پروتئین‌سازی: رونویسی ژن و ترجمه؛ رمزهای وراثتی؛ شناسایی رمز DNA

گوناگونی و تغییر رمزهای زندگی

پروتئین‌سازی

در سال گذشته با ساختار DNA و چگونگی همانندسازی آن آشنا شدیم و دانستیم که DNA، حاوی اطلاعات ژنتیک است. در این فصل در پی یافتن پاسخ این پرسش هستیم که در سلول از اطلاعات ژنتیک چگونه استفاده می‌شود.

پیش‌نیازها

پیش از مطالعه این مطلب باید بتوانید:

 ساختار DNA را شرح دهید،

 چگونگی جهش را شرح دهید.

از ژن تا پروتئین

بیماری آلکاپتونوریا نوعی بیماری ارثی است و بنابراین علت آن را می‌توان به ژن‌ها نسبت داد. ادرار افراد مبتلا به این بیماری در مجاورت هوا سیاه می‌شود، زیرا در آن ماده‌ای به نام هموجنتیسیک اسید وجود دارد. در ادرار افراد سالم این اسید وجود ندارد، زیرا آنزیم مخصوصی آن را تجزیه می‌کند. در سال ۱۹۰۹، پزشکی به نام آرچیبلد گرو بیان داشت که در بیماران مبتلا به آلکاپتونوریا آنزیم تجزیه‌کننده هموجنتیسیک اسید وجود ندارد. گرو در واقع توانست بین یک نقص ژنی (بیماری آلکاپتونوریا) و یک نقص آنزیمی (آنزیم تجزیه‌کننده هموجنتیسیک اسید) رابطه برقرار کند. به این ترتیب اندیشه‌های اولیه یکی از مهم‌ترین نظریه‌های زیست شناسی شکل گرفت. اندیشه‌ای که بیان میدارد «هر ژن مسئول ساختن یک آنزیم است».

در سال ۱۹۴۰ دو محقق به نام‌های جورج بیدل و ادوارد تیتوم آزمایشی انجام دادند که منجر به ارایه نظریه یک ژن – یک آنزیم شد.

این دو محقق برای بررسی عمل ژن از هاگ‌های قارچی به نام کپک نوروسپورا کراسا استفاده کردند. تا زمان بیدل و تیتوم بیشتر آزمایشها روی صفات قابل مشاهده، مانند ژن‌های رنگ چشم در مگس سرکه، یا ژنهای کنترل‌کننده رنگیزهها در گیاهان انجام می‌گرفت. اما بیدل و تیتوم رویکرد جدیدی برای آزمایش‌های خود اتخاذ کردند. آنان جهش‌هایی را بررسی کردند که مربوط به ژن‌های کنترل‌کننده واکنش‌های مهم متابولیک، از قبیل تولید ویتامین‌ها و آمینواسیدها بود.

کپک نوروسپورا در لوله آزمایش حاوی مخلوط رقیقی از انواع نمک‌ها، کمی شکر و یک نوع ویتامین، به نام بیوتین، رشد می‌کند. مجموع این مواد را محیط کشت حداقل می‌نامند. این قارچ هاپلوئید است و در مدت زمان کوتاهی تعداد فراوانی هاگ تولید می‌کند. بیدل و تیتوم در آزمایشهای خود از پرتوهای X برای ایجاد جهش در هاگ‌ها استفاده کردند. از سال گذشته به یاد دارید که هرگونه تغییر در ماده وراثتی را جهش می‌نامند. بعضی از این هاگهای پرتو دیده نمی‌توانستند در محیط کشت حداقل رشد کنند و فقط در صورتی رشد می‌کردند که به محیط کشت آنها بعضی مواد آلی اضافه می‌شد (محیط کشت غنی شده). آنان هاگ‌هایی را که نمی‌توانستند روی محیط کشت حداقل رشد کنند جهش یافته نامیدند (شکل ۱).

گروهی از این جهش یافته‌ها برای رشد نیاز به آمینواسید آرژینین داشتند. در سلول دو ماده ارنیتین و سیترولین در مسیر سنتز آرژینین پیش ماده هستند. آرنیتین خود از پیش ماده دیگری که آن را X می‌نامیم حاصل می‌شود. چون در سلول تبدیل هر ماده به ماده دیگر نیازمند نوعی آنزیم است، می‌توان ارتباط بین ماده X، ارنیتین، سیترولین و آرژینین را به صورت مسیر متابولیکی زیر نشان داد:

 

بیدل و تیتوم مشاهده کردند که جهش یافته‌های نیازمند به آرژینین سه دسته‌اند: یک گروه از آنها در صورتی رشد می‌کردند که به محیط کشت حداقل، آرنیتین، سیترولین یا آرژینین اضافه شود. جهش یافته‌های گروه دوم آنهایی بودند که به محیط کشت آنها باید سیترولین یا آرژینین اضافه می‌شد. سومین گروه از جهش یافته‌ها فقط در صورتی رشد می‌کردند که به محیط آنها آرژینین اضافه می‌شد.

مسیر ساختن آرژینین با حذف هر یک از آنزیم‌ها متوقف می‌شود (چرا؟). بر همین اساس می‌توان گفت که در جهش یافته‌های گروه اول که قادر به ساختن آرنیتین نیستند، آنزیم ۱ وجود ندارد. در جهش یافته‌های گروه دوم آنزیم ۲ وجود ندارد، به همین دلیل در این جهش یافته‌ها سیترولین به آرژینین تبدیل می‌شود، اما آرنیتین نمی‌تواند به آرژینین تبدیل شود. در جهش یافته‌هایی که فقط در حضور آرژینین رشد می‌کنند، آنزیم ۳ به وجود نمی آید.

بیدل و تیتوم از این آزمایش‌ها نتیجه گرفتند که وقتی یک ژن آسیب می‌بیند، تولید یک آنزیم خاص نیز در سلول متوقف می‌شود. به عبارت دیگر هر ژن از طریق تولید یک آنزیم تأثیر خود را اعمال می‌کند.

بیدل و تیتوم این ارتباط یک ژن به یک آنزیم را، نظریه یک ژن – یک آنزیم نامیدند. این عقیده که یک ژن تولید یک آنزیم را رهبری می‌کند، تا حدود یک دهه رواج داشت. تا این که مشخص شد بسیاری از ژنها، پروتئین‌هایی را به رمز در می آورند که آنزیم نیستند، از طرفی بعضی پژوهش‌ها مشخص کرد که بسیاری از پروتئینها از چند زنجیره پلی پپتیدی تشکیل شده‌اند که تولید هر زنجیره را یک ژن خاص رهبری کرده است. حاصل این یافته‌ها منجر به تبدیل نظریه یک ژن – یک آنزیم به نظریه یک ژن یک زنجیره پلی پپتیدی شد.

شکل ۱- خلاصه آزمایش‌های بیدل و تیتوم روی کپک نوروسپورا کراسا. هنگامی که هاگ‌های هاپلوئید در معرض پرتو X قرار می‌گیرند، بعضی از آنها قادر به رویش در محیط حداقل نیستند؛ بلکه فقط در محیط‌های غنی شده می‌رویند.

رمزهای وراثتی

سال قبل دیدیم که DNA ماده ژنتیک و محل ذخیره اطلاعات است. اطلاعات در DNA به صورت رمز ذخیره شده‌اند. منظور از رمز علایمی است که از آنها برای ذخیره سازی و انتقال اطلاعات استفاده می‌شود. مثلا زبان نوشتنی فارسی ۳۲ علامت رمز (حرف) دارد.

می‌دانید که مولکول DNA مولکول بسیار بلندی است و در ساختار آن فقط چهار نوع نوکلئوتید به کار رفته است. بنابراین می‌توان گفت که زبان مولکول DNA به صورت یک الفبای چهار حرفی (T، G، C و A) است، که هر حرف نشان دهنده یک نوع نوکلئوتید است. دانستیم که از اطلاعات ژنتیک برای ساختن پروتئین استفاده می‌شود. پروتئین‌ها از ۲۰ نوع آمینواسید ساخته شده‌اند و هر پروتئین توالی آمینواسیدی مخصوص به خود را دارد. در واقع رمزهای موجود در DNA باید به نحوی تعیین کننده نوع و ترتیب آمینواسیدهای پروتئین‌ها باشند.

اگر هر نوکلئوتید علامت رمز یک آمینواسید باشد، بازهای A، G، C و T علامت‌های رمز چهار نوع آمینواسید می‌شوند. بنابراین فقط چهار نوع آمینواسید علامت رمز خواهند داشت. بدیهی است که رمز یک حرفی جوابگوی ۲۰ آمینواسید نخواهد بود. در صورتی که رمز دو حرفی باشد فقط ۱۶ نوع آمینواسید علامت رمز خواهند داشت. بنابراین رمز دو حرفی نیز جوابگوی ۲۰ نوع آمینواسید نخواهد بود. در صورتی که رمز سه حرفی باشد، ۶۴ رمز سه حرفی به دست می‌آید که بیشتر از تعداد رمز لازم برای ۲۰ نوع آمینواسید است. در این صورت یک آمینواسید ممکن است بیش از یک رمز داشته باشد. در واقع رمزهای نوکلئیک اسیدها سه حرفی هستند.

RNA رابطه بین DNA و پروتئین را برقرار می‌کند.

از اطلاعات موجود در DNA برای ساختن پروتئین‌ها استفاده می‌شود، اما جایگاه DNA در هسته و جایگاه پروتئین سازی در سیتوپلاسم است. بنابراین DNA نمی‌تواند مستقیم برای ساختن پروتئین مورد استفاده قرار گیرد. به همین سبب، انتظار می‌رود نوعی مولکول میانجی، ارتباط بین DNA و ریبوزوم‌ها را برقرار کند.

اندازه گیری‌های گوناگون نشان داده‌اند که در سلول‌هایی که در آنها فعالیت پروتئین سازی شدید است، RNA فراوانی هم یافت می‌شود. برعکس، در سلول‌هایی که فرآیند پروتئین‌سازی در آنها چندان شدید نیست، مقدار RNA نیز کم است. از طرف دیگر، RNA هم در هسته یافت می‌شود و هم در سیتوپلاسم. بر این اساس و نیز بر اساس آزمایش‌ها و مشاهدات دیگر، دانشمندان به این نتیجه رسیدند که این مولکول میانجی، RNA است. به این نوع RNA که اطلاعات را از DNA به ریبوزوم‌ها حمل می‌کند، RNA پیک می‌گویند و آن را با mRNA نشان میدهند. دو نوع RNA دیگر نیز در سلول وجود دارند که در فرآیند پروتئین سازی نقش‌های مهمی بر عهده دارند. یکی RNA ناقل است که آن را با tRNA نشان می‌دهند. این مولکول آمینواسیدها را به ریبوزوم منتقل می‌کند، تا ریبوزوم آمینو اسیدها را براساس اطلاعات موجود در mRNA کنار یکدیگر ردیف کند. دیگری RNA ریبوزومی است که آن را با rRNA نمایش می‌دهند. rRNA در ساختار ریبوزوم‌ها شرکت دارد.

RNA از روی DNA ساخته می‌شود.

ساخته شدن RNA از روی DNA را رونویسی می‌گویند (شکل ۲). رونویسی اولین قدم برای ساختن پروتئین‌هاست. رونویسی با کمک آنزیم RNA پلی مراز انجام می‌شود.

شکل ۲- از ژن تا پلی‌پپتید

سلول‌های پروکاریوتی فقط یک نوع آنزیم RNA پلی مراز دارند. در سلول‌های یوکاریوتی سه نوع آنزیم RNA پلی مراز یافت شده است که آنها را با علامت‌های I، II و III مشخص می‌کنند. RNA پلی مراز I فقط رونویسی ژنهای rRNA و RNA پلی مراز II رونویسی پیش سازهای mRNAها و نیز برخی از RNAهای کوچک را انجام می‌دهند. RNA پلی مراز III رونویسی ژنهای tRNA و نیز بعضی دیگر از RNAهای کوچک را کاتالیز می‌کند. شکل ۳ مراحل رونویسی پروکاریوت‌ها را به طور خلاصه نشان می‌دهد.

مرحله ۱: رونویسی با اتصال RNA پلی مراز به قسمتی از ژن به نام راه‌انداز ژن شروع می‌شود. راه‌انداز، قسمتی از DNA است که به RNA پلی مراز امکان می‌دهد رونویسی را از محل صحیح آغاز کند و مثلا این کار را از وسط ژن شروع نکند. راه‌انداز در نزدیکی جایگاه آغاز رونویسی قرار دارد.

جایگاه آغاز رونویسی، به اولین نوکلئوتیدی از DNA گفته می‌شود که رونویسی می‌شود.

مرحله ۲: RNA پلی مراز دو رشته DNA را از یکدیگر باز می‌کند.

مرحله ۳: RNA پلی مراز همچون قطاری که روی ریل حرکت می‌کند، در طول نوکلئوتیدهای DNA به حرکت در می آید و در مقابل هر یک از دئوکسی ریبونوکلئوتیدهای DNA، ریبونوکلئوتید مکمل را قرار میدهد و به علاوه، هر ریبونوکلئوتید جدید را به ریبونوکلئوتید قبلی وصل می‌کند. در رونویسی نیز از همان قوانین جفت شدن بازها که در همانندسازی DNA به کار می‌رود، استفاده می‌شود. تنها تفاوت این است که در مقابل دئوکسی ریبونوکلئوتید A (آدنین دار) در DNA، ریبونوکلئوتید U (یوراسیل دار) در RNA قرار می‌گیرد. RNA پلی مراز، DNA و mRNA تازه ساخته شده، پس از رونویسی جایگاه پایان رونویسی، از یکدیگر جدا می‌شوند و مولکول mRNA برای مرحله بعدی یعنی ترجمه، ازاد می‌شود.

شکل ۳- رونویسی. ساخته شدن mRNA بر اساس قسمتی از DNA. آنزیم RNAپلی‌مراز نوکلئوتیدهای مکمل را از روی الگوی ژن، در RNA جای می‌دهد.

چنان که مشاهده می‌شود رونویسی نیز، مانند همانندسازی DNA از نوکلئوتیدها به عنوان الگو برای ساختن یک مولکول جدید، بهره می‌برد. البته در همانندسازی DNA مولکول جدیدی که ساخته می‌شود، DNA است؛ در حالی که در رونویسی مولکول ساخته شده از جنس RNA است. تفاوت دیگر این است که در همانندسازی DNA هر دو رشته، به عنوان الگو عمل می‌کنند، در صورتی که در رونویسی یکی از دو رشته DNA به عنوان الگو عمل می‌کند.

همان گونه که در شکل ۴ نشان داده شده است، RNAهای ساخته شده از روی ژن، ساختار پرمانندی را به نمایش می‌گذارند. در این شکل خط افقی میانی، DNAای است که از روی آن رونویسی در حال انجام است. رشته‌های منشعب، RNAهایی هستند که در حال ساخته شدن اند.

شکل ۴- رونویسی یک ژن در سلول تخم یک دوزیست

رمز DNA چگونه شناخته شد؟

نیرنبرگ و همکاران او اولین گروهی بودند که موفق به کشف رمز DNA شدند. آنها از mRNA برای شناسایی رمز DNA استفاده کردند.

آنان انواع خاصی از مولکول‌های mRNA را ساختند. در لوله آزمایشی که آمینو اسیدها و تعدادی آنزیم وجود داشته باشد، mRNA می‌تواند زنجیره‌ای از آمینو اسیدها را بسازد. هر نوع mRNA با پیام رمزی که دارد باعث تولید نوع خاصی رشته پلی پپتیدی می‌شود. حال در صورتی که نوع mRNA و رشته پلی پپتیدی که ساخته شده است مشخص باشد، پیام mRNA معلوم می‌شود. نیرنبرگ و همکاران او بر این اساس رشته‌ای mRNA ساختند که فقط نوکلئوتید یوراسیل دار (U) داشت. مولکول RNA ساخته شده را در لوله آزمایشی قرار دادند که دارای بیست نوع آمینواسید و مایع استخراج شده از سیتوپلاسم سلولی بود. تجزیه رشته پلی پپتیدی ساخته شده، نشان داد که از بین ۲۰ نوع آمینو اسید فقط یک نوع آمینواسید به نام فنیل آلانین در این رشته به کار رفته است. با توجه به این که از قبل به وسیله آزمایش‌هایی مشخص شده بود که رمزهای DNA و در نتیجه رمزهای RNA سه نوکلئوتیدی هستند، بنابراین نتیجه گرفته شد که UUU، رمز قرار گرفتن آمینو اسید فنیل آلانین در یک رشته پلی پپتیدی است. و بعد، محققان دیگر توانستند با انجام آزمایش‌هایی شبیه آزمایش نیرنبرگ، رمزهای هر یک از ۲۰ نوع آمینواسید را شناسایی کنند. هر رمز سه نوکلئوتیدی mRNA را یک کدون می‌نامند. کدون‌ها عمومی هستند، یعنی در جانداران یکسان اند.

در فرآیند ترجمه، از روی mRNA پروتئین ساخته می‌شود.

در فرآیند ترجمه، توالی نوکلئوتیدها در mRNA به توالی آمینواسیدها در پروتئین ترجمه می‌شود. در این فرایند، در واقع زبان نوکلئیک اسیدی که با حروف نوکلئوتیدی است به زبان پروتئین که با حروف آمینو اسیدی است، ترجمه می‌شود.

پروتئین سازی در ریبوزوم‌ها انجام می‌شود. بنابراین باید آمینواسیدها به ریبوزوم‌ها آورده شوند.

tRNAها آمینواسیدها را به ریبوزوم‌ها می‌آورند. ساختار tRNA در شکل ۵ نشان داده شده است. همان طور که می‌بینید، مولکول tRNA ساختاری شبیه برگ گیاه شبدر دارد. از این رو به چنین ساختاری برگ شبدری گفته می‌شود. دقت کنید که مولکول tRNA تک رشته‌ای است و بخش‌های دو رشته‌ای موجود در شکل، در نتیجه تاخوردگی‌های مولکول tRNA روی خود حاصل شده‌اند. در برگ میانی، سه باز می‌بینید که با هیچ باز دیگری از tRNA جفت نشده‌اند. این سه باز را آنتی‌کدون می‌نامند. آنتی‌کدون تعیین می‌کند که آن tRNA چه آمینواسیدی را باید حمل کند. برای هر یک از ۲۰ آمینواسید، حداقل یک نوع tRNA وجود دارد. در آن سوی مولکول tRNA جایگاه پذیرنده آمینواسید قرار دارد. آمینواسید، در این جایگاه به tRNA ویژه خود متصل می‌شود.

شکل ۵- ساختار یک مولکول tRNA. الف) رابطه مکملی بین نوکلئوتیدهای موجود در این مولکول موجب ایجاد چنین ساختاری شده است. بخش آنتی کدون این مولکول که در یکی از حلقه‌ها قرار دارد، مکمل کدون مولکول mRNA است. دو حلقه دیگر به نگهداری آن روی ریبوزوم کمک می‌کنند. در قسمت بالایی آن جایگاه CCA، یعنی جایگاه اتصال آمینواسید اختصاصی دیده می‌شود. ب) ساختار سه بعدی tRNA در سلول شبیه حرف L است.

رمزهای موجود در RNA چگونه خوانده می‌شوند؟ هر آنتی کدون در tRNA، مکمل یکی از کدونهای mRNA است. مثلا tRNA ای که آنتی کدون GAA را دارد به کدون CUU متصل می‌شود و ناقل لوسین است. به این ترتیب، رمز CUU به لوسین ترجمه می‌شود.

ترجمه: فرآیند ترجمه را می‌توان در سه مرحله آغاز، ادامه و پایان بررسی کرد. توجه داشته باشید که فرآیند پروتئین سازی، همانند دیگر فرآیندهای سنتزی درون سلول، نیازمند آنزیم و انرژی است.

مرحله آغاز: بخش کوچک‌تر ریبوزوم در مجاورت کدون آغاز به mRNA متصل می‌شود. کدون آغاز، AUG است و متیونین را رمز می‌کند. اولین tRNA که tRNA آغازگر نام دارد، با کدوی آغاز رابطه مکملی برقرار می‌کند. سپس بخش بزرگ ریبوزوم به بخش کوچک می‌پیوندد و ساختار ریبوزوم برای ترجمه کامل می‌شود.

هر ریبوزوم دو جایگاه دارد: یکی جایگاه P (برای پلی پپتید در حال ساخت) و دیگری جایگاه A برای آمینواسید). در مرحله آغاز، tRNA آغازگر، که ناقل متیونین است، به جایگاه P وارد می‌شود و در آنجا با کدون آغاز رابطه مکملی برقرار می‌کند (شکل ۶).

شکل ۶- آغاز پروتئین سازی

مرحله ادامه: با ورود tRNA حامل دومین آمینواسید به جایگاه A، مرحله ادامه شروع می‌شود. در این مرحله، آمینواسید موجود در جایگاه P از tRNA جدا می‌شود و با آمینواسید موجود در جایگاه A پیوند پپتیدی برقرار می‌کند. به این ترتیب tRNA موجود در جایگاه P، دیگر آمینواسیدی نخواهد داشت و باید ریبوزوم را ترک کند. در این هنگام، جابه جایی رخ میدهد و ریبوزوم به‌اندازه یک کدون در طول mRNA به پیش می‌رود. در حین این جابه جایی، tRNA موجود در جایگاه P، ریبوزوم را ترک می‌کند، tRNA موجود در جایگاه A همراه با پلی‌پپتیدی که حمل می‌کند، به جایگاه P منتقل می‌شود. در نتیجه، جایگاه A که سومین کدون در آن قرار دارد، خالی می‌شود و آمادگی پذیرش tRNA حامل آمینواسید سوم را کسب می‌کند. با ورود tRNA حامل سومین آمینواسید به جایگاه A، چرخه فوق دوباره تکرار می‌شود (شکل ۷).

شکل ۷- ادامه پروتئین سازی

مرحله پایان ترجمه: وقتی یکی از کدون‌های پایان درون جایگاه A قرار گیرد، ترجمه پایان می‌پذیرد. چون هیچ tRNAای برای کدون‌های پایان وجود ندارد. در این حالت دو بخش ریبوزوم، mRNA و پروتئین ساخته شده از یکدیگر جدا می‌شوند (شکل ۸).

شکل ۸- پایان پروتئین سازی

ژن‌های یوکاریوتی، گسسته‌اند.

در یوکاریوت‌ها، RNAای که مستقیما در نتیجه فعالیت RNA پلی مراز حاصل می‌شود، mRNA اولیه نام دارد. این RNA پس از تغییراتی که متحمل می‌شود، به mRNA بالغ تبدیل و برای ترجمه به سیتوپلاسم فرستاده می‌شود. یکی از تغییرات در اغلب RNAهای یوکاریوتی کوتاه شدن مولکول RNA اولیه است.

در mRNA اولیه مناطقی وجود دارد که در RNA بالغ وجود ندارد و بنابراین ترجمه نمی‌شوند. مناطقی از DNA که رونوشت آنها در mRNA بالغ باقی می‌ماند، اگزون و مناطقی که رونوشت آنها حذف می‌شود، اینترون نامیده می‌شوند. در نتیجه حذف رونوشت اینترون‌ها، mRNA بالغ نسبت به mRNA اولیه کوتاه‌تر می‌شود. به این گونه ژنها، ژنهای گسسته می‌گویند.

خودآزمایی

١- رابطه بین DNA و آنزیم‌ها را شرح دهید.

۲- آزمایش‌های بیدل و تیتوم و نتایج آنها را شرح دهید.

۳- چرا نظریه یک ژن – یک آنزیم به نظریه یک ژن – یک پلی پیتید تغییر یافت؟

۴- چرا ممکن نیست رمزهای وراثتی کمتر از سه حرف داشته باشند؟

۵- پژوهش‌های گروه نیرنبرگ و حاصل کار این گروه را شرح دهید.

۶- چه اطلاعات دیگری به جز رمز مربوط به آمینواسیدها روی رمزهای وراثتی DNA وجود دارد؟

۷- نقش آنزیم RNA پلی مراز را در رونویسی شرح دهید.

۸- مراحل رونویسی را شرح دهید.

۹- نقش راه‌انداز در رونویسی چیست؟

۱۰- ساختار tRNA را متناسب با کاری که انجام می‌دهد، شرح دهید.

۱۱- گسستگی ژن‌های یوکاریوتی را توضیح دهید.