ژنتیک بخش سوم ساخت پروتئین از روی ژن قسمت اول

ژنتیک بخش سوم

ساخت پروتئین از روی ژن

بخش اول

  در دو قسمت قبل به نکات کلیدی زیر رسیدیم :

<!-- -->1-   تمام عملکرد‌های حیات توسط مولکول‌های پروتئینی و با مکانیسم چفت شدگی سه بعدی بخشی از مولکول بزرگ پروتئین با سایر مولکول‌ها   ،  و تجزیه مولکول یا ساخت مولکول جدید و یا ایجاد پیوند دارای انرژی و یا شکستن آن ( فعالیت پروتئین به عنوان آنزیم ) و یا واکنش به یک گیرنده یا تحریک ( فعالیت پزوتئین به عنوان گیرنده ) ، انجام می شود . هر واکنش سوخت و سازی نیاز به یک انزیم اختصاصی و هر واکنش نیاز به یک گیرنده خاص دارد .

<!-- -->2-   هر پروتئین توسط واحد‌هایی به نام اسید آمینه ساخته میشود که در انسان 20 نوع اسید آمینه همه پروتئین‌ها را می سازند . اطلاعات توالی اسید‌های آمینه در ماده ژنتیکی داخل هسته سلول ذخیره شده است . ماده ژنتیکی در عموم جانداران ( به جز بعضی ویروس‌ها ) از DNA ساخته شده که یک ساختار دورشته‌ای روبروی هم از چهار نوع باز نوکلئوتیدی است . یک ژن بخشی از DNA است که ساخت یک پروتئین خاص را کد می‌کند .

<!-- -->3-   سه میلیارد و دویست باز نوکلئوتیدی DNA انسان را تشکیل می‌دهند ، فقی دو درصد از آنها در ژن‌ها هستند یعنی پروتئین‌ها را کد می‌کنند . تقریبا 25000 پروتئین و به همین تعداد ژن داریم .

<!-- -->4-   چون چها نوع باز نوکلئوتیدی داریم ، هر سه باز نوکئوتیدی میتوانند 64 حالت را کد کنند ، که یکی به اسید آمینه متیونین برای استارت هر توالی اولیه پروتئینی و سه تا حالت به عنوان کد خاتمه و 60 دیکر برای کد کردن 19 اسیدآمینه دیگر به کار میروند.

مرحله اول : رونویسی  Transcription

  ژن‌ها در مولکول DNA  و در هسته سلول قرار دارند ، محل ساخت پروتئین در سیتوپلاسم است  . پس اول باید یک رونوشت اژ ژن تهیه شود و به داخل سیتوپلاسم فرستاده شود . به جز باکتری‌ها که در آنها هسته مشخصی وجود ندارد و ماده ژنتیکی کوچک انها در سلول شناور است ، در موجودات زنده پیشرفته‌تر هسته درون یک غشاء شبیه دیواره خود سلول محصور است و ماده ژنتیکی و تمام عناصر مربوط به آن در هسته محصور است . بعدا خواهیم دید که در موجودات پر سلولی اگرچه تمام سلول‌ها همه ژن‌ها را دارند اما در پدیده تمایز یعنی اختصاصی شدن کار سلول ، در هر سلول تعدادی از ژن‌ها باید غیر فعال شده و تعدادی ژن اختصاصی بسیار پرکار باشند ، لازمه اینکار تنظیماتی است که محیط بسته ماده ژنتیکی را می‌طلبد .

 اما جالب اینکه حتی در مورد باکتری‌ها که DNA در هسته جدا نیست و در سیتوپلاسم است نیز اول باید فرآیند رونویسی صورت بگیرد . در واقع فرآیند رونویسی یک پایه در فرآیند تکاملی بوده که همه چیز بر اساس آن شکل گرفته و مهمترین نکته آن اینکه از روی DNA باید یک ‌mRNA تک رشته ساخته شود و این تک ‌رشته است که می‌تواند به ریبوزوم متصل شده و پروتئین از روی آن ساخته شود .

https://www.britannica.com/science/transcription-genetics

در هسته ‌ابتدا ژنی که باید از روی آن پروتئین ساخته شود ، فعال میشود این فعال شدن یک معنی مهم دارد که در بخش چهارم خواهیم دید که هیستون‌ها یک بخشی از DNA  را آزاد و شل می‌کنند تا امکان رونویسی داشته باشد و البته اینکار  تحت تنظیم‌های مختلفی قرار دارد که در مباحث بعدی آورده شده اما دوتا از مهمترین آنها یکی تمایز است که در بالا اشاره شد و یکی نیاز به پروتئین خاص در پاسخ به کمبود آن یا پاسخ به تحریکات محیطی یا سیگنال‌های داخل سیتوپلاسم است . 

  ژن فعال شده توسط  آنزیم RNA polymerase  موجود در هسته شناسایی و با بخشی از آن چفت‌شدگی سه بعدی رخ می‌دهد و دو رشته DNA   توسط آتزیم مثل زیپ  از هم باز می‌شوند . سپس بر روی رشته 3 به سمت 5    تک رشته  mRNA ساخته می‌شود .

( بر اساس جهت قندهای هر رشته ،  یک رشته اصلی DNA  3 به 5 است و رشته مکمل آن 5 به 3  ، جهت قندها یعنی : سه یعنی کربن  سوم  قند آزاد و قادر به اتصال با بقیه است و به عبارتی سر رشته است  و در سمت 5  کربن 5 قند آزاد است و یعنی ته رشته چون کربن 3 و کربن 5 قند میتوانند به گروه فسفات متصل و زنجیره بسازند ) 

https://senecalearning.com/en-GB/revision-notes/a-level/biology/aqa/4-2-2-transcription-and-translation

در DNA  رشته  از چهار نوکئوتید آدنین A و مکمل آن تیمین T و  گوانین G و در مقابل  آن سیتوزین C  اما در  مورد انواع   RNA  شاید به علت اینکه نوع قند متفاوت است ( ریبوز به جای دزوکسی ریبوز ) تیمین وجود ندارد و به جای آن  اوراسیل U  داریم .

 رونویسی ژن از محل شروع ژن شروع می‌شود که پروموتور نامیده می شود و تا انتهای ژن و ناحیه ترمیناتور آن ادامه می‌یابد و در محل انتهای ژن ، آنزیم جدا شده و رشته mRNA  جدا شده و دو رشته DNA  دوباره به هم متصل می‌شوند.

در اینجا در ابتدای سمت چپ رشته‌ها مشاهده می‌شود که در فرایند رونویسی از روی C ، مکمل آن یعنی G و از روی A  ، مکمل آن یعنی U در در رشته mRNA  ایجاد شده است .

حال این رشته پروتئین باید از طریق منافذ غشاء هسته وارد سیتوپلاسم شود . اما قبل از آن یک مرحله دیگر داریم .

مرحله دوم :  بازآرائی   mRNA

در این مرحله بخشی از ‌mRNA  حذف میشود که به نام فرآیند Splicing نامیده می‌شود .

https://www.britannica.com/science/transcription-genetics

بر حسب این مرحله کل طول  mRNA از قطعاتی به نام اگزون و اینترون تقسیم میشوند ، اینترون‌ها جدا شده و اگزون‌ها به هم متصل شده و قطعه ‌ mRNA  نهایی پروسس شده را می‌سازند و این قطعه می‌تواند از منافذ هسته خارج شده و وارد سیوپلاسم شده و از روی آن پروتئین ساخته شود .

 اینکه اساسا چرا باید چنین اتفاقی بیافتد ، دو تئوری موجود است یکی اینکه برای پایداری و اتصال به هیستون‌ها یا باز و بست شدن ‌DNA  توالی‌های خاصی از بازها در DNA  لازم است که به هر حال کارکرد کد کننده توالی اسیدآمینه‌های پروتئین را ندارند و باید حذف شوند ، احتمال دیگر ریشه تکاملی است ، شاید در ابتدای تکامل و ایجاد تصادفی DNA ، بخش‌هایی از mRNA  تولیدی ناپایدار و خودبخود حذف می‌شده و در نتیجه موضوع در سیر تکاملی باقی مانده و ژن ها همین تغییرات را حفظ کرده‌اند .

مرحله سوم :  اتصال   mRNA  به ریبوزوم و ساخت پروتئین

 ریبوزوم کارخانه پروتئین سازی سلول است ، با سابقه طولانی از اولین ساختارهای سلولی درخت تکامل یعتی آرکئوباکترها تا بالاترین موجودات درحت تکامل یعنی پستانداران و پرندگان و در تمام گیاهان ، ریبوزوم تمام پروتدن‌ها را می‌سازد که البته با توجه به ترکیب کردن اسیدهای آمینه و ساخت زنجیره پروتئین در واقع به نوعی آنزیم است و البته ساختار پروتئینی دارد .

  سال‌ها یکی از مهمترین سوالات اصلی زیست‌شناسی این بوده که خوب سنتز تمام پروتئن‌ها و حتی رونویسی از  DNA  توسط آنزیم‌های پروتئینی باید انجام شود ، پس اولین ریبوزوم پروتئینی از کجا آمده است ؟ یعنی اگر ماده ژنتیکی هم داشته باشیم بدون آنزیم پروتئینی که آن را تکثیر کند یا از روی آن پروتئین بسازد ، حیاتی در کار نیست . چون پروتئین است که با شکل سه بعدی خود می‌تواند با مولکول‌های دیگر جفت و بست شده و انها را به متصل کند.

 تا اینکه این تئوری بر اساس شواهدی که از ریبوزوم به دست آمد مطرح شد که مولکول RNA   در اشکال طولانی میتوان روی خود کلاف ایجاد کند و با ایجاد اشکال سه بعدی شبیه پروتئین با مولکول‌های دیگر چفت شده و نقش آنزیم بازی کند . در واقع پس از اینکه اولین مولکولهای ‌نوکلئوتیدی تکثیرپذیر ایجاد شدند ، RNA  ایجاد شد و به تدریج کلاف‌های ‌RNA  نقش آنزیم‌های اولیه را هم عهده‌دار شدند . در واقع این تئوری میگوید که اولین ریبوزوم‌ها از RNA   ساخته شده بودند ، در زمانی که فقط مولکول‌های تکثیر پذیر RNA  بودند و به کندی و بون نیاز به انزیم همانند سازی می‌کردند و با ایجاد ریبوزوم‌های اولیه شبیه آنزیم اسیدهای آمینه را سرهم کرده و پروتئین‌های ابتدایی سرهم می‌کردند که میتوانست به بقای آنها کمک کند .

 ایجاد این تئوری و اثبات آن زمانی قوت گرفت که معلوم شد بخشی از ریبوزوم‌های  انسان واقعا از RNA تشکیل شده است و جاب‌تر اینکه هرچه از نظر تکاملی موجود ساده‌تر باشد میزان RNA در ریبوزوم آن بیشتر است . 

تصویر از ویکیپدیا : بخشی از ریبوزوم یک باکتری اولیه ، بخش‌ آبی پروتئین و بخش قهوه‌ای RNA است که به نام RNA ریبوزومی یا  rRNA   نامیده می‌شود . 

پس از این مقدمه در مورد ریبوزوم بر میگردیم به ساخت پروتئین :

در سیتوپلاسم ما مولکول‌هایی از جنس  RNA داریم به نام  tRNA   ،  از نمای شماتیک یک مولکول  صلیب مانند است دو بازو در دو طرف دارد که باعث اتصال به اشکال سه بعدی شکاف ریبوزوم شده ، در یک طرف به طور اختصاصی به یک اسیدآمینه متصل است و سمت مقابل در توالی آن قسمت مکمل با یک ناخیه سه بازی mRNA  دارد ،  پس وقتی mRNA  به داخل شکاف ریبوزوم وارد میشود ، هر کد سه بازی آن با یک tRNA  خاص متصل و ان tRNA   یک اسید آمینه خاص را به زنجیره پروتئینی  اضافه  میکند .

https://www.britannica.com/science/transcription-genetics

توضیح مفصل‌تر این روند در بخش دوم این مبحث در ژنتیک بخش چهارم آورده شده است.