سلول چیست و چگونه کار می کند؟ [قسمت دوم]

در ابعاد میکروسکوپی، همه ما از سلول ساخته شده ایم. به خودتان در آینه نگاه کنید. آنچه که می بینید، مجموعه ای است از 10 تریلیون سلول از 200 مدل مختلف که گرد هم آمده اند. ماهیچه ها از سلول های ماهیچه ای، کبد از سلول های کبدی و به طور کل هر بافتی از سلول های خود ساخته شده است.

اگر می خواهید بدانید که بدن تان چگونه کار می کند، ابتدا لازم است سلول ها را بشناسیم. هر فرآیندی نظیر تولید مثل، ابتلا به بیماری و حتی ترمیم یک استخوان شکسته در سطوح سلولی رخ می دهد.

پیگیر اخبار روز دنیای علم و دانش که باشید، حتما می دانید این روزها ژن ها نقشی بزرگ بازی می کنند. بیوتکنولوژی، اصلاح ژن، ژنوم انسان، مهندسی ژنتیک، بیماری های ژنتیکی، ژن تراپی، جهش ژنتیکی و ... واژه هایی هستند که بسیار می شنویم.

دانش ژنتیک این روزها به سرعت چهره پزشکی، کشاورزی و حتی سیستم قانونی کشورها را با تغییر مواجه ساخته. در این مقاله به دنیای مولکول ها سفر می کنیم تا نحوه کارکرد یک سلول را با استفاده از آن ها بفهمیم.

به سراغ ساده ترین سلول ممکن می رویم: سلول باکتریایی. با فراگیری نحوه فعالیت سلول باکتری، می توانید درکی کلی از کارکرد سلول های دیگر نیز به دست آورید. اگر مطالعات زیست شناسی چندانی ندارید، مطالعه این مقاله می تواند درک بسیاری از تحقیقاتی که این روزها در صدر اخبار مشاهده می کنید را ساده تر سازد.

پیش از مطالعه این مطلب، توصیه می شود مقالات زیر را مطالعه کنید:

• سلول چیست و چگونه کار می کند؟ [قسمت اول]
• مولکول DNA چگونه کار می کند؟ [قسمت اول]
• مولکول DNA چگونه کار می کند؟ [قسمت دوم]
• باکتری چیست و چه نقشی در زندگی بشر دارد؟
• ویروس چیست و چگونه با ایجاد بیماری بشر را از پای در می آورد؟

در ادامه با دیجیاتو همراه باشید.

آنزیم ها مشغول به کارند

همه جور آنزیمی در سلول انسان مشغول به کار است و برخی از آن ها واقعا فوق العاده اند. سلول از آنزیم برای رشد داخلی، تکثیر و تولید انرژی استفاده می کند. حتی آنزیم ها می توانند از سلول خارج شده و در محیط بیرونی فعالیت خود را انجام دهند. برای مثال، ای. کلای آنزیم های خاصی را به بیرون می فرستد تا مواد غذایی را بشکنند و جذب از طریق دیواره سلولی آسان تر شود.

بعضی از آنزیم ها که شاید نام آن ها را روی بسته های مواد غذایی، شوینده ها و ... دیده باشید را با یکدیگر مرور می کنیم:

• پروتئاز و پپتیداز: یک پروتئاز، آنزیمی است که می تواند رشته طویل پروتئین را به قطعه های کوچک به نام پپتید تبدیل کند (یک پپتید متشکل است از چند آمینو اسید که زنجیره ای کوچک ساخته اند). پپتیدازها نیز سپس هر پپتید را به آمینو اسید سازنده اش تبدیل می کنند. پروتئاز و پپتیداز معمولا در پودرهای لباسشویی دیده می شود. این آنزیم ها سبب شکسته شدن پیوندها و در نتیجه پاک شدن لکه های خونی از روی لباس می شوند. بعضی پروتئازها بسیار تخصصی عمل می کنند و برخی دیگر هم هر زنجیره آمینو اسیدی که در اختیارشان قرار بگیرد را خرد می کنند. حتما نام مهارکننده های پروتئاز را شنیده ای که در داروهای ضد ویروس AIDS به کار می روند. این ویروس، از پروتئازهای بسیار تخصص یافته ای در طول چرخه تکثیر خود استفاده می کند و مهارکننده های پروتئاز در برابر آن ها می ایستند.
• آمیلاز: رشته های بلند نشاسته توسط آمیلاز تبدیل به مولکول های کوچک شکر می شوند. آب دهان پر است از آمیلاز و درون روده کوچک نیز کثرت این آنزیم مشاهده می شود. مالتاز، لاکتاز و سوکراز نیز در مرحله آخر، قندهای کوچک را به مولکول های گلوکز تقسیم می کنند.
• لیپاز: چربی را می شکند و به واحدهای کوچک تبدیل می کند.
• سلولاز: مولکول های سلولز به وسیله این آنزیم به واحدهای کوچک تر تبدیل می شوند و یکی از دلایلی که سلولز منبع انرژی مناسبی برای انسان نیست، همین مسئله است. در دستگاه گوارش گاو و دیگر گیاهخواران و نشخوارکنندگان، باکتری هایی وجود دارد که سلولاز را می شکند و به همین ترتیب علوفه و بافت های چوبی نرم، خوراک مناسبی برای آن ها به حساب می آید. باکتری ها آنزیم های شان را از غشا و دیواره خارج کرده و محیط را برای تجزیه سلولز آماده می کنند. در واقع بسیاری از باکتری ها نظیر ای. کلای بدین گونه تغذیه می کنند.

درون سلول، صدها آنزیم بسیار تخصص یافته وظایفی منحصر به فرد را عهده دار شده اند تا سلول بتواند به زندگی خود ادامه دهد. بعضی از این آنزیم ها عبارتند از:

• آنزیم های انرژی: یک مجموعه 10 تایی از آنزیم ها به سلول اجازه عمل گلیکولیز را می دهند. 8 آنزیم دیگر نیز چرخه اسید سیتریک (یا چرخه کربس) را سر پا نگه داشته اند. این دو چرخه در کنار هم مثل دو چرخ دنده ای که روی یکدیگر قرار گرفته باشند، گلوکز و اکسیژن را به آدنوزین تری فسفات یا ATP تبدیل می کنند. در سلولی هوازی چون ای. کلای یا سلول انسان، یک گلوکز طی دو چرخه نام برده به 36 گلوکز تبدیل می شود. در سلول های بی هوازی، چرخه کربس صورت نمی پذیرد و نتیجه گلیکولیز صرفا دو مولکول ATP خواهد بود. اگر گلوکز را همچون بنزین در نظر بگیریم، ATP آن میزان انرژی ای است که در نتیجه احتراق ایجاد می شود.
• آنزیم های محدودکننده: بسیاری از باکتری ها قادرند تا آنزیم های محدودکننده بسازند. این آنزیم ها الگوهای خاصی را روی زنجیره DNA شناخته و آن ها قطع می کنند. وقتی یک ویروس، DNA خود را وارد باکتری می کند، آنزیم مذکور متوجه حضور بیگانه شده و آن را از بین می برد، پیش از آن که تقسیمی صورت پذیرد.
• آنزیم های حاضر در همانندسازی DNA: همانند پلی مرازها که پیش از این در مورد آن ها برایتان گفته بودیم. این آنزیم ها در طول زنجیره DNA حرکت کرده و اشتباهات صورت پذیرفته را اصلاح می کنند. یک سری آنزیم های دیگر نیز قادرند پیوند بین دو رشته DNA را شکسته و یک سری دیگر نیز عکس این عمل را انجام می دهند.
• آنزیم های تولیدکننده آنزیم: همه آنزیم هایی که در موردشان صحبت کردیم بالاخره از جایی نشات گرفته اند و در کارگاهی تولید شده اند. ریبونوکلئیک اسید ها در سه فرم tRNA ،mRNA و rRNA نقشی مهم در این میان ایفا می کنند.

یک سلول چیزی نیست به جز زنجیره ای از واکنش های شیمیایی پی در پی که در هر گوشه آن صورت می پذیرد و آنزیم ها نقش اصلی را بازی می کنند.

ساخت آنزیم ها

مادامیکه غشای سلول سالم و دست نخورده است و می تواند آنزیم های لازم برای انجام واکنش های شیمیایی خود را بسازد، آن سلول زنده است. آنزیمی ها از گلوکز، انرژی ساخته و به تکمیل دیواره سلولی، تکثیر سلولی و تولید دیگر آنزیم ها نیز کمک می کنند.

بنابراین این آنزیم ها از کجا می آیند؟ و سلول چگونه در زمان نیاز آن ها را تولید می کند؟ این سلسله واکنش های شیمیایی چگونه منجر به تولید آنزیم های جدید می شوند و چگونه زندگی پدید می آید؟

پاسخ این پرسش را قطعا می دانید: همه چیز در DNA نهفته است.

DNA، مولکولی عظیم است که از 4 نوع بلوک مختلف تحت عنوان نوکلئوتید ساخته شده. چهار حرف ATCG هر کدام نشانگر یک نوکلئوتید هستند که در نردبان مارپیچ DNA، دو به دو در برابر یکدیگر قرار گرفته (برای درک بهتر باقی داستان، مطلب دو قسمتی مرتبط با DNA که در مقدمه آورده شده را مطالعه کنید).

حالا، DNA یک اشرشیا کلای، به اندازه 4 میلیون بلوک طویل است! اگر DNA این باکتری را از سلول بیرون بکشیم و آن را مستقیم کنیم، طول آن به 1.36 میلی متر می رسد، یعنی هزار برابر بزرگ از بدنه ای که درون آن جای خوش کرده.

در باکتری ها، DNA مثل کلاف سردرگمی است که در هم پیچ خورده و گوشه ای از باکتری را به اشغال خود در آورده. اما در مورد انسان و سلول های پیشرفته تر ماجرا متفاوت است. DNA انسان به اندازه 3 میلیارد نوکلئوتید طول دارد که این مولکول ها، در 23 ساختار کوچکتر به نام کروموزوم دسته بندی شده اند و درون هسته قرار گرفته اند.

نکته جالب در مورد DNA این است که فقط به سلول می گوید پروتئین ها را چگونه بسازد. همین. 4 میلیون نوکلئوتید موجود درون ای. کلای به باکتری می گویند چگونه آنزیم های لازم برای زنده ماندن را بسازد و سلول هم به فرمان گوش می سپارد. راز حیات در پیروی از قوانین به تحریر درآمده ی DNA است.

پرسش بزرگ

در بخش های پیشین گفته شده بود که آنزیم ها و به طور کلی پروتئین ها از 20 نوع آمینو اسید مختلف ساخته شده اند که با ترتیبی خاص پشت هم چیده می شوند و معنایی متفاوت پیدا می کنند. پرسش اصلی این است که چگونه از DNA با چهار حرف AGTC، تنوع 20 تایی آمینو اسیدها پدید می آید؟

آنزیم فوق پیچیده ای به نام ریبوزوم، قادر به خواندن پیام RNA پیامبر یا mRNA است (mRNA خود از روی DNA ساخته شده). برای برداشتن آمینو اسید درست، ریبوزوم رمزی 3 تایی را از روی mRNA می خواند. در واقع 4 نوع آمینو اسید در جایگشتی 3 تایی، 64 رمز مختلف را پدید می آورند (4X4X4=64) اما باز هم ما فقط 20 آمینو اسید می خواهیم، نه 64 تا.

هر رمز سه تایی که یک کدون نام دارد، مختص آمینو اسیدی خاص است. برخی آمینو اسیدها هم بیش از یک رمز در اختیار دارند که آسیب های جهش را به شدت کاهش می دهد. 3 کدون مخصوص نیز به نام کدون پایان وجود دارند و بیانگر هیچ آمینو اسیدی نیستند. بنابراین 61 کدون باقی مانده، میان 20 آمینو اسید تقسیم می شود و هر آمینو اسید، یک الی 4 کدون در اختیار می گیرد.

در هر رشته DNA، بین 100 تا 1000 کدون (300 تا 3000 نوکلئوتید) وجود دارد که هر کدام آمینو اسید خاصی را مفهوم می بخشند و آمینو اسیدها در کنار هم آنزیم را می سازند. کدون پایان در انتهای هر ژن قرار دارد و به ریبوزوم (کارخانه تولید پروتئین) پیام اتمام عملیات را صادر می کند.

باقی ماجرا، درست همانند ساخت پروتئین است که پیش از این مفصل در مورد آن صحبت کرده بودیم. اینگونه می شود که یک آنزیم جدید ساخته شده و وارد جریان تولید انرژی و تکثیر سلولی می گردد.