درسنامه کامل زیست شناسی (3) فصل 1 مولکول های اطلاعاتی

گریفیت باکتری شناسی که سعی میکرد واکسنی برای آنفولانزا تولید کند ، با انجام چهار آزمایش بر روی باکتری های استرپتوکوکوس نومونیا نتیجه گرفت ماده وراثتی هرچه باشد می تواند بین سلول ها منتقل شود.

باکتری استرپتوکوکوس نومونیا دو سویه دارد:

 1-پوشینه (کپسول) دار، عامل بیماری ذات الریه

 2-بدون پوشینه (کپسول)، غیر بیماری زا

تزریق باکتری زنده پوشینه دار به موش ← ایجاد بیماری و مرگ موش

دلیل: پوشینه از باکتری در برابر دستگاه ایمنی موش محافظت میکند، پس باکتری زنده میماند و با ایجاد بیماری ذات الریه، موش را میکشد.

تزریق باکتری زنده بدون پوشینه به موش←  بیماری ایجاد نمیشود و موش زنده میماند.

دلیل: دستگاه ایمنی بدن موش ، به راحتی باکتری ها را میکشد، چون پوشینه ای برای حفاظت وجود ندارد.

تزریق باکتری پوشینه دار کشته شده با گرما به موشک نتیجه همانند آزمایش دوم

دلیل: گرما باکتری را میکشد، پس بیماری ایجاد نمی شود.

نتیجه: تنها خود پوشینه بیماری زا نیست.

تزریق مخلوطی از محتویات سرنگ های آزمایش دوم و سوم ( بدون پوشینه زنده + پوشینه دار کشته شده) به موش ← همانند آزمایش اول موش بیمار شده و میمیرد.

دلیل: ماده وراثتی باکتری های پوشینه دار کشته شده، توسط باکتری های بدون پوشینه زنده، جذب شده اند و باکتری با استفاده از اطلاعات آن، توانسته پوشینه بسازد و در برابر دستگاه ایمنی زنده بماند.

اثبات اینکه ماده وراثتی همان DNA است، نتیجه آزمایش های ایوری و همکارانش بود.

مراحل آزمایش

1) تهیه مخلوط مورد استفاده در آزمایش چهارم گریفیت (بدون پوشینه + پوشینه دار) حذف پروتئین های این مخلوط..

2) مخلوط بدون پروتئین را به محیط کشت باکتری های زنده بدون پوشینه اضافه کردند.

3) مشاهده شد که انتقال صفت صورت میگیرد ← نتیجه گرفتند ماده وراثتی از جنس پروتئین نیست.

4) بخشی از مخلوط را سانتریفیوژ کرده تا مواد تشکیل دنده آن لایه لایه جدا شود. سپس هر لایه را که فقط حاوی نوع خاصی از ماده آلی بود به محیط کشت باکتری های بدون پوشینه اضافه کردند. مشاهده کردند انتقال صفت فقط هنگامی رخ میدهد که لایه حاوی DNA را به محیط کشت اضافه کنند.

ایوری برای اثبات بیشتر اینکه ماده وراثتی از جنس DNA بوده و رفع ابهام کند آزمایش زیر را انجام داد:

عصاره باکتری پوشینه دار را استخراج کرده و درون چند لوله آزمایش ریخت. به هر قسمت نوعی آنزیم تخریب کننده اضافه کرد (مثلا پروتئاز_آمیلاز_نوکلئاز و...). سپس محتویات هر لوله را جداگانه به محیط کشت باکتری زنده بدون پوشینه اضافه کرد. مشاهده کرد که انتقال صفت در اغلب موارد انجام میشود به استثناء هنگامی که آنزیم نوکلئاز اضافه شد، چون با حذف DNA انتقال صفت انجام نشد، پس نتیجه این شد که ماده وراثتی حتما DNA است.

در ساختار فام تن (کروموزوم) دو ماده شرکت دارند:

1- DNA

2- پروتئین

1) به هر رشته از اسید های نوکلئیک، رشته پلی نوکلئوتیدی می گویند.

2) هر رشته پلی نوکلئوتیدی از واحد های کم و بیش شبیه به هم به نام نوکلئوتید ساخته شده است.

1- DNA (دئوکسی ریبونوکلوئیک اسید) ← DNA همیشه دو رشته ای

2- RNA (ریبونوکلویک اسید) ← RNA معمولا تک رشته ای

1- خطی:

درون هسته یاخته یوکاریوت

2- حلقوی:

میتوکندری (راکیزه) _ کلروپلاست (سبز دیسه) _ یاخته پروکاریوت

در هر نوکلئوتید سه بخش وجود دارد:

1- یک قند 5 کربنی که ممکن است ریبوز یا دئوکسی ریبوز باشد.

2- یک باز آلی نیتروژن دار که ممکن است از نوع پورین یا پیریمیدین باشد.

3- یک یا دو یا سه عدد گروه فسفات.

5 نوع باز آلی نیتروژن دار وجود دارد که هر نوکلئوتید فقط یک عدد از آن را دارد.

باز های آلی پورینی دو حلقه دارند و شامل آدنین و گوانین هستند.

باز های آلی پیریمیدینی: تک حلقه ای هستند و شامل سیتوزین ، گوانین و یوراسیل می باشد.

باز های آدنین ، گوانین و سیتوزین هم در DNA و هم در RNA وجود دارند.

باز تیمین فقط در DNA و باز یوراسیل فقط در RNA وجود دارد.

حداکثر و مجموعا 24 نوع نوکلئوتید را می توان در یک یاخته یافت: 8 نوع بر اساس نوع قند و باز آلی که هر کدام ممکن است یک یا دو یا سه گروه فسفات داشته باشند. (24=3×8)

درون هر نوکلئوتید، یک باز آلی نیتروژن دار با پیوند کوالانسی به قند 5 کربنی وصل شده است.

درون هر نوکلئوتید، گروه فسفات با پیوند کوالانسی به قند 5 کربنی وصل شده است.

بین باز آلی و گروه فسفات، اتصال مستقیم وجود ندارد.

در یک رشته پلی نوکلئوتیدی 2 نوکلئوتید مجاور با فسفودی استر به یکدیگر متصل اند.

هر مولکول DNA، از دو رشته پلی نوکلئوتیدی ساخته شده است.

هر مولکول RNA، فقط از یک رشته پلی نوکلئوتیدی ساخته شده است.

همه RNA ها و گروهی از DNA ها به شکل خطی هستند یعنی هر رشته پلی نوکلئوتیدی دو انتهای باز دارد. در یک انتها گروه فسفات و در انتهای دیگر هیدروکسیل قند قرار دارد.

پس می توان گفت در رشته پلی نوکلئوتیدی خطی، قطبیت وجود دارد یعنی دو انتهای یک رشته یکسان نیستند.

در DNA حلقوی، انتهای آزاد وجود ندارد چون فسفات یک انتها با پیوند فسفودی استر به هیدروکسل قند انتهای دیگر متصل شده است پس می توان گفت در DNA حلقوی، قطبیت وجود دارد.

پیوند های هیدروژنی دو رشته DNA را (پیوند بین باز ها) به یکدیگر متصل کرده اند.

در یک مولکلول DNA، همیشه آدنین مقابل تیمین و همیشه گوانین مقابل سیتوزین قرار دارد چون مکمل یکدیگرند ← پس با دانستن توالی باز های یک رشته DNA میتوان توالی باز های رشته های مقابل را نیز به دست آورد.

1- در یک مولکول DNA (خطی و حلقوی) : مقدار آدنین با تیمین و مقدار گوانین با سیتوزین برابر است.

2- همیشه باز پورینی مقابل یک باز پیریمیدینی قرار می گیرد.

تعداد  A=T

تعداد G=C

تعداد A+G=C+T

1- DNA شکل مارپیچی دارد.

2- بیش از یک رشته دارد.

3- تشخیص ابعد مولکلول ها.

مهم ترین نتایج موارد 1و 2 هستند.

این دو دانشمند بر اساس 3 مورد زیر، این مدل را پیشنهاد دادند:

1) نتایج آزمایشات چارگاف

2) یافته های تصویر برداری با اشعه X

3) یافته های خودشان

DNA به شکل نردبان مارپیچی است:

1) نرده ها (ستون ها) از مولکول های قند و فسفات تشکیل شده اند(قند و فسفات، یک در میان قرار گرفته اند)

2) پله ها از جفت باز های آلی نیتروژندار تشکیل شده اند.(جفت AT یا جفت CG)

در پایدارترین حالت:

الف) بین آدنین و تیمین مقابل، دو پیوند هیدروژنی تشکیل می شود.

ب) بین گوانین و سیتوزین سه پیوند هیدروژنی تشکیل می شود.

همیشه باز پورینی (2 حلقه ای) مقابل یک باز پیریمیدینی (تک حلقه ای) قرار میگیرد، پس قطر DNA در تمام قسمت ها ثابت است ← فایده ثابت ماندن قطر DNA :

1) پایداری اطلاعات ذخیره شده

2) فشرده شدن بهتر فام تن (کروموزوم) ها.

هرجفت باز مقابل هم، مجموعا دارای سه حلقه هستند.

هر جفت نوکلئوتید مقابل هم مجموعا 5 حلقه آلی دارند ( سه حلقه بازی و دو حلقه قند دئوکسی ریبوز)

پیوند هدروژنی انرژی کمی دارد، اما به دلیل وجود میلیون ها و هزاران پیوند هدروژنی بین دو رشته DNA، می توان نتیجه گرفت که دو رشته DNA به صورت محکم به یکدیگر وصل شده اند.

برای فرآیند همانند سازی DNA و رونویسی RNA از روی DNA، پیوند های هیدروژنی توسظ آنزیم هایی شکسته می شوند تا دو رشته DNA از یکدیگر جدا شوند.

( توسط آنزیم هلیکاز در همانند سازی DNA و آنزیم RNA پلی مراز در رونویسی)

ژن بخشی از DNA دو رشته ای که اطلاعات مربوط به یک RNA در آن ذخیره شده است.

یک مولکول DNA حاوی چندین ژن است.

هر مولکول RNA فقط از روی یک رشته DNA رونویسی می شود.

4 نوع RNA داریم:

الف)  mRNA(RNA پیک یا پیام رسان):

اطلاعات لازم برای پروتئین سازی را از DNA به رناتن (ریبوزوم) ها می رساند. mRNA تنها RNA ای است که توسط رناتن (ریبوزوم)، قابل ترجمه است.

ب) tRNA (RNA ناقل یا حامل):

حمل آمینواسید به رناتن هنگام پروتئین سازی.

ج) rRNA (RNA رناتن (ریبوزومی):

جزئی از ساختمان رناتن است. (مولکول های سازنده رناتن (ریبوزوم): پروتئین ها + RNA های رناتن (ریبوزومی).

د) sRNA (RNA کوچک):

در بلوغ mRNA نقش دارد.

1) ذخیره انرژی؛ مثل ATP (منبع رایج انرژی در یاخته)

2) گیرنده و ناقل الکترون مثلا NADH و FADH2 (در تنفس سلولی) و NADH (فتوسنتز) و ...

هنگام تقسیم یاخته، 2 یاته حاصل از رشتمان (میتوز) و سیتوکینز، باید DNA یکسان با یاخته مادر را دریافت کنند. پس قبل از شروع رشتمان و در مرحله S چرخه یاخته ای، با عمل همانند سازی، محتوای DNA درون هسته دو برابر می شود.

الف) روش حفاظتی: هر دو رشته DNA قبلی بدون تغییر به یک یاخته وارد می شوند و دو رشته جدید به یاته دیگر وارد می شود.

(یعنی یک یاخته همانند DNA مادری را دریافت می کند و یاخته دیگر DNA نوساز)

ب) روش نیمه حفاظتی: هر یاخته، یک رشته قدیمی و یک رشته جدید DNA را دریافت می کند.

ج) روش غیرحفاظتی (پراکنده): هر یاخته، DNA را دریافت میکند که در هر رشته اش قطعاتی از DNA قدیمی و نوساز به صورت پراکنده در خود دارد.

همانندسازی DNA تدریجی است یعنی در محل شروع همانندسازی به تدریج آنزیم هلیکاز، با شکستن پیوند های هیدروژنی ، دو رشته را از یکدیگر جدا میکند و سپس آنزیم DNA پلی مراز، به تدریج در برابر هر رشته قدیمی، یک رشته جدید میسازد.

مهم ترین عوامل لازم برای همانندسازی DNA :

1. مولکول DNA یه عنوان الگو
2. آنزیم های DNA پلی مراز و هلیکاز
3. نوکلئوتید های سه فسفاته آزاد درون یاخته

برای همانندسازی DNA چهار نوع نوکلئوتید سه فسفاته لازمند:

1. آدنین دار
2. گوانین دار
3. سیتوزین دار
4. تیمین دار

این نوکلئوتید ها دو سفات را از دست داده و به صورت تک فسفاته در رشته جدید به کار می روند.

قبل از همانند سازی، باید پیچ و تاب DNA باز شده و از هیستون ها جدا شود تا آنزیم های هلیکاز و DNA پلی مراز و ... به DNA دسترسی داشته باشند.

1. باز کردن مارپیچ DNA
2. شکستن پیوند های هیدروژنی و جدا کردن و فاصله دادن دو رشته DNA از یکدیگر در محل همانندسازی

انواعی از انزیم ها با همکاری هم در برابر هر رشته الگو (رشته قدیمی)، یک رشته جدید می سازند (در برابر هر نوکلئوتید در رشته الگو، نوکلئوتید مکمل را قرار داده و بین نوکلئوتید ها در رشته جدید، پیوند فسفودی استر تشکیل میدهند)

مهم ترین این آنزیم ها، دنا بسپاراز ( DNA پلی مراز) است.

جایگاه شروع همانندسازی  DNA : محلی است که همانندسازی از آنجا شروع میشود.

در همه DNA های هسته یوکاریوتی که خطی هستند و بعضی DNA های حلقوی پروکاریوتی، هر مولکول DNA ، دارای چند نقطه شروع همانندسازی است.

اغلب DNA های پروکاریوتی، فقط یک نقطه شروع همانندسازی دارند.

در محل شروع همانندسازی، دو رشته DNA از هم باز میشوند و ساختاری به شکل Y ایجاد میشود، به این ساختار دو راهی همانندسازی میگویند.

در محل دو راهی همانندسازی، آنزیم دنابسپاراز، بین نوکلئوتید های جدید، پیوند فسفودی استر ایجاد میکند.

آنزیم بسپاراز، قانون پارگاف را رعایت میکند یعنی در برابر نوکلئوتید آدنین دار، نوکلئوتید تیمین دار قرار میدهد و غیره.

با اضافه شدن هر نوکلئوتید سه فسفاته، دو تا فسفات از آن جدا میشوند.

به ازاء هر نقطه آغاز همانندسازی، موارد زیر را در نظر میگیریم (به شرطی که همانندسازی دو جهتی باشد):

1. دو عدد دوراهی همانندسازی
2. دو عدد آنزیم هلیکاز
3. چهار عدد آنزیم DNA پلی مراز

دلایل دقت زیاد همانندسازی DNA:

1. تا حدود زیادی رابطه مکمل بین نوکلئوتید ها
2. عمل ویرایش (توسط DNA پلی مراز)

آنزیم DNA پلی مراز دارای دو خاصیت است:

الف) فعالیت پلی مرازی: ایجاد پیوند بین نوکلئوتید ها هنگام همانندسازی (تشکیل پیوند فسفودی استر)

ب) فعالیت نوکلئازی: شکستن پیوند بین نوکلئوتید ها هنگام ویرایش (شکستن پیوند فسفودی استر)

فعالیت پلی مرازی را با انجام واکنش سنتز آبدهی انجام میشود ( انرژی خواه_ تولید آب_ کاهش فشار اسمزی)

فعالیت نوکلئازی را با انجام واکنش آب کافت (هیدرولیز) انجام میدهد (انرژی زا_ مصرف آب_ افزایش فشار اسمزی)

اگر یک نوکلئوتید به صورت اشتباه در رشته جدید قرار گیرد، DNA پلی مراز بلافاصله پس از تشکیل پیوند فسفودی استر، برگشته و با شکستن پیوند فسفودی استر، نوکلئوتید اشتباه را حذف کرده و نوکلئوتید صحیح را جایگزین میکند.

هر آنزیم هلیکاز فقط پیوندهای هیدروژنی بین دو رشته را میشکند پس با هر دو رشته سروکار دارد.

هر آنزیم DNA پلی مراز، در یک رشته پیوند فسفودی استر را هم تشکیل میدهد و هم می تواند بسازد.

اطلاعات وراثتی پروکاریوت ها

1. پروکاریوت ها، همه باکتری ها را شامل میشوند.
2. دو نوع فام تن (کروموزوم) دارند:

الف) فام تن اصلی که بزرگ تر است.

ب) فام تن کمکی ( دیسک (پلازمید))

هر دو نوع فام تن، به شکل حلقوی هستند ( DNA آنها نیز حلقوی است)

فام تن اصلی به غشای سلول وصل است.

دیسک حاوی اطلاعاتی است که ویژگی های اضافه تری به باکتری میدهد (کثلا مقاومت به آنتی بیوتیک)

1. پروکاریوت ها، همه باکتری ها را شامل میشوند.
2. دو نوع فام تن (کروموزوم) دارند:

الف) فام تن اصلی که بزرگ تر است.

ب) فام تن کمکی ( دیسک (پلازمید))

هر دو نوع فام تن، به شکل حلقوی هستند ( DNA آنها نیز حلقوی است)

فام تن اصلی به غشای سلول وصل است.

دیسک حاوی اطلاعاتی است که ویژگی های اضافه تری به باکتری میدهد (کثلا مقاومت به آنتی بیوتیک)

1. بیشتر ماده وراثتی یاخته یوکاریوت به صورت فام تن های خطی است و درون هسته قرار گرفته است.
2. مقدار کمی نیز DNA به صورت حلقوی است که درون میتوکندری و کلروپلاست قرار دارد.

به DNA موجود درون کلروپلاست و میتوکندری DNA سیتوپلاسمی میگویند.

در همانندسازی دو جهتی DNA حلقوی که یک نقطه آغاز همانندسازی دارد، 2 دو راهی ایجاد میشود.

درنهایت این دو راهی ها در یک نقطه به هم رسیده و همانندسازی پایان می یابد.

همانندسازی DNA در یوکاریوت ها پیچیده تر است، پون طول و مقدار DNA آنها بیشتر از پروکاریوت هاست پس هر DNA خطی حتما چندین نقطه همانندسازی دارد.

DNA یوکاریوتی بیشتر است پس در چند ام تن قرار گرفته است.

تعداد جایگاه های آغاز همانندسازی در DNA یوکاریوتی (DNA خطی)، متغیر و قابل تنظیم است.

تعداد جایگاه های آغاز همانندسازی در DNA یوکاریوتی (DNA خطی)، با توجه به مراحل رشد و نمو و سرعت تقسیم یاخته ای، تغییر میکند.

در مراحل مورولا و بلاستوسیست، تعداد نقاط آغاز همانندسازی بیشتر میشود چون سرعت تقسیم مولکولی بالاست. اما پس از تشکیل اندام های جنین، کاهش می یابد.

در یاخته های سرلادی گیاهان نیز تعداد چایگاه ها فراوان است چون به سرعت تقسیم میشوند.

اگر در یک مولکول DNA خطی، تعداد نقاط شروع همانندسازی n باشد:

1. تعداد حباب های همانندسازی n
2. تعداد دو راهی های همانندسازی 2n
3. تعداد آنزیم های DNA پلی مراز 4n
4. تعداد آنزیم های هلیکاز 2n

آزمایشی را طراحی و اجرا کردند تا تشخیص دهند کدام روش انجام می شود.

از ایزوتوپ سنگین نیتروژن (N15) استفاده کردند تا DNA قدیمی و جدید را از یکدیگر تشخیص دهند.

N15 چگالی بیشتری دارد )نسبت به N14) پس DNA هایی که در ساختار آنها N15 به کار رفته باشد نیز چگالی بالاتری خواهند داشت.

مولکول هایی با چگالی های مختلف را می توان با سانتریفیوژ (فراگریزانه) با سرعت بالا از یکدیگر جدا کرد. (محلول کلرید سزیم)

الف- باکتری ها را برای چندین مرحله رشد و تکثیر (چندین نسل) در محیطی کشت دادند که حاوی N15 بود.

نتیجه: تولید باکتری هایی که DNA آنها چگالی بالاتری دارد.

ب- انتقال باکتری ها به محیط حاوی N14

تقسیم یک باکتری به 2 باکتری تقریبا 20 دقیقه طول می کشد پس در فواصل منظم 20 دقیقه ای، باکتری هایی را از محیط کشت برداشته و چگالی DNA آن ها را اندازه گیری کردند (با سانتریفیوژ سرعت بالا در محلول سزیم کلرید)

DNA سنگین تر، سریع تر حرکت کرده و در بخش های پایین تر لوله آزمایش قرار می گیرد اما DNA سبک تر در بخش های بالاتر.

ج- مشاهدات مزلسون و استال:

1. در ابتدای آزمایش، یک نوار در ته لوله تشکیل می شود که مربوط به DNA است که هر دو رشته آن N15 دارند.
2. پس از 20 دقیقه (یک مرحله همانند سازی) ، یک نوار تشکیل می شود، که در میانه لوله قرار میگیرد و حاویDAN  است که یک رشته با N15 و یک رشته با N14 دارد.
3. پس از 40 دقیقه (دو مرحله همانند سازی) ، دو نوار تشکیل می شود. نوار پایین تر در میانه لوله که حاوی DNA است که یک رشته با N15 و یک رشته با N14 دارد. نوار بالاتر در بالای لوله که دارای DNA است که هر دو رشته حاوی N14 هستند.