Eötvös Loránd Tudományegyetem Könyvtártudományi Informatikai Tanszék Fülöp Géza Az információ

A SEJT

Valamennyi élettani és fiziko-kémiai átalakulás a sejt molekuláris szintjén zajlik le. Ez a megállapítás érvényes az információs folyamatokra is. Ahhoz, hogy ezeket tárgyalhassuk, fel kell elevenítenünk a sejtekkel kapcsolatos ismereteinket.

A sejt az élőlények legkisebb önálló, életképes szerkezeti és működési egysége. Minden mai élőlény sejtes felépítésű. A vírusok ugyan kivételt képeznek, de mégsem igazi kivételek, hiszen ahhoz, hogy bizonyos élettevékenységeket folytassanak, be kell kerülniük egy élő sejtbe.

Salvador E. Luria a következőket mondta: “A sejt... körülhatárolt tér, amelyben az életfolya­ma­tok a különféle mechanizmusok kombinációja révén állandóan az optimálishoz közeli kémiai környezetben mennek végbe. A különféle vegyületek szintézisét a gének és az enzimek működése pontosan szabályozza; a különféle anyagok be- és kiáramlását pedig a sejt­membrán­nak és fehérjéinek tulajdonságai irányítják. Ebben az érzékenyen szabályozott kémiai környezetben a sejtanyagok felépítése és a sejt egyéb funkciói olyan hatásfokkal mennek végbe, amely gyakran meghaladja a leggondosabban megtervezett gépét is.

Nyilván a sejtes szerveződés által lehetővé vált nagyszerű hatásfok tette elavulttá az élet összes precelluláris (sejt előtti) formáit: nem várható ugyanis el, hogy egy kisebb hatásfokú rendszer fennmaradjon egy fejlettebb rendszerrel való versenyben” (Luria, 1973).

A ma élő szervezetekben a sejtek két fő típusát találjuk. A kék algák, egyes baktériumok, gombák sejtjei viszonylag egyszerűek, sejtmaggal nem rendelkeznek, a genetikai információt hordozó DNS-molekula közvetlenül a citoplazmában található. Anyagcseréjük rendszerint anaerob, közvetlen sejtosztódással szaporodnak, nem mutatnak szöveti differenciálódást. A szerveződésnek ez a formája az ősibb, az alacsonyabb szintű, mivel azonban abban az élettérben, abban a közegben, amelyben ezek az élőlények élnek, igen jól bevált, fennmaradt, a fejlődés nem küszöbölte ki.

A sejt szerkezete

A sejtmembrán alapja egy lipidmolekulából álló kettős réteg. A lipidmolekulák legjellemzőbb s a membránalkotás szempontjából igen fontos tulajdonsága, hogy egyik végük vízben oldódó, hidrofil, a másik végük zsírszerű, vízben nem oldódó, hidrofób. A membránlipidek túlnyomó többsége foszfolipid. Vizes közegbe kerülve a foszfolipidmolekulák spontán kettős réteggé rendeződnek, olyanformán, hogy a külső oldalon a víz felé néznek a hidrofil fejek, és befelé, a kettős réteg belseje felé a hidrofób farkok, amelyek kiszorítják onnan a vizet. A kialakuló membránok a vízben gömb alakot vesznek fel, vezikulákat alkotnak. Ennek a jelenségnek energetikai oka van: ez az elrendezés biztosítja a legalacsonyabb szabad energia szintet. A membránokat biológiai szempontból két tulajdonságuk teszi nagyon fontossá: mivel belsejük hidrofób szénhidrogén, átjárhatatlanok a biológiai molekulák - aminosavak, nukleinsavak, fehérjék, cukrok - és ionok számára. Ezért működhetnek válaszfalként. A másik nagyon fontos tulajdonságuk, hogy lágyak, rugalmasak, viszkozitásuk az olajéhoz hasonló. Tulajdon­képpen kétdimenziós folyadékok. “Ha merevek lennének, akkor pl. az emberi nyakban futó idegsejtek minden bólintásnál megrepednének” (Bretscher, 1985). (Jaj lenne a bólogató Jánosoknak!)

A foszfolipid kettős réteg ellátja a hártya elválasztó funkcióját, az elhatárolás feladatát. A köz­le­kedést a membránon keresztül s a többi funkciót a lipidrétegbe ágyazódott fehérjemolekulák biztosítják. Ezek adják meg a különböző membránoknak a sajátos megkülönböztető jegyeket, s hajtják végre speciális feladatait. Mintegy szivattyúként működnek, s a sejt szükségleteinek megfelelően, a kívülről és belülről kapott információk alapján, nyitják és zárják a csatornákat, és biztosítják az anyagok ki- és bevándorlását.

A sejt belsejét, a plazmamembrán által határolt teret a citoplazma tölti ki. Ebben találjuk a sejtmagot, a különböző sejtszervecskéket s a citoszkeletonnak nevezett, erősen strukturált fonalas fehérjevázat, amely a sejtmag és a sejtmembrán belső felülete között húzódik. A citoszkeletont három elkülönülő fonalrendszer alkotja: az átlagosan 6 nanométer átmérőjű mikrofilamentumok, a 22 nanométer átmérőjű mikrotubulusok és a 7-11 nanométer átmérőjű közbenső filamentumok. A mikrofilamentumok alkotó fehérjéje az aktin, a mikrotubulusoké a tubulin, a közbenső filamentumoké sejttípusonként változik. A mikrofilamentum-hálózatnak a sejt mozgásában van szerepe, s a sejthártya stabilitását biztosítja. A mikrotubulusok meghatározzák a sejten belüli térbeli elrendeződést, és irányítópályát biztosítanak a sejtszervecskék mozgásának. A közbenső filamentumok szerepéről még keveset tudunk, de nagyon valószínű, hogy szerkezeti jelentésük van.

Mind a növényi, mind az állati sejtekben előforduló szervecskék a lizoszómák. Lipoprotein membránból és mátrixnak nevezett belső állományból épülnek fel. Funkciójuk a sejt saját anyagainak lebontása és átalakítása, a sejt által bekebelezett anyagok emésztése és a keletkező reziduális anyagok eltávolítása.

A riboszómák a fehérjeszintézis központjai. Egy nagyobb és egy kisebb egységből tevődnek össze, 50%-ban fehérjékből, főleg enzimfehérjéből és 50%-ban RNS-ből felépülő - ribo­nukleo­protein - gömböcskék.

A sejt energiatermelő és -átalakító szervecskéi a mitokondriumok. Szerves molekulákból energiát szabadítanak fel, s azt az adenozin-trifoszfát (ATP) foszfátkötéseiben tárolják. Az ATP-molekulák azután eljutnak azokra a helyekre, ahol energiára van szükség (izom-össze­húzódás, bioszintézisek, ingerület-átvitel stb.), s ott az egyik foszfátkötés felszakadásával felszabadul a szükséges energia.

Az endoplazmás retikulum csövecskékből és hólyagocskákból álló keringési rendszer, amelynek két formája van. A sima felszínű ER részt vesz különböző anyagok szintézisében, glikogén, zsírok anyagcseréjében, a makromolekulák szállításában. Jelentős szerepe van a sejtre mérgező anyagok lebontásában. A szemcsés ER-fehérjéket szintetizál, főleg azokat a fehérjéket, amelyek azután kikerülnek a sejtből (“export fehérjék”).

A Golgi-apparátus, Golgi-komplex sajátos szerkezetű és funkciójú, állandó átalakulásban levő, dinamikus lipoprotein membránok által határolt szervecske. Főleg a mirigysejtekben fejlett. Funkciója a váladékok kondenzálása, membránba csomagolása. Részt vesz a bonyolult makro­molekulák szintézisében, a membránképzésben, a sejten belüli folyamatok szabályo­zásában, az információ átvitelében.

A sejt geometriai központjában található a sejtközpont (citocentrum, centriólum). A sejt mozgásjelenségeinek és osztódásának irányításában játszik szerepet.

A sejt biológiai értékének, működésnek meghatározója, a genetikai információ “adatbankja” a sejtmag. A mag szerkezete és alakja szoros összefüggésben van a sejt életciklusával. A sejt­osztódások közötti (interfázisos) szerkezet különbözik az osztódás folyamán megfigyelhető szerkezettől.

- A magburok komplex membrán- és pórusrendszer, amely körülveszi a magot, elválasztja a magállományt a citoplazmától, de ugyanakkor biztosítja a magfázis és a citoplazmafázis közötti szelektív anyagcserét.

- A nukleoplazma vagy magnedv tartalmazza mindazokat az enzimeket, amelyek a DNS és RNS szintézisét, valamint a transzportfolyamatokat katalizálják, a nukleotidokat, az RNS és DNS építőköveit, valamint azokat az ionokat, amelyek a mag működéséhez szükségesek. A magnedv foglalja magába a kromatint és a magvacskát.

- A magvacska vagy nukleolusz kis mennyiségű DNS mellett RNS-t és fehérjéket tartalmaz (riboszomális fehérjéket, enzimfehérjéket). A magvacskában jelenlévő DNS meghatározza a riboszomális RNS szintézisét, s ez a fehérjékhez kapcsolódva létrehozza a riboszóma kis és nagy egységeit, amelyek a maghártya pórusain keresztül kivándorolnak a citoplazmába. Itt szintetizálódnak a riboszomális fehérjék s a szintézishez szükséges enzimek.

A két osztódás közötti interfázisban a kromatin két alaptípusát lehet megkülönböztetni: az erősen kondenzált, felcsavarodott állapotban levő inaktív heterokromatint és a sejtmag különböző területein szétszórtan megtalálható, laza szerkezetű vékony szálakból álló diffúz vagy aktív eukromatint. A két eltérő megjelenésű formának eltérő funkció felel meg. Az aktív eukromatin környezetében intenzív RNS-szintézis folyik, az átírást ugyanis csak a laza szerkezet teszi lehetővé. A két forma egymásba átalakulhat.

A kromatin szerkezetéről a vizsgálatok azt állapították meg, hogy a kromatinszálak mintegy 200 bázispárt és 8 hiszton molekulát tartalmazó alapegységekből, nukleoszómákból állnak, amelyeket spirálisan felcsavarodott rövidebb DNS-szakaszok kapcsolnak össze. Az így létrejövő 10-11 nm vastag kromatinszálat, amely az eukromatinnak felel meg, DNS-szuperhélixnek is nevezik, utalással arra, hogy a DNS már eleve spirális állapotban van jelen.

A kromatinszál hengerpalástnak megfelelő feltekeredésével jön létre a 20 nm átmérőjű kromatinfonal, a heterokromatin.

A genetikai információt hordozó DNS “összecsomagolása” bonyolult, komplex folyamat. Ismereteink szerint egy sejtmagban annyi DNS molekula van, amennyi az illető fajra jellemző kromoszómaszám, azaz egy kromoszóma egy DNS molekulát tartalmaz. Ember esetében egy diploid sejt tartalma kb. 5,6 pikogram, ami 1,7-2 méter hosszú kettős spirálnak felel meg. Ezzel szemben a maximálisan tömörült metafázisos kromoszómák összhossza csupán 200 mikrométer. Ezt a nagymértékű összecsomagolást (kb. 1/10 000-hez) csak a fentiekben ismertetett szerveződés teszi lehetővé (Sebe, 1986).

A kromoszóma tehát az élő szervezet információtárának, adatbankjának az a sajátos formája, amely a sejtosztódás szakaszában jelenik meg, s biztosítja az információk átadását sejtről sejtre, nemzedékről nemzedékre. A kromoszómát két, alkatilag és összetételében teljesen azonos kromatida, kromatinszál (DNS molekula) alkotja. A kromoszómák száma fajonként igen eltérő, de a fajon belül állandó és jellemző a fajra. Az alábbi táblázat néhány faj kromo­szómaszámát mutatja (Berend, 1980):

A fajra jellemző kromoszómák összességét kromoszómagarnitúrának vagy genomnak nevez­zük. Az ivarosan szaporodó élőlények ivarsejtjében a kromoszómagarnitúrának csak a felét, a kromoszóma-szortimentumot találjuk, ez a haploid kromoszómaszám (n). A szortimentum n-1 szomatikus kromoszómát és egy ivari vagy szex-kromoszómát tartalmaz. Megtermé­kenyítéskor a létrejövő zigótában a két ivarsejt kromoszómáinak száma összeadódik, és kialakul a fajra jellemző diploid kromoszómaszám.

A sejt élete

Az interfázisban a kromoszómákban levő gének aktívak, intenzív szintetizáló tevékenység folyik, s ebben a szakaszban a legélénkebb a sejt anyagcseréje.

Az interfázisnak három szakasza különböztethető meg.

A G₁ szakaszban a kromoszómák egy kromatidából (egy DNS-molekulából) állnak, szerkezetük laza, despiralizált, azaz aktív formában vannak. Ez teszi lehetővé a gének működését. Ebben a szakaszban igen aktív a különböző RNS-fajták, a sejt sajátos funkcióinak ellátásához szükséges anyagok szintézise, s ekkor mennek végbe a sejtre jellemző anyagcsere-folyamatok.

Az S szakaszban megy végbe a DNS megkettőződése, replikációja, s ez biztosítja, hogy osztódáskor mindkét utódsejt rendelkezzék a teljes génállománnyal.

A G₂ szakaszban a sejtosztódás előkészítése folyik. A kromoszómák kondenzálódnak, s rendkívül tömör szerkezetet vesznek fel.

Az élőlények szaporodását, növekedését, szöveteik, szerveik regenerálódását a sejtosztódás biztosítja. Az ivarosan szaporodó élőlények szomatikus (test) sejtjeinek osztódását mitózis­nak, számtartó sejtosztódásnak nevezzük. A 2-2 kromatidát tartalmazó kromoszómák úgy oszlanak meg a két új sejt között, hogy mindkettő azonos kromoszómaszerelvényhez jut. Így alakul ki egyetlen zigótából 10¹⁴-10¹⁵ sejtet tartalmazó felnőtt emberi szervezet.

A meiózis - számfelező sejtosztódás - az ivarsejtek szaporodási formája. Sokkal bonyolultabb, mint a szomatikus sejtek osztódása, s lényege, hogy az egymást követő két osztódás során a keletkező négy utódsejtben a kromoszómák száma a felére csökken, diploid sejtekből haploid sejtek jönnek létre. Az ivarsejtek egyesülése, a megtermékenyülés után visszaáll a fajra jellemző kromoszómaszám, s a gének rekombinációja révén az örökletes tulajdonságokat meghatározó információk újszerű kombinációi jönnek létre.

A meiózis biztosítja a fajok állandóságát azáltal, hogy a kromoszómaredukció révén az ivarsejtek egyesüléséből létrejövő zigóta diploid sejt lesz és nem tetraploid, másrészt lehetővé teszi az egyedek rendkívüli változatosságát.

“Szegény a forgandó, tündér szerencse, hogy e csodát újólag megteremtse” - írja Kosztolányi a Halotti beszédben. S hogy ez mennyire igaz, gondoljuk el: a haploid sejtek kialakulásakor 2²³=8 388 608 féle változat kialakulására van lehetőség. Megtermékenyítéskor 8 388 608 hím ivarsejt találkozhat ugyanennyi női ivarsejttel. Ez 710¹³ variációt eredményez. Ha ehhez a számhoz, amely a ma élő emberiségnek szinte húszezerszerese, hozzávesszük a rekombináció, az átkereszteződés (crossing over) okozta változatokat s az esetleges mutációs változásokat, csak azt mondhatjuk, amit a költő:

                                    Ilyen az ember. Egyedüli példány.
                                    Nem élt belőle több és most sem él,
                                    S mint fán se nő egyforma két levél,
                                    A nagy idő se lesz hozzá hasonló!

Ez tehát a színtér, amelyben az életfolyamatok zajlanak.