9.1: هيكل الحمض النووي

Last updated

Nov 1, 2022
Page ID
191558
Save as PDF
- 9: البيولوجيا الجزيئية
- 9.2: تكرار الحمض النووي

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$

في الخمسينيات من القرن الماضي، عمل فرانسيس كريك وجيمس واتسون معًا في جامعة كامبريدج بإنجلترا لتحديد بنية الحمض النووي. كما كان علماء آخرون، مثل لينوس بولينج وموريس ويلكينز، يستكشفون هذا المجال بنشاط. اكتشف باولينج البنية الثانوية للبروتينات باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية. يعد علم البلورات بالأشعة السينية طريقة لفحص التركيب الجزيئي من خلال مراقبة الأنماط التي تشكلها الأشعة السينية التي يتم تصويرها من خلال بلورة المادة. تعطي الأنماط معلومات مهمة حول بنية الجزيء ذي الاهتمام. في مختبر ويلكينز، كانت الباحثة روزاليند فرانكلين تستخدم علم البلورات بالأشعة السينية لفهم بنية الحمض النووي. تمكن واتسون وكريك من تجميع لغز جزيء الحمض النووي باستخدام بيانات فرانكلين (الشكل $\PageIndex{1}$ ). كان لدى Watson و Crick أيضًا أجزاء أساسية من المعلومات المتاحة من باحثين آخرين مثل قواعد Chargaff. أظهر Chargaff أنه من بين الأنواع الأربعة من المونومرات (النيوكليوتيدات) الموجودة في جزيء الحمض النووي، يوجد نوعان دائمًا بكميات متساوية وكان النوعان المتبقيان موجودان دائمًا بكميات متساوية. هذا يعني أنه تم إقرانهما دائمًا بطريقة ما. في عام 1962، حصل جيمس واتسون وفرانسيس كريك وموريس ويلكينز على جائزة نوبل في الطب لعملهم في تحديد بنية الحمض النووي.

تظهر الصورة في الجزء أ جيمس واتسون وفرانسيس كريك وماكلين مكارتي. نمط حيود الأشعة السينية في الجزء ب متماثل، مع وجود نقاط في شكل X. — **الشكل $\PageIndex{1}$ :** العلماء الرائدون (أ) تم تصوير جيمس واتسون وفرانسيس كريك هنا مع عالم الوراثة الأمريكي ماكلين مكارتي. اكتشفت العالمة روزاليند فرانكلين (ب) نمط حيود الأشعة السينية للحمض النووي، مما ساعد على توضيح هيكله الحلزوني المزدوج. (المصدر: تعديل العمل من قبل مارجوري مكارتي؛ ب: تعديل العمل من قبل NIH)

الآن دعونا ننظر في بنية نوعي الأحماض النووية، حمض الديوكسي ريبونوكلييك (DNA) وحمض الريبونوكلييك (RNA). اللبنات الأساسية للحمض النووي هي النيوكليوتيدات، والتي تتكون من ثلاثة أجزاء: الديوكسيريبوز (سكر 5 كربون)، ومجموعة الفوسفات، والقاعدة النيتروجينية (الشكل $\PageIndex{2}$ ). هناك أربعة أنواع من القواعد النيتروجينية في الحمض النووي. الأدينين (A) والجيوانين (G) عبارة عن بيورينات ذات حلقتين، والسيتوزين (C) والثايمين (T) هما بيريميدين أصغر حجمًا أحادي الحلقة. تمت تسمية النوكليوتيد وفقًا للقاعدة النيتروجينية التي يحتويها.

**الشكل $\PageIndex{2}$ :** (أ) يتكون كل نيوكليوتيد DNA من سكر ومجموعة فوسفات وقاعدة. (ب) السيتوزين والثايمين هما البيريميدين. الجوانين والأدينين هما بيورينات.

يُظهر الرسم التوضيحي بنية النوكليوتيد، الذي يتكون من سكر ديوكسيريبوز بقاعدة نيتروجينية مثبتة في الموضع 1 بوصة ومجموعة فوسفات متصلة في موضع 5 أقدام. هناك نوعان من القواعد النيتروجينية: البيريميدين، الذي يحتوي على حلقة واحدة ذات ستة أعضاء، والبيورينات، التي تحتوي على حلقة ذات ستة أعضاء مدمجة في حلقة مكونة من خمسة أعضاء. السيتوزين والثايمين هما البيريميدين، والأدينين والجوانين هما بيورينات. — **الشكل $\PageIndex{2}$ :** (أ) يتكون كل نيوكليوتيد DNA من سكر ومجموعة فوسفات وقاعدة. (ب) السيتوزين والثايمين هما البيريميدين. الجوانين والأدينين هما بيورينات.

ترتبط مجموعة الفوسفات المكونة من نوكليوتيد واحد بشكل تساهمي بجزيء السكر في النوكليوتيد التالي، وهكذا، لتشكل بوليميرًا طويلًا من مونومرات النيوكليوتيد. تصطف مجموعات السكر والفوسفات في «العمود الفقري» لكل خيط من الحمض النووي، وتبرز قواعد النيوكليوتيد من هذا العمود الفقري. يتم ترقيم ذرات الكربون الخاصة بسكر الكربون الخمسة في اتجاه عقارب الساعة من الأكسجين على النحو 1 «و 2" و 3 و 4 و 5 «(يُقرأ 1" على أنه «أولي واحد»). ترتبط مجموعة الفوسفات بالكربون 5 بوصات لنوكليوتيد واحد والكربون 3 بوصات من النوكليوتيد التالي. في حالته الطبيعية، يتكون كل جزيء من الحمض النووي فعليًا من خيطين مفردين متصلين معًا بطولهما مع روابط هيدروجينية بين القواعد.

اقترح واتسون وكريك أن الحمض النووي يتكون من خيطين ملفوفين حول بعضهما البعض لتشكيل حلزون يميني يسمى الحلزون المزدوج. يحدث الاقتران الأساسي بين البيورين والبيريميدين: أي أزواج A مع T، وأزواج G مع C. وبعبارة أخرى، فإن الأدينين والثايمين هما زوجان أساسيان مكملان، والسيتوزين والجوانين هما أيضًا زوجان أساسيان متكاملان. هذا هو أساس قاعدة Chargaff؛ بسبب تكاملها، يوجد الكثير من الأدينين مثل الثايمين في جزيء الحمض النووي والكثير من الجوانين مثل السيتوزين. يرتبط الأدينين والثايمين برابطتين هيدروجينيتين، ويرتبط السيتوزين والجيوانين بثلاث روابط هيدروجينية. الشريطان مضادان للتوازي في طبيعتهما؛ أي أن أحد الخطين سيحتوي على الكربون البالغ طوله 3 بوصات من السكر في الموضع «التصاعدي»، في حين أن الخصلة الأخرى ستحتوي على الكربون البالغ طوله 5 بوصات في الموضع التصاعدي. يكون قطر اللولب المزدوج للحمض النووي موحدًا طوال الوقت لأن البيورين (حلقتان) يتزاوج دائمًا مع البيريميدين (حلقة واحدة) وتكون أطوالهما المجمعة متساوية دائمًا (الشكل $\PageIndex{3}$ ).

يُظهر الجزء أ توضيحًا لحلزون الحمض النووي المزدوج، الذي يحتوي على عمود فقري من فوسفات السكر من الخارج وأزواج أساسية نيتروجينية من الداخل. يُظهر الجزء B الاقتران الأساسي بين الثايمين والأدينين، اللذين يشكلان رابطتين هيدروجينيتين، وبين الجوانين والسيتوزين، اللذين يشكلان ثلاث روابط هيدروجينية. — **الشكل $\PageIndex{3}$ :** يشكل الحمض النووي (أ) حلزنًا مزدوجًا، و (ب) يتزاوج الأدينين مع أزواج الثايمين والسيتوزين مع الجوانين. (المصدر: تعديل عمل جيروم ووكر ودينيس ميتس)

هيكل الحمض النووي الريبي

يوجد حمض نووي ثانٍ في جميع الخلايا يسمى حمض الريبونوكليك أو RNA. مثل الحمض النووي، الحمض النووي الريبي هو بوليمر من النيوكليوتيدات. يتكون كل من النيوكليوتيدات في الحمض النووي الريبي من قاعدة نيتروجينية وسكر خماسي الكربون ومجموعة فوسفات. في حالة الحمض النووي الريبي، يكون السكر المكون من خمسة كربون هو الريبوز وليس الديوكسيريبوز. يحتوي الريبوز على مجموعة هيدروكسيل عند الكربون 2 بوصة، على عكس الديوكسيريبوز، الذي يحتوي على ذرة هيدروجين فقط (الشكل $\PageIndex{4}$ ).

رسم بياني يوضح بنية سكريات الريبوز والديوكسيريبوز. في الريبوز، يتم تمييز OH في الموضع 2 باللون الأحمر. في الديوكسيريبوز، يتم تمييز H في الموضع 2 باللون الأحمر. — **الشكل $\PageIndex{4}$ :** الفرق بين الريبوز الموجود في الحمض النووي الريبي والديوكسيريبوز الموجود في الحمض النووي هو أن الريبوز يحتوي على مجموعة هيدروكسيل عند الكربون 2 بوصة.

تحتوي نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبي على القواعد النيتروجينية الأدينين والسيتوزين والجيوانين. ومع ذلك، فهي لا تحتوي على الثيامين، الذي يتم استبداله بدلاً من ذلك باليوراسيل، الذي يرمز إليه بحرف «U.» يوجد الحمض النووي الريبي كجزيء أحادي الجديلة بدلاً من اللولب المزدوج. قام علماء الأحياء الجزيئية بتسمية عدة أنواع من الحمض النووي الريبي على أساس وظيفتها. وتشمل هذه الجزيئات الحمض النووي الريبي (mRNA)، والحمض النووي الريبي المنقول (tRNA)، والرنا الريبوسومي (rRNA) - وهي جزيئات تشارك في إنتاج البروتينات من كود الحمض النووي.

كيف يتم ترتيب الحمض النووي في الخلية

الحمض النووي هو جزيء عامل؛ يجب تكراره عندما تكون الخلية جاهزة للانقسام، ويجب «قراءته» لإنتاج الجزيئات، مثل البروتينات، للقيام بوظائف الخلية. لهذا السبب، يتم حماية الحمض النووي وتعبئته بطرق محددة للغاية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تكون جزيئات الحمض النووي طويلة جدًا. يصل طول جزيئات الحمض النووي في خلية بشرية واحدة، الممتدة من طرف إلى طرف، إلى حوالي مترين. وبالتالي، يجب تعبئة الحمض النووي للخلية بطريقة منظمة جدًا لتناسب وتعمل داخل بنية (الخلية) غير مرئية للعين المجردة. إن كروموسومات بدائيات النواة أبسط بكثير من تلك الموجودة في حقيقيات النوى في العديد من ميزاتها (الشكل $\PageIndex{5}$ ). تحتوي معظم بدائيات النواة على كروموسوم دائري واحد موجود في منطقة في السيتوبلازم تسمى النواة.

يُظهر الرسم التوضيحي خلية حقيقية النواة، تحتوي على نواة مرتبطة بالغشاء تحتوي على الكروماتين والنواة، وخلايا بدائية النواة، تحتوي على الحمض النووي في منطقة من السيتوبلازم تسمى النواة. الخلية بدائية النواة أصغر بكثير من الخلية حقيقية النواة. — **الشكل $\PageIndex{5}$ :** تحتوي حقيقيات النوى على نواة محددة جيدًا، بينما في بدائيات النواة، يكمن الكروموسوم في السيتوبلازم في منطقة تسمى النواة.

يبلغ حجم الجينوم في واحدة من أكثر بدائيات النواة دراسة جيدًا، وهي Escherichia coli، 4.6 مليون زوج قاعدي، والتي ستمتد لمسافة حوالي 1.6 مم إذا تم تمديده. إذن كيف يتناسب هذا داخل خلية بكتيرية صغيرة؟ يتم لف الحمض النووي خارج اللولب المزدوج فيما يعرف باسم اللف الفائق. من المعروف أن بعض البروتينات تشارك في اللف الفائق؛ بينما تساعد البروتينات والإنزيمات الأخرى في الحفاظ على البنية فائقة اللف.

تستخدم حقيقيات النوى، التي تتكون كل كروموسوماتها من جزيء DNA خطي، نوعًا مختلفًا من استراتيجية التعبئة لتناسب الحمض النووي الخاص بها داخل النواة (الشكل $\PageIndex{6}$ ). على المستوى الأساسي، يتم لف الحمض النووي حول البروتينات المعروفة باسم الهستونات لتشكيل هياكل تسمى النيوكليوسومات. يتم لف الحمض النووي بإحكام حول جوهر هيستون. يرتبط هذا النيوكليوسوم بالنيوكليوسوم التالي عن طريق خيط قصير من الحمض النووي الخالي من الهستونات. يُعرف هذا أيضًا باسم بنية «الخرز على الخيط»؛ النيوكليوسومات هي «الخرز» والأطوال القصيرة للحمض النووي بينهما هي «الخيط». تتكدس النيوكليوزومات، مع الحمض النووي الملتف حولها، بشكل مضغوط على بعضها البعض لتشكيل ألياف بعرض 30 نانومتر. يتم لف هذه الألياف أيضًا في هيكل أكثر سمكًا وأكثر إحكامًا. في المرحلة الوصفية من الانقسام الفتيلي، عندما تصطف الكروموسومات في وسط الخلية، تكون الكروموسومات في أقصى حالاتها مضغوطة. يبلغ عرضها حوالي 700 نانومتر، وتوجد جنبًا إلى جنب مع بروتينات السقالة.

في المرحلة البينية، وهي مرحلة دورة الخلية بين الانقسامات التي يتم فيها إزالة الكروموسومات، تحتوي الكروموسومات حقيقية النواة على منطقتين متميزتين يمكن تمييزهما عن طريق التلوين. هناك منطقة معبأة بإحكام تلطخ بالبقع الداكنة ومنطقة أقل كثافة. عادة ما تحتوي مناطق التلوين الداكن على جينات غير نشطة، وتوجد في مناطق السنترومير والتيلوميرات. عادةً ما تحتوي مناطق التلوين الخفيف على جينات نشطة، مع تعبئة الحمض النووي حول النيوكليوسومات ولكن دون مزيد من الضغط.

يُظهر الرسم التوضيحي مستويات تنظيم الكروموسومات حقيقية النواة، بدءًا من الحلزون المزدوج للحمض النووي، الذي يلتف حول بروتينات هيستون. يلتف جزيء الحمض النووي بأكمله حول العديد من مجموعات بروتينات الهستون، ويشكل هيكلًا يشبه الخرز على الخيط. يتم تكثيف الكروماتين بشكل أكبر عن طريق الالتفاف حول نواة البروتين. والنتيجة هي كروموسوم مضغوط، يظهر في شكل مكرر. — **الشكل $\PageIndex{6}$ :** توضح هذه الأرقام ضغط الكروموسوم حقيقي النواة.

مفهوم في العمل

شاهد هذه الرسوم المتحركة لتغليف الحمض النووي.

ملخص

تم اقتراح نموذج البنية الحلزونية المزدوجة للحمض النووي من قبل Watson and Crick. جزيء الحمض النووي هو بوليمر من النيوكليوتيدات. يتكون كل نيوكليوتيد من قاعدة نيتروجينية وسكر خماسي الكربون (ديوكسيريبوز) ومجموعة فوسفات. هناك أربع قواعد نيتروجينية في الحمض النووي واثنين من البيورين (الأدينين والجيوانين) واثنين من البيريميدين (السيتوزين والثايمين). يتكون جزيء الحمض النووي من شريطين. يتكون كل خيط من النيوكليوتيدات المرتبطة معًا بشكل تساهمي بين مجموعة الفوسفات في أحدهما وسكر الديوكسيريبوز في المجموعة التالية. من هذا العمود الفقري، قم بتوسيع القواعد. ترتبط قواعد الخيط الواحد بقواعد الخيط الثاني بروابط هيدروجينية. يرتبط الأدينين دائمًا بالثايمين، ويرتبط السيتوزين دائمًا بالجيوانين. يؤدي الترابط إلى دوران الخيطين حول بعضهما البعض في شكل يسمى الحلزون المزدوج. حمض الريبونوكلييك (RNA) هو حمض نووي ثانٍ موجود في الخلايا. RNA عبارة عن بوليمر أحادي السلسلة من النيوكليوتيدات. كما أنه يختلف عن الحمض النووي في أنه يحتوي على ريبوز السكر، بدلاً من الديوكسيريبوز، والنيوكليوتيد يوراسيل بدلاً من الثايمين. تعمل جزيئات RNA المختلفة في عملية تكوين البروتينات من الشفرة الوراثية في الحمض النووي.

تحتوي بدائيات النوى على كروموسوم دائري واحد مزدوج الجدائل. تحتوي حقيقيات النوى على جزيئات DNA خطية مزدوجة الطبقات معبأة في كروموسومات. يتم لف حلزون الحمض النووي حول البروتينات لتشكيل النيوكليوسومات. يتم لف لفائف البروتين بشكل أكبر، وأثناء الانقسام والانقسام الاختزالي، تصبح الكروموسومات ملفوفة بشكل أكبر لتسهيل حركتها. تحتوي الكروموسومات على منطقتين متميزتين يمكن تمييزهما عن طريق التلوين، مما يعكس درجات مختلفة من التغليف ويتم تحديدهما من خلال ما إذا كان يتم التعبير عن الحمض النووي في المنطقة (euchromatin) أم لا (heterochromatin).

مسرد المصطلحات

ديوكسيريبوز: جزيء سكر من خمسة كربون مع ذرة هيدروجين بدلاً من مجموعة هيدروكسيل في موضع 2؛ مكون السكر في نيوكليوتيدات الحمض النووي

حلزون مزدوج: الشكل الجزيئي للحمض النووي الذي يلتف فيه شريطان من النيوكليوتيدات حول بعضهما البعض في شكل حلزوني

قاعدة نيتروجينية: جزيء يحتوي على النيتروجين يعمل كقاعدة؛ غالبًا ما يشير إلى أحد مكونات البيورين أو البيريميدين للأحماض النووية

مجموعة الفوسفات: مجموعة جزيئية تتكون من ذرة فوسفور مركزية مرتبطة بأربع ذرات أكسجين

المساهمون والصفات

Template:ContribOpenStaxConcepts