دانلود تحقیق ژنتیک مولکولی

ژنتیک مولکولی

(رمز ژنتیکی، فرآیند ترجمه و کنترل تظاهر ژن)

رمز ژنتیکی عبارت است از تعداد، نوع و ترتیب نوکلئوتیدها در mRNA که طی فرآیند ترجمه ترتیب قرار گرفتن زیر واحدهای سازنده پروتئین یعنی اسید آمینه ها را در زنجیره پلی پپتید تعیین می کند. قبل از بررسی چگونگی ساخته شدن پروتئین ها لازم است اصول اساسی در ساختمان پروتئین یادآوری گردد.

1 ساختمان پروتئین ها

ابتدا لازم  است تفاوت بین پلی پپتید و پروتئین مشخص شود. هر دو این مولکول ها پلیمر هستند و از تعدادی مولکول مونومو تشکیل شده اند که اسید آمینه نامیده می شوند، ولی تفاوت می شوند، ولی تفاوت آنها در ساختار و توانائی مییزان فعالیتشان است. از نظر ساختاری، مولکولی که پس از فرآیند ترجمه تولید می شود پلی پپتید نام دارد و ساختمان اولیه پروتئین را تشکیل می دهد. پس از جدا شدن از ریبوزوم، پلی پپتید دچار پیچ و تاب و تاخوردگی می شود و ساختمان سه بعدی پیدا می کند و در بسیاری از موارد چندین پلی پپتید به هم پیوسته و مولکولی را به وجود می آورند که توانائی فعالیت داشته و پروتئین نامیده می شود. ساختار سه بعدی برای فعال بودن مولکول ضروری است.

زنجیره های پلی پپتیدی پروتئین ها، همانند اسید نوکلئیک ها، پلیمرهای خطی هستند. تعداد بیست اسید آمینه مختلف در ساختار مولکول های پروتئینی یافت می شوند. ساختمان هر یک از آنها شامل یک اتم از کربن مرکزی است که به آن چهار گروه زیر متصل شده اند:

1 یک اتم هیدروژن

2 یک گروه کربوکسیل (-COO-)

3 یک گروه آمینو (-NH2)

4 گروه R که در مورد هر اسید آمینه متفاوت است.

گروه R در اسید های آمینه مختلف از لحاظ ترکیب شیمیائی متفاوت است و هر گروه R دارای خصوصیت شیمیائی مخصوص به خود است. در شکل 141 بیست گروه مختلف R نشان داده شده است. اسید آمینه ها بر اساس خصوصیات گروه R خود به چهار گروه اصلی تقسیم می شوند که عبارتند از: 1 غیر قطبی، آب گریز، 2 قطبی، آب دوست، 3 دارای بار الکتریکی منفی و 4 دارای بار الکتریکی مثبت. پلی پپتیدها پلیمرهای طویلی هستند که معمولاً کمتر از هزار واحد طول دارند.

چهار نوع ساختار در پروتئین ها مشخص شده است که عبارتند از ساختار نوع اول (I)، نوع دوم (II)، نوع سوم (III) و نوع چهارم (IV). توالی اسید آمینه ها در پلی پپتید، ساختار نوع اول نامیده می شود. این توالی بر اساس توالی بازهای DNA و از طریق mRNA مشخص می شود. ساختار نوع اول پلی پپتیدها مشخص کننده تغییرات بعدی پلی پپتیدها در تشکیل پروتئین ها و فعالیت آنها است و از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

ساختار نوع دوم به شکل فضائی معمولی یا تکراری زنجیره اسیدهای آمینه است. دو نوع ساختار نوع دوم به نام های مارپیچ ؟؟؟ و صفحه ؟؟؟ وجود دارند و هر دو این ساختارها توسط پیوندهای هیدروژنه بین گروه های کربوکسیل و آمینوی اسیدهای آمینه مختلف پدیدار می شوند. معمولا نواحی مختلف یک پلی پپتید ساختارهای نوع دوم مختلفی به خود می گیرند به طوری که پلی پپتید دارای تعدادی مارپیچ ؟؟؟ و صفحات ؟؟؟ همراه با نواحی کمتر شکل یافته می باشد.

ساختار نوع سوم پروتئین معرف سه بعدی بودن آن است که به علت روی هم قرار گرفتن اجزاء مختلف ساختار نوع دوم پروتئین است. هر پروتئینی دارای پیچ و تاب منحصر به خود است که خصوصیات پروتئین را مشخص می کند. سه جنبه از ساختار نوع سوم دارای اهمیت خاصی در ثبات پروتئین است که عبارتند از:

الف پیوند های کووالانت دی سولفید بین دو سیستئین نزدیک بهم تشکیل می شود و یک مولکول سیستین را بوجود می آورد.

ب تقریباً همه گروه های R قطبی آب دوست در سطح بیرونی مولکول قرار می گیرند به طوری که بتوانند به آب واکنش نشان دهند.

ج گروه های R غیر قطبی آب گریز معمولاً در قسمت داخل مولکول قرار دارند و با یکدیگر واکنش یافته و از واکنش با آب اجتناب می کنند.

ساختار نوع چهارم فقط مربوط به پروتئین هائی است که دارای بیش از یک زنجیره پلی پپتیدی هستند. ساختار نوع چهارم ممکن است شامل چند مولکول از یک نوع پلی پپتید یا از پلی پپتیدهای مختلف باشد و تعیین کننده قرار گرفتن و ثبات زنجیره های مختلف پلی پپتید نسبت به یکدیگر است. چنین مولکول هائی را اولیگومریک می نامند و هر زنجیره آن یک پرومتر نامیده می شود. هموگلوبین و اکثر آنزیم ها از جمله DNA پلیمراز و RNA پلیمیراز دارای اسختار نوع چهارم هستند.

قابل ذکر است که ساختارهای  نوع دوم و سوم و چهارم بر اساس ساختار نوع اول مشخص می شوند. بنابراین رمز ژنتیکی که توالی اسید امینه ها را مشخص می کند، ساختار نهائی و عمل پروتئین ها را هم تعیین می کند. به عنوان مثال سه نکته ذکر شده در ساختار نوع سوم بستگی به موقعیت قرار گرفتن هر اسید آمینه نسبت به بقیه اسید آمینه ها در زنجیره دارد.

2 رمز ژنتیکی

اطلاعات مختلف موجود در ژن ها سبب تولید پروتئین های مختلف می شود. به بیان دیگر ژن ها رمز تولید پروتئین ها می باشند. تغییر توالی نوکلئوتیدی یک ژن در یک ناحیه خاص باعث می شود که توالی اسیدهای آمینه تشکیل دهنده پروتئین توسط چارلز یانوفسکی و همکارانش در طی انجام آزمایشهائی روی ژن های کد کننده آنزیم تریپتوفان سنتاز در کلی باسیل به اثبات رسیده است. پس از آنها سیدنی برنر و همکارانش آزمایش مشابهی را در مورد یک ژن فاژ T4 و پروتئین مربوط به انجام دادند و نتایج یانوفسکی را تأیید کردند.

اندازه لغت رمز یا کدون یعنی گروهی از نوکلئوتیدها که یک اسید آمینه را رمز می کنند نمی تواند کمتر از سه نوکلئوتید باشد، زیرا اگر یک نوکلئوتید به عنوان یک کدون در نظر گرفته شود تنها چهار لغت رمز وجود خواهد داشت، در صورتی که تعداد بیست اسید آمینه مختلف در ساختمان پروتئین ها وجود دارد. همچنین کدون دو حرفی نیز قابل قبول نیست زیرا در این صورت تنها شانزده کدون (42) وجود خواهد داشت. بنابراین کدون های سه حرفی قابل قبول می باشند. در این حالت تعداد 64 لغت رمز (43) ایجاد می شود که بیش از تعداد مورد نیاز است. آزمایشهای کریک، برنزودیگران روی ژن rIIb حاصل از فاژ T4 سه حرفی بودن کدون ها را تأیید کرده است.

در دهه 1950 روشهای پیشرفته ای برای تعیین کدون های مربوط به هر اسید آمینه ابداع شد. این روش ها بر این اساس استوار بود که mRNA معینی که توالی آن مشخص بود با توالی اسید آمینه ها در پروتئین ساخته شده مقایسه و کدون مسئول هر اسید آمینه شناسائی می شد. در سال 1961 هاینریش ماتائی با استفاده از یک سیستم بدون سلولی حاصل از کلی باسیل که می توانست پلی پپتیدها را در حضور mRNA مصنوعی بسازد، به این نکته پی برد که زمانی که یک هموپلیمر تهیه شده از اوریدین (پلی U) به سیستم اضافه شود یک پلی فنیل آلانین درست می شود. بنابراین کدون 3- UUU – 5 اسید آمینه فنیل آلانین را رمز می کند. به همین ترتیب سه mRNA هموپلیمر دیگر نیز تهیه و به سیستم اضافه شدند و معلوم شد که AAA رمز لیزین و CCC رمز پرولین است ولی اسید آمینه حاصل از GGG مشخص نشد.

سپس هتروپلیمرها، یعنی mRNAهای مصنوعی حاوی بیش از یک نوکلئوتید، مورد آزمایش قرار گرفتند. اینکار از طریق پلیمریزه کردن مخلوطی از بیش از یک نوکلئوتید به کمک پلی نوکلئوتید فسفوریلاز امکان پذیر شد. در این روش توالی مطلق مولکول mRNA حاصل مشخص نیست. مثلاً یک هتروپلیمر حاصل از C , A شامل هشت کدون مختلف AAA، AAC، ACA، CAA، ACC، CCA، CAC، CCC است و شش اسید آمینه پرولین، هیستیدین، ترئونین، آسپاراژین، گلوتامین و لیزین را کد می کنند ولی معلوم نیست هر یک از این کدون ها مربوط به کدامیک از اسید آمینه هاست. یکی از روشهائی که می توانند کدون هر یک از اسید آمینه ها را مشخص کند، استفاده از نسبت های مختلف هر یک از نوکلئوتیدها در واکنش سنتز mRNA است. برای مثال اگر مقدار C چند برابر مقدار A باشد، احتمالل وقوع کدون CCC خیلی بیشتر از احتمال وقوع کدون AAA خواهد بود. از مقایسه فراوانی کدون های حاصل  با فراوانی اسید آمینه های تولید شده، می توان کدون بعضی از اسید آمینه ها را تشخیص داد.

گرچه استفاده از هموپلیمر ها و هتروپلیمرها باعث شد که کدون مربوط به اکثر اسید آمینه ها تعیین شود ولی هنوز کدون تعدادی از آنها کاملاً مشخص نبود. گوبیند خورانا توانست با استفاده از هتروپلیمرهائی با توالی مشخص، کدون تعدادی از اسید آمینه ها را مشخص کند. این هتروپلیمرها بوسیله پلیمریزه کردن دی نوکلئوتیدها (مانند AC که تولید ACACACACACAC می کند و دارای دو نوع کدون CAC , ACA است) و تری نوکلئوتیدها (مانند UGU که تولید UGUUGUUGUUGU می کند و دارای سه نوع کدون UUG , GUU , UGU است) بدست آمدند. نیرنبرگ و لدر در 1964 نشان دادند که ریبوزوم های خالص شده به یک مولکول mRNA دارای فقط سه نوکلئوتید متصل می شوند و موجب وصل شدن مولکول صحیح اسید آمینه Trna می گردند. بنابراین با تهیه یک تریپلت با توالی مشخص می توان کدون تعیین شده را کنترل کرد و همه کدون های سه حرفی را تشخیص داد. سرانجام در 1966 همه کدون ها مشخص شد و رمز ژنتیک تکمیل گردید