دی‌ان‌ای

برای دیگر کاربردها، DNA (ابهام‌زدایی) را ببینید.

ساختار دنا

دی.ان.ای یا دنا سرواژهٔ عبارت دئوکسی‌ریبونوکلئیک‌اسید نوعی اسید نوکلئیک می‌باشد که دارای دستورالعمل‌های ژنتیکی است که برای کار کرد و توسعه بیولوژیکی موجودات زنده و ویروس مورد استفاده قرار می‌گیرد. نقش اصلی مولکول دن‌آ ذخیره سازی طولانی مدت اطلاعات ژنتیکی می‌باشد.

کار دی ان ای در سلول‌ها

پیام های ژنتیکی موجود در مولکول دنا در نهایت برای مواردی چون ساخت پروتئین و مولکول‌های رنا در یاخته، مورد استفاده قرار می‌گیرد. قطعه هایی از دنا که پیام های ژنتیکی را باخود حمل می‌کنند ژن نامیده می‌شوند ولی دنا توالی‌های دیگری نیز دارد که برای ساخت خود دنا یا تنظیم استفاده از اطلاعات زنتیکی موجود در ژن، مورد استفاده قرار می‌گیرند. از لحاظ شیمیایی، دنا از دو رشته طولانی پلیمری با واحدهای ساختاری از جنس نوکلئوتید تشکیل شده‌است که شامل ستون‌هایی از گروه‌های قند و فسفات هستند.اتصال نوکلئوتیدها به هم در زنجیره توسط گروه های هیدروکسیل کربن 3́ قند و́ 2 ریبوز است به این اتصال فسفودی استر می گویند؛ که در نهایت اسکلت دنا ساخته می شود.این دو رشته دنا با هم موازی هستند. مولکول‌های قند از طریق چهار نوع باز آلی به یکدیگر متصل می‌باشند. توالی این چهار باز آلی باعث رمزگذاری رشته زنتیکی می‌شود که این رمزها برا ی ساخت اسید آمینه که واحدهای سازنده پروتئین می‌باشند مورد استفاده قرار می‌گیرد. این رمز ژنتیکی توسط مولکول رنا در مرحله برگردان خوانده می‌شود و برای ساخت اسید آمینه مورد استفاده قرار می‌گیرد. دنا در داخل یاخته به شکل سازه‌هایی به نام فام تن می‌باشد. دو نسخه از هر فام تن در زمان تقسیم یاخته ساخته می‌شود. فرآیند تکثیر به دو نسخه را نسخه برداری دنا می‌نامند. فام تن در هوهسته ای ها (جانوران، گیاهان، قارچ‌ها، آغازیان) در بخشی به نام هسته یاخته قرار می‌گیرد در حالیکه در پیش هسته ای ها (باکتری و آرکی‌ها) در سیتوپلاسمیاخته قرار دارد و جایگاه مشخصی ندارد. در داخل فام تن پروتئین‌های کروماتینی (کروماتین واحد سازنده دنا می‌باشد) مانند هیستون وجود دارد که وظیفه فشرده سازی دنا و تنظیم بیان ژنها را برعهده دارند. هیستونها تحت تاثیر عوامل گوناگون از جمله استیلاسیون یا دزاستیلاسیون هیستونی بسته یا باز می‌شوند و بدین ترتیب رونویسی از ژنهای ناحیه مربوط به آنها متوقف یا آغاز می‌شود.

ویژگی‌ها

دنا پلیمری است که از رشته‌های تکرار شونده شامل واحدهای سازنده‌ای از جنس نوکلئونید می‌باشد.1 طول رشته زتجیرهای دنا ۲۲ تا ۲۶ آنگستروم (۲٫۲ تا ۲٫۶ نانومتر) وعرض آن آنگستروم یا (۰٫۳۳ نانومتر) می‌باشد2 اگرچه هر واحد تکرار شونده دنا بسیار کوچک می‌باشد ولی رشته پلیمری دنا ممکن است از میلیون‌ها نوکلئوتید تشکیل شده باشد.برای مثال بزرگترین فام تن انسان، فام تن شماره یک درای طولی به اندازه ۲۲۰ میلیون باز آلی مکمل می‌باشد.3 دو رشته سازنده دنا ساختار در هم پیچیده‌ای همچون در خت انگور به شکل مارپیچ دارند. یک باز آلی پیوند داده شده به قند نوکلئوزید گفته می‌شود واگر نوکلئوزید از طریق باز خود به گروه فسفات متصل شود نوکلئوتید تشکیل می‌شود.اگر چندین نوکلئوتید با یکدیگر پیوند داده شده باشند به طورمثال در دن‌آ به آن پلی نکلئوتید گفته می‌شود4.

رشته‌های دنا از واحدهایی متشکل از قند وگروه فسفات می‌باشد که به صورت متناوب وتکراری در طول رشته قرار گرفتند.5 قند مورد استفاده در دنا دئوکسی ریبوز که نوعی پنتوز(قند پنج کربنی) است تشکیل شده‌است. قندها توسط گروه‌های فسفری به یکدیگر پیوند داده شده‌اند.

دی.ان.ای مي تواند در شرايط متفاوت به يكي از حالت هاي زير ديده شود.

از راست به چپ به ترتیب ZوBوA

شکل های مارپیچ DNA	حالت A	حالتB	حالت Z
نسبت های کلی	کوتاه و پهن	بزرگتر و باریکتر	طویل و باریک
ارتفاع به ازای هرجفت باز	3/2آنگستروم	23/3آنگستروم	8/3آنگستروم
قطر مارپیچ	5/25آنگستروم	7/23آنگستروم	4/18آنگستروم
جهت چرخش مارپیچ	راست گرد	راست گرد	چپ گرد
خمیدگی باز نسبت به محور مارپیچ	19+	2/1-	9-
متوسط چرخش پروانه ای جفت باز	18+	16+	حدود 0
موقعیت محور مارپیچ	شیار بزرگ	از میان جفت باز ها	شیار کوچک
اندازه ی شیار بزرگ	بسیار باریک با عمق زیاد	پهن و عمق متوسط	پهن شده به روی سطح مارپیچ
اندازه ی شیار کوچک	بسیار پهن ولی کم عمق	باریک و عمق متوسط	بسیار باریک ولی خیلی عمیق
صورت بندی پیوند گلیکوزیدی	آنتی	آنتی	آنتی در Cو سین در G
جفت باز در هر دور مارپیچ	11	10	12

حالت Bفرم عادی داخل یاخته است.

دنا یک مارپیچ راست گردان است .اگر دست راست را بالای مولکول دنا قرار داده به طوریکه انگشت شصت به سمت بالا و در طول محور بلند مارپیچ باشند و انگشتان شیار ها را در مارپیچ دنبال کنند یکی از رشته ها را در جهتی دنبال کنید که انگشت شصت شما اشاره می کند هر جفت باز نسبت به قبلی 36 درجه دور می زند.

جا به جا شدگي بازموقعی رخ می دهد که یک باز از زنجیره خارج شود. این امر باعث متیله شدن باز یا حذف باز های آسیب دیده می شود. به نظر می رسد زی مایه دخیل در نوترکیبی هم ساخت ]] و هم چنین ترمیم دنا برای یافتن مکان های هم ساخت یا آسیب دیده شروع به بررسی مولکول دنا وخارج کردن تک تک باز ها می کنند . این عمل انرژی زیادی نیاز ندارد.

چرخش پروانه ايحالتی است که باز نسبت به محور بزرگ می چرخد . به طوریکه 2 عضو شرکت کننده در یک جفت باز، همیشه به طور دقیق در یک صفحه نیستند؛ آن ها می توانند یک نظم چرخش پروانه ای به خود بگیرند در این نظم 2 باز در جهت عکس هم حول محور بزرگ جفت باز چرخیده و به جفت باز ویژگی شبیه پروانه می دهد.

واسرشته شدن دنا حالتی است که وقتی دنا در دمایی بیش از دمای بدن قرار می گیرد یا در PHبالا قرار دارد حاصل می شود و نیرو های ضعیف بین 2 رشته از بین رفته و 2 رشته باز می شود. 2 رشته ی دنا از آن جایی که به وسیله ی نیروهای ضعیف به هم وصل هستند با حرارت دادن محلول تا دمایی بیش از دمای بدن یا تحت شرایط پی هاش بالا می تواند واسرشته شود.

بازسرشته شدن دنا موقعی ایجاد می شود که 2 رشته ی واسرشته شده در شرایط مناسب دوباره به یکدیگر متصل شوند. یکی از دلایل ناهمگنی ژنی در هوهسته ها این است که بعد از وا سرشته شدن با سرعت های متفاوتی به سمت باز سرشته شدن می روند بعضی بسیار سریع (این قطعه ها تعدادشان زیاد است) و بعضی بسیار کند هستند. (این قطعه ها تعدادشان کم است)

هيبريدشدگي به معنای این است که 2 رشته از 2 منبع مختلف به یکدیگر متصل شوند حتی یکی از رشته ها می تواندرنا باشد.

افزايش جذب حالتی است که در آن میزان جذب نوری دنا افزایش می یابد. بیشترین میزان جذب در 260 nmدیده می شود که در آن باز ها مسئول هستند. با باز سرشته شدن دنا پدیده یكاهش جذبرخ خواهد داد. کاهش جذب به عّلت روی هم قرار گیری باز هاست .اگر دمای محلول دنا تا دمای آب جوش بالا رود چگالی نوری که جذب می شودبه طور قابل توجهی بالا می رود. نقطه ذوب دنا که آن را با Tmنشان می دهند دمایی است که در آن دنا مشابه یخ ذوب می شود و از ساختار نظم دار مارپیچ به ساختار تک رشته ای با نظم کمتر تبدیل می شود. نقطه ی ذوب بستگی به درصد C:Gوقدرت یونی محلول دارد؛ که هرچه بیشتر باشد دما هم افزایش می یابد ذوب شدن پدیده ای تعاونی است.

ابرمارپيچ مثبت و منفي:میزان ابرمارپیچ با اندازه گیری اختلاف بین LK°وLK محاسبه می شود که تفاوت اتصال نامیده می شود.اگر مقدار آن برای یک cccDNAبه طور معنی داری غیر از صفر باشداین دی ان ای تحت فشار پیچشی قرار دارد. و گفته می شود این مولکول دارای ابر مارپیچ منفی است و بر عکس اگر LK>LK°باشددارای ابر مارپیچ منفی است.6

باز آلی

سیتوزین-گوانین

آدنین-تیمین

در دنانوکلئوتید هر رشته از طریق بازهای آلی در هر دو رشته به یکدیگر متصل می‌شوند. این اتصال بین دو باز آلی نوکلئوتیدهای دو طرف رشته می‌باشد به این بازهای متصل به هم باز مکمل گفته می‌شود. بازهای آلی به چهار شکلآدنین، باز تیمین، باز سیتوزین و باز گوانین

وجود دارند که از این میان، باز آدنین مکمل تیمین، و باز گوانین مکمل سیتوزین می‌باشد. این توالی دورشته‌ای غیر قطبی و نامحلول در آب می‌باشد۷ پیوند بازهای مکمل با یکدیگر از طریق پیوند بین هیدروژن یک باز با مولکول نیتروژن یا اکسیژن باز مکمل حاصل می‌شود. این پیوند از نوع قوی کووالانسی نمی‌باشد و در نتیجه به راحتی شکسته می‌شود و قابل جایگزینی می‌باشد. به همین سبب زنجیره دو رشته‌ای دنا را به زیپ لباس تشبیه کرده‌اند که به راحتی در اثر فشار یا گرمای بالا از یکدیگر جدا می‌شوند. ییوند مولکول هیدروژن بین دو باز مکمل آدنین-تیمین با گوانین-سیتوزین متفاوت می‌باشد. در گوانین_سیتوزین سه مولکول هیدروژن پیوندی وجود دارد در حالیکه در آدنین-تیمین دو مولکول هیدروژن پیوندی وجود دارد در نتیجه میزان تعداد بازهای مکمل گوانین_سیتوزین تعیین کننده استحکام دنا می‌باشد بطوریکه هرچه مقدار آن بیشتر باشد دنا مستحکمتر است۹.

همانندسازی دی ان ای

همانند سازی برای انجام گرفتن تقسیمات سلولی یا همان میتوز و میوز میباشد.در این اعمال سلولی با ۴۶ کروموزوم به دو سلول ۴۶ کروموزومی دیگر تقسیم میشود که باید هر کروموزوم قبل از تقسیم، کروموزومی مانند خود را پدید آورد. ابتدا آنزیمی بنام هلیکاز(helicase)دو رشته به هم پیچیده DNA را از هم جدا میکنند(علت نام گذاری این آنزیم به این دلیل است که پیوند بین دو رشته از پیوند هیدروژنی میباشد)؛سپس چند پروتیین بنام SSBP به دو رشته میچسبند و به آنها اجازه به هم پیوستن دوباره را نمیدهند.در هر دو طرف هر رشته اعدادی گذاشته شده‌است که یک طرف '۵ و طرف دیگر '۳ است و در رشته مقابل هم برعکس رشته دیگری میباشد؛یعنی یک طرف از یک رشته از هر دو طرف خود(عمودی-افقی) به عدد دیگر میرسد.مسیر همانند سازی هم از همیشه از '۵ به '۳ میباشد.آنزیم دیگری ب نام DNA Polimerase ۱ می‌آید و همانند سازی را در یکی از رشته‌هایی که انتهای '۳ آزاد دارد، انجام میدهد ولی در یکی از رشته‌ها ک هانتهای '۳ آزاد ندارد آنزینی بنام DNA Polimerase ۳ می‌آید و همانند سازی را با روش دیگری انجام میدهد. ابتذا آنزیم دیگری بنام RNA Polimerase می‌آید و قطعه‌های RNA قرار میدهد و سپس DNA Polimerase ۳ در کنار این قطعه مینشیند و همانند سازی را جای مشخص شده‌ای ادامه میدهد(زیرا انرژی زیاد و جای باز ندارد).سپس دو باره این عمل کمی آن طرف تر یعنی به طرف '۵ انجام میگیرد؛البته اینجا ۲ مشکل به وجود می‌آید:در همانند سازی DNA قطعه‌هایی از RNA وجود دارد-رشته DNA کپی شده به طعه‌های RNA نمی‌چسبئ و فاله ایجاد میشود که به این فواصل، قطعات اوکازاکی گفته میشود. برای رفع اشکال اول، آنزیمی بنامRNase H قطعات RNA بر میدارد و به جای آنها DNA میگذارد که این نیاز به یون منیزیم دارد. برای رفع اشکال دوم، آنزیمی بنام DNA Ligase(لیگاز) می‌آید و در قطعات اوکازاکی مینشیند و آنها را پر میکند. جانوران یوکاریوتی:جانورانی مانند انسان که سلول‌های آنان دارای هسته میباشد و همانند سازی در دو جهت انجام میگیرد. جانوران پرو کاریوتی:خانورانی مانند باکتری‌ها که سلول آنها هسته ندارد و کروموزوم‌ها در سیتوپلاسم پخش شده‌اند و همانند سازی در آنها یک سویه میباشد که کروموزوم‌های آنان یه شکل حلقه میباشد.

منبع‌ها

1Alberts, Bruce; Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walters (۲۰۰۲).Molecular Biology of the Cell; Fourth Edition. New York and London: Garland Science. ISBN 0-8153-3218-1

2Mandelkern M, Elias J, Eden D, Crothers D (۱۹۸۱). «The dimensions of DNA in solution». J Mol Biol ۱۵۲ (۱): ۱۵۳–۶۱. doi:۱۰٫۱۰۱۶/۰۰۲۲-۲۸۳۶(۸۱)۹۰۰۹۹-۱. PMID ۷۳۳۸۹۰

3Gregory S, et al. (۲۰۰۶). «The DNA sequence and biological annotation of human chromosomeNature ۴۴۱ (۷۰۹۱): ۳۱۵–۲۱. doi:۱۰٫۱۰۳۸/nature04727. PMID 16710414

4http://www.chem.qmul.ac.uk/iupac/misc/naabb.html Abbreviations and Symbols for Nucleic Acids, Polynucleotides and their Constituents]IUPAC-IUB Commission on Biochemical Nomenclature (CBN), Accessed 03 Jan ۲۰۰۶

5Ghosh A, Bansal M (۲۰۰۳). «A glossary of DNA structures from A to Z». Acta Crystallogr D Biol Crystallogr ۵۹ (Pt 4): ۶۲۰–۶. doi:۱۰٫۱۱۰۷/S0907444903003251. PMID 12657780

6_ژنتیک مولکولی واتسون، نویسنده جیمز واتسون و دیگران، گروه مترجمین خانه ی زیست شناسی، ناشر خانه ی زیست شناسی، چاپ اول

7Ponnuswamy P, Gromiha M (۱۹۹۴). «On the conformational stability of oligonucleotide duplexes and tRNA molecules». J Theor Biol ۱۶۹ (۴): ۴۱۹–۳۲. doi:۱۰٫۱۰۰۶/jtbi.۱۹۹۴٫۱۱۶۳. PMID 7526075

8Clausen-Schaumann H, Rief M, Tolksdorf C, Gaub H (۲۰۰۰)"Mechanical stability of single DNA molecules Biophys J ۷۸ (۴): ۱۹۹۷–۲۰۰۷. PMID 10733978

9Chalikian T, Völker J, Plum G, Breslauer K (۱۹۹۹)A more unified picture for the thermodynamics of nucleic acid duplex melting: a characterization by calorimetric and volumetric techniquesProc Natl Acad Sci USA ۹۶ (۱۴): ۷۸۵۳–۸. doi:۱۰٫۱۰۷۳/pnas.۹۶٫۱۴٫۷۸۵۳. PMID 10393911

منابع