Βιολογία Θετικής Κατεύθυνσης. Κεφάλαιο 2 ο Αντιγραφή, έκφραση & ρύθμιση της γενετικής πληροφορίας

Transcript

1 Βιολογία Θετικής Κατεύθυνσης Κεφάλαιο 2 ο Αντιγραφή, έκφραση & ρύθμιση της γενετικής πληροφορίας

2 Αντιγραφή του DNA Οι Watson & Crick το 1953 μαζί με το μοντέλο της διπλής έλικας, πρότειναν και έναν τρόπο με τον οποίο το DNA μπορεί να αντιγράφει τον εαυτό του. Η κεντρική ιδέα είναι ότι η διπλή έλικα ξετυλίγεται και κάθε αλυσίδα λειτουργεί σαν καλούπι για τη δημιουργία μίας νέας συμπληρωματικής αλυσίδας. Έτσι τα δύο θυγατρικά μόρια είναι πανομοιότυπα με το μητρικό και καθένα αποτελείται από μία παλιά και μία καινούργια αλυσίδα. Ο μηχανισμός αυτός ονομάστηκε ημισυντηρητικός.

3 Αντιγραφή του DNA Αν και παρουσιάζεται σχετικά απλή, η διαδικασία είναι πολύπλοκη. Η αντιγραφή μελετήθηκε στο βακτήριο Escherichia coli γιατί το DNA είναι μικρότερο και απλούστερα οργανωμένο. Παρ όλα αυτά τα βασικά στάδια του μηχανισμού είναι τα ίδια σε προκαρυώτες και ευκαρυώτες. Η αντιγραφή ξεκινάει από καθορισμένα σημεία που ονομάζονται θέσεις έναρξης της αντιγραφής. Στο βακτηριακό DNA εμφανίζεται μία (1) θέση αντιγραφής και αντιγράφεται σε λιγότερο από 30 λεπτά όταν οι συνθήκες είναι ευνοϊκές. Στο ευκαρυωτικό DNA εμφανίζονται περισσότερες θέσεις λόγω μεγαλύτερου μεγέθους. Με αυτό τον τρόπο, αν και φορές μεγαλύτερο από των προκαρυωτών, το γενετικό υλικό αντιγράφεται πολύ γρήγορα.

4 Αντιγραφή του DNA Βήμα 1 ο Για να ανοίξει η διπλή έλικα, πρέπει να σπάσουν οι δεσμοί υδρογόνου που αναπτύσσονται ανάμεσα στις συμπληρωματικές βάσεις. Υπεύθυνα για αυτή τη δουλειά είναι τα ένζυμα που ονομάζονται DNA ελικάσες (1 ο ένζυμο). Όταν ανοίξει η έλικα δημιουργείται μία «θηλιά», η οποία αυξάνεται και προς τις δύο κατευθύνσεις. Οι θηλιές είναι ορατές με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο.

5 Αντιγραφή του DNA Βήμα 2 ο Τα κύρια ένζυμα που συμμετέχουν στην αντιγραφή του DNA ονομάζονται DNA πολυμεράσες. Επειδή όμως δεν έχουν την ικανότητα να ξεκινήσουν την αντιγραφή, υπάρχει ένα άλλο ειδικό σύμπλοκο από πολλά ένζυμα που ονομάζεται πριμόσωμα(2 ο ένζυμο). Ο ρόλος του πριμοσώματος είναι να συνθέσει στη θέση έναρξης της αντιγραφής, μικρά τμήματα RNA, συμπληρωματικά ως προς την μητρική αλυσίδα, τα οποία ονομάζονται πρωταρχικά τμήματα. Οι DNA πολυμεράσες (3 ο ένζυμο): i. επιμηκύνουν αυτά τα πρωταρχικά τμήματα (δηλαδή προσθέτουν δεσοξυριβονουκλεοτίδια) δημιουργώντας τη θυγατρική αλυσίδα. ii. ταυτόχρονα ελέγχουν και για την πιθανή ύπαρξη λαθών κατά την αντιγραφή (νουκλεοτίδια που τοποθετήθηκαν κατά παράβαση του κανόνα της συμπληρωματικότητας. iii. απομακρύνουν τα πρωταρχικά τμήματα RNA και τα αντικαθιστούν με τμήματα DNA

6 Αντιγραφή του DNA Βήμα 3 ο Οι DNA πολυμεράσες λειτουργούν μόνο προς μία κατεύθυνση. Μπορούν να τοποθετήσουν νουκλεοτίδια μόνο στο 3 ελεύθερο άκρο της δεοξυριβόζης του τελευταίου νουκλεοτιδίου. Για αυτό η αντιγραφή έχει προσανατολισμό 5 3. Ετσι σε κάθε διπλή έλικα που παράγεται οι δύο αλυσίδες είναι αντιπαράλληλες. Για να συμβεί αυτό όμως, η σύνθεση του DNA στη μία αλυσίδα είναι συνεχής και στην άλλη ασυνεχής. Τα τμήματα της ασυνεχούς αλυσίδας ενώνονται με τη βοήθεια ενός ενζύμουπουονομάζεται DNA δεσμάση (4 ο ένζυμο).

7 Αντιγραφή του DNA Βήμα 4 ο Το τελικό στάδιο απαιτεί τον έλεγχο του τελικού προϊόντος (δύο νέες αλυσίδες) Ένας πρώτος έλεγχος γίνεται από τις DNA πολυμεράσες την ώρα που δημιουργούν τα νέα τμήματα. Ό,τι ξεφεύγει ελέγχεται στην πορεία και επιδιορθώνεται με τη χρήση ειδικών επιδιορθωτικώνενζύμων (5 ο ένζυμο). Η μεγάλη ακρίβεια του μηχανισμού επιτρέπει την ύπαρξη ενός λάθους νουκλεοτιδίου ανά Στους ευκαρυωτικούς τα λάθη περιορίζονται στο 1/10 10.

8 Έκφραση της γενετικής πληροφορίας Η γενετική πληροφορία βρίσκεται αποθηκευμένη στο γενετικό υλικό και περιέχει τις πληροφορίες για τη δομή και τη λειτουργία του οργανισμού. Ταυτόχρονα περιέχει και την πληροφορία για τον αυτοδιπλασιασμό της, εξασφαλίζοντας τη μεταβίβασή της από κύτταρο σε κύτταρο και κατ επέκταση από έναν οργανισμό στους απογόνους της. Το πρώτο βήμα για την έκφραση της γενετικής πληροφορίας που υπάρχει στοdnaείναιημεταφοράτηςστοrnaμετηδιαδικασίατης μεταγραφής. ΤοRNAστηνπορείαμεταφέρειαυτήτηνπληροφορίαστιςπρωτεΐνεςμετη διαδικασία της μετάφρασης. Οι πρωτεΐνες είναι υπεύθυνες για τη δομή και τη λειτουργία των κυττάρων και κατ επέκταση των οργανισμών. Η σχέση αυτή απεικονίζεται στο σχήμα που είναι γνωστό ως ΚΕΝΤΡΙΚΟ ΔΟΓΜΑ ΤΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ και προτάθηκε από τον Crick το 1958.

9 Έκφραση της γενετικής πληροφορίας Η γενετική πληροφορία οργανώνεται σε τμήματα DNA με συγκεκριμένη αλληλουχία που ονομάζονται γονίδια. Τα γονίδια μέσα από τη μεταγραφή και τη μετάφραση καθορίζουν τη σειρά των αμινοξέων στις πρωτεΐνες. Οι πορείες της μεταγραφής και της μετάφρασης αποτελούν τη γονιδιακή έκφραση. Μέχρι της ανακάλυψης των RNA ιών, πιστεύαμε ότι η μεταγραφή γινόταν μόνο από το DNA προς το RNA. Οι RNA ιοί διαθέτουν ένα ένζυμο που ονομάζεται αντίστροφη μεταγραφάση και επιτρέπει τη μεταγραφή του RNA σε DNA. Σε ορισμένους ιούς, το RNA έχει την ικανότητα του αυτοδιπλασιασμού. Έτσι το κεντρικό δόγμα σήμερα εμφανίζεται ως εξής:

10 Έκφραση της γενετικής πληροφορίας Όλα τα κύτταρα ενός πολυκύτταρου οργανισμού έχουν το ίδιο DNA. Όμως σε κάθε ομάδα κυττάρων εκφράζονται διαφορετικά γονίδια (π.χ. αιμοσφαιρίνη στα ερυθρά αιμοσφαίρια και αντισώματα στα β-λεμφοκύτταρα). Τα γονίδια διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: i. Γονίδια που μεταγράφονται σε mrna και στη συνέχεια μεταφράζονται σε πρωτεΐνες ii. Γονίδια που μεταγράφονται και παράγουν trna, rrna και snrna. Από τα 3x10 9 ζεύγη βάσεων του ανθρώπινου γονιδιώματος μικρό ποσοστό μεταγράφεται σε RNA.

11 Είδη RNA mrna: (Προκαρυωτικοί + Ευκαρυωτικοί) Μεταφέρουν την πληροφορία του DNA για την παραγωγή μίας πολυπεπτιδικής αλυσίδας trna: (Προκαρυωτικοί + Ευκαρυωτικοί) Συνδέονται με τα αμινοξέα και τα μεταφέρουν στη θέση της πρωτεϊνοσύνθεσης rrna: (Προκαρυωτικοί + Ευκαρυωτικοί) Συνδέεται με πρωτεΐνες και δημιουργούν το ριβόσωμα snrna: (Ευκαρυωτικοί) Μικρά μόρια που συνδέονται με πρωτεΐνες και σχηματίζουν μικρά ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σωματίδια (snrnps). Καταλύουν την ωρίμανση του mrna(διαδικασία που γίνεται μόνο στους ευκαρυωτικούς).

12 Σημαντικό Arthur Kronberg Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής Νόμπελ Ιατρικής 1959 DNA πολυμεράση Mahlon Hoagland Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής Δεν έλαβε βραβείο Νόμπελ trna

13 Σημαντικό Matthew Meselson Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής Franklin Stahl 1929 Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής Δεν έλαβαν βραβείο Νόμπελ Απέδειξαν τον ημισυντηρητικότρόπο διπλασιασμού (1959) Πείραμα των Meselson - Stahl

14 Μεταγραφή του DNA Ο μηχανισμός είναι κοινός στους ευκαρυωτικούς και προκαρυωτικούς οργανισμούς Το ένζυμο που καταλύει την αντίδραση λέγεται RNA πολυμεράση (στους ευκαρυωτικούς υπάρχουν τρία είδη RNA πολυμερασών) Η RNA πολυμεράση προσδένεται σε ειδικές περιοχές του DNA που ονομάζονται υποκινητές. Σε αυτό βοηθάνε πρωτεΐνες που ονομάζονται μεταγραφικοί παράγοντες. Οι υποκινητές και οι μεταγραφικοί παράγοντες αποτελούν τα ρυθμιστικά στοιχεία της μεταγραφής του DNA. Οι υποκινητές βρίσκονται πάντα πριν από την αρχή κάθε γονιδίου.

15 Μεταγραφή του DNA Δράση της RNA πολυμεράσης κατά την έναρξη της μεταγραφής: 1. Πρόσδεση στον υποκινητή 2. Τοπικό ξετύλιγμα της διπλής έλικας του DNA 3. Τοποθέτηση ριβονουκλεοτιδίων απέναντι από τα δεοξυριβονουκλεοτίδια της μίας αλυσίδας του DNA (βάση κανόνα συμπληρωματικότητας με ουρακίλη να τοποθετείται απέναντι από αδενίνη). ΠΡΟΣΟΧΗ: Η μεταγραφή έχει επίσης προσανατολισμό Η σύνθεση του RNA σταματάει στο τέλος του γονιδίου, όπου ειδικές αλληλουχίες που ονομάζονται αλληλουχίες λήξης της μεταγραφής επιτρέπουν την απελευθέρωσή του.

16 Μεταγραφή του DNA Μη κωδική αλυσίδα: Είναι η μεταγραφόμενη, δηλαδή η συμπληρωματική με το RNA που δημιουργήθηκε. Κωδική αλυσίδα: η συμπληρωματική αλυσίδα του DNA του γονιδίου. Η αλληλουχία της είναι η ίδια με το RNA που δημιουργήθηκε. Στους προκαρυωτικούς οργανισμούς το mrna αρχίζει να μεταφράζεται σε πρωτεΐνη πριν ακόμα ολοκληρωθεί η μεταγραφή του. Στους ευκαρυωτικούς το mrna που παράγεται συνήθως δεν είναι έτοιμο για μετάφραση, αλλά πρέπει να υποστεί μία πολύπλοκη διαδικασία ωρίμανσης. Η ανακάλυψή της οδήγησε στο συμπέρασμα ότι τα περισσότερα γονίδια των ευκαρυωτών (και των ιών που τους προσβάλλουν) είναι ασυνεχή ή διακεκομμένα. Οι αλληλουχίες που μεταφράζονται σε αμινοξέα ονομάζονται εξώνια και οι ενδιάμεσες εσώνια.

17 Σημαντικό Sir Richard Roberts Ηνωμένο Βασίλειο Phillip Sharp 1944 Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής Bραβείο Νόμπελ 1993 Διαδικασία ωρίμανσης Ασυνεχή γονίδια

18 Ωρίμανση -Splicing Διαδικασία που μετατρέπει το πρόδρομο mrna σε ώριμο. Τα εσώνια κόβονται από μικρά ριβονουκλεοπρωτϊνικά σωματίδια και απομακρύνονται. Τα ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σωματίδια αποτελούνται από snrna και πρωτεΐνες. Ο ρόλος τους είναι η απομάκρυνση των εσωνίων και η συρραφή των εξωνίων. ΈτσιπροκύπτειτοώριμοRNA. Το ώριμο RNA περιέχει αμετάφραστες περιοχές και προς το 3 και προς το 5 άκρο(3 και 5 αμετάφραστες περιοχές)

19 Μετάφραση

20 Γενετικός κώδικας Γενετικό κώδικα ονομάζουμε τον κώδικα αντιστοίχισης νουκλεοτιδίων mrna με αμινοξέα πρωτεϊνών. Θεωρήθηκε πιθανό ότι τρία νουκλεοτίδια αντιστοιχούν σε ένα αμινοξύ και για αυτό ονομάστηκε «κώδικας τριπλέτας».

21 Γενετικός κώδικας Βασικά χαρακτηριστικά: 1. Κώδικας τριπλέτας- κωδικόνιο 2. Συνεχής 3. Μη επικαλυπτόμενος 4. Σχεδόν καθολικός 5. Εκφυλισμένος 6. Κωδικόνια έναρξης και τερματισμού AUG Κωδικοποιεί μεθειονίνη UAG, UGA, UAA Κωδικόνια λήξης

22 Μετάφραση Πραγματοποιείται στα ριβοσώματα με τη βοήθεια των trna, τη συμμετοχή αρκετών πρωτεϊνών και ενέργειας. Τα ριβοσώματα μπορούν να μεταφράσουν οποιοδήποτε mrna. Για αυτό και βακτήρια μπορούν να μεταφράσουν ανθρώπινο mrna και να δημιουργήσουν ανθρώπινες πρωτεΐνες. Δομή ριβοσώματος: Αποτελείται από δύο υπομονάδες. Μία μικρή και μία μεγάλη. Η μικρή διαθέτει μία θέση πρόσδεσης του mrna, ενώ η μεγάλη διαθέτει δύο θέσεις εισδοχής trna. Κρυσταλλική δομή ριβοσώματος με τη χρήση της τεχνικής της κρυσταλλογραφίας ακτίνων X(Thomas Stetz, 1998)

23

24

25 trna Κάθε μόριο trna διαθέτει: μία τριπλέτα νουκλεοτιδίων, το αντικωδικόνιο, με την οποία προσδένεται με το αντίστοιχο κωδικόνιο του mrna. Καθώς επίσης μία ειδική θέση σύνδεσης με ένα συγκεκριμένο αμινοξύ.

26 Φάση 1 -Έναρξη Το mrna προσδένεται μέσω μίας αλληλουχίας που υπάρχει στην 5 αμετάφραστη περιοχή με το rrna της μικρής υπομονάδας του ριβοσώματος. Το πρώτο κωδικόνιο του mrna είναι πάντα AUG που μεταφράζεται σε μεθειονίνη. Όμως δεν έχουν όλες οι πρωτεΐνες ως πρώτο αμινοξύ τη μεθειονίνη. Το σύμπλοκο που δημιουργείται μετά την πρόσδεση του mrna στη μικρή υπομονάδα του ριβοσώματος και του trna που μεταφέρει μεθειονίνη ονομάζεται σύμπλοκο έναρξης. Στη συνέχεια η μεγάλη υπομονάδα συνδέεται με τη μικρή.

27 Φάση 2 -Επιμήκυνση

28 Φάση 3 -Λήξη 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.

29 Μία «οικονομική» διαδικασία Πολλά μόρια mrna μπορούν να μεταγράφονται από ένα μόνο γονίδιο. Πολλά ριβοσώματα μπορούν να μεταφράζουν ταυτόχρονα ένα mrna. Το σύμπλεγμα των ριβοσωμάτων με mrna ονομάζεται πολύσωμα.

30 Γονιδιακή ρύθμιση Γονιδιακή ρύθμιση ονομάζουμε τον έλεγχο της γονιδιακής έκφρασης (Υπενθύμιση: Γονιδιακή έκφραση αποτελεί η μεταγραφή και η μετάφραση) Συνολικά όταν χρησιμοποιούμε τον όρο γονιδιακή έκφραση αναφερόμαστε σε όλη τη διαδικασία ενεργοποίησης ενός γονιδίου για την παραγωγή μίας πρωτεΐνης. Δεδομένο Σε κάθε κύτταρο δεν παράγονται όλες οι πρωτεΐνες κάθε στιγμή Η κάθε πρωτεΐνη χρειάζεται σε συγκεκριμένη ποσότητα (άρα θα ήταν ανούσιο να παράγονται όλες στις ίδιες ποσότητες, αφού άλλες θα περίσσευαν και άλλες θα έλειπαν). Εξήγηση Υπαρξη και λειτουργία ενός προγράμματος ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης. Ελέγχει το πότε, το ποιες και το πόσες πρωτεΐνες θα παραχθούν

31 Γονιδιακή ρύθμιση

32 Γονιδιακή ρύθμιση (βακτήρια) Σκοπός Η προσαρμογή του οργανισμού στις αλλαγές των περιβαλλοντικών συνθηκών ώστε να εξασφαλίζονται οι βέλτιστες συνθήκες για την επιβίωση (αύξηση) και την αναπαραγωγή του(διαίρεση).

33 Σημαντικό Νόμπελ Ιατρικής και Φυσιολογίας 1965

34 Γονιδιακή ρύθμιση (βακτήρια) Ένα βακτηριακό κύτταρο E. coli έχει περίπου γονίδια Άλλα εκφράζονται συνεχώς γιατί χρειάζονται για βασικές λειτουργίες του κυττάρου Άλλα εκφράζονται κάτω από ιδιαίτερες περιβαλλοντικές συνθήκες, γιατί τα προϊόντα τους χρειάζονται μόνο σε αυτές τις ιδιαίτερες συνθήκες Παράδειγμα Αν το E. coli αναπτύσσεται σε ένα περιβάλλον χωρίς γλυκόζη (κύριος μεταβολίτης), αλλά πλούσιο σε λακτόζη (δισακχαρίτης: γαλακτόζη + γλυκόζη), πώς θα συμπεριφερθεί; Θα μπορέσει να τον διασπάσει και να χρησιμοποιήσει την πολυπόθητη γλυκόζη;

35 Γονιδιακή ρύθμιση (βακτήρια) Οι Jacob και Monod το 1961 απέδειξαν ότι τα τρία ένζυμα (βγαλακτοζιδάση, περμεάση, τρανσακετυλάση) που απαιτούνται για τη διάσπαση της λακτόζης βρίσκονται το ένα δίπλα στο άλλο πάνω στο γονιδίωμα και αποτελούν μία μονάδα. Αυτή την ομάδα την ονόμασαν οπερόνιο της λακτόζης. Το οπερόνιο της λακτόζης περιλαμβάνει εκτός των 3 γονιδίων των ενζύμων(δομικά) και αλληλουχίες DNA που ρυθμίζουν την έκφρασή τους. Οι αλληλουχίες αυτές βρίσκονται μπροστά από τα δομικά γονίδια και είναι κατά σειρά ένα ρυθμιστικό γονίδιο, ο υποκινητής και ο χειριστής. Όταν απουσιάζει η λακτόζη από το περιβάλλον του βακτηρίου, τότε το οπερόνιο βρίσκεται σε καταστολή(δε μεταγράφεται, ούτε μεταφράζεται). gene-machine-lac-operon_en.jar

36 Γονιδιακή ρύθμιση (πολυκύτταροι)

37 Κυτταρική διαφοροποίηση

38 Γονιδιακή ρύθμιση (πολυκύτταροι) Όλατακύτταραέχουντοίδιογενετικόυλικό,άρακαιταίδιαγονίδια Ημορφήόμωςκαιηλειτουργίατουςδενείναιηίδια Έχουν αναπτύξει μηχανισμούς που επιτρέπουν την επιλεκτική έκφραση της γενετικής πληροφορίας που χρειάζονται κάθε χρονική στιγμή Κάθε κυτταρικός τύπος έχει εξειδικευμένη λειτουργία. Ταυτόχρονα πρέπει να υπάρχει συντονισμός των λειτουργιών όλων των κυττάρων. Άρα η τελειοποίηση των συστημάτων ελέγχου είναι αναγκαία

39 Γονιδιακή ρύθμιση (πολυκύτταροι) Στη μεταγραφή Τεράστια ποικιλία μεταγραφικών παραγόντων Κάθε γονίδιο τον δικό του υποκινητή Μέτα-μεταγραφικά Καθορισμός ταχύτητας ωρίμανσης mrna και ελευθέρωσής του στο κυτταρόπλασμα Επίπεδα ρύθμισης Στη μετάφραση Χρόνος ζωής του mrna στο κυτταρόπλασμα Ποικιλία στην ικανότητα σύνδεσης στο ριβόσωμα Μέτα-μεταφραστικά Τροποποίηση του τελικού προϊόντος ώστε να γίνει βιολογικά λειτουργικό