DNA
ΤοDNA(πλήρες όνομα:δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ,αγγλικά:deoxyribonucleicacid) είναι ένα χημικόμακρομόριοκαι συγκεκριμένανουκλεϊκό οξύ,που αποτελεί το γενετικό υλικό όλων τωνζωντανών οργανισμώνκαθώς και των περισσοτέρωνιών(ορισμένοι ιοί έχουν ως γενετικό υλικόRNA). Στο DNA περιέχονται οι πληροφορίες που καθορίζουν όλα τα δομικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά ενός οργανισμού και οι οποίες οργανώνονται σε λειτουργικές μονάδες, ταγονίδια.Μέσω τηςαντιγραφής του DNAδιατηρούνται και μεταβιβάζονται οι γενετικές πληροφορίες από ένακύτταροστα θυγατρικά του και από έναν οργανισμό στους απογόνους του. Επίσης, το DNA επιτυγχάνει την έκφραση των γενετικών πληροφοριών, ελέγχοντας τη σύνθεση τωνπρωτεϊνών.
Γενικά
[Επεξεργασία|επεξεργασία κώδικα]Η αποκωδικοποίηση του DNA, η αποσαφήνιση δηλαδή του τρόπου με τον οποίο η δομή του DNA καθορίζει συγκεκριμένες γενετικές επιλογές, επέτρεψε στους επιστήμονες να κατανοήσουν καλύτερα τη γενετική της ζωής και την κληρονομικότητα ορισμένων χαρακτηριστικών και νόσων. Επειδή το DNA στα ορισμένα του σημεία είναι ξεχωριστό στον κάθε άνθρωπο, έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι βασιζόμενες στην ταυτοποίηση του DNA και βρίσκουν εφαρμογή στηνΙατροδικαστικήκαι στηνΕγκληματολογίακαθώς επίσης και στην αποσαφήνιση οικογενειακών σχέσεων μεταξύ ατόμων. Τα τελευταία χρόνια γίνεται πιο εντατική η χρήση του DNA και στις μελέτες τηςιστορίαςκαι τηςανθρωπολογίας.
Η ανακάλυψη της δομής του DNA πραγματοποιήθηκε το 1953 από τους Franklin (Φράνκλιν),Τζέιμς Γουάτσον(James D. Watson) καιΦράνσις Κρικ(Francis Crick). Από πολλούς η ανακάλυψη της διπλής έλικας του DNA θεωρείται ως η μεγαλύτερηβιολογικήανακάλυψη του 20ού αιώνα. Για τη συνεισφορά τους στη μελέτη της δομής του DNA, οι Γουάτσον και Κρικ μοιράστηκαν το1962τοΒραβείο Νόμπελμε τονΜόρις Γουίλκινς,αντίθετα, η σημαντική ερευνητική συνεισφορά τηςΡόζαλιν Φράνκλινδεν αναγνωρίστηκε τότε.
Ανίχνευση - ρόλος του DNA
[Επεξεργασία|επεξεργασία κώδικα]Πρόκειται γιαμεγαλομοριακή ένωσηπου συγκροτείται από αζωτούχες-πρωτεϊνικές βάσεις, φωσφορικές ρίζες και ένασάκχαρομε πέντε άτομα άνθρακα (πεντόζη), τη δε(σ)οξυριβόζη. Σταευκαρυωτικά κύτταραανιχνεύεται κυρίως μέσα στον πυρήνα του κυττάρου αλλά και σε μερικά άλλαοργανίδια,όπως σταμιτοχόνδριακαι σταπλαστίδια,επιτρέποντάς τους να διπλασιάζονται ανεξάρτητα από τον διπλασιασμό του κυττάρου (ημιαυτόνομα οργανίδια).
Το σύνολο των μορίων DNA που υπάρχουν σε ένα κύτταρο αποτελούν το γενετικό υλικό του. To DNA είναι ο φορέας των γενετικών πληροφοριών του κυττάρου, όχι μόνον με την έννοια της μεταβίβασης χαρακτηριστικών, αναλλοίωτων από γενεά σε γενεά, αλλά και της ρύθμισης της φυσιογνωμίας εξειδίκευσης κάθεκυττάρουγια την επιτέλεση των ιδιαίτερων λειτουργιών του. Τέλος, το DNA επιτρέπει τη δημιουργία γενετικής ποικιλότητας, υφιστάμενομεταλλάξεις.
Δομή του DNA
[Επεξεργασία|επεξεργασία κώδικα]
Η διαμόρφωση των μεγάλων μορίων του DNA στον χώρο έχει τη μορφή δύο επιμήκων αλύσεων, οι οποίες συστρέφονται ελικοειδώς μεταξύ τους. Οι αζωτούχες βάσεις στο DNA είναι τέσσερις:
Οι αζωτούχες βάσεις, ανάλογα με τη σειρά αλληλουχίας τους σε τριάδες, κωδικοποιούν το μήνυμα για τη σύνθεση τωναμινοξέωντου κυττάρου σταριβοσώματα.Εκεί τααμινοξέασυνδυάζονται, με τη σειρά κατά την οποία μεταφέρθηκαν στο ριβόσωμα και συντίθενται έτσι οι διαφορετικέςπρωτεΐνες.
Ημισυντηρητική αντιγραφή
[Επεξεργασία|επεξεργασία κώδικα]Πριν από κάθε διαίρεση το γενετικό υλικό αντιγράφεται. Κάθε δίκλωνο DNA φτιάχνει δυο ακριβή αντίγραφα του εαυτού του μέσω μίας διαδικασίας που καλείται αντιγραφή (replication).
Κατά τη διαδικασία αυτή κάθε αλυσίδα του DNA χρησιμεύει ως καλούπι για να συντεθεί η συμπληρωματική και αντιπαράλληλη της θυγατρική αλυσίδα. Έτσι στο τέλος της διαδικασίας προκύπτουν δύο δίκλωνα μόρια DNA, που το καθένα αποτελείται από μια πατρική και μια θυγατρική αλυσίδα. Ο τρόπος αυτός της αντιγραφής ονομάζεται ημισυντηρητικός. Το πείραμα των Μέζελσον (Meselson) και Στάλ (Stahl)(1958) στο βακτήριοΕ. coli,έδωσε την απόδειξη για τον ημισυντηρητικό τρόπο διπλασιασμού του DNA.
Η διπλή έλικα του DNA
[Επεξεργασία|επεξεργασία κώδικα]Το 1953 οιΤζέιμς Γουάτσον(J. Watson), καιΦράνσις Κρικ,(F. Crick), δύο ερευνητές που εργάζονταν στοΠανεπιστήμιο του Καίμπριτζπαρουσίασαν ένα «μοντέλο» της δομής του DNA, που ονομάσθηκε «μοντέλο της διπλής έλικας του DNA», βασισμένο στις παρατηρήσεις τηςΡόζαλιντ Φράνκλιν.Σύμφωνα με το μοντέλο αυτό το μόριο του DNA προυσιάζεται με τα ακόλουθα τέσσερα βασικά χαρακτηριστικά:
- Αποτελείται από δύοπολυνουκλεοτιδικές αλυσίδεςσε μορφή δύο αντιτακτών κλώνων που σχηματίζουν δεξιόστροφη διπλή έλικα.
- Οι αζωτούχες βάσεις κάθε κλώνου είναι κάθετες ως προς τον άξονα του μορίου και προεξέχουν προς το εσωτερικό της συστροφής αφού είναι υδρόφοβες, ενώ ο σκελετός που σχηματίζεται από επαναλαμβανόμενα μόρια φωσφορικής ομάδας - πεντόζης είναι υδρόφιλος.
- Οι δύο δημιουργούμενοι κλώνοι συγκρατούνται μεταξύ τους μεδεσμούς υδρογόνου.Τα δε ζευγάρια των αζωτούχων βάσεων όπου αναπτύσσονται μεταξύ τους δεσμοί υδρογόνου είναι καθορισμένα: η αδενίνη με τη θυμίνη και η γουανίνη με την κυτοσίνη.
- Μεταξύ της αδενίνης και της θυμίνης σχηματίζονται δύο δεσμοί υδρογόνου, ενώ μεταξύ της γουανίνης και της κυτοσίνης τρεις δεσμοί υδρογόνου. Οι δεσμοί υδρογόνου που αναπτύσσονται μεταξύ των βάσεων σταθεροποιούν τη δευτεροταγή δομή του μορίου (DNA).
- Οι δύο αλυσίδες (κλώνοι) είναι συμπληρωματικές, δηλαδή η αλληλουχία της μίας καθορίζει την αλληλουχία της αλλης.
- Οι δυο αλυσίδες είναι αντιπαράλληλες, δηλαδή το 3' άκρο της μίας βρίσκεται απέναντι από το 5' άκρο της άλλης.
Η ιστορία της έρευνας γύρω από το DNA
[Επεξεργασία|επεξεργασία κώδικα]Η ανακάλυψη ότι το DNA είναι ο φορέας των γενετικών πληροφοριών είναι το αποτέλεσμα μιας σειράς επιστημονικών ερευνών που διήρκεσε πολλά χρόνια. Ενώ η ύπαρξη του στονπυρήνα των κυττάρωνπιστοποιήθηκε ήδη από το 1869, ήταν στα μέσα του 20ού αιώνα που οι ερευνητές ξεκίνησαν να υποθέτουν ότι μπορεί να αποθηκεύει τις γενετικές πληροφορίες.
Τανουκλεϊκά οξέαανακαλύφθηκαν το 1869 από τον γερμανόΦρίντριχ Μίσερ.Ο Μίσερ ανακάλυψε μέσα σε πυρήνες κυττάρων την ύπαρξη μιας ουσίας με συγκεκριμένη όξινη αντίδραση (εξού και «οξύ»). Την ουσία αυτή ονόμασε νουκλεΐνη (γερμανικάNuklein) από το λατινικόnucleusπου σημαίνει «πυρήνας». Λίγο αργότερα απομόνωσε από τοσπέρμασολωμούδείγμα της ουσίας που σήμερα αποκαλούμε DNA και το 1889 ο μαθητής τουΡίτσαρντ Άλτμαντην ονόμασεNukleinsäure(οξύ της νουκλεΐνης δηλ. νουκλεϊνικό οξύ).
Την ίδια περίπου εποχή ο μοναχόςΓκρέγκορ Μέντελανακάλυπτε τους νόμους τηςΓενετικής.Πέρασαν όμως 75 χρόνια προκειμένου να φανεί ότι η ανακάλυψη του Μίσερ αποτελούσε τη μοριακή βάση της ανακάλυψης του Μέντελ.
Σημαντικό ρόλο στην ανακάλυψη του γενετικού ρόλου του DNA είχε τoβακτήριοτουπνευμονιόκοκκου(Diplococcus pneumoniae– σημερινή ονομασίαStreptococcuspneumoniae). Το 1928 οΦρεντ Γκρίφιθχρησιμοποίησε δύο στελέχη του συγκεκριμένου βακτηρίου, τα οποία ξεχωρίζουν μορφολογικά όταν καλλιεργηθούν σε θρεπτικό υλικό λόγω της παρουσίας ή μη ενόςελύτρου(= περίβλημα). Πιο συγκεκριμένα, συνηθίζεται να αναφερόμαστε:
- στο λείο βακτήριο, δηλαδή το στέλεχος που είχε έλυτρο (συμβολίζεται μεSαπό το αγγλικόsmooth= λείος) επειδή δημιουργεί λείες αποικίες ενώ ταυτόχρονα είναι παθογόνο, και
- στο αδρό βακτήριο, δηλαδή το στέλεχος που δεν είχε έλυτρο (συμβολίζεται μεRαπό το αγγλικόrough= αδρός) επειδή δημιουργεί αδρές αποικίες και δεν είναι παθογόνο.
Το πείραμα έγινεin vivo.Ο Γκρίφιθ ανακάλυψε ότι το μη παθογόνο βακτήριο (R) μπορεί να μετατραπεί σε παθογόνο (S), χορηγώντας σε έναποντίκιένα μείγμα βακτηρίων από ζωντανά αδρά βακτήρια και νεκρά λεία βακτήρια. Το μείγμα αποδείχτηκε παθογόνο, ενώ καθένα από τα συστατικά του από μόνο του δεν ήταν. Τόσο τα ζωντανά αδρά βακτήρια όσο και τα νεκρά λεία βακτήρια από μόνα τους δεν ήταν παθογόνα. Ο Γκρίφιθ συμπέρανε ότι με κάποιο τρόπο μερικά αδρά βακτήριαμετασχηματίστηκανσε λεία παθογόνα, χωρίς όμως να δώσει ικανοποιητική εξήγηση για τον τρόπο που γίνεται κάτι τέτοιο.
Η απάντηση δόθηκε το 1944, όταν οιΌσβαλντ Έιβερι,Κόλιν ΜακλέοντκαιΜακλίν Μακάρτιεπανέλαβαν τα πειράματα του Γκρίφιθ σε δοκιμαστικό σωλήνα εργαστηρίου (in vitro). Ο Έιβερι και οι συνεργάτες του διαχώρισαν τα διάφορα συστατικά των νεκρών λείων βακτηρίων σευδατάνθρακες,πρωτεΐνες,RNA,DNA κ.α. και ερεύνησαν ποιο από αυτά μπορούσε να μετασχηματίσει τους αδρούς πνευμονιόκοκκους. Τα αποτελέσματά τους έδειξαν ότι το συστατικό που προκαλούσε τον μετασχηματισμό των αδρών βακτηρίων σε λεία ήταν το DNA. Ένα τέτοιο εύρημα ήταν μία πολύ καλή απόδειξη ότι το DNA αποτελεί το γενετικό υλικό και αποτέλεσε την αρχή μιας επαναστατικής περιόδου για τιςβιολογικές επιστήμες.
Η οριστική όμως επιβεβαίωση ότι το DNA αποτελεί το γενετικό υλικό έγινε 8 χρόνια αργότερα. Το 1952, δύο επιστήμονες, οΆλφρεντ Χέρσεϊκαι ηΜάρθα Τσέιςχρησιμοποίησαν βακτηριοφάγους Τ2, δηλαδή ιούς που προσβάλλουν βακτήρια, τους οποίους είχαν ιχνηθετήσει με ραδιενεργό φωσφόρο-32. Ο φωσφόρος-32 ενσωματώνεται στο DNA των βακτηριοφάγων, αλλά όχι στα αμινοξέα που βρίσκονται στο περίβλημά τους. Με αυτούς τους φάγους μόλυναν βακτήριαEscherichia coliκαι παρατήρησαν ότι τα βακτήρια εξέπεμπαν ραδιενέργεια. Έτσι συμπέραναν ότι το DNA εισήλθε στα βακτήρια.
Στη συνέχεια, σε ένα δεύτερο πείραμα ιχνηθέτησαν φάγους Τ2 με ραδιενεργό Θείο-35, το οποίο ενσωματώνεται μόνο στα αμινοξέαμεθειονίνηκαικυστεΐνηκαι όχι στο DNA και επανέλαβαν την προηγούμενη διαδικασία. Το αποτέλεσμα ήταν τα βακτήρια να μην εκπέμπουν ραδιενέργεια. Έτσι, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι το DNA είναι το γενετικό υλικό που εισέρχεται στα βακτήρια και περιέχει την πληροφορία για τον πολλαπλασιασμό των φάγων, ενώ τα πρωτεϊνικά περιβληματά τους δεν εισέρχονται στα βακτήρια.
Σημείο σταθμό σε αυτή την περίοδο αποτελεί η ανακάλυψη της δομής του DNA που πραγματοποιήθηκε το 1953 από τουςΤζέιμς Γουάτσον(Αμερικανός) καιΦράνσις Κρικ,Βρετανός,ερευνητές που εργάζονταν στοΠανεπιστήμιο του Καίμπριτζ.Η ανακάλυψη τους, όμως, μάλλον θα πρέπει να αντιμετωπίζεται ως το αποτέλεσμα μιας σειράς σχετικών ερευνητικών δεδομένων, παρά ως μια μεμονωμένη 'επαναστατική' ανακάλυψη. Για παράδειγμα, από το 1948 οΛίνους Πάουλινγκείχε ανακαλύψει ότι αρκετές πρωτεϊνες περιλάμβαναν σχήματα με ελικοειδή δομή, πραγματοποιώντας πειράματα με χρήσηακτίνων Χ.Επίσης, από το 1947 οΈρβιν Τσάργκραφείχε παρατηρήσει κάτι χαρακτηριστικό: σε οποιοδήποτε δείγμα DNA, τo ποσοστό των νουκλεοτιδίων που έχουν ωςαζωτούχοβάση τηναδενίνηείναι ίσο με τo ποσοστό των νουκλεοτιδίων που έχουν ως αζωτούχο βάση τηθυμίνη,ενώ τo ποσοστό των νουκλεοτιδίων που έχουν ως αζωτούχο βάση τηγουανίνηείναι ίσο με τo ποσοστό των νουκλεοτιδίων που έχουν ως αζωτούχο βάση τηνκυτοσίνη.
Οι Γουάτσον και Κρικ βασίστηκαν ιδιαίτερα στην έρευνα τηςΡόζαλιντ Φράνκλιν.Συγκεκριμένα, στηρίχθηκαν στα εξής:
- Μια φωτογραφία του DNA που ο Μόρις Γουίλκινς είχε πάρει από το γραφείο της Φράνκλιν και την έδειξε στον Γουάτσον. Εκείνος αναγνώρισε τη διπλή έλικα, κάτι που τον στήριξε στη συνέχιση των ερευνών του.
- Οι μετρήσεις της Φράνκλιν στο κυτταρικό DNA όπως παρουσιάζονταν σε μια μη δημόσια έκθεση που είδε ο Κρικ. Έτσι αντιλήφθηκε ότι οι δύο έλικες του DNA κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις (είναι αντιπαράλληλες).
Η προσφορά της Φράνκλιν, που πέθανε σε μικρή ηλικία (37) από καρκίνο των ωοθηκών λόγω των ραδιενεργών υλικών που χρησιμοποιούσε στη δουλειά της, αναγνωρίστηκε μετά τον θάνατό της. Δεν έγινε δυνατό να της απονεμηθεί τοβραβείο Νόμπελ,όπως έγινε με τους άλλους τρεις ερευνητές, καθώς το βραβείο απονέμεται μόνο σε πρόσωπα εν ζωή.
Τα αποτελέσματα των εργασιών των Γουάτσον και Κρικ καθώς και τα αποτελέσματα των εργασιών των Φράνκλιν και Γουίλκινς ανακοινώθηκαν στις 25 Απριλίου 1953, στο ίδιο τεύχος του περιοδικούNature.Για τη συνεισφορά τους στη μελέτη της δομής του DNA, οι Γουάτσον και Κρικ μοιράστηκαν το 1962 τοΒραβείο Νομπέλμε τονΜόρις Γουίλκινς.
To 1957 οι Γουάτσον και Κρικ πρότειναν τοκεντρικό δόγμα της Μοριακής Βιολογίας,στο οποίο περιγράφουν τη διαδικασία με την οποία παράγονται πρωτεΐνες από το DNA του πυρήνα.
Σημαντικά επίσης σημεία της έρευνας σχετικά με το DNA αποτελούν η ανακάλυψη του μηχανισμού σύνθεσης του DNA από τονΆρθουρ Κόρνμπεργκτο 1956 και η ανακάλυψη του γενετικού κώδικα από τονΜάρσαλ Νίρενμπεργκτο 1961.
Εξωτερικοί σύνδεσμοι
[Επεξεργασία|επεξεργασία κώδικα]
