نوکلئیک اسید؛ مولکولهای زیستی حامل اطلاعات ژنتیکی
۱. ساختار مولکولی: الفبای حیات
همهٔ نوکلئیک اسیدها از واحدهای کوچکتری به نام نوکلئوتید4 ساخته شدهاند. هر نوکلئوتید از سه بخش تشکیل شده است: یک قند پنجکربنه (که در DNA، «دئوکسیریبوز» و در RNA، «ریبوز» نام دارد)، یک گروه فسفات، و یک باز نیتروژنی. بازهای نیتروژنی خود به دو دسته تقسیم میشوند:
- پورینها (دو حلقهای): آدنین (A) و گوانین (G)
- پیریمیدینها (یک حلقهای): سیتوزین (C)، تیمین (T) (فقط در DNA) و اوراسیل (U) (فقط در RNA)
قانون طلایی جفتشدن بازها که توسط واتسون و کریک کشف شد، پایه و اساس همهٔ فرایندهای ژنتیکی است: A همواره با T (یا در RNA با U) و G همواره با C جفت میشود.
۲. همانندسازی: کپیبرداری از کتابخانهٔ ژنتیک
هنگامی که یک سلول تقسیم میشود، باید یک کپی کامل از DNA خود به سلول جدید بدهد. این فرایند «همانندسازی» نام دارد. تصور کنید یک زیپ بسیار بلند را باز میکنید؛ هر سمت زیپ، الگویی برای ساختن یک سمت جدید و مکمل است. آنزیم کلیدی در اینجا DNA پلیمراز است که نوکلئوتیدها را میخواند و رشتهٔ جدید را میسازد. این فرایند به دلیل جفتشدن اختصاصی بازها (A=T و G≡C) با دقت بسیار بالایی انجام میشود .
| ویژگی | پروکاریوتها (باکتریها) | یوکاریوتها (گیاهان، جانوران) |
|---|---|---|
| محل انجام | سیتوپلاسم | هسته |
| نقطهٔ شروع | یک نقطهٔ آغاز (ori) | صدها نقطهٔ آغاز |
| سرعت | سریعتر (حدود 1000 نوکلئوتید در ثانیه) | کندتر (حدود 50 نوکلئوتید در ثانیه) |
۳. رونویسی: نسخهبرداری از دستورالعمل
DNA هرگز از هسته خارج نمیشود، چون بسیار ارزشمند است. برای استفاده از اطلاعات آن، سلول یک نسخهٔ موقت از روی ژن مورد نظر برمیدارد که به آن RNA پیامرسان (mRNA) میگویند. این فرایند «رونویسی» نام دارد و توسط آنزیم RNA پلیمراز انجام میشود. در اینجا به جای تیمین (T) از اوراسیل (U) استفاده میشود. بنابراین اگر روی DNA adenine (A) داشته باشیم، روی RNA uracil (U) قرار میگیرد .
$ \text{mRNA: } 5'-UAGCCGAU-3' $
در یوکاریوتها، پس از رونویسی، RNA پردازش میشود؛ بخشهای غیرضروری (اینترونها) جدا شده و بخشهای مفید (اگزونها) به هم متصل میشوند .
۴. ترجمه: از زبان نوکلئوتیدها به زبان پروتئینها
حال نوبت به مرحلهٔ نهایی میرسد: ساخت پروتئین. mRNA وارد ریزدانهها (ریبوزوم) میشود. ریبوزوم کدهای سهحرفی mRNA را میخواند. هر سه حرف (کدون) مشخصکنندهٔ یک اسید آمینه خاص است. اینجاست که RNA ناقل (tRNA) نقش خود را ایفا میکند. هر tRNA یک اسید آمینه را حمل میکند و دارای سه حرف مکمل به نام «آنتیکدون» است که کدون روی mRNA را تشخیص میدهد .
<!-- باکس مثال عینی -->به این ترتیب، توالی نوکلئوتیدها به توالی اسیدهای آمینه تبدیل شده و یک پروتئین ساخته میشود. این پروتئینها هستند که وظایف اصلی سلول مانند هضم مواد، انقباض عضلات یا مبارزه با میکروبها را بر عهده دارند .
۵. چالشهای مفهومی (پرسش و پاسخ)
<!-- سوال ۱ -->❓ اگر رشتهٔ DNAای به صورت 5'-GATTACA-3' باشد، رشتهٔ مکمل آن به صورت 3'-______-5' چیست؟
پاسخ: CTAATGT. زیرا A به T و T به A و G به C و C به G متصل میشود. همچنین جهت رشتهها مخالف هم (ناموازی) هستند .
❓ تفاوت اصلی بین یک ژن در پروکاریوتها و یوکاریوتها از نظر ساختار چیست؟
پاسخ: ژنهای یوکاریوتی معمولاً دارای نواحی غیررمزکننده به نام «اینترون» هستند که درون ژن فاصله میاندازند، در حالی که ژنهای پروکاریوتی به صورت پیوسته و بدون اینترون هستند .
❓ چرا به جریان اطلاعات از DNA به RNA و سپس به پروتئین «دگم مرکزی» میگویند؟
پاسخ: زیرا این مسیر اصلی و همیشگی انتقال اطلاعات ژنتیکی در تمام سلولهای زنده است. البته استثناهایی مثل ویروسها وجود دارند که از RNA به DNA استفاده میکنند (با آنزیم رونوشتبردار معکوس)، اما قاعدهٔ کلی همین است .
✱ جمعبندی: نوکلئیک اسیدها (DNA و RNA) حامل کدهای حیات هستند. DNA با ساختار مارپیچ دوگانه خود اطلاعات را ذخیره میکند. این اطلاعات از طریق فرایند «همانندسازی» تکثیر، با «رونویسی» به mRNA منتقل و نهایتاً در فرایند «ترجمه» با کمک tRNA و ریبوزوم به پروتئین تبدیل میشوند. این زنجیرهٔ زیستی، اساس تمام فعالیتهای سلولی و وراثت را تشکیل میدهد.
پاورقی
1 همانندسازی (Replication): فرایند ساخت یک کپی دقیق از مولکول DNA.
2 رونویسی (Transcription): فرایند ساخت RNA از روی الگوی DNA.
3 ترجمه (Translation): فرایند ساخت پروتئین از روی الگوی mRNA در ریبوزوم.
4 نوکلئوتید (Nucleotide): واحد سازندهٔ نوکلئیک اسیدها، شامل قند، فسفات و باز نیتروژنی.
