شکل‌های مختلف DNA

DNA آغازگر حیات

آغاز حیات در کرة زمین (5ر3 میلیارد سال پیش) با تشکیل مولکولهای پلیمر حیات DNA و همتای آن RNA از اجزای سادة آنها به نام کلئوتیدها همراه بوده است. هر نوکلئوتید از سه قسمت اصلی باز، قند و فسفات تشکیل شده است. بازهای تشکیل دهندة نوکلئوتیدها می‌توانند از یک حلقة شش‌تایی پیریمیدین مانند سیتوزین و تیامین یا اوراسیل و یا از دو حلقة شش تایی و پنج تایی پیریمیدین و ایمیدازول به نام پورین نظیر آدنین و گوانین تشکیل شده باشند. قسمت قند از یک حلقة پنج تایی ریبوز در ساختمان RNA یا دی اکسی ریبوز در ساختمان DNA درست می‌شود. جزء فسفات به صورت اسید فسفریک استری شده است.
نوکلئوتیدهای حاصل از بازها را به آدنوزین مونوفسفات و گوانوزین مونوفسفات یا اوریدین مونوفسفات نشان می‌دهند.
حلقة قند نقش مهمی در انعطاف پذیری ساختمان DNA و RNA دارد. اگر گروه OH در حلقه‌ی ریبوز توسط اتم هیدروژن استخلاف شده باشد ریبوز به دی اکسید ریبوز تبدیل می‌شود و جزئی از ساختمان DNA را تشکیل می‌دهد. اگر چنین استخلافی انجام نگیرد حلقة ریبوز در ساختمان RNA شرکت می‌کند پس از این استخلاف در حلقة ریبوز ساختمانی DNA و RNA از نظر ساختمانی بسیار به هم شبیه هستند، ولی از نظر خواص شیمیایی و فیزیکی و بیولوژیکی تفاوت فراوانی دارند.
با آنکه میلیاردها سال از عمر DNA می‌گذرد ولی برای نخستین بار در سال 1869 میلادی بود که جان فردریک میشر، دانشمند جوان سوئیسی در آلمان موفق به جداسازی و شناسایی آن شد. در سال 1953 دو دانشمند امریکایی به نام واتسون و کریک برای نخستین بار ساختمان DNA را تعیین کردند. هریک از دو رشته DNA مرکب از بازهای چهارگانه (آدنین و تیامنی و سیتوزین وگوانین) است که توسط گروه‌های فسفات به هم اتصال دارند. این رشته‌ها می‌توانند با یکدیگر پیوند هیدروژنی برقرار کرده و ساختمان دو رشته‌ای حلزونی DNA را تشکیل دهند. در سال‌های اخیر DNAی سه رشته‌ای و چهار رشته‌ای نیز شناخته شده است.
در شبکه ساختمانی که دو رشته DNA را به هم متصل می‌کند، بازهای آدنین و تیامین با دو پیوند هیدروژنی و بازهای گوانین و سیتوزین با سه پیوند هیدروژنی با هم ارتباط دارند. پیوندهای هیدروژنی با هم ارتباط دارند. پیوندهای هیدروژنی بین بازهای آدنین- تیامین و گوانین- سیتوزین را به نام شبکة پیوند هیدروژنی واتسون- کریک می‌خوانند. جفتگیری بازها می‌تواند از طریقه‌ی دیگری به نام شبکه پیوند هیدروژنی هوچین انجام پذیرد که در آن تنها دو پیوند هیدروژنی بین بازهای گوانین-سیتوزین یا آدنین- سیتوزین یا گوانین- تیامین ایجاد شوند و اغلب بیماریهای ژنتیکی از نقص پیوندهای هیدروژنی بین بازها یا استخلاف گروههای شیمیایی ناجور بر روی بازها در محل خاصی از ساختمان DNA ناشی می‌شوند.
انرژی لازم جهت پایداری ساختمان دو رشته‌ای DNA عمدتاً از تشکیل پیوندهای هیدروژنی بین بازها و از تأثیر متقابل بازها بر یکدیگر که در هر رشته از DNA انباشته شده‌اند تأمین می‌شود. شکسته شدن پیوندهای هیدروژنی بین بازها سبب ناپایداری و ذوب DNA می‌شود و این پدیده را غیر طبیعی شدن می‌نامند. افزایش درجه حرارت یا ترکیب پاره‌ای مواد شیمیایی با بازهای DNA می‌توانند سبب ناپایداری و ذوب DNA شوند. انرژی لازم جهت شکستن پیوندهای هیدروژنی آدنین- تیامین برابر با 5 کیلو کالری بر مول و برای شکستن پیوندها گوانین- سیتوزین برابر با 19 کیلو کالری بر مول تخمین زده شده است.
تفاوت انرژی پایداری بین بازهای گوانین- سیتوزین و آدنین- تیامین اهمیت پیوندهای هیدروژنی سه گانه را بین گوانین- سیتوزین آشکار می‌سازد. هر چه درصد بازهای گوانین- سیتوزین در DNA بیشتر باشد ساختمان DNA از پایداری بیشتری (شامل نقطه ذوب) برخوردار می‌شود و تفاوت DNA در موجودات زنده در مقدار درصد بازهای گوانین- سیتوزین یا آدنین – تیامین است.
ابتدا در اثر افزایش درجة حرارت ناحیه‌ی بازهای آدنین- تیامین که دارای دو پیوند هیدروژنی هستند از هم گسیخته می‌شوند. اگر DNA از نظر بازهای آدنین- تیامین غنی باشد این گسستگی در نواحی مختلف ساختمان دو رشته‌ای رخ می‌دهد. در این ناحیه DNA به طور ناقص از هم باز می‌شود و با سرد کردن می‌توان DNA را به حالت اصلی خود برگرداند. این عمل را که در آن، دو تکه رشته‌ی DNA، DNA دو رشته‌ای حاصل می‌شود، طبیعی شدن می‌نامند. پس از ذوب کامل بازهای آدنین- تیامین- بازهای گوانین- سیتوزین شروع به ذوب شدن می‌کنند و در پایان، دو رشته DNA به طور کامل از هم جدا می‌شوند و تشکیل حلقه‌های نامنظمی می‌دهند و هر رشته در داخل خود ایجاد پیوندهای هیدروژنی می‌نماید. در این حالت با سرد کردن DNA نمی توان ساختمان دو رشته‌ای را دوباره به دست آورد زیرا با ذوب کامل، DNA کاملاً غیرطبیعی شده است.
در ساختمان DNA ، گروه‌های فسفات هر یک دارای یک بار منفی هستند و در نزدیکی یکدیگر قرار گرفته‌اند. این نزدیکی بارهای منفی سبب ایجاد نیروی دافعه‌ای بین گروه‌های فسفات می‌شود که خود در ناپایدار کردن ساختمان دو رشته‌ای مؤثر است . یون‌های فلزی با بار مثبت که دارای میل ترکیبی باگروه‌های فسفات هستند نظیر یونهای قلیایی و قلیایی خاکی می‌توانند پس از ترکیب با DNA بار منفی فسفات‌ها را خنثی کنند و سبب کاهش نیروی دافعه شوند و ساختمان DNA را پایدارتر سازند. از طرفی دیگر یون‌های فلزی دو ظرفیتی نظیر مس و کادمیم و جیوه که میل ترکیبی شدیدی با بازهای DNA دارند، پس از ترکیب سبب سست شدن و یا پاره شدن پیوندهای هیدروژنی بین بازها می‌شوند و سرنجام باعث ناپایداری ساختمان DNA می‌گردند. همچنین یون‌های فلزی می‌توانند سبب تجمع مولکول‌های DNA و یا اجزای تشکیل دهنده آنها بشوند. از طرفی کروم آهن سه ظرفیتی نظیر کبالت پس از ترکیب با DNA و خنثی کردن بار منفی فسفات‌ها موجب فروپاشی ساختمان DNA و تجمع مولکول‌های متعدد واحد حجمی کوچک به طور فشرده می‌شود.

انعطاف پذیری ساختمان DNA

پس از تعیین ساختمان DNA در سال 1953 تصور بر آن بود که DNA و RNA ساختمان سخت و غیر قابل انعطافی دارند. لیکن در دهه‌های اخیر خلاف چنین تصوری ثابت شده است و آزمایش‌های متعددی نشان داده‌اند که DNA و RNA نه تنها ساختمان سختی ندارند بلکه بسیار انعطاف پذیر بوده و در محیط‌های محلول و جامد در شرایط فیزیکی و شیمیایی مختلف می‌توانند ساختمانهای گوناگونی به خود بگیرند. برای مثال با اشعة ایکس در حالت جامد یا به کمک روشهای طیف نگاری در محلول، شکلهای A و B و C و D وZ برای DNA شناخته شده اند. برای آنکه به تغییر پذیری ساختمان DNA و RNA بپردازیم، نخست باید به تغییرپذیری و آرایش‌های گوناگون ساختمانی حلقه ریبوز یا دی اکسی ریبوز اشاره کنیم، زیرا انعطاف پذیری ساختمان حلقة قند در محیط‌های مختلف سبب پیدایش شکل‌های مختلف DNA و RNA می‌شود.
حلقة پنج تایی ریبوز یا داکسی ریبوز مسطح است و تحرک اتمهای کربن در بالا و پایین این صفحة مسطح می‌تواند شکلهای مختلفی برای حلقه ایجاد کند.
حلقه پنج تایی قند می‌تواند باعث بیش از 10 آرایش مختلف شود. هر یک از این شکل‌ها دارای انرژی پایداری متفاوت هستند و در حالت محلول یک یا دو و یا چند آرایش مختلف می‌توانند در حالت تعادل و همزیستی باشند.
DNA در شکلهای A وB وC وD به خانواده راست گرد تعلق دارد در حالی که در ساختمان Z آرایش قند مربوط به خانوادة چپ گرد است.
در سطح DNZ شکل B شیارهای عمیق و باریکی به نام مجراهای کوچ و شیارهای کم عمق و پهنی به نام مجراهای بزرگ وجود دارد. شیارهای عمیق و کم عمق روبه‌روی یکدیگر در دو طرف ساختمان دو رشته‌ای DNA هستند که انتهای جفت بازهای گوانین- سیتوزین و آدنین-تیامین در آنها واقع شده است. شیارهای سطح DNA اهمیت زیست شناختی خاصی دارند، زیرا بسیاری از ترکیبات شیمیایی نظیر پروتئین‌ها و مواد سرطانزا و یا داروها از طریق این شیارها می‌توانند DNA را شناسایی کنند و با آن هم‌پیوند شوند. در DNA با ساختمان B ، بیشتر گروه‌های دهنده الکترون در شیارهای کوچک قرار گرفته‌اند، در حالی که گروه‌های دیگر در شیارهای بزرگ جای دارند. این گونه آرایش اتمها در شکل A نیز کم و بیش حفظ شده است لیکن در DNA چپ گرد با شکل Z ، شیارهای کم عمق و عمیق جابه جایی حاصل کرده‌اند و در نتیجه گروه‌های دهنده الکترون و گروه‌های دهنده و گیرنده پیوندهای هیدروژنی اغلب در بطن ساختمان DNA قرار می‌گیرند. این تفاوت ساختمانی سبب می‌شود که DNAی چپ گرد و راست گرد دارای خواص بیولوژیکی متفاوتی باشند. باید توجه داشت که ساختمان‌های A و B وC وD و Z در شرایط فیزیکی و شیمیایی خاصی درآزمایشگاه تشکیل می‌شوند و از این که این گونه ساختمان‌ها در شرایط فیزیولوژیکی در یاخته نیز رخ بدهند اطلاعات زیادی در دست نیست. به هرحال تشکیل این گونه ساختمان‌ها برای DNA در سلول می‌تواند اهمیت خاصی داشته باشد، زیرا در هریک از آنها DNA آرایش خاصی جهت انجام واکنش شیمیایی مخصوص به خود می‌گیرد، نظیر واکنش پروتئین‌ها و داروها و مواد آلی و یا مواد معدنی با DNA که هر یک در شرایط ساختمانی خاصی انجام پذیرند.
چگونگی تشکیل ساختمانهای A و B و C و D وZ
محیط زندگی DNA در آب است. یونهای فلزی مختلف نیز DNA را در این محیط آبکی محاصره کرده‌اند و سبب خنثی شدن بار منفی گروه‌های فسفات می‌شوند. آب اهمیت خاصی در پایداری ساختمان DNA دارد. اجزای مختلف DNA و نوکلئوتیدها (باز وقند و فسفات) هر یک با تعداد معینی از مولکولهای آب هیدراته می‌شوند و آب هیدراته جزئی از ساختمان DNA است. اگر ساختمان DNA به طور کامل بی آب شود این ماده غیر طبیعی خواهد شد. جفت بازهای آدنین- تیامین و گوانین- سیتوزین نیز هر کدام با تعداد معینی از مولکولهای آب هیدراته می‌شوند. آب هیدراته شدن حتی در ساختمان جامد و بلورین، همراه DNA خواهد بود و سبب پایداری ساختمان آن می‌شود. اگر غلظت آب در اطراف گوه‌های قند- فسفات تغییر پیدا کند، DNA تغییر ساختمان می‌دهد و شکل‌های مختلفی به خود می‌گیرد. برای مثال در حالت جامد و بلورین اگر رطوبت اطراف برابر با 96 درصد باشد، DNA شکل B را اختیار می‌کند؛ اگر رطوبت به 75 درصد کاهش یابد از شکل B به A تغییر ساختمان می‌دهد؛ اگر رطوبت به 75 درصد کاهش یابد از شکل B به A تغییر ساختمان می‌دهد؛ به همین ترتیب اگر رطوبت به 60 یا 40 درصد کاهش یابد DNA شکلهای C و D را می‌گیرد به طور خلاصه تنظیم و کاهش تدریجی رطوبت(تغییر غلظت آب) در اطراف DNA می‌توان ساختمان‌های مختلفی برای آن به دست آورد. یونهای فلزی نظیر لیتیم می‌توانند ساختمان C را پایدار سازند، در حالی که یونهای سدیم و پتاسیم شکل B را پایدار می‌سازند؛ یون‌های قلیایی دیگر نظیر سزیم می‌توانند ساختمان A را ایجاد کنند، یونهای منیزیم و کبالت هگزامین سبب تشکیل DNA چپ گرد Z می‌شوند.
DNA در محلول‌های آبکی با غلظت کم یون‌های فلزی قلیایی همیشه در شکل B به سر می‌برد. امکان دارد درصد کمی هم از شکل‌های ساختمانی دیگر ایجاد شوند که در این حالت همه در حالت تعادل در محلول، همزیستی دارند. اگر غلظت نمک قلیایی افزایش یابد، DNA از شکل B به Z تغییر ساختمان می‌دهد و از حالت راست گرد به چپ گرد تبدیل می‌شود . در سال 1979 برای اولین بار الکساندر ریچ و همکارانش در انستیتوی تکنولوژی ماساچوست امریکا موفق به جدا کردن بلورهای Z شدند. گرچه قبلاً در سال 1972 اطلاعاتی درباره تشکیل این DNA در محلول‌های آبکی در حضور نمک‌های قلیایی با غلظت بالا توسط جاوین و فوهل منتشر شده بود در سال‌های اخیر شکل Z برای DNA‌های مصنوعی و ساختمانهای مشابه آن نیز شناخته شده است. علاوه بر ساختمان‌های A و B و C و D و Z که شرح داده شد DNA می‌تواند ساختمانهای دیگری نظیر خمیده و چروک خورده و منحنی هم داشته باشد. ساختمانهای اخیر اغلب از تراکم DNA حاصل می‌شود زیرا در یاخته زنده، DNA بسیار متراکم و فشرده در حجم کوچکی قرار گرفته است.
با همه تفاوت‌های ساختمانی که بین شکل‌های A و B وZ وجود دارد، هر سه می‌توانند به یکدیگر تبدیل شوند. همان طوری که قبلاً اشاره کردیم با آب گیری از DNAی شکل B می‌توان به شکل A دست یافت و برعکس. همچنین با افزایش غلظت نمک‌های فلزی در محلول می‌توان B را به Z تبدیل کرد و برعکس. این تجارب اهمیت آب را در زندگی DNA آشکار می‌سازد. حیات DNA به آب بستگی دارد و اقتصاد آب در حالت محلول و جامد نقش مهمی در انعطاف پذیری DNA دارد و با تغییر غلظت آب درمحیط می‌توان ساختمان‌های مختلفی را که دارای خواص فیزیکی وشیمیایی متفاوت هستند برای آن ایجاد کرد. افزایش یون‌های فلزی نیز می‌توانند در تعیین سرنوشت رابطة تعادلی Z=B=A موثر باشند. نقش یون‌های فلزی نیز آب‌گیری از ساختمان DNA است زیرا یون‌های فلزی به سهولت در آب هیدراته می‌شوند و با جذب مولکولهای آب غلظت را در اطراف DNA تغییر می‌دهند که خود به تغییرات ساختمانی در DNA می‌انجامد.