چند نکته اولیه:

کتاب درسی مقدمه‌ای آورده که بررسی آن می‌تواند یک یادآوری خوب از گذشته باشد.

ویژگی‌هایی مانند شکل و اندازه تحت فرمان کروموزوم‌ها هستند. با کروموزوم‌ها در سال یازدهم آشنا شدیم.

کروموزوم‌ها می‌توانند در هسته حضور داشته باشند یا در سیتوپلاسم و متصل به غشا باشند. در جانداران یوکاریوتی مثل انسان‌ها کروموزوم در هسته حضور دارد و در بعضی از جانداران مثل پروکایوت‌ها کروموزوم‌ها در هسته نیستند چون هسته وجود ندارد.

علاوه بر سلول‌های پروکاریوتی‌ برخی از سلول‌های یوکاریوتی هم می‌توانند بدون هسته باشند، مانند گلبول‌های قرمز.

بد نیست یک بار دیگر مرور کنیم: همه‌ی سلول‌های بدن ما هسته‌دار نیستند.

سال گذشته با فرایند تقسیم آشنا شدیم و می‌دانیم همه‌ی سلول‌های بدن تقسیم نمی‌شوند. گلبول‌های قرمز، اسپرم‌ها و یا سلول‌های پادتن‌ساز در قرار دارند و تقسیم نمی‌شوند.

سلول‌ها، هسته‌دار یا بدون هسته اگر فرایند تقسیم را انجام بدهند دستورالعمل‌های خود را به سلول بعد منتقل می‌کنند. به جز تقسیم، مفهوم دیگر هم به نام تولید مثل وجود دارد. اگر تولید مثل انجام شود DNA به نسل بعد منتقل می‌شود.

همه‌ی جانداران تولید مثل انجام نمی‌دهند. مثلا برخی از زنبورهای عسل با اینکه جاندار و موجود زنده محسوب می‌شوند اما تولید مثل انجام نمی‌دهند.

آزمایش گریفیت

اطلاعات اولیه در مورد ماده وراثتی از فعالیت‌ها و آزمایش‌های باکتری‌شناسی انگلیسی به نام گریفیت به دست آمد. او سعی داشت واکسنی برای آنفلوانزا تولید کند. در آن زمان تصور می‌شد عامل این بیماری، نوعی باکتری به نام استرپتوکوکوس نومونیا است.

گریفیت با دو نوع از این باکتری، آزمایش‌هایی را روی موش‌ها انجام داد. نوع بیماری‌زای آن که پوشینه‌دار (کپسول‌دار) است در موش‌ها سبب سینه پهلو می‌شود ولی نوع بدون پوشینه آن موش‌ها را بیمار نمی‌کند.

گریفیت مشاهده کرد تزریق باکتری‌های پوشینه‌دار به موش باعث بروز علائم بیماری و مرگ در آن‌ها می‌شود؛ در حالی که تزریق باکتری‌های بدون پوشینه به موش‌های مشابه، باعث بروز علائم بیماری نمی‌شود. او در آزمایش دیگری باکتری‌های پوشینه‌دار کشته شده با گرما را به موش‌ها تزریق و مشاهده کرد که موش‌ها سالم ماندند. گریفیت نتیجه گرفت وجود پوشینه به تنهایی عامل مرگ موش‌ها نیست.

سپس مخلوطی از باکتری‌های پوشینه‌دار کشته شده با گرما و باکتری‌های زنده بدون پوشینه را به موش‌ها تزریق کرد؛ برخلاف انتظار، موش‌ها مردند! او در بررسی خون و شش‌های موش‌های مرده، تعدادی از باکتری‌های پوشینه‌دار زنده مشاهده کرد. مسلما تعداد زیادی باکتری‌های مرده، زنده نشده‌اند بلکه باکتری‌های بدون پوشینه به نحوی تغییر کرده و پوشینه‌دار شده‌اند.

از نتایج این آزمایش‌ها مشخص شد که ماده وراثتی می‌تواند به یاخته دیگری منتقل شود ولی ماهیت این ماده و چگونگی انتقال آن مشخص نشد.

آزمایش ایوری

عامل مؤثر در انتقال این صفت تا حدود ۱۶ سال بعد از گریفیت همچنان ناشناخته ماند. تا اینکه نتایج کارهای دانشمندی به نام ایوری و همکارانش عامل مؤثر در آن را مشخص کرد. آن‌ها ابتدا از عصاره استخراج شده از باکتری‌های کشته شده پوشینه‌دار استفاده کردند و در آن تمامی پروتئین‌های موجود را تخریب کردند. به نظر شما چگونه این کار انجام شد؟

آن‌ها سپس باقی‌مانده محلول را به محیط کشت باکتری فاقد پوشینه اضافه کردند و دیدند که انتقال صفت صورت می‌گیرد؛ پس می‌توان نتیجه گرفت که پروتئین‌ها ماده وراثتی نیستند. در آزمایش دیگری عصاره استخراج شده از باکتری‌های کشته شده پوشینه‌دار را در یک گریزانه(سانتریفیوژ) با سرعت بالا قرار دادند و مواد آن را به‌صورت لایه‌لایه جدا کردند. با اضافه کردن هریک از لایه‌ها به‌صورت جداگانه به محیط کشت باکتری فاقد پوشینه مشاهده کردند که انتقال صفت فقط با لایه‌ای که در آن دنا وجود دارد انجام می‌شود.

نتایج این آزمایش‌ها، ایوری و همکارانش را به این نتیجه رساند که عامل اصلی و موثر در انتقال صفات، دنا است. به عبارت ساده‌تر، دنا همان ماده وراثتی است. با این حال نتایج به دست آمده مورد قبول عده‌ای قرار نگرفت؛ چون در آن زمان بسیاری از دانشمندان بر این باور بودند که پروتئین‌ها ماده وراثتی هستند.

در آزمایش‌های دیگری عصاره باکتری‌های پوشینه‌دار را استخراج و آن را به چهار قسمت تقسیم کردند. به هر قسمت، آنزیم تخریب‌کننده یک گروه از مواد آلی (کربوهیدرات‌ها، پروتئین‌ها، لیپیدها، نوکلئیک اسیدها) را اضافه کردند. سپس هر کدام را به محیط کشت حاوی باکتری بدون پوشینه منتقل و اجازه دادند تا فرصتی برای انتقال صفت و رشد و تکثیر داشته باشند. مشاهده شد که در همه ظروف انتقال صورت می‌گیرد به جز ظرفی که حاوی آنزیم تخریب‌کننده دنا است.

نوکلئیک اسیدها

نوکلئیـک‌اسـیدها کـه شـامل دئوکسی‌ریبونوکلئیک‌اسـید(دنـا) و ریبونوکلئیکاسـید(رنا) هسـتند، همگـی بسـپارهایی(پلیمرهایـی) از واحدهـای تکرارشـونده به نـام نوکلئوتیـد هسـتند.

هر نوکلئوتید شـامل سـه بخش اسـت:

۱-یک قند پنج کربنه،

۲-یک باز آلی نیتروژن‌دار

۳-و یک تا سـه گروه فسـفات.

قند پنج کربنه در دنا، دئوکسی‌ریبوز و در رنا ، ریبوز است. دئوکسی‌ریبوز یک اکسیژن کمتر از ریبوز دارد. باز آلی نیتروژن‌دار می‌تواند پورین باشد که ساختار دو حلقه‌ای دارد؛ شامل آدنین(A) و گوانین(G) یا می‌تواند پیریمیدین باشد که ساختار تک‌حلقه‌ای دارد؛ شامل تیمین(T)، سیتوزین(C) و یوراسیل(U). در دنا باز یوراسیل شرکت ندارد و به جای آن تیمین وجود دارد و در رنا به جای تیمین، باز یوراسیل وجود دارد.

برای تشکیل یک نوکلئوتید، باز آلی نیتروژن‌دار و گروه یا گروه‌های فسفات با پیوند اشتراکی (کووالانسی) به دو سمت قند متصل می‌شوند.

نوکلئوتیدها از نظر نوع قند، نوع باز آلی و تعداد گروه‌های فسفات با یکدیگر تفاوت دارند. نوکلئوتیدها با نوعی پیوند اشتراکی به نام فسفودی‌استر به هم متصل می‌شوند و رشته پلی‌نوکلئوتیدی را می‌سازند. در تشکیل پیوند فسفودی‌استر، فسفات یک نوکلئوتید به گروه هیدروکسیل(OH) از قند مربوط به نوکلئوتید دیگر متصل می‌شود. رشته‌های پلی‌نوکلئوتیدی یا به تنهایی نوکلئیک‌اسید را می‌سازند، مثل رنا، یا به‌صورت دوتایی مقابل هم قرار می‌گیرند و نوکلئیک‌اسیدهایی مثل دنا را می‌سازند.

‫ بنابراین مولکول‌های دنا از دو رشته پلی‌نوکلئوتید و مولکول‌های رنا از یک رشته پلی‌نوکلئوتید تشکیل می‌شوند.

‫دو انتهای رشته‌های پلی‌نوکلئوتید نیز می‌توانند با پیوند فسفودی‌استر به هم متصل شوند و نوکلئیک‌اسید حلقوی را ایجادکنند، برای مثال دنا درباکتری‌ها به‌صورت حلقوی است.

‫در نوکلئیک‌اسیدهای خطی گروه فسفات دریک انتها و گروه هیدروکسیل در انتهای دیگر آزاد است بنابراین هر رشته دنا و رنای خطی همیشه دو سر متفاوت دارد.

آزمایش چارگاف

‫در ابتدا تصور می‌شد که چهار نوع نوکلئوتید موجود دردنا به نسبت مساوی در سراسر مولکول توزیع شده‌اند. براین اساس دانشمندان انتظار داشتند که مقدار ۴ نوع باز آلی در تمامی مولکول‌های دنا از هر جانداری که به دست آمده باشد با یکدیگر برابر باشد.

‫اما مشاهدات و تحقیقات چارگاف روی دناهای جانداران نشان داد که مقدار آدنین در دنا با مقدار تیمین برابر است ومقدار گوانین در آن با مقدار سیتوزین برابری می‌کند. تحقیقات بعدی دانشمندان دلیل این برابری نوکلئوتیدها را مشخص کرد.

ویلکینز و فرانکلین

‫ویلکینز و فرانکلین با استفاده ازپرتو ایکس از مولکول‌های دنا تصاویری تهیه کردند.

‫با بررسی این تصاویر در مورد ساختار دنا نتایجی را به دست آوردند از جمله اینکه دنا حالت مارپیچی و بیش ازیک رشته دارد. البته با استفاده از این روش ابعاد مولکول‌ها را نیز تشخیص دادند.

واتسون و کریک

‫واتسون و کریک با استفاده از نتایج آزمایش‌های چارگاف و داده‌های حاصل از تصاویر تهیه شده با پرتو ایکس و با استفاده از یافته‌های خود، مدل مولکولی نردبان مارپیچ را ساختند که باعث شد در سال ۱۹۶۲ جایزه نوبل را دریافت کنند. نتایج حاصل از این تحقیقات با پژوهش‌های امروزی مورد تایید قرار گرفته‌اند.

‫هر مولکول دنا در حقیقت از دو رشته پلی‌نوکلئوتیدی ساخته شده است که به دور محوری فرضی پیچیده شده و ساختار مارپیچ دو رشته‌ای را ایجاد می‌کند. این مارپیچ اغلب با یک نردبان پیچ‌خورده مقایسه می‌شود. ستون‌های این نردبان را قند وفسفات و پله‌ها را بازهای آلی تشکیل می‌دهند. بین قند یک نوکلئوتید و قند نوکلئوتید مجاور پیوند فسفودی‌استر، و بین بازهای روبه‌روی هم پیوند هیدروژنی برقرار است.

‫پیوندهای هیدروژنی بین بازها، دو رشته دنا را در مقابل هم نگه می‌دارد. این پیوندها بین جفت بازها به‌صورت اختصاصی تشکیل می‌شوند. آدنین(A) با تیمین(T) روبه‌روی هم قرار می‌گیرند و گوانین(G) با سیتوزین(C)جفت می‌شوند. به این جفت بازها بازهای مکمل می‌گویند. بین C و G نسبت به A و T پیوند هیدروژنی بیشتری تشکیل می‌شود.

‫قرارگیری جفت بازها به این شکل باعث میشود که قطر مولکول دنا در سراسر آن یکسان باشد زیرا یک باز تک‌حلقه‌ای در مقابل یک باز دوحلقه‌ای قرار می‌گیرد و باعث پایداری مولکول دنا می‌شود.

‫نتیجه دیگر جفت شدن بازهای مکمل این است که اگرچه دو رشته یک مولکول دنا یکسان نیستند، ولی شناسایی ترتیب نوکلئوتیدهای هر کدام می‌تواند ترتیب نوکلئوتیدهای رشته دیگر را هم مشخص کند: مثلا اگر ترتیب نوکلئوتیدها دریک رشته ATGC باشد ترتیب نوکلئوتیدها در رشته مکمل آن باید TACG باشد.

‫اگرچه هر پیوند هیدروژنی به تنهایی انرژی پیوند کمی دارد، ولی وجود هزاران یا میلیون‌ها نوکلئوتید و برقراری پیوند هیدروژنی بین آن‌ها به مولکول دنا حالت پایدارتری می‌دهد. در عین حال، دو رشته دنا در موقع نیاز هم می‌توانند در بعضی نقاط از هم جدا شوند، بدون اینکه پایداری آن‌ها به هم بخورد.

رنا و انواع آن

‫گفتیم که نوع دیگری از نوکلئیک‌اسیدها، رنا است. مولکول رنا تک‌رشته‌ای است و از روی بخشی از یکی از رشته های دنا ساخته می‌شود. رناها نقش‌های متعددی دارند که به بعضی از آن‌ها اشاره می‌کنیم:

‫رنای پیک(mRNA): اطلاعات را از دنا به رناتن‌ها می‌رساند. رناتن با استنفاده از اطلاعات رنای پیک، پروتئین‌سازی می‌کند که در فصل بعد با آن آشنا خواهید شد.

‫رنای ناقل (tRNA): آمینواسیدها را برای استفاده درپروتئین‌سازی به سمت رناتن‌ها می‌برد.

‫رنای رناتنی(rRNA): در ساختار رناتن‌ها علاوه برپروتئین، رنای رناتنی نیز شرکت دارد.

‫علاوه براین نقش‌ها، رناها نقش آنزیمی و دخالت در تنظیم بیان ژن نیز دارند.

ژن چیست؟

‫در طی این گفتار با ساختار دنا آشنا شدید. طبق آزمایش‌های ایوری و همکارانش، اطلاعات وراثتی در دنا قرار دارد و از نسلی به نسل دیگر منتقل می‌شوند. این اطلاعات در واحدهایی به نام ژن سازماندهی شده‌اند.

ژن بخشی از مولکول دنا است که بیان آن می‌تواند به تولید رنا یا پلی‌پیتید بینجامد. اینکه رنا چگونه دستورالعمل‌های دنا را اجرا می‌کند، درفصل‌های آینده با آن آشنا خواهید شد.

نوکلئوتیدها و واکنش‌های سوخت و سازی بدن

‫نوکلئوتیدها علاوه‌بر شرکت در ساختار دنا و رنا نقش‌های اساسی دیگری نیز در یاخته برعهده دارند. برای مثال نوکلئوتید آدنین‌دار ATP‌(آدنوزین تری فسفات ) به عنوان منبع رایچ انرژی در یاخته است و یاخته در فعالیت‌های مختلف از آن استفاده می‌کند.

‫همچنین نوکلئوتیدها در ساختار مولکول‌هایی وارد می‌شوند که در فرایندهای فتوسنتز و تنفس یاخته‌ای نقش حامل الکترون را بر عهده دارند. با این مولکول‌ها در فصل‌های آینده آشنا خواهید شد.