مولکول DNA چگونه کار می کند؟ [قسمت دوم]

همانند تک حلقه قدرت در داستان ارباب حلقه ها، دئوکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA) پادشاه همه مولکول های درون سلول است. DNA اطلاعاتی را در خود جای داده که نسل به نسل منتقل می شود و راز حیات را در خود گنجانده.

ریبونوکلئیک اسید نه تنها ساخت دیگر مولکول ها (پروتئین ها) را کنترل می کند، بلکه در شکل گیری و بازسازی خود نیز نقش دارد. اگر تغییر کوچکی در ساختار آن شکل گیرد، ممکن است عواقبی جدی در پی داشته باشد و اگر به حد غیر قابل اصلاحی تخریب شود، سلول می میرد.

تغییرات DNA در سلول های مختلف، تنوع زیستی را به وجود می آورد. این پروسه طی میلیون ها سال و به طریق انتخاب طبیعی صورت پذیرفته است.

اما DNA چیست؟ چه کسی آن را و در کجا کشف کرد؟ چه چیزی آن را تا این حد خاص و حائز اهمیت کرده است؟ چگونه کار می کند؟ در این مقاله دو قسمتی نگاهی خواهیم داشت به ساختار این مولکول و اطلاعات جامعی از آن در اختیارتان قرار می دهیم.

پیش از مطالعه ادامه مطلب، قسمت اول را مشاهده نمایید.

DNA چه کاری انجام می دهد؟

همه چیز، از رنگ پوست و شکل و ظاهر شما گرفته تا نحوه فعالیت تک تک سلول های بدن، همه چیز در DNA آمده است. اما DNA صرفا یک دستورالعمل کدنویسی شده است که بدون تبدیل به پروتئین هیچ عملکردی ندارد.

درون DNA، هر پروتئین توسط یک ژن، کدگذاری شده. نحوه ترتیب و قرار گیری نوکلئوتیدها در کنار و روبروی یکدیگر، سبب ایجاد ژن های متفاوت می شود و هر ژن یک پروتئین جدید را پدید می آورد.

یک پروتئین از زنجیره بلندی از اسیدهای آمینه پدید می آید. پروتئین ها چندین نوع عملکرد دارند که عبارت است از:

• آنزیم ها: هر ماده ای که انجام یک فرآیند را ممکن و تسریع کند، مثل تمامی آنزیم هایی که طی مرحله همانندسازی DNA لازم بود.
• پروتئین های ساختمانی: کلاژن و کراتین نمونه های اصلی از پروتئین های ساختمانی هستند که به سلول شکل می دهند.
• پروتئنی های انتقالی: هموگلوبین (حامل اکسیژن در خون) واضح ترین نمونه برای مثال در این زمینه است.
• پروتئین های انقباضی: عضلات و ماهیچه ها از پروتئین های انقباضی ساخته شده اند.
• پروتئین های ذخیره ای: مواد مغذی بسیاری در این نوع پروتئین ها ذخیره شده، مثل آلبومین تخم مرغ.
• هورمون ها: پیامبرهای بین سلولی مثل انسولین، استروژن، تستوسترون و ...
• پروتئین های محافظتی: همانند آنتی بادی های سیستم ایمنی.
• سم ها: بله، سم ها هم دسته ای از پروتئین ها را شکل می دهند، مثل زهری که مار وارد بدن شکار خود می کند.

نحوه قرارگیری آمینواسیدها در یک زنجیره، عاملی است که یک پروتئین را نسبت به پروتئین دیگر متفاوت می کند. همانطور که در قسمت اول گفته شد، فقط 4 باز در DNA وجود دارد اما برای ترجمه آن ها به پروتئین، 20 نوع آمینو اسید در اختیار سلول است.

بنابراین گروه های سه تایی نوکلئوتیدها یک کدون را شکل می دهند تا این 20 نوع آمینو اسید ساخته شود. البته براساس علم احتمال، 4X4X4 برابر است با 64 الگوی متفاوت اما نکته اینجاست که برخی از آمینواسیدها ممکن است به جای یک کدون، چندین کدون داشته باشد.

یک پروتئین ممکن است از 100 الی 1000 کدون (300 تا 3000 نوکلئوتید) تشکیل شده باشد. ذکر این نکته نیز لازم است که هر ژن برای شروع و پایان فعالیت نیز کدون های مخصوصی دارد.

ساخت پروتئین: رونویسی

ساخت پروتئین بسیار شبیه ساخت یک خانه است:

• نقشه اصلی ساختمان، DNA است که تمامی اطلاعات لازم برای ساخت پروتئین (خانه) را در اختیار کارگران قرار می دهد.
• یک کپی از نقشه اصلی تهیه می شود که mRNA یا RNA پیامبر نامیده شده.
• محل ساختمان سازی نیز در پروکاریوت ها، سیتوپلاسم است و در یوکاریوت ها، شبکه آندوپلاسمی.
• مصالح ساختمانی هم 20 نوع آمینو اسید مختلف اند.
• کارگرهای ساختمانی هم ریبوزوم ها و tRNA ها هستند.

بیایید دقیق تر و جز به جز مراحل را بررسی کنیم. در یوکاریوت ها، DNA هیچگاه هسته را ترک نمی کند، بنابراین کارگرهای ساختمانی باید برای داشتن نقشه کار خود، یک کپی از روی آن تهیه کنند. این مرحله را مرحله رونویسی می نامند و ورژن کپی شده mRNA خطاب می شود.

رونویسی در هسته یوکاریوت ها و سیتوپلاسم پروکاریوت ها و توسط آنزیمی به نام RNA پلی مراز صورت می پذیرد. برای تهیه کپی از روی DNA یا به عبارتی دیگر، ساخت mRNA، آنزیم RNA پلی مراز:

1. به بخشی از زنجیر DNA که توالی خاصی از ژن روی آن قرار گرفته جفت می شود.
2. دو زنجیره DNA را از هم باز م کند و یکی از آن ها را به عنوان الگوی خود انتخاب می نماید.
3. نوکلئوتیدهای جدید را در برابر الگوی خود قرار می دهد: G با C و A با U (یوراسیل یا U، نوکلئوتید جایگزین تیمین یا T در RNA است).
4. نوکلئوتیدها را به یکدیگر متصل کرده و mRNA را پدید می آورد.
5. زمان رسیدن به کدون پایان، رونویسی را متوقف می کند.

برخلاف DNA که حتما باید یک از دو زنجیر تشکیل شده باشد، mRNA دوست دارد تکی به کار خود ادامه دهد. در پروکاریوت ها، تمام نوکلئوتیدهای درون mRNA بخشی از کدون یک پروتئین هستند. با این حال، در یوکاریوت ها، بخش های اضافه ای به اسم اینترون وجود دارد که مفهومی برای کارگرها نداشته و در عملیات پروتئین سازی استفاده خاصی ندارند. بعدها طی عملیاتی، اینترون ها قطع و جدا می شود و توالی های مفهوم دار کنار هم قرار می گیرند.

حالا زمان آن رسیده تا مرحله بعدی آغاز شود و کپی نقشه (mRNA) به محل ساخت و ساز پروتئین برود و کارگرها کار خود را آغاز کنند.

ساخت پروتئین: ترجمه

پروسه تبدیل mRNA به آمینو اسید و سپس قرارگیری آمینو اسیدها در کنار هم و تشکیل پروتئین را ترجمه می گویند. این فرآیند در ریبوزوم ها صورت می پذیرد که از rRNA یا RNA ریبوزومی ساخته شده اند.

در پروکاریوت ها، rRNA در سیتوپلاسم ساخته می شود اما در یوکاریوت ها محل ساخت آن هسته است. این عضو کوچک از سلول، دو قسمت کوچک و بزرگ دارد. در بخش بزرگ، دو محفظه به نام P و A وجود دارد که کدون ها و آمینو اسیدها مرتبا از آن گذر می کنند. خط تولید یک کارخانه را در نظر بگیرید که مواد وارد یک دستگاه شده و از سوی دیگر، با شکلی متفاوت بیرون می آیند. ریبوزوم این وظیفه را به عهده دارد.

ضمن شروع، اتاقک P اولین کدون موجود روی رشته mRNA و اتاقک A، کدوم بعدی را درون خود نگه داشته است که با پیشروی فرآیند ترجمه، هر کدون، یک مرحله جلو رفته و کدوم جلویی نیز از ریبوزوم خارج می شود.

هر tRNA (که یکی دیگر از کارگرها به حساب می آیند) یک مکان شناسایی برای یک آمینو اسید دارند، یا به عبارتی دیگر، هر tRNA، فقط یک آمینو اسید را می شناسد و با بررسی کدون mRNA می تواند آمینواسید مورد نیاز را به زنجیره پروتئین ها اضافه کند.

هر مولکول tRNA دارای توالی 3 تایی خاصی از نوکلئوتیدها است که آنتی کدون نامیده شده و دقیقا در برابر mRNA است. یعنی اگر روی mRNA یک توالی UUU دیده شود، آنتی کدون آن که روی tRNA است باید AAA باشد.

همه mRNA ها با توالی AUG که کدون آغاز است شروع شده و با سه کدوم UGA ،UAA و UAG نیز پایان می یابند. کدون های پایان در واقع آمینو اسید خاصی را ترجمه نمی کنند، بلکه به یک باره ترجمه را متوقف نموده و به فرآیند پایان می بخشند.

 

پروسه سنتز پروتئین

بیایید به ترتیب این مراحل را دنبال کنیم:

1. یک ریبوزوم به mRNA با کدون آغازین AUG متصل می شود. کدون AUG در جایگاه P و کدون بعدی (مثلا UUU) در جایگاه A قرار می گیرد.
2. یک tRNA با آنتی کدون اول که UAC (معرف آمینو اسید متیونین) باشد به جایگاه P می آید.
3. tRNA بعدی با آنتی کدون AAA (معرف آمینو اسید فنیل آلانین) به جایگاه A می رود.
4. یک پیوند پپتیدی میان متیونین و فنیل آلانین شکل می گیرد.
5. tRNA اول که در جایگاه P قرار گرفته بود، متیونین را تحویل ریبوزوم داده و وارد سیتوپلاسم می شود تا یک متیونین دیگر را جذب کند و در فرآیندهای بعدی پروتئین سازی وارد شود.
6. همه چیز یک مرحله جلو می رود. بنابراین حالا در جایگاه P، کدون UUU قرار گرفته و کدون بعدی (مثلا ACA) وارد جایگاه A شده است.
7. tRNA بعدی با آنتی کدون UGU و اسید آمینه ترئونین وارد جایگاه A ریبوزوم شده و روی mRNA قرار می گیرد.
8. یک پیوند پپتیدی میان فنیل آلانین و ترئونین شکل می گیرد و حالا زنجیره پروتئینی متشکل است از: متیونین-فنیل آلانین-ترئونین.
9. tRNA مخصوص به فنیل آلانین هم که در جایگاه P بود از ریبوزوم خارج می شود.
10. و این پروسه همینگونه ادامه می یابد تا تمامی کدون های روی mRNA یک جفت tRNA پیدا کرده و از آمینو اسید روی آن برای ساخت پروتئین استفاده کنند. در نهایت و با قرارگیری کدون پایان در جایگاه A، فرآیند ترجمه اتمام می یابد.

جهش

در ژنوم انسان، در حدود 50 الی 100 هزار ژن وجود دارد. مادامیکه DNA پلی مراز 1، به همانندسازی از روی توالی DNA می پردازد، ممکن است اشتباهاتی رخ دهد (که بعدها DNA پلی مرازهای شماره 2 و 3 باید آن را اصلاح کنند).

برای مثال، ممکن است به جای آنکه باز A در برابر T قرار بگیرد، یک T دیگر جای آن نشسته و T-T را پدید آورد که یک نارسایی و اشتباه است و موتاسیون یا جهش نامیده می شود. به یاد دارید که گفته شد 20 آمینو اسید 64 کدون دارند؟ تعدد کدون ها برای تعریف یک آمینو اسید اینجا به کار می آید.

اگر در پروسه رونویسی اشتباهی رخ دهد و یک نوکلئوتید به اشتباه در mRNA قرار بگیرد، این احتمال وجود دارد که نوکلئوتید جدید و حاصل از جهش، همان پروتئین قبلی را معنی کند. اما اگر تغییر کدون ها سبب تغییر نوع پروتئین شود، این اتفاق ممکن است زیان بار باشد.

انواع و اقسام اشتباهات ممکن است حین فرآیندهای رونویسی و همانندسازی رخ بدهد که عمده آن ها توسط آنزیم ها اصلاح می شوند اما اگر این اتفاق رخ ندهد و جهش سر جای خود باقی بماند، هم می تواند مضر و کشنده باشد و هم می تواند سبب ایجاد تغییر و تنوع شود.