Αντιγραφή, έκφραση και ρύθμιση της γενετικής πληροφορίας
Πώς το DNA διπλασιάζεται με ημισυντηρητικό τρόπο, πώς η πληροφορία του περνά στο RNA με τη μεταγραφή και στις πρωτεΐνες με τη μετάφραση μέσω του γενετικού κώδικα, και πώς το κύτταρο ελέγχει ποια γονίδια εκφράζονται, στα βακτήρια και στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς.
Γ΄ ΛΥΚΕΙΟΥΒΙΟΛΟΓΙΑ, ΤΕΥΧΟΣ Β΄ΚΕΦ. 215 ΛΕΠΤΑ
Το μάθημα είναι στο σχολικό βιβλίο. Δεν το αντιγράφουμε εδώ. Άνοιξε το επίσημο
κεφάλαιο και γύρνα για την εξάσκηση.
Η σύνοψη, οι όροι και οι ασκήσεις γράφτηκαν με τη βοήθεια τεχνητής νοημοσύνης από το
σχολικό βιβλίο και μπορεί να έχουν λάθη. Πηγή είναι πάντα το βιβλίο: ό,τι σου φαίνεται περίεργο,
έλεγξέ το εκεί. Βρήκες λάθος; Γράψε μας στο aporia@signmak.com.
Σχεδιάγραμμα
Δική μας σύνοψη της ενότητας, για επανάληψη, γραμμένη με τη βοήθεια τεχνητής νοημοσύνης. Μπορεί να έχει λάθη: πηγή είναι πάντα το βιβλίο.
Τι έγινε
Η αντιγραφή είναι ημισυντηρητική: η διπλή έλικα ανοίγει, κάθε μητρική αλυσίδα γίνεται καλούπι για μια νέα συμπληρωματική, και κάθε θυγατρικό μόριο έχει μία παλιά και μία νέα αλυσίδα. Αρχίζει από θέσεις έναρξης της αντιγραφής: το κυκλικό βακτηριακό DNA έχει μία και αντιγράφεται σε λιγότερο από 30 λεπτά, ενώ το γραμμικό DNA κάθε ευκαρυωτικού χρωμοσώματος έχει πολυάριθμες, αντιγράφεται ταυτόχρονα από εκατοντάδες σημεία και τα τμήματα ενώνονται.
Οι DNA ελικάσες σπάνε τους δεσμούς υδρογόνου και ανοίγουν μια θηλιά που μεγαλώνει προς τις δύο κατευθύνσεις. Οι DNA πολυμεράσες δεν μπορούν να ξεκινήσουν μόνες τους, γι' αυτό το πριμόσωμα (σύμπλοκο ενζύμων) φτιάχνει στις θέσεις έναρξης μικρά συμπληρωματικά κομμάτια RNA, τα πρωταρχικά τμήματα. Οι DNA πολυμεράσες τα επιμηκύνουν με δεοξυριβονουκλεοτίδια, διορθώνουν λάθη αφαιρώντας λάθος νουκλεοτίδια και αντικαθιστούν τα πρωταρχικά τμήματα με DNA.
Οι DNA πολυμεράσες προσθέτουν νουκλεοτίδια μόνο στο ελεύθερο 3΄ άκρο, άρα η σύνθεση γίνεται 5΄→3΄: σε κάθε τμήμα η μία αλυσίδα φτιάχνεται συνεχώς και η άλλη ασυνεχώς. Η DNA δεσμάση ενώνει τα κομμάτια της ασυνεχούς αλυσίδας και τα τμήματα από τις διάφορες θέσεις έναρξης. Οι πολυμεράσες κάνουν περίπου ένα λάθος ανά 100.000 νουκλεοτίδια· με τα επιδιορθωτικά ένζυμα τα λάθη πέφτουν στους ευκαρυωτικούς σε ένα στα 10¹⁰.
Κεντρικό δόγμα (F. Crick, 1958): η πληροφορία ρέει από το DNA στο RNA (μεταγραφή) και από το RNA στις πρωτεΐνες (μετάφραση)· μεταγραφή και μετάφραση μαζί αποτελούν τη γονιδιακή έκφραση. Σε ιούς με γενετικό υλικό RNA η αντίστροφη μεταγραφάση φτιάχνει DNA από RNA, και σε ορισμένους το RNA αυτοδιπλασιάζεται. Όλα τα κύτταρα ενός οργανισμού έχουν το ίδιο DNA αλλά εκφράζουν διαφορετικά γονίδια. Η μεταγραφή δίνει mRNA (φέρει την πληροφορία για μια πολυπεπτιδική αλυσίδα), rRNA (με πρωτεΐνες φτιάχνει το ριβόσωμα), tRNA (μεταφέρει συγκεκριμένο αμινοξύ) και, μόνο στους ευκαρυωτικούς, snRNA.
Η μεταγραφή γίνεται με τον ίδιο μηχανισμό σε προκαρυωτικούς και ευκαρυωτικούς και την καταλύει η RNA πολυμεράση (τρία είδη στους ευκαρυωτικούς). Αυτή προσδένεται στον υποκινητή, που βρίσκεται πάντα πριν από την αρχή του γονιδίου, με τη βοήθεια των μεταγραφικών παραγόντων, ξετυλίγει τοπικά το DNA και βάζει ριβονουκλεοτίδια συμπληρωματικά προς τη μία αλυσίδα, με U απέναντι στην A, ενώνοντάς τα με 3΄-5΄ φωσφοδιεστερικό δεσμό, προς την κατεύθυνση 5΄→3΄. Σταματά στις αλληλουχίες λήξης της μεταγραφής. Η αλυσίδα που μεταγράφεται λέγεται μη κωδική και η συμπληρωματική της κωδική.
Στους προκαρυωτικούς, αφού δεν υπάρχει πυρηνική μεμβράνη, η μετάφραση αρχίζει πριν τελειώσει η μεταγραφή. Στους ευκαρυωτικούς τα περισσότερα γονίδια είναι διακεκομμένα: εξώνια (μεταφράζονται) εναλλάσσονται με εσώνια (δεν μεταφράζονται). Το πρόδρομο mRNA ωριμάζει στον πυρήνα: μικρά ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σωματίδια (snRNA και πρωτεΐνες) απομακρύνουν τα εσώνια και ενώνουν τα εξώνια μεταξύ τους. Το ώριμο mRNA έχει 5΄ και 3΄ αμετάφραστες περιοχές και πηγαίνει στα ριβοσώματα του κυτταροπλάσματος.
Γενετικός κώδικας είναι η αντιστοίχιση κωδικονίων του mRNA με αμινοξέα: τριπλέτα (4³ = 64 συνδυασμοί για 20 αμινοξέα), συνεχής, μη επικαλυπτόμενος, σχεδόν καθολικός και εκφυλισμένος (εκτός από μεθειονίνη και τρυπτοφάνη, τα 18 αμινοξέα έχουν 2 έως 6 συνώνυμα κωδικόνια). Κωδικόνιο έναρξης είναι το AUG (μεθειονίνη) και κωδικόνια λήξης τα UAG, UGA, UAA. Η μετάφραση γίνεται στα ριβοσώματα (μικρή υπομονάδα με θέση για το mRNA, μεγάλη με δύο θέσεις για tRNA)· κάθε tRNA έχει αντικωδικόνιο και θέση για ένα συγκεκριμένο αμινοξύ.
Στάδια μετάφρασης: στην έναρξη το mRNA δένεται με μια αλληλουχία της 5΄ αμετάφραστης περιοχής στο rRNA της μικρής υπομονάδας, το tRNA της μεθειονίνης στο AUG (σύμπλοκο έναρξης) και μετά έρχεται η μεγάλη υπομονάδα· στην επιμήκυνση τα αμινοξέα ενώνονται με πεπτιδικούς δεσμούς και το ριβόσωμα προχωρά κατά ένα κωδικόνιο· στη λήξη, σε κωδικόνιο λήξης που δεν έχει tRNA, η αλυσίδα απελευθερώνεται. Πολλά ριβοσώματα σε ένα mRNA σχηματίζουν πολύσωμα. Ρύθμιση: στα βακτήρια κυρίως στη μεταγραφή, με οπερόνια όπως της λακτόζης (Jacob και Monod: ρυθμιστικό γονίδιο, υποκινητής, χειριστής, τρία δομικά γονίδια)· στους ευκαρυωτικούς κάθε γονίδιο έχει δικό του υποκινητή και η ρύθμιση γίνεται σε τέσσερα επίπεδα: μεταγραφή, μετά τη μεταγραφή, μετάφραση, μετά τη μετάφραση.
Πρόσωπα
Watson και Crick
πρότειναν τον ημισυντηρητικό τρόπο αντιγραφής
Meselson και Stahl
απέδειξαν πειραματικά την ημισυντηρητική αντιγραφή (1958)
F. Crick
ονόμασε το κεντρικό δόγμα της Μοριακής Βιολογίας (1958)
Nirenberg
με πολυουριδίνη έδειξε ότι το UUU κωδικοποιεί φαινυλαλανίνη
Khorana
με συνθετικά πολυνουκλεοτίδια βρήκε τα περισσότερα κωδικόνια
Sharp και Roberts
ανακάλυψαν τα εσώνια (1977)
Jacob και Monod
μελέτησαν τη ρύθμιση γονιδίων, οπερόνιο της λακτόζης (1961)
Γιατί στην αντιγραφή η μία νέα αλυσίδα φτιάχνεται συνεχώς και η άλλη σε κομμάτια;
Οι DNA πολυμεράσες προσθέτουν νουκλεοτίδια μόνο στο ελεύθερο 3΄ άκρο της αλυσίδας που μεγαλώνει, άρα κάθε νέα αλυσίδα σχηματίζεται με προσανατολισμό 5΄→3΄. Επειδή οι δύο μητρικές αλυσίδες είναι αντιπαράλληλες, σε κάθε τμήμα που αντιγράφεται η μία νέα αλυσίδα συντίθεται συνεχώς και η άλλη ασυνεχώς· τα κομμάτια της ενώνει η DNA δεσμάση.
Ποια είναι η κωδική και ποια η μη κωδική αλυσίδα ενός γονιδίου;
Μη κωδική είναι η αλυσίδα που μεταγράφεται, δηλαδή εκείνη προς την οποία το RNA είναι συμπληρωματικό. Κωδική λέγεται η απέναντί της αλυσίδα· σε αυτήν αντιστοιχούν τα κωδικόνια, π.χ. στο κωδικόνιο έναρξης AUG του mRNA αντιστοιχεί το ATG της κωδικής αλυσίδας.
Πώς ρυθμίζεται το οπερόνιο της λακτόζης;
Χωρίς λακτόζη, ο καταστολέας (που παράγεται συνεχώς από το ρυθμιστικό γονίδιο) δένεται στον χειριστή και η RNA πολυμεράση δεν μπορεί να μεταγράψει τα τρία δομικά γονίδια. Όταν υπάρχει μόνο λακτόζη, αυτή δένεται στον καταστολέα και τον εμποδίζει να προσδεθεί στον χειριστή, οπότε τα γονίδια μεταγράφονται σε ένα mRNA που δίνει και τα τρία ένζυμα· όταν η λακτόζη διασπαστεί πλήρως, η καταστολή επανέρχεται.
Ανοίγει το μενού κοινοποίησης του κινητού σου. Αν δεν υπάρχει, αντιγράφεται ο σύνδεσμος.
Νέα από το aporia.gr Νέες ενότητες και ό,τι βρίσκουμε στα θέματα των Πανελληνίων, στη σελίδα μας στο Facebook.