مقدمه

ویتامینها ترکیبات آلی غیر از قندها ، لیپیدها و پروتئینها هستند که در طبیعت توسط تک یاخته‌ها ، سلولهای گیاهی و پاره‌ای از جانداران تکامل یافته ساخته می‌شوند. چون سلولهای بدن انسان قادر به ساختن ویتامینها نیستند نیاز بدن به ویتامین باید از محیط زیست مرتبا و به مقادیر لازم توسط مواد غذایی تامین شود.

با اینکه ویتامینها نقش سازنده و تولید کننده انرژی را ندارند اهمیت آنها در انجام پدیده‌های حیاتی به اندازه‌ای است که فقدان یا کمبود هر یک از آنها موجب پیدایش اختلالات شدید در یک عضویا تمام بدن می‌گردد. ویتامینها به دو گروه محلول در آب و محلول در چربی تقسیم می‌شوند. ویتامینهای گروه B در گروه ویتامینهای محلول در آب قرار دارد. 

اسید نوکلئیک یکی از ماکرومولکولهای زیستی است که وظیفه ذخیره اطلاعات ژنتیکی را در سلول بر عهده دارد. جایگاه اسیدهای نوکلئیک در هسته و سیتوپلاسم سلول است و از واحدهایی به نام نوکلئوتید ساخته شده‌اند.

نگاه اجمالی

نوکلئوتیدها اعمال متنوعی را در داخل سلول انجام می‌دهند. نوکلئوتیدها به عنوان زیر واحدهای اسیدهای نوکلئیک حامل اطلاعات ژنتیکی هستند. ساختمان هر پروتئین و نهایتا هر بیومولکول ، محصولی از اطلاعات موجود در توالی نوکلئوتیدی اسیدهای نوکلئیک سلول می‌باشد. توانایی ذخیره و انتقال اطلاعات ژنتیکی از نسلی به نسل بعد شرط اساسی زندگی است. توالی آمینو اسیدی هر پروتئین موجود در سلول و توالی نوکلئوتیدی هر مولکول RNA توسط توالی نوکلئوتیدی موجود در ساختمان DNA DNAسلول تعیین می‌گردد. قطعه ای از مولکول DNA که حاوی اطلاعات لازم جهت سنتز یک محصول بیولوژیک وظیفه‌دار نظیر پروتئین یا RNA است را یک ژن می‌گویند. در داخل سلولها دو نوع اسید نوکلئیک یافت می‌شود. 

ساختار اسید نوکلئیک

اسیدهای نوکلئیک بسپارهایی (پلیمرهایی) با زنجیر طولانی و وزن مولکولی بالا متشکل از نوکلئوتیدها هستند. هرنوکلئوتید از قسمتهای زیر تشکیل شده است. 

• یک مولکول اسید فسفریک
• یک مولکول قند 5 کربنی
• یک مولکول باز نیتروژن‌دار

انواع اسیدهای نوکلئیک

دو نوع اسید نوکلئیک وجود دارد. دزوکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA) و ریبو نوکلئیک اسید (RNA). اختلاف اساسی بین این دو مولکول قندی است که مورد استفاده قرار داده‌اند. DNA حاوی دزوکسی ریبوز و RNA حاوی ریبوز است. پیشوند دزوکسی برداشتن یک اتم اکسیژن را نشان می‌دهد. اگر یک اتم اکسیژن ، از اتم کربن شماره 2 ریبوز برداشته شود، ساختار دزوکسی ریبوز بدست می‌آید. DNA بطور عمده در هسته سلول یافت می‌شود. در حالی که RNA بطور عمده در سیتوپلاسم یعنی در خارج هسته سلول است.

سه نوع عمده از RNA مشخص شده است. این سه نوع عبارتند از RNA پیک (mRNA) ، RNA ناقل (tRNA) ، و RNA ریبوزومی (rRNA). هر یک از آنها وزن مولکولی و ترکیب بازی خاص خود را دارد. RNAهای پیک ، معمولا از همه بزرگترند و وزن مولکولی آنها بین 25000 تا یک میلیون است. آنها 75 تا 3000 واحد مونو نوکلئوتید دارند. وزن مولکولی RNA های ناقل بین 23000 تا 30000 است و شامل 75 تا 90 واحد نوکلئوتیدند. RNA های ریبوزومی که وزن مولکولی آنها بین وزن مولکولهای mRNA و tRNA است حدود 80 درصد کل RNA سلول را تشکیل می‌دهند. 

ساختار RNA و DNA

مونومرهای RNA و DNA شامل یک قند ساده ، یکی از بازهای نیتروژنی و یک یا دو واحد اسید فسفریک هستند. نوکلئوتیدهای RNA و DNA از نظر ساختاری تنها در قند و یک باز متفاوت دارند. پلی نوکلئوتیدهایی با وزن‌های مولکولی تا چند میلیون شناخته شده‌اند. ردیف نوکلئوتیدها در زنجیر پلی نوکلئوتیدی ساختار نوع اول این زنجیر است. در زنجیر اسید نوکلئیک ، اتم کربن شماره 3 یک مولکول قند و اتم کربن شماره 5 مولکول قند بعدی توسط یک اتصال استر به مولکول اسید فسفریک متصل می‌گردد.

یکی از چهار بنیان مختلف باز نیتروژن‌دار جایگزین گروه OH اتم کربن شماره 1 هر مولکول قند می‌گردد. ساختار دوم DNA یک مارپیچ دوگانه است. دو زنجیر DNA به نحوی به یکدیگر پیچ خورده‌اند که بازها درون مارپیچ واقع شده‌اند. ساختار از طریق پیوندهای هیدروژنیبین بازهای یک زنجیر و بازهای زنجیر دیگر به هم متصل شده‌اند. چهار بنیان باز موجود در DNA از تیمین (T) ، آدنین (A) ، گوانین(G) و سیتوزین (C). آدنین و تیمین یکدیگر را تکمیل می‌کنند.

موقعیت اتمها این امکان را فراهم می‌سازد تا دو پیوند قوی هیدروژنی بین A از یک زنجیر و T از زنجیر دیگر مارپیچ دو گانه بوجود آید. گوانین (G) و سیتوزین (C) به همین نحو همدیگر را تکمیل می‌کنند. بین این زوج باز سه پیوند قوی هیدروژنی تشکیل می‌شود. در هر نمونه DNA مقدار A و T و نیز G و C یکسان است. بازهایی که به یک زنجیر DNA متصل است بازهای متصل به زنجیر دیگر DNA را تکمیل می‌کنند. اگر یک A روی زنجیر 1 وجود داشته باشد، T روی زنجیر 2 مخالف آن خواهد داشت و اگر یک T روی زنجیر 1 وجود داشته باشد، A روی زنجیر 2 مخالف آن وجود خواهد داشت. همین نحوه جفت شدن بین C و G روی می‌دهد.

دو جفت پیوند هیدروژنی تقریبا طول یکسان دارند. در نتیجه دو زنجیر مارپیچ دوگانه به یک فاصله از همدیگر قرار می گیرند. مولکولهای RNA به صورت تک رشته‌ای قرار دارند و فقط در بعضی از انواع آن هم در مواقعی خاص پیوندهای هیدروژنی در داخل یک زنجیره ایجاد می‌شود که می‌توان مولکول RNA ناقل را نام برد. 4 باز موجود در RNA عبارتند از: آدنین ، یوراسیل ، گوانین و سیتوزین. 

عمل پلی نوکلئوتیدها

عمل پلی نوکلئوتیدها همانند سازی از اطلاعات سلولی موجود در هسته است. بطوری که شبیه ، شبیه را بوجود می آورد. گوناگونی ساختارهای نوع اول پلی نوکلئوتیدها تقریبا بی‌نهایت است و این گوناگونی امکان می‌دهد که اطلاعات بی‌نهایت گوناگون در ساختارهای مولکولی رشته‌های اسید نوکلئیک ثبت شود. آرایشهای گوناگون فقط چند باز متفاوت ساختارهای بسیار گوناگونی ایجاد می کند. امروزه باور دانشمندان این است که اطلاعات کد شده با همانند سازی DNA آغاز می‌شود و با سنتز پروتئین طبیعی و همچنین با سنتز بافتهای بدن ادامه می‌یابد. 

همانند سازی DNA

تقریبا تمام هسته‌های سلولهای موجود زنده شامل ترکیب کروموزومی یکسان است. این ترکیب همواره ثابت است. صرف نظر از اینکه در سلول ، مواد غذایی فراوان یا بسیار کم باشد. هر موجود زنده حیات خود را بصورت یک تک سلول با ترکیب کروموزمی یکسان آغاز می‌کند. درتولید مثل جنسی نیم یک کروموزوم از هر یک از والدین به آن می‌رسد. این واقعیتهای زیست شناختی ، خوب شناخته شده همراه با اکتشافهای اخیر درباره ساختارهای پلی نوکلئوتیدها ، دانشمندان را به این نتیجه‌گیری رسانیده است که ساختار DNA در حین تقسیم عادی سلول (میتوز - هر دو رشته) بطور کامل و در تقسیم سلولی سلولهای جنسی (میوز – یک رشته) فقط بطور نیمه کپیه می‌شود.

وقتی یاخته‌ای تقسیم می‌شود، دو زنجیر مارپیچ دوگانه DNA از همدیگر جدا می‌گردد. هر زنجیر به عنوان الگو برای سنتز زنجیر جدید و مکمل مورد استفاده قرار می‌گیرد. از این فرآیند دو مارپیچ دوگانه یکسان بوجود می‌آید. هر مارپیچ دوگانه حاوی یکی از زنجیرهای مارپیچ دوگانه اصلی است. نوکلئوتیدهای موجود در محلول ، زنجیرهای جدید را تشکیل می‌دهند. باز یک نوکلئوتید با باز مکمل یک زنجیره DNA از طریق تشکیل پیوندهای هیدروژنی جفت می‌شوند. بنابراین ، نوکلئوتیدها به نحوی که توسط ترتیب بازها در زنجیر DNA تعیین می‌گردد منظم می‌شوند. زنجیرهای جدید که از نوکلئوتیدها تشکیل می‌شوند مکمل زنجیرهای DNA اصلی می‌باشند. همانند سازی DNA در هسته سلولصورت می‌گیرد. 

جهش (Mutation)

هر تغییری که در DNA یک یاخته ، تغییر در RNA پیکی که از آن تولید می‌شود و در نتیجه اختلال در پروتئین حاصل را به دنبال دارد جهش نامیده می‌شود. این تغییرات ممکن است سودمند ، زیان آور یا بی‌اهمیت باشد و از نسلی به نسل دیگر منتقل گردد. جهشها مسئولبیماریهای ژنتیکی از قبیل بیماری تی – ساکس ، کم خونی ، هموفیلی و کره هانتینگتون هستند. 

ترجمه روندی است که در آن از اطلاعات رمز شده در RNA برای ساختن پروتیئنها استفاده می‌شود.

مقدمه

پروتئینها از اتصال اسیدهای آمینه به یکدیگر از طریق پیوند پپتیدی بدست می‌آیند. تشکیل پیوند پپتیدی و قرار گرفتن ترتیب اسیدهای آمینه که برای هر پروتئین اختصاصی است، به سادگی امکان پذیر نیست. به همین دلیل می‌بایست در یاخته مکانیسم ویژه‌ای وجود داشته باشد که بتواند ویژگی پروتئینها را حفظ کند. بیوسنتز پروتئینها در واقع ترجمه ترتیب نوکلئوتیدی اسید نوکلئیک DNA در مولکول پروتئین است. انتقال اطلاعات از DNA به مولکول پروتئین بوسیله RNAها ، بویژه mRNA امکانپذیر است. بدین ترتیب برای هر پروتئین ، mRNA اختصاصی آن پروتئین وجود دارد.





به عبارت دیگر هر پروتئین در روی DNA ، ژن اختصاصیدارد که اطلاعات آن ژن در mRNA رونویسی و در مولکول ترجمه می‌شود. در بیوسنتز پروتئینهایی که در ساختارشان بیش از چند اسید آمینه دارند، وجود یک مکانیسم سنتزی که در آن ترکیبات و عوامل بسیاری دخالت می‌کنند، الزامی است. این مکانیسم به یک سیستم رمز یاب نیاز دارد که بطور خودکار واحد اسید آمینه معینی را در موقعیت ویژه‌ای از زنجیره پروتئینی قرار می‌دهد. 

ترکیبات شرکت کننده در سنتز

RNA پیک (mRNA)

این RNA اطلاعات مربوط به پروتئین ویژه‌ای را از مولکولDNA می‌گیرد و به ماشین سنتز کننده پروتئین انتقال می‌دهد. در ترتیب نوکلئوتیدهای mRNA هر سه نوکلئوتید مجاور بیانگر رمز (کدون) اسید آمینه مشخص هستند و به همین جهت ترتیب نوکلئوتیدها در mRNA بیان کننده ترتیب اسیدهای آمینه در پروتئین است. هر اسید آمینه رمز مشخصی دارد. متیونین و تریپتوفان فقط یک رمز دارند، در حالیکه سایر اسیدهای آمینه واجد دو یا تعداد بیشتری رمز هستند. 

رمز میتونین همیشه AUG است که آغاز سنتز را در همه پروتئینها به عهده دارد. در یاخته‌های پروکاریوت و یوکاریوت ، در هر دو پروتئین سازی با میتونین آغاز می‌شود. پروتئینهایی که نخستین اسید آمینه آنها میتونین نیست، پس از آغاز میتونین آغازین از مولکول برداشته می‌شود. سه رمز UGA و UAA و UAG برای پروتئین رمز خوانی نمی‌کنند، بلکه رمزهایی هستند که پایان سنتز زنجیره پروتئین را بیان می‌کنند. 

RNA ناقل (tRNA)

tRNA ساختار سوم از نوع L دارد که در آن دو ناحیه پذیرنده و آنتی کدون آزادند و بقیه مولکول تاب خورده است. آنتی کدون (پاد رمز) شامل سه نوکلئوتید است که مکمل رمز ویژه‌ای از mRNA است. tRNA از ناحیه پذیرنده یک اسید آمینه اختصاصی را به خود متصل می‌کند.آنزیم اختصاصی به نام آمینو اسیل- tRNA- سنتتاز این عمل را انجام می‌دهد. در نتیجه برای هر اسید آمینه دست کم یک tRNA اختصاصی وجود دارد. ولی برخی از اسیدهای آمینه بیش از یک نوع tRNA دارند. 

ریبوزومها

ریبوزمها که از اتصال RNA ریبوزومی با تعدادی پروتئین شکل می‌گیرند، شامل دو زیر واحد هستند که از نظر اندازه و نوع پروتئینها در یوکاریوتها متفاوت هستند. دو زیر واحد در حالت عادی از یکدیگر جدا بوده و در یاخته پراکنده‌اند. در حالی که با آغاز سنتز پروتئین ، دو زیر واحد به هم متصل شده و یک مجموعه را تشکیل می‌دهند. در روی ریبوزومها (هر دو زیر واحد) در جایگاه وجود دارد. جایگاه آمینو اسیل که با A نمایش داده می‌شود و جایگاه پپتیدیل که با P مشخص می‌شود. هنگامی که دو زیر واحد به هم متصل می‌شوند، جایگاهها به نحوی قرار می‌گیرند که کاملا بر همدیگر منطبق باشند. 

آنزیم پپتیدیل ترانسفراز یا پپتید سنتتاز

اتصال دو اسید آمینه به یکدیگر یا تشکیل پیوند پتیدی را کاتالیز می‌کند. 

عوامل آغازگر

این عوامل دراز کننده و پایان دهنده یا آزاد کننده زنجیره هستند. 

انرژی لازم

انرژی لازم در واکنشها بوسیله GTP تامین می‌شود. 

مراحل سنتز پروتئین(مراحل سنتز در پروکاریوتها)

آغاز سنتز

عواملی که در آغاز سنتز زنجیره پروتئین شرکت دارند، عوامل آغازگر خوانده شده و با علامت اختصاصی IF نشان داده می‌شوند. تا کنون سه نوع آغازگر IF₁ , IF₂ , IF₃ شناسایی و مطالعه شده‌اند. رمز آغازگر سنتز در روی mRNA همیشه مربوط به اسید آمینه متیونین بوده و در پروکاریوتها این اسید آمینه حالت فرمیل دار متیونین است. رمز متیونین و یا فرمیل متیونین سه نوکلئوتید AUG است. در مرحله اول ، عامل IF₃ به زیر واحد کوچک ریبوزوم متصل می‌گردد. 

سپس mRNA در روی آن طوری قرار می‌گیرد که رمز AUG در جایگاه P ریبوزوم واقع شود. پس از استقرار mRNA در جایگاه خود IF₃ آزاد می‌گردد. در مرحله بعد عامل IF2 , GTP به tRNA فرمیل متیونین (fMet) متصل شده و مجموعا بر روی زیر واحد کوچک ریبوزوم که حامل mRNA نیز هست، انتقال می‌یابد. در این حالت زیر واحد بزرگ ریبوزوم به مجموعه فوق به نحوی متصل می‌شود که جایگاه P و A دو زیر واحد به یکدیگر منطبق شوند. 

دراز شدن زنجیره

مرحله‌ای است که طی آن اسیدهای آمینه تشکیل دهنده زنجیره پروتئین مورد نظر ، یکی یکی با سوار شدن بر روی tRNA ویژه خود ، بر روی ریبوزوم انتقال می‌یابند و بین آن پیوند پپتیدی ایجاد می‌شود. در این فرآیند عوامل دراز کننده زنجیره شرکت دارند که با EFG و EFT نشان داده می‌شوند. ابتدا اسید آمینه دوم بر روی tRNA خود سوار می‌شود و عوامل GTP و EFG را به خود متصل می‌کند و مجموعه حاصل به جایگاه A ریبوزوم منتقل می‌شود. پس از اینکه tRNA کاملا در محل خود ثابت شد، EFT آزاد می‌شود و GTP به GDP و Pi تبدیل می‌گردد.

در مرحله بعد بین دو اسید آمینه که یکی در جایگاه P و دیگری در جایگاه A قرار دارد، پیوند پپتیدی تشکیل می‌شود. این عمل بوسیله آنزیم پپتیدیل ترانسفراز یا پپتیدیل سنتتاز کاتالیز می‌گردد. در این حالت حرکت ریبوزوم در روی mRNA در جهت 5--->3 به اندازه یک رمز ، موجب می‌شود که tRNA موجود در جایگاه p (که اسید آمینه خود را رها کرده) و tRNA پپتیدیل (که اسید آمینه را بر روی خود حمل می‌کند) از جایگاه A به P انتقال ‌یابد. این مرحله جابجایی نامیده می‌شود و انجام آن به عامل EFG نیاز دارد. جایگاه A که اکنون خالی شده ، برای پذیرش اسید آمینه سوم آماده می‌شود. اتصال واحدهای اسید آمینه به همین ترتیب پیش می‌رود تا اینکه ریبوزوم به انتهای رمز مربوط در روی mRNA برسد.

پایان سنتز زنجیره

پایان سنتز زنجیره پروتئین هنگامی است که ریبوزوم به رمزهای انتهایی روی زنجیره mRNA می‌رسد. در روی mRNA سه رمز پایانی UGA , UAG , UAA وجود دارند، که پایان سنتز زنجیره را اعلام می‌کنند. عواملی که در این مرحله شرکت دارند به نام عوامل آزاد کننده R₃ و R₂و R₁ معروف هستند. اتصال این عوامل به رمزهای پایانی مربوطه ، باعث می‌شود که آنزیم پپتیدیل سننتاز به جای اینکه پیوند پپتیدی ایجاد کند، مولکول آب را به انتهای زنجیره انتقال دهد. در نتیجه مولکول پروتئین تازه سنتز شده در انتها به عامل COOH پایان می‌یابد و زنجیره آزاد می‌گردد و بلافاصله mRNA و سایر عوامل آزاد شده و دو زیر واحد ریبوزومها نیز از یکدیگر جدا می‌شوند. برای سنتز یک مولکول mRNA چندین ریبوزوم همزمان روی رشته قرار می‌گیرند و در پروتئین سازی شرکت می‌کنند. 

مباحث مرتبط با عنوان

• آنزیم
• اسید آمینه
• انواع پروتئین
• بیوشیمی
• پروتئین
• همانند سازی ژنتیکی
• ژن
• ساختمان DNA
• ساختمان RNA