To DNA και η λειτουργία του

Transcript

1 Δασική Γενετική To DN και η λειτουργία του Χειμερινό εξάμηνο

2 Σήμερα θα δούμε ότι: Κάθε είδος έχει ένα μοναδικό σύνολο από γενετική πληροφορία, το γένωμα Το γένωμα αποτελείται από ένα ή περισσότερα μόρια DN, που είναι οργανωμένα σε χρωμοσώματα Τα ευκαρυωτικά γενώματα έχουν ένα ή δύο σετ χρωμοσωμάτων στον πυρήνα Ένα γονίδιο είναι ένα τμήμα DN που μεταγράφεται σε ένα μόριο RN Το RN με τη σειρά του μεταφράζεται σε μια αλληλουχία αμινοξέων, το πολυπεπτίδιο 2

3 DN Το DN αναφέρεται ως ο κώδικας της ζωής. Περιέχει τις οδηγίες κατασκευής για τις πρωτείνες στο κύτταρο.

4 Η μορφή του DN To DN είναι ένα μεγάλο πολυμερές. Η βασική του μορφή είναι μια περιστρεφόμενη σκάλα Ονομάζεται διπλή έλικα (double helix)

5 Η διπλή έλικα Η διπλή έλικα του DN έχει δύο αλυσίδες που ελίσσονται μαζί Θα εξετάσουμε τη δομή της μίας από αυτές

6 Μία αλυσίδα του DN φώσφορος Στο σκελετό του DN εναλάσσονται ένας φώσφορος και μία δεσοξυριβόζη. Προεξέχουν αζωτούχες βάσεις. δεσοξυριβόζη βάσεις

7 Μία αλυσίδα του DN νουκλεοτίδιο Μία αλυσίδα DN είναι ένα πολυμερές νουκλεοτιδίων. Μία αλυσίδα DN έχει εκατομμύρια νουκλεοτιδια.

8 Φύση του DN Πειραματικά αποδείχτηκε ότι το DN περιέχει την κληρονομούμενη πληροφορία Το DN διπλασιάζεται πριν από κάθε κυτταροδιαίρεση Το DN κωδικοποιεί το σχηματισμό των πρωτεϊνών που χρειάζεται το κύτταρο Το DN υπόκειται σε μεταλλάξεις, δίνοντας νέα αλληλόμορφα: την πρώτη ύλη της εξέλιξης 8

9 Χλωροπλάστες Μιτοχόνδρια Πυρήνας 9

10 Το DN στο κύτταρο Το DN του πυρήνα κληρονομείται από δύο γονείς μέσα από την ένωση δύο γαμετών. Η γενετική πληροφορία είναι προϊόν του εγγενούς πολλαπλασιασμού Το DN των πλαστιδίων προέρχεται πάντα από ένα γονέα Στα αγγειόσπερμα, το DN των μιτοχονδρίων και των χλωροπλαστών προέρχονται αυτούσια από το ωάριο Στα κωνοφόρα, το DN των χλωροπλαστών μεταφέρεται συνήθως από τη γύρη 10

11 Η ακολουθία των 4 βάσεων Τα μόρια του DN είναι μεγάλου μήκους αλυσίδες - απαρτίζονται από νουκλεοτίδια 1 πεντόζη (δεσοξυριβόζη) + φώσφορο + μία από τις τέσσερις βάσεις: Αδενίνη (), Θυμίνη (T), Κυτοσίνη () ή Γουανίνη () Πουρίνες:, Πουριμιδίνες: T, Η γενετική πληροφορία: γλώσσα με τέσσερα γράμματα, τα,t,, και Η γενετική πληροφορία βρίσκεται στην ακολουθία των τεσσάρων βάσεων, T, και 11

12 Νουκλεοτίδια Δομικές μονάδες του DN (και RN) δεσοξυριβόζη (πεντόζη), με 3 OH Φώσφορος (στον άνθρακα 5 ) Αζωτούχα βάση N βάση P N 5 O πεντόζη 3 OH 12

13 Οι 4 βάσεις του DN Αδενίνη (Α) Θυμίνη (Τ) Κυτοσίνη () Γουανίνη () 13

14 Δύο τύποι βάσεων στο DN Οι πουριμιδίνες είναι βάσεις με ένα δαχτυλίδι. N O N N Οι πουρίνες σχηματίζουν δύο κύκλους. N N N N N

15 Η θυμίνη και η κυτοσίνη είναι πουριμιδίνες N O N N N O θυμίνη O N κυτοσίνη

16 Η αδενίνη και η γουανίνη είναι πουρίνες O N N N N Αδενίνη N N N N Γουανίνη N N

17 Tα ζευγάρια των βάσεων - και -T 17

18 H διπλή έλικα TTT-3 3 -TTT-5 18

19 Η συμπληρωματικότητα Η ακολουθία των βάσεων στις δύο αλυσίδες της διπλής έλικας είναι συμπληρωματικές. Έχουμε αποθήκευση της ίδιας πληροφορίας αν και οι αλληλουχίες διαφέρουν. Ο τρόπος σύνδεσης μεταξύ των βάσεων και η συμπληρωματική ιδιότητα του DN είναι ιδιαίτερα σημαντικά στοιχεία για την αντιγραφή του μορίου. 19

20 Και μερικοί αριθμοί Κάθε κύτταρο έχει περίπου 2 μ. DN Ο μέσος άνθρωπος έχει 75 τρις κύτταρα Ο μέσος άνθρωπος έχει αρκετό DN να πάει από τη γη στον ήλιο 400 φορές Το DN έχει διάμετρο μ. Η γη απέχει από τον ήλιο δις μέτρα

21 Watson & rick 21

22 Watson & rick 22

23 Αντιγραφή του DN 23

24 Σημασία της αντιγραφής Η αντιγραφή του μορίου του DN σε (σχεδόν) ακριβή αντίγραφα επιτρέπει τον πολλαπλασιασμό της γενετικής πληροφορίας Αυτή γίνεται κατά την αναπαραγωγή των κυττάρων (μίτωση) ή κατά τη δημιουργία των γαμετών (μείωση) Το DN είναι ένα αυτο-αντιγραφόμενο μόριο και μόνο έτσι θα μπορούσε να είναι ο φορέας της γενετικής πληροφορίας. 24

25 Το νέο μακρομόριο Το αποτέλεσμα της αντιγραφής είναι δύο «νέες» συμπληρωματικές αλυσίδες, που μαζί με τις «αρχικές» σχηματίζουν δύο νέες διπλές έλικες με ίδια δομή ίδια ακολουθία νουκλεοτιδίων. Οι δύο νέες έλικες DN περιέχουν την ίδια γενετική πληροφορία. Ο διπλασιασμός είναι απαραίτητος για τη σωματική και πληθυσμιακή αύξηση των οργανισμών 25

26 Αντιγραφή του DN Parentalstrang Tochterstrang 26

27 Ένζυμα και πολυπεπτίδια Πολυπεπτίδια = σύνθετα βιολογικά μακρομόρια, που αποτελούνται από απλούστερες μονάδες - τα αμινοξέα Τα γειτονικά αμινοξέα συνδέονται μεταξύ τους με πεπτιδικούς δεσμούς Τα πιο σημαντικά πολυπεπτίδια είναι οι πρωτείνες: ένζυμα και δομικές πρωτείνες Στη φύση, υπάρχουν 20 διαφορετικά αμινοξέα κάθε αμινοξύ έχει ένα τμήμα κοινό και μία ρίζα που το διαφοροποιεί από τα υπόλοιπα 27

28 Πρωτοταγής δομή ενζύμων 28

29 Ιδιότητες πολυπεπτιδίων Η ρίζα των αμινοξέων μπορεί να είναι ουδέτερη / υδρόφοβη, ουδέτερη / πολωμένη, όξινη ή βασική Κάθε πολυπεπτίδιο έχει ένα συγκεκριμένο ηλεκτρικό φορτίο, μια δομή και ένα μέγεθος, ανάλογα με την ακολουθία των αμινοξέων τους 29

30 Μια σύνοψη για το DN 30

31 Από το DN στο RN Ένας οργανισμός αξιοποιεί τη γενετική του πληροφορία στο DN, με το σχηματισμό πολυπεπτιδίων Από το DN σχηματίζεται ένα νέο μακρομόριο, το RN (ριβονουκλεϊκό οξύ). Η ακολουθία των βάσεων που υπάρχει στο DN μεταφέρεται στο RN - συμπληρωματικά προς το DN Το RN είναι μονόκλωνο Αντί Θυμίνης (T), Ουρακίλη (). Η σύνθεση του RN από τμήματα DN λέγεται μεταγραφή και το προϊόν της αγγελιοφόρο RN, ή mrn (m για messenger = αγγελιοφόρος) 31

32 Το RN Ribose racil Desoxyribose Thymin 32

33 Μεταγραφή transcription1 33

34 Από το mrn στο trn Tο mrn εγκαταλείπει τον πυρήνα - στο κυτόπλασμα προσκολλούνται ριβοσωμάτια = εργαστήρια παραγωγής πολυπεπτιδίων. μεταφορικό RN ή trn (transfer-rn) = τρεις βασικές ιδιότητες: α) έχει μια συγκεκριμένη διαδοχή βάσεων, β) προσκολλείται σε ένα συγκεκριμένο αμινοξύ και γ) λαμβάνει συγκεκριμένες θέσεις στο ριβόσωμα. Το trn μπορεί να ταιριάζει συγκεκριμένα αμινοξέα σε συγκεκριμένες ακολουθίες νουκλεοτιδίων. 34

35 trn Einzelsträngige Regionen Doppelsträngige Regionen durch Wasserstoffbrückenbindungen minosäure-kzeptorstelle ntikodonschleife ntikodon Kodon 35

36 Μετάφραση Ανάλογα με την ακολουθία των αμινοξέων στο mrn, ταιριάζει μία ακολουθία trn με ένα μόνο αμινοξύ Τα αμινοξέα που μεταφέρονται στο ριβόσωμα από το trn, προσκολλούνται μεταξύ τους με βάση τη συγκεκριμένη ακολουθία των νουκλεοτιδίων και ενώνονται για να σχηματίσουν ένα πολυπεπτίδιο Η διαδικασία αυτή λέγεται μετάφραση = μεταφράζεται μια ακολουθία νουκλεοτιδίων του mrn σε ακολουθία αμινοξέων ενός πολυπεπτιδίου 36

37 Μετάφραση 37

38 Σύνοψη έκφρασης του DN 1. Transkription DN mrn nticodierender Strang trn Kodierender Strang minosäuren rrn RNPolymerase Proteine RNnukleotide nticodon Polypeptidkette Kernmembran 2. Translation codon Ribosom mrn 38

39 Ακόμα μια σύνοψη 39

40 Ο γενετικός κώδικας 20 αμινοξέα - θα πρέπει να υπάρχουν τουλάχιστον 20 «κωδικοί» - 4 νουκλεϊκές βάσεις - αν συνδυαστούν ανά τρεις - οι δυνατοί συνδυασμοί είναι 43 = 64 Ο κώδικας των τριών βάσεων του DN και mrn, που μεταφράζεται σε ένα συγκεκριμένο αμινοξύ από το trn, λέγεται κωδικόνιο (codon). Η συμπληρωματική τριάδα του trn λέγεται αντικωδικόνιο (anticodon) 40

41 Κωδικώνια και RN 41

42 Ο κώδικας σπάει! Second: First : mino cid Phe Phe Leu Leu Leu Leu Leu Leu Ile Ile Ile Met Val Val Val Val mino cid Ser Ser Ser Ser Pro Pro Pro Pro Thr Thr Thr Thr la la la la mino cid Tyr Tyr TERM TERM His His ln ln sn sn Lys Lys sp sp lu lu mino cid ys ys TERM Trp rg rg rg rg Ser Ser rg rg ly ly ly ly 42

43 Εσώνια και εξώνια... Παρατηρείται το φαινόμενο να παραλείπονται μεγάλα τμήματα του DN από τη μεταγραφή Το mrn που προκύπτει περιέχει μόνο πληροφορία από τα τμήματα του DN που λέγονται εξώνια (exons) Οι ακολουθίες των βάσεων που δεν μεταγράφονται στο mrn λέγονται εσώνια (introns). Τα λειτουργικά γονίδια βρίσκονται στα εξώνια και οδηγούν στη σύνθεση πολυπεπτιδίων αρχή ενός γονιδίου ενός πολυπεπτιδίου 43

44 Πόσο DN μεταφράζεται; 44

45 Γονιδιακές μεταλλάξεις Λάθη κατά τη συμπλήρωση των νουκλεοτιδίων 3 κύριες μεταλλάξεις: Αντικατάσταση με διαφορετικό αμινοξύ: , gly glu Πρώιμο κωδικώνιο τερματισμού: , gly stop Μετατόπιση: Προσθήκη ή αφαίρεση ενός ή δύο νουκλεοτιδίων αλλάζει το πλαίσιο ανάγνωσης από ένα σημείο Όλα τα κωδικώνια που έπονται αλλάζουν 45

46 Επίδραση μεταλλάξεων Οι μεταλλάξεις έχουν επίδραση στη σύνθεση των πρωτεϊνών Συνήθως μειώνουν την αποτελεσματικότητα της πρωτεΐνης Μηδενική μετάλλαξη (μηδενικό αλληλόμορφο): ανενεργή πρωτεΐνη Σιωπηλή μετάλλαξη: καμία αλλαγή στη λειτουργία αν και αλλάζει η σειρά των αμινοξέων 46

47 Κυριαρχία - υποτέλεια Τα υποτελή αλληλόμορφα συνήθως είναι ανενεργά ή έχουν μειωμένη δράση Τα κυρίαρχα αλληλόμορφα παράγουν συνήθως αρκετό προϊόν που καλύπτει και την έλλειψη του υποτελούς Α/Α: ομοζυγωτό κυρίαρχο (λειτουργικό) Α/α: ετεροζυγωτό (λειτουργικό) α/α: ομοζυγωτό υποτελές (μη λειτουργικό) 47

48 Κυριαρχία του ανενεργού Σε κάποιες περιπτώσεις, χρειάζεται η παραγωγή ενζύμου και από τα δύο αλληλόμορφα για να εκφραστεί ένας χαρακτήρας Α/Α: ομοζυγωτό κυρίαρχο (λειτουργικό) Α/α: ετεροζυγωτό (μη λειτουργικό) α/α: ομοζυγωτό υποτελές (μη λειτουργικό) 48

49 Μερική κυριαρχία - συγκυριαρχία Η παραγωγή του ενζύμου από ένα αλληλόμορφο μόνο δίνει μια ενδιάμεση μορφή: Α/Α: ομοζυγωτό κυρίαρχο (λειτουργικό) Α/α: ετεροζυγωτό (μερικώς λειτουργικό) α/α: ομοζυγωτό υποτελές (μη λειτουργικό) Άλλες φορές και τα δύο αλληλόμορφα είναι εξίσου ισχυρά, αλλά για διαφορετικά προϊόντα Ομάδα αίματος ΑΒ στον άνθρωπο Domhomo; reshomo; reshomo2; hetero1 49

50 Χρωμοσωμικές μεταλλάξεις Αλλαγές στη δομή των χρωμοσωμάτων κατά τις κυτταροδιαιρέσεις Deletion αφαίρεση Translokation μετάθεση eht verloren oder kann auch zur Duplikation führen. Inversion αντιστροφή inversion; 50

51 Γενωμικές μεταλλάξεις Η σειρά των γονιδίων στα χρωμοσώματα παραμένει αναλλοίωτη Αλλάζει ο αριθμός των αντιγράφων του γενώματος (π.χ. τετραπλοειδία) ή ο αριθμός των χρωμοσωμάτων στο γένωμα (π.χ. ανευπλοειδία) 51

52 Έρευνα γενετικής ποικιλότητας Το πιο κοντινό επίπεδο στο γονίδιο είναι ο προσδιορισμός της αλληλουχίας του DN Με τη χρήση «μοριακών δεικτών» βρίσκουμε διαφορές μεταξύ ατόμων στη δομή του DN τους Με την ανάλυση «ισοενζύμων» βρίσκουμε διαφορές στην έκφραση των γονιδίων σε ενζυμικό επίπεδο 52

53 Ηλεκτροφόρηση Η πιο σημαντική μέθοδος για την έρευνα βιοχημικής και μοριακής γενετικής ποικιλότητας είναι η ηλεκτροφόρηση Διαχωρίζει τα μακρομόρια ανάλογα με το μέγεθός τους (κυρίως τμήματα DN), ηλεκτρικό φορτίο και δομή (κυρίως ένζυμα) Διαλύματα που περιέχουν ένζυμα ή τμήματα DN εκτίθενται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο για ορισμένο χρονικό διάστημα 53

54 Θάλαμος ηλεκτροφόρησης 54

55 Αρχές ηλεκτροφόρησης Τα δείγματα προετοιμάζονται και τοποθετούνται στο ένα άκρο του gel - το gel τοποθετείται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο για αρκετές ώρες Τα μόρια κινούνται μέσα στο gel με διαφορετική ταχύτητα ανάλογα με μέγεθος - φορτίο -τρισδιάστατη δομή Το DN ή τα ένζυμα φαίνονται αφού χρωματιστούν τα gel με τις κατάλληλες χρωστικές Κάθε γραμμή αντιστοιχεί σε ένα ένζυμο ή τμήμα DN στη συγκεκριμένη θέση 55

56 Ηλεκτροφόρηση ενζύμων Ενζυμικό σύστημα PI στο upressus sempervirens 56

57 Ηλεκτροφόρηση αγαρόζης Χρησιμοποιείται για το διαχωρισμό τμημάτων DN διαφορετικού μήκους gelelectrophoresis.exe 57