واحد ساختمانی اسیدهای نوكلئیك نوكلئوتید است. نوكلئوتید از سه جزء تشكیل شده كه توسط پیوندهای كووالانسی به یكدیگر متصل می شوند.

1-قند پنتوز(دی اكسید ریبوز در DNA  و ریبوز در RNA)

2-باز آلی نیتروژن دار كه به شكل دو حلقه ای(پورین) یا یك حلقه ای (پیریمیدین) است و با كربن شماره 1 قند پنتوز پیوند B-N-glycosidic ایجاد كرده و یك نوكلئوزید تشكیل می شود. DNA، حاوی بازهای پورین، از جمله آدنین(A)، گوانین (G) و بازهای پیریمیدین سینوزین(c) و تیمین (T) است كه با قندهای دی اكسی ریبوز؛ نوكلئوزیدهای دی آكسی آدنوزین، دی اكسی گوانوزین، دی اكسی سینیدین و دی اكسی تیمیدین ایجاد می كنند. RNA نیز حاوی بازهای پورین فوق و باز سینوزین DNA است، اما به جای باز تیمین، یوراسیل دارد، بنابراین نوكلئوزیدهای RNA عبارتند از:آدنوزین، گوانوزین، سیتیدین و یوریدین.

3-یك گروه فسفات؛ در یك پلمیر اسید نوكلئیك گروه فسفات، دو نوكلئوتید مجاور را با تشكیل یك پیوند فسفو دی استربین كربن 5 یك قند با كربن 3 قند دیگر به هم متصل می كند.

در حقیقت نوكلئوتیدها، نوكلئوزیدهایی با یك یا چند گروه فسفات هستند. 

نوكلئوتیدها ماده پیش ساخت سنتز اسیدهای نوكلئیك و محصول هیدرولیز آنزیمی آنها می باشند.

اسیدهای نوكلئیك پلی مرهای بسیار بزرگی هستند كه از اتصال یك نوكلئوتید به نوكلئوتید دیگر با استفاده از پیوندهای كووالانت فسفو دی استری بین گروه هیدروكسیل یك نوكلئوتید و گروه فسفات نوكلئوتید دیگر بوجود می آیند.


ماهیت ماده ژنتیكی

در موجودات بسته به نوع موجود، RNA از 100000-100 یا بیشتر و DNA از چند هزار تا چند ملیون نوكلئوتید تشكیل شده است. مطالعه شیمیایی تركیب DNA در موجودات متفاوت توسط اروین شارگاف (Erwin chargaff) نشان داد كه DNA پیچیدگی شیمیایی لازم را به عنوان ماده ژنتیكی دارد.

بر اساس این مطالعه ساختمان DNA در انواع موجودات متفاوتند و احتمال اینكه همه DNA ها از چهار نوكلئوتید به نسبت یكسان تشكیل شوند غیر ممكن است، ولی همیشه در DNA غلظت آدنین با تیمن و گوانین با سیتوزین برابر است، به عبارت دیگر [A]=[T] و [G]=[C] یا ]پورین ها[=]پیریمیدین ها[ ولی نسبت   در گونه های مختلف موجودات متفاوت است.

بنابراین، طبق نظر شارگاف DNA ممكن است پیچیدگی بیشتری داشته باشد. طولی نكشید كه واتسون وكریك به این پیچیدگی ها پی بردند.



ساختمان DNA طبق مدل واتسون وكریك:

در سال 1953 واتسون وكریك مدلی برای ساختمان DNA پیشنهاد كردند، بر طبق این مدل:

1-پلمیر DNA از نوكلئوتیدهایی تشكیل شده كه توسط پیوندهای   فسفو دی استری به یكدیگر متصل هستند.

2-تركیبات اصلی DNA از قوانین شارگاف تبعیت می كنند.

3-تفرق اشعه X نشان می دهد كه ملكول DNA ساختمانی مارپیچی، و بیش از یك اشعه پلی نوكلئوتید دارد. هر مولكول DNA از دو رشته پلی نوكلئوتید موازی متضاد (anti parallel) تشكیل شده كه در اطراف یك محور مركزی بصورت راست گرد پیچ می خورند.

4-یكی از عوامل پایداری ساختمان DNA پیوندهای هیدروژنی بین بازهای مكمل دو رشته است، به طوری كه بین بار A از یك رشته با T از رشته دیگر و باز G از یك رشته با C از رشته دیگر به ترتیب پیوندهای هیدروژنی دوتایی و سه تایی ایجاد می شود.

بنابراین حرارت می تواند در حالت فیزیكی DNA تغییر ایجاد كرده و دو رشته DNA را از یكدیگر جدا نماید(دناتوره كردن DNA). چون همیشه A با T و G و C جفت می شوند بنابراین دو رشته مكمل یكدیگر هستند و از روی توالی بازهای یك رشته توالی بازهای رشته دیگر تعیین می شود.

در DNA، یوندهای گلیكوزید بین قندها و بازهای یك جفت نوكلئوتید كاملا در دو جهت مخالف یكدیگر نیستند و دو شیار با پهنای متفاوت در اطراف مارپیچ دو

رشته ای ایجاد می شود. بخشی از یك پیوند گلیكوزیدیك تا پیوند گلیك.زید یك دیگر كه بیش از   است را لبه بزرگ (Major edge) و بخشی كه كمتر از   است را لبه كوچك (minor edge) می نامند.

لبه بزرگ و كوچك به ترتیب منجر به ایجاد شیار بزرگ (major groove) و شیار كوچك (minor groove) می شوند.

نیروهایی كه مارپیچ دوگانه DNA را حفظ می كنند:

1-اثرات هیدروفوبیك، جفت بازها را در DNA نگه می دارد.

حلقه های هیدروفوب پورین و پیریمیدین بازها، تمایل زیادی به كشیده شدن به مركز مارپیچ دوگانه دارند.

2-چیده شدن بازهای آلی نیتروژن دار روی هم در طول محور مركزی مارپیچ دوگانه DNA باعث ایجاد نیروهای واندرووالس می شود. نیرو واندرووالس در طول DNA ضعیف است ولی حالت افزایشی دارد. مولكولی كه حاوی 104باز باشد، نیروهای واندرووالس، منبع مهم پایداری آن است.

3-پیوندهای هیدروژنی بین جفت بازها؛ پیوند هیدروژنی بین بازهای GC پایدارتر از AT است.

4-ستون اصلی DNA كه شامل دی اكسی ریبوز و فسفات است با كاتیون اثر متقابل دارد، زیرا فسفر دی استرستون اصلی DNA، بار الكتریكی منفی دارد و شدیدا اسیدی است.

دفع الكترواستاتیك بین این گروه های فسفر دی استر منفی باعث ناپایداری مارپیچ دوگانه می شود، ولی كاتیون های سلولی بویژه  بطور محكم به فسفر دی استرستون اصلی DNA متصل شده و باعث پایداری می شود.

مولكول DNA در چند شكل فضایی وجود دارد:

بسته به تركیب بازی در شرایط فیزیكی مختلف مولكول DNA اشكال فضایی متفاوتی می یابد. این تغییرات اطلاعات موجود در DNA را تغییر نمی دهد زیرا فرمول جفت شدن بازهای خاص یكسان است، ولی تغییر شكل DNA ممكن است نقشی در تنظیم بیان ژن داشته باشد زیرا تغییرات شكل فضایی DNA بر پیوند پروتئین ها با این مولكول مؤثر است و اتصال پروتئین در تنظیم بیان ژن نقش مهمی دارد. اشكال فضایی DNA از طریق مطالعات كریستوگرافی یا اشعه X مورد بررسی قرار گرفته است.

1-B-DNA معمول ترین شكل فضایی این مولكول است كه توسط واتسون و كریك كشف گردید. خصوصیات عمده این مولكول عبارتند از:

الف-در هر زنجیره، نوكلئوتیدهای مجاور نسبت به هم   زاویه دارند، بنابراین در یك دور كامل 4/10 جفت باز وجود دارد.

ب-یك دور كامل مارپیچ دوگانه nm4/3 طول دارد، بنابراین فاصله هر جفت باز با جفت باز دیگر nm33/0 است.

ج-قطر مارپیچ دوگانه nm37/2 است.

2-اگر كریستال های B-DNA خشك شود یا وقتی غلظت نمك كریستال كاهش یابد، مولكول نازك و طویل B-DNA بصورت مولكول كوتاه و ضخیم A-DNA در 

می آید. در حالیكه جفت بازها در B-DNA بطور متقارن نسبت به محور مارپیچ روی هم چیده می شوند، این جفت بازها در شكل A-DNA بسوی لبه بزرگ هر جفت باز كشیده شده و شیار بزرگ باریكتر و عمیق تر و شیار كوچك عریض تر و كم عمق تر می گردد. طول یك دور مارپیچ در A-DNA برابر nm46/2 است و در هر دور 11 جفت وجود دارد. در هر دو نوع مولكول B و A، قند و باز در دو سوی متضاد پیوند گلیكوزیدیك (anti conformation) هستند و نیروی دافعه بین باز و قند به حداقل می رسد.

3-در غلظت بالای كاتیون ها در بعضی نوكلئوتیدها syn conformation ایجاد 

می شود، بدین معنی كه قند و باز در یك طرف پیوند گلیكوزیدیك قرار می گیرند. در این شرایط DNA شكل فضایی متفاوتی به خود می گیرد. در رشته ای از نوكلئوتیدهای GC دار شكل فضایی پیوند گلیكوزیدیك G بصورت syn است ولی C حالت فضایی anti دارد. در نتیجه یك شكل zigzag بین syn و anti ایجاد می شود كه منجر به ایجاد Z-DNA می گردد.

Z-DNA نسبت به B-DNA طویل تر و نازك تر است. یك دور كامل مارپیچ 

Z-DNA با 12 جفت یاز، nm56/4 طول و nm84/1 قطر دارد. شیار كوچك Z-DNA یك شكاف عمیق است كه در اطراف آن پیچ می خورد و مارپیچ حالت چپ گرد دارد.

در سلول ها، DNA بیشتر شكل فضایی B دارد، ولی بنظر می رسد مناطق سرشار از جفت بازهای GC شكل فضاییZ بخود می گیرند.

در شرایط آزمایشگاهی ساختمان های مارپیچ دیگری از جمله DNA نوع C، D و E ایجاد می شود كه احتمالا هیچگاه در سلول وجود ندارند.

اشكال خطی و حلقوی مولكول DNA:

در ابتدا تصور بر این بود كه تمام ملكول های DNA خطی هستند و دو انتهای آزاد دارند، ولی با مطالعه بیشار مشخص گردید بسیاری از ملكولهای DNA حلقوی 

می باشند. مولكول كوچك DNA ویروس sv40 میمون به شكل یك كروموزوم دو رشته ای مارپیچی حلقوی است و bp5000 دارد، حتی كروموزوم كوچك فاژهایی كه DNA تك رشته ای دارند نیز حلقوی است، تقریبا تمام لاسمیدها و باكتریها DNA حلقوی دارند.

در DNA خطی دو انتهای كولكول آزاد است، بنابراین تغییر تعداد دورها با چرخیدن آزادانه زنجیره های به هم تابیده مارپیچ دوگانه براحتی خنثی می شود، ولی در مولكول DNA حلقوی تعداد ثابت دور زنجیره های به هم تابیده (linkage number) 

نمی تواند تغییر كند. در بعضی موارد تغییر در مدل تعداد جفت بازها در هر دور مارپیچ دوگانه مستلزم ایجاد ابر پیچش (supercoli) در جهت مخالف است.

ابر پیچش، تاب خوردگی مارپیچ دوگانه مولكول های DNA است. تاب خوردگی چپ گرد  ابر پیچش مثبت وتاب خوردگی راست گرد ابر پیچ منفی  اطلاق میشود.حالت ابر پیچش DNA ناپایدارتر‌از‌شكل عادی آن است و با ایجاد بریدگی یا شكاف در یكی از رشته‌ها 

،مولكول ابر پیچش به شكل ساده حلقوی (اسوده-relax)در می آید.

مكانیسم ایجاد ابر پیچش از نظر بیولوژیكی حائز اهمیت است و آنزیم های توپوایزومرا، نوع ابر پیچش DNA را تغییر می دهند. توپوایزومزارها آنزیم هایی هستند كه یك شكل توپولوژیكی DNA را به دیگری تبدیل می كنند. دو نوع توپوایزومزارها در طیف وسیعی از موجودات شناسایی شده است، این دو نوع آنزیم كاتالیز شكست و بست پیوندهای فسفو دی استر را به عهده دارند و بر خلاف سایر آنزیم ها عملشان ایجاد پیوندهای كووالانت نیست، نقش آنها ایجاد شكاف یا برسی موقتی در زنجیره های پلی نوكلئوتید است.

الف-توپوایزومراز نوع I: این نوع آنزیمها را آنزیم های شكیت و بست نیز می نامند كه در هر واكنش یك ابر پیچش از DNA خارج می كنند. این آنزیم در یكی از دو رشته DNA شكستی ایجاد می كند و منطقه دو رشته ای مجاور ناحیه شكست، در اطراف رشته سالم یكبار می چرخد، سپس پایانه های محل شكست جوش می خورند.

واكنش توپوایزومراز نوع I نیازمند ATP نیست و رشته منفرد بطور تصادفی از منطقه بریده شده عبور می كند.

دو تفاوت عمده آنزیم توپوایزومراز نوع I در پروكاریوت ویوكاریوت عبارتند از:

1-توپوایزومراز نوع I در پروكاریوت ها به انتهای 5-فسفوریل رشته بریده متصل می شود، ولی در یوكاریوت ها آنزیم به انتهای 3- فسفوریل اتصال می یابد.

2-توپوایزومراز نوع I در پروكاریوت ها تنها ابر پیچش منفی را خارج می كند ولی در یوكاریوت ها در حذف ابر پیچش منفی و مثبت شركت می كند.

ب-توپوایزومراز نوع II:ابر پیچش منفی و مثبت رادر DNA ایجاد می كند و این ایجاد ابر پیچش از طریق جفت شدن با هیدرولیز ATPصورت میگیرد.


 در باكتری ها نوعی توپوایزومراز بنام gytase یافت می شود كه دورهای ابر پیچشی منفی به DNA حلقوی relax القاء 

می كند. عمل gyrase، خارج كردن ابر پیچشی منفی نیست بلكه ابر پیچشی به DNA حلقوی relax القا می كند.

در باكتری ها عمل متعادل توپوایزومرازهای دو نوع I و gyrase ابر پیچش را در 

DNA تنظیم كرده و بر روی ضریب حركت چنكال همانند سازی مؤثر هستند.


بسته بندی DNA در كرومزوم ها:

مولكول DNA هیچگاه به صورت آزاد و گسترده در سلول ها یا ویروس ها وجود ندارد، بلكه این مولكول همراه كاتیون هایی با وزن مولكولی كم، فلزات دو ظرفیتی، دی وپلی آمین ها، پروتئین ها و یا تركیبی از اینهاست. اثر متقابل بین آن ها الكترواستاتیك است و آنیون فسفات در DNA با بار منفی توسط بار مثبت فلزات، پلی آمین ها یا اسیدهای آمینه پروتئین ها خنثی می شود. نتیجه این اثرات متقابل، فشردگی چند هزار باره DNA است. mm4/1 طول مولكول DNA حلقوی E.coli در سلولی میله ای به قطر   و طولی برابر  جای گرفته است. در سلول اینترفازی یوكاریوت حدود m2 مولكول DNA در هسته ای با قطر كمتر از   جای گرفته و این DNA در تقسیم میتوز آنقدر فشرده می شود كه توسط میكروسكوپ نوری بصورت كروموزم های شدیدا فشرده قابل رؤیت است.



كروموزومهای پروكاریوتی:

در بسته بندی DNA ژنوم پروكاریوتها تنها دو یا سه پروتئین دارد.

اطلاعات در مورد این پروتئین ها، ماهیت عملكرد اشتراك آنها با DNA ناچیز است. در E.coli گروهی از پروتئین های متصل به DNA بنام پروتئین های Hu وجود دارد كه مشابه هیستون   در یوكاریوتها است.

دومین پروتئین شناخته شده در E.coli و سیانوباكترها پروتئین II است، احتمالا این دو پروتئین همان اعمال پنج پروتئین است هیستون یوكاریوت را در بسته بندی مولكول DNA دارند.


كروموزومهای یوكاریوتی:

تعداد ژن ها در یوكاریوتها 10-2 برابر ژن های E.coli و میزان DNA آنها خیلی بیشتر است. DNA در یوكاریوتها در چندین كروموزوم به صورت دیپلوئید یا پلی پلوئید بسته بندی می شود. مثلا مجموعه ها پلوئید یا ژنوم انسان حاوی هزار میلی متر DNA (دو هزار میلی متر در سلول دیپلوئید) است، كه این میزان در بین 23 كرومزوم تقسیم می شود، بنابراین هر كرومزوم حدود 85-15 میلی متر DNA در كروموزوم نظم 

می گیرد؟

1-آیا در هر كروموزوم یك مولكول DNA (مثل پروكاریوتها) وجود دارد؟

2-آیا در هر كروموزوم چند مولكول DNA وجود دارد؟

3-اگر چند مولكول DNA وجود دارد، این مولكول ها چگونه نسبت به هم قرار دارند؟

4-چگونه 85 میلی متر DNA در بزرگترین كروموزوم انسانی در یك كروموزم مافازی با قطری حدود    و 10 میكرومتر طول فشرده شده است؟

كروموزومهای اینتر فازی با میكروسكوپ نوری قابل رویت نیستند، چنانچه كروماتین هسته های اینترفازی مورد تجزیه و تحلیل شیمیایی قرار گیرد ملاحظه می گردد حاویDNA، پروتئین و مقدار كمی RNA است. این پروتئین ها دو گروه هستند: 

1-پروتئین های بازی یا هیستون ها با بار المتریكی مثبت، 2-پروتئین های اسیدی یا غیر هیستون ها با بار الكتریكی منفی.

هیستون ها نقش مهمی در كروماتین دارند و در تمام یوكاریوتهای عالی تر مقدار آنها با میزان DNA برابر است. درتمام گیاهان عالی، جانوران و در تمام انواع سلولها(به غیر از سلولهای اسپرم كه به جای هیستونها دارای پروتئین های بازی پروتامین هستند) پنج نوع هیستون H4, H3,H2B,H2A,H1 وجود دارد. در طی تكامل، این هیستونها شدیدا حفظ شده اند و در تمام یوكاریوتهای عالی چهار هستون H4, H3,H2B,H2A مشابه و یكسان است. ثبات این هیستونها، در تمام انواع سلولهای یك موجود و حتی در گونه‌های مختلف، این ایده را تقویت كرده كه انها نقش مهمی در بسته بندی H4,

H3,H2B,H2A دارند و بطور غیر اختصاصی در تنظیم بیان ژن شركت می كنند. پروتئین های غیر هستونی كروماتین شامل تعداد زیادی پروتئین های غیر یكنواخت است كه در انواع سلولهای یك موجود متفاوت هستند، این پروتئینها در تنظیم بیان ژنهای خاص یا مجموعه ژن شركت دارند.

اگر كروماتین جدا شده از هسته توسط EM بررسی شود، حاوی یك سری ذرات كروی (با قطر nm11 و طول nm6 است كه توسط رشته های نازكی به هم متصل 

شده اند.

به همراه این ذرات و دانه ها كه نوكلئوزوم نامیده می شوند H4, H3,H2B,H2A ای با حدود 200 جفت باز ووجود دارد(این تعداد بسته به موجود و بافت مورد مطالعه بین 250-150 جفت باز متغیر است). بخشی از این DNA كه رابط (linker) نامیده 

می شود و به نوكئازها حساس است، نوكلئوزومهای مجاور را در رشته كروماتین به هم متصل می كند. با هضم توسط نوكلئازها(بدون توجه به موجود و یا بافت) از 200 جفت باز DNA نوكلئوزوم، 146 جفت باز محافظت می شود. این قطعه DNA همراه با هیستونهای متصل به آن را هسته نوكلئوزوم می نامند. هسته نوكلئوزوم شامل دو مولكول از هر هیستون H4, H3,H2B,H2A,H1  (اكتامتر هیستون)  اگر DNA رابط تخریب شود مولكول منفرد هیستون H1  كه همراه هر نوكلئوزوم است جدا می شود.

ساختمانی دانه تسبیحی نوكلئوزوم اولین فرآیند بسته بندی DNA یوكاریوتی است. وقتی هسته ای اینترفازی به آرامی شكیته و باز شوند كروماتین به صورت رشته های  300 دیده می شود كه در آن نوكلئوزوم ها در ساختمانی با نظم بیشار دور هم جمع شده اند. طی رونویسی DNA،  نوكلئوطوم های موجود در رشته 300  در محل رونویسی متفرق می شوند. تجمع نوكلئوزوم ها در رشته  300  فشرده، نتیجه حضور مولكول بسیار طویل H1  است. با تجمع  شش نوكلئوزم دور هم در یك دور، كروماتین فشرده می شود. در این مدل از DNA، رابط و مولكول های هیستون H1 در داخل و در تماس یا یكدیگر هستند، با تجمع نوكلئوزوم ها در رشته ای با ضخامت  300، DNA به اندازه 40 برابر فشرده می شود.


سازمانبندی كروماتین روی اسكلت متافازی:

در یك سلول یوكاریوت عالی هر كرومزوم حاوی یك مولكول بسیار بزرگ DNA است(با طول تقریبی cm5 در پستانداران)، ولی كروموزمهای متافازی   با  طول، توسط میكروسكوپ نوری قابل رؤیت هستند.

بنابراین، علاوه بسته بندی در نوكلئوزومها و سپس در رشته هایی با قطر  300 چند سازمانبندی از تاب خوردگی DNA وجود دارد.

در این سازمانبندی ها هیستون H1  نقش اصلی و محوری دارد، زیرا این پروتئین در كروموزمهای میتوزی شدیدا فسفوریله می شود.

فشردگی باور نكردنی كروموزومهای متافازی نتیجه سازمانبندی كروماتین در بخشهای حلقوی و بزرگ است كه در پایه به یك چوب بست پروتئینی بنام اسكلت متافازی می چسبند.

از طریق تیمار كروموزم های متافازی با پلی آنیون هایی مثل هپارین كه با DNA برای اتصال با پروتئین ها رقابت می كنند، هیستون ها و غیر هیستونها جدا می شوند. چنین كروموزمهایی كه تهی از پروتئین ها شده اند هنوز مرفولوژی خود را حفظ می كنند، ولی با هاله ای DNA تاب نخورده احاطه می شوند. این هاله حاوی چندین حلقه با  (kbp100-35) است كه در پایه به چوب بستی هستند. مطالعه پروتئین های موجود در ساختمان كرومزوم فاقد هستون، مؤید حضور دو پروتئین است. احتمالا این پروتئین ها شبكه ای ایجاد می كنند كه محور اصلی اتصال پایه حلقه های DNA را به تشكیل می‌دهند.