Νανοκλιμακα σε σχέση με τον κόσμο μας!

Δομή του κυττάρου

Παραδείγματα Νανοτεχνολογίας

Μόρια Μεθανίου μέσα σε Νανοσωλήνες άνθρακα

Επικοινωνία νευρώνων στη Νανοκλίμακα

Χηµική τοξικότητα και κίνδυνοι

Το ψηµένο στα κάρβουνα κρέας περιέχει καρκινογόνες ουσίες που καλούνται πολυκυκλικοί αρωµατικοί υδρογονάνθρακες. Είναι ασφαλή αυτά τα κρέατα για φαγητό;

Στις µέρες µας ακούµε και διαβάζουµε συνεχώς για τους κινδύνους που εγκυμονούν τα «χηµικά»: για υπολείμματα φυτοφαρμάκων στις τροφές, για επικίνδυνα φάρµακα και πολλά άλλα. Τι θα πρέπει να πιστέψει κανείς;

Η ζωή δεν είναι χωρίς κινδύνους: όλοι µας αντιμετωπίζουμε πολλούς κινδύνους κάθε µέρα. Αποφασίζουµε να κυκλοφορούµε µε ποδήλατο αντί µε αυ­τοκίνητο, ακόµα κι αν ο κίνδυνος θανάτου σε δυστύχημα µε ποδήλατο είναι δέ­κα φορές µεγαλύτερος απ' ό,τι µε αυτοκίνητο. Μπορεί να αποφασίσουµε να καπνίζουµε, αν και το κάπνισµα αυξάνει την πιθανότητα καρκίνου κατά 50%. Καθηµερινά παίρνουµε αποφάσεις που αφορούν στην υγεία µας χωρίς να το σκεφτόµαστε καθόλου.

Τι γίνεται όµως µε τον κίνδυνο από τα χηµικά; Αξιολόγηση του κινδύνου πραγµατοποιείται σε κάθε περίπτωση, εκθέτοντας πειραµατόζωα (συνήθως ποντίκια) σε µια χηµική ουσία και µετά καταγράφοντας ενδείξεις για βλάβες. Για τον περιορισµό του απαιτούµενου χρόνου και κόστους, οι ποσότητες που δίνονται είναι εκατοντάδες ή χιλιάδες φορές µεγαλύτερες από όσες ένας αν­θρώπινος οργανισµός θα µπορούσε να αντέξει. Μόλις τα στοιχεία από τα πει­ραµατόζωα είναι έτοιµα, η ερµηνεία τους οφείλει να λάβει υπόψη της πολλές παραδοχές. Εάν µια ένωση είναι επιβλαβής για τα ζώα, είναι απαραίτητα επι­βλαβής και για τον άνθρωπο; Πώς µπορεί µια µεγάλη δόση για ένα µικρό ζώο να µεταφραστεί σε µια µικρή δόση για ένα µεγάλο ανθρώπινο πλάσµα; Όπως είχε επισηµάνει ήδη από τον δέκατο έκτο αιώνα ο Ελβετός ιατρός Παράκελσος, «η δόση κάνει το δηλητήριο». Όλες οι ενώσεις, συµπεριλαµβανοµένων του νερού και του αλατιού, είναι τοξικές για ορισµένους οργανισµούς και σε ορισµένο βαθµό, µε αποτέλεσµα η διαφορά µεταξύ ωφέλειας και βλάβης να εί­ναι θέµα σχετικό.

Η επίσηµη µέθοδος για την αξιολόγηση της άµεσης χηµικής τοξικότητας, σε αντίθεση µε τη µακροπρόθεσµη τοξικότητα, είναι να αναφέρεται µια τιµή LD₅₀, που αντιστοιχεί στην ποσότητα µιας ένωσης ανά χιλιόγραµµο σωµατι­κού βάρους, η οποία είναι θανατηφόρος για το 50% των πειραµατόζωων. Στον Πίνακα 1  φαίνονται οι τιµές LD₅₀ για διάφορες ενώσεις.

Το πώς αντιδρούµε στον κίνδυνο, εξαρτάται σηµαντικά από το βαθµό εξοι­κείωσης. Η παρουσία χλωροφορµίου στο αστικό δίκτυο ύδρευσης -στο µόλις ανιχνεύσιµο επίπεδο του 0,00000001 %- ξεσήκωσε θύελλα σε πολλές αµερι­κανικές πόλεις, παρόλο που το χλωροφόρµιο έχει τοξικότητα χαµηλότερη από την ασπιρίνη. Πολλές τροφές περιέχουν φυσικά συστατικά πολύ περισ­σότερο τοξικά από τα συνθετικά πρόσθετα ή συντη ρητικά, αλλά τα φυσικά συ­στατικά δεν λαµβάνονται υπόψη διότι τα τρόφιµα είναι πολύ κοινά. Το φυστι­κοβούτυρο, για παράδειγµα, περιέχει πολύ µικρές ποσότητες αφλατοξίνης, µιας ένωσης πολύ πιο καρκινογόνου από το κυκλαµικό νάτριο, ένα τεχνητό γλυκαντικό που ήδη καταργήθηκε ως «υψηλού κινδύνου».

Όλες οι αποφάσεις εµπεριέχουν το στοιχείο του συµβιβασµού. Μπορεί το όφελος από ένα φυτοφάρµακο που θα αυξήσει τη διαθέσιµη τροφή, να εξισω­θεί µε τον κίνδυνο για την υγεία ενός ανθρώπου από το ένα εκατοµµύριο αν­θρώπους, συνολικά, που εκτίθενται σε αυτό; Μπορούν οι θετικές επιδράσεις ενός νέου φαρµάκου να εξισωθούν µε µια πιθανή επικίνδυνη παρενέργεια σε έναν µικρό έστω αριθµό χρηστών; Οι απαντήσεις δεν είναι πάντοτε προφα­νείς, αλλά είναι ευθύνη των νοµοθετών και των καλά πληροφορηµένων πολι­τών να στηρίζουν τις αντιδράσεις τους σε πραγµατικά δεδοµένα µάλλον, παρά σε συναισθηµατισµούς.

Πίνακας 1	Μερικές τιµές LD50•
Ένωση		LD50 (g/Kg)	Ένωση	LD50 (g/Kg)
Αφλατοξινη B1		0,0004	Φορµαλδεύδη	2,4
Ασπφινη		1,7	Kυανιούχο νάτριο	0,015
Χλωροφόρµιο		3,2	Κυκλαµικό νάτριο	17
Αιθυλική αλκοόλη		10,6

Νανοτεχνολογία: Καινοτομίες για τον αυριανό κόσμο

Νανοτεχνολογία-Καινοτομίες για το αυρίο

Η πράσινη χημεία εξορίζει το πετρέλαιο

Πράσινη χημεία & Πετρέλαιο

Καλύτερη ζωή με πράσινη χημεία

Πράσινη Χημεία

Μοριακές βιολογικές μηχανές

Τρόπος με τον οποίο λειτουργεί η μοριακή μηχανή ακτίνης- μυοσίνης

Κίνηση μυών της καρδιάς

Βιοτεχνολογία

Βιοτεχνολογία

Εγκλεισμός των καροτενοειδών σε φυσικά και βιοαποικοδομήσιμα πολυμερή

Η παρουσία ακόρεστων δεσμών στο μόριο των καροτενοειδών τα καθιστά ευαλλοίωτα σε οξείδωση, φως και θέρμανση. Η οξείδωση του β-καροτενίου κατά την εναποθήκευση του έχει ήδη μελετηθεί. Για την αποφυγή της αλλοίωσης τους τα καροτενοειδή θα πρέπει να προστατευθούν υπό κάποια μορφή πριν την εμπορική χρησιμοποίηση τους. Στο πεδίο της κατεργασίας των τροφίμων η τεχνική του μίκρο- ή/και νανοεγκλεισμού χρησιμοποιείται ευρύτατα. Κατά τον εγκλεισμό (encapsulation) μιας ευαίσθητης ουσίας, αυτή επικαλύπτεται με ένα υλικό που λειτουργεί σαν διαχωριστικό μεταξύ αυτής και του περιβάλλοντος. Υπό την απλούστερη έννοια ο εγκλεισμός μιας ουσίας μπορεί να γίνει με το σχηματισμό γαλακτώματος της σε ένα διάλυμα που περιέχει το υλικό του τοιχώματος και στη συνέχεια ξήρανση του διαλύματος, έτσι ώστε το υλικό του τοιχώματος επικαλύπτει ή παγιδεύει την ουσία στο εσωτερικό του, παρέχοντας ένα φραγμό στο οξυγόνο και τους υδρατμούς. Η ξήρανση του διαλύματος μπορεί να οδηγήσει σε σκόνη (περίπτωση ξήρανσης με ψεκασμό, spray drying) ή σε στερεό που μπορεί να κονιορτοποιηθεί σε σωματίδια διαφόρων μεγεθών (περίπτωση λυοφίλισης). Η ξήρανση με ψεκασμό είναι η πλέον χρησιμοποιούμενη σε περιπτώσεις εγκλεισμού ουσιών και το κόστος της είναι 30 με 50 φορές μικρότερο αυτού της λυοφίλισης. Επιπλέον προσφέρει το πλεονέκτημα της συνεχούς λειτουργίας και τη δυνατότητα εύκολης μεταφοράς της τεχνολογίας της σε βιομηχανική κλίμακα. Η ξήρανση με ψεκασμό αποτρέπει την συνένωση των μικρότερων σωματιδίων που μπορεί να συμβεί σε διασπορές, και λαμβάνεται έτσι μια ξηρή σκόνη που μπορεί εύκολα να επαναδιασπαρεί και να αποθηκευθεί ευκολότερα. Εκτός από την παραπάνω περίπτωση εγκλεισμού, που είναι και η πλέον χρησιμοποιούμενη, έχει αναπτυχθεί επίσης ένα μεγάλο πλήθος μεθόδων μικροεγκλεισμού, όπως με το διαχωρισμό φάσεων (coacervation), συγκρυστάλλωση, πολυμερισμός σε διεπιφάνειες.

Έχει ήδη μελετηθεί ο μικροεγκλεισμός του β-καροτενίου και του λυκοπενίου σε μίγματα ζελατίνης-ζακχαρόζης . Σε όλες τις περιπτώσεις νανοεγκλεισμού που βιβλιογραφικά περιγράφονται, η τελική μορφή τους είναι κοκκιώδης μετά τη ξήρανση με ψεκασμό. Σε αυτές η δραστική ουσία βρίσκεται σε συγκεντρώσεις 5-10%, ενώ το υπόλοιπο αποτελείται από το υλικό του εγκλεισμού και άλλα πρόσθετα.

Λιποσώματα

Τα λιποσώματα είναι καθορισμένα λιπιδικά κυστίδια, με μέγεθος που συνήθως κυμαίνεται σε διάμετρο από 0.05-5 μm, και τα οποία βρίσκονται στο επίκεντρο του ερευνητικού ενδιαφέροντος, ως φορείς φαρμάκων και βιολογικά δραστικών ουσιών καθώς και για τη βελτίωση της απόδοσής τους στους οργανισμούς. Τα λιποσώματα μελετώνται για την απόδοση βιολογικά δραστικών ουσιών κυρίως για τους εξής λόγους: 1) την αδυναμία αυτών των ουσιών να επιτύχουν την επιθυμητή συγκέντρωση στην επιθυμητή περιοχή, 2) την κυτταροτοξικότητά τους, και 3) προβλήματα που σχετίζονται με τη χορήγησή τους (για παράδειγμα χαμηλή διαλυτότητά τους σε κατάλληλο φορέα). Τα λιποσώματα συντίθενται από υλικά τα οποία είναι σχετικά βιοσυμβατά και βιοαποικοδομήσιμα, σχηματίζονται αυθόρμητα κατά την ενυδάτωση συγκεκριμένων λιπιδίων, και αποτελούνται από ένα υδατικό διάλυμα εντός ενός κυστιδίου μιας ή περισσότερων διπλοστοιβάδων φυσικών ή/και συνθετικών λιπιδίων (Σχήμα 1).

Τα λιποσώματα μπορούν να ταξινομηθούν με διαφόρους τρόπους, έως σήμερα ταξινομούνται κυρίως με βάση τη σύστασή τους και με βάση το μέγεθος τους. Τα λιποσώματα αποτελούνται από φυσικά ή/και συνθετικά λιπίδια (φωσφο- και σφίγγο-λιπίδια) και ίσως περιέχουν και άλλα συστατικά, όπως χοληστερόλη και υδρόφιλα πολυμερή. Τα λιποσώματα μπορούν να ταξινομηθούν με βάση τη σύστασή τους και το μηχανισμό της απόδοσης της εγκλεισμένης ουσίας εντός του κυττάρου σε: 1) συμβατικά (conventional) λιπίδια (CL), 2) ευαίσθητα σε pH λιποσώματα, 3) κατιονικά λιποσώματα, 4) ανοσολιποσώματα και 5) λιποσώματα μακράς παραμονής στο κυκλοφορικό (LCL, long-circulating liposomes). Ανάλογα με το μέγεθός τους και τον αριθμό των διπλοστοιβάδων τους τα λιποσώματα μπορούν να ταξινομηθούν σε τρεις κατηγορίες: 1) πολυφυλλώδη κυστίδια (MLV), 2) μεγάλα μονοφυλλώδη κυστίδια (LUV) και μικρά μικροφυλλώδη κυστίδια (SUV) (Σχήμα 1). Το μέγεθός τους κυμαίνεται γενικά από πολύ μικρά (0.025 μm) μέχρι μεγάλα κυστίδια (2.5 μm) και αποτελεί κρίσιμο παράγοντα όσον αφορά το χρόνο ημιζωής τους στο κυκλοφορικό και την έκταση του εγκλεισμού σε αυτά.

Τα λιποσώματα λόγω του αμφίφιλου χαρακτήρα τους μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο ως φορείς λιπόφιλων όσο και υδρόφιλων ουσιών. Ανάλογα με τη διαλυτότητα και τα χαρακτηριστικά της κατανομής της (partitioning), τα μόρια της ουσίας εντοπίζονται σε διαφορετικά σημεία του κυστιδίου των λιποσωμάτων και έχουν διαφορετική παγίδευση και ιδιότητες απελευθέρωσης (Σχήμα 14.1). Οι ισχυρά λιπόφιλες ουσίες (log Poct > 5) παγιδεύονται σχεδόν αποκλειστικά στη λιπιδική διπλοστοιβάδα των λιποσωμάτων για το λόγο ότι είναι ελάχιστα διαλυτές στο νερό, έτσι προβλήματα που σχετίζονται με την απώλεια της εγκλωβισμένης ουσίας στο υδατικό περιβάλον των λιποσωμάτων κατά την αποθήκευση, είναι αμελητέα.

Σχήμα 1 Διάκριση των λιποσωμάτων ανάλογα με το μέγεθος τους και το πλήθος των διπλοστοιβάδων τους

Aιθέρια έλαια

Τα αιθέρια έλαια αποτελούνται από πτητικές, λιπόφιλες ενώσεις που εκχυλίζονται από τα φυτά με απόσταξη. Έχουν χρησιμοποιηθεί, όπως ήδη αναφέρθηκε, εδώ και αιώνες για το άρωμα τους, τη γεύση τους, τις αντισηπτικές ιδιότητες τους ως συντηρητικά. Από χημικής άποψης τα αιθέρια έλαια είναι μεταβλητά μίγματα τερπενοειδών που κυρίως αποτελούνται από μονοτερπένια (C10) και σεσκιτερπένια (C15), παρόλο που μπορεί να παρίστανται και διτερπένια (C20). Περιλαμβάνουν, επίσης, μια ποικιλία από χαμηλού μοριακού βάρους αλειφατικούς υδρογονάνθρακες, οξέα, αλκοόλες, αλδεϋδες, άκυκλους εστέρες ή λακτόνες και μερικές φορές και ενώσεις με Ν και S, όπως κουμαρίνες και ομόλογες ενώσεις των φαινυλοπροπανοειδών.

Βιταμίνη Β12

      Βιταμίνη Β₁₂  είναι το  γενικό όνομα μιας ομάδας συγγενικών ουσιών   μικροβιακής προέλευσης. Παρόλo που  είναι η βιταμίνη που χαρακτηρίστηκε τελευταία η ιστορία της είναι μεγάλη, χρονολογούμενη από το 1824 όταν ο Combe πρότεινε τη σχέση μεταξύ κακοήθους αναιμίας, μιας αρρώστιας χαρακτηριζόμενης από ελαττωματικό σχηματισμό των ερυθρών αιμοσφαιρίων   με  διαταραχές  του  πεπτικού συστήματος.

       Συμπληρωματική  μελέτη  για την μεγοβλαστική  ή κακοήθη  αναιμία, ειδικά η εργασία  του  Addison, συνεχίστηκε για περισσότερα από 100  χρόνια πριν ο G. Minot και  ο  W. Murphy  αναφέρουν  ότι  μια  δίαιτα  που  περιείχε  μεγάλα  ποσά  ήπατος  επανέφερε  στο  φυσιολογικό επίπεδο τα ερυθρά αιμοσφαίρια σε ασθενείς με κακοήθη αναιμία. Αυτή η  εντυπωσιακή  κλινική  ανακάλυψη  βασίστηκε  στη  διαπίστωση  των  Whipple  και Robscheit-Robbins ότι  το συκώτι  ήταν προς  όφελος της  ανάπλασης του αίματος σε σκύλους με  αναιμία. Για αύτη τους την  εργασία οι Whipple, Minot και  Murphy τιμήθηκαν  με  το  βραβείο  Νομπέλ  ιατρικής  και  φυσιολογίας  το  1934.

           Το 1929 ο Castle συνδύασε την εργασία του Combe και Addison με αυτή  των Whipple, Minot  και  Murphy με το να προτείνει   ότι  ένας εξωγενής και ένας ενδογενής παράγοντας  εμπλέκονται  στον  έλεγχο της κακοήθους  αναιμίας. Ο  εξωγενής παράγοντας, από   την  τροφή, είναι η βιταμίνη  Β₁₂ . Ο  ενδογενής  παράγοντας  είναι  μια  ειδική  Β₁₂-δεσμεύομενη  πρωτεΐνη  (IF) εκκρινόμενη στο στομάχι. Αυτή η πρωτεΐνη χρειάζεται  για την προσρόφηση  της βιταμίνης  Β₁₂.

         Η  έρευνα  για τα  επόμενα  20 χρόνια  επικεντρώθηκε  στον  καθαρισμό  του εξωγενούς παράγοντα από το ήπαρ. Η  εργασία  ήταν αργή και  κοπιαστική, διότι  κλάσματα  δοκιμαζόταν  σε  ασθενείς  με  κακοήθη  αναιμία. Η  ανακάλυψη  από τον  Dorner  ότι  ο  Lactobacillus  lastis χρειάζεται  εκχυλίσματα   ήπατος  για  την ανάπτυξη  του επιτάχυνε κατά πολύ τη  διεργασία  για την  απομόνωση της. Το 1948, ομάδες  στο Merck  των  ΗΠΑ και στο Glaxo  της  Αγγλίας ανέφεραν την απομόνωση   της  βιταμίνης   Β₁₂  (κυανοκοβαλαμίνης) ως  κρυσταλλική  κόκκινη  χρωστική. Το όνομα Β₁₂ ορίσθηκε για τον παράγοντα αυτό διότι ο αριθμός 12 ήταν ο πρώτος διαθέσιμος στον κατάλογο των βιταμινών Β. Η  κλινική αποτελεσματικότητα  αυτού του υλικού στην  θεραπεία  της  κακοήθους  αναιμίας  καθιερώθηκε  γρήγορα.

           Παράλληλα  παρατηρήθηκε  το  1930 ότι  τα  περισσότερα  εκτρεφόμενα  ζώα  είχαν ανάγκη  από  έναν  παράγοντα   εκτός  από  της  μέχρι  εκείνης  της  εποχής  γνωστές  βιταμίνες. Η έλλειψη αυτού του παράγοντα  έγινε  εμφανής, όταν ταΐστηκαν κότες ή  χοίροι με  μια δίαιτα που περιείχε μόνο φυτικές  πρωτεïνες  και  έγινε  εμφανής ο αργός  ρυθμός  ανάπτυξης  και  υψηλή  θνησιμότητα. Έγινε  εμφανές  ότι  ο  απαιτούμενος  παράγοντας, οριζόμενος  ως  ζωικός  πρωτεϊνικός  παράγοντας, ήταν  παρών σε ζωικές πηγές, όπως το κρέας και  εκχυλίσματα ιστών, γάλα, τυρόγαλα  και στην κοπριά των αγελάδων. Μεταγενέστερα της  απομόνωσης της, αποδείχθηκε ότι η  βιταμίνη  Β₁₂   είναι  η  ίδια  με  τον ζωικό  πρωτεϊνικό   παράγοντα.

Βιταμίνες

     Το θεμέλιο της διατροφικής επιστήμης τέθηκε κατά τη διάρκεια του 19^ου αιώνα, όταν ο Liebig απέδειξε ότι τα τρόφιμα αποτελούνται από τρία κύρια στοιχεία. Αυτά τα στοιχεία είναι οι πρωτεΐνες, οι υδατάνθρακες και τα λίπη. Και την ίδια περίοδο ο Voit και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι οι υδατάνθρακες “καίγονται” μέσα στο σώμα για την παραγωγή ενέργειας, οι πρωτεΐνες χρησιμοποιούνται για την δημιουργία ιστών και τα λίπη αποτελούν ένα ενεργειακό απόθεμα, το οποίο το σώμα χρησιμοποιεί σε περίπτωση ενέργειας. Είναι δύσκολο να προσδιοριστεί πότε αυτή η απλή γενική ιδέα κατέληξε να θεωρηθεί ως ανεπαρκής ως βάση για την εκτίμηση της σπουδαιότητας των διαφόρων διατροφικών ειδών.

        Η ανθρωπότητα αντιμετώπιζε από την αρχαιότητα αρρώστιες οι οποίες είχαν σχέση με την ποιότητα των τροφίμων. Οι αρρώστιες αυτές αντιμετωπιζόταν αρχικά με εμπειρικούς τρόπους. Από τον 18^ο αιώνα ακόμη οι ναυτικοί γνώριζαν ότι το σκορβούτο μπορούσε να προβλεφθεί με τη κατανάλωση χυμού λεμονιού και φρέσκων λαχανικών, ενώ το 1885 ο Γιαπωνέζος ναύαρχος Takaki εξάλειψε την νόσο μπέρι-μπέρι από το Ιαπωνικό ναυτικό με την βελτίωση της διατροφής των ναυτών. Η πιο σημαντική ίσως χρονολογία στην ιστορία των βιταμινών είναι το 1897, όταν ο Dr. C. Eijkman ένας Ολλανδός γιατρός ο οποίος εργαζόταν σε μια αποικία της Ιάβας, άρχισε να μελετά την νόσο μπέρι-μπέρι, μια κοινή ασθένεια των γηγενών η οποία έως εκείνη την εποχή αποδιδόταν σε μια βακτηριακή μόλυνση. Παρατήρησε λοιπόν αυτός τότε ότι τα κοτόπουλα στην αυλή της φυλακής υπέφεραν από ένα είδος αδυναμίας στα πόδια, όμοια με την παράλυση από μπέρι-μπέρι, από την οποία υπέφεραν οι κρατούμενοι. Αν οποιοσδήποτε άλλος είχε προσέξει αυτή την ομοιότητα θα είχε οδηγηθεί στο συμπέρασμα το οποίο ήταν προφανές: ότι τα κοτόπουλα είχαν μολυνθεί από τον άνθρωπο! Ωστόσο ο Eijkman έκανε ακόμη μια παρατήρηση: όταν η τροφή των κοτόπουλων άλλαξε από απροσεξία από αποφλοιωμένο ρύζι, με το οποίο τρεφόταν οι κρατούμενοι, σε μη αλεσμένο ρύζι η παράλυση των πτηνών θεραπεύτηκε. Αυτό οδήγησε τον Eijkman στο συμπέρασμα ότι η μπέι-μπέρι συνδεόταν με κάποιο τρόπο με την διατροφή και όχι με μόλυνση. Μετά ταύτα ο Eijkman άρχισε να πειραματίζεται και διαπίστωσε ότι μπορούσε να προκαλέσει παράλυση στα κοτόπουλα, ταΐζοντας τα με αποφλοιωμένο ρύζι, και στη συνέχεια να θεραπεύσει την παράλυση, με την προσθήκη των φλοιών του ρυζιού στην τροφή τους. Ο συνεργάτης του Grijns μεταγενέστερα απέδειξε ότι τα φασόλια προλάμβαναν επίσης την παράλυση των πτηνών και της ασθένειας μπέρι-μπέρι. Ο παράγοντας ο οποίος με αυτό τον τρόπο αποδείχθηκε ότι ήταν παρών σε αυτά τα διατροφικά προϊόντα αργότερα έγινε γνωστός ως βιταμίνη Β. Έτσι ένα τέταρτο απαραίτητο στοιχείο για τη διατροφή αναγνωρίσθηκε και προστέθηκε από τους διαιτολόγους του 19^ου αιώνα στα άλλα τρία – υδατάνθρακες, πρωτεΐνες και λίπη – οι βιταμίνες.

         Το 1930, λίγους μήνες πριν από τον θάνατο του, ο Eijkman τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ ως αναγνώριση για της ανακαλύψεις του. Το βραβείο το μοιράστηκε με έναν άλλο πρωτοπόρο της επιστήμης των βιταμινών, τον Sir Fredric Gowland Hopkins. Ο τελευταίος ήταν για μια περίοδο πρόεδρος της Royal Society. Ο Hopkins έδειξε ότι ο ρυθμός ανάπτυξης των αρουραίων οι οποίοι τρεφόταν με καθαρή τροφή ελαττωνόταν ταχέως έως το θάνατο των ζώων. Με την προσθήκη γάλακτος στην διατροφή τους, σε ποσότητες οι οποίες περιείχαν ασήμαντα ποσοστά πρωτεϊνών και υδατανθράκων, ρυθμιζόταν η πτώση του ρυθμού ανάπτυξης και έδινε τη δυνατότητα στα ζώα να ζήσουν και να αναπτυχθούν. Το κλασικό πείραμα του Hopkins επαναλήφθηκε, με κατάλληλη τροποποίηση, από όλους του μεταγενέστερους, οι οποίοι μελέτησαν παράγοντες ανάπτυξης των ανώτερων ζώων. Ένα άλλο όνομα στενά σχετιζόμενο με την ιστορία των βιταμινών είναι αυτό του Πολωνού Casimir Funk, ο οποίος εργαζόταν στο Ινστιτούτο Lister, στο Λονδίνο. Αυτός έκανε γνωστή την εργασία του Eijkman σε ένα μεγαλύτερο επιστημονικό κοινό και προέβλεψε την ύπαρξη και άλλων ασθενειών έλλειψης. Το 1911 δημοσίευσε μια σειρά εγγράφων τα οποία περιέγραφαν την απομόνωση από τον φλοιό του ρυζιού μιας ουσίας, η οποία θεράπευε την μπέρι-μπέρι. Ένα χρόνο αργότερα, το 1912, εισήγαγε τη λέξη “vitamine” για την περιγραφή του παράξενου παράγοντα ο οποίος ήταν υπεύθυνος για τη θεραπεία των ασθενειών έλλειψης. Χαρακτηριστικά έγραψε:“Οι ελλιπείς ουσίες οι οποίες είναι της φύσης των οργανικών βάσεων θα τις αποκαλούμε ‘vitamine’ και θα μιλάμε για την μπέρι-μπέρι ή τη σκορβούτο βιταμίνη, η οποία είναι μια ουσία η οποία προλαμβάνει την συγκεκριμένη ασθένεια”. Η λέξη ‘vitamine’ παρέμεινε σε χρήση έως το 1920, οπότε και έγινε αντιληπτό ότι μόνο μερικές από αυτές τις ουσίες είναι οργανι-κές βάσεις. Τότε προτάθηκε ότι θα έπρεπε να αλλάξει το όνομα σε “vitamin” με την έννοια ότι μια βιταμίνη είναι “μια ουδέτερη ουσία με απροσδιόριστη σύσταση”.

         Ο όρος ‘vitamine’ ή ’vitamin’ επομένως προέρχεται από τις αγγλικές λέξεις ‘vital’και ‘amine’, δηλαδή ζωτικής σημασίας αμίνη. Αυτό δικαιολογείται από την αρχική εκτίμηση ότι οι βιταμίνες θα έπρεπε να είναι όλες αμίνες.

         Χημικά οι βιταμίνες έχουν μικρή ομοιότητα μεταξύ τους και έτσι δεν είναι εύκολη η ταξινόμηση τους. Είναι όμως όλες απαραίτητες οργανικές ενώσεις, οι οποίες είτε δεν συντίθενται στον ανθρώπινο οργανισμό και των ανώτερων ζώων είτε σχηματίζονται μόνο σε ανεπαρκείς ποσότητες. Για το λόγο αυτό οι βιταμίνες θα πρέπει να λαμβάνονται τακτικά με την τροφή, είτε αυτούσιες είτε με τη μορφή πρόδρομων ουσιών (προβιταμίνες), οι οποίες μπορούν εύκολα να μετατραπούν μέσα στο σώμα σε βιταμίνες. Συνεπώς συνοψίζοντας θα μπορούσε να ειπωθεί ότι ο όρος βιταμίνη απευθύνετε σε κάθε ένωση ή ομάδα συγγενών ενώσεων η οποία ικανοποιεί τα ακόλουθα κριτήρια:

1.      Είναι μια οργανική ένωση, παρά ανόργανη ή στοιχείο.

2.      Δεν είναι δυνατόν να συντεθεί εξολοκλήρου (ή τουλάχιστον σε επαρκή ποσά) στον οργανισμό και πρέπει να απαντάται στην τροφή.

3.      Η απουσία της προκαλεί μια συγκεκριμένη ασθένεια έλλειψης  της βιταμίνης.

4.      Η παρουσία της είναι απαραίτητη για την φυσιολογική ανάπτυξη και υγεία του οργανισμού.

5.      Είναι παρούσα στα τρόφιμα σε μικρές συγκεντρώσεις και δεν είναι υδατάνθρακας, σαπονοποιήσιμο λιπίδιο, αμινοξύ ή πρωτεΐνη.

         Ο Lipmann σχολίασε ότι:“οι γιατροί αρέσκονται να γράφουν συνταγές για βιταμίνες σε εκατομμύρια ανθρώπους, αλλά χρειάζεται πολύ καλή γνώση της βιοχημείας για να κατανοήσουμε που χρειάζονται και πως τις αξιοποιεί ο οργανισμός”. Πολλές βιταμίνες συμμετέχουν στις βιοχημικές αντιδράσεις των θηλαστικών ως συμπαράγοντες ή συνένζυμα. Τα μόρια των βιταμινών διαδραματίζουν περίπου τους ίδιους ρόλους για όλες τις μορφές ζωής, αλλά τα πιο εξελιγμένα ζώα έχουν χάσει την ικανότητα να τα συνθέτουν.  Συνεπώς οι μεταβολικές λειτουργίες των βιταμινών είναι κυρίως καταλυτικές ή ρυθμιστικές. Σε αντίθεση με τα θρεπτικά τα οποία εξασφαλίζουν ενέργεια, οι βιταμίνες απαιτούνται μόνο σε εξαιρετικά μικρά ποσά (μικροθρεπτικά). Μια ανεπαρκής κάλυψη των αναγκών σε μια βιταμίνη οδηγεί σε ένα τυπικό παθολογικό σύμπτωμα έλλειψης, το οποίο μπορεί να αναστραφεί με τη χορήγηση της ελλιπούς βιταμίνης.

         Στην βάση των προηγούμενων ορισμών, δεκατρείς ενώσεις ή ομάδες ενώσεων έχουν καταταγεί ως βιταμίνες για τον άνθρωπο. Οι βιταμίνες μπορούν να ομαδοποιηθούν σύμφωνα με τη διαλυτότητα τους στο νερό ή σε μη πολικούς διαλύτες. Οι λιποδιαλυτές βιταμίνες Α, Ε, D₃ και Κ προκύπτουν από το βιοσυνθετικό μονοπάτι του ισοπρενίου. Οι υδατοδιαλυτές βιταμίνες, σύμπλεγμα βιταμινών Β και βιταμίνη C, έχουν πολύ λιγότερο κοινή βιοσυνθετική καταγωγή. Το σύμπλεγμα των βιταμινών Β περιλαμβάνει την θειαμίνη, τη ριβοφλαβίνη, την πυριδοξίνη, την κυανοκοβαλαμίνη, το παντοθενικό οξύ τη βιοτίνη, τη νιασίνη και το φολικό οξύ.

Aνοσοποιητικό σύστημα

         Το ανοσοποιητικό σύστημα των σπονδυλωτών είναι ένα απέραντο δίκτυο από μόρια και κύτταρα που έχουν ένα μόνο στόχο: να διαχωρίζουν μεταξύ του εαυτού και του ξένου. Η πρωταρχική του λειτουργία είναι η προστασία των σπονδυλωτών από τους μικροοργανισμούς - ιούς, βακτήρια και παράσιτα. Το ανοσοποιητικό σύστημα εξετάζει συνεχώς αναρίθμητα μόρια για να αποφασί­σει ποια από αυτά είναι ξένα και να κάνει το πρώτο βήμα για την καταστρο­φή τους. Μαθαίνει μάλιστα από τις εμπειρίες του και θυμάται τι έχει συναντή­σει στο παρελθόν. Τα τρία χαρακτηριστικά του γνωρίσματα είναι η εξειδίκευση, η προσαρμογή και η μνήμη. Για την επίτευξη των σκοπών του χρησιμο­ποιεί δύο διαφορετικές αλλά σχετιζόμενες μεταξύ τους στρατηγικές. Τα μόρια αναγνώρισης στη χυμική ανοσολογική απόκριση είναι διαλυτές πρωτεΐνες που ονομάζονται αντισώματα και παράγονται από τα πλασματο-κύτταρα. Στην κυτταρική ανοσολογική απόκριση, τα Τ λεμφοκύτταρα, σκοτώνουν κύτταρα που έχουν ξένες ουσίες στην επιφάνεια τους. Επίσης διεγείρουν τη χυμική από­κριση βοηθώ-ντας τα Β λεμφοκύτταρα που είναι τα πρόδρομα κύτταρα των πλασματοκυττάρων.

        Τα αντισώματα (antibodies) ή ανοσοσφαιρίνες είναι πρωτεΐνες που φτιάχνονται από κάθε ζώο εξ αιτίας της παρουσίας μέσα του μίας ξένης ουσίας. Εκκρίνονται δε από τα πλασματοκύτταρα που προέρχονται από τα Β λεμφοκύτταρα (Β κύτταρα). Αυτές οι διαλυτές πρωτεΐνες είναι τα μόρια αναγνώρισης για τη χυμική ανοσολογική απόκριση (από τη λέξη χυμός). Κάθε ξένο μόριο που είναι ικανό να προκαλέσει τον σχηματισμό αντισώματος ονομά-ζεται αντιγόνο (antigen) ή ανοσογόνο. Οι πρωτεΐνες, οι πολυσακχαρίτες και τα νουκλεϊνικά οξέα είναι συνήθως αποτελεσματικά αντιγόνα. Η ειδική συγγένεια ενός αντισώματος δεν αφορά ολόκληρο το μακρομοριακό αντιγόνο, αλλά μία συγκεκριμένη θέση του που ονομά-ζεται αντιγονικός προσδιοριστής (antigen determinant) ή επίτοπος.

         Τα περισσότερα μικρά ξένα μόρια δεν προκαλούν τον σχηματισμό αντισωμάτων. Όμως τα μόρια αυτά μπορούν να προκαλέσουν τη σύνθεση ειδικού αντισώματος αν είναι συνδεδε-μένα με μακρομόρια. Το μακρομόριο τότε εί­ναι, ο φορέας (carrier) της συνδεδεμένης χημικής ομάδας που ονομάζεται απτενικός προσδιοριστής (haptenic determinant). Το μικρό ξένο μό-ριο αυτό καθ’ αυτό ονομάζεται απτένιο (hapten). Τα αντισώματα που προκαλούνται από συν-δεδεμένα απτένια μπορούν να δεσμεύσουν το ίδιο καλά και ελεύθερα απτένια.

         Το ανοσοποιητικό σύστημα μπορεί να αναγνωρίσει και να παράγει αντισώματα για κάθε σχεδόν μόριο του σύμπαντος. Αυτή η τεράστια ποικιλία οφείλεται στον επινοητικό ανασυνδυασμό αλληλουχιών του DNA που κωδικοποιούν τα στοιχεία του ανοσοποιητικού συστήματος.

Μοριακά αποτυπωμένα πολυμερή

Τα μοριακά αποτυπωμένα πολυμερή (MIP) είναι τεχνολογικά προηγμένα πολυμερικά υλικά, τα οποία έχουν βρει εφαρμογή σε εκλεκτικούς διαχωρισμούς μικρών μορίων και ουσιών με βιολογικό ενδιαφέρον. Παράγονται κατά το συμπολυμερισμό ενός λειτουργικού μονομερούς (functional monomer) και ενός μονομερούς δημιουργίας διακλαδώσεων (crosss-linker) παρουσία ενός συγκεκριμένου μορίου, του μορίου αποτύπωσης (template), το οποίο λειτουργεί ως μοριακό ‘εκμαγείο’. Τα λειτουργικά μονομερή έχουν την ικανότητα δημιουργίας δεσμών (ομοιοπολικών ή μη) με το μόριο αποτύπωσης στο αρχικό διάλυμα πολυμερισμού, και έτσι μετά από τον πολυμερισμό και την απομάκρυνση του μορίου αποτύπωσης μια τρισδιάστατη κοιλότητα σχηματίζεται στο στερεό, ισχυρά διακλαδισμένο, πολυμερικό φορέα. Η κοιλότητα αυτή είναι συμπληρωματική τόσο γεωμετρικά όσο και χημικά με το μόριο αποτύπωσης και έτσι το πολυμερές κατέχει πλέον ένα είδος μοριακής μνήμης. Μπορούν έτσι να επαναδεσμεύουν το μόριο αποτύπωσης με υψηλή συγγένεια και εκλεκτικότητα, όπως τα αντισώματα αναγνωρίζουν τα αντιγόνα. Τα ΜΙΡ παρουσιάζουν μεγαλύτερη θερμική και χημική σταθερότητα σε αντίθεση με τα φυσικά αντισώματα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν επαναλαμβανόμενα, χωρίς απώλεια της ικανότητάς τους να αναγνωρίζουν το μόριο αποτύπωσης.   

                  Η ανάπτυξη των MIP τις τελευταίες δεκαετίες, που είναι ραγδαία με σκοπό τόσο τη βασική έρευνα όσο και τη χρήση τους σε πρακτικές εφαρμογές, αντικατοπτρίζεται στον αριθμό των σχετικών δημοσιεύσεων που επιδεικνύουν σχεδόν εκθετική αύξηση. Ως αρχική ιδέα για την ανάπτυξη των MIP θα μπορούσε να θεωρηθεί η καθοδηγητική θεωρία της παραγωγής αντισωμάτων από τον Linus Pauling, παρόλο που η ιδέα των μοριακών αλληλεπιδράσεων ήταν πολύ παλαιότερη. Η παραγωγή MIP αναφέρθηκε επίσημα για πρώτη φορά από τον Wulff και συν. το 1973, όπου περιγράφονται τόσο οι ομοιοπολικές όσο και οι μη ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις, παρόλο που οι τελευταίες χρησιμοποιούνται σε συνέργεια με τις ομοιοπολικές. Η πλέον ακολουθούμενη σήμερα μεθοδολογία παραγωγής ΜΙΡ, η αποτύπωση με χρησιμοποίηση μη ομοιοπολικών δεσμών, αναπτύχθηκε από την ερευνητική ομάδα του καθηγητή Mosbach το 1994.  Η τεχνική αυτή είναι η πλέον διαδεδομένη και αυτό οφείλεται σε διαφόρους παράγοντες, όπως το ότι είναι πιο άμεση με λιγότερα συνθετικά στάδια και υπάρχει διαθέσιμη μια μεγάλη ποικιλία μονομερών με διαφορετικά είδη διαμοριακών αλληλεπιδράσεων, που έχει στη διάθεσή του κάποιος. Επίσης αυτή η προσέγγιση είναι παρόμοια με τις αλληλεπιδράσεις που παρατηρούνται σε φυσικές και βιοχημικές διεργασίες, καθιστώντας την ως την πλέον υποσχόμενη τεχνική για τη μίμηση της εκλεκτικότητας που παρατηρείται στη φύση.  

              Το μονομερές δημιουργίας διακλαδώσεων χρησιμοποιείται για τη μόνιμη σταθεροποίηση των λειτουργικών μονομερών σε συγκεκριμένες θέσεις εντός της κοιλότητας αναγνώρισης και για αυτό χρησιμοποείται σε υψηλό ποσοστό. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα στην έντονη επίδρασή του τόσο στη μορφολογία όσο και στο χημικό περιβάλλον των ΜΙΡs. Το πλέον χρησιμοποιούμενο μονομερές διακλαδώσεων είναι το αιθυλενογλυκολδιμεθακρυ-λένιο (EGDMA), για το λόγο ότι παρέχει υλικά με χημική και θερμική σταθερότητα, καλή ικανότητα διαβροχής στα περισσότερα μέσα επαναδέσμευσης, γρήγορη μεταφορά μάζας και καλές ιδιότητες αναγνώρισης. Πρόσφατα το τριμεθυλοπροπανοτριμεθακρυλένιο (TRIM) έχει χρησιμοποιηθεί επιτυχώς σε αρκετές περιπτώσεις και παρέχει πολυμερή με παρόμοιες ιδιότητες αναγνώρισης για ένα πλήθος μορίων αποτύπωσης. Στο Σχήμα αναπαριστάνεται η διαδικασία μοριακής αποτύπωσης με χρήση μη ομοιοπολικών δεσμών. Στο Σχήμαφαίνεται η ανάμειξη των λειτουργικών μονομερών (α), του μονομερούς δημιουργίας διακλαδώσεων (β) και του μορίου αποτύπωσης (γ) που οδηγεί στο σχηματισμό ενός συμπλόκου μεταξύ αυτού και των μονομερών (στάδια 1 και 2). Ο επακόλουθος πολυμερισμός δίνει ένα αδιάλυτο πολύ διακλαδισμένο πολυμερές  δίκτυο γύρω από το μόριο αποτύπωσης (στάδιο 3), που μετά την απομάκρυνση του μορίου αποτύπωσης μπορεί να το αναγνωρίζει εκλεκτικά σε μετέπειτα χρήση του.

Σχήμα Διαδικασία για την παραγωγή των ΜΙΡ και μετέπειτα αναγνώριση του μορίου αποτύπωσης (γ) από αυτά.

Βιοϋλικά

Σύμφωνα με το National Institutes of Health Development Conference ως βιοϋλικό ορίζεται ‘κάθε ουσία (substance) (όχι φάρμακο) ή συνδυασμός ουσιών, συνθετική ή φυσικής προέλευσης, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για οποιοδήποτε χρονικό διάστημα, από μόνη της ή μέρος ενός συστήματος το οποίο φροντίζει, προστίθεται ή αντικαθιστά οποιοδήποτε ιστό, όργανο ή λειτουργία του οργανισμού’.

Ο κοινός παρονομαστής σε όλους τους ορισμούς των βιοϋλικών είναι η αδιαφιλονίκητη αναγνώριση ότι τα βιοϋλικά διαφέρουν από τις άλλες κατηγορίες υλικών διότι πρέπει να πληρούν τα εξειδικευμένα κριτήρια της βιοσυμβατότητας. Ομολογουμένως κανένας σημερινός ορισμός δεν είναι τέλειος ή πλήρης, αλλά παρέχει μια αναφορά ή ένα σημείο έναρξης της συζήτησης. Για να εκπληρωθούν οι προκλήσεις στο τομέα των βιοϋλικών με επιτυχία απαιτούνται μηχανικοί και επιστήμονες από τον τομέα των υλικών που να είναι εξοικειωμένοι και γνώστες των κυτταρικών, βιοχημικών, μοριακών και γενετικών θεμάτων και συνεργασία τους σε ομάδες που περιλαμβάνουν μοριακούς βιολόγους, βιοχημικούς, γενετιστές, φυσικούς και χειρουργούς.

Στα υλικά που χρησιμοποιούνται σήμερα ως βιοϋλικά περιλαμβάνονται μέταλλα, κράματα μετάλλων, πολυμερή και κεραμικά. Λόγω των δομικών τους διαφορών αυτά τα υλικά επιδεικνύουν διαφορετικές ιδιότητες και όπως είναι αναμενόμενο διαφορετικές χρήσεις ως βιοϋλικά

Καροτενοειδη: γενικα στοιχεια και σπουδαιοτητα τους

           Τα καροτενοειδή αποτελούν μια από τις κυριότερες κατηγορίες φυσικών χρωστικών. Από την αρχική απομόνωση του β-καροτενίου από τα καρότα το 1831 από τον Wackenroder, από όπου προέρχεται και το όνομα του. Χημικά και βιοχημικά ανήκουν στην γενικότερη κατηγορία των τερπενίων, που αποτελούνται από επαναλαμβανόμενες ισοπρενοειδείς μονάδες. Στο μόριο των καροτενοειδών περιέχεται  εκτεταμένο σύστημα συζυγιακών διπλών δεσμών, που είναι και η μόνη λειτουργική τους ομάδα. Περαιτέρω τα καροτενοειδή ταξινομούνται σε καροτένια (υδρογονάνθρακες) και σε ξανθοφύλλες (οξειδωμένα παράγωγα αυτών). Στο Σχήμα 1 δίνεται η δομή των τριών κύριων καροτενοειδών. Από τα περισσότερα από 600 καροτενοειδή που παράγονται στη φύση, από φυτά και κατώτερους οργανισμούς, μόνο τα 50 περίπου απορροφώνται από τα ζώα και παρουσιάζουν δράση προβιταμίνης Α, για το λόγο ότι τα υπόλοιπα δεν μετατρέπονται σε  βιταμίνη Α (ρετινόλη) από τα ζώα. Παρόλα αυτά, μόνο 14 καροτενοειδή έχουν ταυτοποιηθεί στον ορό του ανθρώπινου αίματος. Η βιταμίνη Α είναι σημαντική για τον άνθρωπο και η έλλειψη της έχει σημαντικές συνέπειες, όπως ξηροφθαλμία, αλλαγές στους επιθηλιακούς ιστούς, αυξημένη ευαισθησία σε λοιμώξεις, αυξημένη νοσηρότητα και ειδικότερα σε αναπνευστικές νόσους.

Σχήμα 1.  Χημική δομή του λυκοπενίου, του γ-καροτενίου και του β-καροτενίου.

     Τα καροτενοειδή μελετώνται γενικά για τρεις λόγους: (1) το ρόλο τους στη φωτοσύνθεση, (2) τη χρήση τους ως χρωστικές τροφίμων και (3) τις φαρμακολογικές τους ιδιότητες. Τα καροτενοειδή παρίστανται στο κέντρο αντίδρασης και τα σύμπλοκα κεραιών των φωτοσυνθετικών μικροοργανισμών, όπου εξυπηρετούν στη μεταφορά της ενέργειας του φωτός από μικρότερα μήκη κύματος σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, για χρήση από τους χλωροπλάστες και επίσης για την προστασία των κυττάρων από την φωτοξείδωση. Ως χρωστικές τροφίμων τα καροτενοειδή προστίθενται στις ζωοτροφές, έτσι ώστε για παράδειγμα ο κρόκος του αυγού να είναι πιο ‘χρυσός’  και ο εκτρεφόμενος σολομός  να έχει το χρώμα του φυσικού ελευθέρου.