دی‌ان‌ای یکی از ماکرومولکول‌های زیستی می‌‌باشد که در انتقال داده‌های ژنتیکی نقش دارد. این ماکرومولکول، پلیمری از زیرواحدهای نوکلئوتیدی است.

DNAدارای ساختمانی مارپیچی است و برای اولین بار ساختمان آن را دو دانشمند به نام های جیمز واتسون و فرانسیس کریک را در سال ۱۹۵۳ کشف کردند و به همین دلیل جایزه نوبل دریافت کردند. کارکرد اصلی DNA الگو بودن برای ساخته شدن یک اسید نوکلئیک دیگر به نام RNA است.

DNA ماکرومولکولی است که از هر نظر، برای ایفاء مهم‌ترین نقش خود یعنی انتقال اطلاعات بیولوژیک شایسته است. بعبارتی DNA شاهکار خلقت در ایجاد ماکرو مولکول‌های زیستی بحساب می‌‌آید. همه فواصل و زوایای پیوند، انرژی ها و نوع پیوند عناصر از دقیقترین قوانین فیزیک مولکولی پیروی می‌‌کنند. دانشمندان بارها سعی کرده‌اند با ساخت ماکرومولکول‌های دیگری، بتوانند جایگزینی برای DNA بیابند. اما تاکنون تلاش‌های آنها با شکست روبرو شده است. از دید بسیاری از محققان،DNA متکاملترین مولکول ایجاد شده توسط طبیعت می‌‌باشد. مشخصه مهم ملکول DNA، به‌عنوان یک مولکول، هوشمندی آن است. دو رشته DNAکه از نظر توالی بازها، مکمل یکدیگرمی باشند، می‌‌توانند یکدیگر را شناسایی کرده، پیوند هیدروژنی برقرار کنند و این، آن چیزی است که دانشمندان را قادر ساخته است تا از DNA در واکنشهای شیمیایی استفاده کنند.

DNAدارای سه بخش ساختمانی است: بازهای نوکلئوتیدی آدنین (A) سیتوزین (C) گوانین (G) و تیمین (T) در پله‌های این ماکرومولکول نردبانی قرار دارند. این بازهای نوکلئوتیدی به طور تصادفی در کنار هم قرار ندارند بلکه تیمین به آدنین با پیوند هیدروژنی وصل است و سیتوزین نیز به گوانین با پیوند هیدروژنی اتصال دارد. مولکول های قند دزوکسی ریبوز در دیوارهای این نردبان دیده می شوند و به این مولکول های قند گروه‌های فسفات متصل هستند. فرق بین قند دزوکسی ریبوز در DNA با قند ریبوز در RNA این است که قند دزوکسی ریبوز یک گروه هیدروکسیل از قند ریبوز کمتر دارد.

آر‌ان‌ای

RNA یا ریبو نوکلئیک اسید یک اسید نوکلئیک در سلول است. RNA را DNA در هسته سلول می سازد. RNA در سه نوع tRNA (مخفف transfer RNA) یا RNA ترابر، mRNA (مخفف messenger RNA) یا RNA پیامبر و rRNA (مخفف ribosomal RNA) یا RNA ریبوزومی است. کار rRNA ساختن پروتئین در ریبوزوم است.

RNA دارای سه بخش ساختمانی است: بازهای نوکلئوتیدی اوراسیل (U) سیتوزین (C) گوانین (G) وآدنین(A) را داراست و برخلاف DNA فاقد تیمین (T)است. مولکول های قند ریبوز و گروه‌های فسفات از دیگر بخش های RNA است. قند ریبوز در RNA یک گروه هیدروکسیل از قند دزوکسی ریبوز در DNA بیشتر دارد.

فرانسیس کریک

'فرانسیس کریک کاشف ساختار DNA و برنده جایزه نوبل می‌باشد. کریک در ۸ ژوئن ۱۹۱۶ در انگلستان به دنیا آمد. در رشته فیزیک تحصیلاتش را ادامه داد و پس از جنگ جهانی دوم راه دیگری درپیش گرفت که در سال ۱۹۵۳ همراه جیمز واتسون موفق به کشف ساختار دورشته‌ای DNA شد ودر سال 1962 موفق به دریافت جایزه نوبل شد . دکترکریک هنگام اعلام این کشف مهم گفت که بشر با کشف تازه بر گوشه ای از اسرار حیات دست یافته است. وی گفت که همه موجودات ذی حیات دارای DNA هستند که دو وظیفه مهم دارد ؛ یکی حمل اطلاعات و دیگری به وجود آوردن المثنای خود. در سن ۸۸ سالگی در بیمارستانی در سان دیگو آمریکا بر اثر سرطان روده بزرگ درگذشت.

نوکلئوتید

نوکلئوتید واحد سازنده اسیدهای نوکلئیک می‌‌باشند که ترکیبی متشکل از یک قند ۵-کربنی ( ریبوز یا داکسی ریبوز ) اسید فسفریک (فسفات) و یکی از بازهای آلی پورین (آدنین، گوانین)یا پیریمیرین (سیتوزین، تیمین، اوراسیل) می‌‌باشند.اغلب نوکلئوتیدرا نوکلئوزید فسفات می گویند.نوکلئوتیدها به دلیل اسید فسفریک ترکیب اسیدی هستند.

به مجموعه قند و باز آلی نوکلئوزید گفته می‌شود. گروه فسفات می‌تواند قند متصل شود. به مجموع نوکلئوزید و گروه فسفات متصل به و یا5 به کربن3 آن نوکلئوتید می‌گویند. با توجه به اینکه یون فسفات می‌تواند هم به کربن متصل شود. و هم به کربن5 3

پس دو نوکلئوتید از طریق یک پیوند فسفودی استر بهم متصل می‌شوند. به این صورت که گروه هیدروکسیل یک نوکلئوتید با گروه فسفات نوکلئوتید دیگر واکنش داده و پیوند فسفودی استر را بوجود می‌آورد. از آنجایی که پیوند دو قند مجاور را بهم متصل می‌کند، این پیوند و5 فسفودی استر ، کربنهای3 فسفودی استر نیز می‌نامند. یک زنجیره در اثر اتصال پشت سر -3 را پیوند5 -دزوکسی ریبونوکلئوتید بوسیله پیوندهای دزوکسی ریبونوکلئوتید هم تعدادی2 تشکیل می‌شود

تمامی نوکلئوتیدها در یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی دارای جهت یکسان می‌باشند. به این صورت که نوکلئوتید انتهایی در یک سمت زنجیره دارای یک آزاد آزاد و نوکلئوتید انتهایی در سمت دیگر زنجیره دارای یک گروه3 گروه5 می‌باشد. بنابراین زنجیره پلی نوکلئوتیدی دارای جهت بوده و این جهت را به --- صورت5> نشان می‌دهند. بنابراین اگر در نوکلئوتید ابتدایی کربن5 3 در زیر آن باشد، در تمامی نوکلئوتیدهای بعدی در بالای حلقه پنتوز و کربن3 زنجیره کربن 5 در بالای حلقه پنتوز جای خواهد داشت.

ژنتیک مولکولی

ژنتیک و زیست شناسی مولکولی دو موضوع کاملا مرتبط بهم هستند و اگر چه تفاوتهایی بین آنها موجود است، ولی بهتر است که آنها را در یک قالب مطرح کرد. به این دلیل اصطلاح ژنتیک مولکولی امروزه اغلب برای تشریح شاخه‌ای از زیست شناسی بکار می‌رود که مربوط به مطالعه همه جنبه‌های یک ژن است

ماهیت مولکولی ماده ژنتیکی چیست؟ چطور اطلاعات ژنتیکی از یک نسل به نسل بعد با صحت بالا انتقال می‌یابد؟ تغییرات نادر در ماده ژنتیکی که ماده خام تکامل می‌باشد، چگونه ایجاد می‌شوند؟ چطور اطلاعات ژنتیکی نهایتا به شکل توالیهای اسید آمینه‌ای مولکولهای پروتئینی متنوع موجود در یک سلول زنده ، بیان می‌شود؟ و ... . واحد پایه اطلاعات در سیستمهای زنده ، ژن می‌باشد.

از نظر بیوشیمیایی یک ژن به صورت قطعه‌ای از DNA تعریف می‌شود که اطلاعات مورد نیاز برای ایجاد یک محصول دارای فعالیت بیولوژیک راکد می‌کند. محصول نهایی معمولا یک پروتئین است. ممکن است محصول ژنی وظیفه‌ای یکی از انواع RNA باشد. ذخیره ، حفظ و متابولیزم این واحدهای اطلاعاتی موضوعات بحث را در ژنتیک مولکولی تشکیل می‌دهند. پیشرفتهای اخیر در ژنتیک مولکولی ، منجر به مطرح شدن سه فرآیند اصلی در استفاده از اطلاعات ژنتیکی شده است.

اولین فرآیند ، همانند سازی DNA یا نسخه برداری از DNA مادری و تولید مولکولهای DNA با توالیهای نوکلئوتیدی یکسان می‌باشد.

دومین فرآیند سنتز RNA از روی DNA است، که طی قسمتهایی از پیام ژنتیکی کد شده در DNA دقیقا به صورت RNA ، نسخه برداری می‌شود.

سومین فرآیند ، ترجمه می‌باشد که به موجب آن پیام ژنتیکی کد شده در RNA پیک بر روی ریبوزومها به پلی‌پپتیدی با توالی مشخص از اسیدهای آمینه ترجمه می‌شود.

وقایع مهم در ژنتیک مولکولی تا سال ۱۹۴۴

شروع ژنتیک توسط گرگور مندل و با مقاله‌ای بود که وی در سال ۱۸۶۶ در مجموعه مقالات انجمن علوم طبیعی در مورد نخود فرنگی ، به چاپ رساند.

تا سال ۱۹۰۰ طول کشید تا سایر زیست شناسان مانند هوگو ، کورنس و شرماک اهمیت کار مندل را درک کنند و این علم پس از رکورد طولانی توالی دوباره یافت.

در سال ۱۹۰۳ ، ساتن پیشنهاد کرد که ژنها روی کروموزومها قرار دارند.

در سال ۱۹۰۹ ، یوهانس پیشنهاد کرد که عوامل مندلی ژن نامیده شدند.

در سال ۱۹۱۰ ، مورگان آزمایشهای زیادی بر روی مگس سرکه انجام داد.

در سال ۱۹۲۷ ، مولر کشف کرد که اشعه ایکس ایجاد موتاسیون (جهش) در مگس سرکه می‌نماید.

در سال ۱۹۴۱ ، بیدل و تاتوم پیشنهاد کردند که هر ژن فعالیت یک آنزیم را کنترل می‌کند.

در سال ۱۹۴۴ ، کتاب زندگی چیست توسط یک فیزیکدان به نام شرودینگر انتشار یافت.

کشف ساختمان DNA

شناخت امروزی ما در مورد مسیرهای اطلاعاتی از همگرایی یافته‌های ژنتیکی ، فیزیکی و شیمیایی در بیوشیمی امروزی حاصل شده است. لین شناخت در کشف ساختمان دو رشته مارپیچی DNA ، توسط جیمز واتسون و فرانسیس کریک در سال ۱۹۵۳ خلاصه گردید. فرضیه ژنتیکی ، مفهوم کد نمودن توسط ژنها را مشخص نمود. با استفاده از روشهای فیزیکی ، تعیین ساختمان مولکولی DNA بوسیله آزمایش انکسار اشعه ایکس ممکن گردید. شیمی نیز ترکیب DNA را آشکار نمود. ساختمان مارپیچی دو رشته‌ای DNA ، چگونگی نسخه برداری آن را نشان داد، نحوه تولید RNA و سنتز پروتئین از روی آن را شفاف کرد.

ژنها و کروموزومها

ژنها قطعاتی از یک کروموزوم هستند که اطلاعات مورد نیاز برای یک مولکول DNA یا یک پلی پپتید را دارند. علاوه بر ژنها ، انواع مختلفی از توالیهای مختلف تنظیمی در روی کروموزومها وجود دارد که در همانند سازی ، رونویسی و ... شرکت دارند. کروموزومهای یوکاریوتی دارای دو توالی مهم تکراری DNA می‌باشند که عمل اختصاصی را انجام می‌دهند؛ سانترومرها که نقاط اتصالی برای دوک تقسیم هستند و تلومرها که در دو انتهای کروموزوم وجود دارند. کروماتین در یوکاریوتها به صورت واحدهای نوکلئوزومی قرار دارد.

متابولیزم DNA

سلامت DNA بیشترین اهمیت را برای سلول دارد که آن را می‌توان از پیچیدگی و کثرت سیستمهای آنزیمی شرکت کننده در همانند سازی ، ترمیم و نوترکیبی DNA ، دریافت. همانند سازی DNA با صحت بسیار بالا و در یک دوره زمانی مشخص در طی چرخه سلولی به انجام می رسد. همانند سازی نیمه حفاظتی است، بطوری که هر رشته آن به عنوان قالبی برای تولید رشته جدید DNA مورد استفاده قرار می‌گیرد. سلولها دارای سیستمهای متعددی برای ترمیم DNA هستند. توالیهای DNA در طی واکنشهای نوترکیبی ، در فرآیندهایی که شدیدا هماهنگ با همانند سازی یا ترمیم DNA هستند، نو آرایی می‌شوند.

متابولیزم RNA

رونویسی توسط آنزیم RNA پلیمراز وابسته به DNA کاتالیز می‌شود. رونویسی در چندین فاز ، شامل اتصال RNA پلیمراز به یک جایگاه DNA به نام پروموتور ، شروع سنتز رونویسی ، طویل سازی و خاتمه ، روی می‌دهد. سه نوع RNA ساخته می‌شود؛ RNA پیک که برای ساختن پلی پپتیدها مورد استفاده قرار می‌گیرد. RNA ناقل که در انتقال اسیدهای آمینه بر روی ریبوزومها برای پروتئین سازی ، شرکت دارند و RNA ریبوزومی که در ساختار ریبوزوم شرکت دارند. این RNA ها به صورت پیش ساز ساخته می‌شوند که طی فرآیندهای آنزیمی بالغ می‌شوند.

متابولیزم پروتئین

پروتئینها در یک کمپلکس RNA پروتئینی به نام ریبوزوم ، با یک توالی اسید آمینه‌های خاص در طی ترجمه اطلاعات کد شده در RNA پیک ، سنتز می‌گردند. اسیدهای آمینه‌ای که توسط کدونهای RNA پیک مشخص می‌گردند، از کلمات سه حرفی نوکلئوتیدی تشکیل شده‌اند. برای ترجمه نیاز به مولکولهای RNA ناقل می‌باشد که با شناسایی کدونها ، اسیدهای آمینه را در موقعیتهای متوالی مناسب خود در داخل زنجیر پلی پپتیدی قرار می‌دهند. بعد از سنتز بسیاری از پروتئینها به موقعیتهای خاص خود در داخل سلول هدایت می‌شوند.

تنظیم بیان ژن

بیان ژنها توسط فرآیندهایی تنظیم می‌شود که بر روی سرعت تولید و تخریب محصولات ژنی اثر می‌گذارند. بیشتر این تنظیم در سطح شروع رونویسی و بواسطه پروتئینهای تنظیمی رخ می‌دهد که رونویسی را از پروموتورهای اختصاصی مهار یا تحریک می‌کنند. اثر مهارکننده ها را تنظیم منفی و فعال شدن را تنظیم مثبت گویند. پروتئینهای تنظیمی ، پروتئینهای اتصالی DNA هستند که توالیهای اختصاصی از DNA را شناسایی می‌کنند. هورمونها بر روی تنظیم بیان ژن تأثیر دارند. موجودات یوکاریوت و پروکاریوت دارای مکانیزمهای متفاوتی برای تنظیم بیان ژنهای خود دارند.

فناوری DNA نوترکیبی

با استفاده از فناوری DNA نو ترکیبی مطالعه ساختمان و عملکرد ژن بسیار آسان شده است. جداسازی یک ژن از یک کروموزوم بزرگ نیاز دارد به، روشهایی برای برش و دوختن قطعات DNA ، وجود ناقلین کوچک که قادر به تکثیر خود بوده و ژنها در داخل آنها قرار داده می‌شوند، روشهایی برای ارائه ناقل حاوی DNA خارجی به سلولی که در آن بتواند تکثیر یافته و کلنیهایی را ایجاد کند و روشهایی برای شناسایی سلولهای حاوی DNA مورد نظر. پیشرفتهای حاصل در این فناوری ، در حال متحول نمودن بسیاری از دیدگاههای پزشکی ، کشاورزی و سایر صنایع می‌باشد.