Β Τεύχος 2ο κεφάλαιο Flashcards
Πώς λέγεται ο τρόπος αντιγραφής του Dna? Γιατί και από ποιον ειπώθηκε;
Οι Watson και
Crick φαντάστηκαν μια διπλή έλικα η οποία ξετυλίγεται και
κάθε αλυσίδα λειτουργεί σαν καλούπι για τη σύνθεση µιας
νέας συµπληρωµατικής αλυσίδας. Έτσι τα δύο θυγατρικά µόρια
που προκύπτουν είναι πανοµοιότυπα µε το µητρικό και καθένα
αποτελείται από µία παλιά και µία καινούρια αλυσίδα. Ο µηχα-
νισµός αυτός ονοµάστηκε ηµισυντηρητικός
Είναι τελικά απλή η αντιγραφή; Αν όχι γιατί;
Η διαδικασία της αντιγραφής, όπως υποδηλώνεται από τη
δοµή της διπλής έλικας και τον ηµισυντηρητικό µηχανισµό,
φαίνεται απλή. Όμως, ύστερα από πολύχρονη ερευνητική με-
λέτη, διαπιστώθηκε ότι η διαδικασία στην πραγµατικότητα εί-
ναι ιδιαίτερα πολύπλοκη. Τα κύτταρα διαθέτουν ένα σηµαντικό
«οπλοστάσιο» εξειδικευμένων ενζύμων και άλ-
λων πρωτεϊνών που λειτουργούν ταυτόχρονα και
καταλύουν τις χηµικές αντιδράσεις της αντιγραφής
µε µεγάλη ταχύτητα και µε εκπληκτική ακρίβεια.
Ο µηχανισµός της αντιγραφής έχει µελετηθεί
πολύ περισσότερο στα προκαρυωτικά κύτταρα,
και κυρίως στο βακτήριο Escherichia coli, γιατί το
DNA τους είναι πολύ µικρότερο και απλούστερα
οργανωµένο από το DNA των ευκαρυωτικών κυτ-
τάρων. Όμως τα βασικά στάδια του μηχανισμού
της αντιγραφής παρουσιάζουν σημαντικές ομοιό-
τητες και στα δύο είδη κυττάρων.
Σε ποια σημεία ξεκινά η αντιγραφή; Τι μηχανισμός εμφανίζεται στους προκαρυωτες και τους ευκαρυωτες;
Η αντιγραφή του DNA αρχίζει από καθορισμέ-
να σημεία, που ονομάζονται θέσεις έναρξης της
αντιγραφής (Εικόνα 2.2). Το βακτηριακό DNA,
που είναι κυκλικό, έχει µία µόνο θέση έναρξης
της αντιγραφής και αντιγράφεται κάτω από ευ-
νοϊκές συνθήκες σε λιγότερο από 30 λεπτά. Στα
ευκαρυωτικά κύτταρα, πριν την αντιγραφή, το DNA κάθε χρωµοσώµατος είναι ένα µακρύ γραµµικό µόριο,
το οποίο έχει πολυάριθµες θέσεις έναρξης της αντιγραφής. Έτσι
το DNA των ευκαρυωτικών κυττάρων αντιγράφεται ταυτόχρονα
από εκατοντάδες σηµεία σε όλο το µήκος του και στη συνέχεια
τα τµήµατα που δηµιουργούνται ενώνονται µεταξύ τους. Με
αυτό τον τρόπο το DNA των ανώτερων ευκαρυωτικών οργανι-
σµών, παρ’ ότι είναι περίπου 1.000 φορές µεγαλύτερο από των
προκαρυωτικών, αντιγράφεται πολύ γρήγορα.
Πώς αρχίζει η αντιγραφή; Με πιο ένζυμο;
Για να αρχίσει η αντιγραφή του DNA, είναι απαραίτητο να
ξετυλιχθούν στις θέσεις έναρξης της αντιγραφής οι δύο αλυσί-
δες. Αυτό επιτυγχάνεται με τη βοήθεια ειδικών ενζύμων, που
σπάζουν τους δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των δύο αλυσίδων.
Τα ένζυμα αυτά ονομάζονται DNA ελικάσες (Εικόνα 2.3). Όταν
ανοίξει η διπλή έλικα, δηµιουργείται µια «θηλιά», η οποία αυ-
ξάνεται και προς τις δύο κατευθύνσεις (Εικόνα 2.3α). Οι θηλιές
που δηµιουργούνται κατά την έναρξη της αντιγραφής σε ένα
µόριο DNA είναι ορατές µε το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο
Ποιο είναι το βασικό ένζυμο της αντιγραφής; Ποιες είναι οι λειτουργίες του;
Τα κύρια ένζυμα που συμμετέχουν στην αντιγραφή του DNA
ονομάζονται DNA πολυµεράσες. Επειδή τα ένζυμα αυτά δεν
έχουν την ικανότητα να αρχίσουν την αντιγραφή, το κύτταρο
έχει ένα ειδικό σύμπλοκο που αποτελείται από πολλά ένζυμα, το
πριµόσωµα, το οποίο συνθέτει στις θέσεις έναρξης της αντιγρα-
φής μικρά τμήματα RNA, συμπληρωματικά προς τις μητρικές
αλυσίδες, τα οποία ονομάζονται πρωταρχικά τµήµατα. DNA
πολυµεράσες επιµηκύνουν τα πρωταρχικά τµήµατα, τοποθε-
τώντας συµπληρωµατικά δεοξυριβονουκλεοτίδια απέναντι από
τις μητρικές αλυσίδες του DNA. Τα νέα μόρια DNA αρχίζουν
να σχηματίζονται, καθώς δημιουργούνται δεσμοί υδρογόνου
μεταξύ των συμπληρωματικών αζωτούχων βάσεων των δεοξυ-
ριβονουκλεοτιδίων. DNA πολυµεράσες επιδιορθώνουν επίσης
λάθη που συµβαίνουν κατά τη διάρκεια της αντιγραφής. Μπο-
ρούν, δηλαδή, να «βλέπουν» και να αποµακρύνουν νουκλεο-
τίδια που οι ίδιες τοποθετούν, κατά παράβαση του κανόνα της συµπληρωµατικότητας, και να τοποθετούν τα σωστά. Ταυτό-
χρονα DNA πολυµεράσες αποµακρύνουν τα πρωταρχικά τµή-
ματα RNA και τα αντικαθιστούν με τμήματα DNA.
Τι είναι το κεντρικό δόγμα της βιολογίας; Που περιέχεται η πληροφορία και με ποια παρατήρηση άλλαξε το δόγμα;
Το σχήµα αυτό αποτελεί το κεντρικό δόγµα της Μοριακής
Βιολογίας όπως ονομάστηκε από τον F. Crick (1958). Η γενετική
πληροφορία είναι η καθορισµένη σειρά των βάσεων, όπως η
πληροφορία µιας γραπτής φράσης είναι η σειρά των γραµµά-
των που την αποτελούν. Η πληροφορία υπάρχει σε τμήματα του
DNA µε συγκεκριµένη ακολουθία, τα γονίδια. Αυτά, διά µέσου
της μεταγραφής και της μετάφρασης, καθορίζουν τη σειρά των
αµινοξέων στην πρωτεΐνη. Οι πορείες της µεταγραφής και της
µετάφρασης των γονιδίων αποτελούν τη γονιδιακή έκφραση.
Για αρκετό καιρό οι ερευνητές πίστευαν ότι όλη η ροή της
γενετικής πληροφορίας γινόταν προς τη µία µόνο κατεύθυνση,
δηλαδή ότι το DNA μεταγραφόταν σε RNA. Σήμερα είναι γνω-
στό ότι μερικοί ιοί έχουν RNA ως γενετικό υλικό. Ένα ένζυμο
που υπάρχει στους ίδιους τους ιούς, η αντίστροφη µεταγρα-
φάση, χρησιμοποιεί ως καλούπι το RNA, για να συνθέσει DNA.
Επιπλέον, σε ορισμένους ιούς το RNA έχει την ικανότητα να αυ-
τοδιπλασιάζεται.
Τι κάνει η αντιγραφή, η μεταγραφή και η μετάφραση; Η γενετική πληροφορία είναι κοινή στα κύτταρα, σε ποιες κατηγορίες διαφοροποιούνται τα γονιδια;
Συνοψίζοντας, λοιπόν, διαπιστώνουμε ότι η αντιγραφή του
DNA διαιωνίζει τη γενετική πληροφορία, ενώ η μετάφραση
χρησιµοποιεί αυτή την πληροφορία, για να κατασκευάσει ένα
πολυπεπτίδιο. Η μεταγραφή καθορίζει ποια γονίδια θα εκφρα-
στούν, σε ποιους ιστούς (στους πολυκύτταρους ευκαρυωτικούς
οργανισµούς), και σε ποια στάδια της ανάπτυξης.
Όλα τα κύτταρα ενός πολυκύτταρου οργανισμού έχουν το ίδιο
DNA. Σε κάθε ομάδα κυττάρων όμως εκφράζονται διαφορε-
τικά γονίδια. Στα πρόδροµα ερυθροκύτταρα, για παράδειγµα,
εκφράζονται κυρίως τα γονίδια των αιμοσφαιρινών, ενώ στα
Β-λεµφοκύτταρα τα γονίδια των αντισωµάτων. Τα γονίδια δια-
κρίνονται σε δύο κατηγορίες:
* Στα γονίδια που μεταγράφονται σε mRNA και μεταφράζο-
νται στη συνέχεια σε πρωτεΐνες και
* Στα γονίδια που μεταγράφονται και παράγουν tRNA,
rRNA, και snRNA.
Το απλοειδές ανθρώπινο γονιδίωµα έχει µήκος 3x109
ζεύγη
βάσεων. Από αυτό, μικρό ποσοστό μεταγράφεται σε RNA, δη-
λαδή αποτελεί τα γονίδια.
Ποιά είναι τα είδη RNA? Τι κάνει το καθένα; Ποιο είδος δεν εμφανίζεται στους προκαρυωτες;
Υπάρχουν τέσσερα είδη μορίων RNA που παράγονται με τη
μεταγραφή: το αγγελιαφόρο RNA (mRNA), το µεταφορικό
RNA (tRNA), το ριβοσωµικό RNA (rRNA) και το µικρό πυρηνι-
κό RNA (snRNA).
Τα τρία πρώτα είδη υπάρχουν και στους προκαρυωτικούς και
στους ευκαρυωτικούς οργανισµούς, αλλά το τέταρτο υπάρχει
µόνο στους ευκαρυωτικούς.
1. Αγγελιαφόρο RNA (mRNA). Τα μόρια αυτά μεταφέρουν
την πληροφορία του DNA για την παραγωγή µιας πολυπε-
πτιδικής αλυσίδας.
2. Ριβοσωμικό RNA (rRNA). Τα μόρια αυτά συνδέονται με
πρωτεΐνες και σχηματίζουν το ριβόσωμα, ένα «σωματί-
διο» απαραίτητο για την πραγματοποίηση της πρωτεϊνο-
σύνθεσης.
3. Μεταφορικό RNA (tRNA). Κάθε μεταφορικό RNA συνδέ-
εται µε ένα συγκεκριµένο αµινοξύ και το µεταφέρει στη
θέση της πρωτεϊνοσύνθεσης.
4. Μικρό πυρηνικό RNA (snRNA). Είναι μικρά μόρια RNA,
τα οποία συνδέονται με πρωτεΐνες και σχηματίζουν μικρά
ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σωματίδια. Τα σωματίδια αυτά
καταλύουν την «ωρίμανση» του mRNA, μια διαδικασία
που, όπως θα αναφερθεί παρακάτω, γίνεται µόνο στους
ευκαρυωτικούς οργανισµούς.
Με ποιο τρόπο επιμηκύνουν οι DNA-pol τις 2 αλυσίδες; Πώς συνδέονται τα διαφορετικά κομμάτια του μηχανισμού αυτου;
Οι DNA πολυµεράσες λειτουργούν µόνο προς καθορισµένη
κατεύθυνση και τοποθετούν τα νουκλεοτίδια στο ελεύθερο 3’
άκρο της δεοξυριβόζης του τελευταίου νουκλεοτιδίου κάθε
αναπτυσσόµενης αλυσίδας. Έτσι, λέµε ότι αντιγραφή γίνεται µε
προσανατολισµό 5’ προς 3’. Κάθε νεοσυντιθέµενη αλυσίδα θα
έχει προσανατολισµό 5’ĺ3’. Έτσι, σε κάθε διπλή έλικα που πα-
ράγεται οι δύο αλυσίδες θα είναι αντιπαράλληλες. Για να ακο-
λουθηθεί αυτός ο κανόνας σε κάθε τµήµα DNA που γίνεται η
αντιγραφή, η σύνθεση του DNA είναι συνεχής στη µια αλυσίδα
και ασυνεχής στην άλλη. Τα κοµµάτια της ασυνεχούς αλυσί-
δας συνδέονται μεταξύ τους με τη βοήθεια ενός ενζύμου, που
ονομάζεται DNA δεσµάση (Εικόνα 2.3). Το ίδιο ένζυμο συνδέει
και όλα τα κοµµάτια που προκύπτουν από τις διάφορες θέσεις
έναρξης αντιγραφής
Το DNA λειτουργεί ως σκληρός δίσκος γιατί; Πώς γίνεται η μεταφορά της γενετικής πληροφορίας σύμφωνα με το κεντρικό δόγμα;
To DNA ενός οργανισµού είναι ο µοριακός «σκληρός δίσκος»
που περιέχει αποθηκευµένες ακριβείς οδηγίες, οι οποίες καθο-
ρίζουν τη δομή και τη λειτουργία του οργανισμού. Ταυτόχρονα
περιέχει την πληροφορία για τον αυτοδιπλασιασµό του, εξα-
σφαλίζοντας έτσι τη μεταβίβαση των γενετικών οδηγιών από
ένα κύτταρο στα θυγατρικά του και από έναν οργανισµό στους
απογόνους του.
Το πρώτο βήµα για την έκφραση της πληροφορίας που υπάρ-
χει στο DNA είναι η μεταφορά της στο RNA με τη διαδικασία
της µεταγραφής. To RNA μεταφέρει με τη σειρά του, μέσω της
διαδικασίας της µετάφρασης, την πληροφορία στις πρωτεΐνες
που είναι υπεύθυνες για τη δοµή και λειτουργία των κυττάρων
και κατ’ επέκταση και των οργανισµών.
Μηχανισμός μεταγραφής, ποιο είναι το βασικό ένζυμο της;
Ο µηχανισµός της µεταγραφής είναι ο ίδιος στους προκαρυ-
ωτικούς και ευκαρυωτικούς οργανισμούς. Η μεταγραφή κατα-
λύεται από ένα ένζυμο, την RNA πολυµεράση (στους ευκαρυ-
ωτικούς οργανισμούς υπάρχουν τρία είδη RNA πολυμερασών).
Ποια τα ρυθμιστικά στοιχεία της μεταγραφής;
Η RNA πολυμεράση προσδένεται σε ειδικές περιοχές του DNA,
που ονομάζονται υποκινητές μέσω κάποιων ιδιαίτερων πρωτεϊνών, των μεταγραφικών παραγόντων.Οι υποκινητές και οι µεταγραφικοί παράγοντες αποτελούν τα ρυθµιστικά στοιχεία
της μεταγραφής του DNA και επιτρέπουν στην RNA πολυμερά-
ση να αρχίσει σωστά τη µεταγραφή. Οι υποκινητές βρίσκονται
πάντοτε πριν από την αρχή κάθε γονιδίου
Έναρξη μεταγραφης
Κατά την έναρξη της μεταγραφής ενός γονιδίου η RNA πολυ-
µεράση προσδένεται στον υποκινητή και προκαλεί τοπικό ξε-
τύλιγµα της διπλής έλικας του DNA. Στη συνέχεια, τοποθετεί τα ριβονουκλεοτίδια απέναντι από τα δεοξυριβονουκλεοτίδια µίας
αλυσίδας του DNA σύµφωνα µε τον κανόνα της συµπληρωµατι-
κότητας των βάσεων, όπως και στην αντιγραφή, µε τη διαφορά
ότι εδώ απέναντι από την αδενίνη τοποθετείται το ριβονουκλε-
οτίδιο που περιέχει ουρακίλη. Η RNA πολυμεράση συνδέει τα
ριβονουκλεοτίδια που προστίθενται το ένα µετά το άλλο, µε
3’-5’φωσφοδιεστερικό δεσμό. Η μεταγραφή έχει προσανατολι-
σµό 5’ĺ3’ όπως και η αντιγραφή (Εικόνα 2.4). Η σύνθεση του
RNA σταματά στο τέλος του γονιδίου, όπου ειδικές αλληλουχίες
οι οποίες ονομάζονται αλληλουχίες λήξης της µεταγραφής,
επιτρέπουν την απελευθέρωσή του.
Το μόριο RNA που συντίθεται είναι συμπληρωματικό προς τη
μία αλυσίδα της διπλής έλικας του DNA του γονιδίου. Η αλυ-
σίδα αυτή είναι η μεταγραφόμενη και ονομάζεται µη κωδική.
Η συμπληρωματική αλυσίδα του DNA του γονιδίου ονομάζεται
κωδική. To RNA είναι το κινητό αντίγραφο της πληροφορίας
ενός γονιδίου.
Ωρίμανση τους προκαρυωτες και στους ευκαρυωτες.
Στους προκαρυωτικούς οργανισμούς το mRNA αρχίζει να με-
ταφράζεται σε πρωτεΐνη πριν ακόμη ολοκληρωθεί η μεταγραφή
του. Αυτό είναι δυνατό, επειδή δεν υπάρχει πυρηνική µεµβρά-
νη. (Εικόνα 2.5α).
Αντίθετα, στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς, το mRNA που
παράγεται κατά τη µεταγραφή ενός γονιδίου συνήθως δεν είναι
έτοιµο να µεταφραστεί, αλλά υφίσταται µια πολύπλοκη διαδι-
κασία ωρίµανσης (Εικόνα 2.5β και 2.6). Η διαδικασία αυτή
αποτελεί ένα από τα πιο ενδιαφέροντα ευρήµατα της Μοριακής
Βιολογίας, γιατί οδήγησε στο συµπέρασµα ότι τα περισσότερα
γονίδια των ευκαρυωτικών οργανισµών (και των ιών που του προσβάλλουν) είναι ασυνεχή ή διακεκοµµένα. ∆ηλαδή, η αλ-
ληλουχία που μεταφράζεται σε αμινοξέα διακόπτεται από ενδι-
άμεσες αλληλουχίες οι οποίες δε μεταφράζονται σε αμινοξέα.
Οι αλληλουχίες που μεταφράζονται σε αμινοξέα ονομάζονται
εξώνια και οι ενδιάμεσες αλληλουχίες ονομάζονται εσώνια.
Όταν ένα γονίδιο που περιέχει εσώνια μεταγράφεται, δημιουρ-
γείται το πρόδροµο mRNA που περιέχει και εξώνια και εσώνια.
Το πρόδρομο mRNA μετατρέπεται σε mRNA με τη διαδικασία
της ωρίµανσης, κατά την οποία τα εσώνια κόβονται από µικρά
ριβονουκλεοπρωτεϊνικά «σωματίδια» και απομακρύνονται. Τα
ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σωματίδια αποτελούνται από snRNA
και από πρωτεΐνες και λειτουργούν ως ένζυμα: κόβουν τα εσώ-
νια και συρράπτουν τα εξώνια μεταξύ τους. Έτσι σχηματίζεται το
«ώριµο» mRNA.
Περιοχές που δεν μεταφράζονται αλλά μεταγράφονται
Η μία βρίσκεται στο 5’ άκρο και η άλλη στο 3’ άκρο. Οι αλ-
ληλουχίες αυτές ονομάζονται 5’ και 3’ αμετάφραστες περιοχές,
αντίστοιχα. To mRNA μεταφέρεται από τον πυρήνα στο κυττα-
ρόπλασµα και ειδικότερα στα ριβοσώµατα όπου είναι η θέση
της πρωτεϊνοσύνθεσης (Εικόνα 2.5β).