ساختمان DNA:

مقدمه:

کشف ماده‌اي که بعدها DNA نام گرفت در سال 1869 بوسيله فرديک ميشر انجام شد. اين دانشمند هنگام مطالعه بر روي گويچه‌هاي سفيد خون ، هسته سلولها را استخراج کرد و سپس بر روي آن محلول قليايي ريخت. حاصل اين آزمايش ، رسوب لزجي بود که بررسيهاي شيميايي آن نشان داد، ترکيبي از کربن ، هيدروژن ، اکسيژن ، نيتروژن و درصد بالايي از فسفر مي‌باشد. ميشر اين ماده را نوکلئين ناميد. زماني که ماهيت اسيدي اين ماده مشخص گرديد، نام آن به اسيد دزاکسي ريبونوکلئيک تغيير يافت.

ساختمان رشته‌اي DNA :

سرعت پيشرفت تعيين ساختمان DNA بسيار کند بوده است. در سال 1930 کاسل و لوين دريافتند که نوکلئين در واقع اسيد دزوکسي ريبونوکلئيک است. برسيهاي شيميايي آن مشخص کرد که زير واحد تکرار شونده اصلي DNA ، نوکلئوتيد مي‌باشد که از سه قسمت تشکل شده است. يک قند پنتوز - دزوکسي D- ريبوز) ، يک گروه (فسفات و از يکي چهار باز آلي نيتروژن‌دار حلقوي آدنين (A)، گوانين (G) ، سيتوزين (C) و تيمين (T) تشکيل شده است.

از اين چهار باز دو باز آدنين و گوانين از بازهاي پوريني و دو باز سيتوزين و تيمين از بازهاي پيريميديني مي‌باشند. به مجموعه قند و باز آلي نوکلئوزيد گفته مي‌شود. گروه فسفات مي‌تواند به کربن3  متصل شود. و يا5 به مجموع نوکلئوزيد و گروه فسفات متصل به آن نوکلئوتيد مي‌گويند. و هم به کربن5 با توجه به اينکه يون فسفات مي‌تواند هم به کربن 3 متصل شود.

پس دو نوکلئوتيد از طريق يک پيوند فسفودي استر بهم متصل مي‌شوند. به اين صورت که گروه هيدروکسيل يک نوکلئوتيد با گروه فسفات نوکلئوتيد ديگر واکنش داده و پيوند فسفودي استر را بوجود مي‌آورد. از آنجايي که پيوند فسفودي استر ،  فسفودي -3 دو قند مجاور را بهم متصل مي‌کند، اين پيوند را پيوند5 و5 کربنهاي3 -دزوکسي استر نيز مي‌نامند. يک زنجيره در اثر اتصال پشت سر هم تعدادي2 ريبونوکلئوتيد بوسيله پيوندهاي دزوکسي ريبونوکلئوتيد تشکيل مي‌شود.

تمامي نوکلئوتيدها در يک زنجيره پلي نوکلئوتيدي داراي جهت يکسان مي‌باشند. به اين صورت که  آزاد و نوکلئوتيد انتهايي در نوکلئوتيد انتهايي در يک سمت زنجيره داراي يک گروه5  آزاد مي‌باشد. بنابراين زنجيره پلي نوکلئوتيدي سمت ديگر زنجيره داراي يک گروه3 داراي جهت بوده و اين جهت را به صورت5> نشان مي‌دهند. بنابراين اگر در 3  در زير آن باشد، در تمامي در بالاي حلقه پنتوز و کربن3 نوکلئوتيد ابتدايي کربن5 نوکلئوتيدهاي بعدي زنجيره کربن 5 در بالاي حلقه پنتوز جاي خواهد داشت.

نتايج حاصل تا سال 1950 :

1.   - دزوکسي اسيد ريبونوکلئيک مي‌باشد که DNA يک پليمر رشته‌اي متشکل از واحدهاي2  به هم متصل شده‌اند. -3 بوسيله پيوندهاي فسفودي استر5

2.     DNA حاوي چهار زير واحد dc و dG و dT و dA مي‌باشد.

3.     مقادير متوالي dT و dA با يکديگر و dc و dG نيز با يکديگر مساوي مي‌باشند.

مارپيچ دو رشته‌اي DNA :

در سال 1953 در ساختمان سه بعدي DNA ، بوسيله واتسون و کريک کشف شد. واتسون و کريک با استفاده از مطالعات تفرق اشعه ايکس ، رشته‌هاي DNA که بوسيله فرانکلين و ويلکينز تهيه شده بود و همچنين ساختن مدلها و استنباطهاي مشخصي ، مدل فضايي خود را ارائه دادند و در سال 1962 واتسون و کريک و ويلکينز به خاطر اهميت کشف ساختمان DNA به صورت مشترک جايزه نوبل دريافت کردند.

مدل پيشنهادي آنان چنين بود. DNA يک مارپيچ دو رشته‌اي است که رشته‌هاي آن به دور يک محور مرکزي ، معمولا به صورت راست گرد پيچ مي‌خورند. طبق مدل واتسون و کريک ، ستونهاي قند - فسفات همانند نرده‌هاي پلکان به دو قسمت خارجي بازهاي آلي پيچيده و به اين ترتيب در معرض محيط آبکي داخل سلول هستند و بازهاي آلي که خاصيت آبگريزي دارند، در داخل مارپيچ قرار مي‌گيرند. هنگام تشکيل مارپيچ رشته‌ها به صورت موازي متقابل قرار مي‌گيرند.

يعني اگر جهت يک رشته3< باشد، رشته ديگر --5 5<--3 خواهد بود.

پيوندهاي هيدروژني بين آدنين از يک رشته با باز تيمين رشته مقابل و باز گوانين يک رشته با سيتوزين رشته مقابل بوجود مي‌آيند. گر چه از نظر اندازه هر باز پوريني مي‌تواند در مقابل يک باز پيريميدين قرار بگيرد. ولي به دليل وجود گروههاي شيميايي روي بازهاي G و C و T و A پيوندهاي هيدروژني مناسب فقط بين C - G و T - A برقرار مي‌شود و ايجاد پيوند بين T - G و C- A ممکن نيست.

واکنشهاي توتومريزاسيون :

اتم هيدروژن در بازهاي آلي مي‌تواند روي اتمهاي نيتروژن و يا اکسيژن حلقه جابجا شود. اين تغيير موقعيت هيدروژن روي حلقه باز را توتومريزاسيون مي‌گويند

. توتومريزاسيون در بازهاي آدنين سيتوزين باعث تبديل فرم آميني به فرم ايمني و در مورد بازهاي تيمين و گوانين باعث تبديل فرم کتوني به فرم انولي مي‌شود.

در شرايط فيزيولوژيکي ثابت تعادل واکنش توتومريزاسيون بيشتر به سمت اشکال آميني و کتوني مي‌باشد. اين حالت پايدار پروتوني ، الگوي تشکل پيوندهاي هيدروژني بين بازها را تعيين مي‌نمايد، بطوري که بازهاي T و A با تشکيل دو پيوند هيدروژني و بازهاي G و C با سه پيوند هيدروژني با هم جفت مي‌شوند. C و A و همچنين T و G نمي‌توانند با هم جفت شوند.

زيرا در اين بازها اتمهاي هيدروژن هر دو در يک موقعيت قرار دارند و امکان ايجاد پيوند هيدروژني وجود ندارد. به دليل اينکه در رشته‌هاي DNA همواره باز A مقابل T و باز G مقابل C قرار دارد، اين دو رشته را مکمل مي‌نامند. بنابراين توالي موجود در يک رشته DNA ، توالي رشته مقابل را تعيين مي‌کند. مکمل بودن دو رشته DNA ، اساس عمل همانند سازي DNA است.

همانندسازي DNA :

در مطالعات اوليه براي همانندسازي سه الگو مطرح شد که شامل الگوهاي حفاظتي ، نيمه حفاظتي و پراکنده است. در الگوي حفاظتي از روي مارپيچ دو رشته‌اي DNA ، يک مولکول کامل DNA ساخته مي‌شود. در الگوي نيمه حفاظتي ابتدا دو رشته DNA از هم باز شده و در مقابل هر يک از رشته‌ها ، رشته مکمل ساخته مي‌شود. در الگوي پراکنده ابتدا مولکول DNA به قطعاتي تقسيم مي‌گردد و هر يک از قطعه رشته مکمل خود را سنتز مي‌کند. واتسون و کريک با پژوهشهاي خود بر روي مولکول DNA، الگوي نيمه حفاظتي را منطقي و تنها راه همانند سازي مي‌دانستند. سپس مزلسون و استال با انجام آزمايشهاي بسيار ظريف و مهم ، درستي چنين الگويي را به اثبات رساندند.

آنزيمهاي لازم در همانند سازي:

آنزيمهاي پليمراز:

آنزيمهايي هستند که پليمر شدن زنجيره‌هاي پلي‌نوکلئوتيدي را کاتاليز مي‌کنند. تا کنون سه نوع آنزيم پليمراز به نامهاي Ι و ΙΙ و ΙΙΙ جداسازي و مشخصات آنها ارائه شده‌اند. از بين آنها آنزيم پليمراز ΙΙΙ نقش اصلي را در سنتز DNA دارد. از خصوصيات مهم آن ، اين است که منحصرا نوکلئوتيدها را در جهت '5 به '3 بهم متصل مي‌کنند و در جهت عکس نمي‌تواند عمل کند. آنزيم پليمراز ΙΙ نيز در مرحله‌اي از سنتز DNA وارد شده و سنتز را در جهت '3 به '5 پيش مي‌برد. و آنزيم پليمراز I عمل ترميم همانند سازي را انجام مي‌دهد.

آنزيم هليکاز:

اين آنزيم به مولکول DNA دو رشته‌اي متصل شده و با عمل خود موجب باز شدن دو رشته از يکديگر مي‌شود.

آنزيم ليگاز:

در مرحله‌اي از سنتز DNA وارد عمل شده و دو رشته DNA را بهم پيوند مي‌دهد.

آنزيم پريماز:

آنزيمي است که در ساختن قطعه کوچک RNA پرايمر ، هنگام همانند سازي وارد عمل شده و نوکلئوتيدهايي از نوع اسيد ريبونوکلئوتيد را به يکديگر متصل مي‌کند. تعدادي پروتئينهاي ويژه وجود دارند که پس از باز شدن دو رشته DNA از يکديگر به محلهاي باز شده متصل شده و مانع اتصال مجدد دو رشته به يکديگر مي‌شوند.

همانند سازي متوالي:

در روي مولکول DNA نقاطي وجود دارند که همانند سازي از آنها آغاز مي‌شود. اين نقاط مبدا همانند سازي خوانده مي‌شوند. در DNA باکتريها ، يک مبدا همانند سازي و در DNA موجودات عالي ، تعدادي زيادي از اين مبدا وجود دارند. هنگام همانند سازي ابتدا آنزيم هليکاز به مارپيچ دو رشته‌اي DNA متصل شده و پيچش DNA را در آن نقطه باز مي‌کند. پرتئينهاي DBP به ناحيه باز شده هجوم آورده و با اتصال به DNA تک رشته‌اي مانع از جفت شدن بعدي DNA مي‌شوند.

ناحيه‌اي را که هليکاز به آن متصل مي‌شود، چنگال همانند سازي مي‌نامند. همانند سازي به صورت دو سويه است. آنزيم پليمراز ΙΙΙ که اتصال نوکلئوتيدها را به يکديگر به عهده دارد، فقط مي‌تواند همانند سازي را در جهت 3 به 5 پيش ببرد. در اين حالت دو رشته مولکول DNA در خلاف جهت يکديگر هستند. در نتيحه رشته‌اي که در جهت '5 به '3 سنتز مي‌شود، به راحتي سنتز DNA را آغاز کرده و پيش مي‌برد. اين رشته به نام رشته راهنما معروف است. در همانند سازي اين رشته را متوالي مي‌نامند.

همانند سازي نامتوالي:

در مولکول DNA رشته‌اي که '5 آزاد دارد، سنتز DNA طبق آنچه درباره رشته راهنما ذکر شد، انجام نمي‌گيرد. دليل آن اين است که آنزيم پليمراز ΙΙΙ نمي‌تواند نوکلئوتيدها را در جهت 3 به 5 کاتاليز کند. لذا مي‌بايست مکانيسم ديگري براي سنتز اين رشته از DNA وجود داشته باشد. اين رشته DNA به نام رشته عمل کننده يا پيرو معروف است. در اين حالت ابتدا دو رشته DNA در فواصل معيني از يکديگر باز شده و آنزيم پريماز در آن محل قرار مي‌گيرد و با استفاده از ريبونوکلئوتيدها ، RNA کوچکي ساخته مي‌شود که RNA پرايمر نام دارد.