دی ان ای و هر آنچه که باید در مورد آن بدانید (بخش سوم و پایانی)

در بخش قبلی در مورد کدون‌ها صحبت کردیم. اشاره کردیم که قرار گرفتن سه نوکلئوتید در کنار هم یک کدون را شکل می‌دهد. همچنین هر ژن دارای کدون‌هایی برای مشخص کردن آغاز (start codon) و انتهای یک ژن (stop codon) هستند.

ساخت پروتئین بسیار شبیه به ساخت یک خانه است. طرح کلی و برنامه‌ریزی‌کننده‌ی اصلی ساخت این خانه‌ی زیستی، مولکول DNA است که در بر دارنده‌ی تمامی اطلاعات مورد نیاز برای ساخت پروتئین جدید است. نسخه‌ی در حال کار و کپی‌برداری شده از طرح کلی اصلی، با نام RNA پیام‌رسان یا مسنجر (messenger RNA) شناخته می‌شود و آن را به اختصار mRNA می‌نامیم. این در واقع مولکولی است که از روی DNA کپی می‌شود. سایت ساختمانی فرضی مورد نظر برای ساخته شدن پروتئین نیز در پروکاریوت‌ها، سیتوپلاسم و در یوکاریوت‌ها، شبکه‌ی آندوپلاسمی خواهد بود. در باره‌ی این دو دسته از موجودات (یوکاریوت‌ها و پروکاریوت‌ها) در ادامه به اختصار توضیح می‌دهیم.

مواد مورد استفاده برای ساخته شدن سازه‌ی پروتئین همان اسیدهای آمینه هستند. عوامل یا کارگران سازنده‌ی این سازه نیز عبارتند از ریبوزوم‌ها و مولکول‌های انتقال‌دهنده‌ی RNA. حال بهتر است به هر یک از مراحل ساخت پروتئین‌ها، نگاه نزدیک‌تری داشته باشیم.

در یوکاریوت‌ها، DNA هرگز هسته را ترک نمی‌کند؛ به طوری که اطلاعات آن باید کپی شود. این فرایند کپی کردن را به نام رونویسی یا ترنسکریپشن (transcription) می‌شناسیم و کپی ایجادشده در این فرایند نیز mRNA است. رونویسی در سیتوپلاسم (برای پروکاریوت‌ها) یا در هسته (برای یوکاریوت‌ها) صورت می‌گیرد. رونویسی توسط آنزیمی به نام (RNA پلیمراز) انجام می‌شود که در تصویر زیر به صورت طرح‌وار نحوه‌ی احاطه‌ی RNA توسط این آنزیم را می‌بینید:

اما احتمالا این سؤال پیش می‌آید که آنزیم یادشده برای ساختن mRNA دقیقا چه فرایندی طی می‌کند. در اینجا به طور اجمالی به این مراحل اشاره می‌کنیم:

۱. این آنزیم در ابتدا به رشته‌ی DNA در محل یک توالی خاص از ژن‌ها به نام پروموتر متصل می‌شود.

۲. دو رشته‌ی DNA را از حال مارپیچی خارج و پیوند بین آن‌ها را نیز قطع می‌کند.

۳. یکی از رشته‌های DNA را به عنوان یک راهنما یا قالب برای ادامه‌ی فرایند استفاده می‌کند.

۴. نوکلئوتیدهای جدید را با مکمل‌هایشان روی رشته‌ی DNA تطبیق می‌دهد. در اینجا G با C و A با U متصل می‌شود. باید اشاره کنیم که مولکول RNA، به جای تیمین (T)، دارای اوراسیل است و آن را با نماد U خواهیم شناخت.

۵. در ادامه نوکلئوتیدهای RNAی جدید را با هم پیوند می‌دهد تا به این ترتیب یک کپی مکمل از رشته‌ی DNA داشته باشیم و باز هم باید اشاره می‌کنیم که این رشته‌ی کپی شده را mRNA نامیده‌اند.

۶. روند کار این آنزیم هنگامی که به یک دنباله‌ی پایانی از پایه‌ها (کدون‌های توقف) می‌رسد، متوقف می‌شود.

mRNA بر خلاف DNA‌ که به اقتضای ساختار خود، تمایل به ایجاد یک مارپیچ دوگانه با مکمل خود دارد، در حالت تک‌رشته‌ای نیز می‌تواند باقی بماند؛ یا بهتر است چنین بیان کنیم که تمایلی به تشکیل مارپیچ‌هایی همانند DNA‌ ندارد. در پروکاریوت‌ها، همه‌ی نوکلئوتیدهای موجود در mRNA به منزله‌ی بخشی از کدون‌های به‌کاررفته برای پروتئین‌های جدید هستند. با این حال، تنها در یوکاریوت‌ها است که توالی‌های اضافی در DNA وجود دارد و mRNA برای ساخت پروتئین‌هایی به نام اینترون کدگزاری و شناسایی نمی‌شود. این mRNA در ادامه فرایند زیر را طی می‌کند:

اینترون‌ها بریده می‌شوند و دنباله‌های کدگذاری شده (یا به تعبیری کدکننده) در همدیگر تنیده می‌شوند. سپس یک پوشش ویژ‌ه‌ی نوکلئوتیدی به یک انتهای آن افزوده می‌شود و در ادامه یک زنجیره‌ی طولانی از نوکلئوتیدهایی متشکل از ۱۰۰ تا ۲۰۰ آدنین (A) به انتهای دیگر مولکول افزوده می‌شود.

 هیچکس به طور دقیق نمی‌داند چرا این فرایند در یوکاریوت‌ها رخ می‌دهد. در نهایت، در هر لحظه شمار زیادی از ژن‌ها به طور هم‌زمان بر پایه‌ی نیازهای سلول به شکل پروتئین‌های خاصی رونویسی می‌شوند.

نسخه‌ی در حال کاری که از طرح اصلی ساخته شده است، اکنون باید به سایت ساختمانی مورد مثال در بخش قبل بروند تا در آن، کارگران پروتئین‌های جدید را بسازند. اگر سلول مورد بحث ما از نوع پروکاریوت همانند باکتری E. coli باشد، سایت ساختمانی برای پروتئین، سیتوپلاسم خواهد بود. اگر سلول از نوع یوکاریوتی باشد؛ مانند سلول‌های انسان، مولکول mRNA هسته‌ی سلول را از طریق حفره‌های بزرگ در غشای هسته‌ای (منافذ هسته‌ای) ترک می‌کند و در ادامه به شبکه‌ی آندوپلاسمی می‌رود. در قسمت‌های بعدی درباره‌ی روند سرهم‌بندی این بخش‌ها صحبت خواهیم کرد.

پیش از ادامه‌ی گزارش درباره‌ی DNA و ساخت پروتئین‌ها، شاید بهتر باشد در مورد مولکولی که در این بخش بیشتر مورد توجه قرار گرفت، اندکی دقیق‌تر شویم. مولکول RNA همان‌طور که در بخش نخست این گزارش اشاره کرده بودیم، اسید نوکلئوتید دیگری به شمار می‌رود که در ساختار حیات نقش دارد. اما تفاوت این دو اسید نوکلئوتید در چیست؟ باید بگوییم که مولکول RNA از سه حیث اصلی با مولکول DNA دارای تفاوت است:

۱. قند موجود در ساختار این مولکول به جای دئوکسی‌ریبوز، نوعی قند به نام ریبوز است.

۲. به جای دو رشته‌ای که در DNA نقش دارند، در ساختار RNA تنها یک رشته وجود دارد.

۳. مولکول RNA به جای تیمین دارای نوکلئوتیدی موسوم به اوراسیل است و نماد آن هم U است که به آن اشاره شد. بنابراین، جفت‌های پایه‌ای در RNA عبارت هستند از: سیتوزین با گوانین؛ آدنین با اوراسیل.

در یک سلول پروکاریوتی (لازم به توضیح است که این سلول‌ها به سلول‌هایی اطلاق می‌شود که هیچ اندامک متصل به غشایی ندارند؛ مانند باکتری‌ها)، هر دو مولکول DNA و RNA در سیتوپلاسم یافت می‌شوند. در سلول یوکاریوتی (سلول‌هایی با اندامک داخلی متصل به غشاء داخلی؛ مانند انسان)، مولکول RNA را می‌توان در هسته و سیتوپلاسم سلول یافت. این در حالی خواهد بود که مولکول DNA در این سلول‌ها تنها در هسته یافت می‌شود.

در ادامه‌ی بررسی روند ساخت خانه‌ای که به عنوان مثالی از پروتئین‌ها در نظر گرفته‌ایم، پس از آن که نسخه‌ی در حال کار از طرح کلی به سایت ساختمانی رسید، کارگران باید مواد تشکیل‌دهنده‌ی سازه را با توجه به دستورالعمل‌های تعیین شده برای مونتاژ یا سرهم‌بندی سازه با همدیگر ترکیب کنند؛ این فرآیند را به نام ترجمه یا ترنسلیشن (translation) می‌شناسند. در مورد پروتئین، کارگران ساختمانی ریبوزوم‌ها و مولکول‌های RNA خاصی به نام RNA انتقال‌دهنده یا tRNA هستند. مواد ساخت‌وساز هم اسیدهای آمینه هستند.

ابتدا نگاهی به ریبوزوم داشته باشیم. ریبوزوم از نوعی RNA به نام RNA ریبوزومی یا (rRNA) ساخته شده است. در پروکاریوت‌ها، rRNA در سیتوپلاسم و در یوکاریوت‌ها، rRNA در هسته ساخته می‌شود. ریبوزوم دارای دو بخش است که به هر دو طرف از mRNA متصل می‌شوند. در بخش بزرگ‌تر آن، دو قسمت موسوم به بخش‌های P و A قرار دارند که دو کدون مجاور از mRNA، دو مولکول tRNA و دو اسید آمینه را در خود جای خواهند داد. در ابتدا، سایت P کدون mRNA را و سپس سایت A نیز کدون بعدی را نگه می‌دارد.

در ادامه به مولکول tRNA می‌پردازیم. هر مولکول tRNA دارای یک بخش اتصالی برای یک اسید آمینه است. از آنجایی که هر tRNA برای تنها یک اسید آمینه‌ اختصاص می‌یابد؛ مولکول باید قادر به تشخیص کدونی روی mRNA باشد که برای آن اسید آمینه‌ی خاص کد شده است. از این رو، هر مولکول tRNA دارای یک توالی سه‌نوکلئوتیدی خاص به نام آنتی‌کدون است که با کدون مناسب mRNA منطبق است. در واقع این روند همانند یک قفل و کلید عمل می‌کند و باید یک سازگاری یک‌به‌یک وجود داشته باشد. برای مثال، اگر یک کدون روی mRNA دارای توالی به صورت دنباله UUU باشد، این شکل از توالی، کدکننده‌ی اسیدآمینه‌ای به نام فنیل آلانین خواهد بود. سپس آنتی‌کدون روی tRNA متعلق به فنیل آلانین به صورت آدنین-آدنین آدنین یا AAA خواهد بود. به یاد بیاورید که در مولکول RNA ،A با U متصل می‌شود. همچنین مولکول‌های tRNA در سیتوپلاسم شناور هستند و با اسیدهای آمینه‌ی آزاد پیوند می‌یابند. هنگامی که این مولکول‌ها به اسیدهای آمینه‌ی آزاد متصل شوند، tRNA-ها شروع به جستجو به دنبال ریبوزوم‌ها خواهند کرد.

در نهایت، اجازه دهید به مراحل سنتز پروتئین‌های جدید نگاهی داشته باشیم. به عنوان مثال، می‌توانیم یک مولکول mRNA کوچک با توالی زیر را در نظر بگیریم:

 همه مولکول‌های mRNA با AUG (کدون شروع) آغاز خواهند شد. UGA ،UAA و UAG کدون‌های توقف هستند. گفتنی است که کدون‌های توقف هیچ مولکول tRNA متناظری ندارند؛ این در حالی است که مولکول‌های mRNA متداول، صدها کدون در خود دارد.

درباره‌ی دنباله‌ی متناظر با آنتی‌کدون‌های tRNA نیز می‌توان گفت که هیچ مولکول ‌tRNA-یی متناظر با کدون‌های توقف وجود ندارد. توالی اسید آمینه‌ی مشخص‌شده توسط این mRNA به فرم مشخصی است. ما این دنباله از اسیدهای آمینه را با استفاده از جدولی از کد ژنتیکی می‌شناسیم. جدول کد ژنتیکی برای mRNA به صورتی است که در تصویر زیر آمده است و پایه‌های موجود در کدون‌های اول، دوم و سوم را با اسیدهای آمینه‌ی متناظر با هر یک از آن‌ها مشخص می‌کند.

در اینجا می‌خواهیم اسید آمینه‌ی مشخص شده را توسط کدون AUG در mRNA را بخوانیم. باید انگشت سمت چپ خود را در ستون اول از جدول روی اولین بخش از کدون، یعنی A قرار دهید. در ادامه‌ی روند، انگشتتان را در سطر اول به سمت چپ و در راستای ردیف واقع در پایین کدون U حرکت دهید. اینک، انگشت راست خود را روی کدون سوم G در همان سطر از آخرین ستون G قرار دهید. انگشت راست خود را در راستای آن ردیف حرکت دهید؛ تا جایی که انگشت راستتان با انگشت چپتان تلاقی کند و در اینجا است که شما می‌توانید اسید آمینه‌ی متناظر با این کدون را (متیونین) بخوانید. در بخش بعدی به فرایند سنتز پروتئین نگاهی خواهیم داشت.

ترتیب رویدادها در فرایند سنتز پروتئین با شروع از یک mRNA نمونه را می‌توانیم به صورت زیر بررسی کنیم. در واقع این‌ها مراحلی هستند که به ترتیب به منظور ساخت پروتئین‌ها رخ می‌دهند. به اهمیت پروتئین‌ها و انواع کارکردهای آن‌ها در بدن موجودات زنده در بخش‌های قبلی اشاره کردیم. برای اینکه انسجام گفته‌هایمان در خصوص DNA و ارتباط آن با پروتئین‌ها حفظ شود، به عنوان یک دیدگاه کلی می‌توانیم چنین برداشت کنیم که مولکول DNA به عنوان شالوده‌ی تمامی موجودات زنده است و این مولکول در کنار RNA و مجموعه‌ای از واکنش‌های شیمیایی دیگر همگی منجر به ساخت مولکول‌های پروتئینی می‌شوند که ماده‌ی متمایزکننده‌ی میان موجودات زنده و غیرزنده محسوب می‌شود. روند سنتز شدن پروتئین را می‌توان به این شکل جمع‌بندی کرد:

۱. یک ریبوزوم به mRNA با کدون AUG در بخش P و کدون UUU در بخش A آن متصل می‌شود

۲. یک آمینو آسیل tRNA با آنتی‌کدون UAC با یک متیونین متصل، به بخش P ریبوزوم می‌آید

۳. یک آمینو آسیل tRNA با آنتی‌کدون AAA با یک فنیل آلانین متصل، به بخش A ریبوزوم می‌آید

۴. پیوند شیمیایی بین متیونین و فنیل آلانین شکل می‌گیرد. گفتنی است که در پروتئین‌ها، این پیوند کووالانسی را با نام پیوند پپتیدی می‌شناسند

۵.  tRNA مختص متیونین، بخش P را ترک می‌کند و برای جمع‌آوری متیونینی دیگر جدا می‌شود

۶. ریبوزوم دستخوش تغییر می‌شود؛ به طوری که بخش P آن اکنون دیگر دارای کدون UUU به همراه یک tRNA فنیل آلانینی است و همچنین کدون بعدی (ACA) نیز بخش دیگر (بخش A) را تصاحب کرده است.

۷. یک tRNA آمینو آسیل (آنتی‌کدون) نیز با یک ترئونینِ متصل به خود، به بخش A از ریبوزوم می‌آید

۸. پیوند پپتیدی بین فنیل آلانین و ترئونین تشکیل می‌شود

۹. tRNA مختص فنیل آلانین، بخش P را ترک می‌کند و برای پیدا کردن فنیل آلانین دیگری جدا می‌شود

۱۰. ریبوزوم یک کدون را تغییر می‌دهد؛ به طوری که دنباله‌ی توقف اکنون در سایت A قرار داشته باشد. در مواجهه با دنباله‌ی توقف، ریبوزوم از mRNA جدا و به دو بخش تجزیه می‌شود. tRNAی مختص ترئونین، ماده‌ی ترئونین خود را منتشر می‌کند و در نهایت پروتئین جدید شناور می‌شود.

چند ریبوزوم می‌توانند یکی پس از دیگری به یک مولکول mRNA متناظر وصل شوند و شروع به ساخت پروتئین کنند. بنابراین چندین پروتئین را می‌توان از یک mRNA به دست آورد. در واقع، در باکتری E.coli، ترجمه از mRNA آغاز می‌شود؛ حتی قبل از اینکه رونویسی به اتمام برسد.

البته در بخش میتوکندری سلول نیز حلقه‌هایی از DNA وجود دارند و می‌توانند خود را بازسازی کنند. این DNA، کدهای لازم برای برخی از پروتئین‌های ساخته شده در میتوکندری را فراهم می‌کند. نکته‌ی جالب در مورد میتوکندری این است که DNA مربوط به آن تنها از سوی مادر به فرد منتقل می‌شود.

با وجود مراحل مشخصی که در این گزارش توضیح دادیم، این مراحل همیشه به نحوی که اشاره شد و به طور صحیح انجام نمی‌شوند. بروز این اشتباهات در روند تکثیر DNA و ساخت بخش‌های جدید منجر به ایجاد جهش‌های ژنتیکی می‌شود که خود مقوله‌ی مفصلی از علوم زیستی را در بر می‌گیرد. امروزه روی DNA و پروژه‌ی شناسایی ژنوم انسان و توالی ژنی بشر سرمایه‌گذاری‌های زیادی صورت گرفته است. بدون شک می‌توانیم بگوییم که علوم مرتبط با DNA و جهش‌های آن و ایجاد تغییر آن یکی از پیچیده‌ترین و مؤثرترین علوم عصر ما هستند.