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.
در این مقاله‌ی آموزشی از وبسایت مجلهای زیست فناوران میخواهیم درباره تمام آنچه که به DNA ارتباط دارد صحبت کنیم.
DNA چیست؟
DNA یا اسید دئوکسی ریبو نوکلئیک (Deoxyribonucleic Acid)، یک مولکول زیستی است که اطلاعات ژنتیکی موجودات زنده و برخی ویروس‌ها را ذخیره می‌کند. این اطلاعات ژنتیکی، تمامی فرآیندهای حیاتی موجودات زنده را هدایت می‌کند و به‌عنوان نقشهای برای ساخت و عملکرد سلول‌ها عمل می‌کند.
ویژگی ها و عملکرد مولکول DNA
مولکول DNA، به‌عنوان مولکول وراثت، ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارد که آن را برای ذخیره و انتقال اطلاعات ژنتیکی ایده‌آل می‌کند. یکی از مهم‌ترین این ویژگی‌ها، ساختار مارپیچ دوتایی است که توسط واتسون و کریک در سال ۱۹۵۳ کشف شد. این ساختار نه‌تنها باعث پایداری DNA می‌شود، بلکه امکان دسترسی به اطلاعات ژنتیکی برای فرآیندهای سلولی را فراهم می‌کند. ویژگی‌های این مولگول به شرح زیر می‌باشد:
ساختار مارپیچ دوتایی:
DNA از دو رشته طولانی تشکیل شده که به‌صورت مارپیچ دوتایی در هم پیچیده‌اند. این ساختار باعث پایداری اطلاعات ژنتیکی می‌شود.
نوکلئوتیدها به‌عنوان واحدهای سازنده:
DNA از واحدهایی به نام نوکلئوتید تشکیل شده است. هر نوکلئوتید شامل:
- یک قند دئوکسی‌ریبوز
- یک گروه فسفات
- یکی از چهار باز نیتروژنی (آدنین، تیمین، گوانین و سیتوزین)
جفت شدن بازهای نیتروژنی:
بازهای آدنین (A) و تیمین (T) با دو پیوند هیدروژنی و گوانین (G) و سیتوزین (C) با سه پیوند هیدروژنی به هم متصل می‌شوند. این جفت‌شدن باعث دقت در انتقال اطلاعات ژنتیکی می‌شود.
پایداری مولکولی:
ساختار مارپیچ دوتایی و پیوندهای هیدروژنی، DNA را در برابر آسیب‌های محیطی مقاوم می‌کند و اطلاعات ژنتیکی را به‌طور دقیق حفظ می‌کند.
تکرارپذیری:
DNA می‌تواند خودش را کپی کند. این ویژگی امکان انتقال اطلاعات ژنتیکی به نسل بعدی را فراهم می‌کند..
عملکردهای مولکول DNA
مولکول DNA، به‌عنوان منبع اصلی اطلاعات ژنتیکی، نقشی اساسی در حیات تمامی موجودات زنده ایفا می‌کند. این عملکردها به دلیل ساختار منحصربه‌فرد DNA ممکن شده‌اند که اطلاعات را به شکلی دقیق، پایدار و قابل‌انتقال ذخیره می‌کند.
ذخیره اطلاعات ژنتیکی:
DNA تمامی اطلاعات مورد نیاز برای رشد، عملکرد و بقای یک موجود زنده را ذخیره می‌کند. این اطلاعات به شکل توالی بازهای نیتروژنی رمزگذاری شده است.
انتقال صفات ارثی:
در فرآیند تولید مثل، DNA به فرزندان منتقل می‌شود و صفات ارثی مانند رنگ چشم، قد و دیگر ویژگی‌ها را مشخص می‌کند.
بیان ژن‌ها:
DNA نقش کلیدی در تولید پروتئین‌ها دارد. فرآیند بیان ژن شامل دو مرحله است:
- رونویسی (Transcription): DNA به RNA تبدیل می‌شود.
- ترجمه (Translation): RNA اطلاعات را به پروتئین تبدیل می‌کند.
کنترل فعالیت سلولی:
DNA فعالیت‌های سلولی را از طریق ژن‌های فعال کنترل می‌کند. این فعالیت‌ها شامل تولید آنزیم‌ها، هورمون‌ها و سایر پروتئین‌های ضروری است.
ایجاد تنوع زیستی:
تفاوت در توالی DNA میان افراد، تنوع در صفات و ویژگی‌های زیستی را ایجاد می‌کند. این تنوع به بقای گونه‌ها کمک می‌کند.
تعمیر DNA:
DNA دارای مکانیزم‌های ترمیمی است که به رفع آسیب‌ها و خطاهای ایجادشده در توالی کمک می‌کند. این فرآیند برای حفظ ثبات ژنتیکی مهم است.
ساختار DNA
همانطور که گفتیم DNA یا اسید دئوکسی‌ریبونوکلئیک، مولکولی است که اطلاعات ژنتیکی را ذخیره و منتقل می‌کند. این اطلاعات در ساختاری پیچیده و کارآمد به نام مارپیچ دوتایی سازماندهی شده است. ساختار DNA ویژگی‌هایی دارد که آن را برای انجام وظایف زیستی ایده‌آل می‌سازد.
اجزای تشکیل‌دهنده DNA
می‌دانیم DNA از واحدهای تکرارشونده‌ای به نام نوکلئوتید ساخته شده است. هر نوکلئوتید شامل سه بخش اصلی است:
قند دئوکسی‌ریبوز: یک قند پنج‌کربنه که ساختار اصلی مولکول را شکل می‌دهد.
گروه فسفات: به قند متصل می‌شود و ستون فقرات DNA را می‌سازد.
بازهای نیتروژنی:
- آدنین (A)
- تیمین (T)
- گوانین (G)
- سیتوزین (C)
بازهای نیتروژنی با جفت‌شدن مکمل (A با T و G با C) اطلاعات ژنتیکی را رمزگذاری می‌کنند.
این بازها به دو گروه تقسیم می‌شوند:
- پورین یا دو حلقه‌ای (A,G)
- 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.
ساختار مارپیچ دوتایی
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.
ویژگی‌های ساختاری DNA
پایداری:ساختار مارپیچ دوتایی DNA، اطلاعات ژنتیکی را به‌طور ایمن و طولانی‌مدت حفظ می‌کند.
انعطاف‌پذیری: DNA می‌تواند پیچیده و فشرده شود تا در فضای محدود هسته سلول جای گیرد.
قابلیت باز شدن: برای انجام فرآیندهایی مانند تکثیر (Replication) و رونویسی (Transcription)، رشته‌های DNA می‌توانند از هم باز شوند.
تقارن و زیبایی طبیعی: ساختار مارپیچ دوتایی با جفت‌شدن منظم بازها، DNA را به یکی از منظم‌ترین مولکول‌های زیستی تبدیل کرده است.
ساختار DNA، با طراحی دقیق و کارآمد خود، نه‌تنها اطلاعات ژنتیکی را ذخیره می‌کند، بلکه به سلول‌ها اجازه می‌دهد به‌طور دقیق این اطلاعات را بخوانند و به‌کار گیرند. مارپیچ دوتایی DNA، شاهکاری از طبیعت است که اساس زندگی و تنوع زیستی را شکل داده است.
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 DNA
DNA، مولکولی که اطلاعات ژنتیکی را ذخیره و انتقال می‌دهد، در بخش‌های خاصی از سلول‌ها در موجودات زنده قرار دارد. محل دقیق آن به نوع سلول و ارگانیسم بستگی دارد:
در سلول‌های یوکاریوتی (مانند سلول‌های انسانی)
هسته: بیشتر DNA در داخل هسته سلول قرار دارد، جایی که به صورت کروموزوم‌ها سازماندهی شده است. هسته غشایی دارد که DNA را از سیتوپلاسم جدا می‌کند.
میتوکندری: در یوکاریوت‌ها، بخش کوچکی از DNA در میتوکندری وجود دارد که به آن DNA میتوکندریایی (mtDNA) گفته می‌شود. این DNA مسئول تولید انرژی و برخی عملکردهای خاص میتوکندری است.
در سلول‌های پروکاریوتی (مانند باکتری‌ها)
سیتوپلاسم: DNA در پروکاریوت‌ها در سیتوپلاسم و به صورت حلقه‌ای و فشرده (نوکلئوئید) قرار دارد. این نوع DNA غشای هسته‌ای ندارد.
پلاسمیدها: در برخی پروکاریوت‌ها، DNA اضافی به نام پلاسمید وجود دارد که حلقوی است و نقشهای خاصی مانند مقاومت به آنتی‌بیوتیک دارد.
در ویروس‌ها
DNA یا RNA، بسته به نوع ویروس، در داخل کپسید (پوشش پروتئینی ویروس) قرار دارد. این ماده ژنتیکی برای تکثیر ویروس در میزبان استفاده می‌شود.
مراحل متراکم شدن DNA
متراکم شدن DNA فرآیندی است که طی آن مولکول طولانی و خطی DNA به ساختاری فشرده و سازمان‌یافته تبدیل می‌شود تا در سلول جا بگیرد و برای انجام وظایف خود آماده شود. این فرآیند در سلول‌های یوکاریوتی بیشتر بررسی شده و شامل مراحل زیر است:
مرحله اول: DNA خطی (Double Helix)
- در این مرحله، DNA به شکل یک مارپیچ دوتایی بلند و خطی قرار دارد. این ساختار اولیه توسط پیوندهای هیدروژنی بین بازهای مکمل (آدنین-تیمین و گوانین-سیتوزین) حفظ می‌شود.
- در این وضعیت، DNA طول زیادی دارد و در صورت عدم سازماندهی، جا گرفتن آن در سلول دشوار است.
مرحله دوم: تشکیل نوکلئوزوم‌ها
- DNA دور پروتئین‌هایی به نام هیستون‌ها پیچیده می‌شود.
- هر مجموعه از ۸ هیستون که DNA دور آن پیچیده می‌شود، نوکلئوزوم نام دارد.
- نوکلئوزوم‌ها به صورت “مهره‌هایی روی یک نخ” دیده می‌شوند و این ساختار اولین سطح تراکم DNA است.
مرحله سوم: تشکیل کروماتین
- نوکلئوزوم‌ها به وسیله پروتئین‌های اضافی به هم متصل می‌شوند و یک ساختار فشرده‌تر به نام کروماتین ایجاد می‌کنند.
- کروماتین می‌تواند به دو نوع تقسیم شود:
- یوهتروکروماتین: کروماتین کم‌فشرده که فعال‌تر و قابل دسترسی برای رونویسی است.
- هتروکروماتین: کروماتین بسیار متراکم که غیرفعال است و کمتر به رونویسی دسترسی دارد.
مرحله چهارم: تشکیل لوپ‌های کروماتین
- کروماتین به صورت لوپ‌های بزرگ‌تر توسط پروتئین‌های سازمان‌دهنده خمیده و پیچیده می‌شود.
- این لوپ‌ها کمک می‌کنند که DNA حتی فشرده‌تر شود.
مرحله پنجم: تشکیل کروموزوم‌های میتوزی
- در زمان تقسیم سلولی (میتوز و میوز)، کروماتین به ساختار بسیار متراکم‌تری به نام کروموزوم تبدیل می‌شود.
- در این مرحله، DNA کاملاً فشرده است و با رنگ‌آمیزی میکروسکوپی قابل مشاهده است.
اهمیت متراکم شدن DNA
صرفه‌جویی در فضا: مولکول‌های طولانی DNA در ساختار فشرده درون هسته جا می‌گیرند.
محافظت: DNA فشرده در برابر آسیب‌های شیمیایی و مکانیکی مقاوم‌تر است.
تنظیم ژن‌ها: سطح تراکم DNA تعیین می‌کند که کدام بخش‌ها قابل دسترسی برای رونویسی هستند.
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 DNA
چرخش مارپیچ دوتایی DNA به شکلی خاص و منظم انجام می‌شود که به ساختار پایداری منجر می‌شود. این ویژگی برای عملکرد و پایداری مولکول DNA ضروری است. در زیر، نحوه چرخش مارپیچ دوتایی توضیح داده شده است:
ساختار مارپیچ دوتایی DNA
در ادامه به توضیح نحوه چرخش مارپیچ دوتایی می‌پردازیم:
دو رشته مکمل:
- DNA از دو رشته مکمل تشکیل شده است که به وسیله‌ی پیوندهای هیدروژنی بین بازهای نیتروژنی (آدنین-تیمین و گوانین-سیتوزین) به هم متصل شده‌اند.
- جهت این رشته‌ها مخالف‌الجهت (Antiparallel) است؛ یکی از رشته‌ها از ۵’ به ۳’ و دیگری از ۳’ به ۵’ قرار دارد.
چرخش مارپیچ:
- DNA به صورت یک مارپیچ راست‌گرد (Right-handed helix) پیچیده شده است.
- هر دور کامل مارپیچ حدود ۱۰.۵ جفت باز دارد که به آن “طول یک دور مارپیچ” می‌گویند.
شیارها:
- DNA دارای دو شیار به نام‌های شیار بزرگ (Major groove) و شیار کوچک (Minor groove) است که توسط چرخش مارپیچ ایجاد می‌شوند.
- شیار بزرگ دسترسی به بازهای نیتروژنی را فراهم می‌کند و محل اتصال بسیاری از پروتئین‌های تنظیمی است.
مکانیزم چرخش
- مارپیچ DNA به دلیل زاویه‌ی خاص پیوندهای قند-فسفات و تعاملات بین بازهای نیتروژنی، خودبه‌خود به شکل مارپیچی پیچیده می‌شود.
- پیوندهای واندروالسی و تعاملات آب‌گریز بین بازهای نیتروژنی باعث پایداری و حفظ شکل مارپیچ می‌شود.
انواع مارپیچ DNA
مارپیچ دوتایی DNA می‌تواند بسته به شرایط محیطی یا ساختار توالی، شکل‌های مختلفی به خود بگیرد. این تغییرات بر پایداری، دسترسی پروتئین‌ها به DNA، و عملکردهای ژنتیکی آن تأثیر می‌گذارند. هر نوع مارپیچ ویژگی‌های منحصر به فردی دارد که در ادامه توضیح داده می‌شود.
B-DNA:
رایج‌ترین شکل در شرایط طبیعی.
مارپیچ راست‌گرد با حدود ۱۰.۵ جفت باز در هر دور.
A-DNA:
در شرایط کم‌آبی تشکیل می‌شود.
مارپیچ راست‌گرد، اما فشرده‌تر از B-DNA.
Z-DNA:
مارپیچ چپ‌گرد و نادر.
در بخش‌های خاصی از DNA با توالی‌های غنی از گوانین و سیتوزین دیده می‌شود.
اهمیت چرخش مارپیچ:
پایداری: ساختار مارپیچی DNA را در برابر آسیب‌های فیزیکی و شیمیایی مقاوم می‌کند.
دسترسی: چرخش و شیارهای ایجاد شده دسترسی به اطلاعات ژنتیکی را برای پروتئین‌ها و آنزیم‌ها فراهم می‌کند.
شیار های مارپیچ DNA
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.
نتیجه‌گیری: DNA چیست و چرا اهمیت دارد؟
DNA به عنوان مولکول حیات، سنگ‌بنای تمام موجودات زنده است. ساختار مارپیچ دوتایی آن با ذخیره و انتقال اطلاعات ژنتیکی، نقشی اساسی در توسعه، عملکرد و بقای موجودات زنده دارد. این مولکول شگفت‌انگیز نه تنها رازهای زیستی را در خود جای داده است، بلکه با پیشرفت‌های علمی و فناوری، فرصت‌های بی‌شماری برای کشف و کاربرد در حوزه‌هایی مانند پزشکی، کشاورزی، و زیست‌فناوری فراهم آورده است.
برای علاقه‌مندان به زیست‌شناسی و دانشجویان علوم زیستی، زیست فناوران به عنوان یک مجله علمی، مأموریت دارد که اطلاعات دقیق، کاربردی و به‌روز درباره DNA و دیگر موضوعات جذاب علمی را به اشتراک بگذارد. این وبسایت منبعی معتبر برای یادگیری مفاهیم پایه و آشنایی با پیشرفت‌های مدرن در دنیای زیست‌شناسی است.
ما در زیست فناوران تلاش می‌کنیم تا با ارائه مقالات جامع و علمی، پلی باشیم میان دانشجویان، پژوهشگران و علاقه‌مندان به زیست‌شناسی. همراه ما باشید تا با هم به عمق شگفتی‌های DNA و علم زیست‌شناسی سفر کنیم.
سوالات متداول (FAQ) درباره DNA
DNA چیست و چه نقشی در بدن دارد؟
DNA (دئوکسی‌ریبونوکلئیک اسید) مولکولی است که اطلاعات ژنتیکی موجودات زنده را ذخیره می‌کند. این اطلاعات برای ساخت پروتئین‌ها و تنظیم فرآیندهای زیستی ضروری است و نقش کلیدی در انتقال صفات از نسلی به نسل دیگر دارد.
مارپیچ دوتایی DNA چگونه عمل می‌کند؟
مارپیچ دوتایی DNA شامل دو رشته مکمل است که به وسیله پیوندهای هیدروژنی بین بازهای نیتروژنی به هم متصل می‌شوند. این ساختار پایدار، امکان ذخیره و کپی‌برداری دقیق اطلاعات ژنتیکی را فراهم می‌کند.
DNA چه کاربردهایی در زیست‌فناوری دارد؟
DNA در زیست‌فناوری برای اصلاح ژن‌ها (CRISPR)، تولید داروهای نوترکیب، شناسایی بیماری‌های ژنتیکی، و حتی در کشاورزی برای تولید محصولات مقاوم به آفات و تغییرات محیطی استفاده می‌شود.
