Η κεντρική λειτουργία του κενοτοπίου:Κύτταρα φυτών και ζώων

Vacuoles είναι συνδεδεμένα με μεμβράνη οργανίδια που βρίσκονται στα κύτταρα τόσο των ευκαρυωτικών όσο και των προκαρυωτικών οργανισμών. Τα κενοτόπια παίζουν πολλούς ρόλους, αλλά κυρίως λειτουργούν για να προστατεύουν το κύτταρο από πιθανές βλάβες. Όπως μια κυτταρική ηλεκτρική σκούπα, τα κενοτόπια περιπολούν στο κυτταρόπλασμα, περιμένοντας να καταβροχθίσουν τυχόν πιθανές απειλές στη λιπιδική τους μεμβράνη και να τις αποβάλουν από το κύτταρο. Τα κενοτόπια χρησιμεύουν επίσης για να περιέχουν και να μεταφέρουν υλικά απαραίτητα για τη λειτουργία των κυττάρων, όπως μια υπηρεσία κυτταρικής παράδοσης.

Τα κενοτόπια παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά σε φυτά το 1676 από τον Ολλανδό βιολόγο Antonie von Leeuwenhoek. Ο Leeuwenhoek, στον οποίο πιστώνεται επίσης η ανακάλυψη των πρώτων μικροοργανισμών, πίστευε ότι τα κενοτόπια στα φυτά ήταν σε μεγάλο βαθμό κενά. Το 1776, ο Lazzaro Spallanzani ήταν ο πρώτος που εντόπισε εξειδικευμένα κενοτόπια στα πρωτόζωα, αλλά τα προσδιόρισε εσφαλμένα ως αναπνευστικά όργανα. Μόλις τον 19ο αιώνα οι επιστήμονες ανακάλυψαν πραγματικά τη λειτουργία του κενοτόπιου ως απομάκρυνσης κυτταρικών απορριμμάτων και δοχείο αποθήκευσης.

Δομή του κενοτοπίου

Τα κενοτόπια αποτελούνται από ένα διάλυμα ενζύμων και άλλων οργανικών συστατικών που περιβάλλονται από μια διλιπιδική μεμβράνη, ακριβώς όπως η εξωτερική μεμβράνη του μεγαλύτερου κυττάρου. Λειτουργικά, τα κενοτόπια είναι απλώς μεγαλύτερα κυστίδια και πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι τα κενοτόπια της γροθιάς αναπτύχθηκαν από το συνδυασμό μικρότερων κυστιδίων. Η διπλοστοιβάδα λιπιδίων εξυπηρετεί δύο κύριες λειτουργίες:(1) διατηρεί το ενζυματικό διάλυμα και τυχόν στερεά απόβλητα που το κενοτόπιο μπορεί να καταπιεί και να διαχωρίζεται από το υπόλοιπο κύτταρο και (2), η διπλοστιβάδα λιπιδίων είναι επιλεκτικά διαπερατή και ελέγχει ποια πράγματα πηγαίνουν μέσα και έξω από το κενοτόπιο. Δεδομένου ότι η εσωτερική περιοχή ενός κενοτοπίου διαχωρίζεται από το υπόλοιπο κυτταρόπλασμα στο κύτταρο, το εσωτερικό ενός κενοτοπίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απομόνωση και την απομάκρυνση επικίνδυνων ουσιών ή οντοτήτων που μπορεί να θέσουν σε κίνδυνο τη λειτουργία του κυττάρου.

Οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι η λειτουργία των κενοτοπίων στα φυτά και τους μύκητες είναι πιο έντονη από αυτή στα ζώα ή τα βακτήρια. Τα περισσότερα φυτικά κύτταρα έχουν ένα μόνο κεντρικό κενοτόπιο που καταλαμβάνει έως και το 30% του όγκου του μεμονωμένου κυττάρου και πολλά είδη φυτών έχουν διαφορετικά είδη κενοτοπίων, το καθένα εξειδικευμένο για να εξυπηρετεί διαφορετικό λειτουργικό ρόλο. Ορισμένα είδη φυτών μπορεί να έχουν έως και 4 διαφορετικά είδη κενοτοπίων, καθένα από τα οποία είναι εξειδικευμένο για να εκτελεί διαφορετική λειτουργία.

Αντίθετα, τα κενοτόπια στα ζώα τείνουν να διαδραματίζουν πιο δευτερεύοντα ρόλο, κυρίως μεσολαβώντας στη διαδικασία εξωκυττάρωσης και ενδοκυττάρωσης. Τα ζωικά κύτταρα τείνουν να έχουν μεγαλύτερο αριθμό μεμονωμένων κενοτοπίων από τα φυτικά κύτταρα, αν και ορισμένα ζωικά κύτταρα τείνουν να μην έχουν καθόλου κενοτόπια, όπως μυϊκά ή εγκεφαλικά κύτταρα.

Λειτουργίες του κενοτοπίου

Δεδομένου ότι τα κενοτόπια έχουν διαφορετικό χαρακτήρα στα φυτικά και ζωικά κύτταρα, τείνουν επίσης να παίζουν διαφορετικούς ρόλους στα φυτικά και ζωικά κύτταρα.

Στα φυτά, μπορεί να υπάρχουν διαφορετικοί τύποι κενοτοπίων, το καθένα εξειδικευμένο για μια συγκεκριμένη λειτουργία. Για παράδειγμα, το μεγάλο κεντρικό κενό σε ένα φυτικό κύτταρο εκτελεί δύο κύριους ρόλους, αποθηκεύει τα απόβλητα και βοηθούν το φυτό να παραμείνει όρθιο. Όταν το κεντρικό κενοτόπιο είναι γεμάτο νερό, η πίεση που ασκείται στο περιβάλλον κυτταρόπλασμα και το κυτταρικό τοίχωμα κάνει το φυτό να στέκεται όρθιο και να παραμένει άκαμπτο, εφόσον έχει αρκετό νερό. Κατά συνέπεια, όταν τα κενοτόπια αδειάζουν από νερό και «ξεφουσκώνουν», το φυτό χάνει την ακαμψία του και αρχίζει να μαραίνεται. Άλλες λειτουργίες των μικρότερων κενοτοπίων περιλαμβάνουν τη μεταφορά πρωτεΐνης σε διαφορετικές περιοχές του κυττάρου και τη διατήρηση του pH του κυτταροπλάσματος του κυττάρου ελέγχοντας τη ροή των ιόντων Η+ μέσα και έξω από το κύτταρο. Σε πολλούς τύπους μυκήτων, τα κενοτόπια παίζουν πολύ παρόμοιους ρόλους με αυτόν των κενοτοπίων στα φυτά.

Τα κενοτόπια στα ζώα παίζουν έναν πιο δευτερεύοντα ρόλο. Τα ζωικά κύτταρα έχουν μεγαλύτερη ποσότητα κενοτοπίων από τα φυτικά κύτταρα, αλλά είναι πολύ μικρότερα. Τα ζωικά κύτταρα δεν διαθέτουν το παχύ κυτταρικό τοίχωμα που έχουν τα φυτικά κύτταρα, επομένως δεν υπάρχει ανάγκη για ένα κεντρικό κενοτόπιο για να ασκήσει πίεση στο περιβάλλον κύτταρο. Τα κενοτόπια στα ζωικά κύτταρα διευκολύνουν κυρίως την εξωκυττάρωση και την ενδοκυττάρωση. Κατά τη διάρκεια της εξωκυττάρωσης (που σημαίνει «έξω από το κύτταρο»), το κενοτόπιο καταπίνει όλα τα υλικά που δεν θα έπρεπε να υπάρχουν στο κύτταρο και τα μεταφέρει στην κυτταρική μεμβράνη όπου διαχέεται. Κατά τη διάρκεια της ενδοκυττάρωσης (που σημαίνει «μέσα στο κύτταρο» τα κενοτόπια συλλαμβάνουν υλικά που διαχέονται στην εξωτερική μεμβράνη και τα μεταφέρουν όπου χρειάζονται στο κύτταρο. Επιπλέον, τα ζωικά κενοτόπια τείνουν να έχουν υψηλότερες συγκεντρώσεις λυσοσωμάτων προκειμένου να διασπάσουν τυχόν απόβλητα προϊόντα για αφαίρεση.

Τα βακτήρια περιέχουν επίσης κενοτόπια, αν και τείνουν να είναι πολύ απλά και μη εξειδικευμένα οργανίδια. Πολλά βακτηριακά κύτταρα έχουν ένα μοναδικό κεντρικό κενοτόπιο που μπορεί να πάρει έως και το 90% του όγκου του κυττάρου. Τα κενοτόπια στα βακτήρια χρησιμοποιούνται κυρίως για αποθήκευση ή θρεπτικά συστατικά, αλλά ορισμένα βακτήρια έχουν αναπτύξει μάλλον δημιουργικές χρήσεις των κενοτοπίων τους. Για παράδειγμα, τα κυανοβακτήρια χρησιμοποιούν τα κενοτόπια τους ως αυτοσχέδια στραγγαλιστικά πηνία. Επιτρέποντας περισσότερα αέρια στο κενοτόπιο, τα κυανοβακτήρια μπορούν να τροποποιήσουν την άνωσή τους στα υγρά.

Ωστόσο, σε όλα τα είδη οργανισμών, τα κενοτόπια βοηθούν στην απόπτωση. δηλαδή, προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος. Κατά τον κυτταρικό θάνατο, ένζυμα από τα κενοτόπια απελευθερώνονται στο κυτταρόπλασμα και ουσιαστικά τρώνε το κύτταρο από μέσα. Ο προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος χρησιμεύει για την απομάκρυνση ελαττωματικών ή άλλως περιττών κυττάρων από το σώμα για να δημιουργηθεί χώρος για υγιή κύτταρα.

Αν και τόσο τα φυτά όσο και τα ζώα (και οι μύκητες, ορισμένα βακτήρια και ορισμένοι πρωτιστές) έχουν κενοτόπια, το ευρύ φάσμα διαφορετικών χαρακτήρων και λειτουργικών ρόλων τους δείχνει ότι διαφορετικά είδη έχουν αναπτύξει ανεξάρτητα κενοτόπια σε όλη την εξελικτική ιστορία. Δεδομένου ότι τα κενοτόπια εξυπηρετούν μια καθολικά αναγκαία λειτουργία στους ζωντανούς οργανισμούς, την αφαίρεση/μεταφορά ενδοκυτταρικών υλικών, δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι διαφορετικά είδη ανέπτυξαν ξεχωριστά κενοτόπια για να καλύψουν τις ανάγκες τους.

Έτσι, αθροιστικά, το κενοτόπιο είναι ένα οργανίδιο που χρησιμοποιείται κυρίως για τη μεταφορά και την αφαίρεση υλικών από το κύτταρο. Τα περισσότερα ζωντανά πλάσματα έχουν κενοτόπια, αν και ο λειτουργικός τους ρόλος μπορεί να διαφέρει από είδος σε είδος. Χωρίς μια μέθοδο απόρριψης αποβλήτων ή λήψης νέων υλικών, τα κύτταρα δεν θα μπορούσαν να λειτουργήσουν και έτσι τα κενοτόπια διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη λειτουργία των κυττάρων.