فامتن: کتابچهٔ راهنمای پنهان یاخته
فامتن دقیقاً چیست و در کجا قرار دارد؟
تصور کنید یک کتابخانهٔ بسیار بزرگ در مرکز فرماندهی یک شهر (یاخته) وجود دارد. فامتن همان کتابهای ارزشمند این کتابخانه است که تمام دستورالعملهای ساختن و ادارهٔ شهر در آن نوشته شده است. این مولکول بلند و مارپیچ، بیشتر در هستهٔ یاخته (مرکز فرماندهی) نگهداری میشود. اما در یاختههای گیاهی و جانوری، اندامکهای دیگری مانند میتوکندری3 و کلروپلاست4 نیز مقدار کمی فامتن مخصوص به خود دارند.
برای سازماندهی این حجم عظیم اطلاعات، رشتههای بلند فامتن به دور پروتئینهایی به نام هیستون5 پیچیده میشوند و ساختارهای فشردهای به نام کروموزوم6 را تشکیل میدهند. تعداد کروموزومها در هر گونه ثابت است. مثلاً انسان 46 کروموزوم (23 جفت) و مگس سرکه 8 کروموزوم دارد.
| نوع یاخته | محل اصلی فامتن | توضیح |
|---|---|---|
| جانوری (مثلاً انسان) | هسته و میتوکندری | اکثر فامتن در هسته است. میتوکندری فامتن کمی دارد که برای کارکرد خودش ضروری است. |
| گیاهی (مثلاً لوبیا) | هسته، کلروپلاست و میتوکندری | گیاهان علاوه بر هسته و میتوکندری، در کلروپلاستهای خود نیز فامتن دارند. |
| باکتری7 | سیتوپلاسم (ناحیهای به نام ناحیهٔ نوکلئوئیدی) | باکتری هستهٔ واقعی ندارد. فامتن آن به صورت یک حلقه در سیتوپلاسم شناور است. |
ساختار مولکولی فامتن: نردبان پیچیدهای از بازهای آلی
فامتن یک پلیمر8 بلند است که از تکرار واحدهایی به نام نوکلئوتید9 ساخته شده است. هر نوکلئوتید خود از سه بخش تشکیل میشود:
- یک قند پنجکربنه به نام دئوکسیریبوز10.
- یک گروه فسفات.
- یک باز نیتروژنی11. چهار نوع باز نیتروژنی اصلی وجود دارد: A (آدنین12)، T (تیمین13)، G (گوانین14) و C (سیتوزین15).
این نوکلئوتیدها مانند دانههای یک گردنبند به هم متصل میشوند و دو رشتهٔ بلند را تشکیل میدهند. این دو رشته مانند یک نردبان مارپیچ (مارپیچ دوگانه) به دور هم میپیچند. پلههای این نردبان از جفت شدن بازها ساخته میشوند. قاعدهٔ جفت شدن پایهها همیشه ثابت است: A فقط با T و G فقط با C جفت میشوند. این قاعدهٔ مکملی16 کلید کپیبرداری و انتقال اطلاعات است.
این جفت شدن با پیوندهای شیمیایی خاصی به نام پیوند هیدروژنی17 انجام میشود. بین A و T دو پیوند هیدروژنی و بین G و C سه پیوند هیدروژنی برقرار است. فرمول سادهای برای این قاعده به صورت زیر است:
از فامتن تا پروتئین: چگونه دستورالعملها اجرا میشوند؟
اطلاعات در فامتن به صورت ترتیب خاصی از بازها (مثلاً ...A T C G) کدگذاری شده است. یک بخش معنیدار از فامتن که دستور ساخت یک مولکول خاص (معمولاً یک پروتئین) را میدهد، یک ژن18 نامیده میشود. فرایند استفاده از این دستورالعمل دو مرحلهٔ اصلی دارد:
۱. رونویسی19: در این مرحله، اطلاعات ژن از روی فامتن کپی میشود. اما این کپی مستقیماً از جنس فامتن نیست، بلکه مولکولی مشابه به نام RNA20 پیامرسان (mRNA) ساخته میشود. mRNA پیام را از هسته خارج کرده و به سیتوپلاسم میبرد.
۲. ترجمه21: در سیتوپلاسم، اندامکی به نام ریبوزوم22، رمز mRNA را میخواند. هر سه باز متوالی روی mRNA (مثلاً A U G) یک کدون23 نام دارد که معادل یک اسید آمینهٔ خاص است. ریبوزوم این اسیدهای آمینه را به ترتیب مشخص به هم متصل میکند تا در نهایت یک زنجیرهٔ پروتئینی کامل ساخته شود.
پروتئینها مولکولهای کاری یاخته هستند. آنزیمها (که واکنشهای شیمیایی را سرعت میبخشند)، آنتیبادیها (که از بدن دفاع میکنند)، و فیبرهای ماهیچهای همه نمونههایی از پروتئینها هستند. بنابراین، فامتن با تعیین نوع پروتئینها، در نهایت تمام صفات یک موجود زنده از رنگ چشم تا قد را کنترل میکند.
| مرحله | محل وقوع | نتیجه | مثال (کدون) |
|---|---|---|---|
| رونویسی | هسته | ساخت mRNA از روی ژن | فامتن: A T G → mRNA: A U G |
| ترجمه | ریبوزوم (در سیتوپلاسم) | ساخت زنجیرهٔ پلیپپتیدی از روی mRNA | mRNA: A U G → اسید آمینه: متیونین |
کاربردهای عملی فهم ساختار فامتن در زندگی روزمره
شناخت فامتن فقط یک موضوع درسی نیست. امروزه این دانش کاربردهای گسترده و ملموسی دارد:
- پزشکی و تشخیص بیماریها: بسیاری از بیماریها مانند سرطان، فیبروز کیستی یا برخی بیماریهای قلبی، ریشه در تغییرات (جهش24) در فامتن دارند. با آزمایشهای ژنتیکی میتوان این تغییرات را شناسایی و برای پیشگیری یا درمان بهتر اقدام کرد.
- تولید دارو و واکسن: واکسنهای نسل جدید (مانند برخی واکسنهای کووید-۱۹) با استفاده از فناوریهایی ساخته میشوند که مستقیماً بر پایهٔ mRNA یا دستکاری فامتن کار میکنند.
- کشاورزی و تولید محصولات تراریخته25: با وارد کردن ژنهای مفید از یک گونه به گونهٔ دیگر، گیاهانی تولید میشوند که در برابر آفات مقاومتر، با بازدهی بیشتر یا غنیشده با ویتامینهای خاص هستند.
- تعیین هویت و باستانشناسی: از آنجایی که فامتن هر فرد (به جز دوقلوهای همسان) منحصر به فرد است، از آن در آزمایشهای پدری، شناسایی مجرمان در صحنهٔ جرم و حتی شناسایی بقایای اجساد در باستانشناسی استفاده میشود.
- پرورش دام و طیور: دامداران با انتخاب حیواناتی که ژنهای برتری برای تولید شیر بیشتر یا گوشت با کیفیتتر دارند، نسلهای بعدی را بهبود میبخشند.
مثلاً، دانشمندان با انتقال ژن تولیدکنندهٔ یک سم طبیعی از یک باکتری به گیاه پنبه، نوعی پنبه تولید کردهاند که کرم غوزهخوار نمیتواند به آن آسیب بزند. این کار نیاز به استفاده از سموم شیمیایی مضر را کاهش داده است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر. اگرچه تقریباً همهٔ یاختههای بدن یک فرد از یک تخمک بارورشده منشأ گرفتهاند و فامتن اولیهٔ یکسانی دارند، اما ممکن است با تقسیم یاختهای و گذر زمان، تغییرات کوچکی (جهش) در برخی یاختهها رخ دهد. همچنین، فامتن موجود در میتوکندری با فامتن هسته متفاوت است. تفاوت اصلی بین افراد در ترتیب بازهای فامتن است، نه در ساختار کلی آن.
لزوماً نه. تعداد ژنها یا مقدار فامتن همیشه معیار پیچیدگی نیست. مثلاً گیاه ذرت یا نوعی پروتئینآبزی کوچک به نام آمیب دوبیوس، فامتن بسیار بیشتری از انسان دارند. بخش زیادی از فامتنهای موجودات پیچیده (از جمله انسان) «فامتن ناکارا»26 است که مستقیماً رمز پروتئین نیست اما ممکن است وظایف تنظیمی داشته باشد.
زیرا در فرایند تولید گامت (سلولهای جنسی: اسپرم و تخمک)، فامتن والدین به طور تصادفی با هم مخلوط میشود (پدیدهٔ «تقاطع27» و «تقسیم مستقل28» کروموزومها). بنابراین، هر گامت ترکیب منحصربهفردی از ژنهای پدر و مادر را دریافت میکند. ترکیب این دو مجموعهٔ منحصربهفرد در لقاح، باعث ایجاد فردی کاملاً جدید با ترکیبی نو از صفات میشود.
پاورقی
1 فامتن (DNA): مخفف عبارت انگلیسی DeoxyriboNucleic Acid به معنای اسید دئوکسیریبونوکلئیک.
2 پروتئین (Protein): مولکولهای درشتی که از به هم پیوستن اسیدهای آمینه ساخته میشوند و وظایف ساختاری، کاتالیزوری و... در یاخته دارند.
3 میتوکندری (Mitochondrion): اندامک مسئول تولید انرژی در یاخته.
4 کلروپلاست (Chloroplast): اندامک مسئول فتوسنتز در یاختههای گیاهی.
5 هیستون (Histone): پروتئینهای پایه که فامتن به دور آنها میپیچد.
6 کروموزوم (Chromosome): ساختار فشردهشدهٔ فامتن و پروتئینهای همراه آن.
7 باکتری (Bacteria): موجودات زندهٔ تکیاختهای بدون هستهٔ واقعی.
8 پلیمر (Polymer): مولکول بزرگی که از تکرار واحدهای کوچک مشابه ساخته شده.
9 نوکلئوتید (Nucleotide): واحد سازندهٔ فامتن و RNA.
10 دئوکسیریبوز (Deoxyribose): نوعی قند پنجکربنه در ساختار فامتن.
11 باز نیتروژنی (Nitrogenous Base): ترکیب حلقوی حاوی نیتروژن که بخش اطلاعاتی نوکلئوتید است.
12 آدنین (Adenine).
13 تیمین (Thymine).
14 گوانین (Guanine).
15 سیتوزین (Cytosine).
16 قاعدهٔ مکملی (Complementary Base Pairing Rule).
17 پیوند هیدروژنی (Hydrogen Bond).
18 ژن (Gene): بخشی از فامتن که حاوی اطلاعات برای ساخت یک مولکول عملکردی (معمولاً پروتئین) است.
19 رونویسی (Transcription).
20RNA (RiboNucleic Acid): اسید ریبونوکلئیک، مولکولی شبیه فامتن که اغلب تکرشتهای است.
21 ترجمه (Translation).
22 ریبوزوم (Ribosome): اندامک مسئول ساخت پروتئینها.
23 کدون (Codon): سه نوکلئوتید متوالی روی mRNA که یک اسید آمینهٔ خاص یا علامت شروع/پایان را مشخص میکند.
24 جهش (Mutation): هرگونه تغییر در توالی نوکلئوتیدی فامتن.
25 تراریخته (Transgenic): موجود زندهای که ژنی از گونهٔ دیگر به فامتن آن منتقل شده.
26 فامتن ناکارا (Non-coding DNA).
27 تقاطع (Crossing Over): تبادل قطعاتی بین کروموزومهای همتا در طول تقسیم میوز.
28 تقسیم مستقل (Independent Assortment): توزیع تصادفی کروموزومهای همتا به سلولهای دختر در میوز.
