Το DNA Είναι Το Γενετικό Υλικό PDF

**To DNA είναι το γενετικό υλικό** Παρ' όλο που το DNA εντοπίστηκε στον πυρήνα των κυττά- ρων το 1869, έως και το 1944 δεν ήταν γνωστό ότι αποτελεί το γενετικό υλικό των οργανισµών. Οι επιστήµονες πίστευαν ότι τα µόρια που µεταφέρουν τη γενετική πληροφορία είναι οι πρωτεΐ- νες, που παρουσιάζουν μεγ...

**To DNA είναι το γενετικό υλικό** Παρ' όλο που το DNA εντοπίστηκε στον πυρήνα των κυττά- ρων το 1869, έως και το 1944 δεν ήταν γνωστό ότι αποτελεί το γενετικό υλικό των οργανισµών. Οι επιστήµονες πίστευαν ότι τα µόρια που µεταφέρουν τη γενετική πληροφορία είναι οι πρωτεΐ- νες, που παρουσιάζουν μεγαλύτερη ποικιλομορφία, επειδή εί- ναι αποτέλεσµα συνδυασµού είκοσι διαφορετικών αµινοξέων, ενώ το DNA είναι συνδυασμός τεσσάρων μόνο νουκλεοτιδίων! Το 1928 ο Griffith χρησιµοποίησε δύο στελέχη του βακτηρίου πνευµονιόκοκκος (*Diplococcus pneumoniae*), τα οποία ξεχω- ρίζουν μορφολογικά, όταν καλλιεργηθούν σε θρεπτικό υλικό, λόγω της παρουσίας ή µη ενός προστατευτικού καλύµµατος. Το στέλεχος που είχε κάλυμμα σχημάτιζε λείες αποικίες και ήταν παθογόνο, δηλαδή σκότωνε τα ποντίκια που µόλυνε, ενώ εκεί- νο που δεν είχε κάλυμμα σχημάτιζε αδρές αποικίες και δεν ήταν παθογόνο. **1. Το γενετικό υλικό** **Εικόνα 1.1 Τα πειράµατα του Griffith έδειξαν ότι ένας «ειδικός παράγοντας» που υπάρχει στα παθογόνα βακτήρια µετασχηµατίζει τα µη παθογόνα σε πα- θογόνα ακόµη και αν τα παθογόνα βακτήρια έχουν σκοτωθεί λόγω θέρµαν- σης.** *Μία **αποικία** είναι ένα σύνολο από µικροοργανισµούς, που έχουν προέλθει από διαδοχικές διαιρέσεις ενός κυττάρου, όταν αυτό αναπτύσσεται σε στερεό θρεπτικό υλικό. Οι αποικίες είναι ορατές µε γυµνό οφθαλµό.* Ο Griffith χρησιμοποίησε υψηλή θερμοκρασία, για να σκο- τώσει τα λεία βακτήρια και µε αυτά µόλυνε ποντικούς, οι οποίοι παρέμεναν ζωντανοί. Όταν όμως ανέμειξε νεκρά λεία βακτήρια με ζωντανά αδρά και με το μείγμα μόλυνε ποντικούς, τότε αυ- τοί πέθαναν. Στο αίμα των νεκρών ποντικών βρέθηκαν ζωντανά λεία βακτήρια. Ο Griffith συµπέρανε ότι µερικά αδρά βακτήρια «µετασχηµατίστηκαν» σε λεία παθογόνα ύστερα από αλληλεπί- δραση µε τα νεκρά λεία βακτήρια, αλλά δεν µπόρεσε να δώσει ικανοποιητική απάντηση για το πώς γίνεται αυτό (Εικόνα 1.1). Η απάντηση δόθηκε το 1944, όταν οι Avery, Mac-Leod και McCarty επανέλαβαν τα πειράματα του Griffith *in vitro*. Οι ερευνητές διαχώρισαν τα συστατικά των νεκρών λείων βακτη- ρίων σε υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, λιπίδια, RNA, DNA κτλ. και έλεγξαν ποιο από αυτά είχε την ικανότητα µετασχηµατισµού. ∆ιαπίστωσαν ότι το συστατικό που προκαλούσε το µετασχηµα- τισµό των αδρών βακτηρίων σε λεία ήταν το DNA. Την ίδια εποχή υπήρχαν πολλά βιοχημικά δεδομένα που υποστήριζαν ότι το DNA είναι το γενετικό υλικό. Η ποσότητα του DNA σε κάθε οργανισμό είναι σταθερή και δε μεταβάλλεται από αλλαγές στο περιβάλλον. Η ποσό- τητα του DNA είναι επίσης ίδια σε όλα τα είδη κυττάρων 18 ενός οργανισµού όπως στην περίπτωση του ανθρώπου σε αυτά του σπλήνα, της καρδιάς, του ήπατος κτλ. Οι γαμέτες των ανώτερων οργανισμών, που είναι απλοει- δείς, περιέχουν τη µισή ποσότητα DNA από τα σωµατικά κύτταρα, που είναι διπλοειδή. Η ποσότητα του DNA είναι, κατά κανόνα, ανάλογη με την πολυπλοκότητα του οργανισµού. Συνήθως, όσο εξελικτικά ανώτερος είναι ο οργανισµός τόσο περισσότερο DNA πε- ριέχει σε κάθε κύτταρό του. Η οριστική επιβεβαίωση ότι το DNA είναι το γενετικό υλικό ήλθε το 1952 με τα κλασικά πειράματα των Hershey και Chase οι οποίοι μελέτησαν τον κύκλο ζωής του βακτηριοφάγου (φά- γου) Τ2. Οι ερευνητές ιχνηθέτησαν τους φάγους µε ραδιενεργό 35 S, που ενσωµατώνεται µόνο στις πρωτεΐνες αλλά όχι στο DNA, και µε ραδιενεργό, 32Ρ που ενσωµατώνεται µόνο στο DNA και όχι στις πρωτεΐνες. Στη συνέχεια µε ραδιενεργούς φάγους µό- λυναν βακτήρια. Τα αποτελέσµατα έδειξαν ότι µόνο το DNA των φάγων εισέρχεται στα βακτηριακά κύτταρα και είναι ικανό να «δώσει τις απαραίτητες εντολές», για να πολλαπλασιαστούν και να παραχθούν οι νέοι φάγοι. **Το DΝΑ αποτελείται από νουκλεοτίδια, που ενώνονται µε φωσφοδιεστερικό δεσµό** To DNA, όπως και το RNA, είναι ένα μακρομόριο, που απο- τελείται από **νουκλεοτίδια**. Κάθε νουκλεοτίδιο του DNA απο- τελείται από μία πεντόζη, τη δεοξυριβόζη, ενωμένη με μία φωσφορική ομάδα και μία αζωτούχο βάση (Εικόνα 1.2). Στα νουκλεοτίδια του DNA η αζωτούχος βάση μπορεί να είναι μία από τις: αδενίνη (Α), γουανίνη (G), κυτοσίνη (C) και θυμίνη (Τ) (Εικόνα 1.3). Σε κάθε νουκλεοτίδιο η αζωτούχος βάση συνδέεται με τον 1' άνθρακα της δεοξυριβόζης και η φωσφορική ομάδα µε τον 5' άνθρακα. Μια **πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα** σχηµα- τίζεται από την ένωση πολλών νουκλεοτιδίων με ομοιοπολικό δεσµό. Ο δεσµός αυτός δηµιουργείται µεταξύ του υδροξυλίου του 3' άνθρακα της πεντόζης του πρώτου νουκλεοτιδίου και της φωσφορικής οµάδας που είναι συνδεδεµένη στον 5' άνθρα- κα της πεντόζης του επόμενου νουκλεοτιδίου. Ο δεσμός αυτός ονομάζεται 3'-5' **φωσφοδιεστερικός δεσµός**. Με τον τρόπο αυτό η πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα που δηµιουργείται έχει ένα σκελετό, που αποτελείται από επανάληψη των μορίων φωσφο- ρική ομάδα-πεντόζη-φωσφορική ομάδα-πεντόζη. Ανεξάρτητα από τον αριθµό των νουκλεοτιδίων από τα οποία αποτελείται η πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα, το πρώτο της νουκλεοτίδιο έχει πάντα µία ελεύθερη φωσφορική οµάδα συνδεδεµένη στον 5' άνθρακα της πεντόζης του και το τελευταίο νουκλεοτίδιό της έχει ελεύθερο το υδροξύλιο του 3' άνθρακα της πεντόζης του (Εικόνα 1.5). Για το λόγο αυτό αναφέρεται ότι ο προσανατο- λισµός της πολυνουκλεοτιδικής αλυσίδας είναι 5'ĺ3' (Εικόνα 1.4). **Η ανακάλυψη της διπλής έλικας του DNA είναι η µεγαλύτερη βιολογική ανακάλυψη του 20ού αιώνα** Παρ' ότι η χηµική σύσταση και οι ιδιότητες του DNA, µε τα πειράµατα που αναφέρθηκαν πιο πάνω, είχαν γίνει γνωστά, δεν υπήρχε κοινά αποδεκτή πρόταση για τη δοµή του DNA στο χώρο. ∆εδοµένα από την ανάλυση του ποσοστού των βάσεων σε µόρια DNA από διαφορετικούς οργανισµούς έδειχναν ότι σε κάθε µόριο DNA ο αριθµός των νουκλεοτιδίων που έχουν ως βάση την αδενίνη είναι ίσος µε τον αριθµό των νουκλεοτιδίων που έχουν θυµίνη, και ο αριθµός των νουκλεοτιδίων που έχουν ως βάση τη γουανίνη είναι ίσος µε τον αριθµό αυτών που έχουν κυτοσίνη. Δηλαδή ισχύει Α=Τ και G=C. Επίσης, βρέθηκε ότι η αναλογία των βάσεων \[(A+T)/(G + C)\] διαφέρει από είδος σε είδος και σχετίζεται με το είδος του οργανισμού. Τα αποτελέ- σµατα αυτά σε συνδυασµό µε αποτελέσµατα που αφορούσαν την απεικόνιση του µορίου του DNA µε χρήση ακτίνων-Χ βοή- **Ταξίδι στο χρόνο** **1869 Αποµονώνεται DNA από τον κυτταρικό πυρήνα. 1903 Αποδεικνύεται ότι τα χρωµοσώµατα είναι φορείς του κληρονοµικού (γενετικού) υλικού. 1944 Αποδεικνύεται ότι το DNA είναι το γενετικό υλικό. 1953 Ανακαλύπτεται η δοµή της διπλής έλικας του DNA.** *Η έκφραση **in vivo** χρησιµοποιείται για την περιγραφή µιας βιολογικής διαδικασίας όταν αυτή πραγµατοποιείται σε ένα ζω- ντανό οργανισµό. Η έκφραση **in vitro** χρησιµοποιείται για την περιγραφή µιας βιολογικής διαδικασίας όταν αυτή πραγµατοποιείται στο δοκι- µαστικό σωλήνα. Ένα τυπικό **in vivo** παράδειγµα είναι η απόδειξη του ηµισυ- ντηρητικού µηχανισµού της αντιγραφής του DNA. Αντίστοιχο **in vitro** παράδειγµα είναι η ανάλυση των ενζύµων της αντιγραφής του DNA. **Ιχνηθέτηση.** Είναι η σήµανση χηµικών µορίων µε τη χρήση ραδιενεργών ισοτόπων, φθοριζουσών ουσιών, κτλ. Ένα τυπι- κό παράδειγµα είναι η χρήση ραδιενεργού φωσφόρου 32Ρ στα νουκλεοτίδια για την ιχνηθέτηση του DNA.* κεφάλαιο 1 19 θησαν στην ανακάλυψη της διπλής έλικας του DNA και απέδει- ξαν τις µοναδικές ιδιότητές του που το καθιστούν µόριο ιδανικό ως γενετικό υλικό. Η ανακάλυψη της διπλής έλικας του DNA είναι η μεγαλύτερη βιολογική ανακάλυψη του 20ού αιώνα. Έγι- νε το 1953 και ήταν το αποτέλεσµα της ερευνητικής εργασίας δύο ομάδων επιστημόνων: των Wilkins και Franklin καθώς και των Watson και Crick. Στηριζόμενοι στο σύνολο των αποτελε- σμάτων των δύο ομάδων οι Watson και Crick διατύπωσαν το µοντέλο της **διπλής έλικας του DNA**, που αναφέρεται στη δοµή του DNA στο χώρο (Εικόνα 1.5). Σύμφωνα με το μοντέλο αυτό: To DNA αποτελείται από δύο πολυνουκλεοτιδικές αλυσί- δες που σχηματίζουν στο χώρο μία δεξιόστροφη διπλή έλικα. Η διπλή έλικα έχει ένα σταθερό σκελετό, που αποτελείται από επαναλαµβανόµενα µόρια φωσφορικής οµάδας-δε- οξυριβόζης ενωμένων με φωσφοδιεστερικό δεσμό. Ο σκελετός αυτός είναι υδρόφιλος και βρίσκεται στο εξω- τερικό του µορίου. Προς το εσωτερικό του σταθερού αυ- τού σκελετού βρίσκονται οι αζωτούχες βάσεις που είναι υδρόφοβες. **Εικόνα 1.2 Νουκλεοτίδιο του DNA (α) και του RNA (β).** **Εικόνα 1.3 Οι τέσσερις αζωτούχες βάσεις του DNA. Η αδενίνη συνδέεται µε τη θυµίνη µε δύο δεσµούς υδρογόνου και η γουανίνη συνδέεται µε την κυτοσί- νη µε τρεις δεσµούς υδρογόνου.** **Εικόνα 1.4 Το βέλος δείχνει τον φωσφοδιεστερικό σκελετό µε προσανατολι- σµό 5'ĺ3'.** **ĭωσijορική ομάδα** **Ǻάση** **ǻεοξυριβόζη** **ǻεοξυριβόζη ǻεοξυριβόζη** **ĭωσijορική ομάδα** **Ǻάση** **ȇιβόζη** **ǹδενίνη Ĭυμίνη** **ǻεοξυριβόζη ǻεοξυριβόζη** O P O 2 O ƍ ƍ ƍ ƍ ƍ CH (α) C C C C H H H H O H H O O O P O 2 O ƍ ƍ ƍ ƍ ƍ CH (β) C C C C O H H H H O H H H ȃ ȃ ȃ ȃ ȃ ȃ ȃ O H O H 3 2 1 5 4 ----- ----- --- 2 Ǿ 32Ǿ Ǿ ----- ----- --- 1 4 5 C C C C C O O O O C C C C Ǿ Ǿ Ǿ Ǿ Ǿ Ǿ Ǿ Ǿ O O ȃ ȃ ȃ ȃ ȃ ȃ ȃ O H O H 3 2 4 1 5 2 3 1 4 5 C C C C O O O O C C C C Ǿ Ǿ Ǿ Ǿ Ǿ Ǿ 2Ǿ Ǿ Ǿ Ǿ Ǿ **Ȁυτοσίνη** **īουανίνη** **ĭωσijορική ομάδα** **Ǻάση** **ǻεοξυριβόζη** **ǻεοξυριβόζη ǻεοξυριβόζη** **ĭωσijορική ομάδα** **Ǻάση** **ȇιβόζη** **ǹδενίνη Ĭυμίνη** **ǻεοξυριβόζη ǻεοξυριβόζη** O P O -------- --- 2 ƍCHC O -------- --- ƍ ƍ ƍ ƍ (α) C C C H H H H O H H O O O P O 2 O ƍ ƍ ƍ ƍ ƍ CH (β) C C C C O H H H H O H H H ȃ ȃ ȃ ȃ ȃ ȃ --- ȃ --- O H O H 3 2 1 5 4 2 3 1 4 5 C C C C C O O O O C C C C Ǿ Ǿ Ǿ Ǿ 2Ǿ Ǿ ǾǾ Ǿ O O ȃ ȃ ȃ ȃ ȃ ȃ --- ȃ --- O H O H 3 2 4 1 5 2 3 1 4 5 C C C C O O O O C C C C Ǿ Ǿ Ǿ Ǿ Ǿ Ǿ 2Ǿ Ǿ Ǿ Ǿ Ǿ **Ȁυτοσίνη** **īουανίνη** 20 **Εικόνα 1.5 ∆ίκλωνη έλικα του DNA.** Οι αζωτούχες βάσεις της μιας αλυσίδας συνδέονται με δε- σμούς υδρογόνου με τις αζωτούχες βάσεις της απέναντι αλυσίδας µε βάση τον κανόνα της συµπληρωµατικότητας. Η αδενίνη συνδέεται μόνο με θυμίνη και αντίστροφα, ενώ η κυτοσίνη µόνο µε γουανίνη και αντίστροφα. Οι δεσµοί υδρογόνου που αναπτύσσονται µεταξύ των βάσεων στα- θεροποιούν τη δευτεροταγή δοµή του µορίου. Ανάμεσα στην αδενίνη και τη θυμίνη σχηματίζονται δυο δεσµοί υδρογόνου, ενώ ανάµεσα στη γουανίνη και την κυτοσίνη σχηματίζονται τρεις δεσμοί υδρογόνου. Οι δύο αλυσίδες ενός µορίου DNA είναι συµπληρωµατι- κές, και αυτό υποδηλώνει ότι η αλληλουχία της µιας κα- θορίζει την αλληλουχία της άλλης. Η συμπληρωματικότητα έχει τεράστια σηµασία για τον αυτοδιπλασιασµό του DNA, κεφάλαιο 1 21 µια ιδιότητα που το καθιστά το καταλληλότερο µόριο για τη διατήρηση και τη µεταβίβαση της γενετικής πληροφορίας. Κάθε αλυσίδα DNA µπορεί να χρησιµεύει ως καλούπι για τη σύνθεση μιας συμπληρωματικής αλυσίδας, ώστε τελικά να σχηματίζονται δύο δίκλωνα µόρια DNA πανοµοιότυπα µε το µητρικό µόριο. Οι δύο αλυσίδες είναι αντιπαράλληλες, δηλαδή το 3' άκρο της µίας είναι απέναντι από το 5' άκρο της άλλης. **Εικόνα 1.6 α. Το βακτηριακό κύτταρο έχει ένα κυκλικό µόριο DNA το οποίο είναι συνδεδεµένο στο εσωτερικό τµήµα της κυτταρικής µεµβράνης, β. Έχει επίσης ένα µικρό κυκλικό µόριο DNA, το πλασµίδιο, το οποίο έχει γονίδια ανθεκτικότητας σε αντιβιοτικά, γ. Φωτογραφία του πλασµιδίου στο ηλεκτρο- νικό µικροσκόπιο.** **Το γενετικό υλικό ελέγχει όλες τις λειτουρ- γίες του κυττάρου** To DNA αποτελεί το γενετικό υλικό όλων των κυττάρων και των περισσότερων ιών. Κάποιοι ιοί έχουν ως γενετικό υλικό RNA (RNA-ιοί). Συνοπτικά οι λειτουργίες του γενετικού υλικού είναι: ** Η αποθήκευση** της γενετικής πληροφορίας. Στο DNA (ή στο RNA των RNA ιών) περιέχονται οι πληροφορίες που καθορίζουν όλα τα χαρακτηριστικά ενός οργανισμού και οι οποίες οργανώνονται σε λειτουργικές µονάδες, **τα γο-** **νίδια.** ** Η διατήρηση** και η µεταβίβαση της γενετικής πληροφορί- ας από κύτταρο σε κύτταρο και από οργανισµό σε οργα- νισμό, που εξασφαλίζονται με τον αυτοδιπλασιασμό του DNA. ** Η έκφραση** των γενετικών πληροφοριών, που επιτυγχάνε- ται με τον έλεγχο της σύνθεσης των πρωτεϊνών. Το γενετικό υλικό ενός κυτ- τάρου αποτελεί το **γονιδίωµά** του. Τα κύτταρα στα οποία το γονιδίωµα υπάρχει σε ένα µόνο αντίγραφο, όπως είναι τα προκαρυωτικά κύτταρα και οι γαµέτες των διπλοειδών ορ- γανισμών, ονομάζονται **απλο- ειδή.** Τα κύτταρα στα οποία το γονιδίωµα υπάρχει σε δύο αντίγραφα, όπως είναι τα σω- µατικά κύτταρα των ανώτερων ευκαρυωτικών οργανισµών, ονομάζονται **διπλοειδή.** Στα ευκαρυωτικά κύτταρα το γε- νετικό υλικό κατανέµεται στον πυρήνα, στα µιτοχόνδρια και στους χλωροπλάστες. Συνήθως όµως ο όρος γονιδίωµα ανα- φέρεται στο γενετικό υλικό που βρίσκεται στον πυρήνα. Για την περιγραφή του µήκους ή της αλληλουχίας ενός νου- κλεϊκού οξέος χρησιμοποιείται ο όρος **αριθµός** ή **αλληλουχία βάσεων** αντίστοιχα. Στην πραγµατικότητα εννοούµε τον αριθµό ή την ακολουθία των νουκλεοτιδίων του νουκλεϊκού οξέος. Η απλούστευση αυτή γίνεται γιατί το µόνο τµήµα του νουκλεοτι- δίου που αλλάζει είναι η αζωτούχος βάση. Έτσι αναφέρεται ότι ένα μόριο DNA έχει μήκος 2.000 ζεύγη βάσεων, επειδή είναι δίκλωνο, ενώ ένα μόριο mRNA έχει μήκος 2.000 βάσεις επειδή είναι µονόκλωνο. ***Zea mays (καλαµπόκι) Homo sapiens Drosophila melanogaster Sacharomyces cerevisae Escherichia coli*** **5 x 109** **3 x 109** **1.6 x 108** **1.4 x 107** **4 x 106** **10** **23 4 16 1** **ΠΙΝΑΚΑΣ 1.1: Μέγεθος γονιδιώµατος διάφορων οργανισµών** **Συνολικό DNA (σε ζεύγη βάσεων)** **Αριθµός χρωµοσωµάτων (απλοειδές κύτταρο)** **Οργανισµός** 22 **Το γενετικό υλικό των προκαρυωτικών κυττάρων είναι ένα κυκλικό µόριο DNA** Το γενετικό υλικό των προκαρυωτικών κυττάρων είναι ένα **δί- κλωνο κυκλικό µόριο DNA** µήκους περίπου 1 mm. Το κυκλικό αυτό µόριο DNA αναδιπλώνεται και πακετάρεται µε τη βοήθεια κυρίως πρωτεϊνών με αποτέλεσμα να έχει τελικό μήκος στο κύτ- ταρο 1 µm. Περιέχει ένα αντίγραφο του γονιδιώµατος, άρα τα προκαρυωτικά κύτταρα είναι απλοειδή. Σε πολλά βακτήρια, εκτός από το κύριο κυκλικό µόριο DNA, υπάρχουν και τα **πλασµίδια** (Εικόνα 1.6). Τα πλασµίδια είναι δίκλωνα, κυκλικά µόρια DNA µε διάφορα µεγέθη. Περιέχουν µικρό ποσοστό της γενετικής πληροφορίας και αποτελούν το 1-2% του βακτηριακού DNA. Ένα βακτήριο µπορεί να περι- έχει ένα ή περισσότερα πλασµίδια, τα οποία αντιγράφονται ανεξάρτητα από το κύριο µόριο DNA του βακτηρίου. Μεταξύ των γονιδίων που περιέχονται στα πλασµίδια υπάρχουν γονί- δια ανθεκτικότητας σε αντιβιοτικά και γονίδια που σχετίζονται µε τη µεταφορά γενετικού υλικού από ένα βακτήριο σε άλλο. Τα πλασµίδια έχουν τη δυνατότητα να ανταλλάσσουν γενετικό υλικό τόσο µεταξύ τους όσο και µε το κύριο µόριο DNA του βακτηρίου, καθώς και να µεταφέρονται από ένα βακτήριο σε άλλο. Με τον τρόπο αυτό μετασχηματίζουν το βακτήριο στο οποίο εισέρχονται και του προσδίδουν καινούριες ιδιότητες. Τα πλασµίδια αποτελούν πολύτιµο εργαλείο των τεχνικών της Γενετικής Μηχανικής, όπως θα αναλυθεί στο κεφάλαιο του ανα- συνδυασµένου DNA. **Το γενετικό υλικό των ευκαρυωτικών οργανισµών έχει πολύπλοκη οργάνωση** Το γενετικό υλικό των ευκαρυωτικών κυττάρων έχει µεγαλύ- τερο µήκος από αυτό των προκαρυωτικών. Το συνολικό DNA που υπάρχει σε κάθε ευκαρυωτικό κύτταρο δεν είναι ένα ενιαίο µόριο, αλλά αποτελείται από πολλά γραµµικά µόρια, ο αριθµός και το µήκος των οποίων είναι χαρακτηριστικά για τα διάφορα είδη των οργανισµών. Τα µόρια του DNA πακετάρονται µε πρω- τεΐνες και σχηματίζουν τα ινίδια χρωματίνης. Το συνολικό DNA σε κάθε διπλοειδές κύτταρο του ανθρώπου έχει µήκος περίπου 2 m και συσπειρώνεται σε τέτοιο βαθµό, ώστε να χωράει στον πυρήνα, που έχει διάμετρο δέκα εκατομμυριοστά του μέτρου! Στο ηλεκτρονικό µικροσκόπιο, ύστερα από ειδική επεξεργα- σία, τα ινίδια χρωματίνης μοιάζουν με κομπολόγια από χά- ντρες. Κάθε «χάντρα» ονομάζεται **νουκλεόσωµα** και αποτελεί τη βασική µονάδα οργάνωσης της χρωµατίνης. Το νουκλεόσω- μα αποτελείται από DNA μήκους 146 ζευγών βάσεων και από οκτώ μόρια πρωτεϊνών, που ονομάζονται **ιστόνες**. To DNA εί- ναι τυλιγµένο γύρω από το οκταµερές των ιστονών (Εικόνα 1.7). Τα νουκλεοσώµατα αναδιπλώνονται µε αποτέλεσµα το DNA να πακετάρεται σε μεγαλύτερο βαθμό, σχηματίζοντας τελικά τα ινί- δια της χρωµατίνης. Στην αναδίπλωση συµµετέχουν και άλλα είδη πρωτεϊνών. Αν παρατηρήσουµε το γενετικό υλικό ενός ευκαρυωτικού κυτ- τάρου, βλέπουμε ότι εμφανίζεται με διαφορετικές χαρακτηρι- στικές µορφές, ανάλογα µε το στάδιο του **κυτταρικού κύκλου.** **Η Μοριακή Βιολογία µε αριθµούς** **Εάν ξεδιπλώναµε το DNA του πυρήνα ενός σωµατικού κυτ- τάρου του ανθρώπου, αυτό θα έφτανε συνολικά τα 2 m, όσο είναι δηλαδή το ύψος του διασηµότερου καλαθοσφαιριστή που «πάτησε» στα γήπεδα του πλανήτη µας, του Air-Michael Jordan.** κεφάλαιο 1 23 **Εικόνα 1.7 Επίπεδα πακεταρίσµατος του DNA στο µεταφασικό χρωµόσωµα. Στο κάτω µέρος της εικόνας φαίνονται µεταφασικά χρωµοσώµατα στο οπτικό µικροσκόπιο.** 24 Κατά τη µεσόφαση το γενετικό υλικό έχει µικρό βαθµό συσπεί- ρωσης και σχηματίζει δίκτυο ινιδίων χρωματίνης. Κατά συνέ- πεια τα ινίδια χρωµατίνης δεν είναι ορατά ως µεµονωµένες δο- µές µε το οπτικό µικροσκόπιο. Με το τέλος της αντιγραφής κάθε ινίδιο χρωµατίνης έχει διπλασιαστεί. Τα δύο αντίγραφα κάθε ινιδίου συνδέονται μεταξύ τους με μία δομή που ονομάζεται **κεντροµερίδιο.** Ο όρος **αδελφές χρωµατίδες** χρησιµοποιείται για να περιγρά- ψει τα διπλασιασμένα χρωμοσώματα κατά το χρονικό διάστη- µα που είναι συνδεδεµένα στο κεντροµερίδιο. Στην κυτταρική διαίρεση οι αδελφές χρωµατίδες συσπειρώνονται και, κατά το στάδιο της µετάφασης, αποκτούν µέγιστο βαθµό συσπείρωσης. Στο στάδιο αυτό ο υψηλός βαθμός συσπείρωσης καθιστά τα µεταφασικά χρωµοσώµατα ευδιάκριτα και έτσι είναι εύκολο να παρατηρηθούν µε το οπτικό µικροσκόπιο (Εικόνα 1.7). Στο τέλος της κυτταρικής διαίρεσης προκύπτουν δύο νέα κύτταρα, γενετικά όµοια µεταξύ τους και µε το αρχικό, αφού το καθένα περιέχει τη µία από τις δύο «πρώην» αδελφές χρωµατίδες από κάθε χρωµόσωµα. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι τα ινίδια της χρωματίνης, τα χρωµοσώµατα και οι χρωµατίδες αποτελούν «διαφορετικές όψεις του ίδιου νομίσματος». Τα ινίδια της χρωματίνης δι- πλασιάζονται στη μεσόφαση και «μετατρέπονται» σε αδελφές χρωµατίδες, οι οποίες γίνονται ευδιάκριτες στην κυτταρική δι- αίρεση. Κατά το τέλος της κυτταρικής διαίρεσης αποχωρίζονται πλήρως, αποσυσπειρώνονται σταδιακά και «µετατρέπονται» πάλι σε ινίδια χρωµατίνης στο µεσοφασικό πυρήνα των νέων κυττάρων κ.ο.κ. Παρ' όλες όµως τις µορφολογικές αυτές µε- ταβολές η χηµική σύσταση του γενετικού υλικού παραµένει αµετάβλητη. **Παρατήρηση των χρωµοσωµάτων του ανθρώπου - Καρυότυπος** Το ανθρώπινο γονιδίωµα σε ένα απλοειδές κύτταρο (γαµέ- τη) αποτελείται από περίπου 3x109 ζεύγη βάσεων DNA, που είναι οργανωμένα σε 23 χρωμοσώματα. Η μελέτη των χρωμο- σωµάτων είναι δυνατή µόνο σε κύτταρα τα οποία διαιρούνται. Τα κύτταρα αυτά µπορεί να προέρχονται είτε από ιστούς που διαιρούνται φυσιολογικά είτε από κυτταροκαλλιέργειες, όπου γίνεται *in vitro* επαγωγή της διαίρεσης µε ουσίες που έχουν µιτογόνο δράση. Τα χρωµοσώµατα µελετώνται στο στάδιο της μετάφασης, όπου εμφανίζουν το μεγαλύτερο βαθμό συσπείρω- σης και είναι ευδιάκριτα. Επειδή σε ένα πληθυσµό διαιρούµε- νων κυττάρων το ποσοστό αυτών που βρίσκονται στη µετάφαση είναι µικρό, χρησιµοποιούνται ουσίες οι οποίες σταµατούν την κυτταρική διαίρεση στη φάση αυτή. Στη συνέχεια τα κύτταρα επωάζονται σε υποτονικό διάλυμα, ώστε να σπάσει η κυτταρική τους µεµβράνη, και τα χρωµοσώµατά τους απλώνονται σε αντι- κειμενοφόρο πλάκα. Τέλος, χρωματίζονται με ειδικές χρωστικές ουσίες και παρατηρούνται στο µικροσκόπιο. Κάθε φυσιολογικό µεταφασικά χρωµόσωµα αποτελείται από δύο αδελφές χρωµατίδες, οι οποίες συγκρατούνται στο κεντροµερίδιο. Το κεντροµερίδιο «διαιρεί» κάθε χρωµατίδα σε δύο βραχίονες, ένα µεγάλο και ένα µικρό. Τα µεταφασικά χρωµοσώµατα ενός κυττάρου διαφέρουν µεταξύ τους ως προς το µέγεθος και ως προς τη θέση του κεντροµεριδίου. Τα χρω- μοσώματα ταξινομούνται σε ζεύγη κατά ελαττούμενο μέγεθος. Η απεικόνιση αυτή αποτελεί τον **καρυότυπο** (Εικόνα 1.8). Ο αριθµός και η µορφολογία των χρωµοσωµάτων είναι ιδιαίτερο χαρακτηριστικό κάθε είδους. Στον άνθρωπο τα φυσιολογικά αρσενικά και θηλυκά άτοµα έχουν στον πυρήνα των σωµατικών τους κυττάρων 23 **ζεύγη χρωµοσωµάτων**. Το ένα χρωµόσωµα κάθε ζεύγους είναι πατρικής και το άλλο μητρικής προέλευσης και ελέγχουν τις ίδιες ιδιότητες. Από τα 23 ζεύγη τα 22 είναι μορφολογικά ίδια στα αρσενικά και στα θηλυκά άτοµα και ονο- μάζονται **αυτοσωµικά χρωµοσώµατα**. Το 23ο ζεύγος στα θηλυκά άτομα αποτελείται από δύο Χ χρωµοσώµατα, ενώ στα αρσε- νικά από ένα Χ και ένα Υ χρωμόσωμα. Το Υ χρωμόσωμα είναι μικρότερο σε μέγεθος από το Χ. Τα χρωμοσώματα αυτά ονομάζο- νται **φυλετικά** και σε πολλούς οργανισµούς, συµπεριλαµβανοµένου και του ανθρώπου, καθορίζουν το φύλο. Στον άνθρωπο η πα- ρουσία του Υ χρωμοσώματος καθορίζει το αρσενικό άτοµο, ενώ η απουσία του το θη- λυκό άτοµο. Έτσι, ένα φυσιολογικό αρσενι- κό άτοµο έχει 44 αυτοσωµικά χρωµοσώµα- τα και ένα ζεύγος ΧΥ, ενώ ένα φυσιολογικό θηλυκό 44 αυτοσωμικά και ένα ζεύγος XX. **Εικόνα 1.8 Καρυότυπος φυσιολογικού αρσενικού ατόµου, στον οποίο έχει προστεθεί απεικόνιση του 1ου χρωµοσώµατος (χρώση Giemsa).** κεφάλαιο 1 25 **Τα µιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες έχουν το δικό τους γενετικό υλικό** Τα µιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες έχουν DNA. Το γενετικό υλικό των µιτοχονδρίων και των χλωροπλαστών περιέχει πλη- ροφορίες σχετικές µε τη λειτουργία τους, δηλαδή σχετικά µε την οξειδωτική φωσφορυλίωση και τη φωτοσύνθεση αντίστοιχα, και κωδικοποιεί μικρό αριθμό πρωτεϊνών. Οι περισσότερες όµως πρωτεΐνες, που είναι απαραίτητες για τη λειτουργία των µιτοχονδρίων και των χλωροπλαστών, κωδικοποιούνται από γονίδια που βρίσκονται στο DNA του πυρήνα. Το γεγονός αυτό δείχνει ότι τα οργανίδια αυτά δεν είναι ανεξάρτητα από τον πυ- ρήνα του κυττάρου και για το λόγο αυτό χαρακτηρίζονται ως **ηµιαυτόνοµα.** Το µιτοχονδριακό DNA στους περισσότερους οργανισµούς είναι κυκλικό µόριο. Κάθε µιτοχόνδριο περιέχει δύο έως δέκα αντίγραφα του κυκλικού µορίου DNA (Εικόνα 1.9). Σε ορισµέ- να όμως κατώτερα πρωτόζωα είναι γραμμικό. Το ζυγωτό των ανώτερων οργανισµών περιέχει µόνο τα µιτοχόνδρια που προ- έρχονται από το ωάριο. Εποµένως, η προέλευση των µιτοχον- δριακών γονιδίων είναι µητρική. To DNA των χλωροπλαστών είναι κυκλικό µόριο και έχει µε- γαλύτερο µέγεθος από το µιτοχονδριακό DNA. **Η θέση του κεντροµεριδίου καθορίζει το σχήµα του χρωµοσώµατος** **Όταν το κεντροµερίδιο βρίσκεται περίπου στο µέσον του χρωµοσώµατος, το χρωµόσωµα αυτό ονοµάζεται µετακε- ντρικό (π.χ. στον άνθρωπο το χρωµόσωµα 1). Όταν το κε- ντροµερίδιο βρίσκεται κοντά στο άκρο, το χρωµόσωµα ονο- µάζεται ακροκεντρικό (π.χ. το χρωµόσωµα 13). Τέλος, όταν το κεντροµερίδιο βρίσκεται σε ενδιάµεση θέση, το χρωµό- σωµα λέγεται υποµετακεντρικό (π.χ. το χρωµόσωµα 4).** **Ταξίδι στο χρόνο** **Το 1952 οι Hsu και Pomerat χρησιµοποίησαν υποτονικό διά- λυµα και το αλκαλοειδές κολχικίνη, που σταµατά τη διαίρε- ση στη µετάφαση, για την ανάλυση των χρωµοσωµάτων.** **Το 1960 οι Nowel, Moorehead και Hungerford επιτυγχά- νουν να καλλιεργήσουν λεµφοκύτταρα µε χρήση φυτοαιµα- γλουτινίνης στο εργαστήριο.** **Το 1960 πραγµατοποιείται στο Denver διάσκεψη και καθορί- ζεται το σύστηµα ονοµατολογίας των ανθρώπινων µεταφα- σικών χρωµοσωµάτων.** **Το 1970 ο Caspersson, χρησιµοποιώντας τη χρωστική κινα- κρίνη, επιτυγχάνει τη δηµιουργία ζωνών στα χρωµοσώµατα (ζώνες-Q).** **Το 1971 στη διάσκεψη που πραγµατοποιήθηκε στο Παρίσι καθορίζεται το πρότυπο των ζωνών των ανθρώπινων µετα- φασικών χρωµοσωµάτων.** **Εικόνα 1.9 Ένα µιτοχόνδριο περιέχει πολλά µόρια κυκλικού DNA.** 26 **Μιτοχονδριακές ασθένειες και γήρανση** **Κάθε κύτταρο περιέχει εκατοντάδες µιτοχόνδρια και κάθε µιτοχόνδριο έχει δύο έως δέκα αντίγραφα του κυκλικού µι- τοχονδριακού DNA. Έτσι, συνολικά κάθε κύτταρο µπορεί να έχει µέχρι και 10.000 µόρια κυκλικού µιτοχονδριακού DNA. Οι µεταλλάξεις που συµβαίνουν σ' αυτό οδηγούν σε πολύ σοβαρές ασθένειες, που προκαλούν βλάβες στο κεντρικό νευρικό σύστηµα, στην καρδιά και στο µυϊκό σύστηµα. Ο τρόπος κληρονόµησής τους είναι ιδιαίτερα πολύπλοκος. Στον ανθρώπινο οργανισµό, µε την πάροδο του χρόνου συσσωρεύονται στο µιτοχονδριακό DNA πολλές µεταλλά- ξεις από τοξικές ουσίες και ιδιαίτερα από ελεύθερες ρίζες. Λόγω των µεταλλάξεων, τα ένζυµα που παράγονται από το µιτοχονδριακό DNA και συµµετέχουν στις αντιδράσεις της αναπνευστικής αλυσίδας, παύουν να λειτουργούν σωστά. Γι' αυτό µε την ηλικία προκαλείται µυϊκή καχεξία, απώλεια της όρασης και της ακοής κ.ά. Πιστεύεται ότι η συµπλήρωση της διατροφής µας µε αντιοξειδωτικούς παράγοντες όπως η βιταµίνη C µπορεί να καθυστερήσει τη διαδικασία της γή- ρανσης.**