دی ان ای و هر آنچه که باید در مورد آن بدانید (بخش اول)

احتمالا هر کسی که اندک آشنایی با علوم زیستی داشته باشد یا اینکه نگاهی گذرا به خبرها یا متون مرتبط با حوزه ی زیست شناسی انداخته باشد، نام مولکول DNA برایش بسیار آشنا خواهد بود. همه ی ما از اهمیت DNA برای موجودات زنده آگاه هستیم؛ اما بهتر است از خودمان بپرسیم که تا چه حد با این ماده ی شگفت انگیز آشنایی داریم؟ آیا DNA دارای ساختاری بسیار متفاوت با سایر مواد شیمیایی است؟ چه چیزی در این مولکول باعث شده است تا به توسعه و شکل گیری موجودات زنده کمک کند؟ ما در یک گزارش مفصل به بررسی مفصل ساختار DNA خواهیم پرداخت. در این گزارش سعی خواهیم داشت تا ساختار و کارکرد DNA را به زبان ساده تر از آنچه که در کتاب های تخصصی زیست شناسی آمده است، بازگو کنیم. احتمالا با مرور این گزارش، ما دید و ذهنیت بهتری از این مولکول حیاتی به دست خواهیم آورد و این امر شاید بتواند روی برداشت ما از مقوله ی حیات و نحوه ی آغاز حیات روی کره ی خاکی تاثیر گذارد و ما را در به دست آوردن درکی بهتر و واقعی تر از این روند شگرف در جهان هستی یاری کند.

مولکولی برای همه ی موجودات زنده

دئوکسی ریبونوکلئیک اسید(DNA) همانند یکی از حلقه های قدرت در ارباب حلقه ها، داستان معروف جورج تالکین، به عنوان مولکول ارباب هر سلولی محسوب می شود. این مولکول شامل اطلاعات حیاتی است که از نسلی به نسل بعد منتقل می شوند. DNA نه تنها باعث هماهنگ سازی روند ساخت خود می شود، بلکه به ساخت مولکول های دیگر (پروتئین) نیز جهت می بخشد. در صورتی که مولکول DNA دستخوش تغییر اندکی شود، این امکان وجود دارد که عواقب جدی برای سلول در پی داشته باشد. اگر این تغییرات فراتر از حدی باشند که دیگر امکان بازیابی یا بازسازی نقص به وجود آمده نباشد، در آن صورت سلول خواهد مرد.

تغییرات ایجاد شده در DNA سلول ها در موجودات چندسلولی باعث پیدایش تغییراتی در ویژگی های یک گونه ی زیستی می شود. همچنین در طی مدت زمان طولانی، فرایند انتخاب طبیعی روی این تغییرات اثر می گذارد و در نهایت به تکامل (فرگشت) یا تغییر گونه ها می انجامد.

وجود یا عدم وجود شواهد DNA یک فرد در صحنه ی جرم می تواند در محکومیت یا تبرئه شدن آن فرد موثر باشد. این مولکول به اندازه ای مهم است که دولت ایالات متحده مقدار زیادی بودجه و سرمایه را برای باز کردن دنباله ای از DNA در ژنوم انسان به امید یافتن روش های درمانی برای بسیاری از بیماری های ژنتیکی اختصاص داده است. در نهایت ما با استفاده از DNA یک سلول، می توانیم یک حیوان، گیاه یا شاید حتی یک انسان را از طریق روش غیرلقاحی تولید کنیم.

اما پرسشی که احتمالا ذهن همه ی ماها را به خود مشغول می کند و در مقدمه نیز به آن اشاره کردیم، این است که DNA چیست؟ در کجا یافت می شود؟ چه چیزی است که آن را اینقدر خاص و متمایز می کند؟ این مولکول به چه شکلی کار می کند؟ در ادامه، ما به عمق ساختار DNA نگاهی دقیق خواهیم داشت و توضیح خواهیم داد که این مولکول به چه شکلی خود را توسعه می دهد. همچنین به این امر خواهیم پرداخت که مولکول DNA به چه نحوی می تواند تمامی صفات موجود در یک موجود زنده را تعیین کند. برای طی این روند بهتر است در ابتدا نگاهی داشته باشیم به اینکه مولکول DNA برای نخستین بار چگونه شناسایی شده است.

تاریخچه ای مختصر از روند شناسایی DNA

مولکول DNA از نظر ساختار شیمیایی از گروه مولکول هایی به نام اسیدهای نوکلئیک محسوب می شود. اسیدهای نوکلئیک در اصل در سال ۱۸۶۸ توسطفردریک میچر(Friedrich Meischerr)، زیست شناس سوئیسی کشف شدند. وی در آن زمان برای نخستین بار توانست تا مولکول DNAA را از سلول های چرک (عفونت) به دست آمده از بانداژ های پانسمانی جدا کند. اگر چه میچر احتمال می داد که شاید اسیدهای نوکلئیک در بردارنده ی اطلاعات ژنتیکی باشند؛ اما نتوانست این موضوع را تایید کند و احتمال مطرح شده از طرف میچر به همان صورت باقی ماند.

در سال ۱۹۴۳،اسوالد اوری(Oswald Avery) و همکارانش در دانشگاه راکفلر نشان دادند که DNA به دست آمده از یک باکتری موسوم بهاسترپتوکوک پنومونی، می تواند باعث عفونی شدنِ باکتری های غیرعفونی شود. این نتایج نشان دادند که DNA در واقع به عنوان مولکولی حاوی اطلاعات در ساختار سلول نقش دارد. نقش مرتبط با دربرداشتن اطلاعات که به مولکول DNA نسبت داده شده بود، در سال ۱۹۵۲ نیز یک بار دیگر با اتکا به پژوهش هایآلفرد هرشی((Alfred Hershey) ومارتا چیس(Martha Chase)مورد پشتیبانی قرار گرفتند. آن ها نشان دادند که یک ویروس حمله کننده به باکتری ها(bacteriophage) برای ساختن ویروس های جدید، مولکول DNA (و نه پروتئین) را به درون سلول میزبان خود تزریق می کند.

از این رو دانشمندان در مورد نقش اطلاعاتی DNA برای یک مدت طولانی تئوری پردازی کرده بودند؛ اما هیچکس به طور دقیق نمی دانست که مولکول DNA از این اطلاعات به چه شکلی استفاده می کند و اینکه آن اطلاعات را به چه طریقی منتقل می کند. بسیاری از دانشمندان در آن هنگام حدس زدند که ساختار مولکول DNA در رخ دادن این فرایندها مهم بوده است. در سال ۱۹۵۳،جیمز دی. واتسون(James D. Watson) وفرانسیس کریک(Francis Crick)در دانشگاه کمبریج ساختارDNAرا کشف کردند. داستان کامل کشف ساختار مولکولDNA در کتاب جیمز واتسون به نام <<این دو مارپیچ>> به طور مفصل شرح داده شده است. همچنین یک فیلم سینمایی هم با نام <<رقابت برای دو مارپیچ>> در این مورد ساخته شده است.

در واقع، واتسون و کریک با استفاده از تکنیک های مدل سازی مولکولی و داده های به دست آمده از کارهای دیگر محققان از جملهموریس ویلکینز،روزالیند فرانکلین،اروین شارگاف(Erwin Chargaff) ولینوس پائولینگموفق به حل معمای ساختار مولکول DNAشدند.واتسون، کریک و ویلکینز موفق به دریافت جایزه ی نوبل پزشکی برای کشف ساختار DNA شدند. روزالیند فرانکلین همکار ویلکینز بود و در ارائه ی یک قطعه ی کلیدی از داده هایی نقش داشت که در نهایت باعث آشکار شدن ساختار DNA برای واتسون و کریک شدند. متاسفانه خانم فرانکلین پیش از دریافت جایزه ی نوبل خود از دنیا رفت.

ساختار DNA چگونه است؟

در بخش قبلی اشاره کردیم که ساختار مولکول DNA به صورت یک معما برای دانشمندان باقی مانده بود؛ تا اینکه واتسون و کریک با همکاری چند نفر دیگر به آن پی بردند. DNAیکی ازمولکول هایاسیدهای نوکلئیکو حاوی اطلاعات در سلول است. مولکول اسید نوکلئیکی دیگری که در سلول وجود دارد به ناماسید ریبونوکلئیکیا RNAA، شناخته می شود. مولکول DNA در هسته ی هر یک از سلول های انسان یافت می شود. اطلاعات موجود در DNAA به طور کلی دو کار اصلی را صورت می دهند:

• این اطلاعات باعث هدایت سلول (به همراه مولکول RNA) در روند ساخت پروتئین های جدیدی می شوند که در تعیین تمامی صفات بیولوژیکی ما نقش دارند.
• اطلاعات موجود در DNA از یک نسل به نسل دیگر منتقل می شوند. در واقع می توان از تعبیر کپی شدن برای آن استفاده کرد.

کلید همه ی این کارکردها در ساختار مولکولی DNAنهفته است؛ همان ساختاری که توسط واتسون و کریک کشف شده بود. اگر چه ممکن است پیچیده به نظر برسد، واقعیت این است که مولکولDNA در یک سلول فقط و فقط از الگویی متشکل از تنها چهار بخش مختلف به نامنوکلئوتیدهاساخته شده است. مجموعه ای از بلوک ها را تصور کنید که که تنها دارای چهار شکل سازنده ی مختلف هستند؛ یا می توانیم زبان الفبایی را تصور کنیم که تنها از ۴ حرف تشکیل شده باشد. مولکول DNAدر واقع به صورت یک رشته ی طولانی از این بلوک ها یا حروف است. هر نوکلئوتید شامل نوعی قند (به نامدئوکسی ریبوز) است که در یک طرف محدود به یکگروه فسفاتو در سوی دیگر نیز محدود به یکباز نیتروژنیاست. در شکل زیر می توانید نحوه ی چیدمان ساده ی بخش های موجود در نوکلئوتید را مشاهده کنید.

دو نوع از بازهای نیتروژنی وجود دارند که ما آن ها را به نامپورین(ساختار دوحلقه دار) وپیریمیدین(سازه های تک حلقه) می شناسیم. چهار باز موجود در الفبای DNAهم عبارت هستند از:آدنین (A) (پورین)؛ سیتوزین (C) (پیریمیدین)؛ گوانین (G)(پورین)؛تیمین (T)(پیریمیدین).

واتسون و کریک کشف کردند که DNAدارای دو سو یا رشته است و اینکه رشته های مذکور همانند یک نردبان پیچاپیچ، به هم پیچ خورده اند. این ساختار دورشته ای مارپیچی را به نام مارپیچ دوگانه یادابلهلیکسمی شناسند. دو طرف این نردبان شامل بخش هایقند-فسفاتیمتعلق به نوکلئوتیدهای مجاوری هستند که با یکدیگر پیوند خورده اند. فسفاتمتعلق به یک نوکلئوتید با پیوند کووالانسی (پیوندی که در آن یک یا چند جفت الکترون توسط دو اتم به اشتراک گذاشته می شوند) به قند نوکلئوتید بعدی متصل شده است. پیوند هیدروژنی بین فسفات ها هم باعث می شود تا رشته ی مولکول DNAپیچ و تاب بگیرد.بازهای نیتروژنیبه سمت داخل نردبان گرایش پیدا می کنند و جفت هایی را با بازهای موجود در طرف دیگر (همانند یک پله برای نردبان) شکل می دهند. هر یک از جفت های بازی مذکور در واقع از اتصال دو نوکلئوتید مکمل (پورین با پیریمیدین) با همدیگر توسط پیوند هیدروژنی، تشکیل شده است.

باید توجه داشته باشیم که در مولکولDNA، این جفت ها به طور دلخواه و به هر نحوی شکل نمی گیرند. جفت های بازی موجود مولکول DNA به این صورت هستند کهآدنین با تیمینوسیتوزین با گوانینمی توانند متصل شوند. شما در تصویر زیر می توانید نحوه ی چیدمان و اتصال کلی بخش های نوکلئوتیدها را با همدیگر به طور طرح وار مشاهده کنید. همان طور که اشاره کردیم. هر یک از حروف A ،C ،G و T با یک رنگ مشخص شده اند. همچنین مشاهده می کنید که AباT و C با G با همدیگر در مولکول DNA تشکیل پیوند می دهند و به تعبیری پله های یک نردبان مارپیچی از همین جفت ها شکل می گیرد.

اگر اندکی کنجکاوتر باشید هم می توانید به تصویر زیر نگاهی بیاندازید. در این تصویر ساختار شیمیایی و اتم های سازنده ی بخش های مختلف نوکلئوتید و همچنین نوع پیوند بین اجزا در DNA به صورت طرح وار مشخص شده است:

شاید برای شما این پرسش پیش آمده باشد که چه ویژگی بارزی در پیوند هیدروژنی وجود دارد که در ساختار DNA و شکل مارپیچی آن می تواند تعیین کننده باشد؟ می توان گفت که پیوند هیدروژنی، پیوند شیمیایی ضعیفی است که بین اتم های هیدروژن و یک اتم الکترونگاتیوتر، مانند اکسیژن، نیتروژن و فلوئور رخ می دهد. اتم های شرکت کننده می توانند در همان مولکول (نوکلئوتیدهای مجاور) یا در مولکول های مختلف (نوکلئوتید مجاور در رشته های DNAمختلف) واقع شده باشد. در پیوند هیدروژنی، مبادله یا به اشتراک گذاشته شدن الکترون مانند پیوند کووالانسی یا پیوندهای یونی انجام نمی شود. جاذبه ی ضعیفی مشابه نوعی که بین قطب های مخالف یک آهنربا وجود دارد، در این پیوند ایجاد می شود. پیوندهای هیدروژنی در فاصله ی کوتاهی رخ می دهند و می تواند به راحتی تشکیل و شکسته شوند. آن ها همچنین می توانند یک مولکول را به ثبات و تعادل برسانند.

مولکول دی ان ای چگونه درون سلول جای می گیرد؟

DNAیک مولکول طولانی است. به عنوان مثال می توانیم بگوییم که یک باکتری همچونE. coli دارای مولکول DNA با حدود ۳۰۰۰ ژن است. در اینجا باید اشاره کنیم که ژن ها به صورت یک توالی خاص از نوکلئوتید های DNA ای هستند که یک پروتئین را رمزگذاری می کنند یا به عبارتی به شکلی در می آورند که دارای حالت رمزی مشخص و قابل شناسایی در قالب کدهای معین و مشخص باشد. در بخش های بعدی گزارش بیشتر به این موضوع خواهیم پرداخت. مولکول DNAموجود در باکتری یاد شده اگر از داخل سلول بیرون کشیده شده و به صورت مستقیم گسترده شود، دارای طولی در حدود ۱ میلی متر خواهد شد. با این حال، می دانیم که باکتریE. coli معمولی تنها ۳ میکرون طول دارد و این مقدار بسیار کمتر از آن عددی است که برای طول واقعی یک مولکول DNA اشاره کردیم؛ بنابراین این مولکول در داخل سلول به نحو خاصی جای می گیرد. DNAبرای جای گرفتن درون سلول، به صورتی بسیار مارپیچی و پیچ خورده به یک کروموزوم حلقوی در می آید. در دو تصویر زیر، شما می توانید طرح واره ای از نحوه ی پیچیده شدن مولکول طویل DNA را به شکل کروموزم ها ببینید. همان طور که اشاره کردیم، ژن ها نیز به عنوان چینش های متوالی خاصی از نوکلئوتیدها هستند و در تصویر نیز مشخص شده اند:

تعداد ژن ها و کروموزوم ها در موجودات مختلف با همدیگر تفاوت دارد که در ادامه ی گزارش به تفاوت های آن ها به طور اجمالی اشاره خواهد شد.

ادامه دارد...