Κεφάλαιο 3.5 – Πυρήνας και Ενδομεμβρανικό σύστημα – Απαντήσεις – Λύσεις (σελ. 60-73)

Ερωτήσεις - Ασκήσεις - Προβλήματα

Άσκηση 2 (σελ. 69)

Σημειώστε την ένδειξη Σ ή Λ δίπλα σε κάθε πρόταση, ανάλογα με το αν το νόημά της είναι αντίστοιχα σωστό ή λάθος. α) Ο πυρήνας του κυττάρου περιβάλλεται από απλή στοιχειώδη μεμβράνη. β) Στο λείο ενδοπλασματικό δίκτυο γίνεται το 7% της πρωτεϊνοσύνθεσης ενός ευκαρυωτικού κυττάρου. γ) Το σύμπλεγμα Golgi αποτελείται από ομάδες παράλληλων πεπλατυσμένων σάκων. δ) Τα υπεροξειδιοσώματα είναι κυτταρικά οργανίδια που δεν περιβάλλονται από καμία μεμβράνη. ε) Ο πυρηνίσκος του κυττάρου βρίσκεται στο εσωτερικό του μιτοχονδρίου. στ) Η πλασματική μεμβράνη είναι διπλή στοιχειώδης μεμβράνη. ζ) Στο ενδομεμβρανικό σύστημα του κυττάρου ανήκουν τα υπεροξειδιοσώματα. η) Το κυτταρικό τοίχωμα αποτελείται από κυτταρίνη. θ) Η αντλία ιόντων K⁺-Na⁺ μεταφέρει τα ιόντα έξω και μέσα στο κύτταρο με διαδικασία ίδια με την ώσμωση. ι) Οι φυσιολόγοι διακρίνουν 5 τύπους μεταφοράς ουσιών μέσω της κυτταρικής μεμβράνης. κ) Κάθε μεμβράνη του κυττάρου που διαθέτει μονόστιβη δομή φωσφολιπιδίων ονομάζεται στοιχειώδης μεμβράνη. λ) Στο μοντέλο του υγρού μωσαϊκού η διπλοστιβάδα λιπιδίων αποτελείται από ουδέτερα λιπίδια. μ) Κάθε κύτταρο προέρχεται από προϋπάρχον κύτταρο. ν) Ευκαρυωτικό κύτταρο είναι αυτό που δε διαθέτει καθόλου πυρήνα.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ελέγχουμε κάθε πρόταση με βάση τα βασικά χαρακτηριστικά πυρήνα, ενδομεμβρανικού συστήματος, πλασματικής μεμβράνης και κυτταρικής θεωρίας.

Λύση:

1. α) Λ — ο πυρήνας περιβάλλεται από πυρηνικό φάκελο, δηλαδή διπλή (όχι απλή) στοιχειώδη μεμβράνη.
2. β) Λ — η πρωτεϊνοσύνθεση γίνεται στα ριβοσώματα του αδρού (όχι λείου) ΕΔ.
3. γ) Σ — το Golgi αποτελείται πράγματι από ομάδες παράλληλων πεπλατυσμένων σάκων.
4. δ) Λ — τα υπεροξειδιοσώματα περιβάλλονται από απλή στοιχειώδη μεμβράνη.
5. ε) Λ — ο πυρηνίσκος βρίσκεται στο εσωτερικό του πυρήνα, όχι του μιτοχονδρίου.
6. στ) Λ — η πλασματική μεμβράνη είναι απλή (όχι διπλή) στοιχειώδης μεμβράνη.
7. ζ) Σ — τα υπεροξειδιοσώματα ανήκουν στο ενδομεμβρανικό σύστημα.
8. η) Σ — ο κυριότερος πολυσακχαρίτης του κυτταρικού τοιχώματος είναι η κυτταρίνη.
9. θ) Λ — η αντλία Κ⁺-Na⁺ είναι ενεργητική μεταφορά με κατανάλωση ενέργειας, όχι ώσμωση (παθητική διαδικασία).
10. ι) Λ — το βιβλίο περιγράφει τρεις βασικούς τρόπους: παθητική μεταφορά (διάχυση, ώσμωση), ενεργητική μεταφορά και μεταφορά μεγάλου ΜΒ (ενδο/εξωκύττωση).
11. κ) Λ — στοιχειώδης μεμβράνη ονομάζεται κάθε μεμβράνη του κυττάρου που έχει τη δομή της πλασματικής μεμβράνης, δηλαδή διπλοστιβάδα (και όχι μονόστιβη δομή) φωσφολιπιδίων με πρωτεΐνες.
12. λ) Λ — στο μοντέλο του ρευστού (υγρού) μωσαϊκού η διπλοστιβάδα λιπιδίων αποτελείται κυρίως από φωσφολιπίδια, που είναι αμφιπαθή μόρια, και όχι από ουδέτερα λιπίδια.
13. μ) Σ — θεμελιώδης αρχή της κυτταρικής θεωρίας.
14. ν) Λ — ευκαρυωτικό κύτταρο είναι αυτό που διαθέτει οργανωμένο, με μεμβράνη περιβαλλόμενο πυρήνα.

Απάντηση: α. Λ, β. Λ, γ. Σ, δ. Λ, ε. Λ, στ. Λ, ζ. Σ, η. Σ, θ. Λ, ι. Λ, κ. Λ, λ. Λ, μ. Σ, ν. Λ.

Άσκηση 3 (σελ. 69)

Σημειώστε Σ ή Λ: α) Το σύστημα Golgi περιέχει DNA. β) Ο πυρηνικός φάκελος δεν έχει τη δομή στοιχειώδους μεμβράνης. γ) Το ενδομεμβρανικό σύστημα περιλαμβάνει μόνο το ΕΔ και το σύστημα Golgi. δ) Στα ριβοσώματα γίνεται η σύνθεση των πρωτεϊνών. ε) Το λείο ΕΔ περιέχει υδρολυτικά ένζυμα που διασπούν τα συστατικά του κυττάρου. στ) Όλα τα φυτικά κύτταρα περιέχουν χλωροπλάστες.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ελέγχουμε κάθε πρόταση με βάση τη σύνθεση και τη λειτουργία των οργανιδίων του ενδομεμβρανικού συστήματος.

Λύση:

1. α) Λ — το Golgi δεν έχει δικό του DNA (σε αντίθεση με μιτοχόνδρια/χλωροπλάστες).
2. β) Λ — ο πυρηνικός φάκελος αποτελείται από δύο στοιχειώδεις μεμβράνες (εσωτερική, εξωτερική).
3. γ) Λ — το ενδομεμβρανικό σύστημα περιλαμβάνει επίσης λυσοσώματα, υπεροξειδιοσώματα και κενοτόπια.
4. δ) Σ — η πρωτεϊνοσύνθεση γίνεται στα ριβοσώματα.
5. ε) Λ — τα υδρολυτικά ένζυμα βρίσκονται στα λυσοσώματα, όχι στο λείο ΕΔ (που σχετίζεται με σύνθεση λιπιδίων και αποτοξίνωση).
6. στ) Λ — μόνο τα κύτταρα των πράσινων τμημάτων των φυτών περιέχουν χλωροπλάστες (όχι π.χ. τα κύτταρα ρίζας).

Απάντηση: α. Λ, β. Λ, γ. Λ, δ. Σ, ε. Λ, στ. Λ.

Άσκηση 10 (σελ. 71)

Σχολιάστε το ρόλο των μεμβρανών στα μιτοχόνδρια, στο ενδοπλασματικό δίκτυο και στον πυρήνα.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Συνδέουμε κάθε οργανίδιο με το συγκεκριμένο ρόλο της μεμβράνης/μεμβρανών του, ξεχωρίζοντας διπλές από απλές στοιχειώδεις μεμβράνες.

Απάντηση: Στα μιτοχόνδρια, η διπλή στοιχειώδης μεμβράνη οργανώνει το χώρο σε δύο διαμερίσματα: η εξωτερική μεμβράνη είναι λεία, ενώ η εσωτερική σχηματίζει αναδιπλώσεις που αυξάνουν την επιφάνεια όπου εδράζονται ένζυμα απαραίτητα για τη μετατροπή ενέργειας. Στο ενδοπλασματικό δίκτυο, οι μεμβράνες σχηματίζουν πολυδαίδαλο σύστημα αγωγών που λειτουργεί ως δίαυλος μεταφοράς ουσιών στο εσωτερικό του κυττάρου, ενώ παρέχουν επιφάνεια για ριβοσώματα (αδρό ΕΔ, πρωτεϊνοσύνθεση) ή για ένζυμα σύνθεσης λιπιδίων (λείο ΕΔ). Στον πυρήνα, ο πυρηνικός φάκελος (διπλή μεμβράνη με πόρους) διαχωρίζει και προστατεύει το γενετικό υλικό από το κυτταρόπλασμα, ενώ οι πυρηνικοί πόροι ελέγχουν με επιλεκτικό τρόπο την ανταλλαγή μακρομορίων ανάμεσα σε πυρήνα και κυτταρόπλασμα.

Άσκηση 11 (σελ. 71)

Σήμερα γνωρίζουμε ότι υπάρχει ένα σύστημα μεμβρανών το οποίο συνδέει τον πυρήνα με την πλασματική μεμβράνη. Περιγράψτε τα κυριότερα από τα οργανίδια ή τους σχηματισμούς που συμμετέχουν στο σύστημα αυτό, με αναφορά στην εσωτερική λειτουργική σχέση τους.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανακαλούμε το ενδομεμβρανικό σύστημα και την πορεία παραγωγής/διάθεσης πρωτεϊνών, που συνδέει λειτουργικά πυρήνα, ΕΔ, Golgi και πλασματική μεμβράνη.

Απάντηση: Πρόκειται για το ενδομεμβρανικό σύστημα, στο οποίο ανήκουν το ενδοπλασματικό δίκτυο (αδρό και λείο), το σύμπλεγμα Golgi, τα λυσοσώματα, τα υπεροξειδιοσώματα και τα κενοτόπια. Ο πυρηνικός φάκελος συνδέεται με το ενδοπλασματικό δίκτυο, το οποίο με τη σειρά του συχνά συνδέεται με την πλασματική μεμβράνη — έτσι όλες αυτές οι δομές συγκροτούν ένα δομικά ενιαίο σύνολο. Λειτουργικά, οι πρωτεΐνες που συντίθενται στα ριβοσώματα του αδρού ΕΔ μεταφέρονται με κυστίδια στο Golgi για τελική επεξεργασία, και από εκεί είτε προωθούνται προς την πλασματική μεμβράνη για εξωκύττωση είτε κατευθύνονται σε λυσοσώματα ή άλλα σημεία του κυττάρου. Έτσι το σύστημα λειτουργεί ως ενιαία αλυσίδα παραγωγής, τροποποίησης και διανομής υλικού από τον πυρήνα ως την πλασματική μεμβράνη.

Άσκηση 13 (σελ. 71)

Ονομάστε και περιγράψτε το οργανίδιο με το οποίο είναι συνδεδεμένη η κυτταρική πέψη. Ποια είναι, συνοπτικά, η πορεία της λειτουργίας αυτής;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Αναγνωρίζουμε ότι πρόκειται για τα λυσοσώματα και περιγράφουμε τη διαδικασία της φαγοκυττάρωσης.

Απάντηση: Το οργανίδιο είναι το λυσόσωμα: σφαιρικό οργανίδιο με απλή στοιχειώδη μεμβράνη, που περιέχει υδρολυτικά ένζυμα. Η κυτταρική πέψη (φαγοκυττάρωση) ξεκινά με την ενδοκύττωση μιας ουσίας ή μικροοργανισμού, που δημιουργεί ένα κυστίδιο στο κυτταρόπλασμα. Το λυσόσωμα συντήκεται με το κυστίδιο αυτό και απελευθερώνει στο εσωτερικό του τα υδρολυτικά του ένζυμα, τα οποία διασπούν το περιεχόμενο σε απλούστερα μόρια. Τα χρήσιμα προϊόντα της πέψης απορροφώνται από το κυτταρόπλασμα, ενώ τα άχρηστα υπολείμματα αποβάλλονται από το κύτταρο με εξωκύττωση.

Άσκηση 16 (σελ. 72)

Στο διάγραμμα σημειώνονται: Α η πλασματική μεμβράνη, Β ένα κυστίδιο κοντά στη μεμβράνη, Δ μια στοίβα πεπλατυσμένων σάκων (Golgi), Ε ο πυρήνας. α. Ονομάστε τις δομές Α, Β, Γ, Δ, Ε — σημειώστε με Ζ τη δομή όπου παράγεται το πρωτεϊνικό περιεχόμενο του Δ, περιγράψτε το ρόλο του Ε στη σύνθεση της πρωτεΐνης αυτής και τη λειτουργία που το Δ μπορεί να κάνει στα κύτταρα ενός οργανισμού. β. Ονομάστε τη διαδικασία εισόδου μεγαλομοριακών ενώσεων που απεικονίζεται, εξηγήστε γιατί αυτή η λειτουργία είναι σημαντική σε ορισμένα λευκά αιμοσφαίρια, και ονομάστε μια ομάδα οργανισμών που τρέφονται με τη διαδικασία αυτή.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Αναγνωρίζουμε τις δομές του ενδομεμβρανικού συστήματος στο διάγραμμα (μεμβράνη, κυστίδιο ενδοκύττωσης, Golgi, πυρήνα, αδρό ΕΔ) και συνδέουμε τη διαδικασία εισόδου υλικού με τη φαγοκυττάρωση.

Λύση:

1. α. Α = πλασματική μεμβράνη· Β = κυστίδιο ενδοκύττωσης· Γ = λυσόσωμα (η δομή που συντήκεται με το κυστίδιο για την πέψη του περιεχομένου)· Δ = σύμπλεγμα Golgi· Ε = πυρήνας. Ζ = αδρό ενδοπλασματικό δίκτυο (εκεί παράγεται, στα ριβοσώματά του, το πρωτεϊνικό περιεχόμενο που φτάνει στο Golgi).
2. Ο ρόλος του πυρήνα (Ε) είναι να φέρει το DNA με τις γενετικές πληροφορίες βάσει των οποίων συντίθεται το αντίστοιχο mRNA, το οποίο μεταφράζεται στα ριβοσώματα του αδρού ΕΔ σε πρωτεΐνη.
3. Το Golgi (Δ) μπορεί να επεξεργάζεται και να «πακετάρει» τις πρωτεΐνες σε κυστίδια προς εξωκύττωση (έκκριση εκτός κυττάρου) ή προς άλλα σημεία του κυττάρου.
4. β. Η διαδικασία είναι η ενδοκύττωση (ειδικότερα φαγοκυττάρωση, αφού αφορά μεγαλομοριακές ενώσεις/σωματίδια).
5. Σε ορισμένα λευκά αιμοσφαίρια η διαδικασία αυτή είναι σημαντική γιατί τους επιτρέπει να «καταπίνουν» και να εξουδετερώνουν μικροοργανισμούς, λειτουργώντας ως αμυντικός μηχανισμός του οργανισμού.
6. Μια ομάδα οργανισμών που τρέφονται με ενδοκύττωση/φαγοκυττάρωση είναι τα πρωτόζωα (π.χ. αμοιβάδα).

Απάντηση: α. Α=πλασματική μεμβράνη, Β=κυστίδιο ενδοκύττωσης, Γ=λυσόσωμα, Δ=Golgi, Ε=πυρήνας, Ζ=αδρό ΕΔ. Ο πυρήνας φέρει το DNA που καθορίζει τη σύνθεση της πρωτεΐνης στα ριβοσώματα του Ζ· το Golgi μπορεί να «πακετάρει» πρωτεΐνες προς έκκριση (εξωκύττωση). β. Η διαδικασία είναι η ενδοκύττωση/φαγοκυττάρωση — αμυντικός μηχανισμός στα λευκά αιμοσφαίρια, τρόπος θρέψης στα πρωτόζωα (π.χ. αμοιβάδα).

Άσκηση 17 (σελ. 72)

Ποιες είναι οι διαφορές, δομικές και λειτουργικές, ανάμεσα στα μέρη των ζευγαριών: α. πλασματική μεμβράνη - πυρηνική μεμβράνη, β. μιτοχόνδριο - χλωροπλάστης, γ. λυσοσώματα - υπεροξειδιοσώματα.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Συγκρίνουμε κάθε ζεύγος ως προς τη δομή (απλή/διπλή μεμβράνη, θέση) και τη λειτουργία (τι ρόλο εξυπηρετεί το καθένα).

Απάντηση: α. Η πλασματική μεμβράνη είναι απλή στοιχειώδης μεμβράνη που οριοθετεί ολόκληρο το κύτταρο και ελέγχει τη διακίνηση ουσιών με το περιβάλλον, ενώ η πυρηνική μεμβράνη (πυρηνικός φάκελος) είναι διπλή στοιχειώδης μεμβράνη με πόρους, που περιβάλλει και προστατεύει το γενετικό υλικό, ελέγχοντας την ανταλλαγή μακρομορίων πυρήνα-κυτταροπλάσματος. β. Το μιτοχόνδριο υπάρχει σε όλα σχεδόν τα ευκαρυωτικά κύτταρα και μετατρέπει την ενέργεια των θρεπτικών ουσιών σε αξιοποιήσιμη μορφή (κυτταρική αναπνοή), ενώ ο χλωροπλάστης υπάρχει μόνο σε φωτοσυνθετικά κύτταρα φυτών και μετατρέπει τη φωτεινή ενέργεια σε χημική (φωτοσύνθεση)· και τα δύο έχουν διπλή μεμβράνη, δικό τους DNA και ριβοσώματα, αλλά ο χλωροπλάστης έχει επιπλέον το εσωτερικό σύστημα θυλακοειδών/grana. γ. Τα λυσοσώματα περιέχουν υδρολυτικά ένζυμα και εξυπηρετούν την ενδοκυτταρική πέψη (φαγοκυττάρωση, αυτοφαγία, αυτόλυση), ενώ τα υπεροξειδιοσώματα περιέχουν οξειδωτικά ένζυμα και εξυπηρετούν μεταβολικές διεργασίες όπως η αποτοξίνωση αλκοόλης και η διάσπαση του τοξικού υπεροξειδίου του υδρογόνου· και τα δύο είναι κυστίδια με απλή στοιχειώδη μεμβράνη, αλλά διαφέρουν ως προς το είδος των ενζύμων και τη λειτουργία τους.

Άσκηση 18 (σελ. 73)

Από το εσωτερικό περίβλημα στομάχου θηλαστικού απομονώθηκαν κύτταρα που εκκρίνουν το ένζυμο πεψινογόνο. Τα κύτταρα αυτά διατηρήθηκαν σε κατάλληλο θρεπτικό υλικό, που περιείχε αμινοξέα σημασμένα με ραδιενεργά ισότοπα. Σε κανονικά διαστήματα λαμβάνονταν από την καλλιέργεια κύτταρα και γινόταν παρατήρησή τους στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Στη συνέχεια βλέπετε το διάγραμμα ενός πεπτικού κυττάρου με ό,τι μπορεί να παρατηρηθεί στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Στην αριστερή πλευρά του σχήματος αναγράφεται ο χρόνος που χρειάστηκε, για να εμφανιστεί η σήμανση στα διάφορα κυτταρικά οργανίδια (στο σχήμα: 3 min στο οργανίδιο Α, 10 min στο Β, 20 min στο Γ, 30 και 40 min στα οργανίδια Ε).

α. Ονομάστε τα οργανίδια Α έως και Δ.

β. Περιγράψτε συνοπτικά την ακολουθία των γεγονότων που έχουν ως αποτέλεσμα την εμφάνιση της σήμανσης, σε διαφορετικά χρονικά διαστήματα, στα οργανίδια Α έως Γ.

γ. Περιγράψτε συνοπτικά το ρόλο του πυρήνα στη σύνθεση του πεψινογόνου.

δ. Με ποιο τρόπο πιστεύετε ότι θα οδηγηθεί έξω από το κύτταρο το υλικό που περιέχεται στα οργανίδια Ε;

ε. Εξηγήστε γιατί είναι απαραίτητος ένας σχετικά μεγάλος αριθμός οργανιδίων Δ στα εκκριτικά κύτταρα.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Πρόκειται για το κλασικό πείραμα ραδιενεργής σήμανσης που αποκάλυψε την πορεία των εκκρινόμενων πρωτεϊνών: ριβοσώματα του αδρού ΕΔ → αδρό ΕΔ → κυστίδια μεταφοράς → σύμπλεγμα Golgi → εκκριτικά κυστίδια → εξωκύττωση. Η σήμανση εμφανίζεται διαδοχικά σε κάθε σταθμό, με χρονική σειρά (3, 10, 20, 30-40 min) που αντιστοιχεί στη σειρά της πορείας. Από το σχήμα αναγνωρίζουμε τα οργανίδια από τη μορφή τους: παράλληλες μεμβράνες με κόκκους (αδρό ΕΔ), μικρά κυστίδια, στοίβα πεπλατυσμένων σάκων (Golgi), οργανίδια με εσωτερικές πτυχώσεις (μιτοχόνδρια), μεγάλα κυστίδια (εκκριτικά κυστίδια).

Λύση:

1. α. Α = αδρό ενδοπλασματικό δίκτυο (μεμβράνες με ριβοσώματα, σήμανση στα 3 min), Β = κυστίδια μεταφοράς από το αδρό ΕΔ προς το σύμπλεγμα Golgi (σήμανση στα 10 min), Γ = σύμπλεγμα Golgi (σήμανση στα 20 min), Δ = μιτοχόνδρια. (Τα Ε είναι τα εκκριτικά κυστίδια, όπου η σήμανση εμφανίζεται στα 30-40 min.)
2. β. Τα ραδιενεργά αμινοξέα ενσωματώνονται στο πεψινογόνο που συντίθεται στα ριβοσώματα του αδρού ΕΔ και εισέρχεται στις κοιλότητές του, γι' αυτό η σήμανση εμφανίζεται πρώτα στο αδρό ΕΔ (Α, 3 min). Στη συνέχεια η πρωτεΐνη «πακετάρεται» σε κυστίδια που αποσπώνται από το ΕΔ (Β, 10 min) και μεταφέρονται στο σύμπλεγμα Golgi (Γ, 20 min), όπου η πρωτεΐνη τροποποιείται και συσκευάζεται σε εκκριτικά κυστίδια (Ε, 30-40 min).
3. γ. Ο πυρήνας περιέχει το DNA με το γονίδιο του πεψινογόνου. Στον πυρήνα γίνεται η μεταγραφή του γονιδίου σε mRNA, το οποίο περνά στο κυτταρόπλασμα και καθοδηγεί τη σύνθεση του πεψινογόνου στα ριβοσώματα (μετάφραση). Έτσι ο πυρήνας καθορίζει ποια πρωτεΐνη θα συντεθεί.
4. δ. Το υλικό των εκκριτικών κυστιδίων (Ε) οδηγείται έξω από το κύτταρο με εξωκύττωση: τα κυστίδια πλησιάζουν την πλασματική μεμβράνη, συντήκονται με αυτήν και απελευθερώνουν το πεψινογόνο στο εξωκυττάριο περιβάλλον.
5. ε. Τα μιτοχόνδρια (Δ) παράγουν την ενέργεια (ATP) του κυττάρου με την κυτταρική αναπνοή. Η συνεχής και εντατική σύνθεση πρωτεϊνών και η εξωκύττωση απαιτούν πολλή ενέργεια, γι' αυτό τα εκκριτικά κύτταρα έχουν σχετικά μεγάλο αριθμό μιτοχονδρίων.

Απάντηση: α. Α = αδρό ενδοπλασματικό δίκτυο, Β = κυστίδια μεταφοράς (από το ΕΔ προς το Golgi), Γ = σύμπλεγμα Golgi, Δ = μιτοχόνδρια. β. Σύνθεση του σημασμένου πεψινογόνου στα ριβοσώματα του αδρού ΕΔ (3 min) → μεταφορά με κυστίδια (10 min) → σύμπλεγμα Golgi για τροποποίηση και συσκευασία (20 min) → εκκριτικά κυστίδια. γ. Ο πυρήνας περιέχει το γονίδιο του πεψινογόνου και σε αυτόν παράγεται το mRNA που καθοδηγεί τη σύνθεσή του στα ριβοσώματα. δ. Με εξωκύττωση. ε. Γιατί η σύνθεση και η έκκριση πρωτεϊνών απαιτούν πολλή ενέργεια (ATP), που παράγεται στα μιτοχόνδρια.

Άσκηση 19 (σελ. 73)

Στην κορυφή του ανθρώπινου σπερματοζωαρίου υπάρχει μια μικρή διόγκωση, η οποία περιέχει ένζυμα που βοηθούν το σπερματοζωάριο να εισέλθει στο ωάριο. Κοντά στη μεμβράνη, προς το εσωτερικό του σπερματοζωαρίου, υπάρχουν πολλά κυστίδια. Περιγράψτε τον τρόπο με τον οποίο υποθέτετε ότι ελευθερώνονται τα ένζυμα από την κορυφή του σπερματοζωαρίου.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Συνδέουμε τη διόγκωση (ακρόσωμα) με λυσοσωμικού τύπου κυστίδιο και τη διαδικασία απελευθέρωσης ενζύμων με τον μηχανισμό της εξωκύττωσης.

Απάντηση: Η μικρή διόγκωση στην κορυφή του σπερματοζωαρίου (ακρόσωμα) λειτουργεί ως ειδικευμένο λυσοσωμικού τύπου κυστίδιο, που περιέχει υδρολυτικά ένζυμα. Κατά την επαφή του σπερματοζωαρίου με το ωάριο, η μεμβράνη του ακροσώματος συντήκεται με την πλασματική μεμβράνη της κορυφής του σπερματοζωαρίου, με μηχανισμό ανάλογο της εξωκύττωσης, και τα ένζυμα απελευθερώνονται προς τα έξω. Τα ένζυμα αυτά διασπούν τα εξωτερικά στρώματα γύρω από το ωάριο, διευκολύνοντας τη διείσδυση του σπερματοζωαρίου σε αυτό.

Άσκηση Ας σκεφτούμε 4 (σελ. 68)

Ένα ηπατικό κύτταρο έχει όγκο 5.000 μm³ και συνολική επιφάνεια μεμβρανών (εσωτερικών + πλασματικής) 110.000 μm². Ένα κύτταρο του παγκρέατος, που παράγει πεπτικά ένζυμα, έχει όγκο 1.000 μm³ και επιφάνεια μεμβρανών 13.000 μm². Ποιο κύτταρο θα ήταν περισσότερο αποτελεσματικό για δραστηριότητες που χρειάζονται μεγάλες επιφάνειες μεμβρανών, και γιατί;

Σκέψη / Μεθοδολογία: Υπολογίζουμε το λόγο επιφάνειας μεμβρανών προς όγκο για κάθε κύτταρο, αφού αυτός ο λόγος (όχι η απόλυτη επιφάνεια) δείχνει πόσο αποδοτικά αξιοποιείται ο όγκος του κυττάρου σε μεμβρανική επιφάνεια.

Λύση:

1. Ηπατικό κύτταρο: λόγος επιφάνειας/όγκου = 110.000 / 5.000 = 22 μm²/μm³.
2. Παγκρεατικό κύτταρο: λόγος επιφάνειας/όγκου = 13.000 / 1.000 = 13 μm²/μm³.

Απάντηση: Το ηπατικό κύτταρο είναι περισσότερο αποτελεσματικό, γιατί έχει μεγαλύτερο λόγο επιφάνειας μεμβρανών προς όγκο (22 έναντι 13 μm²/μm³ του παγκρεατικού), δηλαδή διαθέτει αναλογικά περισσότερη μεμβρανική επιφάνεια (κυρίως ενδοπλασματικού δικτύου) ανά μονάδα όγκου, στην οποία μπορούν να εδράζονται περισσότερα ένζυμα και να λαμβάνουν χώρα περισσότερες μεταβολικές δραστηριότητες.

Άσκηση Ας ερευνήσουμε 2 (σελ. 73)

Υπάρχει μια κληρονομική ασθένεια (glycogen cardiomyopathy). Νεαρά άτομα που πάσχουν εμφανίζουν μυϊκή αδυναμία που επηρεάζει την καρδιά και άλλους μυς. Δείγματα προσβεβλημένων μυϊκών κυττάρων περιέχουν πολύ μεγάλο αριθμό λυσοσωμάτων, διογκωμένα με γλυκογόνο. Καταγράψτε τις διαφοροποιήσεις που συμβαίνουν σε κυτταρικούς μηχανισμούς και οδηγούν στα προβλήματα αυτά.

Σκέψη / Μεθοδολογία: Συνδέουμε τη διόγκωση λυσοσωμάτων με γλυκογόνο με ελλιπή δράση κάποιου υδρολυτικού ενζύμου που φυσιολογικά διασπά το γλυκογόνο μέσα στο λυσόσωμα.

Απάντηση (ενδεικτική): Στα φυσιολογικά κύτταρα, τα λυσοσώματα περιέχουν υδρολυτικά ένζυμα που διασπούν, μεταξύ άλλων, μακρομόρια όπως το γλυκογόνο που έχει εισέλθει σε αυτά. Στην περιγραφόμενη κληρονομική ασθένεια, η γενετική βλάβη πιθανότατα αφορά ένα συγκεκριμένο υδρολυτικό ένζυμο του λυσοσώματος, υπεύθυνο για τη διάσπαση του γλυκογόνου (ασθένεια λυσοσωμιακής αποθήκευσης). Λόγω της ελλιπούς ή ανύπαρκτης δράσης του ενζύμου αυτού, το γλυκογόνο δε διασπάται και συσσωρεύεται μέσα στα λυσοσώματα, τα οποία διογκώνονται σταδιακά. Η συσσώρευση αυτή διαταράσσει τη φυσιολογική λειτουργία των μυϊκών κυττάρων (καρδιακού και σκελετικού μυός), προκαλώντας τη μυϊκή αδυναμία που παρατηρείται κλινικά.