الأحماض النووية: التركيب والوظيفة والأنواع والأمثلة

احماض نووية تمثل إحدى الفئات الأربع الرئيسية لـ الجزيئات الحيوية، وهي المواد التي تتكون منها الخلايا. والبعض الآخر عبارة عن بروتينات وكربوهيدرات ودهون (أو دهون).

الأحماض النووية والتي تشمل DNA (حمض الديوكسي ريبونوكلييك) و الحمض النووي الريبي (حمض النووي الريبي)، تختلف عن الجزيئات الحيوية الثلاثة الأخرى من حيث أنه لا يمكن استقلابها لتزويد الجسم الأصلي بالطاقة.

(لهذا السبب لا ترى "حمض نووي" على ملصقات معلومات التغذية).

وظيفة DNA و RNA هي تخزين المعلومات الجينية. يمكن العثور على نسخة كاملة من الحمض النووي الخاص بك في نواة كل خلية في جسمك تقريبًا ، مما يجعل هذا التجميع للحمض النووي - يسمى الكروموسومات في هذا السياق - مثل القرص الصلب لجهاز كمبيوتر محمول.

في هذا المخطط ، يسمى طول RNA من النوع رسول RNA يحتوي على التعليمات المشفرة لمنتج بروتيني واحد فقط (أي أنه يحتوي على جين واحد) وبالتالي فهو أشبه بـ "محرك أقراص مصغر" يحتوي على ملف واحد مهم.

يرتبط DNA و RNA ارتباطًا وثيقًا. الاستبدال الفردي لذرة الهيدروجين (–H) في DNA لمجموعة الهيدروكسيل (–OH) المرتبطة بـ تمثل ذرة الكربون المقابلة في الحمض النووي الريبي الاختلاف الكيميائي والبنيوي بأكمله بين الاثنين احماض نووية.

كما سترون ، كما يحدث غالبًا في الكيمياء ، فإن ما يبدو أنه اختلاف بسيط على المستوى الذري له عواقب عملية واضحة وعميقة.

تتكون الأحماض النووية من النيوكليوتيدات ، وهي مواد تتكون في حد ذاتها من ثلاث مجموعات كيميائية متميزة: أ سكر البنتوز، واحد إلى ثلاثة مجموعات الفوسفات و أ قاعدة نيتروجينية.

سكر البنتوز في الحمض النووي الريبي هو الريبوز ، بينما السكر الموجود في الحمض النووي هو الديوكسيريبوز. أيضًا ، في الأحماض النووية ، تحتوي النيوكليوتيدات على مجموعة فوسفات واحدة فقط. أحد الأمثلة على النيوكليوتيدات المشهورة التي تحتوي على مجموعات فوسفات متعددة هو ATP، أو أدينوسين ثلاثي الفوسفات. ADP (ثنائي فوسفات الأدينوزين) يشارك في العديد من العمليات نفسها التي يقوم بها ATP.

يمكن أن تكون جزيئات الحمض النووي المفردة طويل بشكل غير عادي ويمكن أن يمتد إلى طول كروموسوم كامل. جزيئات الحمض النووي الريبي محدودة الحجم في الحجم أكثر من جزيئات الحمض النووي ولكنها لا تزال مؤهلة كجزيئات كبيرة.

ريبوز (سكر الحمض النووي الريبي) له حلقة من خمس ذرات تحتوي على أربعة من أصل خمسة ذرات في السكر. ثلاثة من المجموعات الأخرى مشغولة بمجموعات الهيدروكسيل (–OH) ، واحدة بواسطة ذرة الهيدروجين والأخرى بواسطة مجموعة هيدروكسي ميثيل (–CH2OH).

الاختلاف الوحيد في ديوكسيريبوز (سكر الحمض النووي) هو أن إحدى مجموعات الهيدروكسيل الثلاث (المجموعة الموجودة في موضع الكربون 2) قد اختفت واستُبدلت بذرة هيدروجين.

أيضًا ، بينما يحتوي كل من DNA و RNA على نيوكليوتيدات مع واحدة من أربع قواعد نيتروجينية محتملة متضمنة ، فإن هذه تختلف قليلاً بين الحمضين النوويين. يتميز الحمض النووي بالأدينين (A) والسيتوزين (C) والجوانين (G) والثيمين. بينما يحتوي RNA على A و C و G لكن اليوراسيل (يو) بدلا من الثايمين.

ترتبط معظم الاختلافات الوظيفية بين DNA و RNA بأدوارهما المختلفة بشكل ملحوظ في الخلايا. الحمض النووي هو المكان الذي يتم فيه تخزين الشفرة الجينية للحياة - ليس فقط التكاثر ولكن أنشطة الحياة اليومية.

RNA ، أو على الأقل mRNA ، مسؤول عن جمع نفس المعلومات وإحضارها إلى الريبوسومات خارج النواة حيث يتم بناء البروتينات التي تسمح بتنفيذ عمليات التمثيل الغذائي المذكورة أعلاه أنشطة.

التسلسل الأساسي للحمض النووي هو المكان الذي يتم فيه نقل رسائله المحددة ، والنيتروجين يمكن القول بالتالي أن القواعد هي المسؤولة في النهاية عن الاختلافات في الحيوانات من نفس النوع - هذا هو، مظاهر مختلفة لنفس الصفة (على سبيل المثال ، لون العين ونمط شعر الجسم).

اثنان من القواعد في الأحماض النووية (A و G) هي البيورينات ، في حين أن اثنين (C و T في الحمض النووي ؛ C و U في RNA) هي بيريميدين. تحتوي جزيئات البيورين على حلقتين مدمجتين ، بينما تحتوي البيريميدينات على حلقة واحدة فقط وتكون أصغر بشكل عام. كما ستتعلم قريبًا ، فإن جزيء الحمض النووي هو المزدوج تقطعت بهم السبل بسبب الترابط بين النيوكليوتيدات في الخيوط المجاورة.

لا يمكن لقاعدة البيورين أن ترتبط إلا بقاعدة بيريميدين ، لأن اثنين من البيورينات سوف تشغل مساحة كبيرة بين الخيوط واثنين من البيريميدين قليل جدًا ، مع تركيبة البيورين-بيريميدين تكون صحيحة تمامًا بحجم.

لكن الأمور في الواقع يتم التحكم فيها بإحكام أكثر من هذا: في الأحماض النووية ، أالسندات فقط لتي (أويو في RNA) ، بينما سندات C فقط إلى G.

الوصف الكامل لجزيء الحمض النووي على أنه أ حلزون مزدوج تقطعت بهم السبل في عام 1953 من قبل جيمس واتسون وفرانسيس كريك حصل الثنائي في النهاية على جائزة نوبل ، على الرغم من عمل حيود الأشعة السينية لـ لعبت روزاليند فرانكلين في السنوات التي أدت إلى هذا الإنجاز دورًا أساسيًا في نجاح الثنائي وغالبًا ما يتم التقليل من شأنها كتب التاريخ.

في الطبيعة، الحمض النووي موجود على شكل حلزون لأن هذا هو الشكل الأكثر ملاءمة من الناحية النشطة لمجموعة معينة من الجزيئات التي يحتوي عليها.

تختبر السلاسل الجانبية والقواعد والأجزاء الأخرى من جزيء الحمض النووي المزيج الصحيح من عوامل الجذب الكهروكيميائية والكهروكيميائية التنافر بحيث يكون الجزيء أكثر "راحة" في شكل حلزوني ، متوازنة قليلاً عن بعضهما البعض ، مثل النمط الحلزوني المتشابك سلالم.

تتكون خيوط الحمض النووي من مجموعات الفوسفات المتناوبة وبقايا السكر ، مع القواعد النيتروجينية المرتبطة بجزء مختلف من جزء السكر. يمتد خيط DNA أو RNA بفضل الروابط الهيدروجينية المتكونة بين مجموعة الفوسفات لنيوكليوتيد واحد وبقايا السكر في المجموعة التالية.

على وجه التحديد ، يتم إرفاق الفوسفات الموجود في الكربون رقم 5 (غالبًا ما يتم كتابته 5 ') للنيوكليوتيدات الواردة بدلاً من مجموعة الهيدروكسيل على الكربون رقم 3 (أو 3 ') من عديد النوكليوتيد المتنامي (النواة الصغيرة حامض). هذا هو المعروف باسم الارتباط الفوسفوديستر.

وفي الوقت نفسه ، تصطف جميع النيوكليوتيدات ذات القواعد A مع النيوكليوتيدات مع قواعد T في الحمض النووي والنيوكليوتيدات مع قواعد U في RNA ؛ أزواج C بشكل فريد مع G في كليهما.

يقال إن خيطي جزيء الحمض النووي مكمل لبعضهم البعض ، لأنه يمكن تحديد التسلسل الأساسي لأحدهما باستخدام التسلسل الأساسي للآخر بفضل مخطط الاقتران البسيط الأساسي الذي تلاحظه جزيئات الحمض النووي.

الحمض النووي الريبي ، كما لوحظ ، يشبه بشكل غير عادي الحمض النووي على المستوى الكيميائي ، مع وجود قاعدة نيتروجينية واحدة فقط من بين أربعة ذرة أكسجين واحدة "إضافية" في سكر الحمض النووي الريبي. من الواضح أن هذه الاختلافات التي تبدو تافهة كافية لضمان سلوك مختلف تمامًا بين الجزيئات الحيوية.

والجدير بالذكر أن الحمض النووي الريبي هو واحد الذين تقطعت بهم السبل. أي أنك لن ترى مصطلح "الخيط التكميلي" المستخدم في سياق هذا الحمض النووي. ومع ذلك ، يمكن أن تتفاعل أجزاء مختلفة من نفس خيط RNA مع بعضها البعض ، مما يعني أن شكل الحمض النووي الريبي يختلف في الواقع أكثر من شكل الحمض النووي (الحلزون المزدوج دائمًا). وفقًا لذلك ، هناك العديد من الأنواع المختلفة من الحمض النووي الريبي.

• مرنا، أو الرنا المرسال ، يستخدم الاقتران الأساسي التكميلي لنقل الرسالة التي يعطيها الحمض النووي أثناء النسخ إلى الريبوسومات ، حيث تُترجم هذه الرسالة إلى تخليق البروتين. يتم وصف النسخ بالتفصيل أدناه.
• الرنا الريباسي، أو RNA الريبوزومي ، يشكل جزءًا كبيرًا من كتلة الريبوسومات ، وهي الهياكل داخل الخلايا المسؤولة عن تخليق البروتين. يتكون الجزء المتبقي من كتلة الريبوسومات من بروتينات.
• الحمض الريبي النووي النقال، أو نقل الحمض النووي الريبي ، يلعب دورًا مهمًا في الترجمة عن طريق نقل الأحماض الأمينية الموجهة لسلسلة البولي ببتيد النامية إلى النقطة التي يتم فيها تجميع البروتينات. هناك 20 نوعًا من الأحماض الأمينية في الطبيعة ، ولكل منها الحمض الريبي النووي النقال الخاص بها.
  

تخيل أنك قدمت مع خيط من الحمض النووي بالتسلسل الأساسي AAATCGGCATTA. بناءً على هذه المعلومات وحدها ، يجب أن تكون قادرًا على استنتاج أمرين بسرعة.

الأول ، أن هذا هو DNA ، وليس RNA ، كما يتضح من وجود الثايمين (T). الشيء الثاني الذي يمكنك إخباره هو أن الخيط التكميلي لجزيء الحمض النووي هذا يحتوي على التسلسل الأساسي TTTAGCCGTAAT.

يمكنك أيضًا التأكد من خيط mRNA الذي سينتج عن هذا الخيط من الحمض النووي الذي يخضع لنسخ الحمض النووي الريبي. سيكون لها نفس الشيء تسلسل القواعد مثل حبلا الحمض النووي التكميلي، مع أي حالات من الثايمين (T) يتم استبدالها بـ uracil (U).

هذا لأن تكرار الحمض النووي ونسخ الحمض النووي الريبي يعملان بشكل مشابه في أن الخيط المصنوع من حبلا القالب هو ليست نسخة مكررة من هذا الخيط ، ولكن مكمله أو ما يعادله في RNA.

لكي يقوم جزيء الحمض النووي بعمل نسخة من نفسه ، يجب فصل خيوط اللولب المزدوج بالقرب من النسخ. وذلك لأن كل خصلة يتم نسخها (تكرارها) بشكل منفصل ولأن الإنزيمات والجزيئات الأخرى التي تشارك في تكرار الحمض النووي بحاجة إلى مساحة للتفاعل ، والتي لا يوفرها الحلزون المزدوج. وهكذا ينفصل الخصلان جسديًا ، ويقال إن الحمض النووي هو كذلك مشوه.

كل خصلة منفصلة من الحمض النووي تجعل خيطًا جديدًا مكملًا لنفسه ، ويبقى مرتبطًا به. لذا ، بمعنى ما ، لا يوجد شيء مختلف في كل جزيء مزدوج الشريطة جديد عن أصله. كيميائيا ، لديهم نفس التركيب الجزيئي. لكن أحد الخيوط الموجودة في كل حلزون مزدوج جديد تمامًا بينما بقي الآخر من النسخ المتماثل نفسه.

عندما يحدث تكرار الحمض النووي في وقت واحد على طول الخيوط التكميلية المنفصلة ، يحدث تخليق الخيوط الجديدة في الواقع في اتجاهين متعاكسين. من ناحية ، فإن الخيط الجديد ينمو ببساطة في اتجاه "فك ضغط" الحمض النووي حيث يتم تغيير طبيعته.

على الجانب الآخر ، يتم تصنيع أجزاء صغيرة من الحمض النووي الجديد بعيد من اتجاه فصل حبلا. تسمى هذه الأجزاء بشظايا أوكازاكي ، وتتصل ببعضها بواسطة الإنزيمات بعد وصولها إلى طول معين. هاتان السلاسل الجديدة للحمض النووي هي مضاد لبعضهم البعض.

نسخ الحمض النووي الريبي يشبه تكرار الحمض النووي من حيث أن فصل خيوط الحمض النووي مطلوب حتى يبدأ. يتم تصنيع mRNA على طول قالب DNA عن طريق الإضافة المتسلسلة لنيوكليوتيدات RNA بواسطة إنزيم RNA polymerase.

هذه النسخة الأولية من الحمض النووي الريبي التي تم إنشاؤها من الحمض النووي تخلق ما نسميه قبل مرنا. يحتوي هذا الخيط pre-mRNA على كليهما الإنترونات والإكسونات. الإنترونات والإكسونات عبارة عن أقسام داخل DNA / RNA تعمل أو لا تقوم بتشفير أجزاء من منتج الجين.

الإنترون هي أقسام غير مشفرة (تسمى أيضًا "intأقسام erfering ") بينما exons هي أقسام ترميز (تسمى أيضًا "السابقأقسام مضغوطة ").

قبل أن تترك هذه السلسلة من الرنا المرسال النواة ليتم ترجمتها إلى بروتين ، فإن الإنزيمات الموجودة داخل النواة ، والمعروفة أيضًا باسم القطع ، هي الإنترونات لأنها لا ترمز لأي شيء في هذا الجين المعين. تقوم الإنزيمات بعد ذلك بتوصيل تسلسلات intron المتبقية لتعطيك خيط mRNA النهائي.

عادةً ما يشتمل أحد خيوط الرنا المرسال بالضبط على التسلسل الأساسي الضروري لتجميع بروتين فريد واحد في اتجاه مجرى النهر ترجمة العملية ، مما يعني أن جزيء mRNA يحمل عادةً المعلومات من أجل واحد الجين. الجين هو تسلسل DNA يرمز لمنتج بروتيني معين.

بمجرد اكتمال النسخ ، يتم تصدير حبلا الرنا المرسال من النواة من خلال المسام في الغلاف النووي. (جزيئات الحمض النووي الريبي أكبر من أن تنتشر ببساطة عبر الغشاء النووي ، مثلها مثل الماء والجزيئات الصغيرة الأخرى). ثم "أحواض" مع الريبوسومات في السيتوبلازم أو داخل عضيات معينة ، و تخليق البروتين يبدأ.

لا يمكن استقلاب الأحماض النووية للحصول على الوقود ، ولكن يمكن تكوينها من جزيئات صغيرة جدًا أو تقسيمها من شكلها الكامل إلى أجزاء صغيرة جدًا. يتم تصنيع النيوكليوتيدات من خلال التفاعلات الابتنائية ، غالبًا من النيوكليوسيدات ، وهي نيوكليوتيدات مطروح منها أي مجموعات فوسفات (أي أن النيوكليوسيد هو سكر ريبوز بالإضافة إلى قاعدة نيتروجينية).

يمكن أيضًا تحلل الحمض النووي والحمض النووي الريبي: من النيوكليوتيدات إلى النيوكليوسيدات ، ثم إلى القواعد النيتروجينية وفي النهاية إلى حمض اليوريك.

تفكك الأحماض النووية مهم ل الصحة العامة. على سبيل المثال ، يرتبط عدم القدرة على تكسير البيورينات بالنقرس ، وهو مرض مؤلم يصيب بعض المفاصل بفضل ترسبات بلورات اليورات في تلك المواقع.