ΝΟΥΚΛΕΙΝΙΚΑ ΟΞΕΑ DNA RNA Ο φορέας της γενετικής πληροφορίας (DNA), σελ. 293 320 μέχρι και την πρώτη παράγραφο. (εκτός ύλης: Ο μηχανισμός της ημισυντηρητικής αντιγραφής του DNA, σελ. 297-301, Από το 14.4 ΜΕΤΑΛΛΑΞΕΙΣ, Σύνδρομο Down κλπ., 315-319) Όσα αφορούν τη δομή του DNA δόθηκαν στο κεφάλαιο οργανικές ουσίες 1
Έκφραση της Γενετικής πληροφορίας Το απλοειδές ανθρώπινο γονιδίωμα έχει μήκος 3Χ10 9 ζεύγη βάσεων. Όλα τα κύτταρα ενός πολυκύτταρου οργανισμού έχουν το ίδιο DNA. Kάθε ανθρώπινο κύτταρο περιέχει περίπου 35 000 γονίδια. Το πρώτο βήμα για την έκφραση της πληροφορίας που υπάρχει στο DNA είναι η μεταφορά της στο RNA με τη διαδικασία της μεταγραφής. Το RNA μεταφέρει με τη σειρά του, μέσω της διαδικασίας της μετάφρασης, την πληροφορία στις πρωτεΐνες Κεντρικό Δόγμα Μοριακής Βιολογίας Η γενετική πληροφορία είναι η καθορισμένη σειρά των αζωτούχων βάσεων των νουκλεοτιδίων, όπως η πληροφορία μιας γραπτής φράσης είναι η σειρά των γραμμάτων που την αποτελούν. Η πληροφορία υπάρχει σε τμήματα του DNA με συγκεκριμένη ακολουθία, τα γονίδια. Αυτά, διαμέσου της μεταγραφής και της μετάφρασης, καθορίζουν τη σειρά των αμινοξέων στις πολυπεπτιδικές αλυσίδες. Οι πορείες της μεταγραφής και της μετάφρασης των γονιδίων αποτελούν τη γονιδιακή έκφραση. 2
Μεταγραφή DNA Το DNA μεταγράφεται σε RNA Η μεταγραφή καταλύεται από την RNA πολυμεράση H RNA pol. ΙΙ προσδένεται στον υποκινητή-promoter του DNA με τη βοήθεια του μεταγραφικού παράγοντα και αρχίζει να τοποθετεί νουκλεοτίδια με τη βοήθεια και της ελικάσης. Η μεταγραφή σταματά όταν συναντήσει αλληλουχίες λήξης της μεταγραφής στο τέλος του γονιδίου. Το RNA είναι μονόκλωνο και είναι συμπληρωματικό με τη μία από τις δύο αλυσίδες του DNA η οποία και έτυχε της μεταγραφής και ονομάζεται μη κωδική αλυσίδα Η αλυσίδα DNA που δεν μεταγράφεται λέγεται κωδική και είναι πανομοιότυπη με το RNA όσον αφορά τις βάσεις (με την προσθήκη όμως της ουρακίλης αντί Θυμίνης) Το νεοσχηματισμένο mrna ονομάζεται πρόδρομο γιατί περιέχει εσώνιαintrons (αλληλουχίες που δε μεταφράζονται) και εξώνια-exons (αλληλουχίες που μεταφράζονται). Το mrna ωριμάζει με μία διαδικασία συρραφής (splicing) με τη βοήθεια των SnRNPs όπου αφαιρούνται τα εσώνια και παραμένουν τα εξώνια. Πως μεταγράφεται το DNA σε RNA Στην πρώτη εικόνα φαίνεται η διαφορά μη μεταγραφόμενης (κωδικής) και μεταγραφόμενης (μη κωδικής) αλυσίδας DNA Στη δεύτερη εικόνα φαίνεται ότι το RNA είναι συμπληρωματικό με τη μεταγραφόμενη (μη κωδική) και πανομοιότυπο με τη μη μεταγραφόμενη (κωδική) αλυσίδα με την προσθήκη όμως της ουρακίλης αντί της θυμίνης 3
4
Είδη RNA RNA mrna trna rrna SnRNA 5
Υπάρχουν τέσσερα είδη μορίων RNA που παράγονται με τη μεταγραφή: Το αγγελιοφόρο RNA (mrna):: Τα μόρια αυτά μεταφέρουν την πληροφορία του DNA για την παραγωγή μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Το μεταφορικό RNA (trna):: Κάθε μεταφορικό RNA συνδέεται με ένα συγκεκριμένο αμινοξύ και το μεταφέρει στη θέση της πρωτεϊνοσύνθεσης. Το ριβοσωμικό RNA (rrna):: Τα μόρια αυτά συνδέονται με πρωτεΐνες και σχηματίζουν το ριβόσωμα, ένα οργανίδιο απαραίτητο για την πραγματοποίηση της πρωτεϊνοσύνθεσης. Το μικρό πυρηνικό RNA (snrna):: Είναι μικρά μόρια RNA, τα οποία συνδέονται με πρωτεΐνες και σχηματίζουν μικρά ριβοζονουκλεοπρωτεϊνικά σωματίδια. Τα σωματίδια αυτά καταλύουν την ωρίμανση του mrna, μια διαδικασία που γίνεται μόνο στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς. Τα τρία πρώτα υπάρχουν και στους προκαρυωτικούς και στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς, αλλά το τέταρτο υπάρχει μόνο στους ευκαρυωτικούς. Γενετικός κώδικας Με τη μεταγραφή, οι πληροφορίες που βρίσκονται στα γονίδια μεταφέρονται στο mrna με βάση τη συμπληρωματικότητα των νουκλεοτιδικών βάσεων. Η αλληλουχία των βάσεων του mrna καθορίζει την αλληλουχία των αμινοξέων στις πρωτεΐνες με βάση ένα κώδικα αντιστοίχισης νουκλεοτιδίων RNA με αμινοξέα πρωτεϊνών ο οποίος ονομάζεται γενετικός κώδικας. Ο αριθμός των διαφορετικών αμινοξέων που συγκροτούν τις πρωτεΐνες είναι είκοσι και αντίστοιχα ο αριθμός των διαφορετικών νουκλεοτιδίων που σχηματίζουν το RNA είναι τέσσερα. Σε ένα αμινοξύ αντιστοιχούν τρία νουκλεοτίδια και γι αυτό ο γενετικός κώδικας ονομάστηκε κώδικας τριπλέτας. Ο κώδικας τριπλέτας είναι φυσική συνέπεια του γεγονότος ότι τέσσερα νουκλεοτίδια, αν συνδυαστούν ανά ένα (4 1 =4) ή ανά δύο (4 2 =16), δε δίνουν αρκετούς συνδυασμούς για να κωδικοποιηθούν τα είκοσι αμινοξέα. Αν όμως συνδυαστούν ανά τρία (4 3 =64), οι συνδυασμοί είναι παραπάνω από αρκετοί. 6
Βασικά χαρακτηριστικά Ο γενετικός κώδικας είναι κώδικας τριπλέτας, δηλαδή μια τριάδα νουκλεοτιδίων του mrna, το κωδίκιο, κωδικοποιεί ένα αμινοξύ. Ο γενετικός κώδικας είναι συνεχής, δηλαδή το mrna διαβάζεται συνεχώς ανά τρία νουκλεοτίδια χωρίς να παραλείπεται κάποιο νουκλεοτίδιο. Ο γενετικός κώδικας είναι μη επικαλυπτόμενος, δηλαδή κάθε νουκλεοτίδιο ανήκει σε ένα μόνο κωδίκιο. Ο γενετικός κώδικας είναι σχεδόν καθολικός (παγκόσμιος). Όλοι οι οργανισμοί έχουν τον ίδιο γενετικό κώδικα. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι το mrna από οποιονδήποτε οργανισμό μπορεί να μεταφραστεί σε εκχυλίσματα φυτικών, ζωικών ή βακτηριακών κυττάρων in vitro και να παράγει την ίδια πρωτεΐνη. Ο γενετικός κώδικας είναι εκφυλισμένος. Με εξαίρεση δύο αμινοξέα (μεθειονίνη και τρυπτοφάνη) τα υπόλοιπα 18 κωδικοποιούνται από δύο μέχρι και έξι διαφορετικά κωδίκια. Τα κωδίκια που κωδικοποιούν το ίδιο αμινοξύ ονομάζονται συνώνυμα. Ο γενετικός κώδικας έχει 1 κωδίκιο έναρξης και 3 κωδίκια λήξης. Το κωδίκιο έναρξης σε όλους τους οργανισμούς είναι το AUG και κωδικοποιεί το αμινοξύ μεθειονίνη. Υπάρχουν τρία κωδίκια λήξης, τα UAG, UGA και UAA. ALANINE ΑΜΙΝΟΞΕΑ ARGININE ASPARAGINE ASPARTIC ACID CYSTEINE GLUTAMIC ACID GLUTAMINE GLYCINE HISTIDINE ISOLEUCINE LEUCINE LYCINE METHIONINE PHENYLALANINE PROLINE SERINE THREONINE TRYPTOPHAN TYROSINE VALINE STOP GCC, GCA, GCG, GCU AGA, AGG, CGU, CGA, CGC, CGG AAC, AAU GAC, GAU UGC, UGU GAA, GAG CAA, CAG GGA, GGC, GGG, GGU CAC, CAU AUA, AUC, AUU UUA, UUG, CUA, CUC, CUG, CUU AAA, AAG AUG UUC, UUU CCA, CCC, CCG, CCU UCA, UCC, UCG, UCU, AGC, AGU ACA, ACC, ACG, ACU UGG UAC, UAU GUA, GUC, GUG, GUU UAA, UAG, UGA ΚΩΔΙΚΟΝΙΑ 7
Μετάφραση του mrna 8
Μετάφραση Η μετάφραση του mrna, δηλαδή η αντιστοίχιση των κωδικίων σε αμινοξέα και η σύνδεση των αμινοξέων σε πολυπεπτιδική αλυσίδα, πραγματοποιείται στα ριβοσώματα με τη βοήθεια των trna και αρκετών πρωτεϊνών και ενέργειας. Τα ριβοσώματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως οργανίδια μετάφρασης για οποιοδήποτε mrna Κάθε ριβόσωμα αποτελείται από δύο υπομονάδες, μια μικρή και μια μεγάλη και έχει μια θέση πρόσδεσης του mrna στη μικρή υπομονάδα και δύο θέσεις εισδοχής των trna στη μεγάλη υπομονάδα. Κάθε μόριο trna έχει μια ειδική τριπλέτα νουκλεοτιδίων, το αντικωδίκιο με την οποία προσδένεται, λόγω συμπληρωματικότητας, με το αντίστοιχο κωδίκιο του mrna. Επιπλέον, κάθε trna διαθέτει μια ειδική θέση σύνδεσης με ένα συγκεκριμένο αμινοξύ. 9
10
11
Πολυσώματα (πολυριβοσώματα) 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 κωδίκια, η θέση του mrna είναι ελεύθερη για την πρόσδεση ενός άλλου ριβοσώματος Το σύμπλεγμα των ριβοσωμάτων που δημιουργείται με το mrna ονομάζεται πολύσωμα. 12
Μεταλλάξεις Πως δικαιολογούμε την παρουσία ενός διαφορετικού ατόμου σε ένα είδος; Ανασυνδιασμοί Περιβάλλον Ενσωμάτωση ιών ή μεταθετών στοιχείων Μεταλλάξεις Μεταλλάξεις είναι αυτόματες και απροειδοποίητες αλλαγές στο γενετικό υλικό που οδηγούν στην εμφάνιση ποικιλομορφίας στα διάφορα είδη αλλά πιθανόν να είναι επιβλαβείς και να εμπλέκονται στην εμφάνιση κληρονομικών ασθενειών ή καρκίνου. Μπορούν να συμβούν στα σωματικά ή στα γεννητικά κύτταρα. Κληρονομούνται μόνο οι μεταλλάξεις στα γεννητικά κύτταρα. Οι μη επιβλαβείς μεταλλάξεις μπορεί να είναι ουδέτερες (ένα αμινοξύ χωρίς αλλαγή όμως στη λειτουργία της πρωτεΐνης) ή σιωπηλές (συνώνυμα κωδίκια). Διακρίνονται σε χρωμοσωμικές ή γονιδιακές και σε φυσικές ή τεχνητές Αριθμητικές χρωμοσωμικές ανωμαλίες (αλλαγές στον αριθμό των χρωμοσωμάτων: αυτοσωματικών ή φυλετικών) Ευπλοειδίες ή πολυπλοειδίες (πολλαπλάσια του n. Στον άνθρωπο μόνο σε κυτταροκαλλιέργιες ενώ στα φυτά είναι συχνό) Ανευπλοειδίες (προσθήκη ή αφαίρεση χρωμοσωμάτων) π.χ 2n-1: μονοσωμία, 2n+1: τρισωμία, 2n-2: νουλλισωμία) Οφείλονται σε μιτωτικό ή μειωτικό (σοβαρότερος) μη αποχωρισμό: των χρωμοσωμάτων (Ανάφαση Μείωσης Ι) ή των χρωματίδων (Ανάφαση Μέιωσης ΙΙ) Αποτέλεσμα είναι, ένας από τους γαμέτες να πάρει 2 και άλλος γαμέτης καθόλου από τα προς εξέταση χρωμοσώματα. 13
Γονιδιακές μεταλλάξεις: Τι αποτέλεσμα μπορεί να έχει μία τυχαία μετάλλαξη σε μία βάση του DNA: Σιωπηλή μετάλλαξη (66%) δηλ. να μην αλλάζει το παραγόμενο αμινοξύ. Μετάλλαξη με νόημα δηλ. διαφορετικό αμινοξύ (μπορεί να είναι ουδέτερη) Μετάλλαξη χωρίς νόημα δηλ. κωδικόνιο λήξης (STOP) Μετάλλαξη σε κωδικόνιο stop που το μετατρέπει σε κωδικόνιο με νόημα. Οι γονιδιακές μεταλλάξεις προκαλούνται με αντικατάσταση, έλλειψη, προσθήκη ενός νουκλεοτιδίου ή αναστροφή δύο νουκλεοτιδίων. 14
Σε γονιδιακές μεταλλάξεις οφείλονται: ο αλφισμός, οι θαλασσαιμίες (α και β), η φαινυλκετονουρία (PKU) κ. ά. 15