آموزش فصل اول زیست دوازدهم | مولکول‌های اطلاعاتی

همان‌طور که از نام فصل پیداست، در این فصل قرار است در مورد مولکول‌های اطلاعاتی و وراثتی که امروزه می‌دانیم این مولکول‌ها همان مولکول‌های DNA هستند، صحبت مفصل‌تری داشته باشیم. همان‌طور که همگی می‌دانیم دانشمندان پیشین ما نمی‌دانستند که این مولکول‌های اطلاعاتی همان مولکول‌های DNA هستند که از جنس پروتئین بوده و وظیفه انتقال اطلاعات وراثتی از سلولی به سلول دیگر و یا نسلی به نسل دیگر را برعهده دارند و فقط می‌دانستند سلول‌هایی وجود دارند که رابط انتقال وراثت بوده و از این که جنس آن‌ها چیست و غیره اطلاعات درستی نداشتند.

به همین دلیل حدود 50 سال به طول انجامیده تا دانشمندان سلول‌های DNA را کشف کنند. اما برای درک درست و بهتر آموزش فصل اول زیست دوازدهم که یکی از مهم‌ترین فصل‌های زیست پایه دوازدهم است و معمولأ هر سال در کنکور دو الی سه سوال از 50 سوال زیست کنکور را به خود اختصاص می‌دهد، نیم نگاهی به پیش‌نیازهای لازم از زیست سال دهم و یازدهم که مرتبط با زیست دوازدهم فصل اول می‌باشند، نیز خواهیم داشت. همراه من با سایت بخون تا آخر این مقاله بمانید ..

دانستنی‌های پیش‌نیاز از زیست سال دهم

اگر به خاطر داشته باشید، در گفتار یک فصل اول زیست دهم در متن کتاب آورده شده بود که تنوع یکی از ویژگی‌های جالب حیات است و یکی از مهم‌‌ترین کارهای زیست‌شناسان، یافتن تنوع‌های زیستی و مشترکات بین انواع گونه‌ها بوده است. شاید این سوال را بپرسید که این مطلب چه ربطی به موضوع دارد! باید خدمتتان عرض کنم که ربط این موضوع این است که مولکول DNA در واقع عامل اصلی ایجاد تنوع در بین تمام گونه‌های حیات بوده و هست و با ردیابی این مولکول‌ها می‌توانیم به ویژگی‌ها و تنوع انواع گونه‌ها، مولکول‌ها و ساختار سازنده هریک پی ببریم.

در ادامه این فصل از زیست پایه دهم به این مطلب پرداختیم که وجود مولکول‌ DNA یکی از بارزترین ویژگی‌ها در بین تمام جانداران روی کره زمین است و این ویژگی همان ذخیره‌سازی اطلاعات مورد نیاز برای زندگی هر سلول می‌باشد. همچنین آموختیم که امروزه پزشکان و دانشمندان از این ویژگی‌های DNA برای شناخت هویت انسان‌ها استفاده می‌کنند و به وسیله همین DNA به شناخت بیماری‌های وراثتی که در آینده ممکن است سراغ فرد بیاید، می‌پردازند.

اما برای این که بتوانید راحت‌تر این مطالب را بیاموزید و یادآوری این مطالب برای شما آسان باشد، پیشنهاد می‌کنم حتمأ قبل از مطالعه قسمت آموزش فصل اول زیست دوازدهم تجربی، مقاله آموزش فصل اول زیست دهم را از همین سایت مطالعه کنید تا با ذهنی آماده‌تر به ادامه آموزش بپردازید. همچنین برای مطالعه آموزش سایر فصول زیست پایه دوازدهم، لینک زیست دوازدهم را دنبال کنید.

دانستنی‌های پیش‌نیاز از زیست سال یازدهم

اگر به یاد داشته باشید، در فصل ششم زیست سال یازدهم ما فصلی داشتیم که به ساختار DNA، کروموزوم‌ها و نحوه تقسیم کروموزوم‌ها برای ساخت سلول‌های دختری و .. پرداخته بود که در فصل یک زیست دوازدهم به تکمیل این اطلاعات خواهیم پرداخت. در این فصل بحث شد که DNAای که در سلول وجود دارد، در قسمت‌های مختلف متمرکز شده است.

بعنوان مثال، ما در هسته سلول DNA اصلی سلول را داریم که DNA یوکاریوتی، DNA هسته‌ای و یا ژنوم هسته‌ای از انواع نام‌های آن است و هرکجا این عبارات را بشنوید یا ببینید، منظور همان DNAای است که در داخل هسته قرار گرفته است. این DNAای که در هسته قرار گرفته، DNA بسیار طویلی است که از تمام ویژگی‌های DNA یوکاریوتی برخوردار است.

همچنین در داخل میتوکندری‌ها و کلروپلاست‌ها ما می‌توانیم این DNAها را مشاهده کنیم که این DNAها مقداری DNA کوتاه و حلقوی شکل هستند. این DNA موجود در میتوکندری‌ها و کلروپلاست‌ها بسیار شباهت دارند به DNAهایی که در پروکاریوت‌ها می‌توانیم مشاهده کنیم که البته برطبق نظریه‌های تکامل، این میتوکندری‌ها و کلروپلاست‌ها، باکتری‌هایی بودند که وارد یک سلول یوکاریوتی شده و شروع به هم‌زیستی با آن نموده‌اند.

شاید این سوال برایتان پیش بیاید که ویژگی DNA سلول‌های پروکاریوتی چی بوده! در پاسخ باید بگوییم، در واقع DNA یک سلول پروکاریوتی یک DNAکوتاه و حلقوی شکل است که در داخل سلول قرار گرفته است و معمولأ این DNA حلقوی شکل به غشاء داخلی سلول نیز متصل است.

از دیگر ویژگی‌های سلول‌های پروکاریوتی به جز از کوتاه و حلقوی بودنشان، می‌توانیم به این اشاره کنیم که DNA این سلول‌ها، DNA منفردی است و شاید فقط یک عدد DNA در داخل سلول مشاهده شود. اما ممکن است یک DNA فرعی به نام پلازمیت نیز مشاهده شود. اما DNA اصلی ما، همان یک DNA حلقوی کوتاه موجود می‌باشد.

اما یک نکته بسیار مهم که از فصل ششم زیست سال یازدهم باید همیشه به خاطر بسپارید، این است که زمانی که سلول ما هنوز وارد میتوز یا میوز نشده است و در واقع در فاز Gs1 و G2 خود به سر می‌برد و یا به بیان بهتر در اینترفاز است، DNA آن به صورت بسیار طویل و باریک و در واقع به صورت کروماتینی است؛ یعنی زمانی که سلول ما هنوز تقسیم نشده است، در حالتی به نام کروماتینی قرار دارد.

زمانی که این سلول شروع به حضور در فاز میتوز یا میوز می‌کند، DNA این سلول کروماتینی شروع به فشرده شدن می‌کند و مراحل پروفاز، کرومتافاز و متافاز را پشت سر می‌گذارد تا این که در مرحله متافاز (در مرحله متافاز کروموزوم‌ها در حداکثر فشردگی قرار دارند و در استوا سلول ردیف می‌شوند) یعنی ما از ابتدایی‌ترین مراحل فشردگی را داریم تا می‌رسیم به مرحله متافاز که حداکثر فشردگی را شاهد هستیم و بعد از این مرحله در مراحل بعدی دوباره این فشردگی کم و کم‌تر می‌شود که در نتیجه، کروموزوم‌های دختری ما دوباره سلول‌های کروماتینی را دارا می‌شوند.

شاید بپرسید که این فشردگی چگونه رخ می‌دهد! در پاسخ باید بگوییم، رشته‌های باریک و طویل DNA، دو دور، دور هشت مولکول هیستون پیچیده می‌شوند و ساختارهای نوکلئوزومی را به وجود می‌آورند و این ساختارهای نوکلئوزومی به شکل دانه‌های تسبیح بوده و نخ بین آن‌ها را اصطلاحأ رشته‌های DNA می‌نامیم که در ادامه در فصل اول زیست دوازدهم مفصلأ توضیح خواهیم داد.

اما هیستون چه بود و چه ویژگی‌هایی داشت! اگر به خاطر داشته باشید، هیستون یک پروتئین کروی شکل است که به فرایند فشرده‌سازی کروموزوم‌ها کمک بسزایی می‌کند. اما یک‌سری از پروتئین‌های کروی شکل دیگری مثل هموگلوبین وجود دارند که همیشه باید به یاد داشته باشید. خود این هموگلوبین، از 4 زیر واحد تشکیل شده است که دوتا دوتا به هم شباهت دارند. در واقع، ما در هموگلوبین یک زنجیره بتا پروتئینی و یک زنجیره آلفا پروتئینی را داریم.

یکی دیگر از معروف‌ترین پروتئین‌های کروی شکل، سرهای میوزین هستند! اگر به یاد داشته باشید، میوزین یک پروتئین رشته‌ای بود، اما سرهای میوزین از یک پروتئین کروی شکل تشکیل شده است توجه کنید که فقط سرهای میوزین کروی شکل هستند نه خود میوزین! این نکته نباید فراموشتان شود تا در سوالات تستی و آزمون‌های مرتبط با این قسمت، دچار اشتباه نشوید! اما توصیه می‌کنم قبل از ورود به بخش آموزش زیست دوازدهم، ابتدا فصل ششم زیست یازدهم را مطالعه کنید که آموزش آن را از همین سایت می‌توانید بخوانید.

اما برویم به سراغ متن کتاب درسی و تدریس فصل اول زیست دوازدهم! اما قبل از ورود به متن کتاب، یک سوال مطرح می‌کنم. به نظر شما، آیا در تمام سلول‌ها (بجز باکتری‌ها که کلأ هسته ندارند) دستورالعمل‌های هدایت‌کننده سلول، در هسته یافت می‌شوند؟! درست حدس زدید! خیر، چرا که گلبول قرمز فاقد هسته و فاقد اندامک می‌باشد و DNA نه در میتوکندری و نه در هسته دیده نمی‌شود و همان‌طور که می‌دانید، کلروپلاست نیز ندارد.

یک سلول دیگر که باید به حافظه‌تان بسپارید، یاخته‌های آوند آبکشی هستند که فاقد هسته و اندامک می‌باشند و DNA آن‌ها نیز قابل مشاهده نمی‌باشد. پس به نظر شما علت توانایی آن‎‌ها در زنده ماندن چیست؟! باید گفت؛ همانند یاخته‌های هسته‌دار، این سلول‌ها نیز در ابتدا دارای هسته بوده و به کمک آن اطلاعات موجود و ویژگی‌های مورد نیاز برای زندگی را کسب کرده‌اند.

اما اکنون هسته خود را از دست داده‌اند. در واقع، آن پروتئین و DNA مورد نیاز را قبلأ ساخته‌اند، اما اکنون DNA را کنار گذاشته‌اند. به همین دلیل است که این سلول‌ها عمر زیاد طولانی‌ای ندارند. بعنوان مثال، گلبول‌های قرمز فقط 120 روز عمر مفید دارند چرا که DNA ندارند، بنابراین تا زمانی که می‌توانند از اطلاعات ذخیره شده پیشین استفاده کنند، زنده می‌مانند و بعد از آن از بین می‌روند.

آموزش فصل 1 زیست دوازدهم | صفحه 1

در قسمت آموزش زیست دوازدهم فصل 1 ما با زنجیره‌ای از آزمایشات دانشمندان مختلف روبرو خواهیم بود که بخاطر سپاری نام این دانشمندان و آزمایش‌های انجام شده توسط هریک، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. همان‌طور که قبلأ اشاره کردیم، در این فصل ما به بررسی مولکول‌ها و عواملی که سبب به ارث رسیدن صفات می‌شوند، خواهیم پرداخت.

در سطر اول پاراگراف اول از صفحه یک کتاب درسی، سوالی پرسیده شده تحت عنوان ژن چیست! جواب این سوال را از کتاب علوم هشتم و نهم متوسطه اول خواهیم یافت. در آن جا آموختیم که ژن قسمتی از مولکول DNA است که دارای اطلاعات و دستورهایی برای تعیین و ایجاد صفات ارثی همه جانداران می‌باشد. ژن‌ها از یاخته‌ای به یاخته دیگر و از نسلی به نسل دیگر منتقل می‌شوند که چگونگی پی بردن دانشمندان به این موضوع را در قالب آزمایش‌هایی در ادامه بررسی خواهیم نمود.

اکثر صفات ارثی مانند: رنگ چشم، پوست، قد، شکل ظاهری و .. به دلیل وجود چند ژن مختلف می‌‌باشد که با یکدیگر کار می‌کنند. عوامل محیطی بیرونی نیز روی عمل‌کرد اغلب ژن‌ها تأثیر می‌گذارند و سبب ایجاد تفاوت بین افراد مختلف جمعیت یک جامعه می‌شوند.

بعنوان مثال در زیست سال دهم دیدیم که گیاه گل ادریسی در خاک اسیدی دارای گلبرگ‌های آبی و در خاک خنثی و قلیایی دارای گلبرگ‌های صورتی بود! در حالی که ژن و دستورالعمل DNA آن‌ها یکسان است. همچنین دیدیم که در هسته جانداران، هر کروموزوم از DNA و پروتئین به وجود آمده است.

اما این سوال پیش می‌آید که DNA چیست! DNA ماده وراثتی یاخته‌های بدن جانداران است که در اکثر یاخته‌ها وجود دارد. وجود DNA و کدهای نتیکی برای رشد، نحوه تولید مثل، بقا و ادامه حیات تمام جانداران ضروری است.

RNA چیست! مولکول RNA یک پلی‌مر خطی است که در آن مونومرها یا همان نوکلئوتیدها به وسیله پیوندهای فسفودی استر به یکدیگر متصل شده‌اند. اطلاعات ژنتیکی موجود در DNA توسط مولکول‌های RNA نسخه‌برداری و در هنگام ساخت پروتئین به سیستم پروتئین‌سازی سلول برگردان می‌شود.

نکته: الگو مورد استفاده برای ساخت RNA مولکول‌های DNA هستند و مولکول‌های RNA نیز به نوبه خود الگو ساخت پروتئین‌ها هستند. به تشکیل مولکول‌های RNA از روی DNA، نسخه‌برداری اطلاعات و نیز به تشکیل پپتیدها و پروتئین‌ها از روی DNA ترجمه یا برگردان اطلاعات نامیده می‌شود که در طول تدریس مفصل‌تر بررسی خواهیم نمود.

نکات کنکوری زیست دوازدهم فصل اول | پاراگراف صفحه 1

در پاراگراف صفحه 1 کتاب درسی باید مطالب زیر رو بعنوان نکات مهم به خاطر بسپارید:

• ژن چیست و از چه موادی ساخته شده است؟
• یافتن جوابی برای آن بیش از 50 سال طول کشیده است.
• برای رسیدن به پاسخ این سوالات، پژوهش‌ها و آزمایش‌های بسیاری انجام شده است که تا به امروز نیز ادامه دارد.
• مولکول‌های مرتبط با ژن کدام‌ها هستند؟ DNA, RNA و پروتئین
• چه چیزی آگاهی ما از ژن‌ها و مولکول‌های مرتبط با ژن را بیش‌تر می‌کند؟ نتایج آزمایشات دانشمندان مختلف
• تفاوت DNA، RNA و پروتئین با ژن چیست؟ RNA، DNA و پروتئین مولکول هستند اما ژن بخشی از مولکول است.
• ذخیره و انتقال اطلاعات وراثتی ساز و کار مولکولی دارد.

آموزش گفتار اول فصل اول زیست دوازدهم | نوکلئیک اسیدها

نام اولین قسمت نوکلئیک اسیدها است. اما ابتدا بدانیم خود نوکلئیک اسید چیست! در بدن جانداران، موجودات زنده و حتی در طبیعت، چهار نوع ماده آلی وجود دارد که شامل: کربوهیدرات‌ها یا قندها، لیپیدها، پروتئین‌ها و نوکلئیک اسیدها می‌باشند.

در زیست سال دهم شما آشنا شدید که انواع کربوهیدرات‌ها و قندها شامل ساکاروز، فروکتوز، لاکتوز، نشاسته و .. هستند. همچنین آموختیم که پروتئین‌ها از آمینواسیدها ساخته شده‌اند. یا می‌دانیم که تری‌گلیسیرید و یا به طور کلی چربی‌ها نوعی از لیپیدها هستند. اما در مورد نوکلئیک‌ اسیدها اطلاعات زیادی نداشته‌ایم.

اما در زیست دوازدهم می‌آموزید که نوکلئیک اسیدها به طور کلی نوعی ماده آلی هستند که طبق کشف دانشمندی به نام میشر (بیشتر بدانید) در هسته سلول قرار دارند. بد نیست بدانید، نوکلئیک از واژه نوکلئوس به معنا ” هسته ” گرفته شده است که اسید هسته‌ای یا همان نوکلئیک اسید به همین علت نام‌گذاری شده است که امروزه می‌دانیم همان مولکول‌های اطلاعاتی هستند.

جمله کتاب: هریک از یاخته‌های بدن ما ویژگی‌هایی مانند شکل و اندازه دارند. این ویژگی‌ها تحت فرمان هسته هستند.

یک نکته خیلی خیلی مهم: این نکته خیلی خیلی مهم در این سطر که همیشه باید در مغزتان هک شود این است که باید توجه کنید که هر یاخته زنده هسته ندارد! بعنوان مثال: همه پروکاریوت‌ها و بعضی از سلول‌های یوکاریوتی مانند گویچه‌های قرمز بالغ و یاخته‌های آبکشی هسته ندارند. (پس جمله کتاب دقیق نیست و در مورد یاخته‌های زنده‌ای که هسته ندارند، صدق نمی‌کند.)

از زیست سال یازدهم اگر به یاد داشته باشید، آموختیم که کروموزم در هسته قرار دارد و کروموزوم خود نیز از DNA و پروتئین ساخته شده است. اگر به یاد داشته باشید، گفتیم که DNA به دور یک‌سری مولکول‌های پروتئینی به نام هیستون پیچیده شده و ساختار نوکلئوزوم را تشکیل می‌دهد.

اما خب فهمیدیم که این کروموزوم‌ها در درون هسته قرار دارند و ماده و ساختار وراثتی نیز از DNA و پروتئین تشکیل شده است. اما این که ساختار ذخیره‌گر و انتقال‌دهنده اطلاعات وراثتی DNA بوده یا پروتئین، طی آزمایشات بسیار زیادی توسط دانشمندان مختلفی ثابت شده است و امروزه که ما می‌دانیم DNA ساختار ذخیره‌گر و انتقال دهنده اطلاعات وراثتی است، نتیجه همین آزمایش‌ها است. به همین دلیل برای آشنایی بیش‌تر و بهتر، کتاب درسی به بررسی آزمایشات مختلف این دانشمندان پرداخته است که در ادامه خواهیم خواند.

نکته: بنظر شما هسته چه چیزی دارد که ویژگی‌های یاخته را تحت فرمان خود درآورده است! درست حدس زدید! هسته فام‌تن دارد و در علوم هشتم آموختیم که فام‌تن همان کروموزوم است که به صورت ساختاری رشته‌ای است که در هسته یاخته در حال تقسیم، مشاهده می‌شود. این فام‌تن یا کروموزوم دارای پروتئین و DNA است. در واقع، DNA همه کاره یاخته محسوب می‌شود! یعنی همه اطلاعات در DNA ذخیره شده و همه فرمان‌های یاخته توسط DNA صادر می‌شوند.

آموزش فصل اول زیست دوازدهم | آزمایش گریفیت و نتایج آن

اولین دانشمندی که کتاب درسی مطرح کرده است، گریفیت نام دارد. هدف گریفیت از انجام آزمایشات، تولید واکسن آنفولانزا بود. اما ابتدا بدانیم آنفولانزا چیست! آنفولانزا بیماری‌ای است که امروزه عامل آن را ویروسی می‌دانیم که به ریه انسان‌ها حمله کرده و سبب ایجاد ناهنجاری در ریه‌ها شده و فرد دچار سرفه می‌شود. اما در زمان گریفیت، بر این باور بودند که عامل بیماری آنفولانزا باکتری‌ای به نام استرپتوکوکوس نومونیا است.

همان‌طور که در علوم پایه نهم آموختیم، باکتری‌ها از لحاظ شکل ظاهری، به سه دسته میله‌ای، فنری و کروی تقسیم می‌شوند. به باکتری‌هایی که کروی شکل هستند، کوکسی یا کوکوس گفته می‌شود. خالی از لطف نیست بدانید، پیش‌وند استرپتو زمانی به کار می‌رود که باکتری بافتی رشته‌ای داشته باشد (همان شکل شبیه دانه‌های تسبیح که با رشته‌ای به یکدیگر متصل هستند) در واقع، هنگامی که باکتری جمعیتی کلونی یا رشته‌ای داشته باشد، لفظ استرپتو بکار می‌رود. نومونیا نیز مشخص‌کننده گونه باکتری می‌باشد.

گریفیت دو نوع از این باکتری استرپتوکوکوس نومونیا را در اختیار داشت؛ یک گونه دارای پوششی دور غشا بود که این پوشش کپسول و به گفته کتاب پوشینه نام دارد و یک گونه دیگر از باکتری فاقد این کپسول یا پوشینه بود.

هنگامی که گریفیت در آزمایشگاه خود این باکتری‌ها را روی موش‌ها آزمایش می‌کرد، متوجه شده بود که موش‌ها دچار ذات‌الریه یا همان سینه‌پهلو شده‌اند. این در حالی بود که از باکتری کپسول‌دار استفاده کرده بود! اما هنگام استفاده از باکتری بدون کپسول دید که موش‌ها دچار بیماری نشده‌اند. پس او از این آزمایش چنین فرضیه‌سازی کرد که عامل اصلی ایجاد بیماری، همان کپسول است که جنس آن نیز از نوع پلی‌ساکارید است. طبق شکل زیر، آزمایش اول اون بدین شرح بود:

1. باکتری زنده کپسول‎‌دار به موش‌ها تزریق کرد ⇐ نتیجه: موش‌ها مردند.
2. باکتری زنده فاقد کپسول به موش‌ها تزریق کرد ⇐ نتیجه: موش‌ها زنده ماندند.
3. باکتری کپسول‌دار کشته شده توسط گرما به موش‌ها تزریق کرد ⇐ نتیجه: موش‌ها زنده ماندند.
4. مخلوطی از باکتری کپسول‌دار بعلاوه باکتری فاقد کپسول به موش‌ها تزریق کرد ⇐ موش‌ها ناباورانه مردند و در شش و ریه موش‌ها باکتری کپسول‌دار زنده را مشاهده کرد.

در نتیجه چه می‌توانست نتیجه‌گیری کند! در آن زمان چون نمی‌دانستند که DNA عامل اصلی انتقال وراثت است و فقط می‌دانستند مولکول‌هایی وجود دارند که اطلاعات را انتقال می‌دهند. در نتیجه، گریفیت نتیجه‌گیری کرد که در باکتری کشته شده توسط گرما، با این که باکتری کشته شده اما ماده وراثتی آن هنوز باقی است و این ماده وراثتی با اتصال به باکتری بدون کپسول، سبب ایجاد باکتری کپسول‌دار شده است. سپس اعلام کرد که ماده وراثتی قابلیت انتقال از یاخته‌ای به یاخته دیگر دارد اما این که ماهیت این ماده (جنس ماده) چیست و چگونه این انتقال صورت می‌گیرد، مشخص نشد.

آزمایشات ایوری و نتایج آن

16 سال بعد، دانشمندی به نام ایوری به همراه همکارانش آزمایش دیگری انجام دادند. ایوری از همان باکتری کپسول دار استفاده کرد اما این بار عصاره باکتری را استخراج کرد و مواد درونی سلول را بیرون آورد و با استفاده از آنزیم‌های پروتئاز، تمام پروتئین‌های باکتری را از بین برد.

دلیل این کار او چه بود! در آن زمان تصور می‌کردند، پروتئین‌ها عامل وراثتی هستند چرا که پروتئین‌ها از تنوع زیادی برخوردار بودند، به همین دلیل فکر می‌کردند باعث انتقال وراثت هستند.

بعد از ادغام عصاره کشته شده باکتری کپسول‌دار با آنزیم پروتئاز، محلول را به محلول باکتری‌های بدون کپسول اضافه کرد. در این هنگام فرضیه ایوری و همکارانش چه بود! آن‌ها فرض را بر این گذاشته بودند که اگر پروتئین عامل اصلی انتقال وراثت یا صفات باشد، نباید باکتری بدون کپسول، کپسول‌دار شود که از قضا این اتفاق دقیقأ رخ داد! یعنی انتقال صفت کپسول‌دار شدن رخ داده بود. پس آن‌ها نتیجه گرفتند که پروتئین عامل اصلی انتقال صفات نیست. اما در آن زمان هیچ‌کس این نظریه را نپذیرفت.

اما برای اطمینان و اثبات نظریه خود، ایوری آزمایش دیگری انجام داد. این بار مخلوط عصاره کشته شده توسط باکتری کپسول‌دار با آنزیم پروتئاز را با سرعت بالا سانتریفیوژ کرد (سانتریفیوژ: مواد براساس وزن و چگالی، نیروی گریز از مرکز متفاوتی دارند. بعنوان مثال، در شیر خوراکی مقدار چربی جدا و مشخص نیست اما با چرخاندن با سرعت بالا، چربی روی شیر جمع می‌شود که از این طریق برای گرفتن کره استفاده می‌کنند.).

بعد از سانتریفیوژ کردن این محلول، تمام عناصر از هم جدا شدند. در واقع، لیپیدها از پروتئین، کربوهیدرات و .. جدا شدند. سپس هر یک از این موارد را به صورت جداگانه به محیط کشت باکتری بدون کپسول اضافه کرد. (محیط کشت: محیطی است که در یک لوله آزمایش مقداری مثلأ آگار اضافه می‌کنند و باکتری، ویروس، قارچ و .. کشت می‌دهند یعنی پرورش می‌دهند و تکثیر می‌کنند.) اما آن چیزی که ایوری مشاهده کرد:

• به محلول فوق، مقداری پروتئین اضافه کرد ⇐ نتیجه: هیچ اتفاقی رخ نداد.
• به محلول فوق، مقداری کربوهیدرات اضافه کرد ⇐ نتیجه: هیچ اتفاقی رخ نداد.
• به محلول فوق،مقداری لیپید اضافه کرد ⇐ نتیجه: هیچ اتفاقی رخ نداد.
• به محلول فوق، مقداری نوکلئیک اسید اضافه کرد ⇐ نتیجه: مشاهده کرد که باکتری‌های بدون کپسول، کپسول‌دار شده‌اند.

چه نتیجه‌گیری کرد! نتیجه‌گیری کرد که نوکلئیک اسید یا همان DNA، عامل اصلی انتقال صفات است اما باز هم هیچ‌کس نظریه او را نپذیرفت. شما عزیزان می‌توانید برای مطالعه سایر مقالات مربوط به زیست پایه دوازدهم، لینک آموزش زیست دوازدهم را دنبال کنید.

اما ایوری تسلیم نشد و سومین آزمایش خود را به انجام رساند. این بار باکتری کپسول‌دار را استخراج کرد و به 4 لوله آزمایش متفاوت انتقال داد.به اولین لوله آزمایش آنزیم تجزیه‌کننده لیپید اضافه کرد. به دومین لوله آزمایش آنزیم تجزیه‌کننده کربوهیدرات، به سومین لوله آزمایش آنزیم تجزیه‌کننده پروتئین و به آخرین لوله آزمایش آنزیم تجزیه‌کننده نوکلئیک اسید اضافه کرد. سپس به محیط کشت بدون کپسول انتقال داد.

نتیجه چه شد! ایوری مشاهده کرد که در همه لوله‌های آزمایش، باکتری‌های بدون کپسول، کپسول‌دار شدند بجز لوله آزمایشی که دارای آنزیم تجزیه‌کننده نوکلئیک اسید بود. پس بالأخره در نهایت DNA را معرفی کرد.

ساختار نوکلئیک اسیدها

از این قسمت فصل به بعد، جزو مهم‌ترین مباحث فصل محسوب می‌شوند پس لطفأ با دقت مطالعه کنید. نوکلئیک اسیدها به طور کلی به دو دسته تقسیم می‌شوند:

• DNA ⇐ مخفف کلمه دئوکسی ریبو نوکلئیک اسید
• RNA ⇐ مخفف کلمه ریبو نوکلئیک اسید

RNA و DNA درشت مولکول‌هایی هستند که به آن‌ها پلی‌مر گفته می‌شود. اما منظور از پلی‌مر چیست! پلی‌مرها مولکول‌های درشتی هستند که از مولکول‌های کوچک‌تری ساخته شده‌اند. بعنوان مثال، سلولز یک پلی‌ساکارید، قند و یا همان کربوهیدراتی درشت مولکولی است که از مولکول‌های ریزتر و کوچک‌تری به نام گلوکز ساخته شده است.

پس طبق آن چه گفته شد، RNA و DNA نیز درشت مولکول‌هایی هستند که از مولکول‌های کوچک‌تری به نام نوکلئوتید ساخته شده‌اند. نوکلئوتیدها از نظر تعداد اتم‌ها، شکل و نحوه ترتیب در مقایسه با یکدیگر، متفاوت هستند. نوکلئوتیدها با قرار گرفتن در کنار هم رشته‌هایی را می‌سازند که به آن‌ها رشته‌های پلی‌نوکلئوتید گفته می‌شود. اما نوکلئوتیدها خود نیز از سه بخش اصلی ساخته شده‌اند:

• قند 5 کربنی (ریبوز و دئوکسی ریبوز) 

نکته خیلی مهم: تفاوت ریبوز با دئوکسی ریبوز چیست! واژه دئوکسی یعنی فاقد مولکول اکسیژن در نتیجه دئوکسی ریبوز نسبت به ریبوز یک مولکول اکسیژن کم‌تر داشته و به همین دلیل به آن دئوکسی ریبوز گفته می‌شود.

نکته: همان‌طور که می‌دانید، ما بجز قندهای 5 کربنی و 6 کربنی بعنوان مثال: گلوکز، فروکتوز، گالاکتوز قندهای 6 کربنی هستند و ریبوز و دئوکسی ریبوز قندهای 5 کربنی هستند، قندهای دیگری نیز داریم اما در این قسمت فعلأ به آن‌ها پرداخته نشده است.

• قندهای 5 کربنی‌ای که در DNA وجود دارند، از نوع ریبوز هستند.
• قندهای 5 کربنی‌ای که در RNA وجود دارند، از نوع دئوکسی ریبوز هستند.

• باز آلی نیتروژن‌دار 

بازهای آلی نیتروژن‌دار، مواد آلی‌ای هستند که خاصیت قلیایی داشته و دارای نیتروژن نیز هستند. بازهای آلی نیتروژن‌دار دو گروه هستند:

• تک حلقه‌ای‌ها یا پیریمیدن‌ها
• دو حلقه‌ای‌ها یا پورین‌ها

نکته شکل بیشتر بدانید: از نظر ساختار، ما در زیست‌شناسی 5 نوع باز آلی نیتروژن‌دار داریم:

1. ستوزین که با حرف C نشان داده می‌شود.
2. تیمین که با حرف T نشان داده می‌شود.    ⇐ سیتوزین، تیمین و یوراسیل تک حلقه‌ای یا پیریمیدن هستند.
3. یوراسیل که با حرف U نشان داده می‌شود.
4. گوانین که با حرف G نشان داده می‌شود.
5. آدنین که با حرف A نشان داده می‌شود.    ⇐ گوانین و آدنین دو حلقه‌ای یا پورین هستند.

سوال: چرا در DNA هیچ‌وقت باز آلی نیتروژن‌دار یوراسیل مشاهده نمی‌شود! در DNA هیچ‌وقت باز آلی نیتروژن‌دار یوراسیل دیده نمی‌شود همان‌طور که در RNA هیچ‌وقت باز آلی نیتروژن‌دار تیمین یافت نمی‌شود؛ چرا که این دو مکمل هم هستند (در بحث همانندسازی مفصلأ توضیح داده شده است) اما بازهای آلی نیتروژن‌دار سیتوزین، گوانین و آدنین در هر دو موجود بوده و بین هر دو مشترک است.

• گروه‌های فسفات

هر یک از نوکلئوتیدها ممکن است 1، 2 و یا 3 گروه فسفات داشته باشند. این گروه فسفات به وسیله پیوند کووالانسی یا به گفته کتاب با پیوند اشتراکی، به قند 5 کربنی متصل هستند. پس نتیجه می‌گیریم، نوکلئوتیدها از نظر نوع قندها، نوع بازهای آلی نیتروژن‌دار و تعداد گروه فسفات متفاوت هستند. به نوکلئوتیدهای DNA دئوکسی ریبو نوکلئوتید و به نوکلئوتیدهای RNA ریبو نوکلئوتید گفته می‌شود. همچنین از متصل شدن صدها و یا هزاران نوکلئوتید به یکدیگر به صورت رشته‌ای، رشته‌های پلی نوکلئوتید ساخته می‌شوند.

در هر نوکلئوتید دو پیوند کوالانسی وجود دارد که یکی از این پیوندها بین قند 5 کربنی گروه فسفات و پیوند دیگر بین قند 5 کربنی و باز آلی نیتروزن‌دار تشکیل می‌شود. اما یک پیوند کووالانسی دیگری نیز وجود دارد که بین قند 5 کربنی و گروه فسفات تشکیل می‌شود که به آن پیوند فسفو دی استر گفته می‌شود اما کتاب نام این پیوند را پیوند هیدروکسیل نامیده است.

طبق گفته کتاب، RNA از یک رشته پلی نوکلئوتیدی و DNA از دو رشته پلی نوکلئوتیدی ساخته شده است. اما گاهی بنا به دلایلی ممکن است، سر دو رشته پلی نوکلئوتیدی به یکدیگر متصل شده و یک شکل حلقوی با پیوند فسفو دی استر تشکیل دهد و در نتیجه یک پلی نوکلئوتید حلقوی به وجود آورد. بعنوان مثال DNA باکتری‌ها از نوع حلقوی است اما DNA انسان‌ها خطی است.

سوال: بنظر شما سر رشته‌های نوکلئوتیدهای خطی از چه ساخته شده است! سر رشته‌های نوکلئوتیدی خطی (مثلأ انسان‌ها) از گروه فسفات و هیدروکسیل قند ساخته شده است.

تلاش برای کشف ساختار مولکول DNA

در مطالب قبلی به طور کلی ساختار مولکول RNA و DNA  را مورد بررسی قرار دادیم. به شکل زیر نگاه کنید. این شکل، یک شکل از رشته پلی نوکلئوتید است که 4 نوکلئوتید به وسیله 3 پیوند فسفو دی استر به یکدیگر متصل شده‌اند و هر نوکلئوتید نیز به صورت جداگانه 2 پیوند کووالانسی برقرار کرده است. درست است که از این قسمت طرح سوالات عددی در آزمون‌ها و کنکور ممنوع است اما در امتحانات مدرسه ممکن است دبیر سوال دهد.

سوال: بنظر شما هر نوکلئوتید شامل چند پیوند کووالانسی است! بله درست حدس زدید! 11 پیوند کووالانسی، چرا؟ به این دلیل که هر نوکلئوتید به صورت جداگانه دارای 2 پیوند کووالانسی است و یک پیوند دیگر هم با نوکلئوتید بعدی برقرار می‌کند که یک پیوند فسفو دی استر است.

متن کتاب: در ابتدا تصور می‌شد که چهار نوع نوکلئوتید موجود در DNA به نسبت مساوی در سراسر مولکول توزیع شده‌اند. 

قبلأ بررسی کردیم که هر نوکلئوتید موجود در DNA، از 4 قند 5 کربنی (دئوکسی ریبوز) تشکیل شده است که عبارتند از: نوکلئوتید آدنین‌دار، نوکلئوتید تیمین‌دار، نوکلئوتید سیتوزین‌دار و نوکلئوتید گوانین‌دار! دانشمندان تصور می‌کردند که این 4 نوکلئوتید به صورت مساوی و یکسان در سراسر مولکول DNA توزیع شده‌اند. اما بعدها دانشمندی به نام چارگف نظریه‌ای را به اثبات رساند که در آن مقدار نوکلئوتید آدنین‌دار با نوکلئوتید تیمین‌دار برابر است اما نوکلئوتیدهای گوانین‌دار با نوکلئوتیدهای سیتوزین‌دار برابر نیست! پس نتیجه‌گیری کرد که آن چه باعث ایجاد تنوع می‌شود، بازهای آلی هستند.

استفاده از پرتو ایکس برای تهیه تصویر مولکول DNA

دو شخص به نام ویلکینز و فرانکلین با استفاده از پرتو ایکس، موفق شدند تصویر یک مولکول DNA را تهیه کنند و  اثبات کردند که این مولکول DNA به صورت رشته‌ای مارپیچی است که بیش از یک رشته دارد و توانستند ابعاد مولکولی آن را اندازه‌گیری کنند.

نکته خیلی حساس: ویلکینز و فرانکلین فقط توانستند سه اصل را به اثبات برسانند: 1. DNA یک مولکول چند رشته‌ای است. 2. DNA یک مولکول به شکل مارپیچ است. 3. و با استفاده از پرتو ایکس، ابعاد مولکولی DNA را اندازه‌گیری کردند. اما این که مولکول DNA دو رشته‌ای است، مشخص نشد!

مدل مولکولی DNA

مدت‌ها بعد، دو شخص به نام‌های واتسون و کریک با استفاده از داده‌های به دست آمده از آزمایش‌های چارگف و همچنین با استفاده از اطلاعات به دست آمده از تصاویر گرفته شده با پرتو ایکس توسط ویلکینز و فرانکلین، مدلی از مولکول DNA  را معرفی کردند که امروزه نیز دانشمندان در حال حاضر براساس همین مدل کار می‌کنند. این مدل که توسط واتسون و کریک ارائه شد، برنده جایزه نوبل نیز بوده است، نام این مدل، مدل مولکولی نردبان مارپیچ است.

نکات کلیدی مدل واتسون و کریک

جمله کتاب: هر مولکول DNA در حقیقت از دو رشته پلی نوکلئوتیدی ساخته شده است که به دور محوری فرضی پیچیده شده و ساختار مارپیچ دو رشته‌ای را ایجاد می‌کند.

به شکل زیر نگاه کنید. یک خط سیاه رنگ در بین دو رشته کشیده شده است که همان محور فرضی است و به شکل نردبانی است که از دو ستون ساخته شده است که در بین دو ستون پله‌ها قرار دارند. حال اگر دو ستون نردبان را از بالا یا پایین بپیچیم، ساختار DNA امروزی به وجود می‌آید. ستون‌های به اصطلاح این نربان مارپیچی مولکول DNA از قند، فسفات و نوکلئوتیدها و پله‌های آن نیز از بازهای آلی تشکیل شده است.

اما همان‌طور که در شکل می‌بینید، قسمت انتهایی مولکول DNA در شکل، به صورت دایره‌های رنگی کشیده شده است که برای درک درست ما از این ساختار است. طبق رنگ مشخص شده هر دایره، دایره‌های قرمز، کربن‌ها هستند، دایره‌های زرد، فسفات‌ها هستند، دایره‌های سفید، بازهای آلی هستند و دایره‌های سیاه نیز کربن‌ها هستند.

در مدل مارپیچ مولکول DNA، دو تا ستون روبرویی DNA از قند و فسفات تشکیله شده و به اصطلاح پله‌های آن هم از بازهای آلی تشکیل شده است که بین قندهای یک نوکلئوتید با فسفات یک نوکلئوتید دیگر، پیوند فسفو دی استر تشکیل می‌شود که از نوع پیوندهای کووالانسی است. اما نکته مهم‌تر این است که بین بازهای آلی‌های دو رشته نیز پیوندی وجود دارد که از نوع هیدروژنی است.

بعنوان مثال، بین بازهای آلی آدنین‌دار یک رشته با بازهای آلی تیمین‌دار رشته روبرویی یک پیوند هیدروژنی برقرار است که در واقع این پیوند هیدروژنی است که دو رشته مولکول DNA را در کنار هم حفظ کرده است. اگر به هر طریقی این پیوند هیروژنی از هم گسسته شود، دو رشته DNA از هم باز می‌شوند. به این دو باز آلی که به وسیله پیوند هیدروژنی به یکدیگر متصل شده‌اند، اصطلاحأ جفت باز آلی گفته می‌شود.

در مولکول DNA سالم، باز آدنین در مقابل باز تیمین و باز گوانین در مقابل باز سیتوزین قرار گرفته و با یکدیگر جفت می‌شوند که به آن‌ها جفت باز مکمل گفته می‌شود و غیر از این حالت امکان ندارد مگر این که DNA جهش یافته باشد که در این صورت، DNA سالم و طبیعی نیست! کتاب درسی گفته است که بین باز آدنین و باز تیمین 2 پیوند هیدروزنی و بین باز سیتوزین و باز گوانین 3 پیوند هیدروژنی برقرار می‌شود که در شکل با خط‌چین نشان داده شده است.

جفت بازهای مکمل یکی تک حلقه‌ای و دیگری دو حلقه‌ای است. چرا! جفت بازها یکی پیریمیدینی و دیگری پورینی است به همین دلیل این امر باعث یکسان ماندن قطر DNA و این ثابت ماندن قطر، باعث پایداری اطلاعات در DNA شده و در فشرده شدن بهتر کروموزوم‌ها موثر است. همچنین جفت شدن این بازهای آلی یک مزیت دیگر نیز دارد. دو رشته DNA همسان نیستند. بعنوان مثال دو باز آدنین هیچ‌وقت روبروی هم قرار نمی‌گیرند. اگر یکی از رشته‌ها، بازهای آلی یا نوکلئوتید آن را داشته باشیم، می‌توانیم باز آلی یا نوکلئوتید مقابل یا مکمل را تشخیص دهیم. ترتیب زیر را همیشه به خاطر بسپارید، سوالات زیادی می‌توان مطرح کرد:

کتاب درسی اشاره کرده: هرچند پیوند هیدروژنی به تنهایی ضعیف است و انرژی کمی دارد. اما مجموع این انرژی بین پیوندهای هیدروزنی زیاد بوده و سبب پایداری مولکول DNA می‌شود. چرا! چون گاهی اوقات ممکن است دو رشته DNA از هم جدا شود اما به دلیل بالا بودن مجموع این انرژی‌ بین پیوندهای هیدروژنی، پایداری مولکول DNA را بهم نزده و وظیفه خود را به خوبی به انجام می‌رساند.

RNA و انواع آن

RNA یک نوکلئولیک‌اسید و مانند DNA از نوکلئوتید ساخته شده است. اما با این تفاوت که، DNA دو رشته‌ای است اما RNA تک رشته‌ای می‌باشد. همچنین نوکلئوتیدهای سازنده DNA از نوع دئوکسی ریبوز است و نوکلئوتیدهای سازنده RNA از نوع ریبوز است. اما تفاوت دیگری نیز دارند و آن در باز آلی تیمین می‌باشد. باز آلی تیمین در RNA وجود ندارد و به جای آن باز آلی یوراسیل قرار گرفته است.

سوال: آیا در RNA که باز آلی تیمین وجود ندارد، باز آدنین با باز یوراسیل جفت می‌شود! باید بگوییم تقریبأ بله! چرا؟! چون اولأ RNA دو رشته‌ای نیست که با رشته مقابل جفت شود، اما در بحث رونویسی و همانندسازی بعدأ بیش‌تر مطالعه خواهیم کرد و خواهیم دید که RNA از روی DNA ساخته می‌شود به همین دلیل یک جورایی جفت محسوب می‌شوند.

RNAها از لحاظ شکل، نقش و عمل‌کرد متفاوت بوده و به سه دسته کلی تقسیم می‌شوند:

1. mRNA که مخفف کلمه Messenger RNA: این RNAها که RNA پیک خوانده می‌شوند، اطلاعات را از DNA به ریبوزوم‌ها انتقال می‌دهند که چگونگی این نقل و انتقالات را در بحث رونویسی یا همانندسازی خواهیم خواند.
2. tRNA که مخفف کلمه Transfer RNA: این RNAها که RNA ناقل خوانده می‌شود، آمینواسیدها را به ریبوزوم انتقال می‌دهند تا پلی‌پپتید ساخته شود که البته کتاب درسی گفته پروتئین بسازد!
3. rRNA که مخفف کلمه Ribosomal RNA: این RNAها که ریبوزوم RNA خوانده می‌شوند، درساختار ریبوزوم‌ها نقش اساسی دارند. همان‌طور که پیش‌تر خواندیم، ریبوزوم هم از DNA و هم از پروتئین ساخته شده است اما rRNA در ساختار ریبوزوم نقش آنزیمی دارد.

ژن چیست؟

ابتدا یک نکته کلیدی که کتاب به آن اشاره نکرده است را بازگو کنیم تا شما نیز همیشه به خاطر داشته باشید. گاهی اوقات ژن‌ها فعال هستند و کار یا وظایف خاصی را به انجام می‌رسانند که در این صورت گفته می‌شود، ژن فعال یا بیان‌شده است. اما گاهی بنا به دلایلی ژن‌ها فعال نیستند و فعالیت یا وظیفه خاصی را انجام نمی‌دهند که در این صورت نیز گفته می‌شود ژن خاموش یا بیان‌نشده است. همچنین برخی از RNAها، در فعال یا غیرفعال بودن ژن نقش دارند.

اما ژن چیست! پیش‌تر گفتیم که، RNA و DNA مولکول هستند اما ژن فقط بخشی از مولکول DNA است که به ساختن RNA کمک می‌کند و RNA نیز به ساختن پلی‌پپتید و پروتئین کمک می‌کند. در واقع، واژه ژن یک کلمه قراردادی است. ژن‌ها واحدهای روی DNA محسوب می‌شوند که اطلاعات در آن‌ها ذخیره می‌شوند پس ژن‌ها قابلیت دیده شدن ندارند.

دخالت نوکلئوتیدها در واکنش‌های سوخت و سازی

همان‌طور که می‌دانید، واکنش کاتابولیسم، واکنش ساختن است و واکنش آنابولیسم، واکنش سوختن یا همان تجزیه است. در زیست پایه دهم با آدنوزین تری فسفات آشنا شدید و دانستید که از 1 گروه قند 5 کربنی، 3 گروه فسفات و باز آلی آدنین تشکیل شده است. اما باز آلی آدنین چه بود! باز آلی آدنین در واقع منبع انرژی است و ساختارش بسیار به ساختار نوکلئوتید شبیه است.

با این تفاوت که، ATP یا همان آدنوزین‌تری‌فسفات یک نوکلئوتید است که از 3 گروه فسفات و باز آلی آدنین ساخته شده است. در واقع، ATP انرژی را بین پیوندهای هیدروژنی گروه فسفات خود پخش می‌کند. پس نتیجه می‌گیریم نوکلئوتیدها علاوه‌بر شرکت در ساختار DNA و RNA، در ساختار ATP که خود نوعی نوکلئوتید است، می‌توانند ناقل یا حامل الکترون نیز باشند که این مبحث را در فصل ششم همین کتاب، مفصل خواهیم خواند.

آموزش گفتار 2 فصل 1 زیست دوازدهم | همانندسازی DNA

در گفتار دوم کتاب درسی، کتاب 3 فرضیه و مدل از همانندسازی DNA را بررسی کرده و به این موضوع که در نهایت کدام فرضیه مورد تأیید قرار گرفت، پرداخته است. اما قدم ابتدایی برای درک این قسمت این است که بدانیم اصلأ همانندسازی یعنی چه! همانندسازی یعنی عین یک چیز دوباره ساخته شدن و در مورد مولکول DNA نیز چنین است.

همانندسازی DNA یعنی یک مولکول DNA جدیدی ساخته شود که عین قبلی بوده و تمام ویژگی‌های آن را دارا باشد. در زیست پایه یازدهم آموختید که در مرحله G1 سلول رشد می‌کند و در مرحله سنتز، DNA دو برابر می‌شود و مقدار آن نیز افزایش می‌یابد که به این فرایند همانندسازی DNA گفته می‌شود.

همانندسازی حفاظتی

بگذارید این قسمت از  آموزش را با طرح یک سوال شروع کنیم؛ DNA چگونه ساخته می‌شود! در گفتار 1 آموختید که یک رابطه مکمل بین بازهای آلی وجود دارد. در شکل زیر که طرحی از نحوه همانندسازی DNA آورده شده است، کتاب این بخش را روش حفاظتی نامیده است. فرضیه این طرح بر چه مبنایی است!

همان‌طور که می‌دانیم، DNA یک مولکول دو رشته‌ای است که این دو رشته می‌توانند از حالت مارپیچ خارج شده در مقابل هر رشته جدا شده یک رشته جدید نیز بسازد که رشته مکمل محسوب می‌شود. در واقع، نوکلئوتیدهای هر رشته به یکدیگر متصل شده و در نتیجه یک رشته دیگر شبیه یا مکمل را می‌سازند که سبب به وجود آمدن دو مولکول DNA می‌شود. در شکل، رشته‌های نارنجی نماد رشته‌های جدید و رشته‌های آبی نماد رشته‌های قدیمی یا قبلی هستند!

پس دو مولکول جدید، دو رشته جدید و دو رشته قدیمی خواهیم داشت که به دور هم مارپیچ شده‌اند. در سلول‌های در حال تقسیم، مقدار DNA دو برابر می‌شود و چون DNAهای قدیمی دست‌نخورده باقی می‌مانند، به این روش، روش حفاظتی گفته می‌شود.

همانندسازی نیمه‌حفاظتی

در این روش نیز در ابتدا DNA به همانندسازی کردن می‎‌پردازد. سپس طبق نظریه این روش همانندسازی، دو مولکول DNA که ساخته می‌شود، هر مولکول DNA یکی از رشته‌های قدیمی و رشته‌های جدید را دارا می‎‌باشد. در کل، در روش نیمه‌حفاظتی چون هر دو مولکول DNA یکی از دو رشته DNA جدید و قدیمی را دارد، روش نیمه‌حفاظتی گفته می‌شود. در واقع، در هنگام تقسیم یاخته‌ها، DNA وارد شده به هر دو یاخته چون از هر دو رشته جدید و قدیم DNA است، گفته می‌شود که رشته‌ها یکسان هستند.

همانندسازی غیرحفاظتی (پراکنده)

طبق این نظریه، هنگامی که DNA همانندسازی را انجام می‌دهد، هر کدام از رشته‌های جدیدی که به وجود می‌آیند، هم قسمت‌هایی از رشته قدیمی و هم قسمتی از رشته جدید را دارا هستند. مانند این که DNA منفجر شده و قسمت‌های پراکنده آن، هر قسمت به قسمت دیگر چسبیده و DNA جدید را به وجود می‌آورند.

کدام طرح مورد تأیید قرار گرفته است؟

دو شخص به نام‌های مزلسون و استال با روشی علمی آزمایشی را طراحی کردند که اثبات کرد، روش نیمه‌حفاظتی، روشی قطعی و اثبات شده برای همانندسازی DNA می‌باشد. اولین کاری که باید انجام می‌دادند، این بود که به طریقی رشته‌های جدید و قدیمی DNA را از هم تشخیص می‌دادند. اما با چه روشی! چرا که DNA جدید، هیچ تفاوتی در رنگ، شکل و .. ندارد پس برای تشخیص نیاز به نشانه‌گذاری داریم.

مزلسون و استال چه کردند! آن‌ها با استفاده از ایزوتوپ‌های سنگین عناصر، روی مولکول‌ها نشانه‌گذاری انجام دادند. در واقع، آن‌ها DNAهایی را که سبب می‌شدند سلول‌های جدید ساخته شوند یا ساده‌تر بگوییم؛ یک یاخته یا سلول را در محیط کشت قرار دادند و در آن محیط کشت، ایزوتوپ‌های سنگین نیتروژن 15 وجود داشتند.

نکته: نیتروژن همانند عناصر دیگر، ایزوتوپ دارد و عدد جرمی‌های آن متفاوت هستند. یعنی تعداد نوترون‌های متفاوتی دارند. نیتروژن پر استفاده‌ای که در طبیعت یافت می‌شود، نیتروژن 14 است که سبک است. اما نیتروژن 15، نیتروژنی است که 1 نوترون اضافه‌تر دارد به همین دلیل، نیتروژن سنگین گفته می‌شود. حال اگر DNAای داشته باشیم که از نیتروژن 15 تشکیل شده است، این DNA نسبت به DNAهایی که نوکلئوتیدهای آن از نیتروژن 14 تشکیل شده است، سنگین‌تر خواهد بود.

سوال: DNA چگونه با نیتروژن 15 ساخته می‌شود! برای این که نوکلئوتیدهای یک یاخته یا یک سلول نیتروژن 15 داشته باشند، (می‌دانیم که در حالت طبیعی نیتروژن در اتمسفر 14 است. همین‌طور در پروتئین‌ها و آمینواسیدها نیز نیتروژن مورد استفاده 14 است. هنگامی که این آمینواسید وارد مرحله ساخت نوکلئوتید می‌شود، برای ساخت بازهای آلی نیتروژن‌دار، به نیتروژن نیاز خواهد داشت که در حالت طبیعی نیز نیتروژن 14 را مورد استفاده قرار می‌دهد.)

حال اگر یاخته را در محیطی که نیتروژن‌های 15 وجود دارند قرار دهیم، یعنی اجازه ندهیم نیتروژن‌های 14 به آن‌ها برسد، نوکلئوتیدهایی را می‌سازد که همگی نوکلئوتید با نیتروژن 15 هستند. پس DNAهایی که ساخته می‌شوند و همانندسازی را انجام می‌دهند، با نیتروژن 15 خواهند بود.

اما کاری که مزلسون و استال انجام دادند این بود که، از باکتری استفاده کردند. قبلأ اشاره کردیم که DNA باکتری‌ها حلقوی است اما مهم نیست! چرا؟ چون در این جا روش همانندسازی همه یاخته‌ها هم‌سان است. نام این باکتری اشریشیا کلای است که در شکل زیر کاملأ مشاهده می‌کنید. ابتدا آن‌ها باکتری‌ها را در محیطی که نوکلئوتیدهای دارای نیتروژن 15 داشت قرار داده و باکتری را کشت دادند.

سپس نیتروژن‌های 15 به ساختار بازهای آلی نیتروژن‌داری که در باکتری وجود دارند، منتقل شدند و بعد از چندین مرحله رشد و تکثیر، باکتری‌هایی به وجود آمدند که DNA آن‌ها نیتروژن 15 داشت و در واقع، DNA آ‌ن‌ها سنگین‌تر از باکتری‌های اولیه بود. بعد دوباره باکتری‌ها را به محیطی که نیتروژن 14 داشت، منتقل کردند و اجازه دادند تا باکتری تقسیم و تکثیر شود اما در این مرحله، تکثیر آن‌ها را کنترل کردند.

همان‌طور که کتاب درسی اشاره کرده است، تقسیم شدن باکتری به دو باکتری حدود 20 دقیقه به طول می‌انجامد و نوع تقسیم، از نوع تقسیم دوتایی است. بعد از 20 دقیقه یک‌سری از باکتری‌ها را بررسی کرده و از محیط جدا کردند. سپس 20 دقیقه دیگر زمان دادند، یعنی بعد از گذشت 40 دقیقه، دوباره باکتری‌ها را جدا کرده و بررسی کردند.

نتیجه چه شد! ما می‌دانیم که تعداد باکتری‌ها در ابتدا زیاد بوده اما برای راحتی درک این مبحث، یک باکتری را در نظر می‌گیریم که بعد از 20 دقیقه دو باکتری و بعد از 40 دقیقه 4 باکتری به وجود آمده بودند. مزلسون و استال باکتری‌هایی را که بعد از 20 دقیقه به وجود آمدند را نسل اول و باکتری‌هایی را که بعد از 40 دقیقه به وجود آمده بودند، نسل دوم نامیدند.

سپس باکتری‌هایی که بعد از 40 دقیقه به وجود آمده بودند را جدا کرده و به صورت جداگانه سانتریفیوژ کردند. DNAهایی که نیتروژن 15 دارند سنگین‌ترند و ته نشین می‌شوند و در قسمت انتهایی لوله آموزش نواری را مشاهده کردند که نشان‌گر ته نشین شدن DNAهای با نیتروژن‌های 15 بود. سپس باکتری‌هایی را که بعد از 20دقیقه به وجود آمده بودند، سانتریفیوژ کردند و مشاهده کردند نواری در میانه لوله آزمایش ایجاد شد که گفتند این باکتری‌ها چگالی متوسط دارند. پس نتیجه گرفتند هر DNA یک رشته با نیتروژن 15 و یک رشته با نیتروژن 14 دارد.

سپس باکتری‌هایی را که بعد از 40 دقیقه سانتریفیوژ کردند، مشاهده کردند که در قسمت بالا لوله آزمایش دو نوار به وجود آمد که نتیجه گرفتند این باکتری‌ها چگالی کم‌تری دارند و از نیتروژن 14 تشکیل شده‌اند و چون سبک هستند، در قسمت بالا باقی ماندند.

برای این کار از چه ابزاری استفاده کردند! از ابزاری به نام اولترا سانتریفیوژ که برای اندازه‌گیری میزان چگالی DNAها استفاده می‌کردند. و در نهایت به این نتیجه رسیدند که روش همانندسازی DNA، از نوع روش نیمه‌حفاظتی می‌باشد.

عوامل و مراحل همانندسازی

قبل از این که سراغ این قسمت برویم، باید بدانیم DNA برای همانندسازی به چه مواد و آنزیم‌هایی نیاز دارد. ابتدا ما به یک مولکول DNA نیاز داریم که آن را الگو خواهیم نامید برای این که قرار است از روی این DNA ما، DNA جدیدی ساخته شود که بسیار شبیه هم هستند. سپس ما به یک واحدهای سازنده نیاز داریم تا DNA را بسازند. قبلأ خواندیم که DNA برای ساخته شدن به نوکلئوتید نیاز دارد تا این نوکلئوتیدها به یکدیگر متصل شده و رشته‌های پلی‌نوکلئوتیدی را بسازند که این نوکلئوتیدها به صورت آزاد در سلول وجود داشته و از 3 گروه فسفات تشکیل شده‌اند.

اما نوکلئوتیدها زمانی که به یکدیگر می‌پیوندند و رشته پلی‌نوکلئوتید را می‌سازند، 2 گروه از فسفات‌های خود را از دست می‌دهند و 1 فسفات برای آن‌ها باقی می‌ماند. همچنین ما نیازمند یک‌سری آنزیم‌های دیگر هستیم که بعنوان مثال یک‌سری از پیوندها را بین دو رشته پلی‌نوکلئوتیدی را از هم جدا کند و یک‌سری آنزیم‌ها نیز نیاز خواهیم داشت تا پیوند فسفودی‌استر را بین نوکلئوتیدها ایجاد کند تا رشته‌های جدید، به وجود آیند.

مراحل همانندسازی

قبل از این که همانندسازی ایجاد شود، نیاز هست تا دو رشته مارپیچ DNA از هم باز شوند. قبلأ در زیست یازدهم خواندیم که دو رشته DNA، دو دور به دور هشت مولکول هیستون تابیده شده و دلیل قسمتی از فشردگی آن همین است. ابتدا باید این پیچ و تاب از هم باز شده و هیستون‌ها یا در واقع همان پروتئین‌ها از هم جدا شوند تا همانندسازی به خوبی بتواند انجام گیرد.

اولین آنزیمی که در این فرایند نقش دارد، آنزیم هلیکاز است. آنزیم هلیکاز سبب باز شدن پیچ و تاب DNA شده و هم سبب باز شدن دو رشته از یکدیگر می‌شود. قبلأ گفته شد که عاملی که دو رشته DNA را به هم متصل نگه می‌دارد، پیوندهای هیدروژنی بین جفت‌ بازهای مکمل است و کار اصلی آنزیم هلیکاز شکستن این پیوند هیدروژنی است.

دومین آنزیمی که در این فرایند نقش اساسی دارد و نوکلئوتیدهای مکمل را در مقابل نوکلئوتیدهای رشته الگو قرار می‌دهد و سبب جفت شدن آن‌ها می‌شود، DNAپلی‌مراز است. DNAپلی‌مراز در واقع عامل اصلی پلی‌مریزه شدن DNA یا همان ساخته شدن DNA می‌باشد. اکثر آنزیم‌ها مانند آنزیم DNAپلی‌مراز از جنس پروتئین هستند.

هنگامی که دو رشته DNA از هم باز می‌شوند، آنزیم‌های هلیکاز به چپ و راست حرکت می‌کنند و در این بین، دو آنزیم DNAپلی‌مراز از بالا و دو آنزیم DNAپلی‌مراز به سمت راست و چپ حرکت می‌کنند و رشته جدید را در مقابل رشته الگو قرار می‌دهند و به این صورت رشته جدید به دست می‌آید.

دوراهی همانندسازی

قبلأ اشاره کردیم که دو رشته DNA هم‌زمان از هم باز نمی‌شوند. در واقع، یک نقطه از DNA انتخاب می‌شود و دو رشته DNA در آن نقطه از هم جدا می‌شوند واصطلاحأ دو شکل Y مانند به وجود می‌آید که و آنزیم هلیکاز در دهانه آن شکل Y مانند قرار می‌گیرد و دو رشته DNA را از هم جدا می‌کند. به هریک از این ساختارهای Y شکل، دوراهی همانندسازی گفته می‌شود. در واقع، همانندسازی در هر DNA به صورت یک دوراهی‌ای است که از یک نقطه شروع کرده و به طرفین حرکت می‌کند.

در شکل اگر نگاه کنید، یک DNA قرار دارد که DNA اولیه است و هنوز همانندسازی انجام نداده است. کمی جلوتر نقطه‌ای است که آنزیم هلیکاز پیوند دو رشته الگو را از بین برده است و دو رشته DNA از هم فاصله گرفته و بین آن‌ها نوشته شده نوکلئوتیدهای 3 فسفاتی که برای درک بهتر، با خطوط رنگی مشخص کرده است.

در رشته‌های الگو که رشته‌‌های اولیه DNA هستند، نوکلئوتیدهای رشته جدید باید به گونه‎‌ای قرار گیرند که با نوکلئوتیدهای الگو مطابقت داشته باشند و جفت شوند. یعنی اگر در رشته الگو نوکلئوتید با باز آلی گوانین وجود داشته باشد، در مقابل باید نوکلئوتیدی با باز آلی سیتوزین قرار گرفته باشد تا جفت شوند، اگر غیر از این بود، یا رشته‌ها جفت نمی‌شوند یا اگر جفت شوند، اصطلاحأ گفته می‌شود DNA جهش یافته و دچار تغییر شده است.

فعالیت‌های آنزیم DNAپلی‌مراز

پیش‌تر اشاره کردیم که فرایند همانندسازی DNA به دلیل وجود جفت بازهای آلی مکمل، بسیار دقیق انجام می‌گیرد و DNAپلی‌مراز است که نحوه قرارگیری نوکلئوتیدهای مکمل در مقابل هم را شناسایی می‌کند و بین این نوکلئوتید با نوکلئوتید قبلی همان رشته، پیوند فسفودی‌استری ایجاد می‌کند و بین این نوکلئوتید با نوکلئوتید مقابل آن در رشته الگو، پیوند هیدروژنی خود به خود ایجاد می‌شود.

با وجود این که آنزیم DNAپلی‌مراز وظیفه خود را به درستی و دقیق انجام می‌دهد، گاهی ممکن است در فرایند اشتباهی رخ دهد و نوکلئوتید نتواند در مقابل نوکلئوتید مکمل‌اش قرار گیرد. بعنوان مثال، اگر در مقابل باز آلی آدنین، باز آلی سیتوزین قرار گیرد، DNAپلی‌مراز این پیوند را ایجاد می‌کند اما بعدأ دوباره برمی‌گردد و فرایند را بررسی می‌کند. اگر فرایند درست بود، سراغ نوکلئوتید بعدی می‌رود اما اگر اشتباه بود باید این پیوند فسفودی‌استر را بشکند و به جای آن، نوکلئوتید صحیح را قرار دهد.

در واقع آنزیم DNAپلی‌مراز هم می‌تواند پیوند فسفودی‌استر را تشکیل دهد و هم این پیوند فسفودی‌استری را از هم بشکند، به همین دلیل گفته می‌شود هم فعالیت پلی‌مرازی و هم فعالیت نوکلئازی دارد. فعالیت نوکلئازی یا تجزیه‌کننده نوکلئیک‌اسید می‌تواند سبب شکسته شدن پیوند فسفودی‌استر شده و نوکلئوتید را جدا کند. اما باز هم اشتباهاتی پیش می‌آید که سبب جهش DNA می‌شود و توالی نوکلئوتیدهای DNA به هم می‌خورد.

اما به فرایند برگشتن DNAپلی‌مراز و تعویض نوکلئوتید اشتباه شده، فرایند ویرایش گفته می‌شود. پس DNAپلی‌مراز هم توانایی ویرایش و هم توانایی ساخت رشته پلی‌نوکلئوتید جدید را که فعالیت پلی‌مراز گفته می‌شود را دارا است.

نکته: این فرایند همانندسازی در همه یاخته‌ها بجز باکتری‌ها رخ می‌دهد و اصطلاحأ در یوکاریوت‌ها قابل انجام است که همه این فرایندها در هسته سلول رخ می‌دهد که در ادامه مفصل‌تر خواهیم خواند.

همانندسازی در پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها

ابتدا یوکاریوت‌ها و پروکاریوت‌ها را از نظر ساختار مقایسه کنیم. همان‌طور که می‌دانید، باکتری‌ها جزو پروکاریوت‌ها بوده و یاخته‌های همه جانداران به جز باکتری‌ها، جزو یوکاریوت‌ها می‌باشند. DNA پروکاریوت‌ها حلقوی است. در واقع کروموزوم باکتری‌ها یک مولکول DNA حلقوی بدون هیچ پروتئینی است که در سیتوپلاسم سلول قرار دارد چرا که هسته ندارند و این کروموزوم به غشا سیتوپلاسمی سلول متصل شده است. برخی از پروکاریوت‌ها ممکن است یک کروموزوم فرعی یا کمکی نیز داشته باشند که آن نیز حلقوی است که به آن پلازمید گفته می‌شود.

پلازمیدها دارای یک‌سری اطلاعات بر روی خود هستند که ممکن است بر روی کروموزوم اصلی وجود نداشته باشد. بعنوان مثال، مقاومت در برابر آنتی‌بیوتیک یک ویژگی‌ای است که ژن آن بر روی پلازمید قرار دارد.

اما در یوکاریوت‌ها (آغازیان، گیاهان، جانوران، قارچ‌ها) در هسته سازمان یافته، کروموزوم‌ها از DNA و پروتئین تشکیل شده‌اند، مانند هیستون‌ها که DNA آن‌ها به صورت خطی است و دو سر ابتدایی و انتهایی DNA به هم وصل نشده است. جالب است بدانید، در یوکاریوت‌ها علاوه‌بر هسته، در سایر قسمت‌ها نیز DNA و کروموزوم وجود دارد.

چگونه ممکن است! به DNA و کروموزوم‌هایی که در هسته قرار دارند، DNA یا کروموزوم هسته‌ای گفته می‌شود که DNA اصلی سلول محسوب می‌شود. اما در سیتوپلاسم نیز DNAهایی وجود دارند که به آن‌ها DNA سیتوپلاسمی گفته می‌شود. در واقع، یوکاریوت‌ها دو نوع DNA دارند، یک DNAای که در هسته قرار دارد و به صورت کروموزوم درآمده است و دومین DNAای است که در اندامک‌های سیتوپلاسم و نه در ماده زمینه‌ای سیتوپلاسم قرار دارند.

پس DNA سیتوپلاسمی در میتوکندری و در کلروپلاست قرار دارند که از نوع DNA حلقوی هستند. (جانورانی که کلروپلاست ندارند DNA را هم داخل آن ندارند).

نکته: در نظریه‌ای به نام نظریه درون هم‌زیستی گفته می‌شود، صدها سال پیش، میتوکندری و کلروپلاست‌ها پروکاریوت‌ها یا باکتری‌هایی بودند که به صورت هم‌زیستی درآمده‌اند.

قبلأ اشاره کردیم که دو رشته DNA از یک نقطه از یکدیگر باز می‌شوند و از همان نقطه هم فرایند همانندسازی شروع می‌شود، که به این نقطه جایگاه آغاز همانندسازی گفته می‌شود. در اغلب یوکاریوت‌ها، فقط یک نقطه جایگاه آغاز فرایند همانندسازی وجود دارد. در واقع، دو دوراهی همانندسازی وجود دارد. اما در پروکاریوت‌ها چون DNA حلقوی است، زمانی که دوراهی همانندسازی ایجاد می‌شود و آنزیم‌های DNAپلی‌مراز حرکت می‌کنند، در یک نقطه به هم می‌رسند و DNA حلقوی را تشکیل می‌دهند.

همانندسازی در پروکاریوت‌ها همانند همانندسازی یوکاریوت‌ها است، ممکن است نوع آنزیم‌ها متفاوت باشد، اما کل فرایند یکی است. تنها تفاوت این است که در پروکاریوت‌ها، همانندسازی دو جهتی است و از نقطه‎‌ای که همانندسازی آغاز می‌شود در پایان فرایند این دو نقطه به هم می‎‌رسند و باعث ایجاد DNA حلقوی می‌شوند.

اما در یوکاریوت‌ها وجود یک جایگاه آغاز فرایند همانندسازی کفایت نمی‌کند.چرا! چون DNA یوکاریوت‌ها بسیار طولانی است و همچنین مقدار و تعداد آن‌ها نیز خیلی بیش‌تر است. بعنوان مثال، در سلول‌های انسانی 46 کروموزوم وجود دارد. به همین دلیل در یوکاریوت‌ها به چندین جایگاه آغاز فرایند همانندسازی و چندین دوراهی همانندسازی، مورد نیاز است.

اما چندین جایگاه آغاز فرایند همانندسازی کردن به شرایطی بستگی دارد. گاهی اوقات مرحله اولیه تقسیم سلول بسیار سریع اتفاق می‎‌افتد، پس چندین جایگاه مورد نیاز است، اما گاهی تقسیم کند است و نیاز به جایگاه کم‌تری است و تعداد این جایگاه‌ها کاهش می‌یابد.

بعنوان مثال در زیست سال یازدهم داشتیم که در دوران جنینی، مورولا و بلاستوسیست که مورولا یک توده تو پر یاخته‌ای بود که تبدیل به بلاستوسیست می‌شد که در این صورت داخل آن تو خالی می‌شد. این توده‌ها چون سرعت تقسیم بالایی داشتند، نقاط آغاز فرایند همانندسازی زیادی هم داشتند ولی بعد از تشکیل اندام‌ها چون سرعت تقسیم کاهش پیدا می‌کرد، تعداد نقاط آغازین فرایند همانندسازی نیز کاهش می‌یافت.

در شکل، مثال زده است که فرض می‌کنیم سه نقطه جایگاه آغاز فرایند همانندسازی داریم و در هر سه نقطه به صورت هم‌زمان، آنزیم‌های هلیکاز شروع به فعالیت کرده و دو رشته DNA را از هم باز می‌کنند و یک قسمتی را به وجود می‌آورند که به این قسمت‌ها، حباب همانندسازی گفته می‌شود. به ازای هر جایگاه آغاز فرایند همانندسازی، دو دوراهی همانندسازی وجود دارد که به صورت Y شکل به طرفین حرکت می‌کنند.

سپس در قسمت دوراهی همانندسازی‌ای که به سمت چپ و راست در حرکت است، حباب همانندسازی بزرگ‌تر شده و رشته‌های در حال تشکیل نیز طویل‌تر می‌شوند. اصطلاحأ به DNA اولیه، DNA مادر و به DNAهای جدید، DNA دختر یا DNA حاصل گفته می‌شود. در حین فرایند نزدیک‌تر شدن دوراهی‌های همانندسازی به یکدیگر باعث پیوستن این دو شده و در نهایت ما شاهد حاصل شدن دو مولکول DNA خواهیم بود که هر کدام از مولکول‌های DNA، یک رشته قدیمی به رنگ قرمز و یک رشته جدید به رنگ آبی دارد که DNA حاصل گفته می‌شود.

آموزش گفتار 3 فصل 1 زیست دوازدهم | پروتئین‌ها

در ابتدا باید با دو واژه پروتئین و پلی‌پپتید آشنا شویم. در سال‌های قبل‌تر، خواندیم که پروتئین‌ها از اتصال آمینواسیدها به وجود می‌آیند. اما آن چه حائز اهمیت این است که، از اتصال چندین آمینواسید به یکدیگر، پروتئین به وجود نمی‌آید! بلکه از اتصال آمینواسیدها رشته‌هایی به نام رشته‌های پلی‌پپتید به وجود می‌آیند.

در گفتار قبل خواندیم که واحد سازنده DNAها و RNAها، نوکلئوتید است. زمانی که این نوکلئوتیدها در کنار هم قرار گرفته و با پیوند فسفودی‌استر به هم متصل می‌شوند، یک رشته پلی‌نوکلئوتیدی را به وجود می‌آورند که این رشته‌های پلی‌نوکلئوتیدی در مقابل هم قرار گرفته و بازهای آلی آن‌ها توسط پیوندهای هیدروژنی، شکل مارپیچ به خود گرفته و DNA را تشکیل می‌دهند. در RNA نیز به همین ترتیب است با این تفاوت که RNA تک رشته‌ای است.

در این قسمت نیز زمانی که آمینواسیدها با پیوندهایی به هم متصل می‌شوند، رشته‌های پلی‌پپتیدی را به وجود می‌آورند که همین رشته‌های پلی‌پپتیدی می‌توانند پروتئین را ایجاد کنند. در واقع، هر پروتئین از یک یا چند رشته پلی‌پپتیدی به وجود آمده است. بعنوان مثال، یک‌سری از پروتئین‌ها از یک رشته پلی‌پپتید ساخته شده‌اند و یک‌سری دیگر از پروتئین‌ها از 70 رشته پلی‌پپتیدی به وجود آمده‌اند.

نکته: همان‌گونه که می‌دانید، RNA و DNA در سلول، نقش ذخیره و انتقال اطلاعات را برعهده دارند که برای انتقال این اطلاعات، به مولکول‌های پروتئینی نیاز دارند.

ساختار آمینواسیدها

جمله کتاب: پروتئین‌ها، پلی‌مرهایی خطی از آمینواسیدها هستند.

اگر به یاد داشته باشید، پلیمرها مولکول‌های درشتی هستند که خود از مولکول‌های کوچک‌تری ساخته شده‌اند. بعنوان مثال سلولز یا همان نشاسته، پلی‌ساکارید است یعنی جزو کربوهیدرات‌ها است که این سلولز از اتصال گلوکزها ساخته شده‌اند. اما در مورد آمینواسیدها، همه به یک شکل نیستند و تفاوت‌هایی با یکدیگر دارند. وقتی تعدادی آمینواسید با پیوند کووالانسی‌ای که از نوع پیوند پپتیتدی است، به یکدیگر متصل می‌شوند، یک زنجیره پلی‌مری را که به صورت خطی است، به وجود می‌آورند.

چرا به پلی‌مرها خطی گفته می‌شود! به این دلیل که برعکس ساختار نشاسته و گلیکوژن انشعاب ندارد و شبیه به سلولز است که به صورت یک خط، در کنار هم قرار می‌گیرند. نوع آمینواسیدها، ترتیب و تعداد آمینواسیدها، ساختار و نقش پروتئین‌ها را مشخص می‌کند. بعنوان مثال در زبان فارسی، اگر یک حرف را معادل آمینواسید قرار دهیم و هر کلمه را معادل پلی‌پپتید قرار دهیم، مثلأ کلمه زیست‌شناسی را اگر از هم جدا کنیم، کلمه زیست از اتصال حروف ز ی س ت به دست آمده است.

حال هنگامی که 4 آمینواسید در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند، نوع آمینواسید فوق (طبق مثال مثلأ آمینواسید ز، آمینواسید ی، آمینواسید س و آمینواسید ت) برای این که کلمه زیست به وجود آید، 4 عدد حرف نیاز است و برای این که کلمه زیست به وجود آید، باید ترتیب نیز رعایت شود. پلی‌پپتید نیز همین شکل است. اگر نوع و تعداد آمینواسیدها تغییر کند، پلی‌پپتید نیز ساختار و عمل‌کرد متفاوتی خواهد داشت.

آمینواسیدها که قبلأ به صورت اسید آمینه می‌شناختیم، یک گروه آمین دارد که NH2 است و یک گروه کربوکسیلیک دارد که COOH است. در واقع، یک اتم کربنی قرار دارد (کربن ظرفیت 4 دارد یعنی 4 پیوند کووالانسی می‌تواند برقرار کند) که این کربن یک پیوند با گروه آمنین است و پیوند دیگر با کربوکسیلیک و پیوند دیگر را با هیدروژن برقرار کرده است و در طرف دیگر یک گروه R وجود دارد.

گروه R چیست! R گروهی از اتم‌های متفاوت است که و به دلیل وجود تفاوت در آمینواسیدهای مختلف، بعنوان یک متغیر محسوب می‌شود. در حقیقت، همین گروه R است که آمینواسیدها را متفاوت کرده است. ما در طبیعت آمینواسیدهای مختلفی داریم اما در ساختار موجودات زنده فقط 20 نوع از این آمینواسیدها به کار می‌رود. در شکل زیر، کادر قهوه‌ای رنگ در حقیقت نشان‌گر گروه‌های R می‌باشد.

پیوند پپتیدی آمینواسیدها را به یکدیگر متصل می‌کند

اگر به خاطر داشته باشید، در گفتار یک خواندیم، هر نوکلئوتید از یک قند 5 کربنی، یک گروه فسفات و یک باز آلی تشکیل شده بود و باز آلی سبب ایجاد تفاوت می‌شد و چون 4 نوع باز آلی در ساختار نوکلئوتیدهای DNA وجود دارد، پس 4 نوع هم نوکلئوتید وجود دارد. در آمینواسیدها نیز به دلیل وجود 20 نوع گروهR، بیست نوع هم آمینواسید وجود خواهد داشت.

اگر یک گروه آمین با یک گروه کربوکسیلیک پیوند کووالانسی ایجاد کنند، به این پیوند، پیوند پپتیدی گفته می‌شود. در زیست دهم فصل دو که مربوط به گوارش بود، نوشته بود هنگامی که دو آمینواسید با فرایند هیدرولیز بخواهند از هم جدا شوند، یک مولکول آب باید مصرف شود. اما در این جا موضوع برعکس است.

وقتی دو آمینواسید به وسیله پیوند پپتیدی بخواهند به هم متصل شوند، گروه آمینی یک آمینواسید با گروه کربوکسیلیک آمینواسید دیگر در کنار یکدیگر قرار بگیرند، بین آن دو یک اکسیژن و یک هیدروژن به صورت مولکول آب آزاد می‌شود که به این واکنش، واکنش سنتز آبدهی گفته می‌شود. سنتز یعنی ساخته شدن و واکنش سنتز آبدهی، واکنشی است که در آن دو مولکول در کنار یکدیگر قرار گرفته و یک پیوندی بین آن‌‌ها ایجاد شده و یک مولکول آب آزاد می‎‌شود که همین پیوند اگر بخواهد شکسته شود، مولکول آب باید مصرف شود.

یک ساختاری به نام ریبوزوم وجود دارد که از نوع rRNA است که هم از rRNA ریبوزومی و هم از پروتئین ساخته شده است. همان‌طور که پیش‌تر گفتیم، rRNA می‌تواند نقش آنزیمی نیز داشته باشد. اما آنزیمی که دو پروتئین را به وسیله سنتز آبدهی به هم می‌چسباند، همون rRNA ریبوزومی است که در ساختار ریبوزوم قرار دارد.

یک آمینواسید تک با یک آمینواسید تک دیگر می‌تواند واکنش داده و به هم متصل شوند. اما گاهی رشته‌ای از آمینواسیدها وجود دارد که به انتها آن یک آمینواسید دیگر متصل شده و یک پیوند کووالانسی ایجاد می‌شود. این پیوند رشته‌ای بین آمینواسیدها را، پیوند پپتیدی می‌گویند.

گفتیم که آمینواسیدها بسیار متنوع هستند اما فقط 20 نوع آن‌ها در ساختار پروتئین‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. از این 20 نوع آمینواسید، 8 مورد را آمینواسیدهای ضروری یا اساسی و 12 مورد را آمینواسیدهای غیراساسی می‌نامند. یعنی چه! آمینواسیدهای اساسی توسط بدن ساخته نمی‌شوند بلکه به همراه مواد غذایی وارد بدن می‌شوند. اما 12 مورد آمینواسیدهای غیر ضروری توسط خود بدن ساخته می‌شوند. به همین دلیل استفاده از برخی از مکمل‌ها ضروری است.

سطوح مختلف ساختاری در پروتئین‌ها

گفتیم که پلی‌پپتید از اتصال آمینواسیدها به وجود می‌آید. بعد از ساخته شدن، یک‌سری تغییرات در شکل فضایی آن ایجاد می‌شود و به پروتئین تبدیل می‌شود. سپس براساس نوع شکل فضایی و ترکیب آن با سایر پلی‌پپتیدها، به 4 ساختار یا سطح دسته‌بندی می‌شود.

اولین پروتئینی که ساختار آن مشخص شد، میوگلوبین بود. در زیست دهم داشتیم که میوگلوبین در تارهای ماهیچه‌ای، نقش ذخیره اکسیژن را برعهده داشت. همانند گلوبین که یک نوع پروتئین انتقالی است که در خون، گازهای تنفسی را منتقل می‌کند. اما میوگلوبین توانایی ذخیره و رساندن بهتر اکسیژن به تارهای ماهیچه‌ای را برعهده داشت که در افراد ورزشکار، تعداد این میوگلوبین‌ها در بدن آن‌ها افزایش می‌یابد.

ساختار اول پروتئین _ توالی آمینواسیدها

اگر فرض کنیم آمینواسیدها به صورت یک رشته خطی در امتداد یکدیگر قرار بگیرند، این ساختار خطی ساده که پایه ساختارهای دوم، سوم و چهارم است، ساختار اول پروتئین نامیده می‌شود که عامل این ساختار نیز همان پیوند پپتیدی بین آمینواسیدها است که پیوند پپتیدی نیز نوعی پیوند کووالانسی است.

نکته مهم: اگر جای دو آمینواسید عوض شود یا یکی از آمینواسیدها کم یا زیاد شود، هر اتفاقی هرچند کوچک و ناچیز، می‌تواند نوع پروتئین و در نتیجه عمل‌کرد آن را تغییر دهد.

گاهی ممکن است یک پروتئینی در ساختار اول وجود داشته باشد که به همین حالت مانده و یک پروتئین را تشکیل دهد. و ممکن است در این حالت نمانده و جا به جا شود و ساختار دوم یا سوم ایجاد شود. از 20 نوه آمینواسید موجود، همه آمینواسیدها می‌توانند به یکدیگر متصل شوند. آمینواسیدها با پیوند پپتیدی به هم متصل شده و به همین دلیل، پروتئین‌هایی که ساختار اول هستند، بسیار متنوع هستند و تعداد آن‌ها بی‌نهایت است.

پس نتیجه می‌گیریم که پایه و اساس ساختارهای پروتئین، ساختار اول پروتئین است چرا که بحث، بحث توالی آمینواسیدها می‌باشد. اگر پروتئینی داشته باشیم که یکی از آمینواسیدهای آن جا به جا شده باشد، اگر به ساختارهای دوم و سوم انتقال یابد، عمل‌کرد آن در ساختارهای بعدی نیز بهم خواهد خورد.

ساختار دوم _ الگوهایی از پیوندهای هیدروژنی

گاهی اوقات ممکن است ساختار پلی‌پپتیدی‌ای که در ساختار اول به وجود آمد و ممکن است پروتئین نیز ساخته شده باشد (خطی) اما گاهی پروتئینی قرار است به وجود آید که ساختار آن پیچیده‌تر است مثل هموگلوبین، بنابراین ساختار پلی‌پپتیدی‌ای که در ساختار اول به وجود آمد، باید شامل تغییراتی شده و به ساختار دوم و سوم تبدیل شود.

به همین دلیل، زنجیره پلی‌پپتیدی‌ ممکن است تا شده و به صورت شکل‌های مختلف مارپیچی یا زیگزاگی درآید و روبروی هم قرار بگیرند، بین آن‌ها پیوند هیدروژنی تشکیل شود. پس ساختار جدیدی به وجود می‌آید که ساختار دوم گفته می‌شود. در واقع، پیوند هیدروژنی، سبب ایجاد ساختار دوم می‌شود.

ساختار دوم پروتئین‌ها، دو نوع هستند: اولی ساختار مارپیچ و دومی ساختار صفحه‌ای گفته می‌شود. اما ساختار نهایی پروتئین‌ها ممکن است همین ساختار دوم باشد و به ساختار سوم و چهارم تبدیل نشود. کتاب هموگلوبین را مثال زده است اما توجه کنید هموگلوبین یک رشته پلی‌پپتیدی نیست، بلکه از 4 رشته پلی‌پپتیدی تشکیل شده است که ساختار مارپیچ و ساختار دوم را دارند که در کنار هم قرار دارند.

نمونه‌ای از ساختار صفحه‌ای که کتاب مثال زده است، منافذ غشایی سلول می‌باشد که یک‌سری پروتئین‌هایی قرار دارد که منافذ غشایی را می‌سازند و این پروتئین‌ها ساختار صفحه‌ای دارند.

ساختار سوم _ تا خورده و متصل به هم

اولین ساختار سه بعدی‌ای که از پروتئین‌ها در دسترس است، ساختار سوم می‌باشد. در واقع، ساختار سوم ترکیبی از ساختارهای دوم است. بعنوان مثال یک تعداد پروتئینی که ساختار صفحه‌ای دارند با یک تعداد دیگر پروتئینی که ساختار مارپیچ دارند، به هم پیچ خورده و تاب‌خوردگی آن‌ها زیاد شده و به صورت کروی درمی‌آیند.

علت کروی شدن چیست! علت آن پیوندهای آب گریز می‌باشد. در زیست دهم گفتیم که بیش‌ترین مولکول‌هایی که غشا را تشکیل می‌دهند، مولکول‌های فسفولیپید هستند. فسفولیپیدها دو سر داشتند که یک قسمت کروی شکل و یک قسمت دو تا خط خمیده یا زیگزاگی داشت که از آن خارج شده بود. به قسمت کروی شکل، سر آب دوست و به قسمت دو خطی، سر آب گریز گفته می‌شد.

اگر یک قطره روغن را در یک لیوان بریزیم و هم بزنیم، دو شکل کروی از روغن روی آب تشکیل می‌شود که بعد از مدتی به هم چسبیده و لایه‌ای از روغن را روی لیوان تشکیل می‌دهند. چرا! گفتیم که چربی‌ها تری‌گلیسیرید هستند و آب گریز هستند و زمانی که در آب قرار می‌گیرند، هیچ تمایلی برای پیوند با آب ندارند. همیشه بخش‌های آب گریز ماده به سمت هم نزدیک شده و در کنار هم قرار می‌گیرند که دقیقأ شبیه به غشا سلول می‌باشد.

ساختار چهارم _ آرایش زیر واحدها

منظور از زیر واحد چیست! قبلأ اشاره کردیم که برای مثال هموگلوبین از 4 زنجیره پپتیدی تشکیل می‌شود که به هر کدام از این زنجیره‌ها، یک زیر واحد گفته می‌شود. در حقیقت، زیر واحد یعنی واحدهای سازنده که برای مثال الکترون و پروتون زیر واحدهای اتم هستند.

به دو زنجیره هموگوبین زنجیره آلفا و به دو زنجیره دیگر هموگلوبین، زنجیره بتا گفته می‌شود. ترتیب و توالی آمینواسیدهای زنجیره آلفا یکی هستند اما با ترتیب و توالی زنجیره‌های بتا متفاوت هستند. این زنجیره‌ها، از ساختارهای سوم هستند و ساختارهای سوم از ساختار دوم و در نهایت ساختارهای دوم از ساختارهای اولیه ساخته شده‌اند و به گونه‌ای کنار یکدیگر قرار دارند که ساختار هموگلوبین در ساختار چهارم به وجود می‌آید.

نقش پروتئین‌ها

ابتدا باید بدانید مولکول‌های زیستی چیست! مولکول‌های زیستی، مولکول‌هایی که در ساختار سلول‌ها یا در کل در ساختار بدن موجودات زنده نقش دارند که پروتئین‌ها متنوع‌ترین مولکول‌های زیستی هستند.

در زیست‌شناسی سال‌های قبل با کاتالیزورها آشنا شدیم. کاتالیزورها موادی هستند که در یک واکنش شرکت کرده، سرعت واکنش را افزایش می‌دهند و خود نیز در واکنش شرکت نمی‌کنند و دست‌نخورده باقی می‌مانند. در شیمی خواندیم که انجام یک واکنش نیازمند انرژی فعال‌سازی می‌باشد. بعنوان مثال اگر بخواهیم انرژی شیمیایی آن را آزاد کنیم، باید آن را بسوزانیم پس یک انرژی فعال‌سازی نیازمند خواهیم بود که کافیست یک مقدار حرارت دهیم.

اما گاهی اوقات ممکن است بتوانیم با انرژی فعال‌سازی کم‌تری واکنش را به انجام برسانیم. در بدن انسان‌ها درجه حرارت بدن معمولأ 37 درجه است و اگر در یک سلول گلوکز بخواهد با اکسیژن ترکیب شود، اما دما از این بالاتر نمی‎‌تواند برود چون بعد از دما 40 درجه، شخص می‌میرد. به همین دلیل، آنزیم‌ها وارد عمل شده و یک واکنشی را که انرژی فعال‌سازی کم‌تری دارند را به انجام برسانند.

نکته: جالب است بدانید پمپ سدیم _ پتاسیم علاوه‌بر این که سدیم و پتاسیم را به دو سوی غشا منتقل می‌کند، نقش آنزیمی نیز دارد و می‌تواند ATP را شکسته و مصرف کند.

در زیست یازدهم داشتیم که در چرخه یاخته یک‌سری از پروتئین‌ها بعنوان پدال گاز عمل کرده و باعث افزایش سرعت تقسیم یاخته شده و یک‌سری دیگر بعنوان ترمز تلقی شده و سبب کاهش سرعت تقسیم یاخته می‌شوند.

آنزیم‌ها

واکنش‌های شیمیایی در صورتی سرعت مناسب می‌گیرند که، انرژی اولیه کافی برای انجام آن وجود داشته باشد. به این انرژی را انرژی فعال‌سازی گفته می‌شود. انجام این واکنش‌ها در بدن موجودات زنده که با عنوان کلی سوخت وساز مطرح می‌شوندنیز ، همین‌گونه هستند. این واکنش‌ها با حضور آنزیم  انجام می شوند

آنزیم امکان برخورد مناسب مولکول‌ها را افزایش داده و انرژی فعال‌سازی واکنش را کاهش می‌دهند. همچنین با این کار، سرعت واکنش‌هایی را که
در بدن موجودات زنده انجام شدنی هستند را زیاد می‌کنند. بدون آنزیم ممکن است در دما بدن سوخت وساز یاخته‌ها بسیار کند انجام شود و انرژی لازم برای حیات تأمین نشود.

آنزیم‌های ترشحی دستگاه گوارش مانند: آمیلاز بزاق و لیپاز در خارج یاخته عمل می‌کنند. اما آنزیم‌های موثر در تنفس یاخته‌ای، فتوسنتز و همانندسازی در درون یاخته فعالیت می‌کنند. البته گروهی از آنزیم‌ها، همانند پمپ سدیم _ پتاسیم فعالیت خود را در غشا انجام می‌دهند.

ساختار آنزیم‌ها

اغلب آنزیم‌ها پروتئینی هستند و آنزیم‎‌ها در ساختار خود بخشی به نام جایگاه فعال 1 دارند. جایگاه فعال بخشی اختصاصی در آنزیم است که پیش ماده 2 در آن قرار می‌گیرد. ترکیباتی که آنزیم روی آن‌ها عمل می‌کند، پیش ماده و ترکیباتی که حاصل فعالیت آنزیم هستند، فراورده 3 یا محصول خوانده
می‌شوند.

برخی از آنزیم‌ها برای فعالیت خود، به یون‌های فلزی مانند آهن، مس و یا مواد آلی مثل ویتامین‌ها نیاز دارند. به مواد آلی‌ای که به آنزیم‌ها کمک می‌کنند، کوآنزیم 4 گفته می‌شود. وجود بعضی از مواد سمی در محیط مثل سیانید و آرسنیک، می‌تواند با قرار گرفتن در جایگاه فعال آنزیم، مانع فعالیت آن شود. بعضی از این مواد به همین طریق باعث مرگ می‌شوند.

عمل‌کرد اختصاصی آنزیم‌ها

هر آنزیم روی یک یا چند پیش ماده خاص موثر است. بنابراین گفته می‌شود که آنزیم‌ها عمل اختصاصی دارند. شکل آنزیم در جایگاه فعال با شکل پیش ماده یا بخشی از آن مطابقت دارد و به اصطلاح مکمل یکدیگر هستند. اگرچه آنزیم‌ها عملی اختصاصی دارند ولی برخی از آن‌ها بیش از یک نوع واکنش را سرعت می‌بخشند.

نکته: آنزیم‌ها در همه واکنش‌های شیمیایی بدن جانداران که شرکت می‌کنند؛ سرعت واکنش را افزایش می‌دهند. اما در پایان واکنش‌ها دست‌نخورده باقی می‌مانند تا بدن بتواند بارها از آن‌ها استفاده کند. به همین دلیل، یاخته‌ها به مقدار کم به آنزیم‌ها نیاز دارند. البته به مرور، مقداری از آن‌ها از بین می‌روند و یاخته مجبور به تولید آنزیم‌های جدید می‌شود.

عوامل موثر بر فعالیت آنزیم‌ها

عوامل متعددی از جمله pH ، دما، غلظت آنزیم و پیش ماده بر سرعت فعالیت آنزیم‌ها تأثیر می‌گذارند که به شرح زیر می‎‌باشد:

• PH محیط 

pH اکثر مایعات بدن بین 6 و 8 است؛ بعنوان مثال، pH خون حدود 4/ 7 است. البته pH بعضی بخش‌ها خارج از این محدوده هست. یکی از این موارد، pH ترشحات معده است که حدود 2 می‌باشد. هر آنزیم، در یک pH ویژه بهترین فعالیت را دارد که به آن pH بهینه گفته می‌شود. بعنوان مثال، pH بهینه پپسین حدود 2 است در حالی که آنزیم‌هایی که از لوزالمعده به روده کوچک وارد می‌شوند، pH بهینه حدود 8 دارند.

تغییر pH محیط با تأثیر بر پیوندهای شیمیایی مولکول پروتئین می‌تواند باعث تغییر شکل آنزیم شود و در نتیجه امکان اتصال آن به پیش ماده از بین رفته و در نتیجه میزان فعالیت آن تغییر کند.

• دما

آنزیم‌های بدن انسان در دما 37 درجه سانتی‌گراد بهترین فعالیت را دارند. این آنزیم‌ها در دما بالاتر ممکن است، شکل غیر طبیعی یا برگشت‌ناپذیر پیدا کنند و غیرفعال شوند. آنزیم‌هایی که در دما پایین غیرفعال می‌شوند، با برگشت دما به حالت طبیعی، می‌توانند به حالت فعال برگردند. همراهان عزیز برای مشاهده سایر مقالات مربوط به پایه دوازدهم، لینک دوازدهم را دنبال نمایید.

• غلظت آنزیم و پیش ماده

مقدار اندکی از آنزیم کافی است تا مقدار زیادی از پیش ماده را در واحد زمان به فراورده تبدیل کند. اگر مقدار آنزیم زیادتر شود، تولید فراورده در واحد زمان افزایش می‌یابد. افزایش غلظت پیش ماده در محیطی که آنزیم وجود دارد، نیز می‌تواند تا حدی باعث افزایش سرعت شود. ولی این افزایش تا زمانی ادامه می‌یابد که تمامی جایگاه‌های فعال آنزیم‌ها با پیش ماده اشغال شوند. در این حالت سرعت انجام واکنش ثابت می‌شود.

ایستگاه پایانی

خب دوستان به انتها این مقاله از آموزش فصل زیست پایه دوازدهم رسیدیم. امیدوارم استفاده کافی برده باشید. اما فراموش نکنید این تمام ماجرا نبوده و در مقالات بعدی منتظر گام به گام فصل اول زیست دوازدهم و نمونه سوال فصل اول زیست دوازدهم را خواهیم داشت. پس برای اطلاع از بروزترین مقالات ما، در خبرنامه سایت ثبت‌نام کنید و سوالات، نظرات، پیشنهادات و یا انتقادات خود را در قسمت ارسال دیدگاه‌ها ونظرات با ما در میان بگذارید. برای حمایت و دل‌گرمی ما بخونی‌ها، لطفأ ستاره‌ها را رنگی کنید ..

سوالات متداول 

1. آیا آموزش فصل اول زیست دوازدهم در این مقاله، مناسب کنکور نیز می‌باشد؟
   بله، در این آموزش علاوه‌بر آموزش خط به خط کتاب درسی، به آموزش پیش‌نیازها، نکات مفهومی و ترکیبی کنکوری نیز پرداخته شده است.
2. آیا می‌توانم pdf این آموزش را داشته باشم؟
   بله، شما می‌توانید از انتها مقاله، pdf قرار داده شده را دانلود کرده و همیشه دسترسی داشته باشید.
3. چگونه می‌توانیم از تازه‌ترین آموزش‌های شما بهره‌مند شویم؟
   برای اطلاع از جدیدترین و بروزترین مقالات آموزشی ما، می‌توانید در قسمت خبرنامه سایت بخون ثبت‌نام کرده و به محض منتشر شدن مقالات، مطلع شوید.