مولکول DNA ( دی ان ای) یا «دئوکسی‌ریبونوکلئیک اسید» (Deoxyribo Nucleic Acid) نام شیمیایی ترکیبی است که تمام اطلاعات ژنتیکی و ویژگی‌های وراثتی موجودات زنده را در بر دارد. این مولکول دارای دو رشته بسیار بلند است که به طور مارپیچ در کنار هم قرار می‌گیرند و ساختاری به شکل «مارپیچ دو‌تایی» (Double-Helix) را ایجاد می‌کنند. DNA در تمام سلول‌های موجودات زنده یافت می‌شود و از سلول‌های والدی به فرزندان انتقال می‌یابد.

DNA چیست؟

دی ان ای تمام کدها و اطلاعات ژنتیکی جانوران، گیاهان و حتی ویروس‌ها را حمل می‌کند که این اطلاعات برای رشد، تکامل، بقا، تولید مثل و سایر عملکردهای موجودات، حیاتی است. محل قرارگیری DNA سلول‌های جانوران مختلف هسته سلول است که به عنوان مرکز ارسال دستورالعمل‌های ساخت پروتئین‌ها و انواع RNAهای موجود در بدن جانداران شناخته می‌شود. این مولکول به دلیل ساختمان و اجزای سازنده آن DNA نام گرفته است. در واقع ماکرومولکول DNA یک پلیمر بلند است از مولکول‌های قند ۵ کربنی (پنتوز)، فسفات به همراه بازهای آلی نیتروژن‌دار تشکیل می‌شود. دئوکسی‌ریبوز نام قند پنتوز و اسید نوکلئیک نشان‌ دهنده فسفات و بازهای آلی موجود در مولکول است. بازهای آلی نیتروژن‌دار ساختار حلقوی دارند و به چهار شکل در مولکول DNA دیده می‌شوند: آدنین (A)، گوانین (G)، سیتوزین (C) و تیمین (T).

ساختمان بازهای آلی، بازهای پورین دو حلقه‌ای و بازهای پیریمیدن تک‌حلقه
شکل ۱: ساختمان بازهای آلی، بازهای پورین دو حلقه‌ای و بازهای پیریمیدن تک‌حلقه

این بازها به دو گروه پورین یا دو حلقه‌ای (A,G) و گروه پیریمیدین یا تک حلقه‌ای (C,T) تقسیم می‌شوند. با وجود اینکه DNA با داشتن سه بخش قند، فسفات و بازهای نیتروژنی ساختمان ساده‌ای دارد، اما نحوه و ترتیب قرارگیری همین بازها باعث ایجاد پیچیدگی‌های بی‌شماری در این مولکول می‌شود، به طوری که همه تفاوت‌ها و تنوع در جانداران به دلیل ترتیب قرارگیری و توالی این بازها به وجود آمده است.

ساختمان DNA

مولکول دی ان ای از واحدهایی به نام «نوکلئوتید» (Nucleotide) ساخته می‌شود. نوکلئوتیدها از یک قند پنج کربنه، فسفات و یک باز آلی تشکیل شده‌اند، به طوری که یک باز آلی با پیوند کووالانسی به قند متصل می‌شود و یک گروه فسفات از سمت دیگر با پیوند کووالانسی به قند اتصال می‌یابد. نوکلئوتیدها با پیوند فسفودی‌استر از طریق فسفات یک نوکلئوتید و OH قند نوکلئوتید دیگر به هم متصل شده و رشته‌های پلی نوکلئوتیدی را می‌سازند.

نحوه قرارگیری بازها و پیوندهای قند-فسفات
شکل ۲: نحوه قرارگیری بازها و پیوندهای قند-فسفات

مولکول دی ان ای ساختمان دو رشته‌ای دارد و هر رشته پلی‌نوکلئوتیدی طویل است که از طریق پیوندهای هیدورژنی موجود بین بازهای آلی به هم متصل می‌شوند. پیوند هیدروژنی بین بازهای نیتروژنی کاملا اختصاصی است؛ به این صورت که بازهای آدنین و تیمین با دو پیوند هیدروژنی به هم اتصال می‌یابند و سه پیوند هیدروژنی بین دو باز سیتوزین و گوانین تشکیل می‌شود. در این ساختمان نردبانی شکل، ساختارهای قند-فسفات به عنوان ستون‌ها و بازهای آلی به همراه پیوندهای هیدروژنی پله‌های این نردبان را می‌سازند. در ساختمان DNA هر کدام از دو رشته به صورت موازی و ناهمسو روبروی هم قرار دارند؛ به این ترتیب که اگر یک رشته در ابتدا دارای گروه فسفات (‘5) و در انتهای رشته هیدروکسیل (‘3) باشد، وضعیت در رشته مقابل برعکس است؛ به این معنی که در ابتدای رشته دوم، گروه هیدروکسیل و در انتهای آن گروه فسفات قرار دارد. در باکتری‌ها گاهی دو سر رشته‌ها با پیوند فسفودی‌استر به هم متصل می‌‌شوند و ساختار DNA حلقوی را می‌سازند.

DNA در سلول‌های بدن انسان از سه میلیارد جفت باز تشکیل شده است، این در حالی است که 99 درصد از این توالی‌ها در تمام انسان‌ها یکسان است. براساس مطالعات انجام شده، کوتاه‌ترین مولکول DNA متعلق به باکتری به نام (Carsonella Ruddi) است که در  بدن یک حشره زندگی می‌کند. DNA این باکتری 160000 جفت باز دارد. بزرگترین مولکول DNA نیز در گیاهی به نام پاریس (Paris Japonica) با طول 150 میلیارد جفت باز مشاهده شده است.

DNA در کدام قسمت از بدن موجودات مختلف وجود دارد؟

با توجه به اینکه دو نوع سلول در جانداران مختلف وجود دارد، پاسخ  این سوال می‌تواند متفاوت باشد. این دو دسته سلول در موجودات زنده شامل سلول‌های یوکاریوت و پروکاریوت است. انسان و بسیاری از جانوران دیگر دارای سلول‌های یوکاریوت هستند، به این معنی که در سلول‌های آن‌ها غشای اختصاصی به دور هسته و سایر اندامک‌های درون سلولی قرار دارد. در سلول‌های یوکاریوتی، DNA درون ساختمان هسته قرار گرفته است و مقدار کمی از DNA در اندامکی به نام «میتوکندری» (Mitochondrion) که محل تولید انرژی سلول است، یافت می‌شود. به دلیل اینکه در هسته سلولی فضای محدودی برای قرارگیری DNA وجود دارد، این مولکول طی فرایندهایی به صورت متراکم در می‌آید. در سلول‌های یوکاریوتی مراحل متفاوتی برای افزایش تراکم DNA و ایجاد فرم «کروموزوم» (Chromosome) از آن انجام می‌گیرد.

محل قرارگیری DNA درسلول‌های یوکاریوت و پروکاریوت
شکل ۳: محل قرارگیری DNA درسلول‌های یوکاریوت و پروکاریوت

در سایر موجودات مانند باکتری‌ها، سلول‌ها به صورت پروکاریوت وجود دارند. پروکاریوت‌ها فاقد هسته و اندامک‌های درون سلولی هستند، بنابراین DNA در این سلول‌ها به صورت بسیار پیچ‌خورده در وسط سلول قرار می‌گیرد.

مراحل متراکم شدن مولکول DNA

برای اینکه دی ان ای با طول حدود ۲ متر بتواند در سلولی به قطر 10 تا 20 میکرون جای گیرد، باید بسیار متراکم شود، که این تراکم طی پیچ خوردگی، خمیدگی و گاهی حلقوی شدن این مولکول امکان پذیر می‌شود. در مرحله اول، برای تسهیل در ایجاد پیچ خوردگی، پروتئین‌هایی به نام «هیستون» (Histone) به کمک DNA می‌آیند. زمانی که رشته‌های DNA به دور هیستون‌ها «پیچ» (Coiling) می‌خورند و ساختاری به نام «کروماتین» (Chromatin) شکل می‌گیرد (به ساختارهایی که رشته‌های DNA پیچ‌خورده به دور هیستون‌ تشکیل می‌دهند نوکلئوزوم (Nucleosome) می‌گویند). ‌در ادامه برای افزایش تراکم، مولکول DNA طی فرایندی به نام «پیچش مضاعف» (Supercoiling) به حالتی از DNA به نام کروموزوم تبدیل می‌شود. هر کروموزوم شامل یک مولکول DNA فشرده است. در انسان ۲۳ جفت یا ۴۶ عدد کروموزوم وجود دارد. بزرگترین کروموزوم در انسان کروموزوم شماره یک است که بیش از ۸۰۰۰ هزار ژن دارد و همچنین کروموزوم شماره ۸ کوچکترین کروموزوم با حدود ۳۰۰۰ ژن محسوب می‌شود.

مراحل تراکم رشته‌های DNA
شکل ۴: مراحل تراکم رشته‌های DNA

ژن چیست؟

هر قسمت از دی ان ای که دارای دستور العمل یا کد ایجاد یک پروتئین مشخص است و منجر به ایجاد یک ویژگی یا عملکرد خاص می‌شود، یک ژن نامیده می‌شود. به عنوان مثال، بخشی از DNA که پروتئین انسولین را کد می‌کند ژن انسولین نام دارد. تعداد ۲۰ تا ۳۰ هزار  ژن در انسان تاکنون شناسایی شده است. ژن‌های انسان حدود ۳ درصد از کل DNA هر سلول را تشکیل می‌دهد و عملکرد ۹۷ درصد از مولکول DNA هنوز به خوبی شناخته نشده است.

ساختار ژن
شکل ۵: ساختار ژن

 

داستان کشف ساختار DNA

یکی از بزرگترین دستاوردهای علمی بشر شناسایی و کشف ساختمان مولکول DNA است، چرا که قبل از این کشف، هیچ شناختی در مورد چگونگی و نحوه وراثت اطلاعات ژنتیکی در دست نبود. اولین کسی که نام اسیدهای نوکلئیک را برای مولکول DNA استفاده کرد، دانشمندی سوئیسی به نام «فردریک میشر» (Friedrich Miescher) بود. در سال ‍۱۸۶۹ میشر طی مطالعه بر روی گلبول‌های سفید و بررسی ماده‌ درون هسته گلبول‌ها که آن را در ابتدا «نوکلئوین» (Nuclein) نامید، به وجود ترکیب جدید زیستی پی برد و به دلیل اینکه  این ماده از هسته استخراج شده بود و خاصیت ضعیف اسیدی نیز داشت آن را اسید‌نوکلئیک نامید.

میشر تنها کسی نبود که به دنیای علم برای شناخت مولکول DNA کمک کرد؛ در این بین دانشمندان بسیاری با مطالعات مختلف هر یک بخش‌های متفاوتی از این ساختمان پیچیده را شناسایی کردند. سرانجام در سال ‍۱۹۵۳ با کمک مطالعات دانشمندان پیشین، دو محقق انگلیسی به نام‌های «جیمز واتسون» (James Watson) و «فرانسیس کریک» (Francis Crick) در دانشگاه کمبریج لندن توانستند مدل کنونی DNA را به جهان معرفی کنند و به همین دلیل در سال ۱۹۶۲ موفق به دریافت جایزه نوبل شدند. در ادامه، روند مطالعات برای کشف ساختمان این مولکول به اختصار بیان می‌شود.

واتسون و کریک
شکل ۶: واتسون و کریک ارائه دهنده مدل مارپیچ دو رشته‌ای ‌DNA

پازل DNA چگونه کامل شد؟

  • در سال ۱۸۶۹، فردریک میشر اثبات کرد ماده وراثتی در هسته سلول قرار دارد.
  • در سال ۱۹۱۰، «فوبوس لون» پزشک روسی توانست فرمول شیمیایی اسیدهای نوکلئیک را شناسایی کند.
  • در سال ۱۹۵۰، «اروین چارگف» (Erwin Chargaff) نسبت بازهای آلی در DNA را تعیین کرد.
  • در سال ۱۹۴۷، پاولینگ دانشمند امریکایی که روی ساختار پروتئین‌ها مطالعه می‌کرد و  پیشنهاد داد که مولکول DNA ساختار سه رشته‌ای دارد، به طوری که بازهای آلی به سمت خارج مولکول و بخش قند – فسفات به سمت داخل مولکول قرار گرفته‌اند.
  • در سال ۱۹۵۲، «روزالین فراکلین» (Roslind Franklin) فیزیکدان انگلیسی با استفاده از پراش اشعه ایکس موفق به ثبت تصویر مولکول DNA شد.
  • در سال ۱۹۵۳، واتسون و کریک دو محقق دانشگاه کمبریج، ساختمان مارپیچ دو رشته‌ای DNA ارائه کردند.
تصویر مولکولDNA با پراش پرتو ایکس
شکل ۷: تصویر مولکول DNA با پراش پرتو ایکس

مدل واتسون و کریک

در سال ۱۹۵۳ واتسون و کریک با استفاده از تصاویر تهیه شده از مولکول DNA توسط فرانکلین و با بررسی مطالعات گذشته در مورد ساختار DNA توانستند مدلی کامل برای مولکول ‌DNA ارائه دهند. ساختمان DNA طبق مدل واتسون و کریک، ساختمان دو رشته‌ای مارپیچ است که در آن بازهای آلی داخل مولکول با پیوندهای هیدروژنی، رشته‌های قند – فسفات را به هم متصل نگه می‌دارند. این دو رشته در دو جهت به صورت موازی و ناهمسو، حول یک محور مرکزی پیچ می‌خورند.

مطابق مدل فضایی ارائه شده، دی ان ای از واحدهایی به نام نوکلئوتید ساخته شده است که با پیوندهای فسفودی‌استر به هم متصل می‌شوند. در این ساختمان سه بخش به صورت زیر مشاهده می‌شود:

  1. قند پنج کربنه (پنتوز) که به آن ریبوز با دئوکسی ریبوز می‌گویند.
  2. بازهای آلی که به صورت تک و دو حلقه‌ای (پورین وپیریمیدن) وجود دارند. این بازها به یکدیگر از طریق پیوند هیدروژنی و به مولکول قند از طریق کربن شماره ۱ آن با پیوند کوالانسی متصل می‌شوند. در این حالت ساختارهایی به نام «نوکلئوزید» (Nucleoside) ساخته می‌شود.
  3. در یک رشته از مولکول DNA یک گروه فسفات می‌تواند دو نوکلئوتید مجاور را با پیوند فسفودی‌استر (از طریق کربن‌های شماره ‘۳ و ‘۵ قندها) به هم متصل کند. بنابراین نوکلئوتیدها، نوکلئوزیدهایی هستند که توسط گروه‌های فسفات بهم متصل شده‌اند.

قوانین چارگف

تعداد و نسبت بازهای آلی در مولکول ‌DNA از قانون چارگف تبعیت می‌کند. اگر توالی و ترتیب بازها در یک رشته از مولکول را بدانیم می‌توانیم توالی رشته مقابل را طبق اصل «مکمل بودن بازهای دو رشته مقابل» به دست آوریم. طبق  قوانین چارگف، عبارات زیر صادق هستند:

  • ترتیب و توالی بازها در گونه‌های مختلف متفاوت است.
  • بخش‌های مختلف DNA یک گونه، در بافت‌های متفاوت مشابه است.
  • توالی و ترتیب بازهای آلی در یک گونه با تغییر محیط، تغذیه و سن گونه تغییر نمی‌کند.
  • نسبت بازهای آلی در یک مولکول‌ DNA با هم برابر است، به صورتی که رابطه زیر در هر رشته از DNA برقرار است:

C+G : A+T, A = TC = G

نحوه چرخش مارپیچ

براساس مدل واتسون و کریک رشته‌های ‌DNA حول یک محور فرضی، معمولا به صورت راستگرد چرخش دارند. در این مدل گروه های قند و فسفات به علت خاصیت آبدوستی و وجود گروه‌های قطبی به سمت خارج مولکول و در معرض محیط‌های آبی قرار می‌گیرند، در حالی جهت بازهای آلی به دلیل خاصیت آبگریزی به سمت داخل مولکول است. هنگام تشکیل هر مارپیچ DNA، رشته‌ها به صورت موازی و برعکس مقابل هم جهت‌گیری می‌کنند. به این صورت که اگر جهت یک رشته از کربن ‘۵ به ‘۳ باشد، جهت رشته مقابل آن از کربن ‘۳ به کربن ‘۵ است.

ساختار پیوند فسفو‌دی‌استر DNA
شکل ۹: ساختار پیوند فسفو‌دی‌استر DNA

شیارهای مارپیچ

بازهای آلی از طریق پیوندی به نام «پیوند گلیکوزیدی» به قندهای ۵ کربنه متصل می‌شوند، اما این پیوند همیشه به صورت مستقیم و در راستای یک خط فرضی ایجاد نمی‌شود. بنابراین ممکن است این ستون‌های قند – فسفات متصل به بازها طوری در مقابل هم قرار گیرند که باعث ایجاد دو شیار با زاویه متفاوت در DNA شوند. این شیارها به دلیل زاویه قرار‌گیری پیوند گلیکوزیدی قند و باز،  به دو حالت بزرگ و کوچک به وجود می‌آیند. در «شیار کوچک» (Minor Groove) زاویه بین قند و باز ۱۲۰ درجه و در «شیار بزرگ» (Major Groove) این زاویه به ۲۴۰ درجه می‌رسد. درون شیار بزرگ اتم‌های نیتروژن و اکسیژن انتهایی (منظور اتم‌های نیتروژن و اکسیژنی است که دورترین فاصله را نسبت به پیوند گلیکوزیدی دارند) بازهای آلی قرار دارند، این شیار به سمت داخل محور مارپیچ DNA باز می‌شود. در شیار کوچک، نیتروژن‌ها و اکسیژن‌های به سمت داخل (نزدیکترین اتم‌های اکسیژن و نیتروژن به پیوند گلیکوزیدی) بازهای آلی جای می‌گیرند. این شیار به سمت خارج محور مارپیچDNA  باز می‌شود. شیار بزرگ بسیاری از اطلاعات شیمیایی را با خود حمل می‌کند و پروتئین‌های اختصاصی از ناحیه این شیار به DNA متصل می‌شود. پروتئین‌هایی که به شکل غیراختصاصی با DNA اتصال می‌یابند (مانند هیستون) و مولکول‌های آب و یون‌ها، از راه شیارکوچک به DNA متصل می‌شوند.

ساختمان‌های سه بعدی

پس از مطالعات سال ۱۹۵۳ و ارائه مدل واتسون و کریک، دانشمندان بسیاری در سراسر جهان به مطالعه دقیقتر ساختمان این مولکول براساس مدل دو رشته‌ای مارپیچ پرداختند. در این میان محققان دریافتند که درون سلول و در شرایط متفاوت همیشه DNA به شکل مدل مارپیچ دو رشته‌ای واتسون و کریک دیده نمی‌شود. در شرایط متفاوت سلولی، شکل و ساختمان DNA تغییر می‌کند و در حالت کلی DNA به سه شکل اصلی B-DNA (مدل واتسون و کریک) و A-DNA و Z-DNA در سلول‌های زنده دیده می‌شود.

مولکول DNA می‌تواند راستگرد یا چپگرد باشد، به این صورت که در دو شکل A و B از مولکول DNA، جهت چرخش مارپیچ به سمت راست و در شکل Z به سمت چپ (چپگرد) است. در بیشتر مواقع درون سلول‌ها DNA به شکل B دیده می‌شود، در حالی که وقتی یک رشته DNA در مقابل یک رشته RNA قرار می‌گیرد و یا در شرایط کم آبی، DNA به شکل A درمی‌آید. شکل Z در مولکول DNA در شرایط خاص و به ندرت در سلول مشاهده می‌شود. اولین بار این فرم از DNA در توالی غنی از تکرارهای GC در زیر میکروسکوپ نوری دیده شد. زمانی که غلظت نمک در سلول بسیار افزایش می‌یابد، فرم Z در سلول یافت می‌شود. در جدول زیر ویژگی‌ها و تفاوت‌های اشکال مختلف DNA مقایسه شده است.

 شکل DNA  A-DNA B-DNA Z-DNA
 اندازه کلی کوتاه و پهن بلند و باریک  بسیار طویل و باریک
ارتفاع هر جفت باز 3.2 آنگستروم 23.3 آنگستروم 8.3 آنگستروم
جهت چرخش مارپیچ راستگرد راستگرد  چپگرد
قطر مارپیچ  5.25 آنگستروم 7.23 آنگستروم 4.18 آنگستروم
اندازه شیار بزرگ بسیار باریک و عمیق پهن با عمق متوسط پهن شده به روی سطح مارپیچ
اندازه شیار کوچک بسیار  پهن و کم عمق باریک و عمق متوسط بسیار باریک و خیلی عمیق
تعداد جفت باز در هر دور مارپیچ 11 10 12
 موقعیت محور مارپیچ شیار بزرگ از میان جفت بازها شیار کوچک
انواع ساختمان‌های DNA
شکل ۱۰: انواع ساختمان‌های DNA

با توجه به تفاوت‌های هریک از ساختارهای DNA، محققان بر این باورند که در شرایط مختلف سلولی هر کدام از این اشکال می‌توانند بر بیان و ترجمه ژن و تولید پروتئین‌های مختلف نقش داشته باشند.

اگر این نوشته برای شما مفید بوده است و مایل به مطالعه مطالب مشابه هستید، آموزش‌های زیر به شما پیشنهاد می‌شود:

telegram
twitter

شکوفه دلخواهی

شکوفه دلخواهی کارشناس ارشد نانوبیوتکنولوژی است. فعالیت‌های علمی و کاری او در زمینه تکنیک‌های زیست فناوری و طراحی نانوزیست‌حسگر بوده و اکنون در مجله فرادرس آموزش‌های زیست‌شناسی می‌نویسد.

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *