درس بیوشیمی مطلب اول:ماده ژنتيکی
سعیده پسرکلو
زيست شناسان عاملي را كه باعث انتقال خصوصيات و ويژگي هاي يك نوع جاندار،از نسلي به نسل ديگر مي شود،ماده ژنتيك
مي نامند.در ماده ژنتيك اطلاعات و دستورالعمل هايي نهفته است كه بسياري از
ويژگي هاي جاندار به آن ها بستگي دارد. در آغاز قرن بيستم تلاش هاي
فراواني براي يافتن ماده ژنتيك در سلول آغاز شد.در آن زمان زيست شناسان نمي
دانستندكه ماده ژنتيك كداميك از مولكول هاي درون سلول است؛ اما مي دانستند
براي انكه مولكولي بتواند نقش ماده ژنتيك را ايفا كند،بايد ويژگي هاي خاصي
داشته باشد.
مثلا بتواند اطلاعات ژنتيك را در خود ذخيره كند،آن ها را از
نسلي به نسل ديگر منتقل كند و در عين حال نسبتا پايدار باشد تا بتواند در
سراسر زندگي فرد خود را حفظ كند.
ساختار شيميايي نوكائيك اسيدها:
در سال1870فريدريك ميشر از هسته سلول، ماده اي استخراج كرد كه
خاصيت اسيدي داشت و بر همين اساس آن را نوكلئيك اسيد به معني اسيد هسته اي
نام گذاري كرد. بعد از مدتي معلوم شد نوكلئيك اسيدهاي موجود در سلول بر دو
نوع اند: يكي ريبونوكلئيك اسيد يا به اختصارRNAكه در ساختار آن قند ريبوز
به كار رفته است و ديگري دئوكسي ريبو نوكلئيك اسيد كه در ساختار آن قند
دئوكسي ريبوز به كار رفته است.
نوكلئيك اسيدها،همانند كربوهيدرات ها و پروتئين ها،پلي مر
هستند. واحدهاي مونومري نوكلئيك اسيدها،نوكلئوتيد نام دارد.هر نوكلئوتيد از
سه بخش تشكيل شده است:
1)يك قند پنج كربني كه ريبوز در(RNA)يا دئوكسي ريبوز
در(DNA)است،(2)يك تا سه گروه فسفات(3)يك باز آلي نيتروژن دار كه يا پوريني
يا پيريميديني است.
(ساختار باز هاي پوريني دو حلقه اي اما ساختار باز هاي پيريميديني تك حلقه اي است).
باز هايي كه در ساختارDNAشركت مي كنند،عبارت اند
از:آدنينA))،تيمينT))،سيتوزينC))و گوانينG)).درRNAبه جاي بازT،باز
يوراسيل(U)وجود دارد.
مدل واتسون و كريك:
طبق مدل پيشنهادي واتسون و كريك،ِDNA از دو رشته پلي
نوكلئوتيدي تشكيل شده است كه حول يك محور فرضي،به دور يكديگر پيچيده
اند.اين مدل،به مدل مارپيچ دو رشته اي(يا مارپيچ دوگانه)معروف شده
است.مارپيچ دو رشته اي در واقع شبيه نردباني است كه حول محور طولي خود پيچ
خورده است.نرده هاي اين نردبان را گروه هاي قند-فسفات تشكيل مي دهند.
بازهاي يك رشته در مقابل بازهاي رشته مقابل قرار دارند و پله
هاي اين نردبان را مي سازند.بين بازهايي كه مقابل هم هستند،پيوند هيدروژني
وجود دارد.
پيوند هيدروژني بين بازها، دو رشته را كنار يكديگر نگه مي
دارد.دو بازي را كه با يكديگر پيوند هيدروژني دارند،جفت باز مي نامند.جفت
شدن بازها از قوانين خاصي پيروي مي كند.
جفت شدن باز ها:
در مولكول DNAآدنين يك زنجيره با تيمين زنجيره مقابل و
سيتوزين آن با گوانين زنجيره مقابل جفت مي شود.علت اين نحوه جفت شدن را
بايد در ساختار بازها جستجو كرد. باز هاي Aو Tاز نظر ساختار سه بعدي مكمل
يكديگرند. بازهايC و Gنيز همين طورند.
براساس نحوه ي جفت شدن باز ها،مي توان گفت كه هر رشته مكمل
رشته مقابل است.به عبارت ديگر ترتيب بازهاي يك رشته ترتيب بازهاي رشته
ديگررا تعيين مي كند.مثلا اگر ترتيب بازهاي يك رشته ي DNA،به
صورتTCGAACTباشد،ترتيب بازهاي رشته ديگرAGCAAGAاست.
تحقيقات نشان داده اند كه اطلاعات وراثتي را ترتيب و تعداد
بازها تشكيل مي دهند.هيچ محدوديتي براي تعداد و ترتيب بازها در يك رشته
وجود ندارد؛اما به محض آن كه توالي بازها در يك رشته تعيين شد،توالي بازها
در رشته مكمل آن نيز براساس رابطه مكملي تعيين مي شود.
همانند سازي DNA:
واتسون و كريك همزمان با پيشنهد مدل خود براي DNA،چنين بيان
داشتند كه وجود رابطه مكملي بين بازها مي تواند در فرايند هماننسازي DNAنقش
اساسي داشته باشد.تحقيقات بعدي نشان داد كه در همانند سازي DNAدو رشته آن
به كمك آنزيم هليكاز مانند زيپ از يكديگر جدا مي شوند و سپس از روي هر
رشته،رشته جديدي ساخته مي شود؛به اين ترتيب كهبا استفاده از نوكلئوتيدهاي
آزاد كه در سيتوپلاسم وجود دارند،در مقابلA،بازTو در مقابل Cباز Gقرار مي
گيرد. چون هر DNAدختر يك رشته جديد و يك رشته قديمي دارد، مي گويند
همانندسازيDNAبه طريقه نيمه حفظ شده است.
همانندسازي DNAبه كمك آنزيم DNAپلي مراز صورت مي گيرد.اين
آنزيم در طول DNA حركت مي كند و نوكلئوتيدها را در مقابل نوكلئوتيدهاي مكمل
خود قرار مي دهد.اين آنزيم توانايي ديگري نيز دارد و آن ويرايش است:
در صورتي كه نوكلئوتيد اشتباهي به DNAهاي دختر اضافه شود،يعني
مكمل نباشد،آنزيم DNAپليمراز برمي گردد و نوكلئوتيد غلط را جدا و آن را با
نوكلئوتيد درست تعويض مي كند.با اين حالت به ندرت يك نوكلئوتيد غلط در
DNAهاي دختر باقي مي ماند و به نسل بعد سلول منتقل مي شود.
اين اشتباه هاي تصحيح نشده جهش نام دارد.
مولكول هاي DNAافراد مختلف به جز دوقلوهاي يكسان با يكديگر
متفاوت است.به عبارت ديگر از نوع DNAهر يك از ما در جهان بي همتاست و نمي
توان دو فرد را يافت كه DNAكاملا مشابه داشت باشند،حتي DNA والدين با DNA
فرزندان متفاوت است.
كروموزوم ها:
در بدن هر انسان بالغ در هر شبانه روز،ميليون ها سلول ساخته
مي شود؛اين سلول ها در نتيجه ي تقسيم شدن سلول هاي قبلي (سلول هاي
مادر)حاصل مي شوند.تقسيم سلول در سراسر زندگي فرد رخ مي دهد.تقسيم سلول
انواع مختلفي دارد:مثلا باكتري ها با نوعي تقسيم به نام تقسيم دوتايي
توليد مثل مي كنند.جانداران يوكاريوتي براي رشد،نمو،ترميم و توليد مثل
غيرجنسي،نوع ديگري از تقسيم سلول را انجام مي دهند كه ميتوز نام دارد.همين
جانداران،براي توليد گامت(سلول جنسي)نوع ديگري تقسيم را كه ميوز نام
دارد،انجام مي دهند.گامت ها سلول هاي تخصص يافته اي هستند كه در جانداران
براي توليد مثل جنسي توليد مي شوند.
كروموزوم هاي يوكاريوتي:
اطلاعات زيادي كه در DNAوجود دارد،در واحدهايي به نام ژن
ذخيره شده است.هر ژن،قسمتي از مولكول DNAاست كه براي ساختن پروتئين ياRNA
مورد استفاده قرار مي گيرد.يك مولكولDNA هزاران ژن دارد كه همانند واگن
هاي قطار به دنبال يكديگر قرار گرفته اند. ژن ها نقش مهمي در چگونگي رشد و
نمو بدن و نيز تنظيم كاركردن آن برعهده دارند.
درون هسته سلول هاي يوكاريوتي،معمولا چندين كروموزوم قرار
دارد.هركروموزوم حاويDNAو پروتئين است. وقتي سلول در حال تقسيم
نيست،كروموزوم ها به صورت رشته هاي باريك و در هم تنيده ديده مي شوند و
توده اي را تشكيل مي دهند كه كروماتين نام دارد.وقتي سلول براي تقسيم آماده
مي شود،هر يك از رشته هاي نا مشخص كروماتين كه در حقيقت كروماتين نام دارد
همانندسازي مي كنند و سرانجام كروموزوم مضاعف شده را تشكيل مي دهند.
در جريان تقسيم سلول،كروموزوم هاي مضاعف شده به تدريج فشرده
مي شوند.در نتيجه اين فشردگي،رشته هاي باريك و بلند كروموزومي به رشته هاي
قطور و كوتاه تبديل مي شوند.هر كروموزوم مضاعف شده از دو نيمه كه همانند
يكديگرند،ساخته شده است.هر نيمه را يك كروماتيد مي نامند. هر كروماتيد هر
كروموزوم مضاعف شده كه آنها را نسبت به يكديگر كروماتيد خواهري مي نامند در
محلي به نام سانترومر به يكديگر متصل اند.
فشرده شدن DNAبه كمك پروتئين ها انجام مي گيرد.
هيستون ها گروهي از پروتئين ها هستند كه در فشرده شدنDNAنقش
مهمي برعهده دارند.DNAدر محل هايي حدود 2 دور به دور 8 مولكول هيستون مي
پيچد و ساختاري را پديد مي آورد كه نوكلئوزوم نام دارد.اين ساختار
را مي توان به يك گردنبند مرواريد تشبيه كرد كه در آن مهره ها در حكم
نوكلئوزوم ها و نخ بين مهره ها در حكم DNAاست.
بيوسنتز پروتئين يا ترجمه (Translation mRNA)
فرآيندي است كه طي آن اطلاعات موجود در mRNA
براي ساخت پروتئين مورد استفاده قرار مي‌گيرد. به بيوسنتز پروتئين ترجمه
نيز گفته مي‌شود. زيرا در طي اين فرايند اطلاعات از زبان چهار حرفي موجود
در اسيدهاي نوكلئيك به زبان 20 حرفي پروتئيني ترجمه مي‌شوند. فرآيند ترجمه
به عوامل متعددي نياز دارد. پس از ساخته شدن پروتئينها، بلوغ و پردازش
آنها از طريق تغييراتي كه روي آنها صورت مي‌گيرد انجام مي‌شود. به كمك اين
تغييرات ساختمان و عمل پروتئينها تغيير مي‌يابد. تنظيم سرعت ساخت
پروتئينها به دو صورت كلي و اختصاصي انجام مي‌شود و در نهايت نيز وقتي
نيازي به وجود پروتئين نباشد، در اثر كاتابوليسم، آنها را تجزيه مي‌كند ،
از اسيدهاي آمينة آنها براي ساخت پروتئينهاي ديگر استفاده مي‌كند. سلول‌ها
از نظر سنتز پروتئين متفاوت از يكديگرند، به گونه‌اي كه در گلبول‌هاي قرمز
كاملا تمايز يافته،كه فاقد هسته بوده بيوسنتز پروتئين صورت نمي‌گيرد. در
ساير سلول‌ها براي حفظ غلظت آنزيم و ساير پروتئينها ، مقدار زيادي پروتئين
سنتز مي‌شود.
عوامل لازم براي ترجمه
1- الگو (mRNA)
2- مصالح ساختماني
3- آنزيم‌ها
4- انرژي
5- فاكتورهاي پروتئيني
6- tRNA
7- ريبوزوم‌ها
الگو كد ژنتيكي (Genetic Code)
اطلاعات سلولي به شكل توالي خطي و نوكلئوتيدها در DNA ذخيره مي‌شوند كه مشابه قرار گرفتن حروف الفبا در كنار هم و ساختن كلمات مختلف است. زبان DNA– چهار حرف دارد كه دو حرف آن بازهاي پوريني (آدنين و گوانين) و دو حرف ديگر بازهاي پيريميديني (ستوزين و تيمين) هستند. mRNA رونويسي شده از روي DNA نيز يك زبان چهار حرفي دارد. ولي با اين تفاوت كه در آن به جاي باز تيمين، باز اوراسيل وجود دارد. به اين ترتيب ملاحظه مي‌شود زبان DNA و RNA
عمدتا يكسان هستند ولي از آنجا كه اطلاعات ژنتيكي بايد به زباني (پروتئين)
ترجمه شوند كه داراي بيست حرف الفبا (اسيد آمينه) است. اين ترجمه موضوع
پيچيده‌اي است كه به عوامل متعددي نياز دارد. قبل از همه بهتر است ببينيم
كه مسئله انطباق حرف الفبايي دو زبان متفاوت چگونه حل شده است. درواقع از
آنجا كه براي هريك از اسيدهاي آمينه بايستي حداقل يك رمز (كدون) وجود داشته
باشد، بنابراين كدون هاي موجود در mRNA از گروه هاي سه بازي تشكيل شده اند. باتوجه به چهار نوع نوكلئوتيد، به طور كلي (64)43 نوع تركيب سه حرفي وجود دارند كه از بين آنها، 61 نوع رمز 20 اسيد آمينه و سه كدون باقيمانده (UAG, UGA, UAA) كه به نام «كدون هاي خاتمه دهنده» ناميده مي‌شوند، مسئول خاتمه ترجمه هستند.
به كدون هاي مربوط به اسيدهاي آمينه «با معني» (Sense) و به كدون هاي خاتمه دهنده «بي معني» (Nonsense)
نيز گفته مي‌شود. از آنجا كه 61 نوع كدون مربوط به 20 نوع اسيد آمينه است،
بيشتر اسيدهاي آمينه داراي چند كدون هستند. متيونين و تريپتوفان داراي يك
كدون و آرژنين و لوسين و سرين هريك داراي 6 كدون هستند. به چند كدوني كه
مربوط به رمز يك اسيد آمينه باشند در اصطلاح «كدون هاي مترادف» (Synoymous codons) گفته مي‌شود. تفاوت كدون‌هاي مترادف عمدتا در باز سوم (باز 3’) آنها است. به اين خاصيت، چند رمزينگي (Degenerate code)
گفته مي‌شود. به جز چند مورد استثنا (از قبيل اختلاف چند كدون باكتريايي و
ميتوكندريايي با كدون‌هاي هسته‌اي در يك جاندار) كدون‌هاي ژنتيكي عمدتا در
تمام موجودات يكسان هستند.
مصالح ساختماني:
اسيدهاي آمينه واحدهاي سازندة پروتئينها هستند و براي آن كه در ساختمان پروتئين قرار بگيرند بايد به tRNA هاي اختصاصي خود وصل شوند. به اين عمل فعال شدن اسيدهاي آمينه گفته مي‌شود.
فعال شدن اسيدهاي آمينه
پيام mRNA پس از اتصال آن به ريبوزوم توسط tRNA ها خوانده مي‌شود. tRNA ها درواقع مولكول هاي آداپتوري (Adaptor molecules) هستند كه هريك مختص يك نوع اسيد آمينه هستند كه با پيوند كووالان به آنها متصل شده‌اند. اين اتصال توسط آنزيم «tRNA آمينواسيل سنتتاز» (tRNA- aminoacyl synthetase) صورت مي‌گيرد. يك اسيد آمينه ممكن است داراي يك يا بيشتر tRNA باشد. آنزيم‌هاي آمينواسيل tRNA سنتتازها، اسيد آمينه را به انتهايي 3’ مولكول tRNA متصل مي‌كند. براي هر اسيد آمينه حداقل يك و گاهي اوقات دو آنزيم آمينواسيل tRNA سنتتاز وجود دارد. اين آنزيم ها در اتصال اسيد آمينه به tRNA بسيار اختصاصي عمل مي‌كنند. اتصال اسيدهاي آمينه به tRNA طي سه مرحله انجام مي‌گيرد.
1- ابتدا اسيد آمينه با استفاده از ATP فعال مي‌شود (واكنش 1). سپس tRNA وارد عمل شده AMP را از اسيد آمينه جدا و خود به آن وصل مي‌شود. در مرحلة سوم گروه پيروفسفات PPi تجزيه مي‌شود تا واكنش شماره 3 واكنش كلي
