Δομή του DNA

Το DNA είναι ίσως το πιο διάσημο μόριο στην ιστορία της επιστήμης 🧬. Είναι το μόριο μέσα στο οποίο είναι γραμμένη και αποθηκευμένη όλη η πληροφορία που αφορά τη δομή και τη λειτουργία τόσο του κάθε κυττάρου όσο και ολόκληρου του οργανισμού. Σε αυτό το μάθημα θα δούμε πώς οι επιστήμονες έφτασαν να ανακαλύψουν τη δομή του, από τι «υλικά» είναι φτιαγμένο και — το σημαντικότερο — πώς ένα χημικό μόριο μπορεί να κουβαλάει πληροφορία.

Τι είναι το DNA;

Η πλήρης ονομασία του DNA είναι δεσοξυριβοζο-νουκλεϊνικό οξύ. Είναι ένα από τα δύο είδη νουκλεϊνικών οξέων του κυττάρου και αποτελεί το γενετικό υλικό.

Η ίδια η συντομογραφία μάς λέει από τι είναι φτιαγμένο:

• Το D (desoxyribo / δεσοξυριβόζο) προέρχεται από το αρχικό γράμμα δ της λέξης δεσοξυριβόζη — του σακχάρου που περιέχει.
• Το NA από τα αρχικά των λέξεων nucleic acid, δηλαδή νουκλεϊνικό οξύ.

Η ιστορία της έρευνας για την ανακάλυψη της δομής του DNA 🕰️

Η ανακάλυψη ότι το DNA είναι ο φορέας της γενετικής πληροφορίας δεν έγινε σε μια μέρα ούτε από έναν άνθρωπο. Ήταν το αποτέλεσμα πολύχρονων και κοπιωδών επιστημονικών ερευνών, που κράτησαν σχεδόν έναν αιώνα. Οι σημαντικότεροι σταθμοί είναι οι εξής:

Ο δομικός λίθος: το νουκλεοτίδιο 🧱

Το DNA είναι ένα τεράστιο μόριο, αλλά είναι φτιαγμένο από απλούστερες, επαναλαμβανόμενες μονάδες (υπομονάδες) που ονομάζονται νουκλεοτίδια. Σκέψου το σαν ένα τείχος: το τείχος είναι τεράστιο, αλλά τα τούβλα από τα οποία είναι φτιαγμένο είναι λίγων μόνο ειδών και επαναλαμβάνονται ξανά και ξανά.

Κάθε νουκλεοτίδιο αποτελείται από τρία συστατικά μέρη:

1. 🍬 Ένα σάκχαρο — τη δεσοξυριβόζη. Είναι ένα σάκχαρο με σχήμα πεντάγωνου (πέντε άτομα άνθρακα). Οι άνθρακές του αριθμούνται και δύο από αυτούς είναι πολύ σημαντικοί: ο άνθρακας 5΄ (πέντε τόνος) και ο άνθρακας 3΄ (τρία τόνος).
2. 🔗 Ένα φωσφορικό οξύ — μια ομάδα που περιέχει ένα άτομο φωσφόρου (P) με άτομα οξυγόνου γύρω του. Συνδέεται στον άνθρακα 5΄ του σακχάρου.
3. 🔤 Μία αζωτούχα βάση — συνδέεται κι αυτή στο σάκχαρο και είναι το μοναδικό μέρος που αλλάζει.

Οι τέσσερις αζωτούχες βάσεις

Στο DNA υπάρχουν μόνο τέσσερα είδη αζωτούχων βάσεων:

Το μοντέλο των Γουάτσον και Κρικ: η διπλή έλικα 🌀

Σύμφωνα με το μοντέλο που πρότειναν οι Γουάτσον και Κρικ, το μόριο του DNA αποτελείται από:

δύο αντιπαράλληλες αλυσίδες, που στρέφονται η μία γύρω από την άλλη σχηματίζοντας μια διπλή έλικα.

Ας αναλύσουμε λέξη προς λέξη:

• Δύο αλυσίδες: κάθε αλυσίδα είναι φτιαγμένη από ενωμένα, επαναλαμβανόμενα νουκλεοτίδια, το ένα μετά το άλλο. Το φωσφορικό οξύ του ενός νουκλεοτιδίου συνδέεται με το σάκχαρο του επόμενου, δημιουργώντας έναν συνεχή «σκελετό» από σάκχαρο–φωσφορικό–σάκχαρο–φωσφορικό…. Οι αζωτούχες βάσεις κρέμονται από αυτόν τον σκελετό και «κοιτούν» προς το εσωτερικό.
• Αντιπαράλληλες: οι δύο αλυσίδες έχουν αντίθετη φορά. Κάθε αλυσίδα έχει ένα άκρο 5΄ και ένα άκρο 3΄. Στη διπλή έλικα, εκεί όπου η μία αλυσίδα έχει το άκρο 5΄, η απέναντι έχει το άκρο 3΄, και αντίστροφα. Φαντάσου δύο ανθρώπους ξαπλωμένους ο ένας δίπλα στον άλλο, αλλά ο ένας με το κεφάλι εκεί που ο άλλος έχει τα πόδια! 🔄
• Διπλή έλικα: οι δύο αλυσίδες τυλίγονται σπειροειδώς η μία γύρω από την άλλη, σαν μια στριφτή σκάλα ή σαν ένα σχοινί με δύο κλωστές. Είναι δεξιόστροφη έλικα.

Μια χρήσιμη διάσταση: η απόσταση ανάμεσα σε δύο διαδοχικά ζεύγη βάσεων κατά μήκος της έλικας είναι $0{,}34\ \text{nm}$ (νανόμετρα) — ένα εξαιρετικά μικρό μέγεθος, που δείχνει πόσο συμπαγές είναι το μόριο.

Η εικόνα της «σκάλας» 🪜

Ο πιο εύκολος τρόπος να φανταστείς το DNA:

Ο κανόνας της συμπληρωματικότητας 🔑

Οι δύο αλυσίδες συγκρατούνται μεταξύ τους με χημικούς δεσμούς υδρογόνου, που σχηματίζονται ανάμεσα στις απέναντι αζωτούχες βάσεις.

Το ζευγάρωμα όμως δεν είναι τυχαίο. Στο μόριο του DNA:

• Η Αδενίνη (A) ζευγαρώνει πάντα με τη Θυμίνη (T) (και αντίστροφα, η T πάντα με την A).
• Η Γουανίνη (G) ζευγαρώνει πάντα με την Κυτοσίνη (C) (και αντίστροφα, η C πάντα με την G).

Γι' αυτόν τον λόγο:

• Οι αζωτούχες βάσεις μεταξύ των οποίων σχηματίζονται δεσμοί υδρογόνου ονομάζονται συμπληρωματικές.
• Το ίδιο και οι δύο αλυσίδες του DNA ονομάζονται συμπληρωματικές μεταξύ τους.
• Η ιδιότητα αυτή των αζωτούχων βάσεων να ζευγαρώνουν μεταξύ τους με συγκεκριμένο τρόπο ονομάζεται κανόνας της συμπληρωματικότητας.

Η μεγάλη συνέπεια: η μία αλυσίδα «γράφει» την άλλη

Ο κανόνας της συμπληρωματικότητας έχει μια εντυπωσιακή συνέπεια:

Η συγκεκριμένη σειρά (αλληλουχία) των αζωτούχων βάσεων στη μία αλυσίδα του DNA καθορίζει τη σειρά των αζωτούχων βάσεων στη συμπληρωματική της.

Αν δηλαδή γνωρίζεις τη μία αλυσίδα, μπορείς να «γράψεις» με βεβαιότητα την άλλη. Για παράδειγμα, αν η μία αλυσίδα είναι:

τότε η συμπληρωματική της είναι υποχρεωτικά (με αντιπαράλληλη φορά):

Πώς «γράφεται» η γενετική πληροφορία; ✍️

Εδώ βρίσκεται η μεγαλύτερη ιδέα του μαθήματος. Ας τη χτίσουμε με μια αναλογία:

• Η πληροφορία που δίνει ένα βιβλίο δημιουργείται βάζοντας σε συγκεκριμένη σειρά τα εικοσιτέσσερα διαφορετικά στοιχεία (γράμματα) του ελληνικού αλφαβήτου. Τα ίδια γράμματα δίνουν άλλο νόημα με άλλη σειρά: «ΡΟΔΟ», «ΔΟΡΟ», «ΟΡΔΟ»…
• Κατά παρόμοιο τρόπο, η πληροφορία στον ηλεκτρονικό υπολογιστή δημιουργείται βάζοντας σε συγκεκριμένη σειρά μόλις δύο διαφορετικά στοιχεία (το $0$ και το $1$)! 💻

Με τον ίδιο ακριβώς τρόπο:

Η γενετική πληροφορία σε μια αλυσίδα του DNA δημιουργείται βάζοντας σε συγκεκριμένη σειρά (αλληλουχία) τα τέσσερα διαφορετικά στοιχεία — τα νουκλεοτίδια με τις βάσεις A, G, C, T.

Δηλαδή, η αλληλουχία των νουκλεοτιδίων (και επομένως των αζωτούχων βάσεων) στην αλυσίδα του DNA αποτελεί την απαραίτητη γενετική πληροφορία, βάσει της οποίας θα αναπτυχθεί και θα λειτουργήσει κάθε κύτταρο και, επομένως, κάθε ζωντανός οργανισμός. 🌍

Από τη δομή στη λειτουργία: η υπόθεση της αντιγραφής 🔬

Η υπόθεση για τη συμπληρωματικότητα των βάσεων ώθησε τους Γουάτσον και Κρικ να γράψουν στην εργασία τους για τη δομή του γενετικού υλικού των κυττάρων μια από τις πιο διάσημες προτάσεις της Βιολογίας:

«… είναι φανερό ότι το ειδικό ζευγάρωμα που έχουμε υποθέσει ότι δημιουργείται μεταξύ των βάσεων του DNA προτείνει έναν απλό μηχανισμό αντιγραφής του γενετικού υλικού …»

Συγκεκριμένα, οι Γουάτσον και Κρικ υπέθεσαν ότι:

1. Οι δύο μητρικές αλυσίδες του DNA χωρίζουν η μία από την άλλη 🪓.
2. Κάθε μία από αυτές χρησιμεύει σαν καλούπι (μήτρα) για τη δημιουργία μιας συμπληρωματικής αλυσίδας.
3. Κάθε συμπληρωματική αλυσίδα φτιάχνεται με ένωση ελεύθερων νουκλεοτιδίων που επιλέγονται με βάση τον κανόνα της συμπληρωματικότητας των βάσεων (απέναντι από κάθε A μπαίνει T, απέναντι από κάθε G μπαίνει C κ.ο.κ.).

Η διαδικασία αυτή ονομάζεται αντιγραφή ή αυτοδιπλασιασμός του DNA και συμβαίνει πριν το κύτταρο διαιρεθεί.

Σύνοψη 📌

• Το DNA (δεσοξυριβοζο-νουκλεϊνικό οξύ) είναι ένα από τα δύο νουκλεϊνικά οξέα και αποτελεί το γενετικό υλικό.
• Δομικός λίθος του είναι το νουκλεοτίδιο = δεσοξυριβόζη + φωσφορικό οξύ + αζωτούχα βάση (A, G, C ή T).
• Τα νουκλεοτίδια διαφέρουν μεταξύ τους μόνο ως προς την αζωτούχα βάση.
• Το μόριο αποτελείται από δύο αντιπαράλληλες, συμπληρωματικές αλυσίδες σε δεξιόστροφη διπλή έλικα, με απόσταση $0{,}34\ \text{nm}$ μεταξύ διαδοχικών ζευγών βάσεων.
• Οι αλυσίδες συγκρατούνται με δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των απέναντι βάσεων, σύμφωνα με τον κανόνα της συμπληρωματικότητας: $A-T$ και $G-C$, εξ ου και $A = T$, $G = C$.
• Η αλληλουχία των βάσεων στη μια αλυσίδα καθορίζει εκείνη της συμπληρωματικής της, και αποτελεί τη γενετική πληροφορία.
• Η δομή αυτή προτείνει άμεσα τον μηχανισμό της αντιγραφής (αυτοδιπλασιασμού) του DNA, που γίνεται πριν από τη διαίρεση του κυττάρου.