عکس رهبر جدید

راستی آزمایی تعریف پیوند هیدروژنی

 ۱۳۹۹/۰۳/۲۵
  فایلهای مرتبط
راستی آزمایی تعریف پیوند هیدروژنی
دنیل شختمن٭ یک نمونه از هزاران دانشمندی است که تعریف بشر را از یک واژه وسعت بخشید: بلور. برای سال‌ها معلمان و استادان در کلاس درس، بلور را ساختاری جامد و معدنی تعریف می‌کردند که مولکول‌های آن در سه جهت فضایی با نظمی تناوبی کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. این تعریف در سال ۱۹۸۴ با انتشار مقاله‌ای توسط شختمن به چالش کشیده شد چون وی با ساختارهایی روبه‌رو شده بود که نظم تناوبی نداشتند. شختمن این ساختارها را «شبه بلور» نامید. رئیس گروه پژوهشی در دانشگاه جانز هاپکینز ـ که شختمن در آنجا مشغول پژوهش بود ـ به او گفت که بهتر است یک بار دیگر کتاب‌های درسی پایه‌ شیمی را مرور کند تا بدیهیات را یاد بگیرد! چند روز بعد هم از وی خواست که آنجا را ترک کند زیرا «مایه‌ ننگ دانشگاه جانز هاپکینز است!» برای سال‌ها جامعه‌ علمی جهانی شختمن را مورد ریشخند قرار می‌داد. در صدر این اعتراض‌ها، چهره‌ معروف و محبوب دنیای شیمی، لینوس پائولینگ ـ برنده‌ دو جایزه‌ نوبل ـ بود که باور داشت: «یقیناً چیزی به نام شبه بلور وجود ندارد، تنها چیزی که اینجا داریم یک شبه دانشمند است.» با این حال شختمن پژوهش‌های خود را در زمینه‌ شبه بلورها ادامه داد...

مقدمه
به باور بزرگان سخن «سکوت به‌جا، دشوارترین عمل در حین سخن گفتن است؛» شاید به این دلیل که واژه‌ها عموماً بار معنایی سنگینی را به دوش می‌کشند، تا آنجا که گاهی ما را دچار سوء‌تفاهم می‌کنند. یا چنانکه پل استر۱، نویسنده و ادیب معاصر گفته است: «واژه‌ها توان دگرگونی واقعیت‌ها را دارند و اگر به کسی سپرده شوندکه بیش از اندازه به آن‌ها عشق می‌ورزد، بسیار خطرآفرین خواهند بود.» احتمالاً مقصود استر از به‌کار بردن عبارت «بیش از اندازه» نشان دادن نوعی وابستگی به «واژگان» بوده که این وابستگی می‌تواند حتی به دگرگونی ذهنیت ما از پدیده‌ای بینجامد که واژه برای توصیف آن ابداع شده است. بیایید با یک نمونه ساده‌ شیمیایی، از فرو رفتن در دنیای فلسفه بجهیم!

زمانی ما شاهد جدل‌های همیشگی بر سر تفسیر ساختار لوییس مولکول‌هایی مانند NO ،ClO و XeF۲ به کمک قاعده‌ هشتایی بوده‌ایم. حال آنکه در جهان واقعی که ما در آن زندگی می‌کنیم مولکول‌هایی پایدار وجود دارند بی‌آنکه ساختارهشتایی داشته باشند. نباید از یاد برد که در اواخر قرن نوزدهم قاعده‌ هشتایی بدین منظور ابداع شد که «پایداری مولکول‌ها» را تفسیر کند نه اینکه امروز در قرن بیست و یکم به‌گونه‌ای روی کاغذ با ساختار مولکول‌ها کلنجار برویم تا «قاعده اکتت» را به هر نحوی تأیید کند حتی اگر در تضاد با یافته‌های بشر از محاسبه‌های نظری و مطالعه‌های تجربی باشد. بنابراین پایداری مولکول‌هایی مانند SF۴ و SF۶ ضعف طبیعت نیست بلکه ضعف قاعده هشتایی است که یادآوری می‌کند ما گاهی بیش از آنکه به طبیعت فکر کنیم، به مدل‌سازی می‌اندیشیم.

 

نگاهی دوباره به پیوند هیدروژنی
«پیوند هیدروژنی، پیوندی است که میان اتم هیدروژن متصل به یک اتم الکترونگاتیو (فلوئور، اکسیژن یا نیتروژن) از یک مولکول، با یک اتم الکترونگاتیو از مولکولی دیگر تشکیل می‌شود». این جمله‌ای است که سال‌هاست به‌عنوان تعریف  «پیوند هیدروژنی» در کتاب‌های درسی و دانشگاهی به چشم می‌خورد. نگاهی عمیق‌تر به این تعریف به ما یادآوری می‌کند که پیوند هیدروژنی نوعی مجزا از پیوندهای دوقطبی ـ دوقطبی نیست، بلکه یکی از انواع آن است و دلیل نام‌گذاری آن به‌طور جداگانه، این است که صفت «قوی‌ترین پیوند بین مولکولی»، آن را همراهی می‌کند. برای طبیعت نیز، پیوند هیدروژنی متمایزترین و حیاتی‌ترین نوع پیوند بین مولکولی است. تمام خواص شگفت‌انگیز فیزیکی آب، از پیوند هیدروژنی میان مولکول‌های آب سرچشمه می‌گیرد. اگر بنیان‌گذار طبیعت اینچنین هنرمندانه، یک هیدروژن را به یک هیدروکسیل متصل نکرده بود، گرمای ویژه‌ آب، دمای کره‌ زمین را در محدوده‌ قابل حیات تنظیم نمی‌کرد. جوهره‌ حیات ما ـ همان ساختار زیبای مارپیچی که اطلاعات در آن ذخیره می‌شود، پروتئین‌ها از روی آن سنتز می‌شوند و ما را از گذشتگان می سازد تا آیندگان را از روی ما بسازد ـ یعنی DNA، بدون پیوند هیدروژنی ساختاری تکامل نیافته و عقیم از انجام هرگونه عمل زیستی بود.

مولکول بزرگ DNA، پلیمری است که از چهار نوکلئوتید دِاوکسی آدنوزین (dA)، دِاوکسی تیمیدین (dT)، دِاوکسی سیتیدین (dC) و دِاوکسی گوانوزین (dG)، به‌عنوان مونومر تشکیل شده است. در توضیح اهمیت DNA به زبانی ساده، باید گفت DNA مانند کتابی است که همه دستورهای حیاتی در آن نوشته شده است. RNA همچون یک مترجم، دستور‌ها را می‌خواند و برای ریبوزوم ـ که کارخانه‌ ساخت آنزیم‌ها و پروتئین‌هاست ـ ترجمه می‌کند. زبان نگارش کتاب DNA تنها چهار حرف الفبا دارد : چهار نوکلئوتید dA ،dG ،dC و dT. توالی این چهار حرف است که واژه‌ها و فصل‌های این کتاب را تشکیل می‌دهد؛ همان فصل‌هایی که ژن ‌نام دارند. بنابراین توالی آمینواسیدی، ساختمان هر پروتئین، هر مولکول زیستی و جزء سلول، فراورده اطلاعات موجود در توالی این چهار نوکلئوتید است. به خاطر بیاورید که در داستان آلیس در سرزمین عجایب، شخصیت کلاهدوز در میهمانی چای، این معما را برای آلیس مطرح کرد که «چرا یک جانور درنده‌خو به میز مطالعه شباهت دارد؟» آلیس نمی‌توانست پاسخ را بیابد زیرا اصولاً پاسخی وجود نداشت. ولی علم امروز، شباهتی بین این دو می‌یابد: در DNA سلول‌های درخت که میز از آن ساخته شده است، همان چهار نوکلئوتیدی وجود دارد که در DNA هر جانور دیگری یافت می‌شود اما آنچه چوب را چوب می‌کند و یک جانور را درنده‌خو، توالی متفاوت این چهار نوکلئوتید در رشته‌ بلند DNA آن هاست. با این همه توالی نوکلئوتیدی به تنهایی عمل نمی‌کند؛ بدون ساختار مارپیچ DNA ،RNA قادر نیست حتی یک کلمه از کتاب DNA را بخواند. برای آنکه ساختمان مارپیچ DNA تشکیل ‌شود، باید دو رشته‌ مکمل DNA به گونه‌ای با هم جفت شوند که نوکلئوتیدهای dC با dG و dA با dT رو‌به‌روی هم قرار بگیرند و بتوانند پیوند هیدروژنی تشکیل دهند، شکل ۱. درواقع این پیوند هیدروژنی است که دو رشته‌ DNA را متصل و درهم‌تنیده نگه می‌دارد؛ بدون این پیوند، مارپیچ DNA از هم وا می‌رود.

 

پیوند هیدروژنی

DNA موجب ساختن آنزیم‌ها می‌شود اما خود DNA را آنزیم DNA پلیمراز می‌سازد. این درواقع همان عملی است که در تقسیم سلولی هم رخ می‌دهد: یک مارپیچ DNA از هم باز می‌شود و به دو رشته‌ تشکیل دهنده‌اش تجزیه می‌شود. سپس DNA پلیمراز بسیار ماهرانه با درک پیوند هیدروژنی، مقابل هر نوکلئوتید، نوکلئوتید مکمل آن را قرار می‌دهد، شکل ۲-آ. درواقع هر رشته‌ DNA به‌عنوان الگویی برای سنتز یک رشته‌ جدید به‌کار می‌رود تا سبب تولید مولکول‌های جدیدی از DNA شود که هرکدام یک رشته جدید و یک رشته قدیمی دارند، شکل ۲-ب. اگر پیوند هیدروژنی وجود نداشت، نه ساختمان مارپیچ DNA برقرار می شد و نه DNA پلیمراز می‌توانست روبه‌روی هر dG یک dC و روبه‌روی هر dA یک dT قرار دهد.

 

پ
 
بیایید نگاهی دوباره به تعریف کلاسیک پیوند هیدروژنی بیندازیم با این آگاهی که پیوند هیدروژنی تنها نوعی قوی از برهم‌کنش‌های دوقطبی ـ دوقطبی است، نه دسته‌ای جداگانه از آن. حال برهم‌کنش دوقطبی ـ دوقطبی A-H---B را در نظر بگیرید که A و B هیچکدام فلوئور، اکسیژن یا نیتروژن نیستند اما پیوند میان آن‌ها به اندازه‌ یک پیوند هیدروژنی، قوی است. اگر انسان بتواند چنین پیوندی را مهندسی کند، آیا طبیعت همچنان میان آن با پیوند هیدروژنی فرق می‌گذارد؟

در پاسخ به این پرسش، بررسی‌های نظری و محاسباتی بسیاری انجام شده است. برای نمونه ثابت شده است که گاهی هیدروژن در C-H، می‌تواند حتی از هیدروژن در N-H ،F-H و O-H  نیز بار مثبت بیشتری داشته باشد، مانند هنگامی که کربن C-H به دلایل الکترونی یا فضایی، به فقر الکترونی دچار شود. اما این پرسش که «آیا طبیعت میان پیوندی مانند
C-H---O، در شرایطی که هیدروژن بار مثبت بالایی دارد، با یک پیوند هیدروژنی فرقی می‌گذارد؟» همچنان بی‌پاسخ مانده بود. در سال ۲۰۱۹ ناتان لودتکه۳  با رهبری گروهی مشتمل بر نگارنده این مقاله،‌ در پی پاسخ به این پرسش برآمد. آزمایش لودتکه ساده و در عین حال خلاقانه بود: چنانچه با استفاده از روش‌های سنتز مدرن، یک رشته‌ DNA در آزمایشگاه سنتز شود با این تفاوت که یکی از نوکلئوتیدهای آن دستکاری شده و در عوض یک N-H دارای C-H باشد، آیا آنزیم DNA پلیمراز همچنان می‌تواند آن نوکلئوتید را بشناسد و رو‌به‌روی آن، نوکلئوتید مکملش را قرار دهد؟ آیا پیوند میان این دو نوکلئوتید آن‌قدر قوی هست که بتواند مارپیچ DNA را سر پا نگاه دارد تا بتواند وظایفش را انجام دهد؟ بنا به شکل ۳-ب، در نوکلئوتید مصنوعی دِاوکسی سیتیدین، یک اتم فلوئور در موقعیت پارا نسبت به C-H قرار گرفته و به‌عنوان یک گروه الکترون کشنده عمل می‌کند. بنابراین هیدروژن متصل به کربن دارای بار جزئی مثبت می‌شود.حال باید دید آیا طبیعت (آنزیم) این تفاوت را درک می‌کند و از قرار دادن نوکلئوتید مکمل (dG) سرباز می‌زند یا اینکه آن را یک پیوند هیدروژنی به شمار می‌آورد؟

 

پیوند هیدروژنی

 

آزمایش‌ها  ایجاد مارپیچ DNA را تأیید کرد و نشان داد که آنزیم توانسته است رو‌به‌روی آنالوگ یا همسان مصنوعی dC، یک dG قرار دهد و پیوند هیدروژنی C-H---O میان این دو ایجاد شده است، شکل ۴. مارپیچ DNA ساخته شده پایدار بود و از هم وا نرفت و RNA توانست آن را مانند یک DNA طبیعی برای ریبوزوم ترجمه کند. این نتایج به اندازه‌ کشف قاره‌ آمریکا می‌تواند شگفت‌آور باشد زیرا نشان می‌دهد تعریف طبیعت از پیوند هیدروژنی بسیار گسترده‌‌تر از تعریف ماست. برای آنزیم DNA پلیمراز صرفاً مهم است که برای یک رشته‌ DNA الگو، یک رشته‌ مکمل به گونه‌ای ایجاد کند که تمام جفت نوکلئوتیدهای آن، برهم‌کنشی به قدرت پیوند هیدروژنی داشته باشند. برای این آنزیم مهم نیست که هیدروژن به چه اتمی متصل است زیرا میزان بار مثبت هیدروژن است که سبب می‌شود هیدروژن، یک دهنده‌ پیوند هیدروژنی باشد. این کشف، ما را از محدوده‌ کوچک (F ,N ,O) -H---(F ,N ,O) خارج می‌کند و اجازه می‌دهد که هر اتمی را جایگزین فلوئور، اکسیژن یا نیتروژن کنیم.

 

پ


 اکنون ما می‌دانیم که شاید بتوان روزی کتابی از DNA داشت که در آن بیش از چهار حرف الفبا باشد. چنین کتابی جمله‌هایی پیچیده‌تر، ژن‌هایی توسعه‌ یافته‌تر و حرف‌هایی بیشتر برای گفتن نسبت به کتاب چهار حرفی فعلی ما خواهد داشت. ایجاد پیوند هیدروژنی C-H---O توسط یک آنزیم، نخستین نمونه از ایجاد یک پیوند هیدروژنی غیرکلاسیک توسط طبیعت است و به ما یادآوری می‌کند که شاید وقت آن رسیده باشد در تعریف پیوند هیدروژنی بازنگری صورت گیرد. البته ممکن است کسانی پیشنهاد کنند که باید این نوع پیوندها را - که قدرتی مشابه پیوندهای هیدروژنی کلاسیک دارند ولی هیدروژن در آن‌ها به عنصری با الکترونگاتیوی معمولی، مانند کربن متصل است- «پیوندهای شبه‌هیدروژنی» نامید. به هرحال، فارغ از هر نام و واژه‌ای که روی آن نهاده شود، کلام آخر این مقاله این است:

طبیعت، تفاوتی میان این پیوندها با پیوندی همچون  N-H---O قائل نیست و همین مهم است!

   ... حدود سی سال پس از انتشار مقاله‌ شختمن٭ در مورد شبه بلورها، وی از سوی کمیته‌ نوبل به‌عنوان برنده‌ جایزه‌ نوبل شیمی انتخاب شد. در دهه‌ اخیر وی تنها کسی بوده که بدون اشتراک با شخصی دیگر، جایزه‌ نوبل شیمی را کسب کرده است. تنها یک هفته پس از اعطای این جایزه به او، نخستین شبه بلور طبیعی در یک شهاب‌سنگ مربوط به چهار و نیم میلیارد سال پیش کشف شد. خبرها می‌گویند وقتی شختمن در جون سال ۲۰۱۵، پس از ۳۲ سال برای ارائه‌ یک سخنرانی به دانشگاه جانز هاپکینز بازگشت، دانشجویان و استادان از وی همچون یک قهرمان استقبال کردند.


 

پی‌نوشت‌ها


1. Auster, P.B.


۲. در اینجا شاید پرسشی مانند «اول مرغ بود یا تخم‌مرغ» در ذهن خواننده شکل بگیرد: اول DNA بود که اولین DNA پلیمراز را ساخت و یا اول DNA پلیمراز اولین DNA را ساخت؟ به نظر می‌رسد پاسخ، این باشد: «هیچ‌کدام»! بلکه نخست RNA بود که اولین DNA پلیمراز را ساخت. جهت اطلاعات بیشتر رجوع شود به فرضیه‌ جهان RNA.


3. Luedtke, N.W.
*.Sha chtman,D.

 

منابع


1.D. L. Nelson, M. M. Cox; Lehninger Principles of Biochemistry, 5th edition, 2008, W. H. Freeman and Company.
2.A. Johnson, A. Karimi, N. W. Luedtke; Enzymatic Incorporation of a Coumarin-Guanine Base-Pair, Angew. Chem., 2019, 131, 16995.


 


۱۹۵۲
کلیدواژه: پیوند هیدروژنی,شبه بلور,قاعده هشتایی,پیوند شیمیایی,
سارا کمیلی
۱۳۹۹/۱۲/۱۸
5
0
0

عالی بود خیلی لذت بردم. ممنون از شما


نام را وارد کنید
ایمیل را وارد کنید
تعداد کاراکتر باقیمانده: 500
نظر خود را وارد کنید