دی ان ای و هر آنچه که باید در مورد آن بدانید (بخش دوم) – فناوری

ساختار دی ان ای و نقش آن در سلول و نحوه‌ی همانندسازی DNA در حین تقسیم یک سلول را در این گزارش مورد بررسی قرار خواهیم داد.

روز گذشته مقاله‌ای چند قسمتی را در مورد DNA و همه‌ی پرسش‌ها و ابهام‌های احتمالی در مورد آن آغاز کردیم. اکنون شما را به مطالعه‌ی بخش دوم از این گزارش دعوت می‌کنیم. با زومیت همراه باشید.

موجودات پیچیده، مانند گیاهان و حیوانات، دارای ۵۰ تا ۱۰۰ هزار ژن روی بسیاری از کروموزوم‌ها گوناگون هستند. به عنوان مثال باید بدانیم که انسان دارای ۴۶ کروموزوم هستند. در سلول‌های این موجودات، مولکول DNA به دور پروتئین مهره‌مانندی به نام هیستون (histone) پیچیده شده است. هیستون‌ها هم برای تشکل کروموزوم به هم پیچیده شده‌اند؛ کروموزوم‌هایی که در هسته‌ی سلول قرار گرفته‌اند. هنگامی که یک سلول بازتولید می‌شود، کروموزوم‌ها (یا همان DNA سلول) کپی شده و به هر یک سلول‌های متولد شده منتقل می‌شوند.

سلول‌های غیر جنسی دو نسخه از هر کروموزوم را در اختیار دارند که هر یک از آنها نیز کپی شده و هر سلول دختر، دو نسخه (میتوز) از آن را دریافت می‌کند. در طی فرایند میوز، سلول‌های پیش‌ساز دو نسخه از هر کروموزوم را در خود دارند که این کروموزم‌ها همگی کپی شده و به طور یکسان در میان چهار سلول جنسی توزیع می‌شوند. سلول‌های جنسی (اسپرم و تخم) تنها یک کپی از هر کروموزوم را در خود دارند. هنگامی که اسپرم و تخم در طی لقاح به هم می‌پیوندند، سلول تولید شده از این فرایند، دو نسخه از هر کروموزوم را در اختیار خواهد داشت. در بخش بعدی ما به چگونگی کارکرد روند تکثیر DNA نگاهی خواهیم داشت.

همتاسازی DNA

DNA حامل اطلاعاتی برای ساخت پروتئین‌های موجود در سلول است. این پروتئین‌ها تمام کارکردهای یک ارگانیسم زنده را پیاده‌سازی کرده و از سویی نیز ویژگی‌های ارگانیسم را معین می‌کنند. هنگامی که سلول‌ها بازتولید می‌شوند، لازم خواهد بود که DNA بتواند تمامی این اطلاعات را به سلول‌های جدید منتقل کند.

قبل از اینکه یک سلول بتواند بازتولید (تکثیر) شود، باید در وهله‌ی نخست بتواند همتاسازی (replicate) شود؛ یا به بیانی دیگر باید بتواند یک کپی از مولکول DNA موجود در خود را توسعه دهد. محلی که در آن تکثیر DNA رخ می‌دهد به این موضوع بستگی دارد که آیا سلول‌های مورد بحث ما از نوع پروکاریوت (پیش‌هسته) هستند یا از نوع یوکاریوتی. همانندسازی یا همتاسازی DNA در سیتوپلاسم پروکاریوت‌ها و در هسته‌ی یوکاریوت‌ها رخ می‌دهد. صرف نظر از جایی که همانندسازی DNA در آن رخ می‌دهد، می‌توانیم بگوییم که روند اساسی در هر دوی آنها یکسان است.

ساختار DNA به گونه‌ای است که این مولکول خود را به راحتی برای تکثیر DNA به تعبیری امانت می‌دهد. هر سمت از مارپیچ دوگانه یا دابل هلیکس در جهت‌های مخالف قرار می‌گیرند. زیبایی ساختار فوق در این است که می‌تواند در میانه‌ی ساختارش، همانند اتصال‌های دوگانه‌ی یک زیپ، از همدیگه جدا شود و هر یک از این بخش‌ها به طور جدا به عنوان یک الگو یا قالب برای طرف دیگر عمل کنند. با این حال باید توجه داشته باشیم که مولکول DNA به طور کامل از حالت زیپ‌مانند خود خارج نمی‌شود. در واقع چنین روندی تنها در یک منطقه‌ی کوچک از این مولکول به نام چنگال همتاسازی یا (replication fork) صورت می‌گیرد که پس از آن تا تمام طول مولکول ادامه می‌یابد. در تصویر زیر شما می‌توانید این چنگال را مشاهده کنید.

شاید در اینجا اندکی ابهام برایمان پیش آمده باشد. بهتر است نگاهی دقیق‌تر به جزییات ساختاری داشته باشیم:

۱. آنزیمی به نام جیراز gyrase یک بریدگی کوچک را در مارپیچ دوگانه ایجاد می‌کند و دو بخش مولکول را از هم جدا می‌کند.

۲. آنزیمی به نام هلیکاز باعث بازشدن پیچ‌های DNA دو رشته‌ای از هم می‌شود.

۳. چند پروتئین کوچک که به نام پروتئین‌های اتصال تک‌رشته‌ای یا SSB شناخته می‌شوند، به طور موقت به هر سمت از مولکول اتصال یافته و آنها جدا از همدیگر نگه می‌دارند.

۴. یک کمپلکس (ترکیب) آنزیمی به نام پلیمراز نیز روی هر یک از رشته‌های DNA پیاده شده و‌ نوکلئوتیدهای جدید را به هر رشته می‌افزاید. نوکلئوتیدها با نوکلئوتیدهای مکمل در ایستگاه‌های موجود و به همان صورت مجاز قبلی (A با T و G با C) ترکیب می‌شوند.

۵.  یک زیرواحد از آنزیم‌های افزایش‌دهنده برای فرایند پلیمر شدن که با نام پلیمراز یا بسپارگرها به آن اشاره کردیم نیز در ادامه، مولکول DNA تازه به وجود آمده را مورد «نمونه‌خوانی» قرار می‌دهند.

۶. آنزیمی به نام لیگاز نیز تکه‌های به وجود آمده را به صورت یک رشته‌ی طولانی و ادامه‌دار می‌چسبانند.

۷. در نهایت هم نسخه‌های جدیدی که ایجاد شده‌اند به طور خودکار دوباره در هم پیچ می‌خورند.

طرحواره‌های زیر تمامی آنچه که در اینجا توضیح دادیم را می‌توانند به نحو بهتری نشان دهند:

انواع مختلف سلول‌ها، DNA خود را در سرعت‌های مختلفی همتاسازی می‌کنند. برخی از سلول‌ها به طور مداوم تقسیم می‌شوند، از این دسته می‌توان به سلول‌های مو و ناخن و سلولهای مغز استخوان اشاره کرد. سلول‌های دیگر چندین مرحله از تقسیم سلولی را سپری می‌کنند و در ادامه متوقف می‌شوند. از جمله‌ی این سلول‌ها هم می‌توانیم به سلول‌های تخصصی مانند آنهایی که در مغز، عضلات و قلب قرار دارند، اشاره کرد. در نهایت، برخی از سلول هم تقسیم خود را متوقف می‌کنند؛ اما می‌توانند به منظور ترمیم صدمات (مانند سلول‌های پوست و سلول های کبدی) تقسیم شوند. در سلول‌هایی که به طور مداوم تقسیم نمی‌شوند، علایم لازم برای همتاسازی DNA به شکل مواد شیمیایی در می‌آید. این مواد شیمیایی می‌توانند از سایر قسمت‌های بدن (هورمونها) یا اینکه از طریق محیط جذب شوند.

تفاوت DNA در حیوانات و گیاهان چیست؟

DNA تمامی موجودات زنده دارای ساختار و کد مشابه اسب، اگر چه برخی از ویروس‌ها از مولکول RNA به عنوان حامل اطلاعات به جای DNA استفاده می‌کنند. بسیاری از حیوانات دو نسخه از هر کروموزوم را در خود دارند. در مقابل، گیاهان ممکن است بیش از دو نسخه از چندین کروموزوم خود را داشته باشند که این پدیده معمولا از اشتباه در توزیع کروموزوم در طول فرایند تکثیر سلولی به وجود می‌آیند. در حیوانات، این نوع از خطاها از توزیع کروموزوم معمولا باعث بیماری‌های ژنتیکی و معمولا کشنده می‌شود. به خاطر برخی دلایل ناشناخته، این نوع خطاها تا آن اندازه در گیاهان، مخرب واقع نمی‌شوند.

وظیفه‌ی مولکول DNA چیست؟

مولکول DNA حامل تمام اطلاعات لازم برای شکل گرفتن ویژگی‌های فیزیکی فرد است و اساسا این ویژگی‌ها با پروتئین مشخص و تعیین می‌شوند. بنابراین، DNA شامل دستورالعمل‌های لازم برای ساخت یک پروتئین است. در DNA، هر یک از پروتئین‌ها که توسط یک ژن (یک توالی خاص از نوکلئوتید DNA که بر اساس آن مشخص می‌شود که یک پروتئین منفرد به چه شکلی ساخته می‌شود) کدگذاری شده‌اند. به طور خاص، ترتیب چینش نوکلئوتید در یک ژن و همچنین ترتیب و نوع اسیدهای آمینه است که باید در کنار هم قرار داده شوند تا در نهایت یک مولکول پروتئین ساخته شود.

 پروتئین‌ها از زنجیره‌ای طولانی از مواد شیمیایی به نام اسیدهای آمینه ساخته شده‌اند. پروتئین‌ها، کارکردها و اشکال و نقش‌های بسیار زیادی را در بدن دارند که در ادامه به برخی از آنها اشاره می‌کنیم:

آنزیم‌ها: انجام واکنش‌های شیمیایی را صورت می‌دهند (مانند آنزیم های گوارشی).

پروتئین‌های ساختاری: ساخت و ساز برخی از ماده‌ها را در بدن انجام می‌دهند (مانند کلاژن و کراتین ناخن).

پروتئین‌های انتقال: جایجایی مواد در بدن را انجام می‌دهند (مانند هموگلوبین برای حمل اکسیژن در خون).

پروتئین‌های انقباض: برای انقباض عضلات کاربرد دارند (مانند اکتین و میوزین).

پروتئین های ذخیره‌ساز: در بر دارنده‌ی موادی مانند آلبومین در سفیده‌ی تخم مرغ و فریتین  ذخیره‌سازی آهن در طحال.

هورمون‌ها: پیام‌رسان‌های شیمیایی بین سلول‌ها (از جمله انسولین، استروژن، تستوسترون، کورتیزول، و غیره).

پروتئین‌های حفاظتی: آنتی‌بادی‌های سیستم ایمنی بدن، پروتئین لخته‌کننده‌ی خون

سموم: مواد سمی (مانند زهر زنبور عسل و سم مار)

دنباله‌ی منحصربه‌فردی از اسیدهای آمینه در یک زنجیره، چیزی است که باعث تمایز و تفاوت یک پروتئین از دیگری می‌شود. این توالی در DNA به صورت رمزی در آورده می‌شود و در آن هر ژن با یک پروتئین رمزگذاری می‌شود.

اما پرسشی که شاید پیش بیاید این است که مولکول DNA به چه شکلی اطلاعات را برای یک پروتئین رمزگذاری می‌کند؟ باید اشاره کنیم که تنها چهار پایه برای ملکول DNA وجود دارد، اما ۲۰ اسید آمینه‌ی مختلف وجود دارند که می‌تواند برای پروتئین استفاده شوند. بنابراین، گروه‌های سه نوکلئوتیدی یک کلمه (کدون) را شکل می‌دهند که مشخص می‌کند کدام یک از ۲۰ اسید آمینه‌ای که یاد شد، در درون یک مولکول پروتئین قرار خواهد داشت. گفتنی است که پروتئین‌ها کدون‌هایی متشکل از ۳ پایه هستند و شمار الگوهای ممکن برای آنها نیز ۶۴ حالت است. این تعداد الگو، بیشتر از حد مورد نیاز برای مشخص ساختن ۲۰ اسید آمینه است.

از آنجا که ۶۴ حالت برای کدون‌ها امکان‌پذیر است و تنها ۲۰ اسید آمینه وجود دارند، بنابراین ما شاهد برخی تکرارها در کد ژنتیکی خواهیم بود. همچنین باید اشاره کنیم که ترتیب کدون‌ها در ژن مشخص‌کننده‌ی ترتیب اسیدهای آمینه در پروتئین خواهد بود. ممکن است برای مشخص کردن یک پروتئین به ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ کدون (برابر ۳۰۰ تا ۲۰۰۰ نوکلئوتید) نیاز باشد. در ادامه درباره‌ی ژن‌ها و نقش کدون‌ها در آنها و همچنین نحوه‌ی تشکیل پروتئین، توضیح بیشتری خواهیم داد.

ادامه دارد…