ترکیب شیمایی و ساختمان اسیدهای نوکلئیک:
واحد ساختمانی اسیدهای نوکلئیک نوکلئوتید است. نوکلئوتید از سه جزء تشکیل شده که توسط پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل می شوند.
1-قند پنتوز(دی اکسید ریبوز در DNA و ریبوز در RNA)
2-باز آلی نیتروژن دار که به شکل دو حلقه ای(پورین) یا یک حلقه ای (پیریمیدین) است و با کربن شماره 1 قند پنتوز پیوند B-N-glycosidic ایجاد کرده و یک نوکلئوزید تشکیل می شود. DNA، حاوی بازهای پورین، از جمله آدنین(A)، گوانین (G) و بازهای پیریمیدین سینوزین(c) و تیمین (T) است که با قندهای دی اکسی ریبوز؛ نوکلئوزیدهای دی آکسی آدنوزین، دی اکسی گوانوزین، دی اکسی سینیدین و دی اکسی تیمیدین ایجاد می کنند. RNA نیز حاوی بازهای پورین فوق و باز سینوزین DNA است، اما به جای باز تیمین، یوراسیل دارد، بنابراین نوکلئوزیدهای RNA عبارتند از:آدنوزین، گوانوزین، سیتیدین و یوریدین.
3-یک گروه فسفات؛ در یک پلمیر اسید نوکلئیک گروه فسفات، دو نوکلئوتید مجاور را با تشکیل یک پیوند فسفو دی استربین کربن 5 یک قند با کربن 3 قند دیگر به هم متصل می کند.
در حقیقت نوکلئوتیدها، نوکلئوزیدهایی با یک یا چند گروه فسفات هستند.
نوکلئوتیدها ماده پیش ساخت سنتز اسیدهای نوکلئیک و محصول هیدرولیز آنزیمی آنها می باشند.
اسیدهای نوکلئیک پلی مرهای بسیار بزرگی هستند که از اتصال یک نوکلئوتید به نوکلئوتید دیگر با استفاده از پیوندهای کووالانت فسفو دی استری بین گروه هیدروکسیل یک نوکلئوتید و گروه فسفات نوکلئوتید دیگر بوجود می آیند.
ماهیت ماده ژنتیکی
در موجودات بسته به نوع موجود، RNA از 100000-100 یا بیشتر و DNA از چند هزار تا چند ملیون نوکلئوتید تشکیل شده است. مطالعه شیمیایی ترکیب DNA در موجودات متفاوت توسط اروین شارگاف (Erwin chargaff) نشان داد که DNA پیچیدگی شیمیایی لازم را به عنوان ماده ژنتیکی دارد.
بر اساس این مطالعه ساختمان DNA در انواع موجودات متفاوتند و احتمال اینکه همه DNA ها از چهار نوکلئوتید به نسبت یکسان تشکیل شوند غیر ممکن است، ولی همیشه در DNA غلظت آدنین با تیمن و گوانین با سیتوزین برابر است، به عبارت دیگر [A]=[T] و [G]=[C] یا ]پورین ها[=]پیریمیدین ها[ ولی نسبت در گونه های مختلف موجودات متفاوت است.
بنابراین، طبق نظر شارگاف DNA ممکن است پیچیدگی بیشتری داشته باشد. طولی نکشید که واتسون وکریک به این پیچیدگی ها پی بردند.
ساختمان DNA طبق مدل واتسون وکریک:
در سال 1953 واتسون وکریک مدلی برای ساختمان DNA پیشنهاد کردند، بر طبق این مدل:
1-پلمیر DNA از نوکلئوتیدهایی تشکیل شده که توسط پیوندهای فسفو دی استری به یکدیگر متصل هستند.
2-ترکیبات اصلی DNA از قوانین شارگاف تبعیت می کنند.
3-تفرق اشعه X نشان می دهد که ملکول DNA ساختمانی مارپیچی، و بیش از یک اشعه پلی نوکلئوتید دارد. هر مولکول DNA از دو رشته پلی نوکلئوتید موازی متضاد (anti parallel) تشکیل شده که در اطراف یک محور مرکزی بصورت راست گرد پیچ می خورند.
4-یکی از عوامل پایداری ساختمان DNA پیوندهای هیدروژنی بین بازهای مکمل دو رشته است، به طوری که بین بار A از یک رشته با T از رشته دیگر و باز G از یک رشته با C از رشته دیگر به ترتیب پیوندهای هیدروژنی دوتایی و سه تایی ایجاد
می شود.
بنابراین حرارت می تواند در حالت فیزیکی DNA تغییر ایجاد کرده و دو رشته DNA را از یکدیگر جدا نماید(دناتوره کردن DNA). چون همیشه A با T و G و C جفت می شوند بنابراین دو رشته مکمل یکدیگر هستند و از روی توالی بازهای یک رشته توالی بازهای رشته دیگر تعیین می شود.
در DNA، یوندهای گلیکوزید بین قندها و بازهای یک جفت نوکلئوتید کاملا در دو جهت مخالف یکدیگر نیستند و دو شیار با پهنای متفاوت در اطراف مارپیچ دو
رشته ای ایجاد می شود. بخشی از یک پیوند گلیکوزیدیک تا پیوند گلیک.زید یک دیگر که بیش از است را لبه بزرگ (Major edge) و بخشی که کمتر از است را لبه کوچک (minor edge) می نامند.
لبه بزرگ و کوچک به ترتیب منجر به ایجاد شیار بزرگ (major groove) و شیار کوچک (minor groove) می شوند.
نیروهایی که مارپیچ دوگانه DNA را حفظ می کنند:
1-اثرات هیدروفوبیک، جفت بازها را در DNA نگه می دارد.
حلقه های هیدروفوب پورین و پیریمیدین بازها، تمایل زیادی به کشیده شدن به مرکز مارپیچ دوگانه دارند.
2-چیده شدن بازهای آلی نیتروژن دار روی هم در طول محور مرکزی مارپیچ دوگانه DNA باعث ایجاد نیروهای واندرووالس می شود. نیرو واندرووالس در طول DNA ضعیف است ولی حالت افزایشی دارد. مولکولی که حاوی 104باز باشد، نیروهای واندرووالس، منبع مهم پایداری آن است.
3-پیوندهای هیدروژنی بین جفت بازها؛ پیوند هیدروژنی بین بازهای GC پایدارتر از AT است.
4-ستون اصلی DNA که شامل دی اکسی ریبوز و فسفات است با کاتیون اثر متقابل دارد، زیرا فسفر دی استرستون اصلی DNA، بار الکتریکی منفی دارد و شدیدا اسیدی است.
دفع الکترواستاتیک بین این گروه های فسفر دی استر منفی باعث ناپایداری مارپیچ دوگانه می شود، ولی کاتیون های سلولی بویژه بطور محکم به فسفر دی استرستون اصلی DNA متصل شده و باعث پایداری می شود.
مولکول DNA در چند شکل فضایی وجود دارد:
بسته به ترکیب بازی در شرایط فیزیکی مختلف مولکول DNA اشکال فضایی متفاوتی می یابد. این تغییرات اطلاعات موجود در DNA را تغییر نمی دهد زیرا فرمول جفت شدن بازهای خاص یکسان است، ولی تغییر شکل DNA ممکن است نقشی در تنظیم بیان ژن داشته باشد زیرا تغییرات شکل فضایی DNA بر پیوند پروتئین ها با این مولکول مؤثر است و اتصال پروتئین در تنظیم بیان ژن نقش مهمی دارد. اشکال فضایی DNA از طریق مطالعات کریستوگرافی یا اشعه X مورد بررسی قرار گرفته است.
1-B-DNA معمول ترین شکل فضایی این مولکول است که توسط واتسون و کریک کشف گردید. خصوصیات عمده این مولکول عبارتند از:
الف-در هر زنجیره، نوکلئوتیدهای مجاور نسبت به هم زاویه دارند، بنابراین در یک دور کامل 4/10 جفت باز وجود دارد.
ب-یک دور کامل مارپیچ دوگانه nm4/3 طول دارد، بنابراین فاصله هر جفت باز با جفت باز دیگر nm33/0 است.
ج-قطر مارپیچ دوگانه nm37/2 است.
2-اگر کریستال های B-DNA خشک شود یا وقتی غلظت نمک کریستال کاهش یابد، مولکول نازک و طویل B-DNA بصورت مولکول کوتاه و ضخیم A-DNA در
می آید. در حالیکه جفت بازها در B-DNA بطور متقارن نسبت به محور مارپیچ روی هم چیده می شوند، این جفت بازها در شکل A-DNA بسوی لبه بزرگ هر جفت باز کشیده شده و شیار بزرگ باریکتر و عمیق تر و شیار کوچک عریض تر و کم عمق تر می گردد. طول یک دور مارپیچ در A-DNA برابر nm46/2 است و در هر دور 11 جفت وجود دارد. در هر دو نوع مولکول B و A، قند و باز در دو سوی متضاد پیوند گلیکوزیدیک (anti conformation) هستند و نیروی دافعه بین باز و قند به حداقل می رسد.
3-در غلظت بالای کاتیون ها در بعضی نوکلئوتیدها syn conformation ایجاد
می شود، بدین معنی که قند و باز در یک طرف پیوند گلیکوزیدیک قرار می گیرند. در این شرایط DNA شکل فضایی متفاوتی به خود می گیرد. در رشته ای از نوکلئوتیدهای GC دار شکل فضایی پیوند گلیکوزیدیک G بصورت syn است ولی C حالت فضایی anti دارد. در نتیجه یک شکل zigzag بین syn و anti ایجاد می شود که منجر به ایجاد Z-DNA می گردد.
Z-DNA نسبت به B-DNA طویل تر و نازک تر است. یک دور کامل مارپیچ
Z-DNA با 12 جفت یاز، nm56/4 طول و nm84/1 قطر دارد. شیار کوچک Z-DNA یک شکاف عمیق است که در اطراف آن پیچ می خورد و مارپیچ حالت چپ گرد دارد.
در سلول ها، DNA بیشتر شکل فضایی B دارد، ولی بنظر می رسد مناطق سرشار از جفت بازهای GC شکل فضاییZ بخود می گیرند.
در شرایط آزمایشگاهی ساختمان های مارپیچ دیگری از جمله DNA نوع C، D و E ایجاد می شود که احتمالا هیچگاه در سلول وجود ندارند.
اشکال خطی و حلقوی مولکول DNA:
در ابتدا تصور بر این بود که تمام ملکول های DNA خطی هستند و دو انتهای آزاد دارند، ولی با مطالعه بیشار مشخص گردید بسیاری از ملکولهای DNA حلقوی
می باشند. مولکول کوچک DNA ویروس sv40 میمون به شکل یک کروموزوم دو رشته ای مارپیچی حلقوی است و bp5000 دارد، حتی کروموزوم کوچک فاژهایی که DNA تک رشته ای دارند نیز حلقوی است، تقریبا تمام لاسمیدها و باکتریها DNA حلقوی دارند.
در DNA خطی دو انتهای کولکول آزاد است، بنابراین تغییر تعداد دورها با چرخیدن آزادانه زنجیره های به هم تابیده مارپیچ دوگانه براحتی خنثی می شود، ولی در مولکول DNA حلقوی تعداد ثابت دور زنجیره های به هم تابیده (linkage number)
نمی تواند تغییر کند. در بعضی موارد تغییر در مدل تعداد جفت بازها در هر دور مارپیچ دوگانه مستلزم ایجاد ابر پیچش (supercoli) در جهت مخالف است.
ابر پیچش، تاب خوردگی مارپیچ دوگانه مولکول های DNA است. کاهش تاب خوردگی(چپ گرد) منجر به ابر پیچش در جهت منفی (negative supercoli) و افزایش تعداد تاب ها(راست گرد) منجر به ابر پیچش مثبت می گردد. حالت ابر پیچش DNA ناپایدارتر‌از‌شکل عادی آن است و با ایجاد بریدگی یا شکاف در یکی از رشته‌ها
،مولکول ابر پیچش به شکل یاده حلقوی (relax)در می آید.
مکانیسم ایجاد ابر پیچش از نظر بیولوژیکی حائز اهمیت است و آنزیم های توپوایزومرا، نوع ابر پیچش DNA را تغییر می دهند. توپوایزومزارها آنزیم هایی هستند که یک شکل توپولوژیکی DNA را به دیگری تبدیل می کنند. دو نوع توپوایزومزارها در طیف وسیعی از موجودات شناسایی شده است، این دو نوع آنزیم کاتالیز شکست و بست پیوندهای فسفو دی استر را به عهده دارند و بر خلاف سایر آنزیم ها عملشان ایجاد پیوندهای کووالانت نیست، نقش آنها ایجاد شکاف یا برسی موقتی در
زنجیره های پلی نوکلئوتید است.
الف-توپوایزومراز نوع I: این نوع آنزیمها را آنزیم های شکیت و بست نیز می نامند که در هر واکنش یک ابر پیچش از DNA خارج می کنند. این آنزیم در یکی از دو رشته DNA شکستی ایجاد می کند و منطقه دو رشته ای مجاور ناحیه شکست، در اطراف رشته سالم یکبار می چرخد، سپس پایانه های محل شکست جوش می خورند.
واکنش توپوایزومراز نوع I نیازمند ATP نیست و رشته منفرد بطور تصادفی از منطقه بریده شده عبور می کند.
دو تفاوت عمده آنزیم توپوایزومراز نوع I در پروکاریوت ویوکاریوت عبارتند از:
1-توپوایزومراز نوع I در پروکاریوت ها به انتهای 5-فسفوریل رشته بریده متصل
می شود، ولی در یوکاریوت ها آنزیم به انتهای 3- فسفوریل اتصال می یابد.
2-توپوایزومراز نوع I در پروکاریوت ها تنها ابر پیچش منفی را خارج می کند ولی در یوکاریوت ها در حذف ابر پیچش منفی و مثبت شرکت می کند.
ب-توپوایزومراز نوع II:ابر پیچش منفی و مثبت را از DNA خارج می کند و بر خلاف نوع I در هر دو رشته مکمل بریدگی موقتی بوجود می آورد، سپس یک بخش دو رشته ای از همان مولکول DNA یا از مولکول دیگر از این بریدگی عبور می کند و در نهایت پایانه ها به هم جوش می خورند.
این آنزیم به انتهای هر رشته بریده شده می چسبد تا دو رشته دیگر از بریدگی عبور کند، نتیجه این عمل خروج دو ابر پیچش مثبت یا منفی در هر دور عمل آنزیم است.
هر دو نوع آنزیم توپوایزومراز باعث خروج تاب خوردگی های ابر پیچشی حاصل از همانندسازی در DNA حلقوی می شوند، ولی در باکتری ها نوعی توپوایزومراز بنام gytase یافت می شود که دورهای ابر پیچشی منفی به DNA حلقوی relax القاء
می کند. عمل gyrase، خارج کردن ابر پیچشی منفی نیست بلکه ابر پیچشی به DNA حلقوی relax القا می کند.
در باکتری ها عمل متعادل توپوایزومرازهای دو نوع I و gyrase ابر پیچش را در
DNA تنظیم کرده و بر روی ضریب حرکت چنکال همانند سازی مؤثر هستند.
بسته بندی DNA در کرومزوم ها:
مولکول DNA هیچگاه به صورت آزاد و گسترده در سلول ها یا ویروس ها وجود ندارد، بلکه این مولکول همراه کاتیون هایی با وزن مولکولی کم، فلزات دو ظرفیتی، دی وپلی آمین ها، پروتئین ها و یا ترکیبی از اینهاست. اثر متقابل بین آن ها الکترواستاتیک است و آنیون فسفات در DNA با بار منفی توسط بار مثبت فلزات، پلی آمین ها یا اسیدهای آمینه پروتئین ها خنثی می شود. نتیجه این اثرات متقابل، فشردگی چند هزار باره DNA است. mm4/1 طول مولکول DNA حلقوی E.coli در سلولی میله ای به قطر و طولی برابر جای گرفته است. در سلول اینترفازی یوکاریوت حدود m2 مولکول DNA در هسته ای با قطر کمتر از جای گرفته و این DNA در تقسیم میتوز آنقدر فشرده می شود که توسط میکروسکوپ نوری بصورت کروموزم های شدیدا فشرده قابل رؤیت است.
کروموزوم های پروکاریوتی:
در بسته بندی DNA ژنوم پروکاریوتها تنها دو یا سه پروتئین دارد.
اطلاعات در مورد این پروتئین ها، ماهیت عملکرد اشتراک آنها با DNA ناچیز است. در E.coli گروهی از پروتئین های متصل به DNA بنام پروتئین های Hu وجود دارد که مشابه هیستون در یوکاریوتها است.
دومین پروتئین شناخته شده در E.coli و سیانوباکترها پروتئین II است، احتمالا این دو پروتئین همان اعمال پنج پروتئین است هیستون یوکاریوت را در بسته بندی مولکول DNA دارند.
کروموزومهای یوکاریوتی:
تعداد ژن ها در یوکاریوتها 10-2 برابر ژن های E.coli و میزان DNA آنها خیلی بیشتر است. DNA در یوکاریوت ها در چندین کروموزوم به صورت دیپلوئید یا پلی پلوئید بسته بندی می شود. مثلا مجموعه ها پلوئید یا ژنوم انسان حاوی هزار میلی متر DNA (دو هزار میلی متر در سلول دیپلوئید) است، که این میزان در بین 23 کرومزوم تقسیم می شود، بنابراین هر کرومزوم حدود 85-15 میلی متر DNA در کروموزوم نظم
می گیرد؟
1-آیا در هر کروموزوم یک مولکول DNA (مثل پروکاریوتها) وجود دارد؟
2-آیا در هر کروموزوم چند مولکول DNA وجود دارد؟