Αντιγραφή, έκφραση καιρύθµιση

της γενετικής πληροφορίας

Κεφάλαιο 2

Η συµπληρωµατικότητα των βάσεωντου DNA

� Watson και Crick (1953): «είναι φανερό ότι τοειδικό ζευγάρωµα που έχουµε υποθέσει ότιδηµιουργείται µεταξύ των βάσεων του DNA προτείνει έναν απλό µηχανισµό αντιγραφής τουγενετικού υλικού».

T A G C

Οι Watson και Crick

� φαντάστηκαν µιαδιπλή έλικα η οποίαξετυλίγεται και κάθεαλυσίδα λειτουργείσαν καλούπι για τησύνθεση µιας νέαςσυµπληρωµατικήςαλυσίδας.

� Έτσι τα δύο θυγατρικά µόρια που προκύπτουν είναιπανοµοιότυπα µε το µητρικό και καθένα αποτελείταιαπό µία παλιά και µία καινούρια αλυσίδα.

� Ο µηχανισµός αυτός ονοµάστηκε ηµισυντηρητικός

1958: Τo πείραµα των

Matthew Messelson &

Frank Stahl’s

To DNA αυτοδιπλασιάζεται

ΠΙΘΑΝΟΙ ΤΡΟΠΟΙ

1958: Το πείραµα των Matthew Meselson & Frank Stahl’s

https://www.youtube.com/watch?v=mfnDVV518es

1958: Το πείραµα των Matthew Meselson & Frank Stahl’s

Άσκηση 1 σελίδα 39

Αντιγραφή του DNA

Αντιγραφή του DNA

� Γίνεται µόνο µια φορά πριν την κυτταρικήδιαίρεση, στη διάρκεια της µεσόφασης

Ο κύκλος ζωής ενός κύτταρου:

Mίτωση-πρόφαση-µετάφαση-ανάφαση-τελόφαση

G1 G2

Sφάση

ΜΕΣΟΦΑΣΗ

ΗΗ αντιγραφήαντιγραφή

τουτου DNADNAγίνετεγίνετε στηνστην

φάσηφάση S S ((στονστον

πυρήναπυρήνα))

Αντιγραφή του DNA

� Γίνεται µόνο µια φορά πριν την κυτταρικήδιαίρεση, στη διάρκεια της Μεσόφασης

• Ευκαρυωτικά κύτταρα: πυρήνας, µιτοχόνδρια, χλωροπλάστες

• Προκαρυωτικά κύτταρα: κυτταρόπλασµα(πλασµίδια)

• Ιοί: εσωτερικό του κυττάρου ξενιστή

Στην αντιγραφή του DNA συνεργάζονται πολλά ένζυµα

台大農藝系遺傳學 601 20000

Chapter 3 slide 15

Peter J. Russell, iGenetics: Copyright © Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings.

Στην αντιγραφή του DNA συνεργάζονται πολλά ένζυµα

Τα κύτταρα διαθέτουν ένασηµαντικό «οπλοστάσιο»:

� εξειδικευµένων ενζύµων

� άλλων πρωτεϊνών

� που λειτουργούν ταυτόχρονα

και καταλύουν τις χηµικές

αντιδράσεις της αντιγραφής

� µε µεγάλη ταχύτητα και

� µε εκπληκτική ακρίβεια

� Ο µηχανισµός της αντιγραφής έχειµελετηθεί πολύ περισσότερο σταπροκαρυωτικά κύτταρα, και κυρίωςστο βακτήριο Escherichia coli, γιατί:

� το DNA τους είναι πολύ µικρότεροκαι

� απλούστερα οργανωµένο από τοDNA των ευκαρυωτικών κυττάρων

Τα βασικά στάδια του µηχανισµού της αντιγραφής

παρουσιάζουν σηµαντικές οµοιότητες και στα δύο είδη

κυττάρων.

Βασικές διαφορές της αντιγραφής στα 2 είδηκυττάρων:

Αντιγραφή στο προκαρυωτικό

κύτταρο

Αντιγραφή πυρηνικού DNA στοευκαρυωτικό κύτταρο

ΓΕΝΕΤΙΚΟ ΥΛΙΚΟ: Ένα δίκλωνο κυκλικό DNAΊσως να υπάρχουν και δίκλωνα

κυκλικά πλασµίδια

ΓΕΝΕΤΙΚΟ ΥΛΙΚΟ: Πολλά δίκλωνα γραµµικά µόρια DNA

ΜΗΚΟΣ:1 mm

ΜΗΚΟΣ:1.000 φορές µεγαλύτερο (2µέτρα)

1 θέση έναρξης της αντιγραφής(ολοκλήρωση της αντιγραφής σελιγότερο από 30 λεπτά)

Πολλές θέσεις έναρξης της

αντιγραφής σε κάθε γραµµικό µόριο

(γρήγορη ολοκλήρωση τηςαντιγραφής)

ΘΕΣΕΙΣ ΕΝΑΡΞΗΣ ΤΗΣ ΑΝΤΙΓΡΑΦΗΣ

� Η αντιγραφήτου DNA αρχίζειαπόκαθορισµένασηµεία, πουονοµάζονται

� θέσεις έναρξηςτηςαντιγραφής

ΘΕΣΕΙΣ ΕΝΑΡΞΗΣ ΤΗΣ ΑΝΤΙΓΡΑΦΗΣ

� Όταν ανοίξει η διπλή έλικα, δηµιουργείται µια «θηλιά», η οποία αυξάνεται και προς τις δύο κατευθύνσεις.

Οι θηλιές που

δηµιουργούνται

κατά την έναρξη

της αντιγραφής σε

ένα µόριο DNA είναι ορατές µε το

ηλεκτρονικό

µικροσκόπιο.

στη συνέχεια τα τµήµατα πουδηµιουργούνται ενώνονται µεταξύ τους

https://www.youtube.com/watch?v=OnuspQG0Jd0

DNA ελικάσες

� Για να αρχίσει η αντιγραφήτου DNA, είναι απαραίτητονα ξετυλιχθούν στις θέσειςέναρξης της αντιγραφής οιδύο αλυσίδες.

� Αυτό επιτυγχάνεται µε τηβοήθεια ειδικών ενζύµων, που σπάζουν τους δεσµούςυδρογόνου µεταξύ των δύοαλυσίδων.

� Τα ένζυµα αυτάονοµάζονται DNA ελικάσες

DNA ελικάσες

DNA ελικάσες

Πριµόσωµα

� ειδικό σύµπλοκο πουαποτελείται από πολλάένζυµα

� συνθέτει στις θέσειςέναρξης τηςαντιγραφής µικράτµήµατα RNA, συµπληρωµατικά προςτις µητρικές αλυσίδες

τα οποία ονοµάζονται

πρωταρχικά

τµήµατα

DNA πολυµεράσες

� Τα κύρια ένζυµα πουσυµµετέχουν στηναντιγραφή του DNA ονοµάζονται DNA πολυµεράσες.

DNA πολυµεράσες

� DNA πολυµεράσες επιµηκύνουν τα πρωταρχικάτµήµατα, τοποθετώντας συµπληρωµατικάδεοξυριβονουκλεοτίδια απέναντι από τις µητρικέςαλυσίδες του DNA.

DNA polymerase

DNA polymerase

DNA πολυµεράσες

� Επειδή τα ένζυµααυτά δεν έχουν τηνικανότητα νααρχίσουν τηναντιγραφή, τοκύτταρο έχειτο πριµόσωµα

Οι DNA πολυµεράσες λειτουργούν µόνο προςκαθορισµένη κατεύθυνση και τοποθετούν τα νουκλεοτίδια

στο ελεύθερο 3' άκρο της δεοξυριβόζης του τελευταίουνουκλεοτιδίου κάθε αναπτυσσόµενης αλυσίδας.

http://www.wiley.com/legacy/college/boyer/0470003790/animations/replication/replication.htm

DNA πολυµεράσες

� Τα νέα µόρια DNA αρχίζουν νασχηµατίζονται, καθώςδηµιουργούνταιδεσµοί υδρογόνουµεταξύ τωνσυµπληρωµατικώναζωτούχων βάσεωντων δεοξυριβο-νουκλεοτιδίων

� αντιγραφή γίνεταιµε προσανατολισµό5' προς 3'

DNA πολυµεράσες

� Για να ακολουθηθείαυτός ο κανόνας σεκάθε τµήµα DNA πουγίνεται η αντιγραφή, ησύνθεση του DNA είναισυνεχής στη µιααλυσίδακαι ασυνεχής στηνάλλη.

� VIDEO στο youtube:

� https://www.youtube.com/watch?v=vNXFk_d6y80

� https://www.youtube.com/watch?v=OnuspQG0Jd0

Okazaki

ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΑΝΤΙΓΡΑΦΗΣ

Συνεχείς και ασυνεχείς θυγατρικοίκλώνοι

Okazaki

Συνεχείς και ασυνεχείςθυγατρικοί κλώνοι

http://www.biostudio.com/d_%20DNA%20Replication%20Coordination%20Leading%20Lagging%20Strand%20Synthesis.htm

Συνεχείς και ασυνεχείς θυγατρικοίκλώνοι

Nature (2003) vol 421,pp431-435

Συνεχείς και ασυνεχείς θυγατρικοίκλώνοι

Structure of the Moving Complex

DNA πολυµεράσες

1. DNA πολυµεράσες επιµηκύνουν τα πρωταρχικάτµήµατα, τοποθετώντας συµπληρωµατικάδεοξυριβονουκλεοτίδια απέναντι από τις µητρικέςαλυσίδες του DNA.

DNA polymerase

DNA polymerase

DNA πολυµεράσες

2. Ταυτόχρονα DNA πολυµεράσεςαποµακρύνουν ταπρωταρχικά τµήµαταRNA και τααντικαθιστούν µετµήµατα DNA.

� http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/molgenetics/dna-rna2.swf

DNA πολυµεράσες

3. DNA πολυµεράσεςεπιδιορθώνουν επίσηςλάθη που συµβαίνουνκατά τη διάρκεια τηςαντιγραφής.

� Μπορούν, δηλαδή, να«βλέπουν» και νααποµακρύνουν τανουκλεοτίδια που οι ίδιεςτοποθετούν, κατάπαράβαση του κανόνατηςσυµπληρωµατικότητας, και να τοποθετούν τασωστά.

DNA δεσµάση

� Τα κοµµάτια της ασυνεχούς αλυσίδας συνδέονταιµεταξύ τους µε τη βοήθεια ενός ενζύµου, πουονοµάζεται DNA δεσµάση

� Το ίδιο ένζυµο συνδέει και όλα τα κοµµάτια πουπροκύπτουν από τις διάφορες θέσεις έναρξηςαντιγραφής

Επιδιόρθωση DNA

� Όπως τα προϊόντα ενόςεργοστασίου ελέγχονταιµε αρκετούς τρόπους, για να εξακριβωθεί ανέχουν κατασκευαστείσωστά, έτσι και τοκύτταρο ελέγχει αν ηαλληλουχία βάσεων τουDNA είναι σωστή.

� Η αντιγραφή του DNA είναιαπίστευτα ακριβής, µόνο ένανουκλεοτίδιο στα 100.000 µπορείνα ενσωµατωθεί λάθος.

� Τα λάθη που δενεπιδιορθώνονται από τις DNA πολυµεράσες, επιδιορθώνονται σεµεγάλο ποσοστό απόειδικά επιδιορθωτικά ένζυµα.

� Έτσι ο αριθµός των λαθώνπεριορίζεται στουςευκαρυωτικούς οργανισµούς στοένα στα 1010!

Επιδιόρθωση DNA

Ανακεφαλαίωση

� Η αντιγραφή του DNA γίνεται:

� µε ηµισυντηρητικό µηχανισµό

� µε κατεύθυνση 5’->3’

� µε την συµµετοχή πολλών ενζύµων και πρωτεϊνών:

1. Πριµώσωµα

2. DNA ελικάσες

3. DNA πολυµεράσες

4. DNA δεσµάση

5. Επιδιορθωτικά ένζυµα

� µε ταχύτητα και ακρίβεια

πηγές στο Web:• ΣΤΑ ΑΓΓΛΙΚΑ :

• http://www.wiley.com/legacy/college/boyer/0470003790/animations/replication/replication.htm

• http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072556781/student_view0/chapter11/animation_quiz_2.html

• http://www.wiley.com/college/pratt/0471393878/student/animations/dna_replication/index.html

• http://www.biostudio.com/d_%20DNA%20Replication%20Coordination%20Leading%20Lagging%20Strand%20Synthesis.htm

• http://www.biostudio.com/d_%20DNA%20Replication%20Nucleotide%20Polymerization.htm

• http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/molgenetics/dna-rna2.swf

• http://www.bioteach.ubc.ca/TeachingResources/MolecularBiology/DNAReplication.swf

• https://www.youtube.com/watch?v=27TxKoFU2Nw

• ΜΕ ΕΛΛΗΝΙΚΟΥΣ ΥΠΟΤΙΤΛΟΥΣ:

• https://www.youtube.com/watch?v=LZhO2OpOgOY

• https://www.youtube.com/watch?v=siLwrz7hCDw