DNA (دئوکسی ریبونوکلئیک اسید) یکی از مهم ترین اجزای ماده زنده است. از طریق آن، حفظ و انتقال اطلاعات ارثی از نسلی به نسل دیگر با امکان تغییرپذیری در حدود مشخص انجام می شود. سنتز تمام پروتئین های لازم برای یک سیستم زنده بدون ماتریس DNA غیرممکن خواهد بود. در زیر ساختار، تشکیل، عملکرد اساسی و نقش DNA در بیوسنتز پروتئین را در نظر خواهیم گرفت.
ساختار مولکول DNA
دئوکسی ریبونوکلئیک اسید یک ماکرومولکول متشکل از دو رشته است. ساختار آن چندین سطح سازمانی دارد.
ساختار اولیه زنجیره DNA دنباله ای از نوکلئوتیدها است که هر کدام شامل یکی از چهار باز نیتروژنی است: آدنین، گوانین، سیتوزین یا تیمین. زمانی که قند دئوکسی ریبوز یک نوکلئوتید به باقی مانده فسفات نوکلئوتید دیگر متصل می شود، زنجیره ها به وجود می آیند. این فرآیند با مشارکت یک پروتئین-کاتالیزور - DNA لیگاز انجام می شود
- ساختار ثانویه DNA به اصطلاح مارپیچ دوگانه (به طور دقیق تر، یک پیچ دوگانه) است. زمین ها قادر هستندبه صورت زیر به یکدیگر متصل می شوند: آدنین و تیمین یک پیوند هیدروژنی دوگانه و گوانین و سیتوزین یک پیوند سه گانه تشکیل می دهند. این ویژگی زیربنای اصل مکمل بودن پایه است که طبق آن زنجیره ها به یکدیگر متصل می شوند. در این حالت، پیچ خوردگی مارپیچ (اغلب به سمت راست) زنجیره دوتایی رخ می دهد.
- ساختار ثالثیه ترکیب پیچیده ای از یک مولکول عظیم است که از طریق پیوندهای هیدروژنی اضافی رخ می دهد.
- ساختار چهارتایی در ترکیب با پروتئین های خاص و RNA تشکیل می شود و روشی است که DNA در هسته سلول بسته بندی می شود.
توابع DNA
بیایید نقش DNA را در سیستم های زنده در نظر بگیریم. این بیوپلیمر ماتریسی است که حاوی رکوردی از ساختار پروتئین های مختلف، RNA مورد نیاز بدن و همچنین انواع مکان های تنظیمی است. به طور کلی، همه این اجزاء برنامه ژنتیکی بدن را تشکیل می دهند.
از طریق بیوسنتز DNA، برنامه ژنتیکی به نسل های بعدی منتقل می شود و وراثت اطلاعات اساسی برای زندگی را تضمین می کند. DNA قادر به جهش است، به همین دلیل تنوع موجودات زنده یک گونه بیولوژیکی به وجود می آید و در نتیجه فرآیند انتخاب طبیعی و تکامل سیستم های زنده امکان پذیر است.
در طول تولیدمثل جنسی، DNA یک ارگانیسم از نسل از ترکیب اطلاعات ارثی پدر و مادر تشکیل می شود. وقتی با هم ترکیب شوند، تغییرات مختلفی وجود دارد که به تغییرپذیری نیز کمک می کند.
چگونه برنامه ژنتیکی بازتولید می شود
به دلیل ساختار مکمل، تولید مثل خود ماتریکسی مولکول DNA امکان پذیر است. در این صورت اطلاعات موجود در آن کپی می شود. تکثیر یک مولکول برای تشکیل دو "مارپیچ دوگانه" دختر را همانندسازی DNA می نامند. این یک فرآیند پیچیده است که شامل اجزای زیادی است. اما با یک ساده‌سازی خاص، می‌توان آن را به صورت نمودار نشان داد.
تکثیر توسط مجموعه خاصی از آنزیم ها در مناطق خاصی از DNA آغاز می شود. در همان زمان، زنجیره دوتایی باز می‌شود و یک چنگال همانندسازی را تشکیل می‌دهد، جایی که فرآیند بیوسنتز DNA اتفاق می‌افتد - ایجاد توالی‌های نوکلئوتیدی مکمل روی هر یک از زنجیره‌ها.
ویژگی های کمپلکس همانندسازی
تکثیر همچنین با مشارکت مجموعه پیچیده ای از آنزیم ها - رپلیزوم ها که در آن DNA پلیمراز نقش اصلی را ایفا می کند، ادامه می یابد.
یکی از زنجیره های روند بیوسنتز DNA رهبر است و به طور مداوم تشکیل می شود. تشکیل یک رشته عقب مانده با اتصال توالی های کوتاه - قطعات اوکازاکی اتفاق می افتد. این قطعات با استفاده از DNA لیگاز متصل می شوند. چنین فرآیندی نیمه پیوسته نامیده می شود. علاوه بر این، به عنوان نیمه محافظه کار شناخته می شود، زیرا در هر یک از مولکول های تازه تشکیل شده یکی از زنجیره ها والد و دومی دختر است.
تکثیر DNA یکی از مراحل کلیدی در تقسیم سلولی است. این فرآیند زمینه ساز انتقال اطلاعات ارثی به نسل جدید و همچنین رشد ارگانیسم است.
پروتئین چیست
پروتئین استمهمترین عنصر عملکردی در سلولهای همه موجودات زنده است. آنها عملکردهای کاتالیزوری، ساختاری، تنظیمی، سیگنالینگ، حفاظتی و بسیاری دیگر را انجام می دهند.
یک مولکول پروتئین یک پلیمر زیستی است که توسط دنباله ای از بقایای اسید آمینه تشکیل می شود. این، مانند مولکول های اسید نوکلئیک، با حضور چندین سطح از سازماندهی ساختاری مشخص می شود - از اولیه تا چهارتایی.
20 اسید آمینه متمایز (متعارف) وجود دارد که توسط سیستم‌های زنده برای ساختن تنوع عظیمی از پروتئین‌ها استفاده می‌شود. به عنوان یک قاعده، پروتئین به خودی خود سنتز نمی شود. نقش اصلی در تشکیل یک مولکول پروتئین پیچیده متعلق به اسیدهای نوکلئیک - DNA و RNA است.
جوهر کد ژنتیکی
بنابراین، DNA یک ماتریس اطلاعاتی است که اطلاعات پروتئین های لازم برای رشد و زندگی بدن را ذخیره می کند. پروتئین ها از اسیدهای آمینه، DNA (و RNA) از نوکلئوتیدها ساخته می شوند. توالی های نوکلئوتیدی خاصی از مولکول DNA با توالی اسید آمینه خاصی از پروتئین های خاص مطابقت دارد.
20 نوع واحد ساختاری پروتئین - اسیدهای آمینه متعارف - در یک سلول و 4 نوع نوکلئوتید در DNA وجود دارد. بنابراین هر اسید آمینه بر روی ماتریس DNA به عنوان ترکیبی از سه نوکلئوتید نوشته می شود - یک سه گانه، که اجزای اصلی آن بازهای نیتروژنی هستند. این اصل مطابقت، کد ژنتیکی و سه قلوهای پایه کدون نامیده می شوند. ژن استدنباله ای از کدون ها حاوی رکوردی از یک پروتئین و برخی ترکیبات خدماتی از بازها - یک کدون شروع، یک کدون توقف، و دیگران.
برخی از خواص کد ژنتیکی
کد ژنتیکی تقریباً جهانی است - به استثنای بسیار کمی، در همه موجودات، از باکتری گرفته تا انسان، یکسان است. این اولاً به رابطه همه اشکال حیات روی زمین و ثانیاً به قدمت خود رمز شهادت می دهد. احتمالاً در مراحل اولیه وجود حیات بدوی، نسخه‌های مختلف کد خیلی سریع شکل گرفت، اما تنها یکی از آنها مزیت تکاملی دریافت کرد.
علاوه بر این، اختصاصی است (بدون ابهام): اسیدهای آمینه مختلف توسط سه گانه یکسان کدگذاری نمی شوند. همچنین، کد ژنتیکی با انحطاط یا افزونگی مشخص می شود - چندین کدون می توانند با یک اسید آمینه مشابه مطابقت داشته باشند.
سوابق ژنتیکی به طور مداوم خوانده می شود. عملکرد علائم نگارشی نیز توسط سه قاعده پایه انجام می شود. به عنوان یک قاعده، هیچ رکورد همپوشانی در "متن" ژنتیکی وجود ندارد، اما در اینجا نیز استثناهایی وجود دارد.
واحدهای عملکردی DNA
به مجموع تمام مواد ژنتیکی یک موجود، ژنوم می گویند. بنابراین DNA حامل ژنوم است. ترکیب ژنوم نه تنها شامل ژن های ساختاری است که پروتئین های خاصی را کد می کند. بخش قابل توجهی از DNA شامل مناطقی با اهداف عملکردی متفاوت است.
بنابراین، DNA حاوی:
است
- تنظیمیتوالی هایی که RNA های خاص را کد می کنند، مانند سوئیچ های ژنتیکی و تنظیم کننده های بیان ساختاری ژن؛
- عناصر تنظیم کننده فرآیند رونویسی - مرحله اولیه بیوسنتز پروتئین؛
- سودوژن ها نوعی "ژن های فسیلی" هستند که توانایی خود را برای رمزگذاری یک پروتئین یا رونویسی به دلیل جهش از دست داده اند؛
- عناصر ژنتیکی متحرک - مناطقی که می توانند در ژنوم حرکت کنند، مانند ترانسپوزون ها ("ژن های پرش")؛
- تلومرها نواحی خاصی در انتهای کروموزوم ها هستند که به لطف آنها DNA کروموزوم ها از کوتاه شدن با هر رویداد همانندسازی محافظت می شود.
دخالت DNA در بیوسنتز پروتئین
DNA
قادر به تشکیل یک ساختار پایدار است که عنصر کلیدی آن ترکیب مکمل بازهای نیتروژنی است. رشته دوگانه DNA اولاً تولید مثل کامل مولکول را فراهم می کند و ثانیاً بخش های جداگانه DNA را در طول سنتز پروتئین می خواند. این فرآیند رونویسی نامیده می شود.
در طول رونویسی، بخشی از DNA حاوی یک ژن خاص پیچ خورده است، و بر روی یکی از زنجیره ها - الگوی - یک مولکول RNA به عنوان کپی از زنجیره دوم، به نام کد کننده، سنتز می شود. این سنتز همچنین بر اساس خاصیت پایه ها برای تشکیل جفت های مکمل است. نواحی غیر کد کننده و خدماتی DNA و آنزیم RNA پلیمراز در سنتز شرکت می کنند. RNA قبلاً به عنوان الگویی برای سنتز پروتئین عمل می کند و DNA در روند بعدی دخالت ندارد.
رونویسی معکوس
برای مدت طولانی اعتقاد بر این بود که ماتریسکپی کردن اطلاعات ژنتیکی فقط می تواند در یک جهت باشد: DNA → RNA → پروتئین. این طرح را جزم اصلی زیست شناسی مولکولی می نامند. با این حال، در طول تحقیقات، مشخص شد که در برخی موارد امکان کپی از RNA به DNA وجود دارد - به اصطلاح رونویسی معکوس.
توانایی انتقال مواد ژنتیکی از RNA به DNA مشخصه رتروویروس ها است. یک نماینده معمولی از این گونه ویروس های حاوی RNA ویروس نقص ایمنی انسانی است. ادغام ژنوم ویروسی در DNA یک سلول آلوده با مشارکت یک آنزیم خاص - ترانس کریپتاز معکوس (ریورتاز) انجام می شود که به عنوان کاتالیزور برای بیوسنتز DNA روی یک الگوی RNA عمل می کند. Revertase نیز بخشی از ذره ویروسی است. مولکول تازه تشکیل شده در DNA سلولی ادغام می شود و در آنجا ذرات ویروسی جدید تولید می کند.
DNA انسان چیست
DNA انسان، موجود در هسته سلول، در 23 جفت کروموزوم بسته بندی شده و حاوی حدود 3.1 میلیارد نوکلئوتید جفتی است. علاوه بر DNA هسته ای، سلول های انسانی، مانند سایر موجودات یوکاریوتی، حاوی DNA میتوکندری هستند که عاملی در وراثت اندامک های سلولی میتوکندری است.
ژن های کد کننده DNA هسته ای (از 20 تا 25 هزار نفر از آنها وجود دارد) تنها بخش کوچکی از ژنوم انسان را تشکیل می دهند - تقریباً 1.5٪. بقیه DNA قبلا "آشغال" نامیده می شد، اما مطالعات متعدد نقش مهمی در مناطق غیر کد کننده ژنوم را نشان می دهد که در بالا مورد بحث قرار گرفت. همچنین مطالعه فرآیندها بسیار مهم استرونویسی معکوس در DNA انسان.
علم قبلاً درک نسبتاً روشنی از چیستی DNA انسان از نظر ساختاری و عملکردی ایجاد کرده است، اما کار بیشتر دانشمندان در این زمینه اکتشافات جدید و فناوری‌های جدید زیست پزشکی را به همراه خواهد داشت.
