2.7. همانندسازی، رونویسی و ترجمه DNA

مفاهیم

  • همانندسازیDNA، به صورت نیمه حفاظتی[1] است و به جفت شدن بازهای مکمل بستگی دارد.
  • آنزیم هلیکاز[2] مارپیچ دوتایی DNA را باز کرده و با شکستن پیوندهای هیدروژنی، دو رشته را از هم جدا می‌کند.
  • آنزیم DNA پلیمراز[3] باعث اتصال نوکلئوتیدها به یکدیگر می‌شود و یک رشته جدید را با استفاده از رشته قبلی به عنوان الگو ایجاد می‌کند.
  • رونویسی، سنتزmRNAبا الگوبرداری ازDNAتوسطRNAپلیمراز[4] است.
  • سنتز پلی پپتیدها از روی ریبوزوم‌ها، ترجمه نام دارد.
  • توالی اسیدآمینه پلی‌پپتیدها با توجه به کد ژنتیکی توسط mRNA تعیین می‌شود.
  • کدون‌های متشکل از سه باز روی mRNAمربوط به یک اسیدآمینه در پلی‌پپتید هستند.
  • ترجمه به جفت شدن باز مکمل بین کدون‌ها درmRNA و آنتی‌کدون‌ها درtRNAبستگی دارد.

کاربرد علم

  • استفاده ازDNAپلیمراز Taq برای تولید سریع چندین نسخه ازDNA با استفاده از واکنش زنجیره ای پلیمراز[5](PCR).
  • تولید انسولین انسانی در باکتری‌ها؛ نمونه‌ای از عمومیت کدهای ژنتیکی که امکان انتقال ژن بین گونه‌ها را فراهم می‌کند.

مهارت‌ آموزی

  • استفاده از جدول کدهای ژنتیکی برای تعیین اسید‌آمینه مرتبط با هر کدون.
  • تجزیه و تحلیل نتایج مزلسونواستال[6] برای تایید تئوری همانند‌سازی نیمه حفاظتی DNA.
  • برای استنباط توالی اسیدآمینه‌های کدشده از یک رشته کوتاه mRNAحاصلاز توالی بازی شناخته شده، از جدول کدون‌هایmRNAو اسیدآمینه‌های متناظر آن‌ها استفاده کنید.
  • توالی بازیDNAرا برای رشته mRNA استنباط کنید.

ماهیت علم

  • به‌دست‌آوردن شواهدی برای نظریه‌های علمی: مزلسونواستال شواهدی را برای همانندسازی نیمه حفاظتی DNA به‌دست آوردند.

همانندسازی نیمه حفظ شده DNA

همانندسازیDNA ، به صورت نیمه حفاظتی است و به جفت شدن بازهای مکمل بستگی دارد.

وقتی یک سلول آماده تقسیم می‌شود، دو رشته مارپیچ دوتایی از هم جدا می‌شوند (شکل شماره 2). هر یک از این رشته‌های اصلی به عنوان راهنما یا الگویی برای ایجاد یک رشته جدید عمل می‌کنند. رشته‌های جدید با افزودن یک به یک نوکلئوتیدها و پیوند دادن آن‌ها به یکدیگر، ایجاد می‌شوند. در نتیجه دو مولکول DNAکه هر دو از یک رشته اصلی و یک رشته تازه سنتز شده تشکیل شده‌اند، به وجود می‌آید. به همین دلیل گفته می‌شود که همانند سازیDNA، به صورت نیمه حفاظتی است.

توالی بازی روی رشته الگو، توالی بازی رشته جدید را تعیین می‌کند. فقط یک نوکلئوتید حامل باز که مکمل باز بعدی در رشته الگو است، می‎‌تواند با موفقیت به رشته جدید اضافه شود(شکل شماره 1)، این مساله بخاط اینست که بازهای مکمل با ایجاد پیوندهای هیدروژنی با یکدیگر، ساختار را پایدار می‌کنند. اگر یک نوکلئوتید با باز اشتباه، به رشته اضافه شود، پیوند هیدروژنی بین بازها تشکیل نمی‌شود و نوکلئوتید به زنجیره اضافه نخواهد شد. این قانون که همیشه یک باز با دیگری جفت می‌شود، جفت شدن باز مکمل[1] نامیده می‌شود. این قانون اطمینان می‌دهد که دو مولکول DNA حاصل از همانندسازی از نظر توالی بازی با مولکول الگو، یکسان هستند.

ئنئن

نن

 

یافتن شواهدی برای نظریه همانندسازی نیمه حفاظتی

به‌دست‌آوردن شواهدی برای نظریه‌های علمی: مزلسون و استال شواهدی را برای همانندسازی نیمه حفاظتی  DNA  به‌دست آوردند.

همانندسازی نیمه حفاظتی مثالی از یک نظریه علمی است که به نظر درست بود، اما با این وجود برای تأیید نهایی و پشتیبانی به شواهد بیشتری نیاز داشت. آزمایشگاه‌هایی در سراسر جهان تلاش کردند تا به طور تجربی تأیید کنند که همانندسازی DNA به صورت نیمه حفاظتی است. در سال 1958، مزلسون و استال نتایج آزمایش‌های خود را منتشر کردند که شواهد بسیار محکمی برای همانندسازی نیمه حفاظتی ارائه می‌کرد. آن‌ها از 15N ، ایزوتوپ نادر نیتروژن، استفاده کردند. 15N یک نوترون بیشتر از ایزوتوپ طبیعی (14N) دارد، بنابراین چگال‌تر است. در دهه 1930، هارولد اوری[1] روش‌هایی برای خاص‌سازی ایزوتوپ‌های پایدار ایجاد کرده بود که می‌توانستند به عنوان ردیاب در مسیرهای بیوشیمیایی استفاده شوند. 15N یکی از این موارد بود.

مزلسون و استال روش جدیدی را برای جداسازی DNA حاوی 15N در بازهای خود، از DNA حاوی 14N ابداع کردند. به این روش، سانتریفیوژ شیب چگالی سزیم کلرید[2] گفته می‌شود. در این روش، محلول سزیم کلرید در یک سانتریفیوژ با دور تقریبی 45000 دور در دقیقه به مدت 20 ساعت چرخانده می‌شود. یون‌های سزیم، چگال‌تر هستند و تمایل دارند تا در پایین لوله قرار بگیرند اما به دلیل انتشار، کاملاً رسوب نمی‌کنند. یک شیب، با بیشترین غلظت و چگالی سزیم در پایین و کمترین آن در بالای لوله ایجاد می‌شود. هر ماده‌ای که با محلول سزیم کلرید سانتریفیوژ ‌شود، در سطحی متناظر با چگالی آن در لوله قرار می‌گیرد.

مزلسون و استال، باکتری اکلای را برای چهارده نسل در محیطی که تنها منبع نیتروژن آن، 15N بود، کشت دادند. تقریباً تمام اتم‌های نیتروژن موجود در بازهای DNA در باکتری‌ها، 15N بودند. آن‌ها سپس باکتری‌ها را به‌طور ناگهانی به محیطی که تمام نیتروژن آن 14N بود، منتقل کردند. در دمای مورد استفاده برای کشت آن‌ها، زمان تکثیر 50 دقیقه بود – باکتری‌ها تقسیم شدند و بنابراین هر 50 دقیقه یک بار DNA خود را همانندسازی کردند.

مزلسون و استال از زمان انتقال به محیط 14N چندین نمونه DNA از کشت باکتری‌ها را برای چند ساعت جمع‌آوری کردند. آن‌ها DNA را استخراج کردند و چگالی آن را با سانتریفوژ شیب چگالی سزیم کلرید اندازه‌گیری کردند. DNA به علت جذب نور فرابنفش قابل شناسایی بود، بنابراین هنگام قرارگرفتن لوله‌ها دربرابر اشعه فرابنفش، یک باند تاریک ایجاد می‌شد. شکل شماره 3، نتایج این مطالعه را نشان می‌دهد. در بخش بعدی در مورد چگونگی تجزیه و تحلیل تغییرات موقعیت نوارهای تاریک مطالبی ارائه شده‌است.

کحک

آزمایش همانندسازی DNA مزلسون و استال

 تجزیه و تحلیل نتایج مزلسون و استال برای تایید تئوری همانند‌سازی نیمه حفاظتی DNA.

سوال مطرح شده در بخش بعدی شما را از طریق تجزیه و تحلیل نتایج مزلسون و استال راهنمایی می‌کند و به شما کمک می‌کند تا در این بخش از علوم، مهارت به دست آورید.

طرح سوال مبتنی بر داده: آزمایش مزلسون و استال

برای اینکه تقسیم سلولی اتفاق بیفتد، DNA باید کپی شود تا اطمینان حاصل شود که سلول‌های دختری اطلاعات ژنتیکی مشابهی با سلول‌های مادری دارند. روند تکثیر DNA، همانندسازی نامیده می‌شود. آزمایش مزلسون و استال سعی در یافتن مکانیسم همانندسازی داشت. این فرآیند به صورت حفاظتی، نیمه حفاظتی یا به صورت پراکنده اتفاق می‌افتد (شکل شماره 4).

مزلسون و استال چند نسل اکلای را در محیطی حاوی نیتروژن سنگین(15N) رشد دادند. سپس باکتری‌ها را به محیط 14N منتقل کردند. نمونه‌هایی از باکتری‌ها طی یک دوره زمانی جمع‌آوری و با سانتریفوژ شیب چگالی جدا ‌شدند، روشی که در آن مولکول‌های سنگین‌تر در لوله‌های سانتریفوژ پایین‌تر از مولکول‌های سبک قرار می‌گیرند.

1- چگالی باند منفرد DNA در آغاز (نسل صفر) برابر بود با g.cm-3724/1. چگالی باند اصلی DNA پس از چهار نسل برابر بود با g.cm3710/1. توضیح دهید که چگونه DNA با چگالی کمتر توسط باکتری تولید شده است؟[2]

فعالیت

مدل‌سازی فعالیت هلیکاز

برای مدل‌سازی فعالیت هلیکاز می‌توانید از مقداری طناب یا رشته‌ی مارپیچ دو رشته‌ای و یک حلقه کلید دوبخشی استفاده کنید. رشته‌های طناب مارپیچ نشان‌دهنده دو رشته موجود در DNA هستند. حلقه کلید را باز کنید و یک رشته طناب را داخل آن قرار دهید. حلقه را ببندید تا رشته دیگر بیرون باشد. حلقه را در امتداد رشته بکشید تا رشته‌ها جدا شود. این مدل از فعالیت هلیکاز چه مشکلاتی را نشان می‌دهد؟ از اینترنت برای یافتن راه‌حل مورد استفاده موجودات زنده استفاده کنید.

2- الف) چگالی DNA را پس از یک نسل تخمین بزنید.[2]

ب) آیا چگالی DNA پس از ایجاد یک نسل، هر یک از سه مکانیسم ممکن برای همانند سازی DNA نشان داده شده در شکل 4 را رد می‌کند؟ توضیح دهید.[3]

3-الف) نتایج پس از همانندسازی دو نسل، از جمله چگالی DNA را توصیف کنید.[3]

ب) آیا نتایج پس از همانندسازی دو نسل، هر یک از سه مکانیسم ممکن برای همانند سازی DNA را رد می‌کند یا خیر؟[3]

4- نتایج را پس از ایجاد سه و چهار نسل توضیح دهید. [2]

5- شکل شماره 4، DNA باکتری اکلای را در ابتدا (نسل صفر) و بعد از یک نسل نشان می‌دهد. رشته‌های DNA حاوی 15N قرمز و رشته‌های حاوی 14N سبز نشان داده شده‌اند. با انتخاب مکانیسمی که توسط آزمایش مزلسون و استال پشتیبانی می‌شود، (a) ، (b) یا (c) را دوباره بکشید. هر مولکول DNA به جای مارپیچ می‌تواند با دو خط موازی نشان داده شود و لازم نیست رنگ‌ها قرمز و سبز باشند. DNA را برای همانندسازی دو نسل دیگر در یک محیط حاوی14N رسم کنید.[3]

6-نتایج سانتریفیوژ مخلوط DNA نسل صفر و دوم را پیش‌بینی کنید.[2]

نخم

هلیکاز

آنزیم هلیکاز مارپیچ دوتایی DNA را باز کرده و با شکستن پیوندهای هیدروژنی، دو رشته را از هم جدا می‌کند.

قبل از همانندسازیDNA ، دو رشته مولکول باید از هم جدا شوند تا بتوانند هر کدام به عنوان الگویی برای تشکیل یک رشته جدید عمل کنند. جداسازی توسط آنزیم هلیکاز، با استفاده از انرژی مولکول ATP انجام می‌شود. این انرژی، برای شکستن پیوندهای هیدروژنی بین بازهای مکمل مورد نیاز است.

آنزیم هلیکاز شامل شش زنجیره پلی‌پپتیدی بوده  که ساختار کروی آن به شکل دونات مرتب شده‌اند. پلی‌پپتیدها روی رشته‌ای از مولکول DNA که از مرکز دونات عبور می‌کند، سوار می‌شوند و رشته دیگر خارج آن باقی می‌ماند. از انرژی ATP برای حرکت هلیکاز در امتداد مولکول DNA، شکستن پیوندهای هیدروژنی بین بازها و جدا شدن دو رشته استفاده می‌شود. DNA دو رشته‌ای را در حالت مارپیچ نمی‌توان به دو رشته تقسیم کرد. بنابراین هلیکاز همزمان با جدا کردن رشته‌ها باعث باز شدن مارپیچ  نیز می‌شود.

DNA پلیمراز

آنزیم DNA پلیمراز باعث اتصال نوکلئوتیدها به یکدیگر می‌شود و یک رشته جدید را با استفاده از رشته قبلی به عنوان الگو ایجاد می‌کند.

هنگامی که آنزیم هلیکاز، مارپیچ دوتایی را باز کرده و DNA را به دو رشته تقسیم کرد، همانندسازی می‌تواند آغاز شود. هر دو رشته به عنوان الگویی برای تشکیل یک رشته جدید عمل می‌کنند. ساخت رشته‌های جدید توسط آنزیم DNA پلیمراز انجام می‌شود.

DNA پلیمراز همیشه در امتداد رشته الگو در یک جهت حرکت می‌کند و هر بار یک نوکلئوتید به آن اضافه می‌کند. نوکلئوتیدهای آزاد با هر یک از چهار باز ممکن، در ناحیه‌ای که DNA در آن همانندسازی می‌شود، وجود دارند. هر بار که یک نوکلئوتید به رشته جدید اضافه می‌شود، فقط یکی از چهار نوع نوکلئوتید، بازی که می‌تواند با باز نوکلئوتید جدید روی رشته الگو جفت شود وارد واکنش می­‌شود. DNA پلیمراز، نوکلئوتیدها را به موقعیتی می‌رساند که پیوندهای هیدروژنی می‌توانند تشکیل شوند، اما تا زمانی که این اتفاق نیفتد و یک جفت باز مکمل تشکیل نشود، نوکلئوتید دوباره از آنزیم خارج می‌­شود.

هنگامی که یک نوکلئوتید با باز درست به موقعیت آمده و پیوندهای هیدروژنی بین دو باز تشکیل شده است، DNA پلیمراز آن را به انتهای رشته جدید پیوند می‌دهد. این کار با ایجاد پیوند کووالانسی بین گروه فسفات نوکلئوتید آزاد و قند آخرین نوکلئوتید رشته جدید انجام می‌شود. قند پنتوز انتهای ´3 و گروه فسفات انتهای ´5 است، بنابراین DNA پلیمراز انتهای ´5 نوکلئوتید آزاد را به انتهای ´3رشته موجود متصل می‌کند.

DNA پلیمراز به‌ تدریج در امتداد رشته الگو حرکت می‌کند و رشته جدید را با توالی بازی مکمل رشته الگو می‌سازد. این کار با دقت بسیار بالایی انجام می‌گیرد به‌ طوریکه در هنگام همانندسازیDNA، اشتباهات بسیار کمی رخ می‌دهد.

واکنش زنجیره‌ای پلیمراز(PCR)

استفاده ازDNA پلیمراز Taq برای تولید سریع چندین نسخه از DNA  با استفاده از واکنش زنجیره ای پلیمراز(PCR).

واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR) تکنیکی است که برای تهیه نسخه‌های زیادی از توالی DNA منتخب استفاده می‌شود. در ابتدا فقط مقدار بسیار کمی DNA لازم است.  لوله حاویDNA  در دستگاه PCR گذاشته می‌شود، که در آن چرخه‌ای از مراحل به طور مکرر مقدار DNA انتخاب شده را دو برابر می‌کنند. این مراحل شامل جدا شدن دو رشتهDNA، جفت شدن تک رشته‌ها با یکدیگر و تشکیل DNA دو رشته‌ای است.

دو رشته DNA، توسط پیوندهای هیدروژنی به هم متصل شده‌اند. این پیوند ضعیف است، اما با وجود تعداد زیادی از آن‌ها در یک مولکول DNA، دو رشته با موفقیت در دمای معمول سلول‌ها کنار هم باقی می‌مانند. اگر DNA تا دمای بالا گرم شود، پیوندهای هیدروژنی می‌شکنند و دو رشته از هم جدا می‌شوند. اگر در ادامه DNA خنک شود، پیوندهای هیدروژنی تشکیل شده رشته‌ها دوباره جفت می‌شوند. به این عمل بازگرم مجدد[1] می‌گویند.

دستگاه PCR رشته‌های DNA را با حرارت دادن آن‌ها به مدت 15 ثانیه در 95 ، جدا می‌کند. سپس DNA را به سرعت تا دمای 54 خنک می‌کند. این امر می‌تواند باعث جفت شدن مجدد رشته‌های مادری و تشکیل DNA دو رشته‌ای بشود. با این حال، مقدار زیادی DNA های کوتاه تک رشته‌ای به نام آغازگرها(پرایمر)[2] وجود دارند که در این مرحله به توالی مکمل خود در رشته DNA متصل می­شوند و با وجود مقدار زیادی از آن‌ها، از جفت شدن مجدد رشته‌های مادری جلوگیری می‌شود. سپس همانندسازی تک رشته‌های مادری از محل اتصال آغازگرها شروع می‌شود.

مرحله بعدی در PCR سنتز DNA دو رشته‌ای است که از تک رشته‌ها متصل به آغازگرها به عنوان الگو استفاده می‌شود. برای انجام این کار از آنزیم DNA پلیمراز Taq مقاوم به حرارتی که از یک باکتری به نام ترموس آکواتیکوس[3] در چشمه‌های آب گرم از جمله پارک ملی یلواستون بدست آمده است، استفاده می­‌شود. دمای چشمه‌هایی که این باکتری در آن رشد می­کند از 50 تا 80 متغیر است. آنزیم‌ها در اکثر موجودات به سرعت در چنین دمای بالایی دناتوره[4] می‌شوند، اما آنزیم‌های ترموس آکواتیکوس، از جمله DNA پلیمراز آن، برای مقاومت در برابر حرارت سازگار شده‌اند تا دچار دناتوراسیون نشوند.

DNA پلیمراز Taq به علت مقاومت کوتاه مدت در دمای 95  (دمای جداسازی رشته‌هایDNA) مناسب است. این آنزیم در دمای پایین‌تر از 54  که برای اتصال آغازگرها استفاده می‎شود نیز فعالیت می‎کند، اما دمای بهینه فعالیت آن 72  است. بنابراین مخلوط واکنش برای فعالیت DNA پلیمرازTaq، تا این دما گرم می‌شود. آنزیم در این دما حدود هزار نوکلئوتید در دقیقه به زنجیره اضافه می‌کند که سرعت بالایی برای همانندسازی DNA است.

با گذشت زمان کافی برای تکمیل همانندسازی، چرخه بعدی با گرم شدن تا 95  آغاز می‌شود. یک چرخه PCR در کمتر از دو دقیقه تکمیل می‌شود، بنابراین انجام 30 چرخه که DNA را تا ضریب یک میلیارد تکثیر می‌کند، کمتر از یک ساعت طول می‌کشد. با کمک DNA پلیمرازTaq، PCR  امکان تولید تعداد زیادی نسخه از توالی بازی مورد نظر در مدت زمان بسیار کوتاهی را فراهم می‌کند.

نتنت

رونویسی

رونویسی، سنتز mRNA با الگوبرداری از DNA توسط RNA پلیمراز است.

توالی بازها در یک ژن، به خودی خود هیچ ویژگی قابل ملاحظه­ای به موجود نمی‌دهند. عملکرد اکثر ژن‌ها تعیین توالی اسیدآمینه‌ها در یک پلی‌پپتید مشخص است. پروتئین‌ها اغلب به طور مستقیم یا غیرمستقیم خصوصیات قابل مشاهده را در یک فرد تعیین می‌کنند. برای تولید یک پلی‌پپتید خاص، با استفاده از توالی بازی یک ژن، دو فرآیند لازم است. اولین فرآیند، رونویسی است.

رونویسی سنتز RNA از DNA است که به عنوان الگو استفاده می‌شود. از آنجا که RNA تک رشته ایست، رونویسی فقط در امتداد یکی از دو رشته DNA انجام می‌شود. طرح کلی رونویسی به شرح زیر است:

  • آنزیم RNA پلیمراز به محلی ازDNA در ابتدای ژنمتصل می‌شود.
  • RNA پلیمراز با حرکت در امتداد ژن،رشته‌های DNA را از یکدیگر جدا کرده و ریبونوکلئوتیدهایRNAرا با دئوکسی ریبونوکلئوتیدهای مکمل در یک رشته DNA جفت می‌کند. درRNA، تیمین وجود ندارد، بنابراین باز یوراسیل به صورت مکمل با باز آدنین جفت می‌شود.
  • RNA پلیمراز پیوندهای کووالانسی بین نوکلئوتیدهای RNA ایجاد می‌کند.
  • RNA از DNAجدا می‌شودو مارپیچ دوگانه مجدد شکل می‌گیرد.
  • رونویسی در انتهای ژن متوقف شده و مولکول RNA آزاد می‌شود.

محصول رونویسی، یک مولکول RNA با توالی بازی مکمل رشته الگو DNA است. توالی بازی RNA با رشته مقابل DNA برابر است، با این استثنا که به جای باز تیمین، باز یوراسیل قرار گرفته است. بنابراین، برای تهیه کپی RNA از توالی باز یک رشته از مولکولDNA، رشته دیگر رونویسی می‌شود. رشته DNA، با همان توالی باز RNA را رشته سنس[1] می‌نامند. رشته دیگر که به عنوان الگو عمل می‌کند و دارای توالی باز مکمل با RNA و رشته سنس است، رشته آنتی‌سنس[2] نامیده می‌شود.

نتفلب

ترجمه

سنتز پلی پپتیدها بااستفاده از ریبوزوم‌ها، ترجمه نام دارد.

دومین فرآیند مورد نیاز برای تولید پلی‌پپتید، ترجمه است. ترجمه سنتز یک پلی‌پپتید است که توسط توالی بازی مولکول RNA تعیین می‌شود. تولید RNA توسط رونویسی و نحوه تعیین توالی بازی آن توسط یک ژن در قسمت قبلی شرح داده شد.

ترجمه روی ساختارهای زیرسلولی موجود در سیتوپلاسم معروف به ریبوزوم انجام می‌گیرد. ریبوزوم‌ها ساختارهای پیچیده‌ای با یک زیرواحد كوچك و بزرگ و دارای جایگاه­‌های اتصال برای هر یك از مولكول‌های دخیل در ترجمه هستند. شکل شماره 7 دو زیر واحد یک ریبوزوم را نشان می‌دهد. هر کدام از زیرواحدها از مولکول‌های RNA (صورتی و زرد) و پروتئین­‌هایی (بنفش) تشکیل شده‌اند. بخشی از زیرواحد بزرگ (سبز) محلی است که پیوندهای پپتیدی را بین اسیدآمینه‌ها ایجاد می‌کند تا آن‌ها را برای ایجاد پلی‌پپتید، کنار یکدیگر قرار دهد.

ئت

RNA پیامبر و کد ژنتیکی

توالی اسیدآمینه پلی‌پپتیدها با توجه به کد ژنتیکی توسط mRNA تعیین می‌شود.

RNAای که اطلاعات لازم برای سنتز یک پلی‌پپتید را حمل می‌کند، RNA پیامبر(mRNA) نامیده می‌شود. طول مولکول‌های mRNA با توجه به تعداد اسیدآمینه‌های موجود در پلی‌پپتید متفاوت است؛ اما طول متوسط آن در پستانداران حدود دو هزار نوکلئوتید است.

در ژنوم، ژن‌های مختلفی وجود دارند که اطلاعات لازم برای ساختن یک پلی‌پپتید با توالی اسیدآمینه‌ای خاص را حمل می‌کنند. در هر زمان، سلول فقط نیاز به ساخت برخی از این پلی‌پپتیدها را دارد. بنابراین فقط ژن‌های خاصی رونویسی می‌شوند و فقط انواع خاصی از mRNA برای ترجمه در سیتوپلاسم در دسترس خواهند بود. سلول‌هایی که مقدار زیادی پلی‌پپتید مشخصی را نیاز دارند یا ترشح می‌کنند، نسخه‌های زیادی از mRNA را برای آن پلی‌پپتید رونویسی می‌کنند. به عنوان مثال، سلول‌های ترشح‌کننده انسولین در لوزالمعده نسخه‌های زیادی از mRNA مورد نیاز برای ساخت انسولین را رونویسی می‌کنند.

اگرچه بیشترRNAها، mRNA هستند اما انواع دیگری نیز وجود دارد. به عنوان مثال، RNA ناقل(tRNA) در رمزگشایی توالی بازی mRNA به یک توالی اسیدآمینه در حین ترجمه نقش دارد و RNA ریبوزومی(rRNA) که بخشی از ساختار ریبوزوم است.

کدون‌ها

کدون‌های متشکل از سه باز روی mRNA  مربوط به یک اسیدآمینه در پلی‌پپتید هستند.

“فرهنگ لغت ترجمه” که ماشین آلات سلولی را قادر می سازد توالی بازی را در mRNA به یک توالی اسید آمینه تبدیل کنند ، کد ژنتیکی نامیده می شود.. بطورکلی، چهار نوع باز در توالی نوکلئوتیدی و بیست نوع اسیدآمینه وجود دارد، بنابراین یک باز نمی‌تواند یک اسیدآمینه را رمزگذاری کند. اگر کدها دوتایی باشند، شانزده ترکیب دو بازی وجود دارد، که همچنان برای کدگذاری همه بیست اسیدآمینه بسیار کم است. بنابراین موجودات زنده از کدهای 3بازی استفاده می‌کنند که هرکدام کدکننده یک نوع اسیدآمینه هستند.

به توالی سه باز رویmRNA، کدون گفته می‌شود. هر کدون یک اسیدآمینه خاص را که باید به پلی‌پپتید اضافه شود، کد می‌کند. در جدول شماره1، تمام 64 كدون ممكن لیست شده است. سه باز کدون mRNA در جدول به عنوان موقعیت‌های اول، دوم و سوم آورده شده‌اند.

توجه داشته باشید که کدون‌های مختلف می‌توانند اسیدهای آمینه یکسانی را کد کنند. به عنوان مثال، کدون‌های GUU و GUC هر دو اسیدآمینه والین را کد می‌کنند. به همین دلیل، گفته می‌شود که این کد “منحط[1]” است. همچنین توجه داشته باشید که سه کدون “پایان” وجود دارد که کدهای پایان ترجمه هستند.

اسیدآمینه‌ها روی نوع دیگری ازRNA ، به نام tRNA حمل می‌شوند. هر اسیدآمینه توسط یک tRNA خاص حمل می‌شود که دارای یک آنتی‌کدون سه بازی مکمل کدون mRNA برای آن اسیدآمینه خاص است.

نمم

رمزگشایی توالی‌های باز

برای استنباط توالی اسیدآمینه‌های کدشده از یک رشته کوتاه  mRNA حاصل از توالی بازی شناخته شده، از جدول کدون‌های mRNA  و اسیدآمینه‌های متناظر آن‌ها استفاده کنید.

نیازی به حفظ کردن کدهای ژنتیکی نیست، اما به کمک جدول، می‌توانید استنباط‌های مختلفی انجام دهید.

1-کدام کدون‌ها با یک اسیدآمینه مطابقت دارند؟

برای نشان دادن هر اسیدآمینه در جدول از کدهای ژنتیکی سه حرفی استفاده شده است. هر کدام از 20 اسیدآمینه بین یک تا شش کدون دارند. سه حرف هر کدون برای اسیدآمینه را بخوانید. به عنوان مثال، اسیدآمینه متیونین که به صورت Met  در جدول نشان داده شده، است دارای یک کدون AUG است.

2- کدام توالی اسیدآمینه‌ای از توالی کدون‌ها در یک رشته mRNA ترجمه می‌شود؟

سه باز اول در توالی mRNA کدون اسیدآمینه اول است، سه باز بعدی کدون اسیدآمینه دوم و همین‌طور تا انتها ادامه دارد. از سمت چپ جدول برای پیداکردن اولین باز کدون، بالای جدول برای باز دوم و سمت راست برای یافتن باز سوم استفاده کنید. به عنوان مثال، کد GCA برای اسیدآمینه آلانین است که در جدول به اختصار Ala نوشته شده‌است.

3- کدام توالی بازی در DNA رونویسی می‌شود تا توالی باز یک رشته mRNA بدست آید؟

رشته mRNA با رونویسی از رشته آنتی‌سنس DNA  تولید می‌شود. بنابراین رشته آنتی‌سنس توالی بازی مکمل با mRNA دارد. به عنوان مثال، کدون AUG در mRNA از توالی باز TAC روی رشته آنتی‌سنس، رونویسی می‌شود. یک مثال طولانی‌تر این است که توالی باز GUACGUACG از CATGCATGC رونویسی می‌شود. توجه داشته باشید که آدنین در DNA با تیمین اما در RNA با یوراسیل جفت می‌شود.

کدون‌ها و آنتی‌کدون‌ها

ترجمه به جفت شدن باز مکمل بین کدون‌ها در mRNA و آنتی‌کدون‌ها در tRNA بستگی دارد.

برای سنتز پلی‌پپتیدها سه جزء با هم همکاری می‌کنند:

  • mRNAکه توالی­ای از کدون‌ها است که توالی اسیدآمینه‌ای پلی‌پپتید را کد می‌کند.
  • مولکول‌هایtRNAیک آنتی‌کدون دارند که رویmRNAبه کدون مکمل متصل می‌شود و اسیدآمینه مربوط به آن کدون را حمل می‌کند.
  • ریبوزوم‌ها به عنوان جایگاه اتصالmRNAوtRNAها عمل می‌کنند و همچنین ساخت پلی‌پپتید را کاتالیز می‌کنند.

خلاصه‌ای از وقایع اصلی ترجمه به شرح زیر است:

1- mRNA به زیر واحد کوچک ریبوزوم متصل می‌شود.

2-یک مولکول tRNA دارای آنتی‌کدون مکمل اولین کدون که روی mRNA ترجمه می‌شود، به ریبوزوم متصل می‌شود.

3- سپس  tRNA دوم دارای آنتی‌کدون مکمل کدون دوم روی mRNA متصل می‌شود. حداکثر دو tRNA به طور همزمان می‌توانند به ریبوزوم متصل شوند.

4-ریبوزوم با ایجاد یک پیوند پپتیدی جدید، اسیدآمینه حمل شده توسط اولین tRNA را به اسیدآمینه موجود در tRNA دوم منتقل می‌کند. بنابراین tRNA دوم حامل زنجیره‌ای از دو اسیدآمینه (یک دی‌پپتید) می‌شود.

5-با حرکت ریبوزوم در امتدادmRNA، اولین tRNA آزاد می‌شود و tRNA دوم درجایگاه tRNA اول قرار می‌گیرد.

6- tRNA دیگری با آنتی‌کدون مکمل کدون بعدی در mRNA متصل می شود.

7-ریبوزوم با ایجاد یک پیوند پپتیدی جدید، زنجیره اسیدآمینه‌های حمل شده توسط اولین tRNA را به اسیدآمینه موجود در tRNA دوم منتقل می‌کند.

مراحل4، 5 و 6 بارها تکرار می‎‎‌شوند و با هر بار تکرار چرخه، یک اسیدآمینه به زنجیره اضافه می‌شود. این فرآیند تا زمان رسیدن ریبوزوم به کدون پایان در طول mRNA ادامه می‌یابد، در این هنگام پلی‌پپتید تکمیل شده نیز رها می‌شود.

صحت ترجمه به جفت شدن باز مکمل بین آنتی‌کدون هر tRNA و کدون mRNA  بستگی دارد. اشتباهات این فرآیند، بسیار نادر است، بنابراین پلی‌پپتیدها با دنباله‌ای از صدها اسیدآمینه به طور منظم با اسیدآمینه‌های درست ساخته می‌شوند.

مکک

تولید انسولین انسانی در باکتری‌ها

تولید انسولین انسانی در باکتری‌ها؛ نمونه‌ای از فراگیری کدهای ژنتیکی که امکان انتقال ژن بین گونه‌ها را فراهم می‌کند.

دیابت در برخی افراد به دلیل تخریب سلول‌های ترشح‌کننده هورمون انسولین لوزالمعده، رخ می­‌دهد که با تزریق  انسولین قابل درمان است. انسولین خوکی و گاوی که از لوزالمعده خوک‌ و گاو استخراج می‌شوند، به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته‌اند. انسولین خوکی در توالی اسیدآمینه‌ای با انسولین انسانی فقط یک تفاوت و انسولین گاوی سه تفاوت دارد. انسولین کوسه، که برای درمان بیماران دیابتی در ژاپن استفاده شده است نیز هفده تفاوت دارد.

هر یک از این گونه‌ها با انتقال ژن انسولین انسانی، از نظر ژنتیکی اصلاح شده‌اند. این کار به گونه‌ای انجام می‌شود که ژن برای تولید mRNA رونویسی می‌شود و mRNA برای تولید مقادیر قابل برداشت انسولین ترجمه می‌شود. انسولین تولید شده دقیقاً همان توالی اسیدآمینه‌ای را دارد به طوری که انگار ژن در سلول‌های انسانی رونویسی و ترجمه شده‌است.علی‌رغم تفاوت در توالی اسیدآمینه‌ای بین انسولین حیوانی و انسانی، همه آن‌ها به گیرنده انسولین انسانی متصل می‌شوند و باعث کاهش غلظت گلوکز خون می‌شوند. با این حال، برخی از بیماران دیابتی نسبت به انسولین‌های حیوانی دچار حساسیت می‌شوند، بنابراین استفاده از انسولین انسانی در اولویت است. در سال 1982 انسولین انسانی برای اولین‌بار با استفاده از باکتری‌های اکلای اصلاح شده ژنتیکی تولید شد و به صورت تجاری در دسترس قرار گرفت. از آن زمان روش‌های تولید با استفاده از سلول‌های مخمر و اخیراً گیاهان گلرنگ[1] توسعه یافته است.

این اتفاق ممکن است واضح به نظر برسد، اما هر tRNA  باید همان اسیدآمینه‌ای را داشته باشد که در انسان وجود دارد. به عبارت دیگر، اکلای، مخمر و گلرنگ (پروکاریوت، قارچ و گیاه) همگی از کدهای ژنتیکی مشابه انسان(حیوان) استفاده می‌کنند. برای مهندسان ژنتیک باعث امیدواری است که همه موجودات، به استثنای موارد بسیار کمی، از کدهای ژنتیکی یکسانی استفاده می‌کنند. طوری که انتقال ژن را بین گونه‌های کاملاً  متفاوت امکان‌پذیر می‌کند.

[1] safflower

[1] degenerate

[1] sense

[2] antisense

[1] Re-annealing

[2] Primers

[3] Thermus aquaticus

[4] Denature

 

 

 

 

[1[1] Har   ] complementary base pairingold Urey

[2] caesium chloride density gradient centrifugation

 

[1] Semi-conservative

[2] Helicase

[3] DNA polymerase

[4] RNA polymerase

[5] polymerase chain reaction

[6] Meselson and Stahl

[7] complementary base pairing

[8] Harold Urey

[9] caesium chloride density gradient centrifugation

اشتراک گذاری:

دیدگاهتان را بنویسید