Κύτταρο

Κύτταρο ονομάζεται η βασική δομική και λειτουργική μονάδα που εκδηλώνει το φαινόμενο της ζωής. Έτσι, ως κύτταρο νοείται το μικρότερο δομικό συστατικό της έμβιας ύλης, που αποτελείται από μια συστηματικά οργανωμένη ομάδα χημικών μορίων, που βρίσκονται σε δυναμική αλληλεπίδραση μεταξύ τους. Το κύτταρο διαθέτει μορφολογική, φυσική και χημική οργάνωση και εκδηλώνει βασικές λειτουργίες της ζωής , όπως η ανάπτυξη και η αναπαραγωγή. Είναι μια μονάδα της ζωής ανεξάρτητη, με δυνατότητες αυτορρύθμισης και προσαρμοστικότητας σε σχέση με το περιβάλλον. Σύμφωνα με την κυτταρική θεωρία, της οποίας τη βάση έθεσε το 1665 ο Ρ. Χουκ, κάθε κύτταρο προέρχεται από ένα άλλο κύτταρο. Οι οργανισμοί διακρίνονται σε μονοκύτταρους και πολυκύτταρους με βάση τον αριθμό των κυττάρων που διαθέτουν (για παράδειγμα η αμοιβάδα είναι μονοκύτταρος οργανισμός ενώ ο άνθρωπος πολυκύτταρος).Ο χώρος εντός του οποίου βιώνουν τα κύτταρα των πολυκύτταρων οργανισμών ονομάζεται μεσοκυττάριο υγρό. Μεγάλες ομάδες ομοειδών κυττάρων, κατά σύσταση και ορισμένη φυσιολογική λειτουργία, χαρακτηρίζονται ιστοί, (π.χ. μυϊκός ιστός), οι οποίοι και αποτελούν το δεύτερο επίπεδο οργάνωσης της ζωής αμέσως μετά τα κύτταρα. Η κυτταρική μεμβράνη είναι το φυσικό σύνορο του κυττάρου, που το ξεχωρίζει από το περιβάλλον του. Το κυτταρόπλασμα, γεμίζει τον χώρο ανάμεσα στην πλασματική μεμβράνη και στον πυρήνα. Στο κυτταρόπλασμα υπάρχουν πολλά οργανίδια. Τόσο στο ίδιο το κυτταρόπλασμα όσο και στο εσωτερικό των οργανιδίων επιτελείται ένας μεγάλος αριθμός λειτουργιών.

Από πάνω αριστερά, με ορολογιακή φορά: Κύτταρα του βακτηρίου E. coli, ένα κύτταρο αμοιβάδας, ένα αθρώπινο κύτταρο ινοβλάστη και φυτικά κύτταρα κρεμμυδιού

Μέγεθος

Τα κύτταρα παρουσιάζουν μεγάλη ποικιλία μεγεθών και διαστάσεων, αντιπροσωπευτικών της ικανότητάς τους για εξελικτική προσαρμογή σε διαφορετικά περιβάλλοντα και της διαφοροποίησής τους. Η διάμετρός τους ποικίλλει από δέκατα του μικρομέτρου (ή χιλιοστά του χιλιοστομέτρου), όπως παρατηρείται σε βακτήρια, έως μερικά εκατοστόμετρα, σε θαλάσσια φύκη ή αυγά πτηνών. Τα ανθρώπινα κύτταρα είναι τάξης μεγέθους των 5 χιλιοστών του χιλιοστομέτρου μέχρι 1,5 χιλιοστόμετρο. Υπολογίζεται ότι το ανθρώπινο σώμα αποτελείται από εκατό τρισεκατομμύρια κύτταρα. Το κύτταρο είναι ορατό και μπορεί να μελετηθεί μόνο με μικροσκόπιο και πάντα εφόσον δεχθεί μια ειδική προετοιμασία.

Γενικά τα κύτταρα, προκειμένου να διατηρούν τη λειτουργικότητά τους, υποχρεώνονται ν' ανταλλάσσουν συνεχώς ουσίες από και προς το περιβάλλον τους. Η αμφίδρομη αυτή ανταλλαγή (εισαγωγή χρήσιμων ουσιών και αποβολή αχρήστων) γίνεται μέσω της πλασματικής μεμβράνης που αποτελεί και το όριο μεταξύ της έμβιας και της άβιας ύλης. Όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια της πλασματικής μεμβράνης τόσο μεγαλύτερη και η δυνατότητα της ανταλλαγής.

Εκτός όμως της ανταλλαγής ουσιών που καλύπτει κυρίως τις μεταβολικές ανάγκες παρατηρείται και ανταλλαγή ουσιών-μηνυμάτων με τα οποία και επικοινωνεί το κύτταρο με το περιβάλλον του και "αντιλαμβάνεται" τις διάφορες μεταβολές. Με βάση τις πληροφορίες των μηνυμάτων αυτών και υπό τον έλεγχο του γενετικού υλικού το κύτταρο εναρμονίζει και τις λειτουργίες των επιμέρους τμημάτων του. Αυτή η μεταβίβαση όμως των μηνυμάτων θα μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο αν το κύτταρο έχει σχετικά μικρό όγκο.

Έτσι λοιπόν δικαιολογείται ο μικρός όγκος των κυττάρων με τη μεγαλύτερη δυνατή επιφάνεια (αντίστοιχη του όγκου) προκειμένου να ικανοποιούνται ταυτόχρονα και οι δύο απαραίτητες για την επιβίωση του κυττάρου προϋποθέσεις που είναι η μεγάλη επιφάνεια γι΄ ανταλλαγές ουσιών και υποδοχής μηνυμάτων και ο μικρός όγκος για την έγκαιρη μεταβίβαση των μηνυμάτων στο ενδοκυτταρικό περιβάλλον.

Μορφολογία

Ως οργανισμός, το κύτταρο διαθέτει την ικανότητα να ζει ακόμη και χωρίς την ύπαρξη άλλων κυττάρων. Η ιδιότητα αυτή προϋποθέτει την ύπαρξη μιας μεταβολικής μηχανής που μπορεί να αντλήσει ενέργεια από το περιβάλλον και να τη χρησιμοποιήσει σε ουσιώδεις βιοχημικές διεργασίες, που περιλαμβάνουν την κίνηση ουσιών, την εκλεκτική μεταφορά μορίων μέσα και έξω από το κύτταρο και την ικανότητα αλλαγής και διαμόρφωσής τους, δηλαδή της προσαρμογής τους στις περιβάλλουσες φυσικές και χημικές συνθήκες. Εκτός από τη μεταβολική μηχανή του το κύτταρο διαθέτει ομάδες γονιδίων που καθορίζουν τη σύνθεση ουσιών και μια διακριτή δομή, την κυτταρική ή πλασματική μεμβράνη που τα απομονώνει από το εξωτερικό περιβάλλον. Προκειμένου να είναι βιώσιμο ένα κύτταρο, αρκούν 400 γονίδια ή και λιγότερα, ωστόσο τα περισσότερα κύτταρα περιέχουν αρκετά περισσότερα.

Είδη κυττάρων

Τα κύτταρα διακρίνονται σε προκαρυωτικά και ευκαρυωτικά, ανάλογα με το αν διαθέτουν σχηματισμένο πυρήνα (ευκαρυωτικά) ή όχι (προκαρυωτικά). Σε αυτή την ταξινόμηση εξαίρεση αποτελούν οι ιοί, και οι φάγοι. Αυτοί αποτελούν ακυτταρικές, μη αυτοτελείς μορφές ζωής και χαρακτηρίζονται ως υποχρεωτικά ενδοκυτταρικά παράσιτα. Άλλη ιδιόμορφη κατηγορία ύλης είναι τα μυκοπλάσματα (PPLO), μια ενδιάμεση μορφή ζωής ανάμεσα στους ιούς και τα βακτήρια. Μία ακόμη κατηγορία είναι τα απλοειδή και τα διπλοειδή κύτταρα που διακρίνονται σύμφωνα με τον αριθμό χρωμοσωμάτων που υπάρχουν στον πυρήνα: Τα μεν απλοειδή φέρουν περιττό αριθμό χρωμοσωμάτων, τα δε διπλοειδή άρτιο.

Όλα τα κύτταρα παρουσιάζουν τρισδιάστατες δομές που σφύζουν από δραστηριότητα και που λειτουργικά παρουσιάζουν πολλές ομοιότητες αλλά και διαφορές. Κοινές λειτουργίες όλων των ευκαρυωτικών κυττάρων είναι η μεταφορά ουσιών στο εσωτερικό τους, η αλλαγή θέσης των κυτταρικών δομών, όταν αυτό είναι αναγκαίο, καθώς και οι πολύπλοκες βιοχημικές διεργασίες. Υφίστανται, όμως, και λειτουργίες που δεν είναι κοινές, όπως η κίνηση, η αλλαγή σχήματος κτλ., με συνέπεια τα κύτταρα να διακρίνονται σε μεγάλο αριθμό ειδών με ιδιαίτερη χαρακτηριστική μορφή.
Στον άνθρωπο, για παράδειγμα, εντοπίζονται περί τα 200 διαφορετικά είδη κυττάρων, με καθένα είδος να παρουσιάζει χαρακτηριστική μορφή και λειτουργία. Άλλα, π.χ., είναι επιμήκη με δυνατότητα συστολής, (μυϊκά κύτταρα), άλλα έχουν προεκτάσεις για μεταβιβάσεις μηνυμάτων, (νευρικά κύτταρα), άλλα είναι πλατιά με καλυπτήριο ρόλο (επιθηλιακά κύτταρα) κτλ.

Προκειμένου, έτσι, σε μια ολοκληρωμένη παρουσίαση των κυττάρων, να ξεπεραστεί η αδυναμία της περιγραφής ενός μόνο κυττάρου κατά σχήμα και λειτουργία, θεσπίστηκε το τυπικό κύτταρο, το οποίο στη πραγματικότητα είναι μεν ανύπαρκτο πλην όμως συγκεντρώνει όλα τα κοινά γνωρίσματα των κυττάρων. Έτσι σε όλα τα συγγράμματα περί κυττάρων γίνεται αναφορά πάντα στο "τυπικό ευκαρυωτικό κύτταρο" όπου και αναπτύσσονται και περιγράφονται οι κοινές δομές και λειτουργίες των κυττάρων.

Ευκαρυωτικά κύτταρα

Τα ευκαρυωτικά κύτταρα διαφέρουν αρκετά μεταξύ τους, έχουν όμως και ορισμένα κοινά χαρακτηριστικά. Κάθε ευκαρυωτικό κύτταρο περιβάλλεται από την πλασματική μεμβράνη, η οποία δομείται από λιπίδια και πρωτεΐνες.Η πλασματική μεμβράνη διαχωρίζει και εξατομικεύει το κύτταρο από το περιβάλλον του.Ο ρόλος της όμως δεν περιορίζεται στο να είναι ένα απλό σύνορο. Ελέγχει επιπλέον ποιες ουσίες εισέρχονται ή εξέρχονται από το κύτταρο εξυπηρετώντας την επικοινωνία του με το περιβάλλον. Ακομα διάφορα είδη ευκαρυωτικών κυττάρων παρουσιάζουν μεγάλες ομοιότητες ως προς τη χημική τους σύσταση και τις πολύπλοκες βιοχημικές διεργασίες που επιτελούν. Ωστόσο, παρουσιάζουν μεγάλη ποικιλία ως προς το μέγεθος, το σχήμα και τις εσωτερικές τους δομές. Στον άνθρωπο, για παράδειγμα, υπάρχουν 100 περίπου διαφορετικά είδη κυττάρων. Καθένα έχει τη δική του χαρακτηριστική μορφή και επιτελεί μία συγκεκριμένη λειτουργία.

Δομικά στοιχεία

Χημική σύσταση

Τα ζωντανά κύτταρα αποτελούνται από περιορισμένο αριθμό χημικών στοιχείων. Ιδιαίτερο ρόλο παίζει ο άνθρακας (C), το υδρογόνο (H), το οξυγόνο (Ο), το άζωτο (N), ο φώσφορος (Ρ) και το θείο (S), που αποτελούν και το 99% περίπου του βάρους του. Τα χημικά συστατικά του είναι δυνατόν να ταξινομηθούν σε ανόργανα (νερό (H₂O) + μεταλλικά ιόντα) και οργανικά πρωτεΐνες, υδατάνθρακες, λίπη και νουκλεϊκά οξέα. Ένα ζωικό ή φυτικό κύτταρο αποτελείται κατά προσέγγιση (% κ.β.) από νερό 75-85%, πρωτεΐνες 10-20%, λιπίδια 2-3%, υδατάνθρακες 1% και ανόργανα υλικά (οξέα, βάσεις, άλατα) 1%. Τα τελευταία, αν και βρίσκονται σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις, βοηθούν τις κυτταρικές λειτουργίες διατηρώντας σταθερό το pH.

Κυτταρικά οργανίδια

Διάγραμμα ενός τυπικού ζωικού ευκαρυωτικού κυττάρου, όπου παριστάνονται και οι υποκυτταρικές μονάδες.
Οργανίδια :
1. Πυρηνίσκος
2. Πυρήνας
3. Ριβόσωμα
4. Κυστίδιο
5. Τραχύ ενδοπλασματικό δίκτυο (ΕΔ)
6. Συσκευή Γκόλτζι
7. Κυτταροσκελετός
8. Λείο ενδοπλασματικό δίκτυο
9. Μιτοχόνδρια
10. Κενοτόπιο
11. Κυτταρόπλασμα
12. Λυσόσωμα
13.Κεντροσωμάτιο Ολόκληρο το κύτταρο περιβάλλεται από την πλασματική μεμβράνη.

Σε ένα τυπικό, ευκαρυωτικό κύτταρο παρατηρούνται τα εξής διαφοροποιημένα τμήματα, τα οποία επονομάζονται κυτταρικά οργανίδια:

1. Κυτταρική μεμβράνη
2. Ενδοπλασματικό δίκτυο, το οποίο διακρίνεται σε αδρό και λείο
3. Πυρήνας
4. Σωμάτιο Golgi
5. Μικροϊνίδια και μικροσωληνίσκοι, τα οποία αποτελούν τον Κυτταρικό σκελετό
6. Ριβόσωμα
7. Κυστίδιο
8. Μιτοχόνδρια
9. Κενοτόπιο
10. Λυσόσωμα
11. Κεντροσωμάτιο (μόνο σε ζωικά κύτταρα)
12. Πλαστίδια (μόνο σε φυτικά κύτταρα)
13. Χυμοτόπιο (μόνο σε φυτικά κύτταρα)
14. Κυτταρόπλασμα

Κυτταρικός κύκλος και θάνατος

Ένα κύτταρο αναπαράγεται διεκπεραιώνοντας μια συγκεκριμένη ακολουθία γεγονότων κατά τη διάρκεια των οποίων το κύτταρο διπλασιάζει το περιεχόμενό του και στη συνέχεια διαιρείται. Αυτός ο κύκλος, γνωστός ως κυτταρικός κύκλος, είναι ο βασικός μηχανισμός με τον οποίο όλα τα έμβια όντα αναπαράγονται. Για να εξασφαλίσουν τη σωστή έκβαση του κυτταρικού κύκλου, τα κύτταρα ανέπτυξαν ένα περίπλοκο σύστημα ρυθμιστικών πρωτεϊνών γνωστό ως σύστημα ελέγχου κυτταρικού κύκλου, όπως οι κυκλίνες. Στο κέντρο αυτού του συστήματος βρίσκονται βιολογικοί διακόπτες που ελέγχουν τα κύρια συμβάντα του κύκλου, όπως την αντιγραφή του DNA και τον διαχωρισμό των χρωμοσωμάτων.

Ο κυτταρικός κύκλος χωρίζεται σε τέσσερις φάσεις ή στάδια. Το κύτταρο διαιρεί τον πυρήνα του και στη συνέχεια το ίδιο κατά τη διάρκεια της φάσης Μ. Η περίοδος που παρεμβάλλεται σε δύο φάσεις Μ λέγεται μεσόφαση. Η μεσόφαση χωρίζεται σε τρεις φάσεις, τη φάση G1, τη φάση S και τη φάση G2. Ενώ σε αυτές τις φάσεις το κύτταρο φαίνεται ήρεμο, στην πραγματικότητα η μεσόφαση είναι μια δραστήρια περίοδος, στην οποία το γενετικό υλικό διπλασιάζεται (φάση S) ή λαμβάνονται αποφάσεις αν το κύτταρο θα συνεχίσει τη διαίρεση. Στη φάση G1 αποφασίζει αν θα συνεχίσει στη φάση S και στη G2 αν θα συνεχίσει στη φάση Μ. Αν το κύτταρο αποφασίσει στη G1 φάση να μη συνεχίσει, επειδή οι συνθήκες είναι δυσμενείς, παραμένει σε φάση G0. Επίσης οι φάσεις G1 και G2 προσφέρουν στο κύτταρο το χρόνο που χρειάζεται για να διπλασιάσει τα οργανίδιά του και για να αυξηθεί.

Η κυτταρική διαίρεση ή φάση Μ αποτελεί τη μίτωση, δηλαδή τη διαίρεση του πυρήνα, και την κυτταροκίνηση, τη διαίρεση του κυττάρου. Στη μίτωση το κύτταρο αντιμετωπίζει το πρόβλημα του ακριβή διαχωρισμού των χρωμοσωμάτων ώστε τα δύο θυγατρικά κύτταρα να λάβουν δύο πανομοιότυπα αντίγραφα του γονιδιώματος. Η φάση της μίτωσης χωρίζεται παραδοσιακά σε έξι φάσεις και αρχίζει με τη συμπύκνωση της χρωματίνης. Η κυτταροκίνηση αρχίζει στην τελευταία φάση της μίτωσης και τελειώνει με το διαχωρισμό των δύο κυττάρων.

Όταν τα κύτταρα πάψουν να είναι απαραίτητα επειδή, για παράδειγμα, η δομή που αποτελούν δεν είναι πλέον απαραίτητη ή δεν μπορούν να προχωρήσουν σε αντιγραφή εξαιτίας μόλυνσης από ιό, αυτοκτονούν με μια διαδικασία γνωστή ως απόπτωση. Αυτή η μορφή θανάτου είναι εξαιρετικά διαδεδομένη σε αναπτυσσόμενους και ενήλικους ιστούς πολυκύτταρων οργανισμών. Η απόπτωση χωρίζεται σε τέσσερα στάδια, το στάδιο της απόφασης, που είναι αντιστρεπτό, την εκτέλεση, την αποδόμηση και τη φαγοκυττάρωση. Τα κύρια χαρακτηριστικά της απόπτωσης είναι η συρρίκνωση της χρωματίνης και η συρρίκνωση του κυττάρου. Τα κύρια ένζυμα της απόπτωσης είναι μια ομάδα πρωτεασών, οι κασπάσες. Μια άλλη μορφή κυτταρικού θανάτου είναι η νέκρωση, στην οποία το κύτταρο διαλύεται.

Ιστορία

Πρώτος ο Βρετανός Ρόμπερτ Χουκ (Robert Hooke) το 1665 παρατηρώντας με το μικροσκόπιό του λεπτές τομές φελλού διέκρινε κάποιους χώρους που του θύμιζαν κελιά μοναστηριών τους οποίους και ονόμασε (εκ της λατινικής) cellulae (= κελιά). Από τη λέξη αυτή προήλθε ο αγγλικός διεθνής σήμερα όρος cell (σελ = κύτταρο). Σήμερα, όμως, είναι γνωστό πως εκείνα που παρατηρούσε ο Χουκ δεν ήταν ζωντανά κύτταρα αλλά τα υπολείμματά τους, τα τοιχώματα των φυτικών κυττάρων, τα οποία παραμένουν ακόμα και όταν τα κύτταρα νεκρωθούν.

Σταδιακά, και καθώς το μικροσκόπιο βελτιωνόταν, άρχισαν να παρατηρούνται και τα επιμέρους κυτταρικά οργανίδια. Στην παρατήρηση αυτή βοήθησε σημαντικά η χρήση διαφόρων χρωστικών ουσιών, οι οποίες χρωματίζουν κάθε οργανίδιο επιλεκτικά, αφήνοντας τα υπόλοιπα ανεπηρέαστα. Σημαντική ώθηση στην κυτταρική παρατήρηση έδωσε το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, καθώς όχι μόνο βελτίωσε σημαντικά τη μεγέθυνση, αλλά έκανε δυνατή και την τρισδιάστατη παρατήρηση του κυττάρου (μικροσκόπιο σαρώσεως).

Δείτε επίσης

• Κυτταρική θεωρία

Πηγές

• Δημ. Παλαφούτας - Αλεξ. Πανταζίδης "Βιολογία" Εκδ. Πατάκη Αθήνα 1999.
• https://repository.kallipos.gr/bitstream/11419/4083/2/02_chapter_3.pdf
• Solomon, Martin, Martin, Berg, Βιολογία (επιμ. Παναγιώτης Γ. Κατσώρης), Broken Hill Publishers LTD: Π.Χ. Πασχαλίδης, Nicosia: 2021, ISBN 978-9925-576-23-4

Βιβλιογραφία

• Φ. Καφάτος "Εισαγωγή στη σύγχρονη βιολογία" Εκδ. Διογένης 1976
• Ι. Γ. Γεωργάτσος "Βιοχημεία" ΑΠΘ 1980
• Λ. Μαργαρίτης "Κυτταρική βιολογία" Εκδ. Επτάλοφος ΑΒΕΕ 1985
• Εκδοτική Αθηνών "Γενική Βιολογία" 1989
• Γ.Ν. Θωμόπουλος, "Βιολογία Κυττάρου", University Studio Press, (Θεσσαλονίκη 1990)
• Ν.Σ. Χριστοδουλάκης "Σύγχρονη Βιολογία" Εκδ. Πατάκη 1994

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• Biology Project