Κεφάλαιο 2ο. Αντιγραφή, έκφραση και ρύθμιση της γενετικής πληροφορίας

Transcript

1 Κεφάλαιο 2ο Αντιγραφή, έκφραση και ρύθμιση της γενετικής πληροφορίας

2 1. Το DNA αυτοδιπλασιάζεται 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 3

3 Ο μηχανισμός της αντιγραφής του DNA Ο μηχανισμός αυτοδιπλασιασμού του DNA ονομάζεται ημισυντηρητικός. Το DNA αντιγράφεται με εξαιρετική πιστότητα και καταπληκτική ταχύτητα Το γονιδίωμα του βακτηρίου E.coli (4x10 6 bp) αντιγράφεται σε λιγότερο από 30 min. 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 4

4 Στην αντιγραφή του DNA παίρνουν μέρος εξειδικευμένα ένζυμα και άλλες πρωτεΐνες, που λειτουργούν ταυτόχρονα, καταλύοντας τις χημικές αντιδράσεις με εκπληκτική ταχύτητα και ακρίβεια. 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 5

5 A. DNA προκαρυωτικών ΗαντιγραφήτουDNA αρχίζει από καθορισμένα σημεία, που ονομάζονται θέσεις έναρξης της αντιγραφής. Το βακτηριακό DNA (κυκλικό) έχει μία μόνο θέση έναρξης της αντιγραφής. Η αντιγραφή του ολοκληρώνεται περίπου σε 30 min. 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 6

6 B. DNA ευκαρυωτικών ΗαντιγραφήτουDNA των ευκαρυωτικών (γραμμικό μόριο) αρχίζει από πολυάριθμες θέσεις έναρξης. Τα τμήματα που προκύπτουν σε όλο το μήκος του μορίου, στη συνέχεια ενώνονται μεταξύ τους. Η αντιγραφή του ολοκληρώνεται πολύ γρήγορα παρότι είναι 1000 φορές μεγαλύτερο από των προκαρυωτικών. 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 7

7 Σύγκριση μηχανισμών προκαρυωτικών ευκαρυωτικών DNA προκαρυωτικών DNA ευκαρυωτικών Μία μόνο θέση έναρξης αντιγραφής. Η αντιγραφή ολοκληρώνεται σε λιγότερο από 30 min. Πολυάριθμες θέσεις έναρξης. Η αντιγραφή ολοκληρώνεται πολύ γρήγορα παρότι είναι 1000 φορές μεγαλύτερο από των προκαρυωτικών Τα τμήματα που προκύπτουν σε όλο το μήκος του μορίου, στη συνέχεια ενώνονται μεταξύ τους. 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 8

8 Η διαδικασία της αντιγραφής περιλαμβάνει διακριτά στάδια: έναρξης, επιμήκυνσης και λήξης. 1. Στο στάδιο της έναρξης έχουμε αναγνώριση μιας αλληλουχίας DNA από ένα σύμπλεγμα πρωτεϊνών (σύμπλεγμα αναγνώρισης σημείου έναρξης RC: origin recognition complex). Οι αλληλουχίες αυτές συνήθως περιβάλλονται από αλληλουχίες πλούσιες σε Α, Τ. 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 9

9 Για να αρχίσει η αντιγραφή του DNA πρέπει να ξετυλιχθούν οι δύο αλυσίδες στις θέσεις έναρξης. Τα ένζυμα που «ξετυλίγουν» τις αλυσίδες του DNA ονομάζονται DNA ελικάσες. Αρχικά γίνεται σύνθεση μικρών τμημάτων RNA (πρωταρχικά τμήματα) στις θέσεις έναρξης, συμπληρωματικών προς τις μητρικές αλυσίδες. Η σύνθεση των πρωταρχικών τμημάτων πραγματοποιείται από ένα σύμπλοκο πολλών ενζύμων, το πριμόσωμα,. 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 10

10 2. Επιμήκυνση Οι DNA πολυμεράσες είναι τα κύρια ένζυμα της αντιγραφής επιμηκύνοντας τα πρωταρχικά τμήματα. Οι DNA πολυμεράσες δεν μπορούν να αρχίσουν την αντιγραφή, παρά μόνο να επιμηκύνουν υπάρχουσες νουκλεοτιδικές αλυσίδες. Λειτουργούν μόνο κατά την κατεύθυνση 5 3 Οι DNA πολυμεράσες επιδιορθώνουν λάθη που γίνονται κατά την αντιγραφή. Οι DNA πολυμεράσες απομακρύνουν τα πρωταρχικά τμήματα αντικαθιστώντας τα με δεοξυριβονουκλεοτίδια. 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 11

11 Δράση ενζύμων στη μια διχάλα αντιγραφής ενός αμφίδρομα αντιγραφόμενου μορίου DNA της E.coli Πρωτεΐνες που διατηρούν μονόκλωνη την αλυσίδα του DNA RNA 5 Τέλος του πρηγούμενου κομματιού kazaki 3 Πολυμεράση Pol III a 3 Pol III a Pri A Ελικάση Dna B Dna G 5 πριμάση DNA 5 3 Διμερές της DNA πολυμεράσης Video 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 12

12 Αντιγραφή προκαρυωτικού DNA 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 13

13 3. Λήξη Η λήξη της αντιγραφής γίνεται όταν και τα τελευταία τμήματα της ασυνεχούς αλυσίδας (κομμάτια kazaki) ενωθούν μέσω της DNA δεσμάσης και αντικατασταθούν τα μικρά τμήματα RNA με δεοξυ ριβονουκλεοτίδια, από την DNA πολυμεράση Ι. Η πιστότητα της αντιγραφής εξασφαλίζεται και από την δράση ειδικών ενζύμων που ονομάζονται επιδιορθωτικά ένζυμα περιορίζοντας την πιθανότητα λάθους στο ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 14

14 DNA ελικάση Πριμόσωμα πρωταρχικά τμήματα (RNA) DNA πολυμεράση επιμήκυνση των πρωταρχικών τμημάτων DNA πολυμεράση αντικατάσταση ριβονουκλοτιδίων από δεοξυριβονουκλεοτίδια DNA δεσμάση σύνδεση τμημάτων της ασυνεχούς αλυσίδας και όλων των τμημάτων της αντιγραφής DNA πολυμεράση επιδιόρθωση «λαθών» κατά την αντιγραφή Επιδιορθωτικά ένζυμα επιδιόρθωση «λαθών» που «διέφυγαν» της DNA πολυμεράσης. 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 15

15 2. Έκφραση της γενετικής πληροφορίας i). Ροή της γενετικής πληροφορίας DNA RNA ή πρωτεΐνες νουκλεΐκά οξέα πρωτεΐνες 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 16

16 Είδη RNA 1. mrna (messenger) 2. trna (transfer) 3. rrna (ribosomal) 4. snrna (small nuclear) Τα 3 πρώτα είδη του RNA υπάρχουν και στους ευκαρυωτικούς και προκαρυωτικούς οργανισμούς, ενώ το 4ο μόνο σε ευκαρυωτικούς. 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 17

17 ii). Μεταγραφή του DNA Τα γενικά χαρακτηριστικά, καθώς και ο μηχανισμός της μεταγραφής είναι σχεδόν όμοιοι και στους προκαρυωτικούς και τους ευκαρυωτικούς οργανισμούς, με ορισμένες βασικές διαφορές. 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 18

18 Μηχανισμός της μεταγραφής Απαραίτητα ένζυμα για την μεταγραφή. RNA πολυμεράση. στους ευκαρυωτικούς υπάρχουν 3 είδη RNA πολυμεράσηςγιατατρίαείδητουrna: η RNA πολυμεράση Ι, η RNA πολυμεράση ΙΙ, και η RNA πολυμεράση ΙΙΙ 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 19

19 Έναρξη της μεταγραφής. Μεταγραφικοί παράγοντες Κωδική αλυσίδα DNA υποκινητής Μη κωδική αλυσίδα (μεταγραφόμενη) RNA Πολυμεράση 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 20

20 Δράση της RNA πολυμεράσης Ενεργό κέντρο διατήρησης μονόκλωνης της κωδικής αλυσίδας. Ενεργό κέντρο διάνοιξης της δίκλωνης αλυσίδας του DNA. DNA Ενεργό κέντρο ξανατυλίγματος της δίκλωνης αλυσίδας. 5 RNA πολυμεράση Ενεργό κέντρο τοποθέτησης ριβονουκλεοτιδίων. Μεταγραφόμενο RNA video 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 21

21 Συνέχεια της μεταγραφής. Μεταγραφικοί παράγοντες Κωδική αλυσίδα DNA 5 3 υποκινητής 5 3 Μεταγραφόμενη αλληλουχία 3 5 Πρόδρομο RNA RNA Πολυμεράση 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 22

22 Μεταγραφή των ευκαρυωτικών. DNA 5 Μεταγραφικοί παράγοντες εξώνια RNA Πολυμεράση 3 3 υποκινητής 5 3 Πρόδρομο RNA εσώνια 5 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 23

23 Ωρίμανση του πρόδρομου μορίου mrna Πυρήνας 5 3 Εκτομή των εσωνίων και συρραφή των εξωνίων (splicing) Sn RNA κυτταρόπλασμα 5 mrna 3 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 24

24 iii). Γενετικός κώδικας 1. Κώδικας τριπλέττας 2. Κώδικας συνεχής 3. Κώδικας μη επικαλυπτόμενος 4. Σχεδόν καθολικός 5. Εκφυλισμένος 6. Ο γενετικός κώδικας έχει κωδικόνια έναρξης (AUG) και λήξης (UAA, UAG, UGA). 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 25

25 2 ο ΓΡΑΜΜΑ U C A G UUU phe UCU ser UAU tyr UGU Cys U U UUC phe UCC ser UAC tyr UGC Cys C UUA leu UCA ser UAA λήξη UGA λήξη A UUG leu UCG ser UAG λήξη UGG trp G CUU leu CCU pro CAU his CGU Arn U 1 Ο ΓΡΑΜ ΜΑ C CUC leu CCC pro CAC his CGC Arn C CUA leu CCA pro CAA gln CGA Arn A CUG leu CCG pro CAG gln CGG Arn G AUU ile ACU thr AAU Asn AGU ser U 3 Ο ΓΡΑΜΜΑ A AUC ile ACC thr AAC Asn AGC ser C AUA ile ACA thr AAA lys AGA Arn A AUG met (έναρξη) ACG thr AAG lys AGG Arn G GUU val GCU ala GAU asp GGU gly U G GUC val GCC ala GAC asp GGC gly C GUA val GCA ala GAA glu GGA gly A 3ο ε.λ. Ηλιούπολης GUG val GCG ala επιμέλεια: GAG Αργύρης glu Γιάννης GGG gly 26 G

26 Τα 20 αμινοξέα του γενετικού κώδικα H 3 C H HN NH Alanine (Ala) Arginine (Arg) Asparagine (Asn) HS H N N H Cysteine (Cys) H Histidine (His) C H 3 S Methionine (Met) H CH 3 H H H Glutamic Acid (Glu) C H 3 CH 3 Isoleucine (Ile) H H H H Phenylalanine (Phe) NH H H 3 C H 2 N CH 3 Leucine (Leu) H H Glutamine (Gln) H H N H H Proline (Pro) N H 2 H H Aspartic Acid (Asp) N H 2 H H Glycine (Gly) Lysine (Lys) H H Serine (Ser) C H 3 CH 3 H H Threonine (Thr) Tryptophan (Trp) Tyrosine (Tyr) Valine (Val)

27 iv). Μετάφραση Μικρή ριβοσωμική υπομονάδα Σύμπλοκο έναρξης. AACCAUGGGGUCAUUU CCACAUUGAAAAAAAAA 5 3 UAC CCC AGU AAA Μεγάλη ριβοσωμική υπομονάδα Πεπτιδικός δεσμός 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 28

28 Μετάφραση συνέχεια Επιμήκυνση - Λήξη. AACCAUGGGGUCAUUU CCACAUUGAAAAA 5 3 Λήξη της μετάφρασης Πεπτιδικός δεσμός video 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 29

29 Διαγραμματική απεικόνιση υποθετικού πυρηνικού γονιδίου και βασικών σταδίων της έκφρασής τους. 5 UTR 3 UTR Ρυθμιστικές περιοχές 0 40 kb Ετερογενές RNA (hnrna) Εξώνιο 1 Εξώνιο 2 Εξώνιο 3 μεταγραφή ωρίμανση Πιθανό σημείο λήξης μεταγραφής mrna πρωτεΐνη μετάφραση Μετα μεταφραστική τροποποίηση Ώριμη πρωτεΐνη 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 30

30 Η έκφραση της γενετικής πληροφορίας συνοπτικά κωδική μη κωδική CH

31 3. Γονιδιακή ρύθμιση: Ο έλεγχος της γονιδιακής έκφρασης Ο όρος γονιδιακή ρύθμιση αναφέρεται συνήθως σε ολόκληρη τη διαδικασία ενεργοποίησης ενός γονιδίου για την παραγωγή μιας πρωτεΐνης. 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 32

32 Είναι απαραίτητη η λειτουργία ενός προγράμματος ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης, με οδηγίες για το είδος και την ποσότητα των πρωτεϊνών που θα παραχθούν κάθε χρονική στιγμή. Στα βακτήρια η ρύθμιση στοχεύει στην προσαρμογή του οργανισμού στις μεταβολές του περιβάλλοντος. Στους πολυκύτταρους αντίθετα, ηρύθμισηδιαφοροποιεί τα κύτταρα που προκύπτουν μετά τις αρχικές κυτταρικές διαιρέσεις του ζυγωτού σε εξειδικευμένα κύτταρα και ιστούς (όπως νευρικά, μυϊκά, ηπατικά, επιθηλιακά, ) 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 33

33 Ηγονιδιακήέκφρασησταβακτήρια γίνεται με ποιο απλούς μηχανισμούς από ότι στους ευκαρυωτικούς, όπου γίνεται σε πολλά επίπεδα. Ένα βακτήριο E.coli έχει περίπου 3000 γονίδια. Από αυτά άλλα λειτουργούν συνεχώς και άλλα μεταγράφονται μόνο όταν αναπτύσσεται κάτω από ειδικές συνθήκες. Χαρακτηριστικό παράδειγμα η λειτουργία του βακτηρίου όταν στο περιβάλλον υπάρχει λακτόζη αντί της γλυκόζης. 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 34

34 Στο γονιδίωμα των προκαρυωτικών οργανισμών τα γονίδια των ενζύμων που παίρνουν μέρος σε μια μεταβολική οδό, όπωςηδιάσπασητης λακτόζης, οργανώνονται σε ομάδες που υπόκεινται σε κοινό έλεγχο της έκφρασής τους και ονομάζονται οπερόνια (operon). Lac operon DNA 5 3 RNA πολυμεράση Z Y A 3 5 Ρυθμιστικό γονίδιο υποκινητής χειριστής 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 35

35 Απουσία λακτόζης RNA πολυμεράση DNA 5 3 Z Y A 3 5 mrna Πρωτεΐνηκαταστολέας 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 36

36 Παρουσία λακτόζης RNA πολυμεράση DNA 5 3 Z Y A 3 5 mrna mrna Πρωτεΐνηκαταστολέας λακτόζη video 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 37

37 Μεταβίβαση «σήματος» έναρξης της έκφρασης του γονιδίου. 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 38

38 Στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς η γονιδιακή έκφραση γίνεται σε τέσσερα επίπεδα. 1. Επίπεδο μεταγραφής: Διάφοροι μηχανισμοί ελέγχουν ποια γονίδια θα μεταγραφούν, με ποια ταχύτητα και πότε. Ητεράστιαποικιλίατωνμεταγραφικώνπαραγόντων σε σχέση με τα προκαρυωτικά δίνει μεγαλύτερη δυνατότητα ρυθμίσεων της μεταγραφής. 2. Επίπεδο μετά τη μεταγραφή: περιλαμβάνονται μηχανισμοί ωρίμανσης και ταχύτητας εξόδου του mrna απότονπυρήναστοκυτταρόπλασμα. 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 39

39 3. Επίπεδο μετάφρασης: Ποικίλει η ικανότητα πρόσδεσης του mrna στο ριβόσωμα καθώς και η ταχύτητα αποικοδόμησής του. 4. Επίπεδο μετά τη μετάφραση: Μια πρωτεΐνη μπορεί να υποστεί τροποποιήσεις μετά την σύνθεσή της, ώστε να γίνει λειτουργική (π.χ. η προϊνσουλίνη η οποία δεν είναι λειτουργική τροποποιείται σε ινσουλίνη). 3ο ε.λ. Ηλιούπολης επιμέλεια: Αργύρης Γιάννης 40