دی ان ای چگونه کار می‌کند؟ با راز و رمزهای این شگفت انگیز کوچک آشنا شوید!

دئوکسی ریبو نوکلئیک اسید (دی ان ای) مولکول اصلی هر سلول است. این مولکول حاوی اطلاعات مهمی است که از نسلی به نسل بعد منقل می‌شود. دی ان ای تولید خودش و سایر مولکول‌ها (پروتئین) را هماهنگ سازی می‌کند. با کمی تغییر دی ان ای، ممکن است شاهد عواقبی مهم و جدی باشیم. اگر دی ان ای تخریب شود، سلول هم از بین می‌رود.

تغییر در دی ان ای سلول‌های موجودات چند سلولی منجر به ایجاد تغییراتی در خصوصیات آنها می‌شود. با گذشت زمان، پدیده انتخاب طبیعی روی این تغییرات کار می‌کند تا باعث تکامل یا تحول گونه‌ها شود.

وجود یا عدم وجود دی ان ای فرد مظنون در صحنه جرم می‌تواند سرنوشت او و حکم دادگاه درباره مقصر یا بی گناه بودن وی را رقم بزند. دی ان ای به قدری اهمیت دارد که دولت آمریکا هزینه بسیار هنگفتی را صرف مشخص کردن توالی دی ان ای در ژنوم افراد می‌کند تا سرنخ‌هایی برای درمان انواع بیماری‌های ژنتیکی پیدا کند. در نهایت، می‌توانیم از طریق دی ان ای یک سلول، یک حیوان، گیاه یا شاید حتی انسان را تکثیر کنیم.

اما دی ان چیست؟ چطور می‌توان آن را پیدا کرد؟ چه چیزی باعث شده دی ان ای تا این حد خاص باشد؟ دی ان ای چطور کار می‌کند؟ سعی داریم در این مطلب نگاهی دقیق به ساختار دی ان ای بیندازیم و به شما توضیح دهیم که چطور دی ان ای تشکیل شده و خصوصیات شما را تعیین می‌کند. اول از همه به بررسی نحوه اکتشاف دی ان ای می‌پردازیم.

دی ان ای عضو یک کلاس از مولکول‌ها به اسم نوکلئیک اسید است. نوکلئیک اسیدها اولین بار در سال 1868 توسط فردریش میشر اکتشاف شدند که دی ان ای را از سلول‌های ترشحات چرکی روی یک بانداژ جدا کرد. گرچه میشر گمان می‌کرد که ممکن است نوکلئیک اسیدها حاوی اطلاعات ژنتیکی باشند اما نتوانست این مسئله را اثبات کند.

در سال 1943، اسوالد ایوری و همکارانش در دانشگاه راکفلر نشان دادند که دی ان ای به دست آمده از یک باکتری به اسم استرپتوکوک پنومونیه می‌تواند باکتری‌های غیرآلوده را آلوده کند. این نتایج نشان می‌داد که دی ان ای مولکولی حاوی اطلاعات است. نقش اطلاعاتی دی ان ای بعدها در سال 1952 مورد تأیید قرار گرفت یعنی زمانی که آلفرد هرشی و مارتا چیس نشان دادند که برای تولید ویروس‌های جدید، یک دی ان ای آلوده به باکتریوفاژ (Bacteriophage) به سلول میزبان تزریق می‌شود نه پروتئین.

در نتیجه تا مدتها دانشمندان نظریه‌هایی درباره نقش اطلاعاتی دی ان ای ارائه می‌دادند اما هیچکس باخبر نبود که این اطلاعات به نوعی کدگذاری شده و منتقل می‌شوند. خیلی از دانشمندان حدس می‌زدنند که ساختار مولکول در اجرای این فرایند اهمیت دارد. در سال 1953 جیمز دی واتسون و فرانسیس کریک در دانشگاه کمبریج ساختار دی ان ای را کشف کردند. جیمز واتسون در کتابش با نام “مارپیچ دوتایی” این داستان را توضیح داده که در فیلمی به اسم “رقابت برای مارپیچ دوتایی” هم این داستان بازگو شد. واتسون و کریک در اصل از تکنیک‌های مدل سازی مولکولی سایر محققان برای حل کردن معمای ساختار دی ان ای استفاده کردند. واتسون، کریک و ویلکینزبرای اکتشاف ساختار دی ان ای جایزه نوبل پزشکی را دریافت کردند (فرانکلین که همکار ویلکینز بود و اطلاعات مهمی را برای اکتشاف ساختار دی ان ای در اختیار واتسون و کریک قرار داده بود، پیش از برگزاری این رویداد درگذشت).

ساختار دی ان ای

دی ان ای یک نوکلئیک اسید است. نوکلئیک اسیدها یک نوع مولکول حاوی اطلاعات هستند (ریبونوکلئیک اسید یا آر ان ای هم یکی دیگر از انواع نوکلئیک اسیدها است). دی ان ای در تک تک هسته‌های سلول انسان وجود دارد. اطلاعات موجود در دی ان ای:

• (به همراه آر ان ای) سلول را در فرایند تولید پروتئین‌های جدید که خصوصیات بیولوژیک ما را تعیین می‌کنند، راهنمایی می‌کند.
• از نسلی به نسل دیگر منتقل (کپی) می‌شود.

کلید کار همه این عملکردها در ساختار مولکولی دی ان ای وجود دارد که واتسون و کریک هم به تشریح آن پرداختند.

دی ان ای یک سلول، صرفاً یک الگو است که از چهار بخش مختلف به اسم نوکلئوتید تشکیل شده است. مجموعه ای از بلاک‌ها را تصور کنید که تنها چهار شکل ممکن دارند یا یک الفبا که فقط چهار حرف دارد. دی ان ای رشته ای طولانی از این بلاک‌ها یا حروف است. هر نوکلئوتید شامل یک قند (دئوکسی‌ریبوز) است که از یک طرف به یک گروه فسفات و از طرف دیگر به یک پایه (باز) نیتروژنی پیوند خورده است.

دو کلاس از این باز‌های نیتروژنی وجود دارد به نام‌های پورین (ساختارهایی دو حلقه ای) و پیریمیدین (ساختارهای تک حلقه ای). چهار باز‌ی الفبای دی ان ای عبارتند از:

• آدنین (A) – یک نوع پورین
• سیتوزین (C) – یک نوع پیریمیدین
• گوانین (G) – یک نوع پورین
• تیمین (T) – یک نوع پیریمیدین

رشته‌های دی ان ای از قند و فسفات نوکلئوتیدها تشکیل شده و قسمت‌های وسط آن از باز‌های نیتروژنی تشکیل شده است. باز‌های نیتروژنی روی دو رشته دی ان ای با هم جفت می‌شوند، پورین با پیریمیدین (A با T و G با C) و با اتصالات هیدروژنی ضعیف به هم پیوند می‌خورند.

واتسون و کریک کشف کردند که دی ان ای دو سمت یا رشته دارد و این رشته‌ها مثل یک پلکان پیچ خورده به هم متصل شده اند – که به آن مارپیچ دوتایی گفته می‌شود. دو سمت این پلکان اجزای قند – فسفاتی نوکلئوتیدهایی را تشکیل می‌دهند که به هم پیوند خورده اند. فسفات یکی از نوکلئوتیدها با قند، نوکلئوتید دیگر پیوند کووالانسی دارد (پیوندی که در آن یک یا چند الکترون بین اتم‌ها مشترک می‌شود). پیوند هیدروژنی بین فسفات‌ها باعث پیچ خوردن رشته دی ان ای می‌شود. باز‌های نیتروژنی به سمت داخل این پلکان اشاره دارند و جفت‌هایی را تشکیل می‌دهند که باز‌های آن مثل پله‌های پلکان به سمت دیگر پیوند خورده است. جفت‌های باز در دی ان ای، آدنین با تیمین و سیتوزین با گوانین هستند.

ساختار دی ان ای شبیه یک پلکان مارپیچی است. پله‌های این پلکان توسط باز‌های نیتروژنی نوکلئوتیدها تشکیل شده اند که در آن آدنین با تیمین و سیتوزین با گوانین جفت می‌شود.

در بخش بعدی مقاله، درباره این موضوع صحبت می‌کنیم که رشته‌های طولانی دی ان ای چطور در یک سلول کوچک جا می‌گیرند.

پیوند هیدروژنی

پیوند هیدروژنی یک پیوند شیمیایی ضعیف است که بین اتم‌های هیدروژن و اتم‌های الکترونگاتیوی تری مثل اکسیژن، نیتروژن و فلوئور رخ می‌دهد. اتم‌های شرکت کننده در این پیوند می‌توانند متعلق به یک مولکول (نوکلئوتیدهای همجوار)  یا مولکول‌های متفاوت (نوکلئوتیدهای همجوار در رشته‌های مختلف دی ان ای) باشند. پیوندهای هیدروژنی برخلاف پیوندهای یونی و کووالانسی شامل مبادله یا به اشتراک گذاری الکترون‌ها نیستند. این ارتباط ضعیف مثل ارتباطی است که بین قطب‌های متضاد یک آهنربا وجود دارد. پیوند هیدروژنی در فواصل کوتاه تشکیل شده و به راحتی ایجاد یا شکسته می‌شود. همچنین این پیوند می‌تواند یک مولکول را تثبیت کند.

جا گرفتن داخل سلول

دی ان ای یک مولکول طویل است. مثلاً دی ان ای یک باکتری معمولی مثل اشریشیا کلی، حدود 3 هزار ژن دارد (ژن یک توالی خاص از نوکلئوتیدهای دی ان ای است که یک پروتئین را کدگذاری می‌کند و در ادامه مطلب راجع به آن صحبت خواهیم کرد). اگر این مولکول دی ان ای را بکشیم، حدود 1 میلی متر طول دارد اما باکتری اشریشیا کلی تنها 3 میکرون طول دارد (یعنی سه یک هزارم یک میلی متر) بنابراین دی ان ای برای قرار گرفتن داخل سلول به شدت در یک کروموزوم دایره ای پیچ و تاپ خورده است.

موجودات پیچیده ای مثل گیاهان و حیوانات بین 50 تا 100 هزار ژن با کروموزم‌های مختلف دارند (انسان 46 کروموزم دارد). در سلول‌های این موجودات، دی ان ای دور پروتئین‌هایی مهره مانند به اسم هیستون پیچ خورده است. هیستون‌ها هم به صورت محکم به هم پیچ خورده و کروموزم‌ها را تشکیل می‌دهند که در هسته سلول قرار دارد. وقتی سلولی تکثیر می‌شود، کروموزم‌ها (دی ان ای) هم کپی شده و روی هر سلول فرزند توزیع می‌شوند. سلول‌های غیرجنسی دو کپی از هر کروموزم دارند که آنها هم کپی می‌شوند و هر سلول دختر هر دو کپی را دریافت می‌کند (میتوز). حین فرایند تقسیم سلولی به روش میوز، سلول‌های والد دو کپی از هر کروموزم دارند که کپی شده و به صورت برابر روی چهار سلول جنسی توزیع می‌شود. سلول‌های جنسی (اسپرم و تخمک)  تنها یک کپی از هر کروموزم دارند. وقتی اسپرم و تخمک با هم ترکیب شوند، فرزند آنها دو کپی از هر کروموزم خواهد داشت.

یک باکتری اشریشیا کلی حدود 3 میکرون طول دارد اما دی ان ای حدود 300 بار طولانی تر است در نتیجه دی ان ای برای قرار گرفتن داخل آن به شدت پیچ و تاب خورده است.

در بخش بعدی طرز کار فرایند تکثیر دی ان ای را بررسی می‌کنیم.

تکثیر دی ان ای

دی ان ای حاوی اطلاعات لازم برای تولید همه پروتئین‌های سلول است. این پروتئین‌ها همه عملکردهای یک ارگانسیم زنده را پیاده سازی کرده و خصوصیات ارگانسیم را تعیین می‌کنند. وقتی سلولی تکثیر می‌شود، همه این اطلاعات را به سلول‌های دختر ارسال می‌کند.

برای اینکه سلولی قابلیت بازتولید را پیدا کند، اول باید یک کپی از دی ان ای خودش ایجاد کند. محل رخ دادن بازتولید دی ان ای بستگی به پروکاریوت یا یوکاریوت بودن آن دارد. تکثیر دی ان ای در سیتوپلاسم پروکاریوت‌ها و در هسته یوکاریوت‌ها رخ می‌دهد. صرف نظر از محل رخ دادن تکثیر دی ان ای، فرایند کلی به یک شکل است.

ساختار دی ان ای به راحتی در فرایند بازتولید آن کپی می‌شود. هر سمت از مارپیچ دوتایی در جهت مخالف (ضد موازی) حرکت می‌کند. زیبایی این ساختار از این جهت است که می‌تواند از وسط باز شود و هر سمت از آن نقش یک الگو برای سمت دیگر را بازی کند (باز تولید نیمه‌حفاظتی). اما دی ان ای به صورت کامل باز نمی‌شود بلکه فقط بخش کوچکی از آن به اسم انشعابِ بازتولید باز می‌شود.

این جزئیات را در نظر بگیرید:

1. آنزیمی به اسم دی ان ای ژیراز یک بریدگی کوچک در پلکان مارپیچی ایجاد کرده و دو طرف آن از هم باز می‌شود.
2. آنزیمی به اسم هلیکاز رشته‌های دی ان ای به هم پیچیده را از هم باز می‌کند.
3. چند پروتئین کوچک به نام‌های پروتئین‌های پیوند تک رشته ای (SSD) به صورت موقت به هر سمت از دی ان ای متصل شده و آنها را از هم جدا نگه می‌دارند.
4. آنزیمی به اسم دی ان ای پلیمراز در مسیر رشته‌های دی ان ای حرکت کرده و نوکلئوتیدهای جدیدی را به هر رشته اضافه می‌کند. هر نوکلئوتید با نوکلئوتید مکمل روی رشته موجود جفت می‌شود (A با T و G با C).
5. یک زیرواحد از دی ان ای پلیمراز، دی ان ای جدید را تصحیح می‌کند.
6. آنزیمی به اسم دی ان ای لیگاز، این اجزا را در یک رشته طولانی پیوسته ترکیب می‌کند.
7. کپی‌های جدید دوباره به صورت خودکار ایجاد می‌شوند.

سلول‌های مختلف، با سرعت متفاوت دی ان ای خودشان را تکثیر می‌کنند. بعضی از سلول‌ها به صورت پیوسته در حال تقسیم شدن هستند مثل سلول‌های مو، ناخن و مغز استخوان. بعضی دیگر از سلول‌ها چندین دور تقسیم را تجربه کرده و متوقف می‌شوند (از جمله سلول‌های خاصی که در مغز، ماهیچه و قلب قرار دارند). در نهایت تقسیم بعضی از سلول‌ها متوقف می‌شود اما ممکن است برای التیام جراحات، دوباره شروع به تقسیم کنند (مثل سلول‌های پوست و ریه). در سلول‌هایی که به صورت پیوسته تقسیم نمی‌شوند، نشانه‌های نیاز به تقسیم سلولی/ بازتولید دی ان ای از سایر مواد شیمیایی به دست می‌آیند. این مواد شیمیایی می‌توانند از سایر اجزای بدن (هورمون‌ها) یا از محیط ایجاد شوند.

رشته دوتایی دی ان ای باز شده و هر سمت از آن نقش الگویی برای ایجاد یک مولکول جدید را دارد.

مقایسه دی ان ای حیوانات و گیاهان

دی ان ای همه موجودات زنده یکسری ساختار و کد دارد هر چند بعضی از ویروس‌ها برای حمل اطلاعات به جای دی ان ای از آر ان ای استفاده می‌کنند. بیشتر حیوانات دو کپی از هر کروموزم دارند. در مقابل، گیاهان ممکن است بیشتر از دو کپی از چند کروموزم داشته باشند که معمولاً این مسئله ناشی از خطاهای صورت گرفته در توزیع کروموزم حین بازتولید سلول است. در حیوانات، این نوع خطا منجر به بیماری‌های ژنتیکی می‌شود که می‌توانند کشنده باشند. اما بنا به دلایل نامشخص، چنین خطاهایی برای گیاهان خطرناک و کشنده نیستند.

دی ان ای چه کاری انجام می‌دهد؟

دی ان ای حاوی همه اطلاعات مربوط به خصوصیات فیزیکی است که در اصل توسط پروتئین‌ها تعیین می‌شوند. بنابراین دستورالعمل‌های لازم برای تولید پروتئین را در خود دارد. در دی ان ای، هر پروتئین توسط یک ژن کدگذاری می‌شود (دنباله ای خاص از نوکلئوتیدهای دی ان ای که نحوه تولید هر پروتئین را مشخص می‌کنند). به ویژه، ترتیب نوکلئوتیدها در یک ژن ترتیب و نوع آمینو اسیدهایی را مشخص می‌کند که باید برای تشکیل پروتئین با هم ترکیب شوند.

دی ان ای حاوی اطلاعات لازم برای تولید پروتئین‌ها است که همه عملکردها و خصوصیات موجودات زنده را در خود دارد.

پروتئین متشکل از زنجیره ای طولانی از مواد شیمیایی به اسم آمینو اسید است و می‌تواند عملکردهای زیر را داشته باشد:

• آنزیم‌هایی که واکنش‌های شیمایی خاصی را ایجاد می‌کنند (مثل آنزیم‌های هضم غذا).
• پروتئین‌های ساختاری که به نوعی مثل مواد سازنده هستند (مثل کراتین ناخن و کلاژن پوست).
• پروتئین‌های حامل که مواد را حمل و نقل می‌کنند (مثل هموگلوبین خون که اکسیژن را حمل و نقل می‌کند).
• پروتئین‌های انقباضی که باعث فشرده شدن مولکول‌ها می‌شوند (مثل اکتین و میوزین).
• پروتئین‌های ذخیره ای که بعضی از مواد را نگه می‌دارند (مثل آلبومین موجود در سفیده تخم مرغ و فریتین ذخیره کننده آهن در طحال).
• هورمون‌ها که پیام رسان‌های شیمیایی بین سلول‌ها هستند (از جمله انسولین، استروژن، تِستوستِرون و غیره)
• پروتئین‌های حفاظتی مثل آنتی بادی‌های سیستم ایمنی بدن و پروتئین لخته کننده خون.
• توکسین‌ها که موادی سمی هستند مثل زهر زنبور و مار.

توالی خاص آمینو اسیدهای این زنجیره همان ویژگی است که باعث متمایز شدن پروتئین‌ها نسبت به هم می‌شوند. این دنباله در دی ان ای کدگذاری شده که در آن هر ژن کد مربوط به یک پروتئین را دارد.

کد ژنتیک از سه حرف یا کدون باز تشکیل شده که نوع آمینو اسید را مشخص می‌کنند. ترتیب کدون‌ها، مشخص کننده ترتیب آمینو اسیدها در پروتئین است.

اما دی ان چگونه اطلاعات پروتئین را کدگذاری می‌کند؟ برای پاسخ دادن به این سوال باید گفت که تنها چهار باز دی ان ای داریم اما 20 آمینو اسید وجود دارد که می‌توان از آنها برای ساختن پروتئین استفاده کرد. در نتیجه گروه‌هایی از این سه نوکلئوتید کدون را تشکیل می‌دهند که تعیین می‌کند کدام یک از 20 آمینو اسید وارد پروتئین می‌شود (یک کدون با سه باز، منجر به شکل گیری 64 حالت مختلف می‌شود 4×4×4). این رقم برای تعیین 20 نوع آمینو اسید کافی و حتی بیشتر است. از آنجایی که 64 کدون و تنها 20 آمینو اسید داریم، در کد ژنتیک یکسری تکرار وجود دارد. همچنین ترتیب کدون‌ها در ژن مشخص کننده ترتیب آمینو اسیدها در پروتئین است. ممکن است مشخص کردن یک پروتئین خاص نیاز به صد تا هزار کدون (300 تا 2000 نوکلئوتید) داشته باشد. همچنین هر ژن کدون‌هایی برای تعیین شروع (کدون آغازی) و انتهای ژن (کدون پایانی) دارند.

در قسمت‌های بعدی نحوه ایجاد پروتئین‌ها را بررسی می‌کنیم.

ایجاد پروتئین: رونویسی

­فرایند ساخت پروتئین شباهت زیادی به ساختن خانه دارد:

• نقشه اصلی، دی ان ای است که متشکل از همه اطلاعات لازم برای ساختن پروتئین جدید (خانه) است.
• نسخه کاری از طرح اصلی، آر ان ای پیام رسان (mRNA) نامیده می‌شود که از دی ان ای کپی می‌شود.
• محل ساخت که یا سیتوپلاسم در جانداران تک یاخته ای و یا شبکه آندوپلاسمی (ER) در یوکاریوت است.
• مواد سازنده، آمینو اسیدها هستند.
• کارگران سازنده، ریبوزوم‌ها و مولکول‌های آر ان ای انتقال دهنده هستند.

در ادامه هر مرحله از ساخت و ساز را دقیق تر بررسی می‌کنیم.

در یک یوکاریوت، دی ان ای هیچ وقت هسته را ترک نمی‌کند در نتیجه اطلاعات آن باید کپی شوند. این فرایند کپی رونویسی نامیده می‌شود و به نسخه کپی mRNA گفته می‌شود. فرایند کپی در سیتوپلاسم (جانداران تک یاخته ای) یا در هسته (یوکاریوت) رخ می‌دهد. این فرایند با استفاده از آنزیمی به اسم پلیمراز آر ان ای انجام می‌شود. پلیمراز آر ان ای برای ساختن mRNA مراحل زیر را طی می‌کند:

1. رشته دی ان ای را به بخش خاصی از ژن به اسم پروموتر ملحق می‌کند.
2. دو رشته دی ان ای را از هم باز می‌کند.
3. از یکی از رشته‌های دی ان ای به عنوان راهنما یا الگو استفاده می‌کند.
4. نوکلئوتیدهای جدید را با مکمل آنها در رشته دی ان ای تطبیق می‌دهد (G با C، A با U دقت داشته باشید که آر ان ای به جای تیمین (T) اوراسیل (U) دارد).
5. این نوکلئوتیدهای آر ان ای جدید را با هم ترکیب می‌کند تا یک کپی مکمل از رشته دی ان ای (mRNA) ایجاد کند.
6. وقتی به دنباله انتهایی باز‌ها می‌رسد (کدون پایانی) متوقف می‌شود.

mRNA با زندگی کردن در حالت تک رشته ای مشکلی ندارد (بر خلاف دی ان ای که مایل است مارپیچ‌های دو رشته ای تشکیل دهد). در تک یاخته ای‌ها، همه نوکلئوتیدها در mRNA جزئی از کدون‌های پروتئین جدید هستند اما فقط در یوکاریوتها دنباله‌های اضافه ای در دی ان ای و mRNA هستند که برای پروتئین کدگذاری نمی‌شوند و اینترون نام دارند. سپس این mRNA باز هم پردازش می‌شود:

• اینترون‌ها برش می‌خورند.
• دنباله‌های کدگذاری به هم پیوند می‌خورند.
• یک سرپوش نوکلئوتیدی خاص به یک طرف اضافه می‌شود.
• به سمت دیگر یک دنباله طولانی متشکل از 100 تا 200 نوکلئوتید آدنین اضافه می‌شود.

مشخص نیست که چرا این فرایند در یوکاریوت‌ها رخ می‌دهد. در نهایت، بر اساس نیازهای سلول برای ایجاد پروتئین‌هایی خاص، همزمان ژن‌های مختلفی کپی می‌شوند.

حالا باید نسخه کاری این طرح (mRNA) وارد محل ساخت و ساز شود که کارگرها در آنجا پروتئین جدید ایجاد می‌کنند. اگر این پروتئین مربوط به یک تک یاخته‌ای مثل باکتری اشریشیا کلی باشد، این محل ساخت و ساز سیتوپلاسم است و اگر مربوط به یک موجود یوکاریوت مثل سلول‌های انسان باشد، mRNA از طریق حفره‌های بزرگی که در غشای هسته قرار دارند، هسته را ترک کرده و به شبکه آندوپلاسمی حرکت می‌کنند.

در بخش‌های بعدی به بررسی فرایند سرهم شدن این اجزاء می‌پردازیم.

آر ان ای (ریبونوکلئیک اسید)

آر ان ای هم یک نوکلئیک اسید است و از سه نظر با دی ان ای تفاوت دارد:

• قند آن به جای دئوکسی‌ریبوز، ریبوز است.
• به جای دو رشته تنها یک رشته دارد.
• آر ان ای به جای تیمین (T) اوراسیل (U) دارد. بنابراین جفت‌های باز در آر ان ای سیتوزین با گوانین و آدنین با اوراسیل هستند.

در یک سلول تک یاخته ای (مثل باکتری که فاقد اندامکهای متصل به غشای داخلی است) دی ان ای و آر ان ای هر دو در سیتوپلاسم وجود دارند. در یک سلول یوکاریوت (مثل انسان‌ها که اندامکهایی متصل به غشای داخلی دارند) آر ان ای در هسته و سیتو پلاسم وجود دارد و دی ان ای تنها در هسته موجود است.

با برگشت به مثال خانه، وقتی نسخه کاری از طرح اصلی به محل ساخت و ساز برسد، کارگران باید مواد را بر اساس دستورالعمل‌ها سرهم کنند که به این فرایند ترجمه گفته می‌شود. در رابطه با پروتئین، کارگرها ریبوزوم‌ها و یکسری مولکول‌های آر ان ای خاص به اسم آر ان ای انتقالی (tRNA) هستند. مواد ساخت و ساز هم آمینو اسیدها هستند.

اول نگاهی به ریبوزوم داریم. ریبوزوم از آر ان ای به اسم آر ان ای ریبوزومی (rRNA) تشکیل شده است. در تک یاخته ای‌ها، rRNA در سیتوپلاسم ساخته می‌شود و در یوکاریوت در هسته سلول تولید می‌شود. ریبوزوم هم دو بخش دارد که به هر سمت از mRNA متصل می‌شود. داخل این اجزای بزرگ، دو فضا (سایت‌های P و A) قرار دارد که دو کدون مجاور mRNA، دو مولکول tRNA و دو آمینو اسید را به هم تطبیق می‌دهند. در ابتدا، سایت P اولین کدون در mRNA را نگه داشته و سایت A کدون بعدی را نگه می‌دارد.

در ادامه نگاهی به مولکول‌های tRNA داریم. هر tRNA یک محل اتصال برای یک آمینو اسید دارد. از آنجایی که هر tRNA مخصوص یک آمینواسید خاص است، باید قابلیت تشخیص کدون خاصی در mRNA که کدهای مربوط به آن آمینو اسید خاص را دارد، داشته باشد. بنابراین، هر tRNA یک دنباله سه نوکلئوتیدی به اسم آنتی کدون دارد که با کدون mRNA مناسب تطبیق پیدا می‌کند یعنی مثل قفل و کلید. برای مثال اگر یک کدون در mRNA دنباله اوراسیل، اوراسیل، اوراسیل (UUU) داشته باشد که کد آمینو اسید فنیل‌آلانین است، در این صورت آنتی کدون در tRNA فنیل‌آلانین به صورت آدنین – آدنین – آدنین (AAA) وجود دارد چون همانطور که به خاطر دارید، در RNA، A با U پیوند می‌خورد. مولکول‌های tRNA در سیتوپلاسم شناور هستند و آمینو اسیدهای آزاد را به هم متصل می‌کنند. وقتی tRNA‌ها (که آمینوآسیل tRNA هم نامیده می‌شوند) به آمینو اسیدها متصل شوند، به دنبال ریبوزوم‌ها می‌گردند.

در نهایت، نگاهی به رویدادهای این پروتئین‌های جدید داریم. برای مثال، یک مولکول mRNA با این دنباله را در نظر می‌گیریم:

همه مولکول‌های mRNA با AUG (کدون آغازی) شروع می‌شوند. UGA، UAA و UAG کدون‌های پایانی هستند که مولکول tRNA متناظر ندارند (مولکول‌های mRNA واقعی صدها کدون دارند).

توالی آنتی کدون‌های tRNA متناظر با این رشته عبارتند از:

هیچ tRNA متناظر با کدون‌های پایانی وجود ندارد.

توالی آمینو اسید مشخص شده با این mRNA کوچک به شرح زیر است:

با استفاده از جدول کد ژنتیک این دنباله آمینو اسیدها را شناسایی می‌کنیم. جدول کد ژنتیک زیر برای mRNA است و باز‌های موجود در موقعیت اول، دوم و سوم کدون با آمینو اسید متناظر آنها را مشخص می‌کند.

جدول کد ژنتیک بر اساس کدون‌های mRNA. بعضی از جداول بر اساس کدون‌های DNA طراحی می‌شوند.

حالا به بررسی آمینو اسید مشخص شده توسط کدون mRNA یعنی AUG می‌پردازیم. اول، انگشت چپ خودتان را روی کدون موقعیت اول (A) در ستون اول جدول قرار دهید. انگشت چپتان را روی سطر زیر کدون دوم (U) در اولین سطر قرار دهید. حالا انگشت راست خودتان را سومین کدون (G) در همان ردیف از آخرین ستون (G) قرار دهید. انگشت سمت راست خودتان را روی این خط حرکت دهید تا به انگشت چپ برخورد کند و آمینو اسید مربوطه را بخوانید (متیونین).

در بخش بعدی نگاهی به مراحل طی شده توسط پروتئین در این فرایند سنتز خواهیم داشت.

فرایند سنتز پروتئین

حالا نگاهی به ترتیب رویدادها در فرایند سنتز پروتئین نمونه mRNA خودمان خواهیم داشت:

1. یک ریبوزوم با کدون AUG در سایت P و کدون UUU در سایت A با mRNA ترکیب می‌شود.
2. یک آمینو اسیل (آنتی کدون = UAC) که یک متیونین به آن متصل شده، به سایت P از ریبوزوم می‌رسد.
3. یک آمینو اسیل (آنتی کدون = AAA) که یک فنیل آلانین به آن متصل شده، به سایت A از ریبوزوم می‌رسد.
4. یک پیوند شیمیایی بین متیونین و فنیل آلانین رخ می‌دهد (در پروتئین به این پیوند کووالانسی پیوند پپتیدی گفته می‌شود).
5. tRNA مخصوص متیونین سایت P را ترک کرده و خارج می‌شود تا یک متیونین دیگر تشکیل دهد.
6. ریبوزوم شروع به حرکت می‌کند به نحوی که حالا سایت P حاوی کدون UUU با tRNA متصل به فنیل‌آلانین است و حالا کدون بعدی (ACA) سایت A را اشغال می‌کند.
7. tRNA آمینو اسیل (آنتی کدون) که ترئونین به آن متصل شده، به سایت A از ریبوزوم می‌رسد.
8. یک پیوند پپتیدی بین فنیل‌آلانین و ترئونین ایجاد می‌شود.
9. tRNA مخصوص فنیل‌آلانین سایت P را ترک می‌کند تا یک فنیل‌آلانین دیگر را پیدا کند.
10. ریبوزوم یک کدون به پایین حرکت می‌کند تا حالا دنباله توقف در سایت A قرار بگیرد. ریبوزوم هنگام روبرو شدن با توالی توقف، از mRNA جدا شده و به دو بخش خودش تقسیم می‌شود، tRNA مخصوص ترئونین، ترئونین خودش را آزاد کرده و محل را ترک می‌کند و پروتئین جدید شناور می‌شود.

چند ریبوزوم می‌توانند یکی پس از دیگری به یک مولکول mRNA متصل شوند و فرایند تشکیل پروتئین را آغاز کنند. در نتیجه امکان تولید چند پروتئین از یک mRNA وجود دارد. در واقع، در باکتری اشریشیا کلی ترجمه mRNA حتی پیش از شروع رونویسی آغاز می‌شود.

در بخش بعدی نگاهی به موضوع جهش دی ان ای خواهیم داشت.

دی ان ای میتوکندریایی

میتوکندری (و در گیاهان کلروپلاست) یکسری حلقه‌های کوچک از دی ان ای دارند و خودشان بازتولید را مستقل از آنچه در هسته رخ می‌دهد، اجرا می‌کنند. این دی ان ای کد یکسری پروتئین‌های میتوکندریایی را در خود دارد اما بقیه آنها از دی ان ای ذخیره شده در هسته تأمین می‌شوند. میتوکندری یک نوع ابتدایی از باکتری است که تصور می‌شود در ابتدای شکل گیری زمین در سلول‌های یوکاریوت‌ها گیر افتاده است. این باکتری در کنار سلول به حیات خود ادامه داده و تبدیل به میتوکندری شده است. یکی دیگر از جنبه‌های منحصربفرد دی ان ای میتوکندریایی این است که آن را فقط از مادرتان به ارث می‌برید (میتوکندری فقط در سلول تخمک قرار دارد). گرچه سلول اسپرمی که تخمک را باور می‌کند حاوی یک میتوکندری از پدر است اما آن را آزاد نمی‌کند.

جهش، انواع و تعیین توالی دی ان ای

تغییر توالی ژن در حین فرایند بازتولید می‌تواند پیامدهای سنگینی داشته و منجر به بیماری شود.

­در ژنوم انسان 50 تا 100 هزار ژن وجود دارد. همچنان که پلیمراز دی ان ای دنباله دی ان ای را کپی می‌کند، ممکن است یکسری خطا و اشتباه رخ دهد. مثلاً ممکن است یک پایه (باز) دی ان ای در یک ژن با دیگری جابجا شود. به این پدیده جهش یا تغییر در ژن گفته می‌شود. از آنجایی که کد ژنتیک یکسری اجزای تکراری دارد، ممکن است این خطاها تأثیر زیادی بر پروتئین تولید شده توسط ژن نداشته باشند. در بعضی از موارد ممکن است این خطا در سومین باز رخ داده و باز هم همان آمینو اسید را در پروتئین مشخص کنند. در بعضی از موارد هم ممکن است این اتفاقات طوری رخ دهند که مشخص کننده یک آمینو اسید متفاوت باشند. اگر آمینو اسید تغییر یافته بخش مهمی از پروتئین نباشد، در این صورت ممکن است اتفاق ناخوشایندی رخ ندهد اما اگر آمینو اسید تغییر یافته بخش مهمی از پروتئین باشد، ممکن است پروتئین ناقص شده و خیلی خوب کار نکند یا اصلاً کار نکند. چنین تغییراتی منجر به بیماری می‌شوند.

سایر جهش‌های دی ان ای وقتی رخ می‌دهند که بخش‌های کوچکی از دی ان ای از کروموزم جدا می‌شوند. ممکن است این بخش‌ها در یک نقطه دیگر از کروموزم برگشته و باعث ایجاد اختلال در فرایند انتقال عادی اطلاعات شوند. چنین جهش‌هایی که شامل حذف، برخورد یا معکوس شدن هستند معمولاً پیامدهای شدیدی دارند.

همانطور که اشاره شد، دی ان ای اضافه زیادی در ژنوم انسان وجود دارد که کد پروتئین‌ها را در خود ندارد. کار این دی ان ای غیرکدگذار جزء حوزه‌های مورد بررسی و مطالعه دانشمندان است. ممکن است بعضی از آنها صرفاً برای فاصله گذاری طراحی شده باشند تا ژن را در یک فاصله مشخص از آنزیم‌های رونویسی نگه دارند. بعضی دیگر ممکن است مربوط به محل‌هایی باشند که در آنها مواد شیمیایی با هم ترکیب شده و بر فرایند ترجمه و رونویسی دی ان ای تأثیرگذار هستند. همچنین در این دی ان ای اضافه، یکسری دنباله‌های متنوع هستند که در فرایند DNA typing (تعیین نوع دی ان ای) استفاده می‌شوند.

تعیین توالی دی ان ای

پروژه ژنوم انسان (HGP) در دهه 1990 و با هدف تعیین دنباله ژنوم کل انسان‌ها شروع به کار کرد و پاسخ دادن به سوالاتی مثل اینکه، چه ژن‌هایی وجود دارند؟ این ژن‌ها در کجا قرار گرفته اند؟ توالی ژن‌ها و دی ان ای اینترون (غیر کدگذار) چیست؟ این پروژه بسیار عظیم و بزرگ بوده و دانشمندان و پیمانکاران آن موفق به طراحی فناوری‌های جدید خودکار و کم هزینه‌ای برای تعیین توالی دی ان ای شده اند..

برای تعیین توالی دی ان ای، همه آنزیم‌ها و نوکلئوتید‌ها (A، G، C و T) لازم برای کپی دی ان ای در یک لوله آزمایش قرار می‌گیرند. درصد کمی از نوکلئوتیدها یک رنگینه فلوئورسانی دارند که به آنها متصل شده (و برای هر نوع، رنگ متفاوتی دارد). می‌توانید دی ان ای مورد نظر را داخل لوله آزمایش قرار دهید و کمی صبر کنید تا فرایند کشت طی شود.

حین این فرایند کشت، دی ان ای نمونه بارها و بارها کپی می‌شود. برای هر کپی، فرایند کپی وقتی نوکلئوتید فلوئورسانی داخل آن قرار می‌گیرد، متوقف می‌شود. بنابراین در انتهای فرایند کشت، تعداد زیادی از قطعات دی ان ای اصلی با اندازه‌های مختلف دارید که یکی از نوکلئوتیدهای فلوئورسانی به آن پایان داده است. برای مشاهده این دنباله می‌توانید به DNA Interactive، بخش Techniques، Sorting و sequencing مراجعه کنید.

همچنان که انسان‌ها سعی به درک و اکتشاف طرز کار بخش‌های مختلف ژنوم انسان و تعامل با محیط دارند، دانش ما هم درباره فناوری دی ان ای کامل تر می‌شود.

فنیل کتونوری

هر ژن در دی ان ای شما، حاوی کد مربوط به یک آنزیم است (آنزیم یک نوع پروتئین است که واکنش شیمیایی را سرعت می‌بخشد) که به شما امکان می‌دهد یک آمینو اسید خاص به اسم فنیل آلانین که در شیر وجود دارد را تجزیه کنید. در بعضی از افراد این ژن وجود ندارد یا معیوب است. چنین افرادی این آنزیم را تولید نکرده و قادر به تجزیه فنیل آلانین نیستند. در چنین افرادی اگر شیر معمولی یا فرآورده‌های شیر مصرف شود، فنیل آلانین تجزیه نشده جمع شده و باعث آسیب مغزفی می‌شود (فنیل کتونوری). خوشبختانه هنگام تولد یک آزمایش ژنتیک انجام می‌شود که چنین بیماری‌هایی تشخیص می‌دهد و می‌توان به چنین بچه‌هایی شیر بدون فنیل آلانین داد.