ΔΙΑΛΕΞΗ 12 Μεταγραφή/Μετάφραση

ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι κληρονομικές πληροφορίες κωδικοποιούνται στην αλληλουχία των νουκλεοτιδίων Τα τέσσερα ‘γράμματα’ του DNA κατευθύνουν τη δημιουργία ενός οργανισμού Η σύνθεση των πρωτεϊνών είναι η βασικότερη λειτουργία των οργανισμών Η αλληλουχία του DNA κωδικοποιεί την αλληλουχία των αμινοξέων που καθορίζουν τη λειτουργία των πρωτεϊνών

DNA → RNA → ΠΡΩΤΕÏΝΕΣ Όταν το κύτταρο χρειάζεται μια πρωτεΐνη, το κατάλληλο γονίδιο στο DNA μεταγράφεται σε ένα άλλο είδος νουκλεϊνικού οξέος γνωστό ως RNA Αυτό το RNA χρησιμοποιείται ως εκμαγείο που κατευθύνει τη σύνθεση των πρωτεϊνών (μετάφραση) Αυτό είναι το ΚΕΝΤΡΙΚΟ ΔΟΓΜΑ ΤΗΣ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ

DNA

ΑΠΟ ΤΟ DNA ΣΤΟ RNA Τα κύτταρα αποκαλύπτουν τα γονίδια τους μέσω της μεταγραφής και της μετάφρασης Από το ίδιο γονίδιο μπορεί να παραχθούν πολλά μόρια RNA και κατ’επέκταση πολλά μόρια πρωτεΐνης Το DNA μεταγράφεται σε RNA στη γλώσσα των νουκλεοτιδίων Το RNA είναι γραμμικό πολυμερές που αποτελείται από τα νουκλεοτίδια A, G, C, και U που συνδέονται με φωσφοδιεστερικούς δεσμούς Περιέχουν το σάκχαρο ριβόζη (πεντόζη) Οι κανόνες συμπληρωματικότητας των βάσεων του RNA είναι οι ίδιοι με το DNA Το RNA είναι μονόκλωνο Το RNA διπλώνεται σε τρισδιάστατες δομές και εκτελεί και άλλες λειτουργίες στα κύτταρα (δομικές, καταλυτικές)

ΜΕΤΑΓΡΑΦΗ Η μεταγραφή αρχίζει με το ανοίγμα και ξεδίπλωμα ενός μικρού τμήματος της διπλής έλικας του DNA Ο ένας από τους δύο κλώνους δρα ως εκμαγείο για τη σύνθεση του RNA με βάση τη συμπληρωματικότητα των βάσεων Έτσι η αλυσίδα του RNA έχει την ίδια αλληλουχία νουκλεοτιδίων με τη συμπληρωματιή αλυσίδα του κλώνου-εκμαγείου

ΔΙΑΦΟΡΕΣ Ο κλώνος του νεοσύστατου RNA δεν παραμένει συνδεδεμένος στο εκμαγείο-DNA με δεσμούς υδρογόνου Η έλικα του DNA πίσω από τη μεταγραφόμενη αλυσίδα RNA αναδιοργανώνεται Μονόκλωνο Βάσεις A, G, C, και U Επειδή αντιγράφονται μόνο από συγκεκριμένες περιοχές του DNA, τα μόρια RNA είναι βραχύτερα

RNA ΠΟΛΥΜΕΡΑΣΗ Τα ένζυμα που επιτελούν τη μεταγραφή ονομάζονται RNA πολυμεράσες Καταλύουν το σχηματισμό φωσφοδιεστερικών δεσμών στο σκελετό του RNA Στο DNA υπάρχουν σήματα που υποδεικνύουν στην RNA πολυμεράση από πού να αρχίσει και πού να τελειώσει τη μεταγραφή Στα βακτήρια, η αφετηρία ενός γονιδίου σηματοδοτείται από ένα υποκινητή, όπου η πολυμεράση προσδένεται ισχυρά στο DNA, ανοίγει τη διπλή έλικα και χρησιμοποιεί τη μια αλυσίδα ως εκμαγείο. Όταν συναντήσει την αλληλουχία τερματισμού, απελευθερώνει το DNA και η νεοσύστατη αλυσίδα RNA απομακρύνεται

ΔΙΑΦΟΡΕΣ DNA ΚΑΙ RNA ΠΟΛΥΜΕΡΑΣΗΣ Σχηματίζει μονόκλωνο νουκλεϊκό οξύ Μπορεί να αρχίσει μια αλυσίδα RNA χωρίς εκκινητή Η μεταγραφή δεν χρειάζεται να είναι τόσο ακριβής (λάθη 1:104 αντί 1:107)

ΕΙΔΗ RNA Τα μόρια του RNA που μεταγράφονται από τα γονίδια αποκαλούνται αγγελιοφόρα RNA (mRNA) Άλλα είδη RNA, όπως το ριβοσωματικό RNA (rRNA) σχηματίζει το κέντρο των ριβοσωματίων όπου γίνεται η μετάφραση του mRNA σε πρωτεΐνη Το μεταφορικό RNA (tRNA) σχηματίζει τους συναρμολογητές που επιλέγουν και μεταφέρουν τα αμινοξέα κοντά στο ριβοσωμάτιο για να ενσωματωθούν σε μια πρωτεΐνη

ΜΕΤΑΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΕΥΚΑΡΥΩΤΩΝ Ενώ το βακτηριακό DNA είναι εκτεθειμένο στο κυτταρόπλασμα και η μεταγραφή μπορεί να συμβεί ταυτόχρονα με τη μετάφραση, στα ευκαρυωτικά κύτταρα υπαρχει διαφορά Το DNA περικλείεται στον πυρήνα, η μεταγραφή διεξάγεται εκεί, ενώ η μετάφραση γίνεται στα ριβοσώματα στο κυτταρόπλασμα αφότου το mRNA περάσει από τους πόρους του πυρήνα Προτού περάσει στο κυτταρόπλασμα, το RNA υποβάλλεται σε επεξεργασία: Σχηματίζεται η καλύπτρα στο 5΄άκρο του mRNA με την προσθήκη μιας γουανίνης με μεθυλομάδα Γίνεται η πολυαδενυλίωση στο 3΄άκρο – προσθήκη διαδοχικών νουκλεοτιδίων αδενίνης (Α) Αυτά αυξάνουν τη σταθερότητα των μορίων του mRNA και συμβάλλουν στην έξοδό τους από τον πυρήνα

ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ Τα περισσότερα RNA χρειάζονται επιπλέον επεξεργασία Ενώ στα βακτήρια οι πρωτεΐνες κωδικοποιούνται από ένα συνεχές τμήμα DNA, στα ευκαρυωτικά γονίδια οι κωδικοποιητικές αλληλουχίες (εξόνια) διακόπτονται από μη κωδικοποιητικές (ιντρόνια)

ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ Τα ιντρόνια απομακρύνονται με τη διεργασία της αποκοπής και συρραφής του RNA Αρχικά ολόκληρο το γονίδιο (ιντρόνια και εξόνια) μεταγράφεται Σχηματίζεται η καλύπτρα και η πολυαδενυλίωση Αφαιρούνται τα ιντρόνια Ενώνονται τα εξόνια μεταξύ τους Το μόριο αποκτά μια ουρά πολυ(α) Γίνεται η σύζευξη με το σύμπλοκο των πυρηνικών πόρων Το mRNA εγκαταλείπει τον πυρήνα

ΓΙΑΤΙ ΥΠΑΡΧΟΥΝ ΤΑ ΙΝΤΡΟΝΙΑ; Η παρουσία τους πιστεύεται ότι επιτάχυνε την εμφάνιση νέων και χρήσιμων πρωτεϊνών Η παρουσία τους καθιστά εφικτό το γενετικό ανασυνδυασμό εξονίων Η συρραφή μπορεί να γίνει με πολλούς τρόπους ώστε να παραχθούν διάφορα mRNA, επιτρέποντας την παραγωγή διαφορετικών πρωτεϊνών από το ίδιο γονίδιο Κάποιοι λένε ότι τα ιντρόνια ήταν κινητά γενετικά στοιχεία που αποίκισαν το γονιδίωμά μας

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ Οι πληροφορίες που βρίσκονται στο RNA μεταφράζονται σε μια γραμμική αλληλουχία αμινοξέων Επειδή στο RNA υπάρχουν 4 σύμβολα (A, U, C, G) και στις πρωτεΐνες υπάρχουν 20 διαφορετικά αμινοξέα, δεν υπάρχει αντιστοιχία Ένα μόριο mRNA διαβάζεται διαδοχικά ανά ομάδες τριών νουκλεοτιδίων (ΑΑC, GΑU κλπ) Ορισμένα αμινοξέα καθορίζονται από περισότερες από μία τριπλέτα Κάθε ομάδα τριών διαδοχικών νουκλεοτιδίων RNΑ ονομάζεται κωδικόνιο και καθορίζει ένα αμινοξύ Ο γενετικός αυτός κώδικας είναι οικουμενικός

ΠΛΑΙΣΙΑ ΑΝΑΓΝΩΣΗΣ Μια αλληλουχία RNΑ μπορεί να μεταφραστεί σε οποιοδήποτε από τα 3 πλαίσια ανάγνωσης, ανάλογα με το πού ξεκινά η αποκωδικοποίηση Όμως, μόνο ένα από τα 3 πλαίσια είναι αυτό που κωδικοποιεί την ορθή πρωτεΐνη Το tRNA αναγνωρίζει και συνδέεται τόσο με το κωδικόνιο όσο και με το αμινοξύ, το οποίο και μεταφέρει στον τόπο της πρωτεϊνοσύνθεσης

tRNA Για αρκετά αμινοξέα υπάρχουν περισσότερα από ένα tRNA Η δομή του μοιάζει με τριφύλλι και αποτελείται από τέσσερα τμήματα που ζευγαρώνουν συμπληρωματικά και δύο τμήματα που περιλαμβάνουν Το αντικωδικόνιο ( 3 νουκλεοτίδια που ζευγαρώνουν με το συμπληρωματικό κωδικόνιο στο mRNA) Τη μονόκλωνη περιοχή στο 3΄ άκρο που προσδένεται στο αμινοξύ

ΣΥΝΔΕΣΗ tRNA ΜΕ ΑΜΙΝΟΞΕΑ Κάθε μόριο tRNA συνδέεται με το αμινοξύ του με τα ένζυμα συνθετάσες των αμινοακυλο-tRNA Τα αμινοξέα συνδέονται ομοιοπολικά με τα tRNA με ειδικό τρόπο – για κάθε αμινοξύ υπάρχει μια ειδική συνθετάση

ΡΙΒΟΣΩΜΑΤΙΑ Το μήνυμα του RNA αποκωδικοποιείται στα ριβοσωμάτια Αποτελούνται από 50 πρωτεΐνες που σταθεροποιούν το RNA και ριβοσωματικό RNA Συνταιριάζουν τα tRNA με τα κωδικόνια του mRNA και σχηματίζουν τους πεπτιδικούς δεσμούς που συνδέουν τα αμινοξέα Σταδιακά το ριβοσωμάτιο μετακινείται κατά μήκος του mRNA και μεταφράζει την αλληλουχία των νουκλεοτιδίων σε αλληλουχία αμινοξέων

ΕΝΑΡΞΗ ΚΑΙ ΛΗΞΗ ΠΡΩΤΕÏΝΟΣΥΝΘΕΣΗΣ Η θέση έναρξης της πρωτεϊνοσύνθεσης πάνω στο mRNA είναι πολύ σημαντική, γιατί ένα λάθος κατά ένα νουκλεοτίδιο θα δώσει διαφορετική, λανθασμένη πρωτεΐνη Το εναρκτήριο κωδικόνιο στο mRNA είναι το AUG που εκλύει το εναρκτήριο tRNA που μεταφέρει τη μεθειονίνη Άλλοι παράγοντες έναρξης επίσης συνδέονται στη ριβοσωματική ομάδα Το τέλος του μηνύματος σηματοδοτείται από την παρουσία ενός από τα 3 κωδικόνια UAA, UAG, UGA Αυτά ειδοποιούν το ριβοσωμάτιο να σταματήσει τη μετάφραση και δεν αναγνωρίζονται από κανένα tRNA

ΑΝΤΙΒΙΟΤΙΚΑ Πολλά αντιβιοτικά είναι ενώσεις που αναστέλλουν εκλεκτικά την πρωτεϊνοσύνθεση στα βακτήρια μόνο Τα αντιβιοτικά προσδένονται στο βακτηριακό ριβοσωμάτιο και εμποδίζουν τα βακτήρια να παράξουν τις αναγκαίες πρωτεΐνες για να νοσήσει ο οργανισμός Παραδείγματα: Τετρακυκλίνη – εμποδίζει την πρόσδεση του tRNA στη θέση Α Ερυθρομυκίνη – αναστέλλει την αντίδραση μετατόπισης πάνω στα ριβοσωμάτια

ΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΠΡΩΤΕÏΝΩΝ Ο έλεγχος της αποδόμησης των πρωτεϊνών ρυθμίζει την ποσότητα της κάθε πρωτεΐνης στο κύτταρο Η αποδόμηση των πρωτεϊνών ονομάζεται πρωτεόλυση και διεξάγεται από τα ένζυμα γνωστά ως πρωτεάσες Αυτές υδρολύουν τους πεπτιδικούς δεσμούς ανάμεσα στα αμινοξέα Με αυτό τον τρόπο το κύτταρο εξαλείφει τις πρωτεΐνες που δεν χρειάζεται, που έχουν βλάβες ή που έχουν διπλωθεί με λανθασμένο τρόπο Οι πρωτεΐνες που είναι καταδικασμένες να καταστραφούν έχουν σήμανση μια μικρή πρωτεΐνη, τη ουβικουϊτίνη Αυτή η σήμανση τις οδηγεί στα πρωτεασωμάτια (σύμπλοκα πρωτεολυτικών ενζύμων) για αποδόμηση

ΣΥΝΟΠΤΙΚΑ