✍ مولکول DNA ماده خام توارث و تاثیرگذار در تمام جنبه های ساختاری و عملکردی بدن انسان

DNA ماده وراثتی را از نسلی به نسل بعد منتقل می کند. یک مولکول DNA و پروتئین های مرتبط با آن، کروموزوم را ایجاد می کنند. کروموزوم ها در هسته سلول های انسان (به استثنای گلبول قرمز بالغ) قرار گرفته و هر سلول انسانی شامل ۲۳ جفت کروموزوم متفاوت است. ژن ها واحدهای عملکردی اطلاعات ژنتیکی هستند که روی ۲۳ جفت کروموزوم قرار گرفتند. این واحد ها توالی های خطی از بازهای نیتروژنی هستند که پروتئین های مورد نیاز برای عملکرد مناسب بدن را کد می کنند. اطلاعات ژنتیکی موجود در ژن ها نسخه برداری شده و در فرایند تقسیم سلولی به سلول های جدید انتقال پیدا می کنند. ساختارDNA چگونگی نسخه برداری دقیق در تقسیم سلولی و چگونگی سنتز پروتئین را شرح می دهد.

ساختارDNA

در سال۱۹۵۳ James Watson و Francis Crick  از داده های حاصل از افتراق اشعهX  جمع آوری شده توسط Rosalind Franklin و Maurice Wilkins تکنیک های مدل سازی ساختار DNA که به وسیله Linus Pauling مطرح شده بود، استفاده کرده و ساختار مولکولی DNA را ارائه نمودند. واتسون و کریک ساختار دو رشته مارپیچ تشکیل شده از دو زنجیره بلند که به دور هم پیچیده و به وسیله پیوندهای هیدروژنی کنار هم نگه داشته. DNA از واحدهای تکراری به نام نوکلئوتید تشکیل شده. هر نوکلئوتید شامل یک قند دئوکسی ریبوز، یک گروه فسفات و یکی از ۴ باز نیتروژنی: آدنین(A)، تیمین(T)، سیتوزین(C) و گوانین(G) است.

آدنین و گوانین ساختار دو حلقه ای دارند و به بازهای پورین معروفند. در حالی که سیتوزین و تیمین مولکول های پیریمیدینی کوچکتری با یک ساختار حلقه ای منفرد می باشند. دوباز نیتروژنی داخل مارپیچ دو رشته، پهلو به پهلو قرار گرفته و پله های نردبان مولکولی را تشکیل می دهند. گروههای فسفات و قند ساختار خارجی یا اسکلت(ستون) مارپیچ را ایجاد می کنند. کربن (۵) یک مولکول دئوکسی ریبوز با پیوند کوالانس و به واسطه فسفات به کربن (۳) دئوکسی ریبوز بعدی متصل می شود. در نتیجه هر رشته از این مارپیچ دارای جهت گیری شیمیایی بوده و دو رشته در جهت عکس هم و یا ناهمسو قرار می گیرند.

آنالیز بیوشیمیایی انجام شده به وسیله Erwin Chargaff نشان داد که بازهای نیتروژنی در DNA به نسبت مساوی وجود ندارند و این نسبت ها از یک گونه دیگر متفاوت می باشند.  Chargaff در عین حال متوجه شد که همیشه غلظت گوانین و آدنین با تیمین برابر است. این یافته به عنوان قانون چارگاف شناخته می شود. واتسون وکریک بیان کردند که برای تحقق قانون چارگاف و حفظ یکپارچگی در شکل مولکولDNA، بازها باید به طور خاصی با هم جفت بشوند: آدنین همواره باید با تیمین و گوانین هم با سیتوزین جفت می شود. بنابراین هر رشته DNA دارای توالی نوکلئوتیدی است که مکمل رشته دیگری است. اتصال این جفت بازهای مکمل، دو رشته ناهمسو را کنار هم نگه می دارد. آدنین و تیمین با دو پیوند هیدروژنی به هم متصل می شوند. مکمل بودن رشته های DNA فرایندی است که امکان همانندسازی صحیح و درست را فراهم می سازد. از آنجایی که اطلاعات ژنتیکی با ترتیب این بازها در طول DNA مشخص می شوند، توالی این بازها برای عملکرد DNA حیاتی هستند.

سازمان یابی DNA

کروماتین انسانی از یک مولکول پیوسته DNA، پروتئین های هیستونی و غیرهیستونی تشکیل شده است. اگر DNA یک سلول دیپلوئید انسانی باز بشود، طولی در حدود ۲ متر دارد. بنابراین باید به میزان زیادی متراکم بشود تا بتواند در هسته سلول جای بگیرد. برای این منظور چندین سطح از سازماندهی DNA وجود دارد. خود مارپیچ DNA نخستین سطح ازتراکمه و بعد دو مولکول از هر کدوم از هیستون های H2A، H2B، H3وH4 یک مرکز پروتئینی به نام اکتامر رو تشکیل می دهند. مارپیچ دوتایی دو باردور اکتامر می پیچه وساختار ۱۰نانومتری نوکلئوزوم رو تشکیل می دهد که واحد ساختاری اصلی کروماتین است. نوکلئوزوم های مجاور به وسیله یک قطعه رابط هیستون H1 کنار هم قرار می گیرند. و تکرارش ظاهری مشابه دانه های زنجیر ایجاد می کند. نوکلئوزوم ها با پیچش بیشتر، ساختار ۳۰نانومتری سلنوئید را تشکیل می دهند. هر دور از ساختار سلنوئید تقریبا ۶ نوکلئوزوم دارد. سلنوئیدها به صورت دمین های حلقوی DNA که به پروتئین های غیرهیستونی ماتریکس متصل هستند، بسته بندی می شوند. نقاط اتصال هر حلقه در طول DNA ثابت است. این دومین های حلقوی نیز به هم پیچیده و واحدهای بسیار فشرده ای تحت عنوان کروموزوم را بوجود می آورند که تنها در طی تقسیم سلولی با میکروسکوپ نوری قابل رویت می باشند. کروموزوم ها در متافاز میتوزی به متراکم ترین وضعیت خود می رسند.

کروماتین

ترکیب اصلی هسته و ماده ژنتیکی سلول های یوکاریوتی است و در حقیقت حالت بسیار کم متراکم شده ای از کروموزوم هاست.

ترکیبات شیمیایی کروماتین شامل:

۱-DNA

۲-پروتئین های هیستون وغیرهیستون

در سلول های یوکاریوتی دو نوع کروماتین وجود دارد: یوکروماتین و هتروکروماتین

یوکروماتین (Euchromatins): بخش های کروماتینی هستند که پیچیدگی کمی دارند و تراکم نوکلئوزوم ها در آنها خیلی زیاد نیست، بنابراین در مشاهدات میکروسکوپی رنگ روشنی دارند و ژن های سازنده آنها امکان رونویسی دارند، در نتیجه در فعالیت های متابولیکی سلول شرکت می کنند. در بخش های یوکروماتینی مقدار پروتئین های غیر هیستونی زیاد است و با برهمکنشی که با هیستون ها دارند باعث آزاد شدن هیستون ها از DNA و قابلیت رونویسی آن می شوند.

هتروکروماتین (Heterochromatins): بخش هایی از کروماتین اند که پیچیدگی و تراکم زیادی دارند و در مشاهدات میکروسکوپی به رنگ تیره دیده می شوند. ژن های سازنده آنها در برخی مناطق رونویسی نشده و در نتیجه بروز نمی کنند و در برخی مناطق در دوره زمانی مشخصی بروز می کنند.

هتروکروماتین به دو صورت در سلول وجود دارد که هر دو به شدت فشرده و از نظر ژنتیکی فعال هستند:

-هتروکروماتین پایدار یا ساختمانی یا اجباری(Constitutive.H):

هتروکروماتین اجباری شامل تکرارهای ساده از بازهای نیتروژنی است که عموما در اطراف سانترومر های تمامی کروموزوم ها و انتهای (دیستال) بازوی بلند کروموزوم Y قرار گرفته. بخش های به شدت هتروکروماتینی اند و در طول نسل های سلولی (به جز زمان همانندسازی) به حالت هتروکروماتینی باقی می مانند و ژن های آنها بیان نمی شود. به این معنی که هیچ ژن رونویس شونده ای در هترو کروماتین اجباری وجود ندارد. در نتیجه تغییرات در این نواحی به نظر می رسد بر روی فنوتیپ بی اثر باشد. کروموزوم های ۱و۹، ۱۶وY نواحی هتروکروماتین اجباری با اندازه های متفاوتی دارند و با تکنیک های مختلف رنگ آمیزی به صورت متمایز رنگ می گیرند. که نشان دهنده تفاوت ساختار با نواحی یوکروماتینی در همان کروموزوم ها است. تنها عملکرد تاٴیید شده نواحی هتروکروماتینی اجباری تنظیم فرایند کراسینگ اور است. فرایند کراسینگ اور پدیده ای در تقسیم سلولی است که بواسطه ی اون ژن ها بین کروماتیدهای خواهری جابه جا می شوند.

-هتروکروماتین ناپایدار یا اختیاری (Facultative.H)

بخش های هتروکروماتینی که برحسب شرایط فیزیولوژیکی سلول به صورت یوکروماتین درآمده و ژن های آن رونویسی و  بیان می شوند. ژن هایی که به تدریج و در طول حیات یک جاندار، در سن مشخصی بروز می کنند، مثل ژن های تولید گل (گلدهی) در گیاهان و ژن های تولید کننده هورمونهای جنسی در انسان، از مثال های این نوع هتروکروماتین است. یک مورد دیگر در ارتباط با هتروکروماتین اختیاری، در جنس موٴنث یک کروموزوم X در هر سلول به طور تصادفی غیرفعال شده. این کروموزوم  X غیرفعال در طی اینترفاز فشرده است و در بخش انتهایی مرحله سنتز(S) چرخه سلولی، همانندسازی می شود. به دلیل غیر فعال بودن این نواحی، تصور بر این بود که هتروکروماتین اختیاری در تنظیم عملکرد ژن نقش دارد.

DNA و کروموزوم ها

کروموزوم های طبیعی

کروموزوم ها و اجزای سازنده آن