Δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA)

Βασικές έννοιες

Σε αυτό το σεμινάριο, θα μάθετε τα πάντα για το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) . Ξεκινάμε με μια εισαγωγή στο DNA και μια ανάλυση της δομής του. Στη συνέχεια, συζητάμε τον ρόλο που παίζει το DNA στη σύνθεση πρωτεϊνών και εξετάζουμε τις διαφορές μεταξύ DNA και RNA. Τέλος, κοινοποιούνται μερικά άλλα ενδιαφέροντα στοιχεία για το DNA!

Θέματα που καλύπτονται σε άλλα άρθρα

• Το ταυτομερές DNA:B-DNA, A-DNA και Z-DNA
• Πρωτεΐνες και αμινοξέα
• Δομή και σταθερότητα πρωτεΐνης
• Ένζυμα – Λειτουργία και τύποι
• Καταλύτες και ενέργεια ενεργοποίησης

Εισαγωγή στο DNA

Το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) είναι ένα μόριο που περιέχει το γενετικό υλικό (δηλαδή βιολογικές οδηγίες) που χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη, την ανάπτυξη, την αναπαραγωγή και τη λειτουργία όλων των ζωντανών όντων.

Το πλήρες σύνολο του DNA σε έναν οργανισμό είναι γνωστό ως γονιδίωμα. Το ανθρώπινο γονιδίωμα αποτελείται από 23 ζεύγη χρωμοσωμάτων (δηλαδή δομές που μοιάζουν με νήματα που αποτελούνται από DNA). Κάθε χρωμόσωμα περιέχει εκατοντάδες ή χιλιάδες γονίδια, τα οποία είναι οι βασικές μονάδες κληρονομικότητας. Τα γονίδια μεταβιβάζονται από τον γονέα στους απογόνους και μπορούν να βοηθήσουν στον προσδιορισμό ορισμένων ιδιοτήτων ή χαρακτηριστικών ενός ατόμου.

Δομή DNA

Το DNA έχει δομή διπλής έλικας, που σημαίνει ότι αποτελείται από δύο συνδεδεμένους κλώνους που συνδέονται μεταξύ τους. Η διπλή έλικα του DNA (φαίνεται παρακάτω) μοιάζει με το σχήμα μιας σπειροειδούς σκάλας ή μιας περιστρεφόμενης σκάλας.

Οι κλώνοι του DNA αποτελούνται από χημικά δομικά στοιχεία γνωστά ως νουκλεοτίδια. Κάθε νουκλεοτίδιο περιέχει μια φωσφορική ομάδα, ένα μόριο σακχάρου με πέντε άνθρακα και μια αζωτούχα βάση. Τα νουκλεοτίδια ενώνονται μεταξύ τους με φωσφοδιεστερικούς δεσμούς (που φαίνονται παρακάτω) για να σχηματίσουν τη ραχοκοκαλιά σακχάρου-φωσφορικού άλατος του DNA.

Οι δεσμοί υδρογόνου μεταξύ συμπληρωματικών ζευγών βάσεων συνδέουν τους δύο κλώνους της διπλής έλικας του DNA. Με άλλα λόγια, καθεμία από τις τέσσερις διαφορετικές αζωτούχες βάσεις σε ένα μόριο DNA (αδενίνη, θυμίνη, γουανίνη και κυτοσίνη) συνδέεται με μια άλλη για να σχηματίσει τον διπλό κλώνο. Στο ζεύγος βάσεων Watson και Crick, η θυμίνη πάντα ζευγαρώνει με την αδενίνη, ενώ η κυτοσίνη πάντα με τη γουανίνη.

Κάθε κλώνος του DNA έχει δύο διαφορετικά άκρα:το 5' (πέντε πρώτο) άκρο και το 3' (τρεις πρώτοι) άκρο. Αυτές οι ονομασίες αναφέρονται στον αριθμό του άνθρακα στο μόριο του σακχάρου που έχει είτε μια ελεύθερη φωσφορική ομάδα (άνθρακας 5') είτε μια ελεύθερη ομάδα υδροξυλίου (άνθρακας 3). Οι δύο κλώνοι του DNA σε μια διπλή έλικα είναι αντιπαράλληλες (δηλαδή κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις). το 5′ άκρο του ενός κλώνου ευθυγραμμίζεται με το άκρο 3′ του άλλου κλώνου.

Πώς λειτουργεί το DNA;

Το DNA αποθηκεύει τις οδηγίες που χρησιμοποιούνται για τη σύνθεση πολύπλοκων μορίων γνωστών ως πρωτεϊνών. Οι πρωτεΐνες αποτελούνται από μακριές αλυσίδες αμινοξέων, που συνδέονται μεταξύ τους με πεπτιδικούς δεσμούς. Εκτελούν ένα ευρύ φάσμα λειτουργιών στο κύτταρο (όπως καταλύουν χημικές αντιδράσεις, παρέχουν δομική υποστήριξη και χρησιμεύουν ως χημικοί αγγελιοφόροι).

Η διαδικασία με την οποία χρησιμοποιείται το DNA για την παραγωγή πρωτεϊνών πραγματοποιείται μέσω δύο βασικών βημάτων:μεταγραφής και μετάφρασης.

• Μεταγραφή: Ένα τμήμα του DNA αντιγράφεται σε ένα νέο μόριο ριβονουκλεϊκού οξέος (RNA) κατά τη διάρκεια της μεταγραφής. Αυτή η διαδικασία πραγματοποιείται από ένα ένζυμο γνωστό ως RNA πολυμεράση, το οποίο συνθέτει αγγελιοφόρο RNA (mRNA) ή μη κωδικοποιητικά RNA (όπως RNA μεταφοράς ή ριβοσωμικό RNA) χρησιμοποιώντας το DNA ως πρότυπο.
• Μετάφραση: Ένα μόριο mRNA (που συντίθεται κατά τη μεταγραφή) μεταφέρει πληροφορίες σε ένα ριβόσωμα, που βρίσκεται στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου, κατά τη μετάφραση. Το ριβόσωμα αποκωδικοποιεί την αλληλουχία mRNA σε μια μακριά αλυσίδα αμινοξέων, σχηματίζοντας μια πρωτεΐνη.

DNA έναντι RNA

Οι δύο κύριοι τύποι νουκλεϊκών οξέων είναι το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) και το ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA). Παρακάτω παρατίθενται μερικές από τις βασικές διαφορές μεταξύ DNA και RNA.

• Ζάχαρη: Το DNA περιέχει το σάκχαρο δεοξυριβόζη, ενώ το RNA περιέχει το σάκχαρο ριβόζη. Η δεοξυριβόζη και η ριβόζη είναι και τα δύο μόρια σακχάρου με πέντε άνθρακα (πεντόζη). Ωστόσο, η ριβόζη περιέχει μια επιπλέον ομάδα υδροξυλίου στον άνθρακα 2'.
• Σύνθεση βάσης: Τόσο το DNA όσο και το RNA περιέχουν τις ακόλουθες αζωτούχες βάσεις:αδενίνη, γουανίνη και κυτοσίνη. Ωστόσο, το DNA χρησιμοποιεί τη βάση θυμίνη, ενώ το RNA χρησιμοποιεί τη βάση ουρακίλη. Η αδενίνη ζευγαρώνει με τη θυμίνη στο DNA και την ουρακίλη στο RNA.
• Αριθμός κλώνων: Το DNA είναι πιο συχνά δίκλωνο, ενώ το RNA είναι γενικά μονόκλωνο.
• Τοποθεσία: Η πλειοψηφία του DNA βρίσκεται στον πυρήνα των ευκαρυωτικών κυττάρων ή στο νουκλεοειδές των προκαρυωτικών κυττάρων. Ωστόσο, μικρή ποσότητα DNA περιέχεται επίσης στα μιτοχόνδρια και τους χλωροπλάστες. Το RNA βρίσκεται κυρίως στο κυτταρόπλασμα τόσο των ευκαρυωτικών όσο και των προκαρυωτικών κυττάρων.
• Μήκος: Το DNA είναι πολύ μακρύτερο μόριο από το RNA. Ένα ανθρώπινο χρωμόσωμα (που περιέχει ένα μόνο μόριο DNA) κυμαίνεται από περίπου 50 εκατομμύρια έως 250 εκατομμύρια ζεύγη βάσεων. Από την άλλη πλευρά, τα μόρια RNA έχουν γενικά μήκος μόνο μερικές χιλιάδες ζεύγη βάσεων (το πολύ).

Ενδιαφέροντα στοιχεία για το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA)

• Ένας Ελβετός βιοχημικός ονόματι Johannes Friedrich Miescher ανακάλυψε το δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ (DNA) το 1869 ενώ διεξήγαγε έρευνα με λευκά αιμοσφαίρια.
• Ο James Watson και ο Francis Crick ανακάλυψαν τη δομή της διπλής έλικας του DNA το 1953 (με τη βοήθεια βασικών συνεισφορών άλλων ερευνητών όπως η Rosalind Franklin και ο Maurice Wilkins).
• Όλοι οι άνθρωποι είναι περίπου 99,9% πανομοιότυποι στη γενετική τους σύνθεση. Το 0,1% της περιεκτικότητας σε DNA που διαφέρει μεταξύ των ατόμων μπορεί να καθορίσει ορισμένα χαρακτηριστικά (χρώμα ματιών, ομάδα αίματος κ.λπ.) ή να επηρεάσει την πιθανότητα κάποιου να αναπτύξει μια συγκεκριμένη ασθένεια.
• Σχεδόν όλα τα κύτταρα στο σώμα ενός ατόμου περιέχουν DNA. Μια σημαντική εξαίρεση είναι τα ερυθρά αιμοσφαίρια, τα οποία χάνουν τον πυρήνα (και το DNA) τους καθώς ωριμάζουν.
• Μόνο το 1-2% του ανθρώπινου γονιδιώματος κωδικοποιεί πρωτεΐνες. Το άλλο 98-99% είναι μη κωδικοποιητικές αλληλουχίες DNA, οι οποίες εξυπηρετούν έναν αριθμό διαφορετικών λειτουργιών (π.χ. ρύθμιση της έκφρασης γονιδίων και παροχή οδηγιών για το σχηματισμό μη κωδικοποιητικών RNA).
• Πριν από την κυτταρική διαίρεση, ένα δίκλωνο μόριο DNA δημιουργεί ένα αντίγραφο του εαυτού του, παράγοντας δύο πανομοιότυπα μόρια DNA μέσω μιας διαδικασίας γνωστής ως αντιγραφής DNA. Αυτή η διαδικασία είναι ημισυντηρητική επειδή και τα δύο μόρια DNA που σχηματίζονται περιέχουν έναν αρχικό κλώνο και έναν νεοσυντιθέμενο κλώνο.
• Μεταλλάξεις (δηλαδή αλλαγές στην αλληλουχία DNA) μπορεί να προκύψουν λόγω σφαλμάτων κατά την αντιγραφή του DNA ή ως αποτέλεσμα περιβαλλοντικών παραγόντων (όπως έκθεση σε ακτινοβολία ή ορισμένες χημικές ουσίες).
• Η επεξεργασία του γονιδιώματος είναι ένας συναρπαστικός (αλλά κάπως αμφιλεγόμενος) τομέας έρευνας στον οποίο οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τεχνολογία αιχμής για να προσθέσουν, να αφαιρέσουν ή να τροποποιήσουν DNA σε έναν ζωντανό οργανισμό. Τα εργαλεία γονιδιακής επεξεργασίας (όπως το CRISPR-Cas9) έχουν πολλές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της δυνατότητας πρόληψης και θεραπείας ενός ευρέος φάσματος γενετικών ασθενειών.

Περαιτέρω ανάγνωση

• Μοριακή κλωνοποίηση
• PCR:Αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης
• Δομή και ιδιότητες υδατανθράκων
• Γλυκόλυση:Let’s Break It Down!
• Τι είναι ένας νευροδιαβιβαστής; Τύποι και Λειτουργίες