مقدمة عن DNA
حمض ديوكسي ريبونوكلييك هو حمض نووي وهو بولي نيوكليوتيد يتكون من سلسلة من العديد من النيوكليوتيدات. الجزيء الحيوي الموجود في الكروموسومات هو الناقل للمعلومات الجينية في جميع الكائنات الحية وفي العديد من الفيروسات (فيروسات الدنا ، الفيروسات القهقرية) ، أي الأساس المادي للجينات.
في الحالة الطبيعية ، يتكون الحمض النووي على شكل حلزون مزدوج. تتكون اللبنات الأساسية الخاصة به من أربعة نيوكليوتيدات مختلفة ، يتكون كل منها من بقايا الفوسفات والسكر ديوكسيريبوز وواحدة من أربع قواعد عضوية (الأدينين والثايمين والجوانين والسيتوزين ، وغالبًا ما يتم اختصارها كـ A و T و G و C).
تحتوي الجينات الموجودة في الحمض النووي على المعلومات الخاصة بإنتاج الأحماض النووية الريبية. في جينات ترميز البروتين ، هذه مجموعة مهمة من الحمض النووي الريبي ، مرنا. وهو بدوره يحتوي على معلومات لبناء البروتينات الضرورية للتطور البيولوجي للكائن الحي والتمثيل الغذائي في الخلية. يحدد تسلسل القواعد هنا تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين المعني: يشفر الكود الجيني حمض أميني محدد بثلاث قواعد متجاورة لكل منها.
في خلايا حقيقيات النوى ، والتي تشمل أيضًا النباتات والحيوانات والفطريات ، يتم تنظيم غالبية الحمض النووي في نواة الخلية (النواة اللاتينية ، وبالتالي الحمض النووي النووي أو nDNA) على شكل كروموسومات. يقع جزء صغير في الميتوكوندريا ، “محطات الطاقة” للخلايا ، وبالتالي يُسمى DNA الميتوكوندريا (mtDNA). تحتوي النباتات والطحالب أيضًا على DNA في عضيات التمثيل الضوئي أو البلاستيدات الخضراء أو البلاستيدات (cpDNA). في البكتيريا والعتيقة – بدائيات النوى التي ليس لها نواة خلية – يقع الحمض النووي في السيتوبلازم. بعض الفيروسات ، التي تسمى فيروسات RNA ، تخزن معلوماتها الجينية في RNA بدلاً من DNA.
حرره كريستينا سوردز ، دكتوراه.
هيكل وتنظيم الحمض النووي
اللبنات
حمض الديوكسي ريبونوكلييك هو جزيء طويل السلسلة (بوليمر) يتكون من العديد من لبنات البناء تسمى ديوكسي ريبونوكليوتيدات أو نيوكليوتيدات لفترة قصيرة. يحتوي كل نيوكليوتيد على ثلاثة مكونات: حمض الفوسفوريك أو الفوسفات ، ومزيل الأكسجين وقاعدة النواة أو القاعدة الحلقية غير المتجانسة. الوحدات الفرعية deoxyribose و phosphoric acid هي نفسها لكل نوكليوتيد. أنها تشكل العمود الفقري للجزيء. تسمى وحدات القاعدة والسكر (بدون الفوسفات) نوكليوزيدات.
بقايا الفوسفات محبة للماء بسبب شحنتها السالبة ؛ يعطون الحمض النووي في محلول مائي شحنة سالبة شاملة. نظرًا لأن هذا الحمض النووي المشحون سالبًا المذاب في الماء لا يمكن أن يعطي أي بروتونات أخرى ، فهو بالمعنى الدقيق للكلمة (لم يعد) حمضًا. يشير مصطلح حمض الديوكسي ريبونوكلييك إلى حالة غير مشحونة يتم فيها ربط البروتونات ببقايا الفوسفات.
يمكن أن تكون القاعدة البيورين ، أي الأدينين (A) أو الجوانين (G) ، أو بيريميدين ، أي الثايمين (T) أو السيتوزين (C). نظرًا لاختلاف النيوكليوتيدات الأربعة المختلفة في قاعدتها فقط ، فإن الاختصارات A و G و T و C تُستخدم أيضًا للنيوكليوتيدات المقابلة.
تم ترقيم ذرات الكربون الخمس في الديوكسيريبوز من 1 ‘إلى 5’. القاعدة مرتبطة بالطرف 1 من هذا السكر. يتم إرفاق بقايا الفوسفات بالطرف 5. بالمعنى الدقيق للكلمة ، deoxyribose هو 2-deoxyribose ؛ يأتي الاسم من حقيقة أنه بالمقارنة مع جزيء الريبوز ، فإن مجموعة هيدروكسي كحولية (مجموعة OH) مفقودة في الموضع 2 ‘(أي تم استبدالها بذرة هيدروجين).
في الموضع 3 ‘هناك مجموعة OH التي تربط deoxyribose بذرة 5’-carbon من سكر النيوكليوتيد التالي عبر ما يسمى برابطة phosphodiester. وبالتالي ، فإن كل ما يسمى بالخيط الفردي له نهايتان مختلفتان: نهاية 5 و 3. إن بوليميرات الحمض النووي التي تصنع خيوط الحمض النووي في العالم الحي يمكنها فقط ربط نيوكليوتيدات جديدة بمجموعة OH في نهاية 3 ، ولكن ليس في نهاية 5. لذلك فإن الخيط الفردي ينمو دائمًا من 5 إلى 3. يتم توفير ثلاثي فوسفات النوكليوزيد (مع ثلاث بقايا فوسفات) ككتلة بناء جديدة ، ينفصل منها اثنان من الفوسفات على شكل بيروفوسفات. يتم توصيل بقايا الفوسفات المتبقية لكل نيوكليوتيد مضاف حديثًا بمجموعة OH في الطرف 3 ‘من آخر نيوكليوتيد موجود في الشريط عن طريق فصل الماء. يقوم تسلسل القواعد في الخيط بترميز المعلومات الجينية.
الحلزون المزدوج
يحدث الحمض النووي عادةً على شكل حلزون مزدوج حلزوني في شكل يسمى B-DNA. اثنين من الخيوط المفردة الموصوفة أعلاه مرتبطة ببعضها البعض في اتجاهين متعاكسين: في كل طرف من طرفي الحلزون المزدوج ، يكون لأحد الخيوط الفردية نهاية 3 ، والآخر له نهاية 5. بسبب التجاور ، توجد قاعدتان محددتان دائمًا مقابل بعضهما البعض في منتصف اللولب المزدوج ، وهما “زوجان”. يتم تثبيت اللولب المزدوج بشكل أساسي عن طريق تكديس التفاعلات بين القواعد المتتالية لنفس الخيط (وليس ، كما يُزعم غالبًا ، بواسطة روابط الهيدروجين بين الخيوط).
دائمًا ما يقترن الأدينين والثيمين ، مكونين رابطتين هيدروجينيتين ، أو السيتوزين مع الجوانين ، والتي ترتبط بثلاث روابط هيدروجينية. يتم تشكيل جسر بين المواضع الجزيئية 1═1 و 6═6 ، وفي حالة أزواج الجوانين والسيتوزين بالإضافة إلى ذلك بين 2═2. نظرًا لأن القواعد نفسها يتم إقرانها دائمًا ، يمكن استخدام تسلسل القواعد في أحد الخيطين لاشتقاق تلك الموجودة في الخيط الآخر ، فإن التسلسلات تكميلية. تكاد تكون الروابط الهيدروجينية مسؤولة بشكل حصري عن خصوصية الاقتران ، ولكن ليس عن استقرار اللولب المزدوج.
نظرًا لأنه يتم دائمًا دمج البيورين مع بيريميدين ، فإن المسافة بين الخيوط هي نفسها في كل مكان ، يتم تكوين بنية منتظمة. يبلغ قطر اللولب كله حوالي 2 نانومتر والرياح بمقدار 0.34 نانومتر مع كل جزيء سكر.
تكون مستويات جزيئات السكر بزاوية 36 درجة لبعضها البعض ، وبالتالي يتم تحقيق الدوران الكامل بعد 10 قواعد (360 درجة) و 3.4 نانومتر. يمكن أن تصبح جزيئات الحمض النووي كبيرة جدًا. على سبيل المثال ، يحتوي أكبر كروموسوم بشري على 247 مليون زوج أساسي.
عندما يتم لف الخيطين الفرديين معًا ، تبقى الفجوات الجانبية ، بحيث تكون القواعد هنا مباشرة على السطح. هناك نوعان من هذه الأخاديد التي تدور حول الحلزون المزدوج (انظر الرسوم التوضيحية والرسوم المتحركة في بداية المقال). يبلغ عرض “الأخدود الكبير” 2.2 نانومتر ، بينما يبلغ عرض “الأخدود الصغير” 1.2 نانومتر فقط.
وفقًا لذلك ، يسهل الوصول إلى القواعد الموجودة في الأخدود الكبير. البروتينات التي ترتبط بالحمض النووي بطريقة محددة التسلسل ، مثل عوامل النسخ ، عادة ما ترتبط بالأخدود الكبير.
بعض أصباغ الحمض النووي ، على سبيل المثال DAPI ، ترتبط أيضًا بأخدود.
طاقة الربط التراكمية بين الخيطين الفرديين تجمعهما معًا. الروابط التساهمية غير موجودة هنا ، مما يعني أن الحلزون المزدوج للحمض النووي لا يتكون من جزيء واحد ، بل جزيئين. هذا يسمح بفصل الخيطين مؤقتًا في العمليات البيولوجية.
بالإضافة إلى B-DNA الذي تم وصفه للتو ، هناك أيضًا A-DNA و Z-DNA أعسر ، والتي تمت دراستها لأول مرة في عام 1979 من قبل Alexander Rich وزملائه في MIT. يحدث هذا بشكل خاص في أقسام GC الغنية. لم يتم الإبلاغ حتى عام 2005 عن بنية بلورية تُظهر Z-DNA مباشرة في مركب يحتوي على B-DNA وبالتالي توفر دليلًا على النشاط البيولوجي لـ Z-DNA. يوضح الجدول التالي والشكل المجاور الاختلافات بين الأشكال الثلاثة في المقارنة المباشرة.
لا تكون الرصّات الأساسية موازية تمامًا لبعضها البعض مثل الكتب ، ولكنها تشكل أسافين تميل اللولب في اتجاه واحد أو آخر. يتكون أكبر إسفين من الأدينوزين المقترن بالثيميدين من الخيط الآخر. وبالتالي ، تشكل سلسلة من أزواج AT قوسًا في اللولب. عندما تتبع هذه السلسلة بعضها البعض على فترات قصيرة ، يفترض جزيء الحمض النووي بنية منحنية أو منحنية ، وهي مستقرة. ويسمى هذا أيضًا الانعراج الناجم عن التسلسل ، حيث يمكن أيضًا أن يحدث الانعراج بواسطة البروتينات (ما يسمى الانعراج الناجم عن البروتين). غالبًا ما يوجد الحيود الناجم عن التسلسل في مواقع مهمة في الجينوم.
الكروماتين والكروموسومات
الكروموسومات البشرية في الطور الأخير لانقسام نواة الخلية الانقسامية: يظهر كل كروموسوم اثنين من الكروموسومات ، والتي يتم فصلها في الطور الأول وتنقسم إلى نواتين خلويتين.
في الخلية حقيقية النواة ، يتم تنظيم الحمض النووي على شكل خيوط كروماتين ، تسمى الكروموسومات ، والتي توجد في نواة الخلية. يحتوي الكروموسوم الفردي على خيط مزدوج طويل ومستمر من الحمض النووي (في كروماتيد) من الطور الصاعد إلى بداية المرحلة S. في نهاية المرحلة S ، يتكون الكروموسوم من شريطين متطابقين من الحمض النووي (في كروماتيدات).
نظرًا لأن خيط الدنا هذا يمكن أن يكون بطول عدة سنتيمترات ، لكن نواة الخلية يبلغ قطرها بضعة ميكرومتر فقط ، يجب ضغط الحمض النووي أو “تعبئته”. في حقيقيات النوى ، يتم ذلك باستخدام بروتينات الكروماتين ، والتي تعتبر الهستونات الأساسية منها جديرة بالملاحظة بشكل خاص. إنها تشكل النيوكليوسومات التي يتم لف الحمض النووي حولها عند أدنى مستوى للتعبئة. أثناء الانقسام النووي (الانقسام) ، يتم تكثيف كل كروموسوم إلى أقصى شكل مضغوط. هذا يسمح بتحديدها بشكل جيد تحت المجهر الضوئي أثناء الطور الرئيسي.
الحمض النووي البكتيري والفيروسي
في الخلايا بدائية النواة ، فإن غالبية الحمض النووي مزدوج السلسلة في الحالات الموثقة حتى الآن غير موجود كخيوط خطية مع بداية ونهاية لكل منها ، ولكن كجزيئات دائرية – كل جزيء (أي كل خيط DNA) يغلق دائرة بـ 3 “و 5”. يُطلق على جزيئي الحمض النووي الدائرية والمغلقة اسم كروموسوم بكتيري أو بلازميد ، اعتمادًا على طول التسلسل. في البكتيريا ، لا توجد أيضًا في نواة الخلية ، ولكنها موجودة بحرية في البلازما. يتم تحويل الحمض النووي بدائيات النواة إلى “لفائف فائقة” بسيطة بمساعدة الإنزيمات (على سبيل المثال التوبويزوميراز والجيراميز) ، والتي تشبه سلك الهاتف الحلقي. من خلال الاستمرار في تدوير اللوالب حول نفسها ، يتم تقليل المساحة المطلوبة للمعلومات الجينية. في البكتيريا ، تضمن الإيزوميراز العلوي أن الخيط المزدوج الملتوي يتم انتزاعه في الموقع المطلوب عن طريق قطع الحمض النووي وإعادة الانضمام إليه باستمرار (شرط أساسي لنسخ الحمض النووي وتكرار الحمض النووي). اعتمادًا على النوع ، تحتوي الفيروسات إما على DNA أو RNA كمعلومات وراثية. في كل من فيروسات DNA و RNA ، يكون الحمض النووي محميًا بغلاف بروتيني.
الخصائص الكيميائية والفيزيائية لهيكل الحلزون المزدوج للحمض النووي
في درجة الحموضة المحايدة ، الحمض النووي هو جزيء سالب الشحنة ، مع وجود الشحنات السالبة على مجموعات الفوسفات في العمود الفقري للخيوط. على الرغم من أن مجموعتين من مجموعات OH الحمضية الثلاث من الفوسفات يتم استراتهما باستخدام الديوكسيريبوزيات المجاورة ، إلا أن المجموعة الثالثة لا تزال موجودة وتطلق بروتونًا عند درجة الحموضة المحايدة ، مما يسبب الشحنة السلبية. تُستخدم هذه الخاصية في الرحلان الكهربائي لهلام الاغاروز لفصل خيوط الدنا المختلفة وفقًا لطولها. ترتبط بعض الخصائص الفيزيائية مثل الطاقة الحرة ونقطة انصهار الحمض النووي ارتباطًا مباشرًا بمحتوى GC ، أي أنها تعتمد على التسلسل.
تفاعلات مكدس الحمض النووي
هناك عاملان رئيسيان مسؤولان عن استقرار اللولب المزدوج: الاقتران الأساسي بين القواعد التكميلية والتفاعلات التراصية بين القواعد المتتالية.
على عكس الافتراض الأولي ، فإن اكتساب الطاقة من خلال الروابط الهيدروجينية لا يكاد يذكر ، حيث يمكن للقواعد أن تشكل روابط هيدروجينية جيدة بالمثل مع المياه المحيطة. تساهم الروابط الهيدروجينية لزوج قاعدة GC فقط في الحد الأدنى من استقرار اللولب المزدوج ، في حين أن روابط زوج القاعدة AT لها تأثير مزعزع للاستقرار. من ناحية أخرى ، يكون لتفاعلات المكدس تأثير فقط في الحلزون المزدوج بين أزواج القاعدة المتتالية: بين أنظمة الحلقة العطرية للقواعد الحلقية غير المتجانسة ، يتم تكوين تفاعل ثنائي القطب الناجم عن ثنائي القطب ، وهو أمر موات بقوة. وبالتالي ، فإن تشكيل الزوج الأساسي الأول غير مواتٍ تمامًا نظرًا لانخفاض اكتساب الطاقة وفقدانها ، لكن استطالة (إطالة) اللولب مواتية بقوة ، نظرًا لأن تكديس الزوج الأساسي يحدث تحت اكتساب الطاقة.
ومع ذلك ، فإن تفاعلات التراص تعتمد على التسلسل والأكثر ملاءمة من حيث الطاقة لـ GC-GC المكدسة ، وهي أقل ملاءمة لـ AT-AT المكدس. تفسر الاختلافات في تفاعلات التراص بشكل أساسي سبب كون أقسام الحمض النووي الغنية بالـ GC أكثر ثباتًا من الناحية الديناميكية الحرارية من الأقسام الغنية بـ AT ، بينما تلعب الرابطة الهيدروجينية دورًا ثانويًا.
نقطة انصهار الحمض النووي
نقطة انصهار الحمض النووي هي درجة الحرارة التي يتم فيها التغلب على قوى الربط بين الخيطين الفرديين وفصلهما عن بعضهما البعض. هذا يسمى أيضا تمسخ.
طالما تم تغيير طبيعة الحمض النووي في تحول تعاوني (يحدث في نطاق درجة حرارة ضيق) ، فإن نقطة الانصهار هي درجة الحرارة التي يتم فيها تغيير طبيعة نصف الخيوط المزدوجة إلى خيوط مفردة. من هذا التعريف ، يتم اشتقاق المصطلحات الصحيحة “نقطة منتصف درجة حرارة الانتقال” Tm.
تعتمد نقطة الانصهار على تسلسل القاعدة المعني في اللولب. يزداد إذا كان هناك المزيد من أزواج قاعدة GC في اللولب ، نظرًا لأن هذه الأزواج أكثر ملاءمة من الناحية الإنتروبية من أزواج القاعدة AT. لا يرجع هذا كثيرًا إلى العدد المختلف للروابط الهيدروجينية التي شكلها الزوجان ، بل يرجع إلى تفاعلات التراص المختلفة. تكون طاقة التراص لاثنين من الأزواج الأساسية أصغر بكثير إذا كان أحد الزوجين هو زوج قاعدة AT. من ناحية أخرى ، تكون مكدسات GC أكثر ملاءمة من الناحية النشطة وتثبت اللولب المزدوج بقوة أكبر. يتم إعطاء نسبة أزواج قاعدة GC إلى العدد الإجمالي لجميع الأزواج الأساسية بواسطة محتوى GC.
نظرًا لأن الحمض النووي أحادي السلسلة يمتص ضوء الأشعة فوق البنفسجية بقوة 40 بالمائة تقريبًا من الحمض النووي مزدوج الشريطة ، يمكن بسهولة تحديد درجة حرارة الانتقال في مقياس الضوء.
إذا انخفضت درجة حرارة المحلول إلى ما دون Tm ، فيمكن للخيوط المفردة أن تلتصق ببعضها البعض. تسمى هذه العملية إعادة التشبع أو التهجين. يتم استغلال التفاعل بين إزالة وإعادة التشبع في العديد من عمليات التكنولوجيا الحيوية ، على سبيل المثال في تفاعل البلمرة المتسلسل (PCR) ، والبقع الجنوبية والتهجين في الموقع.
هل أعجبك منشور المدونة هذا؟ يمكنك إيجاد المزيد من المنشورات حول الحمض النووي وعلم الوراثة والتسلسل هنا !
قد تكون مهتمًا بمنشورات المدونة التالية ذات الصلة:
