Основно съдържание

Курс: Биология 7-10 клас Общообразователна подготовка > Раздел 4

Урок 1: Генетика. Преговор

Въведение в генната експресия (централна догма)

Как гените в ДНК могат да осигурят инструкции за протеините. Централната догма в молекулярната биология: ДНК → РНК → протеин.

Преглед: Генна експресия

ДНК е генетичният материал на всички организми ни Земята. Когато ДНК бива предадена от родителите на децата, тя може да определи някои от характеристиките на децата (като цвета на очите или цвета на косата им). Но как последователността на една ДНК молекула може да повлияе на характеристиките на човек или друг организъм? Например как поредицата на нуклеотидите (А, Т, Ц и Г) в ДНК на граховите растения, изследвани от Мендел, определя цвета на цветчетата им?

Гените кодират функционални продукти (като протеини)

Една ДНК молекула не е просто дълга, скучна нишка от нуклеотиди. Вместо това е разделена на функционални единици, наречени гени. Всеки ген предоставя инструкции за синтеза на функционален продукт, тоест, молекула, необходима за извършване на работа в клетката. В много случаи функционалният продукт на един ген е протеин. Например генът за цвета на цветчетата на Мендел предоставя инструкции за синтеза на протеин, който помага за изграждане на оцветени молекули (пигменти) във венчелистчетата на цветето.

Функционалните продукти на повечето известни гени са протеини или, по-точно, полипептиди. Полипептид е просто друга дума за полимер, изграден от аминокиселини. Въпреки че много протеини се състоят от единичен полипептид, някои са изградени от няколко полипептида. Гени, които специфицират полипептиди, се наричат протеин-кодиращи гени.

Не всички гени определят синтеза на полипептиди. Вместо това някои предоставят инструкции за изграждане на функционални РНК молекули като транспортна РНК и рибозомна РНК, които играят роля в процеса на транслация.

Както е споменато по-горе, ДНК на един организъм може да бъде разделена на функционални единици, наречени гени. Генът представлява някаква ДНК последователност, която предоставя инструкции за изграждане на продукт, от който клетката има нужда. Някои продукти са полипептиди, докато други са функционални РНК-и.

Идеята, че гените кодират полипептиди е съществувала много години (можем да я проследим чак до експерименти от Бийдъл и Татум през 40-те години на 20-ти век).

Идеята, че гените обикновено кодират функционални РНК-и е по-нова. Определени видове функционални РНК-и (като транспортни РНК-и и рибозомни РНК-и) са били познати от много години. Но учените съвсем наскоро открили много други гени, които кодират регулаторни РНК-и, некодиращи протеини РНК-и, които променят експресията на други гени. Как работят тези РНК-и е активна област на проучване.

Как ДНК последователността на един ген кодира определен протеин?

Много гени предоставят инструкции за изграждане на полипептиди. Как точно ДНК насочва изграждането на един полипептид? Този процес включва две главни стъпки: транскрипция и транслация.

При транскрипцията ДНК последователността на един ген бива копирана, за да се направи РНК молекула. Тази стъпка се нарича транскрипция, понеже включва пренаписване, или транскрибиране, на ДНК последователността в подобна РНК "азбука". При еукариотите РНК молекулата трябва да премине през обработване, за да стане зряла информационна РНК (иРНК).
При транслация последователността на иРНК бива декодирана, за да специфицира аминокиселинната последователност на един полипептид. Името транслация отразява факта, че нуклеотидната последователност на иРНК трябва да бъде транслитерирана в напълно различния "език" на аминокиселините.

Следователно, по време на експресията на протеин-кодиращ ген, информацията прочтича от ДНК

\to

РНК

\to

протеин. Този насочен поток на информацията е познат като централната догма на молекулярната биология. Некодиращите протеин гени (гени, които специфицират функционални РНК-и) пак биват транскрибирани за производство на РНК, но тази РНК не е транслитерирана в полипептид. За всеки вид гени процесът на преминаване от ДНК към функционален продукт е известен като генна експресия.

Може да се чудиш: защо при експресията на гените е нужна стъпката транскрипция? Защо ДНК последователността не се транслира директно в аминокиселинната последователност на полипептида?

Това е чудесен въпрос, който все още няма окончателен отговор. Просто това е начинът, по който е еволюирала системата за генна експресия, и можем само да правим догадки, когато разсъждаваме "защо" има транскрипция. Ако намерим живот на друга планета, той може вероятно да експресира гените си чрез различен процес, който не включва транслация.

Но в известните ни организми транскрипцията е важна част от генната експресия. Дори ако клетките някак можеха директно да четат ДНК последователностите и да ги използват за изграждане на протеини (но не могат), има причини транскрипцията пак да е необходима стъпка:

Едната причина е свързана с местоположението. В една еукариотна клетка ДНК е "заключена" в ядрото, докато рибозомите – молекулярните машини, използвани за производство на протеини – се намират в цитозола. Следователно е необходим "информационен пратеник", който да пренесе информацията от ДНК в ядрото навън към чакащите рибозоми. Информационните РНК-и (иРНК-и) изпълняват тази дейност.
Транскрипцията също предоставлявя важна контролна точка, при която клетките регулират какво количество от един полипептид да се произведе. Въпреки че други етапи от генната експресия също могат да бъдат регулирани, контролът на транскрипцията е най-честият вид на регулация на гените. Ако етапът на транскрипция някак бъде премахнат, клетките биха изгубили голяма част от контрола върху това кои полипептиди да се произвеждат и кога.

Транскрипция

При транскрипцията едната верига ДНК, която е част от даден ген и се нарича некодираща верига, действа като матрица за синтеза на съответстваща (комплементарна) РНК верига чрез ензим, наречен РНК полимераза. Тази РНК верига е първичният транскрипт.

Първичният транскрипт носи същата последователност като не-транскрибираната верига ДНК, понякога наричана кодираща верига. Но първичният транскрипт и кодиращата верига на ДНК не са идентични поради някои биохимични разлики между ДНК и РНК. Една важна разлика е, че РНК молекулите не включват базата тимин (Т). Вместо това те имат подобната база урацил (У). Също като тимина, урацилът се свързва с аденин.

Видът на захарите. Захарта в един РНК нуклеотид е рибоза, докато захарта в ДНК е дезоксирибоза. Те са много подобни, но рибозата има хидроксилна (

- OH

) група, която липсва при дезоксирибозата.

Брой вериги. Транскрипцията произвежда едноверижна РНК молекула, докато началната ДНК молекула беше двойноверижна.

Въпреки че РНК транскриптите не са изградени от две отделни вериги, РНК понякога може да се сгъне върху себе си, за да образува двойноверижни области и сложни триизмерни структури. Ще видим примери за РНК сгъване, когато разгледаме транспортната РНК (тРНК) и транслацията на протеините. В допълнение, някои вируси имат геноми, изградени от двойноверижна РНК.

Виж статията за нуклеиновите киселини за повече информация за ДНК и РНК.

Транскрипция и обработка на РНК: При еукариоти и при бактерии

При бактериите първичният РНК транскрипт може директно да служи като информационна РНК, или иРНК. Информационните РНК-и получават името си, понеже действат като носители на информация между ДНК и рибозомите. Рибозомите са изградени от РНК и протеини и се намират в цитозола, където се синтезират протеините.

При еукариотите (като хората) първичен транскрипт трябва да премине през допълнителни стъпки на обработка, за да стане зряла иРНК. По време на обработването към краищата на РНК се добавят "шапки" и някои части от нея може внимателно да бъдат премахнати в процес, наречен сплайсинг. Тези стъпки не протичат при бактериите.

Мястото, където протича транскрипцията, също се различава между прокариотите и еукариотите. Еукариотната транскрипция се осъществява в ядрото, където се съхранява ДНК, докато синтезата на протеини протича в цитозола. Поради това еукариотна иРНК трябва да излезе от ядрото, преди да може да бъде транслирана в полипептид. Прокариотните клетки, от друга страна, нямат ядро, така че извършват и транскрипцията, и транслацията в цитозола.

Транслация

След транскрипцията (и при еукариотите след обработването) молекулата иРНК е готова да ръководи синтеза на протеини. Процесът на използване на информацията в иРНК за изграждане на полипептид се нарича транслация.

Генетичният код

По време на транслация нуклеотидната последователност на иРНК се транслира в аминокиселинната последователност на един полипептид. По-точно нуклеотидите от иРНК се четат като триплети (групи от по три), наречени кодони. Има

61

кодона, които специфицират аминокиселини. Един кодон е "старт" кодон, който посочва къде да бъде започната транслацията. Старт кодонът съответства на аминокиселината метионин, така че повечето полипептиди започват с тази аминокиселина. Три други "стоп" кодона сигнализират края на полипептида. Тези връзки между кодони и аминокиселини се наричат генетичен код.

Стъпки на транслацията

Транслацията протича в структури, наречени рибозоми. Рибозомите са молекулярни машини, чиято работа е да изграждат полипептиди. След като една рибозома се прикрепи към иРНК и намери "старт" кодона, тя бързо се придвижва надолу по иРНК, кодон по кодон. Докато се придвижва, тя постепенно ще построи верига от аминокиселини, която точно отразява последователността от кодони в иРНК.

Как рибозомата "знае" коя аминокиселина да добави за всеки кодон? Както се оказва, това свързване не се прави от самата рибозома. Вместо това зависи от група специализирани РНК молекули, наречени транспортни РНК-и (тРНК-и). Всяка тРНК има три нуклеотида, изпъкващи от единия край, които могат да разпознаят (да се свържат с базите на) само един или няколко кодона. В другия край тРНК носи аминокиселина – по-точно, аминокиселината, която съвпада с тези кодони.

Има много тРНК-и, носещи се в една клетка, но само тази тРНК, която съвпада (чиито бази се свързват с) кодона, който в момента бива разчетен, може да се прикрепи и да достави аминокиселината си. След като тРНК бива свързана към съответния си кодон в рибозомата, нейната аминокиселина ще бъде добавена към края на полипептидната верига.

Този процес се повтаря много пъти, като рибозомата се премества надолу по иРНК кодон по кодон. Веригата от аминокиселини се изгражда от една по една, като аминокиселинната последователност съвпада с последователността на кодоните на иРНК. Транслацията приключва, когато рибозомата стигне до стоп кодон и освободи полипептида.

Какво се случва след това?

След като полипептидът бъде завършен, той може да бъде обработен или модицифиран, комбиниран с други полипептиди или пренесен към специфично местоположение вътре в или извън клетката. В крайна сметка той ще извърши специфична работа, нужна на клетката или организма – вероятно като сигнална молекула, структурен елемент или ензим!

Обобщение:

ДНК е разделена на функционални единици, наречени гени, които може да специфицират полипептиди (протеини и протеинови субединици) или функционални РНК-и (като тРНК-и и рРНК-и).
Информацията от един ген се използва за изграждане на функционален продукт при процес, наречен генна експресия.
Ген, който кодира полипептид, бива експресиран в две стъпки. В този процес информацията протича от ДНК $\to$ ‍ РНК $\to$ ‍ протеин, насочен процес, познат като централната догма на молекулярната биология.
- Транскрипция: Едната ДНК верига на гена се копира в РНК. При еукариотите РНК транскриптът трябва да премине през допълнителни стъпки на обработване, за да стане зряла информационна РНК (иРНК).
- Транслация: Нуклеотидната последователност на иРНК е декодирана, за да специфицира аминокиселинната последователност на един полипептид. Този процес протича в рибозома и изисква адаптерни молекули, наречени тРНК-и.
По време на транслация нуклеотидите от иРНК се четат в групи по три, наречени кодони. Всеки кодон специфицира определена аминокиселина или стоп сигнал. Тази поредица връзки е позната като генетичен код.

Разгледай темата извън Кан Академия

Искаш да научиш повече за транскрипцията? Виж тази интерактивна анимация от LabXchange.

Искаш да научиш повече за транслацията? Виж тази интерактивна анимация от LabXchange.

LabXchange е безплатна, научно-образователна онлайн платформа, създадена от факултета по изкуства и науки на университета Харвард с подкрепата на фондация Amgen.

Тази статия е лицензирана под разрешително CC BY-NC-SA 4.0.

Цитирани трудове:

Hellens, R. P., Moreau, C., Lin-Wang, K., Schwinn, K. E., Thomson, S. J., Fiers, M. W. E. J., . . . Noel Ellis, T. H. (2010, October 11). Identification of Mendel's white flower character. PLOS ONE. http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0013230.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Figure 14.4. Alleles, alternative versions of a gene. In Campbell biology (10th ed., p. 271). San Francisco, CA: Pearson.
CyberBridge. (2007). RNA structure. In Structure of DNA. Retrieved from http://cyberbridge.mcb.harvard.edu/dna_3.html.

Препратки:

Hellens, R. P., Moreau, C., Lin-Wang, K., Schwinn, K. E., Thomson, S. J., Fiers, M. W. E. J., . . . Noel Ellis, T. H. (2010, October 11). Identification of Mendel's white flower character. PLOS ONE. http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0013230.

OpenStax College, Biology. (2015, December 29). The genetic code. In OpenStax CNX. Retrieved from http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@9.87:QEibhJMi@8/The-Genetic-Code.

Purves, W. K., Sadava, D. E., Orians, G. H., and Heller, H.C. (2004). DNA, RNA, and the flow of information. In Life: the science of biology (7th ed., pp. 236-237). Sunderland, MA: Sinauer Associates.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Genes specify proteins via transcription and translatioin. In Campbell biology (10th ed., pp. 334-340). San Francisco, CA: Pearson.

Благодарности:

Много благодарности на Уили МакАлистър за полезните коментари за тази статия.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.