خانه | آرشیو
ژن ها و مهندسي ژنتيک تهیه شده توسط: آ.جعفری زاده

ژن ها و مهندسي ژنتيک

 

چکيده:

   كل مفهوم ژن و مهندسي ژنتيك بسيار هيجان انگيز و جذاب است. مهندسي ژنتيك امروزه داروها - كشاورزي و حتي سيستم هاي قانون گذاري را تغيير داده است. اگر ما بخواهيم در مورد اينكه مهندسي ژنتيك و بيوتكنولوژي چيست و به عنوان مثال بفهميم چگونه دانشمندان يك باكتري را از طريق فرآيند­هاي مهندسي تغيير مي­دهند تا از طريق آن بتوانند چيزي شبيه انسولين انساني توليد كنند مقاله­ي جاري به ما كمك خواهد كرد تا با اين مفاهيم آشنا شويم.

در اين مقاله با بررسي نحوه­ي عملكرد سلول ها، بسياري از مسائل مهندسي ژنتيك و سر فصل­هاي خبري در اين رابطه براي ما آشكار خواهد شد. 

 

تصویر 1

 

بخش اول- مقدمه­اي بر روش كار كرد سلول­ها

در يك سطح ميكروسكوبي، همه­ ما از سلول­هايي ساخته شديم. به خود در آينه نگاه كنيد، آنچه كه مي­بينيد در حدود 10 تريليون سلول است كه در حدود 200 ميليون نوع مختلف دارند. ماهيچه­هاي ما از سلول­هاي ماهيچه­اي، كبد ما از سلول­هاي كبدي تشكيل شده­اند ، و همچنين انواع بسياری از سلول­ها هستند كه سطح مينايي دندانها و لنزهاي شفاف چشم هاي ما را مي­سازند.

اگر شما مي­خواهيد بدانيد كه بدن ما چگونه كار مي­كند، شما بايد سلولها را درك كنيد. هر چيزي از زاد و ولد تا عفونت­ها و ترميم يك استخوان شكسته، در نهايت در سطح سلولي انجام مي شوند. اگر شما مي خواهيد مرز­هاي جديدي همانند بايو تكنولوژي و مهندسي ژنتيك را دريابيد بايد سلول­ها را كاملاً بشناسيد.

هر كسي كه مقاله جاري يا ساير مجلات علمي را مطالعه مي­كند آگاه است كه ژن­ها اخبار بزرگ اين روزها هستند. در اينجا برخي عناويني كه امروزه به طور متداول ديده­ مي­شوند، آورده مي­شوند:

·   بايوتكنولوژي

·   اتصال ژن ها

·   ژنوم انسان

·   مهندسي ژنتيك

·   ساخت DNA

·   بيماري­هاي ژتيكي

·    درمان ژني

·    جهش DNA

·    تشخيص هويت ژنتيكي

 

دانش ژن و ژنتيك به سرعت چهره­ي داروها – كشاورزي و حتي سيستم­هاي قضايي را تغيير داده است. در اين مقاله­ما در سطح مولكولي ، كاوشي خواهيم كرد تا به طور كامل نحوه­ي عملكرد سلول­ها را در­يابيم.

ما نگاهي خواهيم كرد به ساده­ترين سلول­هاي ممكنیعنی سلول­هاي باكتريايي. با فهميدن اينكه چگونه يك باكتري كار مي­كند، شما خواهيد فهميد كه مكانيزم اساسي عملكرد كليه سلول­ها در بدن شما چگونه است.

اين يك موضوع مجذوب كننده است، چرا كه بسياري از اخبار علمي امروزه آشكار­تر و فهميدن آن را آسانتر مي­كند. همچنين وقتي كه متوجه نحوه­ كار كرد سلولها شديد، قادر خواهيد بود به سوالاتي ديگر نظير موارد زير پاسخ دهيد:

·  يك ويروس چيست وچگونه درسطح مولكولي كارمي كند؟

·  يك آنتي بيوتيك چيست وچگونه كارمي كند؟

·  چراآنتي بيوتيك­ها سلول هاي معمولي رانمي­كشند؟

·  يك ويتامين چيست وچرا ما به آنها هر روزه نيازداريم؟

·  چگونه يك سَم  كارمي كند؟

·  مفهوم  زنده بودن حداقل، در سطح  مولكولي چيست؟

تمام اين سؤالات هنگامي كه شما متوجه شديد سلول­ها چگونه كارمي كند، پاسخ روشني خواهد داشت .

 

   بخش دوم - ساختار يك سلول

   بدن شما از10 تريليون سلول تشكيل شده است. بزرگترين سلول­هاي انساني قطري درحدود يك تارموي انسان دارند ولي اكثرسلول­هاي انساني كوچكترند. شايد يك دهم قطر يك تارموي انسان. انگشتان خود را در ميان موهاي خود حركت دهيد و به يك تارموي تنها نگاه كنيد. آن خيلي ضخيم نيست، شايد قطري حدود 100 ميكرون دارد(1ميكرون، يك ميليونيم يك متراست و بنابراين 100 ميكرون در حدود يك دهم ميلي متراست).

يك سلول انساني نمونه حدوداً يك دهم قطرموي شما را دارد (10ميكرون). به انگشتان كوچك پاي خود نگاه كنيد. هركدام ازآنها در حدود 2 تا 3 ميليارد سلول و يا بيشتر(بسته به اندازه­ي انگشت شما) دارند. خانه­اي را تصور كنيد كه با نخود فرنگي­هاي كوچك به طور كامل پرشده است، اگراين خانه انگشت كوچك پاي شما باشد، نخودها سلول هاي آن هستند.

باكتري­ها ساده­ترين سلول­هايي هستند كه امروزه وجود دارند، يك باكتري يك سلول منفرد وابسته به خود و زنده است. يك اشرشياكلاي باكتري (يا اِي.كُلاي) يك نمونه،  نوعي ازباكتري است كه در حدود يكصد بار از يك سلول انساني كوچكتراست (درحدود يك ميكرون طول و يك دهم پهنادارد)، بنابراين بدون ميكروسكوپ قابل رؤيت نيست. هنگامي كه شما به عفونتي دچار مي­شويد، باكتري در اطراف سلول­هاي بزرگ شما همانند قايق­هاي پارويي در كنار كشتي بزرگ شنا مي­كنند.

باكتريها بسيار ساده­تر ، از سلول­هاي انساني هستند. يك باكتري تشكيل شده است از ،  ك پوشش خارجي كه     غشاي     سلولي    ناميده مي­شود. درون غشا مايعي به نام سيتوپلاسم قرار دارد، در حدود 70% سيتوپلاسم آب است و 30% مابقي پر شده است از پروتيئن­هايي به نام آنزيم كه توسط سلول ساخته شده است. اين آنزيم ها از مولكول­هاي شبيه آمينواسيدها - گلوكز و ATP ساخته شده­اند. در مركز سلول يك كره DNA (دئوكسي ريبونوكلئيك اسيد) قرار دارد، اگرشما مي­توانستيد  DNA را بكشيد تا به  يك تك رشته­ي بلند تبديل شود ، به طور غير قابل تصوري میدید که نسبت به باكتري در حدود هزار بار بلندتر می باشد.

شکل 1

(شكل 1): يك باكتري اي.كلاي شكل كپسولي منحصر به فردي دارد. بخش خارجي سلول غشاي سلولي است كه در تصوير يك مشاهده مي­شود. هم چنين در اين نوع باكتري دو غشاي نزديك به هم وجود دارند كه از سلول محافظت مي­كنند. درون اين غشاء سيتوپلاسمي وجود دارد كه شامل ميليون­ها آنزيم - قند- ATP و ساير مولكول­هاي شناور در آب است. در مركز سلول ان هم DNA قرار دارد.

 

سلول­هاي انسان بسيار پيچيده تر از يك باكتري هستند، آن­ها از غشاي خاص هسته­اي تشكيل شده­اند كه از DNA محافظت مي كنند، هم چنين غشاها و ساختارهاي ديگر همانند ميتوكندري و جسم گلژي و ساير بخش­هاي پيشرفته در آن­ها وجود دارد. هر چند فرآيندهاي اساسي همانند چيزي است كه در سلول­هاي يك باكتري انجام مي­شود. بنابراين ما با يك باكتري بحث را ادامه مي­دهيم.

 

   بخش سوم- آنزيم ها

   در هر لحظه­اي تمام كارهاي درون يك سلول توسط آنزيم­ها انجام مي­شود. اگر شما آنزيم­ها را درك كنيد سلول را درك كرده­ايد. يك باكتري مثل اي.كلاي در حدود هزار نوع مختلف از آنزيم­هايي را دارد كه در هر لحظه درون سيتوپلاسم آن شناور هستند.

آنزيم­ها ويژگي­هاي بسيار جالبي دارند كه آنها را اندكي شبيه ماشين­هاي واكنش شيميايي كرده است. هدف يك آنزيم در يك سلول اين است كه به سلول اجازه دهد تا واكنش­هاي شيميايي را به سرعت انجام دهد. اين واكنش­ها به سلول اجازه مي­دهند كه چيزهاي جديدي بسازند و يا در صورت نياز چيزهايي را تجزيه كنند. اين چنين است كه يك سلول رشد مي­كند و تكثير مي­شود. در يك سطح بسيار اساسي،  يك سلول واقعا ًشبيه كيف كوچكي پر از واكنش­هاي شيميايي است كه توسط آنزيم ها امكان پذير هستند.

آنزيم­ها از آمينو اسيدها تشكيل شده­اند كه در واقع پروتئين هستند. هنگامي كه يك آنزيم تشكيل مي­شود ، از به هم زنجيره شدن حدود صد تا هزار آمينو اسيد به ترتيبي بسيار ويژه و منحصر به فرد ساخته مي­شود.

سپس زنجيره آمينو اسيد ها به  شكلی منحصر به فرد در مي آيند. اين شكل به آنزيم اجازه مي­دهد كه يك سري واكنش­هاي شيميايي خاص را انجام دهد. در واقع يك آنزيم براي يك واكنش خاص به صورت يك كاتاليزور بسيار مؤثر عمل مي كند. آنزيم سرعت واكنش ها را به طرز شگرفي افزايش مي دهد.به عنوان مثال قند مالتوز از دو مولكول به هم پيوسته­ي گلوكز تشكيل شده است. آنزيم مالتاز به شكلي درآمده است كه مي تواند اين پيوند را شكسته و دو تكه­ گلوكز را آزاد كند. تنها كاري كه مالتاز مي تواند انجام دهد، شكستن مولكول هاي مالتازاست ، ولي اين كار را بسيار سريع و مؤثر انجام مي­دهد. انواع ديگري از آنزيم­ها مي­توانند ، اتم­ها و مولكول­ها را به هم پيوند دهند، جداسازي مولكول­ها و پيوستن آنها به هم كاري است كه آنزيم ها انجام مي­دهند  و براي هر واكنش شيميايي خاص  كه سلول  براي عملكرد سالم  خود به  آن ها نياز دارد يك آنزيم وجود دارد.

  

شکل 2

(شكل 2: ساختارشيميايي گلوكز)

 

 

شکل 3

(شكل 3): مالتوزازدومولكول گلوكزتشكيل شده است: (1) آنزيم مالتاز، پروتئيني است كه به شكلي درآمده كه مي­تواند يك مولكول مالتوز را گرفته و پيوند آنرا بشكند. (2) دومولكول گلوكز آزاد مي­شوند. (3) يك  آنزيم  مالتاز منفرد مي­تواند در يك ثانيه هزار پيوند مالتاز را بشكند و فقط مولكول­هاي مالتاز را قبول مي كند.

 

شما مي­توانيد درشكل 3عملكرد واقعي يك آنزيم را ببينيد. يك مولكول مالتوز در نزديكي آنزيم شناور بوده و توسط يك مكان خاص از آنزيم مالتاز به دام مي افتد، اين مكان خاص يا بخش فعال آنزيم  پيوند را شكسته و آنگاه  دو مولكول گلوكز از آنزيم آزاد مي­شوند.

ممكن است شما راجع به افرادي شنيده باشيد كه تحمل خوردن شير را ندارند، يا ممكن است شما خود از اين مشكل رنج ببريد. اين مسئله به دليل به وجود مي­آيد كه قند شير(لاكتوز) به اجزاي گلوكز خود شكسته نمي­شوند،  بنابراين شير هضم نمي شود. سلول هاي روده اي موجود در بدن فردي كه به مشكل عدم تحمل لاكتوز دچار است، نمي­توانند لاكتاز بسازند(آنزيمي كه جهت شكستن لاكتوز ضروري است). اين مشكل نشان مي­دهد كه چگونه عدم وجود حتي يك آنزيم در بدن انسان مي­تواند مشكل ساز باشد. فردي كه دچارعدم تحمل لاكتوز است، مي­تواند يك قطره لاكتاز قبل از نوشيدن شير بخورد که دراینصورت،  آن گاه مشكل او حل مي­شود. ولي با اين حال بسياري از مشكلات آنزيمي به اين راحتي حل نمي شوند.

در داخل يك باكتري در حدود هزار نوع مختلف از آنزيم ها وجود دارد كه لاكتاز يكي از انواع آنهاست. همه­ي آنزيم­ها آزادانه در سيتوپلاسم شناور بوده و منتظر مواد شيميايي هستند كه مخصوص آن ها طراحي شده اند. در حدود صدها يا ميليون ها كپي از اين انواع مختلف آنزيم بسته به ميزان اهميت واكنشي كه سلول به آن نياز دارد وجود دارند. اين آنزيم ها همه نوع فعالیتی ، از شكستن گلوكز جهت توليد انرژي تا ساختن ديواره­هاي سلولي، ايجاد آنزيم­هاي جديد و امكان تكثير سلولي را فراهم مي­كنند. آنزيم ها همه كارهاي درون سلول را انجام مي دهند.

 

   بخش چهارم- پروتئين ها

   زنجيره اي از آمينو اسيدها يك پروتئين را تشكيل مي دهند. يك آمينو اسيد مولكول كوچكي مشابه آجرهاي ساختمانی، براي هر پروتئين است. اگر شما از چربي­ها صرف نظر كنيد، 20 درصد وزن بدن شما پروتئين است و در حدود 60 درصد آن آب است. مابقي بدن شما تشكيل شده­است از مواد معدني مثل : كلسيم موجود در استخوان ها.

 

شکل 4

(شكل 4 :دوآمينواسيد )

 

آمينو اسيدها به اين عنوان شناخته مي شوند، چرا كه از يك گروه آميني (NH2) و يك گروه كربوكسيل (COOH) تشكيل شده­اند كه اين يك اسيد است.(درشكل4) شما مي توانيد ساختار شيميايي دو آمينو اسيد را ببينيد. شما ملاحظه مي­كنيد كه بخش بالايي هر دو مشابه است. اين در مورد همه آمينو اسيدها صدق مي­كند. زنجيره كوچك انتهايي­( Hيا CHS در اين دو آمينو اسيد) تنها چيزي است كه در يك آمينو اسيد نسبت به ديگري تفاوت دارد. در برخي آمينو اسيدها بخش متغير مي­تواند بسيار بزرگ باشد. بدن انسان از 20 آمينو اسيد مختلف تشكيل شده است (شايددرحدود100آمينواسيدمتفاوت درطبيعت وجود داشته باشد).

تا آنجا كه به بدن شما مربوط است دو نوع مختلف از آمينو اسيدها وجود دارند: ضروري و غير ضروري. آمينو اسيدهاي غير ضروري : آنهايي هستند كه در بدن شما مي توانند با استفاده از ساير مواد شيميايي كه در آن وجود دارد آنها را بسازند. آمينو اسيدهاي ضروري : آنهايي هستند كه نمي­توانند ساخته شوند و تنها راه تأمين آنها از طريق غذا است. پروتئينها در رژيم غذايي شما  ، هم از منابع حيواني و هم از منابع  گياهي تأمين مي شوند.

اغلب منابع حيواني (تخم مرغ، شير، گوشت) تأمين كننده  چيزي هستند كه به عنوان «پروتئين­هاي كامل» شناخته مي شوند، به اين معني كه شامل تمام آمينو اسيدهاي ضروري هستند. منابع گياهي اغلب فاقد آمينو اسيدهاي ضروري بوده و يا داراي مقدار كمي هستند. مثلا در برنج «ايزولوكسين ولايسين » كم است. هر چند ساير منابع گياهي در مورد برخي آمينو اسيدها فقير هستند و بنابراين  با تركيب غذاهاي مختلف است كه درطول روز شما مي توانيد آمينو اسيدهاي ضروري را براي بدن خود تأمين كنيد. برخي منابع گياهي شامل مقدار كمي پروتئين هستند. آجيل ها، لوبيا و سويا پروتئين زيادي دارند. با تركيب آنها شما مي توانيد مجموعه ي كاملي از آمينو اسيدها را پوشش دهيد.

سيستم گوارشي، همه پروتئين­ها را به آمينو اسيدهاي سازنده­ي آنها مي­شكند و به اين ترتيب آنها وارد دستگاه گردش خون مي­شوند. آن گاه سلول ها از اين آمينو اسيدها به عنوان آجرهاي ساختماني ،  در ساخت آنزيم هاي ديگر و پروتئين ها استفاده مي كنند.

 

   بخش پنجم- آنزيم ها درعمل

همه ي انواع آنزيم ها درون يك باكتري يا سلول انسان در حال كار هستند و بسياري از آنها به طور شگفت انگيزي جالب مي باشند. سلول ها آنزيم ها را جهت رشد، تكثير و توليد انرژي در درون خود به كار مي برند و اغلب آنها را از ديواره هاي خود خارج مي­كنند، مثلا باكتري اي.كلاي آنزيم هايي را از بدن خود خارج مي كند، تا مولكول هاي غذا را بشكنند و سپس آنها را به  درون سلول خود جذب مي كند. برخي آنزيم هايي كه ممكن است شما درباره ي آنها شنيده باشيد عبارت انداز:

 

1) پروتئازهاوپپتيدازها :

يك پروتئاز، آنزيمي است كه بتواند يك پروتئين بزرگ را به زنجيره هاي كوچكي كه پپتيد ناميده مي­شوند بشكند(پپتيديك زنجيره­ي آمينو اسيدي ساده است). پپتيدازها، پپتيدها را به آمينو اسيدهاي تشكيل دهنده مي شكنند. پروتئاز و پپتيداز اغلب در شوينده­هاي لباس وجود دارند كه كمك مي كنند تا لكه­هايي مثل خون از لباس­ها پاك شوند و اين كار را با تجزيه ي پروتئين هاي آن انجام مي­دهند. برخي از پروتئازها بسيار ويژه هستند، در حالي كه برخي ديگر ، مي توانند هر زنجيره اي از آمينو اسيدها را بشكنند. (ممكن است شما در مورد   محافظ هاي پروتئازي كه در داروهاي ضد ويروس ايدز وجود دارند شنيده باشيد، ويروس ايدز در حين چرخه ي تكثير خود  از پروتئازهاي بسيار ويژه­اي استفاده مي­كنند و عامل محافظ پروتئازي موجود در دارو سعي مي كند، جلوي عملكرد تكثير ويروس را بگيرد.)        

2) آميلازها :

آميلازها زنجيره­هاي بسيار بزرگ نشاسته را به مولكول­هاي كوچكتر شكر مي­شكنند. بزاق دهان شما داراي آميلاز است و روده­ي كوچك نيز آن را دارا مي­باشد. مالتوز، لاكتوز، ساكارز توسط اين آنزيم به مولكول هاي گلوكز شكسته مي شوند.

3) ليپازها  :

ليپازها چربي ها را مي شكنند. سلولازها مولكول هاي سلولز را به  قندهاي كوچكتر مي­شكنند، باكتري هاي موجود در روده ي گاوها و موريانه ها، سلولاز بدن خود را دفع مي كنند و به اين دليل است كه گاوها و موريانه ها مي توانند چيزهايي مانند علف و چوب را بخورند.

باكتريها اين آنزيم ها را به خارج از ديواره­هاي سلولي خود دفع مي كنند، مولكول­هاي موجود در اطراف دیواره به قطرات سازنده­ خود شكسته مي­شوند. (پروتئين به آمينواسيدها و نشاسته ها به قندهاي ساده). بنابراين مولكول ها به حدكافي كوچك مي­شوند تا بتوانند از ديواره­ي سلول عبور كرده و وارد سيتوپلاسم  شوند، به اين ترتيب يك باكتري اي .كلاي غذامي خورد.

درون يك سلول صدها آنزيم بسيار ويژه وجود دارد كه كارهاي خيلي خاصي را كه سلول جهت زنده بودن به آنها نياز دارد انجام مي­دهند. برخي ديگر از آنزيم­هاي جالب تري كه درسلول ها وجود دارند عبارت انداز :

   1) آنزيم هاي انرژي زا: مجموعه­اي از ده آنزيم به سلول اجازه مي دهند كه عمل گليكوليز انجام دهند. يك مجموعه ي 8 آنزيمي ديگر ،  چرخه ي اسيد سيتريك را(به عنوان چرخه ي كربس)كنترل مي كنند. اين دو فرآيند با هم به سلول اجازه مي دهند تا گلوكز و اكسيژن را به آدنوزين تري فسفات ياATP تبديل كند. در يك سلول مصرف كننده اكسيژن مثل اِي.كلاي يا سلول انسان ،  يك مولكول گلوكز 36 مولكول ATP مي سازد.ATP يك مولكول سوختي است كه آنزيم ها را قادر مي سازد واكنش هاي شيميايي مشكل را انجام دهند.

   2)آنزيم هاي كنترل كننده DNA : آنزيم هاي ويژه اي هستند كه در طول رشته هايDNA حركت كرده و آنها را تعمير مي كند. آنزيم هاي ديگري هم هستند كه مي­توانند رشته  DNA را باز كنند تا از روي آنها مجدداً بسازند(پلي مرازDNA ). همچنين آنزيم هاي ديگري هستند كه مي­توانند الگوهاي خاصي را بر روي DNA يافته و به آن بخش بچسبند و دسترسی به آن قسمت ازDNA را محدود سازند.

   3) آنزيم هاي توليد كننده آنزيم: همه اين آنزيم ها بايد از جايي آمده باشند، بنابراين آنزيم هايي وجود دارند كه آنزيم هاي ديگر را مي­سازند.RNA در سه شكل مختلف، بخش بزرگي از اين فرآيند است.

يك سلول در واقع چيزي نيست به جز ، يك مجموعه از واكنش هاي شيميايي و آنزيم ها كه انجام صحيح واكنش ها را امكان پذيرمي كنند.

 

بخش ششم- ساخت آنزيم ها

تا هنگامي كه غشاي سلول سالم بوده و سلول همه آنزيم هاي مورد نياز جهت كار خود را به درستي مي سازد، سلول زنده است. آنزيم هايي كه سلول به عملكرد صحيح آن ها نياز دارد، به آن ها اجازه مي­دهند تا از گلوكز انرژي بگيرند، قطعاتي را بسازند كه ديواره­ي سلول را تأمين كنند، خود را تكثيركنند و البته آنزيم هاي جديد بسازند.

بنابراين همه­ي اين آنزيم­ها از كجا مي­آيند؟ و سلول هنگامي كه به آنها نياز دارد چگونه آنها را مي­سازد؟ اگر يك سلول فقط مجموعه­اي از آنزيم­هايي است كه سبب انجام واكنش­هاي شيميايي مورد نياز سلول مي­شوند، چگونه يك مجموعه از واكنش­هاي شيميايي سبب توليد يك آنزيم جديد مي شود؟ و چگونه يك سلول خود را تكثير مي كند؟ معجزه حيات از كجا نشأت مي گيرد؟

پاسخ اين سؤالات درDNA (دئوكسي ريبونوكلئيك اسيد) نهفته است، مطمئنا شما نام، DNA كروموزومها و ژنها را شنيده ايد.  DNA راهنماي سلول در ساخت آنزيم هاي جديد است.

   DNA در يك سلول، در واقع يك الگوست كه از 4 بخش مختلف تشكيل شده است كه نوكلئوتيدها يا پايه­ها ناميده مي­شوند. يك مجموعه از آجرها را تصور كنيد كه تنها 4 شكل مختلف دارند ، يا يك الفبا كه فقط از 4 حرف تشكيل شده است. DNA يك رشته­ بلند از اين آجرها يا حروف است. در يك سلول اِي.كلاي الگويDNA از حدود 4 ميليون آجر ساخته شده است. اگر مي­توانستيد اين رشته­ي DNA را بكشيد، طولي در حدود36/1ميلي متر پيدا مي­كردید كه  خود باكتري 1000بار از آن كوچكتراست. DNA انسان در مقايسه با ان از حدود 3 ميليارد آجر ساخته شده و 1000 بار ازDNA اِي.كلاي بلندتر است. DNA انسان آنقدر بزرگ است كه براي اينكه در سلول بگنجد به 23 زير ساختار به نام  كروموزوم تقسيم بندي شده است كه اين كروموزوم ها بسيار به هم فشرده شده­اند.

نكته­ي شگفت انگيز در موردDNA اين است که، DNA هيچ چيز بيش از يك الگو ، كه به  سلول مي گويد چگونه پروتئين هاي خود را بسازد  ،نيست.اين همه كاري است كه DNA انجام مي­دهد. 4 ميليون پايه  درDNA سلول اِي.كلاي به آن مي گويند كه چگونه 1000 آنزيمي را كه اي.كلاي جهت زندگي خود به آن نياز دارد بسازد.

يك ژن به سادگي يك بخش از DNA است كه به صورت الگويي جهت ساخت يك آنزيم به كارمي­رود. حال بياييد به كل فرآيندي كه يك DNA تبديل به يك آنزيم مي شود نگاهي بيندازيم و آن گاه شما به عملكرد آن پي خواهيد برد.

 

بخش هفتم- DNA

 شما تا كنون شنيدهاید كه از DNA به عنوان مولكول مارپيچ دوگانه نام مي برند، DNA شبيه دو رشته است كه در هم به صورت مارپيچي طولاني تنيده شده اند.

 

شکل 5

(شكل 5: شماتيكي از DNA )

DNA درهمه سلول­ها به صورت يك جفت پايه­اي كه از4 نوكلئوتيد مختلف تشكيل شده­ وجود دارد. هر جفت ازدونوكلئوتيد مكمل به هم پيوسته­ تشكيل شده است. در الفباي  DNA  چهار پايه وجود دارد: آدنين، سيتوزين، گوانين، تیمين.

آدنين و تيمين هميشه به صورت يك جفت و سيتوزين وگوانين نيز به صورت يك جفت به هم پيوسته اند. اين جفت ها همانند پله هاي يك نردبان با هم  پيوند دارند.

 

شکل 6

(شكل 6: جفت هاي پايه اي در DNA ، همانندسازی خود را درزواياي خاصي انجام مي دهند ، در این حالت كل ساختاربه صورت يك مارپيچ درهم تنيده مي شوند. در يك باكتري اِي.كلاي، اين نردبان درحدود4ميليون جفت مكمل دارد.  دو انتهاي آن نيز به هم پيوسته و تشكيل يك حلقه مي دهند و آن گاه اين حلقه به صورت توده­اي درهم فشرده مي شوند كه بتواند در داخل سلول جاي گيرد. كل اين حلقه به عنوان ژنوم شناخته شده و دانشمندان به طور كامل آن راكشف رمز كردند،به اين معنا كه دانشمندان همه ي 4ميليون جفت مكمل تشكيل دهنده­ DNA باكتري اِي.كلاي را مي شناسند.ساختار پروژه ژنوم انساني هم ، در راستاي پيدا كردن 3ميليارد يا بيشترازجفت­هاي مكمل در DNA انسان ، هم چنان در حال انجام است .)

 

بخش هشتم- سؤال بزرگ

شايد از بخش هاي قبلي به ياد آوريد كه آنزيم ها از20 آمينواسيد كه با ترتيب خاصي به هم پيوسته­اند تشكيل شده است. بنابر اين سؤال اين است چگونه شمااز DNA كه فقط 4نوكلئوتيد دارد به يك آنزيم كه 20آمينواسيد مختلف دارد ميرسيد؟ دو پاسخ براي اين پرسش وجود دارد :

1) يك آنزيم بسيار پيچيده و جالب كه ريبوزوم نام دارد، انتقال دهنده هاي RNA راكه توسطDNA  ساخته مي شوند را مي خواند و آن رابه زنجيره هاي آمينواسيدتبديل مي كند.

2) جهت انتخاب آمينواسيد صحيح ،يك ريبوزوم نو كلئوتيدها رادرمجموعه هاي سه تايي مرتب مي­كند تا 20 آمينواسيد را بسازد.

اين بدين معناست كه هر جفت مكمل در زنجيره ي DNA در واقع كدرمز يك آمينواسيد درهرآنزيم هستند. بنابراين هر 3نوكلئوتيد در يك توالي از رشته ي DNA ،به عنوان يك كدون شناخته مي شوند.ازآنجاكهDNAمتشكل از 4مكمل متفاوت بوده وچون 3رمز دريك كدون وجود دارد و چون4*4*4=64  ،

بنابراين 64الگو براي يك كدون وجود دارد. از آنجا كه تنها20 آمينواسيد ممكن وجود دارند، به نظرمي رسد كه دراينجا يك افزونگي وجود دارد، يعني كدون­هاي متفاوت مي­توانند براي رمز كردن يك آمينو اسيد به كار بروند. هم چنين يك كدون باز دارنده وجود دارد كه انتهاي يك ژن را مشخص مي كند. بنابراين در يك رشته  DNA يك مجموعه 100تا1000تايي از كدون ها (300تا3000 جفت مكمل ) وجود دارند كه مشخص كننده­ آمينو اسيدهايي هستند كه يك آنزيم خاص را مي سازند و سپس يك كدون پاياني انتهاي حلقه را مشخص مي كند. در شروع زنجير يك بخشي است كه بخش فعال شناخته مي شود. بنابراين يك ژن تشكيل شده است از يك بخش فعال، يك مجموعه ازكدون هابراي آمينواسيدهاي موجوددريك آنزيم خاص،  ويك كدون پاياني .اين تمام يك ژن است .جهت ساخت يك آنزيم ، سلول ابتدا بايد ازروي ژن مربوطه در DNA دريكRNAانتقال دهنده رونويسي كند.

عمل رونويسي توسطيك آنزيم RNAپلي مرازانجام مي شود.

  RNA پلي مرازبه بخش فعال رشته ي DNA چسبيده ودورشته ي DNA را ازهم جدا مي كند و يك كپي كامل از يكي از اين رشته ها را دريك رشته ي RNA برمي دارد. RNA يا ريبونوكلئيك اسيد بسيار شبيه DNA است با اين تفاوت كه مي تواند به صورت يك رشته ي منفرد وجود داشته باشد. بنابراين عملكرد RNA پلي­مراز ساخت يك كپي از ژن موجود در DNA يك رشته  RNA ناقل است .

سپس RNA ناقل در طول يك ريبوزوم حركت مي كند. ريبوزومي كه مشابه به اولين كدون در   RNAناقل است، آمينواسيد صحيح را براي ان كدون پيدامي كند. سپس آن را گرفته و به كدون بعدي نگاه مي كند، آمينو اسيد صحيح را يافته و آن را به اولي پيوند مي دهد و اين كار را باكدون سوم والي الاخرانجام مي­دهد. به بيان ديگر ريبوزوم كدون­ها را مي­خواند، آنها را به آمينو اسيدها تبديل كرده و آمينو اسيدها را به  يكديگر اتصال مي دهد تا يك زنجيربزرگ سازد. هنگامي كه آخرين كدون (كدون پاياني) را دريافت مي كند ريبوزوم زنجيره را رها مي كند،  كه البته اين زنجيره آمينواسيدها،  يك آنزيم است .اين آنزيم به شكل مشخصه خود درآمده و آ‍زادانه شناور شده و هر كجا لازم باشد عمل خود راانجام مي دهد.

 

بخش نهم- تكثير

نشانه­ موجودات زنده توانايي آنها درتكثيراست.يك تكثيرباكتريايي به سادگي يك رفتارآنزيمي ديگراست.آنزيمي كه DNA پلي مراز ناميده مي شود، همراه باچندين آنزيم ديگركه درامتداد هم كارمي كنند، در طول رشته  DNAحركت كرده وازآن كپي برداري مي كنند. به بيان ديگرDNA پلي مر از مارپيچ دوگانه AND را شكافته و از روي هر يك ،يك نسخه تهيه مي كند.هنگامي كه به انتهاي حلقه DNA  رسيد دوكپي مجزاازحلقه ،درسلول اِي.كلاي وجود دارد. سپس ديواره سلول از وسط  آن باريك شده و حلقه هاي DNA  در دو قسمت متفاوت سلول تقسيم مي شوند.

تحت شرايط مناسب اين تقسيم را مي تواند هز 20 يا 30 دقيقه يكبار ايجام دهد، در وقايع فرآيند آنزيمي، رشد سلول، كپي برداري از AND و تقسيم شدن بسيار سريع اتفاق مي افتد.

 

بخش دهم-جمع بندي

   حال شما مفاهيم اساسي را كه مهندسان ژنتيك با آن ها مواجه هستند را مرور كرده ايد، اين آن چيزي است كه آنها راجع به زندگي مي بینند: تا هنگامي كه آنزيم ها در يك سلول فعال هستند و همه­ آنزيم هاي ضروري موجود هستند، سلول زنده است. يك نكته ي جالب جهت پايان بحث ، ( به عنوان مثال آنها را در يك ماشين مخصوص چرخ كنيد ) سوپ نهايي هنوز به دليل وجود آنزيم ها همان كاري را مي كند كه مجموعه سلول هاي زنده انجام مي دهند. (مثلا همچنان از قند، دي اكسيد كربن و الكل مي سازد)، ولي اينكار را فقط در يك زمان محدود انجام مي دهند. از آنجا كه سلول ها ديگر سالم نبوده و در نتيجه زنده نيستند، هيچ آنزيم جديدي ساخته نمي شود. سر انجام هنگامي كه آنزيم هاي موجود مستهلك شده و از بين رفتند اين سوپ ديگر واكنشي انجام نمي دهد. در اين نقطه است كه سلولهای سوپ مرده اند.

بنابر اين از نظر فني ،مهندسي ژنتيك:تزريق غير طبيعي تعداد خاصي از كدهاي ژنتيكي، در ميان يك مجموعه ي منظم از سلولهای دريافت كننده است ، كه در طول ميليونها سال پرورش يافته اند، تا اين اطمينان حاصل شود كه یا یکسری ويژگي هاي خاص در سلولها ایجاد میشوند ،يا در عملکرد بخش خاصی از سلولها بهبودی حاصل میشود و یا در نهایت امر موجودات جديدی ساخته مي شوند.

 From: 'The Case against Genetic Engineering' by George Wald, in The Recombinant DNA Debate, Jackson and Stich, Eds. P. 127-128. ; Reprinted from The Sciences

پايان

  

|+| نوشته شده توسط گروه ژنیوس در جمعه یکم آذر 1387 و ساعت 7:30 |