1515 Gen og prótín

15.1 Erfðakóðinn

Markmið náms

Í lok þessa hluta muntu geta gert eftirfarandi:

Útskýrt megindogma DNA-prótínmyndunar
Lýst erfðakóðanum og hvernig kirnaröð segir til um amínósýruröð og prótínröð

Frumuferlið umritun myndar boðbera-RNA (mRNA), hreyfanlegt sameindaafrit af einu eða fleiri genum með stafrófinu A, C, G og úrasíl (U). Þýðing mRNA-mótsins á ríbósómum breytir erfðaupplýsingum sem byggjast á kirnum í prótínafurð. Þetta er megindogma DNA-prótínmyndunar. Prótínraðir samanstanda af 20 algengum amínósýrum; því má segja að prótínstafrófið hafi 20 „bókstafi“ (Mynd 15.2). Mismunandi amínósýrur hafa ólíka efnafræðilega eiginleika, til dæmis súra eða basíska og skautaða eða óskautaða, og ólíkar byggingarlegar skorður. Breytileiki í amínósýruröð veldur gríðarlegum breytileika í byggingu og starfsemi prótína.

Structures of the twenty amino acids are given. Six amino acids; glycine, alanine, valine, leucine, methionine, and isoleucine; have R groups that are non-polar and aliphatic, meaning they do not have a ring. Six amino acids; serine, threonine, cysteine, proline, asparagine, and glutamate; have R groups that are polar but uncharged. Three amino acids; lysine, arginine, and histidine; have R groups that are positively charged. Two amino acids, glutamate and aspartate, have R groups that are negatively charged. Three amino acids; phenylalanine, tyrosine, and tryptophan; have nonpolar and aromatic (meaning they have a ring) R groups. — **Mynd 15.2.** Hér eru sýndar byggingar þeirra 20 amínósýra sem finnast í prótínum. Hver amínósýra er samsett úr amínóhópi $({N H_{3}}^{+})$ karboxýlhópi (COO⁻) og hliðarkeðju (blá). Hliðarkeðjan getur verið óskautuð, skautuð eða hlaðin, og ýmist stór eða lítil. Fjölbreytileiki hliðarkeðja amínósýra skýrir hinn mikla breytileika í byggingu og starfsemi prótína.

Megindogmað: DNA kóðar RNA; RNA kóðar prótín

Flæði erfðaupplýsinga í frumum frá DNA til mRNA og þaðan til prótíns er lýst með megindogmanu (Mynd 15.3). Samkvæmt því tilgreina gen röð mRNA-sameinda, sem aftur tilgreina röð amínósýranna sem mynda prótín. Sértæk prótín og RNA-sameindir sjá um að afkóða eina sameind yfir í aðra. Þar sem upplýsingarnar sem geymdar eru í DNA eru svo miðlægar fyrir starfsemi frumunnar er rökrétt að fruman geri mRNA-afrit af þessum upplýsingum fyrir próteinmyndun en haldi DNA-sameindinni sjálfri ósnortinni og verndaðri. Umritun DNA yfir í RNA er tiltölulega einföld: einu kirni er bætt við mRNA-þráðinn fyrir hvert kirni sem lesið er í DNA-þræðinum. Þýðing yfir í prótín er flóknari, því þrjú mRNA-kirni samsvara einni amínósýru í fjölpeptíðröðinni. Þó er þýðingin enn kerfisbundin og samlínuleg: kirni 1 til 3 samsvara amínósýru 1, kirni 4 til 6 samsvara amínósýru 2, og svo framvegis.

To make a protein, genetic information encoded by the D N A must be transcribed onto an m R N A molecule. The R N A is then processed by splicing to remove exons and by the addition of a 5 prime cap and a poly A tail. A ribosome then reads the sequence on the m R N A, and uses this information to string amino acids into a protein. — **Mynd 15.3.** Leiðbeiningar í DNA eru umritaðar yfir í boðbera-RNA. Ríbósóm lesa erfðaupplýsingarnar sem skráðar eru á mRNA-þræði og nota þær til að tengja amínósýrur saman í prótín.

Erfðakóðinn er margtækur og nær algildur

Hver amínósýra er skilgreind með þriggja kirna röð sem kallast þríkirnatákni. Vegna þess að fjöldi „bókstafa“ í mRNA-stafrófinu og prótínstafrófinu er ólíkur settu vísindamenn fram þá tilgátu að einstakar amínósýrur hlytu að vera táknaðar með samsetningum kirna. Tveggja kirna raðir dygðu ekki til að tilgreina allar amínósýrur, því aðeins eru til 16 mögulegar tveggja kirna samsetningar (4²). Aftur á móti eru til 64 mögulegar þriggja kirna raðir (4³), sem er mun meira en fjöldi amínósýra. Vísindamenn settu því fram þá tilgátu að amínósýrur væru kóðaðar af kirnaþrenndum og að erfðakóðinn væri margtækur. Með öðrum orðum getur tiltekin amínósýra verið kóðuð af fleiri en einni kirnaþrennd. Þetta var síðar staðfest með tilraunum: Francis Crick og Sydney Brenner notuðu efnafræðilega stökkbreytivaldinn próflavín til að skjóta einu, tveimur eða þremur kirnum inn í veirugen. Þegar einu eða tveimur kirnum var skotið inn mynduðust eðlileg prótín ekki. Þegar þremur kirnum var skotið inn var prótínið myndað og virkt. Þetta sýndi að amínósýrur hljóta að vera tilgreindar af þriggja kirna hópum. Þessar kirnaþrenndir kallast táknar. Innskot eins eða tveggja kirna breytti lesramma þrenndanna algjörlega og breytti þar með skilaboðunum fyrir hverja amínósýru sem á eftir kom (Mynd 15.5). Þótt innskot þriggja kirna bætti við aukaamínósýru við þýðingu, hélst heildarbygging afgangsins af prótíninu óbreytt.

Vísindamenn réðu erfðakóðann með nákvæmnisvinnu með því að þýða tilbúin mRNA in vitro og raðgreina prótínin sem þau tilgreindu (Mynd 15.4).

Figure shows all 64 codons. Sixty-one of these code for amino acids, and three are stop codons. — **Mynd 15.4.** Myndin sýnir erfðakóðann sem þýðir hverja kirnaþrennd í mRNA yfir í amínósýru eða stöðvunarmerki í prótíni. (mynd: breytt eftir NIH)

Auk tákna sem segja til um að tiltekinni amínósýru skuli bætt við fjölpeptíðkeðju stöðva þrír af 64 táknum próteinmyndun og losa fjölpeptíðið úr þýðingarvélinni. Þessar þrenndir kallast markleysutáknar, eða stöðvunartáknar. Annar tákni, AUG, hefur einnig sérstakt hlutverk. Auk þess að tilgreina amínósýruna metíónín þjónar hann sem ræsitákni sem kemur þýðingu af stað. Lesrammi þýðingar er stilltur af AUG-ræsitáknanum nálægt 5′-enda mRNA. Eftir ræsitáknann er mRNA lesið í þriggja kirna hópum þar til komið er að stöðvunartákna.

Uppröðun kóðunartöflunnar sýnir byggingu kóðans. Þar eru sextán „blokkir“ tákna og hver blokk er skilgreind af fyrsta og öðru kirni táknanna innan hennar, til dæmis „AC*“-blokkin sem samsvarar amínósýrunni þreóníni (Thr). Sumum blokkum er skipt í pýrimídínhelming, þar sem tákninn endar á U eða C, og púrínhelming, þar sem tákninn endar á A eða G. Sumar amínósýrur fá heila blokk af fjórum táknum, til dæmis alanín (Ala), þreónín (Thr) og prólín (Pro). Sumar fá pýrimídínhelming sinnar blokkar, til dæmis histidín (His) og asparagín (Asn). Aðrar fá púrínhelming sinnar blokkar, til dæmis glútamat (Glu) og lýsín (Lys). Athugið að sumar amínósýrur fá eina blokk og hálfa blokk til viðbótar, samtals sex tákna.

Það að ein amínósýra sé tilgreind af mörgum svipuðum táknum kallast margtækni erfðakóðans. Talið er að margtæknin sé frumukerfi sem dragi úr neikvæðum áhrifum tilviljanakenndra stökkbreytinga. Táknar sem tilgreina sömu amínósýru eru yfirleitt aðeins ólíkir um eitt kirni. Auk þess eru amínósýrur með efnafræðilega svipaðar hliðarkeðjur kóðaðar af svipuðum táknum. Til dæmis eru aspartat (Asp) og glútamat (Glu), sem skipa GA*-blokkina, báðar neikvætt hlaðnar. Þessi fínstilling erfðakóðans tryggir að útskipti á einu kirni geta annaðhvort tilgreint sömu amínósýru og haft engin áhrif, eða tilgreint svipaða amínósýru og þannig komið í veg fyrir að prótínið verði algerlega óvirkt.

Erfðakóðinn er nær algildur. Með fáeinum minniháttar undantekningum nota nánast allar tegundir sama erfðakóða við próteinmyndun. Varðveisla tákna þýðir að hreinsað mRNA sem kóðar fyrir glóbínprótein í hestum mætti flytja í túlípanfrumu og túlípaninn myndi þá mynda hestaglóbín. Sú staðreynd að aðeins einn erfðakóði er til er sterk sönnun þess að allt líf á jörðinni eigi sér sameiginlegan uppruna, sérstaklega þegar haft er í huga að til eru um 10⁸⁴ mögulegar samsetningar 20 amínósýra og 64 þríkirnatákna.

Tengill í námsefni

Umritaðu gen og þýddu það yfir í prótín með samstæðri pörun og erfðakóðanum á þessu vefsvæði.

Illustration shows a frameshift mutation in which the reading frame is altered by the deletion of two amino acids. — **Mynd 15.5.** Brottfall tveggja kirna hliðrar lesramma mRNA og breytir öllum prótínskilaboðunum. Afleiðingin getur verið óvirkt prótín eða að próteinmyndun stöðvist alveg.

Tenging við vísindalega aðferð

Hvort hefur meira DNA: kíví eða jarðarber?

Photographs show a thin slice of a green kiwi fruit and a bowl of strawberries. — **Mynd 15.6.** Heldurðu að kíví eða jarðarber hafi meira DNA í hverjum ávexti? (mynd „kíví“: „Kelbv“/Flickr; mynd „jarðarber“: Alisdair McDiarmid)

Spurning: Myndu kíví og jarðarber sem eru um það bil jafn stór (Mynd 15.6) einnig hafa um það bil sama magn af DNA?

Bakgrunnur: Gen eru borin á litningum og eru gerð úr DNA. Öll spendýr eru tvílitna, sem þýðir að þau hafa tvö eintök af hverjum litningi. Hins vegar eru ekki allar plöntur tvílitna. Algenga jarðarberið er áttlitna (8n) og ræktað kíví er sexlitna (6n). Kannaðu heildarfjölda litninga í frumum hvors ávaxtar og hugleiddu hvernig hann gæti tengst magni DNA í frumukjörnum ávaxtanna. Hvaða aðrir þættir gætu stuðlað að heildarmagni DNA í einum ávexti? Lestu um aðferðir við DNA-einangrun til að skilja hvernig hvert skref í einangrunarferlinu hjálpar til við að losa DNA og fella það út.

Tilgáta: Settu fram tilgátu um hvort hægt væri að greina mun á magni DNA úr svipuðum stórum jarðarberjum og kívíum. Hvor ávöxturinn heldurðu að myndi gefa meira DNA?

Prófaðu tilgátuna: Einangraðu DNA úr jarðarberi og kíví sem eru svipuð að stærð. Framkvæmdu tilraunina að minnsta kosti þrisvar sinnum fyrir hvorn ávöxt.

Útbúðu flösku af DNA-útdráttarlausn úr 900 mL af vatni, 50 mL af uppþvottalegi og tveimur teskeiðum af matarsalti. Blandaðu með því að hvolfa flöskunni nokkrum sinnum með tappann á.
Merðu jarðarber og kíví með höndunum í plastpoka, með mortéli og stauti eða með málmskál og enda á bitlausu áhaldi. Merðu hvorn ávöxt í að minnsta kosti tvær mínútur.
Bættu 10 mL af DNA-útdráttarlausn við hvorn ávöxt og blandaðu vel í að minnsta kosti eina mínútu.
Fjarlægðu frumuleifar með því að sía hvora ávaxtablöndu í gegnum grisju eða gropinn klút og ofan í trekt sem er sett í tilraunaglas eða annað viðeigandi ílát.
Helltu ísköldu etanóli eða ísóprópanóli (spritti) í tilraunaglasið. Þú ættir að sjá hvítt, útfellt DNA.
Safnaðu DNA úr hvorum ávexti með því að vefja því utan um sinn glerstafinn.

Skráðu athuganirnar: Þar sem þú mælir ekki rúmmál DNA með magnbundnum hætti geturðu skráð í hverri tilraun hvort ávextirnir tveir mynduðu sama magn eða mismikið magn af DNA samkvæmt sjónmati. Ef annar ávöxturinn myndaði greinilega meira DNA skaltu einnig skrá það. Metið hvort athuganirnar eru samræmdar milli nokkurra bita af hvorum ávexti.

Greindu gögnin: Tókstu eftir augljósum mun á magni DNA sem hvor ávöxtur gaf af sér? Voru niðurstöðurnar endurtakanlegar?

Dragðu ályktun: Miðað við það sem þú veist um fjölda litninga í hvorum ávexti, geturðu ályktað að litningafjöldi tengist endilega magni DNA? Geturðu bent á einhverja annmarka á þessari aðferð? Ef þú hefðir aðgang að rannsóknarstofu, hvernig gætirðu staðlað samanburðinn og gert hann magnbundnari?