Репликация на ДНК, РНК транскрипция и транслация

Вече сме говорили за това, че структура на ДНК представлява двойна спирала, прилича на спираловидна стълба, което я прави подходяща за молекулярна основа на наследствеността. В това видео ще разберем по-добре защо ДНК е толкова подходяща и механизмa, чрез който тя стои в основата на молекулярната наследственост. Ще се фокусирам на основните идеи, няма да навлизам във всички биохимични подробности. Просто ще дам основна представа за това какво се случва. Тук съм паказал един фрагмент от ДНК, Изобразени са осем базови двойки. Искам да поясня – говорихме за това в уводното видео за ДНК – ДНК е много повече от няколко базови двойки. Молекулата на ДНК може да се състои от десетки милиони базови двойки. Това може да е част от много по-дълга молекула, с по-дълги вериги. Дори и тук не изглежда достатъчно дълга. Но това може да е само много, много малка част. Ще я оцветя в различен цвят, този малък участък е увеличен ето тук. Той може да е част от молекула, изградена не от седем или осем базови двойки, а от 70 милиона базови двойки. Ето така. Нека разберем какво точно представлява молекулярната основа на наследствеността. На първо място тя трябва да може да се копира. Трябва да може да се възпроизвежда. Когато една клетка се дели, двете нови дъщерни клетки трябва да имат еднакъв генетичен материал. Как ДНК се реплицира (копира)? Процесът чрез, който това се случва, се нарича репликация. Говорихме за това и в уводното видео, но е добре да видим различните процеси един до друг. Можеш да си представиш репликацията като разделяне на двете вериги на двойната спирала. Нека го направим. Ще копирам тази част и ще я поставя тук. Така. Малка част от веригата е извън екрана, но мисля, че ще свърши работа. Сега копираме другата част. Ще я избера и копирам и я поставям тук, ето така. Можеш да си представиш, че сме разделили двете вериги на двойната спирала и всяка от двете вериги може да се използва като шаблон за конструиране на другата. Така ще получим две двойни вериги, две идентични двойни вериги ДНК. Нека видим как става. Ще си взема писалката, ще махна отметката оттук и ще взема писалката. Ще използвам този нов инструмент, за да обясня поцеса по-добре. Добре, от тази страна, от лявата страна може да се изгради друга дясна страна на базата на тази информация. А винаги се свързва с Т, когато говорим за ДНК. Аденин се свързва с тимин. Тимин се свързва с аденин. Ще го направя по-прилежно. Тимин се свързва с аденин, гуанин - с цитозин, а цитозин - с гуанин, слизаме малко надолу. Успях да конструирам нова дясна верига като използвах информацията от лявата. Ще оцветя новия гръбнак от захари и фосфати в жълто. Можем да направим същото и тук, използвайки оригиналната дясна верига. Използваме информацията от оригиналната дясна верига. Отново Т се свързва с А, нека го нарисувам в цвета на аденин. Имаме аденин и тимин, аденин и тимин, аденин и тимин. Тимин се свързва с аденин, тимин, аденин. Тимин, аденин. Гуанин се свързва с цитозин. Цитозин – с гуанин. Цитозин, ето така. Mожем да вземем половината от всяка двойна верига, и да я използваме, за да конструираме другата половина. Точно това направихме току що, реплицирахме ДНК. Това е основната идея на репликацията. Преди клетката да се раздели, тя реплицира цялата си генетична информация. Това е репликация. Следващото нещо, за което може да се чудиш, вероятно е: "Добре, хубаво е да можеш да се реплицираш, но това е малко безсмислено, ако тази информация не може да дефинира организма по някакъв начин, да изрази какво се случва в него." Затова нека помислим как гените в ДНК молекулата се експресират. Ще напиша "експресия". Това ни води до малко отклонение. Може да си чувал/а думите ДНК, хромозоми и гени да се използват взаимнозаменимо, те очевидно са свързани, но трябва да ги различаваме. Когато говорим за ДНК, говорим буквално за тази молекула тук, която има захарофосфатен гръбнак и последователност от базови двойки, тя има структура на двойна спирала и цялото това нещо е ДНК молекула. Когато имаме ДНК молекула, опакована заедно с други молекули и белтъци в по-голяма структура, тогава говорим за хромозома. А когато говорим за ген, говорим за участък от ДНК, който се използва за експресията на дадена характеристика. Или по-точно казано, генът кодира определен белтък. Например цялото това може да е нишка от ДНК, но тази част в оранжево, тази част в оранжево е един ген, информация от един ген, определя един белтък, тази част може да е друг ген. Гените имат различна големина – могат да са съставени от няколко хиляди базови двойки до милиони базови двойки. Както ще видим, начинът, по който един ген се експресира, начинът, по който превръщаме информацията от тази част на ДНК във формата на белтък, е чрез молекула, подобна на ДНК, това е РНК. Ще го напиша. РНК. РНК означава рибонуклеинова киселина – ще го запиша – рибонуклеинова киселина. Може би си спомняш, че ДНК е дезоксирибонуклеинова киселина. Захарният гръбнак на РНК е подобна молекула, но тя си има своето "окси", не е "дез - окси" рибонуклеинова киселина, а рибонуклеинова киселина. Нека да стане ясно откъде идва името РНК. Р - рибо е ето тук. След това имаме нуклеинова, това е н, и след това е К, киселина. Същата причина, поради която наричаме ДНК нуклеинова киселина. Имаме РНК. Каква е ролята на РНК в експресията на информацията от ДНК? ДНК, особено ако говорим за клетки с ядра, стои в ядрото, но информацията в нея трябва да излезе извън ядрото, за да се експресира. Една от функциите на РНК е да бъде информатор, носещ информация между определен участък от ДНК и средата извън ядрото, така че информацията в ДНК да може да се превърне в белтък. Стъпката, при която минаваме от ДНК към иРНК, информационна РНК, се нарича транскрипция. Ще го запиша – транскрипция. Това, което се случва по време на транскрипция... нека се върнем към едната половина на тази ДНК молекула. Да кажем, че имаме тази част, ще я копирам и ще я поставя тук. Всъщност не исках да направя това. Исках другата част. Ще се върна малко назад. Ще копирам тази част. Така. Да кажем, че имаме част от тази ДНК молекула, или едната половина от нея, точно както, когато я реплицирахме. Но сега не искаме просто да копираме молекулата ДНК, а да създадем съответната иРНК молекула. Поне за тази част, поне за този ген. Това може да е част от ген. Ууупс, трябва да използвам правилния инструмент. Това може да е част от ген, който е тази част на ДНК молекулата. Основната идея при транскрипцията е много подобна на тази при репликацията, но сега ще изградим верига на РНК, по-точно – иРНК. Тя ще изнесе информацията на ДНК извън ядрото. Транскрипцията е много подобна на репликацията, но сега се синтезира РНК. Аденинът, вместо да се свърже с тимин, сега се сдвоява с урацил. Ще го запиша. Сега аденинът не се свързва с тимин, а с урацил. РНК има урацил вместо тимин. Но все пак ще има връзки между цитозин и гуанин. При РНК, в този случай – иРНК, която ще напусне ядрото, А (Аденин) ще се свърже с У, У за урацил, урацил е базата, за която говорим. Ще го напиша, урацил. Тимин отново се свързва с аденин, ето така. Гуанин се свързва с цитозин, а цитозин - с гуанин. След като направим това, тези две вериги могат да се разделят и сега имаме единична верига РНК, в този случай информационна РНК, която съдържа цялата информация, от този участък на ДНК. Сега това нещо може да напусне ядрото и да се прикачи към рибозома. Ще говорим повече какво точно се случва в следващи видеоклипове. След това кодът в иРНК се използва, за да кодира белтъци. Как се случва това? Този процес се нарича транслация. При него имаме тази последователност от базови двойки и я превръщаме в последователност от аминокиселини. Белтъците са съставени от определени последователности от аминокиселини. Това е транслация. Да вземем този малък участък от нашата иРНК, ще го нарисувам ето така. Имам У А Ц, след това У У, после А Ц Г. След това - А, ще го оцветя в правилния цвят. Имаме А и след това - У У А, Ц Г, добре. Сега ще поставя Ц ето тук, Взимам тази част и я пиша хоризонтално. Имам Ц тук, а не Г, това е Ц. И най-накрая имам Г. Разбира се, веригата може да продължи. Сега е важна всяка последователност от три бази. Трябва да сме много внимателни откъде започваме. В някои отношения това е деликатен процес, но в същото време той е изненадващо стабилен. Всеки три от тези бази кодират конкретна аминокиселина. Три бази заедно, тези бази тук, тази трибуквена дума или тази трибуквена последователност се нарича кодон. Това ще бъде следващият кодон. Но не сме нарисували следващия кодон, защото за него ни трябват три бази. Колко кодона може да съществуват? Имаме една от четири бази, която може да е на три различни позиции, така че имаме четири пъти по четири, по четири възможни кодона. Четири пъти четири по четири е 64. Така че имаме 64 възможни кодона. Което е добре, защото има 20 възможни аминокиселини. Има повече кодони от аминокиселини, което позволява кодоните да се използват и за други цели. Също така може да има повече от един кодон, кодиращ една и съща аминокиселина. Имаме 64 възможни кодона, които да кодират 20 аминокиселини. Този кодон отдясно, с рибозомата, може да кодира, да кажем аминокиселина 1. Ще го напиша тук, това е аминокиселина 1. Тази аминокиселина стига дотук чрез свързване с друг тип РНК. Тук говорим за иРНК. Това е иРНК, но има и друг тип РНК, наречен тРНК (транспортна РНК). Тя свързва тези две части. тРНК има ето такава структура, не я рисувам напълно правилно, но тя ще се свърже ето тук, където има А, У и Г, а в другия край е свързана с аминокиселина, така свързва аминокиселината с иРНК. След това ще имаме друга тРНК, която може да прикрепи аминокиселина 2, която ще нарисувам в лилаво. Тя ще пасне, ще е комплементарна на тази част, свързва се на правилното място. Имаме А А У тук, в тази тРНК. Така ще се изградим последователност от аминокиселини. С подреждането на тези аминокиселини, всъщност изграждаме белтък. Белтъкът е поредица от аминокиселини. А белтъците са молекулите, които изграждат и вършат огромна част от работата в живите системи. Със сигурност знаеш, че ако ядеш месо, то се състои от мазнини, захари и белтъци (протеини), но протеините всъщност вършат много работа, те могат да са ензими, структурни молекули, мускулите са изградени от протеини. Това са аминокиселините, аз рисувам малък сегмент от тях, могат да бъдат хиляди или повече. Те образуват невероятно сложни форми, които имат много разнообразни функции. Това са молекулите, които вършат работата в живите системи. И в основни линии това е начинът, по който се съхранява и предава информацията за живота.