DNA چیست ؟ همه چیز درباره نحوه کار و ساختار DNA ( دی ان ای )

DNA چیست ؟ چه کسی آن را و در کجا کشف کرد؟ چه چیزی آن را تا این حد خاص و حائز اهمیت کرده است؟ چگونه کار می کند؟ در این مقاله نگاهی خواهیم داشت به ساختار این مولکول و اطلاعات جامعی از آن در اختیارتان قرار می دهیم.

DNA چیست ؟

دی ان ای (دئوکسی‌ ریبونوکلئیک اسید(DNA) نوعی اسید نوکلئیک می‌باشد که دارای دستورالعمل های ژنتیکی است که برای کار کرد و توسعه بیولوژیکی موجودات زنده و ویروس مورد استفاده قرار می‌گیرد. نقش اصلی مولکول DNA ذخیره سازی طولانی مدت اطلاعات ژنتیکی می‌باشد. دستور العمل های ژنتیکی موجود در مولکول DNA در نهایت برای مواردی چون ساخت پروتئین و مولکول های RNA در سلول، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

قطعاتی از DNA که اطلاعات ژنتیکی را با خود حمل می‌کنند ژن نامیده می‌شوند ولی DNA دارای توالی های دیگری نیز می‌باشد که برای ساخت خود DNA یا تنظیم استفاده از اطلاعات ژنتیکی موجود در ژن ، مورد استفاده قرار می‌گیرد. از لحاظ شیمیایی، DNA از دو رشته طولانی پلیمری با واحد های ساختاری از جنس نوکلئوتید تشکیل شده است که شامل ستون هایی از گروه‌های قند و فسفات می‌شود که پیوندی از نوع استر دارند. این دو رشته DNA به شکل موازی یکدیگر قرار دارند.

مولکول های قند از طریق چهار نوع باز آلی به یکدگر متصل می‌باشند. توالی این چهار باز آلی باعث کد گذاری رشته ژنتیکی می‌شود که این کدها برا ی ساخت آمینو اسید که واحد های سازنده پروتئین می‌باشند مورد استفاده قرار می‌گیرد. این کد ژنتیکی توسط مولکول RNA در مرحله به نام ترجمه خوانده می‌شود و برای ساخت آمینو اسید مورد استفاده قرار می‌گیرد. DNA در داخل سلول به شکل سازه‌هایی به نام کروموزوم می‌باشد. دونخسته از هر کروموزوم در زمان تقسیم سلولی ساخته می‌شود فرآیند تکثیر به دونسخه را نسخه بردای DNA می نامند.

کروموزوم در یوکاریوت ها (جانواران ، گیاهان، قارچ ها ، آغازیان) در بخشی به نام هسته سلول قرار می‌گیرد در حالیکه در پروکاریوت ها( باکتری و آرکی ها) در سیتوپلاسم سلول قرار دارد و جایگاه مشخصی ندارد. در داخل کروموزوم ها پروتئین های کروماتینی( کروماتین واحد سازنده DNA می‌باشد) مانند هیستون وجود دارد که وظیفه فشرده سازی DNA را برعهده دارند. این فشرده سازی به تعامل DNA ودیگر پروتئین ها در مرحله رونویسی کمک می‌کند.

دی ان ای پلیمری است که از رشته‌های تکرار شونده متشکل از واحدهای سازنده ای از جنس نکلونید می‌باشد. طول رشته زنجیرهای دی ان ای ۲۲ تا ۲۶ آنگستروم (۲٫۲ تا ۲٫۶ نانومتر ) وعرض آن آنگستروم یا (۰٫۳۳ نانومتر) می‌باشد. اگرچه هر واحد تکرار شونده DNA بسیار کوچک می‌باشد ولی رشته پلیمری DNA ممکن است از میلیون ها نوکلئوتید تشکیل شده باشد. برای مثال بزرگترین کروموزوم انسان، کروموزوم شماره یک درای طولی به اندازه ۲۲۰ میلیون باز آلی مکمل می‌باشد. دو رشته سازنده DNA ساختار در هم پیچیده ای همچون در خت انگور به شکل مارپیچ دارند.یک باز آلی پیوند داده شده به قند نکلوزید گفته می‌شود واگر نکلوزید از طریق باز خود به گروه فسفات متصل شود نکلئوتید تشکیل می‌شود. اگر چندین نوکلئوتید با یکدیگر پیوند داده شده باشند به طورمثال در DNA به آن پلی نکلئوتید گفته می‌شود.

رشته‌های DNA از واحد هایی متشکل از قند وگروه فسفات می‌باشد که به صورت متناوب و تکراری در طول رشته قرار گرفتند.قند مورد استفاده در DNA دئوکسی ریبوز که نوعی پنتوز (قند پنج کربنی) است تشکیل شده است. قندها توسط گروه‌های فسفری به یکدیگر پیوند داده شده‌اند.

DNA چیست

چه کسی DNA را کشف کرد ؟

ابتدا بگذارید برای تان داستان کشف DNA را تعریف کنیم.

DNA یکی از مولکول هایی است که در رده اسیدهای نوکلئیک قرار می گیرد. اسیدهای نوکلئیک ابتدا در سال ۱۸۶۸ میلادی توسط فردریش میشر، زیست شناس سوئیسی کشف شدند. اگرچه میشر به وجود اطلاعات ژنتیکی در اسیدهای نوکلئیک شک داشت اما نمی‌توانست این مسئله را تایید کند.

در سال ۱۹۴۳، اسوالد ایوری و همکارانش در دانشگاه راکفلر به این نتیجه رسیدند که DNA گرفته شده از باکتری استرپتوکوکوس نومونیا می‌تواند سلول های سالم باکتریایی را مبتلا سازد. این یافته نشان می‌داد که DNA، همان مولکولی است که حاوی اطلاعات سلول است.

نقش اطلاعاتی DNA بعدها در سال ۱۹۵۲ توسط آلفرد هرشی و مارتا چیس مورد حمایت قرار گرفت. این دو دانشمند، با استفاده از باکتریوفاژها (ویروس هایی که از باکتری ها به عنوان سلول میزبان خود استفاده می کنند) اثبات کردند که DNA نقش محوری را دارد و نه پروتئین ها. اگرچه دانشمندان به این مسئله سال ها پیش پی برده بودند اما هیچ کس نمی‌دانست که این اطلاعات چگونه کدگذاری شده اند و چه عملکردی دارند.

در سال ۱۹۵۳، جیمز واتسون و فرانسیس کریک، ساختار DNA را در دانشگاه کمبریج کشف کردند. داستان کشف DNA در کتاب «مارپیچ دوگانه» توسط جیمز واتسون به رشته تحریر در آمد و بعدها نیز فیلمی با عنوان The Race for Double Helix به تصویر کشیده شد.

در حقیقت، واتسون و کریک از تکنیک مدل سازی مولکولی و اطلاعات دیگر دانشمندان (ماوریس ویلکینز، رزالیند فرانکلین، اروین چارگف و لینوس پائولینگ) بهره بردند تا پرده از اسرار DNA بردارند. داستان کشف DNA و نقش موثر فرانکلین در این اتفاق را می‌توانید در مقاله «نگاهی به زندگی رزالیند فرانکلین، دانشمندی که جهان را تغییر داد اما هیچگاه شناخته نشد» مطالعه کنید. واتسون، کریک و ویلکینز به سبب کشف DNA، جایزه نوبل پزشکی آن سال را دریافت کردند.

DNA چیست

ساختار دی ان ای (DNA)

DNA یکی از چندین مدل اسید نوکلئیک است (RNA ها یا ریبونوکلئیک اسیدها نوع دیگری از این دسته هستند). DNA در هسته تمامی سلول های بدن انسان پیدا می شود و اطلاعات درون این مولکول:

در ساخت پروتئین‌هایی که رفتارهای بیولوژیکی ما را معین می کنند به سلول کمک می‌کند. از نسلی به نسل دیگر منتقل (کپی) می‌شود.

کلید عملکرد تمامی رفتارهای سلولی، بنا به ادعای واتسون و کریک، درون DNA نهفته است. اگرچه ممکن است پیچیده و بعید به نظر رسد اما تمامی اطلاعات بدن ما توسط توالی های تکرار شونده‌ی ۴ عضو کوچک به نام نوکلئوتیدها کد گذاری شده‌اند.

یک بنای عظیم را تصور کنید که فقط از ۴ مدل مصالح ساختمانی درست شده باشد یا یک زبان پیچیده را در نظر بگیرید که الفبای آن بیشتر از ۴ حرف ندارد. DNA زنجیره ای بلند و طویل از این حروف و بلوک های کوچک است.

هر نوکلئوتید متشکل است از یک قند (دئوکسی ریبوز)، یک گروه فسفات و یک باز نیتروژنی.

بازهای نیتروژنی به دو گروه پورینی (دو حلقه ای) و پیریمیدینی (تک حلقه ای) تقسیم می‌شوند که عبارتند از:

• آدنین (Adenin) – یک باز پورینی
• سیتوزین (Cytosine) – یک باز پیریمیدینی
• گوانین (Guanine) – یک باز پورینی
• تیمین (Thymine) – یک باز پیریمیدینی

واتسون و کریک متوجه شدند که DNA دو قسمت دارد. این دو طناب در کنار یکدیگر قرار گرفته و به دور هم می پیچند و نوکلئوتیدها بین این دو قرار گرفته اند و ظاهری نردبانی شکل به آن می‌بخشند که به دابل هلیکس یا مارپیچ دوگانه نیز معروف است.

بخش نردبانی مولکول شامل قسمت قند-فسفات نوکلئوتیدهای مجاور است که به یکدیگر پیوسته‌اند. فسفات یک نوکلئوتید با قند نوکلئوتید بعدی، پیوند کووالان برقرار کرده است (در پیوند کووالان، یک یا دو جفت الکترون میان دو اتم به اشتراک گذاشته می شود). پیوند هیدروژنی میان فسفات‌ها سبب پیچش نوارهای DNA می‌شود.

ساختار DNA

پایه های نیتروژنی به عنوان پلکان این نردبان دو به دو روبروی هم قرار گرفته و به یکدگیر متصل می‌شوند. هر دو نوکلئوتید (یک پورین با یک پیریمیدین) با پیوند هیدروژنی در برابر یکدیگر قرار گرفته و سبب ایجاد واحدهای DNA می‌شوند. در دئوکسی ریبونوکلئیک اسیدها، پیوسته و بدون استثنا، آدنین در برابر تیمین (A-T) و سیتوزین با گوانین (C-T) جفت می‌شود.

پیوند هیدروژنی

پیوند هیدروژنی

پیوند هیدروژنی یک پیوند ضعیف شیمیایی است که مابین اتم های هیدروژن یک مولکول و اتم های الکترونگاتیو مولکول های دیگر مثل اکسیژن، نیتروژن و فلوئور شکل می گیرد. البته این پیوند ممکن است میان اتم های یک مولکول واحد هم شکل بگیرد.

برخلاف پیوندهای یونی و کووالان، در پیوند هیدروژنی، اشتراک الکترونی اصلا صورت نمی پذیرد. جاذبه ضعیف میان دو اتم، دقیقا همانند کنش های مغناطیسی در آهن ربا عمل می‌کند. پیوندهای هیدروژنی در فواصل نزدیک به سادگی شکل می‌گیرند و به سادگی هم از بین می‌روند اما با این حال می‌توانند در استحکام مولکول نقشی اساسی داشته باشند.

جای گیری DNA درون سلول

DNA مولکولی بسیار طویل است. بگذارید با یک مقایسه ساده عظمت آن را به شما نشان دهیم. یک باکتری معمولی مانند اشرشیا کلای را در نظر بگیرید، E. Coli مولکول DNA ای دارد که از ۳ هزار ژن ساخته شده است. ژن بخشی از هر مولکول DNA است که یک پروتئین خاص را کد گذاری کرده و سلول با ترجمه آن می تواند از یک ساختار نوکلئیک اسیدی، یک پروتئین بسازد.

اگر این DNA را به شکل یک نخ در آوریم، طول آن به یک میلی متر می رسد در حالی که یک اشرشیا کلای، در حالت عادی فقط ۳ میکرون (۳ هزارم یک میلی متر) طول دارد. بنابراین برای جای گرفتن در سلول، به شدت پیچ و تاب خورده و به شکل یک کروموزوم پیچ در پیچ در آمده است.

موجودات پیشرفته تر مثل حیوانات و گیاهان، بین ۵۰ تا ۱۰۰ هزار ژن روی هر کروموزوم خود دارند (انسان ۴۶ کروموزوم دارد). در سلول بدن این موجودات، DNA به دور پروتئین های کروی که هیستون نام دارند پیچیده شده است. هیستون ها نیز شدیدا در هم فرو رفته اند تا کروموزوم را درون هسته جای دهند. وقتی سلول تقسیم می شود، کروموزوم ها (DNA) باز می شوند و از روی هر دو طناب آن یک مولکول دیگر ساخته می‌شود.

سلول های غیر جنسی دو کپی از هر کروموزومی که قرار است رونویسی شود را دارند و ضمن تقسیم میتوز، هر سلول دختر ساخته شده از روی سلول مادر، دو کپی جدید و مشابه دریافت می‌کند.

اما در تقسیم میوز، ماده ژنتیکی به جای آنکه به طور کامل در اختیار دو سلول دیگر قرار بگیرد، تقسیم شده و هر نیمه آن در یکی از ۴ سلول حاصل قرار می‌گیرد.

سلول های جنسی (اسپرم در مردان و تخمک در زنان) فقط یک کپی از کروموزوم را در اختیار دارند و وقتی عمل جنسی صورت می‌پذیرد و اسپرم و تخمک با یکدیگر لقاح می‌یابند، یک ورژن ناقص کروموزوم از پدر با ورژن ناقص دیگر از مادر ترکیب شده و DNA جدید را حاصل می‌شود.

همانند سازی DNA

همانند سازی DNA

DNA حاوی اطلاعاتی است که برای ساخت تمام پروتئین های لازم همه سلول‌ها لازم است و این پروتئین‌ها در کنار هم به یک موجود زنده معنا و مفهوم می‌بخشند. وقتی یک سلول تقسیم می‌شود، همه این اطلاعات باید به درستی منتقل شوند و سلول مادر و دختر تفاوتی با یکدیگر نداشته باشند.

پیش از اینکه یک سلول بتواند تقسیم شود، ابتدا باید همانند سازی صورت پذیرد. به بیانی دیگر، باید یک کپی از DNA آن آماده شود.

اینکه همانند سازی کجا صورت می‌پذیرد، بسته به یوکاریوت یا پروکاریوت بودن سلول متغیر است. همانند سازی DNA در سیتوپلاسم پروکاریوت‌ها و هسته یوکاریوت‌ها صورت می‌پذیرد. به جز ماهیت مکان این فرآیند، باقی پروسه همانند سازی DNA بین یوکاریوت و پروکاریوت مشترک است.

ساختمان DNA به سادگی اجازه می دهد تا آنزیم‌ها و پروتئین های دخیل در پروسه همانند سازی، وارد چرخه شده و فرآیند را آغاز کنند. هر سمت از مارپیچ دوگانه، در جهت مخالف مارپیچ دیگر است. یعنی انتهای یکی، ابتدای دیگری است.

جالبی این مدل، شباهت آن به زیپ های معمولی است، با این تفاوت که می توان آن را از هر ناحیه ای باز کرد و الگوی آن را کپی کرد. به علت اینکه چیزی از بین نمی رود، بلکه الگویی جدید براساس الگوی قدیمی شکل می گیرد، همانند سازی DNA را نیمه محافظتی می‌نامند. برای انجام این فرآیند، نیاز به ابزارهای خاصی است.

مراحل همانندسازی عبارتند از:

1. آنزیمی به نام DNA Gyrase یا تروپوایزومراز ۲، شکافی در مارپیچ دوگانه ایجاد می‌کند.
2. آنزیمی با نام هلیکاز وارد می شود و دو طناب را از یکدیگر جدا می‌کند.
3. پروتئین های ریز بسیاری به نام SSB به تک رشته های DNA وصل می شود و از بسته شدن آن جلوگیری می کند.
4. کمپلکس آنزیم های DNA پلیمراز (خصوصا DNA پلیمراز ۳) در طول رشته DNA قدم به قدم جلو رفته و نوکلئوتید مکمل را در برابر آن قرار می‌دهند. برای مثال، اگر رشته مادر به صورت TGAC باشد، DNA پلی مراز، یک رشته ACTG در برابرش قرار می‌دهد.
5. DNA پلی مراز ۱ و ۲ پشت سر آن، یک بار دیگر همه چیز را چک می‌کنند تا در صورت بروز خطا، نوکلئوتید صحیح را جایگزین کنند.
6. آنزیم دیگری به اسم DNA لیگاز، قطعات اکازاکی را پشت سر هم قرار داده و یک رشته کامل پدید می‌آورد.
7. رشته های کپی شده دوباره به یکدیگر وصل می‌شوند.

سلول‌های مختلف، با نرخ‌های متفاوتی DNA را همانندسازی می‌کنند. برخی سلول ها متداوما تقسیم می‌شوند، مثل سلول‌های مو، ناخن و مغز استخوان. برخی هم پس از چند سری تقسیم، متوقف می‌شوند (مثل ماهیچه ها، قلب و مغز). برخی دیگر هم اگرچه دیگر رشدی ندارند اما می‌توانند خود را ترمیم کنند، همانند پوست.

DNA حیوانات در برابر گیاهان

DNA تمامی موجودات زنده از همین ساختار و کدها پیروی می‌کند، اگرچه برخی ویروس‌ها از RNA به جای DNA برای حمل اطلاعات خود استفاده می کنند. اغلب حیوانات، دو کپی از هر کروموزوم را در خود جای داده‌اند اما گیاهان ممکن هست بیشتر از این تعداد را هم داشته باشند.

البته داشتن سه یا چهار کروموزوم یک اتفاق طبیعی نیست، حتی در گیاهان. جهش زایی بسیار رخ می دهد اما این مسئله در حیوانات عمدتا منجر به مرگ یا ایجاد بیماری هایی نظیر سندروم داون می‌شود اما گیاهان چندان واکنشی نسبت به کروموزوم‌های اضافه نشان نمی‌دهند.

شکل جدید و مرموزی از ساختار دی ان ای پس از سال‌ها پژوهش

دانشمندان به تازگی اعلام کرده‌اند که پس از سال‌ها تحقیق و پژوهش فرم جدیدی از ساختار دی ان ای (DNA) در سلول‌های زنده انسان کشف شده است که با شکل دو رشته‌ای مارپیچی معروف دی ان ای تفاوت بسیاری دارد.

وقتی صحبت از دی ان ای (DNA) به میان می‌آید،‌ اولین شکلی که به ذهن بسیاری از علاقه‌مندان خطور می‌کند، مارپیچ دوتایی معروفی است که از سال‌ها پیش به عنوان ساختار نگه‌دارنده‌های کدهای ژنتیکی بدن ما شناخته می‌شود.

با این وجود، دانشمندان اخیرا اعلام کرده‌اند که این ساختار دی ان ای تنها فرم موجود در سلول‌های زنده نیست و دلیل مطرح شده این ادعا هم ساختاری گره ای شکل بوده که برای اولین بار در سلول‌های زنده انسان دیده‌ شده‌اند.

شما در حال مطالعه « DNA چیست » هستید!

کشف فرم تازه ساختار دی ان ای

به طور کلی عملکرد بیولوژیکی بدن به ساختار DNA ما وابسته است و در حالی که ترکیب تازه کشف‌شده که با نام i-motif شناخته می‌شود، از دهه نود در سلول‌های غیرزنده مشاهده ‌شده بود، وجود این ساختار در سلول‌های زنده ما تا به امروز تایید نشده بود و نمی‌شد با اطمینان گفت که چنین ترکیبی از مولکول‌های حاوی کدهای ژنتیکی انسان به صورت طبیعی در سلول‌ها شکل می‌گیرد.

دنیل کرایست (Daniel Christ)‌ از دانشگاهی در اتریش که یکی از اعضای تیم تحقیقاتی کشف اخیر بوده، در این رابطه می‌گوید که مشاهدات او و تیمش نشان می‌دهند که ژنتیک ما به ساختارهای پیچیده‌تری از آنچه تصور می‌شد ارتباط دارد و اطلاعات به دست آمده درک محققان از عملکرد سلولی را به میزان قابل‌توجهی گسترش می‌دهد.

ساختار دی ان ای i-motif

همانطور که مهدی زراعتی (Mahdi Zeraati)، نویسنده اول تحقیق انجام‌شده که به نظر از ایرانیان مقیم اتریش است اظهار کرده، ساختار چهار رشته‌ای موردنظر با ترکیب مارپیچی معروف تفاوت بسیاری دارد و پیش از این هم ساختارهای متفاوت بسیاری کشف شده که احتمال وجود آن‌ها در سلول‌های زنده انسان، همانند i-motif، کم نیست.

البته قبلا در سال ۲۰۱۳ یک ساختار دی ان ای متفاوت به نام G4 در سلول‌های زنده انسان کشف شد که وجود آن به کمک نوعی پادتن مهندسی‌شده آشکار شده بود؛ زراعتی هم در تحقیق خود از چنین روشی برای کشف i-motif استفاده کرد و با استفاده از پادتنی به اسم iMab که به ساختار موردنظر می‌چسبد، محل قرارگیری این ترکیب در سلول زنده را با نورهای سبز رنگ فوق‌العاده ریز، به دقت مشخص کرد.

زراعتی در این باره می‌گوید که نکته شگفت‌انگیز در کشف اخیر پدیدار شدن و ناپدید شدن ساختار موردنظر در سلول است که پس از مدتی از بین می‌رود و با گذشت زمان،‌ دوباره به وجود می‌آید؛ البته هنوز نیاز به انجام تحقیقات بیشتری برای مشخص کردن عملکرد i-motif وجود دارد، اما بررسی ابتدایی نشان می‌دهد که در کنار ظاهر شدن ترکیب کشف‌شده در اواخر چرخه عمر سلولی، این ساختار دی ان ای در تلومرها یا همان پایانه فیزیکی کروموزوم‌ها که به کهولت سن مربوط است هم ظاهر می‌شود.

همانطور که زراعتی و تیمش اظهار کرده‌‌اند، اثبات وجود ساختار به عنوان قدم اول برای مشخص کردن عملکرد آن به حساب می‌آید و در قدم‌های بعدی، گسترش دانش ما در مورد ژنتیک انسان می‌تواند در بالا بردن عملکرد داروهای ضد سرطان که دی ان ای را هدف قرار می‌دهند موثر باشد و یا در زمینه‌های دیگر به بهبود وضعیت سلامتی بشر کمک کند.

DNA چیست

مجله اینترنتی رهافان