دی ان ای و هر آنچه که باید در مورد آن بدانید (بخش سوم و پایانی)

در بخش هایاولودومگزارش مربوط به DNA و هر آنچه باید در مورد آن بدانیم، سعی داشتیم به یک ذهنیت کلی در مورد ساختار DNA و چگونگی همانندسازی آن دست یابیم. همچنین دانستیم پروتئین ها هم که از اصلی ترین مواد بدن موجودات زنده به شمار می روند، طی مراحل شیمیایی مشخصی از مولکول DNA حاصل می شوند. در بخش سوم و پایانی از گزارش DNA سعی خواهیم داشت اندکی روی پروتئین ها و چگونگی شکل گیری آن ها و همچنین واکنش های شیمیایی دخیل در این روند تمرکز کنیم. مسلما بررسی کامل این موضوع در قالب یک گزارش چندصفحه ای میسر نیست؛ اما هدف ما از این مقاله ی طولانی تنها ارا ئه ی یک ذهنیت کلی درباره ی بخش شگفت انگیزی از روند حیات بوده است.

در بخش قبلی در مورد کدون ها صحبت کردیم. اشاره کردیم که قرار گرفتن سه نوکلئوتید در کنار هم یک کدون را شکل می دهد. همچنین هر ژن دارای کدون هایی برای مشخص کردن آغاز (start codon) و انتهای یک ژن (stop codon) هستند.

پروتئین ها چگونه ساخته می شوند؟

رونویسی

ساخت پروتئین بسیار شبیه به ساخت یک خانه است. طرح کلی و برنامه ریزی کننده ی اصلی ساخت این خانه ی زیستی، مولکول DNA است که در بر دارنده ی تمامی اطلاعات مورد نیاز برای ساخت پروتئین جدید است. نسخه ی در حال کار و کپی برداری شده از طرح کلی اصلی، با نام RNA پیام رسان یا مسنجر (messenger RNA) شناخته می شود و آن را به اختصارmRNAمی نامیم. این در واقع مولکولی است که از روی DNA کپی می شود. سایت ساختمانی فرضی مورد نظر برای ساخته شدن پروتئین نیز در پروکاریوت ها،سیتوپلاسمو در یوکاریوت ها،شبکه ی آندوپلاسمیخواهد بود. در باره ی این دو دسته از موجودات (یوکاریوت ها و پروکاریوت ها) در ادامه به اختصار توضیح می دهیم.

مواد مورد استفاده برای ساخته شدن سازه ی پروتئین همان اسیدهای آمینه هستند. عوامل یا کارگران سازنده ی این سازه نیز عبارتند از ریبوزوم ها و مولکول های انتقال دهنده ی RNA. حال بهتر است به هر یک از مراحل ساخت پروتئین ها، نگاه نزدیک تری داشته باشیم.

در یوکاریوت ها، DNA هرگز هسته را ترک نمی کند؛ به طوری که اطلاعات آن باید کپی شود. این فرایند کپی کردن را به نام رونویسی یاترنسکریپشن(transcription)می شناسیم و کپی ایجادشده در این فرایند نیزmRNA است. رونویسی در سیتوپلاسم (برای پروکاریوت ها) یا در هسته (برای یوکاریوت ها) صورت می گیرد. رونویسی توسط آنزیمی به نام (RNA پلیمراز) انجام می شود که در تصویر زیر به صورت طرح وار نحوه ی احاطه ی RNA توسط این آنزیم را می بینید:

اما احتمالا این سؤال پیش می آید که آنزیم یادشده برای ساختن mRNA دقیقا چه فرایندی طی می کند. در اینجا به طور اجمالی به این مراحل اشاره می کنیم:

۱. این آنزیم در ابتدا به رشته ی DNAدر محل یک توالی خاص از ژن ها به نامپروموترمتصل می شود.

۲. دو رشته ی DNA را از حال مارپیچی خارج و پیوند بین آن ها را نیز قطع می کند.

۳. یکی از رشته های DNA را به عنوان یک راهنما یا قالب برای ادامه ی فرایند استفاده می کند.

۴. نوکلئوتیدهای جدید را با مکمل هایشان روی رشته ی DNA تطبیق می دهد. در اینجا G با C و A با U متصل می شود. باید اشاره کنیم که مولکول RNA، به جای تیمین (T)، دارای اوراسیل است و آن را با نماد U خواهیم شناخت.

۵. در ادامه نوکلئوتیدهای RNAی جدید را با هم پیوند می دهد تا به این ترتیب یک کپی مکمل از رشته ی DNA داشته باشیم و باز هم باید اشاره می کنیم که این رشته ی کپی شده را mRNA نامیده اند.

۶. روند کار این آنزیم هنگامی که به یک دنباله ی پایانی از پایه ها (کدون های توقف) می رسد، متوقف می شود.

mRNAبر خلافDNA که به اقتضای ساختار خود، تمایل به ایجاد یک مارپیچ دوگانه با مکمل خود دارد، در حالت تک رشته ای نیز می تواند باقی بماند؛ یا بهتر است چنین بیان کنیم که تمایلی به تشکیل مارپیچ هایی همانند DNA ندارد. در پروکاریوت ها، همه ی نوکلئوتیدهای موجود در mRNAبه منزله ی بخشی از کدون های به کاررفته برای پروتئین های جدید هستند. با این حال، تنها در یوکاریوت ها است که توالی های اضافی درDNAوجود دارد وmRNA برای ساخت پروتئین هایی به ناماینترونکدگزاری و شناسایی نمی شود. این mRNA در ادامه فرایند زیر را طی می کند:

اینترون ها بریده می شوند و دنباله های کدگذاری شده (یا به تعبیری کدکننده) در همدیگر تنیده می شوند. سپس یک پوشش ویژ ه ی نوکلئوتیدی به یک انتهای آن افزودهمی شودو در ادامه یک زنجیره ی طولانی از نوکلئوتیدهایی متشکل از ۱۰۰ تا ۲۰۰ آدنین (A)به انتهای دیگر مولکول افزوده می شود.

هیچکس به طور دقیق نمی داند چرا این فرایند در یوکاریوت ها رخ می دهد. در نهایت، در هر لحظه شمار زیادی از ژن ها به طور هم زمان بر پایه ی نیازهای سلول به شکل پروتئین های خاصی رونویسی می شوند.

نسخه ی در حال کاری که از طرح اصلی ساخته شده است، اکنون باید به سایت ساختمانی مورد مثال در بخش قبل بروند تا در آن، کارگران پروتئین های جدید را بسازند. اگر سلول مورد بحث ما از نوع پروکاریوت همانند باکتری E. coli باشد،سایت ساختمانی برای پروتئین، سیتوپلاسم خواهد بود. اگر سلول از نوع یوکاریوتی باشد؛ مانند سلول های انسان، مولکول mRNA هسته ی سلول را از طریق حفره های بزرگ در غشای هسته ای (منافذ هسته ای) ترک می کندو در ادامه به شبکه ی آندوپلاسمی می رود. در قسمت های بعدی درباره ی روند سرهم بندی این بخش ها صحبت خواهیم کرد.

مولکول RNA با نگاهی دقیق تر

پیش از ادامه ی گزارش درباره ی DNA و ساخت پروتئین ها، شاید بهتر باشد در مورد مولکولی که در این بخش بیشتر مورد توجه قرار گرفت، اندکی دقیق تر شویم. مولکول RNA همان طور که در بخش نخست این گزارش اشاره کرده بودیم، اسید نوکلئوتیددیگریبه شمار می رود که در ساختار حیات نقش دارد. اما تفاوت این دو اسید نوکلئوتید در چیست؟ باید بگوییم که مولکول RNA از سه حیث اصلی با مولکول DNA دارای تفاوت است:

۱. قند موجود در ساختار این مولکول به جای دئوکسی ریبوز، نوعی قند به نامریبوزاست.

۲. به جای دو رشته ای که در DNA نقش دارند، در ساختار RNA تنها یک رشته وجود دارد.

۳. مولکول RNAبه جای تیمین دارای نوکلئوتیدی موسوم بهاوراسیلاست و نماد آن هم U است که به آن اشاره شد. بنابراین، جفت های پایه ای در RNAعبارت هستند از:سیتوزین با گوانین؛آدنین با اوراسیل.

در یک سلول پروکاریوتی (لازم به توضیح است که این سلول ها به سلول هایی اطلاق می شود که هیچ اندامک متصل به غشایی ندارند؛ مانند باکتری ها)، هر دو مولکول DNA و RNA در سیتوپلاسم یافت می شوند. در سلول یوکاریوتی (سلول هایی با اندامک داخلی متصل به غشاء داخلی؛ مانند انسان)، مولکول RNA را می توان در هسته و سیتوپلاسم سلول یافت. این در حالی خواهد بود که مولکول DNAدر این سلول ها تنها در هسته یافت می شود.

ترجمه یا ترنسلیشن

در ادامه ی بررسی روند ساخت خانه ای که به عنوان مثالی از پروتئین ها در نظر گرفته ایم، پس از آن که نسخه ی در حال کار از طرح کلی به سایت ساختمانی رسید، کارگران باید مواد تشکیل دهنده ی سازه را با توجه به دستورالعمل های تعیین شده برای مونتاژ یا سرهم بندی سازه با همدیگر ترکیب کنند؛ این فرآیند را به نام ترجمه یاترنسلیشن (translation)می شناسند. در مورد پروتئین، کارگران ساختمانی ریبوزوم ها و مولکول های RNA خاصی به نام RNA انتقال دهنده یا tRNA هستند. مواد ساخت وساز هم اسیدهای آمینه هستند.

ابتدا نگاهی به ریبوزوم داشته باشیم. ریبوزوم از نوعی RNA به نام RNA ریبوزومی یا (rRNA) ساخته شده است. در پروکاریوت ها، rRNA در سیتوپلاسم و در یوکاریوت ها، rRNA در هسته ساخته می شود. ریبوزوم دارای دو بخش است که به هر دو طرف از mRNA متصل می شوند. در بخش بزرگ تر آن، دو قسمت موسوم به بخش های P و A قرار دارند که دو کدون مجاور از mRNA، دو مولکول tRNA و دو اسید آمینه را در خود جای خواهند داد. در ابتدا، سایت P کدون mRNAرا و سپس سایتA نیز کدون بعدی را نگه می دارد.

در ادامه به مولکول tRNAمی پردازیم. هر مولکولtRNAدارای یک بخش اتصالی برای یک اسید آمینه است. از آنجایی که هرtRNA برای تنها یک اسید آمینه اختصاص می یابد؛ مولکول باید قادر به تشخیص کدونی روی mRNA باشد که برای آن اسید آمینه ی خاص کد شده است. از این رو، هر مولکول tRNAدارای یک توالی سه نوکلئوتیدی خاص به نام آنتی کدون است که با کدون مناسبmRNAمنطبق است. در واقع این روند همانند یک قفل و کلید عمل می کند و باید یک سازگاری یک به یک وجود داشته باشد. برای مثال، اگر یک کدون رویmRNAدارای توالی به صورت دنبالهUUUباشد، این شکل از توالی، کدکننده ی اسیدآمینه ای به نام فنیل آلانین خواهد بود. سپس آنتی کدون روی tRNA متعلق به فنیل آلانین به صورت آدنین-آدنین آدنین یاAAAخواهد بود. به یاد بیاورید که در مولکول RNA ،A با U متصل می شود. همچنین مولکول های tRNA در سیتوپلاسم شناور هستند و با اسیدهای آمینه ی آزاد پیوند می یابند. هنگامی که این مولکول ها به اسیدهای آمینه ی آزاد متصل شوند، tRNA-ها شروع به جستجو به دنبال ریبوزوم ها خواهند کرد.

در نهایت، اجازه دهید به مراحل سنتز پروتئین های جدید نگاهی داشته باشیم. به عنوان مثال، می توانیم یک مولکول mRNA کوچک با توالی زیر را در نظر بگیریم:

همه مولکول های mRNA با AUG (کدون شروع) آغاز خواهند شد. UGA ،UAA و UAG کدون های توقف هستند. گفتنی است که کدون های توقف هیچ مولکول tRNAمتناظری ندارند؛ این در حالی است که مولکول هایmRNAمتداول، صدها کدون در خود دارد.

درباره ی دنباله ی متناظر با آنتی کدون های tRNAنیز می توان گفت کههیچ مولکول tRNA-یی متناظر با کدون های توقف وجود ندارد. توالی اسید آمینه ی مشخص شده توسط این mRNAبه فرم مشخصی است. ما این دنباله از اسیدهای آمینه را با استفاده از جدولی از کد ژنتیکی می شناسیم. جدول کد ژنتیکی برای mRNAبه صورتی است که در تصویر زیر آمده است و پایه های موجود در کدون های اول، دوم و سوم را با اسیدهای آمینه ی متناظر با هر یک از آن ها مشخص می کند.

در اینجا می خواهیم اسید آمینه ی مشخص شده را توسط کدون AUG در mRNA را بخوانیم. باید انگشت سمت چپ خود را در ستون اول از جدول روی اولین بخش از کدون، یعنی A قرار دهید. در ادامه ی روند، انگشتتان را در سطر اول به سمت چپ و در راستای ردیف واقع در پایین کدون Uحرکت دهید. اینک، انگشت راست خود را روی کدون سومG در همان سطر از آخرین ستون G قرار دهید. انگشت راست خود را در راستای آن ردیف حرکت دهید؛ تا جایی که انگشت راستتان با انگشت چپتان تلاقی کند و در اینجا است که شما می توانید اسید آمینه ی متناظر با این کدون را (متیونین) بخوانید. در بخش بعدی به فرایند سنتز پروتئین نگاهی خواهیم داشت.

فرایند سنتز پروتئین ها

ترتیب رویدادها در فرایند سنتز پروتئین با شروع از یک mRNA نمونه را می توانیم به صورت زیر بررسی کنیم. در واقع این ها مراحلی هستند که به ترتیب به منظور ساخت پروتئین ها رخ می دهند. به اهمیت پروتئین ها و انواع کارکردهای آن ها در بدن موجودات زنده در بخش های قبلی اشاره کردیم. برای اینکه انسجام گفته هایمان در خصوص DNA و ارتباط آن با پروتئین ها حفظ شود، به عنوان یک دیدگاه کلی می توانیم چنین برداشت کنیم که مولکول DNAبه عنوان شالوده ی تمامی موجودات زنده است و این مولکول در کنارRNA و مجموعه ای از واکنش های شیمیایی دیگر همگی منجر به ساخت مولکول های پروتئینی می شوند که ماده ی متمایزکننده ی میان موجودات زنده و غیرزنده محسوب می شود. روند سنتز شدن پروتئین را می توان به این شکل جمع بندی کرد:

۱. یک ریبوزوم به mRNAبا کدونAUG در بخش P و کدون UUU در بخش A آن متصل می شود

۲. یک آمینو آسیل tRNAبا آنتی کدونUAC با یک متیونین متصل، به بخش P ریبوزوم می آید

۳. یک آمینو آسیل tRNAبا آنتی کدونAAA با یک فنیل آلانین متصل، به بخش Aریبوزوم می آید

۴. پیوند شیمیایی بین متیونین و فنیل آلانین شکل می گیرد. گفتنی است که در پروتئین ها، این پیوند کووالانسی را با نامپیوند پپتیدیمی شناسند

۵. tRNA مختص متیونین، بخش P را ترک می کندو برای جمع آوری متیونینی دیگر جدا می شود

۶. ریبوزوم دستخوش تغییر می شود؛ به طوری که بخش P آن اکنون دیگر دارای کدون UUU به همراه یک tRNA فنیل آلانینی است و همچنین کدون بعدی (ACA) نیز بخش دیگر (بخش A) را تصاحب کرده است.

۷. یک tRNAآمینو آسیل (آنتی کدون) نیز با یک ترئونینِ متصل به خود، به بخشA از ریبوزوم می آید

۸. پیوند پپتیدی بین فنیل آلانین و ترئونین تشکیل می شود

۹. tRNA مختص فنیل آلانین، بخش P را ترک می کندو برای پیدا کردن فنیل آلانین دیگری جدا می شود

۱۰. ریبوزوم یک کدون را تغییر می دهد؛ به طوری که دنباله ی توقف اکنون در سایت A قرار داشته باشد. در مواجهه با دنباله ی توقف، ریبوزوم از mRNAجدا و به دو بخش تجزیه می شود.tRNAی مختص ترئونین، ماده ی ترئونین خود را منتشر می کند و در نهایت پروتئین جدید شناور می شود.

چند ریبوزوم می توانند یکی پس از دیگری به یک مولکول mRNAمتناظر وصل شوند و شروع به ساخت پروتئین کنند. بنابراین چندین پروتئین را می توان از یکmRNAبه دست آورد. در واقع، در باکتریE.coli، ترجمه از mRNA آغاز می شود؛ حتی قبل از اینکه رونویسی به اتمام برسد.

البته در بخش میتوکندری سلول نیز حلقه هایی از DNA وجود دارند و می توانند خود را بازسازی کنند. این DNA، کدهای لازم برای برخی از پروتئین های ساخته شده در میتوکندری را فراهم می کند. نکته ی جالب در مورد میتوکندری این است که DNA مربوط به آن تنها از سوی مادر به فرد منتقل می شود.

با وجود مراحل مشخصی که در این گزارش توضیح دادیم، این مراحل همیشه به نحوی که اشاره شد و به طور صحیح انجام نمی شوند. بروز این اشتباهات در روند تکثیر DNA و ساخت بخش های جدید منجر به ایجاد جهش های ژنتیکی می شود که خود مقوله ی مفصلی از علوم زیستی را در بر می گیرد. امروزه روی DNA و پروژه ی شناسایی ژنوم انسان و توالی ژنی بشر سرمایه گذاری های زیادی صورت گرفته است. بدون شک می توانیم بگوییم که علوم مرتبط با DNA و جهش های آن و ایجاد تغییر آن یکی از پیچیده ترین و مؤثرترین علوم عصر ما هستند.