پرش به محتوای اصلی

جریان اطلاعات در یاخته

بخشی از بانک سؤال طبقه‌بندی‌شده‌ی این مبحث در کوئیز سنتر — رایگان و بدون نیاز به ثبت‌نام

خلاصه‌ی درسنامه

این خلاصه‌ی 30 درصدی درسنامه اصلی است. متن کامل با همه‌ی نکته‌ها، مثال‌های حل‌شده و جمع‌بندی، با ثبت‌نام رایگان در دسترست قرار می‌گیرد.

گفتار ۱: رونویسی

یاخته‌ها اطلاعات ژنتیکی را از DNA به پروتئین تبدیل می‌کنند. چون ریبوزوم‌ها در سیتوپلاسم‌اند و DNA در هسته حبس شده، یک مولکول واسطه لازم است: RNA. رونویسی یعنی ساخته شدن RNA از روی یک رشتهٔ DNA.

رونویسی و همانندسازی هر دو از روی DNA الگو و با اصل مکمل بودن بازها انجام می‌شوند، اما رونویسی فقط از یک رشته و بارها در هر چرخهٔ یاخته‌ای اتفاق می‌افتد و آنزیم اصلی‌اش RNA‌بسپاراز است، نه DNA‌بسپاراز. در یوکاریوت‌ها سه نوع RNA‌بسپاراز وجود دارد که هرکدام مسئول ساخت یک نوع RNA‌اند (rRNA، mRNA، tRNA).

رونویسی سه مرحله دارد: آغاز (اتصال RNA‌بسپاراز به توالی راه‌انداز)، طویل شدن (حرکت آنزیم روی رشتهٔ الگو همراه با باز و بسته شدن پی‌درپی مارپیچ) و پایان (رسیدن به توالی پایان و آزاد شدن RNA و آنزیم). رشته‌ای که RNA از روی آن ساخته می‌شود رشتهٔ الگوست؛ رشتهٔ مقابل آن، رشتهٔ رمزگذار، توالی‌اش شبیه RNA ساخته‌شده است (با تیمین به‌جای یوراسیل).

در یوکاریوت‌ها، RNA اولیه پیش از خروج از هسته باید پیرایش شود: توالی‌های میانه (اینترون) حذف و توالی‌های بیانه (اگزون) به هم متصل می‌شوند تا RNA بالغ به دست آید. پیرایش‌های متفاوت از یک ژن می‌توانند چند نوع پروتئین متفاوت بسازند؛ یکی از دلایلی که تعداد پروتئین‌های بدن از تعداد ژن‌ها بیشتر است.

نوع RNA‌بسپاراز (یوکاریوت) محصول
نوع I rRNA
نوع II mRNA
نوع III tRNA

⚠️ نکتهٔ مهم: رمز در DNA است، کدون در mRNA و آنتی‌کدون در tRNA؛ هر سه سه‌نوکلئوتیدی‌اند اما در سه مولکول جدا قرار دارند و نباید با هم اشتباه شوند.

گفتار ۲: ترجمه

در mRNA هر سه نوکلئوتید یک کدون است که یک آمینواسید را رمز می‌کند. از ۶۴ کدون، ۶۱ تا رمزگذار آمینواسیدند، سه‌تا (UAA، UAG، UGA) کدون پایان‌اند و AUG هم کدون آغاز است هم رمز متیونین.

tRNA حامل آمینواسیدهاست؛ در یک سرش آمینواسید می‌نشیند و در سر دیگر، آنتی‌کدونی قرار دارد که با کدون mRNA جفت می‌شود. ریبوزوم از دو زیرواحد ساخته شده و سه جایگاه دارد: A برای ورود tRNA جدید، P برای نگه‌داری زنجیرهٔ در حال ساخت، و E برای خروج tRNA خالی‌شده.

ترجمه هم سه مرحله دارد: در آغاز، زیرواحد کوچک ریبوزوم به AUG می‌رسد و اولین tRNA (حامل متیونین) در جایگاه P می‌نشیند؛ در طویل شدن، با ورود هر tRNA جدید به جایگاه A، پیوند پپتیدی برقرار می‌شود و ریبوزوم یک کدون جلو می‌رود؛ در پایان، رسیدن یک کدون پایان به جایگاه A باعث می‌شود عوامل آزادکننده وارد شوند و زنجیرهٔ پپتیدی آزاد شود. وقتی چند ریبوزوم همزمان از یک mRNA ترجمه می‌کنند، به آن پلی‌ریبوزوم می‌گویند و در زمان کمتر، نسخه‌های بیشتری از یک پروتئین ساخته می‌شود. در پروکاریوت‌ها که هسته وجود ندارد، رونویسی و ترجمه می‌توانند همزمان انجام شوند.

تعداد آمینواسید=تعداد نوکلئوتید mRNA3−1تعداد پیوند پپتیدی=تعداد آمینواسید−1\text{تعداد آمینواسید} = \frac{\text{تعداد نوکلئوتید mRNA}}{3} - 1 \qquad \text{تعداد پیوند پپتیدی} = \text{تعداد آمینواسید} - 1

پروتئین‌های ساخته‌شده بر اساس توالی هدایتشان به مقصدهای مختلفی می‌روند: سیتوپلاسم، شبکهٔ آندوپلاسمی و گلژی برای ترشح، واکوئول، هسته یا اندامک‌های نیمه‌مستقل مثل راکیزه و پلاست.

گفتار ۳: تنظیم بیان ژن

همهٔ یاخته‌های بدن ژن یکسان دارند، اما در هر یاخته فقط بخشی از ژن‌ها روشن‌اند. در پروکاریوت‌ها این تنظیم معمولاً در سطح رونویسی و از طریق اُپران انجام می‌شود: در تنظیم منفی (مثل اپران لاکتوز)، مهارکننده به اپراتور می‌چسبد و جلوی RNA‌بسپاراز را می‌گیرد، تا لاکتوز با اتصال به مهارکننده آن را غیرفعال و رونویسی را روشن کند؛ در تنظیم مثبت (مثل اپران مالتوز)، فعال‌کننده به RNA‌بسپاراز کمک می‌کند تا بهتر به راه‌انداز متصل شود.

در یوکاریوت‌ها تنظیم پیچیده‌تر است و در چند مرحله انجام می‌شود: عوامل رونویسی برای شناسایی راه‌انداز ضروری‌اند (چون RNA‌بسپاراز به‌تنهایی نمی‌تواند آن را بشناسد)، توالی‌های افزاینده حتی از فاصلهٔ دور با خمیده کردن DNA سرعت و مقدار رونویسی را بالا می‌برند، فشردگی کروماتین پیش از رونویسی دسترسی به ژن را کنترل می‌کند، و پس از رونویسی هم پیرایش متفاوت، اتصال RNA‌های کوچک مهارکننده به mRNA (که ترجمه را متوقف و mRNA را تجزیه می‌کند) و طول عمر خود mRNA در مقدار نهایی پروتئین اثر می‌گذارند. به‌طور کلی، تنظیم بیان ژن در یوکاریوت‌ها هم در مرحلهٔ رونویسی و هم پس از آن رخ می‌دهد، در حالی‌که در پروکاریوت‌ها بیشتر محدود به رونویسی است.

نمونه تست

پاسخنامه‌ی تحلیلی سه‌بخشی برای هر سؤال

  • چرا گزینه‌ی درست، درست است
  • چرا هر گزینه‌ی دیگر غلط است
  • تله‌ی تستی‌ای که باید بشناسی

1. اگر بخشی از DNA یک ژن در رشته الگو دارای توالی 3′−TACCGAATGACT−5′3'-TACCGAATGACT-5' باشد، توالی mRNA حاصل کدام است؟

  • 5′−UACCGAAUGACU−3′5'-UACCGAAUGACU-3'
  • 5′−AUGGCUUACUGA−3′5'-AUGGCUUACUGA-3'
  • 5′−ATGGCTTACTGA−3′5'-ATGGCTTACTGA-3'
  • 3′−AUGGCUUACUGA−5′3'-AUGGCUUACUGA-5'

پاسخنامه‌ی تحلیلی

در رونویسی، mRNA از روی رشتهٔ الگو و به‌صورت مکمل و پادموازی ساخته می‌شود: در برابر TT باز AA، در برابر AA باز UU، در برابر CC باز GG و در برابر GG باز CC قرار می‌گیرد. از توالی 3′−TACCGAATGACT−5′3'-TACCGAATGACT-5'، RNA حاصل «5′−AUGGCUUACUGA−3′5'-AUGGCUUACUGA-3'» است. «5′−ATGGCTTACTGA−3′5'-ATGGCTTACTGA-3'» نادرست است؛ این گزینه عمداً شبیه رشتهٔ رمزگذار DNA نوشته شده و به‌جای UU از TT استفاده کرده است. «3′−AUGGCUUACUGA−5′3'-AUGGCUUACUGA-5'» نادرست است؛ جهتِ آن نسبت به توالی صحیح معکوس شده است. «5′−UACCGAAUGACU−3′5'-UACCGAAUGACU-3'» نیز نادرست است؛ این توالی همان رشتهٔ الگو با جایگزینیِ T→UT\to U است، نه مکملِ واقعیِ آن. تلهٔ تستی: باید هم مکمل‌بودنِ بازها و هم جهتِ پادموازی (5′→3′5'\to 3' در برابرِ 3′→5′3'\to 5') را هم‌زمان رعایت کرد؛ اشتباه در هرکدام یک گزینهٔ غلط می‌سازد.

2. در یک ژن یوکاریوتی، اگر توالی‌های میانه دچار جهش شوند اما بیانه‌ها و نواحی تنظیمی سالم بمانند، محتمل‌ترین نتیجه کدام است؟

  • قطعاً RNA‌بسپاراز دیگر راه‌انداز را تشخیص نمی‌دهد
  • معمولاً اثر مستقیمی بر توالی پروتئین ندارد، ولی همیشه هم بی‌اهمیت نیست
  • حتماً ترجمه متوقف می‌شود چون میانه‌ها کدون آغاز دارند
  • حتماً هیچ اثری بر محصول نهایی نخواهد داشت

پاسخنامه‌ی تحلیلی

میانه‌ها (اینترون‌ها) در فرایند پیرایش از RNA اولیه حذف می‌شوند؛ بنابراین جهش در توالی آن‌ها، در بسیاری موارد، مستقیماً توالی پروتئین نهایی را تغییر نمی‌دهد. با این حال نمی‌توان گفت میانه‌ها همیشه کاملاً بی‌اثرند، زیرا می‌توانند در تنظیم رونویسی و در الگوی پیرایش نیز نقش داشته باشند؛ به همین دلیل «معمولاً اثر مستقیمی بر توالی پروتئین ندارد، ولی همیشه هم بی‌اهمیت نیست» دقیق‌ترین پاسخ است. «حتماً هیچ اثری بر محصول نهایی نخواهد داشت» نادرست است چون قطعیتِ مطلق را بدون دلیل کافی بیان می‌کند. «حتماً ترجمه متوقف می‌شود چون میانه‌ها کدون آغاز دارند» نادرست است؛ میانه‌ها اصلاً وارد mRNA بالغ نمی‌شوند تا ترجمه شوند. «قطعاً RNA‌بسپاراز دیگر راه‌انداز را تشخیص نمی‌دهد» نیز نادرست و بی‌ربط به جهش در میانه‌هاست. تلهٔ تستی: میانه‌ها معمولاً بی‌اثر تلقی می‌شوند، اما ادعای «همیشه بی‌اثر» یک قطعیتِ نادرست است؛ نقش تنظیمیِ احتمالی آن‌ها را نباید نادیده گرفت.

3. اگر طول یک mRNA از ابتدا تا پایان ۳۶ نوکلئوتید باشد و آخرین سه‌تایی آن کدون پایان باشد، تعداد پیوندهای پپتیدی حداکثر چند تاست؟

  • ۹
  • ۱۰
  • ۱۱
  • ۸

پاسخنامه‌ی تحلیلی

گامِ اول — شمارشِ کدون‌ها: طولِ mRNA از ابتدا تا پایان ۳۶ نوکلئوتید است و هر کدون ۳ نوکلئوتید دارد، پس 36÷3=1236 \div 3 = 12 کدون داریم. گامِ دوم — آمینواسیدها: آخرین سه‌تایی کدونِ پایان است و آمینواسیدی رمز نمی‌کند، پس 12−1=1112 - 1 = 11 کدونِ آمینواسیدی داریم و ۱۱ آمینواسید در زنجیره قرار می‌گیرد. گامِ سوم — پیوندهای پپتیدی: در یک زنجیرهٔ خطی، تعدادِ پیوندهای پپتیدی همواره یک واحد کمتر از تعدادِ آمینواسیدهاست: 11−1=1011 - 1 = 10. بنابراین «۱۰» درست است. وارسیِ مستقل (حالتِ حدی): برایِ mRNAی nn نوکلئوتیدی که آخرین سه‌تایی‌اش کدونِ پایان باشد، تعدادِ پیوندهای پپتیدی برابرِ n3−2\frac{n}{3}-2 است. برایِ کوچک‌ترین حالتِ ممکن، n=6n=6 (یک کدونِ آمینواسیدی و یک کدونِ پایان)، این رابطه صفر می‌دهد و درست است، چون با یک آمینواسید هیچ پیوندِ پپتیدی تشکیل نمی‌شود. برایِ n=36n=36 همین رابطه 12−2=1012-2=10 می‌دهد؛ سازگار با محاسبهٔ گام‌به‌گام. «۹» نادرست است؛ این عدد وقتی به‌دست می‌آید که به‌اشتباه دو کدون (به‌جایِ یک کدونِ پایان) از شمارش کنار گذاشته شود. «۱۱» نادرست است؛ ۱۱ تعدادِ آمینواسیدهاست، نه تعدادِ پیوندهای میانِ آن‌ها. «۸» نادرست است؛ هیچ مسیرِ محاسباتیِ معتبری به این عدد نمی‌رسد و صرفاً یک عددِ کوچک‌ترِ دلخواه است. تلهٔ تستی: در این‌گونه سؤالات باید دو بار «یکی کم کرد» — یک بار برایِ کدونِ پایان و یک بار برایِ تبدیلِ تعدادِ آمینواسید به تعدادِ پیوند؛ فراموشیِ هر یک مستقیماً به گزینهٔ ۱۱ یا ۹ می‌رسد.

4. اگر توالی یک کدون در mRNA برابر 5′−AUG−3′5'-AUG-3' باشد، آنتی‌کدون مکمل tRNA به‌صورت پادموازی کدام است؟

  • 5′−TAC−3′5'-TAC-3'
  • 3′−AUG−5′3'-AUG-5'
  • 5′−UAC−3′5'-UAC-3'
  • 3′−UAC−5′3'-UAC-5'

پاسخنامه‌ی تحلیلی

کدون 5′−AUG−3′5'-AUG-3' با آنتی‌کدون مکمل و پادموازی جفت می‌شود. مکمل AUGAUG برابر UACUAC است و به‌صورت پادموازی 3′−UAC−5′3'-UAC-5' نوشته می‌شود. استفاده از TT در RNA نادرست است.

5. اگر در یک پروکاریوت، اپراتور جهش یابد به‌طوری که مهارکننده دیگر نتواند به آن متصل شود، محتمل‌ترین نتیجه چیست؟

  • RNA‌بسپاراز دیگر به هیچ راه‌اندازی متصل نمی‌شود
  • در غیاب القاگر نیز رونویسی ژن‌های ساختاری می‌تواند ادامه یابد
  • ترجمه به‌طور کامل متوقف می‌شود اما رونویسی عادی است
  • فقط یکی از سه ژن اُپران رونویسی می‌شود

پاسخنامه‌ی تحلیلی

اگر مهارکننده نتواند به اپراتور متصل شود، یکی از سدهای اصلی رونویسی برداشته می‌شود. بنابراین حتی در نبود مولکول القاگر نیز ژن‌های ساختاری می‌توانند رونویسی شوند. این نوع سؤال مفهوم نقش اپراتور را به‌صورت تحلیلی می‌سنجد.

6. اگر در یک پروکاریوت، لاکتوز حضور داشته باشد اما RNA‌بسپاراز به راه‌انداز متصل نشود، کدام نتیجه منطقی‌تر است؟

  • فقط مهارکننده حذف می‌شود و بدون اتصال RNA‌بسپاراز رونویسی مؤثر انجام نمی‌شود
  • وجود لاکتوز به‌تنهایی همیشه برای رونویسی کافی است
  • ترجمه مستقیماً و بدون واسطهٔ mRNA از DNA آغاز می‌شود
  • اپراتور به‌طور خودکار به کدون آغاز تبدیل می‌شود

پاسخنامه‌ی تحلیلی

حضور لاکتوز می‌تواند مانع مهارکننده را بردارد، اما برای رونویسی کافی نیست مگر آنکه RNA‌بسپاراز نیز به راه‌انداز متصل شود و آغاز کند. پس برداشته‌شدن مهار به‌تنهایی تضمین‌کننده رونویسی کامل نیست.

7. اگر رشته الگو برای بخشی از ژن 3′−GTACTTACG−5′3'-GTACTTACG-5' باشد، کدام توالی متعلق به رشته رمزگذار همان بخش است؟

  • 3′−CATGAATGC−5′3'-CATGAATGC-5'
  • 5′−CATGAATGC−3′5'-CATGAATGC-3'
  • 5′−GTACTTACG−3′5'-GTACTTACG-3'
  • 5′−CAUGAAUGC−3′5'-CAUGAAUGC-3'

پاسخنامه‌ی تحلیلی

رشتهٔ رمزگذار مکملِ رشتهٔ الگوست و مانند رشتهٔ الگو در DNA از TT استفاده می‌کند (نه UU). مکملِ 3′−GTACTTACG−5′3'-GTACTTACG-5' برابر «5′−CATGAATGC−3′5'-CATGAATGC-3'» است. «5′−GTACTTACG−3′5'-GTACTTACG-3'» نادرست است؛ این گزینه صرفاً همان توالی رشتهٔ الگو با جهتِ نوشتاریِ متفاوت است، نه مکملِ آن. «5′−CAUGAAUGC−3′5'-CAUGAAUGC-3'» نادرست است؛ این گزینه در واقع RNA است (دارای UU)، نه DNA. «3′−CATGAATGC−5′3'-CATGAATGC-5'» نیز نادرست است؛ توالیِ حروف درست است اما جهتِ نوشتاریِ آن معکوس شده است. تلهٔ تستی: رشتهٔ رمزگذار و رشتهٔ الگو مکمل و پادموازیِ هم‌اند؛ رشتهٔ رمزگذار از TT استفاده می‌کند و از نظرِ توالی (نه جهت) شبیهِ mRNA حاصل است.

8. اگر در یک mRNA، ۲۴ کدون وجود داشته باشد و هیچ‌کدام پایان نباشند، چرا داده زیستی ناقص یا مشکوک است؟

  • زیرا هر mRNA باید دقیقاً ۲۵ کدون داشته باشد
  • زیرا طبق قاعده، همهٔ کدون‌ها باید دقیقاً مشابه AUG باشند
  • زیرا ترجمه بدون وجود کدون آغاز ناممکن است
  • زیرا یک زنجیره ترجمه‌شونده معمولاً برای پایان به کدون پایان نیاز دارد

پاسخنامه‌ی تحلیلی

برای خاتمه طبیعی ترجمه، وجود کدون پایان ضروری است. اگر گفته شود ۲۴ کدون وجود دارد و هیچ‌کدام پایان نیستند، برای یک mRNA کامل و قابل ترجمه داده ناقص یا غیرمعمول است، مگر این‌که بخشی از توالی گزارش نشده باشد.

9. اگر ژنی در یک یاخته شدیداً رونویسی شود اما ترجمه آن پایین بماند، کدام سازوکار تنظیمی می‌تواند این اختلاف را توضیح دهد؟

  • اتصال RNAهای کوچک مکمل به mRNA و جلوگیری از کار ریبوزوم
  • افزایش دسترسی RNA‌بسپاراز به راه‌انداز
  • فعال‌شدن افزاینده و عوامل رونویسی
  • کاهش فشردگی کروماتین در ناحیه ژن

پاسخنامه‌ی تحلیلی

اگر رونویسی زیاد باشد اما ترجمه پایین بماند، باید به تنظیم‌های پس از رونویسی یا در سطح ترجمه توجه کرد. اتصال RNAهای کوچک به mRNA می‌تواند با جلوگیری از عملکرد ریبوزوم و تسریع تجزیه mRNA، میزان پروتئین را پایین نگه دارد.

10. اگر رشته الگو بخشی از DNA برابر 3′−AAATTTCCC−5′3'-AAATTTCCC-5' باشد، کدام توالی می‌تواند RNA حاصل باشد؟

  • 5′−TTTAAAGGG−3′5'-TTTAAAGGG-3'
  • 5′−UUUAAAGGG−3′5'-UUUAAAGGG-3'
  • 5′−AAAUUUCCC−3′5'-AAAUUUCCC-3'
  • 3′−UUUAAAGGG−5′3'-UUUAAAGGG-5'

پاسخنامه‌ی تحلیلی

RNA از روی رشته الگو و به‌صورت مکمل ساخته می‌شود. مکمل AAATTTCCCAAATTTCCC در RNA برابر UUUAAAGGGUUUAAAGGG است و باید در جهت 5′5' به 3′3' نوشته شود. بنابراین «5′−UUUAAAGGG−3′5'-UUUAAAGGG-3'» درست است.

مباحث مرتبط

مولکول های اطلاعاتیانتقال اطلاعات در نسل هاتغییر در اطلاعات وراثتیاز ماده به انرژیاز انرژی به مادهفناوری های نوین زیستیرفتارهای جانوراندنیای زنده (علوم تجربی)گوارش و جذب مواد (علوم تجربی)تبادلات گازی (علوم تجربی)

ادامه‌ی این مبحث رو ببین

با ثبت‌نام رایگان، به بانک کامل سؤال، شبیه‌ساز کنکور و تحلیل پیشرفت دسترسی داری

ثبت‌نام رایگان