Η ροή της γενετικής πληροφορίας 🧬

Η δομή των νουκλεϊκών οξέων – Αποθήκευση της γενετικής πληροφορίας

Τα νουκλεϊκά οξέα δομούνται από απλούστερες, επαναλαμβανόμενες μονάδες, τα νουκλεοτίδια. Τα νουκλεοτίδια που δομούν το DNA ονομάζονται δεοξυριβονουκλεοτίδια και ενώνονται μεταξύ τους με ισχυρούς χημικούς δεσμούς, σχηματίζοντας μία αλυσίδα. Η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων στην αλυσίδα του DNA είναι αυτή που καθορίζει τη γενετική πληροφορία.

Δύο πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες ενώνονται μεταξύ τους με ασθενείς χημικούς δεσμούς που σχηματίζονται ανάμεσα στις αζωτούχες βάσεις τους. Η ένωση αυτή δεν είναι τυχαία: όπου υπάρχει αδενίνη (Α) στη μία αλυσίδα, ενώνεται με θυμίνη (Τ) που υπάρχει στην απέναντι αλυσίδα, και όπου υπάρχει γουανίνη (G), ενώνεται με κυτοσίνη (C). Αυτό συμβαίνει επειδή η αδενίνη είναι συμπληρωματική της θυμίνης και η γουανίνη συμπληρωματική της κυτοσίνης. Έτσι προκύπτει ένα δίκλωνο μόριο, το οποίο περιελίσσεται στον χώρο, σχηματίζοντας τελικά μία διπλή έλικα, το DNA.

Τα νουκλεοτίδια που δομούν το RNA ονομάζονται ριβονουκλεοτίδια. Οι βάσεις των ριβονουκλεοτιδίων είναι η αδενίνη, η ουρακίλη (U) —αντί της θυμίνης—, η γουανίνη και η κυτοσίνη, με την ουρακίλη συμπληρωματική της αδενίνης. Τα ριβονουκλεοτίδια ενώνονται μεταξύ τους με χημικούς δεσμούς και σχηματίζουν αλυσίδες. Το RNA είναι μονόκλωνο, δεν σχηματίζει δηλαδή διπλή έλικα.

Υπάρχουν διαφορετικά είδη RNA, καθένα με τον δικό του ρόλο στην κυτταρική λειτουργία:

Η αντιγραφή του DNA – Διατήρηση και μεταβίβαση της γενετικής πληροφορίας

Το DNA κάθε κυττάρου περιέχει γενετικές πληροφορίες απαραίτητες για τη δομή και τη λειτουργία του. Κατά τη διαίρεση ενός κυττάρου προκύπτουν θυγατρικά κύτταρα στα οποία περιέχονται οι ίδιες γενετικές πληροφορίες. Αυτό επιτυγχάνεται χάρη στην ικανότητα του DNA να διπλασιάζεται με μια διαδικασία που ονομάζεται αντιγραφή. Η αντιγραφή προηγείται της κυτταρικής διαίρεσης, ώστε κάθε νέο κύτταρο να περιέχει ένα αντίγραφο του DNA του αρχικού κυττάρου.

Η διαδικασία εξελίσσεται σε βήματα:

1. Η διπλή έλικα ανοίγει σε συγκεκριμένες θέσεις, καθώς σπάνε οι δεσμοί που συγκρατούν τις συμπληρωματικές αζωτούχες βάσεις.
2. Οι βάσεις κάθε αλυσίδας μένουν αζευγάρωτες. Αυτό επιτρέπει τον σχηματισμό δεσμών με συμπληρωματικές βάσεις άλλων ελεύθερων δεοξυριβονουκλεοτιδίων.
3. Τα ελεύθερα νουκλεοτίδια ενώνονται αφενός με τις αζευγάρωτες βάσεις της παλιάς αλυσίδας και αφετέρου μεταξύ τους, σχηματίζοντας μία νέα συμπληρωματική αλυσίδα.

Το αποτέλεσμα της αντιγραφής είναι ο σχηματισμός δύο δίκλωνων μορίων DNA, καθένα από τα οποία αποτελείται από μία παλιά και μία νέα αλυσίδα. Αυτά τα μόρια —εφόσον δεν έχει συμβεί κάποιο «λάθος» στη συμπληρωματικότητα των βάσεων— είναι πανομοιότυπα τόσο μεταξύ τους όσο και με το αρχικό μόριο, δηλαδή έχουν την ίδια αλληλουχία νουκλεοτιδίων και συνεπώς τις ίδιες γενετικές πληροφορίες.

Μεταγραφή, μετάφραση – Έκφραση της γενετικής πληροφορίας

Η σειρά των αμινοξέων στις πρωτεΐνες καθορίζεται από τις γενετικές πληροφορίες που περιέχονται σε συγκεκριμένα τμήματα του DNA, τα γονίδια. Η σύνθεση των πρωτεϊνών γίνεται στα ριβοσώματα του κυττάρου. Δεν είναι όμως δυνατόν να μεταφέρεται ολόκληρο το DNA στα ριβοσώματα κάθε φορά που το κύτταρο συνθέτει μία συγκεκριμένη πρωτεΐνη. Η γενετική πληροφορία μεταφέρεται από το DNA στα ριβοσώματα μέσω του mRNA: κάθε φορά που απαιτείται η σύνθεση μιας πρωτεΐνης, το τμήμα του DNA που φέρει την πληροφορία για τη σύνθεσή της αρχικά μεταγράφεται σε mRNA.

Το mRNA που συντίθεται πρέπει να περιέχει τη γενετική πληροφορία για τη σειρά των αμινοξέων της συγκεκριμένης πρωτεΐνης. Για να γίνει αυτό, το συγκεκριμένο τμήμα του DNA ξετυλίγεται και η μία αλυσίδα απομακρύνεται από την άλλη. Απέναντι από τις αζευγάρωτες πλέον αζωτούχες βάσεις των δεοξυριβονουκλεοτιδίων της μιας αλυσίδας τοποθετούνται, κατά συγκεκριμένη φορά, ελεύθερα ριβονουκλεοτίδια με τις συμπληρωματικές αζωτούχες βάσεις. Έτσι, απέναντι από την αδενίνη, τη θυμίνη, τη γουανίνη και την κυτοσίνη του DNA τοποθετούνται αντίστοιχα ριβονουκλεοτίδια με ουρακίλη, αδενίνη, κυτοσίνη και γουανίνη. Στη συνέχεια, τα ριβονουκλεοτίδια ενώνονται μεταξύ τους, σχηματίζοντας ένα μόριο mRNA στο οποίο έχει πλέον καταγραφεί η γενετική πληροφορία ως αλληλουχία ριβονουκλεοτιδίων. Το μόριο αυτό απομακρύνεται και οι συμπληρωματικές αζωτούχες βάσεις των δύο αλυσίδων του DNA ενώνονται και πάλι.

Με τη μεταγραφή δεν παράγεται μόνο mRNA: διάφορα τμήματα του DNA μεταγράφονται με τον ίδιο τρόπο για να συντεθούν και τα άλλα μόρια RNA, το tRNA και το rRNA. Κάθε τμήμα του μορίου DNA που έχει τη δυνατότητα να μεταγραφεί ονομάζεται γονίδιο. Τα περισσότερα γονίδια περιέχουν την πληροφορία για τη σύνθεση μιας πρωτεΐνης.

Το mRNA που προκύπτει από τη μεταγραφή προσδένεται σε ένα ριβόσωμα, για να ξεκινήσει η διαδικασία της μετάφρασης (πρωτεϊνοσύνθεση), από την οποία θα προκύψει τελικά η πρωτεΐνη.

Στην πρωτεϊνοσύνθεση είναι απαραίτητη η συμμετοχή και των τριών ειδών RNA:

• Το ένα άκρο του mRNA συνδέεται με ένα μόριο rRNA του ριβοσώματος, χάρη στη συμπληρωματικότητα των αζωτούχων βάσεων.
• Κατάλληλα μόρια tRNA, τα οποία εμφανίζουν επίσης συμπληρωματικότητα με το mRNA, μεταφέρουν διαδοχικά στο ριβόσωμα συγκεκριμένα αμινοξέα.
• Κάθε αμινοξύ συνδέεται με χημικό δεσμό με το επόμενο, και έτσι σχηματίζεται η συγκεκριμένη πρωτεΐνη.

Όπως και η αντιγραφή, έτσι και η μεταγραφή και η μετάφραση γίνονται με τη βοήθεια ειδικών ενζύμων.

Το Κεντρικό Δόγμα της βιολογίας 🧬

Οι διαδικασίες της αντιγραφής, της μεταγραφής και της μετάφρασης συνοψίζονται στο Κεντρικό Δόγμα της βιολογίας, που περιγράφει τη ροή της γενετικής πληροφορίας μέσα στο κύτταρο:

DNA → RNA → Πρωτεΐνη

Η γενετική πληροφορία αποθηκεύεται στο DNA, μεταγράφεται σε RNA και μεταφράζεται σε πρωτεΐνη. Αυτή η κατεύθυνση ροής είναι η βάση για την έκφραση κάθε γονιδίου: οι οδηγίες που είναι κωδικοποιημένες στο DNA μετατρέπονται τελικά σε πρωτεΐνες, οι οποίες δομούν και λειτουργούν το κύτταρο και τον οργανισμό.