سلول‌های موجودات زنده دارای مولکول‌ های اطلاعاتی هستند که مانند دستورالعملی برای ساخت سلول و نحوه فعالیت‌های آن عمل می‌کنند. این مولکول‌ های اطلاعاتی که ساختارهایی نظام‌مند دارند، با شکل‌دهی روندی پیچیده این امکان را ایجاد کرده‌اند که جانداران به حیات خود ادامه داده و تولیدمثل کنند. نوکلئيک اسیدها مولکول‌هایی هستند که ما به عنوان مولکول های اطلاعاتی سلول‌های مختلف می‌شناسیم.

یکی از مهم‌ترین دلایل اهمیت شناخت مولکول های اطلاعاتی این نکته است که DNA سلول‌ها در حین تقسیم سلولی از سلول والد به سلول‌های دختری به ارث می‌رسد، بنابراین این دسته از مولکول‌ها از نسلی به نسل بعد رفته و ویژگی‌های جانداران را منتقل می‌کنند. ما در این مطلب از مجله فرادرس یاد خواهیم گرفت که RNA و DNA در سلول چه وظایفی برعهده دارند، ساختار آن‌ها چیست و چطور از مولکول‌های DNA که مولکول های اطلاعاتی هستند به پروتئین‌هایی می‌رسیم که علاوه بر وظایف ساختاری، در سلول‌ها و بافت‌ها وظایف اجرایی نیز برعهده دارند.

مولکول های اطلاعاتی

درون تمام انواع سلول‌ها فارغ از تک سلولی بودن یا پرسلولی بودن جاندار، مولکول‌ های اطلاعاتی با هدف تعیین خصوصیات جاندار و انتقال این ویژگی‌ها به نسل بعد وجود دارند. پیش از کشف اسیدهای نوکلئيک تصور می‌شد که پروتئین‌ها مسئول تعیین ویژگی‌های سلول‌ها هستند، اما با کشف اسیدهای نوکلئیک و آزمایش‌های متعددی که برای کشف وظایف آن‌ها انجام شد، مشخص شد که اسیدهای نوکلئیک مولکول های اطلاعاتی سلول‌ها هستند.

موضوع مولکول های اطلاعاتی در فصل اول زیست‌شناسی دوازدهم بررسی می‌شود. یادگیری این مبحث پایه‌ای برای مباحث مربوط به ژنتیک مولکولی است که پیچیدگی‌های خاص خود را دارد. توصیه می‌کنیم که برای یادگیری کامل این بخش‌های کتاب درسی از فیلم‌ آموزش زیست‌شناسی دوازدهم فرادرس استفاده کنید. لینک دسترسی به بخش اول این فیلم آموزشی را برای دسترسی ساده‌تر در کادر زیر درج کرده‌ایم.

نوکلئیک اسیدهای موجود در سلول‌ها به دو دسته تقسیم می‌شوند که آن‌ها را با عناوین DNA و RNA می‌شناسیم. این دو دسته از لحاظ ساختاری با یکدیگر تفاوت اندکی دارند اما هر کدام از آن‌ها وظایف به خصوصی را برعهده گرفته است که برای بقای سلول حیاتی هستند.

DNA بیشتر به عنوان ماده ژنتیکی اصلی سلول شناخته می‌شود، زیرا ماده وراثتی تمام موجودات زنده به حساب می‌آید. بعضی از ویروس‌ها از RNA به عنوان ماده ژنتیکی اصلی خود استفاده می‌کنند، اما با توجه به این نکته که ویروس‌ها موجود زنده به حساب نمی‌آیند، نمی‌توانیم بگوییم که RNA نیز در گروهی از جانداران ماده ژنتیکی اصلی است.

RNA در سلول‌ها وظایف پیچیده‌ای دارد که به چند دسته تقسیم می‌شوند، اما گسترده‌ترین دسته از انواع RNAها، متعلق به RNAهای پیام‌رسان است که حاصل رونویسی از DNA هستند و نسخه‌ای مورد استفاده سلول برای ساخت پروتئين هستند. RNA ریبوزومی و RNA ناقل نیز در این فرآیند نقش دارند، زیرا RNA ریبوزومی در ساختار ریبوزوم حضور دارد که ماشین سازنده پروتئین‌ها است و RNA ناقل نیز مسئول آوردن آمینواسیدهای مورد نیاز ریبوزوم به جایگاه مختص به اضافه شدن آمینواسید به رشته پلی‌پپتیدی به حساب می‌آید.

در بدن انسان مولکول‌های متعددی برای انتقال اطلاعات وجود دارند، برای مثال می‌دانیم که انواع مختلف هورمون‌ها پیامی را از بخشی به بخش دیگری از بدن می‌برند یا انتقال‌دهنده‌های عصبی پیام‌های عصبی را منتقل می‌کنند؛ اما این مولکول‌ها جزو مولکول های اطلاعاتی به حساب نمی‌‌آیند. مبحث مولکول های اطلاعاتی در سطح سلولی مطرح و بررسی می‌شود و درون یک سلول ما سه کاندیدا برای بررسی به عنوان مولکول های اطلاعاتی داشتیم که پروتئين‌ها را کنار گذاشته و در نهایت DNA و RNA را به عنوان مولکول های اطلاعاتی سلول‌ها پذیرفتیم.

از DNA به RNA و پروتئین

بسیاری از ژن‌ها کدکننده محصولات پروتئینی هستند، این جمله یعنی توالی ژن تعیین می‌‌کند که چه آمینواسید‌هایی و با چه ترتیبی در کنار یکدیگر قرار بگیرند تا زنجیره پلی‌پپتیدی ساخته شود.توالی پلی‌پپتیدی اولین سطح از سطوح مختلف ساختار پروتئین‌ها است و با تشکیل آن مسیر شکل‌گیری ساختار سه بعدی پروتئین‌ها شروع می‌شود تا در نهایت به مولکول‌هایی فعال و کاربردی برسیم.

برای انتقال اطلاعات ثبت شده در DNA و ساخت پروتئین به مولکول دیگری نیاز است که به آن «RNA پیام‌رسان» (Messenger RNA | mRNA) می‌گوییم، زیرا این مولکول به عنوان حد واسطی میان DNA سلولی و ریبوزوم‌ها فعالیت می‌کند.

ریبوزوم ماشین ترجمه سلول است، این اندامک سلولی توانایی خواندن توالی mRNA و تولید پروتئین متناظر با توالی آن را دارد. در زیست‌شناسی مولکولی به این فرآیند گام‌به‌گامی که از DNA مولکول RNA ساخته می‌شود و با ترجمه توالی RNA پروتئین تولید می‌شود، «سنترال دوگما» (Central Dogma) می‌گوییم.

یکی از نکته‌هایی که باید به یاد داشت این است که تمام ژن‌ها کدکننده پروتئین نیستند. در ادامه تعدادی از محصولات رونویسی از ژن‌های مختلف را مثال می‌زنیم که جزو محصولات پروتئینی به حساب نمی‌‌آیند.

• RNAهای ریبوزومی: این نوع از RNAها در ساختار ریبوزوم‌ها وجود دارند.
• RNAهای ناقل: این RNAها که ساختاری مشابه با برگ شبدر دارند، ناقل آمینواسیدها برای فرآیند سنتز پروتئین‌‌ها هستند.
• میکرو RNAها: این دسته از RNAها که اندازه کوچکی دارند، به عنوان تنظیم کنندگان بیان ژن‌ها فعالیت دارند.

مولکول‌های وراثتی چیست؟

حیات سلول و موجودات زنده به توانایی سلول‌ها برای ذخیره، اصلاح و ترجمه دستورالعمل‌های ژنتیکی بستگی دارد که برای حفظ و ایجاد خصوصیات مربوط به موجود زنده مورد نیاز هستند. این اطلاعات وراثتی از یک سلول در طی تقسیم سلولی به سلول دختری منتقل می‌شود و نسل جدیدی از موجود زنده را به وجود می‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌آورند.

DNA مولکول وراثتی انسان و اکثر موجودات زنده است و در سلول‌های یوکاریوتی در اندامکی غشادار به نام هسته سلول محفوظ است، اما در پروکاریوت‌ها که فاقد اندامک‌های غشادار هستند DNA را در بخش خاصی از سیتوپلاسم می‌بینیم. در صورتی که علاقه به آشنایی با این اجزای سلولی دارید، مطالعه مطلب «اجزای سلول چیست؟ – از صفر تا صد» را به شما پیشنهاد می‌دهیم، تا به شیوه‌ای مختصر و مفید با سلول‌های یوکاریوتی و پروکاریوتی و هم اجزای ساختاری آن‌ها آشنا شوید.

اطلاعات ژنتیکی موجود در هر سلول زنده‌ای در قالب ژن‌هایی ذخیره شده‌اند که روش ساخت یک نوع پروتئین را با استفاده از توالی خود برای سلول ذخیره کرده‌اند، البته باید توجه داشت که بعضی پروتئین‌های پیچیده حاصل کنار هم قرارگیری پلی‌پپتیدهای کد شده توسط ژن‌های مختلف هستند.

تفاوت مولکول های اطلاعاتی و مولکول‌های وراثتی

مولکول‌های اطلاعاتی شامل DNA و RNAهای موجود در سلول هستند، اما مولکول وراثتی همه موجودات زنده DNA است و RNA را به عنوان مولکول وراثتی نمی‌شناسیم. RNA مولکول وراثتی بعضی از ویروس‌ها است اما چون آن‌ها موجود زنده به حساب نمی‌آیند، نمی‌توان گفت که مولکول‌‌های اطلاعاتی تفاوتی با مولکول‌های وراثتی ندارند.

اسیدهای نوکلئیک

«اسیدهای نوکلئیک» (Nucleic Acids) و به طور خاص DNA، ماکرومولکول‌های اصلی تعیین کننده تداوم حیات هستند. DNA موجود در سلول‌های جانداران همان مولکولی است که از والدین به فرزندان به ارث می‌رسد و به این ترتیب سلول‌ها به دستورالعملی برای ساخت پروتئین‌های مورد نیاز خود دسترسی پیدا می‌کنند. پروتئین‌ها مسئولین ساخت و حفظ فعالیت‌های سلول‌ها، بافت‌ها و موجودات زنده هستند و همین نقش حیاتی آن‌ها به ما نشان می‌دهد که توالی DNA یک سلول از چه میزان اهمیتی برخوردار است.

DNA تنها اسیدنوکلئیک موجود در سلول‌ها نیست، در حقیقت اسیدهای نوکلئیک به طور طبیعی در دو فرم مختلف وجود دارند که در ادامه آن‌ها را نام می‌بریم و تصویر ساختار مولکولی آن‌ها را می‌بینیم.

• «دئوکسی‌ریبونوکلئیک اسید» (Deoxyribonucleic Acid | DNA)
• «ریبونوکلئيک اسید» (Ribonucleic Acid | RNA)

DNA ماده ژنتیکی موجود در سلول‌های موجودات زنده است و طیف حضور این مولکول به حدی گسترده است که اطلاعات ژنتیکی باکتری‌ها تا موجودات پر سلولی و پیشرفته‌ای مانند انسان در غالب مولکول‌های DNA حفظ می‌شوند. بعضی از ویروس‌های از RNA به عنوان ماده ژنتیکی اصلی خود استفاده می‌کنند اما ویروس‌ها جزو موجودات زنده به حساب نمی‌‌آیند.

وظایف اسیدهای نوکلئيک

اسیدهای نوکلئیک به عنوان مولکول های اطلاعاتی سلول‌ها وظایف خاصی را برعهده دارند که در ادامه با آن‌ها آشنا می‌شویم.

1. اسیدهای نوکلئيک مسئول انتقال صفات وراثتی از والدین به فرزندان هستند.
2. این ماکرومولکول‌های زیستی مسئول ساخت پروتئین‌ها در بدن هستند.
3. انگشت‌نگاری ‌DNA روشی است که توسط متخصصان برای تعیین والدین یک فرد استفاده می‌شود. از این روش برای شناسایی مجرمین و حتی مطالعه تکامل زیستی و ژنتیکی نیز استفاده می‌شود.

با توجه به این موارد می‌توان گفت که اسیدهای نوکلئیک چنان نقش حیاتی در سلول‌ها و بدن موجودات زنده دارند که مطالعه ساختار آن‌ها برای درک بسیاری از اتفاقات درون‌سلولی ضروری است، بنابراین در بخش‌های بعدی با نوکلئوتیدها آشنا می‌شویم که واحدهای سازنده اسیدهای نوکلئیک هستند.

نوکلئوتیدها

DNA و RNA پلیمرهایی هستند که واحدهای سازنده آن‌ها «نوکلئوتیدها» (Nucleotides) هستند. زمانی که تعدادی از این نوکلئوتیدها کنار یکدیگر قرار بگیرند، زنجیره‌هایی ساخته می‌شوند که به آن‌ها «پلی‌نوکلئوتید» (Polynucleotide) می‌گوییم. ساختار هر نوکلئوتید از ۳ بخش تشکیل شده است که در ادامه آن‌ها را نام می‌بریم.

• باز نیتروژن‌‌دار
• قند پنج کربنه
• حداقل یک گروه فسفات

شیوه سازمان‌دهی شدن این بخش‌های مختلف به نحوی است که مولکول قند در موقعیت مرکزی نوکلئوتید قرار گرفته است. یک مولکول باز به یکی از کربن‌های قند و گروه فسفات نیز به کربنی دیگر متصل می‌شوند. پیش از آن که به سراغ آشنایی کامل با هر کدام از این بخش‌ها برویم، در تصویر زیر با ساختار کلی نوکلئوتید‌ها آشنا می‌شویم.

بازهای نیتروژن‌دار

بازهای نیتروژن‌داری که در ساختار نوکلئوتیدها وجود دارند، مولکول‌هایی آلی هستند که در ساختار حلقوی آن‌ها اتم نیتروژن نیز حضور دارد. دلیل حضور کلمه «باز» در نام این مولکول‌ها به خاصیت بازی آن‌ها برمی‌گردد که آن را به واسطه حضور نیتروژن در ساختار خود به دست آورده‌اند. بعضی از نیتروژن‌هایی که در این مولکول‌ها حضور دارند می‌توانند پروتونه شوند، یعنی قادر به جذب یون هیدروژن ($$text{H}^+$$) هستند، بنابراین بازهای نیتروژن‌دار زمانی که در یک حلال حل شوند می‌توانند باعث کاهش غلظت یون هیدروژن موجود در محلول می‌شوند و به این ترتیب خاصیت بازی آن‌ها خود را نشان می‌دهد.

هر نوکلئوتیدی در ساختار مولکول DNA می‌تواند حاوی یکی از چهار باز آلی زیر باشد.

• «آدنین» (Adenine | A)
• «گوانین» (Guanine | G)
• «سیتوزین» (Cytosine | C)
• «تیمین» (Thymine | T)

این چهار باز را می‌توان بر اساس تعداد حلقه‌های ساختاری آن‌ها به دو دسته زیر تقسیم کرد.

1. پورین‌ها: آدنین و گوانین جزو دسته پورین‌ها به حساب می‌آیند که در ساختار آن‌ها دو حلقه نیتروژن‌دار متصل به هم قابل مشاهده است.
2. پیریمیدین‌ها: تیمین و سیتوزین در گروه پیریمیدین‌ها قرار دارند. در ساختار این دسته از بازهای آلی تنها یک حلقه کربنی نیتروژن‌دار وجود دارد.

در ساختار RNA سه نوکلئوتید آدنین، گوانین و سیتوزین وجود دارند، اما به جای تیمین از پیریمیدین دیگری استفاده می‌شود که آن را با عنوان «یوراسیل» (Uracil | U) می‌شناسیم.

قند

نوکلئوتیدهای سازنده DNA با RNA متفاوت هستند و یکی از دلایل این تفاوت نیز در مولکول‌های قند متفاوتی است که در ساختار آن‌ها وجود دارند. در ادامه قندهای موجود در هر دو این مولکول‌ها را معرفی می‌کنیم.

• DNA: دئوکسی‌ریبوز
• RNA: ریبوز

تنها تفاوتی که میان ریبوز و دئوکسی‌ریبوز وجود دارد این است که در کربن شماره دو ریبوز یک گروه هیدروکسیل وجود دارد، در حالی که موقعیت کربن شماره ۲ دئوکسی‌ریبوز با یک هیدروژن اشغال شده است. کربن‌های ساختاری مولکول قند را به صورت ‘۱، ‘۲، ‘۳، ‘۴، ‘۵ نام‌گذاری می‌کنیم، زیرا مولکول‌ قند در بخش میانی ساختار نوکلئوتیدها قرار می‌گیرد و باز نیتروژن‌دار و گروه فسفات به آن متصل می‌شوند، بنابراین باید محل اتصال آن‌ها مشخص شود.

در ساختار نوکلئوتید‌ها باز نیتروژن‌دار به کربن شماره یک (‘۱) و گروه یا گروه‌های فسفات به کربن شماره پنج (‘۵) متصل می‌شوند. اتصال بازهای نیتروژن‌دار به کربن ‘۱ مولکول قند از طریق پیوندی انجام می‌شود که آن را با نام «پیوند ان-گلیکوزیدی» (N-glycosidic Bond) می‌شناسیم.

گروه فسفات

نوکلئوتیدها ممکن است تنها یک گروه فسفات داشته باشند، اما این امکان هم وجود دارد که زنجیره‌ای متشکل از سه فسفات به کربن شماره پنج (‘۵) قند متصل شده باشد. درون سلول نوکلئوتیدی که دارای سه گروه فسفات باشد را فقط در یکی از دو سر زنجیره پلی‌نوکلئوتیدی می‌بینیم، زیرا در زمان طویل‌سازی DNA یا RNA با اضافه شدن یک نوکلئوتید به زنجیره پلی‌نوکلئوتیدی در حال ساخت، دو گروه فسفات نوکلئوتید جدا می‌شوند و به این ترتیب در نوکلئوتیدهای میانی یک زنجیر نوکلئوتیدی با ۳ گروه فسفات مشاهده نمی‌شود.

زنجیره‌های پلی‌نوکلئوتیدی

زنجیره‌های پلی‌نوکلئوتیدی که حاصل کنار هم قرارگیری تعدادی نوکلئوتید هستند، ویژگی‌های خاصی دارند که ریشه بعضی از آن‌ها را می‌توان در همین واحدهای سازنده جست‌وجو کرد. یکی از این ویژگی‌ها سوگیری زنجیره‌های پلی‌پپتیدی است که آن را می‌توان به این شیوه توضیح داد که دو انتهای زنجیره پلی‌نوکلئوتیدی با یکدیگر متفاوت هستند و بار متفاوتی نیز دارند.

در «سر ‘۵» زنجیره که آن را به عنوان نقطه آغازین زنجیری پلی‌پپتیدی می‌شناسیم، سه گروه فسفات متصل به کربن شماره پنج قند برای ایجاد پیوند برش داده نشده‌اند و همچنان به مولکول‌ متصل هستند. در انتهای دیگر زنجیره که آن را با عنوان «سر ‘۳» می‌شناسیم، گروه هیدروکسیل متصل به کربن ۳ آخرین نوکلئوتید زنجیره در دسترس است و به این ترتیب در یک سر این زنجیره گروه‌های فسفات و در سر دیگر گروه هیدروکسیل را می‌بینیم.

توالی DNA به طور معمول از سمت ‘۵ به سر ‘۳ نوشته می‌شود و این به این معنی است که در هنگام ساخت رشته، نوکلئوتید سر ‘۵ اولین نوکلئوتیدی بوده است که در رشته قرار گرفته است و نوکلئوتید دوم به آن اضافه شده است، به همین ترتیب رشته ساخته می‌شود و نوکلئوتید پایانی زنجیره نیز نوکلئوتیدی خواهد بود که گروه هیدروکسیل آن آزاد است و انتهای ‘۳ DNA را می‌سازد. این روند ساخت را در متون زیست‌شناسی به این صورت توصیف می‌کنیم که رشته DNA در جهت ‘۵ به ‘۳ ($$۵’ rightarrow ۳’$$.

اتصال دو نوکلئوتید در حین ساخت زنجیره پلی‌نوکلئوتیدی به وسیله نوعی پیوند کووالانسی صورت می‌گیرد که به آن «پیوند فسفودی‌استر» (‌Phosphodiester Bond) می‌گوییم و مولکولی که تشکیل شده است نیز با عنوان «دی‌نوکلئوتید» (Dinucleotide) توصیف می‌شود.

ساختار ثانویه اسید‌های نوکلئیک

ساختار ثانویه اسید‌های نوکلئیک به ارتباطات بین جفت بازها در رشته‌های پلی‌نوکلئوتیدی تک رشته‌ای و دو رشته‌ای اشاره دارد. ساختار ثانویه زیستی DNA با RNA به طور معمول متفاوت است. DNA در اکثر اوقات به صورت مارپیچ دو رشته‌ای وجود دارد که همین ساختار را به عنوان ساختار ثانویه آن می‌شناسیم، اما در مورد RNA با توجه به تک رشته‌ای بودن آن شرایط دیگری پیش می‌آید.

RNA تک رشته‌ای ساختار ثانویه پیچیده‌ای را از طریق جفت شدن بازهای درون همان یک رشته ایجاد می‌کند، یعنی برای مثال باز شماره ۱ با باز شماره ۱۰ جفت می‌شود و با ایجاد پیوند هیدروژنی میان آن‌ها شاهد تشکیل یک «لوپ» (Loop) یا حلقه و «ساقه» (Stem) هستیم. در بخش ساقه نوکلئوتیدهایی وجود دارند که با یکدیگر جفت می‌شوند اما در بخش حلقه نوکلئوتید‌ها نمی‌توانند با یکدیگر جفت شده و پیوند هیدروژنی تشکیل دهند. جفت شدن بازهای RNAها ساختارهای ثانویه دیگری نیز ایجاد می‌کنند که در نهایت هدف از تشکیل همه انواع آن‌ها افزایش ثبات این مولکول و کمک به انجام فعالیت‌های آن است.

یادگیری مولکول‌های زیستی با فرادرس

یکی از مهم‌ترین بخش‌‌های زیست‌شناسی، شناخت مولکول‌های موثر در حیات است که به چهار دسته اصلی پروتئین‌ها، کربوهیدرات‌ها، لیپیدها و اسیدهای نوکلئیک تقسیم می‌شوند. تا اینجای این مطلب با هدف قرار دادن مولکول های اطلاعاتی سلول‌ها، با اسید‌های نوکلئیک آشنا شدیم، اما این آشنایی مختصر تنها بخش کوچکی از علمی است که آن را با عنوان «بیوشیمی» می‌شناسیم.

در بستر تحقیقات بیوشیمی با واکنش‌ها، ساختار و فعالیت انواع مختلف مولکول‌های زیستی آشنا می‌شویم و به همین واسطه می‌توان گفت که تمام فعالیت‌های سلولی مطالعه می‌شوند. یادگیری بیوشیمی با توجه به گستردگی مباحث آن می‌تواند یکی از چالش‌برانگیزترین بخش‌های تسلط به زیست‌شناسی باشد، بنابراین استفاده از فیلم‌های آموزشی که همواره در دسترس باشند، می‌تواند سرعت یادگیری را افزایش دهد. فرادرس با پیش‌بینی نیازهای علم‌آموزان فیلم‌های آموزشی متنوعی تهیه و منتشر کرده است که در ادامه لینک تعدادی از آن‌ها را در اختیار شما قرار می‌دهیم.

DNA

«دئوکسی‌ریبونوکلئيک اسید» (Deoxyribonucleic Acid | DNA) ماده ژنتیکی اصلی سلول‌های انسان و بسیاری از جانداران از قبیل باکتری‌ها، آغازیان، گیاهان و… است. به طور تقریبی می‌توان گفت که تمام سلول‌های موجود در بدن انسان دارای DNA یکسانی هستند.

در سلول‌های جانداران یوکاریوت، مانند گیاهان و حیوانات، مولکول DNA در هسته قرار دارد که اندامکی غشادار است، اما در این جانداران به جز ماده ژنتیکی اصلی سلول، DNA اندامکی نیز داریم که درون اندامک‌های کلروپلاست و میتوکندری قرار دارد. در پروکاریوت‌ها که بارزترین مثال آن‌ها باکتری‌ها هستند، DNA در ساختار بسته‌ای مانند هسته وجود ندارد و DNA سلول را در ناحیه خاصی از سیتوپلاسم به نام «نوکلئوئید» (Nucleoid) می‌بینیم.

DNA یوکاریوت‌ها به طور معمول به تعدادی قطعه خطی و بسیار بلند تقسیم شده است که به آن‌ها «کروموزوم» (Chromosome) می‌گوییم، اما در پروکاریوت‌ها DNA سلولی شرایطی متفاوت دارد. در این جانداران کروموزوم‌ها به شکل حلقوی و در اندازه‌ای بسیار کوچک‌تر از کروموزوم‌های یوکاریوتی وجود دارند.

یک کروموزوم ممکن است حاوی ده‌ها هزار ژن باشد و هر یک از این ژن‌ها اطلاعات لازم برای ساخت محصولی را رمزگذاری کرده باشند که حضور آن‌ها برای فعالیت‌های سلول ضروری است.

ژن چیست؟

«ژن‌ها» (Genes) واحدهای وراثتی دارای عملکرد سلول‌ها هستند. ژن‌ها از والدین به فرزندان یا در مقیاس سلولی از سلول والد به سلول‌های دختری به ارث می‌رسند و دارای اطلاعات مورد نیاز برای ویژگی‌های فیزیکی و زیستی خاص آن جاندار هستند. بیشتر ژن‌ها کدکننده پروتئینی خاص یا قطعه‌ای از پروتئین‌هایی هستند که انجام وظایف خاصی را در بدن برعهده دارند. انسان‌ها به طور تقریبی دارای ۲۰ هزار ژن کدکننده پروتئین هستند.

به طور معمول سلول‌های انسان‌ها دارای دو نسخه از هر ژن هستند که هر یک را از یکی از والدین خود به ارث برده‌اند. بسیاری از ژن‌ها نیز در تمام افراد ساختاری مشابه دارند، اما کمتر از ۱ درصد ژن‌ها در بین افراد مختلف تفاوت‌های کمی دارند. به انواع مختلف یک ژن خاص که در توالی DNA خود دارای تفاوت‌های اندکی هستند، «آلل» (Allele) می‌گوییم. این تفاوت‌های اندک باعث ویژگی‌های متفاوت افراد مختلف می‌شود. برای مثال آلل‌های متفاوتی که برای گروه خونی وجود دارند، باعث ایجاد گروه‌های خونی متفاوت انسان‌ها شده‌اند.

خصوصیات DNA

«دئوکسی‌ریبونوکلئیک اسید» (Deoxyribonucleic Acid) که آن را بیشتر با عنوان اختصاری آن یعنی «DNA» یاد می‌کنیم، به طور معمول در سلول‌ها به شکل ماریپچ دو رشته‌ای دیده می‌شود. منظور از مارپیچ دو‌ رشته‌ای این است که دو زنجیره DNA که از لحاظ توالی نوکلئوتیدی مکمل یکدیگر هستند، مقابل یکدیگر قرار گرفته و به وسیله پیوندهای هیدروژنی به یکدیگر متصل شده‌اند.

بخش‌های قند و فسفات ساختار نوکلئوتید‌ها در بخش کناری مارپیچ قرار می‌گیرند و ستون فقرات DNA را می‌سازند. به این بخش از مولکول DNA گاهی «ستون قند-فسفات» (Sugar-Phosphate Backbone) نیز گفته می‌شود. بازهای نیتروژنی در این ساختار دو رشته‌ای در قسمت میانی دو ستون قند-فسفات قرار می‌گیرند و به این ترتیب اگر مولکول‌ DNA دو رشته‌ای را یک نردبان تصور کنیم، بازهای آلی مانند پله‌های نردبان هستند.

در ساختار DNA دو رشته‌ای بازهای آلی دو به دو با یکدیگر جفت می‌شوند و خاصیت مکمل بودن دو رشته نیز حاصل همین جفت‌شدگی بازهای نیتروژن‌دار است. این اتصال بازهای آلی و تشکیل پیوند هیدروژنی قاعده‌مند است و هر نوکلئوتید فقط با نوکلئوتید مکمل خود جفت می‌شود که در ادامه آن‌ها را مشخص کرده‌ایم.

• سیتوزین با گوانین با ایجاد ۳ پیوند هیدروژنی جفت می‌شود.
• آدنین با تیمین با ایجاد ۲ پیوند هیدروژنی جفت می‌شود.

بنابراین دو رشته مکمل به شکلی ساخته می‌شوند که مقابل هر سیتوزینی یک گوانین و مقابل هر آدنینی یک تیمین قرار داشته باشد. نتیجه این توالی‌های مکمل این است که هنگام نزدیک شدن بازهای نیتروژن‌دار دو رشته، بین آن‌ها پیوند هیدروژنی تشکیل می‌شود و دو رشته به یکدیگر می‌چسبند.

جفت شدن دو رشته مکمل یک نکته مهم دیگر نیز دارد. این رشته‌ها به صورت ناموازی در برابر یکدیگر قرار می‌گیرند، یعنی سر ‘۵ فسفات یک رشته در مقابل سر ‘۳ رشته دیگر قرار می‌گیرد. این شیوه قرارگیری در زمان همانندسازی و رونویسی DNA اهمیت بسیار بالایی دارد، برای مثال تعیین جهت حرکت آنزیم‌های DNA پلیمراز و ‌RNA پلیمراز متناسب با این جهت‌گیری‌ خواهد بود.

با توجه به این توضیحات می‌توان با داشتن توالی یک رشته از DNA، توالی رشته مقابل را نوشت. برای مثال می‌توان با داشتن توالی $$۵’text{-AATTGGCC-}۳’$$

چرا DNA ساختار مارپیچ دو رشته‌ای دارد؟

ساختار مارپیچ دوگانه به DNA این امکان را می‌دهد که همانندسازی کند یا از روی آن برای ساخت پروتئین رونویسی شود. در این فرآیندها دو رشته DNA از یکدیگر جدا شده و پیوند هیدروژنی میان آن‌ها شکسته می‌شود تا از توالی DNA به عنوان الگویی برای ساخت DNA یا RNA استفاده شود.

مارپیچی بودن ساختار DNA چند دلیل دارد که ریشه در ساختار مولکولی آن دارد. در حین معرفی نوکلئوتیدها به عنوان واحدهای سازنده DNA یاد گرفتیم که هر نوکلئوتید از سه بخش ساختاری زیر تشکیل شده است.

1. قند دئوکسی‌ریبوز
2. باز نیتروژن‌دار
3. فسفات

از بین این سه بخش ساختاری، قند و فسفات بخش‌های آب‌دوست یک مولکول نوکلئوتید هستند، اما بازهای نیتروژن‌دار ساختار نوکلئوتیدها یعنی تیمین، سیتوزین، گوانین و آدنین آب‌گریز هستند و به این ترتیب بخشی از نوکلئوتیدها محلول در آب و بخشی دیگر نامحلول در آب است.

بیشتر فضای هر سلولی با آب اشغال شده است و قرار دادن مولکول‌هایی که بخشی از آن آب‌دوست و بخشی آب‌گریز است در محیط آبی سلول باعث می‌شود که ساختار فضایی این مولکول‌ها به نحوی تشکیل شود که بخش‌های آب‌دوست در تماس با مولکول‌های آب و بخش‌های آب‌گریز در تماس با یکدیگر باشند. بنابراین باز‌های نیتروژن‌دار دو رشته DNA تمایل دارند که به یکدیگر متصل شوند.

با تشکیل DNA دو رشته‌ای تنها بخشی از مشکل حل شده است، زیرا اگر مولکول DNA دو رشته‌ای را یک نردبان در نظر بگیریم، هنوز بین بازهای آلی (پله‌های نردبان) فاصله‌ای وجود دارد که آب می‌تواند به آن نفوذ کند. یکی از راه‌حل‌های این مشکل این است که این فاصله از بین برود و مولکول شبیه یک ردیف کاشی‌کاری شده پیاده‌رو شود، اما در این صورت چالش جدیدی پیش‌روی مولکول قرار می‌گیرد. در این نوع از آرایش فضایی اتم‌های همسایه به یکدیگر فشار می‌آورند و این موضوع نیز می‌تواند مولکول را ناپایدار سازد.

برای جلوگیری از برخورد اتم‌های مجاور به یکدیگر، باید مولکول DNA که فاصله بین بازهای نیتروژن‌دار آن حذف شده است، مقداری پیچ بخورد و مارپیچی را تشکیل دهد که در آن همه اتم‌ها فضای کافی در اختیار دارند.

روند کشف DNA

DNA در سال ۱۸۶۹ میلادی توسط بیوشیمی‌دان سوئیسی، فریدریش میشر کشف شد. او در تلاش برای تعیین ترکیب شیمیایی لکوسیت‌ها (گلبول‌های سفید) بود که در طی آزمایش‌های مختلف به ترکیب موجود در هسته علاقه‌مند شد، زیرا زمانی که این ترکیبات را در محلول اسیدی قرار می‌داد، ته‌نشینی مشاهده می‌کرد که آن را «نوکلئین» (Nuclein) نامید.

کمی بعد میشر، ریچارد آلتمن و آلبرشت کوسل خصوصیات نوکلئین را تعیین کردند، سپس آلتمن نام آن را به «نوکلئیک اسید» تغییر داد. تحقیقات کوسل نشان داد که نوکلئیک اسید دارای بازهای پورین و پیریمیدین، یک قند و فسفات است. مطالعات دانشمندان روی نوکلئیک اسید در دهه ۱۹۳۰ میلادی ادامه یافت تا نقطه‌ای که آن‌ها متوجه شدند که در ساختار نوکلئيک اسید‌ها چهار باز مختلف و دئوکسی‌ریبوز وجود دارند و به این ترتیب مولکول DNA شناخته شد.

اروین چارگاف با تحقیقات خود متوجه شد که پراکندگی بازهای آلی در ساختار مولکول‌های DNA به صورت اتفاقی رخ نداده است و میزان بازهای نیتروژن‌دار سیتوزین با گوانین و آدنین با تیمین برابر است. برای مثال می‌توان گفت که در ژنوم انسان درصد حضور هر یک از این بازهای آلی به صورت زیر است.

• ۲۰ درصد سیتوزین
• ۲۰ درصد گوانین
• ۳۰ درصد آدنین
• ۳۰ درصد تیمین

طبق قانون چارگاف در DNA میزان A+G همیشه برابر با C+T است که درصدهای بالا نیز اثباتی برای این موضوع هستند.

آزمایش گریفیت

با وجود فعالیت دانشمندانی مانند میشر تا سال ۱۹۲۸ دانشمندان از این حقیقت که DNA ماه ژنتیکی اصلی سلول است، اطلاعی نداشتند. در این سال دانشمندی به نام فردریک گریفیت نشان داد که سلول‌های زنده می‌توانند به وسیله عصاره سلول‌های کشته شده (به دلیل در معرض گرما بودن) تحت تاثیر قرار بگیرند و از لحاظ ژنتیکی دچار تغییر شوند.

گریفیت آزمایشات خود را با دو سویه از باکتری استرپتوکوک پنومونیه (Streptococcus pneumoniae) پیش می‌برد که یکی از آن‌ها دارای کپسول بود، در حالی که دیگری فاقد ساختار کپسول در اطراف غشای سلولی بود. این دو سویه به را با علائم اختصاری زیر می‌شناسیم.

• استرپتوکوک پنومونیه کپسول‌دار: سویه S، این سویه بیماری‌زا است.
• استرپتوکوک پنومونیه فاقد کپسول: سویه R، این سویه بیماری‌زا نیست.

گریفیت در طی تحقیقات خود نتایج جالبی از تزریق این دو سویه به موش‌ها به دست آورد. در ادامه مورد به مورد این نتایج را بررسی می‌کنیم.

• تزریق زیرجلدی سویه S به موش‌ها باعث مرگ آن‌ها شد.
• موش‌ها پس از تزریق سویه ‌‌R یا سویه S گرمادیده زنده ماندند.
• تزریق مخلوطی از سویه R و سویه S گرمادیده به موش‌ها منجر به مرگ آن‌ها شد.

نکته جالب در مورد سومین مورد این بود که در خون این موش‌های مرده سویه S سالم دیده می‌شد و این موضوع نشان می‌داد که اطلاعات ژنتیکی سویه S به سویه R منتقل شده و باعث ساخته شدن کپسول به دور این باکتری‌ها شده است.

آزمایش ایوری

در سال ۱۹۴۴ ایوری و دو دانشمند دیگر نشان دادند که DNA همان مولکولی است که می‌تواند باعث تغییر باکتری غیر بیماری‌زا شود. آن‌ها در طی آزمایش‌های خود، DNA سویه S را جدا کردند، سپس با استفاده از فرآیند‌هایی توانستند پروتئین‌ها، لیپیدها، کربوهیدرات‌ها و ریبونوکلئیک‌ اسیدهای (RNA) موجود در عصاره را از بین ببرند.

با این روش این دانشمندان موفق به اثبات این موضوع شدند که تمام تغییرات ایجاد شده به دلیل انتقال DNA است. سپس در ادامه متوجه شدند که در صورتی که DNA خالص شده توسط آنزیم DNAse تخریب شود، انتقال اطلاعات ژنتیکی نیز متوقف می‌شود و سویه R به سویه S تبدیل نمی‌شود.

بسته‌بندی DNA سلول یوکاریوتی

رشته‌های DNA برای آن که در یک سلول باکتریایی یا هسته سلول‌های یوکاریوتی جا شوند، باید ساختاری به شدت متراکم داشته باشند. در یوکاریوت‌ها از پروتئین‌های خاصی به نام «هیستون» (Histone) به منظور متراکم‌سازی رشته DNA و ساخت کروماتین استفاده می‌شود. ساختار پایه کروماتین‌ها «نوکلئوزوم» (Nucleosome) نام دارد. نوکلئوزوم به این صورت ساخته می‌شود که رشته DNA حدود ۲ دور به گرد یک اکتامر هیستونی می‌چرخد. اکتامر هیستونی حاصل کنارهم قرارگیری ۸ زیرواحد پروتئینی است که همه آن‌ها متعلق به خانواده هیستون‌ها هستند.

در گام دوم فشرده‌سازی DNA، نوکلئوزوم‌ها دور یکدیگر پیچ می‌خورند تا رشته‌ای با قطر ۳۰ نانومتر را شکل دهند، این رشته نیز پیچ و تاب می‌خورد تا فیبرهایی ۳۰۰ نانومتری تشکیل شوند. در طی میتوز بسته‌بندی DNA تا جایی ادامه پیدا می‌کند که کروماتیدهایی با قطر ۷۰۰ نانومتر تشکیل می‌شوند.

فشرده‌سازی DNA فرآیندی پویا است، زیرا برای نسخه‌برداری از یک ژن و روشن شدن آن باید DNA ناحیه مد نظر از حالت فشرده در بیاید. با این توضیحات حدس این که فشرده‌سازی DNA یکی از روش‌های خاموش کردن ژن‌ها به حساب می‌آید نیز دشوار نیست.

در هنگام رونویسی از ژن‌ها پروتئین‌های مختلفی در اطراف ژن مشغول فعالیت می‌شوند که این یعنی بسته‌بندی مطلوب DNA برای این شرایط در سطح کروماتین است و به این ترتیب تغییرات شیمیایی هیستون‌ها در باز شدن یا بسته باقی ماندن DNA نقش پررنگی دارد.

RNA

«ریبونوکلئیک اسید» (Ribonucleic Acid | RNA) دسته مهم دیگر اسیدهای نوکلئیک هستند که فعالیت‌های متنوعی در سلول دارند و به همین واسطه انواع مختلفی نیز دارند. از لحاظ شیمیایی RNA شباهت زیادی به DNA دارد، زیرا واحدهای سازنده هر دو آن‌ها نوکلئوتیدها هستند اما در ساختار RNA قند ریبوز به کار رفته است.

مشابه با DNA به کربن شماره ۵ مولکول قند گروه فسفات و به کربن شماره یک نیز باز نیتروژن‌دار متصل است. در ساختار RNA شاهد حضور نوکلئوتیدهایی با بازهای نیتروژن‌دار زیر هستیم.

• آدنین
• گوانین
• سیتوزین
• یوراسیل

RNA به دلیل تک رشته‌ای بودن آسیب‌پذیرتر از DNA است و ساختاری شکننده دارد، بنابراین به طور مرتب در سلول شاهد ساخت و تخریب RNAها هستیم.

انواع RNAها

RNAها وظایف متنوعی را در سلول برعهده دارند و به چهار دسته نیز تقسیم می‌شوند که با عناوین زیر شناخته می‌شوند.

• «RNA پیام‌رسان» (Messenger RNA | mRNA)
• «RNA ریبوزومی» (Ribosomal RNA | rRNA)
• «RNA ناقل» (Transfer RNA | tRNA)
• «RNAهای تنظیم‌گر» (Regulatory RNAs)

در ادامه با اختصاص دادن بخش‌هایی مجزا به هر یک از این انواع RNA‌ها، اطلاعات کامل‌تری در مورد ساختار و فعالیت هر کدام از آن‌ها کسب می‌کنیم.

mRNA

RNA پیام‌رسان یک مولکول حدواسط بین ژن‌های کدکننده پروتئین و محصولات پروتئینی آن‌ها است. اگر سلولی نیاز به ساخت پروتئین خاصی داشته باشد، ژن کدکننده آن پروتئین روشن می‌شود و آنزیم RNA پلیمراز به آن متصل می‌شود. این آنزیم از روی توالی DNA نسخه‌برداری می‌کند که به این فرآیند «رونویسی» می‌گوییم. حاصل رونویسی یک مولکول mRNA است که توالی آن مشابه با توالی ژن مربوطه است. البته باید توجه داشت که در زمان ساخت مولکول RNA به جای استفاده تیمین از یوراسیل استفاده می‌شود.

با این توضیحات می‌توان به این نتیجه رسید که با داشتن توالی DNA یک ژن می‌توان توالی mRNA متناظر آن را نوشت. برای مثال توالی $$۵’text{-AATTGCGC-}۳’$$

پس از ساخته شدن mRNA، ریبوزوم که اندامکی بدون غشا است به آن متصل می‌شود تا با ترجمه mRNA محصول پروتئینی موردنیاز سلول را بسازد. ریبوزوم برای جای‌گذاری آمینواسیدها در رشته پلی‌پپتیدی پروتئین باید روی mRNA کدون به کدون پیش برود. هر کدون توالی سه نوکلئوتیدی مختص به یک آمینواسید است و ریبوزوم با خواندن آن متوجه می‌شود که باید از چه آمینواسیدی استفاده کند.

rRNA

RNA ریبوزومی یکی از اجزای اصلی سازنده ریبوزوم است و چند نقش اساسی در عملکرد ریبوزوم دارد که در ادامه به آن‌ها می‌پردازیم.

• به ریبوزوم برای اتصال به mRNA کمک می‌کند.
• بعضی از rRNAها نقش آنزیمی دارند.

نقش آنزیمی rRNA باعث تشکیل پیوند بین آمینواسیدهای جدید با رشته پلی‌پپتیدی در حال ساخت می‌شود و به این ترتیب rRNA علاوه بر آن که می‌تواند به ریبوزوم کمک کند تا mRNA ترجمه شود، قادر به اثرگذاری روی فرآیند ساخت رشته پلی‌پپتیدی نیز هست. RNAهایی که نقش آنزیمی دارند را با عنوان «ریبوزیم» (Ribozyme) می‌شناسیم.

tRNA

RNA ناقل نیز در فرآیند ترجمه و ساخت پروتئین نقش دارد، اما نقش اصلی این دسته از RNAها حمل آمینواسیدها و آوردن آن‌ها به جایگاه‌ خاصی در ریبوزوم است. روی tRNA یک توالی سه نوکلئوتیدی به نام آنتی‌کدون وجود دارد که مکمل توالی کدون موجود روی mRNA است. زمانی که این دو توالی به یکدیگر متصل شوند، آمینواسید از tRNA جدا شده و به رشته پلی‌پپتیدی در حال ساخت اضافه می‌شود.

RNAهای تنظیم‌گر

بعضی از RNAهایی که در فرآیند تولید پروتئین‌ها نقش ندارند، وظایف دیگری را در سلول بر عهده گرفته‌اند. این دسته از RNAها به تنظیم بیان ژن‌ها کمک می‌کنند و به همین دلیل به آن‌ها «RNAهای تنظیم‌گر» گفته می‌شود. ازجمله این RNAها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

• «میکروRNAها» (MicroRNAs | miRNAs)
• «RNAهای کوچک مداخله‌گر» (Small Interfering RNAs | siRNAs)

این دو RNA تنظیم‌گر طولی در حدود ۲۲ نوکلئوتید دارند و با اهداف خاصی به مولکول‌های mRNA خاصی متصل می‌شوند، در ادامه با تاثیرات این اتصال آشنا می‌شویم.

• کاهش پایداری مولکول mRNA
• ایجاد تداخل در ترجمه mRNA

با این دو روش این دسته از RNAها موفق می‌شوند که سطح mRNA هدف خود در سلول را کاهش دهند. البته تنوع RNAهای تنظیم‌گر بسیار زیاد است، در نتیجه فعالیت‌های گوناگونی نیز به آن‌ها بستگی دارد.

جدول بررسی خصوصیات مولکول های اطلاعاتی

تا اینجای این مطلب از مجله فرادرس متوجه شدیم که نوکلئيک اسیدها مولکول های اطلاعاتی سلول‌ها هستند و به دو دسته DNA و RNA تقسیم می‌شوند که با وجود شباهت‌های ساختاری که با یکدیگر دارند، تفاوت‌های زیادی نیز در ساختار و عملکرد دارند. در این این بخش به کمک یک جدول این ویژگی‌های خاص این دو دسته را بررسی می‌کنیم تا فرآیند آشنایی با نوکلئیک اسیدها را کامل کنیم.

یادگیری ژن تا پروتئین با فرادرس

آن چیزی که حیات یک سلول یا جاندار زنده را تحت کنترل خود دارد، ژن‌هایی است که محتوای ژنتیکی هر سلول را می‌سازند. در بخش‌های قبل یاد گرفتیم که بسیاری از ژن‌های موجود در ژنوم موجودات مختلف پروتئین‌های گوناگونی را رمزگذاری کرده‌اند که وظایف مختلفی را برعهده گرفته‌اند. در مسیر تولید پروتئین از ژن اختصاصی آن، مولکول‌های متنوعی فعالیت دارند که فرآیندهای رونویسی و ترجمه را به پیش می‌برند.

برای درک بهتر ساختار ژن‌ها و پروتئین‌ها علاوه بر شناخت مولکول‌های موثر در این مسیرهای تولیدی، باید به ساختار و فعالیت اندامک‌های مختلفی مانند هسته سلولی، ریبوزوم، شبکه آندوپلاسمی و… نیز مسلط بود. این موارد در مطالعات زیست‌شناسی سلولی و مولکولی بررسی می‌شوند که یکی از زیرشاخه‌های علم زیست‌شناسی است. فرادرس با تولید و انتشار فیلم‌های آموزشی مختلف از دشواری یادگیری مسیر ژن تا پروتئین از هر دو منظر مولکولی و سلولی کاسته است. در ادامه تعدادی از این فیلم‌های آموزشی را به شما معرفی می‌کنیم.

پروتئین‌ها

با وجود آن که در ابتدا تصور می‌شد که پروتئین‌ها مولکول های اطلاعاتی سلول‌ها هستند، پس از کشف DNA و شناسایی ژن‌ها، دانشمندان متوجه شدند که پروتئین‌ها محصولات ژن‌ها هستند و مولکول‌های عملکردی سلول‌ها به حساب می‌آیند. این ماکرومولکول‌های زیستی مسئول اکثر فعالیت‌های سلول‌ها و حتی بافت‌های بدن هستند.

پروتئین‌ها حاصل کنار هم قرارگیری صدها یا هزاران آمینواسید هستند که زیرواحدهای ساختاری پروتئین‌ها به حساب می‌آیند. برای تولید پروتئين‌های مختلف سلول، ۲۰ آمینواسید در اختیار همه سلول‌ها قرار دارد که نحوه چیدمان آن‌ها در زنجیره پلی‌پپتیدی تعیین کننده ساختار سوم پروتئین و فعالیت آن است.

توالی منحصر به فرد هر پروتئین توسط ژن کد کننده آن تعیین می‌شود، در حقیقت در سلول‌ها از روی توالی ژن‌ها رونویسی شده و مولکول mRNA تولید می‌شود. mRNAها در طی فرآیند ترجمه توسط ریبوزم خوانده می‌شوند و از روی آن‌ها زنجیره آمینواسیدی که اولین ساختار از سطوح مختلف ساختار پروتئين‌ها است، ساخته می‌شود.

گستره عملکرد پروتئین‌ها چه در داخل سلول‌ها و چه خارج از آن فعالیت‌های متفاوتی را در بر می‌گیرد که در ادامه تلاش می‌کنیم به کمک یک جدول خلاصه‌ای از آن‌ها را ارائه دهیم.

چرا پروتئین‌ها جزو مولکول های اطلاعاتی نیستند؟

به منظور دسته‌بندی مولکول‌های اطلاعاتی باید دو معیار را در نظر گرفت که مرتبط با دو ویژگی است که هر مولکول اطلاعاتی باید داشته باشد.

1. پیچیدگی توالی مولکول های اطلاعاتی
2. توانایی همانندسازی مولکول های اطلاعاتی

یک پلیمر خطی که به منظور حفظ اطلاعات سلولی ساخته شده باشد، از لحاظ ساختاری باید از زیرواحدهای کوچک‌تری ساخته شده باشد که در یک زنجیره قرار می‌گیرند و پلیمر را می‌سازند. برای مثال ما در این بخش، پروتئین‌ها و نوکلئیک اسیدها را به عنوان کاندیداهایی برای تعیین مولکول های اطلاعاتی اصلی سلول داریم. هر دو این مولکول‌های زیستی از زیر واحدهای کوچکی تشکیل شده‌اند که در مورد پروتئین‌ها، آمینواسید‌ها و در مورد اسیدهای نوکلئیک، نوکلئوتیدها هستند. در ادامه با اختصاص دادن بخش‌هایی جداگانه به بررسی بیشتر این دو شرط مطرح شده می‌پردازیم.

پیچیدگی توالی

پیچیدگی توالی به این معنی است که مولکول مد نظر باید از زیرواحدهای کوچکتری تشکیل شده باشد که به مولکول های اطلاعاتی این امکان را می‌دهند که اطلاعات متفاوتی را در ساختار خود حفظ کنند. در مورد DNA و RNA این واحدهای ساختاری نوکلئوتیدها هستند که به واسطه بازهای نیتروژن‌دار متفاوتی که دارند، می‌توانند به شیوه‌های متفاوتی یک توالی DNA یا RNA را بسازند و به این ترتیب کدهای ژنتیکی مختلفی ساخته می‌شود.

به کمک این شرط نمی‌توان گفت که پروتئین‌ها جزوی از مولکول های اطلاعاتی نیستند، زیرا پروتئین‌ها نیز از آمینواسیدها تشکیل شده‌اند که ۲۰ نوع متفاوت از آن‌ها در اختیار سلول‌ها است و می‌توانند به شیوه‌های متفاوتی در یک رشته، کنار یکدیگر قرار بگیرند.

توانایی همانندسازی

دومین ویژگی که مولکول های اطلاعاتی سلول باید داشته باشند، توانایی همانندسازی است. منظور از همانندسازی این است که باید در صورت نیاز یک نسخه دیگر از همان توالی تولید شود. دلیل ضرورت تهیه نسخه‌های جدید از مولکول های اطلاعاتی سلول‌ها این است که باید این اطلاعات از نسلی به نسل دیگر منتقل شود. در هنگام تقسیم سلولی، از یک سلول، تعدادی سلول دختری به وجود می‌آید که برای تداوم حیات خود نیاز به اطلاعات ژنتیکی سلول والد خود دارند.

DNA در چنین شرایطی باز شده و از هر رشته آن به عنوان الگویی برای ساخت مولکول‌های DNA جدید استفاده می‌شود. پروتئین‌ها بر خلاف DNA پتانسیل این که همانندسازی کنند را ندارند و همین موضوع به ما ثابت می‌کند که DNA ماده ژنتیکی اصلی سلول‌ها است.

جمع‌بندی

در این مطلب از مجله فرادرس به منظور آشنایی با مولکول های اطلاعاتی سلول‌ها با اسیدهای نوکلئیک و پروتئين‌ها آشنا شدیم. پیش از کشف اسیدهای نوکلئیک تصور می‌شد که پروتئین‌ها مولکول های اطلاعاتی سلول‌های موجودات زنده هستند، اما با کشف این ماکرومولکول‌های زیستی دانشمندان متوجه شدند که وظیفه حفظ اطلاعات ژنتیکی و انتقال آن به نسل بعد بر عهده نوکلئیک اسیدها است که از واحدهای نوکلئوتیدی ساخته شده‌اند. نوکلئیک اسیدها به دو دسته اساسی تقسیم می‌شوند که در ادامه به وسیله یک جدول ضمن معرفی آن‌ها، ویژگی‌های اساسی آن‌ها را نیز می‌شناسیم.