Το γενετικό υλικό
Το πείραμα του Griffith (1928)Το πείραμα του Griffith έγινε in vivo.
|
Το πείραμα των Avery,McLeod,McCarty (1944)Πρόκειται για επανάληψη του πειράματος του Griffith, αλλά in vitro.
|
Το πείραμα των Hershey και Chase (1952)
Κάνε κλικ για μεγέθυνση.
Πρόκειται για ένα πείραμα ιχνηθέτησης, το οποίο αποτέλεσε την οριστική επιβεβαίωση ότι το DNA είναι γενετικό υλικό.
Ιχνηθέτηση: η σήμανση χημικών μορίων με τη χρήση ραδιενεργών ισοτόπων, φθοριζουσών ουσιών κλπ.
Στο πείραμα των Hershey και Chase η ιχνηθέτηση του DNA έγινε με ραδιενεργό 32P, επειδή το DNA αποτελείται από μονοφωσφορικά δεοξυριβονουκλεοτίδια (στις πρωτεΐνες δεν περιέχεται φωσφόρος). Η ιχνηθέτηση του πρωτεϊνικού καψιδίου έγινε με ραδιενεργό 35S επειδή τα αμινοξέα κυστεΐνη και μεθειονίνη περιέχουν θείο στις πλευρικές τους ομάδες R (το DNA δεν περιέχει θείο).
Εφαρμογές της ιχνηθέτησης στη Βιολογία
Ιχνηθέτηση: η σήμανση χημικών μορίων με τη χρήση ραδιενεργών ισοτόπων, φθοριζουσών ουσιών κλπ.
Στο πείραμα των Hershey και Chase η ιχνηθέτηση του DNA έγινε με ραδιενεργό 32P, επειδή το DNA αποτελείται από μονοφωσφορικά δεοξυριβονουκλεοτίδια (στις πρωτεΐνες δεν περιέχεται φωσφόρος). Η ιχνηθέτηση του πρωτεϊνικού καψιδίου έγινε με ραδιενεργό 35S επειδή τα αμινοξέα κυστεΐνη και μεθειονίνη περιέχουν θείο στις πλευρικές τους ομάδες R (το DNA δεν περιέχει θείο).
Εφαρμογές της ιχνηθέτησης στη Βιολογία
- Πείραμα των Hershey & Chase
- Πειραματική απόδειξη ημισυντηρητικού μηχανισμού αντιγραφής
- Ιχνηθετημένοι ανιχνευτές σε γονιδιωματικές και cDNAβιβλιοθήκες
- Μονοκλωνικά αντισώματα ως ανιχνευτές για τη διάγνωση ασθενειών
Ο 3'-5' φωσφοδιεστερικός δεσμός
Ο 3'-5' φωσφοδιεστερικός δεσμός.
(Κάνε κλικ για μεγέθυνση)
Κάθε νουκλεϊκό οξύ (DNA ή RNA) αποτελείται από επιμέρους μονομερή που λέγονται νουκλεοτίδια. Στους οργανισμούς απαντώνται και διφωσφορικά και τριφωσφορικά
νουκλεοτίδια. Μεταξύ δεύτερης και τρίτης φωσφορικής ομάδας αναπτύσσεται πυροφωσφορικός
δεσμός, ο οποίος είναι σχετικά ασταθής (δεσμός υψηλής ενέργειας). Για αυτό
και τα διφωσφορικά και τριφωσφορικά νουκλεοτίδια χρησιμοποιούνται από τα
κύτταρα ως "ενεργειακά νομίσματα" και όχι ως δομικοί λίθοι μορίων που
αφορούν στη γενετική πληροφορία. Τα νουκλεϊκά οξέα είναι πολυμερή μονοφωσφορικών νουκλεοτιδίων. Σε κάθε νουκλεοτίδιο η αζωτούχος βάση συνδέεται με τον 1' C (δηλαδή με το πρώτο άτομο C στον δακτύλιο της πεντόζης), ενώ η φωσφορική ομάδα συνδέεται με τον 5' C (δηλαδή με το πέμπτο άτομο C στον δακτύλιο της πεντόζης). Κατά τον πολυμερισμό των νουκλεοτιδίων προς πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες (δεοξυριβονουκλεοτίδια προς DNA και ριβονουκλεοτίδια προς RNA) αντιδρά το υδροξύλιο του 3' C του πρώτου νουκλεοτιδίου με την φωσφορική ομάδα του 5' C του επόμενου νουκλεοτιδίου και, με ταυτόχρονη αποβολή 1 μορίου Η2Ο, σχηματίζεται ο 3'-5' φωσφοδιεστερικός δεσμός. Ανεξάρτητα από τον αριθμό των νουκλεοτιδίων που αποτελούν την πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα, το πρώτο νουκλεοτίδιο έχει πάντα ελεύθερη μία φωσφορική ομάδα στο 5' άκρο και το τελευταίο νουκλεοτίδιο μία ελεύθερη υδροξυλομάδα στο 3' άκρο. Για αυτόν το λόγο αναφέρεται ότι ο προσανατολισμός της πολυνουκλεοτιδικής αλυσίδας είναι 5'-3'.
Το μοντέλο της διπλής έλικας
Το μοντέλο της διπλής έλικας.
(Κάνε κλικ για μεγέθυνση)
Σύμφωνα με το μοντέλο της διπλής έλικας που διατύπωσαν οι Watson και Crick:
- Το DNA αποτελείται από δύο πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες που σχηματίζουν στο χώρο μια δεξιόστροφη διπλή έλικα.
- Η διπλή έλικα έχει ένα σταθερό σκελετό από επαναλαμβανόμενα μόρια δεοξυριβόζης-φωσφορικής ομάδας, ενωμένα μεταξύ τους με φωσφοδιεστερικό δεσμό. Ο σκελετός είναι υδρόφιλος και βρίσκεται στο εξωτερικό του μορίου, ενώ οι αζωτούχες βάσεις (που είναι υδρόφοβες) βρίσκονται στο εσωτερικό του.
- Οι αζωτούχες βάσεις της μιας αλυσίδας συνδέονται με δεσμούς υδρογόνου με τις αζωτούχες βάσεις της απέναντι αλυσίδας με βάση τον κανόνα της συμπληρωματικότητας: απέναντι από αδενίνη(A) υπάρχει θυμίνη (Τ) και απέναντι από κυτοσίνη (C) υπάρχει γουανίνη (G). Μεταξύ αδενίνης και θυμίνης αναπτύσσονται δύο δεσμοί υδρογόνου, ενώ μεταξύ κυτοσίνης και γουανίνης τρεις. Λόγω της συμπληρωματικότητας, η αλληλουχία των βάσεων της μιας αλυσίδας καθορίζει την αλληλουχία των βάσεων της άλλης.
- Οι δύο αλυσίδες είναι αντιπαράλληλες, δηλαδή απέναντι από το 5' άκρο της μιας βρίσκεται το 3' άκρο της άλλης.
- Είναι πολυμερές μονοφωσφορικών δεοξυριβονουκλεοτιδίων.
- Ο 3'-5' είναι ομοιοπολικός με σταθερή φορά.
- Οι αζωτούχες βάσεις είναι υδρόφοβες και βρίσκονται στο εσωτερικό του μορίου.
- Μεταξύ των συμπληρωματικών βάσεων αναπτύσσονται δεσμοί υδρογόνου (δύο μεταξύ Α,Τ και τρεις μεταξύ C, G).
- Το μόριο του DNA ενώνεται με πρωτεΐνες (π.χ. ιστόνες στη χρωματίνη των ευκαρυωτικών κυττάρων).
Η ανακάλυψη της διπλής έλικαςΑπό το Virginia Commonwealth University.
|
Η ανακάλυψη της διπλής έλικαςΟ James Watson μιλά για τη ζωή του στο TED.
|
Οργάνωση του γενετικού υλικού στους οργανισμούς και οι λειτουργίες του
Το γενετικό υλικό ελέγχει όλες τις λειτουργίες του κυττάρου
Συνοπτικά οι λειτουργίες του γενετικού υλικού είναι:
Συνοπτικά οι λειτουργίες του γενετικού υλικού είναι:
- Η αποθήκευση της γενετικής πληροφορίας: Στο DNA (ή στο RNA αν αναφερόμαστε σε RNA ιούς) περιέχονται οι πληροφορίες που καθορίζουν όλα τα χαρακτηριστικά του οργανισμού. Η γενετική πληροφορία βρίσκεται κωδικοποιημένη στην αλληλουχία των βάσεων, οργανωμένη σε λειτουργικές μονάδες, τα γονίδια. (Γονίδιο ονομάζεται ένα τμήμα DNA -ή RNA αν αναφερόμαστε σε ορισμένους ιούς- με καθορισμένη αλληλουχία βάσεων, υπεύθυνο για τη σύνθεση ενός μορίου RNA ή μιας πεπτιδικής αλυσίδας.)
- Η διατήρηση και μεταβίβαση της γενετικής πληροφορίας από κύτταρο σε κύτταρο και από οργανισμό σε οργανισμό: Η πρώτη εξασφαλίζεται με τη μίτωση, ενώ η δεύτερη με τη μείωση (η οποία συμβαίνει κατά το σχηματισμό των γαμετών). Για να γίνουν και οι δύο τύποι κυτταροδιαίρεσης απαραίτητος είναι ο αυτοδιπλασιασμός του DNA, που εξασφαλίζεται με τη διαδικασία της αντιγραφής.
- Η έκφραση της γενετικής πληροφορίας: Περιλαμβάνει τη μεταγραφή και τη μετάφραση ενός γονιδίου και εξασφαλίζεται με τον έλεγχο της σύνθεσης των πρωτεϊνών.
- Γονιδίωμα: το σύνολο του γενετικού υλικού ενός κυττάρου. Επειδή στα ευκαρυωτικά κύτταρα, εκτός από τον πυρήνα, γενετικό υλικό υπάρχει και στα μιτοχόνδρια και τους χλωροπλάστες, κατά σύμβαση ο όρος "γονιδίωμα" αναφέρεται μόνο στο γενετικό υλικό που υπάρχει στον πυρήνα.
- Απλοειδή κύτταρα: κύτταρα όπου το γενετικό υλικό υπάρχει σε ένα αντίγραφο. Εδώ ανήκουν οι προκαρυωτικοί οργανισμοί και οι γαμέτες των ανώτερων ευκαρυωτικών.
- Διπλοειδή κύτταρα: κύτταρα όπου το γενετικό υλικό υπάρχει σε δύο αντίγραφα. Εδώ ανήκουν, για παράδειγμα, τα σωματικά κύτταρα των ανώτερων ευκαρυωτικών.
Οργάνωση του γενετικού υλικού στα προκαρυωτικά κύτταρα
Οργάνωση του γενετικού υλικού των βακτηρίων.
Στα προκαρυωτικά κύτταρα (που είναι απλοειδή κύτταρα) το κύριο μόριο του γενετικού υλικού είναι ένα δίκλωνο κυκλικό μόριο DNA μήκους 1 mm. Με τη βοήθεια πρωτεϊνών αναδιπλώνεται και τελικά μέσα στο κύτταρο δεν έχει μήκος μεγαλύτερο του 1 μm. Σε πολλά βακτήρια υπάρχουν ένα ή περισσότερα πλασμίδια, δηλαδή μικρά δίκλωνα μόρια DNA που αποτελούν το 1-2% του συνολικού βακτηριακού DNA. Τα πλασμίδια αντιγράφονται ανεξάρτητα από το κύριο μόριο του γενετικού υλικού του βακτηρίου και έχουν την ιδιότητα να μεταφέρονται από το ένα κύτταρο στο άλλο, να ανταλλάσσουν γενετικό υλικό μεταξύ τους ή ακόμα και με το κύριο μόριο DNA του βακτηρίου. Εξαιτίας αυτής τους ιδιότητας μπορούν να εισέλθουν σε ένα άλλο βακτήριο και να του προσδώσουν νέες ιδιότητες. Για αυτό και χρησιμοποιούνται ως φορείς κλωνοποίησης στη Γενετική Μηχανική, όπως για παράδειγμα το πλασμίδιο Ti που χρησιμοποιείται ως φορέας κλωνοποίησης κατά τη δημιουργία διαγονιδιακών ποικιλιών Bt. Πολλές φορές τα πλασμίδια μπορεί να περιέχουν και γονίδια ανθεκτικότητας σε αντιβιοτικά, γεγονός που προσδίδει πλεονεκτήματα επιβίωσης στο κύτταρο, ενώ στη Γενετική Μηχανική βοηθά στην επιλογή μετασχηματισμένων από μη μετασχηματισμένους κλώνους.
Οργάνωση του γενετικού υλικού στα ευκαρυωτικά κύτταρα
Το νουκλεόσωμα είναι η δομική μονάδα της χρωματίνης.
Το γενετικό υλικό των ευκαρυωτικών κυττάρων είναι μεγαλύτερου μεγέθους από εκείνο των προκαρυωτικών. Δεν είναι οργανωμένο σε ένα ενιαίο μόριο, αλλά αποτελείται από πολλά γραμμικά μόρια, που το μήκος τους είναι χαρακτηριστικό για το κάθε είδος. Τα μόρια του DNA πακετάρονται με τη βοήθεια πρωτεϊνών που λέγονται ιστόνες (πλούσιες στα αμινοξέα λυσίνη - Lys και αργινίνη - Arg), σχηματίζοντας έτσι ινίδια χρωματίνης. Δομική μονάδα της χρωματίνης είναι το νουκλεόσωμα, το οποίο αποτελείται από 146 bp DNA τυλιγμένα γύρω από ένα οκταμερές ιστονών. Τα νουκλεοσώματα αναδιπλώνονται οδηγώντας σε όλο και μεγαλύτερο βαθμό συσπείρωσης, σχηματίζοντας τελικά τα ινίδια χρωματίνης. Ανάλογα με τη φάση του κυτταρικού κύκλου, το γενετικό υλικό ενός ευκαρυωτικού κυττάρου εμφανίζεται με διάφορες μορφές:
- Ο όρος "χρωμόσωμα" συνήθως αναφέρεται στο γενετικό υλικό ανεξάρτητα από τη φάση του κυτταρικού κύκλου (π.χ. μεσοφασικό χρωμόσωμα, μεταφασικό χρωμόσωμα κλπ.)
- Ο όρος "αδελφές χρωματίδες" αναφέρεται σε διπλασιασμένα μόρια DNA που συγκρατούνται μεταξύ τους στο κεντρομερίδιο.
- Ο όρος "ινίδιο χρωματίνης" αναφέρεται στο μεσοφασικό χρωμόσωμα, τόσο πριν όσο και μετά την αντιγραφή.
Ο κυτταρικός κύκλος |
Το γενετικό υλικό στις διάφορες φάσεις του κυτταρικού κύκλουΚατά τη μετάφαση τα χρωμοσώματα εμφανίζουν το μέγιστο βαθμό συσπείρωσης και είναι τοποθετημένα στο ισημερινό επίπεδο του κυττάρου. Τότε μπορούμε να φτάξουμε καρυότυπο. Καρυότυπος ονομάζεται η απεικόνιση των μεταφασικών χρωμοσωμάτων ενός κυττάρου κατά ελαττούμενο μέγεθος.
Για να κατασκευάσουμε έναν καρυότυπο ακολουθούμε τα εξής βήματα:
|
Ο καρυότυπος ενός φυσιολογικού ανθρώπινου σωματικού κυττάρου
Στον άνθρωπο σε κάθε σωματικό κύτταρο υπάρχουν 23 ζεύγη χρωοσωμάτων. Τα 22 πρώτα χαρακτηρίζονται ως αυτοσωμικά (ή αυτοσώματα) και το ένα χρωμόσωμα κάθε ζεύγους είναι μητρικής και το άλλο πατρικής προέλευσης. Το 23ο ζεύγος είναι το ζεύγος των φυλετικών χρωμοσωμάτων. Στον άνθρωπο το φύλο καθορίζεται από την παρουσία ή την απουσία του Υ χρωμοσώματος, με τα θηλυκά άτομα να έχουν χρωμοσωμική σύσταση ΧΧ (ομογαμετικό φύλο) και τα αρσενικά να έχουν χρωμοσωμική σύσταση ΧΥ (ετερογαμετικό φύλο). Το Υ χρωμόσωμα είναι το μικρότερο σε μέγεθος από όλα τα ανθρώπινα χρωμοσώματα.
Ομόλογα χρωμοσώματα: ονομάζονται τα χρωμοσώματα που έχουν την ίδια μορφολογία και φέρουν τις ίδιες γενετικές θέσεις (μπορούν να ελέγχουν τις ίδιες ιδιότητες με διαφορετικό ενδεχομένως τρόπο).
Ομόλογα χρωμοσώματα: ονομάζονται τα χρωμοσώματα που έχουν την ίδια μορφολογία και φέρουν τις ίδιες γενετικές θέσεις (μπορούν να ελέγχουν τις ίδιες ιδιότητες με διαφορετικό ενδεχομένως τρόπο).
Τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες έχουν το δικό τους γενετικό υλικό.
Οι ιοί έχουν γενετικό υλικό DNA ή RNA.
Οι ιοί μπορεί να διαθέτουν γενετικό υλικό DNA ή RNA, μονόκλωνο ή δίκλωνο, κυκλικό ή γραμμικό. (Ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχουν οι ρετροϊοί, καθώς περιέχουν το ένζυμο αντίστροφη μεταγραφάση, που αποτελεί σπουδαίο εργαλείο για τη Γενετική Μηχανική.)