الأحماض النووية ، وخاصة الحمض النووي ، معروفة جيدًا في العلوم. ويفسر ذلك حقيقة أنها مواد الخلية التي يعتمد عليها تخزين ونقل معلوماتها الوراثية. تم اكتشاف الحمض النووي في عام 1868 من قبل F. Miescher ، وهو جزيء له خصائص حمضية واضحة. عزله العالم من نوى الكريات البيض - خلايا الجهاز المناعي. على مدى السنوات الخمسين التالية ، أجريت دراسات على الأحماض النووية بشكل متقطع ، حيث اعتبر معظم علماء الكيمياء الحيوية أن البروتينات هي المواد العضوية الرئيسية المسؤولة ، من بين أمور أخرى ، عن السمات الوراثية.
منذ فك رموز بنية الحمض النووي بواسطة واطسون وكريك في عام 1953 ، بدأ بحث جاد ، اكتشف أن حمض الديوكسي ريبونوكلييك عبارة عن بوليمر ، والنيوكليوتيدات تعمل كمونومرات DNA. سيتم دراسة أنواعها وهيكلها من قبلنا في هذا العمل.
النيوكليوتيدات كوحدات هيكلية للمعلومات الوراثية
إحدى الخصائص الأساسية للمادة الحية هي حفظ ونقل المعلومات حول بنية ووظائف كل من الخلية والكائن الحي بأكملهعموما. يلعب هذا الدور حمض الديوكسي ريبونوكلييك ، ومونومرات الحمض النووي - النيوكليوتيدات هي نوع من "الطوب" الذي يتم من خلاله بناء الهيكل الفريد لمادة الوراثة. دعونا نفكر في العلامات التي استرشدت بها الحياة البرية عند إنشاء ملف سوبر للحمض النووي.
كيف تتشكل النيوكليوتيدات
للإجابة على هذا السؤال ، نحتاج إلى بعض المعرفة بالكيمياء العضوية. على وجه الخصوص ، نتذكر أنه في الطبيعة توجد مجموعة من الجليكوسيدات الحلقية غير المتجانسة المحتوية على النيتروجين جنبًا إلى جنب مع السكريات الأحادية - البنتوز (الديوكسيريبوز أو الريبوز). يطلق عليهم nucleosides. على سبيل المثال ، يوجد الأدينوزين وأنواع أخرى من النيوكليوسيدات في العصارة الخلوية للخلية. يدخلون في تفاعل الأسترة مع جزيئات حمض الفوسفوريك. ستكون نواتج هذه العملية نيوكليوتيدات. كل مونومر DNA ، وهناك أربعة أنواع ، له اسم ، مثل الجوانين ، الثايمين ، ونيوكليوتيدات السيتوزين.
مونومرات البيورين للحمض النووي
في الكيمياء الحيوية ، تم اعتماد تصنيف يقسم مونومرات الحمض النووي وتركيبها إلى مجموعتين: على سبيل المثال ، نيوكليوتيدات الأدينين والجوانين هي البيورين. تحتوي على مشتقات البيورين ، وهي مادة عضوية لها الصيغة C5H4N44. يحتوي مونومر الحمض النووي ، وهو نيوكليوتيد جوانين ، أيضًا على قاعدة نيتروجينية من البيورين متصلة بـ deoxyribose بواسطة رابطة N-glycosidic في تكوين بيتا.
نيوكليوتيدات بيريميدين
القواعد النيتروجينية ،تسمى السيتيدين والثيميدين ، وهي مشتقات من مادة بيريميدين العضوية. صيغتها هي C4H4N2. الجزيء عبارة عن حلقة غير متجانسة من ستة ذرات تحتوي على ذرتين من النيتروجين. من المعروف أنه بدلاً من نوكليوتيد الثايمين ، تحتوي جزيئات الحمض النووي الريبي ، مثل الرنا الريباسي ، الرنا المرسال ، و الرنا المرسال ، على مونومر اليوراسيل. أثناء النسخ ، أثناء نقل المعلومات من جين DNA إلى جزيء mRNA ، يتم استبدال نوكليوتيد الثايمين بالأدينين ، ويتم استبدال نوكليوتيد الأدينين بـ uracil في سلسلة mRNA المركبة. أي أن السجل التالي سيكون عادلاً: A - U، T - A.
قاعدة المسؤول
في القسم السابق ، لقد تطرقنا بالفعل جزئيًا إلى مبادئ المراسلات بين المونومرات في سلاسل الحمض النووي وفي مركب الجين-mRNA. أنشأ عالم الكيمياء الحيوية الشهير E. Chargaff خاصية فريدة تمامًا لجزيئات الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين ، وهي أن عدد نيوكليوتيدات الأدينين فيها يساوي دائمًا الثايمين ، والجوانين - إلى السيتوزين. كان الأساس النظري الرئيسي لمبادئ Chargaff هو بحث Watson and Crick ، الذي أسس أي المونومرات تشكل جزيء الحمض النووي والتنظيم المكاني الذي يمتلكه. يشير نمط آخر ، مشتق من قبل Chargaff ويسمى مبدأ التكامل ، إلى العلاقة الكيميائية بين قواعد البيورين والبيريميدين وقدرتها على تكوين روابط هيدروجينية عند التفاعل مع بعضها البعض. هذا يعني أن ترتيب المونومرات في كل من خيوط DNA يتم تحديده بدقة: على سبيل المثال ، يمكن أن يكون عكس A من خيط DNA الأولفقط T مختلف وتنشأ بينهما روابط هيدروجينية. مقابل النوكليوتيدات الجوانين ، يمكن تحديد موقع السيتوزين فقط. في هذه الحالة ، تتكون ثلاث روابط هيدروجينية بين القواعد النيتروجينية.
دور النيوكليوتيدات في الكود الجيني
لتنفيذ تفاعل التخليق الحيوي للبروتين الذي يحدث في الريبوسومات ، توجد آلية لنقل المعلومات حول تكوين الأحماض الأمينية للببتيد من تسلسل نوكليوتيدات الرنا المرسال إلى تسلسل الأحماض الأمينية. اتضح أن ثلاثة مونومرات متجاورة تحمل معلومات حول أحد الأحماض الأمينية العشرين المحتملة. هذه الظاهرة تسمى الشيفرة الجينية. في حل المشكلات في البيولوجيا الجزيئية ، يتم استخدامه لتحديد كل من تكوين الأحماض الأمينية للببتيد ولتوضيح السؤال: أي المونومرات تشكل جزيء DNA ، وبعبارة أخرى ، ما هو تكوين الجين المقابل. على سبيل المثال ، يشفر ثلاثي AAA (كودون) في الجين الحمض الأميني فينيل ألانين في جزيء البروتين ، وفي الكود الجيني سيتوافق مع UUU الثلاثي في سلسلة الرنا المرسال.
تفاعل النيوكليوتيدات في عملية تكرار الحمض النووي
كما تم اكتشافه سابقًا ، الوحدات الهيكلية ومونومرات الحمض النووي هي نيوكليوتيدات. تسلسلها المحدد في السلاسل هو القالب لعملية تخليق جزيء الابنة من حمض الديوكسي ريبونوكلييك. تحدث هذه الظاهرة في المرحلة S من الطور البيني للخلية. يتم تجميع تسلسل النوكليوتيدات لجزيء DNA جديد على السلاسل الأصلية تحت تأثير إنزيم DNA polymerase ، مع مراعاة المبدأالتكامل (أ - ت ، د - ج). يشير النسخ المتماثل إلى تفاعلات تركيب المصفوفة. هذا يعني أن مونومرات الحمض النووي وبنيتها في السلاسل الأصلية تعمل كأساس ، أي المصفوفة لنسختها الفرعية.
هل يمكن تغيير بنية النيوكليوتيدات
بالمناسبة ، دعنا نقول أن الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين هو بنية محافظة للغاية لنواة الخلية. هناك تفسير منطقي لذلك: يجب أن تكون المعلومات الوراثية المخزنة في كروماتين النواة دون تغيير ونسخها دون تشويه. حسنًا ، الجينوم الخلوي دائمًا "تحت تهديد" العوامل البيئية. على سبيل المثال ، المركبات الكيميائية العدوانية مثل الكحول والمخدرات والإشعاع المشع. كلهم يطلق عليهم اسم المطفرات ، والتي تحت تأثير أي مونومر DNA يمكن أن يغير تركيبته الكيميائية. يسمى هذا التشويه في الكيمياء الحيوية طفرة نقطية. تواتر حدوثها في جينوم الخلية مرتفع جدًا. يتم تصحيح الطفرات من خلال العمل الجيد لنظام الإصلاح الخلوي ، والذي يتضمن مجموعة من الإنزيمات.
بعضها ، على سبيل المثال ، يقيد ، "يقطع" النيوكليوتيدات التالفة ، توفر البوليميراز تركيب المونومرات العادية ، و ligases "تخيط" الأجزاء المستعادة من الجين. إذا كانت الآلية الموصوفة أعلاه ، لسبب ما ، لا تعمل في الخلية وبقي مونومر الحمض النووي المعيب في جزيئه ، يتم التقاط الطفرة من خلال عمليات تخليق المصفوفة ويتجلى النمط الظاهري في شكل بروتينات ذات خصائص معطلة والتي غير قادرين على أداء الوظائف الضرورية الكامنة فيهاالأيض الخلوي. هذا عامل سلبي خطير يقلل من صلاحية الخلية ويقصر من عمرها.
