Β Τεύχος 2ο κεφάλαιο

Question 1

Πώς λέγεται ο τρόπος αντιγραφής του Dna? Γιατί και από ποιον ειπώθηκε;

Answer 1

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

Question 2

Είναι τελικά απλή η αντιγραφή; Αν όχι γιατί;

Answer 2

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.

Question 3

Σε ποια σημεία ξεκινά η αντιγραφή; Τι μηχανισμός εμφανίζεται στους προκαρυωτες και τους ευκαρυωτες;

Answer 3

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.

Question 4

Πώς αρχίζει η αντιγραφή; Με πιο ένζυμο;

Answer 4

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

Question 5

Ποιο είναι το βασικό ένζυμο της αντιγραφής; Ποιες είναι οι λειτουργίες του;

Answer 5

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.

Question 6

Τι είναι το κεντρικό δόγμα της βιολογίας; Που περιέχεται η πληροφορία και με ποια παρατήρηση άλλαξε το δόγμα;

Answer 6

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.

Question 7

Τι κάνει η αντιγραφή, η μεταγραφή και η μετάφραση; Η γενετική πληροφορία είναι κοινή στα κύτταρα, σε ποιες κατηγορίες διαφοροποιούνται τα γονιδια;

Answer 7

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.

Question 8

Ποιά είναι τα είδη RNA? Τι κάνει το καθένα; Ποιο είδος δεν εμφανίζεται στους προκαρυωτες;

Answer 8

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.

Question 9

Με ποιο τρόπο επιμηκύνουν οι DNA-pol τις 2 αλυσίδες; Πώς συνδέονται τα διαφορετικά κομμάτια του μηχανισμού αυτου;

Answer 9

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

Question 10

Το DNA λειτουργεί ως σκληρός δίσκος γιατί; Πώς γίνεται η μεταφορά της γενετικής πληροφορίας σύμφωνα με το κεντρικό δόγμα;

Answer 10

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.

Question 11

Μηχανισμός μεταγραφής, ποιο είναι το βασικό ένζυμο της;

Answer 11

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).

Question 12

Ποια τα ρυθμιστικά στοιχεία της μεταγραφής;

Answer 12

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

Question 13

Έναρξη μεταγραφης

Answer 13

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.

Question 14

Ωρίμανση τους προκαρυωτες και στους ευκαρυωτες.

Answer 14

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.

Question 15

Περιοχές που δεν μεταφράζονται αλλά μεταγράφονται

Answer 15

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).

Question 16

Τι είναι ο γενετικός κωδικας; Γιατί είναι κώδικας τριπλέτας;

Answer 16

Με τη µεταγραφή, οι πληροφορίες που βρίσκονται στα γονί-
δια μεταφέρονται στο mRNA με βάση τη συμπληρωματικότητα
των νουκλεοτιδικών βάσεων. Η αλληλουχία των βάσεων του
mRNA καθορίζει την αλληλουχία των αμινοξέων στις πρωτεΐνες
με βάση έναν κώδικα αντιστοίχισης νουκλεοτιδίων mRNA με
αμινοξέα πρωτεϊνών, ο οποίος ονομάζεται γενετικός κώδικας.
Γι’ αυτό η πρωτεϊνοσύνθεση είναι πραγματικά μία διαδικασία
«µετάφρασης» από τη γλώσσα των βάσεων στη γλώσσα των
αµινοξέων.
Επειδή ο αριθµός των διαφορετικών αµινοξέων που συγκρο-
τούν τις πρωτεΐνες είναι είκοσι και, αντίστοιχα, ο αριθµός των
διαφορετικών νουκλεοτιδίων που συγκροτούν το RNA είναι
τέσσερα, θεωρήθηκε πιθανό ότι τρία νουκλεοτίδια αντιστοιχούν
σε ένα αµινοξύ και γι’ αυτό ο γενετικός κώδικας ονοµάστηκε
κώδικας τριπλέτας. Ο κώδικας τριπλέτας είναι φυσική συνέπεια
του γεγονότος ότι τέσσερα νουκλεοτίδια, αν συνδυαστούν ανά
ένα (41
=4) ή ανά δύο (42
= 16), δε δίνουν αρκετούς συνδυ-
ασµούς για να κωδικοποιηθούν τα είκοσι αµινοξέα. Αν όµως
συνδυαστούν ανά τρία (43
=64) οι συνδυασµοί είναι παραπάνω
από αρκετοί (

Question 17

Χαρακτηριστικά του γενετικού κώδικα

Answer 17

Τα βασικά χαρακτηριστικά του γενετικού κώδικα είναι:
1. Ο γενετικός κώδικας είναι κώδικας τριπλέτας, δηλαδή
µια τριάδα νουκλεοτιδίων, το κωδικόνιο, κωδικοποιεί
ένα αµινοξύ.
2. Ο γενετικός κώδικας είναι συνεχής, δηλαδή το mRNA δια-
βάζεται συνεχώς ανά τρία νουκλεοτίδια χωρίς να παραλεί-
πεται κάποιο νουκλεοτίδιο.
3. Ο γενετικός κώδικας είναι µη επικαλυπτόµενος, δηλαδή
κάθε νουκλεοτίδιο ανήκει σε ένα µόνο κωδικόνιο.
4. Ο γενετικός κώδικας είναι σχεδόν καθολικός. Όλοι οι
οργανισµοί έχουν τον ίδιο γενετικό κώδικα. Αυτό πρακτι-
κά σημαίνει ότι το mRNA από οποιονδήποτε οργανισμό
μπορεί να μεταφραστεί σε εκχυλίσματα φυτικών, ζωικών
ή βακτηριακών κυττάρων in vitro και να παραγάγει την
ίδια πρωτεΐνη.
5. Ο γενετικός κώδικας χαρακτηρίζεται ως εκφυλισµένος.
Με εξαίρεση δύο αµινοξέα (µεθειονίνη και τρυπτοφάνη) τα υπόλοιπα 18 κωδικοποιούνται από δύο µέχρι και έξι
διαφορετικά κωδικόνια. Τα κωδικόνια που κωδικοποιούν
το ίδιο αμινοξύ ονομάζονται συνώνυµα.
6. Ο γενετικός κώδικας έχει κωδικόνιο έναρξης και κωδι-
κόνια λήξης. Το κωδικόνιο έναρξης σε όλους τους οργα-
νισµούς είναι το AUG και κωδικοποιεί το αµινοξύ µεθει-
ονίνη. Υπάρχουν τρία κωδικόνια λήξης, τα UAG, UGA και
UAA. Η παρουσία των κωδικονίων αυτών στο μόριο του
mRNA οδηγεί στον τερματισμό της σύνθεσης της πολυπε-
πτιδικής αλυσίδας.

Question 18

Σε ποια δομή γίνεται η μετάφραση; Από τι αποτελείται;

Answer 18

Η μετάφραση του mRNA, δηλαδή η αντιστοίχιση των κωδικο-
νίων σε αµινοξέα και η διαδοχική σύνδεση των αµινοξέων σε
πολυπεπτιδική αλυσίδα, πραγµατοποιείται στα ριβοσώµατα µε
τη βοήθεια των tRNA και τη συμμετοχή αρκετών πρωτεϊνών και
ενέργειας. Τα ριβοσώµατα µπορούν να χρησιµοποιηθούν ως
θέση μετάφρασης για οποιοδήποτε mRNA. Αυτό εξηγεί γιατί
τα βακτήρια µπορούν να χρησιµοποιηθούν σαν «εργοστάσια
παραγωγής ανθρώπινων πρωτεϊνών».
Κάθε ριβόσωµα αποτελείται από δύο υποµονάδες, µια µι-
κρή και μια μεγάλη, και έχει μία θέση πρόσδεσης του mRNA
στη μικρή υπομονάδα και δύο θέσεις εισδοχής των tRNA στη
μεγάλη υπομονάδα. Κάθε μόριο tRNA έχει μια ειδική τριπλέτα
νουκλεοτιδίων, το αντικωδικόνιο, µε την οποία προσδένεται,
λόγω συµπληρωµατικότητας, µε το αντίστοιχο κωδικόνιο του
mRNA. Επιπλέον, κάθε μόριο tRNA διαθέτει μια ειδική θέση
σύνδεσης µε ένα συγκεκριµένο αµινοξύ.
Η πρωτεϊνοσύνθεση διακρίνεται σε τρία στάδια: την έναρξη,
την επιµήκυνση και τη λήξη

Question 19

Έναρξη μεταφρασης. Ποιο σύμπλοκο εμφανίζεται;

Answer 19

Κατά την έναρξη της μετάφρασης το mRNA προσδένε-
ται, µέσω µιας αλληλουχίας που υπάρχει στην 5’ αµετάφραστη
περιοχή του, με το ριβοσωμικό RNA της μικρής υπομονάδας
του ριβοσώµατος, σύµφωνα µε τους κανόνες της συµπληρω-
ματικότητας των βάσεων. Το πρώτο κωδικόνιο του mRNA είναι
πάντοτε AUG και σ’ αυτό προσδένεται το tRNA που φέρει το
αμινοξύ μεθειονίνη. Όμως δεν έχουν όλες οι πρωτεΐνες του ορ-
γανισµού ως πρώτο αµινοξύ µεθειονίνη. Αυτό συµβαίνει γιατί,
σε πολλές πρωτεΐνες, µετά τη σύνθεσή τους αποµακρύνονται
ορισµένα αµινοξέα από το αρχικό αµινικό άκρο τους. Το σύ-
μπλοκο που δημιουργείται μετά την πρόσδεση του mRNA στη
μικρή υπομονάδα του ριβοσώματος και του tRNA που μεταφέ-
ρει τη μεθειονίνη ονομάζεται σύµπλοκο έναρξης της πρωτεϊνο-
σύνθεσης (Εικόνα 2.9α). Στη συνέχεια η µεγάλη υποµονάδα του ριβοσώματος συνδέεται με την μικρή υπομονάδα.

Question 20

Πώς γίνεται η επιμήκυνση στη μετάφραση;

Answer 20

Κατά την επιμήκυνση ένα δεύτερο μόριο tRNA
µε αντικωδικόνιο συµπληρωµατικό του δεύτερου κωδικονίου
του mRNA τοποθετείται στην κατάλληλη εισδοχή του ριβοσώ-
µατος, µεταφέροντας το δεύτερο αµινοξύ. Μεταξύ της µεθει-
ονίνης και του δεύτερου αμινοξέος σχηματίζεται πεπτιδικός
δεσμός και αμέσως μετά, το πρώτο tRNA αποσυνδέεται από
το ριβόσωµα και απελευθερώνεται στο κυτταρόπλασµα όπου
συνδέεται πάλι µε µεθειονίνη, έτοιµο για επόµενη χρήση. Το
ριβόσωμα και το mRNA έχουν τώρα ένα tRNA, πάνω στο οποίο
είναι προσδεμένα δύο αμινοξέα. Έτσι αρχίζει η επιμήκυνση της
πολυπεπτιδικής αλυσίδας.
Στη συνέχεια το ριβόσωμα κινείται κατά μήκος του mRNA
κατά ένα κωδικόνιο. Ένα τρίτο tRNA έρχεται να προσδεθεί με-
ταφέροντας το αµινοξύ του. Ανάµεσα στο δεύτερο και στο τρίτο
αμινοξύ σχηματίζεται πεπτιδικός δεσμός. Η πολυπεπτιδική αλυ-
σίδα συνεχίζει να αναπτύσσεται καθώς νέα tRNA μεταφέρουν
αµινοξέα τα οποία συνδέονται µεταξύ τους

Question 21

Πώς γίνεται η λήξη της μετάφρασης; Τι είναι το πολυσωμα και που εξυπηρετεί;

Answer 21

Η επιμήκυνση σταματά σε ένα κωδικόνιο λήξης (UGA,
UAG ή UAA), επειδή δεν υπάρχουν tRNA που να αντιστοιχούν
σε αυτά. Το τελευταίο tRNA απομακρύνεται από το ριβόσωμα
και η πολυπεπτιδική αλυσίδα απελευθερώνεται (Εικόνα 2.11).
Σημειώνεται ότι πολλά μόρια mRNA μπορούν να μεταγράφο-
νται από ένα µόνο γονίδιο. Πολλά ριβοσώµατα µπορούν να µε ταφράζουν ταυτόχρονα ένα mRNA, το καθένα σε διαφορετικό
σηµείο κατά µήκος του µορίου. Αµέσως µόλις το ριβόσωµα έχει
μεταφράσει τα πρώτα κωδικόνια, η θέση έναρξης του mRNA
είναι ελεύθερη για την πρόσδεση ενός άλλου ριβοσώµατος. Το
σύμπλεγμα των ριβοσωμάτων με mRNA ονομάζεται πολύσωµα
(Εικόνα 2.12). Έτσι, η πρωτεϊνοσύνθεση είναι μια «οικονομική
διαδικασία». Ένα κύτταρο µπορεί να παραγάγει µεγάλα ποσά
µιας πρωτεΐνης από ένα ή από δύο αντίγραφα ενός γονιδίου.

Question 22

Σε τι αποσκοπεί η γονιδιακή ρύθμιση;

Answer 22

Ο όρος γονιδιακή έκφραση αναφέρεται συνήθως σε όλη τη
διαδικασία µε την οποία ένα γονίδιο ενεργοποιείται, για να πα-
ραγάγει μια πρωτεΐνη. Όμως σε κάθε κύτταρο δεν παράγονται
όλες οι πρωτεΐνες σε κάθε χρονική στιγµή. Επιπλέον, επειδή το
κύτταρο χρειάζεται κάθε πρωτεΐνη σε συγκεκριμένη ποσότητα,
οι πρωτεΐνες ενός κυττάρου δεν παράγονται σε ίσες ποσότητες.
Αν λοιπόν όλα τα γονίδια δούλευαν µε τον ίδιο ρυθµό, ορισµέ-
νες πρωτεΐνες θα παράγονταν σε µεγάλες ποσότητες και άλλες
σε ποσότητες που δε θα επαρκούσαν. Έτσι, είναι απαραίτητη
η ύπαρξη και η λειτουργία ενός προγράµµατος ρύθµισης της
γονιδιακής έκφρασης, που παρέχει τις οδηγίες για το είδος και
την ποσότητα των πρωτεϊνών οι οποίες πρέπει να παραχθούν
σε κάθε συγκεκριµένη χρονική στιγµή.

Question 23

Τι κάνει η γονιδιακή ρύθμιση στα βακτήρια;

Answer 23

Στα βακτήρια η ρύθµιση της γονιδιακής έκφρασης αποσκοπεί
κυρίως στην προσαρµογή του οργανισµού στις εναλλαγές του
περιβάλλοντος, έτσι ώστε να εξασφαλίζονται οι καλύτερες συν-
θήκες για τη βασική λειτουργία του που είναι η αύξηση και η
διαίρεση.

Question 24

Γονιδιακή ρύθμιση στους ευκαρυωτες, σε τί κύτταρα ξεκινάει; Τι είναι η κυτταρική διαφοροποίηση, γιατί γίνεται η ρύθμιση σε πολλά επίπεδα;

Answer 24

Τα κύτταρα ενός πολυκύτταρου οργανισµού, σε αντίθεση µε
τα κύτταρα που ανήκουν σε ένα βακτηριακό στέλεχος και είναι
πανοµοιότυπα µεταξύ τους, διαφέρουν στη δοµή και στη λει-
τουργία τους. Η ζωή αρχίζει, όταν ένα γονιμοποιημένο ωάριο
διαιρείται µε µίτωση και παράγει τρισεκατοµµύρια κύτταρα,
που έχουν τα ίδια γονίδια. Στα αρχικά στάδια της εµβρυογέ-
νεσης τα κύτταρα εξειδικεύονται, για να εκτελέσουν επιµέρους
λειτουργίες και η διαδικασία αυτή ονομάζεται κυτταρική διαφο-
ροποίηση. Τα κύτταρα ενός πολύπλοκου πολυκύτταρου οργανι-
σμού, όπως τα νευρικά, τα μυϊκά, τα ηπατικά, διαφέρουν στη
µορφή και στη λειτουργία τους, αλλά έχουν όλα το ίδιο γενετικό
υλικό, άρα και τα ίδια γονίδια. Τι τα κάνει τότε να διαφέρουν
τόσο πολύ; Μολονότι όλα τα κύτταρα έχουν τις ίδιες γενετικές
οδηγίες, έχουν αναπτύξει µηχανισµούς που τους επιτρέπουν να
εκφράζουν τη γενετική τους πληροφορία επιλεκτικά και να ακο-
λουθούν μόνο τις οδηγίες που χρειάζονται κάθε χρονική στιγ-
µή. Κάθε κυτταρικός τύπος έχει εξειδικευµένη λειτουργία και
πρέπει να υπάρχει πλήρης συντονισµός των λειτουργιών όλων
των κυττάρων. Γι’ αυτό, η τελειοποίηση των συστηµάτων ελέγ-
χου είναι αναγκαία και λόγω της µεγαλύτερης πολυπλοκότητας
των ευκαρυωτικών κυττάρων, αλλά και επειδή πρέπει να ελεγ
χθεί προσεκτικά η ανάπτυξη των πολυκύτταρων οργανισµών.
Κατά συνέπεια, η ρύθµιση των γονιδίων στα ευκαρυωτικά κύτ-
ταρα γίνεται σε πολλά επίπεδα.

Question 25

Γονιδιακή ρύθμιση σε προκαρυωτες, E coli , έχει 4000 γονίδια , ποτέ τα μεταφράζει;

Answer 25

Ένα βακτηριακό κύτταρο Ε. coli έχει περισσότερα από 4000
γονίδια. Μερικά γονίδια µεταγράφονται συνεχώς και κωδικο-
ποιούν πρωτεΐνες, που χρειάζονται για τις βασικές λειτουργίες
του κυττάρου. Άλλα γονίδια μεταγράφονται μόνο όταν το κύττα-
ρο αναπτύσσεται σε ειδικές περιβαλλοντικές συνθήκες, επειδή
τα προϊόντα των γονιδίων αυτών είναι απαραίτητα για την επι-
βίωση του κυττάρου στις συνθήκες αυτές. Ένα παράδειγµα είναι
το εξής: τα βακτήρια Ε. coli χρησιµοποιούν ως πηγή άνθρακα
το σάκχαρο γλυκόζη.

Question 26

Αν στο πε-
ριβάλλον αντί για γλυκόζη υπάρχει ο δισακχαρίτης λακτόζη, το
βακτήριο έχει τη δυνατότητα να τον διασπάσει για να επιβιώσει
ή θα πεθάνει, µολονότι γύρω του υπάρχει άφθονη τροφή;

Answer 26

Το
βακτήριο λύνει το πρόβλημα αυτό ρυθμίζοντας την παραγωγή
των κατάλληλων ενζύμων, που θα διασπάσουν τη λακτόζη σε
γλυκόζη και γαλακτόζη.
Οι µηχανισµοί µε τους οποίους ένα κύτταρο «ξυπνά» ένα
«κοιµισµένο» γονίδιο είναι οι πιο σηµαντικοί και πολύπλο-
κοι της Μοριακής Βιολογίας. Οι αρχικές µελέτες της ρύθµισης
των γονιδίων έγιναν από τους Jacob και Monod, το 1961. Οι
ερευνητές περιέγραψαν την ικανότητα του βακτηρίου Ε. coli να
παραγάγει τα τρία απαραίτητα ένζυμα που χρειάζεται για να με-
ταβολίσει το δισακχαρίτη λακτόζη, όταν δεν υπάρχει γλυκόζη
στην τροφή του. Οι Jacob και Monod απέδειξαν με γενετικές
μελέτες ότι τα γονίδια που κωδικοποιούν τα τρία αυτά ένζυμα
βρίσκονται το ένα δίπλα στο άλλο πάνω στο γονιδίωµα του βα-
κτηρίου και αποτελούν µια µονάδα, που την ονόµασαν οπερό-
νιο της λακτόζης.

Question 27

Τι περιέχει το οπερονιο της λακτόζης; Πώς δρα, πως καταστέλλεται;

Answer 27

Σε αυτό περιλαµβάνονται εκτός από αυτά τα γονίδια, που
ονομάζονται δοµικά, και αλληλουχίες DNA που ρυθμίζουν τη
µεταγραφή τους. Οι αλληλουχίες αυτές που βρίσκονται µπρο-
στά από τα δοµικά γονίδια είναι κατά σειρά ένα ρυθµιστικό
γονίδιο, ο υποκινητής και ο χειριστής.
Το οπερόνιο της λακτόζης δε μεταγράφεται ούτε μεταφράζεται,
όταν απουσιάζει από το θρεπτικό υλικό η λακτόζη. Τότε λέμε
ότι τα γονίδια που το αποτελούν βρίσκονται υπό καταστολή.
Πώς επιτυγχάνεται η καταστολή; ∆ύο είναι τα ρυθµιστικά µό-
ρια: μια αλληλουχία DNA, που ονομάζεται χειριστής και βρί-
σκεται µεταξύ του υποκινητή και του πρώτου γονιδίου, και µια
ρυθµιστική πρωτεΐνη-καταστολέας. Όταν απουσιάζει η λακτό-
ζη ο καταστολέας προσδένεται ισχυρά στο χειριστή και εμποδί-
ζει την RNA πολυμεράση να αρχίσει τη μεταγραφή των γονιδίων
του οπερονίου. (Εικόνα 2.13α). Ο καταστολέας κωδικοποιείται
από ένα ρυθµιστικό γονίδιο, που βρίσκεται µπροστά από τον
υποκινητή. Το ρυθµιστικό γονίδιο µεταγράφεται συνεχώς και
παράγει λίγα µόρια του καταστολέα. Τα µόρια αυτά προσδένο-
νται συνεχώς στο χειριστή.

Question 28

Τι κάνει το οπερονιο όταν υπάρχει σαν θρεπτικό συστατικό μόνο η λακτόζη και όχι η γλυκόζη;

Answer 28

Όταν στο θρεπτικό υλικό υπάρχει μόνο λακτόζη, τότε ο ίδιος
ο δισακχαρίτης προσδένεται στον καταστολέα και δεν του επι-
τρέπει να προσδεθεί στο χειριστή. Τότε η RNA πολυμεράση
είναι ελεύθερη να αρχίσει τη μεταγραφή. Δηλαδή η λακτόζη
λειτουργεί ως επαγωγέας της µεταγραφής των γονιδίων του
οπερονίου. Τότε τα γονίδια αρχίζουν να «εκφράζονται», δη-
λαδή να μεταγράφονται και να συνθέτουν τα ένζυμα. Τα τρία
ένζυμα μεταφράζονται ταυτόχρονα από το ίδιο μόριο mRNA το
οποίο περιέχει κωδικόνιο έναρξης και λήξης για κάθε ένζυμο
(Εικόνα 2.13β). Συμπερασματικά, η ίδια η λακτόζη ενεργοποιεί
τη διαδικασία για την αποικοδόμησή της. Όταν η λακτόζη δια-
σπαστεί πλήρως, τότε η πρωτεΐνη καταστολέας είναι ελεύθερη
να προσδεθεί στο χειριστή και να καταστείλει τη λειτουργία των
τριών γονιδίων.
Στο γονιδίωµα των προκαρυωτικών οργανισµών τα γονίδια
των ενζύμων που παίρνουν μέρος σε μια μεταβολική οδό, όπως
η διάσπαση της λακτόζης ή η βιοσύνθεση διάφορων αμινοξέ-
ων, οργανώνονται σε οπερόνια, δηλαδή σε οµάδες που υπόκει-
νται σε κοινό έλεγχο της έκφρασής τους.

Question 29

Σε τι θα βοηθήσει η πλήρης κατανόηση της γονιδιακής ρύθμισης των ευκαρυωτών; Πώς λειτουργεί σε κάθε στάδιο;

Answer 29

Η πλήρης διαλεύκανση των μηχανισμών αυτών
θα δώσει απαντήσεις για το πώς, όταν οι µηχανισµοί αυτοί
απορρυθμίζονται, τα κύτταρα «βγαίνουν» από το αυστηρό
πρόγραµµα της λειτουργίας τους και γίνονται καρκινικά.
Στα ευκαρυωτικά κύτταρα η γονιδιακή έκφραση ρυθμίζε-
ται σε τέσσερα επίπεδα:
* Στο επίπεδο της µεταγραφής. Ένας αριθµός µηχανισµών
ελέγχουν ποια γονίδια θα µεταγραφούν ή/και µε ποια τα-
χύτητα θα γίνει η µεταγραφή. To DNA των ευκαρυωτικών
κυττάρων δεν οργανώνεται σε οπερόνια αλλά κάθε γονί-
διο έχει το δικό του υποκινητή και µεταγράφεται αυτόνο-
μα. Η RNA πολυμεράση λειτουργεί (όπως και στους προκαρυωτικούς οργανισμούς) με τη βοήθεια πρωτεϊνών, που
ονομάζονται μεταγραφικοί παράγοντες. Μόνο που στους
ευκαρυωτικούς οργανισµούς οι µεταγραφικοί παράγοντες
παρουσιάζουν τεράστια ποικιλία. Κάθε κυτταρικός τύπος
περιέχει διαφορετικά είδη µεταγραφικών παραγόντων.
∆ιαφορετικός συνδυασµός µεταγραφικών παραγόντων
ρυθμίζει τη μεταγραφή κάθε γονιδίου. Μόνο όταν ο σω-
στός συνδυασµός των µεταγραφικών παραγόντων προσ-
δεθεί στον υποκινητή ενός γονιδίου, αρχίζει η RNA πολυ-
µεράση τη µεταγραφή ενός γονιδίου.
* Στο επίπεδο µετά τη µεταγραφή. Περιλαµβάνονται οι
µηχανισµοί µε τους οποίους γίνεται η ωρίµανση του πρό-
δρομου mRNA και καθορίζεται η ταχύτητα με την οποία
το ώριμο mRNA αφήνει τον πυρήνα και εισέρχεται στο
κυτταρόπλασµα.
* Στο επίπεδο της µετάφρασης. Ο χρόνος που «ζουν» τα
μόρια mRNA στο κυτταρόπλασμα δεν είναι ο ίδιος για όλα
τα είδη RNA, επειδή μετά από κάποιο χρονικό διάστη-
µα αποικοδοµούνται. Επίσης, ποικίλλει και η ικανότητα
πρόσδεσης του mRNA στα ριβοσώματα.
* Στο επίπεδο µετά τη µετάφραση. Ακόµη και όταν γίνει
η πρωτεϊνοσύνθεση και παραχθεί η κατάλληλη πρωτεΐνη,
µπορεί να πρέπει να υποστεί τροποποιήσεις, για να γίνει
βιολογικά λειτουργική.