نخستین وبسایت تربیت بدنی وعلوم ورزشی

betrool

ساختار و عملکرد سلول (بخش چهارم) مروری بر متابولیسم سلول

مروری بر متابولیسم سلول

متابولیسم سلول عبارت از مجموع کلیه واکنش های کاتابولیک ( تجزیه ) و آنابولیک ( ساخت ) در سلول می باشد. تجزیه مولکول های غذایی نظیر کربوهیدرات ها، لیپید ها و پروتئین ها منجر به آزاد شدن انرژی می شود که برای ساخت ATP مورد استفاده قرار می گیرد. هر مولکول ATP محتوی مقداری انرژی است که در ابتدا در پیوند های شیمیایی مولکول های غذایی ذخیره شده بود. مولکول های ATP بسته های کوچک تر انرژی هستند که هنگامی که آزاد شوند می توانند برای به راه انداختن سایر واکنش های شیمیایی یا فرایند هایی نظیر انتقال فعال مورد استفاده قرار گیرند.

تولید ATP توسط مجموعه ای از واکنش های شیمیایی در سیتوزول و در داخل میتوکندری انجام می شود. انرژی مولکول های مواد غذایی به وسیله یک شیوه کنترل شده به ATP منتقل می شود. اگر انرژی مولکول های مواد غذایی به یک باره آزاد می شد سلول بی اغراق می سوخت. تجزیه گلوکز از قندی هم چون شکلات، برای نشان دادن تولید ATP از مولکول های مواد غذایی استفاده می شود. پس از آن که گلوکز به درون سلول منتقل شد یک سری واکنش در داخل سیتوزول به انجام می رسد. این واکنش های شیمیایی را مجموعا˝ گلیکولیز می خوانند که گلوکز را به اسید پیروویک تبدیل می کند. اسید پیروویک می تواند مسیر های بیوشیمیایی مختلفی را طی کند که بستگی به حضور اکسیژن دارد.

تنفس هوازی هنگامی انجام می شود که اکسیژن در دسترس باشد. مولکول های اسید پیروویک وارد میتوکندری شده و از طریق مجموعه واکنش های شیمیایی دیگری که مجموعا˝ چرخه اسید سیتریک و زنجیر انتقال الکترون خوانده می شوند به دی اکسید کربن و آب تبدیل می شوند. تنفس هوازی، از انرژی موجود در هر مولکول گلوکز، می تواند تا 38 مولکول ATP را تولید نماید.

چند نکته مهم در رابطه با تنفس هوازی را باید به خاطر سپرد. نخست آن که مقدار ATP تولید شده از طریق تنفس هوازی، برای حفظ واکنش های شیمیایی انرژی خواه در سلول های انسان مطلقا˝ ضروری است. دوم آن که تنفس هوازی به اکسیژن نیاز دارد زیرا آخرین واکنش شیمیایی که در تنفس هوازی رخ می دهد عبارت از ترکیب اکسیژن با هیدروژن جهت تشکیل آب می باشد. اگر این واکنش اتفاق نیفتد واکنش های پیش از آن روی نخواهد داد. این رویداد نشان می دهد که چرا تنفس اکسیژن برای ادامه زندگی ضروری است: بدون اکسیژن، تنفس هوازی قطع می شود و سلول ها نمی توانند برای ادامه زندگی به اندازه کافی ATP تولید کنند. نهایتا˝  در تنفس هوازی، اتم های کربن مولکول های غذا از یکدیگر جدا شده و دی اکسید کربن را تشکیل می دهند. بنابراین انسان ها دی اکسید کربن را از غذایی که خورده اند به وسیله تنفس به خارج می فرستند.

تنفس بی هوازی نیاز به حضور اکسیژن نداشته و شامل تبدیل اسید پیروویک به اسید لاکتیک است. به ازای هر مولکول گلوکز دو مولکول ATP دراین فرایند تولید می شود. تنفس بی هوازی نمی تواند به اندازه تنفس هوازی ATP تولید کند زیرا وقتی که سطح اکسیژن برای آن که تنفس هوازی همه ATP مورد نیاز را تامین کند خیلی کم باشد سلول ها نمی توانند برای مدت کوتاهی به عملکرد خود ادامه دهند. برای مثال در هنگام ورزش شدید، وقتی که تنفس هوازی از تامین اکسیژن ناتوان می شود تنفس بی هوازی می تواند چند ATP تامین کند.

سنتز پروتئین

ساختار و عملکرد طبیعی سلول بدون پروتئین ها غیر ممکن است، زیرا آن ها سیتواسکلتون و سایر عناصر ساختاری سلول ها را تشکیل داده و به عنوان مولکول های انتقالی،گیرنده ها و آنزیم ها عمل می کنند.

علاوه بر این، پروتئین های مترشحه از سلول ها وظایف حیاتی را بر عهده دارند: کلاژن یک پروتئین ساختاری است که انعطاف پذیری و قدرت بافت ها را تامین می کند، آنزیم ها، واکنش های شیمیایی هضم غذا در روده کوچک را کنترل می کنند و هورمون های پروتئینی فعالیت بسیاری از بافت ها را تنظیم می نمایند.

در نهایت، تولید همه پروتئین ها در بدن تحت کنترل DNA صورت می گیرد.  عناصر سازنده DNA عبارت از نوکلئوتید های دارای آدنین (A)، تیمین (T)، سیتوزین( C ) و گوانین  ( G ) می باشند. نوکلئوتیدها دو پایه آنتی پارالل نردبان شکل اسید های نوکلئیک را می سازند. واژه آنتی پارالل به این معناست که پایه های نردبان شکل موازی هستند اما در جهات متفاوت گسترش یافته اند. هر پایه دارای یک انتهای ʹ5 (فسفات) و یک انتهای ʹ3 (هیدروکسیل) می باشد. توالی قرار گرفتن نوکلئوتید ها در DNA، روشی برای ذخیره سازی اطلاعات می باشد. هر سه نوکلئوتید که به آن سه گانه می گویند، رمز یک اسید آمینه بوده، و اسید های آمینه عناصر سازنده پروتئین ها هستند. همه سه گانه های لازم برای رمز سنتز یک پروتئین خاص را ژن می گویند.

متابولیسم سلولی

تولید پروتئین ها از اطلاعات ذخیره در DNA شامل دو مرحله است: نسخه برداری و جابه جایی، که با یک تمثیل می توان آن را شرح داد. فرض کنید که یک آشپز دستورالعملی را می خواهد که فقط در کتاب مرجع موجود در کتابخانه وجود دارد و چون کتاب را نمی توان از آن جا خارج کرد، آشپز یک کپی دست نویس از دستورالعمل یا به عبارت دیگر نسخه برداری می کند. سپس در آشپزخانه اطلاعات موجود در دستورالعمل کپی شده برای تهیه غذا مورد استفاده قرار می گیرد. تغییرات انجام شده از یک شکل به شکل دیگر (از دستورالعمل به غذا) را جابه جایی یا تغییر جا می گویند. در این تمثیل، DNA همان کتاب مرجع است که دستورالعمل های زیادی برای ساخت پروتئین های گوناگون دارد. البته مولکول DNA آنقدر بزرگ است که نمی توان برای رفتن به طرف ریبوزوم ها (آشپزخانه) که پروتئین ها در آن جا ساخته می شوند از پاکت هسته ای عبور کند. همان طور که کتاب مرجع در کتابخانه همیشه اقامت دارد، DNA نیز در سلول باقی می ماند. از این رو، سلول به وسیله نسخه برداری یک کپی از اطلاعات DNA (دستورالعمل) که برای ساخت پروتئین های ویژه (غذا) ظروری است بر می­دارد. این نسخه که به آن RNA پیام بر (mRNA) می گویند، از هسته به طرف ریبوزوم ها حرکت می کند و در آن جا اطلاعات نسخه برای ساخت پروتئین استفاده می شود ( یعنی تغییر جا دادن). البته برای تبدیل یک دستورالعمل به صورت غذا، مواد واقعی باید وجود داشته باشند. مواد لازم برای سنتز پروتئین، اسید های آمینه هستند. مولکول های اختصاصی انتقال دهنده موسوم به RNA ناقل (tRNA)، اسید های آمینه را به ریبوزوم منتقل می کنند. به طور خلاصه، سنتز پروتئین ها شامل نسخه برداری، تهیه نسخه ای از بعضی از اطلاعات ذخیره شده در DNA و جابه جایی، یعنی تبدیل اطلاعات نسخه برداری شده به صورت پروتئین می باشد. جزئیات نسخه برداری و جابه جایی در ادامه بحث خواهند شد.

نسخه برداری   

نسخه برداری عبارت از سنتز mRNA بر اساس توالی نوکلئوتید ها در DNA می باشد. در این جریان، پایه های دو گانه نردبان مانند DNA از هم جدا شده و یکی از آن ها به عنوان یک قالب عمل می کند و نوکلئوتید های RNA با نوکلئوتید های DNA قالب جفت می شوند. نوکلئوتیدها مطابق با قانون ذیل با یکدیگر جفت می شوند : آدنین با تیمین یا اوراسیل جفت می شود و سیتوزین با گوانین جفت می شود. DNA دارای تیمین است ولی در RNA اوراسیل جای تیمین را می گیرد. در نتیجه نوکلئوتید های آدنین، تیمین، سیتوزین و گوانین DNA به ترتیب با اوراسیل آدنین، گوانین و سیتوزین mRNA جفت می شوند.

این ارتباط جفت شونده بین نوکلئوتید ها از نسخه برداری صحیح اطلاعات DNA توسط آنزیم های mRNA اطمینان ایجاد می کند. نوکلئوتید های RNA توسط واکنش های دهیدراسیون که توسط آنزیم های RNA پلیمراز کاتالیز می شوند، برای تشکیل بخش طویل RNA پیام بر، ترکیب می شوند. امتداد یافتن همه اسیدهای نوکلئوتید، هم DNAو هم RNA در جهت شیمیایی یک سان روی می دهد. از انتهای ʹ5 به طرف انتهای ʹ3 مولکول. مولکول RNA پیام بر یا پیک دارای اطلاعات لازم برای تعیین توالی اسیدهای آمینه در یک پروتئین می باشد. این اطلاعات که به آن رمزهای ژنتیک می گویند در گروه های نوکلئوتید سه گانه موسوم به کودون ها حمل می شود.

تعداد و توالی کودون ها در RNA پیک از طریق تعداد و توالی مجموعه نوکلئوتیدهای سه گانه در بخش هایی از DNA که نسخه برداری شده اند تعیین می شود. برای مثال رمز سه گانه CTA در DNA موجب کودون GAU در RNA پیک می شودکه رمز های متعلق به اسید اسپارتیک می باشد. هر کودون برای یک اسید آمینه خاص رمز دارد. 64 کودون احتمالی برای RNA پیک وجود دارد اما فقط 20 اسید آمینه سازنده پروتئین ها هستند. در نتیجه رمز ژنتیک بسیار زیاد است زیرا بیش از یک رمز کودون برای بعضی از اسید های آمینه وجود دارد. برای مثال CGA، CGG، CGT، CGC رمز های اسید آمینه آلانین وUUU، UAC هر دو رمز های فنیل آلانین می باشند. برخی از کودون ها رمزی برای اسید آمینه ندارند، اما وظایف دیگری را انجام می دهند.  AUG   و  گاهی  اوقات GUGبه عنوان سیگنال هایی برای شروع نسخه برداری از کشش DNA به RNA عمل می کند. سه کدون UAA، UGA و UAG به عنوان سیگنال هایی برای توقف نسخه برداری از DNA به RNAعمل می کنند.

بخشی از مولکول DNA بین کودون آغاز کننده نسخه برداری و کودون توقف نسخه برداری در داخل قطعه RNA نسخه برداری شده و به آن واحد نسخه برداری می گویند. واحد نسخه برداری رمز یک پروتئین یا بخشی از یک پروتئین است. اختصاصی وبسایت تربیت بدنی واحد نسخه برداری حتما˝ یک ژن نیست. ژن یک واحد عملی است و برخی از ژن های تنظیم کننده رمز پروتئین ها نسیتند. تعریف مولکولی یک ژن عبارت از همه توالی های اسیدنوکلئیک است که برای ساختن یک RNA عملی یا پروتئین ضروری است.

همه بخش های پیوسته DNA برای قسمت های یک پروتئین ممکن است رمز نداشته باشد. بخش هایی از DNA که برای بخش های پروتئین رمز دارند را اکسون می خوانند، در حالی که آن قسمت هایی از DNA که برای بخش های پروتئین رمز ندارند را اینترون می خوانند. هر دو بخش اکسون و اینترون DNA ممکن است در RNA پیک نسخه برداری شوند. یک RNA پیک دارای اینترون هایی است که به آن ها پیش RNA پیک می گویند. پس از آن که قطعه پیش RNA پیک نسخه برداری شد اینترون ها جدا شده و اکسون ها به وسیله مجموعه های آنزیمی به نام اسپلی سئوزوم با یکدیگر ترکیب می شوند تا RNA پیک فعال را ایجاد کنند.

این تغییرات در RNA پیک را پردازش پس از نسخه برداری می گویند.

همانند سازی dna

تغییر جا یا ترجمه  

سنتز یک پروتئین در ریبوزوم در پاسخ به کودون های RNA پیک را تغییر جا یا ترجمه می گویند. تغییر جا یا جابه جایی علاوه بر RNA پیک به ریبوزوم ها و RNA ناقل نیاز دارد. ریبوزوم ها شامل RNA ریبوزومی و پروتئین ها هستند. RNA  ناقل و RNA ریبوزومی هم چون RNA پیک در داخل هسته و به وسیله نسخه برداری تولید می شوند.

وظیفه RNA ناقل عبارت از همتاسازی یک اسید آمینه خاص با یک کودون اختصاصی RNAپیک می باشد. برای این که این جریان انجام شود یک سر هر نوع از RNA ناقل با یک اسید آمینه خاص ترکیب می شود. بخش دیگر RNA ناقل دارای آنتی کودون است که سه نوکلئوتید دارد. بر اساس ارتباطات جفت شونده بین نوکلئوتید ها آنتی کودون تنها می تواند با کودون همتای خودش ترکیب شود. برای مثال RNA ناقلی که با اسید اسپارتیک متصل می شود دارای آنتی کودون GAU رمز اسید اسپارتیک است.

ریبوزوم ها کودون های RNA پیک را با آنتی کودون های RNA ناقل مرتب می کنند و سپس اسید های آمینه مولکول های RNA ناقل مجاور را وصل می کنند. هم چنان که اسید های آمینه با یکدیگر وصل می شوند و زنجیری از اسیدهای آمینه یا یک پروتئین تشکیل می شود. 

بسیاری از پروتئین ها در ابتدای ساخت شان طویل تر از موقعی هستند که حالت عملکردی دارند. به این پروتئین ها پروپروتئین می گویند و برای آن که مولکول به شکل پروتئین فعال در بیاید قسمت اضافی آن توسط آنزیم ها قطع می شود. بسیاری از پروتئین ها آنزیم هستند و پروپروتئین های آن ها را پروآنزیم می گویند. اگر این پروآنزیم ها در داخل سلول به صورت آنزیم های عملکردی ساخته می شدند سلول های سازنده خود را از بین می برد. در عوض آن ها به صورت پروآنزیم ساخته می شوند و تا موقعی که به یک منطقه حفاظت شده ی بدن هم چون قسمت داخلی روده کوچک که در آن فعال می شوند نرسند به آنزیم های فعال تبدیل نمی شوند. برخی از پروتئین ها دارای زنجیره های جانبی هستند مثل پلی ساکارید ها، که پس از تغییر جا دادن به آن ها افزوده می شوند. برخی از پروتئین ها از دو یا چند زنجیره اسید آمینه تشکیل شده اند که پس از آن هر زنجیره روی ریبوزوم جداگانه ای تولید شد به هم وصل می شوند. این تغییرات مختلف در پروتئین ها را پردازش پس از تغییر جا می گویند.

پس از آن که قسمت اولیه RNA پیک توسط یک ریبوزوم استفاده شد؛ ریبوزوم دیگری می تواند با RNA پیک متصل شده و شروع به ساخت یک پروتئین کند. دسته ریبوزوم های متصل به RNA پیک را پلی ریبوزوم می خوانند. هر ریبوزوم در یک پلی ریبوزوم پروتئین مشخصی را تولید می کند و پلی ریبوزوم ها به یک طریق کارآمد برای استفاده از یک مولکول RNA پیک منفرد جهت تولید نسخه های زیاد از پروتئین مشابه می باشند.

تنظیم ساخت پروتئین

همه سلول های بدن به جز سلول های جنسی دارای DNA مشابه هستند. در هر حال، نسخه برداری RNA پیک در سلول ها تنظیم می شود، به طوری که همه بخش های کلیه مولکول های DNA به طور پیوسته نسخه برداری نمی شوند. پروتئین های همبسته با DNA در داخل هسته تنظیم نسخه برداری مشارکت دارند. هم چنان که سلول ها تفکیک می شوند و برای انجام وظایف خاص، در هنگام تکامل اختصاصی می شوند، بخشی از DNA غیر عملکردی شده و نسخه برداری نمی شوند، حال آن که سایر قسمت های DNA بسیار فعال باقی می ماند. برای مثال در اکثر سلول ها رمز گذاری DNA برای هموگلوبین غیر عملکردی است و مقدار کمی هموگلوبین سنتز می شود. البته در جریان تکامل سلول های قرمز خون، رمز گذاری DNA برای هموگلوبین عملکردی می شود و سنتز هموگلوبین با سرعت انجام می شود.

سنتز پروتئین در یک سلول منفرد معمولا˝ ثابت نیست، بلکه در برخی از زمان ها در مقایسه با اوقات دیگر سریع تر روی می دهد. مولکول های تنظیم گر که با پروتئین های هسته به تعامل می پردازند، می توانند سرعت نسخه برداری قسمت های خاصی از DNA را افزایش یا کاهش دهند. برای مثال، تیروکسین هورمونی که به وسیله غده تیروئید آزاد می شود، وارد سلول هایی نظیر سلول های عضله اسکلتی می شود، یا پروتئین های اختصاصی هسته وارد تعامل می شود و نسخه برداری انواع خاصی از RNA پیک را افزایش می دهد. متعاقب آن، تولید پروتئین های معین زیاد می شود. در نتیجه، تعداد میتوکندری افزایش یافته و متابولیسم این سلول ها زیاد می گردد.

چرخه حیاتی سلول

چرخه حیاتی سلول شامل تغییراتی است که سلول از زمان تشکیل تا زمان تقسیم به دو سلول جدید متحمل می شود. چرخه حیاتی سلول دارای دو مرحله است، مرحله اینترفاز و مرحله تقسیم سلولی به میتوز.

اینترفاز

اینترفاز عبارت از مرحله بین سلول می باشد. نود درصد از چرخه حیات یک یا حتی بیش تر از آن صرف مرحله اینترفاز می گردد. در این زمان، سلول فعالیت های متابولیک ضروری برای حیات را انجام می دهد و وظایف اختصاصی اش مثل ترشح آنزیم های گوارشی را اجرا می کند. علاوه بر آن سلول برای تقسیم آماده می شود. این آمادگی، افزایش در اندازه سلول را شامل می شود، زیرا بسیاری از عناصر سلول دو برابر شده و DNA سلول همانند سازی می گردد. سانتریول ها در داخل سانتروزوم ها نیز دو برابر می شوند. متعاقب آن، وقتی که سلول تقسیم شد هر سلول جدید، اندامک ها و DNA لازم برای ادامه عملکرد خود را دریافت می کنند. اینترفاز را می توان به سه مرحله تقسیم کرد که عبارتند از: ، S و در مرحله (مرحله شکاف نخستین) و   (مرحله شکاف دوم)، سلول فعالیت های عادی متابولیک را به انجام می رساند. در مرحله S (مرحله سنتز)DNA همانند سازی می شود ( DNA جدیدی ساخته می شود). بسیاری از سلول های بدن تا چند روز یا ماه یا حتی سال ها تقسیم نمی شوند. این سلول های استراحت کننده از چرخه سلول خارج شده و وارد مرحله می شوند که در آن می مانند تا موقعی که برای تقسیم تحریک شوند.

 

اختصاصی وبسایت تربیت بدنی

نظر دادن

از پر شدن تمامی موارد الزامی ستاره‌دار (*) اطمینان حاصل کنید. کد HTML مجاز نیست.

Back to top