 |
|
مادهی ژنتیک
فهرست مندرجات
◉ پیشینهی تاریخی
◉ ساختار
◉ عملکرد
◉ يادداشتها
◉ پيوستها
◉ پینوشتها
◉ جُستارهای وابسته
◉ سرچشمهها
◉ پيوند به بيرون
زیستشناسی مولکولی ژنتیک
مادهی وراثتی یا مادهی ژنتیک (به انگلیسی: Genetic material)، موادی که برای ذخیرهای اطلاعات ژنتیکی در هسته یا میتوکندری سلولهای موجود زنده مورد استفاده قرار میگیرد (دیانای یا آرانای). مادهی ژنتیکی سلول میتواند یک ژن، بخشی از یک ژن، یک گروه از ژن، یک مولکول دیانای، یک قطعه از دیانای، یک گروه از مولکولهای دیانای یا کل ژنوم یک ارگانیزم (موجود زنده) باشد. این مواد نقش اساسی در تعیین ساختار و ماهیت مواد سلولی دارند و قادر به تکثیر هستند. در واقع، اسید نوکلئیک (Nucleic acid) مادهی وراثتی است.
| ▲ | پیشینهی تاریخی |
کشف اینکه اطلاعات ژنتیکی در امتداد طول دیانای (DNA) کُد میشود، یکی از دستاوردهای عمدهی علوم در قرن بیستم بود. مولکول پلیمری دیانای، اساس شیمیایی وراثت و واحدهای اساسی اطلاعات ژنتیکی است. واحد سازندهی دیانای نوکلئوتید است. امروزه پیشرفتهای علم ژنتیک مدیون شناخت این مولکول است. اما چگونه برای اولینبار این ماده کشف شد؟
در سال ۱۸٦۹، یوهانس فریدریش میشر (Johannes Friedrich Miescher) (زادهی ۱۳ اوت ۱۸۴۴ م - درگذشتهی ۲٦ اوت ۱۸۹۵ م)، که در آن زمان دانشجوی جوان پزشکی اهل کشور سوئیس بود، اسید نوکلئیک را کشف کرد. هرچند این کشف خیلی زود انجام شد، اما کشف دیانای بهعنوان مادهی ژنتیکی بسیار طول کشید تا اثبات شود.
تا سال ۱۹۲٦، تلاش برای تعیین مکانیسم مادهی ژنتیکی به سطح مولکولی رسیده بود و افزون بر این، اکتشافات و یافتههای مختلف توسط دانشمندان، بیشتر متمرکز بود بر جستجوی مادهی ژنتیکی در کروموزوم که در هستهای بیشتر سلولها قرار دارد. اما کلید مولکول ژنتیک هنوز بهدست نیامده بود.
یکی از مهمترین آزمایشها، در تاریخ زیستشناسی، در سال ۱۹۲۸ میلادی، انجام شد که سرآغازی برای مطالعهی مادهی ژنتیک و عامل انتقال صفات بود. در آن دوران، کمتر کسی تصور میکرد چیزی که امروزه آنرا دیانای میشناسند، وجود داشته باشد و فرایند توارث بر پایهی آن رقم بخورد. هرچند که این کشف کاملاً بهطور تصادفی رخ داد؛ اما پایهی برای شناخت بهتر علم ژنتیک شد.
در سال ۱۹۲۸ میلادی دانشمندی بهنام فردریک گریفیت (Frederick Griffith) (زادهی حدود ۱۸۷۹ م - درگذشتهی ۱۹۴۱ م)، زیستشناس و پزشک اهل بریتانیا، که مشغول انجام آزمایشاتی برای تهیه واکسن بود، بهطور تصادفی با کشف بزرگی دربارهی مادهی ژنتیک روبهرو شد. با اینکه هدف آزمایش او یافتن واکسن برای بیماری سینهپهلو یا ذاتالریه (Pneumonia) بود که توسط باکتری مولد این بیماری، استرپتوکوکوس نومونیا (Streptococcus pneumoniae)، ایجاد میشود، نتایج این آزمایش نقطهی شروعی برای علم ژنتیک و سرآغازی برای کشف مادهی ژنتیکی و مطالعهی توارث محسوب میشود. بعدها این آزمایش به آزمایش گریفیت (Griffith's experiment) شهرت یافت.
گریفیت، روی دو (Strain) از باکتری استرپتوکوکوس نومونیا کار میکرد. یکی از این دو سویه، که بهنام «سویهی صاف» (Smooth Strain) یا گونهی اس (type III-S) نامیده میشود، دارای کپسول است و بیماری ایجاد میکند. در واقع، کپسول این سویه، باکتری را از سیستم ایمنی محافظت میکند. دومی، که بهنام «سویهی درشت» (Rough Strain) یا گونهی آر (type II-R) یاد میشود، بدون کپسول است و تولید بیماری نمیکند.
هنگامی که گریفیت باکتریهای کپسولدار را به موش تزریق کرد، موش به سینهپهلو مبتلا شد و مُرد. در حالی که با تزریق باکتریهای بدون کپسول، موش زنده میماند. او سپس باکتریهای کپسولدار را با گرما از بین برد و باکتریهای کشتهشده را به موش تزریق کرد، موشها زنده ماندند. از این سه مشاهده، نتیجه میشود که باکتریهای کپسولدار بیماریزا و باکتریهای بدون کپسول، غیربیماریزا هستند. از طرفی با حرارت دادن به باکتریهای کپسولدار، کپسول آنها دگرگونی یافته و از باکتری جدا میشد، اما مواد سازندهی آن بهصورت اولیه و منسجم باقی میماندند. پس کپسول بهخودی خود عامل ایجاد بیماری و مرگ موش نبود؛ چرا که تزریق باکتری کپسولدار مرده، در حالی که کپسول آن وجود داشت و ساختار آن حفظ شده بود، باعث مرگ موش نمیشد.
آنچه گریفیت مشاهده کرده بود را امروزه ترانسفورماسیون مینامند. ترانسفورماسیون، پدیدهای است که طی آن، باکتری مواد ژنتیکی را از محیط خارج و از جاندار دیگر دریافت میکند و با استفاده از آن، در خصوصیات خود تغییر ایجاد میکند.
نتیجهی غیرمنتظره و اصلی مشاهدات آزمایش گریفیت، هنگامی بود که او مخلوطی از باکتریهای زندهی بدون کپسول و باکتریهای کشتهشدهی کپسولدار را همزمان وارد بدن موش کرد. پس از این کار، موش بیمار شده و از بین میرفت. پس از مرگ موش، گریفیت خون موش مرده را بررسی کرد و در آن باکتری کپسولدار زنده یافت. یعنی تعدادی از باکتریهای بدون کپسول، «ترانسفورماسیون» (Transformation) حاصل کردند و به باکتری کپسولدار تبدیل شدند. ترانسفورماسیون، پدیدهای است که طی آن، باکتری مواد ژنتیکی را از محیط خارج و از جاندار دیگر دریافت میکند و با استفاده از آن، در خصوصیات ظاهری یا فنوتیپ (Phenotype) خود تغییر ایجاد میکند.
پس از این مشاهده، معلوم شد که عاملی که اطلاعات و دستورالعملهای ساخت کپسول را دارا بوده، از باکتریهای کپسولدار مرده به باکتریهای بدون کپسول زنده منتقل شده و به آنها توانایی ایجاد کپسول دادهاست. در آن زمان این عامل که نوکلئیک اسید از نوع آرانای بود، کشف و شناخته نشد. اما این مشاهدات پایه و آغازی برای کشف مادهی ژنتیک بود.
با این آزمایش مشخص شد که عامل ترانسفورماسیون، همان مادهی ژنتیک و عامل انتقال صفات در وراثت است. انتقال صفت «داشتن کپسول» از باکتریهای کپسولدار مرده به باکتریهای بدون کپسول زنده، ذهن پژوهشگران را به مسئلهی مادهی ژنتیک که معمایی دیرین بود، معطوف ساخت و کشف عامل انتقال صفات و ساختار آن را در آزمایشهای بعدی توسط دیگر پژوهشگران ممکن نمود.
یکی دیگر از مهمترین آزمایشها در تاریخ زیستشناسی، آزمایش اسوالد ایوری (Avery–MacLeod–McCarty experiment) است که به شناسایی عامل ترانسفورماسیون انجامید و ماهیت مادهی ژنتیک را آشکار ساخت.
اسوالد تئودور آوری (Osward Theodore Avery) (زادهی ۲۱ اکتبر ۱۸۷۷ م - درگذشتهی ۲۰ فوریه ۱۹۵۵ م) یک دانشمند در زمینهی زیستشناسی مولکولی اهل ایالات متحده آمریکا-کانادا بود. او و همکارانش: کولین مکلئود (Colin MacLeod) و مکلین مککارتی (Maclyn McCarty)، در سال ۱۹۴۴، با انجام این آزمایش، به بحثها و پژوهشهای چندین ساله دربارهی ماهیت مادهی ژنتیک خاتمه دادند و برگ زرینی به تاریخ زیستشناسی افزودند. ایوری و همکاران او میدانستند که در سلول چهار گروه اصلی از مواد آلی وجود دارد. این مواد عبارتاند از: کربوهیدراتها (Carbohydrates)، لیپیدها (Lipids)، پروتئینها (Proteins) و نوکلئیک اسیدها (Nucleic acids)؛ بنابراین، عامل ترانسفورماسیون هرچه باشد، یکی از این چهار گروه است. گروه ایوری، در آن زمان آنزیمهای تخریب کنندهی این چهار گروه مادهی شیمیایی اصلی را در اختیار داشتند، که به ترتیب عبارت هستند از: کربوهیدراتاز (Carbohydrates)، پروتئاز (Protease)، لیپاز (Lipase) و نوکلئاز (Nuclease). آنان ابتدا عصارهی سلولی باکتریهای کپسولدار کشتهشده را استخراج کردند. عصارهی سلولی، همهی مواد شیمیایی درون باکتری را در بردارد. آنها عصارهی سلولی را به چند قسمت تقسیم و بههر قسمت آنزیمهای تخریبکنندهی آن ماده آلی را اضافه کردند و کوشیدند با هر قسمت، بهطور جداگانه، باکتری بدون کپسول زنده را وادار به ترانسفورماسیون کنند. ایوری و همکارانش مشاهده کردند که ترانسفورماسیون فقط هنگامی رخ میدهد که دیانای تخریب نشده باشد و به این ترتیب دریافتند که عامل ترانسفورماسیون، همان دیانای موجود در باکتریهای کپسولدار است. ایوری برای تحکیم ادعای خود، دیانای باکتریهای کپسولدار را بهطور خالص تهیه کرد. وی دریافت که اگر به باکتریهای بدون کپسول، دیانای خالص مربوط به باکتریهای کپسولدار، اضافه کند، باکتریهای بدون کپسول به باکتریهای کپسولدار تبدیل میشوند. به این ترتیب، دیگر تردیدی باقی نماند که عامل ترانسفورماسیون، دیانای است. در واقع، دیانای اطلاعات و دستورالعملهای لازم برای ساختن کپسول را به باکتریهای بدون کپسول منتقل میکند و باکتریهای بدون کپسول براساس این اطلاعات و دستورالعملها، کپسول میسازند. ایوری، بعدِ از ۱۶ سال آزمایش در سال ۱۹۴۴، گزارش نتایج پژوهشهای خود را منتشر کرد. با انتشار گزارش ایوری، توجه سایر دانشمندان نیز به دیانای جلب شد و آنان با انجام آزمایشهای دیگری اهمیت نقش دیانای را بهعنوان عامل ترانسفورماسیون، یا بهعبارت دیگر مادهی ژنتیک، بیش از پیش استوار کردند.
| ▲ | ساختار |
مادهی ژنتیکی، همان دیانای یا بهطور صحیحتر اسید نوکلئیک است. در اغلب موجودات، مادهی ژنتیکی، دیانای میباشد. با این وجود تعدادی از ویروسها در ساخت قالب ژنومی خود از آرانای (ریبونوکلئیک اسید) بهره میبرند. دیانای و آرانای مولکولهای پلیمری هستند که زنجیرههای خطی آنها از زیرواحدهای نوکلئوتیدی تشکیل شدهاند. هر نوکلئوتید سه بخش دارد: یک باز نیتروژنی (Nitrogenous base)، یک قند ۵ کربنه (5-carbon sugar یا Pentose) و یک گروه فسفاتی (Phosphate group). به ترکیب باز و قند باهم نوکلئوزید (Nucleoside) و به همراهی قند-باز و فسفات باهم، نوکلئوتید (Nucleotide) گفته میشود. از آنجایی که نوکلئوتیدهای موجود در دیانای دارای قند '۲ دئوکسیریبوز میباشند، به آنها دئوکسیریبونوکلئوتید (Deoxyribonucleotide) اطلاق میگردد. اما در آرانای بهخاطر داشتن قند ریبوز، به این واحدها ریبونوکلئوتید گفته میشود. باز بهکاررفته در یک نوکلئوتید ممکن است یک پورین (Purine) دو حلقهای یا یک پیریمیدین (Pyrimidine) تکحلقهای باشد. آرانای و دیانای دو نوکلئوتید حاوی پورین و دو نوکلئوتید حاوی پیریمیدین دارند. پورین در آرانای و دیانای مشابه هم بوده و شامل آدنین (A) و گوانین (G) میباشند. پیریمیدین سیتوزین (C) در هر دو اسید نوکلئیک وجود دارد، اما تیمین (T) محدود به دیانای بوده و در آرانای با یوراسیل (U) جایگزین شده است.
ساختار پورینها و پیریمیدینها در اسیدهای نوکلئیک. بازهای نیتروژنی بهرنگ نارنجی و گروههای قندی بهرنگ آبی نشان داده شدهاند. سیستم شمارهگذاری Beneath در اینجا بهکار گرفته شده است. اتمهای حلقهی پورین از ۱ تا ۹ و حلقهی پیریمیدین از ۱ تا ۶ و اتمهای قند از ۱ تا ۵ شمارهگذاری شدهاند.
چنانکه در شکل بالا نشان داده شده است، اتمهای کربن و نیتروژن در حلقههای پورین و پیریمیدین به ترتیب از ۱ تا ۶ و یا از ۱ تا ۹ شمارهگذاری میشوند. اتمهای کربن موجود در حلقهی قندی - ریبوز یا دئوکسی ریبوز - از '۱ تا '۵ (۱-پریم تا ۵-پریم خوانده میشوند) شمارهگذاری میگردند. ۲-دئوکسی ریبوز فاقد گروه هیدروکسیل در کربن '۲ قند میباشند. نوکلئوتیدها در هر رشتهی دیانای و آرانای از طریق پیوند قند-فسفات بههم متصل میگردند، بهطوری که گروه هیدروکسیل در کربن '۳ از یک نوکلئوتید با گروه فسفاتی در کربن '۵ نوکلئوتید دیگر پیوند برقرار میکند. به دو نوکلئوتید متصل بههم دینوکلئوتید و به سه نوکلئوتید متصل بههم ترینوکلئوتید و به چندین نوکلئوتید متصل بههم در یک زنجیرهی بلند، یک پلینوکلئوتید گفته میشود.
اتصال نوکلئوتیدها. اتصال نوکلئوتیدهای آدنین و گوانین بههم. فسفاتهای موجود در حلقهی قندی گوانین بهصورت α، β و γ نشان داده شده است. در هنگام تشکیل دینوکلئوتید، پیروفسفات (فسفات β و γ) از گوانین جدا شده و پیوند فسفودی استری بین هیدروکسیل کربن '۳ از آدنین و فسفات کربن '۵ از گوانین برقرار میگردد. مولکولهای دیانای همیشه یک فسفات آزاد '۵ و یک هیدروکسیل آزاد '۳ دارند.
| ▲ | عملکرد |
[▲] يادداشتها
[▲] پيوستها
...
[▲] پینوشتها
The material used to store genetic information in the nuclei or mitochondria of an organism's cells; either DNA or RNA. (Genetic material, From Wiktionary).
The genetic material of a cell or an organism refers to those materials found in the nucleus, mitochondria and cytoplasm, which play a fundamental role in determining the structure and nature of cell substances, and capable of self-propagating and variation. The genetic material of a cell can be a gene, a part of a gene, a group of genes, a DNA molecule, a fragment of DNA, a group of DNA molecules, or the entire genome of an organism. (Biology Online Dictionary)
ریچارد جی. ریس، آنالیز ژن و ژنوم، ترجمهی مهرداد هاشمی و نجمه رنجی و ملیحه انتظاری، تهران: انتشارات حیدری، چاپ ۱۳۹۲، ص ۱۰.
[▲] جُستارهای وابسته
□
□
□
[▲] سرچشمهها
□
□
□ Richard J Reece, Analysis of Genes and Genomes, Wiley, 2004. ISBN-13: 978-0470843802.□
[▲] پيوند به بیرون
□ [۱ ٢ ٣ ۴ ۵ ٦ ٧ ٨ ٩ ۱٠ ۱۱ ۱٢ ۱٣ ۱۴ ۱۵ ۱٦ ۱٧ ۱٨ ۱۹ ٢٠]
ردهها │ زیستشناسی │ زیستشناسی ملکولی │ ژنتیک
