1Βασικοί όροι

Το κεφάλαιο έχει πολλούς όρους που μοιάζουν (κωδική και μη κωδική, εξώνιο και εσώνιο, καταστολέας και χειριστής). Μάθε τους σε ζευγάρια.

Αντίστροφη μεταγραφή

Σύνθεση DNA με καλούπι RNA, από το ένζυμο αντίστροφη μεταγραφάση. Τη χρησιμοποιούν ιοί με γενετικό υλικό RNA (ρετροϊοί).

Αντικωδικόνιο

Τριάδα νουκλεοτιδίων του tRNA που ζευγαρώνει, με βάση τη συμπληρωματικότητα, με ένα κωδικόνιο του mRNA.

Γενετικός κώδικας

Ο κανόνας αντιστοίχισης των κωδικονίων του mRNA (και του γονιδίου) με τα αμινοξέα των πρωτεϊνών.

Γονιδιακή έκφραση

Η πορεία από το γονίδιο στο προϊόν του: μεταγραφή σε RNA και, για τα γονίδια πρωτεϊνών, μετάφραση σε πολυπεπτίδιο.

DNA δεσμάση

Ένζυμο που ενώνει με φωσφοδιεστερικό δεσμό τα κομμάτια της ασυνεχούς αλυσίδας κατά την αντιγραφή.

DNA ελικάσες

Ένζυμα που σπάνε τους δεσμούς υδρογόνου και ξετυλίγουν τη διπλή έλικα στις θέσεις αντιγραφής.

DNA πολυμεράσες

Ένζυμα που επιμηκύνουν τα πρωταρχικά τμήματα προσθέτοντας δεοξυριβονουκλεοτίδια 5΄→3΄ και διορθώνουν λάθη ζευγαρώματος.

Δομικά γονίδια

Τα γονίδια ενός οπερονίου που κωδικοποιούν ένζυμα, π.χ. τα τρία ένζυμα του μεταβολισμού της λακτόζης.

Εξώνια

Τμήματα ενός ασυνεχούς γονιδίου (και του πρόδρομου mRNA) που διατηρούνται στο ώριμο mRNA.

Επαγωγέας

Ουσία του περιβάλλοντος που αδρανοποιεί τον καταστολέα και επιτρέπει τη μεταγραφή ενός οπερονίου. Στο οπερόνιο της λακτόζης, η λακτόζη.

Επιδιορθωτικά ένζυμα

Ένζυμα που εντοπίζουν και διορθώνουν λάθη της αντιγραφής που ξέφυγαν από τις DNA πολυμεράσες.

Εσώνια

Ενδιάμεσα τμήματα ασυνεχούς γονιδίου που μεταγράφονται αλλά απομακρύνονται κατά την ωρίμανση και δεν μεταφράζονται.

Ημισυντηρητικός μηχανισμός

Ο τρόπος αντιγραφής του DNA: κάθε νέο μόριο έχει μία μητρική και μία νέα αλυσίδα.

Θέσεις έναρξης αντιγραφής

Σημεία του DNA όπου ξεκινά η αντιγραφή. Μία στα βακτήρια, πολλές σε κάθε ευκαρυωτικό χρωμόσωμα.

Καταστολέας

Πρωτεΐνη που παράγεται από το ρυθμιστικό γονίδιο και, όταν δένεται στον χειριστή, εμποδίζει τη μεταγραφή του οπερονίου.

Κυτταρική διαφοροποίηση

Η εξειδίκευση των κυττάρων στην εμβρυϊκή ανάπτυξη, με έκφραση διαφορετικών γονιδίων σε κάθε κυτταρικό τύπο.

Κωδική αλυσίδα

Η αλυσίδα του γονιδίου που δεν μεταγράφεται. Έχει την ίδια αλληλουχία με το RNA, με T αντί για U.

Κωδικόνιο

Τριάδα νουκλεοτιδίων του mRNA (και κατ’ επέκταση του γονιδίου) που αντιστοιχεί σε αμινοξύ ή σε σήμα λήξης.

Μεταγραφικοί παράγοντες

Πρωτεΐνες που βοηθούν την RNA πολυμεράση να προσδεθεί στον υποκινητή και να αρχίσει σωστά τη μεταγραφή.

Μη κωδική αλυσίδα

Η αλυσίδα του γονιδίου που μεταγράφεται. Το RNA είναι συμπληρωματικό και αντιπαράλληλο με αυτήν.

Οπερόνιο

Ομάδα δομικών γονιδίων των προκαρυωτικών που μεταγράφονται μαζί σε ένα mRNA, υπό κοινό έλεγχο.

Πολύσωμα

mRNA πάνω στο οποίο κινούνται ταυτόχρονα πολλά ριβοσώματα, παράγοντας πολλά αντίγραφα της ίδιας πρωτεΐνης.

Πριμόσωμα

Σύμπλοκο ενζύμων που συνθέτει τα πρωταρχικά τμήματα RNA στις θέσεις έναρξης αντιγραφής.

Πρωταρχικά τμήματα

Μικρά τμήματα RNA, συμπληρωματικά με τη μητρική αλυσίδα, που χρειάζονται οι DNA πολυμεράσες για να ξεκινήσουν.

Ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σωματίδια

Σωματίδια από snRNA και πρωτεΐνες που κόβουν τα εσώνια και συρράπτουν τα εξώνια στην ωρίμανση.

Ρυθμιστικό γονίδιο

Γονίδιο που κωδικοποιεί τον καταστολέα ενός οπερονίου. Εκφράζεται συνεχώς.

Συνώνυμα κωδικόνια

Διαφορετικά κωδικόνια που κωδικοποιούν το ίδιο αμινοξύ.

Σύμπλοκο έναρξης

Το σύμπλοκο της μικρής υπομονάδας του ριβοσώματος, του mRNA και του tRNA που φέρει μεθειονίνη στο AUG.

Υποκινητής

Αλληλουχία DNA μπροστά από γονίδιο (ή οπερόνιο) όπου προσδένεται η RNA πολυμεράση για να αρχίσει η μεταγραφή.

Χειριστής

Αλληλουχία DNA ανάμεσα στον υποκινητή και τα δομικά γονίδια του οπερονίου, όπου δένεται ο καταστολέας.

snRNA

Μικρά πυρηνικά RNA των ευκαρυωτικών που, μαζί με πρωτεΐνες, καταλύουν την ωρίμανση.

Ωρίμανση

Η μετατροπή του πρόδρομου mRNA σε ώριμο στον πυρήνα των ευκαρυωτικών, με αφαίρεση εσωνίων και ένωση εξωνίων.

Δεν βρέθηκε όρος.

2Το κεντρικό δόγμα της βιολογίας

Περιγράφει τη ροή της γενετικής πληροφορίας. Ο Crick το διατύπωσε αρχικά ως DNA → RNA → πρωτεΐνη. Σήμερα ξέρουμε ότι η πληροφορία μπορεί να περάσει και από το RNA στο DNA, με την αντίστροφη μεταγραφή των ρετροϊών.

3Η αντιγραφή του DNA

Οι Watson και Crick πρότειναν ότι η συμπληρωματικότητα των βάσεων υποδεικνύει τον μηχανισμό: η διπλή έλικα ανοίγει και κάθε αλυσίδα γίνεται καλούπι για μια νέα. Κάθε νέο μόριο έχει μία παλιά και μία νέα αλυσίδα, γι’ αυτό ο μηχανισμός λέγεται ημισυντηρητικός.

Τα βήματα

1. Ξετύλιγμα. Οι DNA ελικάσες σπάνε τους δεσμούς υδρογόνου στις θέσεις έναρξης αντιγραφής: μία στα βακτήρια, πολλές σε κάθε ευκαρυωτικό χρωμόσωμα.
2. Πρωταρχικά τμήματα. Το πριμόσωμα συνθέτει μικρά τμήματα RNA, γιατί οι DNA πολυμεράσες δεν μπορούν να ξεκινήσουν μόνες τους νέα αλυσίδα.
3. Επιμήκυνση. Οι DNA πολυμεράσες προσθέτουν δεοξυριβονουκλεοτίδια, πάντα με κατεύθυνση 5΄→3΄, απέναντι από τη μητρική αλυσίδα.
4. Αντικατάσταση. Οι DNA πολυμεράσες απομακρύνουν τα πρωταρχικά τμήματα RNA και τα αντικαθιστούν με DNA.
5. Σύνδεση. Η DNA δεσμάση ενώνει τα κομμάτια της ασυνεχούς αλυσίδας.
6. Διόρθωση. Οι DNA πολυμεράσες και τα επιδιορθωτικά ένζυμα διορθώνουν τα λάθη. Τελικά μένει περίπου 1 λάθος σε 10¹⁰ νουκλεοτίδια.

4Η μεταγραφή

Η RNA πολυμεράση προσδένεται στον υποκινητή, με τη βοήθεια μεταγραφικών παραγόντων, ξετυλίγει τοπικά τη διπλή έλικα και συνθέτει RNA με κατεύθυνση 5΄→3΄. Τοποθετεί ριβονουκλεοτίδια απέναντι από τη μη κωδική αλυσίδα, με U απέναντι από την A. Η μεταγραφή σταματά σε ειδικές αλληλουχίες λήξης της μεταγραφής.

Τα γονίδια, ανάλογα με το προϊόν τους, χωρίζονται σε αυτά που μεταγράφονται σε mRNA και μεταφράζονται σε πρωτεΐνες, και σε αυτά που δίνουν tRNA, rRNA και (στους ευκαρυωτικούς) snRNA, τα οποία δεν μεταφράζονται.

• mRNAμεταφέρει την πληροφορία στα ριβοσώματα
• tRNAμεταφέρει τα αμινοξέα
• rRNAμαζί με πρωτεΐνες φτιάχνει τα ριβοσώματα
• snRNAωρίμανση του mRNA (ευκαρυωτικά)

5Ωρίμανση του mRNA

Στους ευκαρυωτικούς (και σε ορισμένους ιούς) τα περισσότερα γονίδια είναι ασυνεχή: έχουν εξώνια και εσώνια. Η μεταγραφή δίνει πρόδρομο mRNA, που ωριμάζει στον πυρήνα πριν βγει στο κυτταρόπλασμα.

6Ο γενετικός κώδικας

• Κώδικας τριπλέτας3 νουκλεοτίδια = 1 κωδικόνιο. Με 4 βάσεις: 4³ = 64 κωδικόνια (με δυάδες μόνο 16, λίγα για 20 αμινοξέα).
• Συνεχήςδιαβάζεται χωρίς κενά
• Μη επικαλυπτόμενοςκάθε νουκλεοτίδιο ανήκει σε ένα κωδικόνιο
• Σχεδόν καθολικόςίδιος σχεδόν σε όλους τους οργανισμούς
• Εκφυλισμένος61 κωδικόνια για 20 αμινοξέα: υπάρχουν συνώνυμα
• Έναρξη και λήξηAUG (μεθειονίνη). Λήξη: UAA, UAG, UGA

Phe φαινυλαλανίνη, Leu λευκίνη, Ser σερίνη, Tyr τυροσίνη, Cys κυστεΐνη, Trp τρυπτοφάνη, Pro προλίνη, His ιστιδίνη, Gln γλουταμίνη, Arg αργινίνη, Ile ισολευκίνη, Met μεθειονίνη, Thr θρεονίνη, Asn ασπαραγίνη, Lys λυσίνη, Val βαλίνη, Ala αλανίνη, Asp ασπαρτικό οξύ, Glu γλουταμινικό οξύ, Gly γλυκίνη.

7Η μετάφραση

1. Έναρξη. Το mRNA προσδένεται με το 5΄ άκρο του στη μικρή υπομονάδα του ριβοσώματος. Στο AUG έρχεται το tRNA με τη μεθειονίνη, και σχηματίζεται το σύμπλοκο έναρξης (mRNA, tRNA, μικρή υπομονάδα). Μετά προσδένεται η μεγάλη υπομονάδα.
2. Επιμήκυνση. Το ριβόσωμα κινείται κατά ένα κωδικόνιο προς το 3΄ άκρο. Κάθε νέο tRNA φέρνει το αμινοξύ του και σχηματίζεται πεπτιδικός δεσμός με την αλυσίδα. Το προηγούμενο tRNA αποσπάται.
3. Λήξη. Στο κωδικόνιο λήξης δεν αντιστοιχεί tRNA. Η αλυσίδα απελευθερώνεται και οι υπομονάδες αποχωρίζονται.

Ένα mRNA μεταφράζεται ταυτόχρονα από πολλά ριβοσώματα (πολύσωμα). Μετά τη μετάφραση η αλυσίδα συχνά τροποποιείται για να γίνει λειτουργική: π.χ. αφαιρούνται αμινοξέα από το αμινικό άκρο, όπως η αρχική μεθειονίνη. Γι’ αυτό δεν αρχίζουν όλες οι λειτουργικές πρωτεΐνες με μεθειονίνη.

8Ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης

Προκαρυωτικά: το οπερόνιο της λακτόζης

Στο E. coli τα τρία ένζυμα που χρειάζονται για τη χρήση της λακτόζης κωδικοποιούνται από τρία δομικά γονίδια με κοινό υποκινητή. Ανάμεσα σε υποκινητή και γονίδια βρίσκεται ο χειριστής. Πιο πριν, ένα ρυθμιστικό γονίδιο παράγει συνεχώς τον καταστολέα.

Ευκαρυωτικά

Η ρύθμιση γίνεται σε τέσσερα επίπεδα: στη μεταγραφή (το κυριότερο), μετά τη μεταγραφή (π.χ. ωρίμανση), στη μετάφραση και μετά τη μετάφραση. Όλα τα σωματικά κύτταρα ενός οργανισμού έχουν τα ίδια γονίδια, γιατί προέρχονται από το ζυγωτό. Με την κυτταρική διαφοροποίηση όμως κάθε κυτταρικός τύπος εκφράζει άλλα γονίδια: ένα νευρικό κύτταρο έχει το γονίδιο της αιμοσφαιρίνης, αλλά δεν το εκφράζει.

9Συγκρίσεις

10Αυτοέλεγχος

Δώδεκα γρήγορες ερωτήσεις. Πάτα μια απάντηση για να δεις αν είναι σωστή και γιατί.

1. Ο μηχανισμός αντιγραφής του DNA χαρακτηρίζεται:

   συντηρητικόςημισυντηρητικόςδιασπαστικόςασυνεχής

   Κάθε νέο μόριο έχει μία παλιά και μία νέα αλυσίδα.

2. Ποιο ένζυμο ενώνει τα κομμάτια της ασυνεχούς αλυσίδας;

   DNA ελικάσηΠριμόσωμαDNA δεσμάσηRNA πολυμεράση

   Η DNA δεσμάση σχηματίζει τους φωσφοδιεστερικούς δεσμούς ανάμεσα στα κομμάτια.

3. Οι DNA ελικάσες σπάνε:

   φωσφοδιεστερικούς δεσμούςδεσμούς υδρογόνουπεπτιδικούς δεσμούςγλυκοζιτικούς δεσμούς

   Ξετυλίγουν τη διπλή έλικα σπάζοντας τους δεσμούς υδρογόνου ανάμεσα στις βάσεις.

4. Ποια αλυσίδα του γονιδίου μεταγράφεται;

   Η κωδικήΗ μη κωδικήΚαι οι δύοΌποια είναι 5΄→3΄

   Το RNA είναι συμπληρωματικό με τη μη κωδική και ίδιο με την κωδική (U αντί T).

5. Πού συνδέεται η RNA πολυμεράση για να αρχίσει τη μεταγραφή;

   Στον χειριστήΣτον υποκινητήΣτο κωδικόνιο έναρξηςΣτο πρώτο εξώνιο

   Στον υποκινητή, με τη βοήθεια μεταγραφικών παραγόντων.

6. Ποια κωδικόνια είναι κωδικόνια λήξης;

   AUG, UAA, UAGUAA, UAG, UGAUGA, UGG, UAAAUG, UGA, UAG

   Το AUG είναι κωδικόνιο έναρξης (μεθειονίνη), το UGG κωδικοποιεί τρυπτοφάνη.

7. Τα εσώνια απομακρύνονται:

   κατά την αντιγραφήκατά την ωρίμανσηκατά τη μετάφρασημετά τη μετάφραση

   Τα κόβουν ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σωματίδια στον πυρήνα.

8. Ο γενετικός κώδικας λέγεται εκφυλισμένος γιατί:

   ένα κωδικόνιο κωδικοποιεί πολλά αμινοξέαπολλά αμινοξέα κωδικοποιούνται από περισσότερα από ένα κωδικόνιαδιαβάζεται χωρίς κενάείναι ίδιος σε όλους τους οργανισμούς

   Υπάρχουν συνώνυμα κωδικόνια. Το «ίδιος σε όλους» είναι το «σχεδόν καθολικός».

9. Το ριβόσωμα κινείται πάνω στο mRNA:

   από το 3΄ προς το 5΄ άκροαπό το 5΄ προς το 3΄ άκροκαι προς τις δύο κατευθύνσειςδεν κινείται

   Η μετάφραση αρχίζει κοντά στο 5΄ άκρο, στο AUG.

10. Πολύσωμα είναι:

    οργανίδιο της πρωτεϊνοσύνθεσηςομάδα ριβοσωμάτων στο ενδοπλασματικό δίκτυοmRNA με πολλά ριβοσώματα που το μεταφράζουν ταυτόχρονατο σύνολο των εξωνίων

    Έτσι παράγονται γρήγορα πολλά αντίγραφα της ίδιας πρωτεΐνης.

11. Στο οπερόνιο της λακτόζης, όταν δεν υπάρχει λακτόζη:

    ο καταστολέας δένεται στον χειριστήο καταστολέας δεν παράγεταιη RNA πολυμεράση μεταγράφει τα δομικά γονίδιαη λακτόζη δεσμεύει τον καταστολέα

    Ο καταστολέας παράγεται συνεχώς και, χωρίς λακτόζη, εμποδίζει τη μεταγραφή.

12. Σε πόσα επίπεδα ρυθμίζεται η γονιδιακή έκφραση στους ευκαρυωτικούς;

    ΈναΔύοΤρίαΤέσσερα

    Μεταγραφή, μετά τη μεταγραφή, μετάφραση, μετά τη μετάφραση.