پروتئین سازی

بیماری آلکاپتونوریا نوعی بیماری ارثی است و بنا بر این علت آن را می توان به ژن ها نسبت داد.ادرار افراد مبتلا به این بیماری در مجاورت هوا سیاه می شود زیرا در آن ماده ای به نام هموجنتیسیک اسید وجود دارد.در ادرار افراد سالم این اسید وجود ندارد زیرا آنزیم مخصوصی آن را تجزیه می

کند.در سال ۱۹۰۹ پزشکی به نام آرچیبلد گرو بیان داشت که در بیماران مبتلا به آلکاپتونوریا آنزیم تجزیه کننده ی هموجنتیسیک اسید وجود ندارد.گرو در واقع توانست بین یک نفض ژنی (بیماری آلکاپتونوریا) ویک نقض آنزیمی(آنزیم تجزیه کننده ی همو جنتیسیک اسید)رابطه بر قرار کند.به این ترتیب اندیشهای

اولیه ی یکی از مهمترین نظریه های زیست شناسی شکل گرفت.اندیشه ای که بیان می دارد «هر ژن مسئول ساختن یک آنزیم است».
در سال ۱۹۴۰ دو محقق به نام های جورج بیدل و ادوارد تیتوم آزمایشی انجام دادند که منجر به ارایه ی نظریه ی یک ژن-یک آنزیم شد.
این دو محقق برای بررسی عمل ژن از هاگ های قارچی به نام کپک نوروسپورا کراسا استفاده کردند. تا آن زمان بیدل و تیتوم بیش تر آزمایش ها روی صفات قابل مشاهده مانند ژن های رنگ

چشم در مگس سرکه یا ژن های کنترل کننده ی رنگیزه ها در گیاهان انجام می گرفت. اما بیدل و تیتوم روی کرد جدیدی برای آزمایش خود اتخاذ کردند. آنان جهش هایی را بررسی کردند که مربوط به ژن های کنترل کننده ی واکنش های مهم متا بولیک از قبیل تولید ویتامین ها وآمینواسیدها بود.
کپک نوروسپورا در لوله آزمایش حاوی مخلوط رقیقی از انواع نمک ها کمی شکر و یک نوع ویتامین به نام بیوتین رشد می کند. مجموع این مواد را محیط کشت حد اقل می نامند. این قارچ هاپلوئید

است ودر مدت زمان کوتاهی تعداد فراوانی هاگ تولید میکند. بیدل و تیتوم در آزمایش های خود از پرتو های X برای ایجاد جهش در هاگ ها استفاده کردند. از سال گذشته به یاد دارید که هرگونه تغییر در ماده ی وراثتی را جهش می نامند. بعضی از این هاگهای پرتو دیده نمی توانستند در محیط کشت حد اقل رشد کنند و فقط در صورتی رشد می کردند که به محیط کشت آن ها بعضی مواد آلی اضافه می شد (محیط کشت غنی شده).آنان هاگ هایی را که نمی توانستندروی محیط کشت خد اقل رشد کنند جهش یافته نامیدند(شکل ۱ــ۱). ارنیتین و سیترو لین در مسیر سنتز آرژینین پیش ماده هستند. ارنیتین خود از پیش ماده ی دیگری که آن را Xمی نامیم حاصل
می شود. چون در سلول تبدیل هر ماده به ماده ی دیگر نیازمند نوعی آنزیم است می توان ارتباط بین ماده ی X، ارنیتین، سیترولین و آرژینین را به صورت متا بولیکی زیر نشان داد:

بیدل و تیتوم مشاهده کردند که جهش یافته های تیزمند به آرژینین سه دسته اند: یک گروه از آن ها در صورتی رشد می کنند که به محیط کشت حد القل ارنیتین ، سیترولین یا آرژینین اضافه شود. جهش یافته های گروه دوم آن هایی بودند که به محیط کشت آن ها باید سیترولین یا آرژینین اضافه شود.سومین گروه از جهش یافته هافقط در صورتی رشد می کردند که به محیط آن ها آرژینین اضافه می شود.
مسیر ساختن آرژینین با حذف هر یک از آنزم ها متوقف می شود (چرا؟). بر همین اسا س می توان گفت که در جهش یافته های گروه اول که قادر به ساختن ارنیتین نیستند آنزیم ۱ وجود ندارد.در جهش یافته هی گروه دوم آنزیم ۲ وجود ندارد،به همین دلیل در این جهش یافته ها سیترولین به آرزینین تبدیل می شود،اما ارنیتین نمی تواند به آرژینین تبدیل شود. در جهش یافته ها یی که فقط در حضور آرژینین رشد می کنند، آنزیم ۳ به وجود نمی آید.

بیدل و تیتوم از این آزمایش ها نتیجه گرفتند که وقتی یک ژن آسیب می بیند، تولید یک آنزیم خاص نیز در سلول متوقف می شود. به عبارت دیگر هر ژن از طریق تولید یک آنزیم تاثیر خود را اعمال می کند.
بیدل و تیتوم این ارتباط یک ژن به یک آنزیم را، نظریه ی یک ژن ــ یک آنزیم نامیدند. این عقیده که یک ژن تولید یک آنزیم را رهبری می کند، تا حدود یک دهه رواج داشت. تا اینکه مشخص شد بسیاری از ژن ها، پروتئین هایی را به رمز در می آورند که آنزیم نیستند، از طرفی بعضی پژوهش ها مشخص کرد که بسیاری از پروتئین ها از چند زنجیره ی پلی پپتیدی تشکیل شده اند که تولید هر زنجیره را یک ژن خاص رهبری کرده است.

حاصل این یافته ها منجر به تبدیل نظریه ی یک ژن ــ یک آنزیم به نظریه ی یک ژن ــ یک زنجیره ی پلی پپتیدی شد.
رمزهای وراثتی
سال قبل دیدیم که DNAماده ی ژنتیک و محل ذخیره ی اطلاعات است. اطلاعات در DNA به صورت رمز ذخیره شده اند. منظور از رمز علایمی است که از آن ها برای ذخیره سازی و انتقال اطلاعات استفاده می شود.
مثلا زبان نوشتنی فارسی ۳۲ علامت رمز(حرف) دارد.

می دانید که مولکول DNA مولکول بسیار بلندی است و در ساختار آن فقط چهار نوع نوکلئوتید به کار رفته است. بنابراین می توان گفت که زبان کولکول DNA به صورت یک الفبای چهار حرفی (A,C,G,T)است، که هر حرف نشان دهنده ی یک نوع نوکلئوتید است.
دانستیم که از اطلاعات ژنتیک برای ساختن پروتئین استفاده می شود. پروتئین ها از ۲۰ نوع آمینو اسید ساخته شده اند و هر پروتئین توالی آمینو اسیدی مخصوص به خود دارد. در واقع رمز های موجود در DNA باید به نحوی تعیین کننده ی نوع و ترتیب آمینواسیدهای پروتئین ها باشند.

اگر هر نوع نوکلئوتید علامت رمز یک آمینو اسید باشد ،بازهای A،G،C و T علامت های رمز چهار نوع آمینو اسید می شوند.بنابراین فقط چهار نوع آمینو اسید علامت رمز خواهند داشت. بدیهی است که رنز یک حرفی جوابگوی ۲۰ نوع آمینو اسید نخواهد بود. در صورتی که رمز دو حرفی باشد فقط ۱۶ نوع آمینو اسید علامت رمز خواهند داشت. بنابراین رمز دو حرفی نیز جوابگئی ۲۰ نوع آمینو اسید نخواهد بود. در صورتی که رمز سه حرفی باشد، ۶۴ رمز سه حرفی به دست می آید که بیش تر از تعداد رمز لازم برای ۲۰ وع آمینو اسید است. در این صورت یک آمینو اسید ممکن است بیش از یک رمز داشته باشد. در واقع رمز های نوکلئیک اسیدها سه حرفی هستند.

RNA رابطه ی بین DNA و پروتئین را برقرار می کند.
از اطلاعات موجود در DNA برای ساختن پروتئین ها استفاده می شود، اما جایگاه DNA در هسته و جایگاه پروتئین سازی در سیتوپلاسم است. بنابراین DNA نمی تواند مستقیماً برای ساختن پروتئین مورد استفاده قرار گیرد. به همین سبب، انتظار می رود نوعی مولکول میانجی، ارتباط بین DNA و ریبوزوم ها را برقرار کند.
اندازه گیری های گوناگون نشان داده اند که در سلول هایی که در آن ها فعالیت پروتئین سازی شدید است، RNA فراوانی هم بافت می شود. برعکس، در سلول هایی که فر آیند پروتئین سازی در آنها چندان شدید نیست، مقدار RNA نیز کم است. از طرف دیگر، RNA هم دز هسته یافت می شود هم در سیتوپلاسم. بر این اساس و نیز بر اساس آزمایش ها و مشاهدات دیگر، دانشمندان

 

به این نتیجه رسیدند که این مولکول میانجی، RNA است. به این نوع RNA که اطلاعات را از DNA به ریبوزوم ها حمل می کند RNA پیک می گویند و آن را با mRNAنشان می دهند. دو نوع RAN دیگر نیز در سلول ها دارند که در فر آیند پروتئین سازی لقش های مهمی بر عهده دارند. یکی RNA ناقل است که آن ر با tRNA نشان می دهند. این مولکول آمینو اسید ها را به ریبوزوم منتقل می کند، تا ریبوزوم آمینو اسید ها را بر اساس اطلاعات مجود درmRNA کنار یک دیگر ردیف کند. دیگری RNAریبوزومی
است که آن را با rRNA در ساختار ریبوزوم ها شرکت دارد.
RNA از روی DNA ساخته می شود.
ساخته شدن RNA از روی DNA را رونویسی می گویند(شکل ۲ــ۱).رونویسی اولین قدم برای ساختن پروتئین هاست. رونویسی با کمک آنزیم RNA پلی مراز انجام می شود.
سلول های پروکاریوتی فقط یک نوع آنزیم RNA پلی مراز دارند. در سلول های یو کاریوتی سه نوع آنزیم RNA پلی مراز یافت شده است که آن ها را با علامت های I، II و III مشخص می کنند.
RNA پلی مراز I فقط رونویسی ژن های rRNA و RNA پلی مراز II رونویسی پیش سازهای mRNA ها و نیز برخی از RNA های کوچک را انجام مـی دهند. RNA پلی مراز III رونویسـی ژن هـای tRNA و نـیـز بعضی دیگر از RNA های کوچک را کاتالیز می کند. شکل۳ــ۱ مراحل رونویسی را به طور خلاصه نشان مـیدهد.
مرحله ی ۱: رونویسی با اتصال RNA پلی مراز به قسمتی از ژن به نام راه انداز ژن شروع می شــود. راه انداز قسمتی از DNA است که به RNA پلی مراز مکان می دهد رونویسی را از محل صحیح آغاز کند و مثلاً
این کار را از وسط ژن شروع نکند. راه انداز در نزدیکی جایگاه آغاز رونویسی قراردارد.جایگاه آغاز رونویسی به
اولین نوکلئونیدی از DNA گفته می شود مه رونویسی می شود.

مرحله ی ۲: RNA پلی مراز دو رشته ی DNA را از یک دیگر باز می کند.
مرحله ی ۳: RNAپلی مراز همچون قطاری که روی ریل حرکت می کند، در طول نوکلئوتیدهایDNA به حرکت در می آید و در مقابل هر یک از دئوکسی ریبونوکلـئوتیدهای DNA، ریبونوکلئوتید مکمل را قرارمی دهد و به علاوه هر ریبونوکلـئـوتید جدیـد را به ریبونوکلـئـوتید قبلی وصل می کند. در رونویسی نیر از همان قوانین جفت شدن باز ها که در همانند سازی DNA به کار می رود استفاده می شود.تنها تفاوت این است که در مقـا بـل دئوکسـی نوکلئوتید A (آدنین دار) در DNA، خته شده، پس از رونویسی جایگاه پایان رونویسی، از یک دیگر جدا می شوند و مولکـول mRNA برای مرحله ی بعدی یعنی ترجمه، آزاد می شود.
چنان کـه مشاهـده می شـود رونویسـی نـیز، مانند همانند سازی DNA از نوکلئوتید ها به عنوان الـگـو بـرای ساختن یک مولکول جدید، بهره می برد.البته در همـا نند سـازی DNA مولکول جـدیـدی که ساخته می شود، DNA است؛ در حالی که در رونویسی مولکول ساخته شده از جنس RNA است. تفاوت دیگر این است که در همانند سازی DNA هردو رشته، به عنوان الگو عمل می کنند، در صورتی که در رونویسی یکی از دورشته ی DNAبه عنوان الگو عمل می کند.
همان گونه که در شکل ۴ــ۱ نشان داده شده است، RNA های ساخته شده از روی ژن، ساختار پرمانندی را
به نما یش می گذارند. در این شکل خط افقی میانی، DNA ای است که از روی آن رونـیـسی در حـا ل انـجـام است. رشته های منشعب، RNAهایی هستند که در حال ساخته شدن اند.
بیشتر بدانید: اگررونویسی از رو هر دو رشته ی DNA انجام شود چه روی می دهد؟بدیهی است در این صورت دو نوع mRNA برای ساخته شدن دو نوع پلی پپتید مختلف به وجود می آید، یعنی ممکن است دو نوع پلـی پـپـتید به طور همزمان ساخته شود.
مطابق نظریه ی یک ژن ــ یک پلی پپتید، این امر به وقوع نمـی پیوندد، بلـکـه هر ژن فقـط ساختـه شدن یک نوع پلی پپتید را تنظیم می کند. به عبارت دیگر فقط یکی از دو رشته ی DNA الگوی رونویسی قرارمی گیرد.

پژوهش ها نشان داده است که در بغضی مناطق DNA، رونویسی از روی یکی از رشته ها صورت
می گیرد، در حالی که در منطقه ای دیگر از همان DNA ممکن است رشته ی دیگر الگوی رونویسی قرار گیرد؛ اما معمولاً در یک منطقه از DNA هر دو رشته ای که از یکدیگر فاصله گرفته اند، رونویسی نمی شوند.
رمز DNA پگونه شناخته می شود؟
نیرنبرگ و همکاران او اولین گروهی بودند که موفق به کشف رمز DNA شدند. آن ها ا

ز mRNA برای شناسایی رمز DNA استفاده کردند.
آنان انواع خاصی از مولکول های mRNA را ساختند. در لوله ی آزمایشی که آمینو اسید ها و تعدادی آنزیم وجود داشته باشد، mRNA می تواند زنجیره ای از آمینو اسید ها را بسازد. هر نوع mRNA با پیام رمزی که دارد باعث تولید نوع خاصی رشته ی پلی پپتیدی می شود. حال در صورتی که نوع mRNA و رشته ی پلی پپتیدی که ساخته شده است مشخص باشد، پیامmRNA معلوم می شود. نیرنبرگ و همکاران او براین اساس رشته ایmRNA

ساختند که فقط نوکلئوتید یوراسیل دار (U) داشت.مولکول RNA ساخته شده را در لوله ی آزمایشی فرار دادند که دارای ۲۰ نوع آمینو اسید ومایع استخراج شده ازسیتوپلاسم سلولی بود. تجزیه ی رشته ی پلی پپتیدی ساخته شده، نشان داد که از این ۲۰ نوع آمینو اسید فقط یک نوع آمینو اسید به نام فنیل آلانین در این رشته به کار رفته است. با توجه به اینکه از قبل به وسیله ی آزمایش هایی مشخص شده بود که رمز های DNA و در نتیجه رمز های RNA سه نوکلئوتیدی هستند، بنابراین نتیجه گرفته شد که UUU، رمز قرار گرفتن آمینو اسد فنیل آلانین در یک رشته ی پلی پپتیدی است.
در فرآیند ترجمه، از روی mRNA پروتئوین ساخته می شود.
در فرآیند ترجمه، توالی نوکلئوتیدها در mRNA به توالی آمینو اسیدها در پروتئین ترجمه می شود. در این فرآیند، در واقع زبان نوکلئیک اسیدی که با حروف نوکلئوتیدی است به زبان پروتئین که با حروف آمینواسیدی است،
ترجمه می شود.
پروتئین سازی در ریبوزوم ها انجام میشود. بنابراین باید آمینو اسید ها به ریبوزوم ها آورده شوند.tRNAها آمینو اسید ها را به ریبوزوم ها می آورند. ساختار tRNA در شکل ۵ــ۱ نشان داده شده است.همانطور که می بینید، مولکول tRNA ساختاری شبیه برگ گیاه شبدر دارد. از این رو به چنین ساختاری برگ شبدری گفته می شود.دقت کنید که مولکول tRNA تک رشته ای است و بخش های دو رشته ای موجود در شکل، در نتیجه ی تاخوردگی های مولکول tRNA روی خود

حاصل شده اند. در برگ میانی، سه باز می بینید که با هیچ باز دیگری در tRNA جفت نشده اند. این سه باز را آنتی کدون می نامند. آنتی کدون تعیین می کند که tRNA چه آمینو اسیدی را باید حمل کند. باری هر یک از ۲۰ آمینو اسید، حد اقل یک نوع tRNA وجود دارد. در آن سوی مولکول tRNA جایگاه پذیرنده آمینو اسید قرار دارد. آمینو اسید، در این جایگاه به tRNA ویژه خود متصل می شود.

رمز های موجود در RNA چگونه خوانده می شوند؟ هر آنتی کدون در tRNA، مکمل یکی از کدون های
mRNA است.مثلاً tRNA ای که آنتی کدون GGA را دارد به کدون CCU متصل می شود و ناقل لوسین است. به این ترتیب، رمز CCU به لوسین ترجمه می شود.
ترجمه : فرآیند ترجمه را می توان در سه مرحله ی آغاز، ادامه و پایان بررسی کرد. توجه داشته باشید که فرآیند پروتئین سازی همانند دیگر فرآیند های سنتزی درون سلول، نیازمند آنزیم و انرژی است.

مرحله آغاز : بخش کوچکتر ریبوزوم در مجاورت کدون آغاز به mRNA متصل می شود.کدون آغاز، AUG است و متیونین را رمز می کند. اولین tRNA که tRNA آغاز گر نام دارد، با کدون آغاز رابطه ی مکملی آغازمی کند. سپس بخش بزرگ ریبوزوم به بخش کوچک می پیوندد و ساختار ریبوزوم برای ترجمه کامل می شود.
هر ریبوزوم دو جایگاه دارد: یکی جایگاه P (برای پلی پپتید در حال ساخت) و دیگری جایگاه A (برای آمینو اسید).در مرحله ی آغاز،tRNA آغاز گر، که ناقل متیونین اس

ت، به جایگاه P وارد می شود و در آنجا با کدون آغاز رابطه ی مکملی برقرار می کند(شکل ۶ــ۱).
مرحله ی ادامه : با ورد tRNA حامل دومین آمینو اسید به جایگاه A، مرحله ادمه شروع می شود. در این مرحله، آمینو اسید موجود در جایگاه P از tRNA جدا می شود و با آمینو اسید موجود درجایگاه A پیوند پپتیدی بر قرار می کند.به این ترتیب tRNA موجود در جایگاه P، دیگر آمینو اسیدی نخواهد داشت و باید ریبوزوم را ترک کند. در این هنگام، جابجایی رخ می دهد و ریبوزوم به اندازه ی

یک کدون در طول mRNA به پیش می رود. در حین این جابجایی، tRNA موجود در جایگاه P،ریبوزوم را ترک می کند، tRNA موجود در جایگاه A همراه با پلی پپتیدی که حمل می کند، به جایگاه P منتقل می شود. در نتیجه جایگاه A که سومین کدون در آن قرار دارد، خالی می شود و آمادگی پذیرش tRNA حامل آمینو اسید سوم را کسب می کند. با ورود tRNA حامل سومین آمینواسید به جایگاه A، چرخه ی فوق دوباره تکرار می شود(۷ــ۱).

مرحله ی پایان ترجمه:وقتی یکی از کدون های پایا درون جایگاه Aقرار گیرد، ترجمه پایان می پذیرد.
چون هیچ tRNA ای برای کدون های پایان وجود ندارد. در این حالت دو بخش ریبوزوم، mRNA و پروتئین ساخته شده از یکدیگر جدا می شوند(۸ــ۱).
تفکر نقادانه
فرضیه ای در زیست شناسی وجود دارد مبنی بر این جهت که ((جهت جریان اطلاعات ژنی در سلول ها همیشه یک طرفه و از DNA به سوی پروتئین هاست.)) این جریان هرگز در جهت مخالف بر قرار نمی شود. با توجه به شکل های ۶ــ۱ ، ۷ــ۱ و ۸ــ۱؛ در گروه های ۲ یا ۳ این فرضیه را مورد بحث قرار دهید و خلاصه ی مذاکرات خود را دی کلاس مطرح کنید.
ژن های یوکاریوتی، گسسته اند.
در یوکاریوت ها، RNA ای که مستقیماً در نتیجه ی فعالیت RNA پلی مراز حاصل می شود، mRNA اولیه نام دارد. این RNA پس از تغییراتی مه متحمل می شود، به mRNA بالغ تبدیل و برای ترجمه به سیتوپلاسم فرستاده می شود. یکی از تغییرات در اغلب RNA های یوکاریوتی کوتاه شدن مولکول RNA است.

در mRNA اولیه مناطقی وجود دارد که در RNA بالغ وجود ندارد و بنابراین ترجمه نمی شوند. مناطقی از DNA که رو نوشت آن ها در mRNA بالغ باقی می ماند، اگزون و مناطقی که رونوشت آن ها حذف می شود، انترون نامیده می شوند. در نتیجه ی حذف رو نوشت انترون ها، mRNA بالغ نسبت به mRNA اولیه کوتاه تر میشود. به این گونه ژن ها ژن های گسسته می گویند.
فعالیت
آزمایش سریع
چگونه می توانید انترون ها و اگزون ها را نمایش دهید؟
مواد اولیه :
نوار کاغذی به طول ۱۵ تا ۲۰ سانتی متر، خودکار قرمز و خودکار آبی،خط کش و قیچی
روش کار
۱ــ نوار را روی میز قرار دهید.این نوار نماینده ی یک ژن است.
۲ــ حروف م ن پ ت ل خ ر غ د و ا ز ت ص ر ئـ ط ق ی ش ن ا ر را شبیه شکل زیر با دو رنگ روی نوار ، بنویسید و فواصل بین حروف را به گونه ای رعایت کنید که نوار همه ی حروف را در بر گیرد. حرو فی که با رنگ آبی نوشته اید، نماینده ی اینترون ها و حروف دیگر با رنگ دوم نشانه ی اگزون هاست.
۳ــ نوار را بردارید و از راست به چپ حروف هم رنگ را قیچی کنید و در دو گروه بچسبانید و با این کار دو نوار هم رنگ ایجاد می شود که یکی مبین اینترون ها و دیگری مبین اگزون هاست.کدام یک برای شما معنی دار تر است؟
پیش بینی کنید : در صورتی که یک اینترون جدا نشود چه اتفاقی در پروتئین حاصل رخ می دهد.
فعالیت
رمز گشایی ماده ی وراثتی
کراتین یکی از پروتئین های موست. ژن این پروتئین در سلول های خاصی از پوست بیان می شود.در شکل زیر حروف بخشی از نوکلئوتید های مولکول mRNA مربوط به ژن کراتین نوشته شده است. با کمک این رشته ی mRNA و نیز با استفاده از جد ول کدون های RNA بعضی از آمینو اسید ها ی کراتین را پیدا کنید. جهت ترجمه را از چب به راست شکل در نظر بگیرید.
۱ــ آمینو اسید های مربوطه را تعیین کنید.
۲ــ آنتی کدون های tRNA هایی که با این کدون ها پیوند برقرار کرده اند،تعیین کنید.
۳ــ ردیف DNA ای را که این mRNA از روی آن رونویسی شده است،تعیین کنید.
۴ــ رشته ی مکمل این DNA را مشخص کنید.
بیشتر بدانید

یکی از سمومی که در قارچ کشنده ی آمانیتا فالوئیدز وجود دارد و آمانیتین نامیده می شود، یکی از RNA پلی مراز ها را مهار می کند و از ساخته شدن RNA و به دنبال آن از پروتئین سازی جلوگیری می کند. این اختلال ممکن است باعث مرگ شود.

خود آزمایی
۱ــ رابطه ی بین DNA و آنزیم ها را شرح دهید.
۲ــ آزمایش های بیدل و تیتوم و نتایج آنها را شرح دهید.
۳ــ چرا نظریه ی یک ژن ــ یک آنزیم به یک ژن ــ ِک پلی پپتید تغییر یافت؟
۴ــچرا ممکن نیست رمز های وراثتی کمتر از سه حرف داشته باشند؟
۵ــ پژوهش های گروه نیرنبرگ و حاصل کار این گروه را شرح دهید.
۶ــ چه اطلاعات دیگری به جز رمز مربوط به آمینو اسید ها روی رمز های وراثتی DNA وجد دارد؟
۷ــ نقش آنزیم RNA پلی مراز را در رونویسی شرح دهید.
۸ــ مراحل رونویسی را شرح دهید.
۹ــ نقش راه اندازی در رونویسی چیست؟
۱۰ــ ساختار tRNA را متناسب با کاری که انجام می دهد شرح دهید.
۱۱ــ گسستگی ژن های یوکاریوتی را تو ضیح دهید.
تنظیم بیان ژن
سلول ها از همه ی ژن های خود به طور همزمان استفاده نمی کنند. مثلاً باکتری اشریشیا کلای می تواند در غیاب گلوکز از لاکتوز هم به عنوان منبع انرژی استفاده کند. این باکتری در دستگاه گوارش ما زندگی می کند. وقتی یک محصول لبنی می خوریم، دی ساکارید لاکتوز (قند شیر)، در دسترس باکتری ا. کلای قرار می گیرد. در این هنگام، این باکتری با ساختن آنزیم های لازم که برای جذب و تجزیه لاکتوز لازم است، از این قند به عنوان منبع انرژی استفاده می کند.توجه داشته باشید که وقتی لاکتوز در اختیار باکتری نباشد دیگر لزومی به ساختن آنزیم های جذب و تجزیه کننده آن نیست و بنابراین از ژن های این آنزیم ها استفاده ای نمی شود. وقتی یک ژن مورد استفاده قرار می گیرد، می گویند آن ژن بیان شده و به اصطلاح روشن است.وقتی ژن مورد استفاده قرار نمی گیرد،میگویند آن ژن خاموش است.این که در یک زمان مشخص کدام ژن ها روشن و کدام ژن ها خاموش باشند، به تنظیم بیان ژن معروف است.

در یوکاریوت ها نیز می توان مثال های متعددی از تنظیم بیان ژن مطرح کرد. تنظیم بیان ژن علاوه بر پاسخ به تغییر شرایط محیط، مثل در دسترس بودن یا نیودن یک منبع غذایی در نمو جاندار نقش مهمی دارد. توجه داشته باشید که بدن ما از صد ها نوع سلول مختلف ساخته شده است که همگی حاصل تقسیم میتوز یک سلول اولیه ی ــ زیگوت ــ هستند.بنابراین ماده ی ژنتیک همه آن

ها یکسان است. اگر ماده ی ژنتیک سلول های عصبی، پوششی، ماهیچه ای و… بدن یکسان است، پس چرا شکل و کار این سلول ها با یکدیگر این قدر متفاوت است؟ پاسخ این است که در هر نوع سلول فقط بعضی از ژن ها بیان می شوند. مثلاً هموگلوبین که نقش انتقال گاز های تنفسی در گلبولهای قرمز را بر عهده دارد در این سلول ها ساخته می شودو ژن آن در سلول های عصبیِ یا پوششی که نیازی به آن ندارند خاموش است. بنابراین سلول هایی که شکل و کار

متفاوتی دارند پروتئین های مختلفی دارند. در واقع آنچه که فنوتیپ را معلوم می کند.نوع پروتئین هاست.
تنظیم بیان ژن ها در پروکاریوت ها بر عهده ی اپران هاست.
در پروکاریوت ها تنظیم بیان ژن عمدتاً هنگام رونویسی انجام می شود، یعنی اگر نیازی به محصول ژن نباشد، از آن ژن رونویسی صورت نمی گیرد. چگونه می توان از رونویسی یک ژن جلوگیری کرد؟ به یاد بیاورید که RNA پلی مراز به قسمتی از DNA که راه انداز نام داردمتصل و همانند قطاری که روی ریل حرکت می کند رونویسی را انجام می دهد. بدهی است اگر سدی بر سر راه RNA پلی مراز قرار بگیرد که مانع حرکت آن روی ژن شود آن ژن رونویسی نخواهد شد. این سد ها در واقع پروتئین های بزرگی هستند به نام مهار کننده که به توالی های مخصوصی از DNA به نام اپراتور

متصل می شوند.اپراتور مجاور راه انداز قرار دارد وبنابراین وقتی پروتئین مهار کننده به توالی اپراتور متصل می شود سدی پدید می آید که جلوی حزکت RNA پلی مراز را می گیرد و به این ترتیب ژن را خاموش می کند.رمز های پروتئین مهار کننده روی ژنی به نام ژن تنظیم کننده قرار دارد.
بیایید دوباره به مثال متابولیسم لاکتوز باکتری ا.کلای توجه کنیم.این باکتری برای آنکه بتواند از لاکتوز استفاده کند به سه آنزیم نیاز دارد. ژن های این سه آنزیم در شکل ۹ــ۱ با شماره های ۱، ۲ و ۳ نشان داده شده اند. دانشمندان دریافتند که وقتی لاکتوز در محیط نیست غلظت هر سه آنزیم اندک است، اما پس از حضور لاکتوز در محیط غلظت هر سه آنزیم یاد شده هماهنگ با هم افزایش می یابند

در سال ۱۹۶۱ دو دانشمند فرانسوی ژاکوب و مونو برای توضیح نحوه ی بیان هماهنگ ژن ها در باکتری، مدل اپران را پیشنهاد کردند. هر اپران از یک ژن یا چند ژن ساختاری و بخش تنظیم کننده ساخته شده است. منظور از ژن ساختاری قسمتی از DNA است که از روی RNA ساخته می شود. بخش تنظیم کننده بیان همزمان ژن ها را کنترل می کند. برای درک بهتر مطلب، دوباره به متابولیسم لاکتوز بر می گردیم.
اپرانی که متابولیسم لاکتوز را تنظیم می کند، اپران لک نام دارد. اپران لک از سه ژن ساختاری به نام های ژن های ۱، ۲و ۳ (در شکل ۹ ــ ۱)، اپراتور و راه انداز ساخته شده است. اپراتور و راه انداز بخش تنظیم کننده ی ژن را تشکیل می دهند. دقت کنید که هر سه ژن ۱، ۲ و۳ تحت کنترل یک بخش تنظیم کننده هستند و همگی یک راه انداز دارند. بنابراین از روی هر سه ژن یک mRNA ساخته می شود. به این نوع mRNA، mRNA چند ژنی گفته می شود. اگر اپران فقط از یک ژن ساختاری تشکیل شده باشد آنگاه mRNA حاصل تک ژنی خواهد بود.
چه چیزی روشن و خاموش کننده ی اپران لک است؟ وقتی لاکتوز در محیط نیست، مهار کننده به اپراتور متصل و بنابراین اپران خاموش است. اما وقتی لاکتوز در محیط باشد درون باکتری به آلولاکتوز تبدیل می شود. آلولاکتوز به مهار کننده متصل می شود و تغییراتی در شکل آن پدید می آورد. بر اثر این تغییر شکل مهار کننده دیگر نمی تواند به اپراتور متصل شود و بنابراین اپران روشن است. آلولاکتوز را عامل تنظیم کننده و مهار کننده را پروتئین تنظیم کننده می نامند.

تنظیم بیان ژن در یوکاریوت ها پیچیده تر است.
سلول های یوکاریوتی در مقایسه با سلول های پرو کاریوتی از DNA بیشتری بر خوردارند و همانند آن ها در پاسخ به تحریکات محیطی بعضی ژن ها خود را روشن و بعضی دیگر را خاموش می کنند. اپران ها در سلول های یوکاریتی وجود ندارند.
در سلول های یوکاریوتی به دلیل وجود غشای هسته پدیده رونویسی از پدیده ترجمه جداست ودر نتیجه فرصت بیشتری برای تنظیم بیان ژن وجود دارد.
غالباً تنظیم بیان ژن در یوکاریوت ها هنگام شروع رونویسی است. در یوکاریوت ها بر خلاف پروکاریوت ها آنزیم RNA پلی مراز به تنهایی نمی تواند راه انداز را شناسایی کند. شناسایی راه انداز به کمک پروتئین های مخصوصی به نام عوامل رونویسی صورت می گیرد. عوامل رونویسی متعددند و ترکیب های مختلفی از آن ها ایجاد می شوند. این ترکیب ها نقش های مختلفی را در تنظیم بیان ژن دارند.

گروهی از عوامل رونویسی به راه انداز متصل می شوند و بعد آنزیم RNA پلی مراز به آن ها می پیوندد. در یوکاریوت ها علاوه بر راه انداز معمولاً توالی های دیگری از DNA نیز در رونویسی دخالت دارد که عوامل رونویسی به آن ها نیز متصل می شوند. افزاینده بخشی از مولکول DNA است که به کمک عوامل رونویسی متصل به آن عمل رونویسی را تقویت می کند. افزاینده بر خلاف راه انداز ممکن است هزاران نوکلئوتید از ژن فاصله داشته باشد. در این صورت این پرسش مطرح می شود که افزاینده چگونه اثر خود را بر ژن اعمال می کند؟
افزاینده و عوامل رونیسی متصل به آن (موسوم به فعال کننده) با تشکیل یک حلقه در DNA در کنار RNA پلی مراز و سایر عوامل رونویسی روی راه انداز قرار می گیرند. با قرار گرفتن کلیه ی این عوامل در کنار هم عوامل رونویسی که به توالی افزاینده متصل هستند می توانند عوامل رونویسی متصل به راه انداز را فعال کنند(شکل ۱۰ ــ ۱).

فعالیت
جدولی برای سازماندهی اطلاعات مربوط به تنظیم ژن و پروتئین سازی تهیه کنید. در بالای جدول اختصاصات مهم پروکاریوت ها و یو کاریوت ها را بنویسید و در کنار جدول پروتئین هایی را بنویسید که در تنظیم ژن ها دخالت دارند.
جهش ها پروتئین های غیر طبیعی ایجاد می کنند.

تغییر در در اطلاعات ژنتیک موجود زنده، نادر، اما انجام شدنی است. هر گونه تغییر در ساختار DNA را جهش می نامند. جهشی که در سلول های جنسی افراد روی می دهد ممکن است به زاده ها منتقل شود؛ اما جهش در سلول های بدنی فقط خود فرد را که در او جهش رخ داده است متاثر می کند. جهش هایی که یک یا چند نوکلئوتید ژن را روی یک کروموزوم تغییر می دهد به جهش های نقطه ای موسوم اند. به طور عمده دو نوع جهش نقطه ای وجود دارد. در نوع اول یک نوکلئوتید یک ژن با نوکلئوتید نوع دیگری عوض می شود به چنین جهشی که از نوع نقطه ای است جانشینی گفته می شود(شکل ۱۱ ــ ۱).

در جهش های نقطه ای نوع دوم ممکن است، افزایش، یا کاهش یک یا کاهش یک یا چند نوکلئوتید ژن رخ دهد. چون پیام ژنتیکی به شکل نوکلئوتید های سه حرفی خوانده می شود، افزایش، یا کاهش نوکلئوتید ها رمز سه حرفی ها به هم می ریزد. تصور کنید از جمله :
ا ی ن م ر د ر ف ت حرف م حذف شود. در این صورت این جمله حفظ کلمات سه حرفی به این شکل: ا ی ن ر د ر ف ت خوانده می شود که بی معناست. چنین جهشی که باعث اشتباه خوانده شدن حروف سه نوکلئوتیدی، به جهش تغییر چهار چوب معروف است.زیرا طی آن چهار چوب الگوی خواندن در یک یا دو موضع جابجا می شود.

به طور کلی جهش های نقطه ای ممکن است باعث شوند که پروتئین مورد نظر ساخته نشود، یا پروتئین ساخته شود که ترتیب، تعداد یا نوع آمینو اسید های آن مسبت به پروتئینی که قبل از جهش ساخته می شده، متفاوت و در نتیجه عملکرد آن نیز متفاوت باشد. گاهی جانشینی ها در بیان ژن تاثیر ندارند.
خود آزمایی
۱ ــ اثر یک مهار کننده را بر اپران لک به هنگام حضور لاکتوز بنویسید.
۲ ــ اثر عوامل رونویسی و افزاینده ها را در بیان ژن های یوکاریوتی تشریح کنید.
۳ ــ تفاوت اگزون و اینترون را توضیح دهید.
۴ ــ توضیح دهید کدام یک از انواع جهش ها اثر شدید تری روی ترتیب آمینو اسید های یک پروتئین خواهد داشت: جهشی از نوع جانشینی و یا از نوع تغییر چهار چوب.
فعالیت
چگونه می توان ساخته شدن پروتئین را مدل سازی کرد.

اهداف
• تفاوت و شباهت های ساختاری و عملکردی DNA و RNA را نشان دهید.
• مدلی برای ساخنه شدن پروتئین بنویسید.
• نشان دهید چگونه یک جهش پروتئین را تغییر می دهد.
مواد لازم
• نوار چسب
• نی پلاستیکی
• گیره کاغذ
• سوزن ته گرد در ۵ رنگ مختلف
• مداد رنگی در ۵ رنگ مختلف
• کاغذ یادداشت
• کاغذ به شکل بیضی
• کاغذ شفافپ
می دانید که ماهیت هر پروتئین بستگی به آمینو اسید های تشکیل دهنده ی آن دارد. طی پروتئین سازی
ردیف نوکلئوتید های mRNA تعیین کننده ی ماهیت آمینو اسید های تشکیل دهنده ی یک پروتئین است.
جهش تغییر در نوکلئوتید های DNA است. بسیاری از جهش ها موجب ایجاد پروتئین های تغییر یافته یا ناقص می شوند. در ایجاد مدلی برای درک بیشتر پروتئین سازی، خواهید ساخت. از این مدل برای بررسی چگونگی تاثیر جهش روی پروتئین ها نیز می توان استفاده کرد.
۱ــ در مورد پروتئین، سنتز پروتئین، mRNA ، آمینو اسید ها، جهش، کم خونی ناشی از گلبول های قرمز داسی شکل، هموگلوبین، رونویسی، ترجمه، tRNA ، ریبوزوم، کدون و آنتی کدون توضیح دهید.
۲ــ سه تفاوت DNA و RNA را شرح دهید.
روش کار

الف: طرح یک مدل

۱ــ مدلی برای DNA و RNAیک سلول بسازید.
قبل از مدل سازی سعی کنید به سوالات زیر پاسخ دهید:
الف ــ چه سوالی را پاسخ می دهید؟
ب ــ چگونه نوکلئوتید های DNA را نشان می دهید؟
ج ــ چگونه نوکلئوتید های RNA را نشان می دهید؟
د ــ چگونه ۵ باز نیتروژن دار را نشان می دهید؟
هـ ــ چگونه نوکلئوتید ها را به هم متصل می کنید؟
و ــ چگ.نه ارتباط tRNA را با آمینو اسید نشان می دهید؟
ز ــ چگونه محل DNA و ریبوزوم ها را نشان می دهید؟

۲ ــ طرح خود را بنویسید و نظر موافق معلم خود را قبل از ساختن مدل بکیرید.
۳ ــ مدل DNA را بسازید و شروع آن را با باز های زیر آغاز کنید.
TTTGGTCTCCTC
(2) تکنولوژی زیستی
مهندسی ژنتیک
تا چندی پیش، فکر استفاده باکتری ها برای تولید انسلین امسامی و وارد کردن ژن به سلول های گوجه فرنگی و انسان فقط در فیلم ها و کتاب های علمی ــ تخیلی یا فت می شد؛ اما اکنون روش های لازم برای تحقق این اندیشه ها به وجود آمده، توسعه یافته و کاربرد روزانه پیدا کرده است.
در سال ۱۹۷۳ دو فرد به نام های استانلی کوهن و هربرت بایر آزمایشی طراحی و اجرا کردند که به این اندیشه ها جامعه ی عمل پوشاند و پزوهش های ژنتیک را متحول کرد. آنان ژن رمز کننده ی RNA ریبوزومی (rRNA) را از DNA نوعی قورباغه ی آفریقایی استخراج و به DNA باکتری اشریشیا کلای وارد کردند(شکل ۱ــ۲).

 

باکتری هگام رونویسی، rRNA قورباغه را نیز می سازد؛ باکتری اشریشیا کلای اولین جانداری است که با روش های مهندسی ژنتیک تغییر پیدا کرد و به اصطلاح تحت دست ورزی قرار گرفت. فرآیند دست ورزی در ژن ها مهندسی ژنتیک نامیده می شود.

در مهندسی ژنتیک اهداف مختلفی دنبال می شود. اما یکی از مهمترین آن ها تولید ژن یا فرآورده ی آن به مقدار انبوه است. برای تولید ژن به مقدار انبوه مهندسان ژنتیک ژن مورد نظر را از میان انبوه ژن های جاندار جدا و بعد آن را به جاندار ساده ای مثل باکتری ــ که تولید مثل سریع دارد ــ وارد

می کنند. به این ترتیب ژن مورد نظر در باکتری همانند سازی می کند و در نتیجه ی همانند سازی های پی در پی مقدار آن زیاد می شود. برای بریدن DNA از آنزیم هایی به نام آنزیم های محدود کننده استفاده می کنند که به آن ها آشنا خواهید شد. آنان سپس به وسیله نیاز دارند که ژن مورد نظر به درون باکتری حمل کند.(شکل ۲ ــ ۲)

روش ها و ابزار های مهندسی ژنتیک

 

وکتور ها: بعد از آنکه ژن مورد نظر را از ژنوم جدا کردیم به وسیله ای نیاز داریم که آن را به درون سلول باکتری هدایت کند. این وسیله را حامل یا وکتور می نامند. از معمول ترین وکتور ها، پلازمید ها و ویروس ها را می توان نام برد.