گفتار 1
نوکلئیک اسیدها
ژن و مولکول‌های مرتبط با آن
یکی از پرسش‌های اساسی زیست‌شناسی در گذشته این بود: ژن چیست و از چه چیزی ساخته شده است؟ یافتن پاسخ این پرسش که به ظاهر ساده به نظر می‌رسد بیش از پنجاه سال طول کشید و هنوز هم ادامه دارد. این پاسخ مستلزم انجام پژوهش‌ها و آزمایش‌های متعددی بود.
در این فصل، مجموعه‌ای از آزمایش‌ها را بررسی خواهیم کرد که منجر به کشف ماهیت ژن و مولکول‌های مرتبط با آن یعنی دِنا (DNA)، رِنا (RNA) و پروتئین شدند. بررسی این مولکول‌ها، درک عمیق‌تری از سازوکارهای مولکولی در یاخته فراهم می‌کند و مقدمه‌ای برای مطالعه‌ی سایر فصل‌های این کتاب خواهد بود.
در ادامه، به بررسی نحوه عملکرد این مولکول‌ها و ارتباط آن‌ها با وراثت و انتقال اطلاعات ژنتیکی خواهیم پرداخت.
هسته و ذخیره اطلاعات وراثتی
اهمیت هسته و اطلاعات وراثتی
هر یاخته در بدن، ویژگی‌هایی مانند شکل و اندازه خود را از هسته دریافت می‌کند. این هسته است که دستورالعمل‌های حیاتی را ذخیره می‌کند. دستورالعمل‌های هسته در حین تقسیم از یاخته‌ای به یاخته دیگر و در حین تولیدمثل از نسلی به نسل دیگر منتقل می‌شود.
محل ذخیره اطلاعات وراثتی
در یوکاریوت‌ها، فام‌تن درون هسته جای دارد و شامل دنا و پروتئین است. البته تحقیقات نشان داده‌اند که از بین این دو، تنها دنا (DNA) است که وظیفه‌ی ذخیره‌سازی اطلاعات ژنتیکی را بر عهده دارد.
در یاخته‌های پروکاریوتی، اطلاعات وراثتی درون سیتوپلاسم قرار دارد. در این جانداران، فرآیند تقسیم یاخته‌ای معادل تولیدمثل است و اطلاعات وراثتی به‌طور هم‌زمان به نسل بعد منتقل می‌شود.
دنا به‌عنوان ماده وراثتی
برخی ویژگی‌ها در دنا و پروتئین مشترک است، با این حال نقش آن‌ها در یاخته متفاوت است. در واقع، تنها دنا است که به‌عنوان ذخیره‌کننده اطلاعات وراثتی عمل می‌کند و این نقش مهم را بر عهده دارد.
آزمایش‌های گریفیت و انتقال صفات وراثتی
مقدمه
اطلاعات اولیه درباره ماده وراثتی توسط یک باکتری‌شناس انگلیسی به نام گریفیت به دست آمد. هدف او از انجام آزمایش‌ها، تولید واکسنی برای بیماری آنفلوانزا بود. در آن زمان تصور می‌شد عامل این بیماری، نوعی باکتری به نام استرپتوکوکوس نومونیا است. ولی بعدها معلوم شد که آنفلوانزا منشأ ویروسی دارد، نه باکتریایی.
معرفی استرپتوکوکوس نومونیا
گریفیت در مطالعات خود با دو نوع مختلف از باکتری استرپتوکوکوس نومونیا مواجه شد:
نوع پوشینه‌دار (کپسول‌دار): این نوع، بیماری‌زا و عامل بیماری سینه‌پهلو است.
نوع بدون پوشینه: این نوع، غیربیماری‌زا است.
پوشینه در برخی از باکتری‌ها مانند استرپتوکوکوس نومونیا وجود دارد و به باکتری کمک می‌کند تا در برابر دستگاه ایمنی دفاع کند و به سطح یاخته‌ها بچسبد.
شکل 1 - باکتری پوشینه‌دار
مقایسه انواع باکتری استرپتوکوکوس نومونیا
ویژگی | نوع پوشینه‌دار (کپسول‌دار) | نوع بدون پوشینه |
بیماری‌زایی | بیماری‌زا | غیربیماری‌زا |
پوشینه | دارد. | ندارد. |
عامل بیماری | سینه‌پهلو | - |
مراحل آزمایش‌های گریفیت
گریفیت چهار آزمایش مختلف انجام داد. در هر آزمایش، ترکیبات متفاوتی از باکتری‌ها به موش‌ها تزریق شد و نتایج آن بررسی شد:
آزمایش اول:
باکتری‌های زنده پوشینه‌دار تزریق شد.
موش‌ها بیمار شده و مُردند.
آزمایش دوم:
باکتری‌های زنده بدون پوشینه تزریق شد.
موش‌ها زنده ماندند.
آزمایش سوم:
باکتری‌های پوشینه‌دار کشته‌شده با گرما تزریق شد.
موش‌ها زنده ماندند.
آزمایش چهارم:
باکتری‌های پوشینه‌دار کشته‌شده با گرما و بدون پوشینه زنده تزریق شد.
بر خلاف انتظار موش‌ها مُردند.
نتایج و تحلیل آزمایش‌ها
در آزمایش اول، گریفیت متوجه شد که باکتری‌های پوشینه‌دار توانایی بیماری‌زایی دارند.
آزمایش دوم نشان داد که باکتری‌های بدون پوشینه بیماری‌زا نیستند.
در آزمایش سوم، گریفیت دریافت که پوشینه به‌تنهایی عامل بیماری‌زایی نیست زیرا باکتری‌های کشته‌شده با گرما، بیماری ایجاد نکردند.
آزمایش چهارم بسیار مهم بود. در این آزمایش، برخلاف انتظار، موش‌ها مُردند و بررسی خون و شُش‌های آن‌ها نشان داد که باکتری‌های بدون پوشینه زنده به نوع پوشینه‌دار تبدیل شده‌اند. گریفیت نتیجه گرفت که ماده‌ای از باکتری‌های پوشینه‌دار کشته‌شده به باکتری‌های زنده بدون پوشینه منتقل شده و باعث تغییر آن‌ها شده است.
موارد کلیدی در آزمایش‌های گریفیت
انتقال صفت (مادهٔ وراثتی) تنها در آزمایش چهارم مشاهده شد.
در آزمایش‌های اول و دوم، فقط باکتری‌های زنده به موش‌ها تزریق شد.
در آزمایش سوم، تنها باکتری‌های کشته‌شده به موش‌ها تزریق شد.
در آزمایش چهارم، ترکیبی از باکتری‌های زنده بدون پوشینه و باکتری‌های کشته‌شده پوشینه‌دار به موش‌ها تزریق شد.
در آزمایش چهارم، مسلماً باکتری‌های مرده زنده نشده‌اند بلکه تعدادی از باکتری‌های بدون پوشینه، به نحوی تغییر کرده و پوشینه‌دار شده‌اند. در این آزمایش، انتقال ماده وراثتی باعث ایجاد توانایی بیماری‌زایی در باکتری‌های بدون پوشینه شد.
شکل 2 - آزمایشات گریفیت و نتایج آن
آزمایش‌های گریفیت
آزمایش | ترکیب باکتری‌ها | انتقال صفت (مادهٔ وراثتی) | نتیجه بیماری‌زایی |
اول | باکتری‌های زنده پوشینه‌دار | ندارد. | بیماری‌زا |
دوم | باکتری‌های زنده بدون پوشینه | ندارد. | غیربیماری‌زا |
سوم | باکتری‌های کشته‌شده پوشینه‌دار | ندارد. | غیربیماری‌زا |
چهارم | زنده بدون پوشینه + کشته‌شده پوشینه‌دار | بله، از کشته‌شده پوشینه‌دار به زنده بدون پوشینه | بیماری‌زا شدن باکتری‌های زنده |
نتیجه‌گیری
از نتایج این آزمایش‌ها مشخص شد که مادۀ وراثتی می‌تواند به یاختۀ دیگری منتقل شود. گریفیت به ماهیت ماده وراثتی و چگونگی انتقال آن پی نبرد اما پایه‌گذار تحقیقاتی شد که بعدها ماهیت این ماده را مشخص کردند.
این آزمایش‌ها، نقش مهمی در درک سازوکار انتقال صفات وراثتی ایفا کردند.
آزمایش‌های ایوری و شناسایی نهایی دنا
عامل اصلی انتقال صفات وراثتی، مولکول دنا است
پس از گذشت 16 سال از آزمایش‌های گریفیت، دانشمندی به نام ایوری به همراه همکارانش تحقیقات گسترده‌ای را برای شناسایی ماهیت ماده وراثتی آغاز کرد. این آزمایش‌ها سرانجام نشان دادند که دنا (DNA) ماده وراثتی است. ایوری و همکارانش برای دستیابی به این کشف بزرگ، از عصاره استخراج‌شده از باکتری‌های پوشینه‌دار کشته‌شده استفاده کردند و آزمایش‌هایی را طراحی نمودند که به‌طور مستقیم نشان‌دهنده نقش دنا در انتقال صفات وراثتی بود.
مراحل اصلی آزمایش‌های ایوری:
استخراج عصاره باکتری‌های پوشینه‌دار کشته‌شده با گرما: این عصاره حاوی مولکول‌های زیستی مختلف از جمله دنا و پروتئین بود.
ایجاد تغییر در عصاره: تخریب یا جداسازی مولکول‌های زیستی مختلف.
اضافه کردن عصاره تغییریافته به محیط کشت باکتری‌های بدون پوشینه زنده: برای بررسی امکان انتقال صفت تولید پوشینه از باکتری پوشینه‌دار به بدون پوشینه
بررسی نتایج: مشخص کردن مادهٔ وراثتی بر اساس انتقال صفت
آزمایش اول: تخریب پروتئین‌ها
تغییر در عصاره:
ایوری با استفاده از آنزیم‌های پروتئاز (تخریب‌کننده پروتئین)، تمامی پروتئین‌های موجود در عصاره را تخریب کرد.
عصاره فاقد پروتئین به محیط کشت باکتری‌های بدون پوشینه زنده اضافه شد.
نتیجه: انتقال صفت تولید پوشینه همچنان صورت گرفت.
نتیجه‌گیری: پروتئین‌ها ماده وراثتی نیستند. با وجود حذف پروتئین‌ها، انتقال صفت انجام شد و نشان داد ماده وراثتی باید مولکولی غیر از پروتئین باشد.
آزمایش دوم: جداسازی مولکول‌های زیستی با گریزانه
تغییر در عصاره:
عصاره باکتری‌ها در دستگاه گریزانه (سانتریفیوژ) با سرعت بالا قرار گرفت.
مواد آن را به صورت لایه لایه جدا کردند.
هر یک از لایه‌های جداشده به‌صورت جداگانه به محیط کشت باکتری‌های فاقد پوشینه افزوده شد. هر لایه حاوی یک نوع مولکول زیستی بود.
نتیجه: فقط لایه حاوی دنا توانست صفت تولید پوشینه را منتقل کند.
نتیجه‌گیری: نتایج این آزمایش‌ها، ایوری و همکارانش را به این نتیجه رساند که عامل اصلی و مؤثر در انتقال صفات، دنا است. به عبارت ساده‌تر، دنا همان ماده وراثتی است.
مقایسه آزمایش‌های اول و دوم ایوری
ویژگی | آزمایش اول (تخریب پروتئین‌ها) | آزمایش دوم (جداسازی با سانتریفیوژ) |
هدف | رد کردن پروتئین‌ها به عنوان ماده وراثتی | تأیید اولیه نقش دنا در انتقال صفت |
روش تغییر عصاره | تخریب انتخابی پروتئین‌ها با آنزیم پروتئاز | جداسازی لایه‌های حاوی مولکول‌های مختلف زیستی با سانتریفیوژ |
وضعیت پروتئین‌ها | حذف کامل پروتئین‌ها | جداسازی پروتئین‌ها در لایه مستقل |
وضعیت دنا | حضور دنا در عصاره | جداسازی دنا در یک لایه مستقل |
نتیجه انتقال صفت | انتقال صفت تولید پوشینه رخ داد | فقط لایه حاوی دنا صفت را منتقل کرد. |
نتیجه‌گیری | پروتئین‌ها ماده وراثتی نیستند. | دنا عامل انتقال صفات وراثتی است. |
نتایج و چالش‌ها
تأیید دنا به‌عنوان ماده وراثتی: ایوری و همکارانش با دو آزمایش فوق نشان دادند که دنا ماده‌ای است که صفات وراثتی را انتقال می‌دهد.
مخالفت‌ها: بسیاری از دانشمندان در آن زمان این نتیجه را نپذیرفتند زیرا معتقد بودند که پروتئین‌ها به دلیل پیچیدگی بیشتر، ماده وراثتی هستند.
اهمیت آزمایش‌ها: آزمایش‌های ایوری اولین شواهد قانع‌کننده‌ای بودند که دنا را به‌عنوان ماده وراثتی معرفی کردند و زمینه را برای تحقیقات بعدی هموار ساختند.
آزمایش سوم ایوری: شناسایی نهایی دنا به‌عنوان ماده وراثتی
مقدمه
در ادامه تلاش‌های ایوری و همکارانش برای شناسایی ماده وراثتی، آزمایش سوم طراحی شد تا با دقت بیشتری نشان دهد کدام گروه از مولکول‌های زیستی مسئول انتقال صفات وراثتی است. این آزمایش با تمرکز بر حذف گروه‌های مختلف مولکول‌های زیستی و بررسی تأثیر آن‌ها بر انتقال صفت انجام شد.
روند آزمایش سوم
تقسیم عصاره:
عصاره‌ی استخراج‌شده از باکتری‌های پوشینه‌دار کشته‌شده به چهار قسمت تقسیم شد.
به هر قسمت یک آنزیم تخریب‌کننده اضافه شد که مسئول حذف یک گروه از مولکول‌های زیستی بود:
عصاره اول: تخریب کربوهیدرات‌ها با آنزیم‌هایی مانند آمیلاز.
عصاره دوم: تخریب لیپیدها با آنزیم لیپاز.
عصاره سوم: تخریب پروتئین‌ها با آنزیم پروتئاز.
عصاره چهارم: تخریب نوکلئیک اسیدها با آنزیم نوکلئاز.
اضافه کردن عصاره‌های تغییریافته به محیط کشت:
هر نوع عصاره به یک محیط کشت حاوی باکتری‌های بدون پوشینه اضافه شد.
هدف: بررسی انتقال صفت تولید پوشینه در هر محیط کشت.
نتایج آزمایش سوم
در محیط کشت‌هایی که عصاره‌های اول، دوم یا سوم به آن‌ها اضافه شد (عصاره‌های دارای دنا):
مشاهده: انتقال صفت انجام شد و باکتری‌های بدون پوشینه به پوشینه‌دار تبدیل شدند.
در محیط کشتی که عصاره چهارم حاوی آنزیم تخریب‌کننده دنا به آن اضافه شد:
مشاهده: انتقال صفت صورت نگرفت.
توضیح: در غیاب نوکلئیک اسیدها (دنا)، انتقال صفت انجام نشد که نشان‌دهنده نقش حیاتی دنا در این فرآیند است.
نتیجه‌گیری نهایی
دنا عامل انتقال صفات وراثتی است.
حذف سایر مولکول‌های زیستی (کربوهیدرات‌ها، لیپیدها و پروتئین‌ها) مانع انتقال صفت نشد، اما حذف دنا این فرآیند را متوقف کرد.
موارد کلیدی آزمایش‌های ایوری
در آزمایش سوم، تنها محیط کشتی که حاوی آنزیم تخریب کننده دنا بود انتقال صفت را نشان نداد.
آزمایش‌های ایوری نشان دادند که اطلاعات وراثتی به‌طور قطعی در دنا ذخیره می‌شود و از نسلی به نسل دیگر منتقل می‌گردد.
ساختار نوکلئیک اسیدها
مقدمه
نوکلئیک اسیدها، شامل دئوکسی‌ریبونوکلئیک اسید (دنا؛ DNA) و ریبونوکلئیک اسید (رنا؛ RNA)، از مولکول‌های زیستی اصلی هستند که وظیفه ذخیره و انتقال اطلاعات وراثتی را بر عهده دارند. این مولکول‌ها بسپارهایی از واحدهای تکرارشونده به نام نوکلئوتید هستند که در ساختار خود کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن و فسفر دارند.
ساختار نوکلئوتیدها
نوکلئوتیدها شامل سه بخش هستند:
1. قند پنج‌کربنه:
دئوکسی‌ریبوز: قند موجود در دنا. این قند یک اکسیژن کمتر از ریبوز دارد و به همین دلیل سبک‌تر است.
ریبوز: قند موجود در رنا. این قند سنگین‌تر از دئوکسی‌ریبوز است.
2. باز آلی نیتروژن‌دار:
پورین‌ها (دوحلقه‌ای): آدنین (A) و گوانین (G).
پیریمیدین‌ها (تک‌حلقه‌ای): تیمین (T)، سیتوزین (C)، و یوراسیل (U).
تیمین فقط در دنا وجود دارد.
یوراسیل فقط در رنا وجود دارد.
3. گروه فسفات:
نوکلئوتیدها پیش از ورود به ساختار پلی‌نوکلئوتیدی, دارای یک تا سه گروه فسفات هستند.
نوکلئوتیدهای سه‌فسفاته، هنگام ورود به ساختار نوکلئیک اسید، دو گروه فسفات خود را از دست داده و به شکل تک‌فسفاته درمی‌آیند.
شکل 3 - اجزای یک نوکلئوتید
مقایسهٔ نوکلئیک اسیدها (دنا و رنا)
ویژگی | دئوکسی‌ریبونوکلئیک اسید (دنا) | ریبونوکلئیک اسید (رنا) |
نام کامل | دئوکسی‌ریبونوکلئیک اسید | ریبونوکلئیک اسید |
قند | دئوکسی‌ریبوز | ریبوز |
بازهای اختصاصی | تیمین (T) | یوراسیل (U) |
وظیفه اصلی | ذخیره اطلاعات وراثتی | انتقال اطلاعات وراثتی |
مقایسه قندهای نوکلئیک اسیدها
ویژگی | دئوکسی‌ریبوز (دنا) | ریبوز (رنا) |
تعداد کربن | 5 | 5 |
اکسیژن | کمتر | بیشتر |
وزن | سبک‌تر | سنگین‌تر |
مقایسه بازهای آلی
نوع باز | موجود در دنا | موجود در رنا |
آدنین (A) | ✔ | ✔ |
گوانین (G) | ✔ | ✔ |
سیتوزین (C) | ✔ | ✔ |
تیمین (T) | ✔ | ❌ |
یوراسیل (U) | ❌ | ✔ |