Κεφάλαιο 10 DNA: Το γενετικό υλικό. Η διπλή έλικα του DNA. Αριστερά, κάτοψη. Δεξιά, πλάγια όψη.

Transcript

1 Κεφάλαιο 10 DNA: Το γενετικό υλικό Η διπλή έλικα του DNA. Αριστερά, κάτοψη. Δεξιά, πλάγια όψη. 1 Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2009

2 Στόχοι του μαθήματος: Περιγραφή των ιστορικών γεγονότων σχετικά με την ανακάλυψη της δομής και του ρόλου του DNA Περιγραφή των δεδομένων που επιβεβαιώνουν ότι το DNA είναι το γενετικό υλικό Περιγραφή της δομής του DNA Διαμόρφωση και πακετάρισμα του DNA

3 Introduction Your genetic endowment is the DNA you inherited from your parents. Nucleic acids are unique in their ability to direct their own replication. The resemblance of offspring to their parents depends on the precise replication of DNA and its transmission from one generation to the next. Once T.H. Morgan s group showed that units of heredity are located on chromosomes, the two constituents of chromosomes - proteins and DNA - were the candidates for the genetic material. Until the 1940s, the great heterogeneity and specificity of function of proteins seemed to indicate that proteins were the genetic material. However, this was not consistent with experiments with microorganisms, like bacteria and viruses.

4 Τα μόρια της ζωής ΑΠΛΑ ΜΟΡΙΑ Αμινοξέα Σάκχαρα Λιπαρά οξέα Νουκλεοτίδια ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ Πρωτεΐνες Υδατάνθρακες Λίπη Νουκλεϊκά οξέα

5 Ποια μόρια μεταφέρουν την κληρονομήσιμη πληροφορία; Οι ιδιότητες του μορίου της κληρονομικότητας Αντιγραφή περνά την πληροφορία στους απογόνους Ποικιλία μορφών Υπάρχει σε τεράστιο αριθμό διαφόρων μορφών ώστε να ελέγχει πολλά γνωρίσματα Μετάλλαξη αλλάζει δίνοντας δυνατότητα να δημιουργηθούν νέοι χαρακτήρες

6 Ιδιότητες DNA Το DNA ως ο φορέας των κληρονομικών χαρακτηριστικών έχει τις πιο κάτω ιδιότητες: Είναι ικανό να αποθηκεύει κωδικοποιημένα μηνύματα στο μόριό του, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο του μεταβολισμού και της ανάπτυξης του κάθε οργανισμού. Μπορεί να αντιγράφεται κατά την κυτταρική διαίρεση, με αποτέλεσμα όλα τα κωδικοποιημένα μηνύματα να μεταφέρονται από την πατρική στη θυγατρική γενιά. Είναι σταθερό και έτσι μεταφέρονται όλα τα κωδικοποιημένα μηνύματα σε πολλές διαδοχικές γενιές. Μπορεί να υποστεί μεταλλάξεις (αλλαγές), με δυνατότητα να δημιουργηθούν νέοι χαρακτήρες που επιτρέπουν στους οργανισμούς να προσαρμόζονται καλύτερα στις μεταβαλλόμενες συνθήκες του περιβάλλοντος.

7 Γενετικό υλικό Το γενετικό υλικό των κυττάρων βρίσκεται στα γονίδια που είναι οργανωμένα σε χρωμοσώματα του πυρήνα

8 Κύρια δεδομένα που αποδεικνύουν το DNA σαν γενετικό υλικό 1928 Griffith 1944 Avery, McCarty, & MacLeod 1952 Hersey and Chase 8

9 Ο Griffith εργαζόταν με τον πνευμονόκοκκο 9

10 10 Το πείραμα μεταμόρφωσης του Griffith

11 Το πείραμα μεταμόρφωσης των Avery, MacLeod, McCarty 11

12 Πείραμα Hersey και Chase DNA Protein capsid Viral

13 Πείραμα Hersey και Chase

14 Πείραμα Hersey και Chase

15 Further Evidence: The fact that cells double the amount of DNA in a cell prior to mitosis and then distribute the DNA equally to each daughter cell provided some circumstantial evidence that DNA was the genetic material in eukaryotes. Similar circumstantial evidence came from the observation that diploid sets of chromosomes have twice as much DNA as the haploid sets in gametes of the same organism.

16 το RNA είναι το γενετικό υλικό του ιού της μωσαϊκής του καπνού (ΤΜV) Πείραμα Gierer και Schramm Απομονωμένο RNA του ιού TMV προκαλεί τα συμπτώματα της ίωσης

17 το RNA είναι το γενετικό υλικό του ιού της μωσαϊκής του καπνού (ΤΜV) Πείραμα Fraenkel-Conrat και Singer

18 Δομή DNA 1869 Friedrich Miescher 1947 Chargaff 1954 Wilkins, Franklin, Watson, & Crick

19 Δομή DNA 1869 Friedrich Miescher 1938 Phoebus Aaron Theodor Levene ure/the-first-discovery-of-dna/1

20 H Πυρηνίνη του FRIEDRICH MIESCHER

21 Τετρανουκλεοτίδια, Phoebus Aaron Theodor Levene 1938

22 1910

23 1940

24 Αζωτούχες βάσεις στο DNA και στο RNA Οι δομές των αζωτούχων βάσεων στο DNA και στο RNA. Οι χαρακτηριστικές πρόδρομες ενώσεις είναι η πουρίνη (επάνω αριστερά) και η πυριμιδίνη (κάτω αριστερά). Επισημαίνονται οι διαφορές μεταξύ των βάσεων.

25 Δεοξυριβόζη και ριβόζη Οι δομές της δεοξυριβόζης και της ριβόζης, των σακχάρων πεντόζης του DNA και του RNA αντίστοιχα. Επισημαίνεται η διαφορά μεταξύ των δύο σακχάρων στο 2 άνθρακα.

26 Χημική δομή του DNA και του RNA

27 Ονοματολογία

28 Δομή DNA : Erwin Chargaff By 1947, Erwin Chargaff had developed a series of rules based on a survey of DNA composition in organisms. He already knew that DNA was a polymer of nucleotides consisting of a nitrogenous base, deoxyribose, and a phosphate group. The bases could be adenine (A), thymine (T), guanine (G), or cytosine (C). Chargaff noted that the DNA composition varies from species to species. In any one species, the four bases are found in characteristic, but not necessarily equal, ratios. He also found a peculiar regularity in the ratios of nucleotide bases which are known as Chargaff s rules. The number of adenines was approximately equal to the number of thymines (%T = %A). The number of guanines was approximately equal to the number of cytosines (%G = %C). Human DNA is 30.9% adenine, 29.4% thymine, 19.9% guanine and 19.8% cytosine.

29 Οι αναλογίες του Chargaff Τι σημαίνει ότι A=T και G=C? 29

30 Δομή DNA By the beginnings of the 1950 s, the race was on to move from the structure of a single DNA strand to the three-dimensional structure of DNA. Among the scientists working on the problem were the Nobel winning Chemist Linus Pauling, in California, and Maurice Wilkins and Rosalind Franklin, in London.

31 Δομή DNA: Τι ήταν γνωστό? The phosphate group of one nucleotide is attached to the sugar of the next nucleotide in line. The result is a backbone of alternating phosphates and sugars, from which the bases project.

32 32 Maurice Wilkins and Rosalind Franklin

33 Maurice Wilkins and Rosalind Franklin Maurice Wilkins and Rosalind Franklin used X-ray crystallography to study the structure of DNA. In this technique, X-rays are diffracted as they passed through aligned fibers of purified DNA. The diffraction pattern can be used to deduce the threedimensional shape of molecules. James Watson learned from their research that DNA was helical in shape and he deduced the width of the helix and the spacing of bases based on their research.

34

35

36

37 James Watson and Francis Crick Watson and his colleague Francis Crick began to work on a model of DNA with two strands, the double helix. Using molecular models made of wire, they first tried to place the sugar-phosphate chains on the inside. However, this did not fit the X-ray measurements and other information on the chemistry of DNA.

38 James Watson and Francis Crick The key breakthrough came when Watson put the sugar-phosphate chain on the outside and the nitrogen bases on the inside of the double helix. The sugar-phosphate chains of each strand are like the side ropes of a rope ladder. Pairs of nitrogen bases, one from each strand, form rungs. The ladder forms a twist every ten bases.

39 The Breakthrough into DNA Structure

40 Η ανακάλυψη της διπλής έλικας

41 Watson and Crick The nitrogenous bases are paired in specific combinations: adenine with thymine and guanine with cytosine. (This is supported by Chargaff s rule) Pairing like nucleotides did not fit the uniform diameter indicated by the X-ray data. A purine-purine pair would be too wide and a pyrimidine-pyrimidine pairing would be too short. Only a pyrimidinepurine pairing would produce the 2-nm diameter indicated by the X-ray data.

42 Πως ζευγαρώνουν οι αζωτούχες βάσεις In addition, Watson and Crick determined that chemical side groups off the nitrogen bases would form hydrogen bonds, connecting the two strands. Based on details of their structure, adenine would form two hydrogen bonds only with thymine and guanine would form three hydrogen bonds only with cytosine. This finding explained Chargaff s rules.

43 Watson and Crick The base-pairing rules dictate the combinations of nitrogenous bases that form the rungs of DNA. However, this does not restrict the sequence of nucleotides along each DNA strand. The linear sequence of the four bases can be varied in countless ways. Each gene has a unique order of nitrogen bases.

44 Δομική ποικιλομορφία Ποικιλία μορφών: Υπάρχουν 4 είδη νουκλεοτιδίων σε μια απλή αλυσίδα DNA. Μπορεί να είναι σε οποιαδήποτε διάταξη και μήκος. Για παράδειγμα, ένα γονίδιο 500 βάσεων μπορεί να πάρει διαφορετικές διαμορφώσεις

45 Watson and Crick In April 1953, Watson and Crick published a succinct, one-page paper in Nature reporting their double helix model of DNA which shook the scientific world. They were awarded a Nobel Prize in James Watson is still alive today. Francis Crick died in There discovery has had a tremendous impact in the biological field as it relates to genetics and evolution.

46 Μοντέλο διπλής έλικας

47

48 Χωροπληρωτικό μοντέλο διαφορετικών τύπων DNA

49 Δομή RNA

50 DNA Σάκχαρο: δεσοξυ-ριβόζη Διπλή αλυσίδα A, T, C, G RNA ριβόζη Μονή αλυσίδα A, U, C, G

51 Δομή RNA

52 Δομή RNA

53 Τα είδη μορίων RNA στο κύτταρο Είδος RNA mrna rrna trna Μικρά RNA Λειτουργία κωδικοποιεί πρωτεΐνες είναι συστατικό του ριβοσωματίου και συμμετέχει στη σύνθεση των πρωτεϊνών χρησιμοποιείται στην πρωτεϊνοσύνθεση ως μόριο προσαρμογής μεταξύ του mrna και των αμινοξέων χρησιμοποιούνται στη συρραφή του προ-mrna, στη μεταφορά των πρωτεϊνών στο ενδοπλασματικό δίκτυο και σε άλλες διεργασίες του κυττάρου

54 Οργάνωση του DNA σε χρωμοσώματα Περισσότερα στο επόμενο μάθημα

55 DNA

56 Μετατροπές μονάδων 1 m = 10 3 mm = 10 6 μm = 10 9 nm = 10 x10 9 Angstrom 10 b 3,4 nm 10 x 10 3 b 3,4 μm 10 x 10 6 b 3,4 mm 10 x 10 9 b 3,4 m 1 Mb = 10 3 Kb = 10 6 bp 1Mb = 0,34 mm

57 Χρωμοσώματα προκαρυωτικών οργανισμών DNA: Μονόκλωνο Δίκλωνο Γραμμικό Κυκλικό

58 Ηλεκτρονιομικρογραφία του βακτηριοφάγου ΦΧ174. Χρωμόσωμο νουκλεοτίδια Αναλογία βάσεων 25Α:33Τ:24G:18C 58

59 Η δομή του χρωμοσώματος του φάγου λ Η δομή του χρωμοσώματος του φάγου λ ποικίλλει στα στάδια της λυτικής μόλυνσης της E. coli. Τμήματα του χρωμοσώματος του φάγου λ, που δείχνουν τη νουκλεοτιδική αλληλουχία των δύο μονόκλωνων, συμπληρωματικών («κολλωδών») άκρων. Μετά τη μόλυνση ενός βακτηρίου E. coli, το χρωμόσωμα του φάγου λ γίνεται κυκλικό με ζευγάρωμα των συμπληρωματικών άκρων του, ενώ η κυκλοποίηση ολοκληρώνεται από την DNA λιγάση. 59

60 Χρωμόσωμα που απελευθερώθηκε από ένα κύτταρο Ε. coli το οποίο έχει υποστεί λύση. Μήκος κυττάρου 1 μm Χρωμόσωμο 4,6 Μb (4,6 x 10 6 b) Μήκος μm 60

61 Απεικόνιση της υπερελίκωσης του DNA. (α) Γραμμικό DNA με 20 ελικοειδείς στροφές (208 ζεύγη βάσεων). (β) Χαλαρό κυκλικό DNA το οποίο προκύπτει από τη σύνδεση των δύο άκρων του γραμμικού μορίου που απεικονίζεται στο (α). (γ) Το γραμμικό μόριο DNA από το (α) ξετυλιγμένο κατά δύο ελικοειδείς στροφές από το ένα άκρο του. (δ) Ένα πιθανό κυκλικό μόριο DNA το οποίο παράγεται με σύνδεση των δύο άκρων του γραμμικού μορίου από το (γ). Το κυκλικό μόριο έχει 18 ελικοειδείς στροφές και μια βραχεία ξετυλιγμένη περιοχή. (ε) Η πιο ευνοούμενη ενεργειακά μορφή του (δ), ένα υπερελικωμένο DNA με 20 ελικοειδείς και 2 υπερελικοειδείς στροφές. 61

62 Ηλεκτρονιομικρογραφία ενός κυκλικού μορίου DNA, όπου φαίνεται η χαλαρή και η υπερελικωμένη κατάσταση. α) β) (α) Χαλαρό (μη υπερελικωμένο) DNA. (β) Υπερελικωμένο DNA. Τα δύο μόρια απεικονίζονται στην ίδια μεγέθυνση. 62

63 Μοντέλο της δομής ενός βακτηριακού χρωμοσώματος. 63

64 Τιμή C 64

65 65

66 Δομή ευκαρυωτικού χρωμοσώμου

67 Αριθμός χρωμοσωμάτων

68 Ευκαρυωτικοί οργανισμοί: νουκλεοσώματα Ηλεκτρονιομικρογραφία ξετυλιγμένης χρωματίνης, όπου φαίνονται τα νουκλεοσώματα που μοιάζουν με «χάντρες κομπολογιού». 68

69 Ιστόνες

70 Νουκλοεσωμάτιο

71

72

73 Βασική δομή ευκαρυωτικού χρωμοσώματος (α) Ο πυρήνας ιστονών του νουκλεοσώματος. (β) Διάγραμμα νουκλεοσωμάτων με μορφή «χάντρες κομπολογιού» στη χρωματίνη. Οι διαστάσεις ενός νουκλεοσώματος είναι 11 nm 5,7 nm. (γ) Συμπύκνωση της χρωματίνης εξαιτίας της πρόσδεσης της Η1. 73

74

75 To ινίδιο χρωματίνης των 30 nm. α) β) (α) Ηλεκτρονιομικρογραφία του ινιδίου. (β) Σωληνοειδές μοντέλο για τον τρόπο οργάνωσης των νουκλεοσωμάτων στα ινίδια χρωματίνης των 30 nm. Η ιστόνη Η1 δεν απεικονίζεται. 75

76 Ηλεκτρονιομικρογραφία ενός μεταφασικού χρωμοσώματος από το οποίο αφαιρέθηκαν οι ιστόνες. Το χρωμόσωμα διατηρεί το γενικό του σχήμα μέσω ενός μη ιστονικού ικριώματος από το οποίο προεκβάλλουν βρόχοι DNA. igenetics 76

77 Περιοχές βρόχων σε μεταφασικά χρωμοσώματα. (α) Βρόχοι ινιδίων των 30 nm προσδεδεμένοι μέσω περιοχών σχετιζόμενων με το ικρίωμα σε μη ιστόνες του χρωμοσωμικού ικριώματος. (β) Σχηματική απεικόνιση τμήματος ενός μεταφασικού χρωμοσώματος, όπου φαίνεται η περιέλιξη των περιοχών βρόχων. 77

78 Συμπύκνωση

79

80 Πρότυπη αλληλουχία για τα κεντρομερή της ζύμης Saccharomyces cerevisae. Το R συμβολίζει μια πουρίνη. Τα ζεύγη βάσεων που υποδεικνύονται με κεφαλαία γράμματα συναντώνται σχεδόν σε όλα τα κεντρομερή (σε 15 ή 16 από τα 16) του ζυμομύκητα και θεωρούνται πολύ συντηρημένα. Τα ζεύγη βάσεων που εντοπίζονται σε 10 ως 13 από τα 16 κεντρομερή είναι συντηρημένα και υποδεικνύονται με πεζά γράμματα. Οι μη συντηρημένες θέσεις συμβολίζονται με παύλες. 80

81 Υποθετικό μοντέλο του κινητοχώρου στο ζυμομύκητα Φαίνεται η σχέση μεταξύ των μικροσωληνίσκων της ατράκτου και των στοιχείων αλληλουχίας DNA του κεντρομερούς. 81

82 Τελομερή (α) Απλές τελομερικές αλληλουχίες στα άκρα των χρωμοσωμάτων του πρωτοζώου Tetrahymena. (β) Μοντέλο της δομής του τελομερούς σύμφωνα με το οποίο το τελομερικό DNA αναδιπλώνεται και σχηματίζει ένα βρόχο t. Το μονόκλωνο άκρο διεισδύει στη δίκλωνη τελομερική αλληλουχία και δημιουργεί ένα βρόχο εκτόπισης ή βρόχο D. 82

83

84 DNA ενός αντιγράφου Τα περισσότερα γνωστά γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες

85 Επαναλαμβανόμενο DNA Μεταθετά στοιχεία rrna trna Κεντρομερή τελομερή