دراسة الحمض النووي: البنية، بنية الحمض النووي، وظائفه. هيكل وخصائص جزيء الحمض النووي

الحمض النووي هو مصدر عالمي وحافظ للمعلومات الوراثية، والتي يتم تسجيلها باستخدام تسلسل خاص من النيوكليوتيدات، وهو يحدد خصائص جميع الكائنات الحية.

من المفترض أن متوسط ​​الوزن الجزيئي للنيوكليوتيدات هو 345، ويمكن أن يصل عدد بقايا النوكليوتيدات إلى عدة مئات أو آلاف أو حتى الملايين. يوجد الحمض النووي في الغالب في نوى الخلايا. يوجد قليلاً في البلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا. ومع ذلك، فإن الحمض النووي لنواة الخلية ليس جزيءًا واحدًا. ويتكون من العديد من الجزيئات التي تتوزع على كروموسومات مختلفة، ويختلف عددها باختلاف الكائن الحي. هذه هي السمات الهيكلية للحمض النووي.

تاريخ اكتشاف الحمض النووي

اكتشف جيمس واتسون وفرانسيس كريك بنية ووظائف الحمض النووي، وحصلا على جائزة نوبل في عام 1962.

لكن العالم السويسري فريدريش يوهان ميشر، الذي عمل في ألمانيا، كان أول من اكتشف الأحماض النووية. في عام 1869، درس الخلايا الحيوانية - الكريات البيض. وللحصول عليها استخدم ضمادات بها صديد حصل عليها من المستشفيات. قام ميشر بغسل الكريات البيض من القيح وعزل البروتين منها. خلال هذه الدراسات، تمكن العالم من إثبات أنه في الكريات البيض، بالإضافة إلى البروتينات، هناك شيء آخر، بعض المواد غير المعروفة في ذلك الوقت. لقد كانت عبارة عن رواسب تشبه الخيوط أو الندف تم إطلاقها في حالة إنشاء بيئة حمضية. يذوب الراسب على الفور عند إضافة القلويات.

باستخدام المجهر، اكتشف العالم أنه عندما يتم غسل الكريات البيض بحمض الهيدروكلوريك، تبقى النوى من الخلايا. ثم استنتج أن هناك مادة مجهولة في النواة سماها النوكلين (كلمة نواة في الترجمة تعني النواة).

وبعد إجراء تحليل كيميائي، اكتشف ميشر أن المادة الجديدة تحتوي على الكربون والهيدروجين والأكسجين والفوسفور. في ذلك الوقت، لم يكن يُعرف سوى القليل عن مركبات الفوسفور العضوية، لذلك اعتقد فريدريش أنه اكتشف فئة جديدة من المركبات الموجودة في نواة الخلية.

وهكذا، في القرن التاسع عشر تم اكتشاف وجود الأحماض النووية. ومع ذلك، في ذلك الوقت لم يكن أحد يستطيع حتى التفكير في الدور المهم الذي لعبوه.

مادة الوراثة

استمرت دراسة بنية الحمض النووي، وفي عام 1944 تلقت مجموعة من علماء البكتيريا بقيادة أوزوالد أفيري دليلاً على أن هذا الجزيء يستحق اهتمامًا جديًا. قضى العالم سنوات عديدة في دراسة المكورات الرئوية، والكائنات الحية التي تسبب الالتهاب الرئوي، أو أمراض الرئة. أجرى أفيري تجارب عن طريق خلط المكورات الرئوية التي تسبب المرض مع تلك الآمنة للكائنات الحية. أولاً، يتم قتل الخلايا المسببة للمرض، ثم تضاف إليها الخلايا التي لا تسبب المرض.

نتائج البحث أذهلت الجميع. وكانت هناك خلايا حية تعلمت، بعد تفاعلها مع الخلايا الميتة، أن تسبب المرض. اكتشف العالم طبيعة المادة التي تدخل في عملية نقل المعلومات إلى الخلايا الحية من الخلايا الميتة. وتبين أن جزيء الحمض النووي هو هذه المادة.

بناء

لذلك، من الضروري أن نفهم ما هو هيكل جزيء الحمض النووي. وكان اكتشاف بنيتها حدثا هاما، فقد أدى إلى تشكيل البيولوجيا الجزيئية - فرع جديد من الكيمياء الحيوية. يوجد الحمض النووي بكميات كبيرة في نوى الخلايا، لكن حجم وعدد الجزيئات يعتمد على نوع الكائن الحي. وقد ثبت أن نوى خلايا الثدييات تحتوي على العديد من هذه الخلايا، وهي موزعة على طول الكروموسومات، ويبلغ عددها 46.

أثناء دراسة بنية الحمض النووي، في عام 1924، أنشأ فيولجن توطينه لأول مرة. أظهرت الأدلة التي تم الحصول عليها من التجارب أن الحمض النووي موجود في الميتوكوندريا (1-2٪). وفي أماكن أخرى، يمكن العثور على هذه الجزيئات أثناء العدوى الفيروسية، وفي الأجسام القاعدية، وكذلك في بيض بعض الحيوانات. ومن المعروف أنه كلما كان الكائن الحي أكثر تعقيدا، كلما زادت كتلة الحمض النووي. يعتمد عدد الجزيئات الموجودة في الخلية على الوظيفة وعادة ما يكون من 1 إلى 10%. أقلها موجود في الخلايا العضلية (0.2%)، وأكثرها في الخلايا الجرثومية (60%).

أظهر هيكل الحمض النووي أنه في كروموسومات الكائنات الحية العليا ترتبط ببروتينات بسيطة - الألبومينات والهستونات وغيرها، والتي تشكل معًا DNP (البروتين النووي الريبي منقوص الأكسجين). عادةً ما يكون الجزيء الكبير غير مستقر، ولكي يظل سليمًا ودون تغيير أثناء التطور، تم إنشاء ما يسمى بنظام الإصلاح، والذي يتكون من الإنزيمات - الأربطة والنوكليزات المسؤولة عن "إصلاح" الجزيء. مركب.

التركيب الكيميائي للحمض النووي

الحمض النووي عبارة عن بوليمر، متعدد النوكليوتيدات، يتكون من عدد كبير (يصل إلى عشرات الآلاف من الملايين) من أحاديات النوكليوتيدات. بنية الحمض النووي هي كما يلي: تحتوي أحاديات النوكليوتيدات على قواعد نيتروجينية - السيتوزين (C) والثايمين (T) - من مشتقات البيريميدين والأدينين (A) والجوانين (G) - من مشتقات البيورين. بالإضافة إلى القواعد النيتروجينية، يحتوي الجزيء البشري والحيواني على 5-ميثيل أسيتوزين، وهي قاعدة بيريميدين ثانوية. ترتبط القواعد النيتروجينية بحمض الفوسفوريك وديوكسيريبوز. يظهر هيكل الحمض النووي أدناه.

قواعد شارجاف

تمت دراسة البنية والدور البيولوجي للحمض النووي من قبل E. Chargaff في عام 1949. خلال بحثه، حدد الأنماط التي لوحظت في التوزيع الكمي للقواعد النيتروجينية:

1. ∑T + C = ∑A + G (أي أن عدد قواعد البيريميدين يساوي عدد قواعد البيورين).
2. عدد بقايا الأدينين يساوي دائمًا عدد بقايا الثايمين، وعدد الجوانين يساوي عدد السيتوزين.
3. معامل الخصوصية له الصيغة: G+C/A+T. على سبيل المثال، بالنسبة للشخص هو 1.5، بالنسبة للثور هو 1.3.
4. مجموع "A + C" يساوي مجموع "G + T"، أي أن هناك قدرًا من الأدينين والسيتوزين مثل الجوانين والثايمين.

نموذج هيكل الحمض النووي

تم إنشاؤه بواسطة واتسون وكريك. توجد بقايا الفوسفات وديوكسيريبوز على طول العمود الفقري لسلسلتين متعدد النوكليوتيدات ملتوية بطريقة حلزونية. تم تحديد أن الهياكل المستوية لقواعد البيريميدين والبيورين تقع بشكل عمودي على محور السلسلة وتشكل درجات سلم على شكل حلزوني. لقد ثبت أيضًا أن A يرتبط دائمًا بـ T باستخدام رابطتين هيدروجينيتين، ويرتبط G بـ C بثلاثة من نفس الروابط. وقد أُطلق على هذه الظاهرة اسم "مبدأ الانتقائية والتكاملية".

مستويات التنظيم الهيكلي

إن سلسلة البولينوكليوتيدات المنحنية مثل الحلزون هي بنية أولية تحتوي على مجموعة نوعية وكمية معينة من أحاديات النوكليوتيدات المرتبطة برابطة 3'،5'-فوسفوديستر. وبالتالي، فإن كل سلسلة لها نهاية 3' (ريبوز منقوص الأكسجين) ونهاية 5' (الفوسفات). تسمى المناطق التي تحتوي على معلومات وراثية بالجينات الهيكلية.

جزيء الحلزون المزدوج هو البنية الثانوية. علاوة على ذلك، فإن سلاسلها متعددة النيوكليوتيدات متضادة التوازي وترتبط بروابط هيدروجينية بين القواعد التكميلية للسلاسل. وقد ثبت أن كل دورة من هذا الحلزون تحتوي على 10 بقايا نيوكليوتيدات، ويبلغ طولها 3.4 نانومتر. ويدعم هذا الهيكل أيضًا قوى تفاعل فان دير فالس، والتي يتم ملاحظتها بين قواعد نفس السلسلة، بما في ذلك المكونات التنافرية والجذابة. يتم تفسير هذه القوى من خلال تفاعل الإلكترونات في الذرات المجاورة. يعمل التفاعل الكهروستاتيكي أيضًا على استقرار الهيكل الثانوي. ويحدث بين جزيئات هيستون موجبة الشحنة وشريط DNA سالب الشحنة.

البنية الثلاثية هي لف خيوط الحمض النووي حول الهستونات، أو اللف الفائق. تم وصف خمسة أنواع من الهستونات: H1، H2A، H2B، H3، H4.

إن طي النيوكليوسومات في الكروماتين هو بنية رباعية، لذلك يمكن لجزيء الحمض النووي الذي يبلغ طوله عدة سنتيمترات أن يطوي حتى 5 نانومتر.

وظائف الحمض النووي

الوظائف الرئيسية للحمض النووي هي:

1. تخزين المعلومات الوراثية. يتم تحديد تسلسل الأحماض الأمينية الموجودة في جزيء البروتين حسب الترتيب الذي توجد به بقايا النوكليوتيدات في جزيء DNA. كما يقوم بتشفير كافة المعلومات حول خصائص وخصائص الكائن الحي.
2. يتمتع الحمض النووي بالقدرة على نقل المعلومات الوراثية إلى الجيل التالي. هذا ممكن بسبب القدرة على النسخ المتماثل - النسخ الذاتي. الحمض النووي قادر على الانقسام إلى سلسلتين متكاملتين، وفي كل منهما (وفقًا لمبدأ التكامل) يتم استعادة تسلسل النوكليوتيدات الأصلي.
3. بمساعدة الحمض النووي، يحدث التخليق الحيوي للبروتينات والإنزيمات والهرمونات.

خاتمة

يسمح هيكل الحمض النووي بأن يكون الوصي على المعلومات الجينية وينقلها أيضًا إلى الأجيال القادمة. ما هي الميزات التي يمتلكها هذا الجزيء؟

1. استقرار. وهذا ممكن بسبب الروابط الجليكوسيدية والهيدروجينية والفوسفودية، بالإضافة إلى آلية إصلاح الأضرار المستحثة والعفوية.
2. إمكانية النسخ المتماثل. تسمح هذه الآلية بالحفاظ على العدد الثنائي الصبغي للكروموسومات في الخلايا الجسدية.
3. وجود الشفرة الوراثية. ومن خلال عمليتي الترجمة والنسخ، يتم تحويل تسلسل القواعد الموجودة في الحمض النووي إلى تسلسل من الأحماض الأمينية الموجودة في سلسلة البولي ببتيد.
4. القدرة على إعادة التركيب الجيني. وفي هذه الحالة، تتشكل مجموعات جديدة من الجينات المرتبطة ببعضها البعض.

وبالتالي، فإن بنية الحمض النووي ووظائفه تسمح له بلعب دور لا يقدر بثمن في الكائنات الحية. ومن المعروف أن طول جزيء الحمض النووي الموجود في كل خلية بشرية والبالغ عدده 46 جزيء يبلغ 2 متر تقريبا، ويبلغ عدد أزواج النيوكليوتيدات 3.2 مليار.

وحدات المونومر منها هي النيوكلياتيدات.

ما هو الحمض النووي؟

جميع المعلومات حول بنية وعمل أي كائن حي موجودة في شكل مشفر في مادته الوراثية. أساس المادة الوراثية للكائن الحي هو الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA).

الحمض النوويوهو في معظم الكائنات الحية عبارة عن جزيء بوليمر طويل مزدوج السلسلة. التبعية وحدات مونومر (ديوكسيريبونوكليوتيدات) في إحدى سلاسلها يتوافق مع ( مكمل) تسلسل ديوكسيريبونوكليوتيد إلى آخر. مبدأ التكامليضمن تركيب جزيئات الحمض النووي الجديدة المطابقة للجزيئات الأصلية عند مضاعفتها ( تكرار).

جزء من جزيء DNA الذي يشفر سمة معينة - الجين.

الجينات- هذه عناصر وراثية فردية لها تسلسل نيوكليوتيدات محدد بدقة وترميز خصائص معينة للكائن الحي. بعضها يشفر البروتينات، والبعض الآخر يشفر جزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA) فقط.

يتم فك تشفير المعلومات الموجودة في الجينات التي تشفر البروتينات (الجينات الهيكلية) من خلال عمليتين متتابعتين:

• تخليق الحمض النووي الريبي (النسخ): يتم تصنيع الحمض النووي في قسم معين كما هو الحال في المصفوفة رسول الحمض النووي الريبي (مرنا).
• تخليق البروتين (ترجمة):أثناء التشغيل المنسق لنظام متعدد المكونات مع المشاركة نقل الحمض النووي الريبي (الحمض الريبي النووي النقال), مرنا, الانزيماتومختلف عوامل البروتينتم تنفيذها تخليق البروتين.

كل هذه العمليات تضمن الترجمة الصحيحة للمعلومات الجينية المشفرة في الحمض النووي من لغة النيوكليوتيدات إلى لغة الأحماض الأمينية. تسلسل الأحماض الأمينية لجزيء البروتينويحدد هيكلها ووظائفها.

هيكل الحمض النووي

الحمض النووي- هذا البوليمر العضوي الخطي. له - النيوكليوتيداتوالتي تتكون بدورها من:

وفي هذه الحالة يتم الارتباط بمجموعة الفوسفات ذرة كربون 5'بقايا السكريات الأحادية، والقاعدة العضوية - ل 1′-ذرة.

هناك نوعان من القواعد في الحمض النووي:

هيكل النيوكليوتيدات في جزيء الحمض النووي

في الحمض النوويقدم السكريات الأحادية 2′-ديوكسيريبوز، تحتوي فقط 1 مجموعة الهيدروكسيل (OH)، و في الحمض النووي الريبي - الريبوزنأخذ 2 مجموعات الهيدروكسيل (أوه).

ترتبط النيوكليوتيدات ببعضها البعض روابط فوسفوديستربينما مجموعة الفوسفات ذرة كربون 5'نيوكليوتيد واحد مرتبط به 3'-OH-مجموعة من الديوكسيريبوزالنوكليوتيدات المجاورة (الشكل 1). يوجد في أحد طرفي سلسلة البولينوكليوتيدات مجموعة Z'-OH (نهاية Z)،ومن ناحية أخرى - مجموعة 5′-فوسفات (نهاية 5′).

مستويات بنية الحمض النووي

من المعتاد التمييز بين 3 مستويات من بنية الحمض النووي:

• أساسي؛
• ثانوي؛
• بعد الثانوي

البنية الأولية للحمض النوويهو تسلسل ترتيب النيوكليوتيدات في سلسلة متعددة النوكليوتيدات من الحمض النووي.

البنية الثانوية للحمض النووييستقر بين أزواج القواعد التكميلية وهو عبارة عن حلزون مزدوج لسلسلتين متقابلتين متوازيتين ملتويتين إلى اليمين حول نفس المحور.

الدوران الكلي للدوامة هو 3.4 نانومترالمسافة بين السلاسل 2 نانومتر.

البنية الثلاثية للحمض النووي - التخصص الفائق للحمض النووي.قد يخضع الحلزون المزدوج للحمض النووي لمزيد من الحلزونية في بعض المواقع ليشكل ملفًا فائقًا أو شكلًا دائريًا مفتوحًا، وغالبًا ما يحدث ذلك بسبب الارتباط التساهمي لنهاياته المفتوحة. يضمن الهيكل الفائق للحمض النووي التغليف الاقتصادي لجزيء الحمض النووي الطويل جدًا في الكروموسوم. وهكذا، في شكل ممدود، يكون طول جزيء الحمض النووي 8 سم، وعلى شكل حلزوني فائق يناسب 5 نانومتر.

حكم شارجاف

E. حكم Chargaffهو نمط من المحتوى الكمي للقواعد النيتروجينية في جزيء الحمض النووي:

1. في الحمض النووي الكسور الخلدقواعد البيورين والبيريميدين متساوية: أ+ز = ج+ ت أو (أ+ز)/(ج + ت)=1 .
2. في الحمض النووي عدد القواعد ذات المجموعات الأمينية (A+ج) يساوي عدد القواعد مع مجموعات الكيتو (ز+ ت):أ+ج= ز+ ت أو (أ+ج)/(ز+ ت)= 1
3. قاعدة التكافؤ، وهي: أ=ت، ز=ج؛ أ/ت = 1؛ جي/ج = 1.
4. تكوين النوكليوتيدات من الحمض النوويفي الكائنات الحية من مجموعات مختلفة محددة وتتميز معامل الخصوصية: (G+C)/(A+T).في النباتات والحيوانات العليا معامل الخصوصيةأقل من 1، ويتقلب قليلا: من 0,54 قبل 0,98 ، في الكائنات الحية الدقيقة هو أكثر من 1.

نموذج واتسون-كريك للحمض النووي

ب 1953 جيمس واتسونوفرانسيس الصراخ، استنادا إلى تحليل حيود الأشعة السينية لبلورات الحمض النووي، توصل إلى استنتاج مفاده أن الحمض النووي الأصلييتكون من سلسلتين بوليمر يشكلان حلزونًا مزدوجًا (الشكل 3).

يتم ربط سلاسل البولينوكليوتيدات الملفوفة فوق بعضها البعض معًا روابط هيدروجينية، تكونت بين القواعد التكميلية للسلاسل المتقابلة (الشكل 3). حيث الأدينينيشكل زوجًا فقط مع الثايمين، أ جوانين- مع السيتوزين. قاعدة الزوج فييستقر اثنين من الروابط الهيدروجينية، وزوجين جي سي - ثلاثة.

يُقاس طول الحمض النووي المزدوج عادةً بعدد أزواج النيوكليوتيدات التكميلية ( ص.ن.). بالنسبة لجزيئات الحمض النووي التي تتكون من آلاف أو ملايين من أزواج النيوكليوتيدات، يتم أخذ الوحدات ت.ب.س.و م.ن.على التوالى. على سبيل المثال، الحمض النووي للكروموسوم البشري 1 يبلغ طوله حلزونًا مزدوجًا واحدًا 263 م.ب..

فوسفات السكر العمود الفقري للجزيءوالتي تتكون من مجموعات الفوسفات وبقايا الديوكسيريبوز المتصلة روابط 5'-3'-فوسفوديستر، يشكل "الجدران الجانبية للدرج الحلزوني"، والأزواج الأساسية فيو جي سي- خطواته (شكل 3).

الشكل 3: نموذج الحمض النووي واتسون-كريك

سلاسل جزيء DNA مضاد للتوازي: واحد منهم له اتجاه 3'→5'، آخر 5'→3'. وفقا لل مبدأ التكاملإذا كانت إحدى السلاسل تحتوي على تسلسل النيوكليوتيدات 5-تاغكات-3'، ثم في السلسلة التكميلية في هذا المكان يجب أن يكون هناك تسلسل 3′-ATCCGTA-5′. في هذه الحالة، سيبدو النموذج المزدوج تقطعت بهم السبل كما يلي:

• 5'-تاجكات-3'
• 3-ATCCGTA-5'.

في مثل هذا التسجيل 5′ نهاية السلسلة العلويةوضعت دائما على اليسار، و 3′ النهاية- على اليمين.

يجب أن يستوفي حامل المعلومات الجينية شرطين أساسيين: إعادة إنتاج (تكرار) بدقة عاليةو تحديد (تشفير) تخليق جزيئات البروتين.

نموذج واتسون-كريك للحمض النووييلبي هذه المتطلبات بالكامل لأنه:

• وفقا لمبدأ التكامل، يمكن لكل شريط DNA أن يكون بمثابة قالب لتشكيل سلسلة تكميلية جديدة. ونتيجة لذلك، بعد جولة واحدة، يتم تشكيل جزيئين ابنتين، كل منهما له نفس تسلسل النيوكليوتيدات مثل جزيء الحمض النووي الأصلي.
• يحدد تسلسل النيوكليوتيدات للجين الهيكلي بشكل فريد تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين الذي يشفره.

1. يحتوي جزيء DNA البشري الواحد على حوالي 1.5 جيجا بايت من المعلومات. في الوقت نفسه، يستهلك الحمض النووي لجميع خلايا الجسم البشري 60 مليار تيرابايت، والتي يتم تخزينها على 150-160 جرامًا من الحمض النووي.
2. اليوم العالمي للحمض النووياحتفل به في 25 أبريل. في مثل هذا اليوم من عام 1953 جيمس واتسونو فرانسيس كريكنشرت في مجلة طبيعةمقالته بعنوان "التركيب الجزيئي للأحماض النووية" حيث تم وصف الحلزون المزدوج لجزيء DNA.

فهرس: التكنولوجيا الحيوية الجزيئية: المبادئ والتطبيقات، B. Glick، J. Pasternak، 2002

حسب تركيبه الكيميائي DNA ( حمض النووي الريبي منقوص الأكسجين) يكون البوليمر الحيوي، التي مونومراتها النيوكليوتيدات. وهذا هو، الحمض النووي متعدد النوكليوتيدات. علاوة على ذلك، يتكون جزيء الحمض النووي عادةً من سلسلتين ملتويتين بالنسبة لبعضهما البعض على طول حلزون (غالبًا ما يسمى "ملتوي حلزونيًا") ومتصلتين بروابط هيدروجينية.

يمكن لف السلاسل إلى الجانب الأيسر وإلى اليمين (في أغلب الأحيان).

بعض الفيروسات لها DNA مفرد.

يتكون كل نيوكليوتيد DNA من 1) قاعدة نيتروجينية، 2) ديوكسي ريبوز، 3) بقايا حمض الفوسفوريك.

حلزون الحمض النووي الأيمن المزدوج

يتضمن تكوين الحمض النووي ما يلي: الأدينين, جوانين, الثايمينو السيتوزين. الأدينين والجوانين هما بوريناتوالثايمين والسيتوزين - ل بيريميدين. في بعض الأحيان يحتوي الحمض النووي على اليوراسيل، والذي عادة ما يكون من خصائص الحمض النووي الريبي (RNA)، حيث يحل محل الثايمين.

ترتبط القواعد النيتروجينية لسلسلة واحدة من جزيء DNA بالقواعد النيتروجينية لسلسلة أخرى بدقة وفقًا لمبدأ التكامل: الأدينين فقط مع الثايمين (يشكل رابطتين هيدروجينيتين مع بعضهما البعض)، والجوانين فقط مع السيتوزين (ثلاث روابط).

ترتبط القاعدة النيتروجينية في النوكليوتيدات نفسها بذرة الكربون الأولى ذات الشكل الدوري ديوكسيريبوزوهو البنتوز (الكربوهيدرات التي تحتوي على خمس ذرات كربون). الرابطة تساهمية، جليكوسيدية (C-N). على عكس الريبوز، يفتقر الديوكسيريبوز إلى إحدى مجموعات الهيدروكسيل. تتكون حلقة الديوكسي ريبوز من أربع ذرات كربون وذرة أكسجين واحدة. توجد ذرة الكربون الخامسة خارج الحلقة وتتصل عبر ذرة الأكسجين ببقايا حمض الفوسفوريك. وأيضًا، من خلال ذرة الأكسجين عند ذرة الكربون الثالثة، يتم ربط بقايا حمض الفوسفوريك من النوكليوتيدات المجاورة.

وهكذا، في أحد سلاسل الحمض النووي، ترتبط النيوكليوتيدات المتجاورة ببعضها البعض بواسطة روابط تساهمية بين الديوكسيريبوز وحمض الفوسفوريك (رابطة الفوسفوديستر). يتم تشكيل العمود الفقري للفوسفات-ديوكسيريبوز. وتتعامد معها، باتجاه سلسلة الحمض النووي الأخرى، قواعد نيتروجينية، ترتبط بقواعد السلسلة الثانية بروابط هيدروجينية.

إن بنية الحمض النووي تجعل العمود الفقري للسلاسل المرتبطة بروابط الهيدروجين موجهة في اتجاهات مختلفة (يقولون "متعدد الاتجاهات" و "مضاد للتوازي"). وفي الجانب الذي ينتهي فيه أحدهما بحمض الفوسفوريك المتصل بذرة الكربون الخامسة من ريبوز الديوكسيريبوز، ينتهي الآخر بذرة كربون ثالثة "حرة". وهذا يعني أن الهيكل العظمي لسلسلة واحدة مقلوب رأسًا على عقب بالنسبة إلى الأخرى. وهكذا، في بنية سلاسل الحمض النووي، يتم التمييز بين نهايات 5 بوصات ونهايات 3 بوصات.

أثناء تكرار الحمض النووي (المضاعفة)، يبدأ تركيب السلاسل الجديدة دائمًا من الطرف الخامس إلى الطرف الثالث، حيث لا يمكن إضافة النيوكليوتيدات الجديدة إلا إلى الطرف الثالث الحر.

في النهاية (بشكل غير مباشر من خلال الحمض النووي الريبي)، كل ثلاث نيوكليوتيدات متتالية في سلسلة الحمض النووي ترمز لبروتين واحد من الأحماض الأمينية.

تم اكتشاف بنية جزيء الحمض النووي في عام 1953 بفضل عمل ف. كريك ود. واتسون (والذي تم تسهيله أيضًا من خلال العمل المبكر لعلماء آخرين). على الرغم من أن الحمض النووي كان يُعرف بأنه مادة كيميائية في القرن التاسع عشر. في الأربعينيات من القرن العشرين، أصبح من الواضح أن الحمض النووي هو الناقل للمعلومات الوراثية.

يعتبر الحلزون المزدوج البنية الثانوية لجزيء الحمض النووي. في الخلايا حقيقية النواة، توجد الكمية الهائلة من الحمض النووي في الكروموسومات، حيث ترتبط بالبروتينات والمواد الأخرى، كما أنها معبأة بشكل أكثر كثافة.

هيكل ووظائف الحمض النووي

الحمض النووي- بوليمر تكون مونومراته عبارة عن نيوكليوتيدات منقوعة الأكسجين. تم اقتراح نموذج للبنية المكانية لجزيء الحمض النووي على شكل حلزون مزدوج في عام 1953. J. Watson وF. Crick (لبناء هذا النموذج، استخدموا أعمال M. Wilkins، R. Franklin، E. Chargaff).

جزيء الحمض النوويتتكون من سلسلتين متعددتي النيوكليوتيدات، ملتوية بشكل حلزوني حول بعضها البعض ومعاً حول محور وهمي، ᴛ.ᴇ. هو حلزون مزدوج (باستثناء بعض الفيروسات التي تحتوي على الحمض النووي لها حمض نووي مفرد). يبلغ قطر الحلزون المزدوج للحمض النووي 2 نانومتر، والمسافة بين النيوكليوتيدات المجاورة 0.34 نانومتر، ويوجد 10 أزواج من النيوكليوتيدات في كل دورة من الحلزون. يمكن أن يصل طول الجزيء إلى عدة سنتيمترات. الوزن الجزيئي - عشرات ومئات الملايين. يبلغ الطول الإجمالي للحمض النووي في نواة الخلية البشرية حوالي 2 متر، وفي الخلايا حقيقية النواة، يشكل الحمض النووي مجمعات تحتوي على البروتينات ولها شكل مكاني محدد.

مونومر الحمض النووي - النوكليوتيدات (ديوكسيريبونوكليوتيد)- يتكون من بقايا ثلاث مواد: 1) قاعدة نيتروجينية، 2) سكر أحادي خماسي الكربون (البنتوز)، 3) حمض الفوسفوريك. تنتمي القواعد النيتروجينية للأحماض النووية إلى فئتي البيريميدين والبيورينات. قواعد بيريميدين الحمض النووي(لديهم حلقة واحدة في جزيئهم) - الثيمين والسيتوزين. قواعد البيورين(لها حلقتان) - الأدينين والجوانين.

النوكليوتيدات الأحادية في الحمض النووي هي ديوكسي ريبوز.

اسم النوكليوتيدات مشتق من اسم القاعدة المقابلة. يشار إلى النيوكليوتيدات والقواعد النيتروجينية بأحرف كبيرة.

تتشكل سلسلة البولينوكليوتيدات نتيجة تفاعلات تكثيف النيوكليوتيدات. في هذه الحالة، بين 3"-كربون من بقايا الديوكسي ريبوز لأحد النيوكليوتيدات وبقايا حمض الفوسفوريك في آخر، رابطة الفوسفوستر(ينتمي إلى فئة الروابط التساهمية القوية). ينتهي أحد طرفي سلسلة متعدد النوكليوتيدات بذرة كربون مقاس 5 بوصات (تسمى النهاية 5 بوصات)، وينتهي الطرف الآخر بذرة كربون مقاس 3 بوصات (نهاية 3 بوصات).

مقابل أحد سلاسل النيوكليوتيدات يوجد شريط ثانٍ. ترتيب النيوكليوتيدات في هاتين السلسلتين ليس عشوائيًا، ولكنه محدد بدقة: الثايمين يقع دائمًا مقابل الأدينين لإحدى السلسلة في السلسلة الأخرى، والسيتوزين يقع دائمًا مقابل الجوانين، وتنشأ رابطتان هيدروجينيتين بين الأدينين والثايمين، وبين الأدينين والثايمين. الجوانين والسيتوزين - ثلاث روابط هيدروجينية. يُطلق على النمط الذي يتم بموجبه ترتيب النيوكليوتيدات في سلاسل الحمض النووي المختلفة بشكل صارم (الأدينين - الثيمين، الجوانين - السيتوزين) والاتصال بشكل انتقائي مع بعضها البعض اسم مبدأ التكامل. تجدر الإشارة إلى أن J. Watson وF. Crick توصلا إلى فهم مبدأ التكامل بعد التعرف على أعمال E. Chargaff. E. Chargaff، بعد أن درس عددًا كبيرًا من عينات الأنسجة وأعضاء الكائنات الحية المختلفة، وجد أنه في أي جزء من الحمض النووي، يتوافق محتوى بقايا الجوانين دائمًا تمامًا مع محتوى السيتوزين، والأدينين مع الثيمين ( "قاعدة شارجاف")، لكنه غير قادر على تفسير هذه الحقيقة.

ويترتب على مبدأ التكامل أن تسلسل النيوكليوتيدات في إحدى السلسلة يحدد تسلسل النيوكليوتيدات في السلسلة الأخرى.

خيوط الحمض النووي متضادة التوازي (متعددة الاتجاهات)، ᴛ.ᴇ. توجد نيوكليوتيدات السلاسل المختلفة في اتجاهين متعاكسين، وبالتالي، فإن الطرف المقابل لسلسلة واحدة يبلغ 3 بوصة هو الطرف الآخر 5 بوصة. يُقارن جزيء الحمض النووي أحيانًا بدرج حلزوني. "درابزين" هذا الدرج عبارة عن العمود الفقري للسكر والفوسفات (بقايا متناوبة من الديوكسي ريبوز وحمض الفوسفوريك) ؛ "الخطوات" هي قواعد نيتروجينية تكميلية.

وظيفة الحمض النووي- تخزين ونقل المعلومات الوراثية.

هيكل ووظائف الحمض النووي - المفهوم والأنواع. تصنيف وخصائص فئة "بنية ووظائف الحمض النووي" 2017، 2018.