מאפייני חומצות גרעין

חומצות גרעין חשובות בטבע כוללות חומצה דאוקסיריבונוקלאית, או DNA, וחומצה ריבונוקלאית, או RNA. הם נקראים חומצות מכיוון שהם תורמי פרוטון (כלומר אטום מימן), ולכן הם נושאים מטען שלילי.

מבחינה כימית, DNA ו- RNA הם פולימרים, כלומר הם מורכבים מיחידות חוזרות, לעתים קרובות מספר גדול מאוד מהן. יחידות אלה נקראות נוקלאוטידים. כל הנוקלאוטידים בתורם כוללים שלוש חלקים כימיים מובחנים: סוכר פנטוז, קבוצת פוספט ובסיס חנקני.

ה- DNA שונה מ- RNA בשלוש דרכים עיקריות. האחת היא שהסוכר שמרכיב את "עמוד השדרה" המבני של מולקולת חומצת הגרעין הוא דאוקסיריבוז, ואילו ב- RNA הוא ריבוז. אם אתה מכיר בכלל את המינוח הכימי, תבין שמדובר בהבדל קטן בתכנית המבנית הכוללת; לריבוז יש ארבע קבוצות הידרוקסיל (-OH) ואילו לדאוקסיריבוז שלוש.

ההבדל השני הוא שבעוד שאחד מארבעת הבסיסים החנקניים המצויים ב- DNA הוא תימין, הבסיס המקביל ב- RNA הוא אורציל. בסיסים חנקניים של חומצות גרעין הם המכתיבים את המאפיינים האולטימטיביים של אלה מולקולות, מכיוון שחלקי הפוספט והסוכר אינם משתנים בתוך או בין המולקולות של אותו סוג.

לבסוף, ה- DNA הוא כפול גדילי, כלומר הוא מורכב משתי שרשראות ארוכות של נוקלאוטידים הקשורים כימית בשני בסיסים חנקניים. ה- DNA מתפתל לצורת "סליל כפול", כמו סולם גמיש המפותל בכיוונים מנוגדים בשני קצותיו.

דאוקסיריבוז מורכב מטבעת של חמישה אטומים, ארבעה פחמנים וחמצן, בצורת מחומש או אולי צלחת ביתית בבייסבול. מכיוון שפחמן יוצר ארבעה קשרים וחמצן שניים, הדבר משאיר שמונה אתרי קשירה חופשיים בארבעת אטומי הפחמן, שניים לפחמן, אחד מעל ואחד מתחת לטבעת. שלושה מנקודות אלה תפוסים על ידי קבוצות הידרוקסיל (-OH), וחמישה נתבעים על ידי אטומי מימן.

מולקולת סוכר זו עשויה להיקשר לאחד מארבעה בסיסים חנקניים: אדנין, ציטוזין, גואנין ותימין. אדנין (A) וגואנין (G) הם פורינים ואילו ציטוזין (C) ותימין (T) הם פירימידינים. פורינים הם מולקולות גדולות יותר מאשר פירימידינים; מכיוון ששני הגדילים של כל מולקולת DNA שלמה קשורים באמצע על ידי בסיסיהם החנקניים, הקשרים הללו חייב להיווצר בין פורין אחד לפירימידין אחד כדי לשמור על הגודל הכולל של שני הבסיסים על פני המולקולה בערך קָבוּעַ. (זה עוזר להתייחס לכל דיאגרמה של חומצות גרעין בעת ​​קריאה, כמו אלה המופיעים בהפניות.) כפי שזה קורה, A נקשר באופן בלעדי ל- T ב- DNA ואילו C נקשר באופן בלעדי ל- G.

דאוקסיריבוז הקשור לבסיס חנקני נקרא a נוקלאוזיד. כאשר מוסיפים קבוצת פוספט לדאוקסיריבוז בפחמן שנמצא במרחק שני נקודות מהמקום בו מחובר הבסיס, נוצר נוקלאוטיד מלא. המוזרויות של המטענים האלקטרוכימיים בהתאמה לאטומים השונים בנוקליאוטידים הם אחראי על דנ"א דו גדילי היוצר באופן טבעי צורה סלילית, ושני גדילי הדנ"א במולקולה נקראים קווצות משלימות.

סוכר הפנטוז ב- RNA הוא ריבוז ולא דאוקסיריבוז. ריבוז זהה לדאוקסיריבוז אלא שמבנה הטבעת קשור לארבע קבוצות הידרוקסיל (-OH) ולארבעה אטומי מימן במקום שלושה וחמישה בהתאמה. החלק הריבוזי של נוקלאוטיד קשור לקבוצת פוספט ובסיס חנקני, כמו ב- DNA, עם פוספטים מתחלפים ו סוכרים היוצרים את ה- RNA "עמוד השדרה". הבסיסים, כאמור לעיל, כוללים A, C ו- G, אך הפירימידין השני ב- RNA הוא uracil (U) מאשר ט '

בעוד ש- DNA עוסק רק באחסון מידע בלבד (גן הוא פשוט גדיל של DNA המקודד חלבון יחיד), סוגים שונים של RNA מקבלים פונקציות שונות. ה- RNA של המסנג'ר, או ה- mRNA, עשוי מ- DNA כאשר ה- DNA הדו-גדילי בדרך כלל מתפצל לשני גדילים בודדים לצורך תעתיק. ה- mRNA שנוצר בסופו של דבר עושה את דרכו לעבר חלקי התאים בהם מתרחש ייצור חלבונים, כשהוא נושא את ההוראות לתהליך זה על ידי ה- DNA. סוג שני של RNA, העברת RNA (tRNA), לוקח חלק בייצור חלבונים. זה קורה באברוני תאים הנקראים ריבוזומים, והריבוזומים עצמם מורכבים בעיקר מסוג שלישי של רנ"א הנקרא, כראוי, ריבוזומלי רנ"א (rRNA).

חמשת הבסיסים החנקניים - אדנין (A), ציטוזין (C), גואנין (G) ותימין (T) ב- DNA ושלושת הראשונים בתוספת uracil (U) ב- RNA - הם החלקים של חומצות גרעין שאחראים בסופו של דבר למגוון של מוצרים גנטיים ברחבי החיים דברים. חלקי הסוכר והפוספט חיוניים בכך שהם מספקים מבנה ופיגומים, אך הבסיסים הם המקום בו נוצרים הקודים. אם אתה חושב על המחשב הנייד שלך כחומצת גרעין או לפחות מחרוזת של נוקלאוטידים, החומרה (למשל, כונני דיסק, צג המסך, המיקרו-מעבד) מקביל לסוכרים ולפוספטים, ואילו תוכנות ואפליקציות שאתה מפעיל דומות לחנקן. בסיסים, מכיוון שמגוון היישומים הייחודי של תוכנות שהעליתם למערכת שלכם הופך את המחשב שלכם ליעיל במינו. "אורגניזם."

כפי שתואר לעיל, בסיסים חנקניים מסווגים כפורינים (A ו- G) או פירימידינים (C, T ו- U). A תמיד מזווג בגדיל DNA עם T, ו- C תמיד מזווג עם G. חשוב לציין שכאשר משתמשים בגדיל DNA כתבנית לסינתזת RNA (תעתיק), בכל נקודה לאורך מולקולת ה- RNA הגדלה, נוקלאוטיד ה- RNA שנוצר מהנוקלאוטיד DNA של "ההורה" כולל את הבסיס שהוא זה שבסיס "ההורה" תמיד קושר ל. זה נחקר בחלק נוסף.

הפורינים מורכבים מטבעת חנקן ופחמן בת שישה חברים וטבעת חנקן ופחמן בת חמישה חברים, כמו משושה ומחומש שחולקים צד. סינתזת פורין כוללת שינוי כימי של סוכר ריבוז, ואחריו תוספת של אמינו (-NH₂) קבוצות. לפירימידינים יש גם טבעת חנקן ופחמן עם שישה חברים, כמו פורינים, אך חסרה טבעת חנקן ופחמן של חמישה חברים של פורינים. לפורינים יש לכן מסת מולקולרית גבוהה יותר מאשר לפירימידינים.

סינתזת נוקלאוטידים המכילים פירימידינים וסינתזת נוקליאוטידים המכילים פורינים מתרחשות בסדר הפוך בשלב מכריע אחד. בפירמידינים, חלק הבסיס מורכב תחילה, ושאר המולקולה עוברת שינוי אחר כך לנוקליאוטיד. בפורינים, החלק שהופך בסופו של דבר לאדנין או גואנין משתנה לקראת סוף היווצרות הנוקליאוטידים.

תמלול הוא יצירת גדיל של mRNA מתבנית DNA, הנושאת את אותן הוראות (כלומר, קוד גנטי) להכנת חלבון מסוים כמו של התבנית. התהליך מתרחש בגרעין התא, שם נמצא ה- DNA. כאשר מולקולת דנ"א דו-גדילית נפרדת לגדילים בודדים ותעתיק ממשיך, ה- mRNA שנוצר מאחד קווצה של צמד הדנ"א ה"לא רוכסן "זהה לדנ"א של החוט השני של ה- DNA הלא רוכסן, אלא ש- mRNA מכיל U במקום ט. (שוב, התייחסות לדיאגרמה שימושית; ראה את ההפניות. ה- mRNA, לאחר השלמתו, עוזב את הגרעין דרך הנקבוביות בקרום הגרעיני. לאחר שה- mRNA עוזב את הגרעין, הוא מתחבר לריבוזום.

לאחר מכן אנזימים מתחברים למכלול הריבוזומלי ומסייעים בתהליך התרגום. תרגום הוא המרת הוראת ה- mRNA לחלבונים. זה קורה כאשר חומצות אמינו, יחידות המשנה של החלבונים, נוצרות מ"קודונים "תלת-נוקלאוטידים על גדיל ה- mRNA. התהליך כולל גם rRNA (שכן התרגום מתרחש על ribsomes) ו- tRNA (המסייע בהרכבת חומצות אמינו).

גדילי DNA מתאספים לסליל כפול בגלל מפגש של גורמים קשורים. אחד מהם הוא קשרי המימן הנופלים באופן טבעי על פני חלקים שונים של המולקולה. עם צורת הסליל, זוגות הקשר של בסיסים חנקניים מאונכים לציר הסליל הכפול בכללותו. כל סיבוב מלא כולל בסך הכל כ -10 זוגות מלוכדות בסיס-בסיס. מה שאולי היה מכונה "הצדדים" של ה- DNA כשהוא מונח כ"סולם "נקרא כיום" שרשראות "של הסליל הכפול. אלה מורכבים כמעט לחלוטין מחלקי הריבוז והפוספט של הנוקלאוטידים, כאשר הבסיסים נמצאים בפנים. על הסליל יש חריצים גדולים וגם מינוריים הקובעים את צורתו היציבה בסופו של דבר.

בעוד שניתן לתאר כרומוזומים כגדילים ארוכים מאוד של DNA, זהו פשט גס. נכון שכרומוזום נתון יכול, בתיאוריה, להיפטר מחשיפת מולקולת DNA אחת לא שבורה, אך זה לא מציין את הסליל, הסלולר וההתקבצות המורכבים ש- DNA עושה בדרך ליצירת כרומוזום. כרומוזום אחד כולל מיליוני זוגות בסיסי DNA, ואם כל ה- DNA היה נמתח מבלי לשבור את הסליל, אורכו היה משתרע מכמה מילימטרים למעל סנטימטר. במציאות, דנ"א הוא הרבה יותר מרוכז. חלבונים הנקראים היסטונים נוצרים מארבעה זוגות של חלבוני יחידת משנה (בסך הכל שמונה יחידות משנה). אוקטמר זה משמש כסליל מיני עבור סליל הכפול של ה- DNA לעטוף את עצמו פעמיים, כמו חוט. מבנה זה, האוקטמר בתוספת ה- DNA העטוף סביבו, נקרא נוקלאוזום. כאשר כרומוזום נפרק חלקית לגדיל הנקרא כרומטיד, נראה שהנוקלאוזומים הללו במיקרוסקופיה הם חרוזים על חוט. אך מעל לרמת הנוקלאוזומים, דחיסה נוספת של החומר הגנטי מתרחשת, אם כי המנגנון המדויק נותר חמקמק.

DNA, RNA וחלבונים נחשבים ביו פולימרים מכיוון שהם רצפים חוזרים של מידע וחומצות אמינו שקשורים ביצורים חיים ("ביו" פירושו "חיים"). ביולוגים מולקולריים כיום מכירים בכך ש- DNA ו- RNA בצורה כלשהי קודמים להופעת החיים כדור הארץ, אך נכון לשנת 2018, איש לא הבין את מסלול הביו-פולימרים המוקדמים לחיים פשוטים דברים. יש מי שתיאור כי RNA בצורה כלשהי היה המקור המקורי לכל הדברים האלה, כולל DNA. זוהי "השערת העולם של ה- RNA". עם זאת, זה מציג מעין תרחיש עוף וביצה עבור ביולוגים, מכיוון שמולקולות RNA גדולות מספיק לכאורה לא היו יכולות להופיע בשום דרך אחרת מלבד תַעֲתוּק. בכל מקרה, מדענים חוקרים כיום בשקיקה הולכת וגוברת את ה- RNA כיעד למולקולה המשכפלת את עצמה.

כימיקלים המחקים את המרכיבים של חומצות גרעין משמשים כתרופות כיום, עם התפתחויות נוספות בתחום זה. לדוגמה, צורה שונה מעט של אורציל, 5-fluorouracil (5-FU), שימשה במשך עשרות שנים לטיפול בקרצינומה של המעי הגס. הוא עושה זאת על ידי חיקוי של בסיס חנקני אמיתי מספיק מקרוב כדי שייכנס ל- DNA שיוצר לאחרונה. בסופו של דבר זה מוביל להתמוטטות בסינתזת החלבון.

חקייני נוקלאוזידים (שהם, כזכור, הם סוכר ריבוז בתוספת בסיס חנקני) שימשו בטיפולים אנטיבקטריאליים ואנטי-ויראליים. לפעמים, החלק הבסיסי של הנוקלאוזיד הוא שעובר שינוי, ובמקרים אחרים התרופה מכוונת לחלק הסוכר.