Κύτταρο: η μονάδα της ζωής 🔬

Μία από τις μεγάλες επιδιώξεις των ερευνητών, στη μακρόχρονη αναζήτηση της γνώσης, ήταν η κατανόηση της δομής και των λειτουργιών των οργανισμών. Το 1665 ο Ρ. Χουκ, παρατηρώντας με το μικροσκόπιό του λεπτές τομές φελλού, μίλησε για πρώτη φορά για κύτταρα. Παρότι αυτά που είδε δεν ήταν στην πραγματικότητα ζωντανά κύτταρα αλλά τα άδεια «κουτάκια» του φελλού, τα θεμέλια της κυτταρικής θεωρίας είχαν πλέον τεθεί.

Πολύ αργότερα διατυπώθηκε η κυτταρική θεωρία, σύμφωνα με την οποία η θεμελιώδης δομική και λειτουργική μονάδα όλων των οργανισμών είναι το κύτταρο, και κάθε κύτταρο προέρχεται από ένα άλλο κύτταρο. Χάρη στο οπτικό και στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο έχει πλέον μελετηθεί η δομή και η λειτουργία των κυττάρων τόσο των μονοκύτταρων όσο και των πολυκύτταρων οργανισμών, και έχει διαπιστωθεί ότι τα κύτταρα εμφανίζουν πολλές ομοιότητες αλλά και αρκετές διαφορές μεταξύ τους. Με βάση κυρίως την ύπαρξη ή όχι πυρηνικής μεμβράνης που περιβάλλει το γενετικό τους υλικό, τα κύτταρα διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: τα προκαρυωτικά και τα ευκαρυωτικά.

Το ευκαρυωτικό κύτταρο

Τα ευκαρυωτικά κύτταρα διαφέρουν αρκετά μεταξύ τους ανάλογα με τον οργανισμό στον οποίο ανήκουν, 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, όμως ο ρόλος της δεν περιορίζεται στο να αποτελεί ένα απλό σύνορο: ελέγχει επιπλέον ποιες ουσίες εισέρχονται ή εξέρχονται από το κύτταρο, εξυπηρετώντας έτσι την επικοινωνία του με το περιβάλλον.

Ο πυρήνας έχει συνήθως σχήμα σφαιρικό ή ωοειδές και αποτελεί το «κέντρο ελέγχου» του κυττάρου. Εκεί βρίσκεται το γενετικό υλικό (DNA), στο οποίο είναι καταγραμμένες οι πληροφορίες για όλα τα χαρακτηριστικά του κυττάρου, δομικά και λειτουργικά. Ο πυρήνας περιβάλλεται από διπλή μεμβράνη, την πυρηνική μεμβράνη, η οποία φέρει ανοίγματα (πόρους) μέσω των οποίων γίνεται η ανταλλαγή μορίων μεταξύ του πυρήνα και του υπόλοιπου κυττάρου.

Τον χώρο ανάμεσα στην πλασματική μεμβράνη και στον πυρήνα καταλαμβάνει το κυτταρόπλασμα. Μέσα στο κυτταρόπλασμα υπάρχουν διάφορα οργανίδια, καθένα από τα οποία επιτελεί μία ή περισσότερες λειτουργίες του κυττάρου.

Ενδοπλασματικό δίκτυο

Το ενδοπλασματικό δίκτυο είναι ένα σύστημα μεμβρανών που συνδέεται τόσο με την πλασματική όσο και με την πυρηνική μεμβράνη. Αποτελεί ένα ενιαίο δίκτυο αγωγών και κύστεων, μέσω των οποίων εξασφαλίζεται η μεταφορά ουσιών σε όλα τα μέρη του κυττάρου. Στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο διακρίνονται δύο μορφές ενδοπλασματικού δικτύου: το αδρό και το λείο.

Στην επιφάνεια του αδρού ενδοπλασματικού δικτύου υπάρχουν μικροί σχηματισμοί, τα ριβοσώματα, που του δίνουν τραχιά όψη — γι' αυτό και ονομάζεται «αδρό». Τα ριβοσώματα αποτελούνται από πρωτεΐνες και RNA και σε αυτά γίνεται η σύνθεση των πρωτεϊνών. Ριβοσώματα υπάρχουν επίσης ελεύθερα μέσα στο κυτταρόπλασμα, χωρίς να είναι προσκολλημένα σε καμία μεμβράνη. Συνέχεια του αδρού αποτελεί το λείο ενδοπλασματικό δίκτυο, στο οποίο δεν υπάρχουν ριβοσώματα· η λειτουργία του σχετίζεται με τη σύνθεση λιπιδίων και με την αποθήκευση διάφορων πρωτεϊνών.

Σύμπλεγμα Golgi, λυσοσώματα και κενοτόπια

Το σύμπλεγμα Golgi αποτελείται από ένα σύνολο παράλληλων πεπλατυσμένων σάκων, στους οποίους οι πρωτεΐνες, μετά τη σύνθεσή τους, τροποποιούνται και παίρνουν την τελική τους μορφή.

Τα λυσοσώματα έχουν σφαιρικό σχήμα και περιέχουν δραστικά ένζυμα, τα οποία συντελούν στη διάσπαση ουσιών, π.χ. πρωτεϊνών, αλλά και μικροοργανισμών, όπως είναι για παράδειγμα τα διάφορα μικρόβια που μολύνουν τον οργανισμό μας.

Τα κενοτόπια είναι κυστίδια που περιέχουν ένα υδατώδες υγρό. Χαρακτηριστικά κενοτόπια είναι τα πεπτικά, τα οποία συναντάμε στα ζωικά κύτταρα, και τα χυμοτόπια, τα οποία συναντάμε στα φυτικά κύτταρα. Τα πεπτικά κενοτόπια σχηματίζονται όταν εισέρχονται στο ζωικό κύτταρο τροφικά σωματίδια ή μικροοργανισμοί, τα οποία στη συνέχεια είτε θα χρησιμοποιηθούν είτε θα καταστραφούν. Τα χυμοτόπια αποτελούν αποθήκες θρεπτικών ουσιών για το φυτικό κύτταρο και καταλαμβάνουν συνήθως το μεγαλύτερο μέρος του.

Μιτοχόνδρια και χλωροπλάστες

Τα μιτοχόνδρια έχουν σχήμα επίμηκες, σφαιρικό ή ωοειδές. Ο ρόλος τους είναι να εξασφαλίζουν την ενέργεια που είναι απαραίτητη για τις λειτουργίες του κυττάρου. Για τον σκοπό αυτό, τα μιτοχόνδρια υπάρχουν σε όλα τα ευκαρυωτικά κύτταρα, και ο αριθμός τους ποικίλλει ανάλογα με τις ενεργειακές ανάγκες του κάθε κυττάρου· έτσι, τα μυϊκά κύτταρα του ανθρώπου διαθέτουν πολλά μιτοχόνδρια, ενώ άλλα κύτταρα έχουν λιγότερα. Η απαραίτητη ενέργεια απελευθερώνεται από τη διάσπαση χημικών ενώσεων που συμβαίνει κατά την κυτταρική αναπνοή, μια διαδικασία που πραγματοποιείται με τη βοήθεια ειδικών ενζύμων που υπάρχουν στο εσωτερικό των μιτοχονδρίων.

Οι χλωροπλάστες έχουν σχήμα φακοειδές. Σε αυτά γίνεται η φωτοσύνθεση, κατά την οποία απλά ανόργανα μόρια, όπως το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό, μετατρέπονται με τη βοήθεια της ηλιακής ενέργειας σε οργανικά μόρια, όπως η γλυκόζη, ενώ ταυτόχρονα απελευθερώνεται οξυγόνο. Οι χλωροπλάστες περιέχουν ειδικά ένζυμα και άλλα μόρια, όπως η χλωροφύλλη, που είναι απαραίτητα για τη φωτοσύνθεση. Παρότι οι χλωροπλάστες βρίσκονται μόνο στα φωτοσυνθετικά κύτταρα, τα οργανικά μόρια και το οξυγόνο που παράγουν είναι απαραίτητα για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών και τη διατήρηση της ζωής όλων των οργανισμών της Γης.

Κυτταρικό τοίχωμα

Το κυτταρικό τοίχωμα περιβάλλει την πλασματική μεμβράνη των φυτικών κυττάρων. Έχει κυρίως στηρικτικό ρόλο, είναι συμπαγές και ανθεκτικό, και αποτελείται από πολυσακχαρίτες, με κυριότερο από αυτούς την κυτταρίνη.

Το προκαρυωτικό κύτταρο

Τα κύτταρα των οποίων το γενετικό υλικό (DNA) δεν περιβάλλεται από πυρηνική μεμβράνη ονομάζονται προκαρυωτικά. Οι πλέον χαρακτηριστικοί προκαρυωτικοί οργανισμοί είναι τα βακτήρια. Τα βακτήρια είναι μονοκύτταροι οργανισμοί, το κύτταρό τους είναι μικρότερο από το ευκαρυωτικό και δεν διαθέτουν οργανίδια — η δομή τους είναι απλή. Περιβάλλονται από πλασματική μεμβράνη, η οποία έχει ίδια δομή με αυτή του ευκαρυωτικού κυττάρου, και στο κυτταρόπλασμά τους υπάρχουν ελεύθερα ριβοσώματα, στα οποία γίνεται η πρωτεϊνοσύνθεση.

Η πλασματική μεμβράνη των βακτηρίων περιβάλλεται από κυτταρικό τοίχωμα, το οποίο έχει διαφορετική χημική σύσταση από αυτή του φυτικού κυττάρου. Σε ορισμένα βακτήρια, το κυτταρικό τοίχωμα περιβάλλεται με τη σειρά του από ένα ακόμη περίβλημα, την κάψα. Συχνά τα βακτήρια διαθέτουν ειδικούς σχηματισμούς, μαστίγια ή βλεφαρίδες, οι οποίοι εξυπηρετούν τη μετακίνησή τους. Ορισμένα βακτήρια, όταν βρεθούν σε αντίξοες περιβαλλοντικές συνθήκες, όπως πολύ υψηλές ή πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, αφυδατώνονται και μετατρέπονται σε ανθεκτικές μορφές που ονομάζονται ενδοσπόρια. Όταν οι συνθήκες ξαναγίνουν ευνοϊκές, από κάθε ενδοσπόριο θα προκύψει και πάλι ένα βακτήριο.

Διαφορετικά κύτταρα για διαφορετικές λειτουργίες

Οι οργανισμοί μπορεί να είναι μονοκύτταροι ή πολυκύτταροι. Οι απλούστεροι οργανισμοί της Γης είναι οι μονοκύτταροι, και συνήθως δεν είναι ορατοί με γυμνό μάτι. Αυτοί μπορεί να είναι είτε προκαρυωτικοί, όπως τα βακτήρια και τα κυανοβακτήρια, που θεωρούνται τα πρώτα κύτταρα που εμφανίστηκαν στη Γη, είτε ευκαρυωτικοί, όπως τα πρωτόζωα, κάποια φύκη και ορισμένοι μύκητες.

Οι μονοκύτταροι οργανισμοί, όπως τα πρωτόζωα (π.χ. η αμοιβάδα), αποτελούνται από ένα κύτταρο το οποίο επιτελεί όλες τις λειτουργίες που απαιτούνται για την ανάπτυξη και την αναπαραγωγή του οργανισμού. Ορισμένοι μονοκύτταροι οργανισμοί μετακινούνται με τη βοήθεια μαστιγίων ή βλεφαρίδων που διαθέτουν, ενώ άλλοι μετακινούνται σχηματίζοντας ψευδοπόδια. Επίσης, ορισμένοι μονοκύτταροι οργανισμοί, όπως τα κυανοβακτήρια και τα μονοκύτταρα φύκη, φωτοσυνθέτουν.

Οι πολυκύτταροι οργανισμοί, όπως ο άνθρωπος ή η παπαρούνα, αποτελούνται από πολλά διαφορετικά ευκαρυωτικά κύτταρα. Τα κύτταρα αυτά παρουσιάζουν ομοιότητες αλλά και διαφορές που αφορούν τη δομή και τη λειτουργία τους. Παράλληλα όμως συνεργάζονται μεταξύ τους, με αποτέλεσμα να μπορεί να λειτουργήσει και να επιβιώσει ολόκληρος ο οργανισμός.

Στον ανθρώπινο οργανισμό, κάθε είδος κυττάρου επιτελεί συγκεκριμένη λειτουργία και έχει δομή που την εξυπηρετεί. Το νευρικό κύτταρο διαβιβάζει μηνύματα και ένα τμήμα του θυμίζει καλώδιο. Το ερυθρό αιμοσφαίριο οφείλει το χρώμα του σε μία πρωτεΐνη, την αιμοσφαιρίνη, η οποία μεταφέρει οξυγόνο. Το σπερματοζωάριο διαθέτει μαστίγιο, γιατί πρέπει να κινηθεί μέχρι να συναντήσει το ωάριο. Τα οστικά και τα μυϊκά κύτταρα έχουν δομή που εξυπηρετεί τις δικές τους λειτουργίες.

Παρόμοια εξειδίκευση συναντάμε και στα φυτά. Τα ριζικά τριχίδια είναι αποφυάδες κυττάρων της ρίζας· είναι πολύ λεπτά και μακριά, και έτσι μπορούν να απορροφούν νερό από το έδαφος. Τα κύτταρα του ξυλώματος σχηματίζουν μικρούς σωλήνες που μεταφέρουν το νερό από τις ρίζες προς τα υπόλοιπα μέρη του φυτού. Τα κύτταρα των φύλλων διαθέτουν πολλούς χλωροπλάστες και έτσι μπορούν να φωτοσυνθέτουν.