Κεντρικό Δόγμα Βιολογίας

Βασικές έννοιες

Σε αυτό το άρθρο βιοχημείας, μαθαίνουμε για το Κεντρικό Δόγμα της Βιολογίας, συμπεριλαμβανομένων των διαφορετικών ορισμών του, των κυτταρικών διεργασιών που γενικά καλύπτουν το Δόγμα, καθώς και μερικές ειδικές περιπτώσεις.

Τι είναι το Κεντρικό Δόγμα της Βιολογίας;

Το Κεντρικό Δόγμα της Βιολογίας αναφέρει ότι οι οργανισμοί λειτουργούν με βάση τη ροή βιολογικών πληροφοριών από το DNA στο RNA και το RNA στις πρωτεΐνες.

Οι οργανισμοί είναι πολύπλοκοι. Για να κατασκευαστεί ένα ζωντανό πλάσμα, τα βιοχημικά συστατικά του πρέπει να συντεθούν και να χρησιμοποιηθούν σύμφωνα με πολύ συγκεκριμένες οδηγίες. Αυτές οι οδηγίες έρχονται με τη μορφή DNA. Ωστόσο, το DNA δεν μπορεί από μόνο του να εκτελέσει τις βιολογικές λειτουργίες ενός οργανισμού. Αντίθετα, οι πρωτεΐνες εκτελούν όλες αυτές τις λειτουργίες, σύμφωνα με τα βιοχημικά χαρακτηριστικά των δομών τους. Είναι σημαντικό ότι οι βιολογικές πληροφορίες του DNA προσδιορίζουν αυτές τις πρωτεϊνικές δομές. Το RNA χρησιμεύει ως ο αγγελιοφόρος που μεταφέρει τις γενετικές πληροφορίες του DNA στη δομή των πρωτεϊνών. Αυτή η ροή πληροφοριών, από το DNA στο RNA στην πρωτεΐνη, παρέχει μια κρίσιμη βάση από την οποία εξαρτάται σχεδόν όλη η κατανόησή μας για τη μοριακή βιολογία. Ως αποτέλεσμα, οι επιστήμονες το αποκαλούν Κεντρικό Δόγμα της Βιολογίας.

Είναι το Κεντρικό Δόγμα της Βιολογίας μονοκατευθυντικό;

Σε πολλά πλαίσια, το Κεντρικό Δόγμα περιγράφεται ως η «μονόδρομη» ροή βιολογικών πληροφοριών από το DNA στο RNA μέσω της μεταγραφής και το RNA στην πρωτεΐνη μέσω μετάφρασης. Ενώ αυτή η ερμηνεία καλύπτει τις πιο σημαντικές ροές βιολογικών πληροφοριών, πολλές μεταφορές πληροφοριών, όπως η αντιγραφή του DNA, παραλείπονται.

Μια πιο ακριβής εκδοχή του Κεντρικού Δόγματος μπορεί να βρεθεί στην αρχική του σημασία. Ο Francis Crick, ένας από τους συν-ανακαλύψτες της ελικοειδούς δομής του DNA, διατύπωσε για πρώτη φορά το Κεντρικό Δόγμα το 1957. Δήλωσε ότι οι πληροφορίες μεταφέρονται μόνο από νουκλεϊκό οξύ (DNA και RNA) σε νουκλεϊκό οξύ ή νουκλεϊκό οξύ σε πρωτεΐνη. Ωστόσο, οι πληροφορίες δεν ρέουν από πρωτεΐνη σε πρωτεΐνη ή πρωτεΐνη σε νουκλεϊκό οξύ.

Η έκδοση του Crick ενσωματώνει τις συμβατικές μεταφορές βιολογικών πληροφοριών, όπως η μεταγραφή, η μετάφραση και η αντιγραφή του DNA. Επιπλέον, περιλαμβάνει μερικές «ειδικές μεταφορές» που έχουν αποδειχθεί ότι υπάρχουν, αλλά αντιβαίνουν στη ροή «μονοκατευθυντικής», όπως η αντίστροφη μεταγραφή και η αντιγραφή RNA.

Κεντρικό Δόγμα Βήμα 1:DNA σε RNA

Για να καταλήξουμε σε ένα λειτουργικό βιολογικό σύστημα, οι πληροφορίες πρέπει πρώτα να μεταφερθούν από το DNA στο RNA. Τα κύτταρα το κάνουν αυτό μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται μεταγραφή. Για να λάβετε μια πιο εμπεριστατωμένη εξήγηση σχετικά με τη μεταγραφή, ανατρέξτε σε αυτό το άρθρο.

Οι πληροφορίες που καταγράφονται στο DNA που τελικά ενημερώνουν τη δομή της πρωτεΐνης έρχονται με τη μορφή γονιδίων. Αυτά τα γονίδια είναι αλληλουχίες νουκλεοτιδίων που έχουν μία από τις τέσσερις αζωτούχες βάσεις:αδενίνη, γουανίνη, κυτοσίνη και θυμίνη (AGCT). Αν και εξαιρετικά απλές, οι αλληλουχίες αυτών των τεσσάρων νουκλεοτιδίων παρέχουν όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για την κατασκευή μιας πρωτεΐνης.

Για να μπορέσει το DNA να κατευθύνει τη σύνθεση μιας πρωτεΐνης, η αλληλουχία πρέπει πρώτα να μεταγραφεί σε RNA. Χρησιμοποιώντας κανόνες ζευγοποίησης βάσεων Watson-Crick (A με T, G με C), το ένζυμο RNA Polymerase δημιουργεί έναν κλώνο RNA κατά μήκος μιας αλληλουχίας DNA. Ο προκύπτων κλώνος mRNA, ή «αγγελιοφόρος» RNA, έχει τη συμπληρωματική αλληλουχία του γονιδίου DNA. Έτσι, μέσω της μεταγραφής RNA, οι βιολογικές πληροφορίες του DNA μεταφέρονται στο RNA, το οποίο μπορεί στη συνέχεια να αφήσει τον πυρήνα να συνθέσει πρωτεΐνη.

Κεντρικό Δόγμα Βήμα 2:RNA σε πρωτεΐνη

Για να ολοκληρωθεί η χρήση βιολογικών πληροφοριών, το μεταγραφόμενο γονίδιο RNA πρέπει να μετατραπεί στη δομή μιας πρωτεΐνης. Αυτό συμβαίνει μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται μετάφραση. Για να λάβετε μια πιο εμπεριστατωμένη εξήγηση σχετικά με τη μετάφραση, ανατρέξτε σε αυτό το άρθρο.

Συγκεκριμένα, ο κλώνος mRNA που συντίθεται στον πυρήνα ενημερώνει την αλληλουχία αμινοξέων της πρωτεΐνης. Για να γίνει αυτό, ο κλώνος αλληλεπιδρά με ένα ριβόσωμα, το κυτταρικό οργανίδιο που είναι επιφορτισμένο με τη σύνθεση πρωτεϊνών. Χρησιμοποιώντας μόρια tRNA ως ενδιάμεσα, το ριβόσωμα «διαβάζει» ομάδες τριών βάσεων mRNA που ονομάζονται «κωδόνια» και κωδικοποιούν ένα από τα είκοσι κοινά αμινοξέα.

Έτσι, με βάση την αλληλουχία του mRNA, η οποία βασίζεται στην αλληλουχία DNA, τα ριβοσώματα συνδυάζουν μια αλληλουχία αμινοξέων. Αυτή η αλληλουχία παρέχει την πιο θεμελιώδη ή «πρωταρχική» δομή μιας πρωτεΐνης.

Μόλις συντεθεί, η αλληλουχία αμινοξέων διπλώνεται σε μια λειτουργική πρωτεΐνη στη συσκευή Golgi. Είναι σημαντικό ότι η σειρά των αμινοξέων καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο η πρωτεΐνη αναδιπλώνεται τελικά, καθώς ορισμένες ομάδες αμινοξέων αλληλεπιδρούν φυσικά μεταξύ τους. Στη συνέχεια, η διπλωμένη πρωτεΐνη αναλαμβάνει στη συνέχεια την απαραίτητη λειτουργία της στον οργανισμό.

Ειδικές περιπτώσεις του Κεντρικού Δόγματος

Εκτός από τη μεταγραφή και τη μετάφραση, που αποτελούν τη «μονόδρομη» εκδοχή του Κεντρικού Δόγματος, συμβαίνουν πολλές άλλες μεταφορές βιολογικών πληροφοριών. Ωστόσο, κάθε μία από αυτές τις «ειδικές περιπτώσεις» περιλαμβάνει μεταφορές μεταξύ νουκλεϊκών οξέων εκτός του DNA σε RNA.

DNA σε DNA:Αντιγραφή DNA

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η πιο κοινή μορφή μεταφοράς πληροφοριών που δεν περιλαμβάνεται στη «μονόδρομη» ερμηνεία είναι η αντιγραφή του DNA. Σε αυτή τη διαδικασία, οι πληροφορίες μιας διπλής έλικας DNA μεταφέρονται σε δύο ημι-συντηρημένες έλικες DNA. Ανατρέξτε σε αυτό το άρθρο για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με την αντιγραφή του DNA.

Όπως και με τη μεταγραφή, η αντιγραφή του DNA εξαρτάται από συμπληρωματικά ζεύγη βάσεων. Η διαδικασία απαιτεί πολλές διαφορετικές πρωτεΐνες, συμπεριλαμβανομένων πολυμερασών, λιγασών, πριμασών, γυρασών και τοποϊσομερασών. Ουσιαστικά, η διπλή έλικα του DNA διαχωρίζεται και δύο νέοι κλώνοι DNA συντίθενται μέσω του ζευγαρώματος βάσεων των μητρικών κλώνων. Αυτό τελικά οδηγεί σε δύο πλήρεις διπλές έλικες, από ένα πρωτότυπο.

RNA σε RNA:Αντιγραφή RNA

Λιγότερο κοινό και πολύ γνωστό από την αντιγραφή του DNA, η αντιγραφή RNA περιλαμβάνει επίσης τη μεταφορά πληροφοριών από έναν τύπο νουκλεϊκού οξέος σε έναν νέο κλώνο του ίδιου τύπου, αυτή τη φορά με RNA.

Όπως η αντιγραφή και η μεταγραφή του DNA, η αντιγραφή του RNA περιλαμβάνει επίσης συμπληρωματικό ζεύγος βάσεων για τη σύνθεση ενός νέου κλώνου. Η διαδικασία απαιτεί ένα ένζυμο που ονομάζεται RNA-εξαρτώμενη RNA πολυμεράση (RdRp).

Οι ευκαρυωτικοί οργανισμοί χρησιμοποιούν κυρίως RdRp για να συνθέσουν οδηγούς κλώνους RNA για παρεμβολή RNA. Αυτοί οι νέοι συμπληρωματικοί κλώνοι RNA στη συνέχεια συνδέονται με mRNA συγκεκριμένων αλληλουχιών, σχηματίζοντας δίκλωνο RNA (dsRNA). Η πρωτεΐνη Dicer στη συνέχεια συνδέεται με το dsRNA και διασπά τους κλώνους σε σύντομες, αμετάφραστες αλληλουχίες. Με την παρεμβολή RNA, οι ευκαρυώτες μπορούν να αλλάξουν την έκφραση ορισμένων γονιδίων αναστέλλοντας τη μετάφρασή τους σε πρωτεΐνες.

Η αντιγραφή RNA με RdRp λαμβάνει χώρα επίσης σε κύτταρα μολυσμένα με ρετροϊό. Το γονίδιο RdRp εμφανίζεται συχνά σε πλασμίδια RNA ρετροϊού. Αυτό εξυπηρετεί τον ιό επειδή η παραγωγή RdRp σε μολυσμένα κύτταρα επιτρέπει την αντιγραφή και την ενίσχυση του πλασμιδίου RNA χωρίς την ανάγκη για DNA.

RNA σε DNA:Αντίστροφη μεταγραφή

Σε πλήρη αντίθεση με το «μονόδρομο» μοντέλο του Κεντρικού Δόγματος, το RNA έχει δείξει αντίστροφη μεταγραφή σε DNA σε ορισμένες περιπτώσεις.

Για άλλη μια φορά, όπως με τη μεταγραφή και την αντιγραφή τόσο του RNA όσο και του DNA, η αντίστροφη μεταγραφή περιλαμβάνει συμπληρωματικό ζεύγος βάσεων. Αυτή η διαδικασία απαιτεί το ένζυμο Αντίστροφη Μεταγραφάση (RT). Όπως το RdRp, το γονίδιο RT εμφανίζεται συχνά στα πλασμίδια των ρετροϊών. Ωστόσο, αντί να παρακάμπτουν το DNA, οι ρετροϊοί χρησιμοποιούν RT για να κωδικοποιήσουν το γονιδίωμά τους στο DNA του ξενιστή τους.

Η αντίστροφη μεταγραφή εμφανίζεται επίσης σε μη μολυσμένα ευκαρυωτικά κύτταρα βλαστικής σειράς με τη μορφή σύνθεσης τελομερών. Στο τέλος ενός χρωμοσώματος, που ονομάζεται τελομερές, το ένζυμο τελομεράση επιμηκύνει έναν κλώνο του DNA. Η τελομεράση το κάνει αυτό χρησιμοποιώντας μια μικρή έλικα RNA ως εκμαγείο για τη σύνθεση ενός επαναλαμβανόμενου κλώνου συμπληρωματικού DNA που συνδέεται με το τελομερές. Αυτή η επιμήκυνση αποτρέπει τη βράχυνση των χρωμοσωμάτων DNA κατά την αντιγραφή του DNA.