Κεφάλαιο 1ο Το γενετικό υλικό

Πριν το 1944, οι πρωτεΐνες θεωρούνταν ως φορείς των γενετικών πληροφοριών, επειδή...

• για το σχηματισμό των πρωτεϊνών συνδυάζονται 20 αμινοξέα, ενώ για το σχηματισμό των μορίων DNA συνδιάζονται 4 νουκλεοτίδια.

• ΔΗΛΑΔΗ:

20ν συνδυασμοί αμινιξέων (για ένα ν-πεπτίδιο) > 4ν συνδυασμοί νουκελοτιδίων (για μια ν-νουκλεοτιδική αλυσίδα)

Επομένως, στις πρωτεΐνες είναι δυνατή μεγαλύτερη ποικιλομορφία, απαραίτητη για να δικαιολογηθεί ο τεράστιος αριθμός των διαφορών στους οργανισμούς

Πειράματα για τη διερεύνηση της φύσης του γενετικού υλικού

• Του Griffith (1928). Απέδειξε ότι μπορούν να τροποποιηθούν οι ιδιότητες των κυττάρων, αλλά δεν έδειξε με ποιο τρόπο.

• Των Avery, Mac-Leod και McCarty (1944). Βασίστηκαν στι πείραμα του Griffith και διαπίστωσαν ότι το DNA τροποποιούσε τις ιδιότητες των κυττάρων.

• Των Hershey και Chase (1952). Απέδειξε οριστικά ότι το DNA είναι το γενετικό υλικό των οργανισμών.

Πείραμα Griffith (1928)

Οι ιδιότητες των οργανισμών μπορούν να μεταβληθούν με κάποιον άγνωστο για την εποχή εκείνη παράγοντα και με μια διαδικασία που ονομάστηκε «μετασχηματισμός».

Χρησιμοποίησε δύο στελέχη* του βακτηρίου πνευμονιόκοκκος (Diplococcus pneumoniae).

Πείραμα Griffith (1928)

1. Xρησιμοποίησε υψηλή θερμοκρασία για να σκοτώσει τα λεία βακτήρια και με αυτά μόλυνε ποντικούς, οι οποίοι παρέμεναν ζωντανοί.

2. Όταν ανέμειξε νεκρά λεία βακτήρια με ζωντανά αδρά και με το μείγμα μόλυνε τα ποντίκια, τότε αυτά πέθαιναν.

3. Στο αίμα των παραπάνω νεκρών ποντικών βρέθηκαν ζωντανά ΛΕΙΑ βακτήρια.

Πείραμα Griffith (1928)

Ο Griffith συμπέρανε ότι μερικά αδρά βακτήρια «μετασχηματίστηκαν» σε λεία παθογόνα ύστερα από αλληλεπίδραση με τα νεκρά λεία βακτήρια, αλλά δεν μπόρεσε να δώσει ικανοποιητική απάντηση για το πώς ακριβώς γίνεται αυτό.

Πείραμα Avery, Mac-Leod και McCarty (1944)

1. Διαχώρισαν τα συστατικά των νεκρών λείων βακτηρίων σε πρωτεΐνες, υδατάνθρακες, λιπίδια, DNA και RNA

2. Μετά, ανέμειξαν το καθένα από αυτά ξεχωριστά με τα ζωντανά αδρά βακτήρια.

3. Απέδειξαν ότι το DNA είναι υπεύθυνο για το μετασχηματισμό των ζωντανών αδρών βακτηρίων σε λεία.

Πείραμα Avery, Mac-Leod και McCarty (1944)

Επιπλέον βιοχημικά δεδομένα που υποστηρίζουν ότι το DNA είναι γενετικό υλικό

1. Η ποσότητα του DNA είναι σταθερή σε κάθε οργανισμό, ανεξάρτητα περιβαλλοντικών αλλαγών.

2. Η ποσότητα του DNA είναι ίδια σε όλα τα κύτταρα του οργανισμού.

3. Οι γαμέτες των ανώτερων οργανισμών είναι απλοειδείς και περιέχουν τη μισή ποσότητα από τα σωματικά κύτταρα, που είναι διπλοειδή.

4. Όσο πιο πολύπλοκος (εξελεκτικά ανώτερος) είναι ένας οργανισμός, τόσο περισσότερο DNA έχει σε κάθε κυτταρό του.

Πείραμα Hershey και Chase (1952) 1. Μελέτησαν τον κύκλο ζωής του βακτηριοφάγου Τ2, ο οποίος

αποτελείται από ένα πρωτεϊνικό περίβλημα στο εσωτερικό του οποίου υπάρχει ένα δίκλωνο μόριο DNA.

2. Ιχνηθέτησαν ορισμένους φάγους με ραδιενεργό 35S, που ενσωματώνεται μόνο στις πρωτεΐνες και όχι στο DΝΑ τους, και άλλους με ραδιενεργό 32Ρ, που ενσωματώνεται μόνο στο DΝΑ τους και όχι στις πρωτεΐνες.

3. Μετά, μόλυναν άλλα βακτήρια με τους φάγους που είχαν ραδιενέργεια στις πρωτεΐνες τους και άλλα βακτήρια με τους φάγους που είχαν ραδιενέργεια στο DNA τους.

4. Ραδιενέργεια εντόπισαν στο εσωτερικό των βακτηρίων που είχαν μολυνθεί από φάγους με ραδιενεργό DNA.

5. Κατέληξαν έτσι στο συμπέρασμα ότι μόνο το DNΑ των φάγων εισερχόταν στα βακτηριακά κύτταρα και ήταν ικανό να «δώσει τις απαραίτητες εντολές», για να πολλαπλασιαστούν οι νέοι φάγοι.

6. Άρα το DNA είναι το γενετικό υλικό.

Πείραμα Hershey και Chase (1952)

Χημική σύσταση του DNA

• To DNA αποτελείται από νουκλεοτίδια. Κάθε νουκλεοτίδιο αποτελείται από: 1. ένα σάκχαρο (πεντόζη) με 5

άτομα C (άνθρακα), τη δεοξυριβόζη

2. μία αζωτούχο βάση που ενώνεται με την πεντόζη στον 1' C (άνθρακα), και μπορεί να είναι ή Α (αδενίνη) ή Τ (θυμίνη) ή G (γουανίνη) ή C (κυτοσίνη)

3. μία φωσφορική ομάδα που ενώνεται με την πεντόζη στον 5' C

• Τα νουκλεοτίδια ενώνονται σχηματίζοντας πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες.

Χημική σύσταση του DNA

• Μια πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα σχηματίζεται από την ένωση νουκλεοτιδίων με ομοιοπολικό δεσμό.

• Ο δεσμός αυτός σχηματίζεται μεταξύ του υδροξυλίου του 3' C του πρώτου νουκλεο­τιδίου και της φωσφορικής ομάδας του 5' C του επόμενου νουκλεοτιδίου.

• Ο δεσμός αυτός ονομάζεται 3'-5' φωσφοδιεστερικός δεσμός. • Το αποτέλεσμα είναι ο σχηματισμός ενός σκελετού από

επαναλαμβανόμενες μονάδες -φωσφορικής ομάδας-σακχάρου-φωσφορικής ομάδας-σακχάρου-... με ελεύθερες τη φωσφορική ομάδα στον 5' C του πρώτου νουκλεοτιδίου και το υδροξύλιο στον 3' C του τελευταίου νουκλεοτιδίου της αλυσίδας.

• Για το λόγο αυτό αναφέρεται ότι η πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα έχει προσανατολι­σμό 5' 3'.

• Οι αζωτούχες βάσεις «προεκβάλλουν» από αυτό το σκελετό προς το εσωτερικό.

Δομή του DNA

Διάφορα πειραματικά δεδομένα όπως:

i. η χημική σύσταση

ii. η ισότητα Α=Τ και G=C σε κάθε μόριο DNA ανεξάρτητα από το είδος του οργανισμού

iii. η διαφορετική αναλογία βάσεων [(A+T)/(C+G)] από είδος σε είδος

iv. η δομή έλικας που αποκαλύφθηκε με την απεικόνιση του μορίου του DNA με χρήση ακτίνων Χ

Δομή του DNA ...οδήγησαν τους James Watson και Francis Crick (1953) στη διατύπωση του μοντέλου

της διπλής έλικας του DNA, που έχει τα εξής χαρακτηριστικά:

To DNA αποτελείται από 2 πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες που σχηματίζουν στο χώρο μια δεξιόστροφη διπλή έλικα.

Υπάρχει σταθερός σκελετός από δεοξυριβόζη εναλλάξενωμένη με φωσφορική ομάδα με 3'-5' φωσφοδιεστερικό δεσμό. Ο σκελετός είναι υδρόφιλος και στο εσωτερικό του βρίσκονται οι αζωτούχες βάσεις, που είναι υδρόφοβες.

Οι αζωτούχες βάσεις της μιας αλυσίδας συνδέονται με δεσμούς υδρογόνου με τις βάσεις της άλλης. Ισχύει ο κανόνας της συμπληρωματικότητας, δηλαδή απέναντι από την Α βρίσκεται μόνο η Τ και απέναντι από τη G μόνο η C. Οι δεσμοί υδρογόνου σταθεροποιούν τη δευτεροταγή δομή του μορίου DNA.

Μεταξύ Α και Τ αναπτύσσονται 2 δεσμοί υδρογόνου και μεταξύ G και C σχηματίζονται 3.

Οι δύο αλυσίδες είναι συμπληρωματικές, δηλαδή η αλληλουχία της μιας καθορίζει την αλληλουχία της άλλης.

Οι δύο αλυσίδες είναι αντιπαράλληλες, δηλαδή το 3' άκρο της μιας είναι απέναντι από το 5' άκρο της άλλης.

Δομή του DNA

Σχήμα του μορίου του DNA

• ΓΡΑΜΜΙΚΟ: πυρήνας ευκαρυωτικών κυττάρων και μιτοχονδριακό DNA ορισμένων κατώτερων πρωτοζώων . Επίσης, ως γενετικό υλικό των DNA ιών.

• ΚΥΚΛΙΚΟ: κύριο μόριο των βακτηρίων, πλασμίδια, στα μιτοχόνδρια και χλωροπλάστες των ευκαρυωτικών κυττάρων. Επίσης, ως γενετικό υλικό DNA ιών.

Λειτουργίες του γενετικού υλικού

1. Αποθήκευση της γενετικής πληροφορίας. Αυτή καθορίζει τα χαρακτηριστικά και τις λειτουργίες των οργανισμών (ορισμός γονιδίου)

2. Διατήρηση της γενετικής πληροφορίας (με τον αυτοδιπλασιαμό του DNA).

3. Μεταβίβαση της γενετικής πληροφορίας από κύτταρο σε κύτταρο και από οργανισμό σε οργανισμό.

4. Έκφραση της γενετικής πληροφορίας με τον έλεγχο της πρωτεϊνοσύνθεσης.

Κατηγορίες κυττάρων ανάλογα με τον αριθμό αντιγράφων του γενετικού υλικού

• Απλοειδή κύτταρα: φέρουν ένα αντίγραφο του γενετικού υλικού (γονιδιώματος). Τέτοια είναι:

A. Οι γαμέτες.

B. Τα προκαρυωτικά κύτταρα.

• Διπλοειδή κύτταρα: φέρουν δύο αντίγραφα του γενετικού υλικού. Τέτοια κύτταρα είναι τα σωματικά κύτταρα των ανώτερων ευκαρυωτικών οργανισμών.

Πώς περιγράφεται το μήκος ενός νουκλεϊκού οξέος;

• ΓΙΑ ΜΟΝΟΚΛΩΝΑ ΜΟΡΙΑ (π.χ. m-RNA): Χρησιμοποιείται ο όρος αριθμός ή αλληλουχία βάσεων.

• ΓΙΑ ΔΙΚΛΩΝΑ ΜΟΡΙΑ (π.χ. DNA): Χρησιμοποιείται ο όρος ζεύγη βάσεων.

Για παράδειγμα, ένα δίκλωνο μόριο DNA έχει μήκος 5.000 ζεύγη βάσεων ενώ ένα μονόκλωνο μόριο RNA έχει μήκος 5.000 βάσεις.

Το γενετικό υλικό στους προκαρυωτικούς οργανισμούς (βακτήρια)

• Προκαρυωτικοί = μονοκύτταροι χωρίς πυρήνα

• Γενετικό υλικό = δίκλωνο κυκλικό μόριο DNA με μήκος περίπου 1 mm, το οποίο αναδιπλώνεται και πακετάρεται με τη βοήθεια πρωτεϊνών, οπότε έχει μήκος περίπου 1 μm

• Είναι απλοειδείς οργανισμοί

• Ορισμένα βακτήρια έχουν ΠΛΑΣΜΙΔΙΑ

Τι είναι τα πλασμίδια;;;

• Δίκλωνα κυκλικά μόρια DNA • Αποτελούν το 1-2% του βακτηριακού DNA. • Περιέχουν μικρό ποσοστό της γενετικής πληροφορίας του

βακτηρίου. Μεταξύ των γονιδίων που εντοπίζονται στα πλασμίδια είναι:

1. γονίδια ανθεκτικότητας σε αντιβιοτικά και 2. γονίδια που σχετίζονται με τη μεταφορά γενετικού υλικού από

το ένα βακτήριο σε άλλο.

• Υπάρχουν ένα ή περισσότερα σε κάθε βακτήριο. • Αντιγράφονται ανεξάρτητα από το κύριο μόριο DNA. • Μπορούν να ανταλλάσουν γενετικό υλικό τόσο μεταξύ τους όσο

και με το κύριο μόριο DNA του βακτηρίου. • Μπορούν να μεταφέρονται από το ένα βακτήριο σε κάποιο άλλο,

μετασχηματίζοντάς το, οπότε και του προσδίδουν νέες ιδιότητες. • Χρησιμοποιούνται ευρύτατα στη Γενετική Μηχανική (κεφ. 4, 9).

Τι είναι τα πλασμίδια;;;

Το γενετικό υλικό στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς

• Βρίσκεται :

στον πυρήνα

στα μιτοχόνδρια

στους χλωροπλάστες

Γενετικό υλικό του πυρήνα

• Δεν είναι ένα ενιαίο μόριο • Αποτελείται από πολλά γραμμικά μόρια • Ο αριθμός τους &το μήκος τους είναι χαρακτηριστικό

γνώρισμα κάθε είδους (π.χ. στον πυρήνα κάθε ανθρώπινου κυττάρου υπάρχουν στην αρχή της μεσόφασης46 γραμμικά μόρια DNA).

• To DNA πακετάρεται μαζί με πρωτεΐνες. Συγκεκριμένα: 146 ζεύγη βάσεων DNA + 8 πρωτεΐνες (ιστόνες) = νουκλεόσωμα. νουκλεοσώματα + πρωτεΐνες (μη ιστόνες) = ινίδιο χρωματίνης. Τα ινίδια χρωματίνης αναδιπλώνονται και σχηματίζουν τα χρωμοσώματα.

Μορφές του γενετικού υλικού ευκαρυωτικού κυττάρου κατά τον κυτταρικό κύκλο

ΜΕΣΟΦΑΣΗ: α. Πριν την αντιγραφή του DNA κάθε ινίδιο χρωματίνης είναι μονό. Τα ινίδια της χρωματίνης είναι μέτρια συσπειρωμένα, δεν φαίνονται στο οπτικό μικροσκόπιο και διαπλέκονται μεταξύ τους σχηματίζοντας το δίκτυο ινιδίων χρωματίνης.

β. Μετά την αντιγραφή του DNA κάθε ινίδιο χρωματίνης είναι διπλό. Τα δύο πανομοιότυπα ινίδια χρωματίνης είναι συνδεδεμένα στο κεντρομερίδιο και ονομάζονται αδελφές χρωματίδες. ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΔΙΑΙΡΕΣΗ: Τα ινίδια συσπειρώνονται επιπλέον και αποκτούν το μέγιστο βαθμό συσπείρωσης στη μετάφαση, οπότε και είναι ευδιάκριτα στο οπτικό μικροσκόπιο. ΤΕΛΟΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΔΙΑΙΡΕΣΗΣ: Οι αδελφές χρωματίδες κάθε χρωμοσώματος έχουν αποσυνδεθεί και έχουν καταλήξει από μία σε κάθε θυγατρικό κύτταρο. Η κάθε χρωματίδα χάνει την επιπλέον συσπείρωση και εμφανίζεται ως μέτρια συσπειρωμένο ινίδιο χρωματίνης.

• Ο όρος αδελφές χρωματίδες περιγράφει τα διπλασιασμένα χρωμοσώματα κατά το χρονικό διάστημα που είναι ενωμένα στο κεντρομερίδιο.

• Το μέγιστο της συσπείρωσης παρατηρείται κατά τη μετάφαση. Τότε τα χρωμοσώματα είναι ορατά με το οπτικό μικροσκόπιο ως ανεξάρτητες μονάδες.

• Στο τέλος της κυτταρικής διαίρεσης, κάθε θυγατρικό κύτταρο περιέχει μία από τις δύο «πρώην» αδελφές χρωματίδες από κάθε χρωμόσωμα, που σταδιακά αρχίζουν να αποσυσπειρώνονται.

ΟΙ ΦΑΣΕΙΣ ΤΗΣ ΜΙΤΩΣΗΣ

Πόσα χρωμοσώματα, πόσα μόρια DNA και ποιο το μήκος του γενετικού υλικού που βρίσκεται στον πυρήνα ενός

ανθρώπινου κυττάρου στις διάφορες φάσεις του κύκλου του;

Ινίδια χρωματίνης

Πόσα χρωμοσώματα, πόσα μόρια DNA και ποιο το μήκος του γενετικού υλικού που βρίσκεται στον πυρήνα ενός

ανθρώπινου κυττάρου στις διάφορες φάσεις του κύκλου του;

ΙΝΙΔΙΑ ΧΡΩΜΑΤΙΝΗΣ ΧΡΩΜΟΣΩΜΑΤΑ ΜΟΡΙΑ DNA ΖΕΥΓΗ ΒΑΣΕΩΝ

ΚΑΡΥΟΤΥΠΟΣ (Ι)

• Σε κάθε ανθρώπινο κύτταρο (εκτός από τους γαμέτες που είναι απλοειδείς), υπάρχουν 23 ζεύγη χρωμοσωμάτων = 23 x 2 = 46 χρωμοσώματα.

• Σε κάθε ζευγάρι ομόλογων χρωμοσωμάτων το ένα χρωμόσωμα είναι μητρικής και το άλλο πατρικής προέλευσης.

• Τα 22 ζεύγη είναι κοινά σε άντρες και γυναίκες – αυτοσωμικά χρωμοσώματα ή αυτοσώματα.

• Το 23ο ζεύγος καθορίζει το φύλο – φυλετικά χρωμοσώματα. – 2 Χ χρωμοσώματα = θηλυκό άτομο – 1 Χ και 1 Υ (ή Ψ) χρωμόσωμα = αρσενικό άτομο

• Το ανθρώπινο γονιδίωμα σε ένα γαμέτη αποτελείται από περίπου 3 x 109 ζ.β.

ΚΑΡΥΟΤΥΠΟΣ (ΙΙ)

Η παρατήρηση των χρωμοσωμάτων μπορεί να γίνει μόνο όταν αυτά είναι ορατά (με το οπτικό μικροσκόπιο).

Πρέπει το κύτταρο, του οποίου τα χρωμοσώματα θέλουμε να μελετήσουμε, να διαιρείται και συγκεκριμένα να βρίσκεται στη μετάφαση, ώστε ο βαθμός συσπείρωσης της χρωματίνης είναι ο μέγιστος δυνατός.

ΚΑΡΥΟΤΥΠΟΣ (ΙΙI)

ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΚΑΡΥΠΟΤΥΠΟΥ 1. Επαγωγή της διαίρεσης των κυττάρων με ουσίες που έχουν

μιτογόνο δράση (δηλ. οδηγούν τα κύτταρα στη μίτωση). 2. Σταμάτημα των διαιρούμενων κυττάρων στη μετάφαση με χρήση

κατάλληλων ουσιών (π.χ. με κολχικίνη). 3. Επώαση των κυττάρων σε υποτονικό διάλυμα, ώστε να σπάσει η

κυτταρική μεμβράνη. 4. Άπλωμα των χρωμοσωμάτων σε αντικειμενοφόρο πλάκα. 5. Χρώση (δηλ. «βάψιμο») των χρωμοσωμάτων με ειδικές

χρωστικές (π.χ. Giemsa). 6. Παρατήρηση με το οπτικό μικροσκόπιο και φωτογράφηση. 7. Ταξινόμηση των χρωμοσωμάτων σε ζεύγη με σειρά

ελαττούμενου μεγέθους. Το τελικό αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας είναι ο καρυότυπος.

ΚΑΡΥΟΤΥΠΟΣ (IV)

ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ

• Ένα φυσιολογικό μεταφασικό χρωμόσωμα αποτελείται από δύο αδελφές χρωματίδες που συνδέονται μεταξύ τους με το κεντρομερίδιο.

• Το κεντρομερίδιο «διαιρεί» το χρωμόσωμα σε δύο βραχίονες, που μπορεί να είναι περίπου ίσοι ή ο ένας να είναι μεγαλύτερος από τον άλλο.

• Κάθε χρωμόσωμα διαφέρει από κάποιο άλλο στο μέγεθος, στη θέση του κεντρομεριδίου και στις ζώνες που εμφανίζει εξ’αιτίας της χρώσης που έχει υποστεί.

• Ο αριθμός και η μορφολογία των χρωμοσωμάτων είναι ιδιαίτερο χαρακτηριστικό κάθε είδους.

Τι είδους πληροφορίες αντλούμε από τη μελέτη του καρυότυπου;

• Αριθμός χρωμοσωμάτων

• Μέγεθος χρωμοσωμάτων

• Θέση κεντρομεριδίου

• Ζώνες χρωστικής (από το «βάψιμο»)

• Είδος φυλετικών χρωμοσωμάτων και, άρα, το φύλο ατόμου (για είδη με χρωμοσωμικό καθορισμό

του φύλου)

• Χρωμοσωικές ανωμαλίες (αριθμητικές & δομικές)

Παράδειγμα, ο καρυότυπος ενός θηλυκού ατόμου με σύνδρομο Down…

Γενετικό υλικό των ημιαυτόνομων οργανιδίων

• Ημιαυτόνομα οργανίδια χαρακτηρίζονται τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες.

• Έχουν DNA, που κωδικοποιεί μικρό αριθμό από τις πρωτεΐνες που είναι απαραίτητες για τη λειτουργία τους.

• Οι υπόλοιπες (που είναι και οι περισσότερες) πρωτεΐνες τους κωδικοποιούνται από γονίδια του πυρήνα.

• Αυτό σημαίνει ότι τα οργανίδια αυτά δεν μπορεί να είναι ανεξάρτητα από τον πυρήνα και ονομάζονται ημιαυτόνομα.

• Παρ’ όλα αυτά, διαιρούνται ανεξάρτητα από το κύτταρο και ο αριθμός τους εξαρτάται από το είδος και τις ανάγκες του κυττάρου.

ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΑΚΟ DNA

• Κυκλικό μόριο (συνήθως) • Γραμμικό μόριο (σε μερικά

κατώτερα πρωτόζωα) • Δύο έως δέκα αντίγραφα • Πληροφορίες σχετικές με

οξειδωτική φωσφορυλίωση

• Πάντα μητρικής προέλευσης (στους ανώτερους οργανισμούς)

ΧΛΩΡΟΠΛΑΣΤΙΚΟ DNA

• Κυκλικό μόριο

• Πληροφορίες σχετικές με φωτοσύνθεση

• Μεγαλύτερο μέγεθος από το μιτοχονδριακό DNA

Γενετικό υλικό των ιών

• Οι ιοί περιέχουν μόνο ένα είδος νουκλεϊκού οξέος, που μπορεί να είναι:

• DNA

– μονόκλωνο ή δίκλωνο

– κυκλικό ή γραμμικό

• RNA

– μονόκλωνο ή δίκλωνο

– κυκλικό ή γραμμικό