elgavrilis's blog

Δύο κλασσικά πειράματα απέδειξαν ότι το DNA είναι το γενετικό υλικό. DNA που απομονώθηκε από ένα στέλεχος του βακτηρίου Pneumonococcus μπορεί να μεταβιβάσει ιδιότητες του στελέχους αυτού, σε ένα άλλο βακτηριακό στέλεχος. Επίσης το DNA είναι το μόνο συστατικό που κληρονομείται από μια πατρική γενιά φάγων στην επόμενη. Το DNA επίσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μεταβιβάσει νέες ιδιότητες σε ευκαρυωτικά κύτταρα.

Το DNA είναι μια διπλή έλικα που συγκροτείται από δύο αντιπαράλληλους κλώνους (αλυσίδες) στις οποίες οι δομικές μονάδες των νουκλεοτιδίων συνδέονται με 3’→5′ φωσφοδιεστερικούς δεσμούς. Ο σκελετός των σακχάρων – φωσφορικών σχηματίζει το εξωτερικό του μορίου. Οι αζωτούχες βάσεις πουρίνης (A, G) και πυριμιδίνης (T, C) πακετάρονται στο εσωτερικό σε ζεύγη, στα οποία η Α είναι συμπληρωματική (συνδέεται με δεσμούς Η) με τη Τ, και η G είναι συμπληρωματική με την C. Οι κλώνοι διαχωρίζονται και χρησιμοποιούν τη συμπληρωματικότητα των βάσεων, για να συγκροτήσουν θυγατρικούς κλώνους κατά την ημισυντηρητική αντιγραφή του μορίου. Η συμπληρωματικότητα των βάσεων χρησιμοποιείται επίσης για να μεταγράψει το DNA σε RNA, το οποίο αναπαριστά με πιστότητα τον ένα κλώνο του δίκλωνου μορίου.

Ένα τμήμα DNA (γονίδιο) μπορεί να κωδικοποιεί μια πρωτεΐνη. Ο γενετικός κώδικας περιγράφει τη σχέση μεταξύ της αλληλουχίας βάσεων στο DNA και της αλληλουχίας αμινοξέων στην πρωτεΐνη. Μόνο μία από τις δύο αλυσίδες του DNA κωδικεύει την πρωτεΐνη. Ένα κωδικόνιο, αποτελείται από τρία νουκλεοτίδια που αντιστοιχούν σε ένα αμινοξύ. Μια κωδικοποιούσα αλληλουχία του DNA αποτελείται από μια διαδοχή – αλληλουχία κωδικονίων (πλαίσιο ανάγνωσης) που αρχίζει από ένα καθορισμένο σημείο. Συνήθως μόνο ένα από τα τρία πιθανά πλαίσια ανάγνωσης μπορούν να μεταφραστούν σε πρωτεΐνη.

Ένα χρωμόσωμα αποτελείται από ένα μεγάλο – συνεχές τμήμα DNA που περιέχει πολλά γονίδια. Κάθε γονίδιο (cistron) μεταγράφεται σε RNA προϊόν, το οποίο στη συνέχεια μεταφράζεται σε πολυπεπτιδική αλληλουχία, αν το γονίδιο κωδικοποιεί μια πρωτεΐνη. Ένα RNA προϊόν, ή ένα πρωτεϊνικό προϊόν του γονιδίου λέμε ότι είναι trans-acting. Ένα γονίδιο ορίζεται ως ένα μοναδιαίο τμήμα DNA που μεταγράφεται. Ένα τμήμα DNA που ρυθμίζει την ενεργότητα ενός γειτονικού γονιδίου λέμε ότι είναι cis-acting.

Ένα γονίδιο μπορεί να έχει πολλαπλά αλληλόμορφα. Τα υπολειπόμενα αλληλόμορφα προκύπτουν από απώλεια λειτουργίας (loss-of-fynction). Ένα null αλληλόμορφο έχει πλήρη απώλεια λειτουργίας. Τα επικρατή αλληλόμορφα προκύπτουν από πρόσκτηση λειτουργίας (gain-of-function).

Μια μετάλλαξη αποτελεί μεταβολή στην αλληλουχία Α-Τ και G-C ζευγών βάσεων στο DNA. Μετάλλαξη σε κωδικοποιούσα αλληλουχία, μπορεί να αλλάξει την αλληλουχία αμινοξέων στην αντίστοιχη πρωτεΐνη. Μια πλαισιοκινητική μετάλλαξη αλλάζει το πλαίσιο ανάγνωσης με προσθήκη ή αφαίρεση βάσεων. Αυτό προκαλεί εξ’ ολοκλήρου νέα διαδοχή αμινοξέων να κωδικοποιείται μετά τη μετάλλαξη. Μια σημειακή μετάλλαξη αλλάζει μόνο το αμινοξύ που αντιστοιχεί στο κωδικόνιο που έγινε η μετάλλαξη. Οι σημειακές μεταλλάξεις μπορούν να αναστραφούν με ανάστροφη μετάλλαξη (back mutation) της αρχικής. Οι ενθέσεις (προσθήκες) μπορούν να αναστραφούν με απώλεια του προστεθέντος υλικού, οι απώλειες όμως δεν μπορούν να αναστραφούν. Οι μεταλλάξεις μπορούν επίσης να κατασταλούν έμμεσα, όταν μια μετάλλαξη σε διαφορετικό γονίδιο επαναφέρει την αρχική έλλειψη.

Οι φυσικές επιπτώσεις των μεταλλάξεων αυξάνονται με μεταλλαξιγόνα. Οι μεταλλάξεις μπορούν να συγκεντρώνονται σε θέσεις hotspots. Ένας τύπος hotspot υπεύθυνος για κάποιες σημειακές μεταλλάξεις προκαλείται από απαμίνωση της τροποποιημένης βάσης 5-methylcytosine.

Οι πρόσθιες (foreward) μεταλλάξεις πραγματοποιούνται με ρυθμό 10^-6 ανά γενετική θέση, ενώ οι ανάστροφες (backward) είναι σπανιότερες. Δεν έχουν όλες οι μεταλλάξεις επίδραση στο φαινότυπο.

Αν και όλη η γενετική πληροφορία των κυττάρων φέρεται από το DNA, οι ιοί έχουν γονιδιώματα δίκλωνου ή μονόκλωνου DNA ή RNA. Τα ιοειδή (viroids) είναι υπό-ιικά παθογόνα που απαρτίζονται μόνο από μικρά κυκλικά μόρια RNA χωρίς καθόλου προστατευτική επικάλυψη. Το RNA δεν κωδικοποιεί πρωτεΐνες, και οι τρόποι διαιώνισης και παθογονικότητας είναι μάλλον άγνωστοι, Τα scarpies απαρτίζονται από πρωτεϊνοειδείς μολυσματικούς παράγοντες.

ΜΕΡΙΚΟΙ ΑΠΟ ΤΟΥΣ ΚΥΡΙΟΤΕΡΟΥΣ ΣΤΑΘΜΟΥΣ ΤΗΣ ΕΞΕΛΙΞΗΣ ΤΗΣ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ

Οι πρωτεΐνες παίζουν σημαντικό ρόλο σε όλες τις βιολογικές διεργασίες. Σχεδόν όλοι οι καταλύτες στα βιολογικά συστήματα είναι πρωτεΐνες που ονομάζονται ένζυμα. Επομένως οι πρωτεΐνες καθορίζουν το σκηνικό των χημικών μετασχηματισμών στα κύτταρα. Οι πρωτεΐνες επιτελούν μια μεγάλη ποικιλία άλλων λειτουργιών, όπως μεταφορά και αποθήκευση ουσιών, κατεύθυνση της κίνησης, μηχανική υποστήριξη, ανοσολογική προστασία, διεγερσιμότητα των κυττάρων, ολοκλήρωση του μεταβολισμού και ελέγχου της ανάπτυξης και διαφοροποίησης.

Εικόνα Δεξιά: Φωτομικρογραφία κρυστάλλου εξοκινάσης, ένα ένζυμο κλειδί στη χρησιμοποίηση της γλυκόζης.

Οι βασικές δομικές μονάδες των πρωτεϊνών είναι τα αμινοξέα. Όλες οι πρωτεΐνες όλων των ειδών, από τα βακτήρια μέχρι τους ανθρώπους, αποτελούνται από το ίδιο σύνολο των είκοσι αμινοξέων. Οι πλευρικές αλυσίδες αυτών των δομικών μονάδων διαφέρουν σε μέγεθος, σχήμα, φορτίο, δυνατότητα σχηματισμού δεσμού υδρογόνου και χημική δραστικότητα. Τα αμινοξέα  χωρίζονται σε ομάδες ως εξής: 1) Αλειφατικές πλευρικές αλυσίδες – γλυκίνη, αλανίνη, βαλίνη, λευκίνη, ισολευκίνη και προλίνη. 2) Υδροξυλικές αλειφατικές πλευρικές αλυσίδες – σερίνη και θρεονίνη. 3) Αρωματικές πλευρικές αλυσίδες – φαινυλαλανίνη, τυροσύνη, τρυπτοφάνη. 4) Βασικές πλευρικές αλυσίδες – λυσίνη, αργινίνη, ιστιδίνη. 5) Όξινες πλευρικές αλυσίδες – ασπαραγινικό και γλουταμινικό. 6) Αμιδικές πλευρικές αλυσίδες – ασπαραγίνη και γλουταμίνη και 7) Θειούχες πλευρικές αλυσίδες – κυστεΐνη και μεθειονίνη.

Πολλά αμινοξέα μαζί, συνήθως περισσότερα από εκατό, ενώνονται με πεπτιδικούς δεσμούς για να φτιάξουν μια πολυπεπτιδική αλυσίδα. Ένας πεπτιδικός δεσμός ενώνει την α-καρβοξυλική ομάδα ενός αμινοξέος και την α-αμινομάδα του επομένου. Διασυνδέσεις δισουλφιδίων μπορούν να σχηματιστούν από κυστεΐνες. Πολλές πρωτεΐνες τροποποιούνται ομοιοπολικά και διασπώνται μετά τη σύνθεσή τους. Οι πρωτεΐνες έχουν μοναδική αλληλουχία αμινοξέων που καθορίζεται γενετικά. Αυτό που είναι ουσιαστικό για τη βιολογική λειτουργία μιας πρωτεΐνης είναι η στερεοδιάταξή της, που είναι η τρισδιάστατη διάταξη των ατόμων του μορίου. Γνωρίζουμε τρεις επαναλαμβανόμενες διαμορφώσεις πολυπεπτιδικών αλυσίδων: την α-έλικα, τη β-πτυχωτή επιφάνεια και την έλικα του κολλαγόνου. Τμήματα α-έλικας και β-πτυχωτής επιφάνειας βρίσκονται σε πολλές πρωτεΐνες όπως και οι β-στροφές φουρκέτας. Μια πολύ σημαντική αρχή είναι ότι η αλληλουχία σε αμινοξέα μιας πρωτεΐνης καθορίζει την τρισδιάστατη δομή, όπως πρωτοανακαλύφθηκε για τη ριβονουκλεάση. Ανηγμένη αποδιαταγμένη ριβονουκλεάση δημιουργεί αυτομάτως τους σωστούς δισουλφιδικούς δεσμούς και επανακτά ενζυμική δραστικότητα όταν οξειδώνεται από τον αέρα, αφού απομακρυνθεί η μερκαπτοαιθανόλη και η ουρία. Οι πρωτεΐνες αναδιπλώνονται με τη συνένωση μικρών πολυπεπτιδικών τμημάτων που μεταβατικά εμφανίζονται με μορφές α-έλικας ή β-πτυχωτής επιφάνειας. Η τάση των υδρόφοβων τμημάτων να απομακρυνθούν από το νερό κατευθύνει την αναδίπλωση των διαλυτών πρωτεϊνών. Οι πρωτεΐνες σταθεροποιούνται από πολλούς δεσμούς υδρογόνου και δεσμούς Van der Waals, καθώς και από υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις.

Οι πρωτεΐνες είναι μια μοναδική τάξη μακρομορίων η οποία μπορεί να αναγνωρίζει και να αντιδρά ειδικά με μια μεγάλη ποικιλία μορίων. Το ρεπερτόριο των είκοσι πλευρικών αλυσίδων επιτρέπει στις πρωτεΐνες να αναδιπλώνονται σε συγκεκριμένες δομές και να σχηματίζουν συμπληρωματικές επιφάνειες και κοιλότητες. Η καταλυτική ισχύς των ενζύμων προέρχεται από την ικανότητά τους να δεσμεύουν υποστρώματα με ακριβείς προσανατολισμούς και να σταθεροποιούν ενδιάμεσες καταστάσεις κατά τον σχηματισμό και τη διάσπαση χημικών δεσμών. Οι αλλαγές στη στερεοδιάταξη που μεταδίδονται σε μακρινές θέσεις των πρωτεϊνικών μορίων είναι η κύρια αιτία της δυνατότητας των πρωτεϊνών να μεταγάγουν ενέργεια και πληροφορίες.

ΑΣΚΗΣΕΙΣ – ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ

1. Υποθέτουμε ότι τα αμινοξέα (οι δομικές μονάδες των πρωτεϊνών) μπορούν να αναπαρασταθούν με σφαίρες που έχουν ακτίνα 3 Angstrom (3 A⁰). Αν διαθέτουμε μια σφαιρική πρωτεΐνη ακτίνας 2 mm τότε υπολογίστε – απαντήστε στα παρακάτω:

(α) Περίπου πόσα αμινοξέα θα υπάρχουν και θα συγκροτούν μια σφαιρική πρωτεΐνη ακτίνας 2 nm;  [Απ: 300].

(β). Εάν η πρωτεΐνη της προηγούμενης ερώτησης εκτεινόταν, ώστε τα αμινοξέα να βρίσκονταν σε γραμμική αλληλουχία, ποιο θα ήταν το μήκος της πρωτεΐνης σε nm; [Απ: 180 nm].

(γ). Η εκτεταμένη πρωτεΐνη της προηγούμενης ερώτησης μπορεί να γίνει ορατή στο οπτικό μικροσκόπιο (ΟΜ); [Απ: Όχι διότι το διακριτικό όριο στο ΟΜ είναι 200 nm = 2000 A⁰].

(γ). Η εκτεταμένη πρωτεΐνη της προηγούμενης ερώτησης μπορεί να γίνει ορατή στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο (ΗΜ); [Απ: Θεωρητικά ναι διότι η ανάλυση του ΗΜ είναι στην τάξη των nm].

2. Το σχήμα ενός ερυθρού αιμοσφαιρίου (RBC) μπορεί να προσεγγιστεί σαν ένας κυλινδρικός δίσκος διαμέτρου 7 μm και πάχους 3 μm. Αν η πυκνότητα ενός RBC είναι d = 1,30 g/ml ποια είναι περίπου η μάζα ενός RBC;

[Απ: 1,5 x 10^-10 g].

3. Πόσος χρόνος απαιτείται ώστε 1 picomole ενζύμου Ε να μετατρέψει 1 micromole υποστρώματος S σε προϊόν P, εάν ο αριθμός μετατροπής του ενζύμου είναι 1 ms^-1 (1 per millisecond). (Αριθμός μετατροπής ενός ενζύμου, είναι ο χρόνος που απαιτείται ώστε ένα μόριο του ενζύμου E να μετατρέψει σε προϊόν P ένα μόριο υποστρώματος S με βάση την εξίσωση:  E + S ⇔ ES ⇒ E + P).

[Απ: 1000 second].

4. Εκτιμήστε πόσος χρόνος απαιτείται για να συγκροτηθεί – δημιουργηθεί ένας ιός ό οποίος έχει μολύνει ένα βακτήριο.

[Απ: Πρέπει να είναι μεγαλύτερος από το χρόνο που απαιτείται για τη σύνθεση μιας τυπικής πρωτεΐνης, και μικρότερος από το χρόνο διπλασιασμού ενός βακτηρίου δηλαδή μεταξύ 10 second και 20-30 mimutes].

5. Τα φωτόνια της υπεριώδους ακτινοβολίας έχουν ενέργεια περίπου 100 Kcal/mole και είναι γνωστό ότι είναι επιβλαβής για τους ιστούς. Εξηγήστε το γιατί;

[Απ: Η ενέργεια αυτή είναι στο επίπεδο ισχύος των ομοιοπολικών δεσμών (≈ 80 Kcal/mole) άρα μπορεί να διασπάσει τους δεσμούς των βιολογικών μακρομορίων].

6. Μετατρέψτε σε Joules τη χρήσιμη (ελεύθερη) ενέργεια των 12 Kcal/mole που αποδίδεται από 1 mole ATP σε τυπικές κυτταρικές συνθήκες με βάση την αντίδραση ATP + H₂O ⇔ ADP + Pi

[Απ: 50,16 KJ/mole].

7. Η τροπομυοσύνη, μια πρωτεΐνη των μυών, έχει μάζα 70 kd και διαμόρφωση δύο α-ελίκων, υπερελικωμένων μεταξύ τους. Ποιο είναι το μήκος του μορίου;

Δίδονται 110 da/αμινοξύ και 1,5 A⁰ /αμινοξύ.

[Απ: 477 A⁰ (317 κατάλοιπα/αλυσίδα x 1,5 A⁰/κατάλοιπο).

8. Η πολυ-L-λευκίνη (poly-L-Leu) είναι α-έλικα σε οργανικό διαλύτη όπως το διοξάνιο, ενώ η πολυ-L-ισολευκίνη (poly-L-Ile) δεν είναι. Γιατί αυτά τα δύο μόρια έχουν διαφορετικές τάσεις δημιουργίας έλικας ενώ έχουν τον ίδιο αριθμό και είδη ατόμων;

[Απ: Η μεθυλομάδα που συνδέεται στον β-άνθρακα της Ile παρεμποδίζει το σχηματισμό της δομής της α-έλικας. Στη Leu αυτή η μεθυλομάδα συνδέεται στον γ-άνθρακα που είναι πιο μακρυά από την κύρια αλυσίδα και συνεπώς δεν παρεμποδίζει τον σχηματισμό της α-έλικας].

9. Ο όγκος ενός ερυθρού αιμοσφαιρίου (RBC) είναι περίπου 1,15 x 10^-10 cm³ ή 1,15 x 10^-16 m³ (Ασκ 2). Ένα μόριο αιμοσφαιρίνης έχει διάμετρο 65 Α⁰.

(α) Αν ένα RBC ήταν γεμάτο με μόρια αιμοσφαιρίνης πόσα μόρια θα χωρούσε το κύτταρο αυτό;

[Απ: 8 x 10⁸ μόρια/RBC]

(β)  και η σχετική μοριακή μάζα της αιμοσφαιρίνης M_r = 65000, εκτιμήστε τη μάζα ενός RBC, που είναι πλήρες με μόρια αιμοσφαιρίνης.

[Απ: 8 x 10^-11 g]

(γ) Αν δίδεται ότι η μέση μάζα ενός RBC είναι 1,5 x 10^-10 g,  Υπολογίστε τον αριθμό μορίων της αιμοσφαιρίνης σε ένα RBC, υποθέτοντας ότι το 80 % της μάζας του κυττάρου οφείλεται στην αιμοσφαιρίνη.

[Απ: 1,1 x 10⁹ μόρια].