أهمية جزيئات الحمض النووي

الحمض النووي هو أحد التركيبات القليلة من الحروف في صميم تخصص علمي والذي يبدو أنه يطلق شرارة مستوى كبير من الفهم حتى في الأشخاص الذين لديهم القليل من التعرض مدى الحياة لعلم الأحياء أو العلوم فيها جنرال لواء. يدرك معظم البالغين الذين يسمعون عبارة "إنه موجود في حمضها النووي" على الفور أن سمة معينة لا يمكن فصلها عن الشخص الموصوف ؛ أن السمة فطرية بطريقة ما ، ولا تختفي أبدًا ويمكن نقلها إلى أطفال ذلك الشخص وما بعده. يبدو أن هذا صحيح حتى في أذهان أولئك الذين ليس لديهم فكرة عما يمثله "الحمض النووي" ، وهو "حمض الديوكسي ريبونوكلييك".

من المفهوم أن البشر مفتونون بمفهوم وراثة السمات من آبائهم ونقل سماتهم الخاصة إلى نسلهم. من الطبيعي فقط أن يفكر الناس في إرثهم البيوكيميائي ، حتى لو كان قليلون يمكنهم تخيله بمثل هذه المصطلحات الرسمية. الاعتراف بأن العوامل الصغيرة غير المرئية داخل كل واحد منا تتحكم في مظهر أطفال الناس وحتى سلوكهم كان حاضرًا بالتأكيد لمئات السنين. ولكن لم يكشف العلم الحديث بتفاصيل مجيدة حتى منتصف القرن العشرين ، ليس فقط عن ماهية الجزيئات المسؤولة عن الوراثة ، ولكن أيضًا كيف تبدو.

حمض الديوكسي ريبونوكلييك هو في الواقع المخطط الجيني الذي تحتفظ به جميع الكائنات الحية في خلاياها ، وهي بصمة مجهرية فريدة لا تجعل كل إنسان فقط فرد حرفي فريد من نوعه (توائم متطابقة مستثناة للأغراض الحالية) ولكنها تكشف عن قدر كبير من المعلومات الحيوية حول كل شخص ، من احتمالية الارتباط بشخص معين آخر بفرص الإصابة بمرض معين في وقت لاحق من الحياة أو نقل مثل هذا المرض إلى المستقبل أجيال. أصبح الحمض النووي ليس فقط النقطة المركزية الطبيعية للبيولوجيا الجزيئية وعلوم الحياة ككل ، بل أصبح أيضًا مكونًا لا يتجزأ من علم الطب الشرعي والهندسة البيولوجية.

يُنسب إلى جيمس واتسون وفرانسيس كريك (والأقل شيوعًا ، روزاليند فرانكلين وموريس ويلكنز) اكتشاف الحمض النووي في عام 1953. هذا التصور ، مع ذلك ، خاطئ. بشكل حاسم ، أثبت هؤلاء الباحثون في الواقع أن الحمض النووي موجود في شكل ثلاثي الأبعاد في شكل أ الحلزون المزدوج ، وهو في الأساس سلم ملتوي في اتجاهات مختلفة عند كلا الطرفين لإنشاء دوامة شكل. لكن هؤلاء العلماء العازمين والمشهورين كانوا يعتمدون "فقط" على العمل المضني لعلماء الأحياء الذين بذلوا جهدًا في البحث عن نفس المعلومات العامة منذ ستينيات القرن التاسع عشر ، كانت التجارب رائدة في حد ذاتها مثل تجارب واطسون وكريك وآخرين في أبحاث ما بعد الحرب العالمية الثانية حقبة.

في عام 1869 ، أي قبل 100 عام من سفر البشر إلى القمر ، سعى عالم كيميائي سويسري يُدعى فريدريش ميشر إلى ذلك استخراج مكونات البروتين من الكريات البيض (خلايا الدم البيضاء) لتحديد تركيبها و وظيفة. ما استخرجه بدلاً من ذلك أطلق عليه اسم "نوكلين" ، وعلى الرغم من أنه يفتقر إلى الأدوات اللازمة لمعرفة ما سيكون عليه علماء الكيمياء الحيوية في المستقبل قادرًا على التعلم ، أدرك بسرعة أن هذا "النوكلين" مرتبط بالبروتينات ولكنه لم يكن في حد ذاته بروتينًا ، وأنه يحتوي على عنصر غير عادي كمية الفوسفور ، وأن هذه المادة كانت مقاومة للتحلل بنفس العوامل الكيميائية والفيزيائية التي تحلل. البروتينات.

مرت أكثر من 50 عامًا قبل أن تتضح الأهمية الحقيقية لعمل ميشر لأول مرة. في العقد الثاني من القرن العشرين ، كان عالم الكيمياء الحيوية الروسي ، فويبوس ليفين ، أول من اقترح أن ما نسميه نيوكليوتيدات اليوم يتكون من جزء سكر وجزء فوسفات وقاعدة جزء؛ أن السكر كان ريبوز. وأن الاختلافات بين النيوكليوتيدات ترجع إلى الاختلافات بين قواعدها. كان نموذجه "متعدد النيوكليوتيد" به بعض العيوب ، ولكن وفقًا لمعايير اليوم ، كان هدفه بشكل ملحوظ.

في عام 1944 ، كان أوزوالد أفيري وزملاؤه في جامعة روكفلر أول باحثين معروفين اقترحوا رسميًا أن الحمض النووي يتكون من وحدات وراثية أو جينات. متابعةً لعملهم بالإضافة إلى عمل ليفين ، توصل العالم النمساوي إروين تشارجاف إلى اكتشافين رئيسيين: الأول ، أن تسلسل النيوكليوتيدات في الحمض النووي يختلف بين أنواع الكائنات الحية ، على عكس ما كان لدى ليفين مقترح؛ والثاني ، أنه في أي كائن حي ، الكمية الإجمالية للقواعد النيتروجينية أدينين (أ) وجوانين (ز) مجتمعة ، بغض النظر عن الأنواع ، كانت دائمًا تقريبًا نفس الكمية الإجمالية للسيتوزين (C) و الثايمين (T). لم يقود هذا Chargaff تمامًا إلى استنتاج أن أزواج A مع أزواج T و C مع G في جميع الحمض النووي ، لكنها ساعدت لاحقًا في دعم الاستنتاج الذي توصل إليه الآخرون.

أخيرًا ، في عام 1953 ، استفاد واطسون وزملاؤه من طرق التحسين السريع لتصور الهياكل الكيميائية ثلاثية الأبعاد ، ووضعوا كل هذه النتائج معًا واستخدمت نماذج من الورق المقوى لإثبات أن اللولب المزدوج يناسب كل ما كان معروفًا عن الحمض النووي بطريقة لا شيء آخر يستطع.

تم تحديد الحمض النووي باعتباره المادة الوراثية في الكائنات الحية قبل فترة طويلة من توضيح هيكلها ، وكذلك غالبًا ما يكون هذا هو الحال في العلوم التجريبية ، كان هذا الاكتشاف الحيوي في الواقع عرضيًا للباحثين الرئيسي غرض.
قبل ظهور العلاج بالمضادات الحيوية في أواخر الثلاثينيات من القرن الماضي ، حصدت الأمراض المعدية أرواح بشرية أكثر بكثير مما أودت به اليوم ، وكشف ألغاز الكائنات الحية المسؤولة كان هدفًا حاسمًا في أبحاث علم الأحياء الدقيقة. في عام 1913 ، بدأ أوزوالد أفيري المذكور أعلاه العمل الذي كشف في النهاية عن عديد السكاريد العالي (السكر) في كبسولات من أنواع بكتيريا المكورات الرئوية ، والتي تم عزلها من الالتهاب الرئوي المرضى. افترض أفيري أن هذه المواد تحفز إنتاج الأجسام المضادة لدى الأشخاص المصابين. في هذه الأثناء ، في إنجلترا ، كان ويليام غريفيث يؤدي عملاً أظهر أن المكونات الميتة لنوع واحد من المسببات المرضية يمكن مزج المكورات الرئوية مع المكونات الحية لمكورات رئوية غير ضارة وإنتاج شكل مسبب للمرض من المكورات الرئوية السابقة. نوع غير ضار وهذا يثبت أن كل ما ينتقل من الموتى إلى البكتريا الحية هو وراثي.

عندما علم أفيري بنتائج جريفيث ، شرع في إجراء تجارب تنقية في محاولة لعزل مادة دقيقة في المكورات الرئوية كانت قابلة للتوريث ، وموجودة في الأحماض النووية ، أو بشكل أكثر تحديدًا ، النيوكليوتيدات. كان الحمض النووي مشتبه به بقوة في أنه يمتلك ما كان يُطلق عليه آنذاك "التحول" المبادئ ، "لذلك اختبر أفيري وآخرون هذه الفرضية من خلال تعريض المادة الوراثية إلى أ مجموعة متنوعة من الوكلاء. تلك المعروفة بأنها مدمرة لسلامة الحمض النووي ولكنها غير مؤذية للبروتينات أو الحمض النووي ، والتي تسمى DNAases ، كانت كذلك كافية بكميات كبيرة لمنع انتقال السمات من جيل بكتيري واحد إلى التالي. وفي الوقت نفسه ، فإن البروتياز ، الذي يفكك البروتينات ، لا يسبب مثل هذا الضرر.

تتمثل رسالة عمل Avery's و Griffith في أنه ، مرة أخرى ، في حين تم الإشادة بحق أشخاص مثل Watson و Crick لمساهماتهم بالنسبة إلى علم الوراثة الجزيئي ، فإن إنشاء بنية الحمض النووي كان في الواقع مساهمة متأخرة إلى حد ما في عملية التعلم عن هذا الجزيء المذهل.

Chargaff ، على الرغم من أنه من الواضح أنه لم يصف بنية الحمض النووي بالكامل ، فقد أظهر ذلك ، في بالإضافة إلى (A + G) = (C + T) ، فإن الخيطين المعروفين بتضمينهما في الحمض النووي كانا دائمًا على نفس المسافة بعيدا، بمعزل، على حد. أدى هذا إلى افتراض أن البيورينات (بما في ذلك A و G) مرتبطون دائمًا بيريميدين (بما في ذلك C و T) في الحمض النووي. كان لهذا معنى ثلاثي الأبعاد ، لأن البيورينات أكبر بكثير من البيريميدينات ، في حين أن جميع البيورينات لها نفس الحجم وجميع البيريميدينات لها نفس الحجم بشكل أساسي. هذا يعني أن اثنين من البيورينات المرتبطة ببعضها البعض سوف تشغل مساحة أكبر بكثير بين خيوط الحمض النووي من اثنين من بيريميدين ، وأيضًا أن أي اقتران بيورين-بيريميدين سوف يستهلك نفس الكمية من الفضاء. يتطلب وضع كل هذه المعلومات أن يكون A ملتزمًا بـ T فقط وأن نفس العلاقة تنطبق على C و G إذا كان هذا النموذج سيثبت نجاحه. ولها.

القواعد (المزيد حول هذه لاحقًا) ترتبط ببعضها البعض على الجزء الداخلي من جزيء الحمض النووي ، مثل الدرجات في السلم. ولكن ماذا عن الخيوط ، أو "الجوانب" نفسها؟ افترضت روزاليند فرانكلين ، التي تعمل مع واتسون وكريك ، أن هذا "العمود الفقري" مصنوع من السكر (على وجه التحديد سكر بنتوز ، أو واحد بهيكل حلقة من خمس ذرات) ومجموعة فوسفات تربط السكريات. بسبب الفكرة الموضحة حديثًا عن الاقتران القاعدي ، أدرك فرانكلين والآخرون أن خيطي الحمض النووي في جزيء واحد كانت "مكملة" ، أو في الواقع صور معكوسة لبعضها البعض على مستوى النيوكليوتيدات. سمح ذلك لهم بالتنبؤ بنصف القطر التقريبي للشكل الملتوي للحمض النووي ضمن درجة صلبة من الدقة ، وأكد تحليل حيود الأشعة السينية البنية الحلزونية. كانت فكرة أن اللولب عبارة عن حلزون مزدوج كانت آخر التفاصيل الرئيسية حول بنية الحمض النووي التي يتم وضعها في مكانها ، في عام 1953.

النيوكليوتيدات هي الوحدات الفرعية المتكررة للحمض النووي ، وهو عكس القول بأن الحمض النووي عبارة عن بوليمر من النيوكليوتيدات. يتكون كل نوكليوتيد من سكر يسمى deoxyribose يحتوي على بنية حلقة خماسية مع أكسجين واحد وأربعة جزيئات كربون. يرتبط هذا السكر بمجموعة فوسفاتية ، وبقعتين على طول الحلقة من هذا الموضع ، فإنه يرتبط أيضًا بقاعدة نيتروجينية. تربط مجموعات الفوسفات السكريات معًا لتشكيل العمود الفقري للحمض النووي ، حيث يلتف شريانهما حول القواعد الثقيلة النيتروجينية المرتبطة في منتصف الحلزون المزدوج. يقوم اللولب بعمل التفاف كامل بزاوية 360 درجة مرة واحدة كل 10 أزواج أساسية.

يسمى السكر المرتبط فقط بقاعدة نيتروجينية أ نوكليوزيد.

يختلف الحمض النووي الريبي (الحمض النووي الريبي) عن الحمض النووي في ثلاث طرق رئيسية: الأولى ، يتم استبدال اليوراسيل بيريميدين بالثيمين. ثانيًا ، سكر البنتوز هو ريبوز وليس ديوكسيريبوز. والثالث ، أن الحمض النووي الريبي دائمًا ما يكون أحادي الجديلة ويأتي بأشكال متعددة ، ومناقشته خارج نطاق هذه المقالة.

يتم "فك ضغط" الحمض النووي في خيوطه التكميلية عندما يحين وقت عمل النسخ. أثناء حدوث ذلك ، يتم تشكيل خيوط الابنة على طول خيوط الوالد الوحيد. يتم تشكيل أحد هذه الخيوط بشكل مستمر عن طريق إضافة نيوكليوتيدات مفردة ، تحت تأثير الإنزيم بوليميريز الحمض النووي. هذا التوليف يتبع ببساطة اتجاه فصل خيوط الحمض النووي الأصل. تتشكل خصلة الابنة الأخرى من عديدات نيوكليوتيدات صغيرة تسمى شظايا أوكازاكي التي تتشكل في الواقع في الاتجاه المعاكس لفك ضغط الخيوط الأم ، ثم يتم ربطها معًا بواسطة الإنزيم ligase DNA.

نظرًا لأن خيوط الابنتين مكملتان لبعضهما البعض أيضًا ، فإن قواعدهما تترابط معًا في النهاية لتكوين جزيء DNA مزدوج الشريطة مطابق للجزيء الأم.

في البكتيريا ، وحيدة الخلية وتسمى بدائيات النوى ، توجد نسخة واحدة من الحمض النووي للبكتيريا (وتسمى أيضًا جينومها) في السيتوبلازم. لا نواة موجودة. في الكائنات حقيقية النواة متعددة الخلايا ، يوجد الحمض النووي في النواة على شكل كروموسومات ، وهي جزيئات DNA ملفوفة للغاية وملفوفة ومكثفة مكانيًا لا يتجاوز طولها أجزاء من المليون من المتر والبروتينات اتصل هيستون. في الفحص المجهري ، تظهر أجزاء الكروموسوم بالتناوب "بكرات" هيستون وبسيطة غالبًا ما يتم تشبيه خيوط الحمض النووي (تسمى الكروماتين في هذا المستوى من التنظيم) بالخرز الموجود على أ خيط. تم العثور على بعض الحمض النووي حقيقية النواة أيضًا في عضيات الخلايا المسماة الميتوكوندريا.