دی‌ان‌ای

«DNA» به اینجا تغییرمسیر دارد. برای دیگر کاربردها، DNA (ابهام‌زدایی) را مشاهده کنید.

ساختار DNA

دی‌اِن‌اِی یا دنا^[۱] (به انگلیسی: Deoxyribo nucleic acid) (اختصاری DNA) نوعی اسید نوکلئیک است که دارای دستورالعمل‌های ژنتیکی است که برای کارکرد و توسعهٔ بیولوژیکی موجودات زنده و ویروس مورد استفاده قرار می‌گیرد. نقش اصلی مولکول دی‌ان‌ای ذخیره‌سازی طولانی مدت اطلاعات ژنتیکی و دستوری است. آزمایش‌هایی نظیر آزمایش گریفیت و آزمایش ایوری آزمایش‌هایی انقلابی و سرآغازی در شناسایی و مطالعهٔ دی‌ان‌ای به عنوان ژنوم بودند. تا سال ۱۹۴۴ و انتشار نتایج آزمایش ایوری، این‌که کدام‌یک از ترکیب آلی درون سلول، مادهٔ وراثتی است، مشخص نبود.

دی‌ان‌ای مولکولی است که دستورهای ژنتیکی مورد استفاده در توسعه و عملکرد تمام موجودات زندهٔ شناخته شده و بسیاری از ویروس‌ها را کدگذاری می‌کند. دی ان ای اسید نوکلئیکی است که شامل پروتئین و کربوهیدرات‌هاست. اسیدهای نوکلئیک از سه ماکرو مولکول اصلی تشکیل شده که برای زندگی همهٔ گونه‌های شناخته شده ضروری است. اکثر مولکول‌های دی ان ای از دو رشتهٔ پلیمری زیستی که به صورت حلقه دور هم پیچ خورده و به شکل یک مارپیچ دوگانه درآمده‌است. دو رشتهٔ دی ان ای به عنوان پلی نوکلئوتید شناخته شده، که از واحدهای ساده‌تری به نام نوکلئوتید ساخته شده‌است. هر نوکلئوتید از یک باز آلی، گوانین (G)، یا سیتوزین (C)، یا آدنین (A)، یا تیمین (T)، و از یک قند مونوساکاریدی به نام دئوکسی ریبوز و یک گروه فسفات تشکیل شده‌است. نوکلئوتیدها به وسیلهٔ پیوند کووالانسی به صورت زنجیره‌ای به هم متصل می‌شوند، نوکلئوتیدها از محل قند یک نوکلئوتید با فسفات نوکلئوتید دیگر پیوند ایجاد کرده و ساختاری شبیه ستون فقرات (رشتهٔ بلند) قند و فسفات را ایجاد می‌کنند.

تاریخ

این DNA برای اولین بار در زمستان سال ۱۸۶۹ توسط پزشک سوئیسی فردریش میشر هنگام کار در دانشگاه توبینگن جدا شد. میشر هنگامی که متوجه رسوب ماده ای ناشناخته شد که بعداً آن را از نظر شیمیایی مشخص کرد آزمایشاتی در مورد ترکیب شیمیایی چرک از باندهایجراحی دور ریخته شده انجام می‌داد. به نامnuclein، دلیل آن را از هسته سلول استخراج شد. شناسایی تقریباً ۷۰ سال طول کشیدترکیبات و ساختار اسیدهای نوکلئیک.

در سال 1919 فوبوس لون تشخیص داد که نوکلئوتید توسط یک پایه نیتروژن، شکر و فسفات ایجاد می‌شود. لون اظهار داشت که DNA با استفاده از واحدهای نوکلئوتیدی که از طریق گروه‌های فسفات متصل شده‌است، یک ساختار سلوئیدی شکل (بهار) ایجاد می‌کند. در سال ۱۹۳۰، لون و معلمش آلبرشت کوزل ثابت کردند که هسته میسچر اسید دئوکسیریبونوکلئیک (DNA) است که توسط چهارپایه نیتروژن (سیتوزین (C) , تیمین (T) , آدنین (A) و گوانین تشکیل شده‌است.(G)، قند deoxyribose و یک گروه فسفات، و این که در ساختاراصلی آن، نوکلئوتید از یک قند متصل به پایه و فسفات تشکیل شده‌است. با این حال، لون فکر کرد که زنجیره کوتاه است و پایه‌ها با یک دستور ثابت تکرار می‌شوند. در سال 1937 ویلیام استبوری اولین الگوی پراش اشعه ایکس تولید کرد که نشان داد DNA دارای یک ساختار منظم است.

کار دی‌ان‌ای در سلول‌ها

پیام‌های ژنتیکی موجودی در مولکول دنا در نهایت برای مواردی چون ساخت پروتئین و مولکول‌های آران‌ای یا رنا (RNA) در یاخته، مورد استفاده قرار می‌گیرد. قطعه‌هایی از DNA که پیام‌های ژنتیکی را باخود حمل می‌کنند ژن نامیده می‌شوند؛ ولی دنا توالی‌های دیگری نیز دارد که برای ساخت خود دنا یا تنظیم استفاده از اطلاعات ژنتیکی 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 گروه‌های هیدروکسیل کربن ۳́ قند و́ ۳ دئوکسی ریبوز است به این اتصال فسفو دی استر می‌گویند؛ که در نهایت اسکلت دنا ساخته می‌شود. 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 ژنتیکی 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 است. دو نسخه از هر کروموزوم در زمان تقسیم یاخته‌ای ساخته می‌شود. فرایند تکثیر به دو نسخه را نسخه برداری دنا می‌نامند. فام تن در هوهسته‌ای‌ها (جانوران، گیاهان، قارچ‌ها، آغازیان) در بخشی به نام هسته یاخته قرار می‌گیرد در حالیکه در پیش هسته‌ای‌ها (باکتری و آرکی‌ها) در سیتوپلاسم یاخته قرار دارد و جایگاه مشخصی ندارد. در داخل فام تن پروتئین‌های کروماتینی مانند هیستون وجود دارد که وظیفه فشرده‌سازی دنا و تنظیم بیان ژنها را برعهده دارند. هیستون‌ها تحت تأثیر 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

1. دنا پلیمری است قطبی که از رشته‌های تکرار شونده شامل واحدهای سازنده‌ای از جنس نوکلئوتید است. طول رشته زنجیرهای دنا ۲۲ تا ۲۶ آنگستروم (۲٫۲ تا ۲٫۶ نانومتر) و عرض آن ۳٫۳ آنگستروم یا (۰٫۳۳ نانومتر) است.
2. اگرچه هر واحد تکرار شونده دنا بسیار کوچک است ولی رشته پلیمری دنا ممکن است از میلیون‌ها نوکلئوتید تشکیل شده باشد. برای مثال بزرگترین فام تن انسان، فام تن شماره یک دارای طولی به اندازه ۲۲۰ میلیون باز آلی مکمل است.
3. دو رشته سازنده دنا ساختار در هم پیچیده‌ای همچون درخت 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 به‌طور مثال در دنا به آن پلی نکلئوتید گفته می‌شود.
4. رشته‌های دنا از واحدهایی متشکل از قند وگروه فسفات است که به صورت متناوب و تکراری در طول رشته قرار گرفتند.
5. قند مورد استفاده در دنا دئوکسی‌ریبوز که نوعی پنتوز (قند پنج کربنی) است تشکیل شده‌است. قندها توسط گروه‌های فسفری به یکدیگر پیوند داده شده‌اند.

از راست به چپ به ترتیب ZوBوA

طبقه‌بندی بازهای نوکلئوتیدی:

بازهای نوکلئوتیدی به دو گروه تقسیم می‌شوند: ۱) پورین‌ها شامل نوکلئوتید آدنین (A) و گوانین (G) که ترکیبی هتروسیکلیک دارای یک حلقه پنج ضلعی و یک حلقه شش ضلعی هستند. ۲) پیریمیدین‌ها که یک حلقه شش ضلعی دارند و شامل نوکلئوتید سیتوزین (C) و تیمین (T) هستند [۱۳]. باز آلی یوراسیل (U) هم جزو گروه پیریمیدین هاست که معمولاً به جای باز تیمین در ساختار RNA وجود دارد اما در مقایسه با تیمین، در ساختار حلقه خود یک گروه متیل کمتر دارد.

دنا می‌تواند در شرایط متفاوت به یکی از حالت‌های زیر دیده شود.

شکل‌های مارپیچ DNA	حالت A	حالتB	حالت Z
نسبت‌های کلی	کوتاه و پهن	بزرگتر و باریکتر	طویل و باریک
ارتفاع به ازای هر جفت باز	۳/۲آنگستروم	۲۳/۳آنگستروم	۸/۳آنگستروم
قطر مارپیچ	۵/۲۵آنگستروم	۷/۲۳آنگستروم	۴/۱۸آنگستروم
جهت چرخش مارپیچ	راست گرد	راست گرد	چپ گرد
خمیدگی باز نسبت به محور مارپیچ	۱۹+	۲/۱-	۹-
متوسط چرخش پروانه‌ای جفت باز	۱۸+	۱۶+	حدود ۰
موقعیت محور مارپیچ	شیار بزرگ	از میان جفت بازها	شیار کوچک
اندازهٔ شیار بزرگ	بسیار باریک با عمق زیاد	پهن و عمق متوسط	پهن شده به روی سطح مارپیچ
اندازهٔ 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	۱۱	۱۰	۱۲

حالت B فرم عادی داخل یاخته است.

دنا یک مارپیچ راست گردان است. اگر دست راست را بالای مولکول دنا قرار داده به‌طوری‌که انگشت شصت به سمت بالا و در طول محور بلند مارپیچ باشند و انگشتان شیارها را در مارپیچ دنبال کنند یکی از رشته‌ها را در جهتی دنبال کنید که انگشت شصت شما اشاره می‌کند هر جفت باز نسبت به قبلی ۳۶ درجه دور می‌زند.

جابه‌جا شدگی باز موقعی رخ می‌دهد که یک باز از زنجیره خارج شود. این امر باعث متیله شدن باز یا حذف بازهای آسیب دیده می‌شود. به نظر می‌رسد زی مایه دخیل در نوترکیبی هم ساخت و هم چنین ترمیم دنا برای یافتن مکان‌های هم ساخت یا آسیب دیده شروع به بررسی مولکول دنا و خارج کردن تک تک بازها می‌کنند. این عمل انرژی زیادی نیاز ندارد.

چرخش پروانه‌ای حالتی است که باز نسبت به محور بزرگ می‌چرخد. به‌طوری‌که ۲ عضو شرکت‌کننده در یک جفت باز، همیشه به‌طور دقیق در یک صفحه نیستند؛ آن‌ها می‌توانند یک نظم چرخش پروانه‌ای به خود بگیرند در این نظم ۲ باز در جهت عکس هم حول محور بزرگ جفت باز چرخیده و به جفت باز ویژگی شبیه پروانه می‌دهد.

واسرشته شدن دنا حالتی است که وقتی دنا در دمایی بیش از دمای بدن قرار می‌گیرد یا در PH بالا قرار دارد حاصل می‌شود و نیروهای ضعیف بین ۲ رشته از بین رفته و ۲ رشته باز می‌شود. ۲ رشتهٔ دنا از آن جایی که به وسیلهٔ نیروهای ضعیف به هم وصل هستند با حرارت دادن محلول تا دمایی بیش از دمای بدن یا تحت شرایط پی هاش بالا می‌تواند واسرشته شود.

بازسرشته شدن دنا موقعی ایجاد می‌شود که ۲ رشتهٔ واسرشته شده در شرایط مناسب دوباره به یکدیگر متصل شوند. یکی از دلایل ناهمگنی ژنی در هوهسته‌ها این است که بعد از وا سرشته شدن با سرعت‌های متفاوتی به سمت باز سرشته شدن می‌روند بعضی بسیار سریع (این قطعه‌ها تعدادشان زیاد است) و بعضی بسیار کند هستند. (این قطعه‌ها تعدادشان کم است)

هیبریدشدگی به معنای این است که ۲ رشته از ۲ منبع مختلف به یکدیگر متصل شوند حتی یکی از رشته‌ها می‌تواند رنا باشد.

افزایش جذب حالتی است که در آن میزان جذب نوری دنا افزایش می‌یابد. بیشترین میزان جذب در ۲۶۰ nm دیده می‌شود که در آن بازها مسئول هستند. با باز سرشته شدن دنا پدیدهٔ کاهش جذب رخ خواهد داد. کاهش جذب به عّلت روی هم قرارگیری باز هاست. اگر دمای محلول دنا تا دمای آب جوش بالا رود چگالی نوری که جذب می‌شودبه‌طور قابل توجهی بالا می‌رود. نقطه ذوب دنا که آن را با Tmنشان می‌دهند دمایی است که در آن دنا مشابه یخ ذوب می‌شود و از ساختار نظم دار مارپیچ به ساختار تک رشته‌ای با نظم کمتر تبدیل می‌شود. نقطهٔ ذوب بستگی به درصد C:G و قدرت یونی محلول دارد؛ که هرچه بیشتر باشد دما هم افزایش می‌یابد ذوب شدن پدیده‌ای تعاونی است.

ابرمارپیچ مثبت و منفی: میزان ابرمارپیچ با اندازه‌گیری اختلاف بین LK° و LK محاسبه می‌شود که تفاوت اتصال نامیده می‌شود. اگر مقدار آن برای یک cccDNA به‌طور معنی داری غیر از صفر باشداین دنا تحت فشار پیچشی قرار دارد؛ و گفته می‌شود این مولکول دارای ابر مارپیچ منفی است و بر عکس اگر LK>LK° باشد دارای ابر مارپیچ منفی است.

باز آلی

سیتوزین-گوانین

آدنین-تیمین

دنانوکلئوتید هر رشته از طریق بازهای آلی در هر دو رشته به یکدیگر متصل می‌شوند. این اتصال بین دو باز آلی نوکلئوتیدهای دو طرف رشته‌است به این بازهای متصل به هم باز مکمل گفته می‌شود. بازهای آلی به چهار شکل آدنین، باز تیمین، سیتوزین و گوانین وجود دارند که از این میان، باز آدنین مکمل تیمین، و باز گوانین مکمل سیتوزین است. این توالی دورشته‌ای غیر قطبی و نامحلول در آب است۷ 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 است. 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.

پیوند مولکول هیدروژن بین دو باز مکمل آدنین-تیمین با گوانین-سیتوزین متفاوت است. 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 تعیین‌کننده استحکام دنا است به‌طوری‌که هرچه مقدار آن بیشتر باشد دنا مستحکم‌تر است.

همانندسازی DNA

همانندسازی برای انجام گرفتن تقسیمات سلولی یا همان میتوز و میوز است. در این اعمال سلولی با ۴۶ کروموزوم به دو سلول ۴۶ کروموزومی دیگر تقسیم می‌شود که باید هر فام تن قبل از تقسیم، فام تنی مانند خود را پدیدآورد. ابتدا آنزیمی به نام هلیکاز (helicase) دو رشته به هم پیچیده دنا را از هم جدا می‌کند (علت نام‌گذاری این آنزیم به این دلیل است که پیوند بین دو رشته، از نوع پیوند هیدروژنی است)؛ سپس چند پروتیین بنام SSBP به دو رشته می‌چسبند و به آن‌ها اجازه به هم پیوستن دوباره را نمی‌دهند. در دو طرف هر رشته اعدادی گذاشته شده‌است که یک طرف '۵ و طرف دیگر '۳ است و در رشته مقابل هم برعکس رشته دیگری است؛ یعنی یک طرف از یک رشته از هر دو طرف خود (عمودی-افقی) به عدد دیگر می‌رسد. مسیر همانند سازی هم همواره از '۵ به '۳ است. آنزیم دیگری به نام دنا پلیمراز ۱ (DNA Polymerase I) می‌آید و همانندسازی را در یکی از رشته‌هایی که انتهای '۳ آزاد دارد، انجام می‌دهد ولی در یکی از رشته‌ها که انتهای '۳ آزاد ندارد آنزیمی به نام دنا پلیمراز ۳ (DNA Polymerase III) می‌آید و همانندسازی را با روش دیگری انجام می‌دهد. ابتدا آنزیم دیگری به نام رنا پلیمراز (RNA Polymerase) می‌آید و قطعه‌های رنا را قرار می‌دهد و سپس دنا پلیمراز ۳ در کنار این قطعه می‌نشیند و همانندسازی را از جای مشخص شده‌ای ادامه می‌دهد (زیرا انرژی زیاد و جای باز ندارد). سپس دو باره این عمل کمی آن طرف‌تر یعنی به طرف '۵ انجام می‌گیرد؛ البته اینجا ۲ مشکل به وجود می‌آید: در همانندسازی دنا قطعه‌هایی از رنا وجود دارد-رشته دنای کپی شده به قطعه‌های رنا نمی‌چسبد و فاصله ایجاد می‌شود که به این فواصل، قطعات اوکازاکی گفته می‌شود. برای رفع اشکال اول، آنزیمی به نام RNase H قطعات رنا را برمی‌دارد و به جای آن‌ها دنا می‌گذارد که این نیاز به یون منیزیم دارد. برای رفع اشکال دوم، آنزیمی بنام آنزیم دی‌ان‌ای لیگاز می‌آید و در قطعات اوکازاکی می‌نشیند و آن‌ها را پر می‌کند.

جانوران یوکاریوتی: جانورانی مانند انسان که سلول‌های آنان دارای هسته است و همانندسازی در دو جهت انجام می‌گیرد. جانوران پرو کاریوتی: جانورانی مانند باکتری‌ها که سلول آن‌ها هسته ندارد و کروموزوم‌ها در سیتوپلاسم پخش شده‌اند و همانندسازی در آن‌ها یک سویه است که کروموزوم‌های آنان به شکل حلقه است.

منابع

1Alberts, Bruce; Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walters (2002).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 733890

3Gregory S, et al. (۲۰۰۶). «The DNA sequence and biological annotation of human chromosomeNature ۴۴۱ (۷۰۹۱): ۳۱۵–۲۱. doi:10.1038/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 0۳ ژانویه ۲۰۰۶

5Ghosh A, Bansal M (۲۰۰۳). «A glossary of DNA structures from A to Z». Acta Crystallogr D Biol Crystallogr 59 (Pt 4): ۶۲۰–۶. doi:10.1107/S0907444903003251. PMID 12657780

۶_ژنتیک مولکولی واتسون، نویسنده جیمز واتسون و دیگران، گروه مترجمین خانهٔ زیست‌شناسی، ناشر خانهٔ زیست‌شناسی، 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:10.1006/jtbi.1994.1163. 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 techniques Proc Natl Acad Sci USA ۹۶ (۱۴): ۷۸۵۳–۸. doi:10.1073/pnas.96.14.7853. PMID 10393911

• زیست‌شناسی و آزمایشگاه ۲، سال سوم متوسطه، نظری (رشتهٔ علوم تجربی)، چاپ دوازدهم: ۱۳۹۱، دفتر برنامه‌ریزی و تألیف کتب درسی وزارت آموزش و پرورش. شابک:۹-۰۹۸۰-۰۵-۹۶۴