ΕΝΟΤΗΤΑ 14: Ο ΦΟΡΕΑΣ ΤΗΣ ΓΕΝΕΤΙΚΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ (DNA) 14.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Transcript

1 1 ΕΝΟΤΗΤΑ 14: Ο ΦΟΡΕΑΣ ΤΗΣ ΓΕΝΕΤΙΚΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ (DNA) 14.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι δύο πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες του DNA αποτελούνται από νουκλεοτίδια τα οποία ενώνονται με φωσφοδιεστερικούς δεσμούς. Πιο συγκεκριμένα ο δεσμός αυτός δημιουργείται μεταξύ του υδροξυλίου του 3 άνθρακα της πεντόζης του πρώτου νουκλεοτιδίου και της φωσφορικής ομάδας που είναι συνδεδεμένη στον 5 άνθρακα της πεντόζης του επόμενου νουκλεοτιδίου. Γι αυτό το λόγο ανεξαρτήτως από πόσα νουκλεοτίδια αποτελείται μία πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα πάντα το πρώτο νουκλεοτίδιο έχει την φωσφορική ομάδα που είναι ενωμένη με την πεντόζη στον 5 άνθρακα ελεύθερη και το τελευταίο νουκλεοτίδιο της έχει ελεύθερο το υδροξύλιο του 3 άνθρακα της πεντόζης. Άρα όταν επιμηκύνεται μία αλυσίδα DNA ή RNA αυξάνετε πάντα με κατεύθυνση 5 προς 3. Γι αυτό λέμε πάντα ότι ο προσανατολισμός του DNA είναι 5 προς 3.

2 2 Χαρακτηριστικά του DNA: 1. Αποτελείται από δύο πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες που σχηματίζουν μια δεξιόστροφη διπλή έλικα 2. Η διπλή έλικα έχει σταθερό σκελετό εξωτερικά που αποτελείται από επαναλαμβανόμενα μόρια φωσφορικής ομάδας και πεντόζης. Ο σκελετός αυτός είναι υδρόφιλος. Εσωτερικά του σκελετού αυτού βρίσκονται οι αζωτούχες βάσεις που είναι υδρόφοβες. 3. Οι αζωτούχες βάσεις ενώνονται με βάση τον κανόνα της συμπληρωματικότητας. Η γουανίνη (G) ενώνεται με την κυτοσίνη (C) με τρεις δεσμούς υδρογόνου ενώ η αδενίνη (A) ενώνεται με την θυμίνη (T) με 2 δεσμούς υδρογόνου. 4. Οι δύο αλυσίδες του DNA είναι συμπληρωματικές. Αυτό σημαίνει ότι η μια αλυσίδα καθορίζει την αλληλουχία της άλλης. Η συμπληρωματικότητα αυτή είναι σημαντική για τον αυτοδιπλασιασμό του DNA. 5. Οι αλυσίδες είναι αντιπαράλληλες, δηλαδή το 3 άκρο της μια είναι απέναντι από το 5 άκρο της άλλης.

3 3

4 ΑΝΤΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ DNA Το DNA πρώτου ξεκινήσει την κυτταρική διαίρεση πρέπει πρώτα να αυτοδιπλασιαστεί. Ο αυτοδιπλασιασμός του DNA γίνεται με μια διαδικασία που ονομάζεται αντιγραφή. Σε αυτό τον μηχανισμό η διπλή έλικα ξετυλίγεται και κάθε αλυσίδα του DNA λειτουργεί σαν καλούπι για την σύνθεση δύο νέων αλυσίδων. Έτσι τα δύο νέα θυγατρικά μόρια που προκύπτουν είναι πανομοιότυπα με το μητρικό και το καθένα αποτελείται από μια παλιά αλυσίδα και 1 καινούργια. Ο μηχανισμός αυτό ονομάστηκε ημισυντηριτικός διπλασιασμός του DNA.

5 ΕΚΦΡΑΣΗ ΤΗΣ ΓΕΝΕΤΙΚΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ Όπως μάθαμε σε προηγούμενα κεφάλαια η πρωτοταγής δομή των πρωτεϊνών καθορίζονται από το DNA. Στο σημείο αυτό του κεφαλαίου αυτού θα μάθουμε ακριβώς πώς το DNA καθορίζει την δομή των πρωτεϊνών. Το DNA περιέχει πληροφορίες για την λειτουργία του οργανισμού. Τα γονίδια που βρίσκονται στο DNA εκφράζουν όλα τα χαρακτηριστικά ενός οργανισμού. Η διαδικασία της έκφρασης του γενετικού υλικού και συγκεκριμένα της γονιδιακής έκφρασης αποτελεί το κεντρικό δόγμα της μοριακής βιολογίας. Η πληροφορία που βρίσκεται στο DNA μεταφέρεται πρώτα σε μόρια RNA και στη συνέχεια σε πρωτεΐνες οι οποίες εκτελούν τις λειτουργίες του οργανισμού. Η μεταφορά της πληροφορίας από το DNA σε RNA ονομάζεται μεταγραφή και η μεταφορά της πληροφορίας από RNA σε πρωτεΐνη ονομάζεται μετάφραση. Τις δύο αυτές φάσεις θα τις δούμε αναλυτικά ξεκινώντας από την επόμενη σελίδα. Πρόσφατα ανακαλύφθηκε ότι κάποιοι μικροοργανισμοί όπως οι ιοί διαθέτουν το ένζυμο αντίστροφη μεταγραφάση το οποίο μπορεί να μετατρέψει το RNA σε DNA. Τα γονίδια διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: 1. Γονίδια που μεταγράφονται σε mrna και μεταφράζονται σε πολυπεπτιδικές αλυσίδες. 2. Γονίδια που μεταγράφονται και παράγουν trna, rrna και snrna. Υπάρχουν 4 είδη RNA που παράγονται με την μεταγραφή: 1. Το αγγελιοφόρο RNA (mrna). Τα μόρια αυτά μεταφέρουν την πληροφορία του DNA για την παραγωγή μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας. 2. Το μεταφορικό RNA (trna). Κάθε μεταφορικό RNA συνδέεται με ένα συγκεκριμένο αμινοξύ και το μεταφέρει κατά την πρωτεΐνοσύνθεση. 3. Το ριβοσωμικό RNA (rrna). Τα μόρια αυτά συνδέονται με πρωτεΐνες και σχηματίζουν το ριβόσωμα (οργανίδιο απαραίτητο για πρωτεΐνοσύνθεση). 4. Το μικρό πυρηνικό RNA (snrna). Είναι μικρά μόρια RNA τα οποία συνδέονται με πρωτεΐνες και σχηματίζουν μικρά ριβοζονουκλεοπρωτεινικά σωματίδια. Τα μόρια αυτά καταλύουν την ωρίμανση του mrna. Αυτό το είδος RNA βρίσκεται μόνο στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς.

6 6 Μεταγραφή του DNA Το ένζυμο που βοηθά στην διαδικασία αυτή ονομάζεται RNA πολυμεράση ΙΙ. Το ένζυμο αυτό προσδένεται σε μια περιοχή του DNA που ονομάζεται υποκινητής με την βοήθεια μια πρωτεΐνης, του μεταγραφικού παράγοντα. Μετά την πρόσδεση, το ένζυμο ξεδιπλώνει τις αλυσίδες του DNA σπάζοντας τους δεσμούς υδρογόνου και ξεκινά η μεταγραφή. Η RNA πολυμεράση ΙΙ ξεκινά να τοποθετεί νουκλεοτίδια RNA απέναντι από τα νουκλεοτίδια της μεταγραφόμενης αλυσίδας του DNA σύμφωνα με τον κανόνα της συμπληρωματικότητας. Τα νουκλεοτίδια του RNA ενώνονται με φωσφοδιεστερικούς δεσμούς και η μεταγραφή έχει προσανατολισμό 5 προς 3. Η μεταγραφή σταματάει στο τέλος του γονιδίου όπου υπάρχουν ειδικές αλληλουχίες λήξης της μεταγραφής. Στο τέλος δημιουργείται ένα μόριο mrna το οποίο είναι συμπληρωματικό της μεταγραφόμενης αλυσίδας. Η αλυσίδα στο DNA η οποία δεν μεταγράφεται ονομάζεται μη μεταγραφόμενη αλυσίδα.

7 7 Το mrna που παράγεται περιέχει κομμάτια του γονιδίου τα οποία δεν χρησιμοποιούνται κατά την μετάφραση γι αυτό το λόγο πρέπει να αφαιρεθούν. Γίνεται δηλαδή μια διαδικασία ωρίμανσης του mrna. Οι αλληλουχίες οι οποίες δεν μεταφράζονται σε αμινοξέα ονομάζονται εσώνια ενώ οι αλληλουχίες που μεταφράζονται ονομάζονται εξώνια. Γι αυτό το λόγο κατά την διαδικασία ωρίμανσης του mrna τα εσώνια αποκόπτονται. Το πρόδρομο mrna μετατρέπεται σε ώριμο mrna με την βοήθεια κάποιων σωματιδίων που λειτουργούν ως ένζυμα και ονομάζονται μικρά ριβοζονουκλεοπρωτεινικά σωματίδια (snrnps). Αυτά τα σωματίδια βρίσκονται τον πυρήνα και αποτελούνται από snrna και εφτά ή περισσότερες πρωτεΐνες. Τα εσώνια αποκόπτονται και τα εξώνια που απομένουν συρράπτονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν το ώριμο mrna που εξέρχεται του πυρήνα, μεταφέρεται στα ριβοσώματα που βρίσκονται στο κυτταρόπλασμα και ξεκινά η διαδικασία της μετάφρασης (πρωτεΐνοσύνθεση).

8 8 Η αλληλουχία των βάσεων του mrna καθορίζει την αλληλουχία των αμινοξέων στις πρωτεΐνες με βάση ενός κώδικα που ονομάζεται γενετικός κώδικας. Στην ουσία η φάση αυτή ονομάζεται μετάφραση γιατί μεταφράζεται η γλώσσα των νουκλεοτιδίων στην γλώσσα των αμινοξέων. Τρία νουκλεοτίδια αντιστοιχούν σε ένα αμινοξύ και γι αυτό ονομάστηκε κώδικας τριπλέτας (κωδίκιο). Τα βασικά χαρακτηριστικά του γενετικού κώδικα είναι: 1. Είναι κώδικας τριπλέτας, δηλαδή μια τριάδα νουκλεοτιδίων αντιστοιχεί σε ένα αμινοξύ. 2. Είναι συνεχής, δηλαδή το mrna διαβάζεται συνεχώς ανά τρία νουκλεοτίδια χωρίς να παραλείπεται κάποιο. 3. Είναι μη επικαλυπτόμενος, δηλαδή κάθε νουκλεοτίδιο ανήκει σε ένα μόνο κωδίκιο. 4. Είναι παγκόσμιος, δηλαδή ισχύει σε όλα τα είδη των ζωντανών οργανισμών. 5. Είναι εκφυλισμένος, δηλαδή εκτός από δύο αμινοξέα τα υπόλοιπα 18 κωδικοποιούνται από 2 μέχρι 6 διαφορετικά κωδίκια. Τα κωδίκια που κωδικοποιούν το ίδιο αμινοξύ ονομάζονται συνώνυμα. 6. Έχει κωδίκιο έναρξης και λήξης. Η έναρξη σηματοδοτεί την αρχή της μετάφρασης ενώ το κωδίκιο λήξης σηματοδοτεί το τέλος της μετάφρασης.

9 9 Μετάφραση του mrna Η διαδικασία της μετάφρασης γίνεται στα ριβοσώματα με την βοήθεια των trna και rrna. Κάθε ριβόσωμα αποτελείται από δύο υπομονάδες, μια μικρή και μια μεγάλη. Στην μικρή υπομονάδα υπάρχει θέση πρόσδεσης για το mrna και στην μεγάλη υπάρχουν δύο θέσεις πρόσδεσης του trna. Κάθε μόριο trna έχει μια ειδική τριπλέτα νουκλεοτιδίων, το αντικωδίκιο με την οποία προσδένεται, λόγω συμπληρωματικότητας με το αντίστοιχο κωδίκιο του mrna. Επίσης το trna είναι συνδεδεμένο με ένα αμινοξύ. Η πρωτεινοσύνθεση διακδρίνεται σε 3 στάδια: 1. Έναρξη Το mrna συνδέεται μέσω μιας αλληλουχία στην 5 αμετάφραστη περιοχή του με το rrna που βρίσκεται την μικρή υπομονάδα σύμφωνα με τους κανόνες της συμπληρωματικότητας. Το πρώτο κωδίκιο του mrna είναι AUG (κωδίκιο έναρξης) και σε αυτό προσδένεται το trna που φέρει το αμινοξύ μεθειονίνη. Το σύμπλοκο που δημιουργείται ονομάζεται σύμπλοκο έναρξης της πρωτεΐνοσύνθεση.

10 10 2. Επιμήκυνση Κατά την επιμήκυνση ένα δεύτερο μόριο trna με συμπληρωματικό αντικωδίκιο του δεύτερου κωδικίου του mrna τοποθετείται στην κατάλληλη υποδοχή του ριβοσώματος μεταφέροντας το δεύτερο αμινοξύ. Μεταξύ της μεθειονίνης και του δεύτερου αμινοξέους σχηματίζεται πεπτιδικός δεσμός. Αμέσως μετά το πρώτο trna αποσυνδέεται από το ριβόσωμα και επιστρέφει στο κυτταρόπλασμα ενώνεται και πάλι με μεθειονίνη και είναι έτοιμο για την επόμενη του χρήση. Το δεύτερο trna έχει τώρα προσδεμένα επάνω του δύο αμινοξέα. Στη συνέχεια το ριβόσωμα κινείται κατά μήκος του mrna κατά ένα κωδίκιο. Ένα τρίτο trna που φέρει νέο αμινοξύ συνδέεται και ανάμεσα στο δεύτερο και τρίτο αμινοξύ δημιουργείται πεπτιδικός δεσμός. Με αυτό τον τρόπο η πολυπεπτιδική αλυσίδα επιμηκύνεται, καθώς νέα trna φέρνουν νέα αμινοξέα και δημιουργούνται νέοι πεπτιδικοί δεσμοί.

11 11 3. Λήξη Η επιμήκυνση σταματά σε ένα κωδίκιο λήξης (UGA, UAG, UAA) επειδή δεν υπάρχουν trna που να αντιστοιχούν σε αυτά. Το κωδίκιο λήξης αναγνωρίζεται από τον παράγοντα απελευθέρωσης, ο οποίος προκαλεί τη λήξη και την απελευθέρωση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας, καθώς και τον αποχωρισμό των δύο υπομονάδων του ριβοσώματος. Πολυσώματα (πολυριβοσώματα) Πολλά ριβοσώματα μπορούν να μεταφράσουν ταυτόχρονα ένα μόριο mrna, το καθένα σε διαφορετικό σημείο κατά μήκος του μορίου. Αμέσως μόλις το ριβόσωμα έχει μεταφράσει τα πρώτα κωδίκια, η θέασξ του mrna είναι ελεύθερη για την πρόσδεση άλλου ριβοσώματος. Το σύμπλεγμα των ριβοσωμάτων που δημιουργείται ονομάζεται πολύσωμα.