Як працює ДНК — від подвійної спіралі до білка

Структура ДНК

ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) — це полімер, довгий ланцюг повторюваних ланок, що називаються нуклеотидами. Кожен нуклеотид складається з трьох частин:

Цукор дезоксирибоза (5-вуглецевий)
Фосфатна група
Одна з чотирьох азотистих основ: аденін (A), тимін (T), гуанін (G), цитозин (C)

Нуклеотиди з'єднуються між собою фосфодіефірними зв'язками між фосфатом одного й цукром наступного, утворюючи «остов» одного ланцюга. Два антипаралельні ланцюги скручуються один навколо одного, утримувані разом водневими зв'язками між основами — це й є славнозвісна подвійна спіраль, уперше описана Вотсоном і Кріком 1953 року на основі даних рентгеноструктурного аналізу Розалінд Франклін.

Розміри подвійної спіралі: один повний виток спіралі охоплює 10 пар основ (п.о.) і близько 3.4 нм завдовжки. Діаметр спіралі ~2 нм. Геном людини містить ~3.2 мільярда пар основ на гаплоїдний набір — у розгорнутому вигляді один набір розтягнувся б на ~1 м.

Правила спарювання основ

Два ланцюги ДНК комплементарні: послідовність одного ланцюга визначає послідовність іншого за суворими правилами спарювання основ, уперше виведеними з вимірювань Ервіна Чаргаффа 1950 року:

A — T (аденін–тимін)

З'єднані 2 водневими зв'язками. Аденін (пурин, подвійне кільце) спарюється лише з тиміном (піримідин, одинарне кільце).

G — C (гуанін–цитозин)

З'єднані 3 водневими зв'язками. Гуанін (пурин) спарюється лише з цитозином (піримідин). Цей додатковий зв'язок робить пари G-C міцнішими.

Оскільки правила спарювання основ настільки жорсткі, знаючи послідовність одного ланцюга, ви точно знаєте послідовність іншого. Саме ця властивість робить можливими реплікацію ДНК і передачу інформації.

Реплікація ДНК

Перш ніж клітина поділиться, вона має скопіювати всю свою ДНК, щоб кожна дочірня клітина отримала повний геном. Реплікація ДНК є напівконсервативною: кожна нова подвійна спіраль складається з одного оригінального ланцюга та одного щойно синтезованого.

1

Розкручування — геліказа

Фермент геліказа розриває водневі зв'язки між парами основ, «розстібаючи» подвійну спіраль біля «вилки реплікації». Енергія надходить від гідролізу АТФ.

2

Затравлення — праймаза

Праймаза синтезує короткий РНК-праймер (~10 нуклеотидів), що забезпечує 3'-OH кінець, потрібний ДНК-полімеразі, щоб почати побудову.

3

Синтез — ДНК-полімераза III

ДНК Pol III читає матричний ланцюг у напрямку 3'→5' і додає комплементарні нуклеотиди 5'→3' зі швидкістю близько 1 000 основ за секунду. Провідний ланцюг синтезується безперервно; відстаючий ланцюг — короткими фрагментами Оказакі.

4

Зшивання — ДНК-лігаза

Лігаза з'єднує фрагменти Оказакі та видаляє РНК-праймери, замінюючи їх на ДНК. Частота помилок: ~1 помилка на 10⁹–10¹⁰ пар основ завдяки коректуванню.

Швидкість реплікації: ДНК-полімераза людини додає ~1 000 нуклеотидів за секунду. Повний геном людини (3.2 мільярда п.о.) має ~30 000 точок початку реплікації, що спрацьовують одночасно, — і все одно це триває близько 8 годин. E. coli копіює свій геном із 4.6 мільйона п.о. за 40 хвилин з єдиної точки початку.

Транскрипція — від ДНК до мРНК

Клітини не використовують ДНК безпосередньо для виробництва білків. Натомість відповідна ділянка ДНК спершу копіюється в одноланцюгову молекулу матричної РНК (мРНК) — процес, що називається транскрипцією, який виконує РНК-полімераза.

РНК відрізняється від ДНК двома рисами: вона використовує рибозу (а не дезоксирибозу) як свій цукор, і замість тиміну (T) має урацил (U), який спарюється з аденіном.

Матриця ДНК: 3'–TACGCATGG–5' ↓ РНК-полімераза Транскрипт мРНК: 5'–AUGCGUACC–3' Правило: T → A, A → U, G → C, C → G

У еукаріотів (тварини, рослини, гриби) пре-мРНК обробляється в ядрі: інтрони (некодувальні сегменти) вирізаються, додаються 5'-кеп і полі-А хвіст, а зріла мРНК виходить у цитоплазму.

Трансляція — від мРНК до білка

Рибосоми читають ланцюг мРНК групами по три нуклеотиди, що називаються кодонами. Кожен кодон визначає одну амінокислоту, або стартовий чи стоп-сигнал. Це відображення — генетичний код.

Кодон (мРНК)	Амінокислота	Примітка
AUG	Метіонін	Стартовий кодон — трансляція починається тут
UUU / UUC	Фенілаланін
GAA / GAG	Глутамінова кислота
GGU / GGC / GGA / GGG	Гліцин	Чотири синонімічні кодони
CCU / CCC / CCA / CCG	Пролін
UAA / UAG / UGA	(стоп)	Завершує трансляцію

Молекули транспортної РНК (тРНК) несуть правильну амінокислоту й мають антикодон, що спарюється з кодоном мРНК. Рибосома каталізує утворення пептидних зв'язків між послідовними амінокислотами, будуючи поліпептидний ланцюг, який потім згортається у функціональний білок.

1

Ініціація

Рибосома збирається на мРНК біля стартового кодона (AUG). Перша тРНК (що несе метіонін) причалює в P-сайті.

2

Елонгація

Наступна тРНК заходить у A-сайт. Між амінокислотами утворюється пептидний зв'язок. Рибосома переміщується на один кодон. Незаряджена тРНК виходить. Повторюється зі швидкістю ~20 амінокислот за секунду.

3

Термінація

Досягнуто стоп-кодон. Фактор вивільнення запускає гідроліз останнього зв'язку тРНК–поліпептид. Рибосома розбирається. Білковий ланцюг потім згортається спонтанно (часто за допомогою шаперонів).

Гени та геном

Ген — це послідовність ДНК, що кодує функціональну молекулу — зазвичай білок, іноді функціональну РНК. Повний набір ДНК в організмі — це його геном.

Ключові числа для геному людини:

3.2 мільярда пар основ (на гаплоїдний набір)
~20 000 білоккодувальних генів — лише ~1.5% усієї ДНК
~48% транспозонів (рухомих послідовностей ДНК)
~8% регуляторних і структурних некодувальних генів РНК
Решта ~40%: інтрони, повторювані послідовності та ділянки з досі незрозумілими функціями

«Сміттєва ДНК» — не сміття: проєкт «Геном людини» спершу назвав некодувальну ДНК «сміттям». Наступні проєкти на кшталт ENCODE (2012) показали, що щонайменше 80% геному має певну біохімічну активність — регуляторні елементи, якорі структури хроматину та довгі некодувальні РНК, що впливають на експресію генів.

Мутації

Мутація — це постійна зміна послідовності ДНК. Мутації — сировина еволюції; без них усе живе було б генетично однаковим. Більшість нейтральні; деякі шкідливі; рідкісні бувають корисними.

Типи мутацій

Заміна: одна основа замінюється іншою. Синонімічна заміна може не змінити амінокислоту (через надмірність кодонів). Місенс-заміна змінює амінокислоту. Нонсенс-заміна створює передчасний стоп-кодон.
Вставка / делеція (індел): одна або кілька основ додаються чи видаляються. Якщо не кратно 3, спричиняє мутацію зі зсувом рамки зчитування, що плутає всі наступні кодони — зазвичай катастрофічну.
Хромосомні перебудови: великі сегменти дублюються, інвертуються або переносяться на іншу хромосому.

Оригінал: ...AAU GAG CCG UGA... Asn Glu Pro STOP Заміна (G→A в позиції 5): Мутант: ...AAU AAG CCG UGA... Asn Lys Pro STOP ← одна амінокислота змінена

CRISPR — редагування коду

CRISPR-Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) — це молекулярний інструмент, запозичений із бактеріальних імунних систем, що дозволяє вченим розрізати ДНК у точному місці й редагувати послідовність. Дженніфер Дудна та Еммануель Шарпантьє отримали Нобелівську премію з хімії 2020 року за його розробку як інструмента для редагування генів.

Спрямовувальну РНК (гРНК) проєктують так, щоб вона відповідала цільовій послідовності ДНК. Білок Cas9 рухається за гРНК, знаходить відповідну послідовність у геномі й розрізає обидва ланцюги подвійної спіралі. Потім клітина відновлює розрив одним із двох шляхів:

NHEJ (негомологічне з'єднання кінців): схильне до помилок відновлення, що зазвичай порушує (вимикає) ген.
HDR (відновлення за гомологією): якщо надано матрицю відновлення, ген можна точно виправити або замінити.

Медичні застосування (2025–26): першу CRISPR-терапію Casgevy (exagamglogene autotemcel) схвалили для серпоподібноклітинної анемії та β-таласемії у Великій Британії (2023) і США (2023). Десятки інших випробувань тривають для спадкової сліпоти, онкологічних захворювань і ВІЛ.

Спробуйте самі

Симуляція клітинних автоматів показує, як складні самовідтворювані патерни можуть виникати з простих двійкових правил — чудова аналогія до того, як розгортається генетична інформація:

🎮 Гра «Життя» — самовідтворювані патерни →

Реакція-дифузія моделює різновид хімічної сигналізації, що керує експресією генів у ембріонів, які розвиваються (патерни Тюрінга):

🧪 Симуляція реакції-дифузії →