Μετά από 2 μήνες γεμάτους διαβάσματα, εξετάσεις και υποχρεώσεις, νά’μαστε και πάλι εδώ!😀

Αν και το blog αφορά μόνο τη Χημεία, είναι αναπόφευκτη (και φυσικά χρησιμότατη) η αναφορά και σε άλλες επιστήμες, τόσο θετικές όσο και θεωρητικές.  Το ποστ αυτό είναι ένα καλό παράδειγμα, καθώς αναφέρεται σε αρχές Χημείας, Βιοχημείας και Βιολογίας. Αν μάλιστα βοηθήσει στο να αυξηθούν οι επισκέψεις στο blog, ακόμη καλύτερα..:mrgreen:


Εισαγωγή

Όλοι γνωρίζουμε τα DNA και RNA. Είναι μόρια που παίζουν καθοριστικό ρόλο για τη ζωή, καθώς αποθηκεύουν τη γενετική πληροφορία και συμμετέχουν στη ροή της.  Έτσι, η γενετική πληροφορία μεταγράφεται σε RNA και στη συνέχεια μεταβιβάζεται με τη μετάφραση του RNA σε πρωτεΐνες, που είναι τα κατ’εξοχήν λειτουργικά μόρια του κυττάρου.

Τόσο το DNA όσο και το RNA είναι γραμμικά πολυμερή νουκλεοτιδίων. Ένα από τα μονομερή που περιέχουν, είναι μια αζωτούχα βάση. Στο DNA η βάση αυτή, όπως μαθαίνουμε, μπορεί να είναι Αδενίνη, Θυμίνη, Γουανίνη, Κυτοσίνη (A, T, G, C οι αντίστοιχοι συμβολισμοί). Στο RNA όμως, βλέπουμε ότι αντί της Θυμίνης υπάρχει μια άλλη αζωτούχα βάση, η Ουρακίλη (U). Γιατί όμως στο RNA υπάρχει Ουρακίλη και όχι Θυμίνη;

Βασικές Έννοιες

Αν και το ποστ αυτό «προαπαιτεί» μια βασική γνώση Βιολογίας Λυκείου, θα αναφέρω επιγραμματικά κάποιες βασικές έννοιες και αρχές που συναντάμε, για όσους τα έχουν ξεχάσει (αν και όποιος έχει δώσει Βιολογία στις Πανελλήνιες, μάλλον θα θυμάται αυτό το κομμάτι του βιβλίου μέχρι τα γεράματα😛 ).

Όπως αναφέραμε, τα DNA και RNA είναι γραμμικά πολυμερή. Αποτελούνται από τα εξής μονομερή: ένα σάκχαρο, μια φωσφορική ομάδα και μια αζωτούχα βάση.

Το σάκχαρο που χρησιμοποιείται και στις 2 περιπτώσεις είναι μια πεντόζη, περιέχει δηλαδή 5 άτομα άνθρακα. Στο RNA (ριβονουκλεϊκό οξύ) χρησιμοποιείται μια ριβόζη, ενώ στο DNA (δεοξυριβονουκλεϊκό οξύ) χρησιμοποιείται η δεοξυριβόζη, δηλαδή ριβόζη στην οποία η μια υδροξυλική ομάδα –ΟΗ (αυτή του C2) έχει αντικατασταθεί από άτομο υδρογόνου. Μάλιστα, αυτός είναι και ο λόγος που το DNA πλεονεκτεί έναντι του RNA ως γενετικό υλικό: η υδροξυλομάδα του RNA καθιστά το μόριο ευάλωτο σε υδρόλυση, ενώ το DNA δεν παρουσιάζει τέτοια προβλήματα.

Δομή Δεοξυριβόζης και Ριβόζης. Επισημαίνεται η διαφορά τους στον C2.

Η φωσφορική ομάδα ενώνεται στον C5 του σακχάρου, ενώ η αζωτούχα βάση στον C1. Έτσι, λαμβάνουμε την τελική δομή ενός ριβονουκλεοτιδίου (για το RNA) ή νουκλεοτιδίου (για το DNA):

Γενικές δομές Ριβονουκλεοτιδίου και Δεοξυριβονουκλεοτιδίου, αντίστοιχα.

Τα πολυμερή σχηματίζονται από την ένωση της φωσφορικής ομάδας (που δεσμέυεται στον C5) ενός νουκλεοτιδίου, με την υδροξυλομάδα –ΟΗ του C3 ενός δεύτερου νουκλεοτιδίου. Ο δεσμός ονομάζεται φωσφοδιεστερικός.

Σχηματισμός φωσφοδιεστερικού δεσμού.

Το DNA είναι ένα δίκλωνο μόριο, και όπως έδειξαν οι Watson, Crick και Franklin σχηματίζει μια διπλή έλικα. Οι δύο κλώνοι ενώνονται μεταξύ τους με δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των αζωτούχων βάσεων που περιέχονται στα νουκλεοτίδια: η Αδενίνη ενώνεται μόνο με Θυμίνη, με 2 δεσμούς υδρογόνου, ενώ η Γουανίνη ενώνεται μόνο με Κυτοσίνη με 3 δεσμούς υδρογόνου. Η ίδια αρχή ισχύει και κατά την αντιγραφή του DNA, όπου ένα δίκλωνο μόριο DNA αντιγράφεται σε 2 δίκλωνα.

Η αδενίνη ενώνεται μόνο με θυμίνη και η γουανίνη μόνο με κυτοσίνη.
Εδώ παρατηρούμε το σχηματισμό 2 δεσμών υδρογόνου μεταξύ A και T, το σχηματισμό 3 δεσμών υδρογόνου μεταξύ C και G, καθώς και ότι το Twilight είναι για τα μπάζα

Στη συνέχεια, το γενετικό μήνυμα μεταγράφεται από το DNA σε RNA. To RNA είναι ένα μονόκλωνο μόριο. Αυτό σημαίνει ότι μόνο ο ένας κλώνος του DNA μεταγράφεται. Το ποιος θα είναι αυτός σχετίζεται με τον προσανατολισμό του κάθε κλώνου (λόγω χώρου δε θα αναφέρω πιο πολλά, κάντε μου comment αν θέλετε λεπτομέρειες!). Δημιουργείται, λοιπόν, αρχικά ένα δίκλωνο μόριο, που αποτελείται από έναν κλώνο DNA και έναν κλώνο RNA. Εδώ όμως, οι αδενίνες του DNA θα ενώνονται με ουρακίλες. Τελικά ο κλώνος RNA αποκολλάται κι έτσι λαμβάνουμε το μονόκλωνο μόριο RNA που περιέχει τη γενετική πληροφορία.

Μεταγραφή του DNA σε RNA.

Αζωτούχες Βάσεις

ΟΚ, καλή (ή μάλλον, ελπίζω να ήταν καλή:mrgreen: ) η επανάληψη, όμως το ερώτημα παραμένει: γιατί στο RNA υπάρχει Ουρακίλη αντί της Θυμίνης;

Αρχικά ας δούμε τις αζωτούχες βάσεις. Αυτές μπορεί να είναι είτε πουρίνες είτε πυριμιδίνες.

Τόσο οι πουρίνες όσο και οι πυριμιδίνες είναι κυκλικές αρωματικές ενώσεις που περιέχουν άτομα C, N, H. Παράγωγα της πουρίνης είναι η Αδενίνη και η Γουανίνη, ενώ παράγωγα πυριμιδίνης είναι η Κυτοσίνη, η Θυμίνη και η Ουρακίλη.

Όπως βλέπουμε από το σχήμα παρακάτω, κυτοσίνη, θυμίνη και ουρακίλη μοιάζουν αρκετά ως προς τη δομή. Ειδικότερα, η μόνη διαφορά της θυμίνης σε σχέση με την ουρακίλη είναι μια μεθυλομάδα στη θέση 5.

Δομή πουρίνης/ πυριμιδίνης και των αντίστοιχων παραγώγων τους A,G/ C,U,T.

Ουρακίλη και Θυμίνη

Για ποιο λόγο λοιπόν υπάρχει αυτή η διαφορά; Η εξήγηση βρίσκεται αν λάβουμε υπόψη μας τον κίνδυνο μετάλλαξης του DNA.

Μια μετάλλαξη στο DNA αφορά αλλαγές στην αλληλουχία βάσεών του. Ένας από τους πιο κοινούς μεταλλαξιγόνους παράγοντες είναι το νιτρώδες οξύ, HNO2. H ένωση αυτή αντιδρά με βάσεις που περιέχουν αμινομάδες (-ΝΗ2) και τους προκαλεί απαμίνωση. Δηλαδή, αφαιρείται η αμινομάδα της αζωτούχας βάσης και απομένει μια ομάδα -C=O.

Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται σε μια μετάλλαξη κυτοσίνης. Όμως, όπως βλέπουμε από τις αντίστοιχες δομές, μέσω του HNO2 έχουμε μετάλλαξη της κυτοσίνης σε ουρακίλη.

Το νιτρώδες οξύ μετατρέπει την κυτοσίνη σε ουρακίλη.

Αυτός είναι και ο λόγος που το DNA περιέχει θυμίνη. Εάν περιείχε ουρακίλη, τότε η ουρακίλη που βρίσκεται σε σωστή θέση δε θα μπορούσε να διακριθεί από αυτήν που θα προέκυπτε από απαμίνωση σε άλλη θέση. Τελικά, ένα ζεύγος βάσεων γουανίνης-κυτοσίνης θα μεταλλασσόταν σε ζεύγος γουανίνης-αδενίνης στη θυγατρική αλυσίδα,  μετά την αντιγραφή του DNA. Άρα, η γενετική πληροφορία δε θα μεταβιβαζόταν στη συνέχεια με καθόλου ακρίβεια!

Με την παρουσία της θυμίνης, το παραπάνω πρόβλημα δεν υφίσταται. Η μετάλλαξη προλαμβάνεται από ένα σύστημα επιδιόρθωσης, που ψάχνει μόνο νουκλεοτίδια με ουρακίλες για να απομακρύνει, αφήνοντας ανέγγιχτα αύτα που περιέχουν θυμίνη. Ουσιαστικά, η μεθυλομάδα της θυμίνης στη θέση 5, που είναι και η μόνη διαφορά της Τ με την U, είναι μια «ετικέτα» για τη διάκριση της θυμίνης από την απαμινωμένη κυτοσίνη, και βοηθά καθοριστικά στην ενίσχυση της πιστότητας της γενετικής πληροφορίας.

Βέβαια για επιτυχία με τις γυναίκες, η θυμίνη έχει σαφώς μικρότερη δυναμική από την ουρακίλη

Οργανισμοί με ουρακίλη στο DNA τους

Όπως σε όλα σχεδόν στην επιστήμη, έτσι και εδώ υπάρχουν εξαιρέσεις.😛 Συναντούμε λοιπόν και οργανισμούς οι οποίοι περιέχουν ουρακίλη στο DNA τους. Ένα παράδειγμα είναι τα έντομα που ανήκουν στα Endopterygota, δηλαδή έντομα όπως τα μυρμήγκια ή οι πεταλούδες, που υφίστανται μεταμόρφωση κατά τον κύκλο ζωής τους. Τα ζώα αυτά δε διαθέτουν τους μηχανισμούς επιδιόρθωσης για την απομάκρυνση της Ουρακίλης από το DNA τους, με συνέπεια να παραμένει εκεί. Το φαινόμενο αυτό «βοηθά» τα έντομα αυτά στον προγραμματισμένο κυτταρικό θάνατό κατά τον κύκλο ζωής τους.

Μην τον φάτε. Είναι μεταλλαγμένος:mrgreen:

Βιβλιογραφία

Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer, «Βιοχημεία» (τόμοι Ι,ΙΙ), Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης

David L. Nelson, Michael M. Cox, «Lehninger Βασικές Αρχές Βιοχημείας» (τόμοι 1,3), Ιατρικές Εκδόσεις Π.Χ. Πασχαλίδης

http://www.scienceinschool.org/2011/issue18/uracil

http://en.wikipedia.org/wiki/Endopterygota