ژنتیک بخش دوم
ساختار ژن
همانطور که در بخش اول توضیح داده شد ، از دیدگاه مولکولی حیات یک تعریف دارد : اتصال و چفت شدگی سه بعدی مولکول‌های بزرگ پروتئین با سایر مولکول‌ها
این اتصالات باعث میشود که مولکول‌های پروتئینی بزرگی به نام آنزیم بتوانند مولکول‌های دیگر را به خود متصل کند ، آنها را به هم بچسباند و ترکیب کند و یا مولکول دیگری را به تولید خود متصل کند و در یک محل خاص آنر ا بشکند ، و به این ترتیب یک واکنش شیمیایی را با سرعت بسیار بالا و بسیار اخصاصی انجام دهند ، این واکنش شیمیایی شامل تجزیه هرگونه مولکول آلی دیگر و یا ساخت هرگونه مولکول اسیدنوکلئیک ، پروتئین ، قند و چربی می‌باشد . پس هر مولکول لازم برای فعالیت حیات توسط آنزیمها ساخته میشود .
حیات یک بقای دینامیک است و مستلزم صرف انرژی برای بازسازی مداوم و برای ساخت مولکول‌ها و ساختارها می‌باشد . پس از توانایی تکثیر و انتقال اطلاعات و توانایی هدایت و ایجاد واکنش‌های مولکولی ، سومین خاصیت بزرگ حیات ، امکان استفاده از انرژی است ، ذخیره انرژی در پیوندهای شیمیایی و استفاده از آن در زمان لزوم همگی توسط آنزیمها و از طریق ایجاد و شکستن پیوندهای انرژی دار انجام می شود .
یک ساختار حیاتی باید بتواند به اطراف خود واکنش نشان دهد . این هم توسط اتصال سه بعدی بخش از مولکول‌های پروتئینی به نام گیرنده با مواکول مورد نظر یا تغییر شکل فیزیکی یا شیمیایی در اثر یک تحریک خاص در مولکول پروتئین ایجاد میشود ، اتصال یا تغییر در یک بخش باعث تغییر در بخش دیگری از مولکول پروتئین میشود که به واسطه فعال کردن بخش آنزیمی باعث زنجیره‌ای از واکنش‌ها در پاسخ به مولکول یا تحریک خاص میشود .
به این ترتیب تمام واکنش‌های حیاتی مستلزم اتصال سه بعدی شکل خاصی از بخشی از یک پروتئین به مولکول‌های آلی دیگر است .
شکل سه بعدی پروتئین‌ها از توالی‌های اسیدهای آمینه حاصل میشود . در پروتئین‌های انسان 20 نوع اسیدآمینه داریم که هر یک ، یک کربن مرکزی ، دو گروه دوطرف برای اتصال به هم و پلیمریزه شدن دارند و یگ گروه جانبی که در مورد هریک از اسیدهای آمینه شکل خاصی دارند و دوما هریک چرخش خاصی در زنجیره پروتئینی ایجاد میکنند و باعث میشود اشکال خاص سه بعدی برجسته و فرورفته با خاصیت‌های مختلف اتصال ایجاد میکند که میتواند بسیار اختصاصی با یک مولکول آلی دیگر چفت شود و تمام واکنش‌های حیاتی انجام شود .
تصویر از ویکی پدیا
اندازه پروتئین‌ها بسیار مختلف است . به صورت معمول آنزیمها از بیش از هزار اسیدامینه تشکیل شده‌اند .
مهمترین اطلاعات حیات که در ماده ژنتیکی ذخیره شده است همین توالی اسیدهای آمینه است اما اینکار چگونه انجام شده است ؟
ساختار ژن
پس از مدت‌ها تلاش علمی بالاخره در دهه 1950 واتسون و کریک با تلاش بی وقفه ساختار ماده ژنتیکی یعنی مولکول DNAرا رمز گشایی کردند . اساس ماده ژنتیکی تکرار پشت سر هم چهار نوع مولکول آلی نوکلئوتیدی است : آدنوزین ، گوانین ، تیمین ، سیتوزین که به علت خاصیت بازی مولکول آن بازهای نوکلئوتیدی هم نامیده میشود .
این بازها باید به صورت یک رشته پشت سرهم قرار گیرند ، پس هر کدام به یک مولکول قند وصل شده و قندها توسط گروه فسفات به هم وصل می‌شوند . پس در یک طرف نوار تکرار قند و فسفات داریم که هر قند به یک باز وصل شده است ، در سمت دیگر روبروی هر باز ، باز مکمل آن قرار گرفته است که این بازها خود به رشته قنو فسفات دیگری متصل هستند .
پس در دو طرف رشته قند و فسفات را داریم و به هر قند یک باز نوکلئوتیدی متصل است که با مکمل خود با پیوندهای هیدروژنی متصل شده‌اند ، طوریکه آدنین همیشه در برابر تیمین و گوانین همیشه در برابر سیتوزین قرار میگیردن A-T , C-G ، چفت شدگی اشکال سه بعدی بازهای فوق باهم به واسطه شکل و پیوندهای هیدروزنی مجددا مهمترین خاصیت حیات‌ساز را بیاد ما میاورد .
به این ترتیب مولکول DNA به یک نردبان تشبیه میشود دو رشته دوطرف و پله‌هایی از C-G یا A-T در وسط . اما نکته جالب اینکه این نردبان دچار پیچیدگی میشود و عملا تبدیل به یک مارپیچ میشود . نام گذاری مولکول بر اساس وجود قند (دزوکسی ریبوز ) و نوکلئوتید انجام شده است : deoxyribonucleic acid DNA . مولکول DNA چون دو طرف قند و باز دارد ، دو رشته‌ای یا مارپیچ دوگانه نامیده میشود در مقابل فرم تک رشته‌ای ماده ژنتیکی هم وجود دارد که در آینده با آن اشنا خواهیم شد .
https://educationalgames.nobelprize.org/educational/medicine/dna/b/replication/dna_structure.html
نکنه جالب اینکه تعداد بازهای DNA در سلول‌های انسان سه میلیارد و دویست عدد می‌باشد . اما فقط دو درصد آنها کد کننده هستند یعنی ژن هستند و توالی اسیدآمینه پروتئین‌ها را مشخص میکنند .
پس 60 میلیون باز کد کننده حدود 25000 پروتئین هستند . البته خواهیم دید که پیچیدگی‌های زیادی در این موضوع وجود دارد .
کل ماده ژنتیکی ژنوم نامیده میشود و هر بخشی از ژنوم که یک پروتئین و بالطبع یک عملکرد خاص را کد میکند ، یک ژن نامیده میشود پس تقریبا به تعداد پروتئین‌ها یعنی 25000 تا ژن داریم . تاکنون تقریبا کمتر از 5000 ژن عملکرد و اشکالات عملکردشان مشخص شده است قاعدتا با شناسایی همه آنها باید بتوانیم تمام رفتار و عکلکرد ژن‌ها رامشخص کنیم ، اما عملکرد یک ژن یک عملکرد خالص نیست ، زیرا هر عملکرد هر پروتئین با تعداد بسیار زیاد پروتئین دیگر در تعامل و تعادل است بنابراین عملا موضوع بررسی ژنوم تبدیل به یک موضوع بسیار پیچیده می شود .
چهار نوع باز در ساخت رمز ژنتیکی مشخص کننده توالی اسیدآمینه‌های تولید کننده پروتئین مشارکت میکنند و ما بیست نوع اسید آمینه مختلف داریم . یک باز چهار حالت را کد میکند و دو باز چهار به توان دو یعنی 16 که از تعداد 20 اسید آمینه کمتر است ، سه باز چهار به توان سه یعنی 64 حالت مختلف را مشخص میکند .
به این ترتیب هر سه باز یک اسید آمینه را مشخص میکنند . یک کد سه بازی هم مشخص کننده محل شروع ژن و یک کد سه بازی مشخص کننده محل اتمام ژن است . سه کد سه بازی مشخص کننده محل اتمام ژن می‌باشد و یک کد که مخصوص اسیدآمینه متیونین است نشانگر محل شروع ژن است ( ساخت تمام پروتئین‌ها با اسید آمینه متیونین شروع میشود ) پس 60 کد سه بازی مخصوص 19 اسید آمینه است که نتیجتا به بعضی از اسیدهای آمینه حالت‌های سه بازی بیشتری می‌رسد .
محل DNA در هسته سلول است اما محل ساخت پروتئین در سیتوپلاسم است . در اینجا باید RNA پیغامبر وارد عمل شود . ابتدا دو رشته DNA از هم جدا شده و از روی یک رشته DNA ، یک تک رشته RNA ، ساخته میشود .
ماهیت RNA همیشه تک رشته‌ای است ، قند آن به جای دزوکسی ریبوز ، ریبوز است ( علت حرف R به جای D ) و به جای باز تیمین ، باز اوراسیل U دارد و اوراسیل است که مکمل آدنوزین میشود . به این ترتیب از روی ژن در DNA یک رشته RNA پیغامبر massanger RNA or mRNA ساخته شده و وارد سیتوپلاسم میشود و از روی کدهای آن پروتئین ساخته میشود .
ساخت پروتئین از روی mRNA توسط ساختاری به نام ریبوزوم انجام می شود که در بخش‌های اینده مفصلا به آن می پردازیم
زنجیره دو رشته‌ای DNA که در فرایدنی به نام Transcription یا رونویسی یک نسخه تک رشته‌ای mRNA از آن رونویسی شده و از طریق مجاری خاصی از هسته وارد سیتوپلاسم میشود و سپس به ریبوزوم‌ها وصل شده و در فرآیندی به نام Translation از روی کدهای mRNA توسط ریبوزوم اسیدهای آمینه به هم متصل شده و در نهایت پروتئین از روی کدها ساخنه میشود و به این ترتیب ژن پروتئین را ایجاد میکند .
اسید آمینه
در جدول زیر اسیدهای آمینه 20 گانه مشاهده می‌شوند ، هر اسید آمینه در مرکز یک کربن دارد ، در سه طرف کربن یک هیدروژن ، یک گروه آمین دارای نیتروژن و یک گروه کربوکسیل وجود دارند . گروه آمین و کربوکسیل از دو اسید آمینه با اشتراک گذاشتن یک هیدروژن به هم متصل و زنجیره پروتئین ساخته میشود . همانطور که در جدول مشاهده می شود در یک طرف کربن ، زنجیره‌های جانبی وجود دارند که در شکل و اندازه و بار بسیار متغیر هستند . ساده‌ترین زنجیره جانبی یک هیدروژن است که اسید آمینه گلیسین را ایجاد میکند .
