ساختمان مولکول دی‌ان‌ای
دئوکسی‌ریبونوکلئیک اسید به اختصار دی‌اِن‌اِی[۱] گونه‌ای اسید نوکلئیک است که دارای دستورالعمل‌های ژنتیکی است که برای کارکرد و توسعهٔ زیستی جانداران و ویروس‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. نقش اصلی مولکول دی‌ان‌ای ذخیره‌سازی طولانی مدت اطلاعات ژنتیکی و دستوری است. آزمایش‌هایی مانند آزمایش گریفیت و آزمایش ایوری آزمایش‌هایی انقلابی و سرآغازی در شناسایی و مطالعهٔ دی‌ان‌ای به‌عنوان ژنوم بودند. تا پیش از سال ۱۹۴۴ و انتشار نتایج آزمایش ایوری اینکه کدام یک از ترکیب‌های آلی درون سلول، مادهٔ وراثتی است مشخص نبود (هر چند بسیاری از دانشمندان پروتئین‌ها را عامل انتقال صفات می‌دانستند). تا اینکه ایوری ثابت کرد نوکلئیک اسیدها عامل فرایند انتقال صفات هستند. سپس دانشمندان دیگری روی کار آمدند و هر کدام، بخشی از اطلاعات ما راجع به این مولکول را کشف کردند. روزالیند فرانکلین و موریس ویلکینز با تهیهٔ تصاویری از مولکول دی‌ان‌ای با استفاده از پراش پرتوی ایکس (X) توانستند به ابعاد مولکول و نتایج ارزشمندی راجع‌به دی‌ان‌ای دست یابند، از جمله اینکه مولکول دی‌ان‌ای بیش از یک رشته و حالت مارپیچ دارد.
هر مولکول دی‌ان‌ای از دو رشته پلی‌نوکلئوتیدی تشکیل شده‌است
دی‌ان‌ای مولکولی است که دستورهای ژنتیکی مورد استفاده در توسعه و عملکرد همه جانداران شناخته‌شده و بسیاری از ویروس‌ها را کدگذاری می‌کند. دی‌ان‌ای پلیمری است که مونومر آن نوکلئوتیدها هستند و بخشی از این مولکول‌ها مونومر دی‌ان‌ای را تشکیل می‌دهند؛ یک نوکلئوتید شامل یک گروه فسفات و یک کربوهیدرات پنج‌کربنه (دئوکسی‌ریبوز) و یک باز آلی است به‌طوری که گروه فسفات و باز آلی با پیوند کووالانسی به دو سمت قند متصل هستند؛ و در پایان نوکلئوتیدها با پیوند فسفو دی‌استر به هم متصل شده و درشت‌مولکول دی‌ان‌ای را پدیدمی‌آورند (در حالتی که نوکلئوتیدهای دو پایان رشته هم پیوند برقرار کنند، دی‌ان‌ای حلقوی است)؛ مولکول دی‌ان‌ای از دو رشته پلی‌نوکلئوتیدی تشکیل شده‌است؛ این دو رشته مکمل، ناهمسو و نامحلول (در آب) هستند (دی‌ان‌ای حلقوی قطبیت ندارد اما هر رشته از دی‌ان‌ای خطی دارای قطبیت است). اسیدهای نوکلئیک از سه درشت‌مولکول اصلی تشکیل شده که برای زندگی همهٔ گونه‌های شناخته‌شده ضروری است. دو رشتهٔ پلی‌نوکلئوتیدی از راه پیوند هیدروژنی میان بازهای آلیشان به هم متصل‌شده و مولکول دی‌ان‌ای را به‌وجود می‌آورند؛ این دو رشته به دور محوری طولی، مرکزی و فرضی می‌پیچند و به مولکول دی‌ان‌ای حالت مارپیچ می‌دهند.
تفاوت‌ها:
شباهت‌ها:
سیتوزین-گوانین
هر نوکلئوتید تنها یک باز آلی نیتروژن‌دار دارد که آن می‌تواند از گونه آدنین (A) یا گوانین (G) یا سیتوزین (C) یا تیمین (T) باشد. این بازها یا پریمیدین (تک‌حلقه‌ای) هستند (مانند T و C) یا پورین (دوحلقه‌ای) (A و G).
دربارهٔ پیوندی که میان این بازها ایجاد می‌شود:
نوکلئیک اسیدها برای نخستین بار در زمستان ۱۸۶۹ توسط دانشمند سوئیسی به نام فردریش میشر کشف شد. میشر ترکیبات سفید رنگی را از هستهٔ گلبول‌های سفید انسان و اسپرم ماهی استخراج کرد که مقدار نیتروژن و فسفات در آن باعث شد میشر گروه جدیدی از مواد آلی را با نام نوکلئیک اسیدها بنیان‌گذاری کند.
سپس فردریک گریفیت در آزمایشی موسوم به آزمایش گریفیت به‌طور اتفاقی پی برد صفات و ویژگی‌ها می‌توانند از یک باکتری (سلولی) به باکتری (سلولی) دیگری انتقال یابند (اثبات وجود و انتقال مادهٔ وراثتی از سلولی به سلول دیگر).
پس از آن اسوالد ایوری در سال ۱۹۴۴ نشان‌داد که مادهٔ وراثتی، نوکلئیک‌اسید (DNA) است.
در سال ۱۹۵۰ اروین چارگف اثبات‌کرد نسبت گوانین و سیتوزین با هم و نسبت آدنین و تیمین با هم برابر است (اصل چارگف). تا پیش از ارائه اصل چارگف دانشمندان بر این باور بودند که سهم هر یک از نوکلئوتیدهای با بازهای آلی آدنین، گوانین، تیمین و سیتوزین در تمامی جانداران یکسان است (نسبت ۱:۱:۱:۱ یعنی هر کدام ۲۵ درصد).
در ۱۹۵۲ روزالیند فرانکلین به همراه موریس ویلکینز با نتایج به‌دست‌آمده از تصاویر گرفته‌شده از دی‌ان‌ای با پرتو ایکس نشان‌دادند دی‌ان‌ای بیش از یک رشته‌است و حالت مارپیچ دارد؛ و در نهایت فرانسیس کریک و جیمز واتسون مدل مولکولی (سه‌بعدی) دی‌ان‌ای را ارائه دادند؛ که در آن دی‌ان‌ای دو رشته‌ای بود و مکمل بودن بازها هم مطرح‌شد.
پیام‌های ژنتیکی موجود در مولکول دی‌ان‌ای در پایان برای مواردی چون ساخت پروتئین و مولکول‌های آران‌ای یا رنا[۲] (RNA) در یاخته، مورد استفاده قرار می‌گیرد. بخش‌هایی از DNA که اطلاعات ژنتیکی یک صفت را با خود حمل می‌کنند ژن نامیده میشوند؛ البته دی‌ان‌ای توالی‌هایی به‌نام اینترون نیز دارد که در فرایند پیرایش از مولکول آران‌ای حذف میشوند؛ اما نقش زیستی آنها چیست؟
این توالی‌ها در فرایند ترجمه شرکت ندارند.
از لحاظ شیمیایی، دی‌ان‌ای از دو رشتهٔ بلند پلیمری با واحدهای ساختاری به‌نام نوکلئوتید تشکیل شده‌است؛ و به یک نردبان مارپیچ تشبیه می‌شود که ستون‌های نردبان گروه‌های قند و فسفات هستند، و پله‌هایش را بازهای آلی تشکیل می‌دهند که با پیوند فسفو دی‌استر به هم متصل شده‌اند؛ در پیوند فسفو دی‌استر قند یک نوکلئوتید به قند نوکلئوتید دیگر متصل می‌شود.
دو رشتهٔ دی‌ان‌ای باهم موازی و ناهمسو هستند و توالی نوکلئوتیدی خاصی دارند؛ توالی این چهار گونه باز آلی باعث رمزگذاری رشته ژنتیکی می‌شود که این رمزها برای تعیین توالی اسیدهای‌آمینه در پروتئین مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در فرایند رونویسی یک رشته آران‌ای (با توالی نوکلئوتیدی خاص و مکمل) از روی یک رشته دی‌ان‌ای ساخته می‌شود؛ به توالی‌های سه‌نوکلئوتیدی آران‌ایِ پیک، رمز ژنتیکی گویند.
این رمز ژنتیکی برای تعیین توالی اسیدهای آمینه در پروتئین مورد استفاده قرار می‌گیرد (ترجمه). دی‌ان‌ای در درون سلول به شکل سازه‌هایی به نام کروموزوم است.
کروموزوم در یوکاریوت‌ها (جانوران، گیاهان، قارچ‌ها، آغازیان) در بخشی به نام هستهٔ یاخته قرار دارد، در حالی‌که در پروکاریوت (باکتری و آرکیا) در سیتوپلاسم یاخته قرار دارد و جایگاه مشخصی ندارد و به بخشی از غشای پلاسمایی متصل است. در کروموزوم بجز از مولکول دی‌ان‌ای مجموعه‌ای از پروتئین‌ها که مهم‌ترین آنها هیستون‌ها هستند، وجود دارند که وظیفهٔ فشرده‌سازی دی‌ان‌ای و تنظیم بیان ژن‌ها را برعهده دارد به‌گونه‌ای که دو متر دی‌ان‌ای در سلولی چند میکرومتری جای می‌گیرد. هیستون‌ها تحت تأثیر عوامل گوناگون از جمله استیلاسیون یا داستیلاسیون هیستونی بسته یا باز میشوند و بدین ترتیب رونویسی از ژنهای ناحیه مربوط به آنها متوقف یا آغاز می‌شود.
بازهای نوکلئوتیدی به دو گروه تقسیم میشوند:
دی‌ان‌ای می‌تواند در شرایط متفاوت به یکی از حالت‌های زیر دیده شود:
| شکل‌های مارپیچ DNA | حالت A | حالتB | حالت Z |
|---|---|---|---|
| نسبت‌های کلی | کوتاه و پهن | بزرگتر و باریکتر | طویل و باریک |
| ارتفاع به ازای هر جفت باز | ۳/۲آنگستروم | ۲۳/۳آنگستروم | ۸/۳آنگستروم |
| قطر مارپیچ | ۵/۲۵آنگستروم | ۷/۲۳آنگستروم | ۴/۱۸آنگستروم |
| جهت چرخش مارپیچ | راست گرد | راست گرد | چپ گرد |
| خمیدگی باز نسبت به محور مارپیچ | ۱۹+ | ۲/۱- | ۹- |
| متوسط چرخش پروانه‌ای جفت باز | ۱۸+ | ۱۶+ | حدود ۰ |
| موقعیت محور مارپیچ | شیار بزرگ | از میان جفت بازها | شیار کوچک |
| اندازهٔ شیار بزرگ | بسیار باریک با عمق زیاد | پهن و عمق متوسط | پهن شده به روی سطح مارپیچ |
| اندازهٔ شیار کوچک | بسیار پهن اما کم عمق | باریک و عمق متوسط | بسیار باریک اما خیلی عمیق |
| صورت بندی پیوند گلیکوزیدی | آنتی | آنتی | آنتی در Cو سین در G |
| جفت باز در هر دور مارپیچ | ۱۱ | ۱۰ | ۱۲ |
حالت B فرم عادی درون یاخته است.
دی‌ان‌ای یک مارپیچ راست گردان است. اگر دست راست را بالای مولکول دی‌ان‌ای قرار داده به‌طوری‌که انگشت شصت به سمت بالا و در طول محور بلند مارپیچ باشند و انگشتان شیارها را در مارپیچ دنبال کنند یکی از رشته‌ها را در جهتی دنبال کنید که انگشت شصت شما اشاره می‌کند هر جفت باز نسبت به پیشین ۳۶ درجه دور می‌زند.
جابه‌جا شدگی باز موقعی رخ می‌دهد که یک باز از زنجیره خارج شود. این امر باعث متیله شدن باز یا حذف بازهای آسیب دیده می‌شود. به نظر می‌رسد زی مایه دخیل در نوترکیبی هم ساخت[۳] و همچنین ترمیم دی‌ان‌ای برای یافتن مکان‌های هم ساخت یا آسیب دیده آغاز به بررسی مولکول دی‌ان‌ای و خارج کردن تک تک بازها می‌کنند. این عمل انرژی زیادی نیاز ندارد.
چرخش پروانه‌ای حالتی است که باز نسبت به محور بزرگ می‌چرخد. به‌طوری‌که ۲ عضو شرکت‌کننده در یک جفت باز، همیشه به‌طور دقیق در یک صفحه نیستند؛ آنها می‌توانند یک نظم چرخش پروانه‌ای به خود بگیرند در این نظم ۲ باز در جهت عکس هم حول محور بزرگ جفت باز چرخیده و به جفت باز ویژگی شبیه پروانه می‌دهد.
واسرشته شدن دی‌ان‌ای حالتی است که هنگامی دی‌ان‌ای در دمایی بیش از دمای بدن قرار می‌گیرد یا در پی‌اچ بالا قرار دارد حاصل می‌شود و نیروهای ضعیف میان ۲ رشته از میان رفته و ۲ رشته باز می‌شود. ۲ رشتهٔ دی‌ان‌ای از آن جایی که به وسیلهٔ نیروهای ضعیف به هم وصل هستند با حرارت دادن محلول تا دمایی بیش از دمای بدن یا تحت شرایط پی هاش بالا می‌تواند واسرشته شود.
بازسرشته شدن دی‌ان‌ای موقعی ایجاد می‌شود که ۲ رشتهٔ واسرشته شده در شرایط مناسب دوباره به یکدیگر متصل شوند. یکی از دلایل ناهمگنی ژنی در هوهسته‌ها این است که پس از وا سرشته شدن با سرعت‌های متفاوتی به سمت باز سرشته شدن می‌روند بعضی بسیار سریع (این تکه‌ها شمارشان زیاد است) و بعضی بسیار کند هستند. (این تکه‌ها شمارشان کم است)
هیبریدشدگی به معنای این است که ۲ رشته از ۲ منبع مختلف به یکدیگر متصل شوند حتی یکی از رشته‌ها می‌تواند آران‌ای باشد.
افزایش جذب حالتی است که در آن میزان جذب نوری دی‌ان‌ای افزایش می‌یابد. بیشترین میزان جذب در ۲۶۰ نانومتر دیده می‌شود که در آن بازها مسئول هستند. با باز سرشته شدن دنا پدیدهٔ کاهش جذب رخ خواهد داد. کاهش جذب به علت روی هم قرارگیری باز هاست. اگر دمای محلول دی‌ان‌ای تا دمای آب جوش بالا رود چگالی نوری که جذب می‌شود به‌طور چشمگیری بالا می‌رود. نقطهٔ ذوب دی‌ان‌ای که آن را با Tmنشان می‌دهند دمایی است که در آن دی‌ان‌ای مشابه یخ ذوب می‌شود و از ساختار نظم دار مارپیچ به ساختار تک رشته‌ای با نظم کمتر تبدیل می‌شود. نقطهٔ ذوب بستگی به درصد C:G و قدرت یونی محلول دارد؛ که هرچه بیشتر باشد دما هم افزایش می‌یابد ذوب شدن پدیده‌ای تعاونی است.
ابرمارپیچ مثبت و منفی: میزان ابرمارپیچ با اندازه‌گیری اختلاف میان LK° و LK محاسبه می‌شود که تفاوت اتصال نامیده می‌شود. اگر مقدار آن برای یک cccDNA به‌طور معنی داری غیر از صفر باشداین دی‌ان‌ای تحت فشار پیچشی قرار دارد؛ و گفته می‌شود این مولکول دارای ابر مارپیچ منفی است و بر عکس اگر LK>LK° باشد دارای ابر مارپیچ منفی است.
پیش از انجام تقسیمات سلولی بایست مولکول‌های دی‌ان‌ای همانندسازی شوند تا اطلاعات وراثتی بدون کم‌وکاست به هر دو سلول دختری انتقال یابند. به فرایندی که در آن از روی یک مولکول دی‌ان‌ای، مولکول دی‌ان‌ای یکسان و جدید دیگری ایجاد می‌شود، همانندسازی گویند. در این فرایند نخست آنزیمی به نام هلیکاز (helicase) (علت نام‌گذاری این آنزیم به این نام، به دلیل گونه پیوند میان دو رشته یعنی پیوند هیدروژنی است) دو رشته به هم پیچیده دنا را از هم جدا می‌کند؛ سپس چند پروتئین به‌نام SSBP به دو رشته می‌چسبند و به آنها اجازه به هم پیوستن دوباره را نمی‌دهند. در دو طرف هر رشتهٔ اعدادی گذاشته شده‌است که یک طرف '۵ و طرف دیگر '۳ است و در رشتهٔ مقابل برعکس رشته دیگری است؛ مسیر همانند سازی هم همواره از '۵ به '۳ است. آنزیم دیگری به نام DNA پلیمر از 1 (DNA Polymerase I) می‌آید و همانندسازی (دو برابر شدن DNA) را در یکی از رشته‌هایی که انتهای '۳ آزاد دارد، انجام می‌دهد اما در یکی از رشته‌ها که انتهای '۳ آزاد ندارد آنزیمی به نام DNA پلیمراز 3 (DNA Polymerase III) می‌آید و همانندسازی را با روش دیگری انجام می‌دهد. نخست آنزیم دیگری به نام RNA پلیمراز (RNA Polymerase) می‌آید و تکه‌هایی از رنا را قرار می‌دهد و سپس DNA پلیمراز ۳ در کنار این تکه‌ها می‌نشیند و همانندسازی را از جای مشخص شده‌ای ادامه می‌دهد. سپس دوباره این عمل کمی آن طرف‌تر یعنی به طرف '۵ انجام می‌گیرد؛ البته اینجا ۲ مشکل به وجود می‌آید: ۱. در همانندسازی دنا، تکه‌هایی از RNA وجود دارد. ۲. میان رشته‌های RNA و DNA فاصله‌هایی وجود دارد که نباید باشند (به قطعات DNA کپی شده در حالتی که '۳باز نیست قطعات اوکازاکی می‌گویند و واقع آنها DNAهای منقطع هستند).
همانندسازی در سلول‌های یوکاریوتی (جانوران، گیاهان، آغازیان و قارچ‌ها) وقت‌گیرتر و پیچیده‌تر از همانندسازی در سلول‌های پروکاریوتی است (زیرا هر دی‌ان‌ای در سلول یوکاریوتی چندین برابر دی‌ان‌ای در سلول پروکاریوتی است و شمار دی‌ان‌ای‌ها نیز بیشتر است)، برای جبران این پیچیدگی سلول یوکاریوتی دو راه‌کار دارد:
در پروکاریوت‌ها (شامل همه باکتریها) همانندسازی یک‌جهته است.[۴]
****************
مولکول DNA ( دی ان ای) یا «دئوکسی‌ریبونوکلئیک اسید» (Deoxyribo Nucleic Acid) نام شیمیایی ترکیبی است که تمام اطلاعات ژنتیکی و ویژگی‌های وراثتی موجودات زنده را در بر دارد. این مولکول دارای دو رشته بسیار بلند است که به طور مارپیچ در کنار هم قرار می‌گیرند و ساختاری به شکل «مارپیچ دو‌تایی» (Double-Helix) را ایجاد می‌کنند. DNA در تمام سلول‌های موجودات زنده یافت می‌شود و از سلول‌های والدی به فرزندان انتقال می‌یابد.
دی ان ای تمام کدها و اطلاعات ژنتیکی جانوران، گیاهان و حتی ویروس‌ها را حمل می‌کند که این اطلاعات برای رشد، تکامل، بقا، تولید مثل و سایر عملکردهای موجودات، حیاتی است.
محل قرارگیری DNA سلول‌های جانوران مختلف هسته سلول است که به عنوان مرکز ارسال دستورالعمل‌های ساخت پروتئین‌ها و انواع RNAهای موجود در بدن جانداران شناخته می‌شود. این مولکول به دلیل ساختمان و اجزای سازنده آن DNA نام گرفته است. در واقع ماکرومولکول DNA یک پلیمر بلند است از مولکول‌های قند ۵ کربنی (پنتوز)، فسفات به همراه بازهای آلی نیتروژن‌دار تشکیل می‌شود. دئوکسی‌ریبوز نام قند پنتوز و اسید نوکلئیک نشان دهنده فسفات و بازهای آلی موجود در مولکول است. بازهای آلی نیتروژن‌دار ساختار حلقوی دارند و به چهار شکل در مولکول DNA دیده میشوند: آدنین (A)، گوانین (G)، سیتوزین (C) و تیمین (T).
شکل ۱: ساختمان بازهای آلی، بازهای پورین دو حلقه‌ای و بازهای پیریمیدن تک‌حلقه
این بازها به دو گروه پورین یا دو حلقه‌ای (A,G) و گروه پیریمیدین یا تک حلقه‌ای (C,T) تقسیم میشوند. با وجود اینکه DNA با داشتن سه بخش قند، فسفات و بازهای نیتروژنی ساختمان ساده‌ای دارد، اما نحوه و ترتیب قرارگیری همین بازها باعث ایجاد پیچیدگی‌های بی‌شماری در این مولکول می‌شود، به طوری که همه تفاوت‌ها و تنوع در جانداران به دلیل ترتیب قرارگیری و توالی این بازها به وجود آمده است.
مولکول دی ان ای از واحدهایی به نام «نوکلئوتید» (Nucleotide) ساخته می‌شود. نوکلئوتیدها از یک قند پنج کربنه، فسفات و یک باز آلی تشکیل شده‌اند، به طوری که یک باز آلی با پیوند کووالانسی به قند متصل می‌شود و یک گروه فسفات از سمت دیگر با پیوند کووالانسی به قند اتصال می‌یابد. نوکلئوتیدها با پیوند فسفودی‌استر از طریق فسفات یک نوکلئوتید و OH قند نوکلئوتید دیگر به هم متصل شده و رشته‌های پلی نوکلئوتیدی را می‌سازند.
شکل ۲: نحوه قرارگیری بازها و پیوندهای قند-فسفات
مولکول دی ان ای ساختمان دو رشته‌ای دارد و هر رشته پلی‌نوکلئوتیدی طویل است که از طریق پیوندهای هیدورژنی موجود بین بازهای آلی به هم متصل میشوند. پیوند هیدروژنی بین بازهای نیتروژنی کاملا اختصاصی است؛ به این صورت که بازهای آدنین و تیمین با دو پیوند هیدروژنی به هم اتصال می‌یابند و سه پیوند هیدروژنی بین دو باز سیتوزین و گوانین تشکیل می‌شود. در این ساختمان نردبانی شکل، ساختارهای قند-فسفات به عنوان ستون‌ها و بازهای آلی به همراه پیوندهای هیدروژنی پله‌های این نردبان را می‌سازند. در ساختمان DNA هر کدام از دو رشته به صورت موازی و ناهمسو روبروی هم قرار دارند؛ به این ترتیب که اگر یک رشته در ابتدا دارای گروه فسفات ('5) و در انتهای رشته هیدروکسیل ('3) باشد، وضعیت در رشته مقابل برعکس است؛ به این معنی که در ابتدای رشته دوم، گروه هیدروکسیل و در انتهای آن گروه فسفات قرار دارد. در باکتریها گاهی دو سر رشته‌ها با پیوند فسفودی‌استر به هم متصل میشوند و ساختار DNA حلقوی را می‌سازند.
DNA در سلول‌های بدن انسان از سه میلیارد جفت باز تشکیل شده است، این در حالی است که 99 درصد از این توالی‌ها در تمام انسان‌ها یکسان است. براساس مطالعات انجام شده، کوتاه‌ترین مولکول DNA متعلق به باکتری به نام (Carsonella Ruddi) است که در بدن یک حشره زندگی می‌کند. DNA این باکتری 160000 جفت باز دارد. بزرگترین مولکول DNA نیز در گیاهی به نام پاریس (Paris Japonica) با طول 150 میلیارد جفت باز مشاهده شده است.
با توجه به اینکه دو نوع سلول در جانداران مختلف وجود دارد، پاسخ این سوال می‌تواند متفاوت باشد. این دو دسته سلول در موجودات زنده شامل سلول‌های یوکاریوت و پروکاریوت است. انسان و بسیاری از جانوران دیگر دارای سلول‌های یوکاریوت هستند، به این معنی که در سلول‌های آنها غشای اختصاصی به دور هسته و سایر اندامک‌های درون سلولی قرار دارد.
در سلول‌های یوکاریوتی، DNA درون ساختمان هسته قرار گرفته است و مقدار کمی از DNA در اندامکی به نام «میتوکندری» (Mitochondrion) که محل تولید انرژی سلول است، یافت می‌شود. به دلیل اینکه در هسته سلولی فضای محدودی برای قرارگیری DNA وجود دارد، این مولکول طی فرایندهایی به صورت متراکم در می‌آید. در سلول‌های یوکاریوتی مراحل متفاوتی برای افزایش تراکم DNA و ایجاد فرم «کروموزوم» (Chromosome) از آن انجام می‌گیرد.
شکل ۳: محل قرارگیری DNA درسلول‌های یوکاریوت و پروکاریوت
در سایر موجودات مانند باکتریها، سلول‌ها به صورت پروکاریوت وجود دارند. پروکاریوت‌ها فاقد هسته و اندامک‌های درون سلولی هستند، بنابراین DNA در این سلول‌ها به صورت بسیار پیچ‌خورده در وسط سلول قرار می‌گیرد.
برای اینکه دی ان ای با طول حدود ۲ متر بتواند در سلولی به قطر 10 تا 20 میکرون جای گیرد، باید بسیار متراکم شود، که این تراکم طی پیچ خوردگی، خمیدگی و گاهی حلقوی شدن این مولکول امکان پذیر می‌شود. در مرحله اول، برای تسهیل در ایجاد پیچ خوردگی، پروتئین‌هایی به نام «هیستون» (Histone) به کمک DNA می‌آیند.
زمانی که رشته‌های DNA به دور هیستون‌ها «پیچ» (Coiling) می‌خورند و ساختاری به نام «کروماتین» (Chromatin) شکل می‌گیرد (به ساختارهایی که رشته‌های DNA پیچ‌خورده به دور هیستون تشکیل می‌دهند نوکلئوزوم (Nucleosome) می‌گویند). در ادامه برای افزایش تراکم، مولکول DNA طی فرایندی به نام «پیچش مضاعف» (Supercoiling) به حالتی از DNA به نام کروموزوم تبدیل می‌شود. هر کروموزوم شامل یک مولکول DNA فشرده است. در انسان ۲۳ جفت یا ۴۶ عدد کروموزوم وجود دارد. بزرگترین کروموزوم در انسان کروموزوم شماره یک است که بیش از ۸۰۰۰ هزار ژن دارد و همچنین کروموزوم شماره ۸ کوچکترین کروموزوم با حدود ۳۰۰۰ ژن محسوب می‌شود.
ژن چیست؟
هر قسمت از دی ان ای که دارای دستور العمل یا کد ایجاد یک پروتئين مشخص است و منجر به ایجاد یک ویژگی یا عملکرد خاص می‌شود، یک ژن نامیده می‌شود. به عنوان مثال، بخشی از DNA که پروتئین انسولین را کد می‌کند ژن انسولین نام دارد. تعداد ۲۰ تا ۳۰ هزار ژن در انسان تاکنون شناسایی شده است.
ژنهای انسان حدود ۳ درصد از کل DNA هر سلول را تشکیل می‌دهد و عملکرد ۹۷ درصد از مولکول DNA هنوز به خوبی شناخته نشده است.
یکی از بزرگترین دستاوردهای علمی بشر شناسایی و کشف ساختمان مولکول DNA است، چرا که قبل از این کشف، هیچ شناختی در مورد چگونگی و نحوه وراثت اطلاعات ژنتیکی در دست نبود. اولین کسی که نام اسیدهای نوکلئیک را برای مولکول DNA استفاده کرد، دانشمندی سوئیسی به نام «فردریک میشر» (Friedrich Miescher) بود. در سال ۱۸۶۹ میشر طی مطالعه بر روی گلبول‌های سفید و بررسی ماده درون هسته گلبول‌ها که آن را در ابتدا «نوکلئوین» (Nuclein) نامید، به وجود ترکیب جدید زیستی پی برد و به دلیل اینکه این ماده از هسته استخراج شده بود و خاصیت ضعیف اسیدی نیز داشت آن را اسید‌نوکلئیک نامید.
میشر تنها کسی نبود که به دنیای علم برای شناخت مولکول DNA کمک کرد؛ در این بین دانشمندان بسیاری با مطالعات مختلف هر یک بخش‌های متفاوتی از این ساختمان پیچیده را شناسایی کردند. سرانجام در سال ۱۹۵۳ با کمک مطالعات دانشمندان پیشین، دو محقق انگلیسی به نام‌های «جیمز واتسون» (James Watson) و «فرانسیس کریک» (Francis Crick) در دانشگاه کمبریج لندن توانستند مدل کنونی DNA را به جهان معرفی کنند و به همین دلیل در سال ۱۹۶۲ موفق به دریافت جایزه نوبل شدند. در ادامه، روند مطالعات برای کشف ساختمان این مولکول به اختصار بیان می‌شود.
مدل واتسون و کریک
در سال ۱۹۵۳ واتسون و کریک با استفاده از تصاویر تهیه شده از مولکول DNA توسط فرانکلین و با بررسی مطالعات گذشته در مورد ساختار DNA توانستند مدلی کامل برای مولکول DNA ارائه دهند. ساختمان DNA طبق مدل واتسون و کریک، ساختمان دو رشته‌ای مارپیچ است که در آن بازهای آلی داخل مولکول با پیوندهای هیدروژنی، رشته‌های قند - فسفات را به هم متصل نگه می‌دارند. این دو رشته در دو جهت به صورت موازی و ناهمسو، حول یک محور مرکزی پیچ می‌خورند.
مطابق مدل فضایی ارائه شده، دی ان ای از واحدهایی به نام نوکلئوتید ساخته شده است که با پیوندهای فسفودی‌استر به هم متصل میشوند. در این ساختمان سه بخش به صورت زیر مشاهده می‌شود:
تعداد و نسبت بازهای آلی در مولکول DNA از قانون چارگف تبعیت می‌کند. اگر توالی و ترتیب بازها در یک رشته از مولکول را بدانیم می‌توانیم توالی رشته مقابل را طبق اصل «مکمل بودن بازهای دو رشته مقابل» به دست آوریم. طبق قوانین چارگف، عبارات زیر صادق هستند:
C+G : A+T, A = T, C = G
براساس مدل واتسون و کریک رشته‌های DNA حول یک محور فرضی، معمولا به صورت راستگرد چرخش دارند. در این مدل گروه های قند و فسفات به علت خاصیت آبدوستی و وجود گروه‌های قطبی به سمت خارج مولکول و در معرض محیط‌های آبی قرار می‌گیرند، در حالی جهت بازهای آلی به دلیل خاصیت آبگریزی به سمت داخل مولکول است. هنگام تشکیل هر مارپیچ DNA، رشته‌ها به صورت موازی و برعکس مقابل هم جهت‌گیری می‌کنند. به این صورت که اگر جهت یک رشته از کربن '۵ به '۳ باشد، جهت رشته مقابل آن از کربن '۳ به کربن '۵ است.
بازهای آلی از طریق پیوندی به نام «پیوند گلیکوزیدی» به قندهای ۵ کربنه متصل میشوند، اما این پیوند همیشه به صورت مستقیم و در راستای یک خط فرضی ایجاد نمی‌شود. بنابراین ممکن است این ستون‌های قند - فسفات متصل به بازها طوری در مقابل هم قرار گیرند که باعث ایجاد دو شیار با زاویه متفاوت در DNA شوند. این شیارها به دلیل زاویه قرارگیری پیوند گلیکوزیدی قند و باز، به دو حالت بزرگ و کوچک به وجود می‌آیند. در «شیار کوچک» (Minor Groove) زاویه بین قند و باز ۱۲۰ درجه و در «شیار بزرگ» (Major Groove) این زاویه به ۲۴۰ درجه می‌رسد. درون شيار بزرگ اتم‌های نیتروژن و اكسيژن انتهایی (منظور اتم‌های نیتروژن و اکسیژنی است که دورترین فاصله را نسبت به پیوند گلیکوزیدی دارند) بازهای آلی قرار دارند، این شيار به سمت داخل محور مارپيچ DNA باز می‌شود. در شيار كوچک، نیتروژن‌ها و اكسيژن‌های به سمت داخل (نزدیکترین اتم‌های اکسیژن و نیتروژن به پیوند گلیکوزیدی) بازهای آلی جای می‌گیرند. اين شيار به سمت خارج محور مارپيچDNA باز می‌شود. شيار بزرگ بسیاری از اطلاعات شیمیایی را با خود حمل می‌کند و پروتئین‌های اختصاصی از ناحیه این شیار به DNA متصل می‌شود. پروتئین‌هایی كه به شكل غيراختصاصی با DNA اتصال می‌یابند (مانند هيستون) و مولکول‌های آب و یون‌ها، از راه شيارکوچک به DNA متصل میشوند.
پس از مطالعات سال ۱۹۵۳ و ارائه مدل واتسون و کریک، دانشمندان بسیاری در سراسر جهان به مطالعه دقیقتر ساختمان این مولکول براساس مدل دو رشته‌ای مارپیچ پرداختند. در این میان محققان دریافتند که درون سلول و در شرایط متفاوت همیشه DNA به شکل مدل مارپیچ دو رشته‌ای واتسون و کریک دیده نمی‌شود. در شرایط متفاوت سلولی، شکل و ساختمان DNA تغییر می‌کند و در حالت کلی DNA به سه شکل اصلی B-DNA (مدل واتسون و کریک) و A-DNA و Z-DNA در سلول‌های زنده دیده می‌شود.
مولکول DNA می‌تواند راستگرد یا چپگرد باشد، به این صورت که در دو شکل A و B از مولکول DNA، جهت چرخش مارپیچ به سمت راست و در شکل Z به سمت چپ (چپگرد) است. در بیشتر مواقع درون سلول‌ها DNA به شکل B دیده می‌شود، در حالی که وقتی یک رشته DNA در مقابل یک رشته RNA قرار می‌گیرد و یا در شرایط کم آبی، DNA به شکل A درمی‌آید. شکل Z در مولکول DNA در شرایط خاص و به ندرت در سلول مشاهده می‌شود. اولین بار این فرم از DNA در توالی غنی از تکرارهای GC در زیر میکروسکوپ نوری دیده شد. زمانی که غلظت نمک در سلول بسیار افزایش می‌یابد، فرم Z در سلول یافت می‌شود. در جدول زیر ویژگی‌ها و تفاوت‌های اشکال مختلف DNA مقایسه شده است.
| شکل DNA | A-DNA | B-DNA | Z-DNA |
| اندازه کلی | کوتاه و پهن | بلند و باریک | بسیار طویل و باریک |
| ارتفاع هر جفت باز | 3.2 آنگستروم | 23.3 آنگستروم | 8.3 آنگستروم |
| جهت چرخش مارپیچ | راستگرد | راستگرد | چپگرد |
| قطر مارپیچ | 5.25 آنگستروم | 7.23 آنگستروم | 4.18 آنگستروم |
| اندازه شیار بزرگ | بسیار باریک و عمیق | پهن با عمق متوسط | پهن شده به روی سطح مارپیچ |
| اندازه شیار کوچک | بسیار پهن و کم عمق | باریک و عمق متوسط | بسیار باریک و خیلی عمیق |
| تعداد جفت باز در هر دور مارپیچ | 11 | 10 | 12 |
| موقعیت محور مارپیچ | شیار بزرگ | از میان جفت بازها | شیار کوچک |
با توجه به تفاوت‌های هریک از ساختارهای DNA، محققان بر این باورند که در شرایط مختلف سلولی هر کدام از این اشکال می‌توانند بر بیان و ترجمه ژن و تولید پروتئین‌های مختلف نقش داشته باشند.