دی ان ای (DNA) چیست؟ – به زبان ساده

همانطور که در زیست‌شناسی سال یازدهم خواندیم، مولکول DNA (دی ان ای) یا دئوکسی‌ریبونوکلئیک اسید، یکی از مهم‌ترین و حیاتی‌ترین مولکول‌های زیستی بوده و حامل اطلاعات ژنتیکی و ویژگی‌های وراثتی موجودات زنده است که نسل به نسل از سلولی به سلول دیگر منتقل می‌شود. چیزی که جالب است بدانید، آن است که ظاهر شما، رفتارتان در شرایط گوناگون، اثر انگشت و حتی دست خط شما همه و همه به DNAتان ربط داشته و توسط این مارپیچ دو رشته‌ای که فقط از کربن، فسفات و نیتروژن ساخته شده است، هدایت می‌شود.
اما به راستی که DNA چیست؟ از چه اجزایی تشکیل شده؟ در کجای سلول یافت می‌شود؟ و چگونه کشف شده است؟

برای پاسخ به این سوالات با آکادمی بیوزوم همراه باشید تا با معرفی DNA، پرده از راز و رمز الفبای حیات برداریم.

بیشتر بخوانید: همانند سازی DNA

مولکول DNA (دی ان ای) چیست؟

ژنوم شما از یک ماده شیمیایی به نام دئوکسی ریبونوکلئیک اسید یا به اختصار DNA ساخته شده است.

DNA یا دئوکسی ریبونوکلئیک اسید، یک مولکول طویل بوده که حامل کد ژنتیکی منحصر به فرد ما است و مانند یک کتاب راهنما، دستورالعمل‌های ساخت تمام پروتئین‌های بدن را در خود جای داده است.

DNA (دی ان ای) یک مولکول زیستی پیچیده است که از اجزای بسیاری تشکیل شده، که بخشی از آن‌ها در طی فرآیند تولید مثل، از والد به فرزندان آن‌ها منتقل می‌شود.

اگرچه DNA هر موجود زنده منحصر به فرد است، اما تمام DNA از مولکول‌های مبتنی بر نیتروژن یکسان تشکیل شده است. در واقع الفبای حیات در تمامی موجودات یکسان است اما چگونگی قرارگیری حروف کنار یکدیگر، سبب ایجاد موجودات متفاوت می‌شود. و بدین‌ترتیب DNA از ارگانیسمی به ارگانیسم دیگر متفاوت می‌باشد. طوری‌که به نوبه خود، این الگوی آرایش، در نهایت ویژگی‌های منحصر به ‌فرد هر موجود زنده را تعیین می‌کند.

حال که تا حدی با این مولکول شگفت‌انگیز آشنا شدید، لازم است برای درک بیشتر ماهیت آن، با ساختار این رشته مارپیچی بیشتر آشنا شوید که در ادامه به آن می‌پردازیم.

ساختمان DNA (دی ان ای)

در ابتدایی‌ترین سطح، تمام DNA از مولکول‌های کوچک‌تر به نام نوکلئوتید تشکیل شده است. هر نوکلئوتید خود از سه جز اصلی تشکیل شده است:

• یک ناحیه حاوی نیتروژن که به عنوان باز نیتروژنی شناخته می‌شود.
• یک مولکول قند مبتنی بر کربن به نام دئوکسی ریبوز.
• یک منطقه حاوی فسفر که به عنوان گروه فسفات متصل به مولکول قند شناخته می‌شود.

در ساختار DNA، چهار نوکلئوتید مختلف وجود دارد که هر کدام توسط یک باز نیتروژنی مشخص، به نام‌های زیر تعریف می‌شوند:

• آدنین (به اختصار A)
• تیمین (به اختصار T)
• گوانین (به اختصار G)
• سیتوزین (به اختصار C)

همانطور که پیش‌تر به آن اشاره کردیم، مولکول DNA از دو رشته تشکیل شده است. ارتباط نوکلئوتیدهای یک رشته با رشته دیگر با پیوند هیدروژنی برقرار می‌شود به طوری‌که هر جفت باز توسط پیوندهای هیدروژنی به یکدیگر متصل شده و بازها همیشه به یک شکل و تحت یک الگوی یکسان باهم جفت می‌شوند، A با T و C با G. همچنین جالب است بدانید که ارتباط نوکلئوتیدهای درون یک رشته با پیوند کوالانسی برقرار می‌شود.

اگرچه نوکلئوتیدها نام خود را از بازهای نیتروژنی گرفته‌اند، اما بیشتر ساختار و قابلیت‌های پیوند خود را مدیون مولکول دئوکسی ریبوز هستند. بخش مرکزی این مولکول شامل پنج اتم کربن است که به شکل یک حلقه مرتب شده‌اند و هر کربن موجود در حلقه با یک عدد به دنبال نماد پرایم (‘) نشان داده می‌شود.

از بین این کربن‌ها، اتم کربن 5 به ویژه قابل توجه است، زیرا محلی است که گروه فسفات در آن به نوکلئوتید متصل می‌شود. منطقه اطراف این اتم کربن به عنوان انتهای 5 نوکلئوتید شناخته می‌شود. در مقابل کربن 5، یعنی در طرف دیگر حلقه دئوکسی ریبوز، کربن 3 قرار دارد که به گروه فسفات متصل نیست. این بخش از نوکلئوتید معمولاً به عنوان انتهای 3′ نامیده می شود.

هنگامی که نوکلئوتیدها در یک رشته به یکدیگر می‌پیوندند، ساختاری به نام پلی نوکلئوتید را تشکیل می‌دهند. در هر نقطه اتصال در یک پلی نوکلئوتید، انتهای 5′ یک نوکلئوتید از طریق اتصالی به نام پیوند فسفودی استر به انتهای 3′ نوکلئوتید مجاور متصل می‌شود. این آرایش متناوب قند فسفات است که بدنه اصلی یک مولکول DNA را تشکیل می‌دهد.

DNA یک مولکول دو رشته‌ای است و یک شکل منحصر به فرد “مارپیچ دوگانه” مانند یک نردبان پیچ خورده دارد.

گفتنی است که این ساختار مارپیچ دوگانه برای اولین بار توسط فرانسیس کریک و جیمز واتسون با کمک روزالین فرانکلین و موریس ویلکینز کشف شد.

بعد از شناخت ساختار مارییچ دو رشته‌ای دی ان ای، با محل قرارگیری این مولکول حیاتی آشنا خواهیم شد که در ادامه به آن می‌پردازیم.

محل قرارگیری DNA (دی ان ای)

DNA تقریباً در تمام سلول‌های زنده یافت می‌شود. با این حال، مکان دقیق آن در یک سلول به این بستگی دارد که آیا آن سلول دارای اندامک خاصی به نام هسته است یا خیر.

موجودات متشکل از سلول‌های حاوی هسته به عنوان یوکاریوت طبقه بندی می‌شوند، در حالی که موجودات متشکل از سلول‌هایی که فاقد هسته هستند به عنوان پروکاریوت‌ها طبقه بندی می‌شوند.

انسان و بسیاری از جانوران دیگر دارای سلول‌های یوکاریوتی هستند. منظور از سلول‌های یوکاریوتی، سلول‌هایی هستند که در آن‌ها، دور هسته و سایر اندامک‌های درون سلولی، یک غشای اختصاصی قرار گرفته است.

در باکتری‌ها که سلول‌های پروکاریوتی دارند، این غشا دیده نمی‌شود و هسته و اندامک‌های درون سلولی وجود ندارد. دی ان ای در سلول‌های پروکاریوتی به حالت بسیار پیچ‌خورده در وسط سلول قرار دارد.

در یوکاریوت‌ها، DNA در داخل هسته قرار دارد، همچنین مقدار کمی از DNA در اندامکی به نام میتوکندری که تولید انرژی در سلول را برعهده دارد، یافت می‌شود.  اما در پروکاریوت ها، DNA مستقیماً در داخل سیتوپلاسم سلولی قرار دارد، زیرا هسته‌ای برای احاطه آن وجود ندارد.

سوالی که ممکن است مطرح شود این است که چرا در بین مولکول‌های زیستی، دی ان ای به‌عنوان حامل ژنتیکی انتخاب شده است. در ادامه به پاسخ این سوال خواهیم پرداخت.

چرا DNA (دی ان ای) یک ماده ژنتیکی مناسب است؟

به چند دلیل زیستی که در پایین به آن اشاره کردیم، DNA می‌تواند به صورت یک ماده ژنتیکی مناسب مورد استفاده قرار گیرد:

1. DNA توانایی همانندسازی دارد.
2. انتقال اطلاعات را به شکل عملکردی انجام می‌دهد.
3. توانایی جهش و تغییر پذیری دارد.

در ادامه بیشتر به بررسی این دلایل می‌پردازیم…

1- منظور از همانندسازی این است که دو رشته دی ان ای از هم باز می‌شوند و هر یک از این رشته‌ها می‌‌توانند به عنوان یک الگو برای ساخت رشته‌های جدید عمل کنند. به این ترتیب از یک مولکول دی ان ای، دو مولکول دی ان ای دو رشته‌ای ساخته می‌شود که مشابه یکدیگر هستند. این فرایند دارای دو جنبه مهم است:

• اهمیت اول در تولید مثل موجودات و انتقال ماده ژنتیکی از والد به فرزندان است.
• اهمیت دوم در رشد و نمو و تشکیل ارگانیسم‌های پر سلولی از سلول تخم یا زیگوت است.

لازم به ذکر است، مرحله‌ای که DNA همانند سازی می‌کند، در فاز سنتز یا فاز S چرخه سلولی اتفاق می‌افتد. در فاز دیگر چرخه سلولی که فاز تقسیم یا M نامیده می‌شود، رشته دی ان ای همانند سازی شده به دو سلول دختری منتقل می‌شود.

2- منظور از انتقال اطلاعات ژنتیکی به شکل عملکردی این است که هر ژن، حامل کدهای ژنتیکی است که دستورالعمل ساخت یک پروتئین خاص را در خود جای داده است. این پروتئین‌ها نقش‌های بسیار مهمی درون سلول ایفا می کنند.

برای سنتز این پروتئین‌ها لازم است ابتدا کدهای ژنتیکی از DNA به mRNA که در مطلب RNA چیست؟ به زبان ساده درباره‌ی آن توضیح داده‌ایم، منتقل شوند که به این فرآیند رونویسی می‌گویند. در ادامه، mRNA به عنوان یک الگو، به کمک ریبوزوم و tRNA باعث ساخت پروتئین می‌شود.

3- منظور از تغییر پذیری و جهش بر روی مولکول DNA تفاوت‌هایی است که باعث تغییر توالی نوکلئوتیدی دی ان ای می‌شود. این جهش‌ها و تغییرها است که باعث ایجاد تنوع و تکامل موجودات زنده می‌گردد.

این تغییرات سبب می‌شود، با وجود یکسان بودن تعداد کروموزوم‌ها و جایگاه‌های ژنی، در بین افراد یک گونه تنوع و گوناگونی بوجود بیاید؛ مثلاً طول قد انسان‌ها یا رنگ مو، چشم و پوست آن‌ها در عین یکسان بودن ژنوم‌شان، متفاوت از هم باشد.

در ادامه به این موضوع خواهیم پرداخت که دی ان ای چگونه متراکم و فشرده شده و در داخل سلول‌ جای می‌گیرد.

مراحل متراکم شدن DNA 

اکثر سلول‌ها فوق العاده کوچک هستند. به عنوان مثال، یک انسان به تنهایی دارای حدود 100 تریلیون سلول است! با این حال، اگر تمام DNA (دی ان ای) موجود در تنها یکی از این سلول‌ها، در یک خط مستقیم چیده شوند، آن DNA نزدیک به دو متر طول خواهد داشت! بنابراین، چگونه می‌توان این مقدار DNA (دی ان ای) را در یک سلول جای داد؟

پاسخ به این سوال در فرآیندی نهفته است که به نام متراکم شدن DNA شناخته می‌شود، که پدیده جایگیری DNA در اشکال فشرده متراکم است.

در طول متراکم شدن DNA (دی ان ای)، قطعات بلند DNA (دی ان ای) دو رشته‌ای، به‌صورت محکم تا خورده، ایجاد حلقه کرده و دارای پیچ و تاب می‌شوند تا به راحتی در داخل سلول قرار گیرد.

یوکاریوت‌ها این کار را با پیچاندن DNA (دی ان ای) رشته‌ای خود به دور پروتئین‌های خاصی به نام هیستون انجام می‌دهند و در نتیجه آن را به اندازه‌ای متراکم می‌کنند که در داخل هسته قرار گیرد.

مجموعه DNA (دی ان ای) یوکاریوتی و پروتئین‌های هیستونی که آن را به شکل مارپیچ در کنار هم نگه می‌دارند، کروماتین نامیده می‌شود.

در کروماتین یوکاریوتی، DNA دو رشته‌ای به دور پروتئین‌های هیستون پیچیده می‌شود.

DNA (دی ان ای) می‌تواند از طریق یک فرآیند پیچشی به نام اَبَرمارپیچی شدن، فشرده‌تر شود. بیشتر پروکاریوت‌ها فاقد هیستون هستند، اما دارای اشکال اَبَرمارپیچ از DNA (دی ان ای) خود هستند که توسط پروتئین‌های خاصی به هم متصل شده‌اند.

در هر دو یوکاریوت‌‌ها و پروکاریوت‌‌ها، این DNA (دی ان ای) بسیار فشرده‌ شده، سپس در قالب ساختارهایی به نام کروموزوم سازماندهی می‌شود. کروموزوم‌ها در انواع مختلفِ ارگانیسم‌ها، دارای اشکال متفاوتی هستند. به عنوان مثال، بیشتر پروکاریوت‌ها فقط یک کروموزوم حلقوی دارند، در حالی‌که بیشتر یوکاریوت‌ها دارای یک یا چند کروموزوم خطی هستند که اغلب به صورت ساختارهای X شکل ظاهر می‌شوند.

در زمان‌های مختلف، در طول چرخه زندگی یک سلول، DNA (دی ان ای) که کروموزوم‌های سلول را می‌سازد، می‌تواند به طور محکم فشرده باشد که این ساختار در زیر میکروسکوپ هم قابل مشاهده است، یا می‌تواند کمی شل‌تر و بازتر شده و شبیه انبوهی از رشته‌ها باشد.

کشف ساختار DNA (دی ان ای)

به‌طور قطع، شناسایی و کشف ساختمان مولکول  DNA (دی ان ای) از بزرگ‌ترین دستاوردهای علمی است که تا به‌حال بشر به آن دست پیدا کرده است. بعد از این کشف بود که اطلاعاتی پیرامون چگونگی و نحوه وراثت اطلاعات ژنتیکی به دست آمد.

دانشمندی سوئیسی به نام فردریک میشر برای اولین بار از نام اسیدهای نوکلئیک برای مولکول DNA استفاده کرد. میشر طی مطالعاتی که بر روی گلبول‌های سفید خون در سال ‍۱۸۶۹ داشت، به بررسی ماده‌ درون هسته این گلبول‌ها پرداخت و  به وجود یک ترکیب زیستی جدید پی برد؛ او در ابتدا این ماده را نوکلئین نامید.

او در ادامه به دو دلیل، آن را نوکلئیک اسید‌ نامید:

یک این‌که این ماده از هسته استخراج شده بود و دوم این‌که دارای خاصیت اسیدی ضعیفی بود.

علاوه‌بر میشر، مطالعات دانشمندان دیگر هم به شناخت بیشتر مولکول DNA انجامید. این دانشمندان، با مطالعات گسترده، توانستند به شناسایی بیشتر بخش‌های مختلف ساختار پیچیده مولکول DNA کمک کنند.

ماحصل این مطالعات در سال ‍۱۹۵۳، سرانجام به ارائه مدل کنونی مولکول DNA توسط دو محقق انگلیسی به نام‌های جیمز واتسون و فرانسیس کریک از دانشگاه کمبریج لندن منجر شد.

واتسون و کریک با استفاده از تصاویری که از مولکول DNA تهیه شده بود و با بررسی مطالعات دانشمندان پیشین، مدل مارپیچ دو رشته‌ای را ارائه کردند.

طبق این مدل، دو رشته DNA به صورت موازی ولی ناهمسو پیرامون یک محور مرکزی پیچ می‌خورند و مولکول نردبان پیچ‌خورده می‌سازند. بازهای آلی در نقش پله‌های این نردبان، رشته‌های قند فسفات بدنه آن را بهم متصل می‌کنند.

گاه‌شمار کشف DNA دی ان ای

مراحل کشف مولکول DNA را می‌توان به‌صورت زیر خلاصه کرد:

سال 1869: فردریک میشر وجود ماده وراثتی داخل هسته را اثبات کرد.

سال 1910: پزشکی روسی به‌نام فوبوس لون، موفق به شناسایی فرمول شیمیایی اسیدهای نوکلئیک شد.

سال 1947: دانشمندی آمریکایی به نام پاولینگ، ساختار سه رشته‌ای مولکول DNA که در آن بازهای آلی به سمت خارج و قند فسفات به سمت داخل مولکول DNA قرار می‌گرفتند را پیشنهاد داد.

سال 1950: اروین چارگف توانست نسبت بازهای آلی را در DNA تعیین کند.

سال 1952: فیزیکدانی انگلیسی به نام روزالین فرانکلین، موفق به ثبت تصویر مولکول DNA توسط پراش اشعه ایکس شد.

سال 1953: ساختمان مارپیچ دو رشته‌ای DNA توسط واتسون و کریک، محققان دانشگاه کمبریج انگلستان، ارائه شد.

ساختارهای سه بعدی

بعد از ارائه مدل واتسون و کریک در سال ۱۹۵۳، دانشمندان بسیاری همچنان به مطالعه دقیق‌تر ساختمان دو رشته‌ای مارپیچ DNA پرداختند. طبق بررسی‌ محققان، در شرایط مختلف DNA نمی‌تواند همیشه به صورت مدل مارپیچ دو رشته‌ای در سلول وجود داشته باشد. با توجه به شرایط متفاوت سلولی، شکل و ساختار DNA می‌تواند دچار تغییر شود. اشکال مختلف DNA در شرایط مختلف سلولی، می‌توانند بر بیان ژن، ترجمه آن و تولید پروتئین‌های مختلف تاثیر بگذارد.

DNA (دی ان ای) در سلول‌های زنده به 3 شکل اصلی دیده می‌شود:

•  B-DNA (مدل واتسون و کریک)
• A-DNA
•  Z-DNA

اکثر اوقات درون سلول‌ها، DNA به همان شکل مدل واتسون و کریک یعنی شکل B دیده می‌شود. تحت شرایط کم آبی یا وقتی‌ یک رشته DNA مقابل یک رشته RNA قرار بگیرد، شکل A مولکول DNA ایجاد می‌شود. در سلول به ندرت و تحت شرایط خاص مثل حالتی که غلظت نمک بسیار افزایش یابد، شکل Z در مولکول DNA مشاهده می‌شود.

اشکال مختلف DNA تفاوت‌هایی دارند. به‌عنوان مثال، راست‌گرد یا چپ‌گرد بودن مولکول DNA. جهت چرخش مارپیچ در دو شکل A و B مولکول دی ان ای، به سمت راست است ولی در شکل Z به سمت چپ است.

جمع‌بندی

به طور کلی متوجه شدیم که دی ان ای یک مولکول طویل و پیچیده زیستی است که حامل کدهای ژنتیکی برای ساخت پروتئین‌های درون سلولی است. این مولکول برای حفظ بقا بسیار حیاتی بوده و دستورالعمل‌های مهم برای ادامه زندگی توسط فرآیند رونویسی می‌توانند نسل به نسل منتقل شده و بقای موجود را تضمین کنند. همچنین با خواندن مطلب DNA، دریافتیم که مطالعه‌ی این مولکول درک صحیحی از حیات و علت تنوع موجودات به ما می‌دهد.