(1)پروتئین سازی

بیماری آلکاپتونوریا نوعی بیماری ارثی است و بنا بر این علت آن را می توان به ژن ها نسبت داد.ادرار افراد مبتلا به این بیماری در مجاورت هوا سیاه می شود زیرا در آن ماده ای به نام هموجنتیسیک اسید وجود دارد.در ادرار افراد سالم این اسید وجود ندارد زیرا آنزیم مخصوصی آن را تجزیه می کند.در سال 1909 پزشکی به نام آرچیبلد گرو بیان داشت که در بیماران مبتلا به آلکاپتونوریا آنزیم تجزیه کننده ی هموجنتیسیک اسید وجود ندارد.گرو در واقع توانست بین یک نفض ژنی (بیماری آلکاپتونوریا) ویک نقض آنزیمی(آنزیم تجزیه کننده ی همو جنتیسیک اسید)رابطه بر قرار کند.به این ترتیب اندیشهای

اولیه ی یکی از مهمترین نظریه های زیست شناسی شکل گرفت.اندیشه ای که بیان می دارد «هر ژن مسئول ساختن یک آنزیم است».

در سال 1940 دو محقق به نام های جورج بیدل و ادوارد تیتوم آزمایشی انجام دادند که منجر به ارایه ی نظریه ی یک ژن-یک آنزیم شد.

این دو محقق برای بررسی عمل ژن از هاگ های قارچی به نام کپک نوروسپورا کراسا استفاده کردند. تا آن زمان بیدل و تیتوم بیش تر آزمایش ها روی صفات قابل مشاهده مانند ژن های رنگ چشم در مگس سرکه یا ژن های کنترل کننده ی رنگیزه ها در گیاهان انجام می گرفت. اما بیدل و تیتوم روی کرد جدیدی برای آزمایش خود اتخاذ کردند. آنان جهش هایی را بررسی کردند که مربوط به ژن های کنترل کننده ی واکنش های مهم متا بولیک از قبیل تولید ویتامین ها وآمینواسیدها بود.

کپک نوروسپورا در لوله آزمایش حاوی مخلوط رقیقی از انواع نمک ها کمی شکر و یک نوع ویتامین به نام بیوتین رشد می کند. مجموع این مواد را محیط کشت حد اقل می نامند. این قارچ هاپلوئید است ودر مدت زمان کوتاهی تعداد فراوانی هاگ تولید میکند. بیدل و تیتوم در آزمایش های خود از پرتو های X برای ایجاد جهش در هاگ ها استفاده کردند. از سال گذشته به یاد دارید که هرگونه تغییر در ماده ی وراثتی را جهش می نامند. بعضی از این هاگهای پرتو دیده نمی توانستند در محیط کشت حد اقل رشد کنند و فقط در صورتی رشد می کردند که به محیط کشت آن ها بعضی مواد آلی اضافه می شد (محیط کشت غنی شده).آنان هاگ هایی را که نمی توانستندروی محیط کشت خد اقل رشد کنند جهش یافته نامیدند(شکل 1ــ1).

گروهی از این جهش یافته ها برای رشد نیاز به آمینو اسید آرژینین داشتند.در سلول دو ماده ی ارنیتین و سیترو لین در مسیر سنتز آرژینین پیش ماده هستند. ارنیتین خود از پیش ماده ی دیگری که آن را Xمی نامیم حاصل

می شود. چون در سلول تبدیل هر ماده به ماده ی دیگر نیازمند نوعی آنزیم است می توان ارتباط بین ماده ی X، ارنیتین، سیترولین و آرژینین را به صورت متا بولیکی زیر نشان داد:

بیدل و تیتوم مشاهده کردند که جهش یافته های تیزمند به آرژینین سه دسته اند: یک گروه از آن ها در صورتی رشد می کنند که به محیط کشت حد القل ارنیتین ، سیترولین یا آرژینین اضافه شود. جهش یافته های گروه دوم آن هایی بودند که به محیط کشت آن ها باید سیترولین یا آرژینین اضافه شود.سومین گروه از جهش یافته هافقط در صورتی رشد می کردند که به محیط آن ها آرژینین اضافه می شود.

مسیر ساختن آرژینین با حذف هر یک از آنزم ها متوقف می شود (چرا؟). بر همین اسا س می توان گفت که در جهش یافته های گروه اول که قادر به ساختن ارنیتین نیستند آنزیم 1 وجود ندارد.در جهش یافته هی گروه دوم آنزیم 2 وجود ندارد،به همین دلیل در این جهش یافته ها سیترولین به آرزینین تبدیل می شود،اما ارنیتین نمی تواند به آرژینین تبدیل شود. در جهش یافته ها یی که فقط در حضور آرژینین رشد می کنند، آنزیم 3 به وجود نمی آید.

بیدل و تیتوم از این آزمایش ها نتیجه گرفتند که وقتی یک ژن آسیب می بیند، تولید یک آنزیم خاص نیز در سلول متوقف می شود. به عبارت دیگر هر ژن از طریق تولید یک آنزیم تاثیر خود را اعمال می کند.

بیدل و تیتوم این ارتباط یک ژن به یک آنزیم را، نظریه ی یک ژن ــ یک آنزیم نامیدند. این عقیده که یک ژن تولید یک آنزیم را رهبری می کند، تا حدود یک دهه رواج داشت. تا اینکه مشخص شد بسیاری از ژن ها، پروتئین هایی را به رمز در می آورند که آنزیم نیستند، از طرفی بعضی پژوهش ها مشخص کرد که بسیاری از پروتئین ها از چند زنجیره ی پلی پپتیدی تشکیل شده اند که تولید هر زنجیره را یک ژن خاص رهبری کرده است.

حاصل این یافته ها منجر به تبدیل نظریه ی یک ژن ــ یک آنزیم به نظریه ی یک ژن ــ یک زنجیره ی پلی پپتیدی شد.

رمزهای وراثتی

سال قبل دیدیم که DNAماده ی ژنتیک و محل ذخیره ی اطلاعات است. اطلاعات در DNA به صورت رمز ذخیره شده اند. منظور از رمز علایمی است که از آن ها برای ذخیره سازی و انتقال اطلاعات استفاده می شود.

مثلا زبان نوشتنی فارسی 32 علامت رمز(حرف) دارد.

می دانید که مولکول DNA مولکول بسیار بلندی است و در ساختار آن فقط چهار نوع نوکلئوتید به کار رفته است. بنابراین می توان گفت که زبان کولکول DNA به صورت یک الفبای چهار حرفی (A,C,G,T)است، که هر حرف نشان دهنده ی یک نوع نوکلئوتید است.

دانستیم که از اطلاعات ژنتیک برای ساختن پروتئین استفاده می شود. پروتئین ها از 20 نوع آمینو اسید ساخته شده اند و هر پروتئین توالی آمینو اسیدی مخصوص به خود دارد. در واقع رمز های موجود در DNAباید به نحوی تعیین کننده ی نوع و ترتیب آمینواسیدهای پروتئین ها باشند.

اگر هر نوع نوکلئوتید علامت رمز یک آمینو اسید باشد ،بازهای A،G،C و T علامت های رمز چهار نوع آمینو اسید می شوند.بنابراین فقط چهار نوع آمینو اسید علامت رمز خواهند داشت. بدیهی است که رنز یک حرفی جوابگوی 20 نوع آمینو اسید نخواهد بود. در صورتی که رمز دو حرفی باشد فقط 16 نوع آمینو اسید علامت رمز خواهند داشت. بنابراین رمز دو حرفی نیز جوابگئی 20 نوع آمینو اسید نخواهد بود. در صورتی که رمز سه حرفی باشد، 64 رمز سه حرفی به دست می آید که بیش تر از تعداد رمز لازم برای 20 وع آمینو اسید است. در این صورت یک آمینو اسید ممکن است بیش از یک رمز داشته باشد. در واقع رمز های نوکلئیک اسیدها سه حرفی هستند.

RNA رابطه ی بین DNA و پروتئین را برقرار می کند.

از اطلاعات موجود در DNA برای ساختن پروتئین ها استفاده می شود، اما جایگاه DNA در هسته و جایگاه پروتئین سازی در سیتوپلاسم است. بنابراین DNA نمی تواند مستقیماً برای ساختن پروتئین مورد استفاده قرار گیرد. به همین سبب، انتظار می رود نوعی مولکول میانجی، ارتباط بین DNA و ریبوزوم ها را برقرار کند.

اندازه گیری های گوناگون نشان داده اند که در سلول هایی که در آن ها فعالیت پروتئین سازی شدید است، RNA فراوانی هم بافت می شود. برعکس، در سلول هایی که فر آیند پروتئین سازی در آنها چندان شدید نیست، مقدار RNA نیز کم است. از طرف دیگر، RNA هم دز هسته یافت می شود هم در سیتوپلاسم. بر این اساس و نیز بر اساس آزمایش ها و مشاهدات دیگر، دانشمندان به این نتیجه رسیدند که این مولکول میانجی، RNA است. به این نوع RNA که اطلاعات را از DNA به ریبوزوم ها حمل می کند RNA پیک می گویند و آن را با mRNAنشان می دهند. دو نوع RAN دیگر نیز در سلول ها دارند که در فر آیند پروتئین سازی لقش های مهمی بر عهده دارند. یکی RNA ناقل است که آن ر با tRNA نشان می دهند. این مولکول آمینو اسید ها را به ریبوزوم منتقل می کند، تا ریبوزوم آمینو اسید ها را بر اساس اطلاعات مجود درmRNA کنار یک دیگر ردیف کند. دیگری RNAریبوزومی

است که آن را با rRNA در ساختار ریبوزوم ها شرکت دارد.

RNA از روی DNA ساخته می شود.

ساخته شدن RNA از روی DNA را رونویسی می گویند(شکل 2ــ1).رونویسی اولین قدم برای ساختن پروتئین هاست. رونویسی با کمک آنزیم RNA پلی مراز انجام می شود.

سلول های پروکاریوتی فقط یک نوع آنزیم RNA پلی مراز دارند. در سلول های یو کاریوتی سه نوع آنزیم RNA پلی مراز یافت شده است که آن ها را با علامت های I، II و III مشخص می کنند.

RNA پلی مراز I فقط رونویسی ژن های rRNA و RNA پلی مراز II رونویسی پیش سازهای mRNA ها و نیز برخی از RNA های کوچک را انجام مـی دهند. RNA پلی مراز III رونویسـی ژن هـای tRNA و نـیـز بعضی دیگر از RNA های کوچک را کاتالیز می کند. شکل3ــ1 مراحل رونویسی را به طور خلاصه نشان مـیدهد.

مرحله ی 1: رونویسی با اتصال RNA پلی مراز به قسمتی از ژن به نام راه انداز ژن شروع می شــود. راه انداز قسمتی از DNA است که به RNA پلی مراز مکان می دهد رونویسی را از محل صحیح آغاز کند و مثلاً

این کار را از وسط ژن شروع نکند. راه انداز در نزدیکی جایگاه آغاز رونویسی قراردارد.جایگاه آغاز رونویسی به

اولین نوکلئونیدی از DNA گفته می شود مه رونویسی می شود.

مرحله ی 2: RNA پلی مراز دو رشته ی DNA را از یک دیگر باز می کند.

مرحله ی 3: RNAپلی مراز همچون قطاری که روی ریل حرکت می کند، در طول نوکلئوتیدهایDNA به حرکت در می آید و در مقابل هر یک از دئوکسی ریبونوکلـئوتیدهای DNA، ریبونوکلئوتید مکمل را قرارمی دهد و به علاوه هر ریبونوکلـئـوتید جدیـد را به ریبونوکلـئـوتید قبلی وصل می کند. در رونویسی نیر از همان قوانین جفت شدن باز ها که در همانند سازی DNA به کار می رود استفاده می شود.تنها تفاوت این است که در مقـا بـل دئوکسـی نوکلئوتید A (آدنین دار) در DNA، ریبونوکلئوتید U (یوراسـیل دار) در RNA قرار مـی گیرد. RNA پـلی مـراز، DAN و mRNA تازه ساخته شده، پس از رونویسی جایگاه پایان رونویسی، از یک دیگر جدا می شوند و مولکـول mRNA برای مرحله ی بعدی یعنی ترجمه، آزاد می شود.

چنان کـه مشاهـده می شـود رونویسـی نـیز، مانند همانند سازی DNA از نوکلئوتید ها به عنوان الـگـو بـرای ساختن یک مولکول جدید، بهره می برد.البته در همـا نند سـازی DNA مولکول جـدیـدی که ساخته می شود، DNA است؛ در حالی که در رونویسی مولکول ساخته شده از جنس RNA است. تفاوت دیگر این است که در همانند سازی DNA هردو رشته، به عنوان الگو عمل می کنند، در صورتی که در رونویسی یکی از دورشته ی DNAبه عنوان الگو عمل می کند.

همان گونه که در شکل 4ــ1 نشان داده شده است، RNA های ساخته شده از روی ژن، ساختار پرمانندی را

به نما یش می گذارند. در این شکل خط افقی میانی، DNA ای است که از روی آن رونـیـسی در حـا ل انـجـام است. رشته های منشعب، RNAهایی هستند که در حال ساخته شدن اند.

بیشتر بدانید: اگررونویسی از رو هر دو رشته ی DNA انجام شود چه روی می دهد؟بدیهی است در این صورت دو نوع mRNA برای ساخته شدن دو نوع پلی پپتید مختلف به وجود می آید، یعنی ممکن است دو نوع پلـی پـپـتید به طور همزمان ساخته شود.

مطابق نظریه ی یک ژن ــ یک پلی پپتید، این امر به وقوع نمـی پیوندد، بلـکـه هر ژن فقـط ساختـه شدن یک نوع پلی پپتید را تنظیم می کند. به عبارت دیگر فقط یکی از دو رشته ی DNA الگوی رونویسی قرارمی گیرد.

پژوهش ها نشان داده است که در بغضی مناطق DNA، رونویسی از روی یکی از رشته ها صورت

می گیرد، در حالی که در منطقه ای دیگر از همان DNA ممکن است رشته ی دیگر الگوی رونویسی قرار گیرد؛ اما معمولاً در یک منطقه از DNA هر دو رشته ای که از یکدیگر فاصله گرفته اند، رونویسی نمی شوند.

رمز DNA پگونه شناخته می شود؟

نیرنبرگ و همکاران او اولین گروهی بودند که موفق به کشف رمز DNA شدند. آن ها از mRNA برای شناسایی رمز DNA استفاده کردند.

آنان انواع خاصی از مولکول های mRNA را ساختند. در لوله ی آزمایشی که آمینو اسید ها و تعدادی آنزیم وجود داشته باشد، mRNA می تواند زنجیره ای از آمینو اسید ها را بسازد. هر نوع mRNA با پیام رمزی که دارد باعث تولید نوع خاصی رشته ی پلی پپتیدی می شود. حال در صورتی که نوع mRNA و رشته ی پلی پپتیدی که ساخته شده است مشخص باشد، پیامmRNA معلوم می شود. نیرنبرگ و همکاران او براین اساس رشته ایmRNA

ساختند که فقط نوکلئوتید یوراسیل دار (U) داشت.مولکول RNA ساخته شده را در لوله ی آزمایشی فرار دادند که دارای 20 نوع آمینو اسید ومایع استخراج شده ازسیتوپلاسم سلولی بود. تجزیه ی رشته ی پلی پپتیدی ساخته شده، نشان داد که از این 20 نوع آمینو اسید فقط یک نوع آمینو اسید به نام فنیل آلانین در این رشته به کار رفته است. با توجه به اینکه از قبل به وسیله ی آزمایش هایی مشخص شده بود که رمز های DNA و در نتیجه رمز های RNA سه نوکلئوتیدی هستند، بنابراین نتیجه گرفته شد که UUU، رمز قرار گرفتن آمینو اسد فنیل آلانین در یک رشته ی پلی پپتیدی است.

در فرآیند ترجمه، از روی mRNA پروتئوین ساخته می شود.

در فرآیند ترجمه، توالی نوکلئوتیدها در mRNA به توالی آمینو اسیدها در پروتئین ترجمه می شود. در این فرآیند، در واقع زبان نوکلئیک اسیدی که با حروف نوکلئوتیدی است به زبان پروتئین که با حروف آمینواسیدی است،

ترجمه می شود.