مقاله خصوصیات ساختاری انواع مولکول DNA

نگاهی به خصوصیات ساختاری و انواع مولکول DNA

مولكول DNA  حاوی توالی بازهای نوكلئوتیدی است و حاوی 4 باز A (آدنین)،T (تیمین)، G (گوانین) و C (سیتوزین) می باشد. بخشی از مولكول DNA  غنی از پیوند دوگانه A-T و بخشی غنی ازپیوند سه گانه C-G است. مولكول غنی از C-G اطلاعات بیشتری دارد ولی اصولا به نظر شما كجا A-T بیشتر است؟ و به چه درد می خورد؟ یك بخش غنی از A-T جعبه TATA است كه در پروموتور یوكاریوت ها و پروكاریوت ها وجود دارد. جعبه TATA برای راحت باز شدن پروموتور است چون غنی از A-T است اگر غنی از C-G بود مشكل بود زیرا توالی های غنی از C-G دارای 3 پیوند هیدروژنی هستند. مكان های غنی از A-T بخش های اختصاصی هستند كه امكان انجام كارهای بیولوژیكی در آنها وجود دارد. بخش دیگر غنی از توالی A-T، origin یا نقطه شروع همانند سازی است. هر جایی كه نیاز است مولكول DNA   با انرژی كمتری باز بشود و كارهای مختلفی مثل نسخه برداری یا همانند سازی انجام بگیرد غنی از توالی A-T است.

بین A-T دو پیوند هیدروژنی و بین C-G سه پیوند هیدروژنی وجود دارد. در نتیجه به هنگام نسخه برداری ویا همانند سازی رشته DNA، مولكولی كه توالی A-T زیادی دارد با انرژی كمتری باز می شود و مولكولی كه توالی C-G زیادی دارد با انرژی بیشتری باز می شود.

پیوندهایی كه ساختارهای مختلف مولكول DNA   را در فضا بوجود می آورند:

پیوند بین كربن 5^/ و فسفر، كربن 5^/ و 4^/، 4^/ و 3^/، 3^/ و 2^/، 2^/ و 1^/ و پیوند گلیكوزیدی. روابط بین پیوندها چرخش مولكول DNA   را مشخص می كند.

پیوندها شامل: α، β، گاما و ψ (كی). این پیوندها می توانند اشكال مختلفی را برای باز نوكلئوتیدی در فضا نسبت به قند داكسی ریبوز و ریبوز فراهم آورند. پیوند بین 4^/ و 3^/ می تواند بپیچد و در نتیجه مولكول را هم بپرخاند.

مولكولDNA  نمی تواند بدون تغییر شکل، در داخل سلول قرار بگیرد. چون اندازه آن خیلی بزرگتر از اندازه سلول و اندازه هسته است. در نتیجه باید به نحوی پیچ بخورد تا جای بگیرد. این پیوندها امكان این پیچ و خم را فراهم کرده و باعث متراكم شدن مولكولDNA  می شوند. این چرخش ها بخصوص در مورد پیوند گلیكوزیدی می توانند باز را نسبت به مولكول قند در فضا جابجا كرده و تغییرات را بوجود بیاورند.

چرخش های DNA  :

·    Propeller Twist: مولکول DNA می تواند خم شود و بچرخد. یعنی چرخشی مثل پروانه هواپیما

·   Bend Twist  : خمیده شدن ملکول DNA

-   Local Structure: هر منطقه ای از ملکول DNA می‏‎تواند تغییرات خاصی داشته باشد.

-  ملکول DNA خاصیت dynamic دارد و می تواند حرکت کند و ثابت نیست و flexible است و در نتیجه می تواند خم شود.

Knot Theory:

مولکول DNA می تواند فرم‎های Knotted و Unknottedرا به خود بگیرد. موکول DNA می تواند در طول محور خود بچرخد و شکل فضایی مثل طناب را داشته باشد و هم می تواند دوباره Unknotted شود و به حالت اول برگردد. اگر ملکول DNA را به صورت یک طناب بسته در نظر بگیریم، این طناب بسته می تواند در فضا اشکال بسیار زیادی به خود بگیرد که با مفهوم ریاضی Knot Theory قابل تفسیر می باشد.

استحکام ملکول DNA :

از آنجایی که پیوند های هیدروژنی ضعیف هستند اما تعدادشان زیاد است، باعث استحکام ملکول DNA می شوند. به غیر از پیوند هیدروژنی موارد دیگری هم هستند که قدرت این اتصال و را افزایش می دهند و باعث استحکام بیشتر می شوند و آنها نیروهای هیدروفوب (آبگریز : یعنی وسط ملکول DNA آبگریز اما در اطراف هیدروفیل می باشد) هستند.

پیوند های Hagstein :

این نوع پیوند ها متفاوت از پیوندهای معمولی است که بین A،T،C وGبه وجود می آید. در روال عادی همانند سازی بین دو رشته صورت می گیرد اما وضعیت های غیر عادی مثل G-quartet یا مولکول DNA سه رشته ای ( در انتهای DNA در تلومر) نیز وجود دارند. در حالت سه رشته ای، دو رشته حالت معمول را دارند اما زمانی که سه رشته است، رشته ای(رشته وسطی) که پیوندی را با بالایی(اول) دارد می خواهد پیوندی را نیز با رشته پایینی(سوم) ایجاد کند در نتیجه بازها می توانند پیوندهای دیگری را نیز با بازهای دیگر برقرار کنند. پیوندهایی که با  رشته سوم برقرار می شود از نوع Hagstein است که می تواند ملکول DNA سه رشته ای را به وجود آورد. همچنین ممکن است در انتهای ملکول DNA یک شکل فضایی خاصی به نام G-quartet به وجود آید که این شکل فضایی هم وابسته به این پیوند های اضافی است که بازهای نوکلئوتیدی هم می توانند این نوع پیوند را با بازهای مکمل خودشان به وجود بیاورند. در نتیجه صرفا پیوندها همیشه بین AT و GC نیست و در شرایط عادی، به سبب خاصیتDNA پلیمراز است که می تواند بین AT دو پیوند هیدروژنی و بین GC سه پیوند هیدروژنی به وجود آورد.

ملکول DNA درمحیط Invivo به سه فرم A، B و Z وجود دارد. ملکول DNA می تواند به صورت راست گردان و چپ گردان باشد. فرمهای A و B راستگرد و فرم Z چپ گرد است، همچنین در هر دور کامل مارپیچ DNA، به ترتیب 10، 11 و 12 جفت باز در فرمهای A و B و Z ، وجود دارند. قطر مارپیچ فرمهای A و B و Z ، به ترتیب 2/37، 2/55 و 1/84 نانومتر می باشد، ضمنا توپولوژی شیار اصلی در فرم A، عمیق و پهن، در فرم B، عمیق و باریک و در فرم Z، مسطح است و توپولوژی شیار فرعی در فرم A، باریک و کم عمق، در فرم B، گسترده و کم عمق و در فرم Z، عمیق و باریک می باشد.

نوع Z اصولاً گفته می شود که مطالعه اش مشکل است چون تنها تحت شرایط خاص و در توالی خاص شکل می گیرد.

شرایط خاص(این مجموعه بایستی باشند تا مولکول DNA فرم Z  شکل بگیرد) :

·  وجود توالی:poly(dGC)²این توالی باید در مولکول DNA موجود باشد. احتمالاً در پروموتر ها چنین توالی وجود دارد. ملکول DNAZ در تمامی طول ملکول DNA نیست بلکه تحت شرایط خاص و در توالی خاص poly(dGC)² شکل می گیرد.

·    در جایی که Supercoil  منفی است.

·   جایی که غلظت نمکها پایین است و تمامی پیوند ها در  37^oCو Ph=7.2–7.3 صورت می گیرد.

  : Junction Sequencesبه نظر می آید که نوعی توالی خاص می باشد که در آن دو فرمB و Z با یکدیگر پیوند می یابند.

دانشمندان توانسته اند توالی poly(dGC)²را به صورت مصنوعی بسازند و کریستال کنند و ساختار کریستالی را بررسی کنند. ولی در حالت In vivo مطالعه آن به خاطر گذرا بودن آن مشکل است و همیشه به صورت پایداری وجود ندارد تا بتوان مطالعات عمیقی بر روی آن انجام داد و اکثر مطالعاتی که انجام شده در محیطIn vitro  و به صورت شیمیایی است به این صورت که این توالی ها را ساختند و شرایط لازم را فراهم کرده اند و به صورت Z DNA درآمده است و نهایتاً توانسته اند ساختار را با اشعه X بررسی کنند.

روی کروموزوم شماره 22 انسان در جایگاه هایی که از نقطه نظر ژنی فعال بوده اند، مطالعاتی انجام شده است و ملاحظه شده است که فرم Z در آنجا بیشتر بوده است.

به نظر می رسد که  Z DNA در مناطق بالقوه فعال نسخه برداری، بوجود می آید.

قبلاً بحث بر این بود که باید جایی از ملکول DNA بریده شود تا بتواند شکل Z به خود بگیرد ولی در عمل نشان داده شده است که هیچ بریدگی وجود ندارد. بلکه بیشتر در مناطق نسخه برداری و بیشتر در پروموتر ها وقتی RNA پلیمراز، پروموتر را باز می کند،  در دنباله جایگاهی است که این چرخش می تواند انجام بگیرد و احتمالاً Junction به وجود می آید که این امر بیشتر در پروموتر های خیلی بزرگ به وجود می آید.

در مولکول DNA فرم A نداریم. وقتی یک رشته ملکول DNA و RNA کنار هم قرار میگیرند و جفت می شوند، فرم A به وجود می آید و یا زمان نسخه برداری بین DNA و RNA ممکن است حالت مکملی به وجود بیاید که بصورت فرم A خواهد بود و یا خود ملکول DNA به صورت تک رشته دربیاید و این حالت به وجود بیاید. ولی در حالت طبیعی فرم A را نداریم و تنها فرم B است.

مطالعه دیگری نشان داده که Z DNA برای نسخه برداری ضروری است. به عنوان مثال پروتئینی به نام E3L كه از Poxuinus جداسازی شده است، می تواند به ZDNA متصل شود و باعث افزایش 5 تا 10 برابری محصولات ژن مربوطه شود.