مولکول DNA چگونه کار می کند؟ [قسمت اول]

همانند تک حلقه قدرت در داستان ارباب حلقه ها، دئوکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA) پادشاه همه مولکول های درون سلول است. DNA اطلاعاتی را در خود جای داده که نسل به نسل منتقل می شود و راز حیات را در خود گنجانده.

ریبونوکلئیک اسید نه تنها ساخت دیگر مولکول ها (پروتئین ها) را کنترل می کند، بلکه در شکل گیری و بازسازی خود نیز نقش دارد. اگر تغییر کوچکی در ساختار آن شکل گیرد، ممکن است عواقبی جدی در پی داشته باشد و اگر به حد غیر قابل اصلاحی تخریب شود، سلول می میرد.

تغییرات DNA در سلول های مختلف، تنوع زیستی را به وجود می آورد. این پروسه طی میلیون ها سال و به طریق انتخاب طبیعی صورت پذیرفته است.

اما 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 دو قسمتی نگاهی خواهیم داشت به ساختار این مولکول و اطلاعات جامعی از آن در اختیارتان قرار می دهیم.

با دیجیاتو همراه باشید.

کشف DNA

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 1868 میلادی توسط فردریش میشر، زیست شناس سوئیسی کشف شدند. اگرچه میشر به وجود اطلاعات ژنتیکی در اسیدهای نوکلئیک شک داشت اما نمی توانست این مسئله را تایید کند.

در سال 1943، اسوالد ایوری و همکارانش در دانشگاه راکفلر به این نتیجه رسیدند که DNA گرفته شده از باکتری استرپتوکوکوس نومونیا می تواند سلول های سالم باکتریایی را مبتلا سازد. این یافته نشان می داد که DNA، همان مولکولی است که حاوی اطلاعات سلول است.

نقش اطلاعاتی DNA بعدها در سال 1952 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 نمی دانست که این اطلاعات چگونه کدگذاری شده اند و چه عملکردی دارند.

در سال 1953، 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 می توانید 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.

ساختار 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 پروتئین هایی که رفتارهای بیولوژیکی ما را معین می کنند به سلول کمک می کند.
• از نسلی به نسل دیگر منتقل (کپی) می شود.

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 شونده ی 4 عضو کوچک به نام نوکلئوتیدها کد گذاری شده اند.

یک بنای عظیم را تصور کنید که فقط از 4 مدل مصالح ساختمانی درست شده باشد یا یک زبان پیچیده را در نظر بگیرید که الفبای آن بیشتر از 4 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 می شوند 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 می بخشند که به دابل هلیکس یا مارپیچ دوگانه نیز معروف است.

بخش نردبانی مولکول شامل قسمت قند-فسفات نوکلئوتیدهای مجاور است که به یکدیگر پیوسته اند. 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 فسفات ها سبب پیچش نوارهای DNA می شود.

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

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 آهنربا عمل می کند. پیوندهای هیدروژنی در فواصل نزدیک به سادگی شکل می گیرند و به سادگی هم از بین می روند اما با این حال می توانند در استحکام مولکول نقشی اساسی داشته باشند.

جایگیری 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 3 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 3 میکرون (3 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 50 تا 100 هزار ژن روی هر کروموزوم خود دارند (انسان 46 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 می شود.

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 می کند.

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 4 سلول حاصل قرار می گیرد.

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

همانند سازی DNA

DNA حاوی اطلاعاتی است که برای ساخت تمام پروتئین های لازم همه سلول ها لازم است و این پروتدین ها در کنار هم به یک موجود زنده معنا و مفهوم می بخشند. وقتی یک سلول تقسیم می شود، 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 می پذیرد، بسته به یوکاریوت یا پروکاریوت بودن سلول متغیر است. همانند سازی DNA در سیتوپلاسم پروکاریوت ها و هسته یوکاریوت ها صورت می پذیرد. 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 آنزیم ها 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 می نامند. برای انجام این فرآیند، نیاز به ابزارهای خاصی است.

مراحل همانندسازی عبارتند از:

1. آنزیمی به نام DNA Gyrase یا تروپوایزومراز 2، شکافی در مارپیچ دوگانه ایجاد می کند.
2. آنزیمی با نام هلیکاز وارد می شود و دو طناب را از یکدیگر جدا می کند.
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 3) در طول رشته DNA قدم به قدم جلو رفته و نوکلئوتید مکمل را در برابر آن قرار می دهند. برای مثال، اگر رشته مادر به صورت TGAC باشد، DNA پلی مراز، یک رشته ACTG در برابرش قرار می دهد.
5. DNA پلی مراز 1 و 2 پشت سر آن، یک بار دیگر همه چیز را چک می کنند 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 می آورد.
7. رشته های کپی شده دوباره به یکدیگر وصل می شوند.

سلول های مختلف، با نرخ های متفاوتی DNA را همانندسازی می کنند. برخی سلول ها متداوما تقسیم می شوند، مثل سلول های مو، ناخن و مغز استخوان. برخی هم پس از چند سری تقسیم، متوقف می شوند (مثل ماهیچه ها، قلب و مغز). برخی دیگر هم اگرچه دیگر رشدی ندارند اما می توانند خود را ترمیم کنند، همانند پوست.

DNA حیوانات در برابر گیاهان

DNA تمامی موجودات زنده از همین ساختار و کدها پیروی می کند، اگرچه برخی ویروس ها از RNA به جای DNA برای حمل اطلاعات خود استفاده می کنند. اغلب حیوانات، دو کپی از هر کروموزوم را در خود جای داده اند 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 می شود اما گیاهان چندان واکنشی نسبت به کروموزوم های اضافه نشان نمی دهند.

در مقاله فردا شب، فرآیند ترجمه و ساخته شدن پروتئین های بدن توسط ترجمه کدهای ژنتیکی و همچنین جهش زایی را مورد بحث قرار خواهیم داد.