هر آنچه باید درمورد سلول ها و عملکرد آن‌ها بدانید

ما همگی در سطح میکروسکوپی از سلول تشکیل شده‌ایم. اگر به خودتان در آینه نگاه کنید، درواقع حدود ۱۰ تریلیون سلولی را مشاهده خواهید کرد که به ۲۰۰ نوع مختلف تقسیم شده‌اند. ماهیچه‌های ما از سلول‌های (یاخته) ماهیچه‌ای و کبد ما از سلول‌های کبد تشکیل شده‌اند و حتی گروه‌های سلولی خاص دیگری هم مینای دندان یا عدسی چشم‌ها را تشکیل داده‌اند.

اگر می‌خواهید در مورد علت و چگونگی عملکرد بدن اطلاعاتی به‌ دست بیاورید باید ابتدا از سلول‌ها شروع کنید. هر موردی در بدن، از تولید مثل گرفته تا عفونت‌ها و ترمیم استخوان‌های شکسته در سطح سلولی انجام می‌شود. اگر حتی بخواهید وارد مبحث‌های جدیدتری مثل بیوتکنولوژی و مهندسی ژنتیک  بشوید، ابتدا باید سلول‌ها را بشناسید.

بدن انسان از حدود ۱۰ تریلیون سلول تشکیل شده است. هر موردی از تولید مثل گرفته تا عفونت و ترمیم استخوان شکسته همگی در سطح سلولی انجام می‌شود. 

خوانندگان مقالات یا مجله‌های علمی، به‌خوبی می‌دانند که این روزها، ژن‌ها سرتیتر اخبار علمی هستند. اصطلاحات و کلماتی که ممکن است بیشتر از همه شنیده باشید، عبارت‌اند از: بیوتکنولوژی، اتصال ژن، ژنوم انسان، مهندسی ژنتیک، DNA نوترکیب، بیماری‌های ژنتیکی، جهش DNA، ژن درمانی و DNA فینگرپرینت یا تهیه طرح از DNA.

علم ژنتیک به‌سرعت درحال تغییر دادن عرصه‌هایی مثل پزشکی، کشاورزی و حتی سیستم حقوقی است.

در این مقاله برای درک چگونگی عملکرد سلول‌ها، آن‌ها را از نظر مولکولی مورد بررسی قرار می‌دهیم و سلول‌ها را در ساده‌ترین شکل یعنی سلول‌های باکتریایی تحلیل خواهیم کرد. شما می‌توانید با درک چگونگی عملکرد باکتری، مکانیزم اساسی تمامی سلول‌های بدن را بشناسید. این موضوع به دو دلیل جذاب است: ابتدا چون ماهیتی کاملا شخصی دارد و ثانیا اینکه آگاهی و درک افراد از اخبار روز دنیا در عرصه‌های پزشکی را آسان‌تر می‌کند. همچنین وقتی نحوه‌ی عملکرد سلول را یاد بگیرید، راحت‌تر خواهید توانست سؤالات مرتبط با آن را پاسخ دهید؛ سؤالاتی که شاید برای شما هم پیش آمده باشد:

 تمامی این سؤالات جواب مشخصی دارند؛ ولی باید ابتدا چگونگی عملکرد و فعالیت‌ سلول‌ها را یاد بگیریم.

بخش‌های مختلف سلول

همان‌طور که اشاره کردیم بدن ما متشکل از ۱۰ تریلیون سلول است. بزرگ‌ترین سلول‌های بدن انسان به‌اندازه‌ی قطر یک تار مو هستند؛ ولی اکثر سلول‌های بدن حتی بسیار کوچک‌تر از این مقادیر هستند و شاید اندازه‌ی آن‌ها برابر با یک‌دهم قطر تار موی انسان باشد.

دستی به موهای خود بکشید. موها زیاد ضخیم نیستند؛ شاید ضخامت و قطر آن‌ها حدود ۱۰۰ میکرون باشد (هر یک میلیون میکرون برابر با یک متر است). یک سلول عادی می‌تواند به‌اندازه‌ی یک‌دهم ضخامت موی شما یعنی حدود ۱۰ میکرون باشد. به انگشت کوچک پای خود نگاه کنید. همین انگشت کوچک از ۲ تا ۳ میلیارد سلول یا حتی بیشتر (بسته‌ به اینکه اندازه‌ی آن چقدر باشد) تشکیل شده است. اگر خانه‌ای را پر از نخودهای کوچک در نظر بگیرید، خود خانه انگشت کوچک شما است و نخودها سلول‌ها هستند.

نمایی کلی و متداول از یک سلول جانوری

باکتری‌ها، ساده‌ترین نوع سلول‌های امروزی هستند. باکتری، یک سلول زنده‌ی واحد است. اشریشیا کولی (یا باکتری ئی کلای) یک باکتری معمولی به اندازه‌ی حدود یک‌صدم سلول انسان است (شاید طول آن یک میکرون و عرض آن یک‌دهم میکرون باشد) و بدون میکروسکوپ قابل مشاهده نیست. هنگامی که بدن شما دچار عفونت می‌شود، باکتری‌ها در اطراف سلول‌های بزرگ بدن شناور می‌شوند؛ مانند قایق‌های پارویی در کنار یک کشتی بزرگ.

باکتری‌ها بسیار ساده‌تر از سلول‌های بدن انسان هستند. یک باکتری دارای پوششی خارجی به‌ نام غشا یا پوسته سلولی است. داخل غشا، مایعی به‌ نام سیتوپلاسم وجود دارد. حدود ۷۰ درصد سیتوپلاسم را آب تشکیل می‌دهد. ۳۰ درصد بقیه دربردارنده‌ی پروتئین‌هایی به‌ نام آنزیم (که خود سلول تولید می‌کند) مولکول‌های کوچکی به‌ نام آمینو اسید، مولکول‌های گلوکز و ATP (آدنوزین تری فسفات) هستند. در مرکز سلول، مولکول DNA قرار دارد (که شبیه یک توپ نخی مچاله‌شده است). اگر DNA داخل باکتری را به‌صورت یک رشته‌ی مستقیم بیرون بکشیم، در مقایسه با خود باکتری بسیار درازتر خواهد شد؛ حدود هزار برابر درازتر.

باکتری e coli، شکلی کپسول مانند دارد. قسمت خارجی سلول، غشای سلولی است که در در تصویر پایین به‌ رنگ نارنجی درآمده است. سلول e coli دارای دو غشای محافظ است. داخل غشا، سیتوپلاسم وجود دارد که از میلیون‌ها آنزیم، قند، ATP و سایر مولکول‌های شناور در آب تشکیل شده است. DNA در مرکز سلول قرار دارد که شبیه یک توپ مچاله‌شده است. DNA داخل باکتری هیچ محافظی ندارد و در داخل سیستوپلاسم و تقریبا در مرکز سلول شناور است. رشته‌های درازی در خارج از سلول به‌ نام تاژک وجود دارند که سلول را حرکت می‌دهند. البته‌ همه‌ی باکتری‌ها، تاژک ندارند. در سلول‌های بدن انسان هم تنها سلول‌های اسپرم دارای تاژک هستند.

سلول‌های بدن انسان بسیار پیچیده‌تر از باکتری‌ها و دارای یک غشای هسته‌ای برای حفاظت از DNA هستند. سلول‌های انسان همچنین دارای غشاهای اضافه، ساختارهایی مثل میتوکندری و دستگاه گلژی و ویژگی‌های پیشرفته‌ی دیگری هستند. البته فرآیندهای اساسی باکتری‌ها و سلول‌های بدن انسان یکسان هستند؛ از همین رو توضیح خودمان از باکتری شروع می‌کنیم.

آنزیم ها

تمامی کارهای داخل سلول در تمامی لحظه‌ها توسط آنزیم‌ها صورت می‌گیرد. اگر آنزیم‌ها را بشناسید، سلول‌ را خواهید شناخت. یک باکتری مانند e coli حدود ۱۰۰۰ نوع آنزیم مختلف شناور در سیتوپلاسم دارد.

ساختار گلوکز

آنزیم‌ها خواص جالبی دارند که آن‌ها را به ماشین‌های واکنش شیمیایی تبدیل می‌کند. هدف هر آنزیم در سلول، ایجاد واکنش شیمیایی سریع در داخل سلول است. این واکنش‌ها باعث ساخت مواد توسط سلول یا جدا کردن موارد ضروری می‌شوند. به این ترتیب، سلول رشد می‌کند و تکثیر می‌شود. یک سلول در ساده‌ترین سطح، مخزنی بزرگ و پر از واکنش‌های شیمیایی است؛ واکنش‌هایی که توسط آنزیم‌ها انجام می‌شوند.

آنزیم‌ها از آمینو اسید تشکیل شده‌اند و درواقع نوعی پروتئین هستند. وقتی آنزیمی تشکیل می‌شود، حدود ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ آمینو اسید در یک ترتیب و آرایش خاص درکنار هم قرار می‌گیرند. زنجیره‌ی آمینو اسید در ادامه یک شکل منحصربه‌فرد به خود می‌گیرد. چنین شکلی باعث می‌شود آنزیم بتواند واکنش شیمیایی خاص خود را انجام دهد. هر آنزیم مانند یک کاتالیزور بسیار مؤثر برای واکنش‌های شیمیایی عمل می‌کند. آنزیم‌ها همچنین به انجام واکنش، سرعت می‌بخشند.

به‌عنوان مثال، قند مالتوز از دو مولکول گلوکز متصل‌ به‌ هم تشکیل شده است. آنزیم مالتاز به‌نحوی شکل می‌گیرد که بتواند پیوند میان گلوکز‌ها را بشکند و دو گلوکز آزاد به‌ وجود بیاورد. تنها کاری که آنزیم مالتاز انجام می‌دهد شکستن همین پیوند مولکول‌های مالتوز است؛ اما این آنزیم کارش را بسیار سریع و مؤثر انجام می‌دهد. آنزیم‌ها مولکول‌ها را می‌شکنند یا درصورت نیاز به هم متصل می‌کنند. هر آنزیمی مخصوص واکنش شیمیایی خاصی در سلول است و به کارکرد درست سلول کمک می‌کند.

مالتوز از دو مولکول متصل به هم تشکیل شده است (۱). آنزیم مالتاز پروتئینی است که شکل آن برای شکستن پیوند مولکولی مالتوز مناسب است (۲). دو مولکول گلوکز آزاد می‌شوند (۳). یک آنزیم مالتاز می‌تواند بیش از هزار پیوند مالتوزی را در هر ثانیه بشکند و البته تنها می‌تواند این کار را با مولکول‌های مالتوز انجام دهد.

در شکل بالا عملکرد اساسی یک آنزیم را می‌بینید. یک مولکول مالتوز شناور در نزدیکی آنزیم مالتاز گیر می‌افتد. موضع فعال آنزیم، پیوند را می‌شکند و دو مولکول گلوکز شناور از شکسته شدن پیوند به‌ دست می‌آیند.

شاید تا به‌حال درمورد عارضه‌ی عدم توانایی هضم لاکتوز شنیده باشید یا حتی شاید اصلا خودتان از این نارسایی رنج ببرید. مشکل ناتوانی هضم لاکتوز به‌ خاطر قند موجود در شیر یا همان لاکتوز است. لاکتوز نمی‌تواند به گلوکز شکسته شود، بنابراین هضم نمی‌شود. سلول‌های روده‌ی افرادی که نمی‌توانند لاکتوز را تحمل کنند، درواقع آنزیم لاکتاز را ترشح نمی‌‌کند. آنزیم لاکتاز مسئول شکستن پیوندهای مولکول لاکتوز و تبدیل آن به گلوکز است. با نگاه کردن به این مشکل، نقش تنها یک آنزیم را در عملکرد کلی بدن بیشتر حس می‌کنید. تنها نبود یک آنزیم چنین مشکلاتی را به‌وجود می‌آورد. افرادی که از چنین مشکلی رنج می‌برند می‌توانند قبل از خوردن شیر، لاکتاز مصرف کنند تا بدنشان بتواند لاکتوز شیر را به گلوکز تبدیل سازد. البته حل مشکل بقیه‌ی آنزیم‌ها به‌سادگی آنزیم لاکتاز نیست.

داخل هر باکتری حدود هزار آنزیم وجود دارد (که لاکتاز می‌تواند یکی از آن‌ها باشد). تمامی آنزیم‌ها در سیتوپلاسم شناور هستند و منتظر ماده‌ی شیمیایی مخصوص خود برای عمل کردن می‌مانند. نسخه‌های متعددی از انواع مختلف آنزیم‌ها بسته‌به میزان اهمیت واکنش سلول وجود دارند. تعداد نسخه می‌تواند بین صدها تا میلیون‌ها آنزیم باشد. آنزیم‌ها هر کاری انجام می‌دهند؛ از شکستن گلوکز برای انرژی گرفته تا ساخت دیواره‌های سلولی، ساخت آنزیم‌های جدید و کمک‌ به تولید مثل و تکثیر سلول. به‌تعبیر عامیانه‌تر، آنزیم‌ها در سلول همه‌کاره هستند.

پروتئین‌‌ها

پروتئین زنجیره‌ای از آمینو اسیدها است. هر آمینو اسید مولکول کوچکی است که به‌عنوان بلوک سازنده هر پروتئین عمل می‌کند. اگر از چربی صرف نظر کنید، ۲۰ درصد جرم بدن را پروتئین‌ها تشکیل می‌دهند. حدود ۶۰ درصد بدن آب است. بقیه بدن هم اکثرا از مواد معدنی (مثل کلسیم در استخوان‌ها) تشکیل شده است.

ساختار امینو اسید

دلیل نام‌گذاری آمینو اسیدها وجود یک گروه آمینو (NH2) و یک گروه کربوکسیل (COOH) اسیدی است. در تصویر پایین می‌توانید ساختار شیمیایی چند آمینو اسید را مشاهده کنید. قسمت بالایی همه یکسان است. درواقع قسمت بالایی برای همه‌ی آمینو اسیدها یکسان است. تنها زنجیره‌ی پایینی کوچک آمینو اسیدها را از هم متمایز می‌کند. بخش متمایزکننده در برخی از آمینو اسیدها می‌تواند بسیار بزرگ باشد. بدن انسان ار ۲۰ نوع آمینو اسید مختلف تشکیل شده است. گفتنی است حدود ۱۰۰ آمینو اسید مختلف در طبیعت وجود دارد.

آمینو اسیدهای بدن انسان به دو دسته تقسیم می‌شوند: ضروری و غیرضروری. آمینو اسیدهای غیرضروری آمینو اسیدهایی هستند که بدن خود می‌تواند آن‌ها را با استفاده از مواد شیمیایی داخلی بسازد. اما آمینو اسیدهای ضروری در بدن ساخته نمی‌شوند و بنابراین باید آن‌ها را از طریق غذا دریافت کنیم. نام آمینو‌ اسید‌های ضروری و غیر ضروری را در ادامه مرور می‌کنیم.

آمینو اسیدهای غیر ضروری:

آمینو اسیدهای ضروری:

پروتئین‌های رژیم غذایی ما دو نوع هستند: پروتئین‌های حیوانی و پروتئین‌های گیاهی. منابع پروتئینی حیوانی (مثل شیر، گوشت قرمز و تخم مرغ) پروتئین‌های کامل هستند، یعنی تمامی آمینو اسیدهای ضروری بدن ما را تأمین می‌کنند. منابع پروتئینی گیاهی معمولا برخی از آمینو اسیدها را در خود ندارند. به‌عنوان مثال برنج مقدار بسیار کمی ایزولوسین و لیزین دارد. البته درست است که منابع گیاهی همه‌ی آمینو اسیدها را با هم ندارند؛ ولی شما می‌توانید با ترکیب کردن آن‌ها، تمامی نیازهای پروتئینی خود را تأمین کنید. برخی از گیاهان پروتئین بسیار کمی دارند، درحالی‌که آجیل، لوبیا و سویا درصد پروتئین بالایی دارند. می‌توان با ترکیب منابع گیاهی، تمامی آمینو اسیدهای ضروری بدن را فراهم کرد.

دستگاه گوارش تمامی پروتئین‌ها را به آمینو اسید تبدیل می‌کند تا آن‌ها را وارد جریان خون کند. سپس سلول‌ها از آمینو اسیدها برای ساختن آنزیم‌ها و پروتئین‌های ساختاری استفاده می‌کنند.

کارکرد آنزیم‌ها

همه نوع آنزیمی در باکتری‌ها و سلول‌های بدن انسان یافت می‌شود و بسیاری از آن‌ها واقعا جالب هستند. سلول‌ها از آنزیم‌ها برای رشد، تولید مثل و تولید انرژی استفاده می‌کنند و اغلب آنزیم‌ها را به خارج از دیواره‌ی سلولی خود ترشح می‌کنند. به‌عنوان مثال باکتری e coli آنزیم‌ها را برای کمک‌ به شکستن مولکول‌های غذا ترشح می‌کند تا غذا از طریق دیواره‌ی سلولی وارد سلول باکتری شوند. برخی از آنزیم‌هایی که شاید تا به حال اسم‌شان را شنیده باشید عبارت‌اند از:

آنزیم پروتئاز یا پپتیداز: پروتئاز پروتئین‌های دراز را به زنجیره‌های کوچکی به‌ نام پپتید می‌شکند (پپتید یک زنجیره‌ی آمینو اسیدی کوتاه است). پپتیداز، پپتیدها را به آمینو اسید تبدیل می‌کند. پروتئاز و پپتیداز در مواد شوینده هم به‌کار می‌روند و با شکستن پروتئین‌ها باعث پاک شدن مواردی مثل لکه‌های خون از لباس می‌شوند. برخی از پروتئازها بسیار تخصصی عمل می‌کنند. این در درحالی است که بقیه‌ی آن‌ها تنها برای زنجیره‌ی آمینو اسیدها مناسب هستند. (شاید در مورد مهارکننده‌های پروتئاز در داروهایی که برای مبارزه با ویروس ایدز به‌کار می‌رود مواردی شنیده باشید. ویروس ایدز در چرخه‌ی تولید مثل خود از پروتئازهای ویژه‌ای استفاده می‌کند. مهارکننده‌های پروتئاز با مهار کردن آنزیم‌ها، از تولید مثل ویروس جلوگیری می‌کنند.)

آمیلاز: آنزیم آمیلاز، زنجیره‌های نشاسته را به مولکول‌های کوچک قندی تبدیل می‌کند. بزاق و روده‌ی کوچک ما حاوی آمیلاز است. آنزیم‌های مالتاز، لاکتاز و سوکراز بعد از آمیلاز، قندهای ساده را به مولکول‌های گلوکز تبدیل می‌کنند.

لیپاز: آنزیم لیپاز برای شکستن مولکول‌های چربی‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

سلولاز: آنزیم‌های سلولاز، مولکول‌های سلولز را به قند ساده‌تر تبدیل می‌کنند. باکتری‌های داخل معده‌ی گاو و موریانه‌ها، سلولاز ترشح می‌کند و به همین دلیل، گاو و موریانه می‌توانند مواردی مثل علف و چوب را بخورند.

باکتری‌ها آنزیم‌ها را به خارج از دیواره‌ی سلولی خود می‌فرستند. مولکول‌های محیط به قسمت‌های کوچک‌تر تقسیم می‌شوند (پروتئین‌ها به آمینو اسید، نشاسته به قند ساده‌تر و ...) تا بتوانند از دیواره‌ی سلولی عبور کنند و وارد سیتوپلاسم شوند. e coli به‌همین طریق غذای مورد نیازش را دریافت می‌کند. 

داخل سلول صدها آنزیم اختصاصی وظایف مورد نیاز برای ادامه‌ی حیات سلول را انجام می‌دهند. برخی از آنزیم‌هایی که داخل سلول وجود دارند عبارت‌اند از:

آنزیم‌های انرژی: یک مجموعه‌ی ده تایی از آنزیم‌ها که قابلیت گلیکولیز را به سلول می‌بخشند. یک مجموعه ۸ تایی دیگر از آنزیم‌ها وظیفه‌ی کنترل چرخه اسید سیتریک را برعهده دارند (که به چرخه کربس هم معروف است). کار این دو مجموعه در کنار هم باعث می‌شود تا سلول گلوکز و اکسیژن را به آدنوزین تری فسفات یا ATP تبدیل کند. یک مولکول گلوکز در سلول مصرف‌کننده‌ی اکسیژن مثل e coli یا سلول بدن انسان، ۳۶ مولکول ATP را به‌وجود می‌آورد ( در سلول‌هایی مثل سلول‌های مخمر که بدون اکسیژن زندگی می‌کنند، تنها دو مولکول ATP به‌ازای هر مولکول گلوکز ساخته می‌شود). ATP، مولکول سوخت‌رسانی است و در واکنش‌های شیمیایی به آنزیم‌ها کمک می‌کند.

آنزیم‌های محدودکننده: بسیاری از باکتری‌ها می‌توانند آنزیم‌های محدودکننده تولید کنند. آنزیم‌های محدودکننده تمامی الگوهای زنجیره‌های DNA را شناسایی می‌کنند و با همین الگوها DNA را می‌شکنند. وقتی ویروسی، DNA خود را وارد باکتری کرد، آنزیم محدودکننده‌ی DNA ویروس را شناسایی کرده و آن را قطع می‌کند و قبل از اینکه ویروس بتواند تولید مثل کند، آن را از بین می‌برد.

آنزیم‌های دست‌کاری DNA: آنزیم‌های ویژه‌ای که در کنار رشته‌های DNA حرکت می‌کنند و آن‌ها را اصلاح می‌کنند. آنزیم‌هایی هم وجود دارند که می‌توانند رشته‌های DNA را باز کنند و دوباره آن‌ها را بسازند (DNA پلی‌مراز). آنزیم‌هایی هم مسئول پیدا کردن الگوهای کوچک DNA و چسباندن آن‌ها هستند تا از دسترسی‌ به آن بخش از DNA جلوگیری کنند (پروتئین DNA پیوست).

آنزیم‌های آنزیم‌ساز: همه‌ی این نوع آنزیم‌ها از جایی دیگر وارد می‌شوند و می‌توانند آنزیم‌های سلول را بسازند. ریبونوکلئیک اسید یا RNA در سه فرم مختلف (RNA پیام‌رسان، RNA حامل و RNA ریبوزومی) بخشی بزرگ از فرایند ساخت آنزیم را تشکیل می‌دهند.

 آنزیم‌ها باعث رخ دادن صحیح واکنش‌های شیمیایی در سلول بدن می‌شوند.

ساخت آنزیم

تا زمانی که غشای سلول سالم باشد و تمامی آنزیم‌های مورد نیاز سلول را بسازد، سلول زنده است. آنزیم‌ها انرژی‌ مورد نیاز سلول را از طریق گلوکز به‌وجود می‌آورند و با آن قطعات دیواره سلولی را می‌سازند. آنزیم‌ها همچنین به تولید مثل سلول و تولید آنزیم‌های جدید کمک می‌کنند.

پرسش است که این همه آنزیم از کجا شکل می‌گیرند و سلول چگونه در موقع نیاز آن‌ها را تولید می‌کند؟ اگر سلول مجموعه‌ای از آنزیم‌هایی باشد که مسئول انجام واکنش‌های شیمیایی است، واکنش‌ها چگونه آنزیم‌های مورد نیاز خود را می‌سازند و چگونه به‌سلول در تولید مثل کمک می‌کنند؟

پاسخ سؤالات در DNA یا دئوکسی ریبنوکلئیک اسید نهفته است. شما حتما مطالبی درمورد DNA، کروموزوم و ژن شنیده‌اید. DNA سلول را در ساخت آنزیم‌های جدید هدایت می‌کند.

DNA داخل یک سلول، الگویی از ۴ بخش مختلف به‌ نام نوکلئوتید است؛ بلوکی را در نظر بگیرید که فقط ۴ شکل مختلف دارد یا الفبایی را تصور کنید که تنها ۴ حرف دارد. DNA رشته‌ای دراز از حروف است. الگوی DNA در باکتری e coli حدود ۴ میلیون حرف دارد. اگر شما همین DNA را به‌صورت یک رشته بکشید، اندازه‌ی ‌آن به ۱.۳۶ میلی‌متر می‌رسد که نسبت‌ به اندازه‌ی خود باکتری ۱۰۰۰ برابر بزرگ‌تر است. رشته DNA در باکتری رشته‌ای درهم پیچیده شده است. یک رشته‌ی ۳۰۰ متری را فرض کنید که در هم پیچیده شده است و شما می‌توانید به‌آسانی آن را در دست‌ نگه دارید. هر DNA انسان حدود ۳ میلیارد بلوک دارد و تقریبا هزار برابر طولانی‌تر از e coli است. DNA انسان به‌اندازه‌ای دراز است که باید به ساختارهای ۲۳ گانه‌ای به‌ نام کروموزوم تبدیل شود تا داخل سلول به‌خوبی جا شود.

مورد جالب درمورد DNA این است که DNA تنها یک الگو برای نحوه‌ی ساخت پروتئین در سلول است. این تمام کار DNA است. ۴ میلیون نوکلئوتید در باکتری e coli، نحوه‌ی ساخت ۱۰۰۰ آنزیم را برای ادامه‌ی حیات سلول، مشخص می‌کنند. ژن به‌ زبان ساده، بخشی از DNA است که به‌عنوان قالب و الگوی ساخت آنزیم عمل می‌کند.

حال نگاهی‌ به پروسه‌ی کامل ساخت آنزیم توسط DNA می‌پردازیم تا بهتر متوجه امر شوید.

مولکول DNA

شاید درمورد ساختار دو رشته‌ای مولکول DNA مطالبی شنیده باشید. DNA مانند دو رشته در هم پیچیده‌‌شده‌ی دراز است.

DNA تمامی سلول‌ها از جفت‌های بازی از ۴ نوکلئوتید مختلف ساخته شده است. هر جفت باز از دو نوکلئوتید مکمل تشکیل شده است. ۴ باز یا نوکلئوتید DNA عبارت‌اند از: آدنین، سیتوزین، گوانین و تیمین.

آدنین و تیمین همیشه به‌عنوان یک جفت به هم متصل‌اند. سیتوزین و گوانین هم همین‌طور. جفت‌ها مانند پله‌های نردبان به‌یکدیگر متصل‌اند.

جفت بازهای متصل‌ بهم در DNA برای تشکیل ساختار نردبانی. چون پیوند با زاویه‌‌ای خاص بین بازها تشکیل می‌شود، ساختار DNA مانند دو رشته مارپیچ شکل می‌گیرد.

نردبان DNA در باکتری e coli دارای حدود ۴ میلیون جفت باز است. دو پایانه بازها برای تشکیل یک حلقه به هم متصل می‌شوند تا به‌خوبی در سلول جا شوند. حلقه‌ی کلی، ژنوم نام دارد و دانشمندان آن را کاملا رمزگشایی کرده‌اند؛ بدین معنا که آن‌ها تمامی ۴ میلیون جفت باز مورد نیاز برای تشکیل DNA یک باکتری e coli را می‌شناسند. پروژه‌ی ژنوم انسان درحال جریان است و هدف آن یافتن تمامی ۳ میلیارد یا جفت‌های باز DNA بیشتر سلول‌های بدن انسان است.

اگر به‌خاطر داشته باشید، آنزیم‌ها از ۲۰ نوع آمینو اسید در ترتیبی خاص ساخته شده بودند. بنابراین سؤال این است که چگونه می‌توان از یک DNA که خودش تنها از ۴ نوکلئوتید تشکیل شده است، تعداد ۲۰ آمینو اسید مختلف برای آنزیم را به‌دست آورد؟ دو پاسخ به چنین سوالی داده شده است:

۱. یک آنزیم جالب و فوق‌العاده پیچیده به‌ نام ریبوزوم، اطلاعات RNA پیام‌رسان (از DNA ساخته می‌شود) را می‌خواند و آن را به زنجیره‌های آمینو اسید تبدیل می‌کند.

۲. ریبوزوم برای انتخاب آمینو اسید مناسب، نوکلئوتیدها را در مجموعه‌های ۳ تایی انتخاب می‌کند و برای ۲۰ آمینو اسید رمزگذاری می‌کند.

هر ژن از یک پروموتر یا راه‌انداز، کدون‌هایی برای آنزیم و یک کدون خاتمه تشکیل شده است. در تصویر دو ژن نمایش داده شده است. رشته طولانی DNA در باکتری e coli حدود ۴ هزار ژن را رمزگذاری می‌کند و این ژن‌ها مسئول حدود ۱۰۰۰ آنزیم در سیتوپلاسم سلول e coli هستند. بسیاری از ژن‌ها مضاعف هستند.

بنابراین هر ۳ جفت باز در زنجیره DNA برای یک آمینو اسید در آنزیم رمزگذاری می‌شوند. به ۳ نوکلئوتید خطی DNA، کدون یا رمز گفته می‌شود. چون DNA متشکل از ۴ باز مختلف است و از طرفی هم ۳ باز داخل یک کدون هستند، در نتیجه (۴×۴×۴) ۶۴ حالت الگوی مختلف برای یک کدون وجود دارد. از طرفی هم تنها ۲۰ نوع آمینو اسید داریم؛ بنابراین  برخی از کدون‌ها، آمینو اسیدهای یکسانی را ترجمه می‌کنند. افزون بر این، کدون پایان‌دهنده‌ای هم وجود دارد که نشان‌دهنده پایان روند ترجمه در ژن است. بنابراین در یک رشته DNA صد تا هزار کدون (۳۰۰ تا ۳ هزار باز) وجود دارد که آمینواسیدهای سازنده‌ی یک آنزیم خاص را مشخص می‌کنند و در آخر هم کدون پایان‌دهنده، پایان روند ترجمه‌ی زنجیره را مشخص می‌کنند. در ابتدای زنجیره بخشی از بازها به نام پروموتر یا راه‌انداز وجود دارد. پس هر ژن از یک پروموتر، مجموعه‌ای از کدون‌ها برای آمینو اسیدهای یک آنزیم خاص و یک کدون پایان‌دهنده تشکیل شده است.

سلول برای ساختن یک آنزیم باید ابتدا ژن داخل DNA را داخل RNA پیام‌رسان رونویسی کند. رونویسی یا فرانویسی توسط آنزیمی به‌ نام RNA پلی‌مراز انجام می‌شود. RNA پلی‌مراز در قسمت پروموتر به رشته DNA متصل می‌شود، دو رشته DNA را از هم جدا می‌کند و نسخه مکملی از یکی از رشته‌ها را روی رشته RNA رونویسی می‌کند. RNA یا ریبونوکلئیک اسید، بسیار به DNA شبیه است؛ با این تفاوت که به‌صورت تک‌رشته‌ای کار می‌کند (برخلاف DNA که حالت دو رشته‌ای دارد). بنابراین وظیفه‌ی RNA پلی‌مراز وارد کردن یک نسخه‌ی کپی از ژن موجود در DNA به یک رشته RNA پیام‌رسان (mRNA) است.

سپس رشته mRNA نزد ریبوزوم، شاید یکی از جالب‌ترین آنزیم‌های طبیعت، می‌رود. ریبوزوم به اولین کدون موجود در رشته RNA پیام‌رسان نگاهی می‌اندازد، آمینو اسید مناسب آن کدون را پیدا می‌کند، آن را نگه می‌دارد، سپس سراغ کدون بعدی می‌رود، آمینو اسید مناسب آن را هم پیدا می‌کند و به اولین آمینو اسید قبلی وصل می‌کند، سپس سومین کدون را پیدا می‌کند و این روند تا آخر همین‌طور ادامه پیدا می‌کند. ریبوزوم وقتی به آخرین کدون (کدون پایان‌دهنده) رسید، زنجیره‌ی نهایی را آزاد می‌کند. زنجیره‌ی طولانی آمینو اسید هم خودش یک نوع آنزیم است؛ بنابراین شکل خاصی به‌خود می‌گیرد و واکنش‌های خاص خود در سلول را انجام می‌دهد.

وظیفه دشوار

مشخصا فرایند بالا، اصلا ساده نیست. یک ریبوزوم، ساختاری بسیار پیچیده از آنزیم‌ها است و RNA ریبوزومی (rRNA) به‌شکل یک ماشین مولکولی بزرگ درمی‌آید. ریبوزوم با کمک ATP تعاملات خود را با RNA پیام‌رسان انجام می‌دهد. همچنین RNA حامل یا tRNA هم به ریبوزوم کمک می‌کند. tRNA یک مجموعه‌ی ۲۰ مولکولی است که مانند یک حامل، ۲۰ آمینو اسید مختلف را انتقال می‌دهد. وقتی ریبوزوم به‌سمت کدون بعدی حرکت می‌کند، مولکول tRNA صحیح، کار را با قرار دادن آمینو اسید مناسب تکمیل می‌کند. ریبوزوم ، آمینو اسید را از tRNA می‌گیرد و آن را در زنجیره‌ی آنزیم قرار می‌دهد؛ سپس مولکول خالی tRNA را خارج می‌کند تا بتواند آمینو اسید صحیح بعدی را دریافت کند.

همان‌طور که می‌دانید، داخل هر سلول فرآیندهای مختلفی برای زنده نگه داشتن سلول انجام می‌شود که عبارت‌اند از:

سیتوپلاسم هر سلول پر از ریبوزوم، RNA پلی‌مراز، RNA، mRNA و آنزیم است که همه‌ی آن‌ها بدون وابستگی به یکدیگر واکنش‌شان را انجام می‌دهند.

تا زمانی که آنزیم‌های داخل سلول به فعالیت خود ادامه دهند و همه‌ی آنزیم‌های ضروری در سلول وجود داشته باشند، سلول زنده می‌ماند. نکته جانبی جالب اینکه اگر مقداری از سلول‌های مخمر را برداریم و با آن‌ها درست رفتار نکنیم (مثلا آن‌ها را داخل مخلوط‌کن بریزیم) تا آنزیم آزاد کنند، آن‌ها باز هم همان‌ کارهای سلول‌های مخمر زنده را برای مدتی انجام خواهند داد (مثلا از قند، کربن‌دی‌اکسید و الکل تولید خواهند کرد). اما اگر سلول‌ها دیگر فعال نباشند و درنتیجه مرده باشند، دیگر آنزیم جدیدی تولید نخواهند کرد و وقتی آنریم‌های موجود تمام شوند، کل مجموعه از کار خواهد افتاد.

تولید مثل

یکی از نشانه‌های تمامی موجودات زنده توانایی آن‌ها در تولید مثل است. تولید مثل باکتری، یک رفتار آنزیمی دیگر است. آنزیمی به نام DNA پلی‌مراز به‌همراه چندین آنزیم دیگر رشته DNA را تکثیر می‌کنند. به عبارت دیگر، DNA پلی‌مراز، دو رشته‌ی DNA را باز می‌کند و دو رشته جدید برای هر کدام می‌سازد. وقتی DNA به آخر چرخه تولید رشته جدید رسید، دو نسخه کپی از چرخه وارد سلول باکتری e coli می‌شوند. سلول خودش را به دو نیم تبدیل می‌کند به‌گونه‌ای که هر DNA وارد یک سلول شود.

هر سلول e coli می‌تواند در شرایط مناسب، در هر ۲۰ الی ۳۰ دقیقه این‌گونه تقسیم شود. روند آنزیمی رشد سلول، تکثیر DNA و تقسیم شدن آن می‌تواند بسیار سریع رخ دهد.

سموم و آنتی‌بیوتیک‌ها

اکنون می‌‌دانید که زندگی سلول‌ها به آنزیم‌های شناور در سیتوپلاسم وابسته است. بسیاری از سموم، تعادل آنزیم‌های سلول را به هم می‌زنند و این‌گونه باعث مرگ سلول‌ها می‌شوند.

به‌عنوان مثال، سم دیفتری ریبوزوم‌های سلول را از کار می‌اندازد و نمی‌گذارد که آن‌ها به‌سمت رشته‌ی mRNA بروند. سم موجود در قارچ کلاهک مرگ، RNA پلی‌مراز را از کار می‌اندازد و رونویسی DNA را متوقف می‌کند. همان‌طور که دیدید در هر دو نمونه تولید آنزیم‌های جدید متوقف می‌شود و سلول تحت تأثیر سم، دیگر نمی‌تواند رشد یا تولید مثل کند.

آنتی‌بیوتیک سمی است که برای از بین بردن سلول‌های باکتریایی بدون آسیب زدن به سلول‌های بدن انسان مورد استفاده قرار می‌گیرد. تمامی آنتی‌بیوتیک‌ها واکنش مختلفی نسبت‌به سلول‌های بدن انسان در مقابل سلول‌های باکتریایی دارند؛ چون این دو خودشان با هم فرق دارند. اگر سمی وجود داشته باشد که بتواند به‌عنوان مثال روی ریبوزوم باکتری e coli تأثیر بگذارد؛ ولی روی ریبوزوم سلول بدن انسان بی‌تأثیر باشد، می‌تواند آنتی‌بیوتیک خوبی باشد. استرپتومایسین آنتی‌بیوتیکی است که همین‌گونه رفتار می‌کند.

پنی‌سیلین یکی از اولین آنتی بیوتیک‌ها بود. پنی‌سیلین توانایی باکتری برای ساخت دیواره سلولی را مختل می‌کند. از آنجایی که دیواره‌ی سلولی انسان با باکتری‌ها متفاوت است، پنی‌سیلین اثر خوبی روی برخی‌از باکتری‌ها دارد و برای سلول‌های بدن انسان ضرری ندارد. داروهای سولفا با مختل کردن آنزیم‌های تولید نوکلئوتید در باکتری و بدون اثر گذاشتن روی سلول‌های بدن انسان کار می‌کنند. باکتری‌ها بدون نوکلئوتید نمی‌توانند تولید مثل کنند.

همان‌طور که می‌بینید، حتی کشف آنتی‌بیوتیک‌های مفید برای بدن انسان هم با توجه‌به آنزیم‌ها صورت می‌گیرد. درواقع تفاوت عملکرد آنتی‌بیوتیک روی آنزیم‌های بدن انسان و باکتری نشان‌دهنده کیفیت آنتی‌بیوتیک است. آنتی‌بیوتیک خوب باید بدون اثر گذاشتن روی بدن انسان، باکتری‌ها را از بین ببرد.

مشکل آنتی‌بیوتیک‌ها، از دست دادن میزان تأثیر با گذشت زمان است. باکتری‌ها به‌اندازه‌ای سریع تولید مثل می‌کنند که احتمال جهش در آن‌ها بسیار بالا می‌رود. در بدن ما، میلیون‌ها باکتری توسط آنتی بیوتیک‌ها از بین می‌روند؛ ولی اگر از این میان، تنها یکی از باکتری‌ها جهش پیدا کند و نسبت‌به آنتی‌بیوتیک مقاوم شود، به‌سرعت تولید مثل می‌کند و می‌تواند به انسان‌های دیگر هم سرایت کند. اکثر بیماری‌های باکتریایی به‌دلیل جهش و مقاوم شدن باکتری‌ها در مقابل برخی یا همه آنتی‌بیوتیک‌ها هستند.

ویروس‌ها

ویروس‌ها واقعا جالب هستند. اگرچه ویروس‌ها زنده نیستند؛ ولی می‌توانند با دزدیدن سیستم یک سلول زنده، تولیدمثل کنند. شما می‌توانید در مورد ویروس‌ها بیشتر بخوانید؛ ولی ما به گفتن چندین نکته اساسی درمورد آن‌ها بسنده می‌کنیم.

یک ویروس از یک غلاف ویروسی پیچیده‌شده به‌دور یک رشته‌ی DNA یا RNA تشکیل شده است. غلاف و رشته کوتاه DNA ویروس می‌تواند بسیار ریز باشد (هزاران برابر کوچک‌تر از یک باکتری). غلاف ویروس معمولا دارای شاخک‌های حسگری است که می‌توانند به خارج یک سلول متصل شوند. زمانی‌که ویروس به سلول بچسبد، DNA ( یا RNA، بستگی‌به نوع ویروس دارد) خودش را داخل سلول تزریق می‌کند و غلاف را در خارج از سلول رها می‌کند.

رشته DNA یا RNA ساده‌ترین ویروس‌ها، آزادانه داخل سلول شناور می‌شود. RNA پلی‌مراز از روی رشته‌ی DNA سلول رونویسی می‌کند و ریبوزوم‌ها هم آنزیم‌های مشخص‌شده توسط DNA ویروس را می‌سازند. آنزیم‌هایی که DNA ویروس می‌سازد می‌توانند غلاف ویروسی جدید و سایر اجزای ویروس را بسازند. در ویروس‌های ساده، غلاف‌ها دور رشته‌های DNA می پیچند. وقتی سلول پر از ذرات ویروسی جدید شد می‌ترکد و ذرات ویروسی را برای حمله‌ جدید به بقیه سلول‌ها آزاد می‌کند. ویروس‌ها با چنین روشی به‌سرعت تولید مثل می‌کنند.

در بیشتر مواردی که بدن با ویروس‌ها مواجه می‌شود، سیستم ایمنی بدن شروع‌به تولید و ترشح پادتن می‌کند. پادتن‌ها پروتئین‌هایی هستند که به ذرات ویروس می‌چسبند و نمی‌گذارند که آن‌ها به سلول‌های جدید بچسبند. سیستم ایمنی همچنین می‌تواند با شناسایی سلول‌های آلوده از طریق غلاف ویروسی دور آن‌ها، آن‌ها را از بین ببرد. 

آنتی‌بیوتیک‌ها هیچ اثری روی ویروس‌ها نمی‌گذارند، چراکه ویروس اصلا زنده نیست. درواقع موردی برای کشتن وجود ندارد. ایمن‌سازی بدن در مقابل ویروس‌ها قبل از مواجهه با آن‌ها کاری است که باید صورت گیرد. با ایمن‌سازی پیشاپیش، بدن پادتن‌های مورد نیاز برای ویروس‌های خاص را می‌سازد و به‌محض شناسایی، با آن‌ها مقابله می‌کند.

بیماری‌های ژنتیکی

بسیاری از بیماری‌های ژنتیکی به‌دلیل از دست رفتن یک ژن به‌خاطر یک آنزیم اتفاق می‌افتند. در اینجا به برخی از مشکلات رایج به‌خاطر از دست رفتن ژن‌ها می‌پردازیم:

عدم هضم لاکتوز:

عدم توانایی هضم لاکتوز (قند شیر) به‌خاطر از دست رفتن ژن لاکتاز اتفاق می‌افتد. بدون ژن لاکتاز، سلول‌های روده آنزیم لاکتازی تولید نمی‌کنند.

آلبینیسم یا زالی:

افراد زال، ژٰن آنزیم تیروزیناز را ندارند. تیروزیناز برای تولید ملانین یا همان رنگدانه‌ی رنگ مو و رنگ چشم ضروری است. بدون تیروزیناز، ملانینی هم در کار نخواهد بود.

فیبروز سیستیک:

در این بیماری، ژن تولیدکننده پروتئینی به‌ نام تنظیم‌کننده‌ی هدایت تراغشایی فیبروز سیستیک ( سی‌اف‌تی‌آر) آسیب می‌بیند. با استناد به دانشنامه بریتانیکا: نقص (یا جهش) در ژن کروموزوم ۷ بیمار فیبروز سیستیک باعث تولید پروتئینی می‌شود که فاقد آمینو اسید فنیل‌آلانین است. پروتئین ناقص تاحدودی حرکت نمک و آب در غشای ریه‌ها و شکم را مختل می‌کند؛ درنتیجه مخاط چنین سطوحی بدون آب و چسبنده می‌شود. مخاط چسبنده و سفت جمع‌شده در ریه‌ها تنفس را مشکل می‌کند. نتیجه‌ی چنین بیماری‌، عفونت‌های تنفسی مزمن است. سرفه‌های مزمن، سینه‌پهلوی مکرر و خوب کار نکردن ریه‌ها جزو نشانه‌های این بیماری هستند و اکثرا هم دلیل مردن بیماران فیبروز سیستیک محسوب می‌شوند.

سایر بیماری‌های ژنتیکی عبارت‌اند از:

تی‌-سکس: آسیب به ژن آنزیم هگزوزآمینیداز آ که منجر به تجمع یک ماده شیمیایی در مغز و نابودی آن می‌شود

کم‌خونی داسی‌شکل: رمزگذاری اشتباه ژن تولیدکننده هموگلوبین

هموفیلی: فقدان ژن مورد نیاز برای عامل لخته خون

دیستروفی ماهیچه‌ای: به‌دلیل ژن معیوب کروموزوم ایکس

حدود ۶۰ هزار ژن در ژنوم انسان وجود دارد که اگر از بالغ بر ۵ هزار تای آن‌ها تنها یک ژن آسیب ببیند یا از بین برود، بیماری‌های ژنتیکی به‌وجود می‌آیند. جالب است که آسیب وارد شدن تنها به یک آنزیم سبب بسیاری از مشکلات در زندگی می‌شود.

بیوتکنولوژی

بیوتکنولوژی و مهندسی ژنتیک چیست؟ بیوتکنولوژی سه دستاورد مهم دارد:

تولید باکتریایی موادی مثل اینترفرون انسانی، انسولین انسانی و هورمون رشد انسان. مثلا باکتری‌های ساده‌ای مثل e coli دست‌کاری می‌شوند تا این مواد شیمیایی مفید را تولید کنند. باکتری‌های e coli در مقادیر زیاد برای استفاده در پزشکی کشت می‌شوند. باکتری‌ها همچنین برای تولید تمامی مواد شیمیایی دیگر و آنزیم‌ها اصلاح می‌شوند.

اصلاح گیاهان برای تغییر واکنش آن‌ها نسبت‌ به محیط، بیماری یا آفت. به‌عنوان مثال، با اضافه کردن آنزیم کیتیناز به ژنوم گوجه‌فرنگی، این گیاه نسبت‌ به قارچ مقاومت پیدا می‌کند. کیتیناز باعث شکسته شدن پیوندهای کیتین می‌شود. کیتین ماده‌ای است که دیواره‌ی سلولی قارچ را تشکیل می‌دهد. آفت‌کش‌ها می‌توانند تمامی گیاهان را از بین ببرند؛ ولی اگر به گیاهان زراعی ژن‌هایی برای اصلاح اضافه شود می‌توانند در برابر آفت‌کش‌ها مقاوم شوند.

شناسایی افراد از طریق DNA آن‌ها. DNA هرکسی منحصربه‌فرد است و تنها با گرفتن یک تست ساده از DNA افراد در صحنه‌ی جرم می‌توان آن‌ها را شناسایی کرد. روند شناسایی از طریق DNA تا حد زیادی مدیون اختراع تکنیک واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR) است. PCR نمونه‌های کوچک DNA را دریافت می‌کند و با میلیون‌ها برابر کردن آن در مدت زمانی کم، به شناسایی آن‌ها کمک می‌کند.

برای درک برخی از تکنیک‌های مورد استفاده در بیوتکنولوژی نگاهی‌ به باکتری اصلاح‌شده برای تولید انسولین انسانی می‌اندازیم.

انسولین پروتئین ساده‌ای است که به‌طور معمول در پانکراس ساخته می‌شود. پانکراس افرادی که دیابت دارند، آسیب می‌بیند و نمی‌تواند انسولین تولید کند. از آنجایی که وجود انسولین برای پردازش گلوکز بدن حیاتی است، مشکل پانکراس مشکلی جدی محسوب می‌شود. بسیاری از بیماران دیابتی باید روزانه انسولین به خود تزریق کنند. قبل از دهه‌ی ۱۹۸۰، انسولین مورد نیاز بیماران دیابتی از خوک‌ها به‌دست می‌آمد و بسیار گران بود.

برای تولید ارزان انسولین، ژن تولیدکننده‌ی آن به ژن‌های باکتری e coli اضافه می‌شود. زمانی که ژن در محل مورد نظر قرار گرفت، سلول e coli این ژن را مانند سایر آنزیم‌ها تولید می‌کند. با پرورش تعداد زیادی از باکتری‌های اصلاح‌شده و کشتن و باز کردن آن‌ها، انسولین آن‌ها بیرون کشیده شده و تصفیه می‌شود و این راه چندان هم گران نیست.

بنابراین راه حل تولید انسولین ارزان، وارد کردن ژن جدید به باکتری است. راحت‌ترین راه برای وارد کردن ژن جدید، وصل کردن آن به پلاسمید (حلقه‌ی کوچکی از DNA که باکتری‌ها بین همدیگر انتقال می‌دهند) است. دانشمندان ابزار بسیار دقیقی را برای بریدن پلاسمیدها و چسباندن ژن‌های جدید به آن‌ها توسعه داده‌اند. سپس یک نمونه از باکتری‌ها، به پلاسمید آلوده می‌شوند و برخی از آن‌ها ژن جدید را وارد DNA خودشان می‌کنند. پلاسمید حاوی ژنی است که باکتری را در برابر برخی از آنتی‌بیوتیک‌ها مقاوم می‌کند. وجود چنین ژنی برای جدا کردن پلاسمید آلوده از غیرآلوده بسیار مفید است. با وارد کردن آنتوبیوتیک به نمونه، تمامی سلول‌هایی که پلاسمید را دریافت نکرده‌اند می‌میرند. اکنون رشته جدیدی از باکتری‌های تولیدکننده انسولین وجود دارند که می‌توانند مقادیر زیادی انسولین تولید کنند.