مرض قند یا دیابت شیرین یک اختلال سوخت و سازی در بدن است. بدین صورت که سرعت و توانایی بدن در استفاده و سوخت و ساز کامل قندها کاهش می‌یابد. از اینرو قند خون افزایش می‌یابد.در واقع دیابت یک بیماری است که در آن بدن دچار کمبود انسولین است یا انسولین تولیدی را به درستی مصرف نمی‌کند.انسولین یک هورمون است که برای تبدیل شکر ونشاسته ودیگر غذاها به انرژی مورد نیاز فعالیت‌های روزانه در سلول‌های بدن ضروری ومورد نیاز است. عوامل به وجود آورنده دیابت همواره به صورت یک راز بوده وهنوز هم به طور کامل شناخته نشده‌است البته عوامل ژنتیکی و چاقی وتحرکات کم و ورزش نکردن نقش مهمی در ابتلای فرد به دیابت دارند. در حال حاضر در آمریکا حدود ۲۳٫۶ میلیون نفر به دیابت مبتلا هستند که از این میان تنها حدود ۱۷٫۹ میلیون نفر دیابت انها توسط پزشکان تشخیص داده شده وحدود ۵٫۷ ملیون نفر هنوز از بیماری خود اطلاعی ندارند. برای تشخیص اینکه آیا فرد مبتلا به دیابت است یا در استانه ابتلا به دیابت است دو نوع تست انجام می‌گیردراست. که به نام‌های فستینگ گلوکز پلاسما تست (GPF) وتست تلورنس گلوکز بزاق (TTGO) معروفند.هر دو تست می‌تواند تشخیص دهد که ایا فرد به دیابت مبتلا هست یا در استانه ابتلا به دیابت قرار دارد. مرکز دیابت آمریکا تست GPF را پیشنهاد می‌کند چراکه این تست اسان تر کم هزینه وسریع می‌باشد.با انجام این تست اگر سطح گلوکز خون افراد بین ۱۰۰ تا ۱۲۵ ld/g m باشد فرد در آستانه ابتلا به دیابت است و اگر سطح گلوکز خون ۱۲۶ وبالاتر باشد فرد مبتلا به دیابت است.ولی در تستTTGO سطح گلوکز خون فراد بعد از روزه بودن وسپس اینکه فرد بعد از ۲ ساعت یک اشامیدنی که مقدار گلوکز فراوان را دارا است می‌نوشد وبعد از ان اگر سطح گلوکز خون افراد بعد از ۲ ساعت بعد از نوشیدن نوشیدنی ۱۴۰ تا ld/ gm۱۹۹ باشد فرد در استانه ابتلا به دیابت قرار دارد واگر سطح گلوکز خون ۲۰۰ وبالاتر باشد فرد مبتلا به دیابت است.

محل ساخته شدن هموگلوبین در بدن : سنتز مولکول هموگلوبین در گلبولهای قرمز اولیه شروع می‌شود و تا زمانی که گلبول قرمز ، مغز استخوان را ترک می‌کند و وارد خون می‌شود، برای حدود یک روز به تشکیل مقادیر ناچیزی هموگلوبین ادامه می‌دهند. هر مولکول هم پس از تشکیل شدن با یک زنجیره پلی پپتیدی بسیار دراز موسوم به گلوبین که در ریبوزومها ساخته می‌شود، ترکیب شده و یکی از اجزا هموگلوبین موسوم به یک زنجیره هموگلوبین را تشکیل می‌دهد.
هر یک از این زنجیره‌ها دارای وزن مولکولی ۱۶۰۰۰ بوده و چهار عدد از آنها به نوبه خود بطور سست به یکدیگر متصل شده و مولکول کامل را می‌سازند. چون هر زنجیره یک گروه هم دارد، چهار اتم آهن در هر مولکول هموگلوبین وجود دارد که هر یک از آنها می‌تواند یک مولکول اکسیژن را حمل کند.

کلیاتی در مورد اهمیت بیولوزیک : تقریباً تمامی اکسیژنی که در خون انسان و حیوانات حمل می گردد،به هموگلوبین موجود در گلبول های قرمزخون متصل می باشد.هموگلوبین علاوه بر انتقال اکسیزن ، ناقل مقداری کربن دی اکسید و هیدروژن حاصل از اکسیداسیون مواد درچرخه کربس نیز می باشد .قسمت اعظم کربن دی اکسید حاصل ، از طریق پلاسما به شش ها انتقال می یابد و فقط 20% آن توسط هموگلوبین منتقل می شود . 

کلیاتی در مورد اهمیت بیوشیمیایی:  همو گلوبین با زیر واحد ها و جایگاه های متعدد اتصال به اکسیژن ، برای انتقال اکسیژن مناسب می باشد .

روش های طبقه بندی و نام گذاری : اساس نوع زنجیره‌های پلی پپتیدی سه نوع هموگلوبین (Hb) در انسان قابل تشخیص می‌باشد که شامل:

 ۱- HbA12  که ۲% هموگلوبین افراد بالغ را تشکیل می‌دهد و گلوبین آن مرکب از دو زنجیره آلفا و دو زنجیره دلتا می‌باشد.
۲- HbF   که حدود ۱% هموگلوبین بالغین را تشکیل می‌دهد و در ساختمان گلوبین آن دو زنجیره آلفا و دو زنجیره گاما شرکت دارند، است HbF. در دوره جنین ، هموگلوبین غالب می‌باشد و پس از تولد بوسیله HbA1 جایگزین می‌گردد.

ساختمان شیمیایی : شناخته ترین ساده ترین پروتیین الیگومریک هموگلوبین است ، این پروتئین با وزن مولکولی   64500 دالتون وبامخففHb . از دو زیرواحد آلفا و دو زیرواحد بتا تشکیل شده است . زیرواحد های  الفا هر کدام دارای 141 اسید امینه و زیرواحد های بنا هر یک واجد 146 اسید امینه اند . این چهار رشته ، هر کدام به یک گروه پروستاتیک آهن دار ، موسوم به هم از طریق پیوند غیر کووالانسی متصل می باشند . هسته اصلی گروه هم را مولکول پورفیرین تشکیل می دهد . پورفیرینی که در هموگلوبین و میوگلوبین انسان یافت می شود ،از نوع پروتوپورفیرین می باشد که از دو مولکول اسید پروپیونیک ،دو گروه وینیل و چهار گروه متیل جانبی متصل به چهار حلقه پیرول تشکیل شده اند . اتم آهن در فرم فرو ، در وسط این صفحه مسطح قرار دارد . هر اتم آهن با چهار ظرفیت به چهار نیتروژن موجود در حلقه پروتوپورفیرین پیوند یافته است . اتم آهن می تواند به صورت فریک نیز باشد . لیکن فقط در حالت فرو است که با اکسیزن ترکیب می شود . فرو هموگلوبین با آهن دو ظرفیتی و فری هموگلوبین که همان مت هموگلوبین است ، دارای آهن سه ظرفیتی است.

مشخصات فیزیکی :  یک مولکول تقریباً کروی باقطری حدودnm5/5 می باشد.در هموگلوبین پیوندها غیر قطبی اند .

نقش بیوشیمیایی : هموگلوبین به علت داشتن آهن که در حالت احیا شده می‌باشد، می‌تواند با اکسیژن و دی‌اکسید کربن ترکیب شده و به ترتیب اکسی هموگلوبین (oxyhemoglobin) و کربو آمینو هموگلوبین (carbaminohemoglobin) تشکیل دهد. با توجه به بالابودن فشار اکسیژن در ریه‌ها ، اکسی هموگلوبین در ریه‌ها تشکیل شده و پس از رسیدن به بافتها ، اکسیژن جدا شده و دی‌اکسید کربن  به  CO2 آن متصل می‌گردد. به این ترتیب امکان حمل اکسیژن از ریه‌ها به بافتها و دی‌اکسیدکربن از بافتها به ریه‌ها امکان‌پذیر می‌گردد. از طرف دیگر سطح بسیار زیاد گویچه‌های قرمز نسبت به حجم آنها (به علت داشتن شکل مقعرالطرفین) سبب تسریع و تسهیل اشباع هموگلوبین با اکسیژن در ریه‌ها می‌شود. علاوه بر انتقال اکسیژن توسط هموگلوبین ، این مولکول عمل دیگری نیز انجام می‌دهد و آن عبارت از تثبیت فشار اکسیژن در بافتها است.

 

نقش بیولوژیک : در هنگام عبور خون شریانی از ریه ها و سپس قلب وبافت های محیطی ،هموگلوبین حدود 96% از اکسیژن اشباع می باشد . در خون وریدی که به قلب بر می گردد ، میزان اشباع هموگلوبین از اکسیژن به 64% می رسد . بنابر این ، هر 100 میلی لیتر خونی که از میان یک بافت عبور می نماید ، حدود یک سوم اکسیژن حمل شده ، معادل 5/6 میلی لیتر از گاز اکسیژن در فشار اتمسفر و دمای بدن را آزاد می سازد .

قسمت اعظم دی اکسید کربن  حاصل از اکسیداسیون مواد در چرخه ی کربس ،از طریق پلاسما به شش ها انتقال می یابد .

علل کمبود و افزایش و عوارض حاصله :دلائل زیادی وجود دارد که هموگلوبین  بیشتراز ده گرم در دسی لیتر  ، ۱۰۰ گرم درلیتر مشکلی ایجاد نمی کند. ولی هموگلوبین پائین تر از ده گرم می تواند همراه با نارسائی خفیف قلبی ریوی ، کاهش قوه کار ، کاهش تحمل فعالیت وتمرینات ورزشی باشد . کمبود هموگلوبین موجب کاهش وزن نوزاد ، زایمان زودرس ومرگ ومیر قبل از تولد است . و همین طور کاهش هموگلوبین خون نشانه ی تالاسمی می باشد .

روش های اندازه گیری : هموگلوبین در آزمایشگاه به دو روش اندازه گیری می شود :
۱- اندازه گیری هموگلوبین به روش دستی
۲- اندازه گیری هموگلوبین به روش دستگاهی (با دستگاه تمام الکترونیکی)

 مقادیر طبیعی هموگلوبین خون در سنین مختلف در زیر مشخص شده است :زنان : 12 تا 16 گرم در صد/مردان : 14 تا 18 گرم در صد/نوجوانان : 12 تا 16 گرم در صد/بچه ها : 10 تا 14 گرم در صد/شیر خواران : 10 تا 15 گرم در صد /نوزادان : 16 تا 25 گرم در صد 

منابع غذایی : از آنجا که یکی از اجزای سازنده هموگلوبین گروه هم است ، میتوان گفت مواد غذایی ای که حاوی آهن هستند ، می توان به عنوان منابع غذایی هموگلوبین ذکر کرد . مواد  غذایی آهن دار  مثل گوشت قرمز- مرغ- ماهی – تخم مرغ- سبزیجات مثل جعفری و اسفناج و حبوبات مثل عدس و لوبیا استفاده کنند.لازم به تذکر است که  جذب آهن  با  مصرف  ویتامین C  در بدن افزایش پیدا می کند.

مراحل سنتز حلقه هم:

 

PCR:در بیولوژی مولکولی، واکنش زنجیره ای پلی مراز یا PCR، بمنظور تکثیر یک قطعه DNA مورد استفاده قرار میگیرد. تکنیک PCR در سال 1984 توسط کری مولیس (Kary Mullis) ارائه شده است. در این تکنیک، یک مولکول DNA میلیونها بار تکثیر میشود.

Real-Time PCR : این تکنیک کاربردهای وسیعی در تشخیص بالینی و تحقیقات دارد. در این روش میتوان یک سکانس خاص را در DNAی هدف، جستجو و شناسایی کرد و همچنین مقدار آن را در نمونهای مورد مطالعه اندازه گیری نمود. در این تکنیک نیز اصول کلی PCR حاکم است ولی نکته حائز اهمیت این است که پس از تکثیر DNA در هر سیکل، غلظت دقیق آن اندازه گیری میشود.

پایگاه های اطلاع رسانی در اینترنت: در سالهای اخیر پیشرفتهای وسیعی در روشهای اطلاع رسانی، حاصل شده است. مخصوصا در زمینه های نرم افزاری و اینترنت. وجود پایگاه های اطلاعاتی تخصصی، دسترسی به منابع علمی را تسهیل نموده است.

DNA microarray:در اين روش، يك زنجيره DNA با توالي دلخواه طراحي و رشته مكمل آن نيز ساخته و پس از فعال شدن بر روي نانوذرات طلا نشانده مي شود. همچنين رشته DNA ديگري كه مكمل بخشي از DNA هدف است پس از فعال شدن روي نانوذره طلا تثبيت مي شوند.ادامه مطلب مهندسی ژنتیک: مهندسی ژنتیک، به مجموعه روشهایی گفته می شود که به منظور جداسازی، خالص سازی، وارد کردن و بیان یک ژن خاص در یک میزبان بکار می‌رود و نهایتا منجر به بروز یک صفت خاص و یا تولید محصول مورد نظر در جاندار میزبان می‌شود. این علم کاربردهای زیادی در علوم پایه، تولیدات صنعتی، کشاورزی و علوم پزشکی دارد.ادامه مطلب بیوتکنولوژی: واژه بیوتکنولوژی نخستین بار در سال ۱۹۱۹ از سوی Karl Ereky به مفهوم کاربرد علوم زیستی در فناوری‌های ساخت بشر به کار برده شد. به طور کلی هر گونه کنش هوشمندانه بشر در آفرینش، بهبود و عرضه فرآورده‎های گوناگون با استفاده از جانداران، به ویژه از طریق دستکاری آن‌ها در سطح مولکولی در بیوتکنولوژی، قرار می‌‌گیرد.

Recombinant DNA: نوعی DNA است که بطور طبیعی وجود ندارد و با متصل کردن قطعات DNAی مختلف بدست می آید. بدین منظور توالی DNAی مورد نظر به یک حامل متصل میشود. این حامل ممکن است ژنوم باکتری، یک پلاسمید یا ژنوم یک ویروس باشد.ادامه مطلب RNAi: سیستمی در موجودات زنده است که میزان و نحوه فعالیت ژنها را کنترل میکند. دو نوع RNAی کوچک در این فرآیند نقش دارند: miRNA و siRNA. این بیومولکولها قادر به اتصال به RNA های خاص دیگری هستند و فعالیت آنها را افزایش یا کاهش میدهند.

Chemiluminescence: کمی لومینسانس عبارتست از تشعشع نور و مقدار مشخصی از حرارت، در طی یک فرآیند شیمیایی:[A] + [B] → [◊] → [Products] + lightبعنوان مثال واکنش لومینول با پراکسید هیدروژن در حضور کاتالیزور مناسب:luminol + H2O2 → 3-APA[◊] → 3-APA + lightدر طی این فرآیند، آمینوفتالات تولید میشود که یک مولکول فعال است.ادامه مطلب نانوتکنولوژی: فناوری نانو یا نانوتکنولوژی، شاخه ای از دانشهای کاربردی و فناوری است که موضوعات گسترده‌ای را پوشش می‌دهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاه‌ها در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولاً حدود ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است.

بلاتینگ: در بیولوژی مولکولی و ژنتیک، روش بلاتینگ عباتست از انتقال پروتئین، DNA یا RNA به یک پایه خاص نظیر نیتروسلولز، نایلون یا PVDF. در بسیاری از تحقیقات، این روش پس از الکتروفورز مورد استفاده قرار میگیرد. با تکنیک بلاتینگ، مولکولها از ژل به پایه مورد نظر منتقل میشوند.

فلوریمتری: فلورسانس اسپکتروسکوپی (اسپکتروفلوریمتری یا فلوریمتری) نوعی اسپکتروسکوپی الکترومغناطیسی است که خاصیت فلورسانس را در نمونه های مورد مطالعه، بررسی مینماید. در این تکنیک از یک اشعه نورانی با شدت مشخص، برای تحریک الکترونها استفاده میشود. در نتیجه الکترونها به سطوح بالاتر انرژی منتقل میشوند.

 اسپکتروفتومتری: در روشهاي اسپکتروفتومتری (طيف سنجي)، تاثیر محلولها بر امواج الكترومغناطيسي مورد مطالعه قرار میگیرد. محدوده طيف الكترومغناطيس میتواند از اشعه ماوراء بنفش تا امواج راديويي باشد.مقدار نور جذب شده توسط محلول، تابع قوانين Beer وLambert است و از رابطه A=e lc محاسبه مي شود.

فلیم فتومتری: فلیم به معنی شعله می باشد. اتمهای هر عنصر در اثر تحریک با انرژی حرارتی رنگ خاصي را در شعله ايجاد مي کنند. يعني طول موج خاصي ايجاد مي کنند که رنگ حاصل شده نيز ناشي از آن است. دستگاه فيلم فوتومتر نيز که يکي از ابزارهاي مهم آزمايشگاه هاي پزشکي است، بر همين اساس ايجاد شده است.

کروماتوگرافی: کروماتوگرافی (chromatoghraphy) ، در زبان یونانی متشکل از کلمات chroma یعنی رنگ و grophein یعنی نوشتن است. اولین روش‌ کروماتوگرافی در سال 1903 بوسیله میخائیل سوئت ابداع و نامگذاری شد. او از این روش برای جداسازی مواد رنگی استفاده کرد. مارتین و سینج در سال 1952 به پاس اکتشافاتشان در زمینه کروماتوگرافی جایزه نوبل دریافت کردند.ادام

الکتروفورز: به سبب اینکه بسیاری از ماکرومولکول های زیستی باردار هستند، می‌توان با استفاده از یک میدان الکتریکی، آنها را بر اساس خواص فیزیکی مانند شکل فضایی، وزن مولکولی و بار الکتریکی، تفکیک کرد. روش های الکتروفورز مختلفی، برای تفکیک و مطالعه بیومولکول ها اعم از اسید های نوکلئیک یا پروتئین ها ابداع شده است.ادامه مطلب سانتریفیوژ: روش سانتریفیوژ بر اساس نيروي گريز از مركز است. هر گاه جسمي با سرعت معيني حول يك محور دوران كند نيروئي در جسم متحرك و در جهت مماس بر مسير دوران و به سمت خارج از مركز ايجاد مي گردد كه به نيروي فراگريز يا گريز از مركز موسوم است و مقدار آن از رابطه F=MRW2 بدست می آید.

 ELISA: روش الایزا (Enzyme Linked Immunosorbent Assay) یا ایمونوآسی، یک تکنیک بیوشیمیایی است که در تحقیقات ایمونولوژی به منظور بررسی وجود یک آنتی بادی یا آنتی ژن در نمونه های بیولوژیک مورد استفاده قرار میگیرد. الایزا یک روش تشخیصی مهم در پزشکی و پاتولوژی گیاهی محسوب میشود. همچنین از روش الایزا در بخش کنترل کیفیت در بسیاری از صنایع استفاده میشود.ادامه مطلب استخراج و تخلیص پروتئین: خالص سازی پروتئین شامل یک سری مراحل میباشد که برای مجزا کردن یک نوع پروتئین از پروتئین‌های مختلط استفاده میشود. خالص سازی امری حیاتی برای توصیف وظیفه، ساختار و فعل و انفعالات پروتئین مورد نظر میباشد. این کار معمولا با یک نمونه بافت و یا کشت میکروبی آغاز میشود.ادامه مطلب کنترل کیفیت: در مهندسی و تولید صنعتی، بخش کنترل کیفیت و مهندسی کیفیت به بخشی گفته می‌شود که به اصلاح روشهای تولید میپردازد، بگونه ای که کالاها از نظر مرغوبیت و رفع نیازهای مشتری ارتقاء یابند. روش‌های کنترل کیفی معمولاً با همکاری رشته‌های مهندسی و بازرگانی اجراء می‌شوند.

زمان ثبت نام آزمون كارشناسي ارشد رشته هاي گروه پزشكي سال 1389 (سال تحصيلي 90-89)

 به اطلاع كليه متقاضيان شركت در آزمون كارشناسي ارشد رشته هاي گروه پزشكي سال 89 وابسته به وزارت بهداشت ، در مان و آموزش پزشكي مي رساند :

1- زمان ثبت نام آزمون از تاريخ 5/12/88 لغايت 25/12/88 ، ‌فقط بصورت اينترنتي و از طريق پايگاه اطلاع رساني  http://sanjeshp.ir   خواهد بود  .

2- زمان ارسال مدارك از تاريخ 7/1/89 لغايت 19/1/89 فقط بصورت اينترنتي و از طريق پايگاه اطلاع رساني  http://sanjeshp.ir  خواهد بود.

مركز سنجش آموزش پزشكي

دیدکلی

چربیها یا لیپیدها ترکیبات آلی غیر محلول در آب هستند که می‌توان آنها را بوسیله حلالهای غیر قطبی نظیر کلروفرم ، اتر و بنزن از سلولها استخراج کرد. لیپیدها استرهای یک یا چند اسید با الکلها می‌باشند. بعضی از لیپیدها در ساختمان دیواره و غشای سلولی شرکت داشته و برخی دیگر ماده ذخیره‌ای انرژی‌زا را در داخل سلول تشکیل می‌دهند. اسیدهای چرب به صورت آزاد به مقدار ناچیزی در بافتها دیده می‌شوند.

ساختمان اسیدهای چرب

تاکنون بیش از هفتاد اسید چرب از نسوج گوناگون جدا کرده‌اند که همگی دارای زنجیره هیدروکربنی طولانی با یک عامل کربوکسیل انتهایی هستند. بعضی از آنها اشباع شده و برخی دارای یک ، دو یا سه پیوند دوگانه هستند و گروهی در زنجیر خود دارای شاخه‌های جانبی نیز می‌باشند. تعداد کربنها در اسیدهای چرب به استثنای چند مورد ، همیشه زوج است و احتمالا علت زوج بودن آسان تر بودن سنتز آنها در نزد جانداران است. فرمول کلی اسیدهای چرب CH₃-(CH₂)_n-COOH است که n از صفر تا 30 الی 40 تغییر می‌کند.

خواص اسیدهای چرب

اسیدهای چرب غیر اشباع دارای نقطه ذوب پایین‌تری نسبت به اسیدهای چرب اشباع هستند و هر چه تعداد کربن اسید چرب بیشتر شود، نقطه ذوب بالاتر می‌رود. پیوند دوگانه در اسیدهای غیر اشباع بیشتر بین کربن 9 و 10 بوده و این پیوند دوگانه تقریبا در تمامی اسیدهای چرب غیر اشباع طبیعی در وضعیت ایزومر هندسی سیس (Cis) است. اسیدهای چرب با زنجیر طویل در آب غیر محلول هستند. ولی در قلیایی محلول‌اند و تشکیل صابون سدیم یا صابون پتاسیم می‌دهند. اسیدهای چرب غیر اشباع به سهولت اکسید می‌شوند. تند شدن چربیها بر اثر اکسید شدن و ایجاد عوامل اسیدی و آلدئیدی در چربیها است.

ساختمان و خواص انواع چربیها

چربیهای خنثی (آسیل گلیسرولها)

ترکیب اسید چرب و گلیسرول را آسیل گلیسرول یا گلیسرید می‌نامند. گلیسرول الکلی است که بیش از سایر الکلها در ساختمان لیپیدها دیده می‌شود و دارای 2 عامل الکلی نوع اول و یک عامل الکلی نوع دوم است. برحسب آن که یک ، دو یا سه اسید چرب با عوامل الکلی گلیسرول ترکیب شده باشد، به ترتیب مونو ، دی و تری آسیل گلیسرول بدست می‌آید. نقطه ذوب چربیها خنثی بستگی به نقطه ذوب اسید چرب ترکیبی آنها دارد. تری آسیلها در آب نسبتا نامحلول بوده و تشکیل میسلهای کامل نمی‌دهند. در حالی که دی آسیل گلیسرولها که تا حدودی قابل یونیزه شدن هستند، به سهولت تشکیل میسل می‌دهند.

فسفو گلیسریدها

این لیپیدها که به نام گلیسرول فسفاتید نیز موسومند، بیشتر در غشاهای سلولی وجود دارند و فقط به مقدار خیلی جزئی در چربیهای ذخیره‌ای یافت می‌شوند. الکل این لیپیدها گلیسرول است که یکی از عوامل الکلی نوع اول آن توسط اسید فسفریک استریفیه شده است. تمام فسفر گلیسریدها دارای یک انتهای قطبی و دو انتهای طویل غیر قطبی می‌باشند و به این جهت آنها را لیپیدهای قطبی یا آمفی پاتیک گویند.

پلاسمالوژنها

یک گروه فرعی از فسفر گلیسریدها هستند که در آنها به جای یک مولکول اسید چرب یک آلدئید چرب قرار گرفته است. این ترکیبات در غشای سلولهای عضلانی و عصبی فراوانند.

اسفنگو لیپیدها

اینها در غشای سلولهای گیاهی و سلولهای حیوانی و در بافتهای عصبی و مغز به مقدار فراوان وجود دارند. این ترکیبات در اثر هیدرولیز ایجاد یک مولکول اسید چرب و یک مولکول الکل آمینه غیر اشباع به نام اسفنگوزین می‌کنند. در اسفنگو لیپیدها گلیسرول وجود ندارد. ترکیب اسفنگوزین و اسید چرب را سرامید گویند. اسفنگو میلین ترکیب سرامید با فسفو کلین می‌باشد که فراوان‌ترین اسفنگو لیپیدها است.

گلیکو لیپیدها

این ترکیبات دارای یک انتهای قطبی هیدروفیل (آبدوست) قندی می‌باشند. برخی شامل اسفنگوزین و برخی دیگر شامل گلیسرول هستند. قندهای آن شامل D- گلوکز و D- گالاکتوز است. گانگلیوزیدها ترکیبات دیگری از دسته گلیکو لیپیدها هستند. این ترکیبات عبارتند از گلیکو اسفنگو لیپیدهایی که دارای انتهای قطبی متشکل از قندهای مرکب نظیر اوزامین و اسید سیالیک می‌باشند. این ترکیبات در غشای سلولی بویژه در سلولهای عصبی زیاد دیده می‌شوند.

سربروزیدها

این ترکیبات را می‌توان در گروه گلیکو لیپیدها و یا اسفنگو لیپیدها طبقه بندی کرد. زیرا دارای قند و اسفنگوزین هستند. این دسته از لیپید بیشتر در غشای سلولهای عصبی بویژه در غلاف میلین و همچنین در گویچه‌های قرمز خون ، گویچه‌های سفید خون و اسپرم دیده می‌شوند.

مومها

مومها از نظر ساختمانی و خواص ، شبیه آسیل گلیسرولها هستند. ولی الکلهای آنها دارای زنجیره کربنی طویل هستند که تنها شامل یک عامل الکل می‌باشند. این ترکیبات در غشای محافظ پوست ، پر و جدار برگها و بعضی میوه‌ها و پوسته خارجی بیشتر حشرات دیده می‌شوند.

لیپیدهایی که صابونی نمی‌شوند

لیپیدهایی که تاکنون مورد بحث قرار گرفتند قابل صابونی شدن بوده یعنی با قلیاییها و در اثر حرارت ایجاد صابون می‌کنند. در سلولها مقدار کمتری از نوع دیگر چربیها موجودند که غیر قابل صابون شدن هستند. دو گروه اصلی از این لیپیدها یکی استروئیدها و دیگری ترپنها هستند.

• استروئیدها: ساختار استروئیدها از سه حلقه شش ضلعی فنانترن و یک حلقه پنج ضلعی هستند. از میان مهم‌ترین استروئیدهایی که در طبیعت دیده می‌شوند، اسیدهای صفراوی ، هورمونهای جنسی ، هورومونهای قسمت قشری غدد فوق کلیوی و ویتامین D و کلسترول را می‌توان نام برد. استروئیدها به مقدار بسیار کم در سلولها موجودند و فقط یک نوع آنها که بطور کلی استرول نامیده می‌شود، بسیار فراوان است. کلسترول فراوان‌ترین نوع استرولها در بافتهای حیوانی است. کلسترول در گیاهان دیده نمی‌شود. استرول موجود در گیاهان به نام فیتوسترولها مشهورند. قارچها و مخمرها حاوی استرولهایی به نام میکو استرول هستند. در این دسته ارگوسترول را می‌توان نام برد که به ویتامین D تبدیل می‌شود.
  
  
• ترپنها: به مقدار جزیی در سلولها وجود دارند. ترپن ممکن است دارای ساختمان خطی یا حلقوی باشد. ویتامین A ، کاروتنها ، بیشتر اسانسها و ویتامین E و ویتامین K از ترپنها مشتق می‌شوند.

لیپو پروتئینها

لیپیدهای قطبی با پروتئینهای خاصی ترکیب شده و لیپید پروتئینها را می‌سازند. مانند لیپو پروتئینهای پلاسمای خون که نقش حامل مواد مختلف را دارا می‌باشند. برخی لیپیو پروتئینها دارای لیپیدهای خنثی مانند گلیسرول و آسترهای آن هستند. این ترکیبات وسیله انتقال چربیها از روده کوچک به کبد به بافت چربی و دیگر بافتها هستند. طبقه بندی لیپو پروتئینها بر مبنای وزن مخصوص آنها انجام می‌گیرد.

پروستا گلاندینها

این ترکیبات که برای نخستین بار در مایع منی و غده پروستات یافت شدند، از یک اسید چرب غیر اشباعی 20 کربنه به نام اسید آراشیدونیک مشتق شده‌اند. این ترکیبات انواع مختلفی دارند که تاکنون متجاوز از 14 نوع پروستاگلاندین در مایع منی انسان و تعداد دیگری در سایر بافتها یافت شده است. پروستاگلاندینهای گروه E ، گروه F و گروه A و B نمونه این ترکیبات هستند. پروستاگلاندینها دارای اثرات فیزیولوژیک مختلفی مانند کاهش فشار خون ، تنظیم عبور یونهای مختلف از غشای سیناپسهای عصبی و خنثی سازی اثر برخی هورمونها می‌باشند.

میسلها

لیپیدهای قطبی مانند اسیدهای چرب ساده و صابونها در محلولهای آبگون پخش شده و میسلها را بوجود می‌آورند که در آنها انتهای هیدروکربنی چون آبگریزند (هیدروفوب) از محلول آبگون رانده شده و ایجاد یک فاز آبگریز داخلی می‌کند و در نتیجه انتهای آب دوست (هیدروفیل) آنها به طرف خارج گرایش می‌یابد. تری آسیل گلیسرولها و کلسترول خود به خود تشکیل میسل نداده ولی در ساختمان مسیلی وارد شده و میسلهای مخلوط را می‌سازند. میسلها ممکن است تک لایه یا دو لایه باشند.

دید کلی

متابولیزم کربوهیدراتها ، لیپیدها و پروتئینها تحت کنترل و تنظیم خیلی دقیق بوده که این اعمال بوسیله هورمونهای مترشحه از لوزوالمعده صورت می‌گیرند. لوزوالمعده از دو نوع غده مترشحه کاملا متمایز تشکیل یافته است. یکی غده‌ای برون‌ ریز با ساختمان خوشه‌ای که ترشحات خود را برای کمک به هضم مواد غذایی در دوازدهه می‌ریزد و دیگری غده‌ای درون ریز که از جزایر موسوم به جزایر لانگرهانس تشکیل یافته است. جزایر لانگرهانس که در تمام بافت لوزوالمعده پراکنده هستند، مجموعه‌هایی تخم مرغی شکل متشکل از چهار نوع سلول مترشحه (A ، B ، D و F) با وظایف متفاوت هستند.

ساخت انسولین در سلولهای B جزایر لانگرهانس صورت می‌گیرد. در این حالت انسولین به صورت پیش هورمون است و پس از تغییر و تحولاتی که در ساختار آن ایجاد می‌شود به انسولین تبدیل می‌شود. ترشح انسولین به جریان خون پیچیده بوده، بطوری که یون کلسیم در آن نقش داشته و در نتیجه بوسیله عمل اگزوسیتوز محتویات دانه‌های ترشحی به محیط خارج سلولی ترشح می‌شود. گلوکز محرک ترشح انسولین است. به این صورت که گیرنده‌های اختصاصی گلوکز بر روی سلولهای بتا ، تحریک ترشح انسولین را در زمانی که گلوکز خون زیاد می‌شود، انجام می‌دهند.

تاریخچه

برای اولین بار در سال 1921 بوجود انسولین در عصاره جدا شده از جزایر لانگرهانس پی برده شد و به سرعت اثرات آن در کاهش قند خون شناخته شد و پس از مدت کوتاهی انسولین گاو و خوک در درمان بیماری قند در انسان مورد استفاده قرار گرفت. انسولین نخستین پروتئینی بود که: خواص هورمونی آن شناخته شد، به صورت کاملا خالص و متبلور تهیه شد، نوع و ردیف اسیدهای آمینه آن تعیین گردید و از راه مصنوعی تهیه شد. پروتئین پیش ساز آن شناخته شد و بالاخره اولین پروتئینی بود که به کمک روشهای تولید DNA نوترکیب (Recombinant DNA) برای مصارف تجاری تهیه شد.

ساختمان شیمیایی انسولین

انسولین پلی‌پپتیدی است که از دو زنجیره پپتیدی A و B تشکیل یافته است. تعداد اسیدهای آمینه در زنجیره‌ها که در زنجیره A برابر 21 و در زنجیره B برابر 30 می‌باشد، در انسولینهای جدا شده از اغلب گونه‌های حیوانی ثابت است. این دو زنجیره به کمک دو پل دی‌سولفور ، یکی بین اسیدهای آمینه شماره 7 از دو زنجیره و دیگری میان اسیدهای آمینه شماره 20 از زنجیره A و شماره 19 از زنجیره B با یکدیگر اتصال دارند. علاوه بر این ، ریشه‌های اسید آمینه ردیف 6 و 11 در داخل زنجیره A بوسیله پیوند دی‌سولفور به یکدیگر متصل هستند. مکان این پیوندها در گونه‌های مختلف ، ثابت است.

پژوهشگران با بررسی اثرات تغییرات شیمیایی هر یک از اسیدهای آمینه در ردیفهای مختلف ساختمان انسولین موفق شده‌اند، قسمتهایی از ساختمان انسولین را که برای بروز اثرات زیست شناختی آن ضروری هستند را تعیین کنند. انسولین در غلظتهای فیزیولوژیک به صورت یک مونومر ساده می‌باشد و در غلظتهای بالاتر ، انسولین پلیمریزه شده و ساختمان کمپلکس را به خود می‌گیرد و یونهای روی (Zn ) نقش بسیار مهمی را در ایجاد این کمپلکس بر عهده دارند.

بیوسنتز انسولین

بیوسنتز انسولین و بسته بندی هورمون به صورت دانه‌های ترشح کننده با نظم معین در درون سلولهای بتا جزایر لانگرهانس غده لوزوالمعده صورت می‌گیرد. ابتدا هورمون به صورت پری پرو انسولین توسط ریبوزومهایی که بر روی شبکه آندوپلاسمی خشن سلولها قرار گرفته‌اند ساخته می‌شود. این پیش ساز که دارای 23 اسیدآمینه آب گریز بنام قطعه رهبر است به داخل شبکه آندوپلاسمی هدایت می‌شود. در داخل شبکه این قطعه جدا شده و پیش ساز به "پرو انسولین" تبدیل می‌شود. آرایش فضایی این مولکول به صورتی است که شرایط ایجاد پلهای دی‌سولفور را فراهم می‌سازد.

در ساختمان پروانسولین ، از جهت ریشه آمین اتنهایی ، ابتدا زنجیره B قرار گرفته که با یک رشته اسید آمینه به نام "پپتید C" متصل شده و انتهای دیگر پپتید C با زنجیره A پیوند یافته است. پروانسولین به داخل دستگاه گلژی منتقل شده تا تحت تاثیر آنزیمهای پروتئولیز کننده، مولکولهای انسولین آزاد می‌شوند که پس از تجزیه دو زنجیره A و B پپتید C آزاد می‌شود. دو زنجیره A و B بوسیله پیوندهای دی‌سولفور به هم متصل می‌شوند و انسولین کامل را بهجود می‌آورند. ساختمان و شکل دانه‌های ترشح کننده انسولین در حین عبور از داخل غشای پلاسمایی تکمیل می‌شود. این هورمون با یون روی ترکیب شده و هگزامرهایی را تشکیل می‌دهند. این دانه‌ها تحت تاثیر تحریکات خاصی با غشای سلول درآمیخته و محتوای خود را به روش اگزوسیتوز به خارج می‌ریزند.

سیستم تنظیم ترشح انسولین

اثر گلوکز

افزایش گلوکز خون ، مهمترین عامل فیزیولوژیک تنظیم کننده ترشح انسولین است. غلظت گلوکز خون در حالت ناشتا (80 - 100 میلی گرم درصد) آستانه غلظتی است که تجاوز از آن با تحریک ترشح انسولین همراه است. و بیشترین اثر محرک گلوکز زمانی حاصل می‌شود که غلظت آن در خون به حدود 500 - 300 میلیگرم درصد برسد.

اثر اسیدهای آمینه ، اسیدهای چرب و ترکیبات کتونی

غذاهای غنی از پروتئین ، ترشح انسولین را تحریک می‌نمایند و اسیدهای آمینه آرژینین ، لیزین و لوسین از محرکهای قوی ترشح انسولین هستند. اثر غلظتهای فیزیولوژیک اسیدهای چرب و ترکیبات کتونی در تحریک ترشح انسولین بسیار ضعیف است.

اثر سایر هورمونها

تعداد زیادی از هورمونها در ترشح انسولین موثر هستند. پلی‌پپتید مهار کننده معده‌ای (GIP) ، غلظتهای زیاد گاسترین ، سکرتین و گلوکاگن روده‌ایاز طریق افزایش غلظت AMP حلقوی داخل سلولی ، در تحریک ترشح انسولین شرکت دارند. اثر غلظتهای زیاد و طولانی هورمون رشد ، کورتیزول ، لاکتوژن جفتی ، استروژن و پروستروژن نیز منجر به افزایش ترشح انسولین می‌گردد.

اثر انسولین در تبادلات غشاهای سلولی

سرعت واکنشهای فسفوریلاسیون گلوکز و متابولیسم گلوکز در سلولهای عضلانی و بافت چربی با سرعت انتقال گلوکز به داخل سلول متناسب است. D - گلوکز و قندهای شبیه به آن برای عبور از غشا سلول نیاز به حامل دارند و در اغلب بافتها انسولین نقش تقویت کننده این سیستم حامل را بر عهده دارد. تحت تاثیر انسولین تعداد حاملها افزایش می‌یابد. علاوه بر گلوکز ، انسولین عمل انتقال اسیدهای آمینه ، یونهای پتاسیم و کلسیم ، نوکلئوتیدها و فسفات معدنی را از غشاهای سلولی تقویت می‌کند.

اثرات انسولین در متابولیسم گلوکز

انسولین با افزایش کمی و همچنین افزایش فعالیت تعدادی از آنزیمهای کلیدی در واکنشهای گلیکولیز کبدی مانند آنزیمهای گلوکوکیناز و پیروات کیناز ، مصرف گلوکز در مسیر گلیکولیز را افزایش داده و بطور غیرمستقیم از رها شدن گلوکز در پلاسمای خون جلوگیری می‌کند. از سوی دیگر ، انسولین با کاهش فعالیت آنزیم گلوکز 6- فسفاتاز موجود در کبد از آزاد شدن گلوکز جلوگیری می‌کند. چون گلوکز 6- فسفات قادر به عبور از غشا سلول کبدی نیست، عمل انسولین منجر به نگهداری گلوکز در داخل سلولهای کبدی می‌شود.

یکی دیگر از اثرات انسولین که منجر به کاهش غلظت گلوکز در پلاسما می‌گردد، اثراتی است دیررس که در نتیجه مهار کردن واکنشهای نوسازی گلوکز حاصل می‌گردد. مهمترین آنزیم کلیدی در واکنشهای نوسازی گلوکز از مواد غیر قندی در کبد آنزیم فسفوانول پیروات کربوکسی کیناز می‌باشد که واکنش تبدیل شدن اگزالواستات به فسفوانول پیروات را کاتالیز می‌کند. انسولین با ویژگی خاص ، اثر بازدارنده در رونویسی ژن این آنزیم داشته و از سنتز RNA پیامبر مربوط به آن ، جلوگیری می‌کند.

اثر انسولین در متابولیزم چربیها

در بافتهای کبدی و چربی ، انسولین دارای اثر بازدارنده قوی در واکنشهای لیپولیز (تجزیه چربیها) است که این اثر نیز خود بطور غیر مستقیم به اثرات آنابولیسمی می‌انجامد. اثر بازدارنده انسولین در واکنشهای لیپولیز از دو راه صورت می‌گیرد. در حالیکه هورمونهای محرک واکنشهای لیپولیز یعنی گلوکاگن و اپی نفرین عمل خود را از طریق افزایش غلظت AMP حلقوی به انجام می‌رسانند، انسولین با اثری مخالف موجب کاهش غلظت AMP حلقوی می‌گردد. انسولین با فعال ساختن یک آنزیم فسفاتاز ویژه ، از فعالیت آنزیم لیپاز ، که در تجزیه چربیها نقش دارد جلوگیری می‌نماید. اثر بازدارنده انسولین در واکنشهای لیپولیز به کاهش غلظت اسیدهای چرب آزاد در جریان خون و نهایتا به افزایش اثرات انسولین در متابولیسم گلوکز می‌انجامد.

اثر انسولین در متابولیسم پروتئینها

انسولین اصولا دارای اثر آنابولیسمی در متابولیسم پروتئینها است به این معنی که واکنشهای سنتز پروتئینها را فعال ساخته و از تجزیه آنها جلوگیری می‌کند. انسولین جذب اسیدهای آمینه خنثی را توسط سلولهای عضلانی افزایش می‌دهد. اثر اصلی انسولین در افزایش سنتز پروتئینهای بدن (اسکلت ، عضله ، قلب و کبد) در طی مراحل واکنشهای بیوسنتز پروتئینها به ویژه در مرحله ترجمه RNA پیامبر به پروتئین ، بروز می‌نماید. انسولین قادر است با تغییراتی که در بعضی RNA های پیامبر (mRNA) ایجاد می‌نماید، در سنتز پروتئینهای خاص تاثیر بگذارد.

بیماریهای ناشی از بروز اختلال در ترشح انسولین

کمبود ترشح انسولین و همچنین پیدایش مقاومت در برابر عمل انسولین منجر به بیماری دیابت قندی می‌گردد. تقریبا 90درصد افراد بیمار ، مبتلا به دیابت قندی نوع II یعنی دیابت قندی غیر وابسته به انسولین هستند. این بیماران معمولا افراد چاقی بوده و غلظت انسولین در پلاسمای خون آنها زیاد است. که این افراد در پروتئینهای پذیرنده انسولین موجود در غشا ، دچار اشکال هستند.

نقش مهم انسولین در رشد و نمو اندامها در دوران جنینی را می‌توان با بررسی نوزادان غیر طبیعی مبتلا به سندرم لپرشونیسم ارزیابی کرد. در این نوزادان ، وزن بدن کمتر از حد طبیعی ، رشد عضلات ناقص ، مقدار چربی زیر پوست کم و عمر نوزاد کوتاه است. این نوزادان در برابر انسولین مقاوم هستند با اینکه مقدار هورمون در خون زیاد است ولی به دلیل نداشتن پروتئین پذیرنده انسولین ، قادر به استفاده از آن نیستند.

مقدمه

ماکرومولکولها از پلیمریزاسیون مونومرها ساخته شده‌اند. تعداد کل واحدهای پلیمریزه شده می‌تواند از دهها تا میلیونها واحد متفاوت باشد. سنتز ماکرومولکولها یکی از فعالیتهای اصلی مصرف کننده انرژی در سلول است.ماکرومولکولها ممکن است در کمپلکسهای سوپرامولکولی همایش بیشتری یافته و واحدهای وظیفه‌داری را تشکیل دهند. تقریبا تمامی مواد جامد موجود در سلولها آلی هستند. املاح غیر آلی و عناصر معدنی کسر بسیار کوچکی از کل وزن خشک را تشکیل می‌دهند. پلیمرها همچنین در صنعت به صورت مصنوعی ساخته می‌شوند که کاربردهای فراوانی دارند.

ماکرومولکولها از واحدهای منومری تشکیل شده‌اند

با وجود اینکه موجودات حاوی تعداد بسیار زیادی پروتئینهای مختلف و اسیدهای نوکلئیک هستند اساس ساختمانی آنها ساده می‌باشد. تعداد زیرواحدهای منومری ساده که از آنها این ماکرومولکولها ساخته می‌شوند کم بوده و در تمامی گونه‌های زنده یکسان می‌باشد.پروتئینها و اسیدهای نوکلئیک ماکرومولکولهای اطلاعاتی هستند. پلی ساکاریدهای متشکل از تنها یک نوع زیرواحد یا دو واحد تکراری مختلف نمی‌تواند همانند پروتئینها و اسیدهای نوکلئیک مولکولهای حاوی اطلاعات باشند. هر چند پلیمرهای قندی کوتاه متشکل از 6 نوع یا انواع بیشتری از واحدهای قندی که به شکل زنجیرهای شاخه‌دار می‌باشند دارای انواع ساختمانی و شیمی فضایی متفاوت بوده و اطلاعاتی در خود دارند که توسط سایر ماکرومولکولها شناسایی می‌گردند.

بهم پیوستن زیرواحدها نیاز به انرژی دارد

بسیار بعید به نظر می‌رسد که اسیدهای آمینه موجود در مخلوط بتوانند بطور خودبخودی با یکدیگر ترکیب شده و ایجاد یک مولکول پروتئینی با یک توالی بی‌همتا نمایند. بر حسب قانون دوم ترمودینامیک تمایل طبیعی به سمت افزایش بی‌نظمی در جهان است. برای سنتز ماکرومولکولها از واحدهای منومری آنها ، لازم است به سیستم در این حالت انرژی داده شود. بی‌نظمی اجزای یک سیستم شیمیایی را به صورت آنتروپی بیان می‌نمایند. ماکرومولکولها نسبت به اجزای تشکیل دهنده خود دارای پایداری کمتر و نظم بیشتری هستند.

پروتئینها

پروتئینها ، ماکرومولکولهایی با وزن مولکولی حدود 6000 تا 1000000 هستند و از ترکیبات ساده‌تری به نام - آمینو اسیدها تشکیل شده‌اند. - آمینو اسیدها ، اسید کربوکسلیکی است که یک گروه آمینو ،  ، به اتم کربن مجاور گروه کربوکسیل ، COOH- ، آن متصل شده است. نشانه  (آلفا) موقعیت گروه آمینو را مشخص می‌کند. اتم کربن مجاور گروه کربوکسیل ، اتم  نامیده می‌شود. فرمول عمومی این ترکیبات به صورت زیر است:

گروه  بازی است و با اسیدها ترکیب می‌شود و  تولید می‌کند. بنابراین در PH کم ، آمینو اسید به عنوان کاتیون عمل می‌کند و به سوی قطب منفی میدان الکتریکی کشیده می‌شود. گروه COOH- اسیدی است و با بازها ،  تولید می‌کند. بنابراین در PH زیاد ، آمینو اسید به عنوان آنیون عمل می‌کند و به سوی قطب مثبت میدان الکتریکی کشیده می‌شود.

انسولین

انسولین نمایش خوبی از ساختمان سه بعدی حاصل از ترتیب پیچیده‌ای از آمینو اسیدهاست. این هورمون پروتئینی داروی مهمی در درمان دیابت است، زیرا قادر است متابولیسم گلوکز را تنظیم کند (بیوشیمی). انسولین حاوی 51 باقیمانده آمینو اسیدی در دو زنجیر A و B است. زنجیرها توسط دو پل دی‌سولفیدی با هم در ارتباط می‌باشند. همچنین چنین اتصالی باقیمانده سیستئین را به مواضع 6 و 11 زنجیر A متصل کرده، یک حلقه ایجاد می‌کند.

هر دو زنجیر به طریقی تا می‌خورند که برهمکنشهای فضایی حداقل و برهمکنشهای الکتروستاتیکی لندن و جاذبه‌های پیوند هیدروژنی حداکثر شود. این نیروها انسجام خوبی به ساختمان سه بعدی می‌بخشند. از آنجا که بیشتر روشهای سنتزی فقط بهره کمی از این ماده بدست می‌دهند، منبع اصلی انسولین هنوز پانکراس حیوانات ذبح شده است. پیشرفت در تهیه این ماکرومولکول از طریق روشهای مهندسی ژنتیکی ادامه دارد.

کربوهیدراتهای پلی ساکارید

پلی ساکاریدها ، پلیمر مونوساکاریدها هستند. از نظر تنوع در ساختمان ممکن آنها ، به خصوص در اندازه زنجیر و انشعاب قابل مقایسه با پلیمرهای آلکنی هستند، ولی در طبیعت در ساختن چنین پلیمرهایی بسیار محافظه‌کار است. سه تا از فراوانترین پلی ساکاریدها سلولز ، نشاسته و گلیکوژن می‌باشند که از مونومر گلوکز مشتق شده‌اند.

سلولز

سلولز پلیمر بی‌شاخه است. سلولز ، پلی- - گلوکوپیرانوزید است که از طریق C-4 پیوند دارد و از حدود 3000 واحد مونومر تشکیل شده و دارای وزن مولکولی در حدود 500000 بوده و بیشتر به صورت خطی است. رشته‌های سلولزی تمایل دارند که با پیوندهای هیدروژنی چندگانه به هم متصل شوند. تشکیل تعداد بسیار زیاد پیوند هیدروژنی باعث ساختمان کاملا سخت سلولز می‌شود و به عنوان دیواره سلولی مواد زنده کاربرد موثر دارد.

نشاسته

نشاسته پلی گلوکزی با پیوند استالی  است و ساختمانهای متفاوتی است. به عنوان ماده غذایی در گیاهان ذخیره می‌شود و مانند سلولز به سادگی توسط محلول اسیدی به گلوکز تفکیک می‌شود. جرم مولکولی آن از 150000 تا 600000 است.

گلیکوژن

گلیکوژن پلی ساکاریدی است با جرم مولکولی نزدیک یک صد میلیون و با شاخه‌های فرعی زیاد. این ترکیب به عنوان منبع انرژی است و از نظر بیولوژیکی بسیار مهم می‌باشد، زیرا یکی از پلی ساکاریدهای اصلی برای ذخیره انرژی در انسان و حیوانات است. این ماده در مقادیر نسبتا بالا ، بخصوص در جگر و در محلهای غیر فعال ماهیچه‌ها ذخیره می‌شود.

اسیدهای نوکلئیک

اسیدهای نوکلئیک DNA و RNA پلیمرهای نوکلئوتیدها هستند. این پلیمرها اطلاعات ژنتیکی را ذخیره و انتقال داده و تعدادی از مولکولهای RNA در کمپلسکهای ماکرومولکولی دارای نقش ساختمانی هستند.

پلیمرهای سنتزی

پلیمرهای سنتزی امروزه جزو لاینفک زندگی ما می‌باشند. به هر جا که بنگریم، از رومیزیها تا ظرفهای پلاستیکی ، کیف و کفش و لباس ، اتومبیلها ، هواپیماها و ... همه از پلیمرها ساخته شده‌اند. مونومرهای پلیمرهای سنتزی اغلب از هیدروکربنهای گرفته شده از نفت خام می‌باشند. پلیمرهای سنتزی جرم مولکولی 10000 تا 44000000 دارند.

در زیرمجموعه پلیمرهای سنتزی ، پلیمرهایی با عنوان پلیمر مصنوعی داریم. این پلیمرها در اثر انجام یک سری واکنشها بر روی پلیمرهای طبیعی بوجود می‌آیند (فرایند پلیمریزاسیون). به عنوان مثال ، سلولز که یک یک پلیمر طبیعی است، در صنعت ، چندان کاربرد دارند، اما در اثر واکنش نیتراسیون یا متیلاسیون یا استیلاسیون به موادی تبدیل می‌شود که کاربرد بسیار ارزنده‌ای دارد. به عنوان مثال ، نیتروسلولز به صورت الیاف و یا در صنایع ورنی سازی کاربرد دارد.

مقدمه

بیماریهای ژنتیکی را می‌توان در سطوح متعدد ، در مراحل گوناگون دور از ژن جهش یافته درمان کرد. فناوری DNA نو ترکیب ، مد نظر قرار دادن بیماریهای ژنتیکی در بنیادی‌ترین سطح ، یعنی ژن را امکان پذیر کرده است. یکی از این روشهای درمانی ، ژن درمانی است. هدف از ژن درمانی ، بهبود بخشیدن به سلامت بیمار از طریق اصلاح فنوتیپ جهش یافته است. برای این منظور ، تحویل ژن طبیعی به سلولهای پیکری (نه زاینده) لازم است. وارد کردن یک ژن به داخل سلولهای پیکری ممکن است به 3 منظور لازم باشد.

• امکان دارد، ژن درمانی قادر به جبران کردن یک ژن جهش یافته سلولی که نوعی جهش از دست دهنده عملکرد دارد، بکار برود. مثلا برای درمان بیماری مغلوب اتوزومی فنیل کتونوریا.
  
  
• می‌توان ژن درمانی را برای جایگزینی یا غیر فعال کردن یک ژن جهش یافته غالب که فرآورده غیر طبیعی آن موجب بیماری می‌شود انجام داد مانند بیماری هانتیگتون.
  
• گسترده‌ترین کاربرد احتمالی ژن درمانی در رسیدن به اثری فارماکولوژیک ، جهت مقابله با آثار یک ژن یا ژنهای جهش یافته سلولی یا مقابله با ایجاد بیماری به طریق دیگر باشد. مبتلایان به بیماری اکتسابی از جمله سرطان ، از این روش بهره می‌برند.

حداقل شرایط لازم برای ژن درمانی اختلال ژنتیکی

• شناسایی جایگاه ژنی درگیر یا حداقل اساس بیوشیمیایی آن اختلال.
  
• بار قابل توجه تبادل توجه بیماری و نسبت مطلوب خطر.
  
• داشتن فایده در مقایسه با درمانهای دیگر.
  
• آگاهی کافی از اساس مولکولی بیماری.
  
• اجزای تنظیم کننده مناسب برای ژن انتقال یافته.
  
• یک سلول هدف مناسب با نیمه عمر ترجیحا طولانی یا قابلیت همانند سازی خوب در داخل بدن.
  
• اطلاعات کافی از مطالعات سلولهای کشت داده شده.

خصوصیات ژن انتقال یافته

یک ژن انتقال یافته اکثرا از یک DNA مکمل تحت کنترل توالی پیشبری که ممکن است، لزوما پیشبر طبیعی ژن نباشد تشکیل شده است. عناصر تنظیم کننده باید طوری انتخاب شوند که ژن در سطوح کافی در سلولهای هدف رونویسی شود و در صورت لزوم به پیامهای تنظیم کننده ضروری پاسخ دهد.

خصوصیات سلول هدف

یکی از ملاحظات مهم در انتخاب سلول هدف مناسب این است که نیمه عمر طولانی در بدن یا قابلیت همانند سازی چشمگیر داشته باشد تا اثر زیستی انتقال ژن واجد دوام لازم باشد. سلولهای هدف ایده‌آل ، سلولهای بنیادی یا سلولهای اجدادی با قابلیت همانند سازی بالا می‌شوند که از آنها می‌توان به سلولهای بنیادی مغز استخوان اشاره کرد. همچنین سلولهای آندوتلیال ممکن است اهداف بویژه مفیدی برای انتقال ژن باشند. زیرا دیواره‌های عروق خونی را مفروش می‌کنند. سلول هدف باید پروتئینها یا لیگاندهای دیگر لازم برای فعالیت زیستی را نیز فراهم کند.

روشهای انتقال ژن

روش اول

وارد کردن ژن به داخل سلولهای کشت داده شده از بیمار در خارج بدن و سپس وارد کردن سلولها به بدن بیمار پس از انتقال ژن است.

روش دوم

روش دوم ، تزریق کردن مستقیم ژن به داخل بافت یا مایع خارج سلولی مورد نظر از طریق ناقلهای ویروسی و ناقلهای غیر ویروسی است. فناوری ناقلهای غیر ویروسی ، هنوز در مراحل مقدماتی است.

ناقلهای ویروسی

ناقل ایده‌آل برای ژن درمانی باید بی‌خطر باشد، به راحتی ساخته شود، به آسانی وارد بافت هدف گردد، بروز مادام‌العمر ژن مورد نظر در سطوح مناسب را فراهم کند. از انواع این ناقلها می‌توان به رترو ویروسها و آدنوویروسها اشاره کرد. از مزایای ناقلهای ویروسی این است که قادرند وارد هر سلولی در جمعیت هدف شوند.

ناقلهای غیر ویروسی

اساسا جذاب هستند، زیرا فاقد مخاطرات زیستی (مانند آلودگی) مربوط به ناقلهای ویروسی هستند و تهیه آنها از نظر تئوری راحت‌تر است. این ناقلها 4 دسته هستند.

• DNA برهنه ، مثلا DNA مکمل با عناصر تنظیم کننده در پلاسمید.
  
  
• DNA برهنه ، بسته بندی شده در لیپوزمها.
  
  
• پروتئین که در آن DNA با پروتئینی مجموعه تشکیل می‌دهد و این پروتئین ورود مجموعه به داخل سلول یا بخشهای اجزای سلولی را تسهیل می‌کند.
  
  
• کروموزومهای مصنوعی.
  

مخاطرات ژن درمانی

• بیمار می‌تواند واکنش نامطلوبی به ناقل یا ژن انتقال یافته بدهد.
  
  
• ژن انتقال یافته در DNA بیمار جای می‌گیرند و پروتوانکوژنی را فعال یا یک ژن سرکوب کننده تومور را غیر فعال می‌کند که موجب بدخیمی می‌شود.
  
  
• فعال شدن درجی می‌تواند انسجام یک ژن ضروری را از بین ببرند.

بیماریهای نامزد ژن درمانی

تعداد زیادی از اختلالات تک ژنی ، نامزدهای بالقوه برای اصلاح از طریق ژن درمانی هستند. اینها شامل اختلالات خون سازی مانند تالاسمی ، هموفیلی ، انواع گوناگون کمبود ایمنی و نیز اختلالاتی مانند فنیل کتونوریا ، کمبود α₁- AT که هر یک بر پروتئینهایی که در کبد ساخته می‌شوند، موثر هستند.

آینده بحث

تعداد زیادی کارآزمایی بالینی برای ارزیابی بی‌خطر بودن و کارآیی درمان با انتقال ژن در دست انجام است. نتایج اصلی میزگرد سال 1995 موسسه ملی سلامت در مورد وضعیت و آینده ژن درمانی هنوز صادق است. پیشرفت در این زمینه آهسته بوده. تاکید تحقیقات همواره مناسب نبوده وادعاهای اولیه در مورد کارآیی آن مبالغه آمیز بوده است. با وجود این ، میزگرد به این نتیجه رسید که ژن درمانی برای درمان بیماریهای انسانی در دراز مدت ، بسیار امیدوار کننده است.

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 اختصاصی دارد 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 مولکول DNA 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 R₂ و 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.

دید کلی

پس از آنکه اسیدهای نوکلئیک بوجود آمدند، احتمال می‌رود که پیدایش جانداران جدید با سرعت بسیار زیادتری انجام گرفته باشد. این شتاب عظیم را ژنها ، که القاب کنونی اسیدهای نوکلئیک هستند امکان‌پذیر ساخته‌اند. اکنون جانداران بر طبق دستورالعمل‌هایی که ژنهایشان فراهم می‌آورند، به تولید مثل می‌پردازند و به سبب اینکه نسلهای متوالی جانداران ، ژنها را به ارث می‌برند. پدید آمدن یک جاندار جدید به صورت فرایندی کنترل شده و غیر تصادفی درآمده است. آنچه جاندار به ارث می‌برد تا حد زیادی بقای او را تعیین می‌کند، بنابراین وراثت از نظر سازگاری جانداران حائز اهمیت است.

اما چیزی که جانداران به ارث می‌برند، ماهیچه نیرومند ، برگ سبز ، خون قرمز یا مانند آن نیست، بلکه ژنها و دیگر محتویات سلولهای زاینده است. سپس در فردی که از این سلولها ناشی می‌شود، صفات قابل رویت تحت نظارت ژنهایی که به ارث برده است، پدید می‌آید. محصول این گونه وراثت موجود زنده منحصر به فردی است که در بعضی از صفات کلی خود به والدینش شباهت دارد و در بسیاری از صفات جزئی با آنها تفاوت دارد. اگر این تفاوتها کشنده نباشند یا سبب عدم باروری نشوند، جاندار حاصل می‌تواند زنده بماند و ژنهای خود را به نسلهای بعدی انتقال دهد.

تاریخچه

«ویلیام هاروی» ، در سال 1651 ، این نظریه را بیان کرد که تمام موجودات زنده از جمله ، انسان ، از تخم بوجود آمده‌اند و اسپرم فقط فرایند تولید مثل نقش دارد. هاروی همچنین تئوری اپی‌ژنز را ارئه داد که طبق این تئوری در مرحله رشد جنینی ، ارگانها و ساختمانهای جدیدی از ماده زنده تمایز نیافته ، بوجود می‌آید. پژوهشهای جدید درباره وراثت بوسیله گرگور مندل که کشیشی اتریشی بود، در نیمه دوم قرن 19 آغاز شد. وی دو قانون مهم را کشف کرد که همه پیشرفتهای بعدی علم وراثت بر پایه آنها بنا نهاده شده است.

ژن به عنوان یک واحد عملکردی

تمام نوکلئوتیدها در DNA ، گهگاه دستخوش دگرگونی‌هایی می‌شوند که جهش (Mutation) نام دارد. پس از هر جهش ، ژن جهش یافته (Mutant) به جای ژن اولیه به سلولهای فرزند انتقال می‌یابد و به ارث برده می‌شود. DNA جهش یافته ، آنگاه صفات تازه‌ای بوجود می‌آورد که ارثی هستند. ژنهایی که جز ژنهای ساختمانی هستند، مسئول ساختن زنجیره‌های پلی پپتیدی هستند.

اگر جهشی در یکی از این ژنها ، روی دهد، مجموعه صفات و ویژگی‌هایی که ژن جهش یافته مسئول بخش کوچکی از آن می‌باشد، بطور مستقیم یا غیر مستقیم ، تحت تاثیر قرار خواهند گرفت و از آنجایی که بیشتر پروتئین‌ها نقش آنزیمی بر عهده دارند، این جهش بر واکنشهایی که آنزیم مربوطه در آن دخالت دارد، اثر می‌گذارد. ژنهای دیگر که نقش تنظیم کننده دارند، فعالیت ژنهای دیگری را کنترل می‌کنند و جهش در این ژنها بر کنترل ژنهای ساختمانی اثر می‌گذارد. DNA هر موجود از تعدادی ژنهای مختلف تشکیل شده است.

در هنگام رشد ، هر ژن دقیقا ژن همانند خود را پدید می‌آورد. هنگامی که یک ژن جهش می‌یابد، ژن جهش یافته در تقسیمات بعدی سلول ، ژنهای جهش یافته همانند خود را بوجود می‌آورد و اگر این ژن یک ژن ساختمانی باشد، جهش منجر به تولید پروتئین جهش یافته می‌گردد. ژن جهش یافته و ژن اولیه نسبت بهم آللومورف (Allelomorph) نامیده می‌شوند.

ژن و کروموزوم

یاخته‌های یک گیاه یا یک جانور دارای تعداد معینی کروموزوم است که ویژه آن گونه گیاهی یا جانوری می‌باشد و تعداد این کروموزومها در همه یاخته‌های آن فرد پایدار و یکسان است. بنابراین همه یاخته‌های یک فرد دارای مجموعه‌های ژنی یکسانی می‌باشند، مثلا در مگس سرکه در حدود 10 هزار ژن شناخته شده است. افراد مختلف یک گونه دارای آللهای متفاوت یک ژن در سلولهای خود می‌باشند. در هر کروموزوم ، ژنها بطور خطی قرار گرفته‌اند و نظام آنها پایدار و ثابت است. جایگاه ثابت هر ژن در کروموزوم که ویژه آن ژن است، لوکوس (Locus) نامیده می‌شود.

دو ژن آلل نمی‌توانند بطور همزمان در یک جایگاه وجود داشته باشند و در یک زمان هر جایگاه می‌تواند پذیرایی تنها یکی از ژنهای آلل باشد. برخی از ژنها به ویژه ژنهایی که در ساختن RNA دخالت دارند، چندین بار در یک مجموعه کروموزومی تکرار می‌شوند. در پدیده میتوز ، پیش از تقسیم هسته ، ژنها و در نتیجه کرومزوم‌ها، دو برابر شده‌اند و هر یک از دو یاخته حاصل از تقسیم ، یکی از مجموعه‌های کروموزومی را دریافت می‌کند و از اینرو مجموعه‌های کروموزومی دو سلول دقیقا یکسان خواهد بود.

ژن و گوناگونی افراد

در یاخته‌های بدنی گیاهان و جانوران کروموزوم‌ها به صورت جفت وجود دارند و از نظر ظاهری یکسان می‌باشند (به جز کروموزوم‌های جنسی). در هر لنگه از یک جفت کروموزوم ، نظام جایگاههای ژنی ، همانند نظام جایگاههای لنگه دیگر می‌باشد و ژنهایی که در جایگاههایی همانند قرار دارند، ممکن است یکسان بوده و یا آلل یکدیگر باشند. در حالت نخست فرد از نظر دو ژن هموزیگوت و در حالت دوم هتروزیگوت می‌باشد. شماره کروموزوم‌ها در یاخته‌های حاصل از تقسیم میوز یا گامتها ، 2/1 تعداد کروموزوم‌ها در سلولهای پیکری است و در هر یک از گامتها ، تنها یک لنگه از یک جفت کروموزوم همانند ، در برخی از جایگاهها باهم متفاوت هستند.

در نتیجه گامتها نیز با هم متفاوت خواهند بود و چون توزیع کروموزومها در هر گامت از قانون احتمالات پیروی می‌کند، در نتیجه احتمال تولید گامتهای مختلف در صورتی که تعداد کروموزوم‌ها را  در نظر بگیریم،  خواهد بود. این حالت ، تفکیک مستقل نامیده می‌شود. تقاطع کروموزومی (Crossing-Over) نیز به ایجاد تفاوتهای بیشتر بین گامتها ، کمک می‌کند.

سازمان یابی و ساختمان ژن

در ساده‌ترین حالت ، یک ژن را می‌توان به صورت قطعه‌ای از یک مولکول DNA و حاوی رمز برای توالی اسید آمینه‌ای یک رشته پلی پپتیدی و توالی‌های تنظیم کننده لازم برای بروز آن در نظر گرفت. به هر حال این توصیف برای ژنهای موجود در ژنوم انسان ، ناکافی است، زیرا تعداد ناچیزی ژن به صورت توالی‌های رمزدار پیوسته وجود دارد. بلکه در عوض در بین اکثریت ژنها ، یک یا بیش از یک ناحیه فاقد رمز موجود است. این توالی‌های حد فاصل که اینترون (intron) نامیده می‌شوند، ابتدا در هسته به RNA رونویسی می‌شوند، اما در RNA پیامبر بالغ در سیتوپلاسم وجود ندارند.

لذا اطلاعات توالی‌های اینترونی ، بطور طبیعی در فرآورده پروتئینی نهائی نمایانده نمی‌شود. اینترونها یک در میان با توالی‌های رمزدار یا اگزون (exon) که نهایتا توالی اسید آمینه‌ای پروتئین را رمز گردانی می‌کنند، قرار دارند. اگرچه تعداد کمی از ژنها در ژنوم انسان فاقد اینترون می‌باشند، اکثر ژنها حداقل یک و معمولا چندین اینترون دارند. ژن دیستروفین وابسته به جنس که حاوی 2 میلیون جفت باز است، کمتر از یک درصد آن حاوی اگزونهای رمزدار است. اینترونها در ساختار ژنها ، نقش حفاظت از اگزونها را در برابر جهشها بر عهده دارند.

خصوصیات ساختمانی یک ژن معمولی انسان

ژن نه تنها توالی‌های رمزدار واقعی است، بلکه دارای توالی‌های نوکلئوتیدی مجاور لازم برای بروز مناسب ژن ، یعنی برای تولید یک مولکول RNA پیامبر طبیعی ، به مقدار صحیح ، در محل درست و در زمان صحیح حین تکامل و یا در طی چرخه سلولی نیز می‌باشد. توالی‌های نوکلئوتیدی مجاور ، پیامهای مولکولی شروع و پایان را برای ساخت RNA پیامبر رونویسی شده از ژن فراهم می‌کنند. ژن دارای دو انتهای  به  است. در انتهای  ژن ، یک ناحیه پیشبر وجود دارد که شامل توالی‌های مسئول شروع مناسب رونویسی است.

پیشبرها و نیز عناصر تنظیم کننده می‌توانند محلهایی برای جهش در بیماریهای ژنتیکی که قادرند مانع بروز طبیعی ژن شوند، باشند. این عناصر تنظیم کننده شامل تقویت کننده‌ها ، خاموش کننده‌ها و نواحی کنترل کننده جایگاه ژنی هستند. در انتهای  ژن ، یک ناحیه ترجمه نشده مهم یافت می‌شود که حاوی پیامی برای اضافه شدن یک توالی از واحدهای آدنوزین به اصطلاح دم پلی A به انتهای RNA پیامبر بالغ است.

مبانی بروز ژن

جریان اطلاعات از ژن به پلی پپتید ، شامل چندین مرحله است.

• رونویسی یک ژن در محل شروع رونویسی روی RNA کروموزومی ، بلافاصله از توالی‌های رمزدار آغاز می‌شود و در طول کروموزوم ادامه یافته، از چند صد جفت باز تا بیش از یک میلیون جفت باز و در هر دو گروه اینترونها و اگزونها و ناحیه بعد از پایان توالی‌های رمزدار را رونویسی می‌کند.
  
  
• پس از تغییر یافتن در هر دو انتهای  و  رونوشت اولیه RNA ، بخشهای مربوط به اینترونها برداشته می‌شوند و قطعات مربوط به اگزونها به یکدیگر چسبانده می‌شوند.
  
  
• پس از برش و چسباندن RNA ، RNA پیامبر حاصل که اینک فقط حاوی بخشهای رمزدار ژن است، از هسته به سیتوپلاسم سلول برده می‌شود و در آنجا نهایتا به توالی اسید آمینه‌ای پلی پپتید رمزگردانی شده ، ترجمه می‌گردد. هر یک از این مراحل ، در معرض بروز خطا هستند و جهشهایی که در هر یک از این مراحل مداخله می‌کنند، در ایجاد تعدادی از اختلالات ژنتیکی دخیل دانسته شده‌اند.

نگاه کلی

مقدار اطلاعات موجود در یاخته‌های یوکاریوتی خیلی بیشتر از پروکاریوتهاست. فرصت عمل در جایگاه‌های متفاوت از هسته سلول تا سیتوپلاسم برای تنظیم کننده‌ها نیز بیش از پروکاریوتهاست. اطلاعات ژنتیکی در یوکاریوتها در ساختارهای کروموزومی که اغلب پیچیدگی زیادی دارند نهفته است و رونویسی و بروز ژنها در آنها کاهش تراکم قبلی این ساختار را ایجاب می‌کند. بنابراین در یوکاریوتها سیستمهای تنظیم کننده بیشتر ، دقیقتر و بویژه پیاپی هستند. این سیستمها در جایگاهها و در حد ساختارهای متفاوت سلولی عمل می‌کنند و می‌توانند وابسته به یکدیگر باشند. به عنوان مثال تنظیم بیان ژن مالتوز در بسیاری از یوکاریوتها نیز دیده می‌شود.

پروموترهای یوکاریوت اغلب شامل چندین جایگاه اتصال برای فعال کننده‌ها هستند و در بسیاری از موارد ، فعال سازی به توالیهایی نیاز دارد که از نقطه شروع نسخه برداری فاصله زیادی دارند. فقط تعداد کمی از ژنهای یوکاریوتی بوسیله رپرسور کنترل می‌شوند و نسخه برداری اکثر ژنهای یوکاریوتی ، در عدم حضور یک فعال کننده انجام پذیر نیست. در پروکاریوتها ، معمولا پروتئینهای تنظیمی و جایگاههای اتصال آنها هر دو شناخته شده است. در حالی که در یوکاریوتها در بسیاری از موارد فقط توالیهای تنظیم کننده DNA مورد شناسایی قرار گرفته است. تنها در موارد معدودی ، پروتئینهای تنظیمی یوکاریوتی و مکانیسم تنظیم نسخه برداری ، مورد بررسی قرار گرفته است.

توالیهای شناسایی شونده بوسیله فعال کننده‌ها

تاکنون دو نوع معمول از توالیهای DNA یوکاریوتی که بوسیله فعال کننده‌ها باند می‌شود، شناخته شده است. یک نوع توالی فعال (Upstream Activating Sequenc) یا UAS می‌باشد که در ناحیه Upstream بسیاری از ژنهایی که فعال کننده آنزیمهای متابولیک در یوکاریوتهای تک سلولی ، مانند مخمر یافت شده است. این توالیها بوسیله فعال کننده‌هایی که سرعت شروع نسخه برداری از پروموتوهای مربوطه را به شدت افزایش می‌دهند، باند می‌شوند.

نوع دیگری از توالیهای فعال ، Enhancer می‌باشد که در یوکاریوتهای چند سلولی یافت می‌شود. برخلاف UAS ، Enhancerها می‌توانند در '5 یا '3 یک ژن قرار گیرند و حتی در صورت فاصله زیاد از جایگاه شروع نسخه برداری قادرند نسخه برداری را تحت تاثیر قرار دهند.

تنظیم متابولیسم گالاکتوز در مخمرها

یکی از ژنهای یوکاریوتیک که توالی UAS و پروتئینهای باند شونده به آن ، هر دو مورد شناسایی قرار گرفته است، ژنی است که توسط پروتئین GAL₄ در ساکارومایسین سروزیه کنترل می‌شود. پروتئین GAL₄ مونومری است با وزن مولکولی 99000 که نسخه برداری حداقل 5 ژن را کنترل می‌نماید. از آن جمله می‌توان ژنهای GAL₁₀ و گالاکتوز پرمه‌آز را کد می‌نمایند.

در ژنوم مخمر ، این ژنها در دو طرف UAS قرار دارند و در دو جهت مخالف نسخه برداری می‌شوند. پروموترهای این دو ژن در یک ناحیه 680 جفت بازی که دو ژن را از یکدیگر جدا می نمایند، قرار گرفته‌اند. همچنین در ناحیه بین دو پروموتر، یک UAS جای گرفته است. با اتصال پروتئین GAL₄ به UAS ، UAS نسخه برداری هر دو ژن GAL₁ و GAL₁₀ را 1000 برابر افزایش می‌دهد.

قسمتهای تشکیل دهنده UAS

UAS گالاکتوز از چهار جایگاه جداگانه مخصوص اتصال GAL₄ تشکیل یافته است که به ترتیب از شماره I تا IV شماره گذاری شده است. هر یک از این جایگاه‌های اتصال ، از یک توالی 17 جفت بازی مشابه تشکیل یافته است و دارای تقارن دو طرفی است. میل ترکیبی GAL₄ برای پیوند با هر یک از جایگاههای اتصال یکسان نیست و اتصال بین حداقل دو جایگاه (IV,III) به صورت همکاری انجام می‌گیرد.

هر چند آزمایشات نشان می‌دهند که سرعت نسخه برداری ژنهای GAL₁ و GAL₁₀ ، با تعداد مولکولهای GAL₄ باند شده به UAS ارتباط مستقیم دارد، فعالیت نسخه برداری به اشغال هر چهار جایگاه اتصال بوسیله GAL₄ نیازی ندارد. بنابراین اثر GAL₄ یک اثر اضافی است به این صورت که هر مولکول GAL₄ بطور مستقل در تحریک نسخه برداری شرکت دارد.

قسمتهای تشکیل دهنده GAL₄

GAL₄ از دو domain تشکیل شده است، یکی مسئول باند شدن به DNA و دیگری مسئول تحریک نسخه برداری ژنهای ناحیه down stream می‌باشد. همانند اپرونهای کد کننده آنزیمهای متابولیک در پروکاریوتها ، ژنهای GAL₁₀ , GAL₄ تنها در حضور سوبسترا که در این مورد گالاکتوز می‌باشد، نسخه برداری می‌شوند.

در عدم حضور گالاکتوز ، GAL₄ از طریق domain مسئول باند به DNA به UAS گالاکتوز متصل می‌شود ولی domain مسئول تحریک نسخه برداری آن ، بوسیله یک پروتئین تنظیم کننده منفی به نام GAL₈₀ باند می‌شود. اتصال Gal₈₀ به GAL₄ از فعال سازی نسخه برداری GAL₁₀ , GAL₁ توسط GAL₄ جلوگیری به عمل می‌آورد. با این حال در حضور گالاکتوز ، گالاکتوز به GAL₈₀ باند سبب جدا شدن آن از GAL₄ می‌شوند. در این حالت GAL₄ قادر است نسخه برداری GAL₁₀ , GAL₁ را فعال نماید.

ممانعت از نسخه برداری بوسیله گلوکز

هر چند، هر دو ژن GAL₁₀ , GAL₁ در حضور گلوکز نیز به صورت منفی تنظیم می‌شوند، کنترل این ژنها پیچیده تر از اینهاست این ممانعت از نسخه برداری بوسیله گلوکز ، مشابه جلوگیری کاتابولیتی در پروکاریوتهاست و در صورت حضور هر دو نوع قند (گلوکز و گالاکتوز) GAL₁₀ , GAL₁ در سرعتهای پایین ، نسخه برداری می‌شوند. گلوکز ، نسخه برداری GAL₁₀ , GAL₁ را از طریق جلوگیری از باند شدن GAL₄ به UAS گالاکتوز بلوکه می‌کند.

اینکه آیا گلوکز عملا به GAL₄ باند می‌شود یا GAL₁₀ , GAL₁ بوسیله یک متابولیسمی از گلوکز تحریک می‌شوند، هنوز نامشخص است. بطور کلی domainهای فعالیت پروتئینهای یوکاریوتیک ، مانند GAL₄ خیلی کم مورد شناسایی قرار گرفته ولی آنها را در سه طبقه تقسیم می‌نمایند.

1. تعدادی از domoianهای فعالیت ، شامل نواحی طویلی هستند که یک آلفا هلیکس آمفی پاتیک با بار منفی را تشکیل می‌دهند. یک مثال از این نوع پروتئینها GAL₄ می‌باشد. برای فعال سازی نسخه برداری ، domain فعالیت GAL₄ لازم و ضروری است.
   
   
2. تعدادی از domainهای فعالیت ، پروتئینهای غنی از گلوتامین هستند. پروتئین SP₁ دارای domain از این نوع است قدرت فعال کردن نسخه برداری SP₁ با برداشتن دو domain غنی از گلوتامین آن ، به شدت کاهش می‌یابد.
   
   
3. تعدادی از domainهای فعالیت ، پروتئینهایی غنی از پرولین هستند. پروتئین CTF شامل domainای از این نوع است چگونگی تحریک نسخه برداری توسط domainهای فعالیت ، هنوز ناشناخته است ولی ممکن است، از طریق درگیر کردن پروتئینهای دیگر نزدیک RNA پلی مراز П ، اثر خود را اعمال نمایند. به عنوان مثال آزمایشات انجام شده در مخمرها نشان می‌دهند که GAL₄ مستقیما با RNA پلی مراز П وارد واکنش نمی‌شود بلکه اثر خود را از طریق پروتئین دیگری اعمال می کند.

کنترل بیان ژن توسط توالیهای افزایش دهنده یا (Enhancers)

Enhancer نوع دوم از توالیهای فعال می‌باشد که در ارتباط با بسیاری از ژنهای کلاس П یافت شده‌اند. این توالیهای DNA بوسیله سه خصوصیت مشخص می‌گردند:

1. Enhancerها اغلب در هر جهتی فعال هستند.
   
   
2. Enhancer قادرند نسخه برداری را حتی در صورتی که از نقطه شروع آن هزاران جفت باز فاصله داشته باشند، تحت تاثیر قرار دهند. آنها بعضی اوقات در یک انترون یا در انتهای '3 یک ژن قرار دارند.
   
   
3. Enhancer ها، نسخه برداری هر ژنی در مجاورشان را تحت تاثیر قرار می‌دهند.
   
   

بررسیها نشان می‌دهند که Enhancerها ، بسیاری از ژنهای ویروسی را نیز فعال می‌نمایند. این نوع Enhancerها که تحت عنوان ، Enhancerهای ویروسی شناخته می‌شوند، برای انجام عمل خود به فعال کننده‌های خاصی نیاز دارند. این ، خودش توجیهی است بر این سوال که چرا بعضی از ویروسها ، تنها در میزبانهای خاصی قادر به رشد هستند.

روشهای عمل Enhancer

به نظر می‌رسد که Enhancerها در 4 روش متفاوت عمل می‌کنند.

1. ممکن است، یک فعال کننده به یک Enhancer متصل و تحریک نسخه برداری را سبب شود، یا اینکه به جذب RNA پلی مراز به پروموتر ، کمک نماید. Enhancerهایی که به عنوان عناصر حساس به هورمون شناخته شده‌اند، به این روش عمل می‌نمایند.
   
   
2. حضور Enhancerها ممکن است ساختمان DNA را در مجاورت ژنی که نسخه برداری می‌شود، تحت تاثیر قرار دهد. بنابراین این ناحیه از DNA را بیشتر در دسترس RNA پلی مراز قرار می‌دهند. مشاهده نسبتهای متفاوتی از پیریمیدین/ پورین در بسیاری از این Enhancerها که پذیرش ترکیب ساختمانی غیر طبیعی را در Invivo سبب می‌شود، این تئوری را حمایت می‌کند.
   
   
3. Enhancerها ممکن است در جایی از DNA که به ماتریکس هسته ، متصل می‌باشد، قرار داشته باشند. بنابراین نگهداری DNA در این قسمت و افزایش غلظت موثر RNA پلی مراز را سبب می‌شوند.
   
   
4. Enhancerها ممکن است، یک جایگاه بزرگ هدف ایجاد نمایند که RNA پلی مراز یا تعداد دیگری از پروتئینهای ضروری ، قبل از مهاجرت به پزوموتر ، در آن ناحیه با DNA باند می‌شوند. بر اساس این نوع مکانیسم ، مشاهده شده است. زمانی که یک جایگاه به پروتئین متصل شوند، در بین بعضی از Enhancerها و پروموترها قرار می‌گیرند، از عمل Enhancer جلوگیری به عمل می‌آید. به نظر می‌رسد که پروتئین باند شده ، مهاجرت پروتئین دیگر را Enhancer به پروموتر بلوکه می‌کند.
   
   

آزمایشات نشان می‌دهد که بعضی از Enhancerها تنها در یک بافت خاص هستند. به عنوان مثال در موش Enhancerهای ژنهای ایمونوگلولین ، تنها در سلولهای لمفوئید موثر می‌باشند. اینگونه مشاهدات ، موید این موضوع است که Enhancerهای خاص ، ممکن است بوسیله یک پروتئین تنظیم کننده باند شده به DNA که تنها در گلبولهای سفید خون یافت می‌شوند، تشخیص داده شوند.

دید کلی

از سال 1953 که ساختار مولکولی DNA به صورت مارپیچ مضاعف مطرح شد و DNA به عنوان مرکز اطلاعات یاخته و نیز واسطه انتقال اطلاعات از نسلی به نسل دیگر یاخته‌ای مورد تاکید قرار گرفت. مساله اصلی چگونگی دخالت این مولکول در عملکردهای یاخته‌ای بود. از همان زمان این نظر قوت گرفت که سنتز پروتئینها مثل دیگر فرآیندهای زیستی یاخته‌ها تحت کنترل ماده ژنتیکی باشد.

پیشرفتهای حاصل نشان داد که عمل پروتئین سازی در واقع نوعی ترجمه است که طی آن زبان اطلاعاتی DNA و RNA به زبان اسیدهای آمینه تبدیل می‌شود. توالی اسیدهای آمینه بوسیله RNA پیک (mRNA) تعیین می‌شود و به عبارت دیگر رمز مربوط به اسیدهای آمینه بر روی mRNA قرار دارد. اما مشخص کردن این امر دشوار و حتی غیر ممکن بنظر می‌رسید زیرا هیچ روشی برای ایجاد ارتباط مستقیم بین رمز اسیدهای آمینه و mRNA وجود نداشت.

سیر تحولی

• در اوایل دهه 1950 پائول زامک نیک آزمایشاتی را برای تعیین محل سنتز پروتئین در داخل سلول انجام داد و تعیین کرد که سنتز پروتئین در اندامکهایی به نام ریبوزوم صورت می‌گیرد.
  
  
• دومین پیشرفت کلیدی توسط مالون هاگلند بدست آمد که نشان داد اسیدهای آمینه برای شرکت در پروتئین سازی در ریبوزومها ، باید به RNA محلول که بعدها RNA ناقل نامیده شد، متصل شوند.
  
  
• سومین پیشرفت کلیدی زمانی حاصل شد که کریک نحوه کد شدن اطلاعات ژنتیکی در زبان 4 حرفی نوکلئوتیدها به زبان 20 حرفی پروتئینها را مورد بررسی قرار داد. لازم به یادآوری است که فقط 20 اسید آمینه در ساختار پروتئینها شرکت دارند.این سه پیشرفت بزودی منجر به شناسایی مراحل اصلی سنتز پروتئین و نهایتا رمز گشایی ماده ژنتیکی گردید که هر اسید آمینه را مشخص می‌کند.

رمز ژنتیکی (Genetic Code)

در بین RNA های مختلف فقط RNA پیک حاوی رمز ژنتیکی برای سنتز پروتئینها می‌باشد. بازهای سازنده RNA پیک فقط 4 نوع هستند در حالی که پروتئینها از 20 نوع اسید آمینه ساخته شده‌اند. بنابراین باید بین بازهای موجود در مولکول RNA پیک و اسیدهای آمینه رابطه‌ای وجود داشته باشد تا بتوان رمز 4 حرفی RNA پیک را به رمز 20 حرفی پروتئینها ترجمه کرد. اگر یک نوکلئوتید نماینده یک اسید آمینه فرض شود در این صورت فقط رمز ترجمه چهار اسید آمینه بدست می‌آید (4¹).

اگر دو نوکلئوتید برای یک اسید آمینه در نظر گرفته شود در این صورت رمز ترجمه 16 (4²) اسید آمینه بدست می آید که البته با مقایسه 20 اسید آمینه کافی نیست. اگر 3 نوکلئوتید را رمز ترجمه یک اسید آمینه فرض کنیم در این صورت 64 (4³) رمز برای 20 اسیدآمینه بدست می آید. رمز سه نوکلئوتیدی ، رمز بازهای سه گانه (Triplet) نامیده می شود. RNA حامل ، واسط بین اسیدهای آمینه و بازهای سه گانه RNA پیک در پروتئین سازی است.

آزمایش نیرنبرگ برای تعیین رمز اسید آمینه

برای این که بتوان مکانیسم بیوسنتز پروتئینها را مطالعه کرد. نخست باید مخلوط مناسبی از مواد مختلف داخل سلولی تهیه نمود و با افزایش اسیدهای آمینه رادیواکتیو در این محیط واکنشهای سنتز پروتئینها را روشن ساخت. نیرنبرگ 20 نمونه از این مخلوط تهیه کرد و به هر یک از این نمونه‌ها مقداری پلیمر اسید اوریدیلیک و تنها یکی از 20 اسید آمینه را به صورت رادیواکتیو افزوده و نمونه‌ها را در دمای 37 درجه سانتیگراد قرار داد، رسوب حاصل فقط حاوی اسید آمینه فنیل آلانین است. بنابراین رمز فنیل آلانین در پلی u وجود دارد و باز سه گانه مربوطه uuu است. نیرنبرگ با تکرار آزمایش و انتخاب پلیمرهای مصنوعی دیگر ، بازهای سه گانه ccc را برای رمز پرولین و AAA را برای لیزین تعیین کرد.

روش شیمیایی شناسایی رمزهای سه گانه

نیرنبرگ و یکی از همکاران او به نام لدر با استفاده از روشهای شیمیایی تری‌نوکلئوتیدهای مختلفی را که ردیف بازهای آنها کاملا معلوم بود تهیه نموده و آنها را به جای پلی‌نوکلئوتیدهای مصنوعی در تجربه فوق مورد استفاده قرار دادند. به کمک این تجربیات دانشمندان فوق به این نتیجه رسیدند که هر باز سه گانه بر روی ریبوزوم قرار گرفته و با یک RNA ناقل که حامل اسیدهای آمینه مربوط به این باز سه گانه است پیوند می‌یابد. این ترکیب را می‌توان با روش صاف کردن روی نیترات سلولز ، به صورت خالص جدا ساخته و اسید آمینه و باز سه گانه موجود در آن را تعیین کرد و رمز مربوطه را شناخت.

رابطه رمز ژنتیکی با سنتز پروتئینها

از 64 باز سه گانه یا کدون سه کدون به کدونهای بی‌معنی (Nonsense) معروف هستند، فاقد هر گونه رمز برای اسیدهای آمینه هستند اما دست کم دو تا از آنها حاوی علایم پایانی سنتز پروتئینی می‌باشند به این معنی که نقطه پایان پلیمر شدن اسیدهای آمینه به صورت پروتئین را تعیین می‌کنند. 61 کدون باقیمانده حاوی رمزهایی برای انتخاب 20 اسید آمینه هستند و این خود به این معنی است که در رمزهای ژنتیکی بعضی از رمزها تکراری هستند یعنی چند کدون حاوی رمز یک اسید آمینه واحد می‌باشند.

ویژگیهای عمومی رمزهای ژنتیکی

• رمزهای ژنتیکی گسسته نیستند. یعنی بین آخرین نوکلئوتید یک رمز و اولین نوکلئوتید رمز بعدی فاصله‌ای وجود ندارد به عبارت دیگر بین دو رمز ژنتیکی ، نوکلئوتیدی بدون رمز وجود ندارند.
  
  
• رمزهای ژنتیکی منحصر به فرد و در عین حال مترادف هستند. به این معنی که از یک سو یک رمز ژنتیکی برای اسید آمینه‌ای هم در پروکاریوتها و هم در یوکاریوتها رمزی برای همین اسید آمینه است و به جز متیونین و تریپتوفان هر اسید آمینه بیش از یک رمز دارد (رمزهای مختلف).
  
  
• در بین ترادفهای هر رمز ژنتیکی ، تفاوت بطور معمول مربوط به نوکلئوتید سوم است. کمتر اختصاصی بودن باز سوم ، عاملی برای سهولت باز شدن پیوند بین رمز و ضد رمز هنگام سنتز پروتئین است. پدیده تغییر پذیری باز سوم ، انعطاف پذیری نام دارد. پدیده انعطاف پذیری یا لرزش موجب می‌شود برخی جهشهای ژنی که منجر به تغییر در سومین باز رمز می‌شوند، اثر نامناسبی در سنتز پروتئین بر جای نگذارند.

دید کلی

کاربردهای مهندسی ژنتیک تقریبا نامحدود به نظر می‌رسد. این علم کاربردهای زیادی در علوم پایه و همچنین تولیدات صنعتی ، کشاورزی و علوم پزشکی دارد. در زمینه علوم پایه ، بررسیهایی مانند مکانیزمهای همانند سازی DNA و بیان ژنها در پروکاریوتها ، یوکاریوتها و ویروسها و همچنین چگونگی ساخته شدن و تغییرات پروتئینهای داخلی سلول و همچنین مکانیزم ایجاد سرطان از جمله کاربردهای مهندسی ژنتیک است. در زمینه کشاورزی که زمینه بسیاری از کاربردهای مهندسی ژنتیک بوده است، تولید گیاهان مقاوم به آفات گیاهی و خشکی ، تولید گیاهان پرمحصول و تولید گاوهای دارای شیر و گوشت بیشتر ، را می‌توان نام برد. در زمینه کاربردهای انسانی ، تشخیص بیماریهای ارثی ، تولید انسولین انسانی ، تولید هورمون رشد انسان و ... را می‌توان نام برد.

تاریخچه

اهمیت بعضی از اصول علمی ، در زمان کشف آنها مشخص نمی‌شود، بلکه پس از مدت زمانی که می‌گذرد ارزش آنها معلوم می‌شود. یکی از مثالهای روشن این مساله کشف ساختمان سه بعدی DNA بوسیله واتسون و کریک در سال 1953 بود. این ساختمان نسبتا ساده باعث شد تا دانشمندان سیستمهای مختلف ژنتیکی را بررسی کنند. اما مطلب به همین جا ، ختم نشد و دانشمندان مختلف سعی کردند که از این اطلاعات استفاده نمایند. هدف آنها نیز بیان ساده‌ای داشت. آنها خواستند تا یک DNA را از یک موجود بگیرند و در موجود دیگر وارد نمایند تا اثرات آن ژن در موجود ثانویه بروز کند.

این علم نوین که به تدریج جای خود را در بین علوم دیگر پیدا کرد، با عناوین چون زیست مولکولی ، مهندسی ژنتیک و نهایتا DNA نوترکیب (Recombinant DNA) نامیده می‌شود. مثالی معروف از کارهای مهندسی ژنتیک تولید یک نوع باکتری اشرشیاکلی (E.Coli) است که قادر است انسولین انسانی بسازد. یا تولید گیاهان مقاوم به شوری و خشکی.

مراحل مهندسی ژنتیک

• انتخاب ژن مورد نظر
• جداسازی ژن مورد نظر
• وارد کردن ژن مورد نظر در حامل
• تکثیر ژن در میزبان مناسب
• انتقال حامل ژن به سلول هدف
• تکثیر سلول هدف
• تولید انبوه محصول یا ایجاد صفت مورد نظر

تولید DNA نوترکیب با استفاده از آنزیمهای محدود‌الاثر(Restriction)

• گروهی از آنزیم های محدود‌الاثر هنگام برش ، توالیهای مورد شناسایی‌شان را بطور نامتقارن می‌شکنند، در نتیجه در انتهای قطعات DNA حاصله رشته‌های تکی با حدود 4 نوکلئوتید بوجود می‌آید که به این انتهای تک رشته‌ای ، انتهای چسبنده (Sticky end) می‌گویند. یکی از آنزیمها ECORI نام دارد که باعث ایجاد قطعاتی می‌شود که در انتهای خود ، چسبنده می‌باشند.
  
  
• حال فرض کنید که دو قطعه متفاوت DNA بوسیله یک آنزیم محدودالاثر یکسانی برش داده شده‌اند، اگر قطعات حاصل از این برش با هم مخلوط شوند و شرایط مناسب فراهم شود انتهاهای چسبناک که مکمل هم می‌باشند بهم متصل می‌شوند. سپس بوسیله آنزیم DNA لیگاز این رشته‌ها به صورت کووالانسی بهم متصل می‌شوند.
  
  
• هدف اصلی برش DNA در مهندسی ژنتیک ، اتصال دو قطعه DNA به یکدیگر می‌باشد. ولی هنگام اتصال قطعات DNA ممکن است بجای اینکه قطعات DNA بهم متصل شوند، دو سر یک مولکول DNA بار دیگر بهم بچسبند و در نتیجه نوترکیب صورت نگیرد. برای جلوگیری از این کار از آنزیم فسفاتاز قلیایی استفاده می‌کنند. به این صورت که پس از برش دادن حامل بوسیله آنزیم محدودالاثر فسفاتاز را به محیط واکنش می‌افزایند و در نتیجه فسفات انتهای 5 مولکول DNA در هر دو طرف جدا می‌شود و امکان اتصال دو سر مولکول حامل ، بدون DNA تازه ، به یکدیگر از بین می‌رود.

سیستمهای کلون کردن ژن

کلون کردن یک ژن خاص مهمترین مرحله مهندسی ژنتیک است. هدف از کلون کردن ژن به دست آوردن مقادیر زیادی از ژنهای خاص به صورت خالص می‌باشد. هدف اصلی کلون کردن ژن ، انتقال ژن مورد نظر از داخل یک ژنوم بزرگ و پیچیده به داخل یک حامل ساده و کوچک تکثیر آن است.

مراحل کلون کردن ژن

• جداسازی و قطعه قطعه کردن منبع DNA: منبع DNA می‌تواند، ژنوم کامل یک موجود باشد که در این صورت، باید آن را بوسیله آنزیم محدودالاثر برش داد و قطعات حاصله را برای کلون کردن بکار برد.
  
  
• اتصال به یک حامل کلون (Cloning Vector): حاملهای کلون ، قطعات ژنتیکی کوچکی هستند که بطور مستقل توانایی تکثیر دارند و دارای محل برش بوسیله آنزیمهای محدودالاثر می‌باشند، ولی این برش نباید در محل همانند سازی این حاملها باشد.
  
  
• ورود به داخل میزبان:DNA نوترکیب حاصل به روشهای مختلف وارد باکتری یا میزبان مورد نظر می‌شود.
  
  
• شناسایی و جداسازی کلون حاوی ژن مورد نظر: این مرحله شامل جداسازی میزبانهایی است که ژن مورد نظر بوسیله حامل وارد آنها شده و به نحو موثر بیان می‌شود.
  
  
• تولید تعداد زیاد سلولها و یا باکتریهای حاوی ژن: این کار به منظور جداسازی و بررسی ژن مورد نظر ، انجام می‌گیرد.

حاملهای کلون (Cloning Vector)

پلاسمیدها

قطعات DNA حلقوی هستند. که در داخل سیتوپلاسم باکتریها و جدا از کروموزوم آنها قرار دارند و بطور مستقل تکثیر می‌شوند. پلاسمیدها ، خصوصیات مفیدی برای استفاده به عنوان حامل دارند مانند: اندازه کوچک ، DNA حلقوی ، همانند سازی مستقل ، تکثیر زیاد و شاخصهای مفید دیگر مانند دارا بودن ژنهای مقاومت به آنتی بیوتیک که جداسازی کلنی‌های حاوی پلاسمید را راحتتر می‌کند.

باکتریوفاژها (ویروس باکتری)

• ویروسها به خاطر داشتن پروتئینهای خاص ، نفوذ بسیار موثر و اختصاصی را به داخل سلولهای میزبان انجام می‌دهند.
  
• بعضی ویروسها در قسمتی از چرخه تکثیر خود ، نفوذ پایداری به داخل ژنوم میزبان دارند که این باعث پایداری بیان ژن در داخل سلول میزبان می‌شود.
  
• ویروسها دارای پروموتورهای خاصی هستند که بوسیله سلولهای میزبانی شناخته می‌شوند و این باعث بیان مناسب ژنهای کلون شده می‌شود.

کازمیدها (Cosmids)

کازمیدها در حقیقت قطعات حاصل از دو انتهای ژنوم از دو انتهای ژنوم باکتریوفاژها لامبدا قرار بگیرند و در نتیجه وارد سلول Ecoli (باکتری اشرشیاکلی)شوند. در داخل سلول E.Coli این DNA به صورت حلقوی در آمده و مانند یک پلاسمید عمل می کند.

فاسمیدها

یکی دیگر از حامل‌های DNA نوترکیب هستند که ترکیبی از ژنوم باکتریوفاژ و پلاسمیدها هستند.

انتخاب میزبان مناسب

میزبان مورد نظر باید خصوصیاتی از قبیل پایداری ژنتیکی ، ژنوم کاملا شناخته شده مشخصات فیزیولوژیک معلوم ، توانایی پذیرش DNA خارجی ، داشتن یک شاخص خاص برای شناسایی در مواقع لزوم و ... را داشته باشد. یکی از شناخته شده ترین میزبانهای مورد استفاده باکتری E.Coli است. هنگام انجام کارهای ژنتیکی باید با مطالعاتی کافی یک سیستم حامل میزبان مناسب را انتخاب کرد و بکار برد. باسیلوس سوبتلیس (B.Subtilis) در مواردی که هدف از کلون کردن تولید یک پروتئین خالص می‌باشد، بر E.Coli ترجیح دارد. زیرا خصوصیات تخمیری این باکتری برای تولیدات صنعتی مناسب تر است.

روشهای وارد کردن حاملها به داخل میزبان

ویروسها و باکتریوفاژها

برای ویروسها و باکتریوفاژها و همچنین DNA نوترکیب که در داخل کپسید ویروس ها قرار گرفته‌اند (کاسمیدها) روش ورود واضح است و همانند ورود معمولی ویروس ها در سلول های میزبان است.

• ترانسفورماسیون: برای این کار DNA نوترکیب را با باکتری مجاور می‌کنند. این روش یکی از متداولترین روشهای انتقال است.
  
  
• الکتروپوریشن: در این روش قطعات DNA را در یک محیط دارای بار الکتریکی در مجاورت سلولها قرار می‌دهند. بار الکتریکی باعث ایجاد منافذ ریز در غشای سیتوپلاسمی می‌شود که این خود باعث تسهیل ورود قطعات DNA به داخل سلول می‌گردد.
  
  
• تفنگ ذره‌ای یا تفنگ اسید نوکلئیک: در این روش دقیقا تنگی در مقیاس میکروسکوپی وجود دارد که گلوله آن قطعات DNA می‌باشد و DNA را به داخل سلول ، شلیک می‌کند.

پس از اینکه DNA نوترکیب ساخته شد و در داخل باکتری میزبان ، انتقال داده شد. حال نوبت به انتخاب کلونهای باکتریایی می‌رسد که DNA نوترکیب مورد نظر به داخل آن انتقال یافته و به نحو موثری در داخل آن بیان شود. 3 خصوصیت در بین حاملین مشترک است. قدرت تکثیر در میزبان ، محل ورود ژن خارجی و یک شاخص انتخابی.

شاخصهای انتخابی موجود بر روی حاملها

مقاومت به آنتی بیوتیکها

مقاومت به آنتی بیوتیکها معمولا یا بوسیله آنزیم هایی ایجاد می‌شود که باعث غیر فعال شدن آنتی بیوتیکها می‌شوند و یا با سنتز پروتئینهایی است که به روشهای مختلف باعث ممانعت از اثر آنتی بیوتیکها می‌شوند. هر دو نوع مکانیزم مقاومت فوق بوسیله قطعات ژنتیکی ، کنترل می‌شوند. این قطعات ژنتیکی را می‌توان در حاملها وارد کرد و از آنها به عنوان شاخصهای انتقال موثر استفاده کرد.

نیازهای متابولیزمی

نیازهای متابولیزمی طیف وسیعی از مواد مختلف را شامل می‌شود. برای این کار از گونه‌های خاص از میزبان استفاده می‌شود که تونایی ساختن یک ماده متابولیزمی ضروری از دست داده‌اند، در نتیجه این باکتریها بر روی محیطهای بدون این ماده متابولیزمی رشد ، نخواهد کرد. برای مثال اگر یک باکتری توانایی تولید اسید امینه لوسین را نداشته باشد. بر روی محیط فاقد لوسین رشد نخواهد کرد.

حال اگر ما از حاملی استفاده کنیم که حاوی ژن سنتز لوسین باشد، باکتریهای میزبان حاوی این حاملها بر روی محیط فاقد لوسین رشد خواهند کرد. پس از اینکه کلنی‌های حاوی ژن نوترکیب انتخاب و جدا شدند، این کلنی‌ها را به میزان دلخواه تکثیر می‌دهند و سپس ژن تکثیر شده را برای بررسیهای بعدی استخراج کرده قرار می‌دهند.

حاملهای بیان ژن (Expression Vector)

یک حامل بیان ژن حاصل است که نه تنها می‌توان از آن به عنوان حامل کلون استفاده کرد. بلکه این حامل دارای کی توالی تنظیمی می‌باشد که باعث می‌شود که بیان ژن مورد نظر تحت کنترل مهندسی ژنتیک قرار گیرد. یک حامل بیان ژن خوب باید دارای مشخصات زیرا باشد. هر چه قدر تعداد نسخه‌های یک ژن بیشتر باشد، میزان بیان آنها بیشتر خواهد بود. پلاسمیدها از این نظر مناسب هستند. قدرت آغازگری آن خوب باشد. الگوی خواندن آن مناسب باشد. بطور کلی وظیفه مهندسی ژنتیک ایجاد یک حامل مناسب است که بتوانند بطور موثری به داخل میزبان وارد شود به تعداد همانند سازی کند بطور موثر نسخه برداری شود - بطور موثر ترجمه شود.

كاربرد بيوتكنولوژي‌ در پزشكي‌ به‌ وسعت‌علم‌ پزشكي‌ بوده‌ و حتي‌ اين‌ علم‌ با سرعت‌ روزافزون‌ بر وسعت‌ و دامنه‌ علم‌پزشكي‌ مي‌افزايد.

كلونينگ‌انسان‌
از زماني‌ كه‌ دانشمندان‌ با ابداع‌ روش‌جديد همانندسازي‌ گوسفندي‌ بنام‌ دالي‌ را خلق‌ كردند اميدها و نگرانيهاي‌ زيادي‌در جوامع‌ انساني‌ بوجود آمد. بيوتكنولوژيستها توانستند با انتقال‌ محتواي‌ ژنتيكي‌يك‌ سلول‌ سوماتيك‌ به‌ يك‌ سلول‌ تخم‌ كه‌ محتواي‌ ژنتيكي‌ آن‌ تخليه‌ شده‌ بودبه‌ توليد موجوداتي‌ كاملاً مشابه‌ موجود دالي‌ دست‌ يابند. بازار اين‌ فناوري‌ درتكثير دام‌هايي‌ با خصوصيات‌ ويژه‌ مانند شير زياد يا گوشت‌ مناسب‌ بسيار گسترده‌است‌. با اينحال‌ كشيده‌ شدن‌ اين‌ بحث‌ به‌ همانندسازي‌ انسان‌ نگرانيهائي‌ را دركشورهاي‌ مختلف‌ بوجود آمده‌ است‌. موضوع‌ مرتبط‌ با اين‌ امر توليد موجودات‌ ياارگانهاي‌ انساني‌ از سلولهاي‌ ريشه‌اي‌ جنين‌ مي‌باشد كه‌ همانند كلونينگ‌ داراي‌ مخالفان‌ و موافقان‌ خاص‌ خود مي‌باشد.

دیدکلی

گویچه‌های قرمز خون حاوی مولکول پیچیده‌ای به نام هموگلوبین می‌باشد که هموگلوبین از یک قسمت پروتئینی به نام گلوبین و یک رنگدانه آهن‌دار به نام هِم تشکیل شده است. گلوبین مرکب از 4 زنجیره پلی پپتیدی است که به هر زنجیره یک پورفیرین آهن‌دار (هِم) متصل شده است. بر اساس نوع زنجیره‌های پلی پپتیدی سه نوع هموگلوبین (Hb) در انسان قابل تشخیص می‌باشد که شامل HbA₁₂ که 2% هموگلوبین افراد بالغ را تشکیل می‌دهد و گلوبین آن مرکب از دو زنجیره آلفا و دو زنجیره دلتا می‌باشد.

HbF که حدود 1% هموگلوبین بالغین را تشکیل می‌دهد و در ساختمان گلوبین آن دو زنجیره آلفا و دو زنجیره گاما شرکت دارند، است. HbF در دوره جنین ، هموگلوبین غالب می‌باشد و پس از تولد بوسیله HbA₁ جایگزین می‌گردد. یکی از راههای تخمین میزان گویچه‌های قرمز خون ، اندازه گیری مقدار هموگلوبین با استفاده از دستگاه اسپکترو فتومتر می‌باشد. در این روش که مقدار هموگلوبین برحسب گرم در دسی لیتر بیان می‌گردد. در مردان 18 - 14 گرم بر دسی لیتر و در زنان 16 - 12 گرم بر دسی لیتر می‌باشد.

نقش مولکول هموگلوبین

هموگلوبین به علت داشتن آهن که در حالت احیا شده می‌باشد، می‌تواند با اکسیژن و دی‌اکسید کربن ترکیب شده و به ترتیب اکسی هموگلوبین (oxyhemoglobin) و کربو آمینو هموگلوبین (carbaminohemoglobin) تشکیل دهد. با توجه به بالابودن فشار اکسیژن در ریه‌ها ، اکسی هموگلوبین در ریه‌ها تشکیل شده و پس از رسیدن به بافتها ، اکسیژن جدا شده و دی‌اکسید کربن CO₂ به آن متصل می‌گردد.

به این ترتیب امکان حمل اکسیژن از ریه‌ها به بافتها و دی‌اکسیدکربن از بافتها به ریه‌ها امکان‌پذیر می‌گردد. از طرف دیگر سطح بسیار زیاد گویچه‌های قرمز نسبت به حجم آنها (به علت داشتن شکل مقعرالطرفین) سبب تسریع و تسهیل اشباع هموگلوبین با اکسیژن در ریه‌ها می‌شود. علاوه بر انتقال اکسیژن توسط هموگلوبین ، این مولکول عمل دیگری نیز انجام می‌دهد و آن عبارت از تثبیت فشار اکسیژن در بافتها است.

تشکیل مولکول هموگلوبین

سنتز مولکول هموگلوبین در گلبولهای قرمز اولیه شروع می‌شود و تا زمانی که گلبول قرمز ، مغز استخوان را ترک می‌کند و وارد خون می‌شود، برای حدود یک روز به تشکیل مقادیر ناچیزی هموگلوبین ادامه می‌دهند. هر مولکول هم پس از تشکیل شدن با یک زنجیره پلی پپتیدی بسیار دراز موسوم به گلوبین که در ریبوزومها ساخته می‌شود، ترکیب شده و یکی از اجزا هموگلوبین موسوم به یک زنجیره هموگلوبین را تشکیل می‌دهد.

هر یک از این زنجیره‌ها دارای وزن مولکولی 16000 بوده و چهار عدد از آنها به نوبه خود بطور سست به یکدیگر متصل شده و مولکول کامل را می‌سازند. چون هر زنجیره یک گروه هم دارد، چهار اتم آهن در هر مولکول هموگلوبین وجود دارد که هر یک از آنها می‌تواند یک مولکول اکسیژن را حمل کند. هموگلوبین دارای وزن مولکولی 64458 دالتون است.

کم خونی داسی شکل

ناهنجاریهای زنجیره‌های هموگلوبین می‌تواند مشخصات فیزیکی مولکول هموگلوبین را تغییر دهد. به عنوان نمونه ، در آنمی داسی شکل ، اسید آمینه والین ، جایگزین اسید گلوتامیک در یک نقطه در هر یک از دو زنجیره بتا می‌شود. هنگامی که این نوع هموگلوبین در معرض فشار اکسیژن پایین قرار می‌گیرد، بلورهای درازی در داخل گویچه‌های سرخ تشکیل می‌دهد که گاهی 15 میکرومتر طول دارند. این بلورها عبور گویچه‌های سرخ از مویرگهای کوچک را تقریبا غیر ممکن می‌سازند و انتهای تیز و سرنیزه‌ای به احتمال زیاد غشاهای گویچه‌ای را پاره کرده و به این ترتیب منجر به آنمی داسی شکل می‌شوند.

تخریب هموگلوبین

عمر گویچه‌های قرمز خون حدود 120 روز می‌باشد و پس از پایان این مدت بوسیله ماکروفاژها در طحال ، کبد و مغز استخوان فاگوسیته می‌شوند. پس از فاگوسیته شدن گویچه قرمز ، بخش پروتئینی هموگلوبین به اسیدهای آمینه تجزیه می‌شود و آهن آزاد شده به پروتئینها متصل شده و به صورت هموسیدرین یا فریتین در داخل آنها ذخیره می‌شود و در مواقع لازم پس از حمل به مغز استخوان ، برای سنتز هموگلوبین جدید مورد استفاده قرار می‌گیرد. پورفیرین به بیلی‌روبین تبدیل و پس از حمل به کبد به صورت محلول در آمده و همراه صفرا دفع می‌گردد.

تحت شرایط ویژه‌ای نظیر قرار گیری در محلولهای هیپوتونیک و یا تحت تاثیر موادی مانند سم مار ، هموگلوبین از درون گویچه‌های قرمز خارج می‌گردد که این حالت را همولیز (hemolysis) می‌نامند. هموگلوبین ، پس از همولیز ، سرنوشتی مانند هموگلوبین گویچه‌های قرمز فاگوسیته شده پیدا می‌کند. به همین دلیل ، درصورتی که همولیز به حدی باشد که کبد قادر به دفع همه بیلی‌روبین تشکیل شده نباشد، یرقان پدید می‌آید که با توجه به علت پیدایش آن ، یرقان همولیتیک نامیده می‌شود.