ساختار شیمیایی نوکلئیک اسیدها؛ کشف ساختار DNA؛ همانندسازی DNA

ساختار شیمیایی نوکلئیک اسیدها

اگر چه قبل از ایوری، دانشمندان با ساختار شیمیایی نوکلئیک اسیدها آشنا بودند، اما از کار این مولکول‌ها اطلاعی نداشتند. در سال ۱۸۷۰ فردریک میشر از هسته سلول، ماده‌ای استخراج کرد که خاصیت اسیدی داشت و بر همین اساس، آن را نوکلئیک اسید (به معنی اسید هسته‌ای) نام گذاری کرد. بعد از مدتی معلوم شد که نوکلئیک اسیدهای موجود در سلول بر دو نوع‌اند : یکی ریبونوکلئیک اسید یا به اختصار RNA که در ساختار آن قند ریبوز به کار رفته است و دیگری دئوکسی ریبونوکلئیک اسید که در ساختار آن قند دنو کسی ریبوز به کار رفته است (شکل ۱).

شکل ۱- فرمول ساختاری ریبوز و دئوکسی ریبوز

نوکلئیک اسیدها پلی مرند. واحدهای مونومری نوکلئیک اسیدهای نوکلئوتید نام دارد. هر نوکلئوتید از سه بخش تشکیل شده است (شکل ۲) : (۱) یک قند پنج کربنی که ریبوز (در RNA) یا دئوکسی ریبوز در DNA) است، (۲) یک تا سه گروه فسفات (۳) یک باز آلی نیتروژن‌دار که یا پورینی یا پیریمیدینی است (ساختار بازهای پورینی، دو حلقه‌ای، اما ساختار بازهای پیریمیدینی یک حلقه‌ای است).

بازهایی که در ساختار DNA شرکت می‌کنند، عبارت‌اند از آدنین (A)، تیمین (T)، سیتوزین (C) و گوانین (G). در RNA به جای باز آ، باز یوراسیل (U) وجود دارد. آدنین و گوانین باز بورینی و سه باز دیگر پیریمیدینی‌اند.

از اتصال نوکلئوتیدها با یکدیگر، پلی مری خطی به وجود می‌آید (شکل ۴). اتصال نوکلئوتیدها به یکدیگر از طریق برقراری پیوند کووالان بین گروه قند یک نوکلئوتید با گروه فسفات نوکلئوتید دیگر صورت می‌گیرد. نوکلئوتیدها در ابتدا به صورت آزاد، سه گروه فسفات دارند؛ اما هنگام برقراری پیوند با یکدیگر، دو گروه از سه گروه فسفات خود را از دست می‌دهند و فقط با یک گروه فسفات خود در رشته پلی نوکلئوتیدی جای می‌گیرند. پیوند بین دو نوکلئوتید را پیوند فسفودی استر می‌نامند .

شکل ۴- یک رشته پلی نوکلئوتیدی

اگر به دو انتهای رشته پلی نوکلئوتیدی شکل ۴ نگاه کنید، خواهید دید که دو انتهای این رشته، مثل هم نیستند. در یک انتها، گروه فسفات وجود دارد، حال آن که در انتهای دیگر، گروه فسفات یافت نمی‌شود. از آن جا که دو انتهای رشته مثل هم نیست، می گویند رشته پلی نوکلئوتیدی دارای قطبیت است.

خودآزمایی

۱- با رسم شکل ساختار عمومی یک نوکلئوتید را مشخص کنید و انواع نوکلئوتیدها را نام ببرید. 

۲- چه تفاوتی بین DNA و RNA از نظر نوع قند و باز به کار رفته در ساختار آنها وجود دارد؟

۳- پیوند بین دو نوکلئوتید را چه می‌نامند؟

۴- منظور از اینکه گفته می‌شود، رشته پلی نوکلئوتیدی دارای قطبیت است، چیست؟

کشف ساختار DNA

تا دهه ۱۹۵۰ اطلاعاتی که درباره نوکلئیک اسیدها در دست بود، عمدتاً به اجزای تشکیل دهنده آن محدود می‌شد و درباره ساختار سه بعدی (فضایی) این مولکول اطلاعات چندانی در دست نبود. آزمایش‌های بعدی توانست ساختار سه بعدی مولکول DNA را مشخص کند. مشاهدات چارگف یکی از این موارد بود.

مشاهدات چارگف: در آغاز دهه ۱۹۵۰، آروین چارگف ، مقدار بازهای G, C, T, A در DNA جانداران مختلف اندازه گرفت. او مشاهده کرد که بین نسبت بازهای DNA، رابطه جالبی برقرار است: در همه DNAهایی که او بررسی کرده بود، نسبت A به T و C تقریباً برابر ۱ بود. این آزمایش نشان داد که در مولکول DNA، مقدار A با مقدار T (A = T) و نیز مقدار C با مقدار (C = G) G برابر است. به راستی این مشاهده چارگف، چه مفهومی می‌تواند داشته باشد؟

داده‌های حاصل از پراش پرتو X

زمانی که دانشمندان شروع به بررسی ساختار مولکول‌ها با کمک پراش پرتو ایکس کردند، اهمیت یافته‌های چارگف روشن‌تر شد. در این روش، پرتو X مستقیماً به بلور جسمی که می‌خواهند به ساختار آن پی ببرند، تا بانده می‌شود. پرتوهای X پس از برخورد به جسم پراکنده می‌شوند و پرتوهای پراکنده شده روی صفحه حساس فیلم که در پشت بلور قرار دارد، ثبت می‌شوند. پژوهشگران با تجزیه و تحلیل الگوهای پیچیده‌ای که روی فیلم ثبت می‌شود، می‌توانند ساختار مولکول را تعیین کنند. این کار مثل آن است که بخواهیم با تجزیه و تحلیل سایه یک جسم به شکل و ساختار آن پی ببریم.

موریس ویلکینز و روزالین فرانکلین ، تصاویری از بلورهای مولکول DNA با روش پراش پرتو ایکس تهیه کردند (شکل ۵). براساس این تصاویر معلوم شد که مولکول DNA به صورت مولکولی مارپیچی است که از دو یا سه زنجیره تشکیل شده است.

شکل ۵- تصویری که با روش پراش اشعه X از مولکول DNA گرفته شده است.

مدل واتسون و کریک: واتسون و کریک سرانجام در سال ۱۹۵۳ با کمک یافته‌های چارگف و داده‌های حاصل از روش پراش پرتو ایکس که حاصل کارهای علمی فرانکلین و ویلکینز بود و نیز با شناختی که خود از پیوندهای شیمیایی داشتند، مدلی برای DNA پیشنهاد کردند.

مدلی که امروزه از DNA ارائه می‌شود، همان مدل واتسون و کریک است. شکل ۶ واتسون و کریک را در کنار مدل گوی و میله‌ای خود از مولکول DNA نشان می‌دهد. در سال ۱۹۶۲ واتسون و کریک به خاطر این کشف خود، موفق به دریافت جایزه نوبل شدند. 

شکل ۶- واتسون و کریک در کنار مدل گوی و میله DNA

طبق مدل پیشنهادی واتسون و کریک، DNA از دو رشته پلی نوکلئوتیدی تشکیل شده است که حول یک محور فرضی، به دور یکدیگر پیچیده‌اند (شکل ۷). این مدل، به مدل مارپیچ دو رشته‌ای (یا مارپیچ دوگانه) معروف شده است. مارپیچ دو رشته‌ای در واقع شبیه نردبانی است که حول محور طولی خود پیچ خورده است. نرده‌های این نردبان را گروه‌های قند- فسفات تشکیل می‌دهند. بازهای یک رشته در مقابل بازهای رشته دیگر قرار دارند و پله‌های این نردبان را می‌سازند. بین بازهایی که مقابل هم هستند، پیوند هیدروژنی وجود دارد.

شکل ۷- ساختار مولکول DNA

پیوند هیدروژنی بین بازها، دو رشته را کنار یکدیگر نگه می‌دارد. در بازی را که با یکدیگر پیوند هیدروژنی دارند، جفت باز می‌نامند. جفت شدن بازها از قوانین خاصی پیروی می‌کند .

جفت شدن بازها: همان طور که در شکل ۷ می‌بینید، در مولکو DNA، آدنین یک زنجیره با تیمین زنجیره مقابل و سیتوزین آن با گوانینی زنجیر، مقابل جفت می‌شود. علت این نحوه جفت شدن را باید در ساختار بازها جستجو کرد. بازهای A و T از نظر ساختار سه بعدی مکمل یکدیگرند. بازهای C و G نیز همین طورند. همچنین پایدارترین حالت در اتصال باز G به C در مولکول DNA، زمانی است که سه پیوند هیدروژنی بین آنها تشکیل شود. این حالت درباره بازهای A و T با دو پیوند هیدروژنی ایجاد می‌شود. برای آنکه مفهوم ساختار مکمل را در مورد این بازهای آلی دریابید، به شکل ۷ توجه کنید.

جفت شدن بازهای مکمل اصل چارگف را توجیه می‌کند. براساس نحوه جفت شدن بازها، می‌توان گفت که هر رشته مکمل رشته مقابل است. به عبارت دیگر ترتیب بازهای یک رشته ترتیب بازهای رشته دیگر را تعیین می‌کند. مثلاً اگر ترتیب بازهای یک رشته DNA، به صورت TCGAACT باشد، ترتیب بازهای رشته دیگر AGCTTGA است.

تحقیقات نشان داده‌اند که اطلاعات وراثتی را ترتیب و تعداد بازها، تشکیل می‌دهند. هیچ محدودیتی برای تعداد و ترتیب بازها در یک رشته وجود ندارد؛ اما به محض آن که توالی بازها در یک رشته تعیین شد، توالی بازها در رشته مکمل آن نیز براساس رابطه مکملی تعیین می‌شود.

خودآزمایی

۱- گریفیت و إیبوری در آزمایش‌های خود به چه نتایجی دست یافتند؟

۲- جدول زیر درصد بازهای نیتروژنی را در DNA انسان، گندم و باکتری اشریشیاکلی نشان می‌دهد. 

درصد هر باز نیتروژنی

الف) در هر یک از این جانداران نسبت پورین‌ها به پیریمیدین ها چقدر است؟

ب) در هر یک از این جانداران درصد چه بازهایی به یکدیگر نزدیک‌تر است؟

ج) آیا نسبت و درصد پرسش‌های الف و ب از اصول چار گفع تبعیت می‌کنند؟

۳- چه ارتباطی بین جفت شدن بازها و ساختار DNA وجود دارد؟

۴- دانستن چه اطلاعاتی در کشف ساختمان مارپیچ مضاعف DNA به واتسون و کریک کمک کرد؟

۵- نسبت بازهای DNA گونه‌های مختلف جانداران چه تفاوت و تشابهی با یکدیگر دارند؟

۶- چرا می گوییم دو رشته مارپیچ مضاعف، مکمل یکدیگرند؟

۷- فرض کنید ردیف نوکلئوتیدی یک رشته DNA به صورت CCAGTTG است، ردیف نوکلئوتیدی رشته مکمل آن چیست؟

۸- روزالین فرانکلین در سن ۳۷ سالگی بر اثر سرطان درگذشت آیا ممکن است کار با روش تفرق اشعه X در مرگ وی دخالت داشته باشد؟ بحث کنید

همانندسازی DNA

واتسون و کریک همزمان با پیشنهاد مدل خود برای DNA، چنین بیان داشتند که وجود رابطه مکملی بین بازها می‌تواند در فرایند همانند سازی DNA نقشی اساسی داشته باشد. تحقیقات بعدی نشان داد که در همانند سازی DNA، دو رشته آن به کمک آنزیم هلیکاز مانند زیپ از یکدیگر جدا می‌شوند و سپس از روی هر رشته، رشته جدیدی ساخته می‌شود. همانندسازی DNA به کمک آنزیم DNA پلی مراز صورت می‌گیرد. این آنزیم در طول DNA حرکت می‌کند و نوکلئوتیدها را در مقابل نوکلئوتیدهای مکمل خود قرار می‌دهد. به این ترتیب که با استفاده از نوکلئوتیدهای آزاد که در سیتوپلاسم وجود دارند، در مقابل A، باز T و در مقابل C باز G قرار می‌گیرد (شکل ۸). چون هر DNA دختر یک رشته جدید و یک رشته قدیمی دارد، می گویند همانندسازی DNA به طریقه نیمه حفظ شده است.

در فرایند همانندسازی DNA، دو مولکول DNA تولید می‌شود که هر یک، دارای یک رشته DNA جدید و یک رشته DNA قدیمی هستند. ترتیب و تعداد نوکلئوتیدها در مولکول‌های DNA حاصل (دختری)، همانند مولکول DNA مادری است.

آنزیم DNA پلی مراز توانایی دیگری نیز دارد و آن ویرایش است: در صورتی که نوکلئوتید اشتباهی به DNAهای دختر اضافه شود، یعنی مکمل نباشد، آنزیم DNA پلی مراز بر می‌گردد و نوکلئوتید اشتباه را جدا و آن را با نوکلئوتید درست تعویض می‌کند. با این حال به ندرت ممکن است نوکلئوتیدهای اشتباه در DNA های دختر باقی بمانند و به نسل بعد سلول منتقل شوند. این اشتباه‌های تصحیح نشده جهش نام دارند .

دوراهی همانندسازی

همانند سازی از یک انتهای DNA شروع نمی‌شود تا در انتهای دیگر پایان یابد. باکتری‌ها که دارای DNA حلقوی هستند، معمولاً دو دوراهی همانند سازی ایجاد می‌کنند. مولکول بسته یا حلقوی، مولکولی است که دو انتهای آن آزاد نیست و اگر تاشدگی‌های آن باز شود، حلقوی شکل می‌شود. دو راهی‌های همانندسازی در محلی خاص به نام جایگاه آغاز همانند سازی به وجود می‌آیند. دوراهی‌های همانند سازی به تدریج از یکدیگر دور می‌شوند، تا اینکه در نقطه مقابل جایگاه همانندسازی به هم می‌رسند (شکل ۸).

شکل ۸- همانندسازی در باکتری

در سلول‌های یوکاریوتی، هر کروموزوم از یک مولکول DNA طویل تشکیل شده است. اما DNA آن قدر طویل است که اگر قرار بود یک کروموزوم انسان، مانند باکتری همانند سازی را از یک نقطه آغاز کند، همانند سازی هر کروموزوم روزها طول می‌کشید! از این رو همانند سازی در سلول‌های انسانی و سایر سلول‌های یوکاریوتی در نقاط مختلف انجام می‌شود. دوراهی‌های همانندسازی مختلف، سبب می‌شوند تا یک کروموزوم انسانی فقط در چند ساعت به طور کامل همانندسازی کند .

شکل ۹- همانندسازی DNA در یوکاریوت