DNA چیست؟ ساختار و عملکرد آن در سلول ها

اسیدنوکلئیکی که حاوی اطلاعات ژنتیکی بوده و آن ها را می تواند به مدت زمان طولانی در خود ذخیره کند به نام DNA یا دئوکسی ریبونوکلئیک اسید است. وجود دئوکسی ریبونوکلئیک اسید و اطلاعات و کدهای ژنتیکی آن برای رشد و نمو، تولید مثل، بقا و ادامه ی حیات تمام جانداران ضروری می باشد. در کتاب علوم پایه هشتم این ماکرومولکول مورد بحث و معرفی قرار گرفته است. در این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به ساختار و اهمیت دئوکسی ریبو نوکلئیک اسید در بدن جانداران پرداخته شده است.

فهرست مطالب :

۱- تاریخچه کشف DNA

۲- دئوکسی ریبونوکلئیک اسید چیست؟

۳- ساختار DNA

۴- مولکول DNA متراکم

۵- کدهای ژنتیکی

۶- ژن ها

۷- عملکرد DNA

۸- جایگاه دئوکسی ریبوز نوکلئیک اسید در جانداران

۱- تاریخچه کشف DNA :

اولین بار مولکول دئوکسی ریبو نوکلئیک اسید توسط زیست شناس سوئیسی به نام فردریک میچر، از عفونت خارج کند. این زیست شناس نتوانست وجود اطلاعات ژنتیکی در اسیدهای نوکلئیک را تأیید کند. با مولکول های دئوکسی ریبونوکلئیک اسیدی که از باکتری استرپتوکوک، توسط اسوالد اوری در سال ۱۹۴۳ به دست آمد، او ثابت کرد که این مولکول ها دارای اطلاعاتی هستند. این موضوع در سال ۱۹۵۲ توسط آلفرد هرشی و مارتا چیس با ثابت کردن انتقال این مولکول ها از ویروس ها به باکتری ها تأیید شد.

تا این که در سال ۱۹۵۳، جیمز دی واتسون و فرانسیس کریک توانستند ساختار مولکول DNA را توضیح دهند. این افراد برای این کشف عظیم جایزه نوبل پزشکی گرفتند. آن ها این ساختار را با به کار گرفتن مدل های به دست آمده توسط دانشمندانی چون موریس ویلکینز، روزالیند فرانکلین، اروین شارگاف و لینوس پائولینگ، ارائه دادند.

۲- دئوکسی ریبونوکلئیک اسید چیست؟

در موجودات زنده مولکول DNA در بردارنده صفات و اطلاعات ژنتیکی می باشد که در هسته ی سلول های یوکاریوتی و در سیتوپلاسم سلول های پروکاریوتی می باشد. این مولکول ها با تولید مثل بین نسل ها منتقل می شود و در انسان ها تمام سلول ها دارای دئوکسی ریبو نوکلئیک اسید یکسان هستند. این مولکول ها ساخت پروتئین ها و سلول های دیگر بدن جانداران و ساخت  DNA های دیگر را کنترل می کنند. طوریکه کوچکترین تغییر در اطلاعات ژنتیکی این مولکول ها تأثیرات و عواقب بسیار زیادی را در سلول ها و در نتیجه در بدن جانداران بر جای خواهد گذاشت.

صفات مختلفی مانند رنگ چشم، پوست، قد جانداران، شکل ظاهری و حتی عطر گل ها و … همه، توسط این مولکول ها به فرزندان جانداران منتقل و به ارث می رسد. این مولکول از دو رشته ی پلی نوکلئوتیدی که با پیوندهای هیدروژنی به هم وصل هستند، تشکیل شده است. در ساختار آن ها بازها، قندها و فسفات ها وجود دارند. قند پنتوز آن به اسم دئوکسی ریبوز و فسفات و بازهای موجود در آن، نام اسید نوکلئیک را به آن ها داده است.

۳- ساختار DNA :

واحدهای سازنده DNA نوکلئوتیدها می باشند که هر یک از آن ها متشکل از یک باز آلی، فسفات و یک قند پنتوز می باشد. قند موجود در یک نوکلئوتید با پیوندهای کووالانسی، از یک طرف به فسفات و از طرف دیگر به باز متصل شده است. بازهای تشکیل دهنده این مولکول آدنین، گوانین، سیتوزین و تیمین می باشد. بازهای تشکیل دهنده دو نوع پورین (ساختار دو حلقه ای) و پیریمیدین (تک حلقه ای) دارند. آدنین و گوانین جزء پورین ها و سیتوزین و تیمین جزء بازهای پیریمیدین می باشند. رشته های پلی نوکلئوتیدی از پیوند OH قند یک نوکلئوتید با فسفات نوکلئوتید دیگر (پیوند فسفودی استر) ساخته می شوند. حال بین بازهای تشکیل دهنده دو رشته ی نوکلئوتیدی پیوند هیدروژنی برقرار شده و مولکول دئوکسی ریبونوکلئیک اسید شکل می گیرد.

در این ساختار باز آدنین در مقابل باز تیمین قرار گرفته و با دو پیوند هیدروژنی و باز سیتوزین در مقابل گوانین قرار گرفته و با سه پیوند هیدروژنی به هم متصل می شوند. ساختمانی که به این ترتیب تشکیل می شود به شکل نردوبانی بوده که از دو رشته ناهمسو به عنوان پایه های آن تشکیل یافته است. ترکیب قند- فسفات پایه های این نردوبان و بازهای مکمل شده با پیوند هیدروژنی با هم، نرده های این نردوبان را تشکیل می دهد. چون دو رشته به شکل ناهمسو قرار گرفتند، اگر انتهای یک رشته گروه فسفات باشد، انتهای رشته دیگر در مقابل آن، گروه هیدروکسیل قرار می گیرد.

نکته :

دو انتهای رشته های پلی نوکلئوتیدی در برخی باکتری ها با اتصال به هم ساختار حلقوی ایجاد می کنند. بلندترین DNA با ۱۵۰ میلیارد جفت باز مربوط به گیاه پاریس و کوتاهترین آن با ۱۶۰۰۰۰ جفت باز مربوط به یک باکتری می باشد. اما بدن انسان دارای سه میلیارد جفت باز در سلول های خود است.

۴- مولکول DNA متراکم :

وقتی رشته های DNA شکل گرفته و ساخته شدند، به دور پروتئین هایی به نام هیستون پیچ می خورند و با تشکیل ساختار کروماتین، ساختمانی پیچ خورده تشکیل می دهند که نوکلئوزوم نامیده می شود. با پیچش بعدی که به پیچش مضاعف معروف است، کروموزوم تشکیل می شود. کروموزوم های تشکیل شده، هر کدام دارای یک مولکول DNA فشرده می باشند که حدود ۲ متر طول دارد و چون باید در یک سلول ۱۰ تا ۲۰ میکرونی جا شود، این پیچ خوردگی ها در آن اتفاق می افتد. حتی ممکن است در برخی جانداران مانند باکتری ها به شکل حلقه درآید. در انسان ۴۶ عدد (۲۳ جفت) کروموزوم است که ۸۰۰۰ ژن در کروموزوم شماره یک آن که بزرگترین است و ۳۰۰۰ ژن در کروموزوم شماره ۸ که کوچکترین است، وجود دارد.

۵- کدهای ژنتیکی :

با تمثیل از کنار هم قرار گرفتن حروفات، کلمات شکل می گیرند، از نحوه کنار هم قرار گرفتن بازهای آلی نیز کدهای ژنتیکی به وجود می آیند. این کدهای ژنتیکی می توانند پروتئین های مختلف بدن را بسازند. در ۹۹ درصد انسان ها، نحوه قرار گرفتن بازها کنار هم، مثل هم می باشد و تفاوت در ۱ درصد باقیمانده است صفات ژنتیکی متفاوتی را در افراد ایجاد می کند.

توجه :

در هنگام تولید مثل و تقسیم میوز مولکول DNA می تواند مضاعف شود و رشته ها از هم جدا شوند. هر یک از رشته ها الگویی می شود که از روی آن و با متصل شدن بازهای مکمل می تواند مولکول دئوکسی ریبوز نوکلئیک اسید جدید ساخته شود. پس با این حساب هر فرزند جدید، نیمی از DNA خود را از پدر و نیمی دیگر را از مادر دریافت می کند.

۶- ژن ها :

چینش های خاصی را که نوکلئوتیدها به طور پشت هم، قرار می گیرند ژن می گویند. در واقع ژن ها به قسمت هایی از دئوکسی ریبوز نوکلئیک اسید می گویند که کد ژنتیکی مربوط به سنتز یک پروتئین خاص را دارد. ژن ها که حدود ۳ درصد از DNA را تشکیل می دهند، برای هر پروتئین خاصی در بدن انسان، خاص می باشند. بقیه ۹۷ درصد از دئوکسی ریبوز ناشناخته بوده و تعداد ژن های انسان ۲۰ تا ۳۰ هزار تا می باشد.

۷- عملکرد DNA :

همان طور که گفته شد نحوه توالی بازها در رشته های مارپیچی دئوکسی ریبو نوکلئیک اسید، رمز ژنتیکی را که برای هر اسید آمینه و پروتئین خاص، اختصاصی است، می سازد. ابتدا با فرآیند رونویسی از روی یک رشته ی DNA رشته ی mRNA ساخته می شود که دارای رمز ژنتیکی سه نوکلئوتیدی است. سپس با فرآیند ترجمه از روی این رمزهای ژنتیکی، اسیدهای آمینه پروتئین ها سنتز می شوند. هیستون های مولکول های دئوکسی ریبوز در هنگام رونویسی از ژن ها باز یا بسته می شود.

۸- جایگاه دئوکسی ریبوز نوکلئیک اسید در جانداران :

در جاندارانی که دارای سلول های یوکاریوتی هستند مانند انسان، هسته و دیگر اندامک ها داخل غشایی قرار گرفتند. در این جانداران مولکول های دئوکسی ریبونوکلئیک اسید، داخل هسته و به مقدار کم در میتوکندری ها قرار گرفتند. میتوکندری ها اندامک هایی هستند که در آن ها انرژی تولید می شود. مولکول های DNA برای آن که بتوانند در هسته جا شوند به شکل متراکم و کروموزوم در می آیند. اما در جاندارانی که دارای سلول های پروکاریوتی هستند مانند باکتری ها و ویروس ها، مولکول های دئوکسی ریبونوکلئیک اسید در داخل سیتوپلاسم به صورت پیچ خورده قرار می گیرند.