2ο κριτήριο 2ου κεφαλαίου κατεύθυνσης (ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης)

 

1ο κριτήριο 2ου κεφαλαίου κατεύθυνσης

Εντοπίστε το συνεχές γονίδιο που υπάρχει στο παρακάτω τμήμα DNA και βρείτε τα αμινοξέα που κωδικοποιεί.

T T G C C G C T A G C A A T G G G A T C T A G A C A T C C T A

A A C G G C G A T C G T T A C C C T A G A T C T G T A G G A T

Λύση…

Εφόσον πρόκειται για γονίδιο που κωδικοποιεί αμινοξέα (δηλαδή γονίδιο πεπτιδίου), θα πρέπει υποχρεωτικά να υπάρχει στον κωδικό του κλώνο κωδικόνιο έναρξης (5′ ATG 3′), κωδικόνιo λήξης (5′ TAG 3′ ή 5′ TAA 3′ ή 5′ TGA 3)’ και αριθμός ενδιάμεσων νουκλεοτιδίων πολλαπλάσιος του 3, μια και ο γενετικός κώδικας είναι συνεχής και μη επικαλυπτόμενος κώδικας τριπλέτας. Η απουσία εσωνίων (το γονίδιο είναι συνεχές) διευκολύνει την επίλυση της άσκησης.

Μην ξέροντας τον προσανατολισμό των δύο συμπληρωματικών αλυσίδων, είμαστε υποχρεωμένοι να προχωρήσουμε σε διερεύνηση. Θα προσπαθήσουμε, δηλαδή, να βρούμε ποιος από τους δύο κλώνους θα μπορούσε να ικανοποιήσει τις παραπάνω προϋποθέσεις, με τον κατάλληλο, φυσικά, προσανατολισμό.

Θεωρώντας ότι ο πάνω κλώνος είναι κωδικός, με το 5′ άκρο στην αριστερή πλευρά και το 3′ άκρο στη δεξιά, οι προϋποθέσεις δεν ικανοποιούνται. Μπορεί, βέβαια, να βρίσκεται ένα κωδικόνιο ATG σε απόσταση 12 νουκλεοτιδίων από την αρχή του συγκεκριμένου κλώνου, αλλά αν ύστερα “προχωρήσουμε” προς το 3′ άκρο με βήμα τριπλέτας, δε βρίσκουμε το απαραίτητο κωδικόνιο λήξης.

Εξακολουθώντας να θεωρούμε ότι ο πάνω κλώνος είναι ο κωδικός, αλλά αυτή τη φορά με το 3′ άκρο αριστερά και το 5′ άκρο δεξιά, οι προϋποθέσεις και πάλι δεν πληρούνται. Με το συγκεκριμένο προσανατολισμό, δε βρίσκουμε καν κωδικόνιο έναρξης.

Συμπεραίνουμε, λοιπόν, ότι ο πάνω κλώνος αποκλείεται να είναι ο κωδικός. Κωδικός είναι σίγουρα ο κάτω κλώνος, του οποίου όμως τον κατάλληλο προσανατολισμό δεν γνωρίζουμε. Θα πάρουμε, λοιπόν, περιπτώσεις, για μια ακόμα φορά.

Θεωρώντας ότι το 5′ άκρο βρίσκεται στην αριστερή πλευρά και το 3′ άκρο στη δεξιά, θα ψάξουμε αρχικά για κωδικόνιο έναρξης. Πουθενά όμως δεν εντοπίζουμε το ATG. Η μόνη περίπτωση που απομένει ως πιθανή είναι να βρίσκεται το 5′ άκρο στη δεξιά πλευρά του κάτω κλώνου και το 3′ άκρο στην αριστερή. Αν και αυτή τη φορά οι προϋποθέσεις δεν ικανοποιηθούν, τότε είτε έχουμε πραγματοποιήσει κάποιο σφάλμα κατά τη διερεύνηση, είτε δεν υπάρχει γονίδιο…

Μόλις 4 νουκλεοτίδια από την αρχή του κάτω κλώνου (πάντα από τα δεξιά προς τα αριστερά) υπάρχει η τριπλέτα ATG. Μετά από 5 τριπλέτες (κωδικόνια) συναντάμε και το κωδικόνιο λήξης ΤAG.

Κωδικός, λοιπόν, κλώνος είναι ο κάτω και μη κωδικός ο πάνω.

Γράφοντας πάλι την αλληλουχία βάσεων του κωδικού κλώνου με τρόπο που να μας βολεύει περισσότερο (δηλαδή “ανάποδα” σε σχέση με την εκφώνηση), έχουμε:

5′  A T G T C T G A G T C C C A T T G C T A G  3′

Για να ανακαλύψουμε ποια αμινοξέα κωδικοποιούνται από το συγκεκριμένο κωδικό κλώνο, καλό είναι να βρούμε την αλληλουχία βάσων του mRNA που προκύπτει με καλούπι το συμπληρωματικό του (μη κωδικό) κλώνο. Λογικό είναι το mRNA αυτό να έχει ίδια αλληλουχία βάσεων με τον κωδικό κλώνο, με ουρακίλη αντί θυμίνης. Άλλωστε, αν δεν είχε ίδια αλληλουχία, πώς θα μπορούσαμε να ισχυριστούμε ότι φέρει την ίδια γενετική πληροφορία;

Έτσι, το mRNA είναι:

5′  A U G U C U A G A U C C C A U U G C U A G  3′

Συμβουλευόμενοι τον πίνακα του γενετικού κώδικα, βρίσκουμε ότι το κωδικόνιο AUG κωδικοποιεί τη μεθειονίνη, το UCU τη σερίνη, το AGA την αργινίνη, το UCC τη σερίνη (συνώνυμο κωδικόνιο με το UCU), το CAU την ιστιδίνη, το UGC την κυστεΐνη, ενώ το UAG, ως κωδικόνιο λήξης, δεν αντιστοιχεί σε κανένα αμινοξύ.

Συμπερασματικά, η αλληλουχία αμινοξέων του πεπτιδίου που κωδικοποιείται από το παραπάνω γονίδιο είναι η:

μεθειονίνη – σερίνη – αργινίνη – σερίνη – ιστιδίνη – κυστεΐνη

Δύο γειτονικές θέσεις έναρξης αντιγραφής ενός χρωμοσώματος απέχουν μεταξύ τους 1,2×10⁴ ζεύγη βάσεων. Η ταχύτητα της αντιγραφής είναι 100 νουκλεοτίδια ανά δευτερόλεπτο, σε κάθε κλώνο που χρησιμεύει ως καλούπι. Πόσος χρόνος θα χρειαστεί για να ολοκληρωθεί η αντιγραφή ανάμεσα σε αυτές τις θέσεις έναρξης;

Λύση…

Η αντιγραφή του DNA αρχίζει από καθορισμένα σημεία, που ονομάζονται θέσεις έναρξης της αντιγραφής. Για να αρχίσει η αντιγραφή του DNA, είναι απαραίτητο να ξετυλιχθούν στις θέσεις έναρξης της αντιγραφής οι δύο αλυσίδες. Όταν “ανοίξει” η διπλή έλικα, δημιουργείται μια “θηλιά”, η οποία αυξάνεται και προς τις δύο κατευθύνσεις. Άρα, δύο γειτονικές θηλιές που επεκτείνονται, κάποια στιγμή θα “συναντηθούν”.

Για να γίνει πιο κατανοητή η όλη διαδικασία, σχεδιάζουμε σχήμα που περιλαμβάνει τις δύο “θηλιές” αντιγραφής. Για την ακρίβεια, το σχήμα περιλαμβάνει τη μισή θηλιά α’ (διχάλα αντιγραφής) και τη μισή θηλιά β’.

Προφανώς, η “συνάντησή” τους θα γίνει στο μέσο της μεταξύ τους απόστασης, δηλαδή στο μέσο των 1,2×10⁴ ζευγών βάσεων. Τα ένζυμα που καταλύουν την αντιγραφή στη θηλιά α’ θα χρειαστεί να καλύψουν μόνο το μισό της παραπάνω απόστασης, διότι το άλλο μισό θα καλύψουν τα ένζυμα της θηλιάς β’ και μάλιστα στον ίδιο χρόνο. Δηλαδή, την ώρα που τα ένζυμα της θηλιάς α’ θα αντιγράφουν τα 0,6×10⁴ ζεύγη βάσεων, θα αντιγράφουν τα ένζυμα της θηλιάς β’ τα υπόλοιπα 0,6×10⁴ ζεύγη βάσεων. Το μόνο, λοιπόν, που χρειάζεται να γίνει είναι ο υπολογισμός του χρόνου που απαιτείται για την αντιγραφή κάθε τμήματος DNA, μήκους 0,6×10⁴ ζεύγη βάσεων. Ας μην ξεχνάμε πως την ίδια στιγμή που γίνεται η αντιγραφή των νουκλεοτιδίων του ενός κλώνου, γίνεται και η αντιγραφή των ισάριθμων νουκλεοτιδίων του συμπληρωματικού κλώνου. Έτσι:

1 sec → 100 νουκλεοτίδια

x sec → 0,6×10⁴ νουκλεοτίδια

x = 60 sec.