ДНК, гени и синтез на белтък — урок по биология

1. Кое вещество носи наследствеността

До средата на XX век повечето учени смятат, че гените са от белтък – белтъците са разнообразни, а ДНК изглежда „скучна“, само с четири вида . Три опита променят това мнение.

Грифит (1928): убити с топлина вирулентни пневмококи, смесени с живи безвредни, „превръщат“ безвредните във вирулентни – мишките умират. Някакво вещество пренася белега: трансформация.
Ейвъри, Маклауд и Маккарти (1944): трансформацията изчезва, когато екстрактът се третира с , който разгражда ДНК, но не и с ензими за белтъци или РНК. Трансформиращото вещество е ДНК.
Хърши и Чейс (1952): бактериофагът (, който напада ) е само белтък и ДНК. Те белязват белтъка с радиоактивна сяра ³⁵S (в ДНК няма сяра), а ДНК – с фосфор ³²P (в белтъка почти няма фосфор). В бактерията влиза ³²P, а ³⁵S остава отвън в празните обвивки.

О

Ген

Участък от ДНК, който носи информация за един функционален продукт – най-често белтък (полипептид), а понякога РНК (например рРНК или тРНК). Генът включва и последователности, които определят кога и колко да се използва.

2. Двойната спирала

Химичният строеж на нуклеотидите, базите и е обяснен в урока Химия на живота. Тук ни трябват няколко числа и една важна подробност – посоката на веригите.

Т

Строеж на ДНК (Уотсън и Крик, 1953)

Две вериги от нуклеотиди, усукани в дясна спирала. Захарно-фосфатният гръбнак е отвън, базите – вътре, свързани с водородни връзки: А–Т (2 връзки) и Г–Ц (3 връзки). Веригите са антипаралелни: едната върви

5' \to 3'

, другата –

3' \to 5'

. Диаметърът е около 2 nm, на всяка навивка има около 10 двойки бази, а на двойка се падат 0,34 nm.

Т

Правило на Чаргаф

В двойноверижна ДНК

\%\,\text{А} = \%\,\text{Т}

и

\%\,\text{Г} = \%\,\text{Ц}

, затова пурините са колкото пиримидините:

\%\,\text{А} + \%\,\text{Г} = 50\%

. Отношението

\frac{\text{А} + \text{Т}}{\text{Г} + \text{Ц}}

обаче е различно при различните видове.

Пример

Едната верига на ДНК има 22% А, 30% Т, 28% Г и 20% Ц. Какъв е съставът на другата верига и на цялата молекула?

Срещу всяко А на първата верига стои Т на втората и т.н.: втората верига има 30% А, 22% Т, 20% Г и 28% Ц.
Двете вериги са еднакво дълги, затова в молекулата: $\%\,\text{А} = \frac{22 + 30}{2} = 26\%$ , $\%\,\text{Т} = 26\%$ .
$\%\,\text{Г} = \%\,\text{Ц} = \frac{28 + 20}{2} = 24\%$ . Правилото на Чаргаф важи за молекулата, но не и за всяка верига поотделно.

Двойноверижната ДНК при е навита около белтъци и образува , а при делене – (виж Клетъчно делене).

3. Репликация

Двойната спирала подсказва как ДНК се копира: веригите се разделят и всяка служи за матрица, върху която се подреждат комплементарни нуклеотиди. Но в началото имало три възможни модела. През 1958 г. Матю Мезелсон и Франклин Стал ги проверяват с опит, който често наричат „най-красивия опит в биологията“. Те отглеждат бактерии в среда с тежкия ¹⁵N, после ги прехвърлят в обикновен ¹⁴N и след всяко поколение разделят ДНК по с ултрацентрофуга.

g = 11

тежки0%хибридни100%леки0%

Всяка нова молекула има една стара (¹⁵N) и една нова (¹⁴N) верига. След 1 поколение всичката ДНК е хибридна; след това хибридните молекули остават 2, а леките стават все повече. Точно това виждат Мезелсон и Стал.

💡 g – брой поколения в ¹⁴N. Бактериите растат дълго в среда с ¹⁵N, после се прехвърлят в ¹⁴N. ДНК с ¹⁵N е малко по-плътна и при центрофугиране в разтвор на цезиев хлорид застава по-ниско в епруветката.

О

Полуконсервативна репликация

При копирането двете вериги на ДНК се разделят и всяка служи за матрица за нова комплементарна верига. Всяка от двете получени молекули съдържа една стара и една нова верига.

Репликацията се извършва от група ензими:

хеликаза – развива спиралата и разделя веригите (къса ); образува се репликационна вилка;
примаза – прави късо парче РНК (), от което ДНК полимеразата може да започне;
ДНК полимераза – добавя нуклеотиди, комплементарни на матрицата, и проверява грешките си;
лигаза – „зашива“ съседните парчета ДНК в непрекъсната верига.

Т

Водеща и изоставаща верига

ДНК полимеразата удължава новата верига само в посока

5' \to 3'

. Затова едната нова верига (водещата) се строи непрекъснато към вилката, а другата (изоставащата) – на къси парчета в обратна посока, наречени фрагменти на Оказаки (около 1000–2000 нуклеотида при бактериите и около 100–200 при еукариотите). Лигазата ги съединява.

Пример

Колко време би отнело копирането на хромозомата на E. coli (4,6·10⁶ двойки бази), ако репликацията започва от една точка, върви в две посоки и всяка вилка копира 1000 нуклеотида в секунда?

Двете вилки си делят работата: всяка копира $2{,}3 \cdot 10^6$ нуклеотида.
$t = \frac{2{,}3 \cdot 10^6}{1000} = 2300\ \mathrm{s} \approx 38\ \mathrm{min}$ .

ДНК полимеразата греши рядко, а и поправя повечето си грешки. След всички проверки при бактериите остава около една грешка на 10⁹–10¹⁰ копирани нуклеотида (оценката е приблизителна). Еукариотните хромозоми са огромни, затова репликацията започва от хиляди точки едновременно. Как се копира ДНК в епруветка, ще видим в урока Генни технологии ().

4. Генетичният код

Информацията в гена е записана с четири букви, а се строят от 20 . Една буква на аминокиселина не стига (4 < 20), две – също ( $4^2 = 16$ ). Три букви дават $4^3 = 64$ – предостатъчно. През 1961 г. Крик и сътрудниците му показват с мутации в бактериофаг, че кодът наистина е триплетен, а Маршал Ниренбърг и Хайнрих Матей откриват първия кодон: УУУ кодира фенилаланин.

О

Кодон

Три последователни нуклеотида в иРНК, които определят една аминокиселина или края на белтъка. От 64 кодона 61 кодират аминокиселини, а 3 са стоп кодони (УАА, УАГ, УГА). Стартовият кодон АУГ кодира метионин и с него започва синтезът на почти всеки белтък.

Генетичният код е…	Значение
триплетен	3 нуклеотида = 1 кодон = 1 аминокиселина; $4^3 = 64$ кодона
изроден	повечето аминокиселини имат по няколко кодона (левцинът – 6)
еднозначен	всеки кодон отговаря само на една аминокиселина
без препинателни знаци	чете се подред, без прескачане, от определена начална точка
почти универсален	еднакъв при бактериите, растенията и човека (малки изключения – напр. в митохондриите)

Т

Централната догма на молекулярната биология

Информацията тече от ДНК към РНК (транскрипция) и от РНК към белтък (транслация). ДНК се копира при репликацията. Някои вируси обаче пренаписват РНК в ДНК (обратна транскрипция).

5. Транскрипция

О

Транскрипция

Синтез на РНК по матрица на ДНК. РНК полимеразата се свързва с промотора – участък пред гена, развива спиралата и строи РНК в посока

5' \to 3'

, комплементарно на матричната верига. Получената иРНК повтаря кодиращата верига на ДНК, но с У вместо Т.

Видовете РНК са три основни: иРНК (информационна) носи копие на гена до рибозомите; тРНК (транспортна) донася аминокиселините; рРНК (рибозомна) изгражда рибозомите заедно с белтъци. РНК е едноверижна, със захар рибоза и база урацил вместо тимин.

При еукариотите транскрипцията е в , а първичното копие (пре-иРНК) се обработва, преди да излезе: получава „шапчица“ в 5′ края и опашка от много А в 3′ края, а части от него се изрязват.

О

Интрони, екзони и сплайсинг

Интроните са участъци от гена, които се транскрибират, но се изрязват от пре-иРНК. Екзоните остават и се съединяват в зрялата иРНК – това е сплайсингът. При алтернативния сплайсинг от един ген се получават различни иРНК и белтъци, като се пропускат или включват различни екзони.

Пример

Матричната верига на участък от ДНК е 3′-ТАЦ ГГА ЦТТ-5′. Напишете кодиращата верига и иРНК.

Кодиращата верига е комплементарна на матричната: 5′-АТГ ЦЦТ ГАА-3′.
иРНК е комплементарна на матричната и повтаря кодиращата с У вместо Т: 5′-АУГ ЦЦУ ГАА-3′.
По таблицата на кодоните: метионин – пролин – глутаминова киселина.

6. Транслация

О

Транслация

Синтез на белтък по иРНК върху рибозомата. Всяка тРНК носи определена аминокиселина и има антикодон – три бази, комплементарни на кодона. Рибозомата се придвижва по иРНК от 5′ към 3′ края кодон по кодон, а аминокиселините се свързват с пептидни връзки. При стоп кодон белтъкът се освобождава.

Транслацията започва от стартовия кодон АУГ. Енергията за нея идва от и ГТФ – е една от най-енергоемките „машини“ в клетката. По една иРНК често вървят много рибозоми една след друга (полизома), така че от едно копие се правят много белтъци. Транслирай началото на гена за β-глобин – веригата на – и опитай мутации.

кодон 99

нуклеотиди27аминокиселини9мутацияняма мутация

Кодон 9: ААГ → лизин

Началото на гена за β-веригата на хемоглобина. Първият кодон АУГ е стартовият – метионин.

💡 Показани са първите 9 кодона на гена за β-глобин. Розово са аминокиселините, различни от нормалния белтък. иРНК повтаря кодиращата верига, но с У вместо Т.

Белтъците за изнасяне от клетката се синтезират от рибозоми върху гранулирания (виж Строеж на клетката). При бактериите няма ядро и транслацията започва още докато иРНК се транскрибира.

7. Мутации

О

Генни (точкови) мутации

Промени в последователността на нуклеотидите в един ген. Замяна на база може да е мълчаща (кодонът е за същата аминокиселина), мисенс (друга аминокиселина) или нонсенс (стоп кодон – скъсен белтък). Вмъкване или изтриване на брой нуклеотиди, който не е кратен на 3, измества рамката на четене и променя всички следващи кодони.

Пример

При сърповидноклетъчната анемия в гена за β-глобин кодонът ГАГ е заменен с ГТГ. Какъв вид мутация е това и какво става с белтъка?

иРНК: ГАГ → ГУГ. ГАГ кодира глутаминова киселина, ГУГ – валин.
Една аминокиселина е заменена с друга – мисенс мутация.
Глутаминовата киселина е заредена, а валинът – хидрофобен. Хемоглобинът без кислород се слепва във влакна и деформира еритроцитите.

Мутациите възникват при грешки на репликацията и под действието на мутагени – ултравиолетова и йонизираща , някои химични вещества. Повечето клетъчни мутации са неутрални или вредни, но някои са полезни – те са суровината на еволюцията. Мутация в половите клетки се предава на потомството; мутация в клетка на тялото – не (но може да доведе до рак).

8. Как се включват и изключват гените

Почти всички клетки на тялото имат еднаква ДНК, но клетката на и правят много различни белтъци. Разликата е в това кои гени се транскрибират. Първият разгадан механизъм е при бактериите: през 1961 г. Франсоа Жакоб и Жак Моно описват лак оперона на E. coli – гените за усвояване на лактоза.

О

Оперон

Група гени при бактериите, които се транскрибират заедно в една иРНК под контрола на общ промотор и оператор. Регулаторният белтък (репресор) се свързва с оператора и пречи на РНК полимеразата да транскрибира гените.

репресор на операторадаCAP на ДНКнетранскрипция1 усл. ед.

Няма лактоза: репресорът седи на оператора и пречи на РНК полимеразата. Ензимите за лактозата не се правят – не са нужни.

💡 Числата са условни: 100 – напълно включен оперон. В действителност разликата между изключен и включен лак оперон е около хиляда пъти. Всъщност репресорът се свързва с алолактоза – вещество, което се получава от лактозата в клетката.

Когато в средата има и глюкоза, и лактоза, бактерията първо използва глюкозата и чак после превключва на лактоза – растежът спира за кратко между двете (диауксия). При еукариотите регулацията е по-сложна: транскрипционни фактори, които се свързват с промотора и с далечни усилващи участъци, навиване и развиване на хроматина, обработка на иРНК.

9. Тренажор

Правило на Чаргаф, кодони и нуклеотиди, водородни връзки, дължина на ДНК и опитът на Мезелсон и Стал.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

\%\,\text{Ц} = 20\%

В двойноверижна ДНК 20% от нуклеотидите са с Ц. Колко процента са с А?

10. ДНК в числа

0 / 5

📏 Два метра във всяка клетка

В ядрото на една човешка клетка има около 6,2·10⁹ двойки бази (два комплекта хромозоми). На всяка двойка се падат 0,34 nm. Колко метра ДНК има в една клетка? Ядрото е с диаметър около 6 μm – колко пъти ДНК е по-дълга?

🦠 Колко бързо се копира E. coli

Хромозомата на E. coli е кръгова, с 4,6·10⁶ двойки бази. Репликацията започва от една точка и върви в двете посоки (две вилки) с около 1000 нуклеотида в секунда всяка. За колко секунди и минути се копира цялата хромозома?

🧬 Защо човекът има хиляди начала на репликацията

Хромозома 1 на човека има около 2,49·10⁸ двойки бази. Една вилка копира около 50 нуклеотида в секунда. За колко дни би се копирала от една вилка? Колко начала на репликацията (всяко с две вилки) са нужни поне, за да стане за 8 часа?

💉 Инсулинът

Инсулинът се синтезира като по-дълъг предшественик – препроинсулин със 110 аминокиселини, който после се нарязва. Колко нуклеотида има кодиращата част на иРНК от стартовия кодон до стоп кодона включително?

🔤 Колко иРНК за един пептид

Колко различни иРНК могат да кодират пептида Met–Trp–Lys, последван от стоп кодон? (Met и Trp имат по 1 кодон, Lys – 2, стоп кодоните са 3.)

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

11. ⚠️ Чести грешки

Правилото на Чаргаф

✗ Във всяка верига на ДНК А = Т и Г = Ц.

✓ Това важи за двойноверижната молекула. В една верига А и Т може да са много различни.

иРНК и матрицата

✗ иРНК е същата като матричната верига.

✓ иРНК е комплементарна на матричната и повтаря кодиращата верига, но с У вместо Т.

Кодон и антикодон

✗ Антикодонът е в иРНК.

✓ Кодонът е в иРНК, антикодонът – в тРНК. Те са комплементарни и антипаралелни.

Ген = белтък

✗ Всеки ген кодира белтък.

✓ Някои гени кодират само РНК (рРНК, тРНК и други), а един ген може да даде няколко белтъка чрез алтернативен сплайсинг.

Мутациите

✗ Всяка мутация е вредна.

✓ Много мутации са мълчащи или неутрални, а някои са полезни. Без мутации нямаше да има еволюция.

Посоката

✗ ДНК полимеразата може да строи и в двете посоки.

✓ Само в посока $\displaystyle 5' \to 3'$ – затова изоставащата верига се строи на фрагменти.

12. 🎯 Бърз тест

1 / 9

✓ 0

Какво показва опитът на Хърши и Чейс?

Избери отговор (или натисни 1–4)

13. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

14. Обобщение

✓ Наследственото вещество е ДНК (Грифит, Ейвъри, Хърши и Чейс)
✓ ДНК: антипаралелна двойна спирала, А–Т и Г–Ц; в молекулата А = Т и Г = Ц (Чаргаф)
✓ Репликацията е полуконсервативна (Мезелсон и Стал); полимеразата строи само 5′→3′ – водеща и изоставаща верига, фрагменти на Оказаки
✓ Кодът е триплетен, изроден, еднозначен и почти универсален: 64 кодона, 3 стоп, старт АУГ
✓ Транскрипция: ДНК → иРНК в ядрото; при еукариотите интроните се изрязват (сплайсинг)
✓ Транслация: иРНК → белтък на рибозомата; тРНК с антикодон донася аминокиселините
✓ Мутации: мълчащи, мисенс, нонсенс, изместване на рамката
✓ Регулация: лак оперон – репресор на оператора, лактозата го отделя, CAP– усилва транскрипцията без глюкоза

💡 Интересен факт

ДНК е изключително плътен носител на информация. През 2017 г. учени записват в синтетична ДНК компютърна операционна система, филм и други файлове и после ги прочитат без грешка. По техните оценки в един грам ДНК теоретично могат да се съберат стотици милиони гигабайта. Засега записът и четенето са бавни и скъпи, но ДНК се запазва хиляди години – учените прочитат ДНК от кости на мамути, стари над милион години.