If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Курс: Биологична библиотека > Раздел 21

Урок 1: Още за ДНК и РНК

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.
Диаграма, показваща как един ген може да определя фенотипа (наблюдаема характеристика) на един организъм. Генът за цвета на цветчетата, които Мендел проучвал, представлява участък от ДНК, намиращ се в определена хромозома. ДНК има определена последователност; част от нея, показана в тази диаграма, е 5'-ГТАААТЦГ-3' (горна верига), свързана с комплементарна последователност 3'-ЦАТТТАГЦ-5' (долна верига). ДНК на гена специфицира производството на протеин, който помага за изграждане на пигменти. Когато протеинът е наличен и функционален, се синтезират съответните пигменти и цветчетата на растението имат лилав цвят.
Изображение, базирано на експериментални данни от Hellens et al.1 и на подобно изображение в Reece et al.2.
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.

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.
Опростена схема на централната догма, която показва последователността на участващите молекули.
Двете вериги ДНК имат следните последователности:
5'-ATГATЦTЦГTAA-3' 3'-TAЦTAГAГЦATT-5'
Транскрипцията на една от веригите на ДНК произвежда иРНК, която почти съвпада с другата верига ДНК по последователност. НО поради биохимична разлика между ДНК и РНК всички Т бази на ДНК са заменени с У бази в иРНК. Последователността на иРНК е:
5'-AУГAУЦУЦГУAA-5'
Транслацията включва разчитането на иРНК нуклеотиди в групи от три; всяка група специфицира аминокиселина (или предоставя стоп сигнал, посочващ, че транслацията е приключена).
3'-AУГ AУЦ УЦГ УAA-5'
AУГ Метионин AУЦ Изолевцин УЦГ Серин УAA "Стоп"
Полипептидна последователност (N-край!) Метионин-Изолевцин-Серин (С-край)
Следователно, по време на експресията на протеин-кодиращ ген, информацията прочтича от ДНК РНК 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.

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.
Двете вериги ДНК имат следните последователности:
5'-ATГATЦTЦГTAA-3' 3'-TAЦTAГAГЦATT-5'
ДНК се отваря, за да образува балонче, и долната верига служи като матрица за синтезата на комплементарна РНК верига. Тази верига се нарича матрична верига. Транскрипцията на матричната верига произвежда иРНК, която почти съвпада с другата верига (кодиращата верига) ДНК като последователност. Но поради биохимичната разлика между ДНК и РНК, Т от ДНК се заменя с У в иРНК. иРНК последователността е:
5'-AУГAУЦУЦГУAA-5'
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.

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.
Еукариотна клетка: Транскрипцията протича в ядрото. Първичният транскрипт също преминава през стъпки на обработка в ядрото, за да стане зряла иРНК. После тя бива изведена в цитозола, където може да се свърже с рибозома и ръководи синтеза на полипептид в процеса транслация.
Бактерия: Транскрипцията протича в цитозола. Поради това иРНК не е необходимо да пътува никъде, преди да може да бъде транслирана от рибозома. Всъщност една рибозома може да започне да транслира иРНК преди тя да е напълно транскрибирана (докато транскрипцията все още протича).
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.
иРНК последователността е:
5'-AУГAУЦУЦГУAA-5'
Транслацията включва разчитането на иРНК нуклеотиди в групи от три; всяка група специфицира аминокиселина (или предоставя стоп сигнал, посочващ, че транслацията е приключена).
3'-AУГ AУЦ УЦГ УAA-5'
AУГ Метионин AУЦ Изолевцин УЦГ Серин УAA "Стоп"
Полипептидна последователност (N-край!) Метионин-Изолевцин-Серин (С-край)

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.
Транслация, провеждаща се в рибозома. иРНК е свързана към рибозомата, където може да взаимодейства с тРНК молекула.
В това изображение иРНК има последователност от:
3'-...АУГ УАЦ АУЦ УЦГ ГАУ...-5'
тРНК, свързана към третия кодон (5'-АУЦ-3') има комплементарна последователност от 3'-УАГ-5'. Тя носи верига полипептиди, състоящи се от метионин и изолевцин, която е прикрепена към тРНК чрез изолевцина. Вдясно от тази тРНК друга тРНК се свързва към следващия кодон (5'-УЦГ-3'). Тази тРНК отново има комплементарна последователност нуклеотиди (3'-АГЦ-5') и носи аминокиселината серин, която е аминокиселината, специфицирана от иРНК кодона. Серинът, носен от тази тРНК, ще бъде добавен към нарастващата полипептидна верига.
Други тРНК-и, носещи други аминокиселини, се носят на заден план. Една носи Глу (глутаминова киселина) и има последователност нуклеотиди в края си, която е 3'-ЦУУ-5'. Другата носи Асп (аспаргинова киселина) и има последователност нуклеотиди в края си, която е 3'-ЦУА-5'.
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.
  1. Съвпадаща тРНК се прикрепя към изложен кодон в най-дясното място на рибозомата.
  2. Веригата аминокиселини се прехвърля от тРНК в средното място на рибозомата към аминокиселината на тРНК в най-дясното място. По този начин се добавя аминокиселината към края на аминокиселинната верига.
  3. Рибозомата се премества с един кодон. тРНК, преди в средното място, се премества към най-лявото място и напуска рибозомата. тРНК, преди в дясното място, се премества към средното място и продължава да носи аминокиселинната верига. Нов кодон бива изложен в най-дясното място, към който да се прикрепи нова тРНК.
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 РНК 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.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

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