Ένας φάγος με δίκλωνο DNA μολύνει ένα βακτήριο. Το βακτήριο αυτό βρίσκεται σε θρεπτικό υλικό κυτταροκαλλιέργειας. Προκειμένου ο φάγος να δημιουργήσει τους απογόνους του, ξεκινάει την αντιγραφή του DNA του, αμέσως μόλις αυτό εισαχθεί στο βακτήριο. Στο θρεπτικό υλικό του βακτηρίου, όμως, παρέχονται μονάχα νουκλεοτίδια ραδιενεργού αζώτου. Μετά από τρεις κύκλους αντιγραφής, τα νέα μόρια DNA συγκροτούν νέους φάγους, οι οποίοι εξέρχονται από το βακτήριο. Οι νέοι φάγοι μεταφέρονται σε άλλη κυτταροκαλλιέργεια, όπου μολύνουν ισάριθμα βακτήρια. Στο θρεπτικό υλικό της νέας κυτταροκαλλιέργειας παρέχονται μονάχα νουκλεοτίδια ραδιενεργού φωσφόρου. Μέσα σε κάθε μολυσμένο βακτήριο, ο φάγος επιτελεί άλλους δύο κύκλους αντιγραφής του DNA του.

α. πόσα ιικά μόρια DNA προκύπτουν τελικά;

β. πόσοι κλώνοι των τελικών μορίων DNA αποτελούνται από νουκλεοτίδια ραδιενεργού αζώτου και πόσοι από νουκλεοτίδια ραδιενεργού φωσφόρου;

γ. πόσα από τα τελικά μόρια είναι υβρίδια (δηλαδή έχουν διαφορετική χημική σύσταση νουκλεοτιδίων στους δύο κλώνους τους);

 

Λύση…

α. Λέγοντας ιικά μόρια DNA, εννοούμε μόρια DNA του ιού, δηλαδή του φάγου. Ο αρχικός φάγος διαθέτει ένα μόριο νουκλεϊκού οξέος, του οποίου οι δύο κλώνοι είναι αποκλειστικά κατασκευασμένοι από μη ραδιενεργά νουκλεοτίδια. Το μόριο αυτό αντιγράφεται τρεις φορές, εντός του μολυσμένου βακτηρίου.

Κατά την πρώτη αντιγραφή, το μόριο DNΑ που εισάγει ο φάγος στο βακτήριο «ξετυλίγεται» και καθένας από τους δύο κλώνους χρησιμεύει ως καλούπι για τη σύνθεση ενός νέου, συμπληρωματικού κλώνου. Οι νέοι κλώνοι που συντίθενται αποτελούνται αποκλειστικά από νουκλεοτίδια ραδιενεργού αζώτου. Έτσι, καθένα από τα δύο δίκλωνα μόρια DNA που προκύπτουν έχει έναν κλώνο αποτελούμενο από μη ραδιενεργά νουκλεοτίδια και έναν κλώνο αποτελούμενο από νουκλεοτίδια ραδιενεργού αζώτου:

Κ/Κ → Κ/Ν και Κ/Ν

[όπου Κ: κλώνος μη ραδιενεργών νουκλεοτιδίων, Ν: κλώνος νουκλεοτιδίων ραδιενεργού αζώτου]

Κατά τη δεύτερη αντιγραφή, εφαρμόζεται και πάλι ο ημισυντηρητικός τρόπος. Με καλούπι κάθε αλυσίδα (οποιασδήποτε σύστασης) συντίθεται ένας κλώνος νουκλεοτιδίων ραδιενεργού αζώτου. Προκύπτουν τέσσερα μόρια, των οποίων η σύσταση κλώνων φαίνεται παρακάτω:

Κ/Ν → Κ/Ν και Ν/Ν

Κ/Ν → Κ/Ν και Ν/Ν

Κατά την τρίτη αντιγραφή, όλοι οι νεοσυντιθέμενοι κλώνοι κατασκευάζονται επίσης από νουκλεοτίδια ραδιενεργού αζώτου. Προκύπτουν τα ακόλουθα οχτώ μόρια:

Κ/Ν → Κ/Ν και Ν/Ν

Κ/Ν → Κ/Ν και Ν/Ν

Ν/Ν → Ν/Ν και Ν/Ν

Ν/Ν → Ν/Ν και Ν/Ν

Αφού προέκυψαν οχτώ μόρια DNA, οχτώ θα είναι και οι νέοι φάγοι που τα περιέχουν (ένα μόριο στον καθένα). Οι οχτώ αυτοί φάγοι, στην άλλη καλλιέργεια όπου μεταφέρονται, μολύνουν ισάριθμα βακτήρια, ακολουθώντας τη λογική πολλαπλασιασμού που εφαρμόστηκε παραπάνω. Αξίζει να σημειωθεί πως δύο από τους οχτώ φάγους διαθέτουν DNA σύστασης Κ/Ν και οι υπόλοιποι έξι φάγοι διαθέτουν DNA σύστασης Ν/Ν.

Ας δούμε πρώτα τι γενετικό υλικό θα προκύψει από τις δύο διαδοχικές αντιγραφές των (δύο) φάγων σύστασης Κ/Ν.

Κ/Ν → Κ/Ρ και Ν/Ρ → Κ/Ρ, Ρ/Ρ, Ν/Ρ και Ρ/Ρ

Κ/Ν → Κ/Ρ και Ν/Ρ → Κ/Ρ, Ρ/Ρ, Ν/Ρ και Ρ/Ρ

[όπου Ρ: κλώνος νουκλεοτιδίων ραδιενεργού φωσφώρου]

Ας δούμε τώρα τι γενετικό υλικό θα προκύψει από τις δύο διαδοχικές αντιγραφές των (έξι) φάγων σύστασης Ν/Ν.

Ν/Ν → Ν/Ρ και Ν/Ρ → Ν/Ρ, Ρ/Ρ, Ν/Ρ και Ρ/Ρ

Ν/Ν → Ν/Ρ και Ν/Ρ → Ν/Ρ, Ρ/Ρ, Ν/Ρ και Ρ/Ρ

Ν/Ν → Ν/Ρ και Ν/Ρ → Ν/Ρ, Ρ/Ρ, Ν/Ρ και Ρ/Ρ

Ν/Ν → Ν/Ρ και Ν/Ρ → Ν/Ρ, Ρ/Ρ, Ν/Ρ και Ρ/Ρ

Ν/Ν → Ν/Ρ και Ν/Ρ → Ν/Ρ, Ρ/Ρ, Ν/Ρ και Ρ/Ρ

Ν/Ν → Ν/Ρ και Ν/Ρ → Ν/Ρ, Ρ/Ρ, Ν/Ρ και Ρ/Ρ

Διαπιστώνουμε πως τα τελικά μόρια DNA είναι 32. Αναλυτικά:

2 μόρια Κ/Ρ

14 μόρια Ν/Ρ

16 μόρια Ρ/Ρ

β. Αφού υπάρχουν 14 μόρια Ν/Ρ, 14 είναι οι κλώνοι νουκλεοτιδίων ραδιενεργού αζώτου. Αφού υπάρχουν 2 μόρια Κ/Ρ, 14 μόρια Ν/Ρ και 16 μόρια Ρ/Ρ, 48 θα είναι οι κλώνοι νουκλεοτιδίων ραδιενεργού φωσφόρου.

γ. Υβρίδια είναι τα 2 μόρια Κ/Ρ και τα 14 μόρια Ν/Ρ. Συνολικά, ανέρχονται στα 16.

Κάθε κύτταρο έχει το ρόλο του. Άλλο συσπάται για να πραγματοποιηθούν κινήσεις, άλλο αμύνεται εναντίον μικροβίων, άλλο διασπάει τροφές, άλλο δέχεται και μεταβιβάζει ερεθίσματα του περιβάλλοντος. Φυσικά, παραδείγματα υπάρχουν πολλά ακόμα. Παρά, όμως, τη μεγάλη ποικιλία ρόλων, που διαφοροποιεί τα κύτταρα μεταξύ τους, υπάρχουν και κάποια κοινά σημεία μεταξύ των κυττάρων αυτών. Ένα από αυτά τα κοινά σημεία είναι η ανάγκη τους για πρωτεΐνες. Όλα τα κύτταρα παράγουν πρωτεΐνες. Πώς, όμως, εξηγείται η «εμμονή» των κυττάρων να παράγουν πρωτεΐνες; Απλούστατα, οι ουσίες αυτές είναι λειτουργικά μόρια. Δηλαδή, οι πρωτεΐνες είναι χημικές ουσίες με τις οποίες το κύτταρο επιτελεί τη λειτουργία του, όποια κι αν είναι αυτή. Είναι φανερό ότι ανάλογα με τη λειτουργία του, το κύτταρο παράγει και διαφορετικές πρωτεΐνες. Πχ. το κύτταρο που συσπάται παράγει μυοσίνη, το κύτταρο που αμύνεται παράγει ανοσοσφαιρίνες, το κύτταρο που διασπάει τροφές παράγει πεπτικά ένζυμα, το κύτταρο που μεταβιβάζει ερεθίσματα παράγει ακετυλοχολίνη. Εδώ, χρήσιμο είναι να αναφερθεί πως λειτουργικά μόρια δεν είναι μονάχα οι πρωτεΐνες (είναι και κάποια μόρια RNA), αλλά σίγουρα οι πρώτες κατέχουν τον πρωταγωνιστικό ρόλο.

Πώς, λοιπόν, το κύτταρο θα συνθέσει πρωτεΐνες; Η διαδικασία ονομάζεται – προφανώς – πρωτεϊνοσύνθεση και χωρίζεται σε δύο βασικά στάδια. Το πρώτο είναι η μεταγραφή και το δεύτερο είναι η μετάφραση. Οι πορείες της μεταγραφής και της μετάφρασης συνοψίζονται με τον όρο έκφραση του DNA.

Για τη σύνθεση οποιασδήποτε πρωτεΐνης, απαραίτητη είναι η ύπαρξη γενετικής πληροφορίας. Η πληροφορία (δηλαδή η «συνταγή») για την κατασκευή της πρωτεΐνης είναι καταγραμμένη στο DNA. Για την ακρίβεια, είναι κωδικοποιημένη σε τμήματα (περιοχές) του DNA, που ονομάζονται γονίδια. Η κωδικοποίηση γίνεται με τις αζωτούχες βάσεις. Αυτές αποτελούν τα γράμματα με τα οποία γράφεται η «συνταγή». Απαραίτητη, όμως, είναι και η ύπαρξη ριβοσωμάτων. Τα ριβοσώματα είναι σωματίδια του κυττάρου που έχουν τη δυνατότητα να «διαβάζουν» τις αζωτούχες βάσεις και να καταλαβαίνουν ποια αμινοξέα πρέπει να συνδέσουν για να κατασκευάσουν σωστά την πρωτεΐνη. Το πρόβλημα είναι πως δε μπορούν να διαβάσουν τις βάσεις του γονιδίου, δηλαδή του τμήματος του DNA. Μπορούν, όμως, να διαβάσουν τις βάσεις ενός μονόκλωνου «αντίγραφου» του γονιδίου, που καλείται mRNA. Το μονόκλωνο αυτό μόριο κατασκευάζεται από ένα ένζυμο, την RNA πολυμεράση, μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται μεταγραφή. Το ίδιο το όνομα της διαδικασίας φανερώνει πως η γενετική πληροφορία του γονιδίου ξαναγράφεται σε ένα άλλο μόριο, το mRNA. Στη συνέχεια, τα ριβοσώματα «διασχίζουν» κατά μήκος το mRNA, «διαβάζοντας» ανά τρεις τις αζωτούχες βάσεις του, καθορίζοντας τη σειρά των αμινοξέων που θα συνδεθούν μεταξύ τους.

Εκείνο, λοιπόν, που διαφαίνεται είναι η τεράστια χρησιμότητα της έκφρασης του DNA. Είναι μια διαδικασία που αποσκοπεί στην παραγωγή χρήσιμων για το κύτταρο ουσιών, των πρωτεϊνών. Δεν έχει καμία σχέση με την αντιγραφή του DNA, που αποσκοπεί στη μεταβίβαση του DNA στην επόμενη κυτταρική γενιά.

Η έκφραση αποτελεί πραγμάτωση της γενετικής πληροφορίας του DNA. Η αντιγραφή είναι η επανακατασκευή του DNA.

Η έκφραση συμβαίνει για να μπορέσει το ίδιο το κύτταρο που την πραγματοποιεί να εκτελέσει το ρόλο που του αναλογεί. Έχει να κάνει με το παρόν. Η αντιγραφή συμβαίνει με σκοπό να λάβουν τα κύτταρα της επόμενης γενιάς το DNA, στην πληρότητά του. Έχει να κάνει με το μέλλον.

Επομένως, η άποψη που θέλει το DNA να αντιγράφεται, ύστερα να μεταγράφεται και ύστερα να μεταφράζεται, με στόχο να κατασκευαστεί μια πρωτεΐνη, είναι μια στρέβλωση της πραγματικότητας. Είναι μια επικίνδυνη παρεξήγηση! Άλλη σκοπιμότητα εξυπηρετεί η αντιγραφή και άλλη σκοπιμότητα εξυπηρετούν η μεταγραφή και η μετάφραση.

Στην αρχή του video (0:00 – 0:35) γίνεται μια σύντομη αναφορά στην οργάνωση του DNA. Ύστερα (0:36 – 1:12), διευκρινίζεται ότι το γονίδιο είναι τμήμα του τεράστιου μορίου του DNA, που κατέχει γενετική πληροφορία. Η RNA πολυμεράση είναι το ένζυμο που ξετυλίγει τη διπλή έλικα του γονιδίου, τοποθετώντας ταυτόχρονα συμπληρωματικά ριβονουκλεοτίδια προς τη μία από τις δύο πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες. Περιγράφεται, δηλαδή, η μεταγραφή, πορεία κατά την οποία κατασκευάζεται το (πρόδρομο) mRNA. Κατόπιν, παρουσιάζεται η ωρίμανσή του (1:13 – 1:26) και η μεταφορά του από τον πυρήνα προς το κυτταρόπλασμα (1:27 – 1:39). Τέλος (1:40 – 2:41), ξεκινάει η μετάφραση του mRNA από το ριβόσωμα, με την πολύτιμη συνδρομή των μορίων tRNA, τα οποία τοποθετούν διαδοχικά τα αμινοξέα που καθορίζονται από τις τριάδες βάσεων του mRNA.

Ας φέρουμε στο νου μας έναν οποιονδήποτε πολυκύτταρο οργανισμό. Δεν έχει σημασία αν σκεφτόμαστε άνθρωπο, αράχνη, βάτραχο, καρχαρία ή χελιδόνι. Τα κύτταρα που απαρτίζουν τον οργανισμό αυτό αναπαράγονται με διχοτόμηση. Αναπαράγονται, όχι μόνο κατά την πορεία ανάπτυξης (δηλαδή «μεγαλώματος») του οργανισμού, αλλά καθόλη τη διάρκεια της ζωής του. Κατά την πορεία ανάπτυξης, η αναπαραγωγή των κυττάρων στοχεύει κυρίως στην αύξηση του αριθμού τους, προκειμένου ο οργανισμός να μεγαλώσει. Ύστερα, όταν η ανάπτυξη ολοκληρωθεί, η αναπαραγωγή εξυπηρετεί την αναπλήρωση νεκρών κυττάρων.

Κατά τη διχοτόμηση, που αποτελεί την τελευταία πράξη ενός κυττάρου, το κύτταρο χωρίζεται στα δύο. Έτσι, δημιουργούνται δύο νέα κύτταρα. Θα μπορούσε κανείς να ισχυριστεί ότι φτάνοντας ένα κύτταρο στο τέλος της ζωής του, μετατρέπεται σε δύο καινούρια. Άρα, το τέλος της ζωής του ενός είναι η αρχή της ζωής δύο άλλων. Η διχοτόμηση αναφέρεται πολύ συχνά και ως κυτταρική διαίρεση.

Υπάρχουν κύτταρα που σκοπεύουν να διχοτομηθούν στο τέλος της ζωής τους και κύτταρα που δεν έχουν αυτό το σκοπό. Τα πρώτα έχουν πιο πολύπλοκη ζωή από τα δεύτερα. Είναι και τα πιο ενδιαφέροντα, γιατί αυτά μόνο πραγματοποιούν τη διαδικασία που ονομάζεται αντιγραφή του DNA, δηλαδή αντιγραφή του γενετικού υλικού. Η αντιγραφή αποσκοπεί στη διατήρηση και μεταβίβαση του DNA στην επόμενη κυτταρική γενιά, δηλαδή στα δύο νέα κύτταρα. Συνήθως, το κύτταρο που διχοτομείται αποκαλείται μητρικό και τα δύο νέα που προκύπτουν αποκαλούνται θυγατρικά. Το μητρικό κύτταρο έχει ένα συγκεκριμένο ποσό DNA, που είναι χαρακτηριστικό σε κάθε είδος οργανισμού. Πριν διχοτομηθεί, αντιγράφει το DNA αυτό, δηλαδή κατασκευάζει «άλλο τόσο». Ο πρόσκαιρος διπλασιασμός του DNA συμβαίνει για να λάβουν τα δύο νέα κύτταρα ίδιο ποσό γενετικού υλικού με αυτό που κατείχε το μητρικό κύτταρο. Είναι προφανές πως αν δε συνέβαινε η αντιγραφή, τα δύο νέα κύτταρα θα κληρονομούσαν λιγότερο DNA, συγκριτικά με αυτό που διαθέτει το μητρικό. Με τη σειρά τους, θα κληροδοτούσαν ακόμα λιγότερο DNA στους δικούς τους κυτταρικούς απογόνους, όταν θα διχοτομούνταν κι αυτά. Αυτό, όμως, είναι ασύμβατο με τη ζωή. Κάθε κύτταρο οφείλει να έχει το συγκεκριμένο ποσό γενετικού υλικού που χαρακτηρίζει το είδος του. Φυσικά, τα κύτταρα εκείνα που δε σκοπεύουν να διχοτομηθούν, δεν έχουν και λόγο να αντιγράψουν το DNA τους. Εμείς θα ασχοληθούμε με τα άλλα.

Η ζωή του διαιρούμενου κυττάρου χωρίζεται σε δύο φάσεις. Η πρώτη φάση ονομάζεται μεσόφαση και καταλαμβάνει, κατά κανόνα, το μεγαλύτερο μέρος της ζωής του. Η δεύτερη φάση ονομάζεται μίτωση (Μ) και περιλαμβάνει συγκεκριμένα γεγονότα, που οδηγούν το κύτταρο σε μια επιτυχή διχοτόμηση. Η μεσόφαση χωρίζεται σε τρία στάδια (G1, S, G2), τα οποία επίσης δεν έχουν ίση διάρκεια. Όλα αυτά φαίνονται και στο παρακάτω σχήμα.

Όπως υποννοεί το βέλος στην εσωτερική περιφέρεια του σχήματος, η ζωή του κυττάρου ξεκινάει με το στάδιο G1. Δεν υπάρχει λόγος να ασχοληθούμε με το τι ακριβώς συμβαίνει σε κάθε στάδιο της μεσόφασης. Η αντιγραφή, ωστόσο, συμβαίνει στο στάδιο S της μεσόφασης. Το στάδιο αυτό δανείζεται το αρχικό γράμμα της λέξης «synthesis», που υποδηλώνει τη σύνθεση των νέων μορίων DNA. Όλα, ανεξαιρέτως, τα υπάρχοντα μόρια DNA αντιγράφονται στο στάδιο αυτό. Σε κάθε μόριο, καθένας από τους δύο κλώνους χρησιμεύει ως καλούπι για τη σύνθεση νέου, συμπληρωματικού κλώνου. Η διαδικασία είναι αρκετά πολύπλοκη και περιγράφεται στο ακόλουθο video.

Στην αρχή του video (0:00 – 0:25), παρουσιάζεται μια θηλιά αντιγραφής. Παρά τα όσα φαίνονται στο video, σε κάθε θηλιά αντιγραφής λειτουργούν δύο ελικάσες, οι οποίες «ανοίγουν» το μόριο του DNA προς αντίθετες κατευθύνσεις. Έτσι, δημιουργούνται δύο διχάλες αντιγραφής, οι οποίες απομακρύνονται. Στη συνέχεια του video (0:26 – 0:43) παρουσιάζεται η συμπληρωματικότητα των αζωτούχων βάσεων, ως απόρροια δράσης της πολυμεράσης και ύστερα (0:44 – 2:27), παρουσιάζονται τα γεγονότα που συμβαίνουν σε μία από τις δύο διχάλες αντιγραφής.

 

Διευκρινίσεις:

Origin of replication site: θέση έναρξης αντιγραφής

Helicase: DNA ελικάση

Primase: πριμόσωμα

RNA primer: πρωταρχικό τμήμα RNA

DNA polymerase: DNA πολυμεράση

DNA ligase: DNA δεσμάση

Single-strand binding protein: πρωτεΐνη που διατηρεί το DNA τοπικά μονόκλωνο, προκειμένου να μην «ξαναζευγαρώσουν» οι αζωτούχες βάσεις των αρχικών κλώνων

Okazaki fragment: τμήμα ασυνεχούς σύνθεσης

Nucleotide replacement enzyme: ένζυμα (πολυμεράσες) που αντικαθιστούν τα πρωταρχικά τμήματα με τμήματα DNA