الأحماض النووية عبارة عن مواد جزيئية كبيرة تتكون من أحاديات النيوكليوتيدات ، والتي ترتبط ببعضها البعض في سلسلة بوليمر باستخدام روابط فوسفوديستر 3 "، 5" ومعبأة في الخلايا بطريقة معينة.
الأحماض النووية عبارة عن بوليمرات حيوية من نوعين: الحمض النووي الريبي (RNA) وحمض الديوكسي ريبونوكلييك (DNA). يتكون كل بوليمر حيوي من نيوكليوتيدات تختلف في بقايا الكربوهيدرات (ريبوز ، ديوكسيريبوز) وأحد القواعد النيتروجينية (اليوراسيل ، الثايمين). تبعا لذلك ، حصلت الأحماض النووية على اسمها.
هيكل حمض الديوكسي ريبونوكلييك
الأحماض النووية لها هياكل أولية وثانوية وثالثية.
الهيكل الأساسي للحمض النووي
الهيكل الأساسي للحمض النووي هو سلسلة خطية من عديد النوكليوتيدات حيث ترتبط أحاديات النيوكليوتيدات بواسطة روابط فوسفوديستر 3 "، 5". مادة البداية لتجميع سلسلة حمض نووي في خلية هي نيوكليوسيد 5-ثلاثي الفوسفات ، والذي نتيجة لإزالة β و بقايا حمض الفوسفوريك ، يكون قادرًا على ربط ذرة 3'-carbon لنيوكليوسيد آخر . وهكذا ، فإن ذرة الكربون 3 "لواحد من deoxyribose ترتبط تساهميًا بـ 5" ذرة كربون من مادة deoxyribose أخرى عبر بقايا حمض فوسفوريك واحدة وتشكل سلسلة خطية من polynucleotide من الحمض النووي. ومن هنا جاء الاسم: روابط فوسفوديستر 3 "، 5". لا تشارك القواعد النيتروجينية في توصيل النيوكليوتيدات لسلسلة واحدة (الشكل 1.).
يؤدي هذا الارتباط ، بين بقايا حمض الفوسفوريك لنيوكليوتيد واحد وكربوهيدرات الآخر ، إلى تكوين العمود الفقري للبنتوز والفوسفات من جزيء متعدد النيوكليوتيد ، حيث يتم إضافة القواعد النيتروجينية واحدة تلو الأخرى من الجانب. تسلسلها في سلاسل جزيئات الحمض النووي محدد بدقة لخلايا الكائنات الحية المختلفة ، أي له طابع محدد (قاعدة Chargaff).
سلسلة الحمض النووي الخطية ، التي يعتمد طولها على عدد النيوكليوتيدات المتضمنة في السلسلة ، لها طرفان: أحدهما يسمى الطرف 3 ويحتوي على هيدروكسيل حر ، والآخر ، الطرف 5 ، يحتوي على حمض الفوسفوريك بقايا. الدائرة قطبية ويمكن أن تكون 5 "-> 3" و 3 "-> 5". استثناء هو دائري DNA.
يتكون "النص" الجيني للحمض النووي من "كلمات" شفرية - ثلاثة توائم من النيوكليوتيدات تسمى الكودونات. تسمى أجزاء الحمض النووي التي تحتوي على معلومات حول التركيب الأساسي لجميع أنواع الحمض النووي الريبي الجينات الهيكلية.
تصل سلاسل الحمض النووي متعدد النوى إلى أحجام هائلة ، لذا فهي معبأة بطريقة معينة في الخلية.
دراسة تكوين الحمض النووي ، أنشأ Chargaff (1949) انتظامات مهمة فيما يتعلق بمحتوى قواعد الحمض النووي الفردية. لقد ساعدوا في الكشف عن البنية الثانوية للحمض النووي. تسمى هذه الأنماط قواعد Chargaff. قواعد Chargaff
تنص هذه القواعد على أنه عند بناء الحمض النووي ، يجب مراعاة المراسلات الصارمة (الاقتران) ليس لقواعد البيورين والبيريميدين بشكل عام ، ولكن بشكل خاص مع الثايمين مع الأدينين والسيتوزين مع الجوانين. بناءً على هذه القواعد ، من بين أمور أخرى ، اقترح واطسون وكريك في عام 1953 نموذجًا للبنية الثانوية للحمض النووي ، يُسمى الحلزون المزدوج (الشكل). |
التركيب الثانوي للحمض النووي
التركيب الثانوي للحمض النووي هو حلزون مزدوج ، اقترح نموذجه D. Watson و F. Crick في عام 1953.
المتطلبات الأساسية لإنشاء نموذج DNA
كنتيجة للتحليلات الأولية ، كانت الفكرة أن الحمض النووي من أي أصل يحتوي على جميع النيوكليوتيدات الأربعة بكميات جزيئية متساوية. ومع ذلك ، في الأربعينيات من القرن الماضي ، أظهر E.Chargaff وزملاؤه ، نتيجة لتحليل الحمض النووي المعزول من كائنات مختلفة ، بوضوح أن القواعد النيتروجينية موجودة فيها بنسب كمية مختلفة. وجد Chargaff أنه على الرغم من أن هذه النسب هي نفسها بالنسبة للحمض النووي من جميع خلايا نفس النوع من الكائنات الحية ، يمكن أن يختلف الحمض النووي من أنواع مختلفة بشكل ملحوظ في محتوى بعض النيوكليوتيدات. يشير هذا إلى أن الاختلافات في نسبة القواعد النيتروجينية قد تكون مرتبطة ببعض الكود البيولوجي. على الرغم من أن نسبة قواعد البيورين والبيريميدين الفردية في عينات مختلفة من الحمض النووي لم تكن متماثلة ، عند مقارنة نتائج التحليلات ، تم الكشف عن نمط معين: في جميع العينات ، كان إجمالي كمية البيورينات مساويًا للكمية الإجمالية للبيريميدين ( A + G = T + C) ، كانت كمية الأدينين مساوية لكمية الثايمين (A = T) ، وكمية الجوانين - كمية السيتوزين (G = C). كان الحمض النووي المعزول من خلايا الثدييات أكثر ثراءً بشكل عام في الأدينين والثايمين وأفقر نسبيًا في الجوانين والسيتوزين ، بينما كان الحمض النووي من البكتيريا أكثر ثراءً في الجوانين والسيتوزين وأكثر فقرًا نسبيًا في الأدينين والثيمين. شكلت هذه البيانات جزءًا مهمًا من المادة الواقعية ، والتي تم على أساسها بناء نموذج بنية الحمض النووي لـ Watson-Crick لاحقًا.
ومن المؤشرات الأخرى الهامة غير المباشرة على التركيب المحتمل للحمض النووي ، بيانات ل. باولينج حول بنية جزيئات البروتين. أظهر Pauling أن العديد من التكوينات المستقرة المختلفة لسلسلة الأحماض الأمينية ممكنة في جزيء البروتين. أحد التكوينات الشائعة لسلسلة الببتيد - α-helix - هو هيكل حلزوني منتظم. مع مثل هذا الهيكل ، يمكن تكوين روابط هيدروجينية بين الأحماض الأمينية الموجودة على المنعطفات المجاورة للسلسلة. وصف بولينج التكوين الحلزوني α لسلسلة البولي ببتيد في عام 1950 واقترح أن جزيئات الحمض النووي من المحتمل أيضًا أن يكون لها بنية حلزونية مثبتة بواسطة روابط هيدروجينية.
ومع ذلك ، تم توفير المعلومات الأكثر قيمة حول بنية جزيء الحمض النووي من خلال نتائج تحليل حيود الأشعة السينية. تخضع الأشعة السينية ، التي تمر عبر بلورة DNA ، للحيود ، أي أنها تنحرف في اتجاهات معينة. تعتمد درجة وطبيعة انحراف الأشعة على بنية الجزيئات نفسها. يعطي نمط حيود الأشعة السينية (الشكل 3) للعين ذات الخبرة عددًا من المؤشرات غير المباشرة فيما يتعلق ببنية جزيئات المادة قيد الدراسة. أدى تحليل أنماط حيود الأشعة السينية للحمض النووي إلى استنتاج مفاده أن القواعد النيتروجينية (ذات الشكل المسطح) مكدسة مثل كومة من الصفائح. جعلت أنماط الأشعة السينية من الممكن تحديد ثلاث فترات رئيسية في بنية الحمض النووي البلوري: 0.34 و 2 و 3.4 نانومتر.
نموذج Watson-Crick DNA
بدءًا من بيانات Chargaff التحليلية ، وأشعة Wilkins للأشعة السينية ، وبحث الكيميائي ، الذي قدم معلومات حول المسافات الدقيقة بين الذرات في الجزيء ، وحول الزوايا بين روابط ذرة معينة ، وحول حجم الذرات ، Watson و Crick بدأ في بناء نماذج فيزيائية للمكونات الفردية لجزيء الحمض النووي على نطاق معين. و "ضبطها" مع بعضها البعض بطريقة يتوافق معها النظام الناتج مع البيانات التجريبية المختلفة [يعرض] .
حتى في وقت سابق ، كان معروفًا أن النيوكليوتيدات المجاورة في سلسلة DNA مرتبطة بجسور الفوسفوديستر التي تربط ذرة 5'-carbon من deoxyribose لنيوكليوتيد واحد بذرة 3'-carbon من deoxyribose للنيوكليوتيد التالي. لم يكن لدى واطسون وكريك أدنى شك في أن فترة 0.34 نانومتر تقابل المسافة بين النيوكليوتيدات المتتالية في حبلا DNA. علاوة على ذلك ، يمكن افتراض أن فترة 2 نانومتر تتوافق مع سمك السلسلة. ومن أجل شرح البنية الحقيقية التي تقابلها فترة 3.4 نانومتر ، افترض واتسون وكريك ، وكذلك بولينج سابقًا ، أن السلسلة ملتوية على شكل لولب (أو بشكل أكثر دقة ، تشكل لولبًا ، منذ بالمعنى الدقيق للكلمة ، يتم الحصول على الكلمة عندما تشكل المنعطفات سطحًا مخروطيًا وليس أسطوانيًا في الفضاء). بعد ذلك ، سوف تتوافق فترة 3.4 نانومتر مع المسافة بين الدورات المتتالية لهذا اللولب. يمكن أن يكون هذا اللولب كثيفًا جدًا أو ممتدًا إلى حد ما ، أي يمكن أن يكون المنعطفات مسطحة أو شديدة الانحدار. نظرًا لأن فترة 3.4 نانومتر هي بالضبط 10 أضعاف المسافة بين النيوكليوتيدات المتتالية (0.34 نانومتر) ، فمن الواضح أن كل دورة كاملة للحلزون تحتوي على 10 نيوكليوتيدات. من هذه البيانات ، تمكن واطسون وكريك من حساب كثافة سلسلة متعددة النوكليوتيد الملتوية في حلزون بقطر 2 نانومتر ، بمسافة بين الدورات تساوي 3.4 نانومتر. اتضح أن مثل هذا الخيط سيكون له نصف كثافة الكثافة الفعلية للحمض النووي ، والتي كانت معروفة بالفعل. كان علي أن أفترض أن جزيء الحمض النووي يتكون من سلسلتين - أنه حلزون مزدوج من النيوكليوتيدات.
كانت المهمة التالية ، بالطبع ، لتوضيح العلاقة المكانية بين الخيوط التي تشكل اللولب المزدوج. بعد تجربة عدد من ترتيبات الجدائل على نموذجهم المادي ، وجد Watson and Crick أن أفضل ملاءمة لجميع البيانات المتاحة هي تلك التي تعمل فيها حلزونات عديد النوكليوتيد في اتجاهين متعاكسين ؛ في هذه الحالة ، تشكل السلاسل المكونة من مخلفات السكر والفوسفات سطح حلزون مزدوج ، وتوجد بداخلها البيورينات والبيريميدين. القواعد الموجودة مقابل بعضها البعض ، والتي تنتمي إلى سلسلتين ، متصلة في أزواج بواسطة روابط هيدروجينية ؛ هذه الروابط الهيدروجينية هي التي تربط السلاسل معًا ، وبالتالي تحدد التكوين العام للجزيء.
يمكن اعتبار الحلزون المزدوج للحمض النووي بمثابة سلم حبل حلزوني ، مع بقاء الدرجات أفقية. ثم يتطابق حبال طوليان مع سلاسل من مخلفات السكر والفوسفات ، وسوف تتوافق القضبان المتقاطعة مع أزواج من القواعد النيتروجينية المتصلة بواسطة روابط هيدروجينية.
نتيجة لمزيد من الدراسة للنماذج المحتملة ، توصل واطسون وكريك إلى استنتاج مفاده أن كل "عارضة" يجب أن تتكون من بيورين واحد وبيريميدين ؛ في فترة 2 نانومتر (المقابلة لقطر اللولب المزدوج) ، لن يكون هناك مساحة كافية لاثنين من البيورينات ، ولا يمكن أن يكون البيريميدين قريبين بما يكفي لتكوين روابط هيدروجينية مناسبة. أظهرت دراسة متعمقة للنموذج التفصيلي أن الأدينين والسيتوزين ، اللذان يشكلان مزيجًا من الحجم الصحيح ، لا يزال من غير الممكن ترتيبهما بطريقة تتشكل الروابط الهيدروجينية بينهما. كما أجبرت تقارير مماثلة أيضًا على استبعاد تركيبة الغوانين والثيمين ، في حين تم العثور على توليفات الأدينين - الثايمين والجوانين - السيتوزين لتكون مقبولة تمامًا. طبيعة الروابط الهيدروجينية هي أن أزواج الأدينين مع الثايمين ، وأزواج الجوانين مع السيتوزين. أتاح مفهوم الاقتران الأساسي المحدد شرح "قاعدة Chargaff" ، والتي بموجبها تكون كمية الأدينين في أي جزيء DNA مساوية دائمًا لمحتوى الثايمين ، وتكون كمية الجوانين دائمًا مساوية لكمية السيتوزين . يتكون رابطان هيدروجين بين الأدينين والثايمين ، وثلاثة بين الجوانين والسيتوزين. بسبب هذه الخصوصية في تكوين روابط هيدروجينية ضد كل أدينين في سلسلة واحدة ، يكون الثايمين في الآخر ؛ بنفس الطريقة ، يمكن وضع السيتوزين فقط ضد كل جوانين. وبالتالي ، فإن السلاسل مكملة لبعضها البعض ، أي أن تسلسل النيوكليوتيدات في سلسلة واحدة يحدد بشكل فريد تسلسلها في الأخرى. تعمل السلسلتان في اتجاهين متعاكسين وتكون مجموعاتهما الفوسفاتية على طرفي نقيض من الحلزون المزدوج.
نتيجة لأبحاثهم ، اقترح واطسون وكريك في عام 1953 نموذجًا لهيكل جزيء الحمض النووي (الشكل 3) ، والذي يظل وثيق الصلة بالحاضر. وفقًا للنموذج ، يتكون جزيء الحمض النووي من سلسلتين متكاملتين من عديد النوكليوتيدات. كل خيط DNA هو بولي نيوكليوتيد يتكون من عدة عشرات الآلاف من النيوكليوتيدات. في ذلك ، تشكل النيوكليوتيدات المجاورة العمود الفقري المنتظم للبنتوز والفوسفات بسبب مزيج من بقايا حمض الفوسفوريك و deoxyribose بواسطة رابطة تساهمية قوية. يتم ترتيب القواعد النيتروجينية لسلسلة واحدة من عديد النوكليوتيدات بترتيب محدد بدقة مقابل القواعد النيتروجينية للسلسلة الأخرى. تناوب القواعد النيتروجينية في سلسلة عديد النوكليوتيد غير منتظم.
ترتيب القواعد النيتروجينية في سلسلة الحمض النووي تكميلي (من "الإضافة" اليونانية ") ، أي ضد الأدينين (A) هو دائمًا الثايمين (T) ، وضد الجوانين (G) - فقط السيتوزين (C). يفسر ذلك حقيقة أن A و T ، وكذلك G و C ، يتوافقان تمامًا مع بعضهما البعض ، أي يكمل كل منهما الآخر. يتم إعطاء هذا التطابق من خلال التركيب الكيميائي للقواعد ، والذي يسمح بتكوين روابط هيدروجينية في زوج من البيورين والبيريميدين. بين A و T هناك رابطان ، بين G و C - ثلاثة. توفر هذه الروابط استقرارًا جزئيًا لجزيء الحمض النووي في الفضاء. يتناسب استقرار اللولب المزدوج بشكل مباشر مع عدد روابط G≡C ، والتي تكون أكثر استقرارًا من روابط A = T.
إن التسلسل المعروف للنيوكليوتيدات في أحد خيوط الدنا يجعل من الممكن ، من خلال مبدأ التكامل ، إنشاء نيوكليوتيدات خيط آخر.
بالإضافة إلى ذلك ، فقد ثبت أن القواعد النيتروجينية ذات البنية العطرية توجد واحدة فوق الأخرى في محلول مائي ، وتشكل ، كما كانت ، كومة من العملات المعدنية. تسمى عملية تكوين أكوام من الجزيئات العضوية التكديس. سلاسل عديد النوكليوتيد لجزيء DNA لنموذج Watson-Crick المدروس لها حالة كيميائية فيزيائية مماثلة ، حيث يتم ترتيب قواعدها النيتروجينية في شكل كومة من العملات المعدنية ، بين المستويات التي تحدث فيها تفاعلات van der Waals (تفاعلات التراص).
الروابط الهيدروجينية بين القواعد التكميلية (أفقيًا) والتفاعل المتراكم بين المستويات الأساسية في سلسلة متعددة النوكليوتيد بسبب قوى فان دير فالس (عموديًا) تزود جزيء الحمض النووي بثبات إضافي في الفضاء.
يتم قلب العمود الفقري للسكر والفوسفات لكلا السلسلتين إلى الخارج ، والقواعد للداخل ، تجاه بعضها البعض. اتجاه الخيوط في الحمض النووي غير متوازي (أحدهما له اتجاه 5 "-> 3" ، والآخر - 3 "-> 5" ، أي أن الطرف 3 "من خيط واحد يقع مقابل 5" نهاية من جهة أخرى.). تشكل السلاسل لولبًا صحيحًا مع محور مشترك. دورة واحدة من اللولب هي 10 نيوكليوتيدات ، وحجم المنعطف 3.4 نانومتر ، وارتفاع كل نيوكليوتيد 0.34 نانومتر ، وقطر اللولب 2.0 نانومتر. نتيجة لدوران خيط واحد حول الآخر ، يتشكل أخدود رئيسي (قطره حوالي 20) وأخدود صغير (حوالي 12 Å) في الحلزون المزدوج للحمض النووي. هذا الشكل من الحلزون المزدوج Watson-Crick سمي لاحقًا بالنموذج B. في الخلايا ، يوجد الحمض النووي عادةً في الشكل B ، وهو الأكثر استقرارًا.
وظائف الحمض النووي
شرح النموذج المقترح العديد من الخصائص البيولوجية للحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين ، بما في ذلك تخزين المعلومات الجينية وتنوع الجينات ، التي توفرها مجموعة متنوعة من التوليفات المتتالية من 4 نيوكليوتيدات وحقيقة وجود رمز وراثي ، والقدرة على التكاثر الذاتي ونقل المعلومات الجينية ، التي توفرها عملية النسخ المتماثل ، وتنفيذ المعلومات الجينية في شكل بروتينات ، وكذلك أي مركبات أخرى تكونت بمساعدة بروتينات الإنزيم.
الوظائف الأساسية للحمض النووي.
- الحمض النووي هو الناقل للمعلومات الجينية ، والتي يتم ضمانها من خلال حقيقة وجود الشفرة الجينية.
- التكاثر والمعلومات الوراثية المنقولة في أجيال من الخلايا والكائنات الحية. يتم توفير هذه الوظيفة من خلال عملية النسخ المتماثل.
- تنفيذ المعلومات الجينية على شكل بروتينات وأي مركبات أخرى تكونت بمساعدة بروتينات الإنزيم. يتم توفير هذه الوظيفة من خلال عمليات النسخ والترجمة.
أشكال تنظيم الحمض النووي مزدوج الشريطة
يمكن أن يشكل الحمض النووي عدة أنواع من الحلزون المزدوج (الشكل 4). حاليًا ، هناك ستة أشكال معروفة بالفعل (من A إلى E و Z-form).
تعتمد الأشكال الهيكلية للحمض النووي ، كما حددتها روزاليند فرانكلين ، على تشبع جزيء الحمض النووي بالماء. في دراسات ألياف الحمض النووي باستخدام تحليل حيود الأشعة السينية ، تبين أن نمط حيود الأشعة السينية يعتمد بشكل جذري على الرطوبة النسبية ، ودرجة تشبع الماء لهذه الألياف ، تجري التجربة. إذا كانت الألياف مشبعة بدرجة كافية بالماء ، فسيتم الحصول على صورة شعاعية واحدة. عند التجفيف ، ظهر نمط مختلف تمامًا للأشعة السينية ، يختلف تمامًا عن نمط الأشعة السينية للألياف عالية الرطوبة.
يسمى جزيء الحمض النووي عالي الرطوبة شكل ب. في ظل الظروف الفسيولوجية (انخفاض تركيز الملح ، ودرجة عالية من الماء) ، فإن النوع الهيكلي السائد للحمض النووي هو الشكل B (الشكل الرئيسي للحمض النووي مزدوج الشريطة هو نموذج Watson-Crick). تبلغ درجة اللولب لمثل هذا الجزيء 3.4 نانومتر. يوجد 10 أزواج تكميلية لكل دور على شكل أكوام ملتوية من "العملات المعدنية" - قواعد نيتروجينية. يتم تثبيت الأكوام معًا بواسطة روابط هيدروجينية بين "عملتين" متقابلتين من الأكوام ، و "ملفوفة" بشريطين من العمود الفقري للفوسفودايستر ملفوفًا في لولب أيمن. مستويات القواعد النيتروجينية متعامدة على محور اللولب. يتم تدوير الأزواج التكميلية المجاورة بالنسبة لبعضها البعض بمقدار 36 درجة. يبلغ قطر اللولب 20 درجة مئوية ، مع احتلال نيوكليوتيد البيورين 12 درجة مئوية بينما يشغل نيوكليوتيد البيريميدين 8 درجات مئوية.
يسمى جزيء الحمض النووي ذو الرطوبة المنخفضة بالشكل A. يتكون النموذج A في ظل ظروف أقل نسبة ترطيب ومحتوى أعلى من أيونات الصوديوم أو البوتاسيوم. يحتوي هذا التشكل الأوسع لليد اليمنى على 11 زوجًا أساسيًا لكل منعطف. تتمتع مستويات القواعد النيتروجينية بميل أقوى لمحور اللولب ، فهي تنحرف عن المحور الطبيعي إلى محور اللولب بمقدار 20 درجة. هذا يعني وجود فراغ داخلي بقطر 5. المسافة بين النيوكليوتيدات المجاورة هي 0.23 نانومتر ، وطول الملف 2.5 نانومتر ، وقطر اللولب 2.3 نانومتر.
في البداية ، كان يُعتقد أن الشكل A من الحمض النووي أقل أهمية. ومع ذلك ، اتضح لاحقًا أن الشكل A من الحمض النووي ، وكذلك الشكل B ، لهما أهمية بيولوجية كبيرة. يحتوي حلزون RNA-DNA في مجمع البذور النموذجية على الشكل A ، بالإضافة إلى هياكل حلزون RNA-RNA و RNA (لا تسمح مجموعة 2'-hydroxyl من الريبوز لجزيئات RNA بتكوين الشكل B) . تم العثور على شكل A من الحمض النووي في الجراثيم. لقد ثبت أن الشكل A من الحمض النووي أكثر مقاومة للأشعة فوق البنفسجية بعشر مرات من الشكل B.
يُطلق على الشكل A و B الأشكال الأساسية للحمض النووي.
أشكال C-Eأيضًا في اليد اليمنى ، لا يمكن ملاحظة تكوينها إلا في تجارب خاصة ، ويبدو أنها غير موجودة في الجسم الحي. يحتوي الشكل C من الحمض النووي على بنية مشابهة لـ B-DNA. عدد أزواج القاعدة في كل دورة هو 9.33 ، وطول اللولب 3.1 نانومتر. تميل أزواج القاعدة بزاوية 8 درجات بالنسبة للموضع العمودي على المحور. الأخاديد قريبة في الحجم من أخاديد B-DNA. في هذه الحالة ، يكون الأخدود الرئيسي أصغر إلى حد ما ، ويكون الأخدود الصغير أعمق. يمكن للعديد من النيوكليوتيدات الطبيعية والاصطناعية أن تنتقل إلى الشكل C.
| الجدول 1. خصائص بعض أنواع هياكل الحمض النووي | |||
| نوع حلزوني | أ | ب | ض |
| الملعب الحلزوني | 0.32 نانومتر | 3.38 نانومتر | 4.46 نانومتر |
| تطور لولبي | حق | حق | غادر |
| عدد أزواج القاعدة لكل دور | 11 | 10 | 12 |
| المسافة بين الطائرات الأساسية | 0.256 نانومتر | 0.338 نانومتر | 0.371 نانومتر |
| تشكيل الرابطة الجليكوسيدية | مضاد | مضاد | مضاد- C سين- G |
| شكل حلقة فورانوز | C3 "-يندو | C2 "-endo | C3 "-endo-G C2 "-endo-C |
| عرض الأخدود ، صغير / كبير | 1.11 / 0.22 نانومتر | 0.57 / 1.17 نانومتر | 0.2 / 0.88 نانومتر |
| عمق الأخدود ، صغير / كبير | 0.26 / 1.30 نانومتر | 0.82 / 0.85 نانومتر | 1.38 / 0.37 نانومتر |
| قطر حلزوني | 2.3 نانومتر | 2.0 نانومتر | 1.8 نانومتر |
العناصر الهيكلية للحمض النووي
(هياكل الحمض النووي غير الكنسي)
تشتمل العناصر الهيكلية للحمض النووي على تراكيب غير عادية مقيدة ببعض التسلسلات الخاصة:
|
شكل Z من DNAتم اكتشافه في عام 1979 أثناء دراسة hexanucleotide d (CG) 3 -. تم افتتاحه من قبل الأستاذ في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ألكسندر ريتش وموظفيه. أصبح الشكل Z أحد أهم العناصر الهيكلية للحمض النووي بسبب حقيقة أن تكوينه لوحظ في مناطق الحمض النووي حيث تتناوب البيورينات مع البيريميدين (على سبيل المثال ، 5'-HCHCHC-3 ') ، أو في التكرارات 5' -CHCHCH-3 'تحتوي على سيتوزين ميثيل. كان الشرط الأساسي لتكوين Z-DNA وتثبيته هو وجود نيوكليوتيدات البيورين في التشكل المتزامن ، بالتناوب مع قواعد بيريميدين في مضاد التشكل.
توجد جزيئات الحمض النووي الطبيعية في الغالب في الشكل B الصحيح ما لم تحتوي على تسلسلات مثل (CG) n. ومع ذلك ، إذا كانت هذه التسلسلات جزءًا من الحمض النووي ، فإن هذه المناطق ، عندما تكون القوة الأيونية للمحلول أو الكاتيونات التي تحيد الشحنة السالبة على العمود الفقري للفوسفوديستر ، يمكن أن تتغير إلى شكل Z ، بينما تظل مناطق الحمض النووي الأخرى في السلسلة في النموذج الكلاسيكي ب. تشير احتمالية حدوث مثل هذا الانتقال إلى أن الخيطين في الحلزون المزدوج للحمض النووي في حالة ديناميكية ويمكنهما الاسترخاء بالنسبة لبعضهما البعض ، ويمر من الشكل الأيمن إلى الشكل الأيسر والعكس صحيح. لم يتم بعد فهم العواقب البيولوجية لهذه القابلية ، والتي تسمح بالتحولات التوافقية لبنية الحمض النووي. يُعتقد أن مناطق Z-DNA تلعب دورًا في تنظيم التعبير عن جينات معينة وتشارك في إعادة التركيب الجيني.
الشكل Z للحمض النووي هو حلزون مزدوج أعسر ، حيث يكون العمود الفقري للفوسفوديستر متعرجًا على طول محور الجزيء. ومن هنا جاء اسم الجزيء (zigzag) -DNA. Z-DNA هو الأقل تواءًا (12 زوجًا قاعديًا في كل منعطف) والأرق في الطبيعة. المسافة بين النيوكليوتيدات المجاورة 0.38 نانومتر ، وطول الملف 4.56 نانومتر ، وقطر Z-DNA 1.8 نانومتر. بالإضافة إلى ذلك ، يتميز ظهور جزيء الحمض النووي هذا بوجود أخدود واحد.
تم العثور على شكل Z من الحمض النووي في الخلايا بدائية النواة وحقيقية النواة. حتى الآن ، تم الحصول على أجسام مضادة يمكنها التمييز بين الشكل Z والشكل B للحمض النووي. ترتبط هذه الأجسام المضادة بمناطق معينة من الكروموسومات العملاقة لخلايا الغدة اللعابية (دكتور ميلانوجاستر). من السهل متابعة تفاعل الارتباط بسبب التركيب غير المعتاد لهذه الكروموسومات ، حيث تتناقض المناطق الأكثر كثافة (الأقراص) مع المناطق الأقل كثافة (interdisks). تقع مناطق Z-DNA في الشرائح. ويترتب على ذلك أن الشكل Z موجود بالفعل في ظروف طبيعية ، على الرغم من أن أحجام الأقسام الفردية للصيغة Z غير معروفة بعد.
(المتحولون) - التسلسلات الأساسية الأكثر شهرة وتكرارًا في الحمض النووي. المتماثل هو كلمة أو عبارة تقرأ من اليسار إلى اليمين والعكس صحيح بنفس الطريقة. أمثلة على هذه الكلمات أو العبارات هي: HUT ، و COSSACK ، و FLOOD ، و ROSE FALLED ON AZOR'S PAWS. عند تطبيقه على أقسام الحمض النووي ، فإن هذا المصطلح (المتناظر) يعني نفس تناوب النيوكليوتيدات على طول السلسلة من اليمين إلى اليسار ومن اليسار إلى اليمين (مثل الأحرف في كلمة "كوخ" ، إلخ).
يتميز التناظر المتناظر بوجود تكرارات مقلوبة لتسلسلات أساسية لها تناظر من الدرجة الثانية فيما يتعلق بسلاسل DNA. مثل هذه التسلسلات ، لأسباب واضحة ، مكملة ذاتيًا وتميل إلى تكوين هياكل دبوس الشعر أو صليبية الشكل (الشكل). تساعد دبابيس الشعر البروتينات المنظمة في التعرف على المكان الذي يتم فيه نسخ النص الجيني للحمض النووي للكروموسوم.
في الحالات التي يكون فيها التكرار المقلوب موجودًا في نفس شريط الحمض النووي ، يُطلق على هذا التسلسل تكرار المرآة. لا تتمتع عمليات تكرار المرآة بخصائص تكاملية ذاتية ، وبالتالي فهي غير قادرة على تكوين هياكل دبوس الشعر أو الصليبية. توجد تسلسلات من هذا النوع في جميع جزيئات الحمض النووي الكبيرة تقريبًا ويمكن أن تتراوح من بضعة أزواج أساسية إلى عدة آلاف من أزواج القواعد.
لم يتم إثبات وجود المتجانسات في شكل هياكل صليبية في الخلايا حقيقية النواة ، على الرغم من وجود عدد من الهياكل الصليبية في الجسم الحي في خلايا الإشريكية القولونية. إن وجود المتواليات الذاتية التكميلية في الحمض النووي الريبي أو الحمض النووي أحادي السلسلة هو السبب الرئيسي لطي السلسلة النووية في المحاليل إلى بنية مكانية معينة ، والتي تتميز بتكوين العديد من "دبابيس الشعر".
شكل H من الحمض النووي- هذا حلزون يتكون من ثلاثة خيوط من الحمض النووي - الحلزون الثلاثي للحمض النووي. إنه مركب من اللولب المزدوج Watson-Crick مع خيط DNA أحادي الجديلة الثالث ، والذي يتناسب مع أخدوده الكبير ، مع تكوين ما يسمى بزوج Hoogsteen.
يحدث تكوين مثل هذا الثلاثي نتيجة لإضافة الحلزون المزدوج للحمض النووي بحيث يظل نصف قسمه على شكل حلزون مزدوج ، ويتم فصل النصف الثاني. في هذه الحالة ، تشكل إحدى الحلزونات المنفصلة هيكلًا جديدًا مع النصف الأول من اللولب المزدوج - حلزون ثلاثي ، والثاني غير منظم ، في شكل مقطع خيط واحد. من سمات هذا التحول الهيكلي الاعتماد الحاد على الرقم الهيدروجيني للوسط ، حيث تعمل البروتونات على استقرار الهيكل الجديد. بسبب هذه الميزة ، تم تسمية الهيكل الجديد بالشكل H للحمض النووي ، والذي تم العثور على تكوينه في البلازميدات فائقة الالتفاف التي تحتوي على مناطق homopurine-homopyrimidine ، والتي هي تكرار المرآة.
في مزيد من الدراسات ، تم تحديد إمكانية الانتقال الهيكلي لبعض البولينيوكليوتيدات مزدوجة الشريطة من homopurine-homopyrimidine من خلال تكوين بنية ثلاثية الشرائط تحتوي على:
- homopurine واحد واثنين من خيوط homopyrimidine ( ثلاثي Py-Pu-Py) [تفاعل هوغستين].
الكتل المكونة لثلاثي Py-Pu-Py هي ثلاثية متشابهة CGC + وثلاثيات TAT. يتطلب استقرار الثلاثي بروتون ثلاثي CGC + ، لذلك تعتمد هذه الثلاثيات على الرقم الهيدروجيني للمحلول.
- واحد homopyrimidine واثنين من خيوط homopurine ( ثلاثي Py-Pu-Pu) [تفاعل Hoogsteen العكسي].
الكتل المكونة لثلاثي Py-Pu-Pu هي الثلاثيات المتشابهة CGG و TAA. تتمثل إحدى الخصائص الأساسية لثلاثي Py-Pu-Pu في اعتماد ثباتها على وجود أيونات مشحونة مضاعفة ، وهناك حاجة إلى أيونات مختلفة لتثبيت الثلاثيات من متواليات مختلفة. نظرًا لأن تكوين ثلاثي Py-Pu-Pu لا يتطلب بروتونات النيوكليوتيدات المكونة لها ، يمكن أن توجد هذه الثلاثيات عند درجة الحموضة المحايدة.
ملحوظة: يتم تفسير تفاعل Hoogsteen المباشر والعكسي من خلال تناظر 1-methylthymine: يؤدي دوران 180 درجة إلى حقيقة أن مكان ذرة O4 تحتلها ذرة O2 ، بينما يتم الحفاظ على نظام الروابط الهيدروجينية.
هناك نوعان من اللولب الثلاثي:
- اللولب الثلاثي المتوازي الذي يكون فيه قطبية الخيط الثالث هو نفسه قطبية السلسلة المثلية في Watson-Crick doublelex
- اللولب الثلاثي المضاد الموازي ، حيث تكون أقطاب السلاسل الثالثة وسلسلة homopurine متعاكسة.
رباعي G- 4-الذين تقطعت بهم السبل الحمض النووي. يتشكل مثل هذا الهيكل إذا كان هناك أربعة جوانين ، والتي تشكل ما يسمى G-quadruplex - رقصة مستديرة من أربعة جوانين.
تم الحصول على الإشارات الأولى لإمكانية تكوين مثل هذه الهياكل قبل فترة طويلة من العمل الخارق لـ Watson and Crick - في وقت مبكر من عام 1910. ثم اكتشف الكيميائي الألماني إيفار بانغ أن أحد مكونات الحمض النووي - حمض جوانوسيك - يشكل مواد هلامية بتركيزات عالية ، في حين أن المكونات الأخرى للحمض النووي لا تمتلك هذه الخاصية.
في عام 1962 ، باستخدام طريقة حيود الأشعة السينية ، كان من الممكن تحديد بنية الخلية لهذا الهلام. اتضح أنها تتكون من أربعة بقايا جوانين ، وتربط بعضها البعض في دائرة وتشكل مربعًا مميزًا. في الوسط ، يتم دعم الرابطة بواسطة أيون معدني (Na ، K ، Mg). يمكن تكوين نفس الهياكل في الحمض النووي إذا كان يحتوي على الكثير من الجوانين. يتم تكديس هذه المربعات المسطحة (G-quartets) لتشكيل هياكل كثيفة ومستقرة إلى حد ما (G-quadruplexes).
يمكن نسج أربعة خيوط منفصلة من الحمض النووي في مجمعات من أربع خيوط ، لكن هذا استثناء. في كثير من الأحيان ، يتم ربط خيط واحد من الحمض النووي ببساطة في عقدة ، مما يؤدي إلى تكوين ثخانات مميزة (على سبيل المثال ، في نهايات الكروموسومات) ، أو يشكل الحمض النووي مزدوج الشريطة رباعيًا محليًا في بعض المواقع الغنية بالجوانين.
أكثر ما تم دراسته هو وجود الانعكاسات الرباعية في نهايات الكروموسومات - على التيلوميرات وفي المحفزات الورمية. ومع ذلك ، لا يزال الفهم الكامل لتوطين مثل هذا الحمض النووي في الكروموسومات البشرية غير معروف.
كل هذه الهياكل غير العادية للحمض النووي في الشكل الخطي غير مستقرة مقارنة بالشكل ب من الحمض النووي. ومع ذلك ، غالبًا ما يوجد الحمض النووي في شكل حلقة من التوتر الطوبولوجي عندما يحتوي على ما يعرف باسم الالتفاف الفائق. في ظل هذه الظروف ، تتشكل هياكل الحمض النووي غير المتعارف عليها بسهولة: أشكال Z ، و "الصلبان" و "دبابيس الشعر" ، وأشكال H ، و ganine quadruplexes ، و i-motif.
- شكل فائق الالتواء - يُلاحظ عند إطلاقه من نواة الخلية دون الإضرار بالعمود الفقري للبنتوز والفوسفات. لها شكل حلقات مغلقة مفرطة التواء. في حالة الالتواء الفائق ، يكون اللولب المزدوج للحمض النووي "ملتويًا على نفسه" مرة واحدة على الأقل ، أي أنه يحتوي على ملف فائق واحد على الأقل (يأخذ شكل الشكل الثامن).
- حالة استرخاء من الحمض النووي - لوحظ بقطع واحد (كسر حبلا واحد). في هذه الحالة ، تختفي الملفات الفائقة ويأخذ الحمض النووي شكل حلقة مغلقة.
- يُلاحظ الشكل الخطي للحمض النووي عندما يتم كسر خيطين من اللولب المزدوج.
البنية الثلاثية للحمض النووي
البنية الثلاثية للحمض النوويتتشكل نتيجة التواء إضافي في الفضاء لجزيء مزدوج الشريطة - الالتواء الفائق. يتم إجراء الالتواء الفائق لجزيء الحمض النووي في الخلايا حقيقية النواة ، على عكس بدائيات النوى ، في شكل مجمعات بها بروتينات.
يقع كل DNA حقيقيات النوى تقريبًا في كروموسومات النوى ، وتوجد كمية صغيرة منه في الميتوكوندريا والنباتات والبلاستيدات. المادة الرئيسية لكروموسومات الخلايا حقيقية النواة (بما في ذلك الكروموسومات البشرية) هي الكروماتين ، وتتكون من بروتينات DNA مزدوجة الشريطة وهيستون وبروتينات غير هيستون.
بروتينات هيستون من الكروماتين
الهيستونات عبارة عن بروتينات بسيطة تشكل ما يصل إلى 50٪ من الكروماتين. في جميع الخلايا المدروسة من الحيوانات والنباتات ، تم العثور على خمس فئات رئيسية من الهيستونات: H1 ، H2A ، H2B ، H3 ، H4 ، تختلف في الحجم ، وتركيب الأحماض الأمينية والشحنة (موجبة دائمًا).
يتكون هيستون Mammalian H1 من سلسلة بولي ببتيد واحدة تحتوي على ما يقرب من 215 حمضًا أمينيًا ؛ تختلف أحجام الهستونات الأخرى من 100 إلى 135 من الأحماض الأمينية. كل منهم حلزوني وملفوف في كرة قطرها حوالي 2.5 نانومتر ، تحتوي على كمية كبيرة بشكل غير عادي من الأحماض الأمينية موجبة الشحنة ليسين وأرجينين. يمكن أسيتات الهستونات ، ميثلة ، فسفرة ، بولي (ADP) - ريبوسيليتيد ، ويمكن ربط الهيستونات H2A و H2B تساهميًا مع يوبيكويتين. ما هو دور هذه التعديلات في تكوين هيكل وأداء الوظائف بواسطة الهيستونات لم يتم توضيحه بالكامل بعد. من المفترض أن هذه هي قدرتها على التفاعل مع الحمض النووي وتوفير إحدى الآليات لتنظيم عمل الجينات.
تتفاعل الهيستونات مع الحمض النووي بشكل أساسي من خلال الروابط الأيونية (جسور الملح) التي تتكون بين مجموعات الفوسفات سالبة الشحنة في الحمض النووي وبقايا الهيستونات ذات الشحنة الموجبة والليسين والأرجينين.
بروتينات الكروماتين غير هيستون
تتنوع البروتينات غير الهيستون بشكل كبير ، على عكس الهستونات. تم عزل ما يصل إلى 590 جزءًا مختلفًا من البروتينات غير الهيستونية المرتبطة بالحمض النووي. وتسمى أيضًا البروتينات الحمضية ، حيث تسود الأحماض الأمينية الحمضية في بنيتها (وهي بوليانيون). يرتبط التنظيم المحدد لنشاط الكروماتين بمجموعة متنوعة من البروتينات غير الهيستون. على سبيل المثال ، يمكن أن ترتبط الإنزيمات الضرورية لتكرار الحمض النووي والتعبير عنه بالكروماتين بشكل عابر. البروتينات الأخرى ، كما يقول المتورطون في عمليات تنظيمية مختلفة ، ترتبط بالحمض النووي فقط في أنسجة معينة أو في مراحل معينة من التمايز. كل بروتين مكمل لسلسلة معينة من نيوكليوتيدات الدنا (موقع DNA). تشمل هذه المجموعة:
- عائلة من بروتينات أصابع الزنك الخاصة بالموقع. يتعرف كل "إصبع من الزنك" على موقع محدد يتكون من 5 أزواج من النيوكليوتيدات.
- عائلة من البروتينات الخاصة بالموقع - المتجانسة. ولجزء من هذا البروتين المتصل بالحمض النووي بنية "حلزونية دورانية".
- البروتينات عالية الحركة (بروتينات HMG - من بروتينات الهلام الإنجليزية عالية الحركة) هي مجموعة من البروتينات الهيكلية والتنظيمية التي ترتبط باستمرار بالكروماتين. يقل وزنها الجزيئي عن 30 كيلو دالتون وتتميز بمحتوى عالٍ من الأحماض الأمينية المشحونة. نظرًا لوزنها الجزيئي المنخفض ، فإن بروتينات HMG شديدة الحركة أثناء الرحلان الكهربائي للهلام متعدد الأكريلاميد.
- إنزيمات النسخ والنسخ والإصلاح.
بمشاركة البروتينات الهيكلية والتنظيمية والإنزيمات المشاركة في تخليق DNA و RNA ، يتم تحويل الخيط النووي إلى مركب عالي الكثافة من البروتينات والحمض النووي. الهيكل الناتج أقصر بـ 10000 مرة من جزيء الحمض النووي الأصلي.
الكروماتينية
الكروماتين عبارة عن مركب من البروتينات مع الحمض النووي النووي والمواد غير العضوية. معظم الكروماتين غير نشط. يحتوي على DNA مكثف ومكثف. هذا هو الهيتروكروماتين. هناك كروماتين تأسيسي غير نشط وراثيًا (DNA ساتلي) يتكون من مناطق غير معبر عنها ، واختياري - غير نشط في عدد من الأجيال ، ولكن في ظل ظروف معينة قادرة على التعبير.
الكروماتين النشط (كروماتين حقيقي) غير مكثف ، أي معبأة بإحكام أقل. في الخلايا المختلفة ، يتراوح محتواها من 2 إلى 11٪. في خلايا الدماغ هي الأكثر - 10-11 ٪ ، في خلايا الكبد - 3-4 والكلى - 2-3 ٪. هناك نسخ نشط من كروماتين حقيقي. في الوقت نفسه ، يتيح تنظيمها الهيكلي إمكانية استخدام نفس المعلومات الجينية للحمض النووي المتأصلة في نوع معين من الكائنات الحية بطرق مختلفة في الخلايا المتخصصة.
في المجهر الإلكتروني ، تشبه صورة الكروماتين الخرز: سماكات كروية يبلغ حجمها حوالي 10 نانومتر ، مفصولة بجسور خيطية. تسمى هذه التكثيفات الكروية nucleosomes. النواة هي الوحدة الهيكلية للكروماتين. يحتوي كل نيوكليوسوم على جرح مقطع DNA فائق الالتفاف بطول 146 نقطة أساس ليشكل 1.75 لفة يسار لكل نواة نيوكليوسوم. النواة النووية عبارة عن أوكتامر هيستون يتكون من هيستون H2A و H2B و H3 و H4 ، جزيئين من كل نوع (الشكل 9) ، والذي يشبه قرصًا يبلغ قطره 11 نانومتر وسمكه 5.7 نانومتر. الهستون الخامس ، H1 ، ليس جزءًا من النواة النووية ولا يشارك في عملية لف الحمض النووي حول أوكتامر هيستون. إنه يتصل بالحمض النووي عند النقاط التي يدخل فيها اللولب المزدوج ويخرج من النواة النووية. هذه أقسام (رابط) بين النوى من الحمض النووي ، ويختلف طولها اعتمادًا على نوع الخلية من 40 إلى 50 زوجًا من النوكليوتيدات. نتيجة لذلك ، يختلف طول جزء الحمض النووي الذي يعد جزءًا من النيوكليوسومات أيضًا (من 186 إلى 196 زوجًا من النيوكليوتيدات).
يحتوي النوكليوسوم على حوالي 90٪ من الحمض النووي ، والباقي منه هو الرابط. يُعتقد أن النيوكليوسومات عبارة عن أجزاء من الكروماتين "الصامت" ، بينما يكون الرابط نشطًا. ومع ذلك ، يمكن أن تتكشف النيوكليوسومات وتصبح خطية. النيوكليوسومات غير المطوية هي كروماتين نشط بالفعل. يوضح هذا بوضوح اعتماد الوظيفة على الهيكل. يمكن افتراض أنه كلما زاد عدد الكروماتين في تكوين النيوكليوزومات الكروية ، كان نشاطه أقل. من الواضح ، في الخلايا المختلفة ، ترتبط النسبة غير المتكافئة من الكروماتين الساكن بعدد هذه النيوكليوسومات.
في الصور المجهرية الإلكترونية ، اعتمادًا على ظروف العزل ودرجة التمدد ، يمكن أن يبدو الكروماتين ليس فقط كخيط طويل مع سماكة - "خرزات" من الجسيمات النووية ، ولكن أيضًا كليف أقصر وأكثر كثافة بقطر من 30 نانومتر ، لوحظ تكوينها أثناء تفاعل هيستون H1 المرتبط بمنطقة رابط الحمض النووي وهيستون H3 ، مما يؤدي إلى التواء إضافي للحلزون المكون من ستة نيوكليوسومات في كل دور مع تكوين ملف لولبي بقطر 30 نانومتر . في هذه الحالة ، يمكن أن يتداخل بروتين هيستون مع نسخ عدد من الجينات وبالتالي تنظيم نشاطها.
نتيجة لتفاعلات الحمض النووي مع الهيستونات الموصوفة أعلاه ، يتحول جزء من الحلزون المزدوج للحمض النووي المكون من 186 زوجًا قاعديًا بمتوسط قطر 2 نانومتر وطول 57 نانومتر إلى حلزون بقطر 10 نانومتر وطوله من 5 نانومتر. مع الضغط اللاحق لهذا اللولب على ألياف قطرها 30 نانومتر ، تزداد درجة التكثيف ست مرات أخرى.
في النهاية ، ينتج عن تغليف الحمض النووي المزدوج بخمس هيستونات تكاثف للحمض النووي بمقدار 50 ضعفًا. ومع ذلك ، حتى هذه الدرجة العالية من التكثيف لا يمكن أن تفسر ما يقرب من 50000 إلى 100000 ضعف انضغاط الحمض النووي في كروموسوم الطور الطوري. لسوء الحظ ، لم تُعرف بعد تفاصيل التعبئة الإضافية للكروماتين حتى كروموسوم الطور الطوري ؛ لذلك ، يمكن فقط النظر في السمات العامة لهذه العملية.
مستويات انضغاط الحمض النووي في الكروموسومات
يتم حزم كل جزيء DNA في كروموسوم منفصل. تحتوي الخلايا البشرية ثنائية الصبغيات على 46 كروموسومًا ، والتي تقع في نواة الخلية. يبلغ الطول الإجمالي للحمض النووي لجميع كروموسومات الخلية 1.74 مترًا ، لكن قطر النواة التي تتراكم فيها الكروموسومات أصغر بملايين المرات. يتم توفير مثل هذا الحشو المضغوط للحمض النووي في الكروموسومات والكروموسومات في نواة الخلية من خلال مجموعة متنوعة من بروتينات هيستون وغير هيستون التي تتفاعل في تسلسل معين مع الحمض النووي (انظر أعلاه). يجعل انضغاط الحمض النووي في الكروموسومات من الممكن تقليل أبعاده الخطية بحوالي 10000 مرة - بشكل مشروط من 5 سم إلى 5 ميكرون. هناك عدة مستويات من الانضغاط (الشكل 10).
- الحلزون المزدوج للحمض النووي هو جزيء سالب الشحنة يبلغ قطره 2 نانومتر ويبلغ طوله عدة سنتيمترات.
- المستوى النووي- ينظر الكروماتين في المجهر الإلكتروني على أنه سلسلة من "الخرزات" - النيوكليوزومات - "على خيط". النواة هي وحدة هيكلية عالمية توجد في كل من euchromatin و heterochromatin ، في نواة الطور البيني والكروموسومات الطورية.
يتم توفير المستوى النووي للضغط بواسطة بروتينات خاصة - هيستونات. تشكل ثمانية نطاقات هيستون موجبة الشحنة نواة (نواة) الجسيم النووي الذي يلتف حوله جزيء DNA سالب الشحنة. هذا يعطي تقصيرًا بمعامل 7 ، بينما يزيد القطر من 2 إلى 11 نانومتر.
- مستوى الملف اللولبي
يتميز مستوى الملف اللولبي لتنظيم الكروموسوم بالتواء الخيوط النووية وتشكيل ألياف أكثر سمكًا بقطر 20-35 نانومتر منه - ملفات لولبية أو سوبيربد. تبلغ مساحة الملف اللولبي 11 نانومتر ، ويوجد حوالي 6-10 نيوكليوسومات في كل دورة. تعتبر تعبئة الملف اللولبي أكثر احتمالية من التعبئة الفائقة ، والتي بموجبها يكون ليف الكروماتين بقطر 20-35 نانومتر عبارة عن سلسلة من الحبيبات أو المواد الفائقة ، كل منها يتكون من ثمانية نيوكليوسومات. على مستوى الملف اللولبي ، يتم تقليل الحجم الخطي للحمض النووي بمقدار 6-10 مرات ، ويزيد القطر إلى 30 نانومتر.
- مستوى الحلقة
يتم توفير مستوى الحلقة بواسطة بروتينات مرتبطة بالحمض النووي المرتبطة بموقع غير هيستون والتي تتعرف على متواليات DNA محددة وترتبط بها ، وتشكل حلقات من حوالي 30-300 كيلو بايت. تضمن الحلقة التعبير الجيني ، أي الحلقة ليست هيكلية فحسب ، بل هي أيضًا تشكيل وظيفي. التقصير عند هذا المستوى يحدث بنسبة 20-30 مرة. يزيد القطر إلى 300 نانومتر. يمكن رؤية هياكل "فرشاة المصباح" الشبيهة بالحلقة في البويضات البرمائية في المستحضرات الخلوية. يبدو أن هذه الحلقات ملفوفة بشكل فائق وتمثل مجالات الحمض النووي ، وربما تتوافق مع وحدات نسخ الكروماتين وتكرارها. تقوم بروتينات معينة بإصلاح قواعد الحلقات ، وربما بعض مناطقها الداخلية. تسهل منظمة المجال الشبيه بالحلقة طي الكروماتين في الكروموسومات الطورية إلى هياكل حلزونية ذات أوامر أعلى.
- مستوى المجال
لم يتم دراسة مستوى مجال تنظيم الكروموسوم بشكل كافٍ. في هذا المستوى ، يتم ملاحظة تكوين مجالات الحلقة - هياكل الشعيرات (الألياف) بسماكة 25-30 نانومتر ، والتي تحتوي على 60٪ بروتين ، 35٪ DNA و 5٪ RNA ، تكون غير مرئية عمليًا في جميع مراحل دورة الخلية مع باستثناء الانقسام الفتيلي ويتم توزيعها بشكل عشوائي إلى حد ما على نواة الخلية. يمكن رؤية هياكل "فرشاة المصباح" الشبيهة بالحلقة في البويضات البرمائية في المستحضرات الخلوية.
ترتبط مجالات الحلقة بقاعدتها بمصفوفة البروتين داخل النواة في ما يسمى بمواقع المرفقات المضمنة ، والتي يشار إليها غالبًا باسم متواليات MAR / SAR (MAR ، من المنطقة المرتبطة بالمصفوفة الإنجليزية ؛ SAR ، من مناطق مرفق السقالة الإنجليزية) - يتكسر الحمض النووي عدة مئات من أزواج القواعد الطويلة التي تتميز بمحتوى عالٍ (> 65٪) من أزواج قاعدة A / T. يبدو أن كل مجال له أصل واحد من النسخ المتماثل ويعمل كوحدة مستقلة ذات ملف فائق. يحتوي أي مجال حلقة على العديد من وحدات النسخ ، والتي من المحتمل أن يتم تنسيق عملها - يكون المجال بأكمله إما في حالة نشطة أو غير نشطة.
على مستوى المجال ، نتيجة للتعبئة المتسلسلة للكروماتين ، تقل الأبعاد الخطية للحمض النووي بنحو 200 مرة (700 نانومتر).
- مستوى الكروموسوم
على المستوى الكروموسومي ، يتكثف كروموسوم الطور الأول في الطور الأول مع ضغط مجالات الحلقة حول الإطار المحوري للبروتينات غير الهيستون. ويرافق هذا الالتفاف الفائق عملية فسفرة لجميع جزيئات H1 في الخلية. نتيجة لذلك ، يمكن تصوير كروموسوم الطور الطوري على أنه حلقات ملف لولبي معبأة بكثافة ملفوفة في دوامة ضيقة. يمكن أن يحتوي الكروموسوم البشري النموذجي على ما يصل إلى 2600 حلقة. يصل سمك هذا الهيكل إلى 1400 نانومتر (كروماتيدان) ، بينما يتم تقصير جزيء الحمض النووي بمقدار 104 مرات ، أي امتدت من 5 سم DNA إلى 5 ميكرومتر.
وظائف الكروموسومات
في التفاعل مع الآليات خارج الصبغيات ، توفر الكروموسومات
- تخزين المعلومات الوراثية
- استخدام هذه المعلومات لإنشاء التنظيم الخلوي والحفاظ عليه
- تنظيم قراءة المعلومات الوراثية
- الاستنساخ الذاتي للمادة الوراثية
- نقل المادة الوراثية من الخلية الأم إلى الخلايا الوليدة.
هناك دليل على أنه عند تنشيط منطقة الكروماتين ، أي أثناء النسخ ، تتم إزالة هيستون H1 بشكل عكسي منه أولاً ، ثم ثمان هيستون. يؤدي هذا إلى إلغاء تكثيف الكروماتين ، والانتقال المتتالي لليف كروماتين يبلغ طوله 30 نانومتر إلى خيوط بطول 10 نانومتر ، ثم تتكشف في مناطق الحمض النووي الحرة ، أي فقدان التركيب النووي.
جزيء الحمض النووي - مصدر سري لبيانات الحياة
لا يترك تقدم العلم أي مجال للشك في أن الكائنات الحية لها بنية معقدة للغاية وتنظيم مثالي للغاية ، ولا يمكن اعتبار ظهورها عرضيًا. وهذا يشهد على حقيقة أن الكائنات الحية هي من خلق الخالق تعالى ، صاحب أعلى معرفة. في الآونة الأخيرة ، على سبيل المثال ، مع شرح التركيب الكامل للجين البشري ، والذي أصبح مهمة مهمة لمشروع الجينوم البشري ، ظهر الخلق الفريد لله مرة أخرى في المقدمة.
من الولايات المتحدة إلى الصين ، حاول العلماء في جميع أنحاء العالم فك شفرة 3 مليارات حرف كيميائي في جزيء الحمض النووي لمدة عقد تقريبًا وتحديد تسلسلها. نتيجة لذلك ، يمكن ترتيب 85٪ من البيانات الموجودة في جزيء الحمض النووي للبشر. على الرغم من أن هذا التطور مثير ومهم ، يقول الدكتور فرانسيس كولينز ، الذي يرأس مشروع الجينوم البشري ، إنه في هذه المرحلة من دراسة بنية جزيء الحمض النووي وفي فك تشفير المعلومات ، لم يتم اتخاذ سوى الخطوة الأولى.
لكي نفهم لماذا يستغرق فك تشفير هذه المعلومات وقتًا طويلاً ، يجب أن نفهم طبيعة المعلومات المخزنة في بنية جزيء الحمض النووي.
التركيب السري لجزيء الحمض النووي
في إنتاج منتج تكنولوجي أو في إدارة مصنع ، فإن أكثر الأدوات استخدامًا هي الخبرة وتراكم المعرفة المكتسبة على مدى قرون عديدة.
كيف يمكن لسلسلة غير مرئية للعين ، تتكون من ذرات مجمعة على شكل مسارات ، بحجم واحد من المليار من المليمتر ، أن تتمتع بهذه السعة من المعلومات والذاكرة؟
يضاف إلى هذا السؤال ما يلي: إذا كانت كل خلية من 100 تريليون خلية في جسمك تعرف مليون صفحة من المعلومات عن ظهر قلب ، فكم عدد الصفحات الموسوعية التي يمكنك ، كشخص ذكي وواعي ، تذكرها في حياتك؟ الشيء الأكثر أهمية هو أن الخلية تستخدم هذه المعلومات بشكل لا تشوبه شائبة ، وبطريقة مخططة ومتسقة للغاية ، في الأماكن الصحيحة ولا ترتكب أخطاء أبدًا. حتى قبل أن يولد الإنسان في العالم ، بدأت خلاياه بالفعل في عملية تكوينه.
لقد سمع الجميع تقريبًا عن وجود جزيئات الحمض النووي في الخلايا الحية ويعرفون أن هذا الجزيء مسؤول عن نقل المعلومات الوراثية. مجموعة ضخمة من الأفلام المختلفة ، بدرجة أو بأخرى ، تبني حبكاتها على خصائص جزيء صغير ، لكن فخور ، مهم جدًا.
ومع ذلك ، قلة من الناس يمكنهم على الأقل شرح ما هو بالضبط جزء من جزيء الحمض النووي وكيف تعمل عمليات قراءة كل هذه المعلومات حول "بنية الكائن الحي بأكمله". قلة فقط هي القادرة على قراءة "حمض الديوكسي ريبونوكلييك" دون تردد.
دعنا نحاول معرفة ما يتكون منه وما يبدو أنه أهم جزيء لكل واحد منا.
هيكل الارتباط الهيكلي - النوكليوتيدات
يتضمن تكوين جزيء الحمض النووي العديد من الوحدات الهيكلية ، لأنه بوليمر حيوي. البوليمر هو جزيء ضخم يتكون من العديد من الأجزاء المتكررة الصغيرة المتصلة في سلسلة. تمامًا مثل السلسلة مكونة من روابط.
الوحدة الهيكلية لجزيء الحمض النووي هي النيوكليوتيدات. يتضمن تكوين النيوكليوتيدات لجزيء الحمض النووي بقايا ثلاث مواد - حمض الفوسفوريك ، والسكاريد (ديوكسيريبوز) وأحد القواعد الأربع المحتملة المحتوية على النيتروجين.
يتضمن تكوين جزيء الحمض النووي القواعد النيتروجينية: الأدينين (A) والجوانين (G) والسيتوزين (C) والثيمين (T).
يتم عرض تكوين سلسلة النيوكليوتيدات من خلال تناوب القواعد المدرجة فيها: -AAGCGTTAGCACGT- ، إلخ. يمكن أن يكون التسلسل أي. هذا يشكل خيطًا واحدًا من الحمض النووي.
جزيء حلزوني. ظاهرة التكامل
إن حجم جزيء الحمض النووي البشري ضخم للغاية (على مقياس الجزيئات الأخرى بالطبع)! يحتوي جينوم الخلية الواحدة (46 كروموسومًا) على ما يقرب من 3.1 مليار زوج قاعدي. يبلغ طول سلسلة الدنا المكونة من عدد من الوصلات مترين تقريبًا. من الصعب تخيل كيف يمكن وضع مثل هذا الجزيء الضخم داخل خلية صغيرة.
لكن الطبيعة اهتمت بحزمة أكثر إحكاما وحماية جينومها - هناك سلسلتان مترابطتان بواسطة قواعد نيتروجينية وتشكلان حلزونًا مزدوجًا معروفًا. وبالتالي ، من الممكن تقليل طول الجزيء بنحو ستة أضعاف.
يتم تحديد ترتيب تفاعل القواعد النيتروجينية بدقة من خلال ظاهرة التكامل. يمكن للأدينين أن يرتبط بالثيمين فقط ، بينما السيتوزين يمكن أن يرتبط بالجوانين فقط. تتلاءم هذه الأزواج التكميلية معًا مثل المفتاح والقفل ، مثل قطع الألغاز.
الآن دعنا نحسب مقدار الذاكرة في الكمبيوتر (جيدًا ، أو على محرك أقراص محمول) ، يجب أن تشغل جميع المعلومات حول هذا الجزيء الصغير (على مقياس عالمنا). عدد الأزواج الأساسية هو 3.1 × 10 9. هناك 4 قيم في المجموع ، مما يعني أن 2 بت من المعلومات كافية لزوج واحد (قيمتان 2). نضرب كل هذا في بعضنا البعض ونحصل على 6200000000 بت أو 775000000 بايت أو 775000 كيلو بايت أو 775 ميغا بايت. وهو ما يتوافق تقريبًا مع سعة قرص مضغوط أو حجم سلسلة أفلام مدتها 40 دقيقة بجودة متوسطة.
تكوين الكروموسوم. تحديد الجينوم البشري
بالإضافة إلى التصاعد ، يتعرض الجزيء بشكل متكرر للضغط. يبدأ اللولب المزدوج في الالتواء مثل كرة الخيط - وتسمى هذه العملية الالتفاف الفائق وتحدث بمساعدة بروتين هيستون الخاص ، حيث يتم لف السلسلة مثل الملف.
تقلل هذه العملية من طول الجزيء بمقدار 25-30 مرة أخرى. عند تعرضك لعدة مستويات من التعبئة والتغليف ، وأكثر ضغطًا ، فإن جزيء DNA واحد ، جنبًا إلى جنب مع البروتينات المساعدة ، يشكل كروموسومًا.
يتم تحديد جميع المعلومات التي تتعلق بشكل ونوع وخصائص أداء الجسم من خلال مجموعة من الجينات. الجين هو قسم محدد بدقة من جزيء الحمض النووي. يتكون من سلسلة غير متغيرة من النيوكليوتيدات. علاوة على ذلك ، يتم تحديد الجين بشكل صارم ليس فقط من خلال تكوينه ، ولكن أيضًا من خلال موقعه بالنسبة لأجزاء أخرى من السلسلة.
حمض الريبونوكليك ودوره في تخليق البروتين
بالإضافة إلى الحمض النووي ، هناك أنواع أخرى من الأحماض النووية - الرسول ، والنقل ، والحمض النووي الريبوزومي (الحمض النووي الريبي). سلاسل RNA أصغر وأقصر بكثير ، مما يجعلها قادرة على اختراق الغشاء النووي.
جزيء الحمض النووي الريبي هو أيضًا بوليمر حيوي. تشبه شظاياها الهيكلية تلك التي تشكل جزءًا من الحمض النووي مع استثناء صغير من السكريد (الريبوز بدلاً من الديوكسيريبوز). هناك أربعة أنواع من القواعد النيتروجينية: مألوفة لدينا A و G و C و uracil (U) بدلاً من الثايمين. الصورة أعلاه توضح كل هذا بوضوح.
جزيء الحمض النووي الضخم قادر على نقل المعلومات إلى الحمض النووي الريبي في شكل غير مجدول. يحدث فك اللولب بمساعدة إنزيم خاص يفصل اللولب المزدوج إلى سلاسل منفصلة - مثل نصفي قفل السوستة.
في الوقت نفسه ، يتم إنشاء سلسلة RNA تكميلية موازية لسلسلة DNA. بعد نسخ المعلومات والوصول من النواة إلى بيئة الخلية ، تبدأ سلسلة RNA عمليات تخليق البروتين المشفر بواسطة الجين. يحدث تخليق البروتين في عضيات خلوية خاصة - الريبوسومات.
الريبوسوم ، كما يقرأ السلسلة ، يحدد التسلسل الذي يجب أن يتم فيه توصيل الأحماض الأمينية ، واحدة تلو الأخرى - حيث يتم قراءة المعلومات في الحمض النووي الريبي. بعد ذلك ، تأخذ السلسلة المركبة من الأحماض الأمينية شكلًا ثلاثي الأبعاد معينًا.
هذا الجزيء الهيكلي الضخم هو بروتين قادر على أداء الوظائف المشفرة للإنزيمات والهرمونات والمستقبلات ومواد البناء.
الاستنتاجات
بالنسبة لأي كائن حي ، فإن البروتين (البروتين) هو المنتج النهائي لكل جين. البروتينات هي التي تحدد جميع الأشكال والخصائص والصفات المشفرة في خلايانا.
قراء المدونة الأعزاء ، هل تعرف مكان وجود الحمض النووي ، اترك التعليقات أو المراجعات التي ترغب في معرفتها. شخص ما سيجد هذا مفيد جدا!
الأحماض غير المؤكسدة الريبية (DNA) ، المركبات الطبيعية عالية البوليمر الموجودة في نوى خلايا الكائنات الحية ؛ جنبا إلى جنب مع البروتينات ، تشكل الهستونات مادة الكروموسومات. الحمض النووي هو الناقل للمعلومات الجينية ، وتتوافق أقسامه الفردية مع جينات معينة. يتكون جزيء الحمض النووي من سلسلتين من عديد النوكليوتيدات ملتوية إحداهما حول الأخرى في حلزون. السلاسل مبنية من عدد كبير من المونومرات من 4 أنواع - النيوكليوتيدات ، يتم تحديد خصوصيتها بواسطة إحدى القواعد النيتروجينية الأربعة (الأدينين ، الجوانين ، السيتوزين ، الثايمين). تشكل مجموعات ثلاثة نيوكليوتيدات متجاورة في سلسلة الحمض النووي (ثلاثة توائم ، أو كودونات) الشفرة الجينية. تؤدي انتهاكات تسلسل النوكليوتيدات في سلسلة الحمض النووي إلى تغييرات وراثية في الجسم - طفرات. يتم استنساخ الحمض النووي بدقة أثناء الانقسام الخلوي ، مما يضمن انتقال السمات الوراثية وأشكال معينة من التمثيل الغذائي في عدد من الأجيال من الخلايا والكائنات الحية.
أحماض ديوكسي ريبونوكلييك (دنا) ، أحماض نووية تحتوي على ديوكسي ريبوز كمكون كربوهيدرات. الحمض النووي هو المكون الرئيسي للكروموسومات لجميع الكائنات الحية ؛ إنه يمثل جينات جميع الكائنات الأولية وحقيقيات النوى ، وكذلك جينومات العديد من الفيروسات. في تسلسل النيوكليوتيدات للحمض النووي ، يتم تسجيل المعلومات الجينية (مشفرة) حول جميع ميزات الأنواع وخصائص الفرد (الفرد) - التركيب الوراثي. ينظم الحمض النووي التخليق الحيوي لمكونات الخلايا والأنسجة ، ويحدد نشاط الكائن الحي طوال حياته.
تاريخ اكتشاف ودراسة الحمض النووي
في منتصف القرن التاسع عشر ، ثبت أن القدرة على وراثة خصائص معينة للكائنات الحية مرتبطة بالمواد الموجودة في نواة الخلية. في 1868-1872. قام عالم الكيمياء الحيوية السويسري آي إف ميشر بعزل مادة من الخلايا الصديدية (الكريات البيض) وحيوانات منوية السلمون ، والتي أطلق عليها اسم النوكلين ، ثم أطلق عليها لاحقًا اسم حمض الديوكسي ريبونوكليك.
في نهاية القرن التاسع عشر - بداية القرن العشرين. بفضل عمل L. Kessel و P. Levene و E. Fisher وآخرون ، وجد أن جزيئات الحمض النووي عبارة عن سلاسل بوليمر خطية تتكون من عدة آلاف من المونومرات المتصلة ببعضها البعض - deoxyribonucleotides من أربعة أنواع. تتكون هذه النيوكليوتيدات من بقايا سكر ديوكسيريبوز مكون من خمسة كربون ، وحمض الفوسفوريك ، وأحد القواعد النيتروجينية الأربعة: البيورينات - الأدينين والجوانين ، والبيريميدين - السيتوزين والثايمين. لتعيين القواعد ، بدأوا في استخدام الأحرف الأولية لأسمائهم باللغة الإنجليزية أو الروسية (في الأدب العلمي باللغة الروسية): A ، G (G) ، C (C) و T ، على التوالي.
لفترة طويلة كان يعتقد أن الحمض النووي موجود فقط في الخلايا الحيوانية ، حتى ثلاثينيات القرن الماضي. لم يُظهر عالم الكيمياء الحيوية الروسي A.N. Belozersky أن الحمض النووي عنصر أساسي في جميع الخلايا الحية. تم الحصول على أول دليل على الدور الجيني للحمض النووي (كمادة للوراثة) في عام 1944 من قبل مجموعة من العلماء الأمريكيين (أو. يمكن نقلها من خلية إلى أخرى.
بحلول منتصف القرن العشرين أوضح عمل العلماء البريطانيين (أ. تود وآخرون) في النهاية بنية النيوكليوتيدات ، التي تعمل كروابط أحادية في جزيء الحمض النووي ، ونوع الرابطة بين النوكليوتيدات. ترتبط جميع النيوكليوتيدات ببعضها البعض من خلال رابطة فوسفوديستر 3 "- ، 5" بحيث تعمل بقايا حمض الفوسفوريك كحلقة وصل بين ذرة 3 "كربون من deoxyribose لنيوكليوتيد واحد و 5" ذرة كربونية من deoxyribose نيوكليوتيد آخر. بناءً على ذلك ، يتم عزل الطرف 3 والنهاية 5 للجزيء في كل خيط DNA.
هيكل الحمض النووي. اكتشاف "الحلزون المزدوج"
في عام 1950 ، اكتشف عالم الكيمياء الحيوية الأمريكي E.Chargaff اختلافات كبيرة في تكوين النيوكليوتيدات للحمض النووي من مصادر مختلفة. بالإضافة إلى ذلك ، اتضح أن تكوين النيوكليوتيدات في جزيء الحمض النووي يخضع لعدد من الأنماط ، أهمها المساواة في العدد الإجمالي لقواعد البيورين والبيريميدين والمساواة في كمية الأدينين والقصدير (AT) والجوانين والسيتوزين (GC). في عام 1953 ، اقترح عالم الكيمياء الحيوية الأمريكي J. Watson والفيزيائي الإنجليزي F. Crick ، بناءً على تحليل حيود الأشعة السينية لبلورات الحمض النووي (مختبر M. Wilkins) واستنادًا إلى بيانات Chargaff ، نموذجًا ثلاثي الأبعاد لهيكلها. وفقًا لهذا النموذج ، فإن جزيئات الحمض النووي عبارة عن سلسلتين عديد النوكليوتيد الأيمن حول محور مشترك ، أو حلزون مزدوج. يوجد ما يقرب من 10 بقايا نيوكليوتيدات في كل دورة من اللولب. الخيوط في هذا اللولب المزدوج مضادة للتوازي ، أي أنها تشير في اتجاهين متعاكسين ، بحيث يكون الطرف 3 "من الخيط الواحد مقابل الطرف 5" للطرف الآخر.
تتكون العمود الفقري للسلاسل من بقايا الديوكسيريبوز ومجموعات الفوسفات سالبة الشحنة. هم على السطح الخارجي للحلزون المزدوج (الذي يواجه سطح الجزيء). قواعد البيورين والبيريميدين ضعيفة الذوبان في الماء (الكارهة للماء) لكلا السلسلتين موجهة إلى الداخل وتقع بشكل عمودي على محور اللولب المزدوج.
سلاسل عديد النوكليوتيدات المضادة للتوازي للحلزون المزدوج للحمض النووي ليست متطابقة في أي من التسلسل الأساسي أو تكوين النيوكليوتيدات. ومع ذلك ، فهي مكملة لبعضها البعض: أينما يظهر الأدينين في سلسلة واحدة ، فإن الثايمين سيقف بالضرورة مقابله في السلسلة الأخرى ، وسيتوزين السلسلة الأخرى بالضرورة مقابل الجوانين في سلسلة واحدة. هذا يعني أن تسلسل القواعد في إحدى السلاسل يحدد بشكل فريد تسلسل القواعد في السلسلة (التكميلية) الأخرى للجزيء. علاوة على ذلك ، تشكل أزواج القواعد هذه روابط هيدروجينية مع بعضها البعض (توجد ثلاثة روابط في زوج G-C واثنان بين A-T). تلعب الروابط الهيدروجينية والتفاعلات الكارهة للماء دورًا رئيسيًا في تثبيت الحلزون المزدوج للحمض النووي.
يتسبب التسخين والتغيرات الكبيرة في الأس الهيدروجيني وعدد من العوامل الأخرى في تمسخ جزيء الحمض النووي ، مما يؤدي إلى فصل سلاسله. في ظل ظروف معينة ، من الممكن استعادة البنية الأصلية (الأصلية) لجزيء الحمض النووي ، وإعادة تكوينه. إن قدرة سلاسل الحمض النووي التكميلية على الفصل بسهولة ثم استعادة الهيكل الأصلي مرة أخرى هي أساس التكاثر الذاتي لجزيء الحمض النووي ، وتكرارها (مضاعفته): إذا تم تقسيم سلسلتين مكملتين للحمض النووي ، ثم على كل منهما ، كما هو الحال في مصفوفة ، بناء سلاسل جديدة ومتكاملة بدقة ، فإن الجزيئين المشكَّلين حديثًا سيكونان متطابقين مع الأصل. أتاح اكتشاف هذا المبدأ تفسير ظاهرة الوراثة على المستوى الجزيئي.
أوجه التشابه والاختلاف في بنية الحمض النووي الطبيعي. أبعاد
يتكون كل الحمض النووي الطبيعي تقريبًا من خيطين (باستثناء الحمض النووي أحادي السلسلة لبعض الفيروسات). في هذه الحالة ، يمكن أن يكون الحمض النووي خطيًا أو دائريًا (عندما يتم إغلاق نهايات الجزيء تساهميًا). في الخلايا بدائية النواة ، يتم تنظيم الحمض النووي في كروموسوم واحد (نوكليويد) ويمثله جزيء كبير دائري بوزن جزيئي يزيد عن 10. بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي بعض البكتيريا على بلازميدات واحدة أو أكثر - جزيئات DNA دائرية صغيرة غير مرتبطة بـ كروموسوم. في حقيقيات النوى ، يقع الجزء الأكبر من الحمض النووي في نواة الخلية كجزء من الكروموسومات (DNA النووي). يوجد في كل كروموسوم حقيقي النواة جزيء DNA خطي واحد فقط ، ولكن نظرًا لوجود مجموعة مزدوجة من الكروموسومات المتماثلة في جميع الخلايا حقيقية النواة (باستثناء الجنس) ، يتم تمثيل الحمض النووي بنسختين غير متطابقتين يتلقاهما الجسم من الأب والأم أثناء اندماج الخلايا الجرثومية. الوزن الجزيئي للحمض النووي حقيقيات النوى أعلى من وزن بدائيات النوى (على سبيل المثال ، في أحد كروموسومات ذبابة الفاكهة ذبابة الفاكهة ، يصل إلى 7.9 × 1010). بالإضافة إلى ذلك ، يتضمن تكوين الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء جزيئات DNA دائرية بوزن جزيئي يبلغ 106-107. يسمى الحمض النووي لهذه العضيات السيتوبلازم. يشكل حوالي 0.1٪ من الحمض النووي الخلوي.
عادة ما يتم التعبير عن أحجام جزيئات الحمض النووي عن طريق عدد النيوكليوتيدات التي تشكلها. تختلف هذه الأحجام من عدة آلاف من أزواج القواعد في البلازميدات البكتيرية وبعض الفيروسات إلى مئات الآلاف من أزواج القواعد في الكائنات الحية الأعلى. يجب أن تكون هذه الجزيئات العملاقة مضغوطة للغاية في الخلايا والفيروسات. على سبيل المثال ، يبلغ طول نوكليوتيد الحمض النووي للإشريكية القولونية ، والذي يتكون من حوالي أربعة ملايين زوج قاعدي ، 1.4 ملم ، أي 700 ضعف حجم الخلية البكتيرية نفسها. يبلغ الطول الإجمالي للحمض النووي في خلية بشرية واحدة تقريبًا 2 متر. إذا أخذنا في الاعتبار أن جسم الإنسان البالغ يتكون من حوالي 1013 خلية ، فيجب أن يكون الطول الإجمالي لكل الحمض النووي البشري حوالي 2 × 1013 مترًا ، أو 2 × 1010 كم ( للمقارنة: محيط الكرة الأرضية - 4x104 كم ، والمسافة من الأرض إلى الشمس - 1.44 × 108 كم). كيف يحدث تغليف جزيئات الحمض النووي العملاقة في حجم صغير من الخلية أو الفيروس؟ الحلزون المزدوج للحمض النووي ليس جامدًا تمامًا ، مما يجعل من الممكن تكوين مكامن الخلل ، والحلقات ، وتركيبات الملف الفائق ، وما إلى ذلك. في النواة البكتيرية ، يتم دعم هذا الطي بعدد صغير من البروتينات الخاصة ، وربما الأحماض النووية الريبية. في الخلايا حقيقية النواة ، بمساعدة مجموعة عالمية من بروتينات الهيستون الأساسية وبعض البروتينات غير الهيستون ، يتم تحويل الحمض النووي إلى تكوين مضغوط للغاية - الكروماتين ، وهو المكون الرئيسي للكروموسومات. على سبيل المثال ، يبلغ طول الحمض النووي لأكبر كروموسوم بشري 8 سم ، وفي تكوين الكروموسوم ، بسبب التعبئة ، لا يتجاوز 8 نانومتر.
تسمى المقاطع المنفصلة من الحمض النووي التي تشفر البنية الأساسية للبروتين (عديد الببتيد) والحمض النووي الريبي الجينات. يتم تسجيل المعلومات الوراثية في تسلسل خطي من النيوكليوتيدات. في الكائنات الحية المختلفة ، يكون فرديًا تمامًا ويعمل كأهم خاصية تميز جزيء DNA عن الآخر ، وبالتالي ، جين واحد عن الآخر. تختلف الحيوانات من الأنواع المختلفة عن بعضها البعض لأن جزيئات الحمض النووي لخلاياها لها تسلسلات نيوكليوتيدات مختلفة ، أي أنها تحمل معلومات مختلفة.
التخليق الحيوي للحمض النووي
يحدث التخليق الحيوي للحمض النووي من خلال الاستنساخ ، والذي يضمن النسخ الدقيق للمعلومات الجينية ونقلها من جيل إلى جيل. تحدث هذه العملية بمشاركة إنزيم بوليميريز DNA. يمكن أيضًا أن يعمل جزيء الحمض النووي الريبي (RNA) وحيد الخيط (وحيد الخيط) كقالب لتخليق الحمض النووي ، والذي يحدث ، على سبيل المثال ، عند إصابة الخلايا بالفيروسات القهقرية (بما في ذلك فيروس الإيدز). تتضمن دورة حياة هذه الفيروسات تدفقًا عكسيًا للمعلومات - من RNA إلى DNA. في هذه الحالة ، يتم إجراء النسخ التكميلي للـ RNA إلى DNA باستخدام إنزيم المنتسخة العكسية. خلال حياة الكائنات الحية ، يمكن أن يتعرض الحمض النووي الخاص بها تحت تأثير العوامل الخارجية لأضرار مختلفة (طفرات) مرتبطة بانتهاك بنية القواعد النيتروجينية. في سياق التطور ، طورت الخلايا آليات وقائية تضمن استعادة بنيتها الأصلية - إصلاح الحمض النووي.
تم تطوير طرق فعالة لتحديد تسلسل النوكليوتيدات في جزيئات الحمض النووي ، وبفضل ذلك تراكمت معلومات واسعة حول هيكلها الأساسي في جينات العديد من الفيروسات ، وبعض الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء ، وكذلك الجينات الفردية وأجزاء من الجينوم الكبير. تم تحديد تسلسل النوكليوتيدات للحمض النووي للخميرة والديدان الخيطية (150 مليون زوج قاعدي) بالكامل. في إطار البرنامج الدولي "الجينوم البشري" ، تم الانتهاء بشكل أساسي من إنشاء تسلسل النوكليوتيدات لجميع الحمض النووي في الجينوم البشري (3 مليارات زوج قاعدي).
معرفة تسلسل تناوب النوكليوتيدات في جزيء DNA أمر مهم في تحليل الأمراض الوراثية البشرية ، في عزل الجينات الفردية وأقسام الحمض النووي الأخرى المهمة وظيفيًا ؛ يسمح ، باستخدام الشفرة الجينية ، بإنشاء البنية الأساسية للبروتينات المشفرة بواسطة جينات معينة بشكل لا لبس فيه. تُستخدم المعلومات حول التركيب الأساسي للحمض النووي على نطاق واسع في الهندسة الوراثية لإنشاء جزيئات DNA المؤتلفة ذات الخصائص المرغوبة ، بما في ذلك مكونات الحمض النووي من كائنات مختلفة.
