تبلیغات
بیوانفورماتیك,bioinformatics,بیوانفورماتیک - مبانی زیست مولكولی
بیوانفورماتیك,bioinformatics,بیوانفورماتیک
تنها پایگاه آموزش بیوانفورماتیک به زبان فارسی,www.ibp.ir,این ویلاگ زیر مجموعه پرتال بیوانفورماتیک ایرانیان میباشد به آدرس
شنبه 6 مرداد 1386

مبانی زیست مولكولی

شنبه 6 مرداد 1386

با توجه به اینكه مطالعه كنندگان این وبلاگ از گرایشهای مختلف از جمله زیست شناسی سلولی و مولكولی ،میكروبیولوژی ،ژنتیك،بیوشیمی،وتمام گرایاشهای زیست شناسی و همچنین دانشجویان و فارغ التحصیلان رشته های مهندسی نرم افزار و علوم كامپیوتر و همچنین گرایشهایی از جمله ریاضیات كاربردی و آمار میباشند (كه همگی این گرایشها از علومی هستند كه در رشته بیوانفورماتیك دخیلند) و به خاطر ایمیلهای زیادی كه از طرف دوستانی غیر از گرایشهای زیست شناسی داشتم كه در رابطه با مفاهیم مولكولی مشكل دارند این پست را قرار دادم تا توضیحاتی هرچند مختصر در این رابطه داده باشم

 

 برای مطالعه بقیه مطلب روی ادامه مطلب کلیک کنید

كلیات:

با توجه به نام بیوانفورماتیك، میتوان فهمید که این رشته ترکیبی از کامپیوتر و زیست شناسی (سلولی و مولکولی) میباشد. در حقیقت میتوان گفت که این رشته به کاربرد علوم کامپیوتر و ارتباطات در علم زیست شناسی سلولی و مولکولی میپردازد. در بیوانفورماتیک، اصلی وجود دارد که میگوید: " زیست شناسی مولکولی یک نوع علم اطلاعات است." جریان اطلاعات را در زیست شناسی مولکولی به این گونه شرح میدهند:

DNA->RNA->PROTEIN->FUNCTION

در نگاه سیستمی این جریان از خصوصیات ژنتیکی تا رفتاری موجود زنده صورت زیر میباشد:

Genetic (information) -> Molecular (structure) ->Biochemical (Function) -> Biological (Behavior)

 

DNA:

 

1)هر ملکول DNA حدودا" 1.7 متر طول دارد ولی اگر تمام DNA های
موجود در بدن را به هم وصل کنیم و بکشیم ، رشته ای به دست می آوریم که
طول آن شش هزار بار بزرگتر از فاصله ی زمین تا ماه است .
2)
.)DNA مرکز نگهداری و فرستادن اطلاعات درون سلول های زنده است.
البته ممکن است اطلاعات رسیده به آن مربوط به میلیونها سال قبل باشد . مثل
اطلاعات مربوط به ارث بری .
3)
تقریبا " 10 ترلیون ملکول DNA می توانند در فضائی به اندازه ی یک
تیله جای بگیرند ( به علت نازکی رشته ها ) و همه ی این ملکول ها میتوانند در
یک زمان و با هم اطلاعات را پردازش کنند . پس ما می توانیم 10 ترلیون
اطلاعات را به طور همزمان و در یک سطح کوچکی از فضا داشته باشیم .

 

ساختار اصلی هر سلول به نو کلئیک اسید موجود در آن بستگی دارد . نو کلئیک اسیدها ،پلیمر هستند.و واحدهای منومری آنها نو کلئو تید نام دارد .هر نو کلئو تید از سه بخش تشکیل شده است:
(1).
یک قند پنج کربنی (در RNA) یا دئوسکی ریبوز (در DNA)
(2).
یک تا 3 گروه فسفات
(3).
یک از چهار باز آلی نیتروژن دار حلقوی آرنین،گواتین،سیتوزین و تیمین که به اختصار با حروف C,G,T,A نمایش داده میشوند
*
در RNA به جای باز T از باز یور اسیل (U) استفاده می شود(که فعلآ به آن نیاز نداریم)

اتصال نو کلئو تیدها به یکدیگر از طریق برقراری پیوند کوالان بین گروه قند یک نو کلئو تید دیگر صورت می گیرد . نو کلئو تید ابتدا به صورت آزاد 3گروه فسفات دارند ولی هنگام برقراری پیوند با یکدیگر ،2گروه فسفات خود را از دست میدهند .و فقط به یک گروه فسفات خود در رشته پلی نو کلئو تید جای می گیرند. اگر به دو انتهای رشته پلی نو کلئو تید نگاه
کنیدخواهید دید دو انتهای این د رشته مثل
هم نیست در یکی گروه فسفات در دیگری
این گروه وجود ندارد .به علت تفاوت دو انتها
می گویند رشته پلی نو کلئو تیدی دارای
قطبیت است. اروین چارگف با اندازه گیری مقدار بازهای A,C,G,T که در DNA جاندارن وجود دارد به این نتیجه رسید که نسبت AبهTوGبهC برابر 1 است یا به عبارتی بازهای A,TوG,Cبه صورت جفت وجود دارند .اگر به ساختار سه بعدی DNAتوجه کنید متوجه خواهید شد که DNA از دو رشته پلی نو کلئو تیدی تشکیل شده است که مکمل هم هستند این مارپیچ شبیه نردبانی است حول محور طول خود پیچ خورده است .نرده های این نردبان را گروهای قند وفسفات تشکیل می دهندبازهای یک رشته در مقابل بازهای یک رشته دیگر قرار دارند و پله های نردبان را می سازند این بازها با هم پیوند هیدروژنی میسازندو این پیوند هیدروژنی بین بازهاست که دو رشته را در مقابل هم نگه میدارد

*نکته جالب توجه اینجاست که اگر ما ساختار دنباله یکی از بازها را داشته باشیم می توان ساختار دنباله مکمل آن را نیز ساخت مثلآ اگر ترتیب بازی به صورت
TCGAACT
با شد ساختار مکمل آن به صورت GCTTGA می باشد .تحقیقات این را نشان می دهد که اطلاعات وراثتی را ترتیب و و تعداد این بازها تشکیل میدهند هیچ محدودیتی برای تعداد و ترتیب بازهای یک رشته وجود ندارد به عبارتی میتوانیم
یک دنباله از داده داشته باشیم بدون هیچ محدودیتی !!!!!!!!!
ولی به محض ساخته شدن یک رشته مکمل آن منحصر به فرد است و بر اساس رابطه مکملی ساخته می شود .

همانند سازی:
واتسون و کریک چنین بیان داشتند که رابطه ی مکملی بین بازها در فرایند همانند سازی نقش اساسی دارد .در واقع دو رشته DNA با استفاده از آنزیم هلیکاز (helicase) مانند زیپ از یکدیگر جدا می شوند و سپس از روی هر رشته یک رشته جدید ساخته میشود .در محیطی که دو رشته از هم جدا می شوند (سیتوپلاسم) نو کلئو تیدهای آزاد زیادی وجود دارند به این ترتیب در هر رشته درمقابل AبازTو در مقابل C باز G قرار میگیرد بنابراین هر DNAدختر دارای یک رشته جدیدوقدیمی است بنابراین دوDNA ساخته شده با DNA مادر یکسان هستند.موضوع جالب این جاست که آنزیمی به اسم DNA پلی مزار و جود دارد .این آنزیم در طول DNAحرکت میکند و نو کلئو تیدها را در مقابل مکمل خود قرار میدهد .توانایی جالب دیگر این آنزیم ویرایش کردن(Edit) آن است اگر نو کلئو تیدی اشتباهی به DNA های دختر اضافه شود یعنی مکمل نباشد آنزیم برمی گردد و نو کلئو تید اشتباه را حذف وبانو کلئو تید درست تعویض میکند با این حال به ندرت یک DNA غلط باقی می ماند و به نسل بعد سلول منتقل میشود .این اشتباهات تصحیح نشده را جهش می نامند .
همانند سازی از یک انتها شروع نمی شود و به انتهای دیگر ختم شود .باکتری ها که دارای DNAحلقوی هستند .معمولآ دو راهی همانند سازی ایجا می کنند این دو راهی ها ازیک نقطه خاص به وجود میآیند .به تدریج از یکدیگر دور میشوند تا در نقطه مقابل DNA به هم می رسند .در سلولهای یوکاروتی وسلول های انسان هر کروموزم از یک رشته DNA تشکیل شده است اما طول DNA آن قدر طویل است که اگر قرار باشد یک کروموزوم انسانی مانند باکتریها همانند سازی را از یک نقطه شروع کند. همانند سازی هر کروموزوم 33 روز طول میکشد . از این رو همانندسازی در سلولهای یوکارتی و انسان در نقاط مختلف انجام میشود (درست شبیه یک download maneger که از نقاط مختلف فایل شروع کرده و قسمتهارا به صورت موازی downloadمیکند )دوراهی همانند سازی مختلف سبب میشود که تا یک کروموزوم انسان در طول 8 ساعت ساخته شود یعنی سرعت 100برابر میشود!

 

. DNA مخفف Deoxy riboNucleic Acid میباشد و مولکولی است که در ساختمان هسته هر سلول (نوکلئوس آن) وجود دارد و حاوی اطلاعاتی در مورد سلول مورد نظر است. اسکلت آن از واحدهای تکراری قندهای داکسی ریبوز و فسفات ساخته میشود. قندهای داکسی ریبوز که به صورت زنجیروار به هم متصل شده اند به یکی از این بازهای نوکلئوتید متصل میشوند:

Adenin (A), Thymine (T), Cytosine (C), Guanine (G)


همانگونه که در شکل بالا دیده میشود DNA به صورت تک رشته ای نیست بلکه به صورت دو رشته ای میباشد. در حقیقت DNA یک سلول، از دو رشته قند و فسفات موازی هم تشکیل شده که بازهای چهارگانه، که به دو زنجیره قند و فسفات متصل شده، به صورت دو به دو با هم جفت میشوند؛ کل ساختار DNA نیز به شکل کلاف پیچیده شده است و دو زنجیره قند و فسفات به گونه ای به دور یکدیگر میپیچند که بازهای دو به دو جفت شده را در میان خود در بر میگیرند. با توجه به این نکته که هر باز فقط با یک باز میتواند جفت شود، با دانستن توالی بازهای نوکلئوتید متصل به یک رشته قند و فسفات میتوان باز های متصل به زنجیره قند و فسفات دیگر DNA را نیز حدس زد. همانگونه که در شکل زیر مشاهده میکنید، Adenin فقط با ، Thymine جفت میشود و Cystosine فقط با Guanine.

توالی G ,C ,T ,A به عنوان Guanine ,Cytosine ,Thymine ,Adenin متصل به زنجیره قند و فسفات، کد ژنوم را به ما میدهد که حاوی اطلاعات ارزشمندی است.

 

RNA:

 

برای برخی از ویروسها، RNA یا اسید ریبونوکلئیک حاوی اطلاعات مهم میباشد. RNA در سلولها ، به طور کلی وظیفه کپی برداری از DNA (ترجمه) جهت ساختن پروتئینها، که مولکوهای ساختاری یک بافت میباشند، را دارا میباشد. ساختمان RNA تا حدودی شبیه DNA است با این تفوت که قند موجود در زنجیره آن ریبوز و ساختار آن عموما تک رشته ای است و در برخی جاهای زنجیره خود بازهای متصل، با هم به صورت داخلی جفت میشوند. این مولکول Thymine ندارد و Adenin به جای Thymine، با Uracil جفت میشود (البته همانگونه که ذکر شد در درون خود ساختار).

 

پروتئین سازی:

دلیل بررسی ساختار DNA و RNA این است که سلولهای ساختاری سلول یک بافت (پروتئینها) برای تشکیل، از اطلاعات DNA استفاده میکنند به این صورت که این پروتئینها نیز در ساختار خود دارای توالی اسیدهای آمینه میباشد؛ توالی این اسیدهای آمینه را توالی بازهای نوکلئوتید ساختار DNA رقم میزنند. هر سه باز نوکلئوتید در فرآیند ترجمه تشکیل یک نوع اسید آمینه را میدهد. در حقیقت میتوان ادعا کرد که با دانستن اطلاعات DNA سلول یک بافت میتوان به نوع، خصوصیات و ساختار آن بافت پی برد. این حکم درباره ویروسها و DNA و در برخی RNA ایشان نیز صادق است.

کابرد:

حال فرض کنید ویروس جدیدی کشف شده که عامل بیماری ناشناخته ای میباشد. ساختار DNA یا RNA این ویروس با DNA یا RNA کلیه ویروسهایی که قبلا کشف شده بودند مقایسه میشود و این مقایسه میتواند اطلاعات زیادی درباره عملکرد ویروس و یا حتی درمان آن در اختیار گذارد. اگر ویروس جدید حاصل جهش و نسل جدیدی از یک ویروسی قدیمی نیز باشد، این مقایسه ها میتوانند این رابطه خویشاوندی را افشا کنند.

بررسی توالی اسید آمینه های پروتئینهای بافتها نیز اطلاعات ارزنده ای به مامیدهد. مثلا در زنجیره پروتئینی میوگلوبین انسان، با 153 آمینو اسید مختلف، تنها یک اسیدآمینه آن با ترادف اسید آمینه پروتئینی میوگلوبین مربوط به شامپانزه متفاوت است. این واقعیت اولین و قویترین شهود علمی بر امکان واقعی بودن نظریه داروین بود.

بیو انفورماتیک و جایگاه آن:

امروزه دو نوع پروژه عمده که در حیطه بیوانفورماتیک انجام میشود، از این قرار است:

تکمیل اطلاعات پایگاه داده: این اطلاعات عموما توسط زیست شناسان این حیطه تکمیل میشود و عبارتست از تکمیل ارتباطات مربوط به ژنهای مختلف، بررسی ترادف DNA های مختلف، بررسی تأثیر داروها یا مواد شیمیایی مختلف بر ویروسها و...

بررسی الگوریتمها و بهینه سازی الگوریتمهای جستجو، مقایسه : این بخش عموما توسط متخصصین کامپیوتری انجام میشود.

البته پروژه های مذکور در کشور ما و در مرکز IBB نیز زیاد انجام میپذیرد ولی دامنه تحقیقات این گرایش در کل، بسیار گسترده است و شامل بسیاری از موارد دیگر چون پردازش تصویر، شبیه سازی، Visualization، وب و... نیز میشود. برای اطلاع از پروژه های مختلف میتوانید از سایت زیر نیز دیدن نمایید که ژورنال مخصوص بیوانفورماتیک میباشد:

http://bioinformatics.oxfordjournals.org/

برای مطالعات بیشتر در زمینه زیستشناسی سلولی به کتاب رایگان آنلاین

 www.web-books.com/mobio

 رجوع کنید.

همچنین میتوانید ازكتابهای فارسی كه در زمینه زیست شناسی سلولی و مولكولی و بیوشیمی وجود دارند استفاده كنید از این جمله میتونم

كتاب بیوشیمی لنینجر ترجمه دكتر رضا محمدی

كتاب زیست شناسی سلولی و مولكولی دكتر احمد مجد

و همچنین بیولوژی سلولی و بیولوژی مولكولی نوشته (استاد گرامی) مرحوم ناصر ملك نیا

زیست شناسی سلولی و مولكولی دكتر رسول صالحی

مبانی بیوفیزیك نوشته محمد رضا حسین دخت

 

از كتابهای لاتین هم میتونید از كتابهای

Molecular cell biology by:lodish

Molecular biology of the cell by:albert

Biochemistry by:stryer ترجمه این كتاب هم وجود داره

Genes by:lewin

 

 

كتابهای مفید در زمینه كامپیوتر هم میتونم

كتاب اصول كامپیوتر نشر دانشگاه تهران

كتاب مبانی كامپیوتر انتشارات ققنوس

و همچنین در پستهای قبلی در رابطه با كتابهای كامپیوتری مفید نوشته اقای مظاهر علی پور نام بردم كه بسیار مفید میباشند.

 

در آخر هم یك میخواهم یك نرم افزار آموزشی را كه خودم در طول حدود چندین ماه آماده كرده ام را برایتان معرفی كنم كه در این نرم افزار آموزشی مطالب بسیار مفیدی در رابطه با سلول شناسی و اجزای سلول به زبان بسیار ساده قرار داده ام و همچنین بیش از 100 انیمیشن از فرایندهای درون سلولی در این نرم افزار قرار دادم كه برای درك مفاهیم بسیار مفید میباشد برای سفارش این نرم افزار میتوانید به من ایمیل بدهید و یا در قسمت نظرات ایمیل خود را قرار دهید تا با شما تماس بگیرم

 

امید وارم مطالب برایتان مفید بوده باشد.