جزوه رنگی و تایپ شده ایمنی زیستی
دکتر امیرعباس مینایی دانشگاه پیام نور دکتر خالقی علمی کاربردی دکتر حامد حداد کاشانی دانشگاه ازاد کاردانی کارشناسی ارشد استخدامی رشته
ً () : ( ). ً (-). (). ()
کند. (الف) ایجاد چشمهای ترکیبی بزرگ در مگس های میوه به ژنی به نام بی چشم (به نام فنوتیپ جهش یافته) احتیاج دارد. (ب) مگس با ژن های بدون چشم غیرفعال فاقد چشم هستند. ج) چشم های طبیعی انسان به ژن Pax6 ، همولوگ بی چشم نیاز دارد. (د) افرادی که عملکرد کافی Pax6 ندارند ، بیماری ژنتیکی آنیریدیا ، کمبود عنبیه چشم دارند. Pax6 و بدون چشم ، که فاکتورهای رونویسی اصلی بسیار مرتبطی را تنظیم می کنند که فعالیت سایر ژن ها را تنظیم می کنند ، هومولوگ هستند و احتمالاً از همان ژن اجدادی هستند. [بخشهای (الف) و (ب) با مجوز آندریاس هفتتی ، میکروسکوپ الکترونی بین دپارتمان (IEM) ، مرکز زیست دانشگاه بازل. قسمت (ج) سیمون فریزر / منبع علم. بخش (د) Mediscan / Alamy.]
ایمنی زیستی
بی مهرگان ، ماهی ها ، موش ها و موجودات دیگر به عنوان سیستم های تجربی برای مطالعه رشد انسانی و بیماری ها خدمت می کنند
ارگانیسم هایی با جنین های سلول بزرگ که در خارج از بدن مادران ایجاد می شوند (به عنوان مثال : قورباغه ها ، جوجه تیغی های دریایی ، ماهی ها و مرغ ها) برای ردیابی سرنوشت سلول ها به دلیل تشکیل بافت های مختلف و همچنین ساختن عصاره برای مطالعات بیوشیمیایی بسیار مفید هستند. به عنوان مثال : یک پروتئین کلیدی در تنظیم تقسیم سلولی در همه یوکاریوت ها از جمله انسان ، ابتدا در مطالعات با ستاره های دریا و جنین های خارپشت دریایی شناسایی شد و متعاقباً از عصاره های تهیه شده از این جنین ها خالص شد (به فصل 19 مراجعه کنید).
مطالعات سلول های موجود در بافت های تخصصی از موجودات زنده موجود در مدل حیوانات و گیاهان استفاده می کند. به عنوان مثال: سلول های عصبی و عضلانی ، به طور سنتی در پستانداران یا موجوداتی با سلول های بزرگ یا قابل دسترسی مانند ایمنی زیستی های عصبی غول پیکر ماهی مرکب و خرگوش دریایی یا سلول های موجود در ماهیچه های پرواز پرندگان مورد مطالعه قرار می گرفتند. اخیراً ، رشد ماهیچه ها و عصب ها به طور گسترده در مگس میوه (Drosophila melanogaster) ، کرم گرد (Caenorhabditis elegans) و ماهی گورخری (Danio rerio) مورد مطالعه قرار گرفته است که در آن جهش های ژن های مورد نیاز برای تشکیل عضله و عصب یا عملکرد به راحتی قابل جدا شدن هستند ( شکل 22-1 را ببینید).
موش ها یک مزیت عظیم نسبت به موجودات آزمایشی دیگر دارند: این حیوانات از هر حیوانی که سال ها رویکردهای ژنتیکی قدرتمندی در آن وجود داشته ، بیشترین ارتباط را با انسان دارند. موش ها و انسان ها از هزاران سال قبل ساختارهای مشترکی داشته اند ، سیستم عصبی و سیستم ایمنی مشابهی دارند و توسط بسیاری از عوامل بیماری زا یکسان در معرض عفونت قرار می گیرند. همانطور که اشاره شد ، هر دو موجود زنده تقریباً به همان تعداد ژن دارند و حدود 99 درصد از ژن های رمزگذار پروتئین موش دارای همولوگ در ژنوم انسان هستند و بالعکس.
با استفاده از تکنیک های DNA نوترکیبی که در چند سال گذشته ایجاد شده است ، محققان می توانند هر ژن مورد نظر را غیرفعال کنند و بنابراین تولید پروتئین رمزگذاری شده آن را از بین ببرند. چنین جهش های خاصی را می توان در ژنوم کرم ها ، مگس ها ، قورباغه ها ، جوجه تیغی های دریایی ، مرغ ها ، موش ها ، انواع گیاهان و ارگانیسم های دیگر وارد کرد و اجازه ارزیابی اثرات این جهش ها را می دهد. با استفاده از سیستم آزمایشی Cas9 که در فصل 6 توصیف شده است ، این روش به طور گسترده ای برای تولید نسخه های حیوانی بیماری های ژنتیکی انسان ، در موش ها و همچنین سایر حیوانات مورد استفاده قرار می گیرد. به عنوان مثال : افراد مبتلا به اختلال طیف اوتیسم غالباً جهش هایی در ژن های خاص رمزگذار پروتئین دارند. برای درک نقش این جهش ها ، این ژن ها در موش غیرفعال شده اند. در بسیاری از موارد ، موش ها علائمی از بیماری انسان را نشان می دهند ، از جمله اقدامات تکراری مانند نظافت بیش از حد ، به جزوه ایمنی زیستی نشان می دهد که جهش انسان در واقع نقشی در ایجاد این اختلال دارد. طی سال گذشته ، از تکنیک های مشابهی برای تولید میمون هایی استفاده شده است که ژن مورد نظر غیرفعال شده است. چنین رویکردهایی می توانند در کشف نقش ژن های خاص در وظایف مرتبه بالاتر مغز مانند یادگیری و حافظه ، یا در مطالعات ویروس هایی که فقط انسان ها و پستانداران غیرانسانی را آلوده می کنند ، مفید باشند. هنگامی که مدل های حیوانی یک بیماری انسانی در دسترس باشد ، می توان مطالعات بیشتری در مورد نقص مولکولی ایجاد کننده بیماری انجام داد و درمان های جدید را آزمایش کرد ، در نتیجه آزمایش داروهای جدید بر روی انسان به حداقل می رسد.
بیماری های ژنتیکی جنبه های مهم عملکرد سلول را فعال می کند
بسیاری از بیماری های ژنتیکی در اثر جهش در یک پروتئین ایجاد می شوند. مطالعات روی افراد مبتلا به این بیماری ها عملکرد طبیعی آن پروتئین ها را روشن می کند. به عنوان مثال : دیستروفی عضلانی دوشن (DMD) را در نظر بگیرید ، که شایع ترین بیماری در بین بیماری های ارثی عضلانی است که در مجموع دیستروفی عضلانی نامیده می شود. DMD ، یک اختلال پیوند کروموزوملیکس است که از هر 3300 پسر 1 نفر را درگیر می کند ، منجر به نارسایی قلبی یا تنفسی و مرگ می شود ، معمولاً در اواخر نوجوانی یا اوایل دهه بیست. اولین سرنخ برای درک اساس مولکولی این بیماری از آنجا کشف شد که افراد مبتلا به DMD جهش هایی در ژن رمزگذار پروتئینی به نام دیستروفین دارند. همانطور که در فصل 17 شرح داده شد ، بعدا مشخص شد که این پروتئین بسیار بزرگ یک پروتئین آداپتور سیتوزولی است که به رشته های اکتین که بخشی از اسکلت سلولی هستند متصل می شود (به شکل 13-1 مراجعه کنید) و به مجموعه ای از پروتئین های غشای پلاسمای عضله که سارکوگلیکان نامیده می شود. (شکل 1-31). مجموعه بزرگ پروتئین های بزرگ ، مجموعه گلیکوپروتئین دیستروفین (DGC) ، پروتئین لامینین ماتریکس خارج سلول را به اسکلت سلولی درون سلول های عضلانی پیوند می دهد. جهش در دیستروفین ، سایر اجزای DGC یا لامینین می تواند ارتباط بین واسطه و خارج سلول های عضلانی با واسطه DGC را مختل کرده و باعث ضعف عضلانی و مرگ نهایی شود. اولین مرحله در شناسایی کل مجموعه گلیکوپروتئین دیستروفین شامل شبیه سازی ژن رمزگذار دیستروفین با استفاده از DNA از افراد عادی و بیماران مبتلا به دیستروفی عضلانی دوشن است.
شکل 31-1 کمپلکس گلیکوپروتئین دیستروفین (DGC) در سلول های عضلانی اسکلتی. پروتئین دیستروفینت که در دیستروفی عضلانی دوشن معیوب است اسکلت سلولی اکتین را به مجموعه چند سلولی سارکوگلیکان در غشای پلاسما پیوند می دهد. جزوه ایمنی زیستی های دیگر موجود در این مجموعه به اجزای لایه پایه مانند لامینین متصل می شوند که به نوبه خود به الیاف کلاژن متصل می شوند که به لایه پایه قدرت و استحکام می دهند. بنابراین دیستروفین عضو مهمی از گروهی از پروتئین ها است که سلول عضلانی و اسکلت سلولی اکتین داخلی آن را با لایه بازایی اطراف آن پیوند می دهد. به D. E. Michele and K. P. Campbell، 2003، J. Biol مراجعه کنید. شیمی 278: 15457.
در فصل های زیر داده های تجربی زیادی ارائه شده است که توضیح می دهد ما درباره ساختار و عملکرد سلول چه می دانیم در فصل های بعدی این کتاب ، ما در مورد فرآیندهای سلول با جزئیات بیشتری بحث می کنیم. ما (در فصل 2) با بحث در مورد ماهیت شیمیایی عناصر سازنده سلول ها و فرآیندهای شیمیایی اساسی مورد نیاز برای درک فرآیندهای ماکرومولکولی بحث شده در فصل های بعدی شروع می کنیم. در ادامه درباره ساختار و عملکرد پروتئین ها بحث خواهیم کرد (در فصل 3). در فصل 4 بسیاری از تکنیک های زیست شناسان برای کشت و تقسیم سلول ها و تجسم پروتئین ها و ساختارهای خاص درون سلول ها مورد بحث قرار گرفته است. در فصل 5 چگونگی تکثیر DNA ، نحوه کپی قطعات DNA در RNA و نحوه سنتز پروتئین در ریبوزوم ها توضیح داده شده است. در فصل 6 بسیاری از تکنیک های مورد استفاده برای مطالعه ژن ها ، بیان ژن ها و عملکرد پروتئین ها از جمله تولید حیوانات با جهش های ژنتیکی خاص شرح داده شده است. ساختار بیومبران موضوع فصل 7 است. ساختار ژن و کروموزوم و تنظیم بیان ژن در فصل 8 ، 9 و 10 توضیح شده است. انتقال یون ها و مولکول های کوچک از طریق غشاها در فصل 11 آمده است و در فصل 12 بحث سلول انرژی و عملکرد میتوکندری و کلروپلاست – سایپرز ، باشگاه دانش بیوژنز غشایی ، ترشح پروتئین و قاچاق پروتئین جهت هدایت پروتئین ها به سمت مقصد صحیح آنها در سلول ها موضوعات فصل های 13 و 14 است. در فصل های 15 و 16 انواع مختلف سیگنال ها و گیرنده های سیگنال مورد استفاده سلول ها برای برقراری ارتباط و تنظیم فعالیت های آنها مورد بحث قرار می گیرد. اسکلت سلولی و حرکات سلولی در فصل 17 و 18 جزوه ایمنی زیستی شده است. در فصل 19 چرخه سلولی و چگونگی تنظیم تقسیم سلول بحث شده است. فعل و انفعالات بین سلول ها و ماتریکس خارج سلولی که امکان تشکیل بافت ها و اندام ها را فراهم می کند ، در فصل 20 شرح داده شده است. در فصل های بعدی کتاب ، انواع مهم سلول ویژه (فصل 21) ، نورون ها (فصل 22) و سلولهای سیستم ایمنی بدن (فصل 23)بیان شده است. در فصل 24 ، سرطان و چندین روش که رشد و تمایز سلول در اثر جهش ها تغییر می یابد ، مورد بحث قرار می گیرد.
خلاصه کتاب ایمنی زیستی
ستاره دیوید کاتنان. دو حلقه سه گانه در هم آمیخته از كربن ، هیدروژن و ازت از طریق یك مسیر مصنوعی پیچیده شیمیایی با یكدیگر پیوند داده شده اند تا شش بار از یكدیگر عبور كرده و یك هگزاگرام (ستاره شش پر) ایجاد كنند. ساختار شیمیایی در سمت چپ نشان داده شده است ، جایی که دو حلقه مستقل به رنگ آبی و نارنجی هستند. در سمت راست ، ساختار سه بعدی با کریستالوگرافی اشعه ایکس با اتمهای کربن یک حلقه به رنگ آبی و دیگری با رنگ خاکستری روشن مشخص شده است. آهن ها صورتی و نیتروژن ها بنفش هستند. در مرکز آن یک هگزافلورید فسفر با بار منفی غیر هم ظرفی قرار دارد (فیروزه ای و سبز). به D. A. Leigh ، R. G. Pritchard و A. J. Stephens ، 2014 ، Nature Chem مراجعه کنید.
عمر یک سلول به هزاران فعل و انفعالات شیمیایی و واکنش هایی بستگی دارد که تحت تأثیر دستورالعمل های ژنتیکی سلول ها و محیط آن ، از نظر زمانی و مکانی با یکدیگر هماهنگ هستند. با درک این فعل و انفعالات و واکنش ها در سطح مولکولی ، می توانیم به سوالات اساسی در مورد زندگی سلولی جزوه ایمنی زیستی دهیم: چگونه یک سلول مواد جزوه نانو مواد و اطلاعات را از محیط خود استخراج می کند؟ چگونه سلول انرژی ذخیره شده در مواد مغذی را به کار حرکت یا متابولیسم تبدیل می کند؟ چگونه یک سلول مواد مغذی را به اجزای سلولی مورد نیاز بقای خود تبدیل می کند؟ چگونه سلول خود را به سلول های دیگر پیوند می دهد تا بافت ایجاد کند؟ چگونه سلول ها با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند تا یک ارگانیسم پیچیده و با عملکرد کارآمد بتواند رشد کند؟ یکی از اهداف زیست شناسی سلول های مولکولی پاسخ به این سوالات و سوالات دیگر در مورد ساختار و عملکرد سلول ها و ارگانیسم ها از نظر خواص تک مولکول ها و یون ها است.
به عنوان مثال : خواص یکی از این مولکول ها ، آب ، کنترل تکامل ، ساختار و عملکرد همه سلول ها است. درک زیست شناسی بدون درک اینکه چگونه خصوصیات آب شیمی زندگی را کنترل می کنند ، ممکن نیست. زندگی ابتدا در یک محیط آبکی به وجود آمد. آب70-80 درصد بیشتر سلول ها را تشکیل می دهد ، آب فراوان ترین مولکول در سیستم های بیولوژیکی است. در این محیط آبی است که مولکول ها و یون های کوچک ، که حدود 7 درصد از وزن ماده زنده را تشکیل می دهند ، در ماکرومولکول های قوچ و مجامع ماکرومولکولی که ماشین آلات و معماری سلول ها و در نتیجه جرم باقی مانده موجودات را تشکیل می دهند ، ترکیب می شوند. این مولکول های کوچک شامل اسیدهای آمینه (عناصر سازنده پروتئین ها) ، نوکلئوتیدها (اجزای سازنده DNA و RNA) ، لیپیدها (عناصر سازنده غشای زیستی) و قندها (عناصر سازنده کربوهیدرات های پیچیده) هستند.
شکل 2-1 شیمی زندگی: چهار مفهوم کلیدی. (الف) مکمل مولکولی در قلب همه اثرات متقابل بیومولکولی نهفته است (به بخش 2.1 مراجعه کنید) ، مانند زمانی که دو پروتئین با اشکال مکمل و خصوصیات شیمیایی در کنار هم قرار می گیرند و یک مجموعه کاملاً پیوند خورده را تشکیل می دهند. (ب) مولکول های کوچک به عنوان بلوک های سازه های بزرگتر عمل می کنند (بخش 2.2 را ببینید). به عنوان مثال : برای تولید DNA ماکرومولکول حامل اطلاعات ، چهار بلوک جزوه ایمنی زیستی کوچک نوکلئوتیدی به صورت کووالانسی به رشته های طولانی (پلیمرها) متصل می شوند ، سپس آن ها به دور یکدیگر می پیچند و مارپیچ دوتایی را تشکیل می دهند. (ج) واکنش های شیمیایی برگشت پذیر هستند و توزیع مواد شیمیایی بین واکنش دهنده های شروع (چپ) و محصولات واکنش (راست) به سرعت ثابت های جلو(k_f پیکان بالا) و معکوس (k_r، پیکان پایین) بستگی دارد . واکنش ها نسبت این ها ، k_qe، اندازه گیری آموزنده ای از مقادیر نسبی محصولات و واکنش دهنده هایی است که در تعادل وجود خواهد داشت (بخش 2.3 را ببینید). (د) در بسیاری از موارد ، منبع انرژی واکنش های شیمیایی در سلول ها ، هیدرولیز مولکول ATP است (به بخش 2.4 مراجعه کنید). این انرژی هنگامی آزاد می شود که پیوند فسفو هیدرید با انرژی بالا که فسفات های b و g را در مولکول ATP (قرمز) متصل می کند با افزودن یک مولکول آب شکسته و تشکیل ADP و Pi می دهد
. بسیاری از مولکول های زیستی سلول ها (مانند قندها) به راحتی در آب حل می شوند. این مولکول ها آب دوست نامیده می شوند. برخی دیگر (مانند کلسترول) مواد روغنی مانند چربی هستند که از آب دوری می کنند. گفته می شود این مولکول ها آبگریز هستند (ترس از آب). هنوز مولکول های زیستی دیگر (مانند فسفولیپیدها) حاوی مناطق آب دوست و آبگریز هستند. گفته می شود که این مولکول ها آمفیپاتیک یا آمفیفلیک هستند (هر دو دوست دارند). عملکرد روان سلول ها ، بافت ها و ارگانیسم ها به کلیه این مولکول ها از کوچکترین تا بزرگترین آنها بستگی دارد. در واقع ، شیمی پروتون ساده (H^+) می تواند برای بقای سلول انسانی به اندازه هر مولکول غول پیکر DNA مهم باشد (جرم مولکول DNA در کروموزوم 1 انسان 6.8 * 〖10〗^10برابر پروتون است!) . اثر متقابل شیمیایی تمام این مولکول های بزرگ و کوچک با آب و با یکدیگر ماهیت زندگی را تعریف می کنند.
خوشبختانه ، اگرچه بسیاری از انواع مولکول های زیستی در مسیرهای متعدد و پیچیده ای برای ایجاد سلول های عملکردی و ارگانیسم ها با یکدیگر تعامل و واکنش نشان می دهند ، اما برای درک فرآیندهای سلولی در سطح مولکولی ، تعداد نسبتاً کمی اصول شیمیایی لازم است (شکل 2-1) در این فصل ، این اصول کلیدی را مرور می کنیم ، برخی از آنها را به خوبی می دانید. ما با پیوندهای کووالانسی که اتم ها را به مولکول ها متصل می کند و اثرات متقابل غیرکووالانسی که گروه های اتم را درون و بین مولکول ها تثبیت می کنند ، شروع می کنیم. سپس ما عناصر اساسی شیمیایی ساخت ماکرومولکول ها و مجموعه های ماکرومولکولی را در نظر می گیریم. پس از بررسی جنبه های تعادل شیمیایی که جزوه ایمنی زیستی ارتباط را با سیستم های بیولوژیکی دارند ، فصل را با اصول اساسی انرژی بیوشیمیایی ، از جمله نقش مرکزی ATP (آدنوزین تری فسفات) در گرفتن و انتقال انرژی در متابولیسم سلولی به پایان می رسانیم.
2.1 پیوند کووالانسی و تعاملات غیرکوالانسی
نیروهای جذاب و ضعیف بین اتم ها چسبی است که مولکول های منفرد را در کنار هم نگه می دارد و برهم کنش بین مولکول های مختلف را امکان پذیر می کند. وقتی دو اتم یک جفت الکترون مشترک دارند ، نتیجه یک نوع نیرومند باند کووالانسی است که اتم ها را در مولکول ها نگه می دارد. به اشتراک گذاری چندین جفت الکترون منجر به پیوندهای کووالانسی متعدد می شود (به عنوان مثال پیوندهای دو یا سه گانه). نیروهای جذاب ضعیف اثرات متقابل غیرتوسطی در تعیین خصوصیات و عملکرد مولکول های زیستی مانند پروتئین ها ، اسیدهای نوکلئیک ، کربوهیدرات ها و لیپیدها به همان اندازه مهم هستند. در این بخش ، ما ابتدا پیوندهای کووالانسی را بررسی می کنیم و سپس چهار نوع عمده اثرات متقابل غیر کووالانسی را مورد بحث قرار می دهیم: پیوندهای یونی ، پیوندهای هیدروژنی ، تعاملات ون دروالس و اثر آبگریزی.
ساختار الکترونیکی یک اتم تعداد و هندسه پیوندهای کووالانسی را که می تواند ایجاد کند تعیین می کند
هیدروژن ، اکسیژن ، کربن ، نیتروژن ، فسفر و گوگرد فراوان ترین عناصر در مولکول های بیولوژیکی هستند. این اتم ها که به ندرت به عنوان موجوداتی جدا شده وجود دارند ، با استفاده از الکترون در بیرونی ترین اوربیتال های الکترونی که هسته های آنها را احاطه کرده اند ، به راحتی پیوندهای کووالانسی تشکیل می دهند (شکل 2-2) به طور معمول ، هر نوع اتم تعداد مشخصی پیوند کووالانسی با سایر اتم ها تشکیل می دهد. این پیوندها دارای هندسه کاملاً مشخصی هستند که با توجه به اندازه اتم ها و هم از طریق توزیع الکترون در اطراف هسته و هم از طریق تعداد الکترون هایی که می تواند به اشتراک بگذارد تعیین می شود. در بعضی موارد ، تعداد پیوندهای کووالانسی پایدار که یک اتم می تواند ایجاد کند ثابت است. به عنوان مثال : کربن همیشه چهار پیوند کووالانسی تشکیل می دهد. در موارد دیگر ، تعداد مختلف پیوندهای کووالانسی پایدار امکان پذیر است. به عنوان مثال : گوگرد می تواند دو ، چهار یا شش پیوند کووالانسی پایدار ایجاد کند.
تمام بلوک های سازنده بیولوژیکی در اطراف اتم کربن ، که چهار پیوند کووالانسی تشکیل می دهد ، سازمان یافته اند. در این مولکول های زیستی آلی ، هر کربن معمولاً به سه یا چهار اتم دیگر پیوند می خورد. [کربن همچنین می تواند به دو اتم دیگر پیوند یابد ، مانند مولکول خطی دی اکسید کربن 〖co〗_2، که دارای دو پیوند دوگانه اکسیژن کربن است (□(o= ) □(c=o)). با این حال ، چنین آرایش پیوندهای کربن در بلوک های سازنده بیولوژیکی یافت نمی شود.] همانطور که در شکل 2-3aبرای فرمالدئید نشان داده شده است ، کربن می تواند به سه اتم پیوند یابد ، همه در یک صفحه مشترک. اتم کربن دو پیوند منفرد با دو اتم و یک پیوند دوتایی (دو جفت الکترون مشترک) با اتم سوم تشکیل جزوه ایمنی زیستی دهد. در غیاب محدودیت های دیگر ، اتم های متصل به یک پیوند واحد می توانند آزادانه در مورد محور پیوند بچرخند ، در حالی که کسانی که با پیوند دوگانه متصل شده اند
-(〖〗^) (-). () () (-). ً ً ً
فهرست مطالب