🧬

Το DNA είναι το γενετικό υλικό

Τεύχος Β΄ · Κεφ. 1 · Πειράματα Griffith, Avery, Hershey–Chase · Νουκλεοτίδια · Διπλή έλικα

Πρωτεΐνες ή DNA; Ένα στοίχημα που κράτησε δεκαετίες

Μέχρι τα μέσα του 20ού αιώνα οι περισσότεροι επιστήμονες πόνταραν στις πρωτεΐνες: 20 αμινοξέα έμοιαζαν πολύ πιο «πλούσιο αλφάβητο» από τα 4 νουκλεοτίδια του DNA. Τρία πειράματα, από το 1928 ως το 1952, τους έκαναν να αλλάξουν γνώμη — και το 1953 η διπλή έλικα εξήγησε πώς ένα τόσο «απλό» μόριο αντιγράφεται με ακρίβεια.

Ποιο μόριο είναι το γενετικό υλικό;

Το γενετικό υλικό πρέπει να πληροί τρεις προϋποθέσεις:

να περιέχει πληροφορίες για τη δομή και τη λειτουργία του οργανισμού,
να αντιγράφεται με ακρίβεια, ώστε η πληροφορία να μεταβιβάζεται στα θυγατρικά κύτταρα,
να επιτρέπει αλλαγές (μεταλλάξεις), που είναι η πρώτη ύλη της εξέλιξης.

Για πολλά χρόνια οι επιστήμονες πίστευαν ότι γενετικό υλικό είναι οι πρωτεΐνες, λόγω της μεγάλης ποικιλίας τους. Τρία κλασικά πειράματα έδειξαν ότι είναι το DNA.

Τα πειράματα

Griffith (1928): χρησιμοποίησε δύο στελέχη του βακτηρίου Streptococcus pneumoniae: το λείο (S), που έχει κάψα και είναι παθογόνο, και το αδρό (R), χωρίς κάψα, μη παθογόνο. Ποντίκια στα οποία ενέθεσε θανατωμένα με θέρμανση S μαζί με ζωντανά R πέθαναν, και στο αίμα τους βρέθηκαν ζωντανά S. Κάποιος «παράγοντας» των νεκρών S μετέτρεψε τα R σε S: το φαινόμενο ονομάστηκε μετασχηματισμός.
Avery, MacLeod και McCarty (1944): απομόνωσαν διάφορα μόρια των νεκρών S και έδειξαν ότι ο μετασχηματιστικός παράγοντας είναι το DNA: όταν το DNA καταστρεφόταν με ένζυμα, ο μετασχηματισμός δεν γινόταν.
Hershey και Chase (1952): εργάστηκαν με βακτηριοφάγους (ιούς βακτηρίων), που αποτελούνται μόνο από DNA και πρωτεΐνη. Σήμαναν το DNA με ραδιενεργό φώσφορο ( $^{32}P$ ) και τις πρωτεΐνες με ραδιενεργό θείο ( $^{35}S$ ). Μέσα στα βακτήρια εισερχόταν μόνο το σημασμένο DNA, και αυτό αρκούσε για να παραχθούν νέοι φάγοι.

Γρήγορος έλεγχος

Γιατί οι Hershey και Chase σήμαναν το DNA με $^{32}P$ και τις πρωτεΐνες με $^{35}S$ ;

Ήξερες ότι;

Το DNA ανακαλύφθηκε πολύ πριν από τα πειράματα του Griffith. Το 1869 ο Friedrich Miescher απομόνωσε από τους πυρήνες λευκών αιμοσφαιρίων μια άγνωστη ουσία πλούσια σε φώσφορο και την ονόμασε «νουκλεΐνη». Τα κύτταρα τα έπαιρνε από το πύον σε χρησιμοποιημένους χειρουργικούς επιδέσμους ενός νοσοκομείου.

Η δομή των νουκλεοτιδίων

Τα νουκλεϊκά οξέα (DNA και RNA) είναι πολυμερή νουκλεοτιδίων. Κάθε νουκλεοτίδιο αποτελείται από:

μια πεντόζη (σάκχαρο με 5 άτομα C): δεοξυριβόζη στο DNA, ριβόζη στο RNA,
μια φωσφορική ομάδα,
μια αζωτούχο βάση: αδενίνη (A), γουανίνη (G), κυτοσίνη (C) και θυμίνη (T) στο DNA· στο RNA η θυμίνη αντικαθίσταται από ουρακίλη (U).

Τα νουκλεοτίδια ενώνονται με φωσφοδιεστερικό δεσμό: η φωσφορική ομάδα που είναι συνδεδεμένη στον 5΄ άνθρακα της πεντόζης ενός νουκλεοτιδίου συνδέεται με το υδροξύλιο του 3΄ άνθρακα της πεντόζης του προηγούμενου. Έτσι κάθε πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα έχει προσανατολισμό: ένα 5΄ άκρο (ελεύθερη φωσφορική ομάδα) και ένα 3΄ άκρο (ελεύθερο υδροξύλιο).

Το μοντέλο της διπλής έλικας (Watson και Crick, 1953)

Με βάση τις εικόνες περίθλασης ακτίνων Χ (Wilkins, Franklin) και τις αναλογίες βάσεων (Chargaff), οι Watson και Crick πρότειναν:

Το DNA αποτελείται από δύο πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες που τυλίγονται η μία γύρω από την άλλη σχηματίζοντας δεξιόστροφη διπλή έλικα.
Ο «σκελετός» σακχάρου–φωσφορικής ομάδας βρίσκεται εξωτερικά, οι βάσεις εσωτερικά.
Οι αλυσίδες είναι αντιπαράλληλες: απέναντι από το 5΄ άκρο της μιας βρίσκεται το 3΄ άκρο της άλλης.
Οι βάσεις των δύο αλυσίδων συνδέονται με δεσμούς υδρογόνου σύμφωνα με την αρχή της συμπληρωματικότητας: η A με την T με 2 δεσμούς υδρογόνου και η G με την C με 3 δεσμούς υδρογόνου.

Η συμπληρωματικότητα σημαίνει ότι η αλληλουχία της μιας αλυσίδας καθορίζει πλήρως την αλληλουχία της άλλης — η βάση για την ακριβή αντιγραφή.

Κόλπο μνήμης

Τα A και T γράφονται μόνο με ευθείες γραμμές — 2 δεσμοί υδρογόνου. Τα G και C είναι καμπύλα γράμματα που «αγκαλιάζονται» πιο σφιχτά — 3 δεσμοί υδρογόνου. Γι' αυτό ένα DNA πλούσιο σε G–C χρειάζεται περισσότερη ενέργεια για να αποχωριστούν οι αλυσίδες του.

$A = T,\quad G = C,\quad A + G = T + C \qquad \text{δεσμοί υδρογόνου} = 2\,(\text{ζεύγη} A\text{-}T) + 3\,(\text{ζεύγη} G\text{-}C)$

Μέθοδος: ασκήσεις σύστασης DNA

Σε δίκλωνο DNA: $A = T$ και $G = C$ (σε αριθμό ή ποσοστό). Άρα $A\% + G\% = 50\%$ .
Αν δίνεται ένα ποσοστό, π.χ. $A = x\%$ : $T = x\%$ , $G = C = (100 - 2x)/2\ \%$ .
Δεσμοί υδρογόνου: $2 \cdot (\text{ζεύγη} A\text{-}T) + 3 \cdot (\text{ζεύγη} G\text{-}C)$ .
Για τη συμπληρωματική αλυσίδα: γράψε A↔T, G↔C και αντίστροφο προσανατολισμό (5΄↔3΄).
Οι κανόνες $A = T$ , $G = C$ δεν ισχύουν για μία μόνο αλυσίδα ούτε για μονόκλωνα μόρια (RNA, μονόκλωνο DNA ιών).

Παράδειγμα 1: Σε δίκλωνο μόριο DNA η αδενίνη αποτελεί το 20% των βάσεων. Βρες τα ποσοστά των άλλων βάσεων.

Λύση: $T = A = 20\%$ . Άρα $G + C = 100 - 40 = 60\%$ και, αφού $G = C$ : $G = C = 30\%$ .

Παράδειγμα 2: Δίνεται η αλυσίδα 5΄-ATGCCGTA-3΄. Γράψε τη συμπληρωματική της και βρες τους δεσμούς υδρογόνου του δίκλωνου τμήματος.

Λύση: Συμπληρωματική (με αντιπαράλληλο προσανατολισμό): 3΄-TACGGCAT-5΄, δηλαδή γραμμένη από 5΄ προς 3΄: 5΄-TACGGCAT-3΄.

Ζεύγη: A-T στις θέσεις με A ή T: A, T, T, A → 4 ζεύγη A-T. G, C, C, G → 4 ζεύγη G-C.

Δεσμοί υδρογόνου $= 2 \cdot 4 + 3 \cdot 4 = 8 + 12 = 20$ .

Άσκηση τύπου Πανελλαδικών: Ένα δίκλωνο μόριο DNA αποτελείται από 1.000 ζεύγη βάσεων και σχηματίζει 2.600 δεσμούς υδρογόνου.

(α) Πόσα ζεύγη A-T και πόσα G-C περιέχει; (β) Ποιο το ποσοστό της γουανίνης; (γ) Πόσοι φωσφοδιεστερικοί δεσμοί υπάρχουν αν το μόριο είναι γραμμικό;

Λύση:

(α) Έστω $x$ ζεύγη A-T και $y$ ζεύγη G-C: $x + y = 1000$ και $2x + 3y = 2600$ . Αφαιρώντας $2(x + y) = 2000$ : $y = 600$ , $x = 400$ .

(β) Συνολικές βάσεις $= 2000$ , G $= 600$ , άρα $G\% = \frac{600}{2000} = 30\%$ .

(γ) Κάθε γραμμική αλυσίδα 1.000 νουκλεοτιδίων έχει $1000 - 1 = 999$ φωσφοδιεστερικούς δεσμούς, άρα συνολικά $2 \cdot 999 = 1998$ . (Αν ήταν κυκλικό: $2 \cdot 1000 = 2000$ .)

Γρήγορος έλεγχος

Σε δίκλωνο DNA η κυτοσίνη είναι 35%. Ποιο είναι το ποσοστό της θυμίνης;

Γρήγορος έλεγχος

Ποια είναι η συμπληρωματική αλυσίδα του τμήματος 5΄-GATTC-3΄;

Πρόκληση

Σε ένα δίκλωνο μόριο DNA με 2.000 ζεύγη βάσεων, η αλυσίδα Ι έχει 10% A και 30% G. Σε ολόκληρο το μόριο η αδενίνη είναι 15%.

(α) Βρες τη σύσταση (%) της αλυσίδας Ι και της αλυσίδας ΙΙ. (β) Βρες τη σύσταση ολόκληρου του μορίου. (γ) Πόσους δεσμούς υδρογόνου έχει το μόριο;

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

(α) Η A της αλυσίδας ΙΙ ζευγαρώνει με την T της Ι, άρα $A_{\text{ΙΙ}} = T_{\text{Ι}}$ . Επειδή οι δύο αλυσίδες έχουν ίδιο αριθμό βάσεων, το ποσοστό της A στο μόριο είναι ο μέσος όρος των δύο αλυσίδων:

$15 = \frac{A_{\text{Ι}} + A_{\text{ΙΙ}}}{2} = \frac{10 + T_{\text{Ι}}}{2} \Rightarrow T_{\text{Ι}} = 20\%$

Άρα $C_{\text{Ι}} = 100 - 10 - 30 - 20 = 40\%$ . Αλυσίδα Ι: A 10%, T 20%, G 30%, C 40%. Με τη συμπληρωματικότητα, αλυσίδα ΙΙ: A 20%, T 10%, G 40%, C 30%.

(β) Μέσος όρος των δύο αλυσίδων: A = T = 15%, G = C = 35% — τώρα ισχύουν τα $A = T$ και $G = C$ , αφού μιλάμε για το δίκλωνο μόριο.

(γ) Ζεύγη A–T: $30\%$ των ζευγών $= 600$ . Ζεύγη G–C: $1.400$ . Δεσμοί υδρογόνου $= 2 \cdot 600 + 3 \cdot 1400 = 1200 + 4200 = 5400$ .

Η παγίδα: να εφαρμόσεις το $A = T$ μέσα στην αλυσίδα Ι και να γράψεις $T_{\text{Ι}} = 10\%$ .

Συνηθισμένα λάθη

Εφαρμογή των $A = T$ , $G = C$ σε μία αλυσίδα ή σε RNA — ισχύουν μόνο σε δίκλωνο μόριο.
Γραφή της συμπληρωματικής αλυσίδας χωρίς αναστροφή του προσανατολισμού 5΄–3΄.
Σύγχυση: ο φωσφοδιεστερικός δεσμός συνδέει νουκλεοτίδια της ίδιας αλυσίδας· οι δεσμοί υδρογόνου συνδέουν βάσεις απέναντι αλυσίδων.
«Ο Griffith απέδειξε ότι το DNA είναι γενετικό υλικό.» Ο Griffith περιέγραψε τον μετασχηματισμό· ότι ο παράγοντας είναι το DNA το έδειξαν οι Avery και συνεργάτες.

Σύνοψη — τι κρατάμε

Griffith: μετασχηματισμός R → S· Avery: ο μετασχηματιστικός παράγοντας είναι το DNA· Hershey–Chase: στα βακτήρια εισέρχεται το DNA ( $^{32}P$ ) και όχι η πρωτεΐνη ( $^{35}S$ ).
Νουκλεοτίδιο: πεντόζη + φωσφορική ομάδα + αζωτούχος βάση· φωσφοδιεστερικός δεσμός 5΄–3΄.
Διπλή έλικα: δύο αντιπαράλληλες αλυσίδες, σκελετός έξω, βάσεις μέσα.
Συμπληρωματικότητα: A–T (2 δεσμοί H), G–C (3 δεσμοί H)· σε δίκλωνο DNA $A = T$ , $G = C$ .

Ποιο μόριο είναι το γενετικό υλικό;

Το γενετικό υλικό πρέπει να πληροί τρεις προϋποθέσεις:

να περιέχει πληροφορίες για τη δομή και τη λειτουργία του οργανισμού,

να αντιγράφεται με ακρίβεια, ώστε η πληροφορία να μεταβιβάζεται στα θυγατρικά κύτταρα,

να επιτρέπει αλλαγές (μεταλλάξεις), που είναι η πρώτη ύλη της εξέλιξης.