سنترال دگما، اصل بنیادی مهم برای زیست شناسان
Central Dogma چیست؟ دگم به معنای واقعیت و اصل تغییر ناپذیر است، اما دگم مرکزی زیست شناسی مولکولی(اصل مرکزی زیست شناسی مولکولی) به چه معناست؟ این اصل توضیح می دهد که جریان اطلاعات ژنتیکی در یک سیستم بیولوژیکی به چه صورتی است و موجودات چگونه اطلاعات ژنتیکی را از والدین خود می گیرند و موجودات جدید را به وجود می آورند. در واقع سنترال دگما روشی است که توسط آن دستورالعمل های DNA به یک محصول کاربردی(پروتئین) تبدیل می شوند.
ایده ی سنترال دگما در سال 1958 توسط فرانسیس کریک و جیمز واتسون مطرح شد. آنها می گویند با انتقال دقیق توالی سر و کار دارد. اطلاعات یا همانطور که مارشال نیرنبرگ، برنده جایزه نوبل فیزیولوژی و پزشکی، زمانی گفت: “DNA باعث می شود RNA پروتئین را بسازد.” احتمالا این توضیح ساده همه چیز را نشان می دهد. اجازه دهید این مفهوم را کمی بیشتر بررسی کنیم.
در اکثر سلول ها، اطلاعات ژنتیکی از DNA به RNA و سپس به پروتئین منتقل می شود. انتقال اطلاعات توسط سه فرآیند مختلف کنترل می شود که به انتقال اطلاعات ژنتیکی و همچنین تبدیل آن به شکل متفاوت کمک می کند. DNA و RNA اسیدهای نوکلئیک هستند که از نوکلئوتیدها تشکیل شده اند. پروتئین ها نیز از اسیدهای آمینه تشکیل شده اند.
انتقال اطلاعات از ابتدایی ترین سطح ذخیره شده به عنوان DNA شروع می شود، DNA خود را در فرآیندی به نام “همانند سازی” با هدف حفظ اطلاعات ژنتیکی کپی می کند. سپس DNA را می توان در فرآیندی به نام “رونویسی” در RNA کپی کرد و در نهایت می توانید از اطلاعات موجود در RNA برای سنتز پروتئین در فرآیندی به نام “ترجمه” استفاده کنید. جریان اطلاعات می تواند یک طرفه و نامحدود باشد. به مجموع این فرآیندها اصل مرکزی زیست شناسی یا سنترال دوگما گفته می شود.
به زبان ساده تر DNA همانند خودش را تکثیر می کند که به آن همانندسازی گفته می شود،. اگر به کلمه رونویسی دقت کنید، کلمه “Script” در آن وجود دارد که به معنای رونوشت است بنابراین از یک اسید نوکلئیک استفاده رونوشت انجام می شود. از سوی دیگر، ترجمه که همان اصطلاحی است که ما هنگام ترجمه یک زبان به زبان دیگر استفاده می کنیم، تبدیل اسید نوکلئیک به اسید آمینه را توصیف می کند، مانند این است که شما برای نوشتن کدهای یک وبسایت از یک زبان استفاده می کنید و تصمیم می گیرد آنها را به زبان دیگری بنویسید.
در زیست شناسی از بلوک های سازنده اسید نوکلئیک(نوکلئوتیدها) به بلوک های سازنده اسید آمینه(کدون) تغییر می کند. در مجموع به فرآیند رونویسی و ترجمه، بیان ژن گفته میشود.
در فرایند رونویسی، اطلاعات ذخیره شده در DNA یک ژن به RNA در هسته سلول منتقل میشود که این دو مقداری با هم تفاوت دارند. mRNA که حاوی اطلاعات لازم برای ساخت یک پروتئین است، پیام را از DNA به خارج از هسته و به درون سیتوپلاسم را حمل میکند. رونویسی شامل مراحل زیر می شود
Initiation
Promoter Clearance
Elongation
Termination
فرآیند ترجمه در سیتوپلاسم انجام میشود. mRAN با کمپلکس ریبوزوم که توالی بازهای mRNA را میخواند میانکنش میکند. در اینجا هر توالی متشکل از سه باز را، یک کدون مینامیم که برای یک آمینواسید خاص(واحدهای سازنده پروتئین ها) کد شده اند.
tRNA پروتئین سازی را شروع می کند و هر بار یک امینو اسید را اضافه می کند. این فرآیند ادامه پیدا می کند تا زمانی که ریبوزوم با یکی از کدون های خاتمه مواجه شود.
برای یادگیری آزمایش بررسی بیان ژن و سایر تکنیک های مورد نیاز برای آزمایشگاه ژنتیک مولکولی
از طریق لینک دوره های آموزشی تخصصی آزمایشگاه می توانید اقدام نمایید.
جریان انتقال اطلاعات ژنتیکی با توجه به اصل مرکزی زیست شناسی مولکولی(سنترال دگما)
حکم مرکزی زیست یا سنترال دگما امکان انتقال اطلاعات ژنتیکی را به سه گروه طبقه بندی می کند:
- اولین گروه سه نوع انتقال کلی(General) است که به طور معمول در اکثر سلول ها رخ می دهد و جریان طبیعی و منظم اطلاعات در سیستم های بیولوژیکی را توصیف می کند که طبق آن اطلاعات DNA همچنین روی DNA بازنویسی(همانند سازی)می شود. همچنین میتواند روی mRNA (رونویسی) بازنویسی شده و با ترجمه اطلاعات موجود در mRNA (به عنوان یک الگو ترجمه) پروتئینها ساخته میشوند.
- انتقالهای خاص(Special): در سال 1970 آقای هاروارد مارتین تمین وجود آنزیم “DNA پلیمراز وابسته به RNA” (ترانس کریپتاز معکوس) را نشان داد که می تواند DNA را تنها با استفاده از یک رشته از الگوی DNA سنتز کند. دیوید بالتیمور نیز در سال 1970 همچنین فعالیتهایی را که آنزیم میتواند در ویروسهای تومور خاص بر اساس RNA داشته باشد، توصیف کرد. این کشف پیشگامانه در زیست شناسی مولکولی منجر به این ایده شد که اصل مرکزی زیست شناسی می تواند معکوس شود.
این نشان میدهد که ترتیب جریان اطلاعات نباید صرفا از DNA به RNA و سپس به پروتئین باشد، بلکه ممکن است از RNA به DNA نیز رخ دهد. البته در شرایط خاص در مورد برخی از ویروسها یا در آزمایشگاه اتفاق میافتد. رونویسی معکوس شامل تبادل اطلاعات بین RNA به منظور ایجاد DNA جدید است. این مورد در مورد رترو ویروسها، مانند HIV است. این فرآیندی است که از طریق آن اطلاعات ژنتیکی به دست آمده از DNA برای تشکیل DNA جدید در کنار هم قرار می گیرند.
- گروه سوم، سه انتقال نامعلوم(Unknown): انتقال ناشناس همانند سازی یک پروتئین است و سنتز RNA و DNA با استفاده از ساختار اصلی پروتئین به عنوان الگو. تصور می شود که به طور طبیعی احتمال رخ دادن این نوع انتقال وجود نداشته باشد.
در نتیجه انتقال از اسیدهای نوکلئیک به اسیدهای نوکلئیک یا از پروتئین به اسید نوکلئیک ممکن است امکان پذیر باشد، اما انتقال اطلاعات از پروتئین به پروتئین یا از اسید نوکلئیک به پروتئین امکان پذیر نیست.
سنترال دگما(اصل مرکزی زیست شناسی) در دو مرحله متمایز فرموله می شود:
رونویسی روشی است که توسط آن جزئیات از یک قسمت DNA به RNA از طریق آنزیمی به نام RNA پلیمراز منتقل می شود. رشته DNA که تحت این فرآیند قرار می گیرد از سه عنصر تشکیل شده است: ژن ساختاری، پروموتر و تایید کننده. رشته DNA که RNA را تولید می کند، رشته الگو نامیده می شود. رشته دوم، رشته کد شده نامیده می شود. RNA پلیمراز وابسته به DNA به پروموتر متصل می شود و فرآیند پلیمریزاسیون را در جهت 3′-5 آغاز می کند. با نزدیکتر شدن به دنباله پایاندهندهاش، رشته RNA تازه سنتز شده به پایان میرسد. این رشته RNA تازه آزاد شده تحت تغییرات پس از رونویسی قرار می گیرد.
فرآیند ترجمه به این صورت است که RNA پروتئین های خاصی را کد می کند. این فرآیند به انرژی نیاز دارد. انرژی توسط مولکول های tRNA تامین می شود. ریبوزوم ها هستند که فرآیند ترجمه را آغاز می کنند. آنها از یک زیر واحد بزرگتر و زیر واحد کوچکتر تشکیل شده اند. از سوی دیگر، زیرواحد بزرگتر از دو مولکول tRNA تشکیل شده است که به اندازه کافی نزدیک به هم قرار گرفته اند تا امکان تشکیل پیوند پپتیدی با کمک انرژی کافی وجود داشته باشد.
mRNA به زیر واحد کوچکتر منتقل می شود و توسط مولکول های TRNA کدون تکمیل کننده که در زیر واحد بزرگتر قرار دارد نگه داشته می شود. بنابراین، دو کدون توسط دو مولکول tRNA که در نزدیکی یکدیگر قرار میگیرند در کنار هم قرار میگیرند و یک پیوند پپتیدی بین دو کدون ایجاد میشود. طی این فرآیند زنجیره های پلی پپتیدی طولانی متشکل از اسیدهای آمینه ایجاد می شود.
کد ژنتیکی حاوی اطلاعاتی در مورد پروتئین مشتق شده از RNA است. سه نوکلئوتید و همچنین چهار نیتروژنی وجود دارد. آنها یک کدون کد کننده به نام سه گانه می سازند که یک اسید آمینه را رمزگذاری می کند. بنابراین، مقدار کل اسیدهای آمینه ای که می توان تولید کرد می تواند 4 در 4 چهار باشد که 64 اسید آمینه است.
20 اسید آمینه به طور طبیعی وجود دارد. هر کدون فقط یک اسید آمینه را رمزگذاری می کند، به همین دلیل است که رمزهای کدون صرف نظر از نوع ارگانیسم می توانند جهانی باشند. از 64 کدون 3 کدون توقف هستند که رونویسی را پایان می دهند. کدون دیگر یک کدون آغازین است یعنی AUG که کد متیونین است.
اهمیت اصل مرکزی زیست شناسی مولکولی(سنترال دوگما) به همین دلیل است که ساختار اساسی برای نحوه حرکت اطلاعات ژنتیکی از طریق یک توالی DNA به یک محصول پروتئینی زیرین در سلول ها را مشخص می کند و درک عملکردهای مهمی را که در داخل سلول ها انجام می شود ارائه می دهد. برای درک بهتر از سنترال دوگما لازم است برخی از خصوصیات مهم اسیدهای نوکلئیک را بدانیم:
خصوصیات مهم DNA
عملکرد: ذخیره سازی طولانی مدت اطلاعات ژنتیکی؛ انتقال اطلاعات ژنتیکی برای ساخت سایر سلول ها.
ویژگیهای ساختاری: دبل هلیکس یا مارپیچ دو رشته ای ،فرم B-DNA، مولکول دو رشته ای است که از یک زنجیره طولانی از نوکلئوتیدها تشکیل شده است.
ترکیبات: قند دئوکسی ریبوز، گروه فسفات، بازهای آدنین، گوانین، سیتوزین، تیمین
نوع تکثیر: همانند سازی(self-replicating)
واکنش پذیری(Reactivity):
پیوندهای C-H در DNA آن را نسبتاً پایدار می کند، به علاوه بدن آنزیم هایی را که به DNA آسیب می رسانند، از بین می برد. شیارهای کوچک در مارپیچ نیز به عنوان محافظ عمل می کنند و فضای حداقلی را برای اتصال آنزیم ها فراهم می کنند. DNA نسبت به اشعه ماوراء بنفش حساس و آسیب پذیر است.
خصوصیات مهم RNA
عملکرد: برای انتقال کد ژنتیکی از هسته به ریبوزوم ها برای ساخت پروتئین استفاده می شود. RNA برای انتقال اطلاعات ژنتیکی در برخی از موجودات استفاده می شود.
ویژگیهای ساختاری: مارپیچ A-form، مولکول RNA یک مارپیچ تک رشته ای است که از زنجیره های کوتاه تری از نوکلئوتیدها تشکیل شده است.
ترکیبات: قند ریبوز، گروه فسفات و بازهای آدنین، گوانین، سیتوزین، اوراسیل
نوع تکثیر: RNA بر اساس نیاز از DNA سنتز می شود
واکنش پذیری(Reactivity): پیوند O-H در ریبوز RNA مولکول را در مقایسه با DNA واکنش پذیرتر می کند. RNA در شرایط قلیایی پایدار نیست، به علاوه شیارهای بزرگ در مولکول آن را مستعد حمله آنزیمی میکند. RNA به طور مداوم تولید، استفاده، تجزیه و بازیافت می شود. RNA در مقایسه با DNA، در برابر آسیب UV نسبتاً مقاوم است.
بیشتر بخوانید: