سلول چیست و چگونه کار می کند؟ [قسمت دوم]

در ابعاد میکروسکوپی، همه ما از سلول ساخته شده ایم. به خودتان در آینه نگاه کنید. آنچه که می بینید، مجموعه ای است از 10 تریلیون سلول از 200 مدل مختلف که گرد هم آمده اند. ماهیچه ها از سلول های ماهیچه ای، کبد از سلول های کبدی و به طور کل هر بافتی از سلول های خود ساخته شده است.

اگر می خواهید بدانید که بدن تان چگونه کار می کند، ابتدا لازم است سلول ها را بشناسیم. هر فرآیندی نظیر تولید مثل، ابتلا به بیماری و حتی ترمیم یک استخوان شکسته در سطوح سلولی رخ می دهد.

پیگیر اخبار روز دنیای علم و دانش که باشید، حتما می دانید این روزها ژن ها نقشی بزرگ بازی می کنند. بیوتکنولوژی، اصلاح ژن، ژنوم انسان، مهندسی ژنتیک، بیماری های ژنتیکی، ژن تراپی، جهش ژنتیکی و … واژه هایی هستند که بسیار می شنویم.

دانش ژنتیک این روزها به سرعت چهره پزشکی، کشاورزی و حتی سیستم قانونی کشورها را با تغییر مواجه ساخته. در این مقاله به دنیای مولکول ها سفر می کنیم تا نحوه کارکرد یک سلول را با استفاده از آن ها بفهمیم.

به سراغ ساده ترین سلول ممکن می رویم: سلول باکتریایی. با فراگیری نحوه فعالیت سلول باکتری، می توانید درکی کلی از کارکرد سلول های دیگر نیز به دست آورید. اگر مطالعات زیست شناسی چندانی ندارید، مطالعه این مقاله می تواند درک بسیاری از تحقیقاتی که این روزها در صدر اخبار مشاهده می کنید را ساده تر سازد.

پیش از مطالعه این مطلب، توصیه می شود مقالات زیر را مطالعه کنید:

• سلول چیست و چگونه کار می کند؟ [قسمت اول]
• مولکول DNA چگونه کار می کند؟ [قسمت اول]
• مولکول DNA چگونه کار می کند؟ [قسمت دوم]
• باکتری چیست و چه نقشی در زندگی بشر دارد؟
• ویروس چیست و چگونه با ایجاد بیماری بشر را از پای در می آورد؟

در ادامه با دیجیاتو همراه باشید.

آنزیم ها مشغول به کارند

همه جور آنزیمی در سلول انسان مشغول به کار است و برخی از آن ها واقعا فوق العاده اند. سلول از آنزیم برای رشد داخلی، تکثیر و تولید انرژی استفاده می کند. حتی آنزیم ها می توانند از سلول خارج شده و در محیط بیرونی فعالیت خود را انجام دهند. برای مثال، ای. کلای آنزیم های خاصی را به بیرون می فرستد تا مواد غذایی را بشکنند و جذب از طریق دیواره سلولی آسان تر شود.

بعضی از آنزیم ها که شاید نام آن ها را روی بسته های مواد غذایی، شوینده ها و … دیده باشید را با یکدیگر مرور می کنیم:

• پروتئاز و پپتیداز: یک پروتئاز، آنزیمی است که می تواند رشته طویل پروتئین را به قطعه های کوچک به نام پپتید تبدیل کند (یک پپتید متشکل است از چند آمینو اسید که زنجیره ای کوچک ساخته اند). پپتیدازها نیز سپس هر پپتید را به آمینو اسید سازنده اش تبدیل می کنند. پروتئاز و پپتیداز معمولا در پودرهای لباسشویی دیده می شود. این آنزیم ها سبب شکسته شدن پیوندها و در نتیجه پاک شدن لکه های خونی از روی لباس می شوند. بعضی پروتئازها بسیار تخصصی عمل می کنند و برخی دیگر هم هر زنجیره آمینو اسیدی که در اختیارشان قرار بگیرد را خرد می کنند. حتما نام مهارکننده های پروتئاز را شنیده ای که در داروهای ضد ویروس AIDS به کار می روند. این ویروس، از پروتئازهای بسیار تخصص یافته ای در طول چرخه تکثیر خود استفاده می کند و مهارکننده های پروتئاز در برابر آن ها می ایستند.
• آمیلاز: رشته های بلند نشاسته توسط آمیلاز تبدیل به مولکول های کوچک شکر می شوند. آب دهان پر است از آمیلاز و درون روده کوچک نیز کثرت این آنزیم مشاهده می شود. مالتاز، لاکتاز و سوکراز نیز در مرحله آخر، قندهای کوچک را به مولکول های گلوکز تقسیم می کنند.
• لیپاز: چربی را می شکند و به واحدهای کوچک تبدیل می کند.
• سلولاز: مولکول های سلولز به وسیله این آنزیم به واحدهای کوچک تر تبدیل می شوند و یکی از دلایلی که سلولز منبع انرژی مناسبی برای انسان نیست، همین مسئله است. در دستگاه گوارش گاو و دیگر گیاهخواران و نشخوارکنندگان، باکتری هایی وجود دارد که سلولاز را می شکند و به همین ترتیب علوفه و بافت های چوبی نرم، خوراک مناسبی برای آن ها به حساب می آید. باکتری ها آنزیم های شان را از غشا و دیواره خارج کرده و محیط را برای تجزیه سلولز آماده می کنند. در واقع بسیاری از باکتری ها نظیر ای. کلای بدین گونه تغذیه می کنند.

درون سلول، صدها آنزیم بسیار تخصص یافته وظایفی منحصر به فرد را عهده دار شده اند تا سلول بتواند به زندگی خود ادامه دهد. بعضی از این آنزیم ها عبارتند از:

• آنزیم های انرژی: یک مجموعه 10 تایی از آنزیم ها به سلول اجازه عمل گلیکولیز را می دهند. 8 آنزیم دیگر نیز چرخه اسید سیتریک (یا چرخه کربس) را سر پا نگه داشته اند. این دو چرخه در کنار هم مثل دو چرخ دنده ای که روی یکدیگر قرار گرفته باشند، گلوکز و اکسیژن را به آدنوزین تری فسفات یا ATP تبدیل می کنند. در سلولی هوازی چون ای. کلای یا سلول انسان، یک گلوکز طی دو چرخه نام برده به 36 گلوکز تبدیل می شود. در سلول های بی هوازی، چرخه کربس صورت نمی پذیرد و نتیجه گلیکولیز صرفا دو مولکول ATP خواهد بود. اگر گلوکز را همچون بنزین در نظر بگیریم، ATP آن میزان انرژی ای است که در نتیجه احتراق ایجاد می شود.
• آنزیم های محدودکننده: بسیاری از باکتری ها قادرند تا آنزیم های محدودکننده بسازند. این آنزیم ها الگوهای خاصی را روی زنجیره DNA شناخته و آن ها قطع می کنند. وقتی یک ویروس، DNA خود را وارد باکتری می کند، آنزیم مذکور متوجه حضور بیگانه شده و آن را از بین می برد، پیش از آن که تقسیمی صورت پذیرد.
• آنزیم های حاضر در همانندسازی DNA: همانند پلی مرازها که پیش از این در مورد آن ها برایتان گفته بودیم. این آنزیم ها در طول زنجیره DNA حرکت کرده و اشتباهات صورت پذیرفته را اصلاح می کنند. یک سری آنزیم های دیگر نیز قادرند پیوند بین دو رشته DNA را شکسته و یک سری دیگر نیز عکس این عمل را انجام می دهند.
• آنزیم های تولیدکننده آنزیم: همه آنزیم هایی که در موردشان صحبت کردیم بالاخره از جایی نشات گرفته اند و در کارگاهی تولید شده اند. ریبونوکلئیک اسید ها در سه فرم tRNA ،mRNA و rRNA نقشی مهم در این میان ایفا می کنند.

یک سلول چیزی نیست به جز زنجیره ای از واکنش های شیمیایی پی در پی که در هر گوشه آن صورت می پذیرد و آنزیم ها نقش اصلی را بازی می کنند.

ساخت آنزیم ها

مادامیکه غشای سلول سالم و دست نخورده است و می تواند آنزیم های لازم برای انجام واکنش های شیمیایی خود را بسازد، آن سلول زنده است. آنزیمی ها از گلوکز، انرژی ساخته و به تکمیل دیواره سلولی، تکثیر سلولی و تولید دیگر آنزیم ها نیز کمک می کنند.

بنابراین این آنزیم ها از کجا می آیند؟ و سلول چگونه در زمان نیاز آن ها را تولید می کند؟ این سلسله واکنش های شیمیایی چگونه منجر به تولید آنزیم های جدید می شوند و چگونه زندگی پدید می آید؟

پاسخ این پرسش را قطعا می دانید: همه چیز در DNA نهفته است.

DNA، مولکولی عظیم است که از 4 نوع بلوک مختلف تحت عنوان نوکلئوتید ساخته شده. چهار حرف ATCG هر کدام نشانگر یک نوکلئوتید هستند که در نردبان مارپیچ DNA، دو به دو در برابر یکدیگر قرار گرفته (برای درک بهتر باقی داستان، مطلب دو قسمتی مرتبط با DNA که در مقدمه آورده شده را مطالعه کنید).

حالا، DNA یک اشرشیا کلای، به اندازه 4 میلیون بلوک طویل است! اگر DNA این باکتری را از سلول بیرون بکشیم و آن را مستقیم کنیم، طول آن به 1.36 میلی متر می رسد، یعنی هزار برابر بزرگ از بدنه ای که درون آن جای خوش کرده.

در باکتری ها، DNA مثل کلاف سردرگمی است که در هم پیچ خورده و گوشه ای از باکتری را به اشغال خود در آورده. اما در مورد انسان و سلول های پیشرفته تر ماجرا متفاوت است. DNA انسان به اندازه 3 میلیارد نوکلئوتید طول دارد که این مولکول ها، در 23 ساختار کوچکتر به نام کروموزوم دسته بندی شده اند و درون هسته قرار گرفته اند.

نکته جالب در مورد DNA این است که فقط به سلول می گوید پروتئین ها را چگونه بسازد. همین. 4 میلیون نوکلئوتید موجود درون ای. کلای به باکتری می گویند چگونه آنزیم های لازم برای زنده ماندن را بسازد و سلول هم به فرمان گوش می سپارد. راز حیات در پیروی از قوانین به تحریر درآمده ی DNA است.

پرسش بزرگ

در بخش های پیشین گفته شده بود که آنزیم ها و به طور کلی پروتئین ها از 20 نوع آمینو اسید مختلف ساخته شده اند که با ترتیبی خاص پشت هم چیده می شوند و معنایی متفاوت پیدا می کنند. پرسش اصلی این است که چگونه از DNA با چهار حرف AGTC، تنوع 20 تایی آمینو اسیدها پدید می آید؟

آنزیم فوق پیچیده ای به نام ریبوزوم، قادر به خواندن پیام RNA پیامبر یا mRNA است (mRNA خود از روی DNA ساخته شده). برای برداشتن آمینو اسید درست، ریبوزوم رمزی 3 تایی را از روی mRNA می خواند. در واقع 4 نوع آمینو اسید در جایگشتی 3 تایی، 64 رمز مختلف را پدید می آورند (4X4X4=64) اما باز هم ما فقط 20 آمینو اسید می خواهیم، نه 64 تا.

هر رمز سه تایی که یک کدون نام دارد، مختص آمینو اسیدی خاص است. برخی آمینو اسیدها هم بیش از یک رمز در اختیار دارند که آسیب های جهش را به شدت کاهش می دهد. 3 کدون مخصوص نیز به نام کدون پایان وجود دارند و بیانگر هیچ آمینو اسیدی نیستند. بنابراین 61 کدون باقی مانده، میان 20 آمینو اسید تقسیم می شود و هر آمینو اسید، یک الی 4 کدون در اختیار می گیرد.

در هر رشته DNA، بین 100 تا 1000 کدون (300 تا 3000 نوکلئوتید) وجود دارد که هر کدام آمینو اسید خاصی را مفهوم می بخشند و آمینو اسیدها در کنار هم آنزیم را می سازند. کدون پایان در انتهای هر ژن قرار دارد و به ریبوزوم (کارخانه تولید پروتئین) پیام اتمام عملیات را صادر می کند.

باقی ماجرا، درست همانند ساخت پروتئین است که پیش از این مفصل در مورد آن صحبت کرده بودیم. اینگونه می شود که یک آنزیم جدید ساخته شده و وارد جریان تولید انرژی و تکثیر سلولی می گردد.

منبع:HowStuffWorks

سلول چیست و چگونه کار می کند؟

در ابعاد میکروسکوپی، همه ما از سلول ساخته شده ایم. به خودتان در آینه نگاه کنید. آنچه که می بینید، مجموعه ای است از 10 تریلیون سلول از 200 مدل مختلف که گرد

هم آمده اند. ماهیچه ها از سلول های ماهیچه ای، کبد از سلول های کبدی و به طور کل هر بافتی از سلول های خود ساخته شده است.

اگر می خواهید بدانید که بدن تان چگونه کار می کند، ابتدا لازم است سلول ها را بشناسیم. هر فرآیندی نظیر تولید مثل، ابتلا به بیماری و حتی ترمیم یک استخوان شکسته در سطوح سلولی رخ می دهد.

پیگیر اخبار روز دنیای علم و دانش که باشید، حتما می دانید این روزها ژن ها نقشی بزرگ بازی می کنند. بیوتکنولوژی، اصلاح ژن، ژنوم انسان، مهندسی ژنتیک، بیماری های ژنتیکی، ژن تراپی، جهش ژنتیکی و … واژه هایی هستند که بسیار می شنویم.

دانش ژنتیک این روزها به سرعت چهره پزشکی، کشاورزی و حتی سیستم قانونی کشورها را با تغییر مواجه ساخته. در این مقاله به دنیای مولکول ها سفر می کنیم تا نحوه کارکرد یک سلول را با استفاده از آن ها بفهمیم.

به سراغ ساده ترین سلول ممکن می رویم: سلول باکتریایی. با فراگیری نحوه فعالیت سلول باکتری، می توانید درکی کلی از کارکرد سلول های دیگر نیز به دست آورید. اگر مطالعات زیست شناسی چندانی ندارید، مطالعه این مقاله می تواند درک بسیاری از تحقیقاتی که این روزها در صدر اخبار مشاهده می کنید را ساده تر سازد.

در ادامه با دیجیاتو همراه باشید.

اطلاعات کلی

بدن از 10 تریلیون سلول ساخته شده که بزرگ ترین آن ها هم قطر تار موی انسان است اما اکثر سلول های انسان بسیار کوچکترند، شاید یک دهم تار مو. یک تار موی خودتان را ببینید و تصور کنید یک دهم قطر آن چقدر کوچک خواهد بود. سپس در برابر آینه یک بار دیگر به اندام خود نگاه کنید. آنگاه متوجه عظمت رقم 10 تریلیون سلول خواهید شد.

تار مو چندان ضخیم نیست، شاید قطری معادل صد میکرون داشته باشد (در واقع، اگر یک متر را به یک میلیون بخش تقسیم کنیم، یک میکرون می شود یک بخش از آن)، اما هر سلول انسان به طور میانگین 10 میکرون قطر دارد. به انگشت شست پای خود نگاه کنید. بسته به اندازه فیزیک شما، 2 الی 3 میلیارد سلول در این ناحیه وجود دارد.

باکتری ها ساده ترین سلول هایی هستند که در دوره کنونی زیست شناسی وجود دارند. باکتری، یک سلول تنها و خود مختار است، برای مثال اشرشیا کلای (ای. کلای یا E. Coli) سلول هایی معمولی با اندازه ای حدود یک میکرون طول و یک دهم میکرون عرض هستند (تقریبا صد برابر کوکتر از سلول انسان). زمانی که دچار عفونت باکتریایی می شوید، این باکتری های کوچک و جسور، همانند قایقی کوچک در کنار کشتی های بزرگ (سلول انسان) به حرکت می افتند.

پر واضح است که سلول های باکتریایی بسیار ساده تر ار سلول های انسانی هستند و پیچیدگی های آن را ندارند. باکتری یک غشای سلولی دارد که درون آن را مایعی به نام سیتوپلاسم پر کرده است. حدودا 70 درصد سیتوپلاسم آب است و 30 درصد باقی مانده آنزیم، پروتئین، آمینو اسید، گلوکز، ATP و … هستند. همه این ها در کنار هم شیره سلولی را پدید می آورند.

در مرکز سلول باکتری، یک کلاف در هم پیچیده DNA یا RNA قرار گرفته که اگر آن را از هم باز کنیم، 1000 برابر طول باکتری خواهد بود. در واقع تمام این تفاوت ها، مفهوم «یوکاریوت» و «پروکاریوت» را شکل می دهند. سلول بدن انسان یک سلول یوکاریوت است و باکتری ها پروکاریوت محسوب می شوند.

یک باکتری اشرشیا کلای، شکل کپسولی مشخصی دارد. کپسول روی غشا و دیواره سلول قرار گرفته (مطابق شکل فوق) و یکی از عوامل بیماری زایی در باکتری های مختلف است. فلاژله ها یا زائده های برآمده از سلول نیز از همین کپسول منشعب می شوند. با این حال، همه باکتری ها لزوما دارای فلاژله نیستند و البته هیچ سلول انسانی به جز اسپرم در مردان نیز چنین اندام متحرکی ندارد.

سلول های انسانی بسیار پیچیده تر از باکتری ها هستند و ماده ژنتیکی شان درون محفظه ای به نام هسته، توسط غشایی خاص محافظت می شود. میتوکندری، دستگاه گلژی و بسیاری اندامک های دیگر نیز در باکتری ها غایب اند اما به طور کلی، پروسه فعالیت سلول ها مشابه یکدیگر است.

آنزیم ها

در سلول، هر کاری که انجام شود، آنزیم ها به نوعی در آن دخیل هستند. بنابراین اگر به خوبی نحوه فعالیت آنزیم ها را بدانید، سلول را هم شناخته اید. یک باکتری مثل ای. کلای، حدودا 1000 مدل آنزیم مختلف دارد که در سیتوپلاسم آن شناورند.

بخش های خاص آنزیم ها، آنها را به واکنشگرهای کوچک شیمیایی تبدیل کرده است. هدف آنزیم، انجام واکنش های شیمیایی با سرعت بالا است که در نتیجه این واکنش ها، چیزهایی ساخته و یا قطعاتی از هم جدا می شوند. اینگونه است که یک سلول بزرگ شده و تقسیم می شود. به بیانی ساده تر، سلول یک کیسه پر از مایعات و آنزیم های مختلف است که مرتبا در حال تولید و تکثیر هستند.

آنزیم ها از آمینو اسیدها ساخته شده اند یا به عبارتی دیگر پروتئین هستند. زمانی که یک آنزیم شکل می گیرد، یعنی 100 الی 1000 آمینو اسید با ترتیبی خاص پشت یکدیگر چیده شده اند. این زنجیره سپس در هم می پیچد و شکلی خاص را پدید می آورد. شکل خاص آنزیم اجازه می دهد تا واکنش های شیمیایی مخصوصی توسط هر کدام صورت پذیرد.

آنزیم ها، کاتالیست های بسیار موثری برای واکنش های شیمیایی هستند و سرعت انجام فعالیت ها را به میزان قابل توجهی افزایش می دهند. برای مثال، قند مالتوز از دو گلوکز ساخته شده که به یکدیگر متصل شده اند. آنزیم مالتاز نیز دقیقا به گونه ای ساخته شده که مالتوز می تواند روی آن قرار بگیرد و پیوند بین دو گلوکز شکسته شود.

در نتیجه، آنزیم مالتاز، مالتوز را دریافت کرده و دو گلوکز تحویل می دهد. تنها کاری که مالتاز می تواند انجام دهد، همین است. اما اگر چنین آنزیمی در سلول نباشد، فرآیند تبدیل مالتوز به گلوکز (قند مورد نیاز بدن) بسیار آهسته و کند صورت می پذیرد. آنزیم های دیگر هم هستند که مولکول ها و اتم ها را به یکدیگر متصل می سازند.

قطع پیوند به مولکول ها و بالعکس، پدید آوردن پیوند، کاری است که آنزیم ها به خوبی انجام می دهند و برای انجام هر واکنش خاص نیز، بدن یک آنزیم مخصوص دارد.

حتما تا به حال در مورد افرادی که به لاکتوز حساسیت دارند شنیده اید و یا شاید خودتان از این مسئله رنج می برید. قند موجود در شیر یا همان لاکتوز، در بدن چنین افرادی به گلوکز تبدیل نمی شود، یا به عبارتی دیگر، این افراد آنزیم لاکتاز ندارند.

تصور کنید در باک یک خودرو، نوشابه بریزید. اگر موتور این خودرو نتواند نوشابه را بسوزاند و به نیرو محرکه تبدیل کند، نه تنها خودرو حرکت نمی کند، بلکه دچار نقص هم خواهد شد. مشابه همین ماجرا را ما با گلوکز داریم. اگر بنزین بدن ما، گلوکز، تامین نشود، لاکتوز پس زده می شود. مصرف آنزیم لاکتاز پیش از خوردن شیر یا هر ماده ای که لاکتوز در آن وجود داشته باشد، می تواند مشکل را به صورت موقت برطرف سازد.

درون یک باکتری کوچک، هزار نوع آنزیم وجود دارد که لاکتاز یکی از آن ها به حساب می آید. همه آنزیم ها کاملا آزاد در سیتوپلاسم غوطه می خورند و منتظرند تا ترکیب مورد نظر روی جایگاه فعال شان قرار گیرد. بسته به میزان اهمیت واکنش، از روی هر آنزیم، هزاران و یا شاید میلیون ها کپی تهیه شده که همه شان درون باکتری آزادانه می چرخند. خورد کردن قندها به گلوکز، ساخت دیواره سلولی، ساخت آنزیم های دیگر، تهیه نسخه کپی از روی DNA و … از جمله مهم ترین فعالیت های آنزیم ها هستند.

پروتئین

یک پروتئین، زنجیره ای از آمینو اسیدها است و یک آمینو اسید، بلوکه های کوچک مولکولی سازنده پروتئین است. اگر چربی را در نظر نگیریم، 20 درصد از وزن بدن انسان را پروتئین ها، 60 درصد را آب و 20 درصد باقی مانده را دیگر مواد معدنی تشکیل داده اند.

واحدهای سازنده پروتئین را به این دلیل آمینو اسید می نامند که از یک گروه آمین (NH2) و یک گروه کربوکسیل که اسیدی است (COOH) تشکیل شده اند. این دو واحد در تمامی آمینو اسیدها یکسان است و تغییری نمی کند، بلکه زنجیره متصل به آن تغییرات عمده به خود خواهد دید.

در مجموع حدودا 100 نوع آمینو اسید مختلف در طبیعت موجود است اما در بدن انسان صرفا 20 آمینو اسید طبیعی وجود دارد که به دو دسته آمینو اسید ضروری و غیر ضروری تقسیم می شوند و تنها راه کسب آن ها از طریق غذا است.

پروتئین بدن ما دو منبع حیوانی و گیاهی دارد. اغلب پروتئین های جانوری مثل گوشت، شیر و تخم مرغ، پروتئین های ضروری را در اختیار بدن قرار می دهند اما منابع گیاهی معمولا چندان غنی از پروتئین نیستند و اگر باشند، حاوی پروتئین های غیر ضروری هستند. مثلا برنج حاوی ایزولوسین و لیزین است که در دسته پروتئین های غیر ضروری دسته بندی می شوند.

با این حال، برخی منابع گیاهی مثل گردو، لوبیا و سویا سرشار از پروتئین بوده و با ترکیب کامل غذایی می توان تمامی پروتئین های ضروری بدن را از این طریق به دست آورد. بنابراین گیاهخوارانی که ترکیب غذایی درستی داشته باشند قادرند تا تمامی پروتئین مورد نیازشان را بدون مصرف گوشت و تخم مرغ به دست آورند.

منبع:

HowStuffWorks

مولکول DNA چگونه کار می کند؟ [قسمت اول]

مانند تک حلقه قدرت در داستان ارباب حلقه ها، دئوکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA) پادشاه همه مولکول های درون سلول است. DNA اطلاعاتی را در خود جای داده که نسل به نسل منتقل می شود و راز حیات را در خود گنجانده.

ریبونوکلئیک اسید نه تنها ساخت دیگر مولکول ها (پروتئین ها) را کنترل می کند، بلکه در شکل گیری و بازسازی خود نیز نقش دارد. اگر تغییر کوچکی در ساختار آن شکل گیرد، ممکن است عواقبی جدی در پی داشته باشد و اگر به حد غیر قابل اصلاحی تخریب شود، سلول می میرد.

تغییرات DNA در سلول های مختلف، تنوع زیستی را به وجود می آورد. این پروسه طی میلیون ها سال و به طریق انتخاب طبیعی صورت پذیرفته است.

اما DNA چیست؟ چه کسی آن را و در کجا کشف کرد؟ چه چیزی آن را تا این حد خاص و حائز اهمیت کرده است؟ چگونه کار می کند؟ در این مقاله دو قسمتی نگاهی خواهیم داشت به ساختار این مولکول و اطلاعات جامعی از آن در اختیارتان قرار می دهیم.

با دیجیاتو همراه باشید.

کشف DNA

ابتدا بگذارید برای تان داستان کشف DNA را تعریف کنیم.

DNA یکی از مولکول هایی است که در رده اسیدهای نوکلئیک قرار می گیرد. اسیدهای نوکلئیک ابتدا در سال 1868 میلادی توسط فردریش میشر، زیست شناس سوئیسی کشف شدند. اگرچه میشر به وجود اطلاعات ژنتیکی در اسیدهای نوکلئیک شک داشت اما نمی توانست این مسئله را تایید کند.

در سال 1943، اسوالد ایوری و همکارانش در دانشگاه راکفلر به این نتیجه رسیدند که DNA گرفته شده از باکتری استرپتوکوکوس نومونیا می تواند سلول های سالم باکتریایی را مبتلا سازد. این یافته نشان می داد که DNA، همان مولکولی است که حاوی اطلاعات سلول است.

نقش اطلاعاتی DNA بعدها در سال 1952 توسط آلفرد هرشی و مارتا چیس مورد حمایت قرار گرفت. این دو دانشمند، با استفاده از باکتریوفاژها (ویروس هایی که از باکتری ها به عنوان سلول میزبان خود استفاده می کنند) اثبات کردند که DNA نقش محوری را دارد و نه پروتئین ها. اگرچه دانشمندان به این مسئله سال ها پیش پی برده بودند اما هیچ کس نمی دانست که این اطلاعات چگونه کدگذاری شده اند و چه عملکردی دارند.

در سال 1953، جیمز واتسون و فرانسیس کریک، ساختار DNA را در دانشگاه کمبریج کشف کردند. داستان کشف DNA در کتاب «مارپیچ دوگانه» توسط جیمز واتسون به رشته تحریر در آمد و بعدها نیز فیلمی با عنوان The Race for Double Helix به تصویر کشیده شد.

در حقیقت، واتسون و کریک از تکنیک مدل سازی مولکولی و اطلاعات دیگر دانشمندان (ماوریس ویلکینز، رزالیند فرانکلین، اروین چارگف و لینوس پائولینگ) بهره بردند تا پرده از اسرار DNA بردارند. داستان کشف DNA و نقش موثر فرانکلین در این اتفاق را می توانید در مقاله «نگاهی به زندگی رزالیند فرانکلین، دانشمندی که جهان را تغییر داد اما هیچگاه شناخته نشد» مطالعه کنید.

واتسون، کریک و ویلکینز به سبب کشف DNA، جایزه نوبل پزشکی آن سال را دریافت کردند.

ساختار DNA

DNA یکی از چندین مدل اسید نوکلئیک است (RNA ها یا ریبونوکلئیک اسیدها نوع دیگری از این دسته هستند). DNA در هسته تمامی سلول های بدن انسان پیدا می شود و اطلاعات درون این مولکول:

• در ساخت پروتئین هایی که رفتارهای بیولوژیکی ما را معین می کنند به سلول کمک می کند.
• از نسلی به نسل دیگر منتقل (کپی) می شود.

کلید عملکرد تمامی رفتارهای سلولی، بنا به ادعای واتسون و کریک، درون DNA نهفته است. اگرچه ممکن است پیچیده و بعید به نظر رسد اما تمامی اطلاعات بدن ما توسط توالی های تکرار شونده ی 4 عضو کوچک به نام نوکلئوتیدها کد گذاری شده اند.

یک بنای عظیم را تصور کنید که فقط از 4 مدل مصالح ساختمانی درست شده باشد یا یک زبان پیچیده را در نظر بگیرید که الفبای آن بیشتر از 4 حرف ندارد. DNA زنجیره ای بلند و طویل از این حروف و بلوک های کوچک است.

هر نوکلئوتید متشکل است از یک قند (دئوکسی ریبوز)، یک گروه فسفات و یک باز نیتروژنی. بازهای نیتروژنی به دو گروه پورینی (دو حلقه ای) و پیریمیدینی (تک حلقه ای) تقسیم می شوند که عبارتند از:

• آدنین (Adenin) – یک باز پورینی
• سیتوزین (Cytosine) – یک باز پیریمیدینی
• گوانین (Guanine) – یک باز پورینی
• تیمین (Thymine) – یک باز پیریمیدینی

واتسون و کریک متوجه شدند که DNA دو قسمت دارد. این دو طناب در کنار یکدیگر قرار گرفته و به دور هم می پیچند و نوکلئوتیدها بین این دو قرار گرفته اند و ظاهری نردبانی شکل به آن می بخشند که به دابل هلیکس یا مارپیچ دوگانه نیز معروف است.

بخش نردبانی مولکول شامل قسمت قند-فسفات نوکلئوتیدهای مجاور است که به یکدیگر پیوسته اند. فسفات یک نوکلئوتید با قند نوکلئوتید بعدی، پیوند کووالان برقرار کرده است (در پیوند کووالان، یک یا دو جفت الکترون میان دو اتم به اشتراک گذاشته می شود). پیوند هیدروژنی میان فسفات ها سبب پیچش نوارهای DNA می شود.

پایه های نیتروژنی به عنوان پلکان این نردبان دو به دو روبروی هم قرار گرفته و به یکدگیر متصل می شوند. هر دو نوکلئوتید (یک پورین با یک پیریمیدین) با پیوند هیدروژنی در برابر یکدیگر قرار گرفته و سبب ایجاد واحدهای DNA می شوند. در دئوکسی ریبونوکلئیک اسیدها، پیوسته و بدون استثنا، آدنین در برابر تیمین (A-T) و سیتوزین با گوانین (C-T) جفت می شود.

پیوند هیدروژنی

پیوند هیدروژنی یک پیوند ضعیف شیمیایی است که مابین اتم های هیدروژن یک مولکول و اتم های الکترونگاتیو مولکول های دیگر مثل اکسیژن، نیتروژن و فلوئور شکل می گیرد. البته این پیوند ممکن است میان اتم های یک مولکول واحد هم شکل بگیرد.

برخلاف پیوندهای یونی و کووالان، در پیوند هیدروژنی، اشتراک الکترونی اصلا صورت نمی پذیرد. جاذبه ضعیف میان دو اتم، دقیقا همانند کنش های مغناطیسی در آهنربا عمل می کند. پیوندهای هیدروژنی در فواصل نزدیک به سادگی شکل می گیرند و به سادگی هم از بین می روند اما با این حال می توانند در استحکام مولکول نقشی اساسی داشته باشند.

جایگیری DNA درون سلول

DNA مولکولی بسیار طویل است. بگذارید با یک مقایسه ساده عظمت آن را به شما نشان دهیم. یک باکتری معمولی مانند اشرشیا کلای را در نظر بگیرید، E. Coli مولکول DNA ای دارد که از 3 هزار ژن ساخته شده است. ژن بخشی از هر مولکول DNA است که یک پروتئین خاص را کد گذاری کرده و سلول با ترجمه آن می تواند از یک ساختار نوکلئیک اسیدی، یک پروتئین بسازد.

اگر این DNA را به شکل یک نخ در آوریم، طول آن به یک میلی متر می رسد در حالی که یک اشرشیا کلای، در حالت عادی فقط 3 میکرون (3 هزارم یک میلی متر) طول دارد. بنابراین برای جای گرفتن در سلول، به شدت پیچ و تاب خورده و به شکل یک کروموزوم پیچ در پیچ در آمده است.

موجودات پیشرفته تر مثل حیوانات و گیاهان، بین 50 تا 100 هزار ژن روی هر کروموزوم خود دارند (انسان 46 کروموزوم دارد). در سلول بدن این موجودات، DNA به دور پروتئین های کروی که هیستون نام دارند پیچیده شده است. هیستون ها نیز شدیدا در هم فرو رفته اند تا کروموزوم را درون هسته جای دهند. وقتی سلول تقسیم می شود، کروموزوم ها (DNA) باز می شوند و از روی هر دو طناب آن یک مولکول دیگر ساخته می شود.

سلول های غیر جنسی دو کپی از هر کروموزومی که قرار است رونویسی شود را دارند و ضمن تقسیم میتوز، هر سلول دختر ساخته شده از روی سلول مادر، دو کپی جدید و مشابه دریافت می کند.

اما در تقسیم میوز، ماده ژنتیکی به جای آنکه به طور کامل در اختیار دو سلول دیگر قرار بگیرد، تقسیم شده و هر نیمه آن در یکی از 4 سلول حاصل قرار می گیرد.

سلول های جنسی (اسپرم در مردان و تخمک در زنان) فقط یک کپی از کروموزوم را در اختیار دارند و وقتی عمل جنسی صورت می پذیرد و اسپرم و تخمک با یکدیگر لقاح می یابند، یک ورژن ناقص کروموزوم از پدر با ورژن ناقص دیگر از مادر ترکیب شده و DNA جدید را حاصل می شود.

همانند سازی DNA

DNA حاوی اطلاعاتی است که برای ساخت تمام پروتئین های لازم همه سلول ها لازم است و این پروتدین ها در کنار هم به یک موجود زنده معنا و مفهوم می بخشند. وقتی یک سلول تقسیم می شود، همه این اطلاعات باید به درستی منتقل شوند و سلول مادر و دختر تفاوتی با یکدیگر نداشته باشند.

پیش از اینکه یک سلول بتواند تقسیم شود، ابتدا باید همانند سازی صورت پذیرد. به بیانی دیگر، باید یک کپی از DNA آن آماده شود.

اینکه همانند سازی کجا صورت می پذیرد، بسته به یوکاریوت یا پروکاریوت بودن سلول متغیر است. همانند سازی DNA در سیتوپلاسم پروکاریوت ها و هسته یوکاریوت ها صورت می پذیرد. به جز ماهیت مکان این فرآیند، باقی پروسه همانند سازی DNA بین یوکاریوت و پروکاریوت مشترک است.

ساختمان DNA به سادگی اجازه می دهد تا آنزیم ها و پروتئین های دخیل در پروسه همانند سازی، وارد چرخه شده و فرآیند را آغاز کنند. هر سمت از مارپیچ دوگانه، در جهت مخالف مارپیچ دیگر است. یعنی انتهای یکی، ابتدای دیگری است.

جالبی این مدل، شباهت آن به زیپ های معمولی است، با این تفاوت که می توان آن را از هر ناحیه ای باز کرد و الگوی آن را کپی کرد. به علت اینکه چیزی از بین نمی رود، بلکه الگویی جدید براساس الگوی قدیمی شکل می گیرد، همانند سازی DNA را نیمه محافظتی می نامند. برای انجام این فرآیند، نیاز به ابزارهای خاصی است.

مراحل همانندسازی عبارتند از:

1. آنزیمی به نام DNA Gyrase یا تروپوایزومراز 2، شکافی در مارپیچ دوگانه ایجاد می کند.
2. آنزیمی با نام هلیکاز وارد می شود و دو طناب را از یکدیگر جدا می کند.
3. پروتئین های ریز بسیاری به نام SSB به تک رشته های DNA وصل می شود و از بسته شدن آن جلوگیری می کند.
4. کمپلکس آنزیم های DNA پلیمراز (خصوصا DNA پلیمراز 3) در طول رشته DNA قدم به قدم جلو رفته و نوکلئوتید مکمل را در برابر آن قرار می دهند. برای مثال، اگر رشته مادر به صورت TGAC باشد، DNA پلی مراز، یک رشته ACTG در برابرش قرار می دهد.
5. DNA پلی مراز 1 و 2 پشت سر آن، یک بار دیگر همه چیز را چک می کنند تا در صورت بروز خطا، نوکلئوتید صحیح را جایگزین کنند.
6. آنزیم دیگری به اسم DNA لیگاز، قطعات اکازاکی () را پشت سر هم قرار داده و یک رشته کامل پدید می آورد.
7. رشته های کپی شده دوباره به یکدیگر وصل می شوند.

سلول های مختلف، با نرخ های متفاوتی DNA را همانندسازی می کنند. برخی سلول ها متداوما تقسیم می شوند، مثل سلول های مو، ناخن و مغز استخوان. برخی هم پس از چند سری تقسیم، متوقف می شوند (مثل ماهیچه ها، قلب و مغز). برخی دیگر هم اگرچه دیگر رشدی ندارند اما می توانند خود را ترمیم کنند، همانند پوست.

DNA حیوانات در برابر گیاهان

DNA تمامی موجودات زنده از همین ساختار و کدها پیروی می کند، اگرچه برخی ویروس ها از RNA به جای DNA برای حمل اطلاعات خود استفاده می کنند. اغلب حیوانات، دو کپی از هر کروموزوم را در خود جای داده اند اما گیاهان ممکن هست بیشتر از این تعداد را هم داشته باشند.

البته داشتن سه یا چهار کروموزوم یک اتفاق طبیعی نیست، حتی در گیاهان. جهش زایی بسیار رخ می دهد اما این مسئله در حیوانات عمدتا منجر به مرگ یا ایجاد بیماری هایی نظیر سندروم داون می شود اما گیاهان چندان واکنشی نسبت به کروموزوم های اضافه نشان نمی دهند.

در مقاله فردا شب، فرآیند ترجمه و ساخته شدن پروتئین های بدن توسط ترجمه کدهای ژنتیکی و همچنین جهش زایی را مورد بحث قرار خواهیم داد.

منبع:

HowStuffWorks

سلول های مصنوعی قادر هستند در داخل بدن دارو تولید کرده و بیماری ها را از بین ببرند

۰

در زمان حاضر برای درمان بسیاری از بیماری ها از انواع داروهای مرتبط استفاده می نمائیم اما به زودی به عصری خواهیم رسید که استعمال قرص، روشی قدیمی به شمار می رود و دیگر هیچ پزشکی نسخه ای برای بیمارها نخواهد نوشت. چرا؟ زیرا قرار است سلول های انسانی خودشان به ابزاری برای مبارزه با بیماری و به نوعی می توان گفت به کارخانه ی داروسازی تبدیل گردند.

بر این اساس، سلول ها به طور دایم خود را برای یافتن نشانه های بیماری مانیتور کرده و سپس داروی ضد التهابی مورد نیازشان را تولید می نمایند.

در ادامه با دیجیاتو همراه باشید.

همان طور که در بالا اشاره نمودیم، دانشمندان در حال انجام تحقیقاتی هستند تا بدن خود انسان داروی مورد نیاز برای رفع بیماری را تولید نماید. تحقیق مورد اشاره که در مجله علمی «ساینس ترنسلیشنال مدیسن» به چاپ رسیده به طور اختصاصی در مورد بیماری پوستی مزمن «پسوریازیس» صورت پذیرفته. بیماری مذکور نوعی بیماری مزمن ژنتیکی است که در آن سیستم ایمنی بدن به سلول های سالم آسیب وارد می کند و موجب ایجاد خارش و لکه های بزرگ روی پوست می گردد.

تیمی متشکل از مهندسان ژنتیک به رهبری «مارتین فاسنگر» در موسسه تکنولوژی فدرال سوئیس، سلول های زنده را طوری برنامه ریزی نموده اند تا  افزایش صدفک (پسوریازیس) را تشخیص داده و داروی درمانی لازم برای متوقف ساختن آن را تولید نمایند.

پس از کاشت این سلول ها در بدن موش های آزمایشگاهی، بیماری خود ایمنی موردبحث روند کار خود را متوقف کرد و باعث گشت تا پوست به حیات عادی خود ادامه دهد.

فاسنگر در رابطه با طرح خود بیان نموده: «سلول های تولیدی ما به گونه ای مهندسی شده اند تا قادر باشند دو نوع سیگنال ورودی را تشخیص دهند که مشخصه های یک سیستم ایمنی برای جلوگیری از پیشرفت التهاب صدفک را در خود دارند. پس از تشخیص نشانه های مذکور توسط این سلول ها، آنها با تولید داروهای کنترل کننده، واکنشی سریع از خود نشان خواهند داد تا رشد بیماری را متوقف نماید.»

نگهبان سلول ها

سلول های دوباره مهندسی شده توسط فاسنگر را مبدل سیتوکین نیز می نامند. برای ساخت آنها محققان ابتدا روی سطح سلول ها، دو نوع دریافت کننده شیمیایی تعبیه می نمایند. این گیرنده های اضافی اجازه می دهند تا مولکول های سلولی قادر باشند حضور پروتئین های ویژه در اطراف خود را تشخیص دهند. پروتئین های مذکور «عامل نکروز تومور» (TNF) و اینترلوکین-22 (IL-22) نیز نامیده می گردند و باید گفت وقتی به صورت مستقل فعالیت می کنند برای سیستم ایمنی بدن نقش حیاتی دارند اما هنگام تجمع در کنار هم و تشکیل کلونی به عنوان نشانه التهاب بیماری صدفک شناخته می شوند.

پیرو همین مسئله، به ادعای رهبر تیم تحقیقاتی یاد شده، سلول های ساخته شده توسط آنها اگر دو مولکول پروتئینی را به طور همزمان در کنار هم تشخیص دهند، با تولید یک جفت مولکول ضد التهابی به نام های IL4 (اینترلوکین 4) و IL10 (اینترلوکین 10) و ارسال شان به جریان خون واکنش نشان خواهند داد.

پیش از یافته های جدید نیز اینترلوکین های یاد شده به عنوان دارویی موثر به منظور متوقف نمودن التهابات پسوریازیس و درمان آن کشف شده و استفاده می گشتند.

برای موش های آزمایشگاهی تیم مورد بحث، با یک بار تزریقِ سلول های اصلاح شده، التهاب و رشد بیماری صدفک را تا یک هفته می شد متوقف نمود. در نتیجه می توان گفت که سلول های مهندسی شده جدید فاسنگر همانند یک نگهبان همیشه هوشیار، دائم در حال مانیتور نمودن شرایط و یافتن زمان لازم برای به کارگیری داروی موردنیاز هستند.

آینده علم پزشکی

فاسنگر در مورد روشی که با همراهی گروهش کشف نموده، اظهار داشته: «شاید تعجب کنید که وقتی می توان با مصرف اینترلوکین های 10 و 4 این بیماری را درمان نمود، چرا باید این همه سختی کشید و چنین سلول هایی را بدن تزریق کرد؟ این روش در آزمایشگاه تست شده اما مشکلی دارد و آن این که این مولکول ها خیلی سریع در جریان خون حرکت خواهند کرد و شما اساسا مجبور خواهید بود تا به طور مرتب این اینترلوکین ها را به بدن بیمار تزریق نمائید تا نتیجه موردنظر حاصل شود.»

با اینکه سلول های مصنوعی این تیم هنوز در بدن انسان مورد آزمایش قرار نگرفته اند اما تست های ابتدائی نشان می دهند که عملکرد آنها در جریان خون انسان با مشکلی مواجه نخواهد بود. به همین منظور، محققان یاد شده اعتقاد دارند خیلی دور نیست زمانی که دانشمندان بتوانند از این نوع آزمایشات به عنوان زمینه ای برای اعمال درمان های ژنی استفاده نمایند.

این کار به این صورت خواهد بود که: یک پزشک می تواند نمونه ای از سلول های بیمار مبتلا به پسوریازیس را برداشته و با روش آزمایشگاهی فاسنگر آن را به نمونه های اصلاح شده تبدیل نماید و در آخر نیز سلول های جدید را درون یک پچ در زیر پوست و درست در جایی که آماده خدمت باشند و بتوانند در کمترین زمان واکنش درمانی از خود نشان دهند، تزریق نماید.

در آخر نیز باید به سخنان پایانی فاسنگر در مورد روش خلق شده توسط تیمشان اشاره کنیم که ادعا نموده: «ما سلول هایی طراحی نموده ایم که ویژگی ها و فرصت های کنترلی جدیدی را به بدن بیمار اضافه می نماید. با این نوع تکنولوژی ما قادر خواهیم بود بدن را در مقابل بیماری ها مقاوم سازیم و دنیایی از پروتزهای (اعضای مصنوعی) مولکولی را تولید نمائیم. به این صورت آینده علم پزشکی به طور اساسی دچار تحول خواهد گشت.»

امید است که با ادامه این مسیر و توسعه این روش های درمانی بتوان از بروز بسیاری از بیماری های ناراحت کننده برای انسان پیشگیری نمود و سلامت بیشتری را برای نوع بشر به ارمغان آورد.

منبع: