Skip to main content
Global

9.1: מבנה ה- DNA

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    208871

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    בשנות החמישים עבדו פרנסיס קריק וג'יימס ווטסון יחד באוניברסיטת קיימברידג ', אנגליה, כדי לקבוע את מבנה ה- DNA. מדענים אחרים, כמו לינוס פאולינג ומוריס וילקינס, חקרו גם הם תחום זה באופן פעיל. פאולינג גילה את המבנה המשני של חלבונים באמצעות קריסטלוגרפיה של קרני רנטגן. קריסטלוגרפיה של קרני רנטגן היא שיטה לחקר המבנה המולקולרי על ידי התבוננות בדפוסים הנוצרים על ידי צילומי רנטגן שנורו דרך גביש של החומר. הדפוסים נותנים מידע חשוב על מבנה המולקולה המעניינת. במעבדה של וילקינס, החוקרת רוזלינד פרנקלין השתמשה בקריסטלוגרפיה של קרני רנטגן כדי להבין את מבנה ה- DNA. ווטסון וקריק הצליחו לחבר את הפאזל של מולקולת ה-DNA באמצעות הנתונים של פרנקלין (איור\(\PageIndex{1}\)). לווטסון וקריק היו גם פיסות מידע מרכזיות זמינות מחוקרים אחרים כגון כללי Chargaff. Chargaff הראה שמתוך ארבעת סוגי המונומרים (נוקלאוטידים) הקיימים במולקולת DNA, שני סוגים תמיד היו קיימים בכמויות שוות ושני הסוגים הנותרים היו תמיד נוכחים בכמויות שוות. פירוש הדבר שהם תמיד היו מזווגים בדרך כלשהי. בשנת 1962 זכו ג'יימס ווטסון, פרנסיס קריק ומוריס וילקינס בפרס נובל לרפואה על עבודתם בקביעת מבנה ה- DNA.

    תמונה בחלק א 'מציגה את ג'יימס ווטסון, פרנסיס קריק ומקלין מקארטי. דפוס עקיפת הרנטגן בחלק ב 'הוא סימטרי, עם נקודות בצורת x.
    איור\(\PageIndex{1}\): מדענים חלוצים (א) ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק מתוארים כאן עם הגנטיקאי האמריקאי מקלין מקארטי. המדענית רוזלינד פרנקלין גילתה (ב) את דפוס עקיפת הרנטגן של ה- DNA, שעזר להבהיר את מבנה הסליל הכפול שלו. (אשראי א: שינוי עבודה על ידי מרג'ורי מקארטי; ב: שינוי עבודה על ידי NIH)

    עכשיו בואו ניקח בחשבון את המבנה של שני סוגים של חומצות גרעין, חומצה deoxyribonucleic (DNA) וחומצה ribonucleic (RNA). אבני הבניין של ה- DNA הן נוקלאוטידים, המורכבים משלושה חלקים: דאוקסיריבוז (סוכר 5 פחמן), קבוצת פוספט ובסיס חנקני (איור). \(\PageIndex{2}\) ישנם ארבעה סוגים של בסיסים חנקניים ב- DNA. אדנין (A) וגואנין (G) הם פורינים בעלי טבעת כפולה, וציטוסין (C) ותימין (T) הם פירמידינים קטנים יותר עם טבעת אחת. הנוקלאוטיד נקרא על פי הבסיס החנקני שהוא מכיל.

    האיור מציג מבנה של נוקלאוטיד, המורכב מסוכר deoxyribose עם בסיס חנקני המחובר במיקום 1' וקבוצת פוספט המחוברת במיקום 5'. ישנם שני סוגים של בסיסים חנקניים: פירימידינים, בעלי טבעת אחת בעלת שישה איברים, ופורינים, בעלי טבעת בעלת שישה חברים התמזגה לטבעת בעלת חמישה איברים. ציטוסין ותימין הם פירמידינים, ואדנין וגואנין הם פורינים.
    איור\(\PageIndex{2}\): (א) כל נוקלאוטיד DNA מורכב מסוכר, קבוצת פוספט ובסיס. (ב) ציטוסין ותימין הם פירמידינים. גואנין ואדנין הם פורינים.

    קבוצת הפוספטים של נוקלאוטיד אחד נקשרת באופן קוולנטי עם מולקולת הסוכר של הנוקלאוטיד הבא, וכן הלאה, ויוצרת פולימר ארוך של מונומרים נוקלאוטידים. קבוצות הסוכר-פוספט מסתדרות ב"עמוד שדרה "עבור כל גדיל DNA בודד, ובסיסי הנוקלאוטידים בולטים מעמוד השדרה הזה. אטומי הפחמן של סוכר חמשת הפחמנים ממוספרים בכיוון השעון מהחמצן כ- 1 ', 2', 3', 4' ו- 5' (1' נקרא כ"פריים אחד "). קבוצת הפוספטים מחוברת לפחמן 5' של נוקלאוטיד אחד ולפחמן 3' של הנוקלאוטיד הבא. במצבה הטבעי, כל מולקולת DNA מורכבת למעשה משני גדילים בודדים המוחזקים יחד לאורכם עם קשרי מימן בין הבסיסים.

    ווטסון וקריק הציעו כי ה- DNA מורכב משני גדילים המפותלים זה סביב זה ליצירת סליל ימני, הנקרא סליל כפול. זיווג בסיסים מתרחש בין פורין לפירימידין: כלומר, זוגות A עם T ו- G זוגות עם C. במילים אחרות, אדנין ותימין הם זוגות בסיס משלימים, וציטוסין וגואנין הם גם זוגות בסיס משלימים. זה הבסיס לשלטונו של צ'ארגף; בגלל ההשלמה שלהם, יש אדנין כמו תימין במולקולת DNA וגואנין כמו ציטוסין. אדנין ותימין מחוברים על ידי שני קשרי מימן, וציטוסין וגואנין מחוברים על ידי שלושה קשרי מימן. שני הגדילים הם אנטי-מקבילים באופיים; כלומר, לחוט אחד יהיה הפחמן 3 'של הסוכר במצב "כלפי מעלה", ואילו בגדיל השני יהיה הפחמן 5' במצב כלפי מעלה. הקוטר של הסליל הכפול של ה-DNA אחיד לכל אורכו מכיוון שפורין (שתי טבעות) תמיד מזדווג עם פירמידין (טבעת אחת) ואורכיהם המשולבים תמיד שווים (איור). \(\PageIndex{3}\)

    חלק א 'מציג איור של סליל כפול של DNA, שיש לו עמוד שדרה של פוספט סוכר מבחוץ וזוגות בסיסים חנקניים מבפנים. חלק ב 'מראה זיווג בסיסים בין תימין לאדנין, היוצרים שני קשרי מימן, ובין גואנין לציטוסין, היוצרים שלושה קשרי מימן.
    איור\(\PageIndex{3}\): DNA (א) יוצר סליל כפול גדילי, ו- (ב) אדנין מזדווג עם תימין וציטוסין זוגות עם גואנין. (קרדיט א: שינוי עבודות מאת ג'רום ווקר, דניס מיטס)

    מבנה ה- RNA

    קיימת חומצת גרעין שנייה בכל התאים הנקראת חומצה ריבונוקלאית, או RNA. בדומה ל- DNA, RNA הוא פולימר של נוקלאוטידים. כל אחד מהנוקלאוטידים ב- RNA מורכב מבסיס חנקני, סוכר בעל חמישה פחמנים וקבוצת פוספט. במקרה של RNA, הסוכר בעל חמישה פחמנים הוא ריבוז, לא דאוקסיריבוז. לריבוז יש קבוצת הידרוקסיל בפחמן 2', בניגוד לדאוקסיריבוז, שיש לו רק אטום מימן (איור). \(\PageIndex{4}\)

    איור המציג את המבנה של סוכרים ריבוז ודאוקסיריבוז. בריבוז, ה- OH במיקום 2 'מודגש באדום. בדאוקסיריבוז, ה-H במיקום 2' מודגש באדום.
    איור\(\PageIndex{4}\): ההבדל בין הריבוז שנמצא ב-RNA לבין הדאוקסיריבוז שנמצא ב-DNA הוא שלריבוז יש קבוצת הידרוקסיל בפחמן 2'.

    נוקלאוטידים של RNA מכילים את הבסיסים החנקניים אדנין, ציטוסין וגואנין. עם זאת, הם אינם מכילים תימין, אשר מוחלף במקום זאת באורציל, המסומל על ידי "U." RNA קיים כמולקולה חד-גדילית ולא כסליל דו-גדילי. ביולוגים מולקולריים ציינו כמה סוגים של RNA על בסיס תפקידם. אלה כוללים RNA שליח (mRNA), העברת RNA (tRNA) ו- RNA ריבוזומלי (rRNA) - מולקולות המעורבות בייצור חלבונים מקוד ה- DNA.

    כיצד מסודרים DNA בתא

    DNA הוא מולקולה עובדת; יש לשכפל אותו כאשר תא מוכן להתחלק, ויש "לקרוא" אותו כדי לייצר את המולקולות, כמו חלבונים, כדי לבצע את תפקודי התא. מסיבה זו, ה- DNA מוגן וארוז בדרכים מאוד ספציפיות. בנוסף, מולקולות ה- DNA יכולות להיות ארוכות מאוד. מתוחות מקצה לקצה, מולקולות ה-DNA בתא אנושי בודד יגיעו לאורך של כ-2 מטרים. לפיכך, יש לארוז את ה-DNA לתא בצורה מסודרת מאוד כדי להתאים ולתפקד בתוך מבנה (התא) שאינו נראה לעין בלתי מזוינת. הכרומוזומים של פרוקריוטים פשוטים בהרבה מאלה של אוקריוטים ברבים מהתכונות שלהם (איור\(\PageIndex{5}\)). רוב הפרוקריוטים מכילים כרומוזום יחיד ומעגלי שנמצא באזור בציטופלזמה הנקרא נוקלאואיד.

    האיור מציג תא אוקריוטי, שיש לו גרעין קשור לממברנה המכיל כרומטין וגרעין, ותא פרוקריוטי, שיש לו DNA הכלול באזור הציטופלזמה הנקרא נוקלאואיד. התא הפרוקריוטי קטן בהרבה מהתא האוקריוטי.
    איור\(\PageIndex{5}\): אוקריוט מכיל גרעין מוגדר היטב, ואילו בפרוקריוטים הכרומוזום נמצא בציטופלזמה באזור הנקרא נוקלאואיד.

    גודל הגנום באחד הפרוקריוטים הנחקרים ביותר, Escherichia coli, הוא 4.6 מיליון זוגות בסיסים, אשר יתארכו מרחק של כ -1.6 מ"מ אם יימתחו. אז איך זה משתלב בתוך תא חיידקי קטן? ה-DNA מעוות מעבר לסליל הכפול במה שמכונה סליל-על. ידוע כי חלק מהחלבונים מעורבים בסליל העל; חלבונים ואנזימים אחרים מסייעים בשמירה על המבנה המפותל.

    אוקריוטים, שכל הכרומוזומים שלהם מורכבים ממולקולת DNA ליניארית, משתמשים בסוג אחר של אסטרטגיית אריזה כדי להתאים את ה-DNA שלהם בתוך הגרעין (איור\(\PageIndex{6}\)). ברמה הבסיסית ביותר, ה- DNA עטוף סביב חלבונים המכונים היסטונים ליצירת מבנים הנקראים נוקלאוזומים. ה- DNA עטוף בחוזקה סביב ליבת ההיסטון. נוקלאוזום זה מקושר לזה הבא על ידי גדיל קצר של DNA נטול היסטונים. זה ידוע גם כמבנה "חרוזים על חוט"; הנוקלאוזומים הם "החרוזים" ואורכי ה- DNA הקצרים ביניהם הם "המיתר". הנוקלאוזומים, עם ה-DNA שלהם מפותל סביבם, נערמים זה על זה בצורה קומפקטית ליצירת סיב ברוחב 30 ננומטר. סיב זה מפותל עוד יותר למבנה עבה וקומפקטי יותר. בשלב המטאפאזה של המיטוזה, כאשר הכרומוזומים מסודרים במרכז התא, הכרומוזומים דחוסים ביותר. רוחבם כ- 700 ננומטר, ונמצאים בשיתוף עם חלבוני פיגום.

    באינטרפאז, השלב של מחזור התא בין מיטוזות שבהן הכרומוזומים מפורקים, לכרומוזומים האוקריוטיים יש שני אזורים נפרדים שניתן להבחין בהם על ידי צביעה. יש אזור ארוז היטב שמכתים בחושך, ואזור פחות צפוף. האזורים המכתימים כהים מכילים בדרך כלל גנים שאינם פעילים, ונמצאים באזורי הצנטרומרים והטלומרים. האזורים המכתימים קלות מכילים בדרך כלל גנים פעילים, כאשר DNA ארוז סביב נוקלאוזומים אך אינו דחוס עוד יותר.

    האיור מראה רמות ארגון של כרומוזומים אוקריוטיים, החל מהסליל הכפול של ה-DNA, העוטף חלבוני היסטון. מולקולת ה-DNA כולה עוטפת אשכולות רבים של חלבוני היסטון, ויוצרת מבנה שנראה כמו חרוזים על חוט. הכרומטין מתעבה עוד יותר על ידי עטיפה סביב ליבת חלבון. התוצאה היא כרומוזום קומפקטי, המוצג בצורה משוכפלת.
    איור\(\PageIndex{6}\): נתונים אלה ממחישים את הדחיסה של הכרומוזום האוקריוטי.

    מושג בפעולה

    צפו באנימציה זו של אריזות DNA.

    סיכום

    המודל של מבנה הסליל הכפול של ה- DNA הוצע על ידי ווטסון וקריק. מולקולת ה- DNA היא פולימר של נוקלאוטידים. כל נוקלאוטיד מורכב מבסיס חנקני, סוכר בעל חמישה פחמנים (deoxyribose) וקבוצת פוספט. ישנם ארבעה בסיסים חנקניים ב- DNA, שני פורינים (אדנין וגואנין) ושני פירמידינים (ציטוסין ותימין). מולקולת DNA מורכבת משני גדילים. כל גדיל מורכב מנוקלאוטידים המחוברים זה לזה באופן קוולנטי בין קבוצת הפוספטים של אחד לסוכר הדאוקסיריבוז של הבא. מעמוד השדרה הזה מרחיבים את הבסיסים. הבסיסים של גדיל אחד נקשרים לבסיסי הגדיל השני עם קשרי מימן. אדנין תמיד נקשר לתימין, וציטוסין תמיד נקשר לגואנין. הקשר גורם לשני הגדילים להתפתל זה סביב זה בצורה הנקראת סליל כפול. חומצה ריבונוקלאית (RNA) היא חומצת גרעין שנייה המצויה בתאים. RNA הוא פולימר חד גדילי של נוקלאוטידים. זה גם שונה מ- DNA בכך שהוא מכיל את ריבוז הסוכר, ולא את הדאוקסיריבוז, ואת הנוקלאוטיד אורציל ולא את התימין. מולקולות RNA שונות מתפקדות בתהליך יצירת חלבונים מהקוד הגנטי ב- DNA.

    פרוקריוטים מכילים כרומוזום מעגלי יחיד דו-גדילי. אוקריוטים מכילים מולקולות DNA לינאריות דו-גדיליות הארוזות בכרומוזומים. סליל ה- DNA עטוף סביב חלבונים ליצירת נוקלאוזומים. סלילי החלבון מפותלים עוד יותר, ובמהלך המיטוזה והמיוזה, הכרומוזומים מתפתלים עוד יותר כדי להקל על תנועתם. לכרומוזומים יש שני אזורים נפרדים שניתן להבחין בהם על ידי צביעה, המשקפים דרגות אריזה שונות ונקבעים על ידי האם ה-DNA באזור מתבטא (אאוכרומטין) או לא (הטרוכרומטין).

    רשימת מילים

    דאוקסיריבוז
    מולקולת סוכר בעלת חמישה פחמנים עם אטום מימן ולא קבוצת הידרוקסיל במצב 2 '; מרכיב הסוכר של נוקלאוטידים של DNA
    סליל כפול
    הצורה המולקולרית של ה-DNA שבה שני גדילים של נוקלאוטידים מתפתלים זה סביב זה בצורה ספירלית
    בסיס חנקני
    מולקולה המכילה חנקן הפועלת כבסיס; מתייחס לעתים קרובות לאחד ממרכיבי הפורין או הפירימידין של חומצות גרעין
    קבוצת פוספט
    קבוצה מולקולרית המורכבת מאטום זרחן מרכזי הקשור לארבעה אטומי חמצן
     

    תורמים וייחוסים