חומצות גרעין: מבנה, פונקציה, סוגים ודוגמאות

חומצות גרעין מייצגים אחת מארבע הקטגוריות העיקריות של ביומולקולות, שהם החומרים המרכיבים תאים. האחרים הם חלבונים, פחמימות ושומנים (או שומנים).

חומצות גרעין, הכוללות DNA (חומצה דאוקסיריבונוקלאית) ו RNA (חומצה ריבונוקלאית), נבדלים משלושת הביומולקולות האחרות בכך שהם לא ניתנים לחילוף חומרים כדי לספק אנרגיה לאורגניזם ההורה.

(לכן אינך רואה "חומצת גרעין" בתוויות מידע על תזונה.)

תפקידם של ה- DNA וה- RNA הוא לאחסן מידע גנטי. ניתן למצוא עותק מלא של ה- DNA שלך בגרעין של כמעט כל תא בגופך, מה שהופך את הצבירה הזו של ה- DNA - הנקראת כרומוזומים בהקשר זה - כמו הכונן הקשיח של מחשב נייד.

בתכנית זו, אורך של RNA מהסוג שנקרא שליח RNA מכיל את ההוראות המקודדות למוצר חלבון אחד בלבד (כלומר, הוא מכיל גן יחיד) ולכן הוא דומה יותר ל"כונן אגודל "המכיל קובץ חשוב יחיד.

DNA ו- RNA קשורים זה לזה מאוד. החלפה יחידה של אטום מימן (–H) ב- DNA בקבוצת הידרוקסיל (–OH) המחוברת ל- אטום הפחמן המתאים ב- RNA מהווה את ההבדל הכימי והמבנה בין השניים חומצות גרעין.

כפי שתראה, עם זאת, כפי שקורה לעתים קרובות בכימיה, למה שנראה כמו הבדל זעיר ברמה האטומית יש השלכות מעשיות ברורות ועמוקות.

חומצות גרעין מורכבות מנוקליאוטידים, שהם חומרים שהם עצמם מורכבים משלוש קבוצות כימיות נפרדות: א סוכר פנטוז, אחד לשלוש קבוצות פוספט ו בסיס חנקני.

סוכר הפנטוז ב- RNA הוא ריבוז, ואילו זה ב- DNA הוא דאוקסיריבוז. כמו כן, בחומצות גרעין, לנוקליאוטידים יש רק קבוצת פוספט אחת. דוגמה אחת לנוקלאוטיד ידוע המתהדר במספר קבוצות פוספט היא ATP, או אדנוזין טריפוספט. ADP (אדנוזין דיפוספט) משתתף ברבים מאותם תהליכים שעושה ATP.

מולקולות בודדות של DNA יכולות להיות ארוך במיוחד ויכולה להאריך לאורך כרומוזום שלם. מולקולות רנ"א מוגבלות הרבה יותר בגודלן ממולקולות דנ"א, אך עדיין מתאימות כמקרומולקולות.

ריבוז (לסוכר ה- RNA) יש טבעת של חמישה אטומים הכוללת ארבעה מתוך חמש הפחמנים בסוכר. שלוש מהאחרות תפוסות על ידי קבוצות הידרוקסיל (–OH), אחת על ידי אטום מימן ואחת על ידי קבוצת הידרוקסימיל (–CH2OH).

ההבדל היחיד ב deoxyribose (הסוכר של ה- DNA) הוא שאחת משלוש קבוצות ההידרוקסיל (זו שנמצאת במצב של 2 פחמן) איננה מוחלפת באטום מימן.

כמו כן, בעוד של- DNA ו- RNA יש נוקליאוטידים הכוללים אחד מארבעה בסיסים חנקניים אפשריים, אלה משתנים מעט בין שתי חומצות הגרעין. DNA כולל אדנין (A), ציטוזין (C), גואנין (G) ותימין. ואילו ל- RNA יש A, C ו- G אך uracil (U) במקום תימין.

רוב ההבדלים הפונקציונליים בין DNA ו- RNA מתייחסים לתפקידים השונים שלהם בתאים. ה- DNA הוא המקום בו מאוחסן הקוד הגנטי לחיים - לא רק רבייה אלא פעילויות בחיי היום יום.

RNA, או לפחות mRNA, אחראי על איסוף אותו מידע והבאתו לריבוזומים מחוץ לגרעין שבו בנו חלבונים המאפשרים לבצע את חילוף החומרים האמור פעילויות.

רצף הבסיס של חומצת גרעין הוא המקום בו מועברים המסרים הספציפיים שלה, והחנקניים ניתן לומר שבסיסים אחראים בסופו של דבר להבדלים בבעלי חיים מאותו המין - זה הוא, ביטויים שונים של אותה תכונה (למשל, צבע עיניים, דפוס שיער גוף).

שניים מהבסיסים בחומצות גרעין (A ו- G) הם purines, בעוד שניים (C ו- T ב- DNA; C ו- U ב- RNA) הם פירימידינים. מולקולות פורין מכילות שתי טבעות התמזגו, ואילו לפירימידין יש רק אחת והן קטנות יותר באופן כללי. כפי שתלמד בקרוב, מולקולת ה- DNA היא סטנדרטים כפולים בגלל מליטה בין נוקלאוטידים בגדילים סמוכים.

בסיס פורין יכול להיקשר רק לבסיס פירימידין, מכיוון ששני פורינים יתפסו יותר מדי מקום בין גדילים לשני פירימידינים מעט מדי, כאשר שילוב של פורין-פירימידין הוא בדיוק הנכון גודל.

אבל הדברים למעשה נשלטים חזק יותר מזה: בחומצות גרעין, אאג"ח רק לט (אוֹU ב- RNA), ואילו C נקשר רק ל- G.

התיאור השלם של מולקולת ה- DNA כ- סליל כפול גדילי בשנת 1953 על ידי ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק זיכו בסופו של דבר את הצמד בפרס נובל, אם כי עבודת עקיפת הרנטגן של רוזלינד פרנקלין בשנים שהובילו להישג זה שימשה בהצלחה של הצמד ולעתים קרובות היא מאופקת ספרי הסטוריה.

בטבע, ה- DNA קיים כסליל מכיוון שזו הצורה החיובית ביותר מבחינה אנרגטית עבור קבוצה מסוימת של מולקולות שהיא מכילה.

השרשראות הצדדיות, הבסיסים וחלקים אחרים של מולקולת ה- DNA חווים את התערובת הנכונה של אטרקציות אלקטרוכימיות ואלקטרוכימיות. דחיות כך שהמולקולה תהיה "הכי נוחה" בצורת שתי ספירלות, מעט מקוזזות זו מזו, כמו בסגנון ספירלה שזור גרם מדרגות.

גדילי DNA מורכבים מקבוצות פוספטים משתנות ושאריות סוכר, כאשר בסיסי החנקן מחוברים לחלק אחר של חלק הסוכר. גדיל DNA או RNA מתארך בזכות קשרי מימן שנוצרים בין קבוצת הפוספט של נוקלאוטיד אחד לבין שאריות הסוכר של הבא.

באופן ספציפי, הפוספט במספר 5 פחמן (כתוב לעתים קרובות 5 ') של הנוקלאוטיד הנכנס מחובר במקום קבוצת ההידרוקסיל על מספר 3 הפחמן (או 3 ') של הפולינוקליאוטיד הגדל (גרעין קטן חוּמצָה). זה ידוע בשם א הצמדה לפוספודיסטר.

בינתיים, כל הנוקלאוטידים עם בסיסי A מסודרים עם נוקלאוטידים עם בסיסי T ב- DNA ונוקליאוטידים עם בסיסים U ב- RNA; C זוגות באופן ייחודי עם G בשניהם.

שני הגדילים של מולקולת DNA אמורים להיות מַשׁלִים אחד לשני, מכיוון שניתן לקבוע את רצף הבסיס של האחד באמצעות רצף הבסיס של השני בזכות התוכנית הפשוטה של ​​זיווג בסיסים, מתבצעות מולקולות של חומצות גרעין.

RNA, כאמור, דומה בצורה יוצאת דופן ל- DNA ברמה כימית, כאשר רק בסיס חנקני אחד מבין ארבעה שונה ואטום חמצן יחיד "נוסף" בסוכר ה- RNA. ברור שההבדלים הטריוויואליים לכאורה מספיקים בכדי להבטיח התנהגות שונה באופן מהותי בין הביומולקולות.

יש לציין כי RNA הוא חד-גדילי. כלומר, לא תראו את המונח "גדיל משלים" המשמש בהקשר של חומצת גרעין זו. חלקים שונים של אותו גדיל RNA, לעומת זאת, יכולים לתקשר זה עם זה, מה שאומר שצורת ה- RNA משתנה למעשה יותר מצורת ה- DNA (תמיד סליל כפול). לפיכך, ישנם סוגים רבים ושונים של RNA.

• mRNA, או שליח RNA, משתמש בזיווג בסיסים משלים כדי להעביר את המסר ש- DNA נותן לו במהלך השעתוק לריבוזומים, שם המסר הזה מתורגם לסינתזת חלבון. תמלול מתואר בהרחבה להלן.
• rRNA, או RNA ריבוזומלי, מהווה חלק ניכר ממסת הריבוזומים, המבנים בתוך התאים האחראים על סינתזת החלבון. יתרת מסת הריבוזומים מורכבת מחלבונים.
• tRNA, או העברת RNA, ממלא תפקיד קריטי בתרגום על ידי העברת חומצות אמינו המיועדות לשרשרת הפוליפפטיד הגדלה למקום בו מורכבים חלבונים. בטבע יש 20 חומצות אמינו, שלכל אחת מהן tRNA משלה.
  

דמיין שמוצג בפניך קווצה של חומצת גרעין עם רצף הבסיס AAATCGGCATTA. על סמך מידע זה בלבד, אתה אמור להיות מסוגל לסכם שני דברים במהירות.

האחת, שמדובר ב- DNA, ולא ב- RNA, כפי שנחשף על ידי נוכחות של תימין (T). הדבר השני שתוכלו לדעת הוא כי לגדיל המשלים של מולקולת ה- DNA הזו יש את רצף הבסיס TTTAGCCGTAAT.

אתה יכול גם להיות בטוח בגדיל ה- mRNA שייגרם מגדיל זה של ה- DNA שעובר תעתיק RNA. זה יהיה אותו הדבר רצף בסיסים כמו גדיל DNA משלים, כאשר כל מקרים של תימין (T) יוחלפו באורציל (U).

הסיבה לכך היא שכפול DNA ושעתוק RNA פועלים באופן זהה בכך שהגדיל העשוי מגדיל התבנית הוא לא כפיל של הגדיל ההוא, אך המשלים שלה או המקבילה ב- RNA.

על מנת שמולקולת DNA תיצור עותק מעצמה, שני הגדילים של הסליל הכפול חייבים להיפרד בסביבת ההעתקה. הסיבה לכך היא שכל גדיל מועתק (משוכפל) בנפרד ומכיוון שהאנזימים ומולקולות אחרות שלוקחות חלק בהן שכפול הדנ"א צריך מקום לאינטראקציה, אשר סליל כפול אינו מספק. כך שני הגדילים מתפרדים פיזית, ואומרים כי ה- DNA הוא מְפוּגָל.

כל גדיל DNA מופרד הופך גדיל חדש משלים לעצמו, ונשאר קשור אליו. כך, במובן מסוים, שום דבר אינו שונה בכל מולקולה כפולה גדילית מההורה שלה. כימית, יש להם את אותו הרכב מולקולרי. אבל אחד הגדילים בכל סליל כפול חדש לגמרי ואילו השני נשאר מהשכפול עצמו.

כאשר שכפול DNA מתרחש בו זמנית לאורך גדילים משלימים מופרדים, הסינתזה של הגדילים החדשים מתרחשת למעשה בכיוונים מנוגדים. מצד אחד, הגדיל החדש פשוט צומח לכיוון ש- DNA "רוכס" את הדנור.

בצד השני, לעומת זאת, מסונתזים קטעים קטנים של DNA חדש רָחוֹק מכיוון הפרדת גדילים. אלה נקראים שברי אוקאזאקי, ומחוברים יחד אנזימים לאחר שהגיעו לאורך מסוים. שני גדילי ה- DNA החדשים הם אנטי מקבילית אחד לשני.

תעתיק RNA דומה לשכפול דנ"א בכך שנדרש התאמת גדילי דנ"א בכדי שתתחיל. mRNA מיוצר לאורך תבנית ה- DNA על ידי תוספת רציפה של נוקליאוטידים של RNA על ידי האנזים RNA פולימראז.

תמליל ראשוני זה של RNA שנוצר מה- DNA יוצר את מה שאנו מכנים טרום mRNA. גדיל זה לפני ה- mRNA מכיל את שניהם אינטרונים ואקסונים. אינטרונים ואקסונים הם קטעים בתוך ה- DNA / RNA שעושים או לא מקודדים עבור חלקים ממוצר הגן.

אינטרונים הם קטעים שאינם מקודדים (נקראים גם "intשידור קטעים ") תוך כדי אקסונים הם קטעי קידוד (נקראים גם "לְשֶׁעָבַרקטעים לחוצים ").

לפני שגדיל ה- mRNA הזה עוזב את הגרעין לתרגום לחלבון, אנזימים בתוך הבלו של הגרעין, המכונה גם גזירה, הם האינטרונים מכיוון שהם לא מקודדים שום דבר בגן המסוים הזה. לאחר מכן אנזימים מחברים את רצפי האינטרון הנותרים בכדי לתת לך את גדיל ה- mRNA הסופי.

גדיל mRNA אחד כולל בדרך כלל בדיוק את רצף הבסיס הדרוש להרכבת חלבון ייחודי אחד במורד הזרם תִרגוּם תהליך, כלומר מולקולת mRNA אחת בדרך כלל נושאת את המידע עבור אחד גֵן. גן הוא רצף DNA המקודד למוצר חלבון מסוים.

לאחר השלמת התמלול, גדיל ה- mRNA מיוצא מהגרעין דרך הנקבוביות במעטפת הגרעין. (מולקולות RNA גדולות מכדי להתפשט דרך הקרום הגרעיני, וכך גם מים ומולקולות קטנות אחרות). לאחר מכן הוא "עוגן" עם ריבוזומים בציטופלזמה או בתוך אברונים מסוימים, ו סינתזת חלבונים יזום.

לא ניתן לעבד חומצות גרעין לצורך דלק, אך ניתן ליצור אותן ממולקולות קטנות מאוד או להתפרק מהצורה השלמה שלה לחלקים קטנים מאוד. נוקליאוטידים מסונתזים באמצעות תגובות אנבוליות, לרוב מנוקלאוזידים, שהם נוקלאוטידים מינוס כל קבוצות פוספט (כלומר, נוקלאוזיד הוא סוכר ריבוז בתוספת בסיס חנקני).

ניתן גם לפגוע ב- DNA ו- RNA: מנוקליאוטידים לנוקלאוזידים, ואז לבסיסים חנקניים ובסופו של דבר לחומצת השתן.

פירוק של חומצות גרעין חשוב עבור בריאות כללית. לדוגמא, חוסר היכולת לפרק את הפורינים קשור לצנית, מחלה כואבת הפוגעת בחלק מהמפרקים בזכות משקעי גביש השתן במקומות אלה.