Skip to main content
Global

3.5: الأحماض النووية

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    195985

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

    المهارات اللازمة للتطوير

    • وصف بنية الأحماض النووية وتحديد نوعي الأحماض النووية
    • شرح بنية ودور الحمض النووي
    • شرح هيكل وأدوار الحمض النووي الريبي

    الأحماض النووية هي أهم الجزيئات الكبيرة لاستمرارية الحياة. إنها تحمل المخطط الجيني للخلية وتحمل تعليمات لعمل الخلية.

    الحمض النووي والرنا

    النوعان الرئيسيان من الأحماض النووية هما حمض الديوكسي ريبونوكلييك (DNA) وحمض الريبونوكلييك (RNA). الحمض النووي هو المادة الوراثية الموجودة في جميع الكائنات الحية، بدءًا من البكتيريا أحادية الخلية إلى الثدييات متعددة الخلايا. توجد في نواة حقيقيات النوى وفي العضيات والبلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا. في بدائيات النواة، لا يتم وضع الحمض النووي في غلاف غشائي.

    يُعرف المحتوى الجيني الكامل للخلية باسم الجينوم الخاص بها، ودراسة الجينوم هي علم الجينوم. في الخلايا حقيقية النواة ولكن ليس في بدائيات النواة، يشكل الحمض النووي مركبًا من بروتينات الهستون لتكوين الكروماتين، وهو مادة الكروموسومات حقيقية النواة. قد يحتوي الكروموسوم على عشرات الآلاف من الجينات. تحتوي العديد من الجينات على المعلومات اللازمة لصنع منتجات البروتين؛ رموز الجينات الأخرى لمنتجات الحمض النووي الريبي. يتحكم الحمض النووي في جميع الأنشطة الخلوية عن طريق تشغيل الجينات أو «إيقاف تشغيلها».

    النوع الآخر من الحمض النووي، RNA، يشارك في الغالب في تخليق البروتين. لا تغادر جزيئات الحمض النووي النواة أبدًا ولكن بدلاً من ذلك تستخدم وسيطًا للتواصل مع بقية الخلية. هذا الوسيط هو رسول RNA (mRNA). تشارك أنواع أخرى من الحمض النووي الريبي - مثل الحمض النووي الريبي الريبي والحمض الريبي النووي الريبي والميكرورون - في تخليق البروتين وتنظيمه.

    يتكون الحمض النووي والحمض النووي الريبي من مونومرات تعرف باسم النيوكليوتيدات. تتحد النيوكليوتيدات مع بعضها البعض لتشكيل بولي نيوكليوتيد أو DNA أو RNA. يتكون كل نيوكليوتيد من ثلاثة مكونات: قاعدة نيتروجينية وسكر البنتوس (خمسة كربون) ومجموعة الفوسفات (الشكل\(\PageIndex{1}\)). ترتبط كل قاعدة نيتروجينية في النوكليوتيد بجزيء السكر المرتبط بمجموعة واحدة أو أكثر من مجموعات الفوسفات.

    يظهر التركيب الجزيئي للنيوكليوتيد. جوهر النوكليوتيد هو البنتوس الذي يتم ترقيم بقايا الكربون فيه من أولي إلى خمسة أولي. ترتبط القاعدة بالكربون الرئيسي الواحد، ويتم ربط الفوسفات بالكربون الرئيسي الخمسة. يوجد نوعان من البنتوس في النيوكليوتيدات: الريبوز والديوكسيريبوز. يحتوي الديوكسيريبوز على H بدلاً من OH في المركزين الرئيسيين. توجد خمسة أنواع من القاعدة في النيوكليوتيدات. اثنان منها، الأدينين والجيوانين، هما قاعدتان من البيورين مع حلقتين مدمجتين معًا. الثلاثة الأخرى، السيتوزين والثايمين واليوراسيل، لها حلقة واحدة ذات ستة أعضاء.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): يتكون النوكليوتيد من ثلاثة مكونات: قاعدة نيتروجينية وسكر بنتوس ومجموعة واحدة أو أكثر من مجموعات الفوسفات. يتم ترقيم بقايا الكربون في البنتوس من 1 إلى 5 ′ (يميز الأولي هذه المخلفات عن تلك الموجودة في القاعدة، والتي يتم ترقيمها دون استخدام رمز أولي). يتم ربط القاعدة بموضع 1 بوصة للريبوز، ويتم ربط الفوسفات بموضع 5 ′. عندما يتشكل بولي نيوكليوتيد، فإن الفوسفات 5′ من النوكليوتيد الوارد يرتبط بمجموعة الهيدروكسيل 3′ في نهاية سلسلة النمو. يوجد نوعان من البنتوس في النيوكليوتيدات، الديوكسيريبوز (الموجود في الحمض النووي) والريبوز (الموجود في الحمض النووي الريبي). يتشابه الديوكسيريبوز في هيكله مع الريبوز، لكنه يحتوي على H بدلاً من OH في موضع 2′. يمكن تقسيم القواعد إلى فئتين: البيورين والبيريميدين. تحتوي البيورينات على هيكل مزدوج، والبيريميدين لها حلقة واحدة.

    القواعد النيتروجينية، وهي مكونات مهمة للنيوكليوتيدات، هي جزيئات عضوية وسميت بهذا الاسم لأنها تحتوي على الكربون والنيتروجين. إنها قواعد لأنها تحتوي على مجموعة أمينية لديها القدرة على ربط هيدروجين إضافي، وبالتالي تقلل من تركيز أيون الهيدروجين في بيئتها، مما يجعلها أكثر أساسية. يحتوي كل نيوكليوتيد في الحمض النووي على واحدة من أربع قواعد نيتروجينية محتملة: الأدينين (A) والجوانين (G) السيتوزين (C) والثايمين (T).

    يتم تصنيف الأدينين والجيوانين على أنهما بيورينات. الهيكل الأساسي للبيورين هو حلقتان من الكربون والنيتروجين. يتم تصنيف السيتوزين والثايمين واليوراسيل على أنها بيريميدين لها حلقة كربون-نيتروجين واحدة كهيكل أساسي لها (الشكل\(\PageIndex{1}\)). تحتوي كل حلقة من حلقات الكربون والنيتروجين الأساسية هذه على مجموعات وظيفية مختلفة مرتبطة بها. في اختزال البيولوجيا الجزيئية، تُعرف القواعد النيتروجينية ببساطة برموزها A و T و G و C و U. يحتوي الحمض النووي على A و T و G و C بينما يحتوي الحمض النووي الريبي على A و U و G و C.

    سكر البنتوس في الحمض النووي هو الديوكسيريبوز، وفي الحمض النووي الريبي، يكون السكر هو الريبوز (الشكل\(\PageIndex{1}\)). الفرق بين السكريات هو وجود مجموعة الهيدروكسيل على الكربون الثاني من الريبوز والهيدروجين على الكربون الثاني من الديوكسيريبوز. يتم ترقيم ذرات الكربون لجزيء السكر على النحو 1 ′، 2 ′، 3 ′، 4 ′، و 5 ′ (1′ يُقرأ كـ «أولي واحد»). ترتبط بقايا الفوسفات بمجموعة الهيدروكسيل من الكربون البالغ 5 درجات في سكر واحد ومجموعة الهيدروكسيل من الكربون 3 درجات لسكر النيوكليوتيد التالي، والذي يشكل رابطة فوسفوديستر 5′—3′. لا تتشكل رابطة الفسفوديستر من خلال تفاعل الجفاف البسيط مثل الروابط الأخرى التي تربط المونومرات في الجزيئات الكبيرة: يتضمن تكوينها إزالة مجموعتين من الفوسفات. قد يحتوي البولي نيوكليوتيد على الآلاف من روابط الفسفوديستر هذه.

    هيكل DNA مزدوج اللولب

    يحتوي الحمض النووي على بنية حلزونية مزدوجة (الشكل\(\PageIndex{2}\)). يقع السكر والفوسفات على الجزء الخارجي من اللولب، ويشكلان العمود الفقري للحمض النووي. يتم تكديس القواعد النيتروجينية في الداخل، مثل درجات الدرج، في أزواج؛ وترتبط الأزواج ببعضها البعض بواسطة روابط هيدروجينية. يتم فصل كل زوج أساسي في اللولب المزدوج عن الزوج الأساسي التالي بمقدار 0.34 نانومتر. يتم تشغيل شريطي اللولب في اتجاهين متعاكسين، مما يعني أن الطرف الكربوني البالغ 5 بوصات في أحد الخصلة سيواجه الطرف الكربوني البالغ 3 بوصات للحبل المطابق. (يشار إلى هذا بالتوجه المضاد للمواز وهو مهم لتكرار الحمض النووي وفي العديد من تفاعلات الحمض النووي.)

    يظهر التركيب الجزيئي للحمض النووي. يتكون الحمض النووي من خيطين مضادين متوازيين ملتويين في حلزون مزدوج. يوجد العمود الفقري للفوسفات من الخارج، وتواجه القواعد النيتروجينية بعضها البعض من الداخل.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): الحمض النووي الأصلي هو حلزون مزدوج مضاد للالتوازي. يوجد العمود الفقري للفوسفات (المشار إليه بالخطوط المتعرجة) من الخارج والقواعد من الداخل. تتفاعل كل قاعدة من خيط واحد عبر الرابطة الهيدروجينية مع قاعدة من الشريط المقابل. (تصوير: جيروم والكر/دينيس ميتس)

    يُسمح فقط بأنواع معينة من الاقتران الأساسي. على سبيل المثال، يمكن أن يقترن بيورين معين فقط مع بيريميدين معين. وهذا يعني أن A يمكن أن يقترن بـ T، ويمكن لـ G الاقتران بـ C، كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{3}\). يُعرف هذا بالقاعدة التكميلية الأساسية. وبعبارة أخرى، فإن خيوط الحمض النووي مكملة لبعضها البعض. إذا كان تسلسل أحد الخصلة هو AATTGGCC، فسيكون للحبل التكميلي تسلسل TTAACCGG. أثناء تكرار الحمض النووي، يتم نسخ كل خيط، مما ينتج عنه حلزون مزدوج من الحمض النووي يحتوي على خيط واحد من الحمض النووي للوالدين وخيوط مركبة حديثًا.

    آرت كونيكشن

    يظهر الارتباط الهيدروجيني بين الثايمين والأدينين وبين الجوانين والسيتوزين. يشكل الثيامين رابطتين هيدروجينيتين مع الأدينين، ويشكل الجوانين ثلاث روابط هيدروجينية مع السيتوزين. توجد العمود الفقري للفوسفات لكل خيط من الخارج وتعمل في اتجاهين متعاكسين.
    الشكل\(\PageIndex{3}\): في جزيء الحمض النووي المزدوج المجدول، يمتد الشريطان في وضع مضاد مع بعضهما البعض بحيث يمتد أحدهما من 5 إلى 3 ′ والآخر من 3 إلى 5 ′. يقع العمود الفقري للفوسفات في الخارج والقواعد في المنتصف. يشكل الأدينين روابط هيدروجينية (أو أزواج أساسية) مع الثايمين، وتزاوج قاعدة الجوانين مع السيتوزين.

    تحدث طفرة، ويتم استبدال السيتوزين بالأدينين. ما هو تأثير ذلك في رأيك على بنية الحمض النووي؟

    رنا

    يشارك حمض الريبونوكلييك، أو RNA، بشكل أساسي في عملية تخليق البروتين تحت إشراف الحمض النووي. عادة ما يكون الحمض النووي الريبي أحادي الجديلة ومصنوع من ريبونوكليوتيدات مرتبطة بروابط فوسفوديستر. يحتوي الريبونوكليوتيد في سلسلة RNA على الريبوز (سكر البنتوس) وأحد القواعد النيتروجينية الأربعة (A و U و G و C) ومجموعة الفوسفات.

    هناك أربعة أنواع رئيسية من الحمض النووي الريبي: الحمض النووي الريبي المرسل (mRNA)، والحمض النووي الريبي الريبوزي (rNA)، ونقل الحمض النووي الريبي (rNA)، وmicroRNA (mIRNA). الأول، وهو mRNA، يحمل الرسالة من الحمض النووي، الذي يتحكم في جميع الأنشطة الخلوية في الخلية. إذا كانت الخلية تتطلب تخليق بروتين معين، يتم تشغيل الجين الخاص بهذا المنتج ويتم تصنيع الحمض النووي الريبي المرسل في النواة. يعد التسلسل الأساسي لـ RNA مكملاً لتسلسل ترميز الحمض النووي الذي تم نسخه منه. ومع ذلك، في RNA، تكون القاعدة T غائبة و U موجودة بدلاً من ذلك. إذا كان لخيط الحمض النووي تسلسل AATTGCGC، فإن تسلسل الحمض النووي الريبي التكميلي هو UUAACGCG. في السيتوبلازم، يتفاعل mRNA مع الريبوسومات والآلات الخلوية الأخرى (الشكل\(\PageIndex{4}\)).

    يظهر رسم توضيحي للريبوسوم. يقع mRNA بين الوحدات الفرعية الكبيرة والصغيرة. تربط جزيئات الحمض الريبوسوم وتضيف الأحماض الأمينية إلى سلسلة الببتيد المتنامية.
    الشكل\(\PageIndex{4}\): يتكون الريبوسوم من جزأين: وحدة فرعية كبيرة ووحدة فرعية صغيرة. يقع mRNA بين الوحدتين الفرعيتين. يتعرف جزيء الحمض النووي الريبي على الكودون الموجود على mRNA، ويرتبط به عن طريق الاقتران الأساسي التكميلي، ويضيف الحمض الأميني الصحيح إلى سلسلة الببتيد المتنامية.

    تتم قراءة mRNA في مجموعات من ثلاث قواعد تعرف باسم الكودونات. كل كودون يرمز لحمض أميني واحد. بهذه الطريقة، تتم قراءة mRNA ويتم تصنيع منتج البروتين. الحمض النووي الريبي الريبوزي (rRNA) هو مكون رئيسي من الريبوسومات التي يرتبط بها mRNA. يضمن الحمض الريبي الريبي المحاذاة الصحيحة لـ mRNA والريبوسومات؛ يحتوي الحمض الريبي الريبوسوم أيضًا على نشاط إنزيمي (peptidyl transferase) ويحفز تكوين روابط الببتيد بين اثنين من الأحماض الأمينية المتوافقة. يعد RNA المنقول (tRNA) واحدًا من أصغر أنواع الحمض النووي الريبي الأربعة، وعادة ما يكون طوله 70-90 نيوكليوتيدات. يحمل الحمض الأميني الصحيح إلى موقع تخليق البروتين. إن الاقتران الأساسي بين trNA و mRNA هو الذي يسمح بإدخال الحمض الأميني الصحيح في سلسلة البولي ببتيد. microRNAs هي أصغر جزيئات RNA وينطوي دورها على تنظيم التعبير الجيني عن طريق التدخل في التعبير عن بعض رسائل mRNA. يلخص الجدول\(\PageIndex{1}\) أدناه ميزات الحمض النووي والحمض النووي الريبي.

    الجدول\(\PageIndex{1}\): ميزات الحمض النووي والحمض النووي الريبي.

      الحمض النووي رنا
    وظيفة يحمل معلومات وراثية تشارك في تخليق البروتين
    الموقع يبقى في النواة يترك النواة
    الهيكل حلزون مزدوج عادة ما تكون مفردة
    شوغر ديوكسيريبوز ريبوز
    البيريميدين السيتوزين والثايمين السيتوزين واليوراسيل
    البيورينات أدينين، جوانين أدينين، جوانين

    على الرغم من أن الحمض النووي الريبي أحادي الجديلة، فإن معظم أنواع الحمض النووي الريبي تُظهر اقترانًا واسعًا للقاعدة داخل الجزيئات بين التسلسلات التكميلية، مما يخلق هيكلًا ثلاثي الأبعاد يمكن التنبؤ به ضروريًا لوظيفتها.

    كما تعلمت، يحدث تدفق المعلومات في الكائن الحي من الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي إلى البروتين. يحدد الحمض النووي بنية mRNA في عملية تعرف باسم النسخ، ويملي الحمض النووي الريبي بنية البروتين في عملية تعرف باسم الترجمة. يُعرف هذا باسم العقيدة المركزية للحياة، والتي تنطبق على جميع الكائنات الحية؛ ومع ذلك، تحدث استثناءات لهذه القاعدة فيما يتعلق بالعدوى الفيروسية.

    رابط إلى التعلم

    لمعرفة المزيد عن الحمض النووي، استكشف الرسوم المتحركة التفاعلية الحيوية لمعهد هوارد هيوز الطبي حول موضوع الحمض النووي.

    ملخص

    الأحماض النووية هي جزيئات تتكون من النيوكليوتيدات التي توجه الأنشطة الخلوية مثل انقسام الخلايا وتخليق البروتين. يتكون كل نيوكليوتيد من سكر بنتوس وقاعدة نيتروجينية ومجموعة فوسفات. هناك نوعان من الأحماض النووية: DNA و RNA. يحمل الحمض النووي المخطط الجيني للخلية وينتقل من الوالدين إلى النسل (في شكل كروموسومات). يحتوي على هيكل حلزوني مزدوج حيث يعمل الشريطان في اتجاهين متعاكسين، متصلين بروابط هيدروجينية، ويكملان بعضهما البعض. الحمض النووي الريبي أحادي الجديلة ومصنوع من سكر البنتوس (الريبوز) والقاعدة النيتروجينية ومجموعة الفوسفات. تشارك RNA في تخليق البروتين وتنظيمه. يتم نسخ Messenger RNA (mRNA) من الحمض النووي، ويتم تصديره من النواة إلى السيتوبلازم، ويحتوي على معلومات لبناء البروتينات. RNA الريبوسوم (RNA) هو جزء من الريبوسومات في موقع تخليق البروتين، بينما ينقل الحمض النووي الريبي (rNA) الحمض الأميني إلى موقع تخليق البروتين. ينظم microRNA استخدام mRNA لتخليق البروتين.

    اتصالات فنية

    الشكل\(\PageIndex{3}\): A mutation occurs, and cytosine is replaced with adenine. What impact do you think this will have on the DNA structure?

    Answer

    Adenine is larger than cytosine and will not be able to base pair properly with the guanine on the opposing strand. This will cause the DNA to bulge. DNA repair enzymes may recognize the bulge and replace the incorrect nucleotide.

    Glossary

    deoxyribonucleic acid (DNA)
    double-helical molecule that carries the hereditary information of the cell
    messenger RNA (mRNA)
    RNA that carries information from DNA to ribosomes during protein synthesis
    nucleic acid
    biological macromolecule that carries the genetic blueprint of a cell and carries instructions for the functioning of the cell
    nucleotide
    monomer of nucleic acids; contains a pentose sugar, one or more phosphate groups, and a nitrogenous base
    phosphodiester
    linkage covalent chemical bond that holds together the polynucleotide chains with a phosphate group linking two pentose sugars of neighboring nucleotides
    polynucleotide
    long chain of nucleotides
    purine
    type of nitrogenous base in DNA and RNA; adenine and guanine are purines
    pyrimidine
    type of nitrogenous base in DNA and RNA; cytosine, thymine, and uracil are pyrimidines
    ribonucleic acid (RNA)
    single-stranded, often internally base paired, molecule that is involved in protein synthesis
    ribosomal RNA (rRNA)
    RNA that ensures the proper alignment of the mRNA and the ribosomes during protein synthesis and catalyzes the formation of the peptide linkage
    transcription
    process through which messenger RNA forms on a template of DNA
    transfer RNA (tRNA)
    RNA that carries activated amino acids to the site of protein synthesis on the ribosome
    translation
    process through which RNA directs the formation of protein