Τι θα συνέβαινε εάν το κύτταρο δεν είχε DNA;

Ένα κύτταρο χωρίς DNA έχει πολλούς περιορισμούς που μπορούν να επιταχύνουν την κατάρρευσή του. Τα κύτταρα απαιτούν DNA για την εκτέλεση βασικών λειτουργιών ζωής, τη μετάδοση γενετικού υλικού, τη συγκέντρωση των σωστών πρωτεϊνών και την προσαρμογή στις κυμαινόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες. Μερικά εξαιρετικά εξειδικευμένα κύτταρα ρίχνουν τον πυρήνα τους για να εκτελέσουν πιο αποτελεσματικά μια συγκεκριμένη εργασία όπως η μεταφορά αιμοσφαιρίνης και διοξειδίου του άνθρακα. Τα πυρηνικά κύτταρα όπως τα ώριμα ερυθρά αιμοσφαίρια είναι πιο ευαίσθητα στην περιβαλλοντική τοξικότητα και έχουν σχετικά μικρή διάρκεια ζωής.

Το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) περιέχει τις γενετικές οδηγίες κωδικοποίησης των ζωντανών οργανισμών. Το DNA αποτελείται από βάσεις αδενίνης, κυτοσίνης, γουανίνης και θυμίνης που συνδυάζονται και συνδέονται μέσω δεσμών υδρογόνου. Ένα συμπληρωματικό ζεύγος βάσεων - όπως η αδενίνη (Α) και η θυμίνη (Τ) - που συνδέονται με μόρια σακχάρου και φωσφορικού, ονομάζεται νουκλεοτίδιο. Μακρά σκέλη νουκλεοτιδίων σχηματίζουν τη διάσημη διπλή έλικα DNA που ανακαλύφθηκε το 1952 από τους James Watson, Francis Crick, Rosalind Franklin και Maurice Wilkins, επιστήμονες στο King's College στο Λονδίνο.

Τα ευκαρυωτικά κύτταρα αναπαράγουν το DNA και στη συνέχεια μοιράζονται ένα αντίγραφο όταν το κύτταρο διαιρείται μέσω της διαδικασίας μίτωσης ή μείωσης. Το Meiosis περιλαμβάνει ένα επιπλέον βήμα κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης όπου αποσπασμένα αποσπάσματα DNA από ένα χρωμόσωμα και επανασυνδέονται στο αντίστοιχο χρωμόσωμα. Τα διαιρεμένα χρωμοσώματα τραβούνται στα αντίθετα άκρα του κυττάρου και οι πυρηνικοί φάκελοι μεταρρυθμίζονται γύρω από την χρωματίνη.

Ο πυρήνας χρησιμεύει ως αρχηγός που μεταδίδει παραγγελίες σε μονάδες διοίκησης. Το DNA που βρίσκεται στον πυρήνα παρέχει όλες τις οδηγίες για την κωδικοποίηση των πρωτεϊνών που απαιτούνται από τον οργανισμό. Η απώλεια του πυρήνα θα προκαλούσε χάος μέσα στο κύτταρο. Χωρίς ένα σαφές σύνολο οδηγιών, το τυπικό σωματικό κύτταρο δεν θα είχε ιδέα τι να κάνει στη συνέχεια.

Τα κύτταρα χρειάζονται επίσης έναν πυρήνα για να βοηθήσουν στη ρύθμιση της κίνησης των ουσιών κατά μήκος της κυτταρικής μεμβράνης. Τα μόρια κινούνται μπρος-πίσω με όσμωση, διήθηση, διάχυση και ενεργή μεταφορά. Διαφορετικοί τύποι κυστιδίων παίζουν επίσης ρόλο στις κινούμενες ουσίες μέσα ή έξω από το κύτταρο. Χωρίς πυρήνα που εκτελεί την παράσταση, ένα κελί μπορεί να καταρρεύσει ή να διογκωθεί και να εκραγεί.

Ο πυρηνικός φάκελος είναι μια δομή διπλής μεμβράνης που σκονίζει το DNA (χρωματίνη) μέσα στον πυρήνα. Κατά τη διάρκεια της ενδιάμεσης φάσης, ο πυρήνας προμηθεύεται θρεπτικά συστατικά και παρέχει ένα βέλτιστο περιβάλλον για την αναπαραγωγή του DNA. Μόλις το κελί είναι έτοιμο να αρχίσει να διαιρείται, ο πυρηνικός φάκελος αποσυναρμολογείται και απελευθερώνει τα χρωμοσώματα στο κυτόπλασμα. Το DNA προστατεύεται και φυλάσσεται στον πυρήνα επειδή περιέχει ολόκληρο το γονιδίωμα του οργανισμού που απαιτείται για τη διάδοση των ειδών.

Μπορεί η ζωή να υπάρχει χωρίς DNA; Ζουν οι ιοί; Είναι τα νεοπλασματικά κύτταρα ζωντανά; Η απάντηση σε αυτές τις ερωτήσεις απαιτεί κατανόηση και συμφωνία σχετικά με το νόημα της ζωής, αλλά όχι με μια άγνωστη φιλοσοφική έννοια. Σύμφωνα με Αστροβιολόγοι της NASA«Η ζωή είναι ένα αυτοσυντηρούμενο χημικό σύστημα ικανό για την εξέλιξη του Δαρβίνου.» Ωστόσο, οι ορισμοί της ζωής διαφέρουν και αυτό επηρεάζει τον τρόπο ταξινόμησης ιών που περιέχουν μόνο RNA, για παράδειγμα.

Τα ευκαρυωτικά κύτταρα περιέχουν DNA στον πυρήνα τους, το οποίο επιβλέπει τις κανονικές διαδικασίες λειτουργίας. Ο σκοπός της κυτταρικής διαίρεσης είναι να αναπτυχθεί και να πολλαπλασιαστεί. Η εξέλιξη και η προσαρμογή προκύπτουν από μοναδικά ζευγάρια νουκλεοτιδίων DNA. Τα κύτταρα χωρίς DNA δεν θα έχουν γενετικό υλικό για μετάδοση.

Τα μόρια ριβονουκλεϊκού οξέος Messenger (mRNA) δρουν ως το ενδιάμεσο για το πυρηνικό DNA και το υπόλοιπο κύτταρο. Όπως υποδηλώνει το όνομα, το mRNA αντιγράφει (μεταγράφει) μέρη του DNA και στέλνει αναγνώσιμα μηνύματα σε οργανίδια, σηματοδοτώντας πότε να διαιρούνται ή να συναρμολογούνται ορισμένοι τύποι πρωτεϊνών. Εάν ένα κύτταρο χάσει τον πυρήνα και το DNA του, το κύτταρο τελικά θα εξασθενίσει και θα τραβήξει την προσοχή της κατανάλωσης μικροφάγων στο ανοσοποιητικό σύστημα.

Τα ευκαρυωτικά κύτταρα έχουν έναν πυρήνα που περιέχει DNA. Εξ ορισμού, οι ευκαρυωτικοί οργανισμοί δεν θα μπορούσαν να υπάρξουν χωρίς DNA. Εκτός από έναν πυρήνα, οι ευκαρυωτικοί οργανισμοί περιέχουν πολλούς τύπους οργανίων που αποδίδουν στο σύνθημα:

• ο ενδοπλασματικό πρόγραμμα (ER) είναι μια διπλωμένη μεμβράνη που συνδέεται με τον πυρήνα. Το εξωτερικό στρώμα ονομάζεται τραχύ ER επειδή καλύπτεται με ανώμαλα ριβοσώματα. Τα πρωτεϊνικά μόρια συνενώνονται μεταξύ του τραχιού ER και του λείου εσωτερικού στρώματος του ER. Τα κυστίδια μεταφέρουν τις πρόσφατα συναρμολογημένες πρωτεΐνες στο Συσκευές Golgi για περαιτέρω επεξεργασία και διανομή.

• Ριβοσώματα είναι μικροσκοπικές αλλά σημαντικές πρωτεϊνικές δομές. Τα ριβοσώματα αποκωδικοποιούν το αγγελιοφόρο RNA που αντιγράφεται από το DNA και συνθέτουν τα συνταγογραφούμενα αμινοξέα στη σωστή σειρά. Αφού σχηματιστούν στον πυρήνα, τα ριβοσώματα επιπλέουν στο κυτόπλασμα ή συνδέονται με το τραχύ ενδοπλασματικό δίκτυο.
  

• ο κυτόπλασμα είναι ένα ημι-υγρό υγρό μέσα στο κύτταρο που διευκολύνει τις χημικές αντιδράσεις. Ο κυτταροσκελετός - φτιαγμένος από ινώδεις πρωτεΐνες - βοηθά στην τοποθέτηση των οργανιδίων στο κυτταρόπλασμα. Τα χρωματοειδή συμπυκνώνονται σε μίτωση και ευθυγραμμίζονται κατά μήκος του μέσου του κυττάρου πριν απομακρυνθούν από τον μιτωτικό άξονα, ο οποίος αποτελείται από μικροσωληνίσκους στο κυτταρόπλασμα.
  

• Vacuoles είναι θήκες αποθήκευσης στο κελί που συγκρατούν προσωρινά τρόφιμα, νερό και απόβλητα. Τα φυτά έχουν ένα μεγάλο κενό που αποθηκεύει νερό, ρυθμίζει την πίεση του νερού και ενισχύει το κυτταρικό τοίχωμα.
  

• Μιτοχόνδρια είναι κοινώς γνωστοί ως σταθμός παραγωγής ενέργειας του στοιχείου. Η ενέργεια τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP) παράγεται μέσω της κυτταρικής αναπνοής. Τα κύτταρα με υψηλές ενεργειακές ανάγκες περιέχουν μεγάλο αριθμό μιτοχονδρίων.
  

Το DNA των προκαρυωτικών κυττάρων βρίσκεται σε μια περιοχή νουκλεοειδών. Το προκαρυωτικό DNA και τα οργανίδια δεν περιβάλλονται από μεμβράνες. Τα ριβοσώματα που παράγουν πρωτεΐνες είναι το κυρίαρχο οργανοκύτταρο στο κυτταρόπλασμα. Τα βακτήρια αποτελούν παραδείγματα προκαρυωτικών μορφών ζωής. Μερικοί έχουν μαστίγιο μαστίγιο που είναι αισθητήρια οργανίδια.

Τα περισσότερα DNA βρίσκονται στον πυρήνα (πυρηνικό DNA), αλλά μικρές ποσότητες υπάρχουν επίσης στα μιτοχόνδρια (μιτοχονδριακό DNA). Το πυρηνικό DNA ρυθμίζει τον μεταβολισμό των κυττάρων και μεταδίδει γενετικό υλικό από το ένα διαχωριστικό κύτταρο στο άλλο. Το μιτοχονδριακό DNA συνθέτει πρωτεΐνες, δημιουργεί ένζυμα και αναπαράγεται. Τα προκαρυωτικά κύτταρα περιέχουν επίσης DNA, αλλά δεν υπάρχει πυρηνική μεμβράνη ή περίβλημα.

Ένα κύτταρο απαιτεί έναν πυρήνα για ορισμένους από τους ίδιους λόγους που ένα σώμα χρειάζεται μια καρδιά και έναν εγκέφαλο. Ο πυρήνας διαχειρίζεται τις καθημερινές λειτουργίες του κυττάρου. Τα οργανίδια χρειάζονται οδηγίες από τον πυρήνα. Χωρίς πυρήνα, το κύτταρο δεν μπορεί να πάρει αυτό που χρειάζεται για να επιβιώσει και να ευδοκιμήσει.

Ένα κύτταρο χωρίς DNA δεν έχει την ικανότητα να κάνει πολλά από οτιδήποτε άλλο. Οι ζωντανοί οργανισμοί εξαρτώνται από τα γονίδια στο DNA για να καθοδηγήσουν τις πρωτεΐνες και τα ένζυμα. Ακόμη και πρωτόγονες μορφές ζωής έχουν DNA ή RNA. Μέσα στα 46 χρωμοσώματα του ανθρώπινου σώματος, υπάρχουν περίπου 20.500 γονίδια στο DNA που είναι υπεύθυνα για τα τρισεκατομμύρια κύτταρα στον ανθρώπινο ιστό, σύμφωνα με Γενετική πέψη.

Όλοι οι οργανισμοί ξεκινούν με μια μικρή σφαίρα κυττάρων που ειδικεύονται σε πολλούς διαφορετικούς τύπους κυττάρων όπως νευρώνες, λευκά αιμοσφαίρια και μυϊκά κύτταρα. Στην αρχή, όλα τα κύτταρα χρειάζονται έναν πυρήνα για να του πουν τι να κάνει. Οι οδηγίες μπορούν ακόμη και να περιλαμβάνουν προγραμματισμένο θάνατο. Για παράδειγμα, τα μαλλιά, το δέρμα και τα νύχια είναι νεκρά κύτταρα γεμάτα με κερατίνη.

Η αναπαραγωγική ή θεραπευτική κλωνοποίηση περιλαμβάνει την αφαίρεση του πυρήνα ενός κυττάρου ωαρίου και την αντικατάστασή του με τον πυρήνα ενός σωματικού κυττάρου δότη. Στη συνέχεια, το κελί ξεκινά ηλεκτρικά ή χημικά. Υπό προσεκτικά ελεγχόμενες συνθήκες, τα κύτταρα θα αναπτυχθούν και θα διαφοροποιηθούν σε ένα νέο όργανο, ιστό ή οργανισμό που διαθέτει το DNA του δότη.

Τα ώριμα ερυθρά αιμοσφαίρια και τα επιθηλιακά κύτταρα του δέρματος και του εντέρου είναι επιρρεπή σε φθορά, τραυματισμό και μετάλλαξη λόγω μεταφοράς αποβλήτων ή σε επαφή με περιβαλλοντικές τοξίνες. Δεν αποτελεί έκπληξη ότι τα κύτταρα που δεν έχουν πυρήνα πεθαίνουν γρηγορότερα από άλλους τύπους κυττάρων. Η απουσία πυρήνα σε τέτοια κύτταρα προσφέρει προστατευτικό παράγοντα. Εάν αυτά τα κύτταρα είχαν πυρήνα, οι πιθανότητες χρωμοσωμικής βλάβης θα ήταν υψηλότερες και πιθανώς θανατηφόρες τον οργανισμό, εάν επιτρέπεται να διαιρείται και να μεταδίδεται σε απειλητικές για τη ζωή μεταλλάξεις, προκαλώντας ασθένειες και όγκοι.

Χωρίς DNA, τα κύτταρα δεν θα μπορούσαν να αναπαραχθούν, πράγμα που θα σήμαινε εξαφάνιση του είδους. Κανονικά, ο πυρήνας δημιουργεί αντίγραφα χρωμοσωμικού DNA, στη συνέχεια τμήματα DNA ανασυνδυάζονται και στη συνέχεια τα χρωμοσώματα διαιρούνται δύο φορές, σχηματίζοντας τέσσερα απλοειδή κύτταρα αυγού ή σπέρματος. Τα λάθη στη μείωση μπορούν να οδηγήσουν σε κύτταρα που λείπουν DNA και κληρονομικές ασθένειες.

Όπως τα ζωικά κύτταρα, τα φυτικά κύτταρα έχουν έναν πυρήνα εγκλεισμένο σε μεμβράνη που περιέχει DNA. Επιπλέον, τα φυτά περιέχουν χλωροφύλλη, η οποία συλλαμβάνει την ηλιακή ενέργεια για χρήση στη φωτοσύνθεση και τη συγκομιδή ενέργειας των τροφίμων. Με τη σειρά τους, τα φυτά παράγουν τρόφιμα για τον υπόλοιπο ιστό των τροφίμων. Τα φυτά ενισχύουν επίσης το περιβάλλον απελευθερώνοντας οξυγόνο και βυθίζοντας το ατμοσφαιρικό διοξείδιο του άνθρακα.

Η παρουσία ενός πυρήνα επιτρέπει στα φυτά να αναπαράγουν και να διατηρούν τη σταθερότητα του πληθυσμού. Εάν τα φυτά δεν είχαν πυρήνα που κατευθύνει τις δραστηριότητες του κυττάρου, δεν θα μπορούσαν να παράγουν τρόφιμα. Κατά συνέπεια, τα φυτά θα εξαφανίζονταν. Με τη σειρά τους, τα φυτοφάγα θα διακυβευόταν εάν η πηγή τροφής τους είχε εξαλειφθεί.

Η βιοποικιλότητα είναι το κλειδί για την επιβίωση ειδών για πολυκύτταρους οργανισμούς. Τα φυτικά είδη δεν μπορούν να μεταναστεύσουν σε ένα νέο σπίτι εάν οι κλιματικές αλλαγές ή οι φορείς της ασθένειας απειλούν ξαφνικά την επιβίωση ενός είδους που απομονώνεται σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Μέσω του ανασυνδυασμού γονιδίων στη μύωση, υπάρχει γενετική διακύμανση σε πληθυσμούς που καθιστούν ορισμένα φυτά πιο σκληρά και πιο ανθεκτικά, χάρη στο μοναδικό τους γονιδίωμα. Αν και φυτά του ίδιου τύπου μοιάζουν όλα με την πρώτη ματιά, υπάρχουν συνήθως μικρές αλλά σημαντικές διαφορές που παρατηρούνται στο εκπαιδευμένο μάτι.

Για παράδειγμα, δύο φαινομενικά πανομοιότυπα φυτά που αναπτύσσονται το ένα δίπλα στο άλλο μπορεί να έχουν μικρές διακυμάνσεις στο μέσο μέγεθος των φύλλων, τον εξαερισμό και τη δομή της ρίζας λόγω του μοναδικού τους γονότυπου. Τέτοιες λεπτές διαφορές μπορεί να είναι χρήσιμες ή επιβλαβείς εάν αλλάξουν οι περιβαλλοντικές συνθήκες. Για παράδειγμα, σε περιόδους ξηρασίας, τα φυτά αντιμετωπίζουν υψηλότερα ποσοστά εξάτμισης νερού. Τα φυτά με έντονα φλεβικά, μικρά φύλλα μπορεί να είναι πιο κατάλληλα για να επιβιώσουν και να αναπαραχθούν σε ξηρές συνθήκες, για παράδειγμα.

Οι ιοί μπορεί να αποτελούν σοβαρή απειλή το DNA του κυττάρου ξενιστή. Ένας ιός μολύνει τον ξενιστή του με έγχυση μορίων ιικού DNA ή RNA σε κύτταρο ξενιστή. Το ιικό DNA δίνει εντολή στο κύτταρο να παράγει αντίγραφα ιικών πρωτεϊνών αντί για το ίδιο το κύτταρο, για να δημιουργήσει περισσότερους ιούς που συνεχίζουν να αναπαράγονται. Τελικά, το κύτταρο μπορεί να σκάσει και να πεθάνει, εξαπλώνοντας ιούς που θα διαιρεθούν ξανά και ξανά. Συχνές ασθένειες όπως η ανεμοβλογιά και η γρίπη προκαλούνται από ιούς, οι οποίοι δεν ανταποκρίνονται στα αντιβιοτικά.

Οι μαθητές που μελετούν την κυτταρική και τη μοριακή βιολογία πρέπει να έχουν σταθερή αντίληψη για το ρόλο και τη σημασία του DNA σε όλες τις φάσεις του κυτταρικού κύκλου. Χωρίς DNA, οι ζωντανοί οργανισμοί δεν θα μπορούσαν να αναπτυχθούν. Περαιτέρω, τα φυτά δεν μπορούσαν να διαχωριστούν με μίτωση και τα ζώα δεν μπορούσαν να ανταλλάξουν γονίδια μέσω μύωσης. Τα περισσότερα κύτταρα απλά δεν θα ήταν κύτταρα χωρίς DNA.

Δείγμα ερωτήσεων δοκιμής:

Εάν έλειπαν ο πυρήνας και το DNA του, α φυτικό κύτταρο δεν θα μπορούσα οι οποίες από τα ακόλουθα?

1. Ολοκληρώστε τον κυτταρικό κύκλο.
2. Μεγαλώστε μεγαλύτερα.
3. Διαιρέστε με μίτωση.
4. Ολα τα παραπανω.

Εάν έλειπε ο πυρήνας και το DNA του, ένα ζωικό κύτταρο δεν θα μπορούσα να κάνω οι οποίες από τα ακόλουθα?

1. Ολοκληρώστε τον κυτταρικό κύκλο.
2. Μεγαλώστε μεγαλύτερα.
3. Διαιρέστε με meiosis.
4. Ολα τα παραπανω.