Το κύτταρο και το φάρμακο - Ερμής Γεωργιάδης, μοριακός βιολόγος



Το κύτταρο είναι η δομική και λειτουργική μονάδα των ζωντανών οργανισμών. Οι μονοκυττάροι οργανισμοί αποτελούνται από ένα κύτταρο, όπως τα βακτηρίδια, αντίθετα ο άνθρωπος αποτελείται από πολλά κύτταρα και ανήκει στους πολυκύτταρους οργανισμούς. Το σύνηθες μέγεθος ενός κυττάρου είναι περί τα 10μm ενώ το μεγαλύτερο κύτταρο είναι το μη γονιμοποιημένο αυγό της στρουθοκάμηλου. Ο οργανισμός του ανθρώπου αποτελείται από 100 τρισεκατομμύρια κύτταρα, διαφόρων μορφών και λειτουργιών. Μερικά από αυτά γεννώνται μαζί με τον άνθρωπο και παραμένουν αναλλοίωτα καθόλη τη διάρκεια της ζωής του, όπως π.χ. τα νευρικά κύτταρα. Αντίθετα, άλλα αναπαράγονται συνεχώς και ταχύτατα, όπως π.χ. τα κύτταρα του δέρματος ή των γεννητικών αδένων (σπερματοζωάρια).

Τα κύτταρα στους περισσότερους εξελιγμένους οργανισμούς είναι οργανωμένα σε ομάδες παρόμοιας δομής και λειτουργίας. Οι ομάδες αυτές ονομάζονται ιστοί όπως π.χ. ο οστίτης ιστός, ο ηπατικός ιστός και άλλοι. Οι ιστοί είναι και αυτοί οργανωμένοι σε συστήματα, δηλαδή ένα συνδυασμό διαφόρων ιστών που εξυπηρετούν κάποια βασική λειτουργία του οργανισμού π.χ. το γαστρεντερικό σύστημα που αποτελείται από πολλά είδη ιστών και εξυπηρετεί την πέψη, απορρόφηση και αποβολή θρεπτικών και άλλων ουσιών.

Τα κύτταρα στους ιστούς βρίσκονται το ένα κοντά στο άλλο, στηριγμένα ή όχι σε Μία βασική μεμβράνη και μεταξύ τους υπάρχει η μεσοκυττάριος ουσία. Την μεσοκυττάριο ουσία την παράγουν τα ίδια τα κύτταρα και η δομή της στις περισσότερες των περιπτώσεων είναι χαρακτηριστική για κάθε είδος ιστού. Δηλαδή τα τοπικά κύτταρα δημιουργούν αρχικά ένα δίκτυο πρωτε?νικών ινών (ίνες κολλαγόνου), σαν ένα καμβά, πάνω στον οποίο στηρίζονται τα κύτταρα. Ο καμβάς αυτός περιέχει και μερικές ελαστικές ίνες για να είναι πιο ευμετάβλητος σε μέγεθος και σχήμα αυξάνοντας παράλληλα και την ανθεκτικότητά του. Οι οπές του δικτύου γεμίζουν:

α) από πρωτεϊνικές ουσίες χρήσιμες για διάφορες λειτουργίες του κυττάρου αλλά και για την επικοινωνία των κυττάρων μεταξύ τους,

β) από γλυκίδια με διάφορες δράσεις αλλά και για τροφή των κυττάρων,

γ) με πρωτεογλυκάνες, δηλαδή αρνητικά φορτισμένες ουσίες για την παγίδευση μορίων ύδατος,

δ) διάφορα ιχνοστοιχεία, όπως ασβέστιο, νάτριο, κάλιο, μαγνήσιο και πολλά άλλα χρήσιμα στις δομικές αλλά και λειτουργικές διεργασίες του κυττάρου και

ε) άφθονο νερό. Ορισμένοι μάλιστα ιστοί όπως αυτός των χόνδρων των αρθρώσεων περιέχουν έως και 90% νερό.

Κάθε τυπικό κύτταρο του ανθρώπου αποτελείται από τον πυρήνα, το κυτταρόπλασμα ή κυτταρόπλασμα και τη κυτταρική μεμβράνη. Αυτό το είδος του κυττάρου ονομάζεται ευκαρυωτικό, δηλαδή περιέχει πυρήνα. Αντίθετα τα κύτταρα πολλών μικροβίων δεν έχουν πυρήνα και ονομάζονται προκαρυωτικά κύτταρα.

Κάθε φάρμακο επιδρά πάνω στο κύτταρο και αλλάζει ποσοτικά την λειτουργία του. Δηλαδή, είτε το διεγείρει, είτε το καταστέλλει, προσπαθώντας να το επαναφέρει στα φυσιολογικά λειτουργικά πλαίσια από τα οποία το έχουν απομακρύνει οι διάφορες παθήσεις.

Σαν απλό παράδειγμα μπορεί να αναφέρει κανείς την περίπτωση της ταχυκαρδίας όπου ο καρδιακός μυς για διάφορους λόγους συσπάται με μεγαλύτερη ταχύτητα από το φυσιολογικό (120 φορές ανά λεπτό). Η επίδραση κάποιου φαρμάκου επαναφέρει τον καρδιακό μυ στον φυσιολογικό ρυθμό (70 φορές ανά λεπτό), χωρίς να μεταβάλλει την ποιοτική σύσταση του καρδιακού μυός.

Άλλες φορές το φάρμακο επιδρά στη δομή του κυττάρου και την μεταβάλλει, με αποτέλεσμα να μην μπορεί να λειτουργήσει και να πεθαίνει, όπως π.χ. κάνουν τα αντιβιοτικά και τα αντικαρκινικά φάρμακα στα κύτταρα των παθογόνων μικροοργανισμών ή στα καρκινικά κύτταρα αντίστοιχα.

Τα τελευταία χρόνια αρχίζουν και παράγονται φάρμακα τα οποία παραλλάσσουν την ποιοτική λειτουργία ενός κυττάρου. Έτσι, σε ένα κύτταρο που δεν παράγει Μία φυσιολογική ουσία που έπρεπε να παράγει και κατά συνέπεια προκαλεί μία νόσο, επεμβαίνουμε με κατάλληλους χειρισμούς στο γενετικό του υπόστρωμα (γενετική μηχανική) και το αναγκάζουμε να παράγει την ουσία αυτή με τελικό αποτέλεσμα την θεραπεία της νόσου. Στην περίπτωση αυτή η παρέμβαση είναι ποιοτική και αποτελεί ένδειξη της κατεύθυνσης που στρέφεται η φαρμακολογία στο μέλλον.

Το κύτταρο του ανθρώπου αποτελείται βασικά από 4 σχηματισμούς με άμεση αλληλεπίδραση μεταξύ τους: τον πυρήνα, το κυτταρόπλασμα, τις μεμβράνες και τα οργανίδια.

Ο πυρήνας

Τα ευκαρυωτικά κύτταρα έχουν πυρήνα. Ο πυρήνας βρίσκεται συνήθως στο κέντρο του κυττάρου και έχει πιο σκούρο χρώμα από το κυτταρόπλασμα λόγω της ύπαρξης χρωματίνης, μιας πρωτε?νικής ουσίας ινώδους υφής, πάνω στην οποία βρίσκεται προσκολλημένο το γενετικό υλικό. Στο κέντρο του πυρήνα βρίσκεται το πυρηνίδιο, που αποτελείται από πρωτεΐνες και συνθέτει τα ριβοσώματα. Ο πυρήνας περιβάλλεται από την πυρηνική μεμβράνη που έχει την ίδια σύσταση με την κυτταρική, αλλά φέρει περισσότερους και μεγαλύτερους πόρους.

Μέσα στον πυρήνα βρίσκεται το γενετικό υλικό του κυττάρου, τα χρωμοσώματα. Τα χρωμοσώματα περιέχουν όλες τις πληροφορίες που απαιτούνται για τη δημιουργία ολόκληρου του οργανισμού και είναι τα ίδια σε όλα τα κύτταρα. Τα χρωμοσώματα του ανθρώπου είναι 46 (23 πανομοιότυπα ζεύγη) Τα 22 ζεύγη ελέγχουν τις σωματικές λειτουργίες και το 23ο το φύλο. Τα χρωμοσώματα αποτελούνται από τους γόνους.

Οι γόνοι είναι φορείς της κληρονομικότητας. Προέρχονται από τη λέξη γένος, και είναι αυτοί που μεταδίδονται από γενιά σε γενιά. Το δομικό υλικό των γόνων είναι το ίδιο για κάθε κύτταρο σε κάθε οργανισμό. Αποτελείται από αλυσίδες νουκλεοτιδίων που διαμορφώνουν το μόριο του δεσοξυριβονουκλε?κού οξέος (DNA).

Κάθε μόριο DNA συντίθεται από απλούστερες ενώσεις. Βασικά αποτελείται από φωσφορικό οξύ, ένα σάκχαρο, την δεσοξυριβόζη και 4 νουκλεοβάσεις (αζωτούχες ενώσεις), 2 πουρίνες (αδενίνη, γουανίνη) και 2 πυριμιδίνες (θυμίνη, κυτταροκίνη).

Ένα μόριο φωσφορικού οξέος μαζί με ένα μόριο δεσοξυριβόζης και μία νουκλεοβάση δημιουργούν ένα νουκλεοτίδιο. Πολλά νουκλεοτίδια συνδεδεμένα το ένα με το άλλο, με την βοήθεια ενός ενζύμου, της DNA πολυμεράσης, δημιουργούν Μία νουκλεοτιδική αλυσίδα. Δύο νουκλεοτιδικές αλυσίδες συνεστραμμένες σε σπείραμα, δημιουργούν ένα ελικοειδές μόριο (διαμόρφωση διπλής έλικας), το μόριο του DNA.

Μπορεί κάποιος να παρομοιάσει το μόριο του DNA με Μία ελικοειδή σκάλα. Η κουπαστή της σκάλας αποτελείται από την δεσοξυριβόζη και το φωσφορικό οξύ, ενώ τα σκαλοπάτια αποτελούνται από τις νουκλεοβάσεις, δύο για κάθε σκαλοπάτι, συνδεδεμένες μεταξύ τους με ηλεκτρικούς δεσμούς (δεσμοί υδρογόνου), η αδενίνη πάντα με την θυμίνη και η κυτοσίνη πάντα με την γουανίνη.

Τα νουκλεοτίδια είναι τα ίδια σε όλα τα ζώα και τα φυτά και αποτελούν τους δομικούς λίθους του DNA. Ένα νουκλεοτίδιο είναι ίδιο και στον άνθρωπο και στα φυτά, η αλληλουχία όμως των νουκλεοτιδίων διαφέρει όχι μόνο στον ανθρωπο και τα φυτά αλλά και μεταξύ των διαφόρων ανθρώπων, αν και όχι τόσο πολύ στους τελευταίους.

Το DNA κάθε ανθρώπου είναι το ίδιο σε κάθε κύτταρό του. Αν κάποιος συμβολίσει με τα γράμματα Α (αδενίνη), Τ (θυμίνη), C (κυτοσίνη), G (γουανίνη) τα τέσσερα νουκλεοτίδια, τότε το DNA περιέχει το σύνολο των πληροφοριών που καθορίζουν τον τρόπο κατασκευής ενός οργανισμού και οι οποίες είναι γραμμένες με τα τέσσερα αυτά γράμματα. Μπορεί να παρομοιάσει κάποιος τον οργανισμό με ένα τεράστιο κτίριο. Κάθε δωμάτιο του κτιρίου είναι και ένα κύτταρο. Κάθε κύτταρο περιέχει και Μία βιβλιοθήκη, τον πυρήνα του. Τα αρχιτεκτονικά σχέδια ολόκληρης της οικοδομής βρίσκονται σε κάθε βιβλιοθήκη. Για τον άνθρωπο, τα αρχιτεκτονικά σχέδια ταξινομούνται σε 46 τόμους, τα χρωμοσώματα. Κάθε τόμος περιέχει πληροφορίες σχετικές με κάποιες λειτουργίες ολόκληρου του σώματος γραμμένες κωδικά με τα γραμματα A, T, C, G. Κάθε σελίδα του τόμου αποτελεί ένα γόνο. Το εντυπωσιακό είναι ότι ο άνθρωπος κατόρθωσε να αποκρυπτογραφήσει τις πληροφορίες αυτές.

Το DNA κάθε ανθρώπου έχει τους εξής σκοπούς:

α) να δημιουργεί το σώμα,

β) να το ελέγχει και

γ) να αυτοδιπλασιάζεται.

Η μοναδική ιδιότητα του DNA να αυτοαντιγράφεται είναι υπεύθυνη για τη δημιουργία της ζωής. Κατά τη διάρκεια του αυτοδιπλασιασμού (replication) το μόριο του DNA κατά κάποιο τρόπο ξετυλίγεται και δημιουργούνται δύο απλές έλικες με τις νουκλεοβάσεις τους μόνες και εκτεθειμένες. Αν χρησιμοποιήσουμε το παράδειγμα της σκάλας κατά τη διάρκεια του αυτοδιπλασιασμού δημιουργούνται δύο ξεχωριστές κουπαστές με μισό σκαλοπάτι η κάθε μία. Με την βοήθεια του ενζύμου DNA πολυμεράσης, νέες νουκλεοβάσεις έλκονται από τις νουκλεοβάσεις της κάθε έλικας δημιουργώντας νέα σκαλοπάτια ένα προς ένα στη σειρά που ήταν το αρχικό μόριο. Έτσι προκύπτουν τελικά δύο παρόμοια μόρια DNA και ίδια με το μητρικό. Η διεργασία αυτή συνεχίζεται από τότε που άρχισε η ζωή και το DNA εκτελεί συνέχεια το ίδιο έργο.

Στον άνθρωπο, τα γεννητικά κύτταρα, υφίστανται μία αναπαραγωγική διαδικασία που ονομάζεται μείωση. Στους όρχεις και στις ωοθήκες, όταν ένα κύτταρο διαιρείται αντί να δίδει δύο κύτταρα με τον ίδιο αριθμό χρωμοσωμάτων (23 ζεύγη=46 χρωμοσώματα), όπως γίνεται στα σωματικά κύτταρα (μίτωση), δίνει δυο γεννητικά κύτταρα με μισό αριθμό χρωμοσωμάτων (23). Έτσι ένα ωάριο και ένα σπερματοζωάριο περιέχουν το καθένα 23 χρωμοσώματα.

Κατά τη διάρκεια της μείωσης, της δημιουργίας δηλαδή των 23 χρωμοσωμάτων, των 23 τόμων από τους 46, όπως αναφέραμε στην προηγούμενη παρομοίωση, γονίδια από κάθε ζεύγος επιλέγονται και συγκροτούν τον τόμο. Πιο απλά οι 23 νέοι τόμοι που προκύπτουν περιέχουν σελίδες και από τα δύο ζεύγη των χρωμοσωμάτων. Δηλαδή σελίδες και από τον πατέρα και από την μητέρα. Έτσι, στο κάθε γονιμοποιημένο ωάριο περνούν ιδιότητες και χαρακτηριστικά και των δύο γονιών. Το κύτταρο αυτό θα εξελιχθεί σε έμβρυο και αυτό σε ένα καινούργιο άτομο, που περιέχει γονίδια και από τους δύο προγόνους. Συνεπώς, το κύτταρο είναι θνητό ενώ τα γονίδια αθάνατα. Γι΄αυτό μερικοί ονομάζουν το DNA «Το Αθάνατο Σπείραμα».

Σκοπός όμως του DNA δεν είναι μόνο να αυτοδιπλασιάζεται, πρέπει επίσης να κατασκευάσει έναν οργανισμό και να τον θέσει σε λειτουργία. Για να μπορεί λοιπόν να επικοινωνεί ο πυρήνας με το κυτταρόπλασμα, που εκτελεί όλες τις λειτουργίες του κυττάρου, είναι απαραίτητη Μία ενδιάμεση ουσία, το ριβονουκλεινικό οξύ (RNA). To RNA αποτελείται και αυτό από νουκλεοτίδια αλλά έχει δομή απλής έλικας. Το μόριό του αντί για το σακχαρο δεσοξυριβόζη, περιέχει το σάκχαρο ριβόζη και αντί της νουκλεοβάσης θυμίνη, περιέχει ουρακίλη. Η παραγωγή του RNA από το DNA είναι σχετικά απλή. Ουσιαστικά αποτελεί τη φωτογραφία του γόνου, τη φωτογραφία κάποιας εντολής. Χρησιμοποιώντας λοιπόν το RNA φωσφορικούς δεσμούς υψηλής ενέργειας και ένα ένζυμο την RNA πολυμεράση, αντιγράφει νουκλεοτίδιο προς νουκλεοτίδιο ένα τμήμα του αντίστοιχο DNA. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται αντιγραφή (transcription). To RNA, δηλαδή, αποτελείται από Μία σειρά κωδικές λέξεις που δημιουργούν Μία κωδική πρόταση, Μία εντολή του DNA, με δομή πυρηνικού οξέος απλής έλικας. Το RNΑ αυτό μετακινείται από τον πυρήνα προς τα ριβοσώματα του κυτταροπλάσματος όπου θα δημιουργηθεί η αντίστοιχη πρωτεΐνη. Επειδή μεταβιβάζει κάποια μηνύματα ονομάζεται messenger RNA (mRNA). Τα ριβοσώματα θα δημιουργήσουν τις αντίστοιχες πρωτε?νες μετά από τη μετάφραση (translation) της πληροφορίας που δέχονται.

Αν υπάρχει κάποια διαταραχή στη σειρά των νουκλεοτιδίων ενός γόνου τότε το mRNA που το αντιγράφει θα δώσει λανθασμένη εντολή στα ριβοσώματα και θα δημιουργηθεί παρηλλαγμένη πρωτεΐνη. Έτσι προκύπτουν οι γενετικές παθήσεις. Σαν παράδειγμα γενετικής πάθησης μπορεί κανείς να αναφέρει την μεσογειακή αναιμία.

Στους ασθενείς αυτούς ο γόνος που ελέγχει τη δημιουργία της αιμοσφαιρίνης έχει κάποιο λάθος, Μία λανθασμένη κωδική λέξη, Μία διαφορετική σειρά 3 νουκλεοτιδίων από την φυσιολογική. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα κατά τη σύνθεση της αιμοσφαιρίνης στα ριβοσώματα να δημιουργείται σε κάποιο σημείο της σειράς των 574 αμινοξέων που αποτελούν την αιμοσφαιρίνη, ένα άλλο αμινοξύ από το φυσιολογικό. Έτσι προκύπτει Μία άλλη αιμοσφαιρίνη που ενώ μοιάζει σε όλα με την προηγούμενη, διαφέρει μόνο σε ένα αμινοξύ. Αυτή όμως η διαφορά είναι αρκετή για να δημιουργηθεί χρόνια ανεπάρκεια των ερυθρών αιμοσφαιρίων και αναιμία.

Η διαδικασία αυτή δεν είναι μονόδρομη. Μεταβολές που συμβαίνουν τόσο στο κυτταρόπλασμα όσο και στο περιβάλλον του κυττάρου, προκαλούν τις κατάλληλες χημικές αντιδράσεις και δημιουργούν τα κατάλληλα ερεθίσματα, έτσι ώστε ο πυρήνας να αντιδράσει ανάλογα. Ο μηχανισμός ανατροφοδότησης (feedback mechanism) στηρίζεται βασικά στη δημιουργία διεγερτικών και κατασταλτικών RNA από ειδικά ρυθμιστικά γονίδια.

Πολλά φάρμακα έχουν στόχο τον πυρήνα των κυττάρων. Σαν παράδειγμα μπορούμε να αναφέρουμε το αντικαρκινικό φάρμακο σισπλατίνη (cisplatin). Σύμφωνα με κάποιες μελέτες η πλατίνα εισέρχεται στο καρκινικό κύτταρο, είτε μέσα από ένα κανάλι χαλκού που προϋπάρχει στην κυτταρική μεμβράνη, είτε με πινοκύττωση (βλέπε κυτταρική μεμβράνη) και από εκεί φθανει στον πυρήνα όπου αναστέλλει την λειτουργία του και νεκρώνει το κύτταρο.

Πολλές ορμόνες, όπως τα οιστρογόνα, η βιταμίνη D (D ορμόνη), η κορτιζόνη και άλλες όταν εισέλθουν στο κύτταρο στόχο, συνδέονται με έναν ενδοκυτταρικό υποδοχέα, ο οποίος τους οδηγεί μέσα στον πυρήνα και τις προσκολλά σε ειδική θέση πάνω στο DNA. Έτσι ενεργοποιούν το DNA για παραγωγή της ειδικής πρωτεΐνης που θα εκδηλώσει την δράση τους, είτε στο ίδιο το κύτταρο (αυτοκρινικά), είτε σε παράπλευρα κύτταρα (παρακρινικά), είτε σε απομακρυσμένα κύτταρα (ενδοκρινικά).

Τα προκαρυωτικά κύτταρα δεν φέρουν πυρήνα και οι γενετικές πληροφορίες τους βρίσκονται κυρίως αποθηκευμένες στα νουκλεοτίδια σχηματισμούς που επιπλέουν μέσα στο κυτταρόπλασμα. Παράλληλα κάποιες γενετικές πληροφορίες είναι αποθηκευμένες και σε δύο ή περισσότερους κυκλοτερείς σχηματισμούς μέσα στο κυτταρόπλασμα, που ονομάζονται πλασμίδια. Τα πλασμίδια είναι εξωχρωμοσωμικοί οργανισμοί, αυτοπολλαπλασιαζόμενοι, φέρουν γονίδια με λειτουργίες που δεν είναι απαραίτητες για την κυτταρική ανάπτυξη και είναι υπεύθυνα για τη δημιουργία της αντίστασης των βακτηριδίων στη δράση των διαφόρων αντιμικροβιακών φαρμάκων.

Τα πλασμίδια που χρησιμοποιούνται στην γενετική μηχανική ονομάζονται vectors. Στόχος είναι να προκαλούν πολλαπλασιασμό των γόνων που μας ενδιαφέρουν. Π.χ. αν θέλουμε να συνθέσουμε μεγάλες ποσότητες ινσουλίνης για φαρμακευτικούς σκοπούς, τότε εισάγουμε σε κάποια βακτηρίδια ένα πλασμίδιο που φέρει τον γόνο της ινσουλίνης. Το πλασμίδιο αυτό επηρεάζει τον πυρήνα του βακτηριδίου και τον διεγείρει έτσι ώστε να παράγει ινσουλίνη σε μεγάλες ποσότητες. Πρόκειται για ένα φτηνό τρόπο παραγωγής φαρμάκων.

Το κυτταρόπλασμα (ή πρωτόπλασμα)

Το κυτταρόπλασμα του κυττάρου χωρίζεται από τον πυρήνα με την πυρηνική μεμβράνη και από το περιβάλλον από την πρωτοπλασματική ή κυτταρική μεμβράνη.

Το 70-85% του κυτταροπλάσματος αποτελείται από νερό. Μέσα στο νερό βρίσκονται σε διάλυση οι διάφοροι ηλεκτρολύτες όπως κάλιο, νατριο, μαγνήσιο, ασβέστιο, χλώριο κ.ά. που είναι απαραίτητοι για τις ηλεκτροχημικές αντιδράσεις που καθορίζουν την λειτουργία των κυττάρων (μεταβολισμός, αναπνοή) ή τη δράση κάποιων ενζύμων.

Το κυτταρόπλασμα περιέχει πρωτεΐνες σε ποσοστό 10-20%. Αυτές χωρίζονται στις δομικές πρωτεΐνες που δημιουργούν τα δομικά στοιχεία του κυττάρου, τα οργανίδια όπως το ενδοπλασματικό δίκτυο, τα μιτοχόνδρια, τον κυτταροσκελετό κ.ά. και τις εκκριτικές πρωτεΐνες που μπορεί να είναι ένζυμα ή άλλες ουσίες όπως ορμόνες. Τα ένζυμα αποτελούν διαφορετικού τύπου πρωτεΐνες και χρησιμεύουν στον μεταβολισμό του κυττάρου δρώντας καταλυτικά στις διάφορες ενδοκυτταρικές αντιδράσεις.

Τα λιπίδια στο κυτταρόπλασμα χρησιμοποιούνται βασικά στη δόμηση των διαφόρων μεμβρανών όπως της κυτταρικής και της πυρηνικής ή για την κατασκευή κάποιων ενδοπλασματικών οργανιδίων (μιτοχόνδρια, σύμπλοκο Golgi κ.ά.). Συνήθως είναι φωσφολιπίδια και χοληστερίνη, αλλά δεν είναι σπάνιο και το ουδέτερο λίπος.

Τέλος, οι υδατάνθρακες αποτελούν την βασική τροφή του κυττάρου, κυρίως με τη μορφή γλυκόζης. Μικρά ποσά υδατανθράκων μπορούν να αποθηκευτούν στο κυτταρόπλασμα με τη μορφή γλυκογόνου.

Στο κυτταρόπλασμα ακόμη βρίσκονται και κάποια οργανίδια που ονομάζονται κενοτόπια (vacuoles). Πρόκειται για κυστικούς σχηματισμούς που φαίνεται ότι χρησιμοποιούνται για αποθηκευτικοί χώροι και μερικές φορές μεταφέρουν ουσίες από το εσωτερικό στο εξωτερικό του κυττάρου.  Μερικά από αυτά μπορεί να περιέχουν λίπος ή νερό.

Το ενδοπλασματικό δίκτυο

Πρόκειται για ένα δίκτυο από μεμβρανώδεις σωληνίσκους που καλύπτει όλη σχεδόν την επιφάνεια του κυτταροπλάσματος. Αποτελεί τη βασική περιοχή δημιουργίας όλων των δομικών και λειτουργικών στοιχείων του κυττάρου και παράλληλα κατά κάποιο τρόπο το κυκλοφορικό του σύστημα, διότι διαμέσου αυτού, διάφορες ουσίες μεταφέρονται σε κάποιες περιοχές του κυτταροπλάσματος.

Το ενδοπλασματικό δίκτυο διακρίνεται σε τραχύ (rough) και ομαλό (smooth). Ξεκινώντας από τον πυρήνα συναντούμε πρώτα το τραχύ που ονομάζεται έτσι διότι το τοίχωμα των σωληνίσκων του βρίθει κοκκίων, των ριβοσωμάτων τα οποία είναι υπεύθυνα για τη σύνθεση των πρωτεϊνών.

Το ομαλό ενδοπλασματικό δίκτυο αποτελεί συνέχεια του πρώτου και περιέχει στο τοίχωμά του ένζυμα που διασπούν ουσίες υψηλής ενέργειας, όπως γλυκογόνο και διάφορα φάρμακα, αλλά και παράγουν λιπίδια και χοληστερίνη. Η επιφάνειά του είναι ομαλή διότι δεν περιέχει ριβοσώματα. Το ομαλό ενδοπλασματικό δίκτυο των κυττάρων του ήπατος είναι υπεύθυνο για την βιομετατροπή (μεταβολισμό) σχεδόν όλων των φαρμάκων. Τα κυριότερα ένζυμα που περιέχει είναι αυτά της οικογένειας του κυτοχρώματος Ρ450 (CYP450), που καταλύουν την οξειδωτική μετατροπή πολλών φαρμακευτικών ουσιών εξουδετερώνοντάς τες.

Τα ριβοσώματα

Πρόκειται για κοκκιώδεις σχηματισμούς, οι οποίοι αποτελούνται από ριβονουκλεικό οξύ (4 μόρια) και πρωτεΐνες (70 περίπου) και είναι προσκολλημένοι στο τοίχωμα των σωληνίσκων του τραχέος ενδοπλασματικού δικτύου. Βασική λειτουργία τους είναι η σύνθεση δομικών και εκκριτικών πρωτεϊνών μετά από εντολή του πυρήνα διαμέσου του mRNA. Χωρίς τα ριβοσώματα το κύτταρο είναι αδύνατο να ζήσει. Οι πρωτεΐνες που παράγουν κυκλοφορούν μέσα στο ενδοπλασματικό δίκτυο και τελικά, είτε αποθηκεύονται σε άλλους σχηματισμούς-οργανίδια του κυττάρου (σύμπλοκο Golgi), είτε αποβάλλονται από το κύτταρο στο περιβάλλον όπως π.χ. τα αντισώματα, η ινσουλίνη και άλλες ορμόνες.

Η σύνθεση των πρωτεϊνών στον άνθρωπο και τους μικροοργανισμούς γίνεται με την σύνδεση, κατά διαφορετικούς τρόπους κάθε φορά, των 20 βασικών απαραίτητων αμινοξέων.

Τα αμινοξέα αυτά είναι μικρού μοριακού βάρους οργανικά οξέα, τα οποία συνδεόμενα μεταξύ τους με πεπτιδικούς δεσμούς, μπορούν να δημιουργήσουν μακριές αλυσίδες. Οι αλυσίδες με μοριακό βάρος κάτω του 10.000, ονομάζονται πεπτίδια, ενώ αυτές με μοριακό βάρος άνω του 10.000, ονομάζονται πρωτεΐνες.

Τα ριβοσώματα είναι υπεύθυνα και για την σύνθεση των ενζύμων. Τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες αποτελούμενες από πολλά αμινοξέα (αρκετές εκατοντάδες). Η δομή τους είναι τριδιάστατη και μερικοί τα παρομοιάζουν με θάμνο με πολλά φύλλα. Οι αρωματικοί δακτύλιοι των αμινοξέων αποτελούν τα φύλλα, ενώ τον κορμό του θάμνου των συνθέτουν οι πεπτιδικοί δεσμοί. Τα ένζυμα έχουν την ικανότητα να καταλύουν, να ενεργοποιούν δηλαδή χημικές αντιδράσεις στο κύτταρο, καταναλώνοντας κυτταρική ενέργεια (ΑΤΡ), χωρίς τα ίδια να υφίστανται ποιοτικές ή ποσοτικές αλλαγές.

Μερικά από τα ριβοσώματα είναι ελεύθερα μέσα στο κυτταρόπλασμα και οι πρωτεΐνες που συνθέτουν παραμένουν τοπικά.

Ολοι οι μικροοργανισμοί περιέχουν ριβοσώματα τα οποία όμως διαφέρουν από είδος σε είδος. Π.χ. τα ριβοσώματα των βακτηριδίων διαφέρουν από τα ριβοσώματα του ανθρώπου. Αυτό είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για την δημιουργία αντιμικροβιακών φαρμάκων, διότι έχουμε πετύχει να σκοτώνουμε τα ριβοσώματα των νοσογόνων μικροβίων, άρα και τα μικρόβια, χωρίς να επηρεάζουμε τα ριβοσώματα του ανθρώπου που νοσεί όπως π.χ. τα κοινά αντιβιοτικά, οι κινολόνες, οι τετρακυκλίνες, οι αμινογλυκοσίδες κ.ά.

Το σύμπλοκο Golgi

Πρόκειται για άθροισμα σωληνίσκων που ομοιάζουν πολύ στη δομή τους με το ενδοπλασματικό δίκτυο και συνδέονται άμεσα με αυτό. Στο εσωτερικό τους προσκολλώνται τα σάκχαρα με τις πρωτεΐνες που προέρχονται από το ενδοπλασματικό δίκτυο. Πιστεύεται ότι αποτελούν αποθηκευτικούς χώρους διαφόρων ουσιών προς έκκριση, γι΄αυτό και είναι περισσότερα στα εκκριτικά κύτταρα. Στο σύμπλοκο Golgi γίνεται ακόμη η σύνδεση των πρωτεϊνών με τα γλυκίδια και σχηματίζονται έτσι οι γλυκοπρωτεΐνες.

Τα μιτοχόνδρια

Αποτελούν τα ενεργειακά εργοστάσια του κυττάρου. Ο αριθμός τους ποικίλλει ανάλογα με το είδος του κυττάρου και κυμαίνεται από μερικές εκατοντάδες έως μερικές χιλιάδες. Σε περιπτώσεις που το κύτταρο χρειάζεται περισσότερη ενέργεια, τα μιτοχόνδρια έχουν τη δυνατότητα να πολλαπλασιαστούν.

Το εξωτερικό σχήμα και το μέγεθός τους διαφέρει ενώ αντίθετα η εσωτερική δομή τους είναι κοινή σε όλα τα κύτταρα. Αποτελούνται βασικά από μία εξωτερική μεμβράνη και πολλές αναδιπλώσεις μιας εσωτερικής μεμβράνης (για να αυξάνεται η επιφάνεια) με δομή παρόμοια με αυτή της πυρηνικής πάνω στην οποία έχουν προσροφηθεί όλα τα οξειδωτικά ένζυμα του κυττάρου. Κάθε φορά που τα θρεπτικά συστατικά που έχει απορροφήσει το κύτταρο, όπως αμινοξέα (από την πέψη των πρωτεϊνών), γλυκόζη (από την πέψη των πολυσακχαριτών) ή λιπαρά οξέα (από την πέψη των λιπών) και το οξυγόνο (αερόβιος αναπνοή), έρχονται σε επαφή με την μεμβράνη των μιτοχονδρίων προκαλούνται αλλεπάλληλες χημικές αντιδράσεις (Κύκλος του Krebs) με αποτέλεσμα αφ’ενός την παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα και νερού, αφ’ ετέρου τη σύνθεση ενός νουκλεοτιδίου, της τριφωσφορικής αδενοσίνης (adenosine triphosphate - ATP). To ATP διαχέεται σε όλο το κύτταρο και αποτελεί το ενεργειακό καύσιμο κάθε κυτταρικής λειτουργίας.

Τα μιτοχόνδρια έχουν δικό τους μιτοχονδριακό DNA (mitochondrial DNA) και δικά τους ριβοσώματα. Πιστεύεται ότι τα μιτοχόνδρια είναι υπολείμματα κάποιου προκαρυωτικού κυττάρου το οποίο ενσωματώθηκε στα ευκαρυωτικά κύτταρα πριν 1.000.000 χρόνια περίπου (συμβίωση). Το DNA των μιτοχονδρίων προέρχεται από την μητέρα μόνο διότι τα σπερματοζωάρια έχουν μεν μιτοχόνδρια για να τους παρέχουν ενέργεια για το μακρύ ταξίδι τους αλλά αυτά βρίσκονται στην ουρά τους η οποία και αποπίπτει κατά τη διάρκεια της γονιμοποίησης του ωαρίου. Επιπροσθέτως, το μιτοχονδριακό DNA δεν αλλάζει σε κάθε γενιά όπως το πυρηνικό DNA. Σε αυτό ακριβώς το γεγονός βασίστηκαν ανθρωπολόγοι ερευνητές οι οποίοι υπολόγισαν ότι ο σύγχρονος άνθρωπος προέρχεται από ένα συγκεκριμένο θηλυκό (mitochondrial Eve) που ζούσε στην Αφρική πριν περίπου 200.000 χρόνια.

Τα λυσοσώματα

Πρόκειται για σακκοειδείς σχηματισμούς που περιέχουν ένζυμα απαραίτητα για την πέψη των πρωτεϊνών, των πολυσακχαριτών και άλλων ουσιών. Αποτελούν τα εργοστάσια ανακύκλωσης του κυττάρου. Εκεί οι πολύπλοκες ουσίες που απορροφά το κύτταρο διασπώνται σε απλές και χρησιμοποιούνται για την δόμηση των κυτταρικών στοιχείων. Τα λυσοσώματα μπορούν να παρομοιαστούν και με τα απορριματοφόρα οχήματα του κυττάρου διότι μπορούν να απορροφήσουν και να διαλύσουν οποιαδήποτε ουσία βρισκεται στο εσωτερικό τους.

Αν η διάσπαση των λυσοσωμάτων συμβεί μέσα στο κύτταρο μπορεί να προκαλέσει βλάβη ακόμη και θάνατο του κυττάρου. Αυτό οφείλεται στα ένζυμα που περιέχονται στο λυσόσωμα τα οποία αν εκχυθούν στο κυτταρόπλασμα καταστρέφουν την δομή του διαλύοντας τα δομικά συστατικά του. Αυτός είναι και ο λόγος που φάρμακα που σταθεροποιούν τη μεμβράνη των λυσοσωμάτων, όπως τα μη στεροειδή αντιφλεγμονώδη φάρμακα, είναι χρήσιμα σε φλεγμονές όπου η φαγοκυττάρωση των μικροβίων από τα φαγοκύτταρα (λευκά αιμοσφαίρια) οδηγεί σε υπερλειτουργία των λυσοσωμάτων, αποσταθεροποίηση της μεμβράνης τους και προκαλεί την «έκρηξή» τους μέσα στο κύτταρο.

Ο κυτταροσκελετός

Όπως κάθε άτομο έχει τον οστικό σκελετό του, έτσι και κάθε κύτταρο έχει τον κυτταροσκελετό του ο οποίος του προσδίδει το σχήμα, την αντοχή του και την κίνησή του.

Ο κυτταροσκελετός απότελείται από 3 είδη ινιδίων. Τους μικροσωληνίσκους (microtubules), τα ενδιάμεσα ινίδια (intermediate filaments) και τα ινίδια της ακτίνης (actin filaments). Κάθε ένα από αυτά έχει διαφορετική όψη και λειτουργία.

Οι μικροσωληνίσκοι αποτελούνται από Μία ανθεκτική πρωτεΐνη, την τουμπουλίνη (tubulin). Χρησιμεύουν για την στήριξη του ενδοπλασματικού δικτύου και του συμπλόκου Golgi αλλά σχηματίζουν και ράγες πάνω στις οποίες κυκλοφορούν αναρίθμητες ουσίες μέσα στο κυτταρόπλασμα.

Τα ενδιάμεσα ινίδια μοιάζουν με σκοινιά ή ταινίες και ενισχύουν την αντοχή του κυττάρου. Η μορφή και η δομή τους εξαρτάται από τη λειτουργία του κάθε κυττάρου. Έτσι μπορούμε με την ανάλυση των ενδιαμέσων ινιδίων να βρούμε από τι κύτταρο προέρχονται. Αυτή είναι και μία δοκιμασία που χρησιμοποιούμε για την διαφοροδιάγνωση των καρκινικών κυττάρων.

Τα ινίδια της ακτίνης βρίσκονται στα άκρα του κυττάρου. Είναι εύκαμπτα και αποτελούνται από δύο αλυσίδες αμινοξέων της πρωτεΐνης ακτίνης που περιπλέκονται μεταξύ τους. Εξυπηρετούν την κίνηση του κυττάρου και μπορούν να μεταβάλλουν το μέγεθός τους. Σε συνδυασμό και σε συνεργασία με Μία άλλη πρωτεΐνη, την μυοσίνη δημιουργούν την μυική σύσπαση των μυών του σώματος ή της καρδιάς.

Ο κυτταροσκελετός των προκαρυωτικών κυττάρων (μικροβίων) είναι πιο απλός και χρησιμεύει στη διατήρηση του σχήματος, της πολικότητας και της κίνησης των κυττάρων.

Το κεντροσωμάτιο

Είναι αυτό που οργανώνει τον κυτταροσκελετό και παράγει τους μικροσωληνίσκους. Κατευθύνει την μεταβίβαση ουσιών από τον ενδοπλασματικό δίκτυο στο σύμπλοκο Golgi. Αποτελείται από δύο κεντριόλια τα οποία διαχωρίζονται στον πολλαπλασιασμό του κυττάρου και αποτελούν την βάση του πλέγματος της μίτωσης.

Η κυτταρική μεμβράνη

Η κυτταρική μεμβράνη αποτελείται από λιπίδια, πρωτεΐνες και πολυσακχαρίτες. Τα λιπίδια αποτελούν το 40% περίπου της μεμβράνης και είναι κυρίως χοληστερόλη και φωσφολιπίδια.

Τα φωσφολιπίδια αποτελούνται από μία υδρόφιλη κεφαλή και μία υδρόφοβη ουρά. Όπως είναι γνωστό, τόσο το εξωτερικό όσο και το εσωτερικό περιβάλλον του κυττάρου περιέχουν άφθονο νερό. Επόμενο είναι λοιπόν οι υδρόφιλες κεφαλές των φωσφολιπιδίων να είναι προσανατολισμένες προς την εξωτερική και την εσωτερική πλευρά του κυττάρου, ενώ οι υδρόφοβες ουρές να κατευθύνονται προς την αντίθετη διεύθυνση. Έτσι δημιουργείται Μία μεμβράνη που αποτελείται από δύο στιβάδες φωσφολιπιδίων (φωσφολιπιδική διπλοστιβάδα), των οποίων οι υδρόφιλες κεφαλές προσανατολίζονται προς το εξωκυτταρικό περιβάλλον και εσωτερικά, προς το κυτταρόπλασμα, ενώ οι υδρόφοβες ουρές βρίσκονται στο εσωτερικό και αντικριστά. Στον άνθρωπο ανάμεσα στα φωσφολιπίδια βρίσκονται μόρια χοληστερόλης τα οποία δρουν σαν δομικοί λίθοι και αυξάνουν την σταθερότητα και αδιαπερατότητα της κυτταρικής μεμβράνης.

Στους μύκητες η κυτταρική μεμβράνη αντί για χοληστερόλη περιέχει εργοστερόλη για αυτό τα περισσότερα αντιμυκητιασικά φάρμακα (πολυένες, αζόλες), δρουν στην κυτταρική μεμβράνη αναστέλλοντας την παραγωγή εργοστερόλης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την αποδόμηση της μεμβράνης και τον θάνατο του κυττάρου.

Οι πρωτεΐνες της μεμβράνης είναι αδιάλυτες στο νερό, έχουν ελαστική δομή και αποτελούν το 50% των ουσιών περίπου που συνθέτουν τη μεμβράνη. Εχουν μορφή ακανόνιστα σφαιροειδή, έτσι ώστε οι υδρόφιλες ομάδες τους να προεξέχουν στο εξωτερικό και εσωτερικό της μεμβράνης, ενώ οι υδρόφοβες είναι στο κέντρο μαζί με τις υδρόφοβες των λιπιδίων. Ο σχηματισμός αυτός δίδει στην μεμβράνη όψη μωσαικού.

Οι πρωτεΐνες της μεμβράνης είναι υπεύθυνες για πολλές και ιδιαίτερα σημαντικές λειτουργίες όπως:

α) δρουν σαν ένζυμα διευκολύνοντας χημικές αντιδράσεις,

β) χρησιμεύουν σαν μεταφορείς για την μεταφορά ουσιών διαμέσου της μεμβράνης,

γ) συμμετέχουν σαν δομικοί λίθοι στην ισχυροποίηση της μεμβράνης,

δ) χρησιμεύουν σαν υποδοχείς διαφόρων ουσιών,

ε) προκαλούν διατάραξη της ομαλότητας και της ακεραιότητας του φωσφολιπιδικού στρώματος δημιουργώντας έτσι μικροσκοπικούς πόρους με τους οποίους επικοινωνεί το εσωτερικό του κυττάρου με το εξωτερικό και χρησιμεύουν για τη δίοδο υδατοδιαλυτών μικρομοριακών ουσιών και

στ) μαζί με τα λιπίδια συνεισφέρουν στη δημιουργία ηλεκτρικού πεδίου στην επιφάνεια της μεμβράνης (πολικότητα).

Η δομή της κυτταρικής μεμβράνης είναι κοινή με ελάχιστες παραλλαγές σε όλα τα είδη κυττάρων. Επίσης, παρόμοια δομή έχει και η πυρηνική μεμβράνη όπως και οποιαδήποτε άλλη μεμβράνη του κυττάρου (μιτοχόνδρια κλπ).

Σε πολλά μικρόβια η μεμβράνη χρησιμεύει για την προστασία του μικροβίου από το περιβάλλον, για τη σύνθεση διαφόρων ουσιών (πρωτεϊνών, σακχάρων κ.ά.), για δομικούς και λειτουργικούς λόγους και για να επικοινωνεί το μικρόβιο με το περιβάλλον του. Η μεμβράνη πολλών μικροβίων χωρίζεται στη έσω και την έξω και ανάμεσά τους βρίσκεται ένα δικτυωτό στρώμα πεπτιδογλυκανών. Τα κύτταρα του ανθρώπου δεν έχουν αυτό το δίκτυο, οπότε αν χορηγήσουμε φάρμακα που το καταστρέφουν τότε εξουδετερώνουμε τα μικρόβια και όχι τα κύτταρα του ανθρώπου. Η πενικιλλίνη π.χ. δρά και εξουδετερώνει το πεπτιδογλυκανικό δίκτυο σκοτώνοντας έτσι τα βακτηρίδια. Την ίδια δράση έχουν και πλήθος αντιβιοτικών που ανήκουν στις β-λακτάμες, όπως είναι η αμοξυκιλλίνη, η αμπικιλλίνη, οι κεφαλοσπορίνες, οι μονομπακτάμες, οι καρβαπενέμες κλπ. Ολα αυτά συνδέουν τον δακτύλιο της β-λακτάμης που διαθέτουν με το ενδοπλασματικό δίκτυο και εμποδίζουν την φυσιολογική αναδόμησή του. Το μικρόβιο δεν μπορεί να το ανανεώσει, να πολλαπλασιαστεί και πεθαίνει.

Στους μύκητες, όπως και στα κύτταρα των φυτών, την κυτταρική μεμβράνη περιβάλλει ένας σχηματισμός που ονομάζεται κυτταρικό τοίχωμα. Ο σκοπός του κυτταρικού τοιχώματος είναι:

α) να ελέγχει την είσοδο και έξοδο διαφόρων ουσιών,

β) να διατηρεί το σχήμα και την αντοχή του μύκητα,

γ) να προσκολλάται σε επιφάνειες για τον πολλαπλασιασμό του μύκητα, και

δ) να αντιδρά με το εξωτερικό περιβάλλον και τα βλαπτικά ερεθίσματα κατά τη διάρκεια της λοίμωξης.

Η δόμηση του κυτταρικού τοιχώματος είναι δυνατή μετά την σύνθεση κάποιων δομικών λίθων του όπως είναι η 1,3 β-D–γλυκάνη που αποτελεί έναν από τους πιο βασικούς. Μία νέα κατηγορία αντιμυκητιασικών φαρμάκων, οι εχινοκανδίνες, δρουν στην κυτταρική μεμβράνη και αναστέλλουν το ένζυμο που συνθέτει την 1,3 β-D–γλυκάνη. Έτσι ο μύκητας δεν μπορεί να ανανεώσει το κυτταρικό του τοίχωμα και πεθαίνει.