ΑΝΤΙΓΡΑΦΗ, ΕΚΦΡΑΣΗ ΚΑΙ ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΓΕΝΕΤΙΚΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ. Πώς από το DNA φτάνουμε στις πρωτεΐνες

Transcript

1 ΑΝΤΙΓΡΑΦΗ, ΕΚΦΡΑΣΗ ΚΑΙ ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΓΕΝΕΤΙΚΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ Πώς από το DNA φτάνουμε στις πρωτεΐνες

2 Αντιγραφή του DNA o Ο μηχανισμός αντιγραφής του DNA ονομάζεται ημισυντηρητικός διότι κατά την αντιγραφή του μορίου ανοίγει η διπλή έλικα και κάθε αλυσίδα λειτουργεί ως καλούπι για τη σύνθεση μίας νέας συμπληρωματικής αλυσίδας. o Έτσι προκύπτουν δύο θυγατρικά μόρια πανομοιότυπα με το μητρικό, καθένα εκ των οποίων αποτελείται από μία παλιά και μία καινούργια αλυσίδα.

3 Ταχύτητα και ακρίβεια αντιγραφής Οφείλονται στα εξής: 1. στην ίδια τη δομή του DNA συμπληρωματικότητας των βάσεων, δηλαδή της 2. στο γεγονός ότι πολλά ένζυμα δρουν ταυτόχρονα, 3. ειδικά για τους ευκαρυωτικούς οργανισμούς, πολυάριθμες θέσεις έναρξης αντιγραφής, στις 4. στην ιδιότητα της DNA πολυμεράσης πολλά από τα λάθη της, να διορθώνει 5. στη δράση των επιδιορθωτικών ενζύμων.

4 Θέσεις έναρξης αντιγραφής o Η αντιγραφή του DNA αρχίζει από καθορισμένα σημεία που ονομάζονται θέσεις έναρξης της αντιγραφής. o Το βακτηριακό DNA έχει μία μόνο θέση έναρξης της αντιγραφής και αντιγράφεται κάτω από ευνοϊκές συνθήκες σε λιγότερο από 30 λεπτά. o Στα ευκαρυωτικά κύτταρα κάθε χρωμόσωμα είναι ένα μακρύ γραμμικό μόριο DNA το οποίο έχει πολυάριθμες θέσεις έναρξης της αντιγραφής. Αντιγράφεται ταυτόχρονα σε εκατοντάδες σημεία σε όλο το μήκος του και στη συνέχεια τα τμήματα που δημιουργούνται ενώνονται μεταξύ τους.

5 Οι DNA ελικάσες δρουν πρώτες o Για να αρχίσει η αντιγραφή του DNA είναι απαραίτητο να ξετυλιχτούν στις θέσεις έναρξης της αντιγραφής οι δύο αλυσίδες. o Αυτό επιτυγχάνεται με τις DNA ελικάσες που σπάζουν τους δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των δύο αλυσίδων. o Όταν ανοίξει η διπλή έλικα δημιουργείται μία θηλιά που αυξάνεται και προς τις δύο κατευθύνσεις.

6 Έναρξη o Τα κύρια ένζυμα της αντιγραφής ονομάζονται DNA πολυμεράσες. o Τα ένζυμα αυτά δεν έχουν την ικανότητα να αρχίσουν την αντιγραφή. o Το κύτταρο διαθέτει ένα ενζυμικό σύμπλοκο, το πριμόσωμα, το οποίο συνθέτει στις θέσεις έναρξης της αντιγραφής μικρά τμήματα RNA, τα πρωταρχικά τμήματα, συμπληρωματικά προς τις μητρικές αλυσίδες.

7 Επιμήκυνση o Οι DNA πολυμεράσες επιμηκύνουν τα πρωταρχικά τμήματα τοποθετώντας συμπληρωματικά δεοξυριβονουκλεοτίδια απέναντι από τις μητρικές αλυσίδες του DNA. o Τα νέα μόρια αρχίζουν να σχηματίζονται, καθώς δημιουργούνται δεσμοί υδρογόνου μεταξύ συμπληρωματικών βάσεων. o Οι DNA πολυμεράσες λειτουργούν μόνο προς ορισμένη κατεύθυνση και τοποθετούν τα νουκλεοτίδια στο ελεύθερο 3 άκρο της δεοξυριβόζης του τελευταίου νουκλεοτιδίου κάθε αναπτυσσόμενης αλυσίδας. Κάθε νουκλεοτίδιο συνδέεται με 3-5 φωσφοδιεστερικό δεσμό με το προηγούμενό του. o Άρα η αντιγραφή γίνεται με προσανατολισμό 5 προς 3 και κάθε νεοσυντιθέμενη αλυσίδα έχει προσανατολισμό 5 3.

8 Συνεχής και ασυνεχής σύνθεση Σε κάθε τμήμα DNA (μισή θηλιά) που γίνεται η αντιγραφή, η σύνθεση του DNA είναι συνεχής στη μία αλυσίδα και ασυνεχής στην άλλη διότι: 1. Οι DNA πολυμεράσες συνδέουν τα νέα νουκλεοτίδια με 3-5 φωσφοδιεστερικό δεσμό. 2. Σε κάθε διπλή έλικα που παράγεται οι δύο αλυσίδες είναι αντιπαράλληλες. 3. Η θηλιά που δημιουργείται στις θέσεις έναρξης της αντιγραφής αυξάνεται σταδιακά και προς τις δύο κατευθύνσεις.

9 DNA δεσμάση Η DNA δεσμάση συνδέει: 1.τα τμήματα της ασυνεχούς αλυσίδας. 2. όλα τα τμήματα που προκύπτουν από τις διάφορες θέσεις της έναρξης της αντιγραφής.

10 Ακρίβεια αντιγραφής Εξασφαλίζεται με: 1. την επιδιορθωτική δράση των DNA πολυμερασών (πιθανότητα 1 στα 10 5 να τοποθετηθεί λάθος νουκλεοτίδιο) 2. τη δράση ειδικών επιδιορθωτικών ενζύμων (η πιθανότητα περιορίζεται στα 1 στα )

11 Κεντρικό δόγμα της Βιολογίας Η κατεύθυνση με την οποία η γενετική πληροφορία, που είναι καταγεγραμμένη στο μόριο του DNA «ρέει» προς τις πρωτεϊνες ονομάζεται Κεντρικό Δόγμα της Βιολογίας. o Αντιγραφή (replication): διαδικασία αυτοδιπλασιασμού του DNA ή και του RNA μόνο σε ορισμένους RNA ιούς. o Μεταγραφή (transcription): διαδικασία σύνθεσης μορίων RNA από το DNA (mrna, trna, rrna). o Αντίστροφη μεταγραφή (reverse transcription): διαδικασία παραγωγής DNA με πρότυπο το RNA μόνο στους ρετροϊούς. o Μετάφραση (translation): διαδικασία σύνθεσης πρωτεϊνών από RNA.

12 Ρόλος αντιγραφής, μεταγραφής και μετάφρασης Καθεμία από τις βασικές διαδικασίες που συνιστούν το κεντρικό δόγμα έχει διακριτό ρόλο: o Η αντιγραφή του DNA διαιωνίζει τη γενετική πληροφορία. Η πληροφορία αυτή υπάρχει σε τμήματα του DNA με συγκεκριμένη ακολουθία τα οποία ονομάζονται γονίδια. o Η μετάφραση τη χρησιμοποιεί για να κατασκευάσει ένα πολυπεπτίδιο. o Η μεταγραφή καθορίζει ποια γονίδια θα εκφραστούν, σε ποιους ιστούς (στους πολυκύτταρους οργανισμούς) και σε ποια στάδια ανάπτυξης. Οι πορείες της μεταγραφής και της μετάφρασης αποτελούν τη γονιδιακή έκφραση.

13 Ορισμός και κατηγορίες γονιδίων Γονίδιο ονομάζεται τμήμα DNA (ή RNA για τους RNA ιούς) με καθορισμένη αλληλουχία βάσεων, υπεύθυνο για τη σύνθεση μίας πολυπεπτιδικής αλυσίδας ή ενός μορίου RNA. Τα γονίδια διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: 1. Γονίδια που μεταγράφονται σε mrna και μεταφράζονται στη συνέχεια σε πρωτεϊνες. 2. Γονίδια που μεταγράφονται και παράγουν trna, rrna και snrna.

14 Είδη και ρόλος RNA Τα τρία πρώτα είδη υπάρχουν και στους προκαρυωτικούς και στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς, αλλά το τέταρτο υπάρχει μόνο στους ευκαρυωτικούς. 1. Αγγελιαφόρο RNA (mrna). Τα μόρια αυτά μεταφέρουν την πληροφορία του DNA για την παραγωγή μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας. 2. Ριβοσωμικό RNA (rrna). Τα μόρια αυτά συνδέονται με πρωτεϊνες και σχηματίζουν το ριβόσωμα, ένα «σωματίδιο» απαραίτητο για την πραγματοποίηση της πρωτεϊνοσύνθεσης. 3. Μεταφορικό RNA (trna). Κάθε μεταφορικό RNA συνδέεται με ένα συγκεκριμένο αμινοξύ και το μεταφέρει στη θέση της πρωτεϊνοσύνθεσης. 4. Μικρό πυρηνικό RNA (snrna). Είναι μικρά μόρια RNA, τα οποία συνδέονται με πρωτεϊνες και σχηματίζουν μικρά ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σωματίδια. Τα σωματίδια αυτά καταλύουν την «ωρίμανση» του mrna, μια διαδικασία που γίνεται μόνο στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς.

15 Ένζυμα και ρυθμιστικά στοιχεία της μεταγραφής o Η μεταγραφή καταλύεται από ένα ένζυμο, την RNA πολυμεράση. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα υπάρχουν τρία είδη RNA πολυμερασών. o Τα ρυθμιστικά στοιχεία της μεταγραφής είναι οι υποκινητές και οι μεταγραφικοί παράγοντες. Οι υποκινητές βρίσκονται πάντοτε πριν από την αρχή κάθε γονιδίου. Οι μεταγραφικοί παράγοντες είναι ειδικές πρωτεϊνες που βοηθούν την RNA πολυμεράση να προσδεθεί στον υποκινητή κάθε γονιδίου που πρόκειται να μεταγραφεί, ώστε να αρχίσει σωστά η μεταγραφή.

16 Περιγραφή μεταγραφής o Στο τμήμα του DNA (γονίδιο) όπου υπάρχει η γενετική πληροφορία την οποία το κύτταρο θέλει να μεταγράψει, σπάνε οι δεσμοί υδρογόνου που συγκρατούν τις αζωτούχες βάσεις και ανοίγει η διπλή έλικα. o Με πρότυπο τη μία από τις δύο αλυσίδες του DNA αρχίζει η σύνθεση ενός μορίου mrna: απέναντι από κάθε δεοξυριβονουκλεοτίδιο αυτής της αλυσίδας τοποθετείται ένα ριβονουκλεοτίδιο σύμφωνα με την αρχή της συμπληρωματικότητας των βάσεων. o Το ένζυμο RNA πολυμεράση συνδέει τα ριβονουκλεοτίδια που προστίθενται το ένα μετά το άλλο με 3-5 φωσφοδιεστερικό δεσμό. Η μεταγραφή έχει προσανατολισμό 5 3. o Η σύνθεση του RNA σταματά στο τέλος του γονιδίου, όπου ειδικές αλληλουχίες, που ονομάζονται αλληλουχίες λήξης της μεταγραφής επιτρέπουν την απελευθέρωση του μορίου RNA. o Τα λάθη που συμβαίνουν κατά τη διαδικασία της μεταγραφής δεν επιδιορθώνονται από την RNA πολυμεράση. Σε αντίθεση βέβαια με τα λάθη της αντιγραφής, δε διαιωνίζονται μεταβιβαζόμενα από γενιά σε γενιά καθώς αφορούν μόνο το μόριο ή τα μόρια πρωτεϊνης που θα παραχθούν από το συγκεκριμένο mrna.

17 Κωδική και μη κωδική αλυσίδα o Το μόριο του RNA που συντίθεται από τη μεταγραφή είναι συμπληρωματικό προς τη μία αλυσίδα της διπλής έλικας του DNA του γονιδίου. Η αλυσίδα αυτή είναι η μεταγραφόμενη και ονομάζεται μη κωδική. o Η συμπληρωματική αλυσίδα του DNA του γονιδίου ονομάζεται κωδική. Αφού ισχύουν ότι: o το RNA είναι συμπληρωματικό της μη κωδικής, o η μη κωδική είναι συμπληρωματική της κωδικής, Συνεπώς, το RNA περιέχει την ίδια αλληλουχία βάσεων με την κωδική!

18 Ασυνεχή γονίδια o Τα περισσότερα γονίδια των ευκαρυωτικών κυττάρων, αλλά και των ιών που τους προσβάλλουν, είναι ασυνεχή ή διακεκομμένα, διότι η αλληλουχία που μεταφράζεται σε αμινοξέα διακόπτεται από ενδιάμεσες αλληλουχίες, οι οποίες δεν μεταφράζονται σε αμινοξέα. o Οι αλληλουχίες που μεταφράζονται ονομάζονται εξώνια και οι ενδιάμεσες αλληλουχίες ονομάζονται εσώνια. o Όταν ένα γονίδιο που περιέχει εσώνια μεταγράφεται, δημιουργείται το πρόδρομο mrna, το οποίο περιέχει εξώνια και εσώνια και πρέπει να υποστεί ωρίμανση για να είναι λειτουργικό.

19 Ωρίμανση o Το πρόδρομο mrna μετατρέπεται σε RNA, που είναι δυνατό να μεταφραστεί, με τη διαδικασία της ωρίμανσης, κατά την οποία τα εσώνια κόβονται από μικρά ριβονουκλεοπρωτεϊνικά «σωματίδια» και απομακρύνονται. o Τα ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σωματίδια αποτελούνται από snrna και πρωτεϊνες και λειτουργούν ως ένζυμα, καθώς κόβουν τα εσώνια και συρράπτουν τα εξώνια μεταξύ τους. Έτσι σχηματίζεται το «ώριμο» mrna. o Το ώριμο mrna, παρότι αποτελείται αποκλειστικά από εξώνια, έχει δύο περιοχές που δεν μεταφράζονται σε αμινοξέα. Η μία βρίσκεται στο 5 άκρο και η άλλη στο 3 άκρο και ονομάζονται 5 και 3 αμετάφραστες περιοχές αντίστοιχα. o Το ώριμο mrna μεταφέρεται από τον πυρήνα στο κυτταρόπλασμα και ειδικότερα στα ριβοσώματα, όπου είναι η θέση της πρωτεϊνοσύνθεσης.

20 Γενετικός κώδικας Γενετικός κώδικας ονομάζεται η αντιστοίχιση των τριπλετών αζωτούχων βάσεων του mrna (και συνεπώς του DNA) με τα αμινοξέα που συνδέονται σε πολυπεπτιδική αλυσίδα κατά τη μετάφραση. Ο κώδικας τριπλέτας είναι φυσική συνέπεια του γεγονότος ότι 4 νουκλεοτίδια, αν συνδυαστούν ανά ένα (4 1 =4) ή ανά δύο (4 2 =16), δεν δίνουν αρκετούς συνδυασμούς για να κωδικοποιηθούν τα είκοσι αμινοξέα. Αν όμως συνδυαστούν ανά τρία (4 3 =64), οι συνδυασμοί είναι παραπάνω από αρκετοί.

21 Χαρακτηριστικά του κώδικα o Είναι κώδικας τριπλέτας, δηλαδή μία τριάδα νουκλεοτιδίων (κωδικόνιο) κωδικοποιεί ένα αμινοξύ. o Είναι συνεχής διότι το mrna διαβάζεται συνεχώς ανά τρία νουκλεοτίδια χωρίς να παραλείπεται κάποιο από αυτά. o Είναι μη επικαλυπτόμενος διότι κάθε νουκλεοτίδιο ανήκει σε ένα μόνο κωδικόνιο. o Είναι σχεδόν καθολικός, καθώς το ίδιο κωδικόνιο κωδικοποιεί το ίδιο αμινοξύ σε όλους τους οργανισμούς. o Είναι εκφυλισμένος, με την έννοια ότι όλα τα αμινοξέα, εκτός από δύο (τη μεθειονίνη και την τρυπτοφάνη) κωδικοποιούνται από περισσότερα του ενός κωδικόνια. Τα κωδικόνια που κωδικοποιούν το ίδιο αμινοξύ ονομάζονται συνώνυμα. Η ύπαρξη των συνώνυμων κωδικονίων παρέχει τη δυνατότητα η γενετική πληροφορία να εκφράζεται αναλλοίωτα, παρά τις ενδεχόμενες αλλαγές στο γενετικό υλικό. o Αποτελείται από 64 διαφορετικά κωδικόνια. Τέσσερα από αυτά έχουν διαφορετικό ρόλο από τα υπόλοιπα στη διαδικασία της μετάφρασης. Τα τρία από αυτά (UGA, UAG, UAA) δεν κωδικοποιούν κανένα αμινοξύ και λειτουργούν ως κωδικόνια λήξης της μετάφρασης, ενώ το τέταρτο (AUG), εκτός από το ότι κωδικοποιεί το αμινοξύ μεθειονίνη, λειτουργεί και ως κωδικόνιο έναρξης της μετάφρασης.

22 Παράγοντες μετάφρασης Για την πραγματοποίηση της μετάφρασης απαραίτητα είναι: 1. Το mrna που μεταφέρει την πληροφορία στα ριβοσώματα, 2. Τα ριβοσώματα στα οποία πραγματοποιείται η μετάφραση, 3. Τα αμινοξέα που συνδέονται στη νέα πεπτιδική αλυσίδα, 4. Τα trna που μεταφέρουν τα αμινοξέα στα ριβοσώματα, 5. Διάφορες πρωτεϊνες με ρόλο ενζύμων, 6. Ενέργεια.

23 Δομή ριβοσώματος Κάθε ριβόσωμα αποτελείται από δύο υπομονάδες, μία μικρή και μία μεγάλη. Η μικρή υπομονάδα έχει μία θέση πρόσδεσης με το mrna, ενώ η μεγάλη υπομονάδα φέρει δύο θέσεις εισδοχής των trna.

24 Δομή trna Κάθε μόριο trna έχει μία ειδική τριπλέτα νουκλεοτιδίων που ονομάζεται αντικωδικόνιο, με την οποία προσδένεται λόγω συμπληρωματικότητας με το αντίστοιχο κωδικόνιο του mrna. Επιπλέον, κάθε μόριο trna διαθέτει μία ειδική θέση σύνδεσης με ένα συγκεκριμένο αμινοξύ.

25 Έναρξη μετάφρασης oτο mrna, μέσω μίας αλληλουχίας που βρίσκεται στην 5 αμετάφραστη περιοχή συνδέεται με το rrna της μικρής ριβοσωμικής υπομονάδας σύμφωνα με τους κανόνες συμπληρωματικότητας. o Το πρώτο κωδικόνιο που «διαβάζει» το ριβόσωμα είναι το AUG, που χαρακτηρίζεται ως κωδικόνιο έναρξης, διότι σηματοδοτεί την έναρξη της πρωτεϊνοσύνθεσης. o Ταυτόχρονα μεταφέρεται και συνδέεται το πρώτο μόριο trna, που φέρει το αμινοξύ μεθειονίνη και έχει αντικωδικόνιο συμπληρωματικό του κωδικονίου έναρξης.

26 Επιμήκυνση μετάφρασης o Ένα δεύτερο μόριο trna με αντικωδικόνιο συμπληρωματικό του δεύτερου κατά σειρά κωδικονίου τοποθετείται στο ριβόσωμα, δίπλα στο πρώτο trna, μεταφέροντας εκεί το δεύτερο αμινοξύ. o Ανάμεσα στο δεύτερο αμινοξύ και στη μεθειονίνη δημιουργείται ένας πεπτιδικός δεσμός που τα συγκρατεί ενωμένα. o Το πρώτο trna αποδεσμεύεται και απελευθερώνεται στο κυτταρόπλασμα. o Το ριβόσωμα μετατοπίζεται προς το επόμενο κωδικόνιο. Με τη μετατόπιση αυτή το δεύτερο trna μεταφέρεται στη θέση του ριβοσώματος, στην οποία ήταν τοπρώτο trna. o Στη συνέχεια ένα τρίτο trna, το οποίο μεταφέρει το τρίτο αμινοξύ, συνδέεται στο ριβόσωμα δίπλα στο δεύτερο. o Ανάμεσα στο δεύτερο και στο τρίτο αμινοξύ, σχηματίζεται πεπτιδικός δεσμός. o Κάθε φορά που το ριβόσωμα μετατοπίζεται στο επόμενο κωδικόνιο του mrna, ένα νέο trna, με το αμινοξύ που μεταφέρει, τοποθετείται απέναντι από το κωδικόνιο αυτό. Το νέο αμινοξύ ενώνεται με πεπτιδικό δεσμό με το προηγούμενο και η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται, επιμηκύνοντας την πεπτιδική αλυσίδα μέχρι την ολοκλήρωση της σύνθεσής της.

27 Λήξη μετάφρασης o Όταν το ριβόσωμα φτάσει σε ένα από τα τρία κωδικόνια λήξης (UAG, UGA, UAA) σταματάει η πρωτεϊνοσύνθεση. Η πολυπεπτιδική αλυσίδα που έχει παραχθεί απομακρύνεται από το ριβόσωμα. o Το mrna, η μικρή και η μεγάλη υπομονάδα του ριβοσώματος αποχωρίζονται. o Σημειώνεται ότι πολλά μόρια mrna μπορούν να μεταγράφονται από ένα μόνο γονίδιο. Πολλά ριβοσώματα μπορούν να μεταφράζουν ταυτόχρονα ένα mrna, το καθένα σε διαφορετικό σημείο κατά μήκος του μορίου. Αμέσως μόλις το ριβόσωμα έχει μεταφράσει τα πρώτα κωδικόνια, η θέση έναρξης του mrna είναι ελεύθερη για την πρόσδεση ενός άλλου ριβοσώματος. Το σύμπλεγμα των ριβοσωμάτων με το mrna ονομάζεται πολύσωμα. Έτσι, η πρωτεϊνοσύνθεση είναι μία «οικονομική διαδικασία». Ένα κύτταρο μπορεί να παραγάγει μεγάλα ποσά μιας πρωτεϊνης από ένα ή από δύο αντίγραφα ενός γονιδίου.

28 Γονιδιακή ρύθμιση Η γονιδιακή ρύθμιση είναι η επιλεκτική έκφραση του γενετικού υλικού των οργανισμών. Επιλεκτική έκφραση της γενετικής πληροφορίας σημαίνει ότι στα κύτταρα υπάρχει και λειτουργεί ένα πρόγραμμα ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης που παρέχει οδηγίες για: o το είδος των πρωτεϊνών που πρέπει να παραχθούν, o την ποσότητα κάθε πρωτεϊνης στο κύτταρο, o τη χρονική στιγμή παραγωγής των διάφορων πρωτεϊνών.

29 Γονιδιακή ρύθμιση στους προκαρυωτικούς Στα βακτήρια, η ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης αποσκοπεί κυρίως στην προσαρμογή του οργανισμού στις εναλλαγές του περιβάλλοντος, έτσι ώστε να εξασφαλίζονται οι καλύτερες συνθήκες για τις βασικές του λειτουργίες που είναι η αύξηση και η διαίρεση. Ένα βακτήριο E.coli έχει περίπου 4000 γονίδια, εκ των οποίων: o μερικά μεταγράφονται συνεχώς, ανεξάρτητα από τις συνθήκες του περιβάλλοντος και κωδικοποιούν πρωτεϊνες που χρειάζονται για τις βασικές λειτουργίες του κυττάρου. o άλλα γονίδια μεταγράφονται μόνο όταν το κύτταρο αναπτύσσεται σε ειδικές περιβαλλοντικές συνθήκες επειδή τα προϊόντα τους είναι απαραίτητα για την επιβίωση του κυττάρου σε αυτές.

30 Παράδειγμα γονιδιακής ρύθμισης στο βακτήριο E.coli Γλυκόζη ως πηγή άνθρακα Λακτόζη ως πηγή άνθρακα απουσία γλυκόζης

31 Οπερόνιο Οπερόνιο ονομάζεται μία ομάδα γονιδίων, τα οποία υπόκεινται σε κοινό έλεγχο της έκφρασής τους. Τα οπερόνια υπάρχουν μόνο στο γονιδίωμα των προκαρυωτικών οργανισμών και κάθε οπερόνιο κωδικοποιεί πρωτεϊνες, οι οποίες συμμετέχουν σε μία μεταβολική οδό, όπως η βιοσύνθεση ενός αμινοξέος ή η διάσπαση της λακτόζης.

32 Οπερόνιο της λακτόζης Το οπερόνιο της λακτόζης είναι μία ομάδα γονιδίων που υπάρχουν στο γονιδίωμα του βακτηρίου E.coli. Στο οπερόνιο της λακτόζης περιλαμβάνονται: o τα δομικά γονίδια, o ο χειριστής, o ο υποκινητής, o το ρυθμιστικό γονίδιο.

33 Οπερόνιο της λακτόζης o Τα τρία δομικά γονίδια (Ζ, Υ, Α) κωδικοποιούν τη σύνθεση των τριών ενζύμων που είναι απαραίτητα για τον μεταβολισμό της λακτόζης σε γλυκόζη και γαλακτόζη. o Ο χειριστής (Χ) είναι μία αλληλουχία που βρίσκεται πριν από τα δομικά γονίδια και με αυτόν συνδέεται η πρωτεϊνη-καταστολέας. o Ο υποκινητής (Υπ.) είναι η αλληλουχία που βρίσκεται πριν από τα γονίδια και στην οποία συνδέεται η RNA πολυμεράση για να αρχίσει σωστά η μεταγραφή. o Το ρυθμιστικό γονίδιο (Ρ.Γ.) βρίσκεται πριν από τον υποκινητή, μεταγράφεται συνεχώς και κωδικοποιεί τη σύνθεση της πρωτεϊνης-καταστολέα. Η πρωτεϊνη-καταστολέας και ο χειριστής αποτελούν τα ρυθμιστικά μόρια της μεταγραφής του οπερονίου της λακτόζης.

34 Απουσία λακτόζης Το οπερόνιο της λακτόζης της E.coli δεν μεταγράφεται όταν από το θρεπτικό υλικό απουσιάζει η λακτόζη. Αυτό επιτυγχάνεται με τα ρυθμιστικά μόρια, τον καταστολέα και τον χειριστή. Όταν απουσιάζει η λακτόζη, η πρωτεϊνη-καταστολέας προσδένεται ισχυρά στον χειριστή και εμποδίζει την RNA πολυμεράση να αρχίσει τη μεταγραφή των δομικών γονιδίων του οπερονίου.

35 Παρουσία λακτόζης - Επαγωγή Όταν στο θρεπτικό υλικό υπάρχει μόνο λακτόζη, ο ίδιος ο δισακχαρίτης προσδένεται στον καταστολέα και δεν του επιτρέπει να προσδεθεί στον χειριστή. Τότε η RNA πολυμεράση είναι ελεύθερη να αρχίσει τη μεταγραφή. Η λακτόζη λειτουργεί ως επαγωγέας της μεταγραφής του οπερονίου της. Τα τρία δομικά γονίδια μεταγράφονται σε ένα μόριο mrna. Το mrna μεταφράζεται σε τρία ένζυμα, καθώς περιέχει κωδικόνια έναρξης και λήξης για κάθε ένζυμο.

36 Γονιδιακή ρύθμιση στους ευκαρυωτικούς Η ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης στα ευκαρυωτικά κύτταρα πραγματοποιείται με ιδιαίτερα πολύπλοκους μηχανισμούς και σε πολλά επίπεδα. Οι ακριβείς ποσότητες των διαφόρων πρωτεϊνών που απαιτούνται κάθε χρονική στιγμή σε ένα κύτταρο εξασφαλίζονται με μηχανισμούς που λαμβάνουν χώρα στο επίπεδο: o της μεταγραφής, o μετά τη μεταγραφή, o της μετάφρασης, o μετά τη μετάφραση.

37 Ρύθμιση στο επίπεδο της μεταγραφής Κατά τη μεταγραφή, ένας αριθμός μηχανισμών καθορίζει: o ποια γονίδια θα μεταγραφούν ή/και o με ποια ταχύτητα θα γίνει η μεταγραφή των γονιδίων. Δεν υπάρχουν οπερόνια, κάθε γονίδιο έχει τον δικό του υποκινητή και μεταγράφεται αυτόνομα. Υπάρχει τεράστια ποικιλία μεταγραφικών παραγόντων και διαφορετικός συνδυασμός μεταγραφικών παραγόντων ρυθμίζει τη μεταγραφή κάθε γονιδίου.

38 Ρύθμιση στο επίπεδο μετά τη μεταγραφή Στο επίπεδο μετά τη μεταγραφή: o περιλαμβάνονται μηχανισμοί με τους οποίους γίνεται η ωρίμανση του πρόδρομου mrna, o ελέγχεται η ταχύτητα με την οποία το ώριμο mrna εγκαταλείπει τον πυρήνα και εισέρχεται στο κυτταρόπλασμα.

39 Ρύθμιση κατά τη μετάφραση Κατά τη μετάφραση, o ρυθμίζεται ο χρόνος που ζουν τα διάφορα μόρια mrna στο κυτταρόπλασμα, ο οποίος δεν είναι ίδιος για όλα τα είδη mrna, επειδή μετά από κάποιο διάστημα αποικοδομούνται. o επίσης, ποικίλλει η ικανότητα πρόσδεσης του mrna στα ριβοσώματα.

40 Ρύθμιση στο επίπεδο μετά τη μετάφραση Στο επίπεδο μετά τη μετάφραση, είναι πιθανό μετά τη σύνθεση της πρωτεϊνης να συμβούν διάφορες τροποποιήσεις του μορίου της, ώστε αυτή να καταστεί βιολογικά λειτουργική. Μεταξύ των τροποποιήσεων εντάσσεται η απομάκρυνση ορισμένων αμινοξέων από το αρχικό αμινικό άκρο της πολυπεπτιδικής αλυσίδας.