информация

ДНК носи гени, кодиращи протеини

Съдържание

Генетичен код

Гените са последователности на ДНК нуклеотиди, които носят и предават информацията, уточняваща аминокиселинните последователности за протеинов синтез. Всяка ДНК молекула съдържа много гени. Геномът се отнася общо за общата генетична информация, кодирана в клетка. С изключение на репродуктивните клетки, всички човешки клетки съдържат 46 ДНК молекули във всяко клетъчно ядро. Всяка ДНК молекула съответства на хромозома. Всяка хромозома е опакована с протеини, наречени хистони. Комплексът от хромозома и хистони се наричат ​​нуклеозоми.

РНК молекулите са отговорни за прехвърлянето на информация от ДНК до мястото на синтеза на протеини. Самите молекули на РНК се синтезират според информацията, кодирана в ДНК.
транскрипция превод

ДНК -> иРНК -> Протеин

Припомнете си, че ДНК нуклеотидите са съставени от дълги вериги от основи. Триплетният код е последователност от три основи по една верига на ДНК. Всеки триплет код е „прочетен“ и изисква специфична аминокиселина. Спомнете си, че има 4 основи в ДНК (гуанин, аденин, цитозин, тимин) и 20 аминокиселини, които са свързани заедно в различни механизми, за да образуват различни протеини. 4-те основи могат да бъдат подредени в 64 различни триплет кода (последователност от три бази). Шестдесет и един (61) от кодовете съответстват на една от 20-те аминокиселини, дадена аминокиселина може да бъде посочена от повече от един триплет код, докато останалите три триплета кода действат като стоп сигнали и по-скоро прекратяват протеиновата верига отколкото добавяне на аминокиселина. Докато се четат триплетните кодове, подходящата аминокиселина се добавя към нарастващата верига, като крайният резултат е протеин, определен от ДНК информацията. Генетичният код е универсален във всички клетки.

Синтез на протеини

Транскрипция: синтез на иРНК

Превод: синтез на полипептид

След отстраняването на интроните, иРНК се премества в цитоплазмата през ядрените пори и се свързва с рибозома. Всяка рибозома е съставена от протеини и клас РНК, наречен рибозомна РНК (rRNA), която представлява верига, транскрибирана от ДНК в ядрената клетка.

Трансферната РНК (тРНК) е връзката между аминокиселината и нейния иРНК кодон, тъй като детелинообразната молекула на тРНК може да се комбинира и с двете. Трансферната РНК се синтезира в ядрото, преди да се измести в цитоплазмата. Ензим, наречен аминоацил-тРНК синтетаза (има 20 от тях, специфични за всяка аминокиселина) свързва специфични аминокиселини с молекули на тРНК. След това молекулата на тРНК и аминокиселината се сдвояват с база с иРНК с трибазна последователност, наречена антикодон. Антикодонът посочва аминокиселината.

Сглобяването на протеини е тристепенен процес:

  1. Инициирането на полипептидната верига започва чрез свързване на антикодон в аминокиселинен-тРНК комплекс със съответния кодон в тРНК-рибозомния комплекс. Това първоначално свързване се движи от ензими, наречени инициационни фактори; активността на тези ензимни фактори регулира скоростта на протеинов синтез. Фазата на започване е най-бавната от трите фази в процеса на сглобяване.
  2. Удължаването на полипептидната верига е втората фаза. Всяка аминокиселина, доведена до веригата на молекула тРНК, е свързана чрез пептидна връзка с края на нарастващата протеинова верига; след това свободната тРНК се освобождава от рибозомата и ще се прикрепи към друга аминокиселина.
  3. Рибозомата действа като „четец“ и когато достигне терминираща последователност в иРНК, връзката между полипептидната верига и тРНК се прекъсва. След това завършеният протеин се освобождава от рибозомата и рибозомата е на разположение за следващата иРНК верига, идваща от ядрото.

Тъй като малкият протеин излиза от рибозомата, те се подлагат на сгъване. По-големите протеини ще се сгънат в отвора на малка, куха протеинова камера, наречена шаперони. Ако нещо трябва да се добави към протеиновата верига, като въглехидрати или липидни производни, това се случва на мястото на шаперон. В крайна сметка молекулите на иРНК се разграждат до нуклеотиди от цитоплазмени ензими.

Митохондриалната ДНК няма интрони. Митохондриите имат пълния набор от машини за производство на собствени протеини, а ядрената ДНК доставя останалото.

Регулиране на протеиновия синтез

Сигналите от или извън клетката могат да включат или изключат транскрипцията на гени. Това регулиране се извършва чрез алостерична или ковалентна модулация на клас ензими, наречени транскрипционни фактори. Комплексът преди инициацията в промоторната област формира тези фактори и активира или потиска процеса на иницииране (като отделяне на ДНК вериги, активиране на РНК полимераза).

Протеинова секреция

Протеините, които трябва да се секретират от клетката, имат сигнална последователност, която се свързва със специфичен мембранен протеин на повърхността на гранулирания ендоплазмен ретикулум и се подава в неговия лумен, в рамките на който сигналната последователност се отстранява и се прикрепват въглехидратни групи (почти всички секретирани протеини са гликопротеини). Части от ретикулума изплуват, образувайки везикули, съдържащи протеините. Везикулите мигрират към апарата на Голджи и се сливат с мембраната на Голджи. В рамките на Golgi могат да се добавят или премахват групи според крайното местоназначение на протеините. След това протеините се пакетират във везикули, които изпъкват от повърхността на мембраната на Голджи и отиват до плазмената мембрана, където се сливат и освобождават съдържанието си в извънклетъчната течност чрез процес, наречен екзоцитоза.

Репликация и изразяване на генетична информация

Всяка клетка има 44 автозоми, хромозоми, които съдържат гени, които произвеждат протеини, управляващи клетъчната структура и функция, и 2 полови хромозоми, съдържащи гените, които определят пола. Всеки родител допринася за половината от тези (22) автозоми и (1) полови хромозоми. Всяка двойка автозоми има хомоложни гени, кодиращи един и същ протеин.

Всеки път, когато клетката се дели, всички 46 хромозоми, всяка от които съответства на ДНК молекула, трябва да бъдат реплицирани и идентични копия да бъдат предадени на всяка от новите дъщерни клетки. Следователно всички клетки (с изключение на сперматозоиди и яйцеклетки) имат идентичен набор от ДНК (и следователно гени). Това, което прави една клетка различна от друга, е диференциалната експресия на различни набори от гени.

ДНК репликация

ДНК е единствената молекула в клетката, която може да се дублира без информация от друг клетъчен компонент. По време на репликацията двете нишки на двойната спирала се разделят и всяка изложена верига действа като шаблон, към който са сдвоени свободни дезоксирибонуклеотидни трифосфати. След това ензимът ДНК полимераза свързва свободните нуклеотиди, образувайки верига, комплементарна на всяка матрична верига, образувайки две идентични ДНК молекули.

Ензимите, които подпомагат репликацията, са закрепени към ДНК точно преди мястото, където нишките се отделят. Така че ензимите намират място за закрепване, когато процесът на репликация достигне крайния сегмент на ДНК молекулата, ензимът, наречен теломераза, добавя повтаряща се последователност, наречена теломера, в края на ДНК молекулата. При липса на теломераза, всяка репликация води до скъсяване на ДНК молекулата. Всяка грешка в основната последователност по време на репликацията се коригира чрез механизъм, наречен корекция.

Клетъчно делене и клетъчен цикъл

Периодът между края на едно деление и началото на следващото деление се нарича междуфазен. Клетката прекарва по-голямата част от времето си в интерфаза, която може допълнително да бъде разделена на:

  1. Gl (пропуск 1): Период от края на едно деление до S фаза.
  2. S (синтез): Период, когато се извършва репликация на ДНК след фаза G1.
  3. G2 (пропуск 2): Кратък интервал между края на S фазата и действителното клетъчно делене.

М фазата е действителното клетъчно деление, състоящо се от ядрено деление, митоза и цитоплазматично деление, цитокинеза.

Двете критични контролни точки, които контролират хода на клетъчния цикъл, са границите GI - S и G2 - M.

Някои клетки, например стволови клетки, се делят непрекъснато и продължават непрекъснато през последователни клетъчни цикли, докато някои клетки, например нервни клетки, рядко се делят и прекарват по-голямата част от времето си във фаза, наречена G0, която е арестувана G1 без влизане в S фаза. Go може да бъде временна фаза и клетката може да влезе отново в активния клетъчен цикъл след получаване на подходящи сигнали от протеини, наречени растежни фактори, които контролират синтеза на ензимите, кинази на цикъла на клетъчно делене (cdc кинази) и циклини.

Репликацията на ДНК молекула води до две идентични вериги, наречени сестрински хроматиди; обединени в точка, наречена центромера. Непосредствено преди клетъчното делене има 46 хромозоми, всяка от които се състои от две хроматиди. Ядрената мембрана се счупва, центромерите на хромозомите се свързват с влакната на вретеното, съставени от микротубули, излизащи от центрозомата. 2-те центриоли на центрозомата се разделят и двойка се придвижва към противоположните страни на клетката.

Сестринските хроматиди се отделят в центромерата и се придвижват към противоположните центриоли. Цитокинезата накрая разделя клетката на две. Влакната на вретеното се разтварят, ядрената мембрана се появява отново и хроматидите се отвиват.

Мутация

Всяка промяна в ДНК нуклеотидната последователност, произведена от фактори, наречени мутагени, които разрушават химическите връзки в ДНК и водят до загуба или включване на сегменти. Също така се среща естествено поради грешки по време на репликация.

Видове мутации:

  1. Точкова мутация - Единична основа се заменя с друга. Може или не може да промени аминокиселинна последователност поради излишността на генетичния код.
  2. Добавяне/изтриване - Цели раздели на ДНК се добавят или изтриват, което води до погрешно четене на код или загуба на набор от гени.

Мутацията може да няма ефект, ако:

  • Мутацията възниква в интронния сегмент
  • Променената аминокиселина не влияе върху структурата и функцията на полипептида
  • Хомоложният ген е непокътнат и може да произвежда непокътнат протеин
  • Аминокиселината може да бъде получена от външни източници.

Мутацията в сперма или яйцеклетка не засяга индивида, но засяга потомството.

Мутациите могат да допринесат чрез въвеждане на вариации, някои от които могат да бъдат конкурентно по-добри.

ДНК механизми за възстановяване

Клетките имат редица ензимни механизми, които могат да възстановят една променена ДНК верига въз основа на шаблона, предоставен от неповредената верига.

Генофонд

Алелите са варианти на един и същ ген. От всеки родител се получава по един алел от всеки ген. Ако и двата алела са идентични, индивидуалният хомозиготен за този ген, ако двата са различни, индивидът е хетерозиготен. Наборът от алели в индивида се нарича негов генотип. Експресията на генотипите в протеини, произвеждащи специфична структурна и функционална форма, се нарича фенотип.

Всеки хомоложен алел за ген (с изключение на гените в половите хромозоми) може да бъде превърнат в протеини. Ако само един от алелите е активен и създава характер, той се нарича доминиращ алел. Ако и двата алела трябва да бъдат активни, за да създадат специфичен характер, тези алели се наричат ​​рецесивни.

Генетичното заболяване може да бъде резултат от наследяването на мутантни гени, които произвеждат анормална структура или функция. Фамилната хиперхолестеролемия, муковисцидоза, сърповидно-клетъчна анемия, хемофилия, мускулна дистрофия са едногенни заболявания. Полигенните заболявания са резултат от няколко дефектни гена, всеки от които сам по себе си има слаб ефект. Примери за това са диабет, хипертония и рак.

Хромозомните заболявания са резултат от добавянето или заличаването на цели или части от хромозомите по време на мейоза. Пример е синдром на Даун или тризомия 21, при които яйцеклетката има допълнително копие на хромозома 21.

Рак

Ракът е генетично заболяване, което по принцип не се наследява. Възникват от мутации в соматичните клетки. Резултатът е отказ на контролната система, която регулира клетъчното делене и води до неконтролиран растеж.
Доминиращи гени, произвеждащи рак, наречени онкогени, кодират анормални форми на рецептори на клетъчната повърхност, които свързват растежни фактори и произвеждат непрекъснат сигнал за растеж. Рецесивните гени, произвеждащи рак, наречени туморни супресорни гени, не успяват да произведат протеини, които инхибират различни стъпки в клетъчната репликация.
Ненормалната репликация на клетки образува тъканна маса, наречена тумор. Ако тези клетки останат локализирани, това се нарича доброкачествен тумор, ако нахлуят в околната тъкан се нарича злокачествен тумор.

Раковите заболявания, които се развиват в епителните клетки, се наричат ​​карциноми, тези в мускулните клетки - саркоми, а тези в белите кръвни клетки - лимфоми. Белите дробове, дебелото черво и гърдите са най-често засегнатите органи. Честотата на рака се увеличава с възрастта поради натрупването на дефектни мутации.
Мутагените, които увеличават вероятността от ракова трансформация на клетка, се наричат ​​канцерогени.

Генното инженерство

Модификация на основната последователност на ДНК молекула чрез добавяне или делеция на основи. Включва:

  1. Нарязване на ДНК веригите на определени места, наречени рестрикционни сайтове, от бактериални ензими, наречени рестрикционни нуклеази.
  2. Свързване на получените фрагменти от интерес с друга ДНК молекула с помощта на ензим, наречен лигаза.
    Процесът на прехвърляне на ДНК от един организъм в друг се нарича трансфекция, а организмът, в който е извършен такъв трансфер, се нарича трансгенен организъм.

Бактериите могат да бъдат трансфектирани с човешки гени, за да произведат големи количества човешки протеини. Включва производството на ДНК без интрони, наречена комплементарна ДНК (cDNA) чрез използване на вирусен ензим, наречен обратна транскриптаза върху mRNA шаблон. Изискването за cDNA произтича от факта, че бактериалната ДНК няма интрони, нито механизма за тяхното снаждане.