خصائص الأحماض النووية

تشتمل الأحماض النووية المهمة في الطبيعة على الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين والحمض النووي الريبي أو الحمض النووي الريبي. يطلق عليهم اسم الأحماض لأنها مانحة للبروتون (أي ذرة الهيدروجين) ، وبالتالي فهي تحمل شحنة سالبة.

كيميائيًا ، DNA و RNA عبارة عن بوليمرات ، مما يعني أنها تتكون من وحدات متكررة ، غالبًا عدد كبير جدًا منها. تسمى هذه الوحدات النيوكليوتيدات. تشتمل جميع النيوكليوتيدات بدورها على ثلاثة أجزاء كيميائية مميزة: سكر بنتوز ومجموعة فوسفات وقاعدة نيتروجينية.

يختلف الحمض النووي عن الحمض النووي الريبي في ثلاث طرق أساسية. أحدهما أن السكر الذي يشكل "العمود الفقري" الهيكلي لجزيء الحمض النووي هو ديوكسيريبوز ، بينما في الحمض النووي الريبي هو ريبوز. إذا كنت على دراية بالتسميات الكيميائية ، فستدرك أن هذا فرق بسيط في المخطط الهيكلي العام ؛ يحتوي الريبوز على أربع مجموعات هيدروكسيل (-OH) ، بينما يحتوي الديوكسيريبوز على ثلاث مجموعات.

الاختلاف الثاني هو أنه في حين أن إحدى القواعد النيتروجينية الأربعة الموجودة في الحمض النووي هي الثايمين ، فإن القاعدة المقابلة في الحمض النووي الريبي هي اليوراسيل. القواعد النيتروجينية للأحماض النووية هي التي تملي الخصائص النهائية لها جزيئات ، لأن أجزاء الفوسفات والسكر لا تختلف داخل أو بين جزيئات نفس النوعيه.

أخيرًا ، الحمض النووي مزدوج الشريطة ، مما يعني أنه يتكون من سلسلتين طويلتين من النيوكليوتيدات مرتبطة كيميائيًا بقاعدتين نيتروجينية. يتم جرح الحمض النووي في شكل "حلزون مزدوج" ، مثل سلم مرن ملتوي في اتجاهين متعاكسين عند كلا الطرفين.

يتكون Deoxyribose من حلقة من خمس ذرات وأربعة ذرات وأكسجين ، على شكل خماسي أو ربما لوحة منزلية في لعبة البيسبول. نظرًا لأن الكربون يشكل أربع روابط والأكسجين اثنان ، فإن هذا يترك ثمانية مواقع ارتباط خالية على ذرات الكربون الأربع ، اثنتان لكل كربون ، وواحدة فوق الحلقة وواحدة أسفل الحلقة. ثلاثة من هذه البقع تحتلها مجموعات الهيدروكسيل (-OH) ، وخمسة تطالب بها ذرات الهيدروجين.

قد يرتبط جزيء السكر بإحدى القواعد النيتروجينية الأربعة: الأدينين والسيتوزين والجوانين والثيمين. Adenine (A) و Guanine (G) عبارة عن بورينات ، بينما السيتوزين (C) والثايمين (T) عبارة عن بيريميدين. البيورينات هي جزيئات أكبر من البيريميدينات. نظرًا لأن خيطي أي جزيء DNA كامل مرتبطان في الوسط بقواعدهما النيتروجينية ، فإن هذه الروابط يجب أن يتكون بين بيورين واحد وبيريميدين واحد للحفاظ على الحجم الكلي للقاعدتين عبر الجزيء تقريبًا ثابت. (من المفيد الإشارة إلى أي رسم تخطيطي للأحماض النووية عند القراءة ، مثل تلك الموجودة في المراجع.) كما يحدث ، ترتبط A حصريًا بـ T في DNA ، بينما ترتبط C حصريًا بـ G.

يسمى Deoxyribose المرتبط بقاعدة نيتروجينية a نوكليوزيد. عندما تتم إضافة مجموعة فوسفات إلى deoxyribose عند بقعتين من الكربون بعيدًا عن مكان توصيل القاعدة ، يتم تكوين نيوكليوتيد كامل. خصائص الشحنات الكهروكيميائية ذات الصلة على الذرات المختلفة في النيوكليوتيدات هي مسؤول عن الحمض النووي المزدوج الذي تقطعت به السبل بشكل طبيعي لتشكيل شكل حلزوني ، وخيطي الحمض النووي في الجزيء وتسمى خيوط تكميلية.

سكر البنتوز في الحمض النووي الريبي هو ريبوز وليس ديوكسيريبوز. ريبوز مطابق لـ deoxyribose فيما عدا أن بنية الحلقة مرتبطة بأربع مجموعات هيدروكسيل (-OH) وأربع ذرات هيدروجين بدلاً من ثلاث وخمس على التوالي. يرتبط جزء الريبوز من النيوكليوتيدات بمجموعة فوسفات وقاعدة نيتروجينية ، كما هو الحال مع الحمض النووي ، مع تناوب الفوسفات و تشكل السكريات الحمض النووي الريبي "العمود الفقري". القواعد ، كما هو مذكور أعلاه ، تشمل A و C و G ، لكن بيريميدين الثاني في RNA هو uracil (U) بدلاً من ذلك من T.

في حين أن الحمض النووي لا يهتم إلا بتخزين المعلومات فقط (الجين هو مجرد خيط من الحمض النووي يرمز لبروتين واحد) ، فإن أنواعًا مختلفة من الحمض النووي الريبي تؤدي وظائف مختلفة. يتكون Messenger RNA ، أو mRNA ، من الحمض النووي عندما ينقسم الحمض النووي المزدوج الشريطة في العادة إلى شريطين فرديين لغرض النسخ. يشق mRNA الناتج طريقه في النهاية نحو أجزاء الخلايا التي يحدث فيها تصنيع البروتين ، حاملاً التعليمات الخاصة بهذه العملية التي يقدمها الحمض النووي. النوع الثاني من الحمض النووي الريبي ، وهو الحمض النووي الريبي المنقول (الحمض النووي الريبي) ، يشارك في تصنيع البروتينات. يحدث هذا على عضيات الخلية تسمى الريبوسومات ، وتتكون الريبوسومات نفسها بشكل أساسي من نوع ثالث من الحمض النووي الريبي يسمى ، على نحو ملائم ، الحمض النووي الريبي (الرنا الريباسي).

القواعد النيتروجينية الخمس - الأدينين (A) والسيتوزين (C) والجوانين (G) والثيمين (T) في الحمض النووي وأول ثلاث بالإضافة إلى اليوراسيل (U) في RNA - هي أجزاء من الأحماض النووية المسؤولة في النهاية عن تنوع المنتجات الجينية عبر الكائنات الحية أشياء. تعتبر أجزاء السكر والفوسفات ضرورية لأنها توفر الهيكل والسقالات ، ولكن القواعد هي المكان الذي يتم فيه إنشاء الرموز. إذا كنت تعتقد أن جهاز الكمبيوتر المحمول الخاص بك هو حمض نووي أو على الأقل سلسلة من النيكلوتيدات ، فإن الأجهزة (على سبيل المثال ، محركات الأقراص ، والشاشة شاشة ، معالج دقيق) مشابه للسكريات والفوسفات ، في حين أن البرامج والتطبيقات التي تقوم بتشغيلها تشبه النيتروجين الأساسيات ، لأن المجموعة الفريدة من البرامج التي قمت بتحميلها على نظامك بشكل فعال تجعل جهاز الكمبيوتر الخاص بك فريدًا من نوعه "كائن حي".

كما تم وصفه سابقًا ، يتم تصنيف القواعد النيتروجينية إما على أنها بورينات (A و G) أو بيريميدين (C و T و U). دائمًا ما يقترن A في خيط DNA مع T ، و C دائمًا يتزاوج مع G. الأهم من ذلك ، عند استخدام خيط DNA كقالب لتخليق الحمض النووي الريبي (النسخ) ، في كل نقطة على طول جزيء الحمض النووي الريبي المتنامي ، نيوكليوتيد الحمض النووي الريبي الذي تم إنشاؤه من نوكليوتيد الحمض النووي "الأصل" يشتمل على القاعدة التي ترتبط بها القاعدة "الأصل" دائمًا ل. يتم استكشاف هذا في قسم آخر.

تتكون البيورينات من حلقة مكونة من ستة أعضاء من النيتروجين والكربون وحلقة مكونة من خمسة أعضاء من النيتروجين والكربون ، مثل الشكل السداسي والبنتاغون الذي يشترك في جانب. يتضمن تخليق البيورين تعديلًا كيميائيًا لسكر الريبوز ، متبوعًا بإضافة الأمينية (-NH₂) مجموعات. تحتوي البيريميدين أيضًا على حلقة مكونة من ستة أعضاء من النيتروجين والكربون ، مثل البيورينات ، ولكنها تفتقر إلى حلقة البيورينات المكونة من خمسة أعضاء من النيتروجين والكربون. لذلك فإن البيورينات لها كتلة جزيئية أعلى من البيريميدينات.

يحدث تخليق النيوكليوتيدات المحتوية على بيريميدينات وتخليق النيوكليوتيدات المحتوية على البيورينات بترتيب معاكس في خطوة حاسمة واحدة. في البيريميدين ، يتم تجميع الجزء الأساسي أولاً ، ويتم تعديل باقي الجزيء إلى نيوكليوتيد لاحقًا. في البيورينات ، يتم تعديل الجزء الذي يصبح في النهاية أدينين أو جوانين في نهاية تكوين النوكليوتيدات.

النسخ هو إنشاء خيط من mRNA من قالب DNA ، يحمل نفس التعليمات (أي الشفرة الوراثية) لصنع بروتين معين كما يفعل القالب. تحدث العملية في نواة الخلية ، حيث يوجد الحمض النووي. عندما ينفصل جزيء DNA مزدوج الشريطة إلى خيوط مفردة ويستمر النسخ ، فإن mRNA الذي يتم إنشاؤه من واحد شريطة زوج الحمض النووي "غير المضغوط" متطابقة مع الحمض النووي للخيط الآخر من الحمض النووي غير المضغوط ، باستثناء أن mRNA يحتوي على U بدلاً من ت. (مرة أخرى ، من المفيد الإشارة إلى الرسم التخطيطي ؛ انظر المراجع.) بمجرد اكتمال mRNA ، يترك النواة من خلال المسام في الغشاء النووي. بعد أن يترك mRNA النواة ، فإنه يلتصق بالريبوسوم.

ثم تلتصق الإنزيمات بمركب الريبوسوم وتساعد في عملية الترجمة. الترجمة هي تحويل تعليمات mRNA إلى بروتينات. يحدث هذا عندما يتم تكوين الأحماض الأمينية ، الوحدات الفرعية للبروتينات ، من "كودونات" ثلاثية النوكليوتيدات على خيط الرنا المرسال. تتضمن العملية أيضًا الرنا الريباسي (نظرًا لأن الترجمة تحدث على الريبوسومات) و tRNA (الذي يساعد في تجميع الأحماض الأمينية).

تتجمع خيوط الحمض النووي في حلزون مزدوج بسبب التقاء العوامل ذات الصلة. أحد هذه الروابط هو الروابط الهيدروجينية التي تقع بشكل طبيعي عبر أجزاء مختلفة من الجزيء. عندما يتشكل اللولب ، تكون أزواج القواعد النيتروجينية المترابطة عمودية على محور اللولب المزدوج ككل. تتضمن كل دورة كاملة ما مجموعه حوالي 10 أزواج مترابطة بقاعدة أساسية. ما يمكن تسميته "جوانب" الحمض النووي عند وضعه كـ "سلم" يسمى الآن "سلاسل" الحلزون المزدوج. تتكون هذه الأجزاء بالكامل تقريبًا من أجزاء الريبوز والفوسفات من النيوكليوتيدات ، مع وجود القواعد في الداخل. يقال إن الحلزون يحتوي على أخاديد كبيرة وصغيرة تحدد شكله المستقر في نهاية المطاف.

بينما يمكن وصف الكروموسومات على أنها خيوط طويلة جدًا من الحمض النووي ، فإن هذا يعد تبسيطًا إجماليًا. صحيح أن كروموسومًا معينًا يمكن ، من الناحية النظرية ، أن يتم فكه للكشف عن جزيء DNA واحد غير منقطع ، ولكن يفشل هذا في الإشارة إلى الالتفاف والتخزين والتكتل المعقد الذي يقوم به الحمض النووي في طريقه إلى تكوين a كروموسوم. يتميز أحد الكروموسومات بملايين أزواج قواعد الحمض النووي ، وإذا تم شد كل الحمض النووي دون كسر اللولب ، فإن طوله سيمتد من بضعة ملليمترات إلى أكثر من سنتيمتر. في الواقع ، الحمض النووي أكثر تكثيفًا. تتكون البروتينات التي تسمى الهستونات من أربعة أزواج من بروتينات الوحدة الفرعية (ثمانية وحدات فرعية في المجموع). يعمل هذا الأوكتامر بمثابة بكرة من أنواع الحلزون المزدوج للحمض النووي للالتفاف حول نفسه مرتين ، مثل الخيط. يسمى هذا الهيكل ، الثماني بالإضافة إلى الحمض النووي الملفوف حوله ، بالجسيم النووي. عندما يتم فك الكروموسوم جزئيًا في حبلا يسمى الكروماتيد ، تظهر هذه النيوكليوسومات في الفحص المجهري لتكون خرزات على سلسلة. ولكن فوق مستوى النيوكليوسومات ، يحدث ضغط إضافي للمادة الجينية ، على الرغم من أن الآلية الدقيقة لا تزال بعيدة المنال.

يتم النظر في الحمض النووي والحمض النووي الريبي والبروتينات البوليمرات الحيوية لأنها عبارة عن تسلسلات متكررة من المعلومات والأحماض الأمينية المرتبطة بالكائنات الحية ("الحيوية" تعني "الحياة"). يدرك علماء الأحياء الجزيئية اليوم أن الدنا والحمض النووي الريبي بشكل ما يسبق ظهور الحياة الأرض ، ولكن اعتبارًا من عام 2018 ، لم يكتشف أحد المسار من البوليمرات الحيوية المبكرة إلى الحياة البسيطة أشياء. افترض البعض أن الحمض النووي الريبي في شكل ما كان المصدر الأصلي لكل هذه الأشياء ، بما في ذلك الحمض النووي. هذه هي "فرضية عالم الحمض النووي الريبي". ومع ذلك ، فإن هذا يمثل نوعًا من سيناريو الدجاجة والبيضة لعلماء الأحياء ، لأن جزيئات الحمض النووي الريبي الكبيرة بما فيه الكفاية على ما يبدو لا يمكن أن تظهر بأي وسيلة أخرى النسخ. على أي حال ، يقوم العلماء حاليًا ، بحماس متزايد ، بدراسة الحمض النووي الريبي كهدف لأول جزيء ذاتي التكاثر.

يتم استخدام المواد الكيميائية التي تحاكي مكونات الأحماض النووية كأدوية اليوم ، مع المزيد من التطورات الجارية في هذا المجال. على سبيل المثال ، تم استخدام شكل معدل قليلاً من اليوراسيل ، 5-فلورويوراسيل (5-FU) ، لعقود من الزمن لعلاج سرطان القولون. يقوم بذلك عن طريق محاكاة قاعدة نيتروجينية حقيقية عن كثب بحيث يتم إدخالها في الحمض النووي المصنوع حديثًا. هذا يؤدي في النهاية إلى انهيار تخليق البروتين.

تم استخدام مقلدات النيوكليوسيدات (والتي قد تتذكرها ، هي سكر الريبوز بالإضافة إلى القاعدة النيتروجينية) في العلاجات المضادة للبكتيريا والفيروسات. في بعض الأحيان ، يكون الجزء الأساسي من النيوكليوسيد هو الذي يخضع للتعديل ، وفي أوقات أخرى يستهدف الدواء جزء السكر.