ΑΝΤΙΓΡΑΦΗ, ΕΚΦΡΑΣΗ & ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΓΕΝΝΕΤΙΚΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ Κεφάλαιο 2 ΑΝΤΙΓΡΑΦΗ, ΕΚΦΡΑΣΗ & ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΓΕΝΝΕΤΙΚΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΜΑΣΤΗ ΧΡΙΣΤΙΝΑ ΓΕ.Λ. ΣΟΡΩΝΗΣ 2013-2014

4

ΤΟ DNA ΑΥΤΟΔΙΠΛΑΣΙΑΖΕΤΑΙ Κάθε αλυσίδα λειτουργεί σαν καλούπι για την σύνθεση μιας νέας συμπληρω- ματικής αλυσίδας

ΗΜΙΣΥΝΤΗΡΗΤΙΚΟΣ ΔΙΠΛΑΣΙΑΣΜΟΣ DNA Τα θυγατρικά μόρια που προκύπτουν είναι πανο- μοιότυπα με το μητρικό και καθένα αποτελείται από μία παλιά (πράσινη) και μία καινούργια (ροζ) αλυσίδα.

Ο ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΑΝΤΙΓΡΑΦΗΣ Έχει μελετηθεί περισσότερο στα προκαρυωτικά κύτταρα (βακτήριο Escherichia coli) Το DNA τους είναι μικρότερο και απλούστερα οργανωμένο απ΄ ότι στα ευκαρυωτικά κύτταρα. Τα βασικά στάδια του μηχανισμού της αντιγραφής παρουσιάζουν ομοιότητες.

ΑΝΤΙΓΡΑΦΗ σε ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΑ-ΠΡΟΚΑΡΥΩΤΙΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ Διαθέτουν μόνο μία θέση έναρξης της αντιγραφής Διαθέτουν πολυάριθμες θέσεις έναρξης της αντιγραφής

ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΑΝΤΙΓΡΑΦΗΣ 1. DNA ελικάσες σπάνε τους δεσμούς υδρογόνου στις θέσεις έναρξης της αντιγραφής 2. Το πριμόσωμα συνθέτει στις θέσεις έναρξης της αντιγραφής μικρά τμήματα RNA τα οποία αποτελούν τα πρωταρχικά τμήματα 3. Οι DNA πολυμεράσες επιμηκύνουν τα πρωταρχικά τμήματα τοποθετώντας συμπληρω-ματικά δεοξυριβονουκλεοτίδια

ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΑΝΤΙΓΡΑΦΗΣ 4. Οι DNA πολυμεράσες επιδιορθώνουν λάθη που συμβαίνουν κατά την αντιγραφή & απομακρύνουν τα πρωταρχικά τμήματα αντικαθιστώντας τα με DNA (μόνο1 νουκλεοτίδιο στα 100.000 μπορεί να ενσωματωθεί λάθος) 5. Ειδικά επιδιορθωτικά ένζυμα επιδιορθώνουν ότι ξέφυγε από τις DNA πολυμεράσες (1 στα 10.000.000.000)

DNA ΠΟΛΥΜΕΡΑΣΕΣ 1. Δεν έχουν την ικανότητα να ξεκινήσουν την αντιγραφή. Η αντιγραφή ξεκινάει με το πριμόσωμα. 2. Λειτουργούν μόνο προς καθορισμένη κατεύθυνση. Ξεκινούν να τοποθετούν νουκλεοτίδια στο ελεύθερο άκρο 3΄ . Η αντιγραφή γίνεται με προσανατολισμό 5΄-3΄.

DNA ΠΟΛΥΜΕΡΑΣΕΣ Έτσι αντιγράφεται: η μία αλυσίδα συνεχώς και η άλλη ασυνεχώς!!!

Animation από: -το Harvard -wiley college -St. Olaf college ΑΝΤΙΓΡΑΦΗ Animation από: -το Harvard -wiley college -St. Olaf college Το πριμόσωμα συνθέτει μικρά τμήματα RNA στις θέσεις έναρξης της αντιγραφής. Η DNA πολυμεράση επιμηκύνει το πρωταρχικό τμήμα συνθέτοντας τμήματα DNA

Animation από: -το Harvard -wiley college -St. Olaf college ΑΝΤΙΓΡΑΦΗ Animation από: -το Harvard -wiley college -St. Olaf college

Animation από: -το Harvard -wiley college -St. Olaf college ΑΝΤΙΓΡΑΦΗ Animation από: -το Harvard -wiley college -St. Olaf college Στη μια αλυσίδα η σύνθεση του DNA είναι συνεχής.

Animation από: -το Harvard -wiley college -St. Olaf college ΑΝΤΙΓΡΑΦΗ Animation από: -το Harvard -wiley college -St. Olaf college Στο άλλο τμήμα η σύνθεση του DNA είναι ασυνεχής.

Animation από: -το Harvard -wiley college -St. Olaf college ΑΝΤΙΓΡΑΦΗ Animation από: -το Harvard -wiley college -St. Olaf college H DNA πολυμεράση απομακρύνει το πρωταρχικό τμήμα αντικαθιστώντας με DNA. Η DNA δεσμάση συνδέει τα κομμάτια της αλυσίδας.

5

ΕΚΦΡΑΣΗ ΤΗΣ ΓΕΝΕΤΙΚΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΡΟΗ ΤΗΣ ΓΕΝΕΤΙΚΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΜΕΤΑΓΡΑΦΗ ΤΟΥ DNA ΓΕΝΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ

Μεταγραφή:μεταφορά της γενετικής πληροφορίας από το DNA στο RNA. Μετάφραση:μεταφορά της γενετικής πληροφορίας από το RNA στις πρωτεϊνες. Γονίδια:τμήματα του DNA στα οποία υπάρχει η γενετική πληροφορία. Γενετική πληροφορία:η καθορισμένη σειρά των βάσεων (όπως η σειρά των γραμμάτων σε μια λέξη). Γονιδιακή έκφραση:Οι πορείες της μεταγραφής και της μετάφρασης των γονιδίων.

ΚΕΝΤΡΙΚΟ ΔΟΓΜΑ ΤΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ (F. Crick 1958)

ΚΕΝΤΡΙΚΟ ΔΟΓΜΑ ΤΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ (ΣΗΜΕΡΑ)

ΣΥΝΟΠΤΙΚΑ ΑΝΤΙΓΡΑΦΗ:διαιωνίζει τη γενετική πληροφορία. ΜΕΤΑΓΡΑΦΗ:καθορίζει ποια γονίδια θα εφρα- στούν και σε ποιους ιστούς και σε ποια στάδια α- νάπτυξης. ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ:χρησιμοποιεί τη γενετική πληρο- φορία για να κατασκευάσει ένα πολυπεπτίδιο.

ΕΙΔΗ ΜΟΡΙΩΝ RNA mRNA: αγγελιαφόρο RNA (messenger) tRNA: μεταφορικό RNA (transfer) rRNA: ριβοσωμικό RNA (ribosomal) snRNA: μικρό πυρηνικό RNA (small nuclear)

mRNA αγγελιαφόρο Τα μόρια αυτά μεταφέρουν την πληροφορία του DNA για την παραγωγή μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας.

tRNA μεταφορικό Κάθε μεταφορικό RNA συνδέ-εται με ένα συγκεκριμένο αμινοξύ και το μεταφέρει στη θέση της πρωτεϊνοσύνθεσης.

rRNA ριβοσωμικό Τα μόρια αυτά συνδέονται με πρωτεϊνες και σχηματίζουν το ριβόσωμα, ένα σωματίδιο απαραίτητο για την πραγμα-τοποίηση της πρωτεϊνοσύνθε-σης.

snRNA μικρό πυρηνικό Είναι μικρά μόρια RNA τα οποία συνδέονται με πρωτεϊνες και σχηματίζουν μικρά ριβονουκλεο-πρωτεϊνικά σωματίδια (κατά-λύουν την ωρίμανση του mRNA- μόνο στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς).

σε mRNA και μεταφράζονται Μεταγράφονται και παράγουν ΓΟΝΙΔΙΑ Μεταγράφονται σε mRNA και μεταφράζονται σε πρωτεϊνες Μεταγράφονται και παράγουν tRNA rRNA και snRNA

Οι υποκινητές βρί-σκονται πάντα πριν από την αρχή κάθε γονιδίου. ΜΕΤΑΓΡΑΦΗ ΑΝΑΛΥΤΙΚΑ… 1. Η RNA-πολυμεράση προσδένεται σε ειδικές περιοχές του DNA που λέγονται υποκινητές με την βοήθεια πρωτεϊνών που ονομάζονται μεταγραφικοί παράγοντες. Οι υποκινητές βρί-σκονται πάντα πριν από την αρχή κάθε γονιδίου. RNA-πολυμεράση+μεταγραφικοί παράγοντες +υποκινητής=ΞΕΚΙΝΗΜΑ ΜΕΤΑΓΡΑΦΗΣ πρωτεϊνες.

ΜΕΤΑΓΡΑΦΗ ΑΝΑΛΥΤΙΚΑ… 2.Η DNA πολυμεράση αφού προσδεθεί στον υποκινητή προκαλεί τοπικό ξετύλιγμα της διπλής έλικας του DNA. 3.Η DNA πολυμεράση τοποθετεί τα ριβονου-κλεοτίδια απέναντι από τα δεοξυριβονουκλε-οτίδια μιας αλυσίδας του DNA σύμφωνα με τον κανόνα της συμπληρωματικότητας των βάσεων, όπως και στην αντιγραφή, αλλά απέναντι από αδενίνη έχουμε ουρακίλη.Η μεταγραφή έχει προσανατολισμό 5΄-3΄ όπως και η αντιγραφή.

ΜΕΤΑΓΡΑΦΗ

ΜΕΤΑΓΡΑΦΗ ΑΝΑΛΥΤΙΚΑ… 4. Η σύνθεση του RNA σταματά στο τέλος του γονιδίου όπου οι αλληλουχίες λήξης της μεταγραφής επιτρέπουν την απελευθέρωσή του.

Στο DNA που μεταγράφεται διακρίνουμε δύο αλυσίδες (κλώνους) Μη κωδική: είναι η αλυσίδα που μεταγρά-φεται. Κωδική: Η συμπληρωμα-τική της μετα-γραφόμενης αλυσίδας DNA.

Μια σημαντική διαφορά ΠΡΟΚΑΡΥΩΤΙΚΟΙ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΟΙ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ Ακόμη κι αφού τε-λειώσει η μεταγρα-φή δεν είναι έτοιμο να μεταφραστεί. Πριν ολοκληρωθεί η μεταγραφή αρχί-ζει η μετάφραση του mRNA.

ΕΞΩΝΙΑ - ΕΣΩΝΙΑ ΕΞΩΝΙΑ: ΟΙ ΑΛΛΗΛΟΥΧΙΕΣ ΠΟΥ ΜΕΤΑΦΡΑΖΟΝΤΑΙ ΣΕ ΑΜΙΝΟΞΕΑ. ΕΣΩΝΙΑ: ΟΙ ΕΝΔΙΑΜΕΣΕΣ ΑΛΛΗΛΟΥ-ΧΙΕΣ ΠΟΥ ΔΕΝ ΜΕΤΑΦΡΑΖΟΝΤΑΙ ΣΕ ΑΜΙΝΟΞΕΑ.

5΄ - 3΄ αμετά-φραστες περιοχές Αποτελείται από εξώνια και εσώνια ΩΡΙΜΑΝΣΗ 5΄ - 3΄ αμετά-φραστες περιοχές Το πρόδρομο RNA μετατρέπεται σε mRNA καθώς τα εσώνια κόβονται από μικρά ριβο-νουκλεοπρωτεϊνικά σωματίδια και απομακρύ-νονται. Σχηματίζεται το ώριμο RNA που αποτελείται μόνο από εξώνια και έχει δύο αμετάφραστες περιοχές: η μια στο άκρο 5΄ και η άλλη στο άκρο 3΄ . Αποτελείται από εξώνια και εσώνια Αποτελούνται από snRNA και από πρωτεϊνες και λειτουργούν σαν ένζυμα. Κόβουν τα εσώ-νια και συρράπτουν τα εξώνια μεταξύ τους.

ΩΡΙΜΑΝΣΗ

ΩΡΙΜΑΝΣΗ

6

ΓΕΝΕΤΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΑΣ

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΚΩΔΙΚΑ Κώδικας τριπλέτας (1κωδικόνιο=1αμινοξύ) Συνεχής (το mRNA διαβάζεται συνεχώς) Μη επικαλυπτόμενος (κάθε νουκλεοτίδιο σε ένα μόνο κωδικόνιο) Σχεδόν καθολικός (ίδιος για όλους τους οργανι-σμούς) Εκφυλισμένος (τα περισσότερα αμινοξέα κωδικοποιούνται από 2-6 κωδικόνια=συνώνυμα) Έχει κωδικόνιο έναρξης (AUG) και τρία κωδικόνια λήξης (UAG, UGA, UAA)

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ ΕΝΑΡΞΗ ΕΠΙΜΗΚΥΝΣΗ ΛΗΞΗ

ΠΡΩΤΕΪΝΟΣΥΝΘΕΣΗ

7

ΓΟΝΙΔΙΑΚΗ ΡΥΘΜΙΣΗ:ο έλεγχος της γονιδιακής έκφρασης Γονιδιακή έκφραση: όλη η διαδικασία κατά την οποία ένα γονίδιο ενεργοποιείται για να παράγει μια πρωτεϊνη. Γονιδιακή ρύθμιση: η διαδικασία κατά την οποία παρέχονται οι οδηγίες για το είδος και την ποσότητα των πρωτεϊνών οι οποίες πρέπει να παραχθούν σε κάθε συγκεκριμένη χρονική στιγμή.

ΓΟΝΙΔΙΑΚΗ ΕΚΦΡΑΣΗ 1. μεταγραφή 2. ωρίμανση 3. μεταφορά στο κυτταρόπλασμα 4. μετάφραση

ΓΟΝΙΔΙΑΚΗ ΡΥΘΜΙΣΗ Για να παραχθούν πρωτεϊνες χωρίς κάποιες να περισσεύουν και άλλες να μην επαρκούν γίνεται ρύθμιση για: Πότε; Ποια χρονική στιγμή θα παραχθούν Πόσες; Ποια ποσότητα πρωτεϊνών Ποιες; Ποιο είδος πρωτεϊνών

ΜΕ ΣΚΟΠΟ: Στα βακτήρια: προσαρμογή στο περιβάλλον -αύξηση -διαίρεση Στους πολυκύτταρους οργανισμούς: ρύθμιση σε πολλά επίπεδα -διαφοροποίηση (εξειδίκευση – διάφοροι κυτταρικοί τύποι) -συντονισμός για 1. ανάπτυξη 2. προσαρμογή στο περιβάλλον

ΠΡΟΚΑΡΥΩΤΙΚΟΙ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ E. Colli: έχει περισσότερα από 4.000 γονίδια μεταγράφονται: -κάποια συνεχώς -κάποια όταν είναι ανάγκη

λακτόζη γλυκόζη+γαλακτόζη ένζυμα Το e. Colli για να πάρει τον άνθρακα που χρειάζεται χρησιμοποιεί τη γλυκόζη. Αν δεν βρει γλυκόζη αλλά λακτόζη θα καταφέρει να το διασπάσει ή θα πεθάνει; Το πρόβλημα το λύνει παράγοντας κατάλληλα ένζυμα που διασπούν την λακτόζη σε γλυκόζη και γαλακτόζη: Δηλ. λακτόζη γλυκόζη+γαλακτόζη ένζυμα

Οπερόνιο λακτόζης Μονάδα πάνω στο γονιδίωμα του βακτηρίου που αποτελείται από τα γονίδια που κωδικοποιούν τα τρία ένζυμα που είναι απαραίτητα για τη διάσπαση της λακτόζης και τα οποία βρίσκονται το ένα δίπλα στο άλλο.

Οπερόνιο λακτόζης Αποτελείται από: Αλληλουχίες DNA που ρυθμίζουν τη μεταγρα-φή τους: 1. ρυθμιστικό γονίδιο 2. υποκινητής 3. χειριστής Δομικά γονίδια: τα γονίδια που κωδικοποιούν τα τρία ένζυμα.

Το οπερόνιο περιλαμβάνει:

Το οπερόνιο περιλαμβάνει: 1.ρυθμιστικό γονίδιο

Το οπερόνιο περιλαμβάνει: 1. ρυθμιστικό γονίδιο 2. υποκινητή

Το οπερόνιο περιλαμβάνει: 1. ρυθμιστικό γονίδιο 2. υποκινητή 3. χειριστή

Το οπερόνιο περιλαμβάνει: 1. ρυθμιστικό γονίδιο 2. υποκινητή 3. χειριστή 4. τα τρία γονίδια για την παραγωγή των ενζύμων για τη διάσπαση.

ΚΑΤΑΣΤΟΛΗ ΑΠΟΥΣΙΑ ΛΑΚΤΟΖΗΣ ΚΑΤΑΣΤΟΛΗ ΑΠΟΥΣΙΑ ΛΑΚΤΟΖΗΣ Κατάσταση κατά την οποία το οπερόνιο της λακτόζης δεν μεταγράφεται, ούτε μεταφράζεται όταν απουσιάζει από το θρεπτικό υλικό η λακτόζη.

ΠΑΡΟΥΣΙΑ ΛΑΚΤΟΖΗΣ Όταν υπάρχει μόνο λακτόζη τότε η ίδια η λακτόζη λειτουργεί ως επαγωγέας της μεταγραφής των γονι-δίων καθώς προσδένεται στον καταστολέα εμποδί-ζοντας τον να προσδεθεί στον χειριστή.

ΣΗΜΑΝΤΙΚΟ! ΤΑ ΤΡΙΑ ΕΝΖΥΜΑ ΜΕΤΑΦΡΑΖΟΝΤΑΙ ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΑ ΑΠΟ ΤΟ ΙΔΙΟ ΜΟΡΙΟ mRNA ΤΟ ΟΠΟΙΟ ΠΕΡΙΕΧΕΙ ΚΩΔΙΚΟΝΙΑ ΕΝΑΡΞΗΣ ΚΑΙ ΛΗΞΗΣ ΓΙΑ ΚΑΘΕ ΕΝΖΥΜΟ.

ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΟΙ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ Ρυθμίζεται σε 4 επίπεδα: 1. Της μεταγραφής 2. Μετά τη μεταγραφή 3. Της μετάφρασης 4. Μετά την μετάφραση

1. ΕΠΙΠΕΔΟ ΜΕΤΑΓΡΑΦΗΣ Μηχανισμοί ελέγχου (ποια γονίδια θα μεταγρα-φούν, με ποια ταχύτητα και πότε) Ένας υποκινητής για κάθε γονίδιο (όχι οπερό-νια) Συνδιασμοί μεταγραφικών παραγόντων για σύνδεση RNA πολυμεράσης στον υποκινητή. (Διαφορετικός συνδιασμός για κάθε κυτταρικό τύπο)

2. ΕΠΙΠΕΔΟ ΜΕΤΑ ΤΗ ΜΕΤΑΓΡΑΦΗ Μηχανισμοί ωρίμανσης του πρόδρομου mRNA. Μηχανισμοί καθορισμού ταχύτητας εισόδου από τον πυρήνα στο κυτταρόπλασμα.

3. ΕΠΙΠΕΔΟ ΜΕΤΑΦΡΑΣΗΣ Διάρκεια ζωής των μορίων mRNA στο κυτταρόπλασμα (αποικοδομούνται). Ικανότητα πρόσδεσης του mRNA στα ριβοσώματα.

4. ΕΠΙΠΕΔΟ ΜΕΤΑ ΤΗ ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ Τροποποιήσεις της πρωτεΐνης για να γίνει βιολογικά λειτουργική.