσιες σε προλίνη, γλουταμινικό οξύ, σερίνη και θρεονίνη (αλληλουχίες ΡΕSΤ).[6]

Μερικές παθολογικές καταστάσεις απεικονίζουν παραστατικά τη σημαντικότητα της ρύθμισης της αναπλήρωσης μιας πρωτεΐνης. Παραδείγματος χάριν, ο ιός του θηλώματος του ανθρώπου (ΗΡV) κωδικεύει μια πρωτεΐνη η οποία ενεργοποιεί ένα ειδικό ένζυμο Ε3. Το ένζυμο ουβικιτινυλιώνει τον καταστολέα όγκων p53 (Fig.2.11) και άλλες πρωτεΐνες που ελέγχουν την αποκατάσταση του DΝΑ, οι οποίες στη συνέχεια καταστρέφονται. Η ενεργοποίηση αυτού του ενζύμου Ε3 παρατηρείται σε περισσότερα από το 90% των καρκινωμάτων του τραχήλου της μήτρας. Έτσι, η ακατάλληλη σήμανση για καταστροφή βασικών ρυθμιστικών πρωτεϊνών μπορεί να διεγείρει επιπλέον γεγονότα, οδηγώντας σε δημιουργία όγκου.[6]

[7]

Έλεγχος  μέσω της οδού "ουβικιτίνη-πρωτεόσωμα"

Η πρωτεόλυση είναι ένα ευπροσάρμοστο εργαλείο στο κύτταρο για τη στοχοθετημένη αλλαγή στη δομή, τη δραστηριότητα, τη λειτουργία και την υπομοριακή κατανομή των πρωτεϊνών. Παραδείγματα κατευθυνόμενης πρωτεόλυσης είναι:

  • Η αφαίρεση του Ν-τελικού κατάλοιπου  μεθειονίνης από de novo σύνθεση πρωτεϊνών.
  • Αφαίρεση των πεπτιδίων-σημάτων κατά την  πρωτεϊνική διακίνησης μέσω της  μεμβράνης.
  • Υδρόλυση του προϊόντος της μεταφράσεως μονοκυστρονικού mRNA στους ιούς .
  • Ωρίμανση των πρωτεϊνών: μετασχηματισμός των ανενεργών πρωτεϊνών στις ενεργές πρωτεϊνες.

Θα ασχοληθούμε μόνο με την στοχοθετημένη υποβάθμιση των πρωτεϊνών.

Η λειτουργία των περισσότερων πρωτεϊνών στο κύτταρο είναι στενά περιορισμένη και τοπικά και χρονικά.  Μέχρι ποιό σημείο ένα ένζυμο μπορεί να συμμετέχει στο μεταβολισμό εξαρτάται όχι μόνο από το ποσοστό βιοσύνθεσης και από την έκταση της ομοιοπολικής τροποποίησης, αλλά και από το ποσοστό υποβάθμισης μιας πρωτεϊνης. Η σύγκριση της διάρκειας ζωής των διάφορων πρωτεϊνών (tab.2.1) δείχνει ότι η σταθερότητα των πρωτεϊνών μπορεί να διαφέρει σημαντικά. Μεταξύ των ασταθέστερων, βραχύβιων πρωτεϊνών βρίσκονται πολλές ρυθμιστικές πρωτεϊνες και ένζυμα με  βασικές θέσεις σε μια μεταβολική διαδρομή. Η στοχοθετημένη υποβάθμιση των πρωτεϊνών που περιλαμβάνονται στον κυτταρικό κύκλο είναι ένα απαραίτητο στοιχείο της ρύθμισης του κυτταρικού κύκλου. Οι προσπάθειες να εξηγηθεί η μεταβλητή διάρκεια ζωής των πρωτεϊνών έδειξαν ότι, εκτός από τη μη συγκεκριμένη υποβάθμιση των πρωτεϊνών, επίσης υπάρχουν οι συγκεκριμένοι μηχανισμοί υποβάθμισης. Τέτοιοι συγκεκριμένοι μηχανισμοί επιτρέπουν στη λειτουργία μιας πρωτεϊνης να περιοριστούν χρονικά και να τροποποιηθούν με συγκεκριμένο τρόπο.

Το σύστημα ουβικιτίνη-κασσίτερος-πρωτεόσωμα, είναι ένα εργαλείο για εκλεκτική πρωτεόλυση των πρωτεϊνών και διαδραματίζει έτσι έναν σημαντικό ρυθμιστικό ρόλο στο κύτταρο. .[8]

[9]

Εάν η ουβικιτίνη είναι το σήμα θανάτου, ποιος είναι ο εκτελεστής; Ένα μεγάλο σύμπλοκο πρωτεασών που ονομάζεται πρωτεόσωμα ή πρωτεόσωμα 26S πέπτει τις ουβικιτινυλιωμένες πρωτεΐνες. Αυτή η πρωτεάση πολλών υπομονάδων που ωθείται από την ΑΤΡ εξοικονομεί ουβικιτίνη, η οποία στη συνέχεια ανακυκλώνεται. Το πρωτεόσωμα 26S είναι ένα σύμπλοκο δυο συστατικών: ενός πρωτεοσώματος 20S, το οποίο περιέχει τη καταλυτική δραστικότητα, και μιας ρυθμιστικής υπομονάδας 19S.

Το σύμπλοκο 20S (Εικόνα 3) δομείται από δύο αντίγραφα κάθε μίας από 14 υπομονάδες και έχει μάζα 700 kd .[6]

Εικόνα 3.[6]

Και οι 14 υπομονάδες είναι ομόλογες και διαθέτουν την ίδια συνολική δομή. Οι υπομονάδες ταξινομούνται σε τέσσερις δακτυλίους των 7 υπομονάδων οι οποίες επιστοιβάζονται για να σχηματίσουν μια δομή που μοιάζει με βαρέλι. Οι συνιστώσες των δύο δακτυλίων προς τα άκρα του βαρελιού ονομάζονται υπομονάδες α και εκείνες των δύο κεντρικών δακτυλίων υπομονάδες β. Τα ενεργά κέντρα της πρωτεάσης εντοπίζονται προς τα αμινοτελικά άκρα συγκεκριμένων υπομονάδων β στο εσωτερικό του βαρελιού — ειδικά εκείνων που έχουν στο αμινοτελικό άκρο κατάλοιπο θρεονίνης ή σερίνης. Οι υδροξυλικές ομάδες των αμινοξέων αυτών μετατρέπονται σε πυρηνόφιλα κέντρα με τη βοήθεια των δικών τους αμινικών ομάδων. Οι πυρηνόφιλες αυτές ομάδες στη συνέχεια προσβάλλουν τις καρβονυλικές ομάδες των πεπτιδικών δεσμών και σχηματίζουν ενδιάμεσα ακυλοενζύμου. Η δομή του συμπλόκου απομονώνει το πρωτεολυτικό ενεργό κέντρο από τα ισχυρά υποστρώματα, μέχρις ότου αυτά κατευθυνθούν μέσα στο βαρέλι. Τα υποστρώματα ανοικοδομούνται με προοδευτικό τρόπο χωρίς την απομάκρυνση των ενδιάμεσων προϊόντων αποικοδόμησης, μέχρι το υπόστρωμα να διασπαστεί σε πεπτίδια που ποικίλλουν στο μήκος από επτά έως εννέα κατάλοιπα.(Εικόνα 4) Το πρωτεόσωμα 20S είναι ένα σφραγισμένο βαρέλι. Η πρόσβαση στο εσωτερικό του ελέγχεται από ένα ρυθμιστικό σύμπλοκο 19S, ένα σύμπλοκο που αυτό καθεαυτό είναι 700 kd και απαρτίζεται από 20 υπομονάδες. Το σύμπλοκο αυτό δεσμεύεται και στα δύο άκρα του πυρήνα 20S του πρωτεοσώματος για να σχηματιστεί το πλήρες πρωτεόσωμα 26S.(Εικόνα 5,6)

Εικόνα 5.[10]

Figure 8 

Figure 8. Binding of the polyubiquitinated substrate to the 26S proteasome and its subsequent degradation to short peptides. Illustration was kindly provided by Dr. Ed Yeh, M. D. Anderson Cancer Center, Houston, TX.

(Δέσμευση πολυουβικιτινιλυωμένου υποστρώματος στο 26S πρωτεόσωμα και η επακόλουθη αποικοδόμησή του σε μικρότερα πεπτίδια.)

Εικόνα 4.[11]

Η υπομονάδα 19S δεσμεύεται ειδικά στις αλυσίδες πολυουβικιτίνης. Βασικά συστατικά του συμπλόκου 19S είναι έξι διακριτές ΑΤΡάσες τάξης ΑΑΑ (ΑΤΡαση που συνδέεται με ποικίλες κυτταρικές δράσεις) που χαρακτηρίζονται από μια συντηρη-μένη δομική περιοχή 230 αμινοξέων, που δεσμεύει ΑΤΡ, της οικογένειας ΝΤΡασών με θηλιά Ρ. Αυτή η τάξη ΑΤΡασών. που απαντά σε όλα τα βασίλεια, συνδέεται με ποικιλία κυτταρικών λειτουργών στις οποίες περιλαμβάνονται η ρύθμιση του κυτταρικού κύκλου και η βιογένεση των οργανιδίων. Αν και ο ακριβής ρόλος της ΑΤΡάσης παραμένει απροσδιόριστος, η υδρόλυση της AΤΡ ίσως βοηθά το σύμπλοκο 19S να ξετυλίξει το υπόστρωμα και να επαγάγει αλλαγές στη στερεοδιάταξη του πρωτεοσώματος 20S, έτσι ώστε το υπόστρωμα να μπορεί να περάσει στο κέντρο του συμπλόκου. Τέλος, η υπομονάδα 19S περιέχει επίσης μια ισοπεπτιδάση η οποία απομακρύνει τα άθικτα μόρια ουβικιτίνη;. Έτσι η πορεία ουβικιτινυλίωσης και το πρωτεόσωμα συνεργάζονται για την αποικοδόμηση ανεπιθύμητων πρωτεϊνών. Η ουβικιτίνη ανακυκλώνεται και τα πεπτιδικά προϊόντα αποικοδομούνται περαιτέρω με άλλες κυτταρικές πρωτεάσες για να δώσουν αμινοξέα.[10]

Εικόνα 6.[12]

Η αποικοδόμηση πρωτεϊνών μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη ρύθμιση Βιολογικών λειτουργιών.

[10]

Ο Πίνακας  περιλαμβάνει έναν αριθμό φυσιολογικών διεργασιών οι οποίες ελέγχονται τουλάχιστον κατά ένα μέρος με αποικοδόμηση πρωτεϊνης. Ο έλεγχος αυτός ασκείται με δυναμική μεταβολή της σταθερότητας και της πληθώρας των ρυθμιστικών πρωτεϊνών. Ας πάρουμε, παραδείγματος χάριν, τον έλεγχο της φλεγμονώδους απόκρισης. Ένας μεταγραφικός παράγοντας καλούμενος ΝF-κΒ (ΝF: πυρηνικός παράγοντας) προκαλεί την έναρξη της έκφρασης ενός αριθμού γονιδίων, τα οποία λαμβάνουν μέρος στην απόκριση αυτή. Αυτός ο σπουδαίος παράγοντας αυτός καθεαυτόν ενεργοποιείται με την αποικοδόμηση μιας ανασταλτικής πρωτεΐνης. Ι-κΒ. Ο παράγοντας ΝF-κΒ παραμένει στο κυτταρόπλασμα, στην ανενεργό του κατάσταση μέσω της σύνδεσης με την Ι-κΒ (Ι: αναστολέας). Σε απόκριση του σήματος φλεγμονής, η Ι-κΒ φωσφορυλιώνεται σε δύο κατάλοιπα σερίνης, δημιουργώντας μια θέση δέσμευσης του Ε3. Η δέσμευση του Ε3 οδηγεί στην ουβικιτινυλίωση και αποικοδόμηση της Ι-κΒ και με αυτόν τον τρόπο καταστρέφεται η σύνδεση του αναστολέα με τον ΝF-κΒ. (Figure 43-10)[10]

[13]

Ο απελευθερούμενος παράγοντας μεταγραφής μεταναστεύει στον πυρήνα για να διεγείρει τη μεταγραφή του γονιδίου-στόχου. Το σύστημα ΝF-κΒ - 1-κΒ απεικονίζει την αλληλεπίδραση διάφορων βασικών ρυθμιστικών μοτίβων: τη μεταγωγή σήματος που διεκπεραιώνεται από υποδοχέα, τη φωσφορυλίωση τη διαμερισματοποίηση, την ελεγχόμενη και ειδική αποικοδόμηση και την επιλεκτική έκφραση γονιδίου.[10]

Η πορεία της ουβικιτίνης και το πρωτεόσωμα έχουν τα προκαρυωτικά ισοδύναμα τους.

Τόσο η πορεία της ουβικιτίνης όσο και το πρωτεόσωμα. φαίνεται να υπάρχουν σε όλα τα ευκαρυωτικά κύτταρα. Ομόλογα του πρωτεοσώματος βρίσκονται στα προκαρυωτικά κύτταρα, αν και ο φυσιολογικός ρόλος των ομολόγων αυτών δεν έχει διευκρινιστεί. Τα πρωτεοσώματα μερικών αρχαίων οργανισμών είναι εντελώς παρόμοια στη συνολική δομή με τα ευκαρυωτικά ισοδύναμα τους και έχουν αντίστοιχα 28 υπομονάδες.(Εικόνα 7)

Εικόνα 7.[14]

Στο πρωτεόσωμα των αρχαίων, όμως, οι υπομονάδες α και β είναι πανομοιότυπες. Στο ευκαρυωτικό πρωτεόσωμα, κάθε υπομονάδα α ή β είναι μία από επτά διαφορετικές ισόμορφες. Αυτή η ιδιαιτερότητα παρέχει ξεχωριστή εξειδίκευση έναντι του υποστρώματος. Η ουβικιτίνη, όμως, δεν έχει βρεθεί στα προκαρυωτικά. Πράγματι, η υψηλού επιπέδου ομοιότητα στην αλληλουχία μεταξύ των πρωτεϊνών ανθρώπου και ζύμης υποδηλώνει ότι η ουβικιτίνη στην παρούσα μορφή της απέκλινε, με εξελικτικούς όρους, σχετικά πρόσφατα. Μοριακοί πρόγονοι της ουβικιτίνης αναγνωρίστηκαν πρόσφατα στα προκαρυωτικά. Είναι αξιοσημείωτο ότι αυτές οι πρωτεΐνες λαμβάνουν μέρος όχι στην τροποποίηση πρωτεϊνών αλλά στη βιοσύνθεση συνενζύμου.[14]

Εικόνα 8.[14]

Η βιοσύνθεση της θειαμίνης  (Εικόνα 8) αρχίζει με ένα ιόν σουλφιδίου που προέρχεται από κυστεΐνη. Το σουλφίδιο αυτό προστίθεται στην καρβοξυλική ομάδα στο καρβοξυ-τελικό άκρο της πρωτεΐνης ΤhiS, η οποία έχει ενεργοποιηθεί ως ένα ακυλοαδενυλικό. Η ενεργοποίηση της ΤhiS και η προσθήκη του σουλφιδίου καταλύονται από το ένζυμο ΤhiF. Το ανθρώπινο Ε1 περιλαμβάνει δύο επάλληλες περιοχές τον 160 αμινοξέων που είναι κατά 28% πανομοιότυπες στην αλληλουχία αμινοξέων με μια περιοχή της ΤhiF; από την Ε.coli. Οι εξελικτικές σχέσεις μεταξύ αυτών των δύο πορειών εδραιώθηκε με τον προσδιορισμό της τριδιάστατης δομής της ΤhiS, (Εικόνα 9) η οποία ανέδειξε μια δομή παρόμοια με εκείνη της ουβικιτίνης, αν και είναι μόνο κατά 14% πανομοιότυπες στην αλληλουχία αμινοξέων.

Εικόνα 9.[14]

Έτσι, ένα ευκαρυωτικό σύστημα για την τροποποίηση πρωτεϊνών προήλθε από μια προϋπάρχουσα προκαρυωτική πορεία για βιοσύνθεση συνενζύμου.[14]

Συσχετισμός με ασθένειες

Όπως ήταν αναμενόμενο, οι ατέλειες στην πορεία της ουβικιτινυλίωσης έχουν ενοχοποιούνται για ένα ευρύ φάσμα ασθενειών. Η ανικανότητα να υποβιβαστούν ορισμένες πρωτεϊνες  που ενεργοποιούν την κυτταροδιαίρεση (τα προϊόντα των ογκογονιδίων)  μπορεί να οδηγήσει στο σχηματισμό όγκων, ενώ μια επίσης γρήγορη αποικοδόμηση των πρωτεϊνών που ενεργούν ως καταστολείς όγκων μπορεί  να έχει την ίδια επίδραση. Η ατελέσφορη ή υπερβολικά γρήγορη  υποβάθμιση των κυτταρικών πρωτεϊνών εμφανίζεται επίσης να διαδραματίζει έναν  ρόλο σε μια σειρά άλλων καταστάσεων: νεφρικές ασθένειες, άσθμα, νευροεκφυλιστικές διαταραχές όπως οι νόσοι Alzheimer και Ρarkinson (που συνδέονται με το  σχηματισμό των χαρακτηριστικών πρωτεϊνούχων δομών  στους νευρώνες), κυστική ίνωση (που προκαλείται σε μερικές περιπτώσεις από την επίσης  γρήγορη υποβάθμιση ενός ιοντικού καναλιού χλωρίου, με την επακόλουθη απώλεια λειτουργίας, σύνδρομο Liddle (στις οποίες ένα κανάλι νατρίου στο νεφρό δεν υποβιβάζεται, οδηγώντας σε υπερβολική απορρόφηση Na+ , και  σε πρόωρη υπέρταση ) και πολλές άλλες διαταραχές.  Τα φάρμακα με σκοπό να εμποδίσουν τη λειτουργία του πρωτεοσώματος έχουν αναπτυχθεί ως πιθανές λύσεις για μερικές από αυτές τις  καταστάσεις. Σε ένα μεταβαλλόμενο μεταβολικό περιβάλλον, η πρωτεϊνική υποβάθμιση είναι τόσο σημαντική στην επιβίωση ενός κυττάρου όπως είναι  και η πρωτεϊνική σύνθεση, και μένουν ακόμη πολλά να μάθουμε για  αυτές τις ενδιαφέρουσες πορείες.[15]

 

Γενετικές αναταραχές.

Το γονίδιο του οποίου η διάσπαση προκαλεί  το σύνδρομο Angelman, UBE3Α, κωδικοποιεί μια ουβικιτίνη ενζύμου λιγάσης (E3) που λέγεται  Ε6-AP.  Το γονίδιο του οποίου η διάσπαση προκαλεί  Von Hippel-Lindau  σύνδρομο  κωδικοποιεί μια λιγάση ουβικιτίνης (E3) που καλείται VHL καταστολέας όγκων ή VHL γονίδιο.  Το γονίδιο του οποίου η διάσπαση προκαλεί  το  σύνδρομο του Liddle  οδηγεί στην παράβλεψη ενός επιθηλιακού  Na+ καναλιού (ENaC) και προκαλεί την υπέρταση. [16]

Figure2

Ιεραρχική δομή της μηχανής σύζευξης της ουβικιτίνη. Ένα μόνο E1 καταλύει την ενεργοποίηση της ουβικιτίνης και την μεταφέρει σε διάφορα E2 ένζυμα.(Figure2) Στις περισσότερες περιπτώσεις, E2 μεταφέρει την ουβικιτίνη σε διάφορα E3, ενώ σε μερικές περιπτώσεις το Ε2 είναι συγκεκριμένο Ε3. Τα E3 μπορεί να είναι συγκεκριμένα υποστρώματα ή μπορεί να αναγνωρίζουν διάφορα υποστρώματα μέσω παρόμοιων, αλλά όχι ίδιων μοτίβων. Ορισμένα υποστρώματα μπορούν να στοχεύσουν από διάφορο E3, πιθανώς μέσω των ευδιάκριτων μοτίβων αναγνώρισης. [17]

Ενεργοποίηση του μεταγραφικού παράγοντα ΝF-kΒ: λειτουργία μονοπατιού - στόχος φαρμάκων.(Εικόνα 10,11)

  • Ο μεταγραφικός παράγοντας ΝF-kΒ ρυθμίζει àανοσοποιητικούàφλεγμονής àαπόπτωσης
  • Η ουβικιτίνωση ρυθμίζει 3 βήματα στο μονοπάτι του ΝF-kΒ

à  αποικοδόμηση ΙκΒ (αναστολέα  του ΝF-kΒ)

  • à πρωτεολυτική επεξεργασία των προδρόμων του   ΝF-kΒ: p50 και   p52   από   μεγαλύτερα   πρόδρομα   p105   και   p100 αντίστοιχα.

à  ενεργοποίηση της ΙκΒ κινάσης (ΙΚΚ)

  • κανονική και μη κανονική ενεργοποίηση
  • ουβικιτίνωση του ΙκΒ : Ε2 της UBC4/5 οικογενείας και
    μία     SCF-βΤrCP Ε3 λιγάση
  • φωσφορυλίωση υποστρώματος (p105,p100)

Εικόνα 10.[18]

Φάρμακα με τους στόχους εκτός από το πρωτεόσωμα

Όλοι οι παράγοντες που έχουν σημειωθεί για να ασκήσουν άμεση επίδραση στην- ουβικιτίνη και πρωτεόσωμα-μεσολαβημένη πρωτεόλυση είναι ανασταλτικοί παράγοντες του πρωτεοσώματος. Δεδομένου ότι μερικοί από αυτούς κατευθύνθηκαν αρχικά ενάντια σε άλλους στόχους, θα συζητηθούν χωριστά από εκείνους που είχαν ως σκοπό να αναστέλουν συγκεκριμένα το πρωτεόσωμα. Στην προηγούμενη κατηγορία είναι διαιτητικές ενώσεις όπως το ταννικό οξύ, αντιρετρο-ιών παράγοντες συμπεριλαμβανομένων των ανασταλτικών παραγόντων πρωτεασών του HIV, και παράγοντες του καταβολισμού των λιπιδίων όπως το lovastatin, το οποίο αναστέλει το πρωτεόσωμα, αν και οι πιθανές εφαρμογές στον καρκίνο του μαστού δεν έχουν ερευνηθεί. Ο παράγοντας ανοσοκαταστολής cyclosporine Α είναι ένας μη ανταγωνιστικός ανασταλτικός παράγοντας του πρωτεοσώματος, αλλά στην περιοχή του καρκίνου του μαστού  έχει χρησιμοποιηθεί κυρίως για να εμποδίσει την κυτόχρωμα-Ρ450-μεσολαβημένη αντίσταση φαρμάκων, ή για να προκαλέσει την ασθένεια: μόσχευμα-εναντίον-ξενιστή, όταν υποβληθούν οι ασθενείς στη χημειοθεραπεία υψηλών δόσεων, που ακολουθείται από τον αυτόλογο μυελό των οστών ή την  διάσωση περιφεριακών βλαστοκυττάρων αίματος. Ίσως πιό ενδιαφέρων είναι ένας άλλος παράγοντας ανοσοκαταστολής, το rapamycin, που αναστέλλει  την έκφραση του ενεργοποιητή του πρωτεοσώματος PA28, και με αυτόν τον τρόπο εμποδίζει την proteasome λειτουργία. Δεδομένου ότι το rapamycin εμποδίζει την οιστρογόνο-οδηγημένη μετάβαση των κυττάρων καρκίνου του μαστού από το G1  στις φάσεις του S του κύκλου των κυττάρων, οι περαιτέρω μελέτες στον καρκίνο του μαστού μπορούν να επιτραπούν. Οι χημειοθεραπευτικοί παράγοντες έχουν προσδιοριστεί που αναστέλουν το πρωτεόσωμα, συμπεριλαμβανομένου του aclarubicin (aclacino-mycin Α), και vinblastine και vincristine , αν και είναι ασαφές εάν, στην περίπτωση του aclarubicin, αυτό εμφανίζεται στις κλινικά σχετικές συγκεντρώσεις φαρμάκων. Το Aclarubicin, ένα παράγωγο του anthracycline, έχει αξιολογηθεί αρκετά στη φάση Ι και τη φάση ΙΙ σε δοκιμές με τα γενικά απογοητευτικά αποτελέσματα, αν και κανένας δεν στόχευσε προς τους ασθενείς με καρκίνο στήθους. Το vinca αλακαλοειδών vinorelbine (Navelbine), εντούτοις, αναπτύσσει την καλά τεκμηριωμένη δραστηριότητα στον καρκίνο του μαστού, και θα ήταν ενδιαφέρον να καθοριστεί εάν αυτή η δραστηριότητα είναι ένα αποτέλεσμα της αναστολής του πρωτεοσώματος.[19]

Εικόνα 11.[18]

Συμμετοχή σε ανοσολογικές αποκρίσεις : Επεξεργασία αντιγονικών πεπτιδίων.

  • αποικοδόμηση εαυτών και μικροβιακών προτείνων σε πεπτίδια από το UPS, παρουσίαση σε ΜΗC class I –αμινοπεπτιδάσες.(Εικόνα 12)

Εικόνα 12.[18]

Βιβλιογραφία

                [1]  http://en.wikipedia.org/wiki/Ubiquitin

                [2]  Alberts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter, Βασικές Αρχές Κυτταρικής Βιολογίας, Εισαγωγή στην Μοριακή Βιολογία του Κυττάρου, Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ. Πασχαλίδης, σελ.687.

                [3]  Nelson L. D., Cox M. M., Lehninger Principles of Biochemistry, fourth ed., p.468.

                [4]  Berg J., Tymoczko J., Stryer L., Βιοχημεία, Τόμος Ι, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2005, σελ. 715.

                [5]  Berg J., Tymoczko J., Stryer L., Βιοχημεία, Τόμος Ι, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2005, σελ. 716.

                [6]  Berg J., Tymoczko J., Stryer L., Βιοχημεία, Τόμος Ι, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2005, σελ. 717.

                [7]  Krauss G., Biochemistry of Signal Transduction and Regulation, 3d ed., p.105.

                [8]  Krauss G., Biochemistry of Signal Transduction and Regulation, 3d ed., p.102.

                [9]  Krauss G., Biochemistry of Signal Transduction and Regulation, 3d ed., p.103.

            [10]  Berg J., Tymoczko J., Stryer L., Βιοχημεία, Τόμος Ι, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2005, σελ. 718.

            [11]  Ciechanover A., The Ubiquitin Proteolytic System, The Proceedings of the American Thoracic Society 3:21-31 (2006)© 2006 The American Thoracic Society, http://pats.atsjournals.org/cgi/content/full/3/1/FIG17#FIG17

            [12]  Koolman J., Roehm K.H., Color Atlas of Biochemistry, second ed., Thieme, 2005, p. 177.

            [13]  Murray K. R., Granner K. D., Mayes A. P., Rodwell W. V., Harper’s Illustrated Biochemistry, twenty sixth ed., 2003, p.468.

            [14]  Berg J., Tymoczko J., Stryer L., Βιοχημεία, Τόμος Ι, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, Ηράκλειο 2005, σελ. 719.

            [15]  Nelson L. D., Cox M. M., Lehninger Principles of Biochemistry, fourth    ed.,p.1077.

            [16]  http://en.wikipedia.org/wiki/Immunohistochemistry

            [17]  Aaron Ciechanover, The ubiquitin–proteasome pathway: on protein death and cell life, The EMBO Journal (1998) 17, 7151–7160, doi: 10.1093/emboj/17.24.7151

            [18]  Σαρρής Μ., Δομή και λειτουργία του πρωτεασώματος, Διάλεξη 14/7/2006,    http://multimedia.biol.uoa.gr/media2005_06/sarris_files/lobby0.htm

            [19]  Robert Z. Orlowski and E. Claire Dees, The role of the ubiquitination-proteasome pathway in breast cancer: Applying drugs that affect the ubiquitin-proteasome pathway to the therapy of breast cancer, Breast Cancer Res. 2003; 5(1): 1–7.  Published online 2002 August 14. doi: 10.1186/bcr460.


Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου

Εγγραφή σε: Αναρτήσεις (Atom)

  Εργασίες στη Βιολογία Ι  ISBN: 978-618-86274-1-3 Ολόκληρο το βιβλίο 577 σελίδες σε pdf https://drive.google.com/file/d/1AO2HUEKkrisH-u...

  • (χωρίς τίτλο)
      Εργασίες στη Βιολογία Ι  ISBN: 978-618-86274-1-3 Ολόκληρο το βιβλίο 577 σελίδες σε pdf https://drive.google.com/file/d/1AO2HUEKkrisH-u...