تركيب شيمايي و ساختمان اسيدهاي نوكلئيك:
واحد ساختماني اسيدهاي نوكلئيك نوكلئوتيد است. نوكلئوتيد از سه جزء تشكيل شده كه توسط پيوندهاي كووالانسي به يكديگر متصل مي شوند.
۱-قند پنتوز(دي اكسيد ريبوز در DNA و ريبوز در RNA)

۲-باز آلي نيتروژن دار كه به شكل دو حلقه اي(پورين) يا يك حلقه اي (پيريميدين) است و با كربن شماره ۱ قند پنتوز پيوند B-N-glycosidic ايجاد كرده و يك نوكلئوزيد تشكيل مي شود. DNA، حاوي بازهاي پورين، از جمله آدنين(A)، گوانين (G) و بازهاي پيريميدين سينوزين(c) و تيمين (T) است كه با قندهاي دي اكسي ريبوز؛ نوكلئوزيدهاي دي آكسي آدنوزين، دي اكسي گوانوزين، دي اكسي سينيدين و دي اكسي تيميدين ايجاد مي كنند. RNA نيز حاوي بازهاي پورين فوق و باز سينوزين DNA است، اما به جاي باز تيمين، يوراسيل دارد، بنابراين نوكلئوزيدهاي RNA عبارتند از:آدنوزين، گوانوزين، سيتيدين و يوريدين.
۳-يك گروه فسفات؛ در يك پلمير اسيد نوكلئيك گروه فسفات، دو نوكلئوتيد مجاور را با تشكيل يك پيوند فسفو دي استربين كربن ۵ يك قند با كربن ۳ قند ديگر به هم متصل مي كند.

در حقيقت نوكلئوتيدها، نوكلئوزيدهايي با يك يا چند گروه فسفات هستند.
نوكلئوتيدها ماده پيش ساخت سنتز اسيدهاي نوكلئيك و محصول هيدروليز آنزيمي آنها مي باشند.
اسيدهاي نوكلئيك پلي مرهاي بسيار بزرگي هستند كه از اتصال يك نوكلئوتيد به نوكلئوتيد ديگر با استفاده از پيوندهاي كووالانت فسفو دي استري بين گروه هيدروكسيل يك نوكلئوتيد و گروه فسفات نوكلئوتيد ديگر بوجود مي آيند.

 

ماهيت ماده ژنتيكي
در موجودات بسته به نوع موجود، RNA از ۱۰۰۰۰۰-۱۰۰ يا بيشتر و DNA از چند هزار تا چند مليون نوكلئوتيد تشكيل شده است. مطالعه شيميايي تركيب DNA در موجودات متفاوت توسط اروين شارگاف (Erwin chargaff) نشان داد كه DNA پيچيدگي شيميايي لازم را به عنوان ماده ژنتيكي دارد.
بر اساس اين مطالعه ساختمان DNA در انواع موجودات متفاوتند و احتمال اينكه همه DNA ها از چهار نوكلئوتيد به نسبت يكسان تشكيل شوند غير ممكن است، ولي هميشه در DNA غلظت آدنين با تيمن و گوانين با سيتوزين برابر است، به عبارت ديگر [A]=[T] و [G]=[C] يا ]پورين ها[=]پيريميدين ها[ ولي نسبت در گونه هاي مختلف موجودات متفاوت است.

بنابراين، طبق نظر شارگاف DNA ممكن است پيچيدگي بيشتري داشته باشد. طولي نكشيد كه واتسون وكريك به اين پيچيدگي ها پي بردند.

ساختمان DNA طبق مدل واتسون وكريك:
در سال ۱۹۵۳ واتسون وكريك مدلي براي ساختمان DNA پيشنهاد كردند، بر طبق اين مدل:
۱-پلمير DNA از نوكلئوتيدهايي تشكيل شده كه توسط پيوندهاي فسفو دي استري به يكديگر متصل هستند.
۲-تركيبات اصلي DNA از قوانين شارگاف تبعيت مي كنند.

۳-تفرق اشعه X نشان مي دهد كه ملكول DNA ساختماني مارپيچي، و بيش از يك اشعه پلي نوكلئوتيد دارد. هر مولكول DNA از دو رشته پلي نوكلئوتيد موازي متضاد (anti parallel) تشكيل شده كه در اطراف يك محور مركزي بصورت راست گرد پيچ مي خورند.
۴-يكي از عوامل پايداري ساختمان DNA پيوندهاي هيدروژني بين بازهاي مكمل دو رشته است، به طوري كه بين بار A از يك رشته با T از رشته ديگر و باز G از يك رشته با C از رشته ديگر به ترتيب پيوندهاي هيدروژني دوتايي و سه تايي ايجاد

مي شود.
بنابراين حرارت مي تواند در حالت فيزيكي DNA تغيير ايجاد كرده و دو رشته DNA را از يكديگر جدا نمايد(دناتوره كردن DNA). چون هميشه A با T و G و C جفت مي شوند بنابراين دو رشته مكمل يكديگر هستند و از روي توالي بازهاي يك رشته توالي بازهاي رشته ديگر تعيين مي شود.
در DNA، يوندهاي گليكوزيد بين قندها و بازهاي يك جفت نوكلئوتيد كاملا در دو جهت مخالف يكديگر نيستند و دو شيار با پهناي متفاوت در اطراف مارپيچ دو
رشته اي ايجاد مي شود. بخشي از يك پيوند گليكوزيديك تا پيوند گليك.زيد يك ديگر كه بيش از است را لبه بزرگ (Major edge) و بخشي كه كمتر از است را لبه كوچك (minor edge) مي نامند.

لبه بزرگ و كوچك به ترتيب منجر به ايجاد شيار بزرگ (major groove) و شيار كوچك (minor groove) مي شوند.
نيروهايي كه مارپيچ دوگانه DNA را حفظ مي كنند:
۱-اثرات هيدروفوبيك، جفت بازها را در DNA نگه مي دارد.

حلقه هاي هيدروفوب پورين و پيريميدين بازها، تمايل زيادي به كشيده شدن به مركز مارپيچ دوگانه دارند.
۲-چيده شدن بازهاي آلي نيتروژن دار روي هم در طول محور مركزي مارپيچ دوگانه DNA باعث ايجاد نيروهاي واندرووالس مي شود. نيرو واندرووالس در طول DNA ضعيف است ولي حالت افزايشي دارد. مولكولي كه حاوي ۱۰۴باز باشد، نيروهاي واندرووالس، منبع مهم پايداري آن است.
۳-پيوندهاي هيدروژني بين جفت بازها؛ پيوند هيدروژني بين بازهاي GC پايدارتر از AT است.

۴-ستون اصلي DNA كه شامل دي اكسي ريبوز و فسفات است با كاتيون اثر متقابل دارد، زيرا فسفر دي استرستون اصلي DNA، بار الكتريكي منفي دارد و شديدا اسيدي است.

دفع الكترواستاتيك بين اين گروه هاي فسفر دي استر منفي باعث ناپايداري مارپيچ دوگانه مي شود، ولي كاتيون هاي سلولي بويژه بطور محكم به فسفر دي استرستون اصلي DNA متصل شده و باعث پايداري مي شود.

مولكول DNA در چند شكل فضايي وجود دارد:
بسته به تركيب بازي در شرايط فيزيكي مختلف مولكول DNA اشكال فضايي متفاوتي مي يابد. اين تغييرات اطلاعات موجود در DNA را تغيير نمي دهد زيرا فرمول جفت شدن بازهاي خاص يكسان است، ولي تغيير شكل DNA ممكن است نقشي در تنظيم بيان ژن داشته باشد زيرا تغييرات شكل فضايي DNA بر پيوند پروتئين ها با اين مولكول مؤثر است و اتصال پروتئين در تنظيم بيان ژن نقش مهمي دارد. اشكال فضايي DNA از طريق مطالعات كريستوگرافي يا اشعه X مورد بررسي قرار گرفته است.

۱-B-DNA معمول ترين شكل فضايي اين مولكول است كه توسط واتسون و كريك كشف گرديد. خصوصيات عمده اين مولكول عبارتند از:
الف-در هر زنجيره، نوكلئوتيدهاي مجاور نسبت به هم زاويه دارند، بنابراين در يك دور كامل ۴/۱۰ جفت باز وجود دارد.
ب-يك دور كامل مارپيچ دوگانه nm4/3 طول دارد، بنابراين فاصله هر جفت باز با جفت باز ديگر nm33/0 است.
ج-قطر مارپيچ دوگانه nm37/2 است.

۲-اگر كريستال هاي B-DNA خشك شود يا وقتي غلظت نمك كريستال كاهش يابد، مولكول نازك و طويل B-DNA بصورت مولكول كوتاه و ضخيم A-DNA در
مي آيد. در حاليكه جفت بازها در B-DNA بطور متقارن نسبت به محور مارپيچ روي هم چيده مي شوند، اين جفت بازها در شكل A-DNA بسوي لبه بزرگ هر جفت باز كشيده شده و شيار بزرگ باريكتر و عميق تر و شيار كوچك عريض تر و كم عمق تر مي گردد. طول يك دور مارپيچ در A-DNA برابر nm46/2 است و در هر دور ۱۱ جفت وجود دارد. در هر دو نوع مولكول B و A، قند و باز در دو سوي متضاد پيوند گليكوزيديك (anti conformation) هستند و نيروي دافعه بين باز و قند به حداقل مي رسد.

۳-در غلظت بالاي كاتيون ها در بعضي نوكلئوتيدها syn conformation ايجاد
مي شود، بدين معني كه قند و باز در يك طرف پيوند گليكوزيديك قرار مي گيرند. در اين شرايط DNA شكل فضايي متفاوتي به خود مي گيرد. در رشته اي از نوكلئوتيدهاي GC دار شكل فضايي پيوند گليكوزيديك G بصورت syn است ولي C حالت فضايي anti دارد. در نتيجه يك شكل zigzag بين syn و anti ايجاد مي شود كه منجر به ايجاد Z-DNA مي گردد.

Z-DNA نسبت به B-DNA طويل تر و نازك تر است. يك دور كامل مارپيچ
Z-DNA با ۱۲ جفت ياز، nm56/4 طول و nm84/1 قطر دارد. شيار كوچك Z-DNA يك شكاف عميق است كه در اطراف آن پيچ مي خورد و مارپيچ حالت چپ گرد دارد.
در سلول ها، DNA بيشتر شكل فضايي B دارد، ولي بنظر مي رسد مناطق سرشار از جفت بازهاي GC شكل فضاييZ بخود مي گيرند.
در شرايط آزمايشگاهي ساختمان هاي مارپيچ ديگري از جمله DNA نوع C، D و E ايجاد مي شود كه احتمالا هيچگاه در سلول وجود ندارند.
اشكال خطي و حلقوي مولكول DNA:

در ابتدا تصور بر اين بود كه تمام ملكول هاي DNA خطي هستند و دو انتهاي آزاد دارند، ولي با مطالعه بيشار مشخص گرديد بسياري از ملكولهاي DNA حلقوي
مي باشند. مولكول كوچك DNA ويروس sv40 ميمون به شكل يك كروموزوم دو رشته اي مارپيچي حلقوي است و bp5000 دارد، حتي كروموزوم كوچك فاژهايي كه DNA تك رشته اي دارند نيز حلقوي است، تقريبا تمام لاسميدها و باكتريها DNA حلقوي دارند.
در DNA خطي دو انتهاي كولكول آزاد است، بنابراين تغيير تعداد دورها با چرخيدن آزادانه زنجيره هاي به هم تابيده مارپيچ دوگانه براحتي خنثي مي شود، ولي در مولكول DNA حلقوي تعداد ثابت دور زنجيره هاي به هم تابيده (linkage number)

نمي تواند تغيير كند. در بعضي موارد تغيير در مدل تعداد جفت بازها در هر دور مارپيچ دوگانه مستلزم ايجاد ابر پيچش (supercoli) در جهت مخالف است.
ابر پيچش، تاب خوردگي مارپيچ دوگانه مولكول هاي DNA است. كاهش تاب خوردگي(چپ گرد) منجر به ابر پيچش در جهت منفي (negative supercoli) و افزايش تعداد تاب ها(راست گرد) منجر به ابر پيچش مثبت مي گردد. حالت ابر پيچش DNA ناپايدارتر‌از‌شكل عادي آن است و با ايجاد بريدگي يا شكاف در يكي از رشته‌ها
،مولكول ابر پيچش به شكل ياده حلقوي (relax)در مي آيد.

مكانيسم ايجاد ابر پيچش از نظر بيولوژيكي حائز اهميت است و آنزيم هاي توپوايزومرا، نوع ابر پيچش DNA را تغيير مي دهند. توپوايزومزارها آنزيم هايي هستند كه يك شكل توپولوژيكي DNA را به ديگري تبديل مي كنند. دو نوع توپوايزومزارها در طيف وسيعي از موجودات شناسايي شده است، اين دو نوع آنزيم كاتاليز شكست و بست پيوندهاي فسفو دي استر را به عهده دارند و بر خلاف ساير آنزيم ها عملشان ايجاد پيوندهاي كووالانت نيست، نقش آنها ايجاد شكاف يا برسي موقتي در

زنجيره هاي پلي نوكلئوتيد است.
الف-توپوايزومراز نوع I: اين نوع آنزيمها را آنزيم هاي شكيت و بست نيز مي نامند كه در هر واكنش يك ابر پيچش از DNA خارج مي كنند. اين آنزيم در يكي از دو رشته DNA شكستي ايجاد مي كند و منطقه دو رشته اي مجاور ناحيه شكست، در اطراف رشته سالم يكبار مي چرخد، سپس پايانه هاي محل شكست جوش مي خورند.

واكنش توپوايزومراز نوع I نيازمند ATP نيست و رشته منفرد بطور تصادفي از منطقه بريده شده عبور مي كند.
دو تفاوت عمده آنزيم توپوايزومراز نوع I در پروكاريوت ويوكاريوت عبارتند از:
۱-توپوايزومراز نوع I در پروكاريوت ها به انتهاي ۵-فسفوريل رشته بريده متصل
مي شود، ولي در يوكاريوت ها آنزيم به انتهاي ۳- فسفوريل اتصال مي يابد.

۲-توپوايزومراز نوع I در پروكاريوت ها تنها ابر پيچش منفي را خارج مي كند ولي در يوكاريوت ها در حذف ابر پيچش منفي و مثبت شركت مي كند.
ب-توپوايزومراز نوع II:ابر پيچش منفي و مثبت را از DNA خارج مي كند و بر خلاف نوع I در هر دو رشته مكمل بريدگي موقتي بوجود مي آورد، سپس يك بخش دو رشته اي از همان مولكول DNA يا از مولكول ديگر از اين بريدگي عبور مي كند و در نهايت پايانه ها به هم جوش مي خورند.
اين آنزيم به انتهاي هر رشته بريده شده مي چسبد تا دو رشته ديگر از بريدگي عبور كند، نتيجه اين عمل خروج دو ابر پيچش مثبت يا منفي در هر دور عمل آنزيم است.

هر دو نوع آنزيم توپوايزومراز باعث خروج تاب خوردگي هاي ابر پيچشي حاصل از همانندسازي در DNA حلقوي مي شوند، ولي در باكتري ها نوعي توپوايزومراز بنام gytase يافت مي شود كه دورهاي ابر پيچشي منفي به DNA حلقوي relax القاء
مي كند. عمل gyrase، خارج كردن ابر پيچشي منفي نيست بلكه ابر پيچشي به DNA حلقوي relax القا مي كند.
در باكتري ها عمل متعادل توپوايزومرازهاي دو نوع I و gyrase ابر پيچش را در
DNA تنظيم كرده و بر روي ضريب حركت چنكال همانند سازي مؤثر هستند.

بسته بندي DNA در كرومزوم ها:
مولكول DNA هيچگاه به صورت آزاد و گسترده در سلول ها يا ويروس ها وجود ندارد، بلكه اين مولكول همراه كاتيون هايي با وزن مولكولي كم، فلزات دو ظرفيتي، دي وپلي آمين ها، پروتئين ها و يا تركيبي از اينهاست. اثر متقابل بين آن ها الكترواستاتيك است و آنيون فسفات در DNA با بار منفي توسط بار مثبت فلزات، پلي آمين ها يا اسيدهاي آمينه پروتئين ها خنثي مي شود. نتيجه اين اثرات متقابل، فشردگي چند هزار باره DNA است. mm4/1 طول مولكول DNA حلقوي E.coli در سلولي ميله اي به قطر و طولي برابر جاي گرفته است. در سلول اينترفازي يوكاريوت حدود m2 مولكول DNA در هسته اي با قطر كمتر از جاي گرفته و اين DNA در تقسيم ميتوز آنقدر فشرده مي شود كه توسط ميكروسكوپ نوري بصورت كروموزم هاي شديدا فشرده قابل رؤيت است.

كروموزومهاي پروكاريوتي:
در بسته بندي DNA ژنوم پروكاريوتها تنها دو يا سه پروتئين دارد.
اطلاعات در مورد اين پروتئين ها، ماهيت عملكرد اشتراك آنها با DNA ناچيز است. در E.coli گروهي از پروتئين هاي متصل به DNA بنام پروتئين هاي Hu وجود دارد كه مشابه هيستون در يوكاريوتها است.
دومين پروتئين شناخته شده در E.coli و سيانوباكترها پروتئين II است، احتمالا اين دو پروتئين همان اعمال پنج پروتئين است هيستون يوكاريوت را در بسته بندي مولكول DNA دارند.