اولین بار DNA در سال 1869 توسط بیوشیمیست آلمانی به نام فردریک میشر مشاهده شد. اما سال ها محققان اهمیت این مولکول را درک نمی کردند تا سال 1953 كه جیمز واتسون، فرانسیس كریك، موریس ویلكینز و روزالیند فرانكلین ساختار DNA(مارپیچ مضاعف) را كه می تواند اطلاعات بیولوژیكی داشته باشد، کشف کردند.
ویژگی ها و عملکرد
مولکول DNA یا دئوکسی‌ریبونوکلئیک اسید نام شیمیایی ترکیبی است که تمام اطلاعات ژنتیکی و ویژگی های وراثتی موجودات زنده را در بر دارد. DNA در تمام سلول‌های موجودات زنده یافت می‌شود و از سلول‌های والدی به فرزندان انتقال می‌یابد.
DNA تمام کدها و اطلاعات ژنتیکی جانوران، گیاهان و حتی ویروس‌ها را حمل می‌کند که این اطلاعات برای رشد، تکامل، بقا، تولید مثل و سایر عملکرد های موجودات، حیاتی است. محل قرارگیری DNA سلول‌های جانوران مختلف هسته سلول است که به عنوان مرکز ارسال دستورالعمل های ساخت پروتئین ها و انواع RNA های موجود در بدن جانداران شناخته می‌شود.
ساختار
ماکرومولکول DNA از واحدهایی به نام نوکلئوتید ساخته می‌شود. نوکلئوتید ها از یک قند پنج کربنه(پنتوز)، فسفات و یک باز آلی نیتروژن دار 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. نوکلئوتید ها با پیوند فسفودی‌استر از طریق فسفات یک نوکلئوتید و OH قند نوکلئوتید دیگر به هم متصل شده و رشته های پلی نوکلئوتیدی را می سازند.
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).
این بازها به دو گروه تقسیم می‌شوند: 1) پورین یا دو حلقه‌ای (A,G) و 2) پیریمیدین یا تک حلقه‌ای (C,T). 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 پیچیدگی های بی شماری در این مولکول می شود، به طوری که همه تفاوت ها و تنوع در جانداران به دلیل ترتیب قرارگیری و توالی این بازها به وجود آمده است.
مولکول DNA ساختمان دو رشته ای دارد و هر رشته، پلی نوکلئوتیدی طویل است که از طریق پیوند های هیدورژنی موجود بین بازهای آلی به هم متصل می‌شوند. پیوند هیدروژنی بین باز های نیتروژنی کاملاً اختصاصی است؛ به این صورت که باز های آدنین و تیمین با دو پیوند هیدروژنی به هم اتصال می یابند و سه پیوند هیدروژنی بین دو باز سیتوزین و گوانین تشکیل می شود. در این ساختمان نردبانی شکل، ساختار های قند-فسفات به عنوان ستون ها و باز های آلی به همراه پیوند های هیدروژنی پله های این نردبان را می سازند. در ساختمان DNA هر کدام از دو رشته به صورت موازی و ناهمسو رو به روی 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 باکتری ها گاهی دو سر رشته ها با پیوند فسفودی‌استر به هم متصل می شوند و ساختار DNA حلقوی را می سازند.
DNA در سلول‌های بدن انسان از سه میلیارد جفت باز تشکیل شده است، این در حالی است که 99 درصد از این توالی ها در تمام انسان ها یکسان است. براساس مطالعات انجام شده، کوتاه ترین مولکول DNA متعلق به باکتری به نام Carsonella Ruddi است که در بدن یک حشره زندگی می کند. DNA این باکتری 160 هزار جفت باز دارد. بزرگ ترین مولکول DNA نیز در گیاهی به نام پاریس (Paris Japonica) با طول 150 میلیارد جفت باز مشاهده شده است.
محل قرار گیری
در سلول های یوکاریوتی، DNA درون ساختمان هسته قرار گرفته است و مقدار کمی از DNA در اندامک میتوکندری که محل تولید انرژی سلول است، یافت می‌شود. به دلیل اینکه در هسته سلولی فضای محدودی برای قرارگیری DNA وجود دارد، این مولکول طی فرآیند هایی به صورت متراکم در می آید. در سلول های یوکاریوتی مراحل متفاوتی برای افزایش تراکم DNA و ایجاد فرم کروموزوم از آن انجام می‌گیرد.
در سایر موجودات مانند باکتری ها، که سلول ها به صورت پروکاریوت هستند، هسته مشخص و سازمان يافته ای وجود ندارد و DNA درون ناحيه هسته مانندی به نام ناحيه ی نوكلئوئیدی قرار گرفته است. هيچ غشايی ناحيه نوكلئوئيدی را احاطه نمی كند و DNA در تماس مستقيم با ديگر محتويات سلول قرار دارد.
مراحل متراکم شدن
برای اینکه DNA 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 می شود. در مرحله اول، برای تسهیل در ایجاد پیچ خوردگی، پروتئین هایی به نام هیستون به کمک DNA می آیند. رشته های DNA به دور هیستون ها پیچ می خورند و ساختاری به نام کروماتین شکل می گیرد(به ساختار هایی که رشته های DNA پیچ خورده به دور هیستون تشکیل می دهند نوکلئوزوم می گویند). در ادامه برای افزایش تراکم، مولکول DNA طی فرآیندی به نام پیچش مضاعف به حالتی از DNA به نام کروموزوم تبدیل می شود. هر کروموزوم شامل یک مولکول DNA فشرده است. در انسان 23 جفت یا 46 عدد کروموزوم وجود دارد. بزرگ ترین کروموزوم در انسان کروموزوم شماره 1 است که بیش از 8000 ژن دارد و همچنین کروموزوم شماره 8 کوچک ترین کروموزوم با حدود 3000 ژن محسوب می شود.
ژن چیست؟
هر قسمت از DNA که دارای دستور العمل یا کد ایجاد یک پروتئین مشخص است و منجر به ایجاد یک ویژگی یا عملکرد خاص می شود، یک ژن نامیده می شود. به عنوان مثال، بخشی از DNA که پروتئین انسولین را کد می کند ژن انسولین نام دارد. تعداد 20 تا 30 هزار ژن در انسان تاکنون شناسایی شده است. ژن های انسان حدود 3 درصد از کل DNA هر سلول را تشکیل می دهد و عملکرد 97 درصد از مولکول DNA هنوز به خوبی شناخته نشده است.
نحوه چرخش مارپیچ
براساس مدل واتسون و کریک رشته های DNA حول یک محور فرضی، معمولا به صورت راست گرد چرخش دارند. در این مدل گروه های قند و فسفات به علت خاصیت آب دوستی و وجود گروه های قطبی به سمت خارج مولکول و در معرض محیط های آبی قرار می گیرند، در حالی که جهت باز های آلی به دلیل خاصیت آب گریزی به سمت داخل مولکول است. هنگام تشکیل هر مارپیچ DNA، رشته ها به صورت موازی و برعکس مقابل هم جهت گیری می کنند. به این صورت که اگر جهت یک رشته از ‘۵ به ‘۳ باشد، جهت رشته مقابل آن از ‘۳ به ‘۵ است.
شیار های مارپیچ
باز های آلی از طریق پیوندی به نام پیوند گلیکوزیدی به قند های 5 کربنه متصل می شوند، اما این پیوند همیشه به صورت مستقیم و در راستای یک خط فرضی ایجاد نمی شود. بنابراین ممکن است این ستون های قند – فسفات متصل به باز ها طوری در مقابل هم قرار گیرند که باعث ایجاد دو شیار با زاویه متفاوت در DNA شوند. این شیار ها به دلیل زاویه قرار گیری پیوند گلیکوزیدی قند و باز، به دو حالت بزرگ و کوچک به وجود می آیند. در شیار کوچک زاویه بین قند و باز 120 درجه و در شیار بزرگ این زاویه به 240 درجه می رسد. درون شیار بزرگ اتم های نیتروژن و اکسیژن (منظور اتم های نیتروژن و اکسیژنی است که دورترین فاصله را نسبت به پیوند گلیکوزیدی دارند) انتهای باز های آلی قرار دارند. این شیار به سمت داخل محور مارپیچ DNA باز می شود. در شیار کوچک، نیتروژن ها و اکسیژن ها (نزدیک ترین اتم های اکسیژن و نیتروژن به پیوند گلیکوزیدی) به سمت داخل باز های آلی جای می گیرند. این شیار به سمت خارج محور مارپیچ DNA باز می شود. شیار بزرگ بسیاری از اطلاعات شیمیایی را با خود حمل می کند و پروتئین های اختصاصی از ناحیه این شیار به DNA متصل می شود. پروتئین هایی که به شکل غیر اختصاصی با DNA اتصال می یابند (مانند هیستون) و مولکول های آب و یون ها، از راه شیار کوچک به DNA متصل می شوند.
ساختمان های سه بعدی
پس از مطالعات سال 1953 و ارائه مدل واتسون و کریک، دانشمندان بسیاری در سراسر جهان به مطالعه دقیق تر ساختمان این مولکول بر اساس مدل دو رشته ای مارپیچ پرداختند. در این میان محققان دریافتند که درون سلول و در شرایط متفاوت همیشه DNA به شکل مدل مارپیچ دو رشته ای واتسون و کریک دیده نمی شود. در شرایط متفاوت سلولی، شکل و ساختمان DNA تغییر می کند و در حالت کلی DNA به سه شکل اصلی B-DNA (مدل واتسون و کریک) و A-DNA و Z-DNA در سلول های زنده دیده می شود.
مولکول DNA می تواند راست گرد یا چپ گرد 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 (چپ گرد) است. در بیشتر مواقع درون سلول ها DNA به شکل B دیده می شود، در حالی که وقتی یک رشته DNA در مقابل یک رشته RNA قرار می گیرد و یا در شرایط کم آبی، DNA به شکل A درمی آید. شکل Z در مولکول DNA در شرایط خاص و به ندرت در سلول مشاهده می شود. اولین بار این فرم از DNA در توالی غنی از تکرار های GC در زیر میکروسکوپ نوری دیده شد. زمانی که غلظت نمک در سلول بسیار افزایش می یابد، فرم Z در سلول یافت می شود.
با توجه به تفاوت های هریک از ساختار های DNA، محققان بر این باورند که در شرایط مختلف سلولی هر کدام از این اشکال می توانند بر بیان و ترجمه ژن و تولید پروتئین های مختلف نقش داشته باشند.
