فهرست مطالب

۱ مقدمه......................................................................................................................................

۲ اسیدهای نوکلئیک، DNA و RNA....................................................................................................

۲.۱ همانندسازی DNA....................................................................................................................

۲.۲ تفاوت RNA با DNA و نقش mRNA.............................................................................................

۳ پروتئین....................................................................................................................................

۴ سنتز پروتئین..............................................................................................................................

۴.۱ mRNA................................................................................................................................

۴.۲ tRNA.................................................................................................................................

۴.۳ ریبوزوم................................................................................................................................

۵ مراحل ترجمه: آغاز، درازشدن و پایان.................................................................................................

۵.۱ آغاز ترجمه.............................................................................................................................

۵.۲ درازشدن زنجیره.......................................................................................................................

۵.۳ پایان ترجمه............................................................................................................................

۶ ساختار پروتئین...........................................................................................................................

۶.۱ اسیدهای آمینه..........................................................................................................................

۶.۲ ساختار سه‌بعدی و تاخوردگی.........................................................................................................

۶.۳ دسته‌بندی و تعاریف....................................................................................................................

۷ کدهای اسیدهای آمینه.....................................................................................................................

۸ پروتئومیک................................................................................................................................

۸.۱ سه بخش اصلی پروتئومیک...........................................................................................................

۱ مقدمه

این سند خلاصه ای بر «مروری بر ژنتیک مولکولی ـ زیست مولکولی» است؛ نوشتهٔ دکتر علیرضا صبوری است. استفاده بدون درج منبع پیگرد قانونی دارد.

۲ اسیدهای نوکلئیک، DNA و RNA

اسیدهای نوکلئیک پلیمرهایی از نوکلئوتیدها هستند. هر نوکلئوتید از سه جزء اصلی تشکیل می‌شود: یک گروه فسفات، یک قند پنج‌کربنه یا پنتوز، و یک باز نیتروژن‌دار. گروه فسفات به‌وسیلهٔ پیوند فسفواستر به پنتوز متصل می‌شود و پنتوز نیز به ساختاری حلقوی شامل اتم‌های کربن و نیتروژن، یعنی باز، اتصال می‌یابد. مجموعهٔ قند و باز «نوکلئوزید» نام دارد. بنابراین می‌توان گفت اسیدهای نوکلئیک زنجیره‌هایی از نوکلئوزیدها هستند که به‌وسیلهٔ پیوندهای فسفودی‌استری به یکدیگر متصل شده‌اند. این توضیح در منبع اصلی با شکل ۱، یعنی ساختار نوکلئوتید، همراه شده است ([S1]).

نوکلئوتیدهای آزاد نیز توانایی جذب نور دارند، اما میزان جذب آنها در حالت آزاد بیشتر است. هنگامی که اسید نوکلئیک از حالت دورشته‌ای به حالت تک‌رشته‌ای و سپس به حالت آزاد تبدیل می‌شود، جذب آن در دستگاه اسپکتروفوتومتر افزایش می‌یابد. این افزایش جذب «هیپرکرومیسم» (Hyperchromism) نام دارد ([S1]).

بازهای موجود در DNA شامل آدنین (A)، گوانین (G)، سیتوزین (C) و تیمین (T) هستند؛ در RNA، یوراسیل (U) جایگزین تیمین می‌شود و مجموعهٔ بازها A، G، C و U را تشکیل می‌دهد. اروین شارگاف در دههٔ ۱۹۴۰ با استفاده از کروماتوگرافی کاغذی نشان داد که در مولکول‌های DNA مقدار آدنین با تیمین و مقدار گوانین با سیتوزین برابر است. این روابط به «قواعد شارگاف» مشهور شدند و بعدها در کشف ساختار مارپیچ دوتایی DNA نقش مهمی داشتند ([S1]).

۱ بازهای تغییرشکل‌یافته و قند پنتوز

بازهای موجود در DNA گاهی دچار تغییرات شیمیایی می‌شوند. مهم‌ترین این تغییرات متیله‌شدن است که در مورد آدنین و سیتوزین رخ می‌دهد. آدنین در محل نیتروژن N⁶ و سیتوزین در محل نیتروژن N³ متیله می‌شود. این تغییرات در شناسایی DNA خودی از DNA غریبه، تشخیص رشتهٔ تازه‌سنتزشده از رشتهٔ قدیمی و تنظیم بیان ژن نقش دارند. دهندهٔ گروه متیل در بسیاری از این واکنش‌ها S-آدنوزیل متیونین (S-adenosyl methionine یا SAM) است. دو باز تغییرشکل‌یافتهٔ دیگر که در متن معرفی شده‌اند، ۱-متیل‌گوانین و ۷-متیل‌گوانین هستند ([S1]).

دو قند سازندهٔ اصلی اسیدهای نوکلئیک، ریبوز و دئوکسی‌ریبوز، در حالت حلقه‌ای صفحه‌ای تشکیل می‌دهند؛ بااین‌حال، اتم‌های قند کاملاً در یک صفحه باقی نمی‌مانند. در حالت‌های endo-2′ و endo-3′، به‌ترتیب کربن‌های ۲′ و ۳′ خارج از صفحه قرار می‌گیرند و به سمت کربن ۵′ متمایل می‌شوند. شکل‌های exo-2′ و exo-3′ نیز وجود دارند که در آنها کربن‌های ۲′ و ۳′ خارج از صفحه و در جهت مخالف کربن ۵′ قرار می‌گیرند. این تغییر شکل فضایی حلقهٔ قند «Puckering قند» نامیده می‌شود.

قندها در فرم خطی به دو نوع انانتیومر D و L تقسیم می‌شوند و در فرم حلقوی نیز می‌توانند در حالت‌های آلفا و بتا قرار گیرند. ریبوز در RNA و دئوکسی‌ریبوز در DNA، بخش قندی ساختار نوکلئوتید را تشکیل می‌دهند ([S1]).

۲ آنزیم‌های تجزیه‌کنندهٔ اسیدهای نوکلئیک

آنزیم‌هایی که پیوندهای فسفودی‌استری میان نوکلئوتیدها را هیدرولیز می‌کنند، به‌طور کلی نوکلئاز (Nuclease) نامیده می‌شوند. نوکلئازها هم درون سلول‌ها و هم در عصاره‌های هضم‌کنندهٔ دستگاه گوارشی وجود دارند ([S1]).

نوکلئازها بر اساس محل اثر به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند:

• اگزونوکلئازها: به انتهای ۳′ یا ۵′ اسید نوکلئیک حمله می‌کنند و نوکلئوتیدها را یکی‌یکی یا چندتاچندتا از یک انتها جدا می‌سازند.
• آندونوکلئازها: به پیوندهای داخلی رشته حمله می‌کنند و با بریدن بخش‌های داخلی، رشتهٔ اسید نوکلئیک را قطع می‌نمایند.

این تقسیم‌بندی نشان می‌دهد که تفاوت اصلی دو گروه در محل آغاز برش است: اگزونوکلئاز از انتهای رشته عمل می‌کند، درحالی‌که آندونوکلئاز پیوندهای درونی را هدف قرار می‌دهد ([S1]).

۳ کشف و پایداری مارپیچ دوتایی DNA

پیش از سال ۱۹۵۰، مطالعات نشان داده بودند که DNA از دو یا چند پلی‌نوکلئوتید تشکیل شده است که به شکل‌های مختلف در کنار هم قرار می‌گیرند. این دیدگاه که شناخت دقیق ساختمان DNA می‌تواند دربارهٔ نحوهٔ عملکرد ژن‌ها اطلاعات تازه‌ای فراهم کند، جیمز واتسون و فرانسیس کریک را همراه با دیگر پژوهشگران به مطالعهٔ ساختار DNA واداشت. آنان در هفتم مارس ۱۹۵۳ ساختار مارپیچ دوتایی DNA را معرفی کردند؛ کشفی که نقطهٔ عطفی در زیست‌شناسی مولکولی به‌شمار آمد. شکل ۵ منبع، تشکیل پیوندهای هیدروژنی میان بازها را نشان می‌دهد. در جفت‌شدن مکمل، آدنین با تیمین از طریق دو پیوند هیدروژنی و گوانین با سیتوزین از طریق سه پیوند هیدروژنی متصل می‌شود ([S1]).

چارچوب بیرونی مارپیچ دوتایی از قند و فسفات تشکیل شده و خاصیت هیدروفیل دارد. گروه‌های فسفات، به‌دلیل داشتن بار منفی، به DNA بار منفی می‌دهند. در مقابل، بازهای DNA در بخش داخلی مارپیچ قرار گرفته‌اند و خاصیت هیدروفوب دارند. قرارگرفتن بازهای هیدروفوب در بخش داخلی مولکول و دورماندن آنها از محیط آبی سلول به پایداری ساختار DNA کمک می‌کند.

استاکینگ بازها (Base stacking) یا برهم‌کنش‌های π یکی از نیروهای پایدارکنندهٔ عمودی DNA است. این نیرو ترکیبی از برهم‌کنش‌های هیدروفوب و نیروهای واندروالس میان صفحهٔ بازهای مجاور است؛ بازهایی که در یک رشته کنار هم قرار دارند و فاصلهٔ مناسب برای اثرگذاری نیروهای واندروالس میان آنها وجود دارد. یون‌های منیزیم Mg²⁺ با بارهای منفی گروه‌های فسفات برهم‌کنش می‌کنند و با خنثی‌کردن بخشی از این بارها به پایداری DNA کمک می‌نمایند. پلی‌آمین‌های دارای بار مثبت، از جمله پوتریسین (Putrescine)، اسپرمین (Spermine) و اسپرمیدین (Spermidine)، همین نقش را ایفا می‌کنند. هیستون‌ها نیز به‌دلیل داشتن بار خالص مثبت با DNA برهم‌کنش دارند و در پایداری ساختار آن مؤثرند ([S1]).

شکل ۶ تغییرات جذب DNA را برحسب دما نشان می‌دهد. طول موج جذب در این شکل ۲۵۸ نانومتر است؛ محور افقی دما برحسب درجهٔ سانتی‌گراد و محور عمودی جذب DNA در همین طول موج را نشان می‌دهد. DNA دورشته‌ای در دماهای پایین جذب کمتری دارد و با افزایش دما، جذب در ناحیهٔ گذار به‌صورت سیگموئیدی یا Sشکل افزایش می‌یابد و در پایان به جذب DNA تک‌رشته‌ای نزدیک می‌شود. دمای میانی این گذار Tm نام دارد.

بازشدن پیچ‌های DNA و جداشدن دو رشتهٔ آن «دناتوراسیون» نامیده می‌شود. در شرایط درون‌جانداری (In Vivo)، دناتوراسیون موضعی هنگام همانندسازی، رونویسی و نوترکیبی DNA رخ می‌دهد. در شرایط برون‌جانداری (In Vitro)، افزایش دما، کاهش قدرت یونی، محلول‌های قلیایی، فرمامید و اوره می‌توانند دناتوراسیون ایجاد کنند. دمایی که در آن نیمی از مولکول‌های DNA دناتوره می‌شوند، دمای ذوب یا Melting Temperature نام دارد و با Tm نمایش داده می‌شود. مقدار GC بیشتر، Tm بالاتر و مقدار AT بیشتر، Tm پایین‌تر ایجاد می‌کند.

pH نیز بر دناتوراسیون اثر دارد. در pH پایین، بازها بار مثبت پیدا می‌کنند و به‌دلیل بارهای همنام یکدیگر را دفع می‌نمایند. در pH بالا، بازها بارهای مثبت خود را از دست می‌دهند و بار منفی می‌گیرند؛ در این حالت نیز بارهای همنام باعث دفع بازها می‌شوند. با کاهش دما، افزایش قدرت یونی و رسیدن pH به حالت خنثی، دو رشته دوباره به هم متصل و مارپیچ دورشته‌ای تشکیل می‌شود. این فرایند رناتوراسیون نام دارد.

دناتوراسیون و رناتوراسیون اساس هیبریداسیون DNA را تشکیل می‌دهند. هیبریداسیون روشی قدرتمند برای بررسی ارتباط دو مولکول DNA و جداکردن یک مولکول یا توالی خاص از میان مجموعه‌ای از توالی‌های DNA است ([S1]).

۴ فرم‌های A، B، Z و ساختارهای چندرشته‌ای DNA

DNA می‌تواند در شرایط مختلف، آرایش‌های فضایی متفاوتی داشته باشد. مارپیچ دوتایی توصیف‌شده توسط واتسون و کریک، فرم B یا B-DNA است و با نام DNA طبیعی یا DNA واتسون ـ کریک نیز شناخته می‌شود. B-DNA به‌طور طبیعی در سلول‌ها دیده می‌شود. در شرایط آزمایشگاهی، کاهش آب محیط از ۹۲٪ به ۷۵٪ و افزودن الکل یا نمک‌های سدیم و پتاسیم می‌تواند B-DNA را به A-DNA تبدیل کند. A-DNA نسبت به B-DNA باریک‌تر و بلندتر است.

در B-DNA، قطر مارپیچ حدود ۲٫۳۷ نانومتر، افزایش طول به‌ازای هر جفت‌باز ۰٫۳۴ نانومتر و طول یک دور کامل ۳٫۴ نانومتر است. تعداد جفت‌بازها در هر دور در جدول ۱۰ و در توضیح متن ۱۰٫۴ ذکر شده است. شیار بزرگ B-DNA گشاد و عمیق و شیار کوچک آن تنگ و عمیق است. در A-DNA، جفت‌بازها به سمت لبه‌های شیار بزرگ متمایل‌اند؛ در نتیجه شیار بزرگ باریک‌تر و عمیق‌تر و شیار کوچک بزرگ‌تر و فرورفته‌تر می‌شود. طول هر دور از ۳٫۴ نانومتر در B-DNA به ۲٫۸ نانومتر در A-DNA کاهش می‌یابد، تعداد جفت‌بازها در هر دور به حدود ۱۱ می‌رسد و قطر مارپیچ حدود ۲٫۵۵ نانومتر است. در هر دو فرم A و B، آرایش پیوند گلیکوزیدی Anti است ([S1]).

فرم Z-DNA در زنجیره‌هایی با واحدهای تکرارشوندهٔ GC محتمل‌تر است. در این ساختار، گوانین می‌تواند در حالت Syn و سیتوزین در حالت Anti قرار گیرد و آرایش زیگزاگ حاصل شود. Z-DNA چپ‌گرد است، ۱۲ نوکلئوتید در هر دور دارد، طول هر دور آن ۳٫۷ نانومتر و قطر آن ۱٫۸۴ نانومتر است. شیار بزرگ B-DNA در Z-DNA به سطح محدب تبدیل می‌شود و عملاً شیار بزرگ مشخصی وجود ندارد؛ شیار کوچک به شیار عمیقی تبدیل می‌شود که به دور ساختار می‌پیچد ([S1]).

در A-DNA حالت Puckering قند ۳′-endo و در B-DNA حالت آن ۲′-endo است. در Z-DNA، پیریمیدین‌ها در حالت ۲′-endo و پورین‌ها در حالت ۳′-endo قرار می‌گیرند. شکل ۷ با عنوان «DNA طبیعی»، دو رشتهٔ قند ـ فسفات، جفت‌بازها، شیار بزرگ و کوچک، جهت‌های ۵′ و ۳′ و پیوندهای هیدروژنی میان جفت‌بازها را نشان می‌دهد ([S1]).

تبدیل فرم‌های DNA به یکدیگر برگشت‌پذیر است، اما می‌تواند فعالیت پروتئین‌های برهم‌کنش‌کننده با DNA را تغییر دهد و در تنظیم بیان ژن اثرگذار باشد. Z-DNA در اثر متیلاسیون یا بروم‌دارشدن سیتوزین، وجود توالی‌های غنی از GC، غلظت زیاد نمک مانند ۴ M NaCl، افزودن گروه متیل یا برم و حضور پروتئین‌های تنظیمی ویژه پایدارتر می‌شود.

در شرایط خاص، DNA سه‌رشته‌ای یا H-DNA (Triplex DNA) در بخش کوچکی از B-DNA و در محل شیار بزرگ آن تشکیل می‌شود؛ این ناحیه معمولاً شامل یک رشتهٔ پلی‌پورینی و یک رشتهٔ پلی‌پیریمیدینی است. رشتهٔ سوم می‌تواند پلی‌پورینی یا پلی‌پیریمیدینی باشد و با یکی از دو رشتهٔ دیگر از طریق پیوندهای هیدروژنی هاگستین (Hoogsteen) ارتباط برقرار کند. نقش احتمالی H-DNA کنترل بیان ژن است.

DNA چهاررشته‌ای در توالی‌های غنی از گوانین و سیتوزین دیده می‌شود. G-DNA در ناحیهٔ تلومرها تشکیل می‌شود. گاهی بخش تک‌رشته‌ای تلومر در انتهای ۳′ تا می‌خورد و اگر دو تلومر از انتهای تاخوردهٔ خود به‌وسیلهٔ برهم‌کنش‌های هاگستین به هم متصل شوند، ساختار چهاررشته‌ای موازی ناهم‌سو ایجاد می‌شود. چهاررشته‌ای موازی هم‌سو در نوترکیبی DNA و در ناحیهٔ ژن زنجیرهٔ سنگین آنتی‌بادی‌ها تشکیل می‌شود.

فرم دیگری که در منبع آمده، C-DNA یا DNA مکمل (Complementary DNA) است. این DNA در مهندسی ژنتیک و نوترکیبی کاربرد دارد و بر اثر عملکرد آنزیم ترانسکریپتاز معکوس (Reverse transcriptase) روی RNA ساخته می‌شود. منبع همچنین به DNA صلب‌شکل حاصل از توالی‌های تکراری معکوس، Smp-DNA، ساختارهای حلقوی و DNA خمیده اشاره می‌کند. DNA خمیده در بخش‌هایی شامل ۴ تا ۶ جفت‌باز شکل می‌گیرد که به‌وسیلهٔ فاصله‌هایی به طول ۱۰ جفت‌باز از یکدیگر جدا شده‌اند ([S1]).

۵ سوپرکویل و عدد Linking

DNA حلقوی در باکتری‌ها، میتوکندری، کلروپلاست و برخی ویروس‌ها مانند ویروس حیوانی SV40 و فاژ QX174 وجود دارد. این DNA معمولاً پیچ‌خورده است و در این حالت «DNA سوپرکویل» یا ابرمارپیچ نامیده می‌شود. دو نوع سوپرکویل وجود دارد: سوپرکویل منفی راست‌گردان و سوپرکویل مثبت چپ‌گردان. DNA داخل سلول از نوع سوپرکویل منفی است و این وضعیت در همانندسازی و رونویسی نقش دارد. سوپرکویل مثبت در طبیعت کمتر دیده می‌شود و در شرایط آزمایشگاهی قابل تشکیل است ([S1]).

حالت پیچ‌نخوردهٔ DNA، Relax نام دارد. تبدیل سوپرکویل به Relax و برعکس به‌وسیلهٔ آنزیم‌های توپوایزومراز (Topoisomerase) کاتالیز می‌شود. سوپرکویل‌های مثبت و منفی نسبت به فرم Relax فشردگی ساختمانی بیشتری دارند؛ به همین دلیل ضریب سانتریفیوژ آنها بیشتر و حرکت الکتروفورزی‌شان سریع‌تر است. در متن، سوپرکویل منفی «کم‌تاب» و سوپرکویل مثبت «پرتاب» نیز نامیده شده‌اند. سوپرکویل منفی تمایل به بازشدن و سوپرکویل مثبت تمایل به پیچش بیشتر دارد.

اتیدیوم بروماید میان بازهای DNA قرار می‌گیرد. افزودن آن به DNA سوپرکویل‌شده باعث کاهش رسوب DNA می‌شود و سوپرکویل منفی را به حالت Relax تبدیل می‌کند. با افزودن مقدار بیشتری اتیدیوم بروماید به DNA حلقوی، حالت Relax به سوپرکویل مثبت تبدیل می‌شود ([S1]).

عدد Linking یا L تعداد دفعاتی است که یک رشتهٔ DNA حلقوی، رشتهٔ دیگر را قطع می‌کند؛ این تعریف زمانی به‌کار می‌رود که دو رشته روی یک سطح در نظر گرفته شوند. عدد Twisting یا T تعداد دورهایی است که یک رشته حول محور مرکزی می‌چرخد. عدد Whirling یا Supercoiling یا S مسیر یا میزان پیچش چهارچوب DNA را نشان می‌دهد. رابطهٔ این سه پارامتر چنین است:

در حالت Relax،  است. تبدیل DNA از Relax به سوپرکویل منفی باعث کاهش L می‌شود و در این حالت  است. تبدیل Relax به سوپرکویل مثبت باعث افزایش L می‌شود و در این حالت  است. هنگام تبدیل DNA از سوپرکویل به Relax و برعکس، مقدار T ثابت می‌ماند ([S1]).

۱ مراحل همانندسازی DNA

همانندسازی DNA را می‌توان به سه مرحله تقسیم کرد:

۱. مرحله آغاز (Initiation phase): شامل شناسایی مبدأ همانندسازی، تشکیل کمپلکس شروع همانندسازی با ریپلی‌زوم و اضافه‌شدن چند نوکلئوتید اولیه است.

۲. مرحله طویل‌شدن (Elongation phase): فرآیند همانندسازی به‌صورت چرخه‌ای ادامه پیدا می‌کند؛ نوکلئوتیدها در جهت ۵′ به ۳′ اضافه شده و پلیمریزاسیون رشته پلی‌نوکلئوتیدی ادامه می‌یابد.

۳. مرحله پایان (Termination phase): کمپلکس همانندسازی یا ریپلی‌زوم جدا می‌شود و سنتز رشته‌های جدید پایان می‌یابد.

اولین قدم در مرحله شروع همانندسازی، شناسایی مبدأ همانندسازی  در باکتری E. coli به‌وسیله پروتئین  و ایجاد سوپرمارپیچ منفی و فرم Z-DNA است. این حالت ناپایداری ایجاد کرده و به ناحیه غنی از A و T — که دارای دو پیوند هیدروژنی ضعیف است — فشار وارد می‌کند.

سپس این ناحیه توسط مجموعه – شناسایی می‌شود و  با فعالیت هلیکازی، دو رشته DNA را کاملاً از هم باز می‌کند. پس از آن، پروتئین‌های SSB به رشته‌های منفرد DNA متصل شده و آنها را از هم باز نگه می‌دارند. سپس پرایماز و پروتئین‌های ، ،  و  به مجموعه اضافه می‌شوند تا کمپلکس پرایموزوم در ناحیه چنگال همانندسازی تشکیل شود.

پرایماز، RNA آغازگر را در ابتدای رشته راهنما و ابتدای قطعات اوکازاکی می‌سازد و انتهای ۳′–OH مورد نیاز DNA پلیمراز III را فراهم می‌کند.

دو مولکول DNA پلیمراز III و پروتئین rep به مجموعه اضافه شده و ریپلی‌زوم تشکیل می‌شود. از آنجا که همانندسازی دوسویه یا دوجهته است، دو ریپلی‌زوم با چهار DNA پلیمراز وارد عمل می‌شوند.

در محل همانندسازی، دو رشته DNA شبیه دو شاخه چنگال می‌شوند؛ به همین دلیل به آن چنگال همانندسازی (Replication fork) می‌گویند.

یک DNA پلیمراز، رشته راهنما را به‌صورت پیوسته و مداوم سنتز می‌کند و DNA پلیمراز دیگر، رشته تأخیر را به‌صورت گسسته و با تشکیل قطعات اوکازاکی به طول ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ نوکلئوتید می‌سازد.

برای اینکه DNA پلیمراز III هنگام همانندسازی رشته تأخیر، پس از هر ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ نوکلئوتید به عقب برنگردد و سرعت آن کاهش نیابد، رشته تأخیر در محل چنگال همانندسازی تا می‌خورد. در نتیجه در این محل، هر دو رشته راهنما و تأخیر در جهت ۵′→۳′ همانندسازی می‌شوند و دو آنزیم DNA پلیمراز III در کنار یکدیگر قرار گرفته و هم‌زمان فعالیت می‌کنند.

وجود پروتئین rep برای هماهنگ‌کردن سرعت DNA پلیمراز III با سرعت بازشدن مارپیچ دورشته‌ای DNA ضروری است. همچنین وجود توپوایزومرازهای I و II برای تنظیم پیچ‌های DNA لازم است؛ زیرا پیچ‌های DNA به‌تدریج در جلو فشرده می‌شوند و این فشردگی مانع پیشرفت کمپلکس همانندسازی در طول مولکول DNA می‌شود.

DNA پلیمراز III نوکلئوتیدها را طبق قانون مکمل‌بودن بازهای واتسون–کریک (A در برابر T و C در برابر G) مقابل رشته الگو یا قالب قرار داده و میان آنها پیوند فسفودی‌استر برقرار می‌کند. تشکیل پیوند فسفودی‌استر، حاصل حمله هسته‌خواهِ گروه فسفات نوکلئوتید واردشده به عامل ۳′–OH رشته در حال ساخت است. در این مرحله پیروفسفات آزاد می‌شود. پیروفسفات به‌وسیله آنزیم پیروفسفاتاز هیدرولیز شده و به دو مولکول فسفات و انرژی تبدیل می‌شود؛ انرژی حاصل، انرژی مورد نیاز همانندسازی را تأمین می‌کند. در این مرحله، یون  لازم است.

دقت عملکرد آنزیم DNA پلیمراز III بسیار زیاد است، اما گاهی اشتباه رخ می‌دهد و اصلاح می‌شود؛ به این فرایند ویرایش‌خوانی (Proofreading) گفته می‌شود. وظیفه اصلی اصلاح DNA بر عهده زیرواحد  آنزیم DNA پلیمراز III با خاصیت اگزونوکلئازی ۵′→۳′ است. این زیرواحد باز اشتباه را خارج کرده و باز صحیح را جایگزین می‌کند.

عمل اصلاح DNA نیز گاهی دچار اشتباه می‌شود و میزان این اشتباه  تعیین شده است. از طرفی، خود عمل همانندسازی به میزان  دچار اشتباه می‌شود. بنابراین برآیند این دو اشتباه برابر است با:

از آنجا که ژنوم باکتری E. coli برابر  است، در هر بار همانندسازی تقریباً فقط یک نوکلئوتید از ژنوم E. coli تغییر می‌کند؛ این موضوع نشان‌دهنده دقت بسیار بالای همانندسازی است.

هنگام همانندسازی، RNA آغازگر قطعات اوکازاکی رشته تأخیر به‌وسیله DNA پلیمراز I یا RNase H خارج می‌شود. سپس DNA پلیمراز I فواصل خالی ایجادشده را پر می‌کند و DNA لیگاز با استفاده از کوفاکتور  در پروکاریوت‌ها یا ATP در یوکاریوت‌ها، قطعات را به هم متصل می‌کند.

۲ مرحله پایان همانندسازی

پس از تکمیل همانندسازی، مرحله پایان یا خاتمه آغاز می‌شود.

پایان همانندسازی باکتری E. coli در منطقه‌ای وسیع به اندازه ۳۵۰ کیلوباز انجام می‌گیرد. این منطقه شامل هفت جایگاه پالیندرومیِ ۲۳ جفت‌بازی، موسوم به جایگاه‌های پایان (Termination Sites) است. جایگاه پایان در نقطه مقابل جایگاه شروع  قرار دارد.

دو چنگال همانندسازی از مبدأ شروع شده و در دو جهت مخالف یکدیگر حرکت می‌کنند:

• چنگالی که خلاف جهت عقربه‌های ساعت حرکت می‌کند، از جایگاه‌های پایان G، F، B و C عبور کرده و در جایگاه A یا E متوقف می‌شود.
• چنگالی که در جهت عقربه‌های ساعت حرکت می‌کند، از جایگاه‌های E، D و A عبور کرده و در جایگاه C، B، F یا G متوقف می‌شود.

جایگاه‌های پایان همانندسازی قطبی (Polar) هستند. در پایان همانندسازی، پروتئینی به نام Tus شرکت می‌کند. Tus مونومری دارای ۳۰۹ اسیدآمینه است که به جایگاه پایان متصل شده و از بازشدن دو رشته DNA به‌وسیله هلیکاز  جلوگیری می‌کند. پروتئین Tus فقط می‌تواند چنگال همانندسازی را در یک جهت متوقف کند.

در پایان همانندسازی، دو کروموزوم حلقوی ایجاد می‌شود که در قسمتی به یکدیگر متصل هستند؛ به این ساختار کاتنان (Catenane) گفته می‌شود. سپس این دو کروموزوم به‌وسیله فرایند دکاتناسیون (Decatenation) و به کمک نوعی آنزیم توپوایزومراز II به نام توپوایزومراز IV از یکدیگر جدا می‌شوند.

۳ همانندسازی به روش دایره غلتان

همانندسازی به روش دایره غلتان، نوع دیگری از همانندسازی در پروکاریوت‌هاست که در تکثیر بعضی فاژها و پلاسمیدها، فاکتور جنسی F در باکتری‌ها و تزاید ژنی دیده می‌شود.

ابتدا در ناحیه‌ای خاص، یکی از رشته‌های DNA حلقوی بریده می‌شود. سپس انتهای ۵′ رشته بریده‌شده آزاد باقی می‌ماند، در حالی که انتهای ۳′–OH به‌عنوان محل اضافه‌شدن نوکلئوتیدها در اختیار آنزیم DNA پلیمراز III قرار می‌گیرد. این آنزیم شروع به فعالیت کرده و به‌تدریج مکمل رشته داخلی را می‌سازد. این کار با حرکت آنزیم DNA پلیمراز III و پروتئین‌های راهنمای همراه آن ادامه می‌یابد و رشته راهنما در جهت ۵′ به ۳′ ساخته می‌شود.

۴ همانندسازی پلاسمید

پلاسمیدها قطعات DNA حلقوی هستند که در داخل سیتوپلاسم باکتری‌ها قرار دارند و جدا از کروموزوم آنها، به‌طور مستقل تکثیر می‌شوند. پلاسمیدها در خنثی‌کردن آنتی‌بیوتیک‌ها و کاربردهای مهندسی ژنتیک اهمیت زیادی دارند.

همانندسازی پلاسمید به‌صورت خاصی انجام می‌گیرد؛ آنزیم، وارشته‌کردن DNA را در درون خود انجام می‌دهد. در ابتدای همانندسازی پلاسمید،  ایجاد می‌شود که حالت چندحلقه‌ای یا مولتی‌لوپ (Multiloop) دارد. این RNA به DNA تک‌رشته‌ای متصل شده و مانند پروتئین SSB در باکتری عمل می‌کند و مانع اتصال دوباره دو رشته DNA هنگام همانندسازی می‌شود. آنزیم مسئول پلیمریزاسیون و همانندسازی پلاسمید، DNA پلیمراز I است که در باکتری نقش ترمیم‌کننده دارد.

برای جلوگیری از هم‌زمانی نسخه‌برداری و همانندسازی، پروتئینی به نام ROP (سرکوبگر RNA یا Repressor of RNA) وجود دارد. این پروتئین یک تترامر دارای دو مارپیچ آلفا است و میل ترکیبی شدیدی به RNA دارد. ROP،  و  مولتی‌لوپ را — که باعث باقی‌ماندن دو رشته DNA به‌صورت جدا از هم هنگام همانندسازی می‌شوند — به یکدیگر متصل می‌کند. در نتیجه هیبرید – ایجاد شده و دو رشته وارشته‌شده DNA دوباره به هم متصل می‌شوند؛ بنابراین همانندسازی انجام نمی‌گیرد.

۵ همانندسازی ویروس‌ها

ویروس‌ها به دو دسته کلی تقسیم می‌شوند: ویروس‌های DNAدار و ویروس‌های RNAدار.

۵.۱ ویروس‌های DNAدار

ویروس‌های DNAدار در سه گروه کلی قرار می‌گیرند:

۱. ویروس‌های دارای DNA حلقوی تک‌رشته‌ای: نمونه این گروه فاژ X174 است که فرم تکثیرشونده یا RF (Replication Form) ایجاد می‌کند.

۲. ویروس‌های دارای DNA خطی دورشته‌ای: مانند باکتریوفاژ ، نسخه‌های متعددی از ژنوم را به‌صورت متصل به هم ایجاد می‌کنند که به آن کنکاتمر (Concatemer) گفته می‌شود؛ سپس آنزیم نوکلئاز آن را جدا می‌کند.

۳. ویروس‌های دارای DNA حلقوی دورشته‌ای: مانند فاژ PMS₂ در پسودوموناس.

۵.۲ ویروس‌های RNAدار

ویروس‌های RNAدار به گروه‌های مختلفی تقسیم می‌شوند و همانندسازی هر گروه ویژگی‌های خاص خود را دارد. RNA این ویروس‌ها به‌صورت RNA مثبت یا RNA منفی است:

• RNA مثبت، RNAای است که مستقیماً برای ساخت پروتئین استفاده می‌شود.
• RNA منفی نمی‌تواند به‌عنوان الگوی پروتئین‌سازی عمل کند و ابتدا باید RNA مکمل آن ساخته شود.

۵.۳ حالت‌های ژنوم ویروس‌های RNAدار در سلول میزبان

ژنوم این ویروس‌ها در داخل سلول میزبان به دو حالت یافت می‌شود:

۱. فرم تکثیرشونده یا RF (Replication Form): RNA دورشته‌ای متصل به هم که به‌طور مکرر از روی آن نسخه‌برداری می‌شود.

۲. واسط تکثیرشونده یا RI (Replication Intermediate): هنگامی که از روی RF تکثیر صورت می‌گیرد، به آن واسط تکثیرشونده گفته می‌شود.

شکل RF نسبت به آنزیم RNase H کاملاً مقاوم است، اما فرم RI به‌طور نسبی مقاوم است.

در داخل سلول ابتدا شکل RF ایجاد می‌شود؛ به این صورت که رشته مکمل رشته RNA مثبت ژنوم ساخته می‌شود. سپس این رشته مکمل که منفی است، به‌عنوان واسط تکثیرشونده (RI) عمل کرده و شروع به ساخت RNA مثبت می‌کند؛ به این صورت، فرایند تکثیر انجام می‌شود.

۲.۲ تفاوت RNA با DNA و نقش mRNA

DNA برای اجرای بسیاری از فعالیت‌های سلولی به RNA نیاز دارد. RNA نیز از نوکلئوتیدها ساخته می‌شود، اما دو تفاوت اصلی با DNA دارد: نخست، به‌جای تیمین، باز اوراسیل (U) قرار دارد؛ دوم، RNA معمولاً تک‌رشته‌ای است و ساختار مارپیچ دوتایی ندارد. بخشی از اطلاعات DNA به RNA منتقل می‌شود و این RNA پیام‌ها را به ریبوزوم، یعنی محل ساخت پروتئین، می‌رساند؛ به همین دلیل به آن RNA پیام‌رسان یا mRNA می‌گویند. از این طریق DNA ساخت پروتئین‌ها را هدایت می‌کند.

۳ پروتئین

پروتئین‌ها مسئول بسیاری از رفتارها و فعالیت‌های سلولی‌اند و معمولاً به‌تنهایی عمل نمی‌کنند، بلکه با پروتئین‌های دیگر برهم‌کنش دارند. در ساختمان آن‌ها عناصری مانند کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن و در برخی پروتئین‌ها گوگرد وجود دارد.

وظایف پروتئین‌ها بسیار گوناگون است: تشکیل مادهٔ انقباضی عضلات، ساخت برخی هورمون‌ها و آنزیم‌ها، تولید مواد ضدانعقاد، تبدیل انرژی شیمیایی به کار و انتقال اکسیژن و هیدروژن. پروتئین‌ها از زیرواحدهایی به نام اسید آمینه ساخته شده‌اند؛ چون تعداد، ترتیب و طول زنجیره‌های اسیدآمینه‌ای می‌تواند بسیار متنوع باشد، تعداد زیادی پروتئین مختلف در جانداران تولید می‌شود. در متن اصلی تعداد پروتئین‌های متفاوت انسان حدود ۳۰٬۰۰۰ تا ۵۰٬۰۰۰ ذکر شده است.

شناخت ساختار پروتئین‌ها برای طراحی دارو اهمیت دارد: اگر ساختار عامل بیماری‌زا یا مهاجم شناخته شود، می‌توان مولکولی با ساختار مناسب طراحی کرد که با آن برهم‌کنش داشته باشد و اثر بیماری را کاهش دهد.

۴ سنتز پروتئین

پروتئین‌ها از اتصال اسیدهای آمینه با پیوند پپتیدی ساخته می‌شوند. چون هر پروتئین ترتیب ویژه‌ای از اسیدهای آمینه دارد، سلول به سازوکاری دقیق برای قرار دادن هر اسیدآمینه در جایگاه مناسب نیاز دارد. سنتز پروتئین در واقع تبدیل اطلاعات نوکلئوتیدی DNA به ترتیب اسیدهای آمینه در پروتئین است و این انتقال اطلاعات به‌وسیلهٔ RNAها، به‌ویژه mRNA، انجام می‌شود. برای هر پروتئین، ژن اختصاصی روی DNA وجود دارد، اطلاعات ژن به mRNA رونویسی می‌شود و سپس mRNA در ریبوزوم به زنجیرهٔ اسیدآمینه‌ای ترجمه می‌گردد.

۴.۱ mRNA

mRNA اطلاعات مربوط به یک پروتئین را از DNA می‌گیرد و به ریبوزوم می‌رساند. هر سه نوکلئوتید متوالی در mRNA یک کدون را تشکیل می‌دهد و هر کدون معمولاً یک اسیدآمینه را مشخص می‌کند؛ ترتیب کدون‌ها، ترتیب اسیدهای آمینه در زنجیرهٔ پروتئین را تعیین می‌کند. متیونین فقط یک کدون دارد (AUG) و تریپتوفان نیز تنها یک کدون دارد (UGG)؛ بسیاری از اسیدهای آمینهٔ دیگر بیش از یک کدون دارند. کدون AUG هم‌زمان کدون آغاز ترجمه است و کدون‌های پایان عبارت‌اند از UAA، UGA و UAG؛ این کدون‌ها اسیدآمینه‌ای را رمزگذاری نمی‌کنند و توقف ساخت زنجیره را اعلام می‌کنند.

۴.۲ tRNA

tRNA یا RNA ناقل، اسیدآمینهٔ مناسب را به ریبوزوم می‌آورد و شکل کلی آن L-مانند است. دو ناحیهٔ مهم آن عبارت‌اند از: ناحیهٔ پذیرنده که محل اتصال اسیدآمینه است و ناحیهٔ آنتی‌کدون که سه نوکلئوتید مکمل کدون mRNA را در بر می‌گیرد. برای هر اسیدآمینه دست‌کم یک tRNA اختصاصی وجود دارد؛ آنتی‌کدون با کدون mRNA جفت می‌شود و به این ترتیب اسیدآمینهٔ درست در جایگاه مناسب قرار می‌گیرد.

۴.۳ ریبوزوم

ریبوزوم از RNA ریبوزومی و پروتئین ساخته شده و دو زیرواحد دارد. این دو زیرواحد در حالت عادی جدا هستند و هنگام آغاز ترجمه به هم متصل می‌شوند. ریبوزوم دو جایگاه اصلی دارد: جایگاه A (آمینواسیل) که محل ورود tRNA حامل اسیدآمینهٔ جدید است و جایگاه P (پپتیدیل) که tRNA حامل زنجیرهٔ در حال رشد در آن قرار می‌گیرد.

۵ مراحل ترجمه: آغاز، درازشدن و پایان

سنتز پروتئین در سه مرحلهٔ آغاز، درازشدن و پایان انجام می‌شود.

۵.۱ آغاز ترجمه

عوامل شرکت‌کننده در آغاز ترجمه، عوامل آغازگر نام دارند و با IF مشخص می‌شوند: IF₁، IF₂ و IF₃. توالی رویدادها چنین است: ابتدا IF₃ به زیرواحد کوچک ریبوزوم متصل می‌شود؛ سپس mRNA روی زیرواحد کوچک قرار می‌گیرد و کدون AUG در جایگاه P مستقر می‌شود؛ در ادامه IF₃ آزاد می‌شود و IF₂ همراه با GTP و tRNA حامل فرمیل‌متیونین (fMet-tRNA) به مجموعه می‌پیوندد؛ سرانجام زیرواحد بزرگ ریبوزوم متصل می‌شود و جایگاه‌های A و P در دو زیرواحد مقابل یکدیگر قرار می‌گیرند. ترجمه در سلول‌های پروکاریوتی و یوکاریوتی با متیونین آغاز می‌شود و در باکتری‌ها شکل آغازگر آن معمولاً فرمیل‌متیونین است.

۵.۲ درازشدن زنجیره

در این مرحله اسیدهای آمینه به‌ترتیب به زنجیره افزوده می‌شوند و عوامل درازکنندهٔ EFG و EFT نقش دارند. ابتدا tRNA حامل اسیدآمینهٔ دوم با کمک GTP و عامل درازکننده وارد جایگاه A می‌شود؛ عامل درازکننده پس از استقرار tRNA آزاد می‌شود و GTP به GDP و فسفات معدنی تبدیل می‌گردد. سپس میان اسیدآمینهٔ جایگاه P و اسیدآمینهٔ جایگاه A پیوند پپتیدی ایجاد می‌شود؛ این واکنش را آنزیم پپتیدیل ترانسفراز (پپتیدیل سنتتاز) کاتالیز می‌کند. در گام بعد، ریبوزوم به‌اندازهٔ یک کدون روی mRNA حرکت می‌کند، tRNA حامل زنجیره از جایگاه A به جایگاه P منتقل می‌شود، tRNA بدون اسیدآمینه از ریبوزوم خارج می‌شود و جایگاه A برای ورود tRNA بعدی آماده می‌گردد. این چرخه تا رسیدن ریبوزوم به یک کدون پایان تکرار می‌شود.

۵.۳ پایان ترجمه

وقتی ریبوزوم به یکی از کدون‌های پایان (UGA، UAG یا UAA) برسد، ساخت زنجیره متوقف می‌شود. عوامل دخیل در پایان ترجمه، عوامل آزادکننده نام دارند و با R₁، R₂ و R₃ مشخص می‌شوند. پس از اتصال عامل آزادکننده، فعالیت پپتیدیل ترانسفراز موجب آزادشدن زنجیرهٔ تازه‌ساخته می‌شود؛ زنجیرهٔ پروتئینی با انتهای کربوکسیلی (COOH) پایان می‌یابد، mRNA و عوامل ترجمه جدا می‌شوند و دو زیرواحد ریبوزوم از هم جدا می‌گردند. نکتهٔ مهم آن است که چندین ریبوزوم می‌توانند هم‌زمان روی یک mRNA قرار گیرند و یک پروتئین را بسازند؛ به چنین مجموعه‌ای پلی‌ریبوزوم یا پلی‌زوم می‌گویند.

۶ ساختار پروتئین

پروتئین زنجیره‌ای از اسیدهای آمینه است و ترتیب و نوع اسیدهای آمینه ویژگی پروتئین را تعیین می‌کند. طول متوسط یک پروتئین حدود ۱۰۰ اسیدآمینه است و در طبیعت ۲۰ اسیدآمینهٔ اصلی در ساخت پروتئین‌ها به کار می‌رود. بخش مشترک اسیدهای آمینه، ستون فقرات پروتئین را می‌سازد و تفاوت اصلی اسیدهای آمینه در زنجیرهٔ جانبی یا گروه R آن‌هاست.

۶.۱ اسیدهای آمینه

اسیدهای آمینهٔ پروتئینی از نوع L هستند. هر اسیدآمینهٔ آلفا دارای یک کربن نامتقارن به نام کربن آلفا است که به چهار گروه متصل می‌شود: گروه کربوکسیل (COOH)، گروه آمین (NH₂)، یک اتم هیدروژن و زنجیرهٔ جانبی R. زنجیرهٔ R می‌تواند زنجیره یا حلقهٔ کربنی باشد و گروه‌هایی مانند هیدروکسیل، آمین، کربوکسیل و گوگرد در آن وجود داشته باشد. اتم‌های کربن زنجیرهٔ جانبی بر اساس فاصله از کربن آلفا با حروف بتا (β)، گاما (γ) و دلتا (δ) نام‌گذاری می‌شوند. بیشتر اسیدهای آمینهٔ آلفا در ساخت پروتئین‌ها شرکت می‌کنند؛ اسیدهای آمینهٔ بتا، گاما و دلتا بیشتر نقش واسطه‌های شیمیایی دارند.

۶.۲ ساختار سه‌بعدی و تاخوردگی

پروتئین در محیط آبی به شکل رشتهٔ باز باقی نمی‌ماند، بلکه در فضای سه‌بعدی تا می‌خورد. عوامل مؤثر بر تاخوردگی عبارت‌اند از: چرخش پیوندها حول محور خود، برهم‌کنش‌های فیزیکی و شیمیایی میان اسیدهای آمینه، آب‌دوستی و آب‌گریزی، پیوندهای هیدروژنی و نیروهای یونی و الکترواستاتیک. در محیط آبی، اسیدهای آمینهٔ آب‌دوست در سطح بیرونی و اسیدهای آمینهٔ آب‌گریز درون مولکول جمع می‌شوند و هستهٔ آب‌گریز را می‌سازند.

پاولینگ و کوری نوع دیگری از فشردگی زنجیرهٔ پلی‌پپتیدی را به نام صفحهٔ بتا معرفی کردند؛ دارای پیوندهای هیدروژنی متعدد و ظاهر زیگزاگی در نمای جانبی است و رشته‌های آن می‌توانند موازی، غیرموازی یا مختلط باشند. صفحات بتا در پروتئین‌های کروی مانند لیزوزیم و کربوکسی‌پپتیداز و در پروتئین‌های رشته‌ای مانند ابریشم و کراتین دیده می‌شوند.

۶.۳ دسته‌بندی و تعاریف

پروتئین‌ها به سه گروه اصلی تقسیم می‌شوند: پروتئین‌های کروی (معمولاً محلول، ساختار فشرده، بسیاری از آن‌ها آنزیم)، پروتئین‌های رشته‌ای (نقش ساختمانی و استحکام بافت‌ها، مانند ابریشم و کراتین) و پروتئین‌های غشایی (گیرنده و کانال عبور مولکول‌های قطبی و باردار).

هر واحد اسیدآمینه‌ای در زنجیره پس از اتصال، یک «باقی‌مانده» نامیده می‌شود. ساختار اول، ترتیب خطی اسیدهای آمینه است. ساختار دوم، ساختارهای محلی تکرارشوندهٔ پایدارشده با پیوندهای هیدروژنی (مارپیچ آلفا و صفحهٔ بتا) است. ساختار سوم یا Fold، شکل کلی سه‌بعدی مولکول است که با برهم‌کنش‌های غیرمحلی، هستهٔ آب‌گریز، پل‌های نمکی، پیوندهای دی‌سولفیدی و تغییرات پس از ترجمه شکل می‌گیرد. ساختار چهارم از برهم‌کنش چند زیرواحد پروتئینی در یک کمپلکس ایجاد می‌شود. مسیر تاخوردگی، ترتیب رویدادهایی است که پروتئین را از زنجیرهٔ اولیه به ساختار نهایی می‌رساند. پروتئین‌ها انعطاف‌پذیرند و هر شکل فضایی یک صورت‌بندی و جابه‌جایی میان آن‌ها تغییر صورت‌بندی نام دارد.

۸ پروتئومیک

پروتئومیک، علم مطالعهٔ ساختار و عملکرد پروتئین‌ها در مقیاس گسترده است و این اصطلاح در قیاس با ژنومیک ساخته شده است. ژنوم به‌تنهایی نمی‌تواند رفتار سلول را در شرایط مختلف توضیح دهد، زیرا همهٔ ژن‌ها در همهٔ سلول‌ها به یک اندازه بیان نمی‌شوند، محیط و پیام‌های سلولی میزان بیان پروتئین‌ها را تغییر می‌دهند و فعالیت زیستی سلول مستقیماً به پروتئین‌های تولیدشده و تعامل آن‌ها وابسته است.

پروتئوم، مجموعهٔ پروتئین‌هایی است که در یک سلول، در یک زمان و شرایط مشخص بیان می‌شوند. برخلاف ژنوم، یک جاندار الزاماً یک پروتئوم ثابت ندارد و پروتئوم سلول‌ها بسته به نوع سلول، مرحلهٔ رشد، حالت استراحت، تمایز، بیماری، شرایط محیطی، پیام‌های سلول‌های مجاور و اثر دارو تغییر می‌کند. برای شناخت رفتار سلول باید پروتئین‌های بیان‌شده، مقدار بیان هر پروتئین، تغییرات پروتئین‌ها در شرایط گوناگون، عملکرد و برهم‌کنش پروتئین‌ها، تغییرات پس از ترجمه و نیمه‌عمر آن‌ها مطالعه شود.

مطالعهٔ پروتئوم دشوارتر از مطالعهٔ ژنوم است، زیرا پروتئین‌ها مانند DNA به‌سادگی تکثیر نمی‌شوند، زنجیره‌های پلی‌پپتیدی مانند دو رشتهٔ مکمل DNA با یکدیگر جفت نمی‌شوند و شناسایی و بررسی پروتئین‌ها به ابزارهای تخصصی نیاز دارد.

۸.۱ سه بخش اصلی پروتئومیک

نخست، شناسایی پروتئین‌های بیان‌شده: در این بخش همهٔ پروتئین‌هایی که در شرایطی مشخص (استراحت، رشد، تمایز، بیماری یا اثر دارو) بیان می‌شوند شناسایی می‌گردند. با مقایسهٔ شرایط مختلف می‌توان پروتئین‌هایی را یافت که فقط در یک شرایط بیان می‌شوند یا میزان بیانشان افزایش و کاهش می‌یابد و احتمالاً در بیماری یا پاسخ دارویی نقش دارند. این اطلاعات برای تشخیص بیماری، بررسی پیشرفت یا بهبودی و طراحی دارو کاربرد دارد.

دوم، نقشه‌برداری برهم‌کنش‌های پروتئینی: پروتئین‌ها معمولاً به‌صورت منفرد عمل نمی‌کنند و در مسیرهای انتقال پیام، مسیرهای بیوسنتزی، مجموعه‌های پروتئینی و فرایندهای تنظیمی سلول با یکدیگر برهم‌کنش دارند. شناخت این برهم‌کنش‌ها به تعیین عملکرد واقعی پروتئین‌ها کمک می‌کند.

سوم، نقشه‌برداری تغییرات و آرایش‌های پروتئینی: پروتئین‌ها پس از ترجمه ممکن است دچار تغییرات شیمیایی مانند گلیکوزیلاسیون، متیلاسیون، استیلاسیون و فسفریلاسیون شوند. این تغییرات بر فعالیت، عملکرد زیستی، ساختار فضایی، پایداری، نیمه‌عمر و اتصال پروتئین به مولکول‌های دیگر اثر می‌گذارند. همچنین بسیاری از داروها دارای گروه‌های الکتروفیلی هستند و از طریق این گروه‌ها به پروتئین هدف متصل می‌شوند؛ بنابراین شناخت تغییرات پروتئینی به فهم عملکرد پروتئین‌ها و شرایط ایجاد این تغییرات کمک می‌کند.