2.6. ساختار DNA و RNA

کند

مفاهیم

  • دئوکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA) و ریبونوکلئیک اسید(RNA) پلیمرهایی از نوکلئوتیدها هستند.
  • DNA و RNA در تعداد رشته، بازها و نوع قند پنتوز باهم متفاوت هستند.
  • DNA یک مارپیچ دورشته‌ای است که از دو رشته نوکلئوتیدی ناهمسو که به ‌واسطه‌ی پیوند هیدروژنی بین بازهای مکمل به یکدیگر متصل شده‌اند، تشکیل شده‌است.

کاربرد علم

  • واتسون و کریک[1] از طریق مدل‌سازی، ساختار DNA را توضیح دادند.

ماهیت علم

  • استفاده از مدل‌ها به عنوان نمادی از دنیای واقعی: واتسون و کریک برای کشف ساختارDNAاز مدل‌سازی استفاده کردند.

مهارت‌ آموزی‌

  • رسم اشکال هندسی ساده از ساختار تک نوکلئوتیدها، DNAوRNA، با استفاده از دایره‌ها، پنج ضلعی‌ها و مستطیل‌ها برای نشان دادن فسفات‌ها، پنتوزها و بازها.

نوکلئیک اسیدها و نوکلئوتیدها

DNA و RNA پلیمرهایی از نوکلئوتیدها هستند.

نوکلئیک اسیدها اولین بار در مواد استخراج شده از هسته سلول‌ها کشف شدند، از این رو اینگونه نام گرفته‌اند. دو نوع نوکلئیک اسید وجود دارد: DNA و RNA. نوکلئیک اسیدها مولکول‌های بسیار بزرگی هستند که از اتصال نوکلئوتیدها به یکدیگر و ایجاد یک پلیمر ساخته می‌شوند.

نوکلئوتیدها از سه قسمت تشکیل شده‌اند:

  • یک قند با5اتم کربن، بنابراین یک قند پنتوز است.
  • یک گروه فسفات که بخش اسیدی نوکلئیک اسیدها را تشکیل داده و بار منفی دارد.
  • یک باز که دارای نیتروژن بوده و در ساختار خود یک یا دوساختار حلقوی دارد.

شکل شماره 1، اجزای نوکلئوتید و نحوه اتصال آن‌ها به یکدیگر را نشان می‌دهد. باز و فسفات هر دو با پیوندهای کووالانسی به قند پنتوز متصل می‌شوند.cc

شکل شماره 2 یک نوکلئوتید را به شکل نمادین نشان می‌دهد.

''

برای اتصال نوکلئوتیدها به یکدیگر وتشکیل یک زنجیره یا پلیمر، بین فسفات یک نوکلئوتید و قند پنتوز نوکلئوتید بعدی پیوند کووالانسی ایجاد می‌شود. تناوب گروه‌های قند و فسفات همراه یک باز متصل به قند، یک ستون قوی را برای مولکول ایجاد می‌کند. چهار باز مختلف در DNA و RNA وجود دارد، بنابراین چهار نوکلئوتید مختلف وجود دارد. چهار نوکلئوتید مختلف در هر توالی می‌توانند به هم متصل شوند، زیرا فسفات و قند در همه نوکلئوتیدها یکسان هستند. بنابراین وجود هر توالی بازی در طول یک مولکول DNA یا RNA امکان‌پذیر است؛ به همین دلیل نوکلئیک اسیدها نقش ذخیره اطلاعات ژنتیکی را برعهده دارند. توالی بازی، ذخیره اطلاعات و ستون قند-فسفات اطمینان از ثبات و امنیت اطلاعات ذخیره شده را فراهم می‌کند.

تفاوت‌های بین DNA  و  RNA

DNA و RNA در تعداد رشته، بازها و نوع قند پنتوز باهم متفاوت هستند.

سه تفاوت مهم بین دو نوع اسید نوکلئیک وجود دارد:

1-قند موجود درDNA، دئوکسی‌ریبوز و قند موجود درRNA، از جنس ریبوز است. شکل شماره 3 نشان می‌دهد که دئوکسی‌ریبوز یک اتم اکسیژن کمتر از ریبوز دارد. نام کامل DNA و RNA بر اساس نوع قند موجود در آن‌ها، دئوکسی ریبونوکلئیک اسید و ریبونوکلئیک اسید است.

2- معمولاً  DNA از یک پلیمر دو رشته ای تشکیل شده­است اما RNA فقط یک پلیمر دارد. از این پلیمرها اغلب به عنوان رشته یاد می‌شود، بنابراین DNA دو رشته‌ای و RNA تک رشته‌ای است.

3- چهار باز موجود در  DNAشامل آدنین (A)، سیتوزین (C)، گوانین (G) و تیمین (T) و چهار باز موجود در RNA، آدنین، سیتوزین، گوانین و یوراسیل (U) هستند. بنابراین در RNA، به جای باز تیمین، باز یوراسیل وجود دارد.

;'l

رسم مولکول‌های DNA  و  RNA

رسم اشکال هندسی ساده از ساختار تک نوکلئوتیدها،DNA و RNA، با استفاده از دایره‌ها، پنج ضلعی‌ها و مستطیل‌ها برای نشان دادن فسفات‌ها، پنتوزها و بازها.k

ساختار مولکول‌های DNA و RNA را می‌توان در اشکال هندسی با استفاده از نمادهای ساده برای زیر واحدها نشان داد:

  • دایره‌ برای فسفات‌ها؛
  • پنج ضلعی‌ برای قند پنتوز؛
  • مستطیل برای بازها.

در شکل شماره 2 ساختار نوکلئوتید با استفاده از این نمادها نشان داده شده‌است. باز و فسفات به قند پنتوز متصل شده‌اند. باز به C1 -اتم کربن در سمت راست قند پنتوز- متصل شده است. فسفات به C5 – اتم کربن در زنجیره جانبی در بالای سمت چپ قند پنتوز- متصل شده‌است. موقعیت اتم‌های کربن در شکل شماره 1 نشان داده شده‌است.

برای نشان دادن ساختار RNA، یک پلیمر از نوکلئوتیدها رسم کنید، با استفاده از یک خط پیوند کووالانسی متصل کننده گروه فسفات هر نوکلئوتید را به پنتوز نوکلئوتید بعدی نشان ‌دهید. فسفات به C3 پنتوز – اتم کربنی که پایین سمت چپ –متصل است.

اگر ساختار RNA را به درستی رسم کرده باشید، دو انتهای پلیمر متفاوت خواهد بود؛ که به آن‎‌ها انتهای ´3 و ´5 گفته می‎‌شود.

  • فسفات یک نوکلئوتید دیگر می‌تواند به اتمC3 در انتهای´3 متصل شود.
  • پنتوز نوکلئوتید دیگر می‌تواند به فسفات انتهای´5 متصل شود.

برای نشان دادن ساختار DNA ، مانند RNA یک رشته نوکلئوتیدی بکشید، سپس رشته دوم را در کنار آن رسم کنید. رشته دوم باید در جهت مخالف رسم شود، به طوری که در هر انتهای مولکول DNA ، یک رشته انتهای C3 و دیگری انتهای C5 داشته باشد. این دو رشته توسط پیوندهای هیدروژنی بین بازها به هم متصل می‌شوند. برای نشان دادن بازها، از حروف یا نام آن‌ها استفاده کنید. آدنین (A) فقط با تیمین (T) و سیتوزین (C) فقط با گوانین (G) جفت می‌شود.

io;p

ساختار DNA

DNA مارپیچ دورشته‌ای است که از پیوند هیدروژنی بین بازهای مکمل دو رشته نوکلئوتیدی ناهمسو تشکیل شده‌است.

رسم ساختار DNA روی کاغذ نمی‌تواند تمام ویژگی‌های ساختار سه بعدی مولکول را نشان دهد. شکل شماره 6 برخی از این ویژگی‌ها را نشان می‌دهد.

  • هر رشته، زنجیره‌ای از نوکلئوتیدها است که توسط پیوندهای کووالانسی به هم متصل شده‌اند.
  • دو رشته موازی اما در جهت‌ مخالف یکدیگر هستند، بنابراین به آن‌ها ناهمسو گفته می‌شود. یک رشته در جهت´5 به´3 و دیگری در جهت´3 به´5 است.
  • دو رشته به‌ یکدیگر متصل می‌شوند تا مارپیچ دوتایی را ایجاد کنند.
  • پیوند هیدروژنی بین بازهای نیتروژنی، رشته ها را کنار یکدیگر نگه می‌دارد. آدنین همیشه با تیمین  و گوانین با سیتوزین جفت می‌شود که از آن به عنوان جفت شدن بازهای مکمل یاد می‌شود، به این معنی که بازهای A و T و همچنین بازهای G وC با تشکیل جفت باز، مکمل یکدیگر هستند.'oj

مدل‌های مولکولی

استفاده از مدل‌ها به عنوان نمادی از دنیای واقعی: واتسون و کریک برای کشف ساختار DNA از مدل‌سازی استفاده کردند.

گخن

کلمه مدل در انگلیسی از واژه لاتین modus به معنای سبک یا روش گرفته شده‌است. در اصل، مدل‌ها نقشه‌های معماران بودند که نحوه ساخت یک ساختمان جدید را نشان می‌دادند. سپس مدل‌های سه بعدی برای ایجاد تصور واقع بینانه‌تر از اینکه ساختمان پیشنهادی چگونه خواهد بود، توسعه یافتند.

مدل‌های مولکولی نیز یک ساختار ممکن را در سه بعد نشان می‌دهند، اما در حالی که از مدل‌های معماران برای تصمیم گیری در مورد اینکه آیا یک ساختمان باید در آینده به واقعیت تبدیل شود، استفاده می‌شود. مدل‌های مولکولی کمک می‌کنند تا متوجه شویم که ساختار یک مولکول در واقعیت چگونه است.

نظریه علم

نقش نسبی رقابت و همکاری در پژوهش علمی چیست؟

سه گروه تحقیقاتی برجسته به طور آشکار برای توضیح ساختار DNA به رقابت پرداختند: واتسون و کریک در کمبریج، موریس ویلکینز و روزالین فرانکلین در کالج کینگز دانشگاه لندن و گروه تحقیقاتی لینوس پائولینگ در ایالات متحده فعالیت می‌کردند.

عملکرد کلیشه‌ای دانشمندان این است که آن‌ها رویکردی بی غرض برای تحقیقات خود دارند. حقیقت این است که علم یک تلاش اجتماعی است که حاصل تعاملات ناشی از احساسات بین علوم است. دانشمندان علاوه بر لذت کشف، به دنبال اعتبار جامعه خود هستند. در گروه‌های تحقیقاتی، همکاری مهم است اما در خارج از گروه تحقیقاتی آن‌ها، رقابت اغلب ارتباطات باز را محدود می‌کند که ممکن است سرعت کشف علمی را تسریع کند. از طرف دیگر، رقابت ممکن است دانشمندان بلند پرواز را برای کار خستگی ناپذیر ترغیب کند.

مدل‌ها در علم همیشه سه بعدی نیستند و ساختاری را نشان نمی‌دهند. آن‌ها می‌توانند مفاهیم نظری باشند و یا سیستم‌ها و فرآیندها را نشان دهند. ویژگی مشترک مدل‌ها بر این مفهوم استوار است که آن‌ها پیشنهادهایی هستند که برای آزمایش طراحی شده‌اند. همانند معماری، مدل‌ها در علم نیز اغلب مردود و یا جایگزین می‌شوند. ساخت مدل نقش مهمی در کشف ساختار DNA توسط واتسون و کریک داشت.

مدل واتسون و کریک

واتسون و کریک از طریق مدل‌سازی، ساختار DNA را توضیح دادند.

موفقیت واتسون و کریک در کشف ساختار DNA مبتنی بر استفاده از شواهد برای ایجاد ساختارهای احتمالی DNA و آزمایش آن‌ها با ساخت مدل بود. اولین مدل آن‌ها از مارپیچ سه گانه با بازهایی در خارج از مولکول تشکیل شده بود و منیزیم به کمک پیوندهای یونی با گروه‌های فسفات موجود در هر رشته، دو رشته را کنار هم نگه داشته بود. ساختار مارپیچی و فاصله بین زیر واحدها با الگوی پراش اشعه ایکس به دست آمده توسط روزالین فرانکلین[1] سازگار بود.

قراردادن همه‌ی قسمت‌های این مدل به طور رضایت بخش در کنار هم، کار دشواری است و هنگامی که فرانکلین اظهار داشت که منیزیم کافی برای ایجاد پیوندهای عرضی بین رشته‌ها وجود ندارد، این مدل رد شد. یکی دیگر از ضعف‌های مدل اول این است که نظریه چارگف مبنی بر تساوی مقدار آدنین با تیمین و مقدار سیتوزین با گوانین در این مدل در نظر گرفته نشده‌ است.

برای بررسی رابطه بین بازها در DNA، قطعات مقوایی برای نشان دادن اشکال آن‌ها بریده شدند. آن‌ها نشان دادند که جفت بازهای A-T و C-G با پیوندهای هیدروژنی که بازها را به هم پیوند می‌دهند، می‌توانند ایجاد شوند. طول جفت بازها برابر بود بنابراین برای قرار گرفتن بین دو ستون خارجی قند-فسفات مناسب خواهند بود.

برای ساختن قطعات مولکول در کنار هم، بینش دیگری لازم بود: دو رشته در مارپیچ باید در جهت مخالف قرار بگیرند و ناهمسو باشند. سپس واتسون و کریک توانستند مدل دوم خود را  بسازند. آن‌ها از میله‌های فلزی و ورق‌های برش خورده برای شکل دادن و گیره‌های کوچک برای نگه داشتن استفاده کردند. طول پیوندها و زاویه‌های پیوند همگی درست بودند. شکل شماره 8 واتسون و کریک را با مدل تازه ساخته شده، نشان می‌دهد.

این مدل همه را متقاعد کرد و اکثریت معتقد بودند که این مدل درست به نظر می‌رسد. این ساختار بلافاصله مکانیسمی را برای کپی کردن DNA پیشنهاد داد. همچنین به سرعت به این درک منجر شد که کد ژنتیکی باید از سه باز تشکیل شده باشد. از بسیاری جهات، کشف ساختار DNA انقلاب بزرگی در زیست شناسی مولکولی آغاز کرد و تأثیرات این کشف هنوز در جامعه علمی نمایان است.

گکا

 

[1] Rosalind Franklin

 

[1] Crick and Watson

اشتراک گذاری:

دیدگاهتان را بنویسید