DNA (الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين) هو أحد أهم مكونات المادة الحية. من خلاله ، يتم الحفاظ على المعلومات الوراثية ونقلها من جيل إلى جيل مع إمكانية التباين ضمن حدود معينة. سيكون تخليق جميع البروتينات اللازمة لنظام حي مستحيلًا بدون مصفوفة DNA. أدناه سننظر في البنية والتكوين والوظيفة الأساسية ودور الحمض النووي في التخليق الحيوي للبروتين.
هيكل جزيء الحمض النووي
حمض الديوكسي ريبونوكليك هو جزيء ضخم يتكون من خيطين. هيكلها له عدة مستويات من التنظيم.
الهيكل الأساسي لسلسلة الحمض النووي هو سلسلة من النيوكليوتيدات ، كل منها يحتوي على واحدة من القواعد النيتروجينية الأربعة: الأدينين ، الجوانين ، السيتوزين أو الثايمين. تنشأ السلاسل عندما ينضم سكر ديوكسيريبوز لأحد النوكليوتيدات إلى بقايا فوسفات أخرى. تتم هذه العملية بمشاركة محفز بروتيني - DNA ligase
- التركيب الثانوي للحمض النووي هو ما يسمى باللولب المزدوج (بتعبير أدق ، المسمار المزدوج). أسس قادرةتتواصل مع بعضها البعض على النحو التالي: يشكل الأدينين والثايمين رابطة هيدروجينية مزدوجة ، ويشكل الجوانين والسيتوزين ثلاثيًا. تكمن هذه الميزة في أساس مبدأ التكامل الأساسي ، والذي وفقًا له ترتبط السلاسل ببعضها البعض. في هذه الحالة ، يحدث التواء حلزوني (غالبًا على اليمين) للسلسلة المزدوجة.
- البنية الثلاثية هي تشكيل معقد لجزيء ضخم يحدث من خلال روابط هيدروجينية إضافية.
- يتكون الهيكل الرباعي بالاشتراك مع بروتينات معينة و RNA وهي الطريقة التي يتم بها تعبئة الحمض النووي في نواة الخلية.
وظائف الحمض النووي
لنفكر في الدور الذي يلعبه الحمض النووي في الأنظمة الحية. هذا البوليمر الحيوي عبارة عن مصفوفة تحتوي على سجل لهيكل البروتينات المختلفة ، والحمض النووي الريبي الذي يحتاجه الجسم ، بالإضافة إلى أنواع مختلفة من المواقع التنظيمية. بشكل عام ، كل هذه المكونات تشكل البرنامج الجيني للجسم.
من خلال التخليق الحيوي للحمض النووي ، يتم نقل البرنامج الجيني إلى الأجيال القادمة ، مما يضمن وراثة المعلومات الأساسية للحياة. الحمض النووي قادر على التحور ، بسبب تنوع الكائنات الحية لنوع بيولوجي واحد ، ونتيجة لذلك ، فإن عملية الانتقاء الطبيعي وتطور الأنظمة الحية ممكنة.
أثناء التكاثر الجنسي ، يتم تكوين الحمض النووي للكائن الحي من خلال الجمع بين المعلومات الوراثية للأب والأم. عند الجمع ، هناك العديد من الاختلافات ، والتي تساهم أيضًا في التباين.
كيف يتم استنساخ البرنامج الجيني
نظرًا للبنية التكميلية ، فإن التكاثر الذاتي للمصفوفة لجزيء الحمض النووي ممكن. في هذه الحالة ، يتم نسخ المعلومات الواردة فيه. يسمى تكرار الجزيء لتشكيل ابنتين "حلزون مزدوج" بتكرار الحمض النووي. هذه عملية معقدة تتضمن العديد من المكونات. لكن مع تبسيط معين ، يمكن تمثيله كمخطط.
يبدأ النسخ المتماثل بمركب خاص من الإنزيمات في مناطق معينة من الحمض النووي. في الوقت نفسه ، تنفصل السلسلة المزدوجة ، وتشكل شوكة النسخ المتماثل ، حيث تحدث عملية التخليق الحيوي للحمض النووي - تراكم متواليات النوكليوتيدات التكميلية على كل سلسلة.
ميزات مجمع النسخ المتماثل
يستمر النسخ المتماثل أيضًا بمشاركة مجموعة معقدة من الإنزيمات - البدائل ، التي يلعب فيها DNA polymerase الدور الرئيسي.
أحد السلاسل في سياق التخليق الحيوي للحمض النووي هو الرائد ويتم تشكيله باستمرار. يحدث تكوين خصلة متأخرة عن طريق إرفاق تسلسلات قصيرة - شظايا أوكازاكي. يتم ربط هذه الأجزاء باستخدام DNA ligase. تسمى هذه العملية شبه مستمرة. بالإضافة إلى ذلك ، يتم وصفه بأنه شبه محافظ ، لأنه في كل جزيء من الجزيئات المشكلة حديثًا ، يكون أحد السلاسل هو الأب ، والثاني هو الابنة.
يعد تكرار الحمض النووي أحد الخطوات الرئيسية في انقسام الخلايا. هذه العملية تكمن وراء نقل المعلومات الوراثية إلى الجيل الجديد ، وكذلك نمو الكائن الحي.
ما هي البروتينات
بروتينأهم عنصر وظيفي في خلايا جميع الكائنات الحية. يؤدون وظائف تحفيزية وهيكلية وتنظيمية وإشارات ووقائية والعديد من الوظائف الأخرى.
جزيء البروتين هو بوليمر حيوي يتكون من سلسلة من بقايا الأحماض الأمينية. إنه ، مثل جزيئات الحمض النووي ، يتميز بوجود عدة مستويات من التنظيم الهيكلي - من الابتدائي إلى الرباعي.
هناك 20 نوعًا من الأحماض الأمينية المميزة (الأساسية) التي تستخدمها الأنظمة الحية لبناء مجموعة كبيرة ومتنوعة من البروتينات. كقاعدة عامة ، لا يتم تصنيع البروتين من تلقاء نفسه. الدور الرائد في تكوين جزيء بروتين معقد ينتمي إلى الأحماض النووية - DNA و RNA.
جوهر الكود الجيني
إذن ، الحمض النووي عبارة عن مصفوفة معلومات تخزن المعلومات حول البروتينات الضرورية لنمو الجسم وعيشه. تُبنى البروتينات من الأحماض الأمينية والحمض النووي DNA (و RNA) من النيوكليوتيدات. تتوافق تسلسلات نيوكليوتيدات معينة لجزيء الحمض النووي مع تسلسلات معينة من الأحماض الأمينية لبروتينات معينة.
هناك 20 نوعًا من الوحدات الهيكلية البروتينية - الأحماض الأمينية الأساسية - في الخلية ، و 4 أنواع من النيوكليوتيدات في الحمض النووي. لذلك كل حمض أميني مكتوب على مصفوفة الحمض النووي كمزيج من ثلاثة نيوكليوتيدات - ثلاثية ، المكونات الرئيسية لها هي القواعد النيتروجينية. يسمى مبدأ التطابق هذا بالشفرة الجينية ، وتسمى القواعد الثلاثية الكودونات. الجينسلسلة من الكودونات تحتوي على سجل لبروتين وبعض مجموعات الخدمات من القواعد - كودون البداية ، كودون التوقف ، وغيرها.
بعض خصائص الكود الجيني
الشفرة الجينية عالمية تقريبًا - مع استثناءات قليلة جدًا ، فهي نفسها في جميع الكائنات الحية ، من البكتيريا إلى البشر. هذا يشهد ، أولاً ، على العلاقة بين جميع أشكال الحياة على الأرض ، وثانيًا ، إلى العصور القديمة للشفرة نفسها. ربما ، في المراحل الأولى من وجود الحياة البدائية ، تشكلت إصدارات مختلفة من الكود بسرعة كبيرة ، لكن واحدة فقط حصلت على ميزة تطورية.
علاوة على ذلك ، فهو محدد (لا لبس فيه): لا يتم ترميز الأحماض الأمينية المختلفة بواسطة نفس الثلاثي. أيضًا ، تتميز الشفرة الجينية بالتحلل أو التكرار - يمكن أن تتوافق العديد من الكودونات مع نفس الحمض الأميني.
يتم قراءة السجل الجيني بشكل مستمر ؛ يتم أيضًا تنفيذ وظائف علامات الترقيم بواسطة ثلاثة توائم من القواعد. كقاعدة عامة ، لا توجد سجلات متداخلة في "النص" الجيني ، ولكن هنا أيضًا هناك استثناءات.
الوحدات الوظيفية للحمض النووي
مجموع كل المواد الجينية للكائن الحي يسمى الجينوم. وبالتالي ، فإن الحمض النووي هو الناقل للجينوم. لا يشمل تكوين الجينوم فقط الجينات الهيكلية التي تشفر بروتينات معينة. يحتوي جزء كبير من الحمض النووي على مناطق ذات أغراض وظيفية مختلفة.
إذًا ، يحتوي الحمض النووي على:
- تنظيميتسلسلات ترميز RNAs محددة ، مثل المفاتيح الجينية والمنظمين للتعبير الجيني الهيكلي ؛
- العناصر التي تنظم عملية النسخ - المرحلة الأولية من التخليق الحيوي للبروتين ؛
- الجينات الخادعة هي نوع من "الجينات الأحفورية" التي فقدت قدرتها على تشفير البروتين أو نسخها بسبب الطفرات ؛
- العناصر الوراثية المتنقلة - المناطق التي يمكن أن تتحرك داخل الجينوم ، مثل الينقولات ("الجينات القافزة") ؛
- التيلوميرات هي مناطق خاصة في نهايات الكروموسومات ، بفضلها يتم حماية الحمض النووي في الكروموسومات من التقصير مع كل حدث تكرار.
مشاركة الحمض النووي في التخليق الحيوي للبروتين
DNA قادر على تكوين بنية مستقرة ، العنصر الرئيسي فيها هو المركب التكميلي للقواعد النيتروجينية. يوفر الشريط المزدوج للحمض النووي ، أولاً ، التكاثر الكامل للجزيء ، وثانيًا ، قراءة الأقسام الفردية للحمض النووي أثناء تخليق البروتين. تسمى هذه العملية النسخ.
أثناء النسخ ، يتم فك جزء من DNA يحتوي على جين معين ، وعلى إحدى السلاسل - النموذج الأول - يتم تصنيع جزيء RNA كنسخة من السلسلة الثانية ، تسمى السلسلة المشفرة. يعتمد هذا التركيب أيضًا على خاصية القواعد لتشكيل أزواج تكميلية. تشارك مناطق خدمة DNA غير المشفرة وإنزيم RNA polymerase في التخليق. يعمل الحمض النووي الريبي بالفعل كقالب لتخليق البروتين ، ولا يشارك الحمض النووي في العملية اللاحقة.
النسخ العكسي
لفترة طويلة كان يعتقد أن المصفوفةيمكن لنسخ المعلومات الوراثية أن يذهب في اتجاه واحد فقط: DNA → RNA → protein. سمي هذا المخطط بالعقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية. ومع ذلك ، في سياق البحث ، وجد أنه في بعض الحالات من الممكن نسخ من الحمض النووي الريبي إلى الحمض النووي - ما يسمى النسخ العكسي.
القدرة على نقل المادة الجينية من الحمض النووي الريبي إلى الحمض النووي هي سمة من سمات الفيروسات القهقرية. الممثل النموذجي للفيروسات المحتوية على الحمض النووي الريبي هو فيروس نقص المناعة البشرية. يحدث تكامل الجينوم الفيروسي في الحمض النووي للخلية المصابة بمشاركة إنزيم خاص - النسخ العكسي (المرتجع) ، والذي يعمل كمحفز للتخليق الحيوي للحمض النووي في قالب الحمض النووي الريبي. Revertase هو أيضًا جزء من الجسيم الفيروسي. تم دمج الجزيء المشكل حديثًا في الحمض النووي الخلوي ، حيث يعمل على إنتاج جزيئات فيروسية جديدة.
ما هو الحمض النووي البشري
الحمض النووي البشري ، الموجود في نواة الخلية ، معبأ في 23 زوجًا من الكروموسومات ويحتوي على حوالي 3.1 مليار نيوكليوتيدات مقترنة. بالإضافة إلى الحمض النووي النووي ، تحتوي الخلايا البشرية ، مثل الكائنات حقيقية النواة الأخرى ، على الحمض النووي للميتوكوندريا ، وهو عامل في وراثة عضيات خلايا الميتوكوندريا.
جينات ترميز الحمض النووي (يوجد من 20 إلى 25 ألفًا) تشكل جزءًا صغيرًا فقط من الجينوم البشري - حوالي 1.5٪. كان يُطلق على بقية الحمض النووي سابقًا اسم "خردة" ، لكن العديد من الدراسات تكشف الدور المهم للمناطق غير المشفرة في الجينوم ، والتي تمت مناقشتها أعلاه. من المهم أيضًا دراسة العملياتالنسخ العكسي في الحمض النووي البشري.
لقد شكل العلم بالفعل فهمًا واضحًا إلى حد ما لماهية الحمض النووي البشري من الناحية الهيكلية والوظيفية ، ولكن المزيد من العمل للعلماء في هذا المجال سيحقق اكتشافات جديدة وتقنيات طبية حيوية جديدة.
