نوکلئیک اسیدها و همانندسازی (زیست ۳)

کشف مادهٔ وراثتی

آزمایش گریفیت (۱۹۲۸) روی دو نوع باکتری استرپتوکوکوس نومونیا نشان داد وقتی باکتری بیماری‌زای کشته‌شده با باکتری زندهٔ بی‌ضرر مخلوط شود، موش می‌میرد و باکتری بیماری‌زای زنده در خونش پیدا می‌شود؛ یعنی ماده‌ای از باکتری کشته‌شده به باکتری بی‌ضرر منتقل شده و آن را دگرگون کرده است — بی‌آنکه ماهیت آن ماده روشن شود. شانزده سال بعد ایوری و همکاران (۱۹۴۴) با تخریب جداگانهٔ پروتئین‌ها و DNA عصاره ثابت کردند فقط تخریب DNA جلوی انتقال صفت را می‌گیرد: DNA مادهٔ وراثتی است، نه پروتئین.

ساختار نوکلئیک اسیدها

قند در DNA دئوکسی‌ریبوز است (یک اکسیژن کمتر از ریبوز) و در RNA ریبوز. بازها دو دسته‌اند: پورین‌ها یعنی آدنین و گوانین با دو حلقه، و پیریمیدین‌ها یعنی سیتوزین، تیمین و یوراسیل با یک حلقه. تیمین فقط در DNA و یوراسیل فقط در RNA دیده می‌شود.

نوکلئوتیدها با پیوند فسفودی‌استر به هم وصل می‌شوند: فسفات یک نوکلئوتید به گروه هیدروکسیل قند نوکلئوتید بعدی. نتیجه رشته‌ای جهت‌دار است که یک سرش فسفات آزاد ($5'$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) و سر دیگرش هیدروکسیل آزاد ($3'$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) دارد. همین جهت‌داریِ به‌ظاهر جزئی، بعداً در همانندسازی نقش تعیین‌کننده پیدا می‌کند.

دو پیوند مهم این مولکول را نباید با هم اشتباه گرفت:

همین تفاوت است که در همانندسازی معنا پیدا می‌کند: هلیکاز فقط پیوندهای هیدروژنی را باز می‌کند، اما ساختن یا بریدن پیوند فسفودی‌استر حتماً آنزیم می‌خواهد.

DNA باکتری‌ها، راکیزه و پلاست حلقوی است و هیچ انتهای آزادی ندارد؛ DNA هستهٔ یوکاریوت‌ها خطی است. از همین‌جا یک نکتهٔ شمارشی درمی‌آید: در رشتهٔ خطی تعداد پیوندهای فسفودی‌استر یکی کمتر از تعداد نوکلئوتیدهاست، اما در رشتهٔ حلقوی دقیقاً برابر آن.

کشف ساختار DNA

قوانین چارگاف (۱۹۵۰) نشان داد در هر DNA:

پس اگر در نمونه‌ای $A=30\%$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی باشد، $T=30\%$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $G=C=20\%$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی خواهد بود. سپس تصاویر پرتو ایکس ویلکینز و فرانکلین ثابت کرد DNA ساختاری مارپیچی با بیش از یک رشته دارد و ابعادش را مشخص کرد؛ اما خودِ این تصاویر نمی‌گفتند کدام باز روبه‌روی کدام باز می‌نشیند.

آن بخش را واتسون و کریک (۱۹۵۳، نوبل ۱۹۶۲) با مدل‌سازی فیزیکی و ترکیب با قوانین چارگاف استنتاج کردند: دو رشتهٔ پیچیده به دور یک محور، با ستون‌های قند-فسفات و پله‌هایی از بازهای آلی. آدنین با تیمین دو پیوند هیدروژنی می‌بندد و گوانین با سیتوزین سه پیوند. نتیجه‌اش این است که DNA پرسیتوزین و پرگوانین پایدارتر است — به همین دلیل باکتری‌های چشمه‌های آب گرم نسبت $G+C$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی بالایی دارند و هلیکاز برای باز کردن یک جفت G-C باید انرژی بیشتری صرف کند.

چون هر پله از یک باز دوحلقه‌ای و یک باز یک‌حلقه‌ای ساخته می‌شود، قطر مولکول در سراسر آن یکسان می‌ماند. هر دور کامل مارپیچ حدود ۱۰ جفت‌باز را در بر می‌گیرد، و با دانستن ترتیب یک رشته، رشتهٔ مکمل کاملاً قابل تعیین است.

RNA و ژن

RNA تک‌رشته‌ای است و از روی بخشی از یک رشتهٔ DNA ساخته می‌شود. سه نوع اصلی دارد: mRNA که اطلاعات را از DNA به ریبوزوم می‌برد، tRNA که آمینواسید حمل می‌کند و rRNA که بخشی از ساختار ریبوزوم است. برخی RNAها حتی نقش آنزیمی دارند و ریبوزیم نامیده می‌شوند؛ گروهی هم در تنظیم بیان ژن نقش دارند.

در رونویسی فقط یکی از دو رشتهٔ DNA به کار می‌رود. رشتهٔ الگو همانی است که رونویسی از رویش انجام می‌شود و مکمل و پادموازیِ mRNA است؛ رشتهٔ کدکننده رونویسی نمی‌شود و توالی‌اش با mRNA یکی است، فقط $T$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی به‌جای $U$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. پس اگر رشتهٔ کدکننده را بدهند کافی است $T$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نماییها را به $U$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تبدیل کنی، اما اگر رشتهٔ الگو را بدهند باید اول مکمل پادموازی‌اش را بنویسی و بعد این تبدیل را انجام دهی.

ژن بخشی از DNA است که بیانش می‌تواند به تولید RNA یا پلی‌پپتید بینجامد. نوکلئوتیدها فقط سازندهٔ نوکلئیک اسیدها نیستند: ATP منبع رایج انرژی یاخته است که بیشترش در غشای درونی راکیزه ساخته می‌شود، و NADH و FADH₂ در فتوسنتز و تنفس یاخته‌ای الکترون حمل می‌کنند.

همانندسازی DNA

سه مدل برای همانندسازی پیشنهاد شده بود: حفاظتی (هر دو رشتهٔ قدیمی در یک مولکول و دو رشتهٔ نو در مولکول دیگر)، نیمه‌حفاظتی (هر مولکول یک رشتهٔ قدیمی و یک رشتهٔ نو) و غیرحفاظتی (قطعات قدیمی و نو به‌صورت پراکنده).

آزمایش مزلسون و استال پاسخ را روشن کرد. باکتری‌ها نخست در محیط نیتروژن سنگین ($^{15}N$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) کشت شدند تا DNA سنگین بسازند، سپس به محیط نیتروژن سبک ($^{14}N$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) منتقل شدند و در فواصل زمانی DNA استخراج و با سانتریفیوژ چگال‌همگریز جدا شد. پس از دور اول تنها یک نوار با چگالی متوسط دیده شد و پس از دور دوم یک نوار متوسط و یک نوار سبک — و هیچ نوار سنگینی باقی نماند. این الگو فقط با مدل نیمه‌حفاظتی سازگار است.

فرایند سه گام دارد. آنزیم هلیکاز پیوندهای هیدروژنی را می‌شکند و مارپیچ را باز می‌کند. آنزیم DNA‌بسپاراز نوکلئوتیدهای سه‌فسفاته را مقابل رشتهٔ الگو می‌گذارد و با پیوند فسفودی‌استر به هم وصل می‌کند (هنگام اتصال، دو فسفات جدا می‌شود). سرانجام همین آنزیم با فعالیت نوکلئازی خود رابطهٔ مکملی را بررسی می‌کند و نوکلئوتید نادرست را برمی‌دارد و درست را جایگزین می‌کند؛ یعنی DNA‌بسپاراز هم می‌سازد و هم ویرایش می‌کند.

محلی که دو رشته از هم باز می‌شوند دوراهی همانندسازی نام دارد، شکل Y دارد و کار در دو جهت پیش می‌رود.

DNA‌بسپاراز فقط می‌تواند نوکلئوتید تازه را به انتهای $3'$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی رشتهٔ در حال ساخت اضافه کند، یعنی رشتهٔ نو همیشه از $5'$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی به $3'$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی ساخته می‌شود. چون دو رشتهٔ الگو پادموازی‌اند، همین محدودیت دو رشتهٔ نو را به دو سرنوشت متفاوت می‌کشاند: رشتهٔ پیشرو هم‌جهت با پیشرفت دوراهی و به‌صورت پیوسته ساخته می‌شود، اما رشتهٔ تأخیری خلاف جهت دوراهی و تکه‌تکه. این تکه‌های کوتاه قطعات اوکازاکی نام دارند و در پایان آنزیم لیگاز با ساختن پیوند فسفودی‌استر آن‌ها را به هم می‌دوزد. هر قطعه هم به یک آغازگر کوتاه نیاز دارد، پس رشتهٔ تأخیری آغازگرهای بسیار بیشتری از رشتهٔ پیشرو می‌خواهد.

یوکاریوت‌ها چند جایگاه آغاز دارند چون DNA بسیار بیشتری دارند؛ هر جایگاه یک حبابک همانندسازی می‌سازد و حبابک‌های مجاور سرانجام به هم می‌رسند و ادغام می‌شوند. ضمناً DNA یوکاریوتی به دور پروتئین‌های هیستون پیچیده و به شکل کروماتین بسته‌بندی شده است؛ این بسته‌بندی باید پیش از رسیدن دوراهی باز و پس از عبور آن دوباره برقرار شود. DNA راکیزه و پلاست، مثل DNA باکتری، حلقوی و فاقد هیستون است.

پروتئین‌ها و آنزیم‌ها

آمینواسیدها از یک گروه آمین، یک گروه کربوکسیل و یک گروه R متغیر ساخته شده‌اند و با پیوند پپتیدی (اشتراکی) به هم متصل می‌شوند؛ تنها ۲۰ نوع آمینواسید در ساختار پروتئین‌ها به کار می‌رود. پروتئین چهار سطح ساختاری دارد: توالی آمینواسیدها (اول، پایهٔ همهٔ سطوح بعدی)، الگوهای پیوند هیدروژنی مانند مارپیچ و صفحه (دوم)، تاخوردگی سه‌بعدی مانند میوگلوبین با یک زنجیره (سوم)، و آرایش چند زیرواحد مانند هموگلوبین با چهار زنجیره (چهارم). نقش‌هایشان هم متنوع است: آنزیمی، گیرنده، انتقالی، ساختاری، حرکتی و هورمونی.

آنزیم‌ها بیشتر پروتئینی‌اند، جایگاه فعال اختصاصی برای پیش‌ماده دارند و با کاهش انرژی فعال‌سازی سرعت واکنش را بالا می‌برند؛ پس از واکنش دست‌نخورده می‌مانند، هرچند به‌مرور تخریب می‌شوند و باید جایگزین شوند. برخی به کوآنزیم (مانند ویتامین‌ها) یا یون فلزی نیاز دارند. هر آنزیم pH و دمای بهینه‌ای دارد: دمای بالا آن را به‌طور برگشت‌ناپذیر دناتوره می‌کند، اما سرمای زیاد فقط موقتاً و به‌صورت برگشت‌پذیر غیرفعالش می‌کند. کاربرد صنعتی‌شان هم گسترده است، از سلولاز در کاغذسازی و سوخت زیستی تا مایهٔ پنیر و لیپاز و پروتئاز و آمیلاز در شوینده‌ها.

کم‌خونی داسی‌شکل نشان می‌دهد این زنجیره چقدر حساس است: تغییر تنها یک جفت نوکلئوتید در ژن، یک آمینواسید هموگلوبین را عوض می‌کند و شکل و عملکرد کل پروتئین و در نهایت خودِ گویچهٔ قرمز را دگرگون می‌سازد.