الحمض النووي: التاريخ ، وظائف ، هيكل ، مكونات

الحمض النووي ( الحمض النووي الريبي) هو الجزيء الحيوي الذي يحتوي على جميع المعلومات اللازمة لتوليد كائن حي والحفاظ على عمله. وهي تتألف من وحدات تسمى النيوكليوتيدات ، والتي تشكلت بدورها من مجموعة الفوسفات ، وجزيء السكر المكون من خمسة كربونات وقاعدة نيتروجينية.

هناك أربع قواعد النيتروجين: الأدينين (A) ، السيتوزين (C) ، الجوانين (G) والثيمين (T). الأدينين يتزاوج دائمًا مع ثيمين وجوانين مع السيتوزين. يتم تحويل الرسالة الموجودة في حبلا الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي messenger وهذا يشارك في تخليق البروتينات.

الحمض النووي هو جزيء مستقر للغاية ، مشحونة سلبا في درجة الحموضة الفسيولوجية ، والتي ترتبط مع البروتينات الإيجابية (هيستون) لضغط فعال في نواة الخلايا حقيقية النواة. سلسلة طويلة من الحمض النووي ، جنبا إلى جنب مع مختلف البروتينات المرتبطة تشكل كروموسوم.

تاريخ

في عام 1953 ، تمكن الأمريكيان جيمس واطسون والبريطاني فرانسيس كريك من توضيح البنية ثلاثية الأبعاد للحمض النووي ، وذلك بفضل العمل في علم البلورات الذي قامت به روزاليند فرانكلين وموريس ويلكينز. كما استندوا في استنتاجاتهم على أعمال المؤلفين الآخرين.

يشكل تعريض الحمض النووي للأشعة السينية نمطًا حيويًا يمكن استخدامه لاستنتاج بنية الجزيء: حلزون ذو سلسلتين متوازيتين تتجهان إلى اليمين ، حيث ترتبط كلتا السلسلتين بصلات هيدروجينية بين القواعد . كان النمط الذي تم الحصول عليه كما يلي:

يمكن افتراض أن الهيكل يتبع قوانين حيود براج: عندما يتم تداخل كائن ما في منتصف حزمة الأشعة السينية ، ينعكس ذلك ، حيث تتفاعل إلكترونات الكائن مع الأشعة.

في 25 أبريل 1953 ، تم نشر نتائج واتسون وكريك في مجلة نيتشر المرموقة ، في مقال من صفحتين بعنوان " التركيب الجزيئي للأحماض النووية " ، والذي من شأنه إحداث ثورة كاملة في مجال البيولوجيا.

بفضل هذا الاكتشاف ، حصل الباحثون على جائزة نوبل للطب في عام 1962 ، باستثناء فرانكلين الذي توفي قبل الولادة. يعد هذا الاكتشاف حاليًا أحد أهم الدعاة لنجاح الطريقة العلمية لاكتساب معرفة جديدة.

المكونات

يتكون جزيء الحمض النووي من النيوكليوتيدات ، وهي وحدات مكونة من سكر مكون من خمسة كربونات مرتبطة بمجموعة فوسفات وقاعدة نيتروجينية. نوع السكر الموجود في الحمض النووي هو من نوع الديوكسي ريبوز ومن ثم اسمه ، حمض ديوكسي ريبونوكلييك.

لتشكيل السلسلة ، ترتبط النيوكليوتيدات تساهميًا بواسطة رابطة فوسفاتية من خلال مجموعة 3'-hydroxyl (-OH) من سكر واحد و 5'-phosphafo من النيوكليوتيدات التالية.

لا تخلط بين النيوكليوتيدات مع النيوكليوسيدات. يشير الأخير إلى جزء النوكليوتيدات الذي يتكون فقط من البنتوز (السكر) والقاعدة النيتروجينية.

يتكون الحمض النووي من أربعة أنواع من القواعد النيتروجينية: الأدينين (A) ، السيتوزين (C) ، الجوانين (G) والثيمين (T).

تصنف القواعد النيتروجينية إلى فئتين: البيورينات والبيريميدين. تتكون المجموعة الأولى من حلقة من خمس ذرات مرتبطة بحلقة أخرى من ستة ، بينما تتكون البريميدين من حلقة واحدة.

من القواعد المذكورة ، الأدينين و guanine هي مشتقات البيورينات. في المقابل ، تنتمي مجموعة البيريميدين إلى ثيمين وسيتوزين ويوراسيل (الموجود في جزيء الحمض النووي الريبي).

هيكل

يتكون جزيء الحمض النووي من سلسلتين من النوكليوتيدات. تُعرف هذه السلسلة بسلسلة الحمض النووي.

يتم ربط الشطرين بواسطة روابط هيدروجينية بين القواعد التكميلية. ترتبط القواعد النيتروجينية تساهميًا بهيكل عظمي من السكريات والفوسفات.

يمكن أن يقترن كل نيوكليوتيد موجود في حبلا بآخر نيوكليوتيد معين من الشريط الآخر ، لتشكيل الحلزون المزدوج المعروف. من أجل تكوين بنية فعالة ، يتزاوج A دائمًا مع T عن طريق جسري هيدروجين ، و G مع C بثلاثة جسور.

قانون تشارجاف

إذا درسنا نسب القواعد النيتروجينية في الحمض النووي ، فسوف نجد أن كمية A مماثلة لكمية T والشيء نفسه مع G و C. ويعرف هذا النمط باسم قانون Chargaff.

هذا الاقتران موات بقوة ، لأنه يسمح بالحفاظ على عرض مماثل على طول الهيكل ، والحفاظ على مسافة مماثلة على طول جزيء هيكل فوسفات السكر. لاحظ أن قاعدة الحلقة مقترنة بإحدى الحلقات.

نموذج الحلزون المزدوج

يُقترح أن يكون الحلزون المزدوج مكونًا من 10.4 نيوكليوتيدات في كل دور ، ويفصل بينها مسافة مركزية إلى مركز تبلغ 3.4 نانومتر. تؤدي عملية اللف إلى تكوين الأخاديد في الهيكل ، بحيث تكون قادرة على ملاحظة أخدود رئيسي وثانوي.

تنشأ الأخاديد لأن الروابط glycosidic في أزواج قاعدة ليست عكس بعضها البعض ، فيما يتعلق قطرها. في الأخدود البسيط يوجد بيريميدين O-2 و البيورين N-3 ، بينما يوجد الأخدود الرئيسي في المنطقة المقابلة.

إذا استخدمنا تشبيه سلم ، فإن الدرجات تتكون من أزواج قاعدية مكملة لبعضها البعض ، بينما يتوافق الهيكل العظمي مع قضبان الإمساك.

نهايات جزيء الحمض النووي ليست هي نفسها ، لذلك نحن نتحدث عن "قطبية". أحد أطرافه ، 3 '، يحمل مجموعة -OH ، بينما يحتوي الطرف 5' على مجموعة فوسفات مجانية.

يقع هذان الفرعان في الاتجاه المعاكس ، مما يعني أنهما يقعان مقابل أقطابهما ، على النحو التالي:

بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يكون تسلسل أحد الخيوط مكملاً لشريكه ، إذا كان الموضع A ، فيجب أن تكون السلسلة المعكوسة هي T.

منظمة

يوجد في كل خلية بشرية حوالي مترين من الحمض النووي يجب تعبئتها بكفاءة.

يجب أن تضغط على حبلا بحيث يمكن احتواؤها في النواة المجهرية 6 ميكرون في القطر التي تحتل سوى 10 ٪ من حجم الخلية. هذا ممكن بفضل مستويات الضغط التالية:

الهستونات

في حقيقيات النوى هناك بروتينات تسمى هيستون ، والتي لديها القدرة على ربط جزيء الحمض النووي ، والتي هي المستوى الأول من ضغط الحبلا. تتميز الهستونات بشحنة موجبة لتكون قادرة على التفاعل مع الشحنات السلبية للحمض النووي ، والتي تساهم بها الفوسفات.

الهستونات هي بروتينات مهمة للكائنات حقيقية النواة والتي كانت ثابتة في مسار التطور - تذكر أن معدل التحور المنخفض يشير إلى أن الضغوط الانتقائية على الجزيء المذكور قوية. خلل في الهيستونات قد يؤدي إلى ضغط معيب في الحمض النووي.

يمكن تعديل الهستونات كيميائيا وهذه العملية تعدل مستوى ضغط المادة الوراثية.

عندما تكون الهيستونات "ناقصة الأسيتيل" ، يكون الكروماتين أكثر تكثيفًا ، لأن الأشكال الأسيتيلية تحيد الشحنات الإيجابية لليسين (الأحماض الأمينية المشحونة إيجابياً) في البروتين.

Nucleosomes والألياف 30 نانومتر

يتم لف حبلا الحمض النووي في الهيستونات وتشكيل هياكل تشبه حبات عقد اللؤلؤ ، وتسمى النيوكليوزومات. يوجد في قلب هذا الهيكل نسختان من كل نوع من أنواع هيستون: H2A و H2B و H3 و H4. ويسمى اتحاد مختلف هيستون "هيستون أوكتامر".

يحيط بـ octamer 146 زوجًا من القواعد ، مما يعطي أقل من دورتين. تحتوي الخلية ثنائية الصبغية البشرية على حوالي 6.4 × 109 نيوكليوتيدات يتم تنظيمها في 30 مليون نيوكليوزوم.

تسمح المنظمة في النيوكليوزومات بضغط الحمض النووي بأكثر من ثلث طوله الأصلي.

في عملية استخراج المادة الوراثية في ظل ظروف فسيولوجية ، لوحظ أن النيوكليوسومات مرتبة في ألياف من 30 نانومتر.

الكروموسومات

الكروموسومات هي الوحدة الوظيفية للميراث ، وتتمثل وظيفتها في حمل جينات الفرد. الجين هو جزء من الحمض النووي الذي يحتوي على معلومات لتوليف البروتين (أو سلسلة من البروتينات). ومع ذلك ، هناك أيضًا جينات ترمز للعناصر التنظيمية ، مثل RNA.

جميع الخلايا البشرية (باستثناء الأمشاج وكريات الدم الحمراء) لها نسختان من كل كروموسوم ، واحدة موروثة من الأب والآخر من الأم.

الكروموسومات عبارة عن هياكل مكونة من جزء خطي طويل من الحمض النووي يرتبط معقدات البروتين المذكورة أعلاه. عادة في حقيقيات النوى ، تنقسم كل المواد الوراثية الموجودة في النواة إلى سلسلة من الكروموسومات.

المنظمة في بدائيات النوى

بدائيات النوى هي كائنات حية تفتقر إلى النواة. في هذه الأنواع ، يتم لف المادة الوراثية بشدة مع البروتينات القلوية منخفضة الوزن الجزيئي. بهذه الطريقة ، يتم ضغط الحمض النووي ويقع في منطقة مركزية في البكتيريا.

عادة ما يطلق بعض المؤلفين على هذا الهيكل اسم "كروموسوم بكتيري" ، على الرغم من أنه لا يحتوي على نفس خصائص كروموسوم حقيقيات النواة.

كمية الحمض النووي

ليست كل أنواع الكائنات الحية تحتوي على نفس كمية الحمض النووي. في الواقع ، هذه القيمة متغيرة للغاية بين الأنواع ولا توجد علاقة بين كمية الحمض النووي وتعقيد الكائن الحي. يُعرف هذا التناقض باسم "مفارقة القيمة C".

يتمثل المنطق المنطقي في إثبات أنه كلما زاد تعقيد الكائن الحي ، زاد عدد الدنا الذي يمتلكه. ومع ذلك ، هذا ليس صحيحا في الطبيعة.

على سبيل المثال ، حجم الجينوم لأسماك الرئة Protopterus aethiopicus يبلغ حجمه 132 بيكوغرام (يمكن تحديد الحمض النووي في صورة picograms = pg) بينما يزن الجينوم البشري 3.5 بيكوغرام فقط.

تذكر أنه ليس كل DNA الخاص بأكواد الكائن الحي للبروتينات ، يرتبط جزء كبير من هذا بالعناصر التنظيمية وأنواع مختلفة من الحمض النووي الريبي.

الأشكال الهيكلية للحمض النووي

يُعرف نموذج واتسون وكريك ، المستخلص من أنماط حيود الأشعة السينية ، باسم الحلزون B-DNA وهو النموذج "التقليدي" والأكثر شهرة. ومع ذلك ، هناك نوعان آخران مختلفان ، يُدعى DNA-A و DNA-Z.

DNA-A

البديل "A" يدور إلى اليمين ، تمامًا مثل DNA-B ، لكنه أقصر وأوسع. يظهر هذا النموذج عند انخفاض الرطوبة النسبية.

يتم تدوير DNA-A كل 11 زوجًا أساسيًا ، الأخدود الرئيسي أضيق وأعمق من B-DNA. فيما يتعلق بالأخدود الصغير ، هذا أكثر سطحية وواسعة.

Z-DNA

البديل الثالث هو Z-DNA. هذا هو أضيق شكل ، التي شكلتها مجموعة من الهكسانوكليوتيدات نظمت في ازدواجية السلاسل المعاكسة. واحدة من السمات الأكثر لفتا للنظر في هذا النموذج هو أنه يتحول إلى اليسار ، في حين أن النموذجين الآخرين يفعلون ذلك على اليمين.

يظهر Z-DNA عندما يكون هناك تسلسلات قصيرة من البيريميدات والبيورينات البديلة. الأخدود الأكبر مسطح والأصغر أضيق وأعمق ، مقارنةً بـ B-DNA.

رغم أن جزيء الحمض النووي في ظل الظروف الفسيولوجية يكون في الغالب في شكله B ، فإن وجود الخيارين الموصوفين يكشف مرونة وديناميكية المادة الوراثية.

وظائف

يحتوي جزيء الحمض النووي على جميع المعلومات والتعليمات اللازمة لبناء كائن حي. المجموعة الكاملة للمعلومات الوراثية في الكائنات تسمى الجينوم .

يتم تشفير الرسالة بواسطة "الأبجدية البيولوجية": القواعد الأربعة المذكورة سابقًا ، A ، T ، G و C.

يمكن أن تؤدي الرسالة إلى تكوين أنواع مختلفة من البروتينات أو الترميز لبعض العناصر التنظيمية. يتم شرح العملية التي يمكن من خلالها لهذه القواعد تقديم رسالة ، أدناه:

النسخ المتماثل والنسخ والترجمة

الرسالة المشفرة في الأحرف الأربعة A و T و G و C تعطي نتيجة لذلك النمط الظاهري (وليس كل رمز تسلسل الحمض النووي للبروتينات). لتحقيق ذلك ، يجب على الحمض النووي تكرار نفسه في كل عملية انقسام الخلايا.

إن تكاثر الحمض النووي هو شبه متحفظ: تعمل حبلا كقالب لتشكيل جزيء الابنة الجديد. تساعد الإنزيمات المختلفة على تحفيز التكرار ، بما في ذلك الحمض النووي الريمي ، وهليز الحمض الريبي النووي ، وراثي الحمض النووي ، وتوبويزوميراز.

بعد ذلك ، يجب إرسال الرسالة - المكتوبة بلغة تسلسل أساسية - إلى جزيء وسيط: الحمض النووي الريبي (الحمض النووي الريبي). وتسمى هذه العملية النسخ.

من أجل حدوث النسخ ، يجب أن تشارك إنزيمات مختلفة ، بما في ذلك بوليميريز RNA.

هذا الإنزيم مسؤول عن نسخ رسالة الحمض النووي وتحويلها إلى جزيء الرنا المرسال. وبعبارة أخرى ، فإن الغرض من النسخ هو الحصول على رسول.

أخيرًا ، تُترجم الرسالة إلى جزيئات المرسال الرنا ، وذلك بفضل الريبوسومات.

هذه الهياكل تأخذ رسول الحمض النووي الريبي وجنبا إلى جنب مع آلية الترجمة تشكل البروتين المحدد.

الشفرة الوراثية

تتم قراءة الرسالة في "ثلاثة توائم" أو مجموعات من ثلاثة أحرف تحدد للحمض الأميني - الكتل الهيكلية للبروتينات. من الممكن فك تشفير رسالة الثلاثة توائم لأن الشفرة الوراثية قد تم كشف النقاب عنها تمامًا.

تبدأ الترجمة دائمًا مع ميثيونين الأحماض الأمينية ، والذي يتم ترميزه بواسطة البداية الثلاثية: AUG. يمثل "U" قاعدة uracil وهو سمة من الحمض النووي الريبي ويحل محل الثيمين.

على سبيل المثال ، إذا كان messenger RNA يحتوي على التسلسل التالي: AUG CCU CUU UUU UUA ، يتم ترجمته إلى الأحماض الأمينية التالية: الميثيونين ، البرولين ، الليوسين ، الفينيل ألانين ، والفينيل ألانين. لاحظ أنه من الممكن أن يكون هناك ثلاثة توائم - في هذه الحالة UUU و UUA - رمز لنفس الحمض الأميني: فينيل ألانين.

بالنسبة لهذه الخاصية ، يقال أن الشفرة الوراثية تتحلل ، حيث يتم ترميز الحمض الأميني بأكثر من تسلسل من ثلاثة توائم ، باستثناء ميثيونين الأحماض الأمينية الذي يحدد بداية الترجمة.

تم إيقاف العملية بإنهاء ثلاثة توائم أو إيقاف محدد: UAA و UAG و UGA. وهي معروفة تحت أسماء المغرة والعنبر والأوبال على التوالي. عندما يكتشف الريبوسوم لهم ، لم يعد بإمكانهم إضافة المزيد من الأحماض الأمينية إلى السلسلة.

الخواص الكيميائية والفيزيائية

الأحماض النووية حمضية بطبيعتها وقابلة للذوبان في الماء (ماء). يمكن أن يحدث تكوين روابط الهيدروجين بين مجموعات الفوسفات ومجموعات الهيدروكسيل من بنتوسات بالماء. يتم شحنه سلبيا في درجة الحموضة الفسيولوجية.

محاليل الحمض النووي عالية اللزوجة ، نظرًا لقدرة المقاومة على تشوه اللولب المزدوج ، وهو صلب جدًا. تتناقص اللزوجة إذا كان الحمض النووي منفردًا.

هم جزيئات مستقرة للغاية. منطقيا ، يجب أن تكون هذه الميزة لا غنى عنها في الهياكل التي تحمل المعلومات الجينية. بالمقارنة مع الحمض النووي الريبي ، الحمض النووي أكثر استقرارًا لأنه يفتقر إلى مجموعة الهيدروكسيل.

يمكن تغيير طبيعة الحمض النووي بواسطة الحرارة ، أي يتم فصل الخيوط عندما يتعرض الجزيء لدرجات حرارة عالية.

تعتمد كمية الحرارة التي يجب تطبيقها على نسبة G-C للجزيء ، لأن هذه القواعد مرتبطة بثلاثة روابط هيدروجينية ، مما يزيد من مقاومة الفصل.

أما بالنسبة لامتصاص الضوء ، فيبلغ ذروته عند 260 نانومتر ، مما يزيد إذا كان الحمض النووي ذا حبلا وحيدًا ، حيث إنه يكشف حلقات النوكليوتيدات وهي المسؤولة عن الامتصاص.

تطور

وفقا لازكانو وآخرون. 1988 ينشأ الحمض النووي في مراحل الانتقال من الحمض النووي الريبي ، كونه أحد أهم الأحداث في تاريخ الحياة.

يقترح المؤلفون ثلاث مراحل: الفترة الأولى التي توجد فيها جزيئات مماثلة للأحماض النووية ، وفي وقت لاحق تم تشكيل الجينومات من الحمض النووي الريبي ، وكخطوة أخيرة ظهرت جينومات النطاق المزدوج للحمض النووي.

بعض الأدلة تدعم نظرية العالم الأساسي القائم على الحمض النووي الريبي. أولاً ، يمكن أن يحدث تخليق البروتين في غياب الحمض النووي ، ولكن ليس عندما ينقص الحمض النووي الريبي. بالإضافة إلى ذلك ، تم اكتشاف جزيئات الحمض النووي الريبي مع الخصائص الحفزية.

أما بالنسبة لتخليق الديوكسي ريبونوكليوتيد (الموجود في الدنا) فيأتي دائمًا من تخفيض النوكليوتيدات (الموجود في الرنا).

يجب أن يتطلب الابتكار التطوري لجزيء الحمض النووي وجود إنزيمات توليف سلائف الحمض النووي والتي تشارك في إعادة نقل الحمض النووي الريبي.

من خلال دراسة الإنزيمات الحالية ، يمكن أن نستنتج أن هذه البروتينات قد تطورت عدة مرات وأن الانتقال من الحمض النووي الريبي إلى الحمض النووي أكثر تعقيدًا مما كان يعتقد سابقًا ، بما في ذلك عمليات نقل الجينات وفقدانها والاستبدال غير التعويضي.

تسلسل الحمض النووي

ينطوي تسلسل الحمض النووي على توضيح تسلسل حبلا الحمض النووي من حيث القواعد الأربع التي تتكون منها.

معرفة هذا التسلسل له أهمية كبيرة في العلوم البيولوجية. يمكن استخدامه للتمييز بين نوعين متشابهين للغاية ، للكشف عن الأمراض أو الأمراض أو الطفيليات وحتى امتلاك الطب الشرعي.

تم تطوير تسلسل Sanger في القرن العشرين وهو الأسلوب التقليدي لتوضيح التسلسل. على الرغم من عمره ، فهي طريقة صالحة تستخدم على نطاق واسع من قبل الباحثين.

طريقة سانجر

تستخدم هذه الطريقة إنزيم DNA DNA polymerase ، وهو إنزيم موثوق به للغاية ينسخ الحمض النووي في الخلايا ، ويقوم بتوليف سلسلة DNA جديدة باستخدام مبدأ توجيهي آخر موجود مسبقًا. الإنزيم يتطلب التمهيدي لبدء التوليف. التمهيدي هو جزيء صغير من الحمض النووي مكملا للجزيء الذي يجب تسلسله.

في التفاعل ، تضاف النيوكليوتيدات التي سيتم دمجها في خيط DNA الجديد بواسطة الإنزيم.

بالإضافة إلى النيوكليوتيدات "التقليدية" ، تشتمل الطريقة على سلسلة من ديوكسين النيوكليوتيدات لكل من القواعد. وهي تختلف عن النيوكليوتيدات القياسية في اثنين من الخصائص: فهي هيكلية لا تسمح للبوليميريز الحمض النووي بإضافة المزيد من النيوكليوتيدات إلى سلسلة الابنة ولديها علامة فلوري مختلفة لكل قاعدة.

والنتيجة هي مجموعة متنوعة من جزيئات الحمض النووي بطول مختلف ، حيث تم دمج ديوكسين النيوكليوتيدات بشكل عشوائي وتوقف عملية النسخ المتماثل في مراحل مختلفة.

يمكن فصل هذه المجموعة المتنوعة من الجزيئات وفقًا لطولها وقراءة هوية النيوكليوتيدات عن طريق انبعاث الضوء للملصق الفلوريسنت.