جزيء الحمض النووي البشري. كيف تعمل الجينات، ما هو الحمض النووي الريبوزي (RNA)، النيوكليوتيدات، تخليق البروتين. هيكل الحمض النووي هيكل جزيء الحمض النووي الجيني

الأحماض النووية هي مواد جزيئية عالية تتكون من أحاديات النيوكليوتيدات، والتي ترتبط ببعضها البعض في سلسلة بوليمر باستخدام روابط فوسفوديستر 3 "، 5" ويتم تعبئتها في الخلايا بطريقة معينة.

الأحماض النووية هي بوليمرات حيوية من نوعين: حمض الريبونوكلييك (RNA) وحمض الديوكسي ريبونوكلييك (DNA). يتكون كل بوليمر حيوي من نيوكليوتيدات تختلف في بقايا الكربوهيدرات (الريبوز، الديوكسي ريبوز) وأحد القواعد النيتروجينية (اليوراسيل، الثايمين). ووفقا لهذه الاختلافات، تلقت الأحماض النووية اسمها.

هيكل حمض الديوكسي ريبونوكلييك

الأحماض النووية لها بنية أولية وثانوية وثلاثية.

البنية الأولية للحمض النووي

البنية الأساسية للحمض النووي هي سلسلة بولي نيوكليوتيد خطية ترتبط فيها أحاديات النوكليوتيدات بروابط فوسفوديستر مقاس 3 بوصات و5 بوصات. المادة الأولية لتجميع سلسلة الحمض النووي في الخلية هي نوكليوسيد ثلاثي الفوسفات مقاس 5 بوصة، والذي، نتيجة لإزالة بقايا حمض الفوسفوريك β وγ، قادر على ربط ذرة الكربون مقاس 3 بوصة لنوكليوسيد آخر . وبالتالي، فإن ذرة الكربون مقاس 3 بوصة لريبوز ديوكسيريبوز واحد ترتبط تساهميًا بذرة الكربون مقاس 5 بوصة لريبوز ديوكسيريبوز آخر من خلال بقايا حمض فوسفوريك واحدة وتشكل سلسلة بولي نيوكليوتيد خطية من الحمض النووي. ومن هنا جاء الاسم: روابط فوسفوديستر مقاس 3 بوصات و5 بوصات. لا تشارك القواعد النيتروجينية في ربط النيوكليوتيدات في سلسلة واحدة (الشكل 1.).

يؤدي مثل هذا الارتباط بين بقايا جزيء حمض الفوسفوريك لأحد النيوكليوتيدات والكربوهيدرات في آخر إلى تكوين هيكل فوسفات البنتوز لجزيء متعدد النوكليوتيدات، حيث ترتبط القواعد النيتروجينية بالجانب الواحد تلو الآخر. إن تسلسل ترتيبها في سلاسل جزيئات الحمض النووي محدد بدقة لخلايا الكائنات الحية المختلفة، أي. لها طابع محدد (قاعدة شارجاف).

سلسلة الحمض النووي الخطية، التي يعتمد طولها على عدد النيوكليوتيدات الموجودة في السلسلة، لها طرفان: أحدهما يسمى الطرف 3" ويحتوي على هيدروكسيل حر، والآخر يسمى الطرف 5" ويحتوي على فوسفوريك. بقايا حمض. الدائرة قطبية ويمكن أن يكون اتجاهها 5"->3" و3"->5". الاستثناء هو الحمض النووي الدائري.

يتكون "النص" الجيني للحمض النووي من "كلمات" برمجية - ثلاثة توائم من النيوكليوتيدات تسمى الكودونات. تسمى أقسام الحمض النووي التي تحتوي على معلومات حول البنية الأساسية لجميع أنواع الحمض النووي الريبي (RNA) بالجينات الهيكلية.

تصل سلاسل الحمض النووي متعددة النوكليوتيدات إلى أحجام هائلة، لذلك يتم تعبئتها بطريقة معينة في الخلية.

أثناء دراسة تكوين الحمض النووي، أنشأ شارجاف (1949) أنماطًا مهمة فيما يتعلق بمحتوى قواعد الحمض النووي الفردية. لقد ساعدوا في الكشف عن البنية الثانوية للحمض النووي. تسمى هذه الأنماط قواعد Chargaff. قواعد شارجاف مجموع نيوكليوتيدات البيورين يساوي مجموع نيوكليوتيدات البيريميدين، أي A+G / C+T = 1 محتوى الأدينين يساوي محتوى الثايمين (A = T، أو A/T = 1)؛ محتوى الجوانين يساوي محتوى السيتوزين (G = C، أو G/C = 1)؛ عدد المجموعات الأمينية 6 يساوي عدد مجموعات القواعد 6 كيتو الموجودة في الحمض النووي: G + T = A + C؛ فقط مجموع A + T وG + C هو المتغير، إذا كان A + T > G-C، فهذا هو نوع AT من الحمض النووي؛ إذا كان G+C > A+T، فهذا هو نوع GC من الحمض النووي. تشير هذه القواعد إلى أنه عند بناء الحمض النووي، يجب ملاحظة المراسلات (الاقتران) الصارمة إلى حد ما ليس بين قواعد البيورين والبيريميدين بشكل عام، ولكن على وجه التحديد بين الثيمين مع الأدينين والسيتوزين مع الجوانين. بناءً على هذه القواعد، في عام 1953، اقترح واتسون وكريك نموذجًا للبنية الثانوية للحمض النووي، يسمى الحلزون المزدوج (الشكل 1).

البنية الثانوية للحمض النووي

البنية الثانوية للحمض النووي هي عبارة عن حلزون مزدوج، تم اقتراح نموذج له من قبل د. واتسون و ف. كريك في عام 1953.

المتطلبات الأساسية لإنشاء نموذج الحمض النووي

ونتيجة للتحليلات الأولية، كان يعتقد أن الحمض النووي من أي أصل يحتوي على جميع النيوكليوتيدات الأربعة بكميات مولية متساوية. ومع ذلك، في الأربعينيات من القرن العشرين، أظهر E. Chargaff وزملاؤه، نتيجة لتحليل الحمض النووي المعزول من مجموعة متنوعة من الكائنات الحية، بوضوح أنها تحتوي على قواعد نيتروجينية بنسب كمية مختلفة. وجد تشارجاف أنه على الرغم من أن هذه النسب هي نفسها بالنسبة للحمض النووي من جميع الخلايا من نفس النوع من الكائنات الحية، إلا أن الحمض النووي من الأنواع المختلفة يمكن أن يختلف بشكل ملحوظ في محتوى بعض النيوكليوتيدات. يشير هذا إلى أن الاختلافات في نسبة القواعد النيتروجينية قد تكون مرتبطة بنوع من الكود البيولوجي. على الرغم من أن نسبة قواعد البيورين والبيريميدين الفردية في عينات الحمض النووي المختلفة تبين أنها مختلفة، إلا أنه عند مقارنة نتائج الاختبار، ظهر نمط معين: في جميع العينات، كان العدد الإجمالي للبيورينات مساويا للعدد الإجمالي للبيريميدين (A + G = T + C)، وكانت كمية الأدينين مساوية لكمية الثايمين (A = T)، وكمية الجوانين هي كمية السيتوزين (G = C). كان الحمض النووي المعزول من خلايا الثدييات بشكل عام أكثر ثراءً في الأدينين والثايمين وأفقر نسبيًا في الجوانين والسيتوزين، في حين كان الحمض النووي من البكتيريا أكثر ثراءً في الجوانين والسيتوزين وأفقر نسبيًا في الأدينين والثايمين. شكلت هذه البيانات جزءًا مهمًا من المادة الواقعية التي تم على أساسها بناء نموذج واتسون-كريك لبنية الحمض النووي لاحقًا.

تم تقديم مؤشر آخر غير مباشر مهم للبنية المحتملة للحمض النووي من خلال بيانات L. Pauling حول بنية جزيئات البروتين. أظهر بولينج أن العديد من التكوينات المستقرة المختلفة لسلسلة الأحماض الأمينية في جزيء البروتين ممكنة. أحد تكوينات سلسلة الببتيد الشائعة، الحلزون ألفا، هو هيكل حلزوني منتظم. مع هذا الهيكل، من الممكن تكوين روابط هيدروجينية بين الأحماض الأمينية الموجودة على المنعطفات المجاورة للسلسلة. وصف بولينج التكوين الحلزوني ألفا لسلسلة البولي ببتيد في عام 1950 واقترح أن جزيئات الحمض النووي ربما يكون لها بنية حلزونية مثبتة في مكانها بواسطة روابط هيدروجينية.

ومع ذلك، فإن المعلومات الأكثر قيمة حول بنية جزيء الحمض النووي تم توفيرها من خلال نتائج تحليل حيود الأشعة السينية. تخضع الأشعة السينية التي تمر عبر بلورة الحمض النووي للحيود، أي أنها تنحرف في اتجاهات معينة. تعتمد درجة وطبيعة انحراف الأشعة على بنية الجزيئات نفسها. يمنح نمط حيود الأشعة السينية (الشكل 3) للعين المجربة عددًا من المؤشرات غير المباشرة فيما يتعلق ببنية جزيئات المادة قيد الدراسة. أدى تحليل أنماط حيود الأشعة السينية للحمض النووي إلى استنتاج مفاده أن القواعد النيتروجينية (التي لها شكل مسطح) مرتبة مثل كومة من الصفائح. كشفت أنماط حيود الأشعة السينية عن ثلاث فترات رئيسية في بنية الحمض النووي البلوري: 0.34، 2 و 3.4 نانومتر.

نموذج واتسون-كريك للحمض النووي

استنادًا إلى بيانات شارجاف التحليلية، وأنماط ويلكنز للأشعة السينية، وأبحاث الكيميائيين الذين قدموا معلومات حول المسافات الدقيقة بين الذرات في الجزيء، والزوايا بين روابط ذرة معينة، وحجم الذرات، واتسون و بدأ كريك في بناء نماذج فيزيائية للمكونات الفردية لجزيء الحمض النووي على نطاق معين و"ضبطها" مع بعضها البعض بحيث يتوافق النظام الناتج مع البيانات التجريبية المختلفة [يعرض] .

كان من المعروف حتى في وقت سابق أن النيوكليوتيدات المتجاورة في سلسلة الحمض النووي متصلة بواسطة جسور فوسفوديستر، حيث تربط ذرة ريبوز الديوكسي ريبوز الكربون 5 بوصة في أحد النيوكليوتيدات مع ذرة ريبوز الديوكسي ريبوز الكربون 3 بوصة في النوكليوتيد التالي. لم يكن لدى واتسون وكريك أدنى شك في أن الفترة الزمنية البالغة 0.34 نانومتر تتوافق مع المسافة بين النيوكليوتيدات المتعاقبة في سلسلة الحمض النووي. علاوة على ذلك، يمكن الافتراض أن الفترة 2 نانومتر تتوافق مع سمك السلسلة. ومن أجل شرح البنية الحقيقية التي تتوافق معها فترة 3.4 نانومتر، اقترح واتسون وكريك، وكذلك بولينج سابقًا، أن السلسلة ملتوية على شكل حلزوني (أو، بشكل أكثر دقة، تشكل خطًا حلزونيًا، نظرًا لأن يتم الحصول على دوامة بالمعنى الدقيق للكلمة عندما تشكل الملفات سطحًا مخروطيًا وليس أسطوانيًا في الفضاء). ثم تتوافق فترة 3.4 نانومتر مع المسافة بين المنعطفات المتعاقبة لهذا الحلزون. يمكن أن تكون هذه الدوامة كثيفة جدًا أو ممتدة إلى حد ما، أي أن المنعطفات يمكن أن تكون مسطحة أو شديدة الانحدار. وبما أن الدورة 3.4 نانومتر هي بالضبط 10 أضعاف المسافة بين النيوكليوتيدات المتعاقبة (0.34 نانومتر)، فمن الواضح أن كل دورة كاملة للحلزون تحتوي على 10 نيوكليوتيدات. ومن هذه البيانات، تمكن واتسون وكريك من حساب كثافة سلسلة بولي نيوكليوتيد ملتوية في شكل حلزون يبلغ قطرها 2 نانومتر، مع مسافة بين المنعطفات تبلغ 3.4 نانومتر. وتبين أن مثل هذه السلسلة سيكون لها كثافة نصف الكثافة الفعلية للحمض النووي، والتي كانت معروفة بالفعل. كان علي أن أفترض أن جزيء الحمض النووي يتكون من سلسلتين - وهو عبارة عن حلزون مزدوج من النيوكليوتيدات.

وكانت المهمة التالية بالطبع هي توضيح العلاقات المكانية بين السلسلتين اللتين تشكلان الحلزون المزدوج. بعد تجربة عدد من الخيارات لترتيب السلاسل في نموذجهم الفيزيائي، وجد واتسون وكريك أن جميع البيانات المتاحة كانت مطابقة بشكل أفضل من خلال الخيار الذي تسير فيه حلزونتان متعدد النوكليوتيدات في اتجاهين متعاكسين؛ وفي هذه الحالة تشكل السلاسل المكونة من بقايا السكر والفوسفات سطح الحلزون المزدوج، ويوجد بداخله البيورينات والبيريميدين. القواعد الموجودة مقابل بعضها البعض، والتي تنتمي إلى سلسلتين، ترتبط في أزواج بواسطة روابط هيدروجينية؛ هذه الروابط الهيدروجينية هي التي تربط السلاسل معًا، وبالتالي تحدد التكوين العام للجزيء.

ويمكن تصور الحلزون المزدوج للحمض النووي على أنه سلم حبلي ملتوي بشكل حلزوني، بحيث تظل درجاته أفقية. بعد ذلك سيتوافق الحبلان الطوليان مع سلاسل من بقايا السكر والفوسفات، وستتوافق العارضتان المتقاطعتان مع أزواج من القواعد النيتروجينية المرتبطة بروابط هيدروجينية.

ونتيجة لمزيد من الدراسة للنماذج المحتملة، خلص واتسون وكريك إلى أن كل "عارضة" يجب أن تتكون من بورين واحد وبيريميدين واحد؛ عند فترة 2 نانومتر (المقابلة لقطر الحلزون المزدوج)، لن يكون هناك مساحة كافية لاثنين من البيورينات، ولا يمكن أن يكون البيريميدين قريبين بدرجة كافية من بعضهما البعض لتشكيل روابط هيدروجينية مناسبة. أظهرت دراسة متعمقة للنموذج التفصيلي أن الأدينين والسيتوزين، على الرغم من تشكيلهما مزيجًا بحجم مناسب، لا يزال من غير الممكن وضعهما بطريقة تتشكل بينهما روابط هيدروجينية. أجبرت تقارير مماثلة على استبعاد تركيبة الجوانين - الثيمين، في حين تبين أن مجموعات الأدينين - الثيمين والجوانين - السيتوزين مقبولة تمامًا. طبيعة الروابط الهيدروجينية هي أن الأدينين يشكل زوجًا مع الثايمين والجوانين مع السيتوزين. أتاحت فكرة الاقتران الأساسي المحدد تفسير "قاعدة Chargaff"، والتي بموجبها تكون كمية الأدينين في أي جزيء DNA مساوية دائمًا لمحتوى الثايمين، وتكون كمية الجوانين دائمًا مساوية لكمية من السيتوزين. تتشكل روابط هيدروجينية بين الأدينين والثايمين، وثلاث روابط هيدروجينية بين الجوانين والسيتوزين. وبسبب هذه الخصوصية، فإن تكوين روابط هيدروجينية ضد كل أدينين في سلسلة واحدة يؤدي إلى تكوين الثايمين في السلسلة الأخرى؛ بنفس الطريقة، يمكن أن يكون السيتوزين فقط مقابل كل جوانين. وبالتالي، فإن السلاسل مكملة لبعضها البعض، أي أن تسلسل النيوكليوتيدات في سلسلة واحدة يحدد بشكل فريد تسلسلها في الأخرى. تسير السلسلتان في اتجاهين متعاكسين وتكون مجموعات الفوسفات الطرفية الخاصة بهما على طرفي نقيض من الحلزون المزدوج.

ونتيجة لأبحاثهما، اقترح واتسون وكريك في عام 1953 نموذجًا لبنية جزيء الحمض النووي (الشكل 3)، والذي يظل صالحًا حتى يومنا هذا. ووفقا للنموذج، يتكون جزيء الحمض النووي من سلسلتين متكاملتين من عديد النيوكليوتيدات. كل شريط DNA عبارة عن بولي نيوكليوتيد يتكون من عدة عشرات الآلاف من النيوكليوتيدات. في ذلك، تشكل النيوكليوتيدات المجاورة عمودًا فقريًا منتظمًا من فوسفات البنتوز بسبب اتصال بقايا حمض الفوسفوريك وديوكسيريبوز بواسطة رابطة تساهمية قوية. يتم ترتيب القواعد النيتروجينية لسلسلة متعددة النيوكليوتيدات بترتيب محدد بدقة مقابل القواعد النيتروجينية للسلسلة الأخرى. تناوب القواعد النيتروجينية في سلسلة البولينوكليوتيدات غير منتظم.

ترتيب القواعد النيتروجينية في سلسلة الحمض النووي مكمل (من "المكمل" اليوناني - الإضافة)، أي. الثايمين (T) دائمًا ضد الأدينين (A)، والسيتوزين فقط (C) ضد الجوانين (G). يتم تفسير ذلك من خلال حقيقة أن A و T، وكذلك G و C، تتوافق بشكل صارم مع بعضها البعض، أي. يكمل كل منهما الآخر. يتم تحديد هذا المراسلات من خلال التركيب الكيميائي للقواعد، والذي يسمح بتكوين روابط هيدروجينية في زوج البيورين والبيريميدين. هناك وصلتان بين A وT، وثلاثة بين G وC. توفر هذه الروابط استقرارًا جزئيًا لجزيء الحمض النووي في الفضاء. يتناسب استقرار الحلزون المزدوج بشكل مباشر مع عدد روابط G≡C، وهي أكثر استقرارًا مقارنة بروابط A=T.

إن التسلسل المعروف لترتيب النيوكليوتيدات في سلسلة DNA واحدة يجعل من الممكن، وفقًا لمبدأ التكامل، إنشاء نيوكليوتيدات لسلسلة أخرى.

بالإضافة إلى ذلك، ثبت أن القواعد النيتروجينية التي لها بنية عطرية في محلول مائي تقع واحدة فوق الأخرى، وتشكل كومة من العملات المعدنية. تسمى عملية تكوين أكوام من الجزيئات العضوية بالتكديس. تتمتع سلاسل متعدد النوكليوتيدات لجزيء الحمض النووي لنموذج واتسون-كريك قيد النظر بحالة فيزيائية كيميائية مماثلة، ويتم ترتيب قواعدها النيتروجينية على شكل كومة من العملات المعدنية، بين المستويات التي تنشأ تفاعلات فان دير فال (تفاعلات التراص).

الروابط الهيدروجينية بين القواعد التكميلية (أفقيًا) وتفاعلات التراص بين مستويات القواعد في سلسلة بولي نيوكليوتيد بسبب قوى فان دير فال (عموديًا) توفر لجزيء الحمض النووي استقرارًا إضافيًا في الفضاء.

العمود الفقري لفوسفات السكر في كلتا السلسلتين يتجه نحو الخارج، والقواعد تتجه نحو الداخل تجاه بعضها البعض. اتجاه السلاسل في الحمض النووي غير متوازي (أحدهما له اتجاه 5"->3"، والآخر - 3"->5"، أي أن نهاية 3" لسلسلة واحدة تقع مقابل نهاية 5" من السلسلة الأخرى.). تشكل السلاسل حلزونات يمينية ذات محور مشترك. دورة واحدة من الحلزون هي 10 نيوكليوتيدات، حجم الدورة 3.4 نانومتر، ارتفاع كل نيوكليوتيد 0.34 نانومتر، قطر الحلزون 2.0 نانومتر. نتيجة لدوران شريط حول آخر، يتشكل أخدود كبير (قطره حوالي 20 أنجستروم) وأخدود صغير (قطره حوالي 12 أنجستروم) من الحلزون المزدوج للحمض النووي. هذا الشكل من الحلزون المزدوج واتسون-كريك سُمي فيما بعد بالشكل B. في الخلايا، يوجد الحمض النووي عادةً في الشكل B، وهو الأكثر استقرارًا.

وظائف الحمض النووي

وأوضح النموذج المقترح العديد من الخصائص البيولوجية للحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين، بما في ذلك تخزين المعلومات الوراثية وتنوع الجينات التي توفرها مجموعة واسعة من التركيبات المتسلسلة المكونة من 4 نيوكليوتيدات وحقيقة وجود الشفرة الوراثية والقدرة على التكاثر الذاتي. ونقل المعلومات الوراثية التي توفرها عملية التضاعف، وتنفيذ المعلومات الوراثية على شكل بروتينات، وكذلك أي مركبات أخرى تتشكل بمساعدة البروتينات الإنزيمية.

الوظائف الأساسية للحمض النووي.

1. الحمض النووي هو حامل المعلومات الجينية، وهو ما يضمنه وجود الشفرة الوراثية.
2. تكاثر ونقل المعلومات الوراثية عبر أجيال الخلايا والكائنات الحية. يتم توفير هذه الوظيفة من خلال عملية النسخ المتماثل.
3. تنفيذ المعلومات الوراثية على شكل بروتينات، وكذلك أي مركبات أخرى تتشكل بمساعدة البروتينات الإنزيمية. يتم توفير هذه الوظيفة من خلال عمليات النسخ والترجمة.

أشكال تنظيم الحمض النووي المزدوج الذين تقطعت بهم السبل

يمكن للحمض النووي أن يشكل عدة أنواع من الحلزونات المزدوجة (الشكل 4). حاليًا، ستة أشكال معروفة بالفعل (من A إلى E وZ).

تعتمد الأشكال البنيوية للحمض النووي، كما أثبتت روزاليند فرانكلين، على تشبع جزيء الحمض النووي بالماء. في دراسات ألياف الحمض النووي باستخدام تحليل حيود الأشعة السينية، تبين أن نمط الأشعة السينية يعتمد بشكل جذري على الرطوبة النسبية عند أي درجة تشبع الماء لهذه الألياف تتم التجربة. إذا كانت الألياف مشبعة بما فيه الكفاية بالماء، فسيتم الحصول على صورة شعاعية واحدة. عند التجفيف، ظهر نمط مختلف تمامًا من الأشعة السينية، مختلف تمامًا عن نمط الأشعة السينية للألياف عالية الرطوبة.

يسمى جزيء الحمض النووي عالي الرطوبة بالشكل B. في ظل الظروف الفسيولوجية (انخفاض تركيز الملح، ودرجة عالية من الماء)، فإن النوع الهيكلي السائد من الحمض النووي هو الشكل B (الشكل الرئيسي للحمض النووي المزدوج تقطعت بهم السبل - نموذج واتسون-كريك). تبلغ درجة الحلزون لمثل هذا الجزيء 3.4 نانومتر. هناك 10 أزواج تكميلية في كل دور على شكل أكوام ملتوية من "العملات المعدنية" - القواعد النيتروجينية. يتم ربط المداخن معًا بواسطة روابط هيدروجينية بين "عملتين" متعارضتين للمداخن، ويتم "جرحها" بواسطة شريطين من العمود الفقري للفوسفودستر الملتوي في حلزون أيمن. تكون مستويات القواعد النيتروجينية متعامدة مع محور الحلزون. يتم تدوير الأزواج التكميلية المتجاورة بالنسبة لبعضها البعض بمقدار 36 درجة. يبلغ قطر الحلزون 20 أنجستروم، حيث يحتل نيوكليوتيد البيورين 12 أنجستروم ونيوكليوتيد البيريميدين 8 أنجستروم.

يسمى جزيء الحمض النووي ذو الرطوبة المنخفضة بالشكل A. يتم تشكيل الشكل A في ظل ظروف ترطيب أقل ومحتوى أعلى من أيونات Na + أو K +. يحتوي هذا الشكل الحلزوني الأوسع لليد اليمنى على 11 زوجًا أساسيًا في كل دورة. تتمتع مستويات القواعد النيتروجينية بميل أقوى نحو المحور الحلزوني، حيث تنحرف عن المحور الطبيعي إلى المحور الحلزوني بمقدار 20 درجة. وهذا يعني وجود فراغ داخلي يبلغ قطره 5 أنجستروم. تبلغ المسافة بين النيوكليوتيدات المتجاورة 0.23 نانومتر، وطول الدورة 2.5 نانومتر، وقطر الحلزون 2.3 نانومتر.

كان يُعتقد في البداية أن الشكل A من الحمض النووي أقل أهمية. ومع ذلك، أصبح من الواضح لاحقًا أن الشكل A من الحمض النووي، مثل الشكل B، له أهمية بيولوجية كبيرة. يحتوي حلزون RNA-DNA الموجود في مجمع القالب التمهيدي على الشكل A، بالإضافة إلى حلزون RNA-RNA وهياكل دبوس الشعر RNA (مجموعة 2'-هيدروكسيل من الريبوز تمنع جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) من تكوين الشكل B). تم العثور على الحمض النووي على شكل A في الجراثيم. لقد ثبت أن الشكل A من الحمض النووي أكثر مقاومة للأشعة فوق البنفسجية بعشر مرات من الشكل B.

يُطلق على الشكل A والشكل B الأشكال الأساسية للحمض النووي.

النماذج ج-هأيضًا لليد اليمنى، لا يمكن ملاحظة تكوينها إلا في تجارب خاصة، ويبدو أنها غير موجودة في الجسم الحي. يحتوي الشكل C من الحمض النووي على بنية مشابهة للحمض النووي B. عدد الأزواج الأساسية لكل دورة هو 9.33، وطول دورة الحلزون هو 3.1 نانومتر. تميل أزواج القاعدة بزاوية قدرها 8 درجات بالنسبة إلى الموضع العمودي على المحور. الأخاديد متشابهة في الحجم مع أخاديد B-DNA. في هذه الحالة، يكون الأخدود الرئيسي أقل عمقًا إلى حد ما، والأخدود الصغير أعمق. يمكن أن تتحول بولينوكليوتيدات الحمض النووي الطبيعية والصناعية إلى الشكل C.

الجدول 1. خصائص بعض أنواع هياكل الحمض النووي
نوع دوامة	أ	ب	ز
الملعب دوامة	0.32 نانومتر	3.38 نانومتر	4.46 نانومتر
تطور دوامة	يمين	يمين	غادر
عدد الأزواج الأساسية في كل دورة	11	10	12
المسافة بين الطائرات الأساسية	0.256 نانومتر	0.338 نانومتر	0.371 نانومتر
تشكيل الرابطة الجليكوسيدية	مضاد	مضاد	مكافحة C يغني
تشكيل حلقة فورانوز	C3"-إندو	C2"-إندو	C3"-إندو-G C2"-إندو-C
عرض الأخدود، صغير/كبير	1.11/0.22 نانومتر	0.57/1.17 نانومتر	0.2/0.88 نانومتر
عمق الأخدود، صغير/كبير	0.26/1.30 نانومتر	0.82/0.85 نانومتر	1.38/0.37 نانومتر
القطر الحلزوني	2.3 نانومتر	2.0 نانومتر	1.8 نانومتر

العناصر الهيكلية للحمض النووي
(هياكل الحمض النووي غير المتعارف عليها)

تتضمن العناصر الهيكلية للحمض النووي هياكل غير عادية محدودة ببعض التسلسلات الخاصة:

الحمض النووي على شكل Z - يتشكل في أماكن الحمض النووي على شكل B، حيث تتناوب البيورينات مع البيريميدين أو في التكرارات التي تحتوي على السيتوزين الميثيل. المتناظرات هي تسلسلات مقلوبة، تكرارات مقلوبة للتسلسلات الأساسية التي لها تناظر من الدرجة الثانية بالنسبة لخيطين من الحمض النووي وتشكل "دبابيس شعر" و"تقاطعات". يتشكل الشكل H للحمض النووي وحلزونات الحمض النووي الثلاثية عندما يكون هناك قسم يحتوي على البيورينات فقط في سلسلة واحدة من ثنائية واتسون-كريك العادية، وفي السلسلة الثانية على التوالي بيريميدينات مكملة لهما. G-quadruplex (G-4) عبارة عن حلزون DNA رباعي الجدائل، حيث تشكل 4 قواعد جوانين من سلاسل مختلفة رباعيات G (G-tetrads)، متماسكة معًا بواسطة روابط هيدروجينية لتكوين G-quadruplexes.

الحمض النووي على شكل حرف Zتم اكتشافه في عام 1979 أثناء دراسة سداسي النوكليوتيد d(CG)3 -. اكتشفه البروفيسور في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ألكسندر ريتش وزملاؤه. أصبح الشكل Z أحد أهم العناصر الهيكلية للحمض النووي نظرًا لحقيقة أنه تمت ملاحظة تكوينه في مناطق الحمض النووي حيث تتناوب البيورينات مع البيريميدين (على سبيل المثال، 5'-GCGCGC-3')، أو بشكل متكرر 5 '-CGCGCG-3' يحتوي على السيتوزين الميثيل. كان الشرط الأساسي لتكوين وتثبيت Z-DNA هو وجود نيوكليوتيدات البيورين فيه في التشكل المتزامن، بالتناوب مع قواعد البيريميدين في التشكل المضاد.

توجد جزيئات الحمض النووي الطبيعية بشكل رئيسي في الشكل B الأيمن إلا إذا كانت تحتوي على تسلسلات مثل (CG)n. ومع ذلك، إذا كانت هذه التسلسلات جزءًا من الحمض النووي، فإن هذه الأقسام، عندما تتغير القوة الأيونية للمحلول أو الكاتيونات التي تحيد الشحنة السالبة في إطار ثنائي إستر الفوسفود، يمكن أن تتحول هذه الأقسام إلى الشكل Z، بينما المقاطع الأخرى من الحمض النووي في تظل السلسلة في الشكل B الكلاسيكي. تشير إمكانية حدوث مثل هذا التحول إلى أن الخيطين الموجودين في الحلزون المزدوج للحمض النووي في حالة ديناميكية ويمكنهما الاسترخاء بالنسبة لبعضهما البعض، والانتقال من الشكل الأيمن إلى الشكل الأيسر والعكس صحيح. العواقب البيولوجية لمثل هذه القابلية، والتي تسمح بالتحولات التوافقية لبنية الحمض النووي، ليست مفهومة بالكامل بعد. يُعتقد أن أجزاء من Z-DNA تلعب دورًا معينًا في تنظيم التعبير عن جينات معينة وتشارك في إعادة التركيب الجيني.

الشكل Z للحمض النووي هو عبارة عن حلزون مزدوج أعسر حيث يقع العمود الفقري للفوسفود في نمط متعرج على طول محور الجزيء. ومن هنا جاء اسم الجزيء (المتعرج)-DNK. Z-DNA هو الحمض النووي الأقل إلتواءًا (12 زوجًا أساسيًا في كل دورة) وأنحف الحمض النووي المعروف في الطبيعة. تبلغ المسافة بين النيوكليوتيدات المجاورة 0.38 نانومتر، وطول الدورة 4.56 نانومتر، وقطر Z-DNA 1.8 نانومتر. بالإضافة إلى ذلك، يتميز مظهر جزيء الحمض النووي هذا بوجود أخدود واحد.

تم العثور على الشكل Z من الحمض النووي في الخلايا بدائية النواة وحقيقية النواة. تم الآن الحصول على أجسام مضادة يمكنها التمييز بين الشكل Z والشكل B للحمض النووي. ترتبط هذه الأجسام المضادة بمناطق معينة من الكروموسومات العملاقة لخلايا الغدة اللعابية في ذبابة الفاكهة (دكتور ميلانوجاستر). من السهل مراقبة تفاعل الارتباط بسبب البنية غير العادية لهذه الكروموسومات، حيث تتناقض المناطق الأكثر كثافة (الأقراص) مع المناطق الأقل كثافة (الأقراص البينية). تقع مناطق Z-DNA في الأقراص البينية. ويترتب على ذلك أن الشكل Z موجود بالفعل في الظروف الطبيعية، على الرغم من أن أحجام المقاطع الفردية للشكل Z لا تزال غير معروفة.

(العاكسات) هي التسلسلات الأساسية الأكثر شهرة والأكثر حدوثًا في الحمض النووي. المتناظر هو كلمة أو عبارة تُقرأ بنفس الطريقة من اليسار إلى اليمين والعكس. ومن أمثلة هذه الكلمات أو العبارات: HUT، وCOSSACK، وFLOOD، وTHE ROSE FALLED ON AZOR'S PAW. عند تطبيقه على أقسام الحمض النووي، فإن هذا المصطلح (المتناظر) يعني نفس تناوب النيوكليوتيدات على طول السلسلة من اليمين إلى اليسار ومن اليسار إلى اليمين (مثل الحروف الموجودة في كلمة "كوخ"، وما إلى ذلك).

يتميز المتناظر بوجود تكرارات مقلوبة للتسلسلات الأساسية التي لها تناظر من الدرجة الثانية بالنسبة لخيطين من الحمض النووي. مثل هذه التسلسلات، لأسباب واضحة، تكون مكملة لذاتها وتميل إلى تشكيل هياكل دبوسية أو صليبي الشكل (الشكل 1). تساعد دبابيس الشعر البروتينات التنظيمية على التعرف على مكان نسخ النص الجيني للحمض النووي للكروموسوم.

عند وجود تكرار مقلوب على نفس شريط الحمض النووي، يسمى التسلسل تكرار المرآة. لا تتمتع التكرارات المرآة بخصائص التكامل الذاتي، وبالتالي فهي غير قادرة على تشكيل هياكل دبوسية أو صليبي الشكل. تم العثور على تسلسلات من هذا النوع في جميع جزيئات الحمض النووي الكبيرة تقريبًا ويمكن أن تتراوح من عدد قليل من أزواج القواعد إلى عدة آلاف من أزواج القواعد.

لم يتم إثبات وجود متناظرة على شكل هياكل صليبي الشكل في الخلايا حقيقية النواة، على الرغم من اكتشاف عدد معين من الهياكل الصليبية في الجسم الحي في خلايا الإشريكية القولونية. إن وجود تسلسلات ذاتية التكامل في الحمض النووي الريبي (RNA) أو الحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل هو السبب الرئيسي لطي سلسلة الحمض النووي في المحاليل إلى بنية مكانية معينة، تتميز بتكوين العديد من "دبابيس الشعر".

الحمض النووي على شكل Hهو حلزون يتكون من ثلاثة خيوط DNA - حلزون ثلاثي DNA. وهو عبارة عن مركب من حلزون واتسون-كريك المزدوج مع شريط ثالث من الحمض النووي المفرد، والذي يتناسب مع أخدوده الرئيسي، ويشكل ما يسمى بزوج هوجستين.

يحدث تكوين مثل هذا الثلاثي نتيجة طي حلزون مزدوج للحمض النووي بحيث يبقى نصف قسمه على شكل حلزون مزدوج، ويتم فصل النصف الآخر. في هذه الحالة، تشكل إحدى الحلزونات المنفصلة هيكلًا جديدًا مع النصف الأول من الحلزون المزدوج - الحلزون الثلاثي، والثاني غير منظم، في شكل قسم مفرد تقطعت به السبل. من سمات هذا التحول الهيكلي اعتماده الحاد على الرقم الهيدروجيني للوسط، حيث تعمل بروتوناته على تثبيت البنية الجديدة. بسبب هذه الميزة، تم تسمية البنية الجديدة بالشكل H للحمض النووي، والذي تم اكتشاف تكوينه في البلازميدات فائقة الملف التي تحتوي على مناطق هوموبورين-هوموبيريميدين، وهي عبارة عن تكرار مرآة.

في مزيد من الدراسات، ثبت أنه من الممكن إجراء تحول هيكلي لبعض متعددات النيوكليوتيدات ثنائية السلسلة هوموبورين-هوموبيريميدين مع تكوين بنية ثلاثية الجدائل تحتوي على:

• واحد هوموبورين واثنين من خيوط هوموبيريميدين ( باي-بو-بي ثلاثي) [تفاعل هوجستين].

  الكتل المكونة لثلاثي Py-Pu-Py هي ثلاثيات CGC+ وTAT متماثلة. يتطلب تثبيت الثلاثي بروتون ثلاثي CGC+، لذلك تعتمد هذه الثلاثيات على الرقم الهيدروجيني للمحلول.

• واحد من هوبيريميدين واثنين من خيوط هومبورين ( بي-بو-بو ثلاثي) [تفاعل هوجستين العكسي].

  الكتل المكونة لثلاثي Py-Pu-Pu هي ثلاثيات CGG وTAA المتماثلة. من الخصائص الأساسية لثلاثيات Py-Pu-Pu هو اعتماد استقرارها على وجود أيونات مشحونة مضاعفة، والأيونات المختلفة مطلوبة لتثبيت الثلاثيات ذات التسلسلات المختلفة. نظرًا لأن تكوين ثلاثيات Py-Pu-Pu لا يتطلب بروتون النيوكليوتيدات المكونة لها، فيمكن أن توجد مثل هذه الثلاثيات عند درجة الحموضة المحايدة.

  ملحوظة: يتم تفسير تفاعلات هوجستين المباشرة والعكسية من خلال تماثل 1-ميثيلثيمين: يؤدي الدوران بمقدار 180 درجة إلى حلول ذرة O2 محل ذرة O4، مع الحفاظ على نظام الروابط الهيدروجينية.

يُعرف نوعان من الحلزونات الثلاثية:

1. حلزونات ثلاثية متوازية تتطابق فيها قطبية الشريط الثالث مع قطبية سلسلة الهوبورين في دوبلكس واتسون-كريك
2. حلزونات ثلاثية مضادة للتوازي، حيث تكون أقطاب السلاسل الثالثة والهوموبورين متعارضة.

السلاسل المتجانسة كيميائيًا في كل من ثلاثية Py-Pu-Pu وPy-Pu-Py تكون في اتجاه مضاد للتوازي. تم تأكيد ذلك أيضًا من خلال بيانات التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي.

G-رباعي- 4 حبلا الحمض النووي. يتم تشكيل هذا الهيكل إذا كان هناك أربعة جوانين، والتي تشكل ما يسمى G-quadruplex - رقصة مستديرة من أربعة جوانين.

تم تلقي التلميحات الأولى حول إمكانية تشكيل مثل هذه الهياكل قبل وقت طويل من العمل الرائع الذي قام به واتسون وكريك - في عام 1910. ثم اكتشف الكيميائي الألماني إيفار بانغ أن أحد مكونات الحمض النووي - حمض الغوانوسينيك - يشكل مواد هلامية بتركيزات عالية، في حين أن المكونات الأخرى للحمض النووي لا تمتلك هذه الخاصية.

في عام 1962، باستخدام طريقة حيود الأشعة السينية، كان من الممكن تحديد بنية الخلية لهذا الجل. اتضح أنها مكونة من أربعة بقايا جوانين، متصلة ببعضها البعض في دائرة وتشكل مربعًا مميزًا. في المركز، يتم دعم الرابطة بواسطة أيون فلز (Na، K، Mg). يمكن أن تتشكل نفس الهياكل في الحمض النووي إذا كان يحتوي على الكثير من الجوانين. يتم تكديس هذه المربعات المسطحة (G-quartets) لتكوين هياكل مستقرة وكثيفة إلى حد ما (G-quadruplexes).

يمكن نسج أربعة خيوط منفصلة من الحمض النووي في مجمعات ذات أربعة خيوط، لكن هذا استثناء إلى حد ما. في كثير من الأحيان، يتم ربط خيط واحد من الحمض النووي ببساطة في عقدة، مما يشكل سماكات مميزة (على سبيل المثال، في نهايات الكروموسومات)، أو يشكل الحمض النووي المزدوج الذي تقطعت به السبل في بعض المناطق الغنية بالجوانين رباعيًا محليًا.

إن وجود الرباعيات في نهايات الكروموسومات - في التيلوميرات وفي محفزات الأورام - هو الأكثر دراسة. ومع ذلك، لا تزال الصورة الكاملة لتوطين هذا الحمض النووي في الكروموسومات البشرية غير معروفة.

كل هياكل الحمض النووي غير العادية هذه في الشكل الخطي غير مستقرة مقارنة بالحمض النووي ذو الشكل B. ومع ذلك، غالبًا ما يوجد الحمض النووي في شكل دائري من التوتر الطوبولوجي عندما يكون لديه ما يسمى باللف الفائق. في ظل هذه الظروف، يتم تشكيل هياكل الحمض النووي غير المتعارف عليها بسهولة: أشكال Z، و"تقاطعات" و"دبابيس شعر"، وأشكال H، وأشكال جوانين رباعية، وشكل i.

• شكل ملفوف فائق - يُلاحظ عند إطلاقه من نواة الخلية دون الإضرار بالعمود الفقري لفوسفات البنتوز. لها شكل حلقات مغلقة فائقة الملتوية. في حالة الملف الفائق، يكون الحلزون المزدوج للحمض النووي "ملتويًا على نفسه" مرة واحدة على الأقل، أي أنه يحتوي على دوران فائق واحد على الأقل (يأخذ شكل الرقم ثمانية).
• حالة استرخاء الحمض النووي - تمت ملاحظتها بكسر واحد (كسر خيط واحد). في هذه الحالة، تختفي اللفائف الفائقة ويأخذ الحمض النووي شكل حلقة مغلقة.
• يُلاحظ الشكل الخطي للحمض النووي عندما ينكسر شريطان من الحلزون المزدوج.

يتم فصل هذه الأشكال الثلاثة من الحمض النووي بسهولة عن طريق الفصل الكهربائي للهلام.

البنية الثلاثية للحمض النووي

البنية الثلاثية للحمض النووييتشكل نتيجة التواء إضافي في الفضاء لجزيء حلزوني مزدوج - ملفوف فائق. يحدث اللف الفائق لجزيء الحمض النووي في الخلايا حقيقية النواة، على عكس بدائيات النوى، في شكل مجمعات تحتوي على بروتينات.

يوجد كل الحمض النووي لحقيقيات النوى تقريبًا في كروموسومات النواة، ولا يوجد سوى كمية صغيرة منه في الميتوكوندريا، وفي النباتات، في البلاستيدات. المادة الرئيسية لكروموسومات الخلايا حقيقية النواة (بما في ذلك الكروموسومات البشرية) هي الكروماتين، الذي يتكون من الحمض النووي المزدوج، والبروتينات هيستون وغير هيستون.

بروتينات هيستون كروماتين

الهستونات عبارة عن بروتينات بسيطة تشكل ما يصل إلى 50٪ من الكروماتين. في جميع الخلايا الحيوانية والنباتية التي تمت دراستها، تم العثور على خمس فئات رئيسية من الهستونات: H1، H2A، H2B، H3، H4، تختلف في الحجم وتكوين الأحماض الأمينية والشحنة (إيجابية دائمًا).

يتكون هيستون الثدييات H1 من سلسلة بولي ببتيد واحدة تحتوي على ما يقرب من 215 من الأحماض الأمينية؛ تختلف أحجام الهستونات الأخرى من 100 إلى 135 حمضًا أمينيًا. جميعها حلزونية وملتوية على شكل كرة يبلغ قطرها حوالي 2.5 نانومتر، وتحتوي على كمية كبيرة بشكل غير عادي من الأحماض الأمينية الموجبة الشحنة الليسين والأرجينين. يمكن أن يتم أستيل الهستونات، أو ميثليتها، أو فسفرتها، أو بولي (ADP) - ريبوزيلات، وترتبط الهستونات H2A وH2B تساهميًا باليوبيكويتين. لم يتم بعد توضيح دور مثل هذه التعديلات في تكوين الهيكل وأداء وظائف الهستونات بشكل كامل. من المفترض أن هذه هي قدرتهم على التفاعل مع الحمض النووي وتوفير إحدى الآليات لتنظيم عمل الجينات.

تتفاعل الهستونات مع الحمض النووي في المقام الأول من خلال الروابط الأيونية (الجسور الملحية) التي تتشكل بين مجموعات الفوسفات سالبة الشحنة من الحمض النووي وبقايا الليسين والأرجينين موجبة الشحنة من الهستونات.

بروتينات الكروماتين غير الهيستونية

البروتينات غير الهيستونية، على عكس الهستونات، متنوعة للغاية. تم عزل ما يصل إلى 590 جزءًا مختلفًا من البروتينات غير الهيستونية المرتبطة بالحمض النووي. وتسمى أيضًا البروتينات الحمضية، نظرًا لأن الأحماض الأمينية الحمضية تهيمن على بنيتها (وهي بوليانيونات). يرتبط تنوع البروتينات غير الهيستونية بتنظيم محدد لنشاط الكروماتين. على سبيل المثال، قد ترتبط الإنزيمات اللازمة لنسخ الحمض النووي والتعبير بالكروماتين بشكل عابر. هناك بروتينات أخرى، مثل تلك التي تشارك في عمليات تنظيمية مختلفة، ترتبط بالحمض النووي فقط في أنسجة محددة أو في مراحل معينة من التمايز. كل بروتين مكمل لتسلسل معين من نيوكليوتيدات الحمض النووي (موقع الحمض النووي). تشمل هذه المجموعة:

• عائلة من بروتينات إصبع الزنك الخاصة بالموقع. يتعرف كل "إصبع زنك" على موقع محدد يتكون من 5 أزواج من النيوكليوتيدات.
• عائلة البروتينات الخاصة بالموقع - المتجانسات. إن جزء هذا البروتين الملامس للحمض النووي له بنية حلزونية تتحول إلى حلزونية.
• البروتينات الهلامية عالية الحركة (بروتينات HMG) هي مجموعة من البروتينات الهيكلية والتنظيمية التي ترتبط باستمرار بالكروماتين. لديهم وزن جزيئي أقل من 30 كيلو دالتون وتتميز بمحتوى عالٍ من الأحماض الأمينية المشحونة. نظرًا لوزنها الجزيئي المنخفض، تتمتع بروتينات HMG بحركة عالية أثناء الترحيل الكهربائي للهلام متعدد الأكريلاميد.
• إنزيمات النسخ والنسخ والإصلاح.

بمشاركة البروتينات والإنزيمات الهيكلية والتنظيمية المشاركة في تخليق الحمض النووي الريبي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA)، يتم تحويل الخيط النووي إلى مركب مكثف للغاية من البروتينات والحمض النووي (DNA). والبنية الناتجة أقصر بـ 10000 مرة من جزيء الحمض النووي الأصلي.

الكروماتينية

الكروماتين عبارة عن مجموعة معقدة من البروتينات ذات الحمض النووي النووي والمواد غير العضوية. الجزء الأكبر من الكروماتين غير نشط. أنه يحتوي على DNA مكثف ومعبأ بإحكام. هذا هو الهيتروكروماتين. هناك كروماتين تأسيسي غير نشط وراثيًا (DNA تابع) يتكون من مناطق غير معبر عنها، واختياري - غير نشط في عدد من الأجيال، ولكن في ظل ظروف معينة قادر على التعبير.

الكروماتين النشط (euchromatin) غير مكثف، أي. معبأة بشكل أقل إحكاما. يتراوح محتواه في الخلايا المختلفة من 2 إلى 11٪. هو الأكثر وفرة في خلايا الدماغ - 10-11٪، في خلايا الكبد - 3-4 وخلايا الكلى - 2-3٪. ويلاحظ النسخ النشط من الكروماتين الحقيقي. علاوة على ذلك، فإن تنظيمها الهيكلي يسمح باستخدام نفس معلومات الحمض النووي الجيني المتأصلة في نوع معين من الكائنات الحية بشكل مختلف في الخلايا المتخصصة.

في المجهر الإلكتروني، تشبه صورة الكروماتين الخرز: سماكات كروية يبلغ حجمها حوالي 10 نانومتر، مفصولة بجسور تشبه الخيوط. تسمى هذه التسميات الكروية بالنيوكليوسومات. النواة هي وحدة هيكلية للكروماتين. يحتوي كل جسيم نووي على قطعة DNA ملفوفة بقوة 146 نقطة أساس لتشكل 1.75 دورة يسارًا لكل نواة جسيم نووي. النواة النووية هي عبارة عن أوكتامر هيستون يتكون من هيستونات H2A وH2B وH3 وH4، وجزيئين من كل نوع (الشكل 9)، والذي يشبه قرصًا يبلغ قطره 11 نانومتر وسمكه 5.7 نانومتر. الهستون الخامس، H1، ليس جزءًا من النواة النووية ولا يشارك في عملية لف الحمض النووي على الهيستون الثماني. إنه يتصل بالحمض النووي في المواقع التي يدخل فيها الحلزون المزدوج ويخرج من النواة النووية. هذه هي أقسام الحمض النووي (الرابط) الداخلية، ويختلف طولها حسب نوع الخلية من 40 إلى 50 زوجًا من النيوكليوتيدات. ونتيجة لذلك، يختلف أيضًا طول جزء الحمض النووي المتضمن في النيوكليوسومات (من 186 إلى 196 زوجًا من النيوكليوتيدات).

تحتوي النيوكليوسومات على حوالي 90% من الحمض النووي، والباقي عبارة عن روابط. من المعتقد أن النيوكليوسومات هي أجزاء من الكروماتين "الصامت"، والرابط نشط. ومع ذلك، يمكن للنيوكليوسومات أن تتكشف وتصبح خطية. النيوكليوزومات غير المطوية هي بالفعل كروماتين نشط. وهذا يوضح بوضوح اعتماد الوظيفة على الهيكل. يمكن الافتراض أنه كلما زاد عدد الكروماتين الموجود في النيوكليوزومات الكروية، قل نشاطه. من الواضح أنه في الخلايا المختلفة، ترتبط النسبة غير المتساوية من الكروماتين الخامل بعدد هذه النيوكليوزومات.

في الصور المجهرية الإلكترونية، اعتمادًا على ظروف العزل ودرجة التمدد، يمكن للكروماتين أن يبدو ليس فقط كخيط طويل ذو سماكة - "خرز" من الجسيمات النووية، ولكن أيضًا كألياف أقصر وأكثر كثافة (ألياف) يبلغ قطرها 30 نانومتر، والتي لوحظ تشكيلها أثناء تفاعل هيستون H1 المرتبط بمنطقة رابط الحمض النووي وهيستون H3، مما يؤدي إلى التواء إضافي للحلزون المكون من ستة نيوكليوسومات في كل دورة لتشكيل ملف لولبي يبلغ قطره 30 نانومتر. في هذه الحالة، يمكن أن يتداخل بروتين الهيستون مع نسخ عدد من الجينات وبالتالي ينظم نشاطها.

نتيجة لتفاعلات الحمض النووي مع الهستونات الموصوفة أعلاه، يتم تحويل جزء من الحلزون المزدوج للحمض النووي المكون من 186 زوجًا أساسيًا بمتوسط ​​قطر 2 نانومتر وطول 57 نانومتر إلى حلزون بقطر 10 نانومتر و طول 5 نانومتر. وعندما يتم ضغط هذا الحلزون لاحقًا على ليف يبلغ قطره 30 نانومتر، فإن درجة التكثيف تزيد ستة أضعاف أخرى.

في النهاية، يؤدي تغليف الحمض النووي المزدوج بخمسة هيستونات إلى تكثيف الحمض النووي بمقدار 50 ضعفًا. ومع ذلك، حتى هذه الدرجة العالية من التكثيف لا يمكن أن تفسر ما يقرب من 50000 - 100000 ضعف ضغط الحمض النووي في كروموسوم الطورية. لسوء الحظ، فإن تفاصيل تعبئة الكروماتين الإضافية حتى كروموسوم الطورية ليست معروفة بعد، لذلك يمكننا فقط النظر في السمات العامة لهذه العملية.

مستويات ضغط الحمض النووي في الكروموسومات

يتم تعبئة كل جزيء DNA في كروموسوم منفصل. تحتوي الخلايا ثنائية الصيغة الصبغية البشرية على 46 كروموسومًا، والتي تقع في نواة الخلية. يبلغ الطول الإجمالي للحمض النووي لجميع الكروموسومات في الخلية 1.74 متر، لكن قطر النواة التي تتجمع فيها الكروموسومات أصغر بملايين المرات. يتم ضمان هذا التغليف المدمج للحمض النووي في الكروموسومات والكروموسومات في نواة الخلية من خلال مجموعة متنوعة من البروتينات الهيستونية وغير الهيستونية التي تتفاعل في تسلسل معين مع الحمض النووي (انظر أعلاه). إن ضغط الحمض النووي في الكروموسومات يجعل من الممكن تقليل أبعاده الخطية بحوالي 10000 مرة - تقريبًا من 5 سم إلى 5 ميكرون. هناك عدة مستويات من الضغط (الشكل 10).

• الحلزون المزدوج للحمض النووي هو جزيء سالب الشحنة يبلغ قطره 2 نانومتر وطوله عدة سم.
• المستوى النووي- يبدو الكروماتين في المجهر الإلكتروني على شكل سلسلة من "الخرز" - الجسيمات النووية - "على خيط". النواة هي وحدة هيكلية عالمية توجد في كل من الكروماتين الحقيقي والكروماتين المغاير، في نواة الطور البيني وكروموسومات الطورية.

  يتم ضمان مستوى الضغط النووي بواسطة بروتينات خاصة - الهستونات. تشكل ثمانية مجالات هيستون موجبة الشحنة جوهر النواة التي يلتف حولها جزيء DNA سالب الشحنة. وهذا يعطي تقصير 7 مرات، في حين يزيد القطر من 2 إلى 11 نانومتر.

• مستوى الملف اللولبي

  يتميز مستوى الملف اللولبي لتنظيم الكروموسوم بتحريف خيوط النيوكليوزوم وتشكيل ألياف ليفية أكثر سمكًا يبلغ قطرها 20-35 نانومتر - ملفات لولبية أو ملفات خارقة. يبلغ طول الملف اللولبي 11 نانومتر، ويوجد حوالي 6-10 نيوكليوسومات في كل دورة. تعتبر التعبئة اللولبية أكثر احتمالا من التعبئة الرائعة، والتي بموجبها تكون ألياف الكروماتين التي يبلغ قطرها 20-35 نانومتر عبارة عن سلسلة من الحبيبات، أو فائقة، يتكون كل منها من ثمانية نيوكليوسومات. على مستوى الملف اللولبي، يتم تقليل الحجم الخطي للحمض النووي بنسبة 6-10 مرات، ويزيد القطر إلى 30 نانومتر.

• مستوى الحلقة

  يتم توفير مستوى الحلقة بواسطة بروتينات ربط الحمض النووي غير الخاصة بالموقع والتي تتعرف على تسلسلات الحمض النووي المحددة وترتبط بها، وتشكل حلقات يبلغ حجمها حوالي 30-300 كيلو بايت. تضمن الحلقة التعبير الجيني، أي. الحلقة ليست مجرد تشكيل هيكلي، ولكن أيضا تشكيل وظيفي. يحدث التقصير عند هذا المستوى 20-30 مرة. يزيد القطر إلى 300 نانومتر. يمكن رؤية الهياكل على شكل حلقة مثل "فرش المصباح" في البويضات البرمائية في المستحضرات الخلوية. يبدو أن هذه الحلقات ملفوفة بشكل فائق وتمثل مجالات الحمض النووي، وربما تتوافق مع وحدات النسخ وتكرار الكروماتين. تقوم بروتينات محددة بتثبيت قواعد الحلقات، وربما بعض أقسامها الداخلية. تعمل منظمة المجال الشبيهة بالحلقة على تعزيز طي الكروماتين في كروموسومات الطورية إلى هياكل حلزونية ذات رتب أعلى.

• مستوى المجال

  لم تتم دراسة مستوى مجال تنظيم الكروموسوم بشكل كافٍ. عند هذا المستوى، يتم ملاحظة تكوين مجالات الحلقة - هياكل الخيوط (الليفات) التي يبلغ سمكها 25-30 نانومتر، والتي تحتوي على 60٪ بروتين، و35٪ DNA و5٪ RNA، تكون غير مرئية عمليا في جميع مراحل دورة الخلية مع باستثناء الانقسام الفتيلي ويتم توزيعها بشكل عشوائي إلى حد ما في جميع أنحاء نواة الخلية. يمكن رؤية الهياكل على شكل حلقة مثل "فرش المصباح" في البويضات البرمائية في المستحضرات الخلوية.

  يتم ربط مجالات الحلقة عند قاعدتها بمصفوفة البروتين داخل النواة فيما يسمى بمواقع المرفقات المدمجة، والتي يشار إليها غالبًا بتسلسلات MAR/SAR (MAR، من المنطقة المرتبطة بالمصفوفة الإنجليزية؛ SAR، من مناطق ربط السقالة الإنجليزية) - يقوم DNA بتفتيت عدة مئات من الأزواج الأساسية ذات الطول والتي تتميز بمحتوى عالٍ (> 65%) من أزواج النيوكليوتيدات A/T. يبدو أن كل مجال له أصل واحد للنسخ المتماثل ويعمل كوحدة حلزونية فائقة مستقلة. يحتوي أي مجال حلقة على العديد من وحدات النسخ، والتي من المرجح أن يتم تنسيق عملها - المجال بأكمله إما في حالة نشطة أو غير نشطة.

  على مستوى المجال، نتيجة لتغليف الكروماتين المتسلسل، يحدث انخفاض في الأبعاد الخطية للحمض النووي بحوالي 200 مرة (700 نانومتر).

• مستوى الكروموسومات

  على مستوى الكروموسومات، يحدث تكثيف كروموسوم الطور الأولي في كروموسوم الطورية مع ضغط مجالات الحلقة حول الإطار المحوري للبروتينات غير الهيستونية. يصاحب هذا اللف الفائق فسفرة جميع جزيئات H1 الموجودة في الخلية. ونتيجة لذلك، يمكن تصوير كروموسوم الطورية كحلقات ملف لولبي مكتظة بكثافة، ملفوفة في دوامة ضيقة. يمكن أن يحتوي الكروموسوم البشري النموذجي على ما يصل إلى 2600 حلقة. يصل سمك هذا الهيكل إلى 1400 نانومتر (كروماتيدين)، ويتم تقصير جزيء الحمض النووي بمقدار 104 مرات، أي. من 5 سم DNA ممتد إلى 5 ميكرون.

وظائف الكروموسومات

في التفاعل مع آليات خارج الكروموسومات، يتم توفير الكروموسومات

1. تخزين المعلومات الوراثية
2. استخدام هذه المعلومات لإنشاء وصيانة التنظيم الخلوي
3. تنظيم قراءة المعلومات الوراثية
4. التضاعف الذاتي للمادة الوراثية
5. نقل المادة الوراثية من الخلية الأم إلى الخلايا الوليدة.

هناك أدلة على أنه عندما يتم تنشيط منطقة من الكروماتين، أي. أثناء النسخ، تتم إزالة الهستون H1 أولاً ومن ثم ثماني هيستون منه بشكل عكسي. يؤدي هذا إلى تكثيف الكروماتين، والانتقال المتسلسل لليفة الكروماتين بطول 30 نانومتر إلى ليف بطول 10 نانومتر ثم تتكشف إلى أجزاء من الحمض النووي الحر، أي. فقدان البنية النووية.

حمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (الحمض النووي) - جزيء كبير (واحد من الثلاثة الرئيسية، والاثنان الآخران هما الحمض النووي الريبي (RNA) والبروتينات)، ويوفر التخزين والانتقال من جيل إلى جيل وتنفيذ البرنامج الجيني لتطوير وعمل الكائنات الحية. يحتوي الحمض النووي على معلومات حول بنية أنواع مختلفة من الحمض النووي الريبي (RNA) والبروتينات.

في الخلايا حقيقية النواة (الحيوانات والنباتات والفطريات)، يوجد الحمض النووي في نواة الخلية كجزء من الكروموسومات، وكذلك في بعض العضيات الخلوية (الميتوكوندريا والبلاستيدات). في خلايا الكائنات بدائية النواة (البكتيريا والعتائق)، يتم ربط جزيء الحمض النووي الدائري أو الخطي، ما يسمى بالنواة، من الداخل إلى غشاء الخلية. فيها وفي حقيقيات النوى السفلية (على سبيل المثال، الخميرة)، توجد أيضًا جزيئات DNA الصغيرة المستقلة ذات الأغلبية الدائرية والتي تسمى البلازميدات. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لجزيئات الحمض النووي المفردة أو المزدوجة أن تشكل جينوم فيروسات الحمض النووي.

من وجهة نظر كيميائية، الحمض النووي هو جزيء بوليمر طويل يتكون من كتل متكررة - النيوكليوتيدات. يتكون كل نيوكليوتيد من قاعدة نيتروجينية وسكر (ديوكسي ريبوز) ومجموعة فوسفات. تتشكل الروابط بين النيوكليوتيدات في السلسلة بواسطة الديوكسي ريبوز ومجموعة الفوسفات (روابط فوسفوديستر). في الغالبية العظمى من الحالات (باستثناء بعض الفيروسات التي تحتوي على DNA مفرد الجديلة)، يتكون جزيء الحمض النووي الكبير من سلسلتين موجهتين بقواعد نيتروجينية تجاه بعضهما البعض. هذا الجزيء المزدوج الجديلة حلزوني. يُطلق على البنية العامة لجزيء DNA اسم "الحلزون المزدوج".

كان فك تشفير بنية الحمض النووي (1953) أحد نقاط التحول في تاريخ علم الأحياء. لمساهماتهم البارزة في هذا الاكتشاف، حصل فرانسيس كريك وجيمس واتسون وموريس ويلكنز على جائزة نوبل في الفسيولوجيا أو الطب عام 1962. روزاليند فرانكلين، التي حصلت على صور الأشعة السينية التي لولاها لم يكن واتسون وكريك قادرين على استخلاص النتائج حول بنية الحمض النووي، توفي في عام 1958 من السرطان، وجائزة نوبل، للأسف، لا تمنح بعد وفاته.

تاريخ الدراسة

هيكل الجزيء

النيوكليوتيدات

الحلزون المزدوج

تشكيل الروابط بين الحلزونات

التعديلات الكيميائية للقواعد

تلف الحمض النووي

سوبر الملتوية

الهياكل في نهايات الكروموسومات

الوظائف البيولوجية

بنية الجينوم

تسلسل الجينوم غير البروتيني

النسخ والبث

تكرار

التفاعل مع البروتينات

البروتينات الهيكلية والتنظيمية

إنزيمات تعديل الحمض النووي

توبويزوميراز وطائرات الهليكوبتر

النيوكلياز والأربطة

البوليميرات

إعادة التركيب الجيني

تطور التمثيل الغذائي القائم على الحمض النووي

فهرس

تاريخ الدراسة

تم عزل الحمض النووي كمادة كيميائية بواسطة يوهان فريدريش ميشر في عام 1868 من بقايا الخلايا الموجودة في القيح. قام بعزل مادة تحتوي على النيتروجين والفوسفور. في البداية تم تسمية المادة الجديدة نوكلينوبعد ذلك، عندما قرر ميشر أن هذه المادة لها خصائص حمضية، تم تسمية المادة حمض نووي. وكانت الوظيفة البيولوجية للمادة المكتشفة حديثا غير واضحة، ولفترة طويلة كان الحمض النووي يعتبر مخزنا للفوسفور في الجسم. علاوة على ذلك، حتى في بداية القرن العشرين، يعتقد العديد من علماء الأحياء أن الحمض النووي لا علاقة له بنقل المعلومات، لأن هيكل الجزيء، في رأيهم، كان موحدا للغاية ولا يمكن أن يحتوي على معلومات مشفرة.

وقد ثبت تدريجيا أن الحمض النووي، وليس البروتينات، كما كان يعتقد سابقا، هو الناقل للمعلومات الوراثية. أحد الأدلة الحاسمة الأولى جاءت من تجارب أو. أفيري، وكولين ماكليود، وماكلين مكارثي (1944) حول تحول البكتيريا. لقد تمكنوا من إثبات أن ما يسمى بالتحول (اكتساب الخصائص المسببة للأمراض عن طريق ثقافة غير ضارة نتيجة إضافة البكتيريا المسببة للأمراض الميتة إليها) هو المسؤول عن الحمض النووي. أظهرت تجربة أجراها العالمان الأمريكيان ألفريد هيرشي ومارثا تشيس (تجربة هيرشي تشيس 1952) مع البروتينات والحمض النووي للعاثيات البكتيرية الموسومة بالنظائر المشعة أن الحمض النووي للعاثية فقط هو الذي ينتقل إلى الخلية المصابة، وأن الجيل الجديد من العاثيات يحتوي على نفس البروتينات. والحمض النووي كالفج الأصلي

حتى الخمسينيات من القرن العشرين، ظل الهيكل الدقيق للحمض النووي، وكذلك طريقة نقل المعلومات الوراثية، غير معروف. وعلى الرغم من أنه كان معروفًا على وجه اليقين أن الحمض النووي يتكون من عدة سلاسل من النيوكليوتيدات، إلا أنه لم يكن أحد يعرف بالضبط عدد هذه السلاسل وكيفية ارتباطها.

تم اقتراح بنية الحلزون المزدوج للحمض النووي من قبل فرانسيس كريك وجيمس واتسون في عام 1953 بناءً على بيانات حيود الأشعة السينية التي حصل عليها موريس ويلكنز وروزاليند فرانكلين، و"قواعد شارجاف"، التي بموجبها يتم ملاحظة العلاقات الصارمة في كل جزيء DNA. ، ربط عدد من القواعد النيتروجينية بأنواعها المختلفة. وفي وقت لاحق، تم إثبات نموذج بنية الحمض النووي الذي اقترحه واتسون وكريك، وحصل عملهما على جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب في عام 1962. ولم تكن روزاليند فرانكلين، التي توفيت بسبب السرطان في ذلك الوقت، من بين الفائزين، لأن لا تُمنح الجائزة بعد وفاته.

ومن المثير للاهتمام أنه في عام 1957، وصف الأمريكيون ألكسندر ريتش وغاري فيلسينفيلد وديفيد ديفيس حمضًا نوويًا يتكون من ثلاث حلزونات. وفي 1985-1986، أظهر مكسيم دافيدوفيتش فرانك كامينتسكي في موسكو كيف يطوي الحمض النووي المزدوج الشريط إلى ما يسمى بالشكل H، الذي لا يتكون من اثنين، بل من ثلاثة خيوط من الحمض النووي.

هيكل الجزيء.

حمض الديوكسي ريبونوكلييك (DNA) هو بوليمر حيوي (بوليانيون) ومونمره عبارة عن نيوكليوتيد.

يتكون كل نيوكليوتيد من بقايا حمض الفوسفوريك المرتبطة عند الموضع 5 بوصة بسكر ديوكسي ريبوز، والذي ترتبط به أيضًا إحدى القواعد النيتروجينية الأربعة من خلال رابطة جليكوسيدية (CN) عند الموضع 1 بوصة. إن وجود سكر مميز يشكل أحد الاختلافات الرئيسية بين DNA و RNA، المسجل في أسماء هذه الأحماض النووية (يحتوي RNA على سكر الريبوز). مثال على النوكليوتيدات هو أدينوسين أحادي الفوسفات، حيث القاعدة المرتبطة بالفوسفات والريبوز هي الأدينين (كما هو موضح في الشكل).

بناءً على بنية الجزيئات، تنقسم القواعد التي تشكل النيوكليوتيدات إلى مجموعتين: البيورينات (الأدينين [A] والجوانين [G]) تتشكل من خلال حلقات متغايرة مكونة من خمسة وستة أعضاء؛ البيريميدين (السيتوزين [C] والثايمين [T]) - حلقة غير متجانسة مكونة من ستة أعضاء.

كاستثناء، على سبيل المثال، في عاثية البكتيريا PBS1، يوجد نوع خامس من القواعد في الحمض النووي - اليوراسيل ([U])، وهي قاعدة بيريميدين تختلف عن الثيمين في عدم وجود مجموعة ميثيل على الحلقة، وعادة ما تحل محل الثيمين في الحمض النووي الريبي.

تجدر الإشارة إلى أن الثايمين واليوراسيل لا يقتصران بشكل صارم على الحمض النووي الريبي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA)، على التوالي، كما كان يعتقد سابقًا. وهكذا، بعد تخليق بعض جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA)، تتم ميثيل عدد كبير من اليوراسيل في هذه الجزيئات بمساعدة إنزيمات خاصة، وتتحول إلى ثيمين. يحدث هذا في النقل والريبوسومات RNA.

الحلزون المزدوج.

يحتوي بوليمر الحمض النووي على بنية معقدة إلى حد ما. ترتبط النيوكليوتيدات معًا تساهميًا في سلاسل طويلة من متعددات النيوكليوتيدات. في الغالبية العظمى من الحالات، يتم دمج هذه السلاسل (باستثناء بعض الفيروسات ذات جينومات الحمض النووي المفردة) في أزواج باستخدام روابط هيدروجينية في بنية ثانوية تسمى الحلزون المزدوج. يتكون العمود الفقري لكل سلسلة من فوسفات السكر بالتناوب. داخل سلسلة DNA واحدة، ترتبط النيوكليوتيدات المجاورة بروابط فوسفوديستر، والتي تتشكل نتيجة للتفاعل بين مجموعة 3"-هيدروكسيل (3"-OH) من جزيء الديوكسيريبوز من نيوكليوتيد واحد ومجموعة 5"-فوسفات ( 5"-PO 3) من الآخر. تسمى الأطراف غير المتماثلة لشريط الحمض النووي بـ 3" (ثلاثة أعداد أولية) و5" (خمسة أعداد أولية). تلعب قطبية السلسلة دورًا مهمًا في تخليق الحمض النووي (لا يمكن تمديد السلسلة إلا عن طريق إضافة نيوكليوتيدات جديدة إلى النهاية الحرة مقاس 3 بوصات).

كما ذكر أعلاه، في الغالبية العظمى من الكائنات الحية، يتكون الحمض النووي من سلسلتين متعدد النوكليوتيدات. تلتف هاتان السلسلتان الطويلتان حول بعضهما البعض على شكل حلزون مزدوج، مثبتة بواسطة روابط هيدروجينية تتكون بين القواعد النيتروجينية للسلاسل المتقابلة. في الطبيعة، غالبًا ما تكون هذه الدوامة أيمنية. الاتجاهات من الطرف 3" إلى الطرف 5" في السلسلتين اللتين تشكلان جزيء الحمض النووي متعارضتان (السلاسل "متعاكسة" لبعضها البعض).

يتراوح عرض الحلزون المزدوج من 22 إلى 24 ألف، أو 2.2 - 2.4 نانومتر، ويبلغ طول كل نيوكليوتيد 3.3 أنجستروم (0.33 نانومتر). تمامًا كما يمكنك رؤية درجات سلم حلزوني من الجانب، على حلزون مزدوج للحمض النووي، في الفراغات بين العمود الفقري للفوسفات للجزيء، يمكنك رؤية حواف القواعد، التي تقع حلقاتها في مستوى متعامد إلى المحور الطولي للجزيء.

في الحلزون المزدوج، هناك أخاديد صغيرة (12 Å) وكبيرة (22 Å). البروتينات، مثل عوامل النسخ، التي ترتبط بتسلسلات محددة في الحمض النووي المزدوج تقطعت بهم السبل تتفاعل عادة مع حواف القواعد في الأخدود الرئيسي، حيث يمكن الوصول إليها بسهولة أكبر.

ترتبط كل قاعدة على أحد الخيوط بقاعدة محددة على الشريط الثاني. يسمى هذا الارتباط المحدد مكملاً. البيورينات مكملة للبيريميدينات (أي قادرة على تكوين روابط هيدروجينية معها): الأدينين يشكل روابط فقط مع الثيمين، والسيتوزين مع الجوانين. في الحلزون المزدوج، ترتبط الخيوط أيضًا من خلال تفاعلات وتراص كارهة للماء، وهي مستقلة عن تسلسل قواعد الحمض النووي.

تكامل الحلزون المزدوج يعني أن المعلومات الموجودة في أحد الخيوط موجودة أيضًا في الشريط الآخر. تعد قابلية عكس وخصوصية التفاعلات بين أزواج القواعد التكميلية أمرًا مهمًا لتكرار الحمض النووي وجميع وظائف الحمض النووي الأخرى في الكائنات الحية.

وبما أن الروابط الهيدروجينية غير تساهمية، فمن السهل كسرها وإعادة تشكيلها. يمكن أن تتحرك السلاسل الحلزونية المزدوجة بعيدًا عن بعضها مثل السحاب تحت تأثير الإنزيمات (الهيليكاز) أو عند درجات حرارة عالية. تشكل أزواج القواعد المختلفة أعدادًا مختلفة من الروابط الهيدروجينية. ترتبط ATs بواسطة اثنين، GCs بواسطة ثلاث روابط هيدروجينية، لذا فإن كسر GCs يتطلب المزيد من الطاقة. تحدد النسبة المئوية لأزواج GC وطول جزيء الحمض النووي كمية الطاقة اللازمة لفصل السلاسل: جزيئات الحمض النووي الطويلة التي تحتوي على محتوى أعلى من GC تكون أكثر مقاومة للحرارة.

أجزاء من جزيئات الحمض النووي التي، بسبب وظائفها، ينبغي فصلها بسهولة، مثل تسلسل TATA في المحفزات البكتيرية، عادة ما تحتوي على كميات كبيرة من A و T.

يمكن تعديل القواعد النيتروجينية في الحمض النووي تساهميًا، وهو ما يستخدم في تنظيم التعبير الجيني. على سبيل المثال، في الخلايا الفقارية، يتم استخدام مثيلة السيتوزين لإنتاج 5-ميثيل سيتوزين بواسطة الخلايا الجسدية لنقل ملف تعريف التعبير الجيني إلى الخلايا الوليدة. لا يؤثر مثيل السيتوزين على الاقتران الأساسي في الحلزون المزدوج للحمض النووي. في الفقاريات، تقتصر مثيلة الحمض النووي في الخلايا الجسدية على مثيلة السيتوزين في تسلسل CG. يختلف متوسط ​​مستوى المثيلة في الكائنات الحية المختلفة، على سبيل المثال، في الديدان الخيطية أنواع معينة انيقةلم يتم ملاحظة مثيلة السيتوزين، وفي الفقاريات تم العثور على مستوى عال من المثيلة - يصل إلى 1٪. تشمل التعديلات الأساسية الأخرى مثيلة الأدينين في البكتيريا وتحلل اليوراسيل بالجليكوزيل لتشكيل "قاعدة J" في البلاستيدات الحركية.

ترتبط ميثيل السيتوزين لتكوين 5 ميثيل سيتوزين في الجزء المروج من الجين بحالته غير النشطة. مثيلة السيتوزين مهمة أيضًا للتعطيل في الثدييات. يستخدم مثيلة الحمض النووي في البصمة الجينية. تحدث تغييرات كبيرة في ملف مثيلة الحمض النووي أثناء التسرطن.

على الرغم من دوره البيولوجي، يمكن أن يفقد 5-ميثيل أسيتوزين تلقائيًا مجموعته الأمينية (ديامينات) ليصبح ثايمين، لذلك فإن السيتوزينات الميثيلية هي مصدر لعدد متزايد من الطفرات.

يمكن أن يتلف NK بواسطة مجموعة متنوعة من المطفرات، والتي تشمل المواد المؤكسدة والألكيلة، بالإضافة إلى الإشعاع الكهرومغناطيسي عالي الطاقة - الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية. يعتمد نوع تلف الحمض النووي على نوع المطفر. على سبيل المثال، تؤدي الأشعة فوق البنفسجية إلى إتلاف الحمض النووي عن طريق تكوين ثنائيات الثايمين فيه، والتي تنشأ عندما تتشكل روابط تساهمية بين القواعد المتجاورة.

تسبب المؤكسدات مثل الجذور الحرة أو بيروكسيد الهيدروجين عدة أنواع من تلف الحمض النووي، بما في ذلك التعديلات الأساسية، وخاصة الغوانوزين، بالإضافة إلى الفواصل المزدوجة في الحمض النووي. وبحسب بعض التقديرات، فإن نحو 500 قاعدة تتلف يومياً بسبب أكسدة المركبات الموجودة في كل خلية بشرية. من بين أنواع الأضرار المختلفة، الأكثر خطورة هي الفواصل المزدوجة، لأنها صعبة الإصلاح ويمكن أن تؤدي إلى فقدان أقسام الكروموسوم (الحذف) والانتقالات.

تدخل العديد من جزيئات الطفرات (تقحم) بين زوجين قاعديين متجاورين. معظم هذه المركبات، مثل الإيثيديوم، والداونوروبيسين، والدوكسوروبيسين، والثاليدومايد، لها تركيب عطري. لكي يتناسب المركب المقحم بين القواعد، يجب أن يبتعد عن بعضها البعض، ويتفكك ويكسر بنية الحلزون المزدوج. هذه التغييرات في بنية الحمض النووي تتداخل مع النسخ والتكرار، مما يسبب الطفرات. ولذلك فإن المركبات المقحمة غالباً ما تكون مواد مسرطنة، وأشهرها البنزوبيرين، والأكريدين، والأفلاتوكسين. على الرغم من هذه الخصائص السلبية، نظرًا لقدرتها على تثبيط نسخ الحمض النووي وتكراره، تُستخدم المركبات المقحمة في العلاج الكيميائي لقمع الخلايا السرطانية سريعة النمو.

إذا أخذت طرفي الحبل وبدأت في لفهما في اتجاهات مختلفة، فإنه يصبح أقصر ويتشكل "منعطفات فائقة" على الحبل. يمكن أيضًا أن يكون الحمض النووي فائق الالتصاق. في حالته الطبيعية، يقوم شريط الحمض النووي بدورة واحدة لكل 10.4 قاعدة، ولكن في حالة الملف الفائق، يمكن لف الحلزون بشكل أكثر إحكامًا أو تفككه. هناك نوعان من الالتواء الفائق: إيجابي - في اتجاه المنعطفات العادية، حيث تكون القواعد أقرب إلى بعضها البعض؛ والسلبية - في الاتجاه المعاكس. في الطبيعة، عادة ما تكون جزيئات الحمض النووي في حالة Supercoiling السلبية، والتي يتم تقديمها بواسطة الإنزيمات - Topoisomerases. تقوم هذه الإنزيمات بإزالة الالتواء الإضافي الذي يحدث في الحمض النووي نتيجة النسخ والتكرار.

في نهايات الكروموسومات الخطية توجد هياكل DNA متخصصة تسمى التيلوميرات. وتتمثل المهمة الرئيسية لهذه المناطق في الحفاظ على سلامة أطراف الكروموسوم. تعمل التيلوميرات أيضًا على حماية أطراف الحمض النووي من التحلل بواسطة نوكليازات خارجية وتمنع تنشيط نظام الإصلاح. وبما أن بوليميراز الحمض النووي التقليدي لا يمكنه تكرار نهايات الكروموسومات ذات الـ 3 بوصات، فإن إنزيمًا خاصًا، هو التيلوميراز، يقوم بذلك.

في الخلايا البشرية، التيلوميرات غالبًا ما تكون عبارة عن DNA مفرد الجديلة وتتكون من عدة آلاف من الوحدات المتكررة من تسلسل TTAGGY. تعمل هذه التسلسلات الغنية بالجوانين على تثبيت نهايات الكروموسومات، وتشكل هياكل غير عادية للغاية تسمى G-quadplexes، والتي تتكون من أربع قواعد متفاعلة بدلاً من قاعدتين. تشكل أربع قواعد جوانين، جميع ذراتها في نفس المستوى، صفيحة مثبتة بواسطة روابط هيدروجينية بين القواعد واستخلاب أيون المعدن (في أغلب الأحيان البوتاسيوم) في المركز. يتم تكديس هذه اللوحات واحدة فوق الأخرى.

يمكن أن تتشكل هياكل أخرى أيضًا في نهايات الكروموسومات: يمكن أن تقع القواعد في نفس السلسلة أو في سلاسل متوازية مختلفة. بالإضافة إلى هذه الهياكل المكدسة، تشكل التيلوميرات هياكل كبيرة تشبه الحلقة تسمى حلقات T أو حلقات التيلومير. فيها، يتم ترتيب الحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل على شكل حلقة واسعة مثبتة بواسطة بروتينات التيلومير. في نهاية الحلقة T، ينضم DNA التيلوميري المفرد الذي تقطعت به السبل إلى الحمض النووي المزدوج، مما يؤدي إلى تعطيل اقتران الخيوط في هذا الجزيء وتشكيل روابط مع أحد الخيوط. يُسمى هذا التشكيل المكون من ثلاثة فروع بحلقة D.

الحمض النووي هو حامل المعلومات الوراثية، ويتم تسجيله على شكل سلسلة من النيوكليوتيدات باستخدام الشفرة الوراثية. ترتبط خاصيتان أساسيتان للكائنات الحية بجزيئات الحمض النووي - الوراثة والتقلب. أثناء عملية تسمى تكرار الحمض النووي، يتم تكوين نسختين من الشريط الأصلي، والتي ترثها الخلايا الوليدة عندما تنقسم، بحيث تكون الخلايا الناتجة مطابقة وراثيًا للأصل.

يتم تحقيق المعلومات الوراثية أثناء التعبير الجينومي في عمليات النسخ (تخليق جزيئات الحمض النووي الريبي على قالب الحمض النووي) والترجمة (تخليق البروتينات على قالب الحمض النووي الريبي).

تسلسل النيوكليوتيدات "يشفر" المعلومات حول أنواع مختلفة من الحمض النووي الريبي (RNA): الرسول أو القالب (mRNA)، الريبوسوم (rRNA) والنقل (tRNA). يتم تصنيع كل هذه الأنواع من الحمض النووي الريبي (RNA) من الحمض النووي (DNA) أثناء عملية النسخ. دورها في التخليق الحيوي للبروتين (عملية الترجمة) مختلف. يحتوي Messenger RNA على معلومات حول تسلسل الأحماض الأمينية في البروتين، ويعمل RNA الريبوسوم كأساس للريبوسومات (مجمعات البروتين النووي المعقدة، وتتمثل وظيفتها الرئيسية في تجميع البروتينات من الأحماض الأمينية الفردية على أساس mRNA)، وتقوم RNAs الناقلة بنقل الأمينات الأحماض إلى موقع تجميع البروتين - إلى المركز النشط للريبوسوم، "الزحف" على مرنا.

يحتوي معظم الحمض النووي الطبيعي على بنية مزدوجة، خطية (حقيقيات النوى وبعض الفيروسات وأجناس معينة من البكتيريا) أو دائرية (بدائيات النوى والبلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا). تحتوي بعض الفيروسات والعاثيات على الحمض النووي الخطي المفرد. تكون جزيئات الحمض النووي في حالة مكثفة ومتماسكة، وفي الخلايا حقيقية النواة، يقع الحمض النووي بشكل رئيسي في النواة على شكل مجموعة من الكروموسومات. عادةً ما يتم تمثيل الحمض النووي البكتيري (بدائيات النواة) بجزيء DNA دائري واحد يقع في بنية غير منتظمة الشكل في السيتوبلازم تسمى النواة. تتكون المعلومات الوراثية للجينوم من الجينات. الجين هو وحدة نقل المعلومات الوراثية وقسم من الحمض النووي يؤثر على خاصية معينة في الكائن الحي. يحتوي الجين على إطار قراءة مفتوح يتم نسخه، بالإضافة إلى عناصر تنظيمية، مثل المعزز والمحسن، التي تتحكم في التعبير عن إطارات القراءة المفتوحة.

في العديد من الأنواع، جزء صغير فقط من إجمالي تسلسل الجينوم يشفر البروتينات. وبالتالي، فإن حوالي 1.5% فقط من الجينوم البشري يتكون من إكسونات مشفرة للبروتين، وأكثر من 50% من الحمض النووي البشري يتكون من تسلسلات الحمض النووي المتكررة غير المشفرة. تعد أسباب وجود مثل هذه الكمية الكبيرة من الحمض النووي غير المشفر في جينومات حقيقية النواة والاختلاف الكبير في أحجام الجينوم (قيمة C) أحد الألغاز العلمية التي لم يتم حلها؛ تشير الأبحاث في هذا المجال أيضًا إلى وجود عدد كبير من أجزاء الفيروس المتبقية في هذا الجزء من الحمض النووي.

حاليًا، تتراكم المزيد والمزيد من الأدلة التي تتناقض مع فكرة التسلسلات غير المشفرة على أنها "DNA غير المرغوب فيه". الحمض النووي غير المرغوب فيه). تحتوي التيلوميرات والسينتروميرات على عدد صغير من الجينات، لكنها مهمة لوظيفة واستقرار الكروموسومات. الشكل الشائع للتسلسلات البشرية غير المشفرة هو الجينات الكاذبة، وهي نسخ من الجينات المعطلة نتيجة للطفرات. تشبه هذه التسلسلات الحفريات الجزيئية، على الرغم من أنها يمكن أن تكون في بعض الأحيان بمثابة مادة أولية لتضاعف الجينات والتباعد اللاحق. مصدر آخر لتنوع البروتين في الجسم هو استخدام الإنترونات كخطوط قطع ولصق في الربط البديل. وأخيرًا، يمكن لتسلسلات الترميز غير البروتينية أن ترمز إلى RNAs الخلوية، مثل snRNAs. أظهرت دراسة حديثة لنسخ الجينوم البشري أن 10% من الجينوم يؤدي إلى RNA متعدد الأدينيلات، وأظهرت دراسة لجينوم الفأر أن 62% منه منسوخ.

يجب قراءة المعلومات الوراثية المشفرة في الحمض النووي والتعبير عنها في نهاية المطاف في تركيب البوليمرات الحيوية المختلفة التي تشكل الخلايا. إن تسلسل القواعد في شريط من الحمض النووي يحدد بشكل مباشر تسلسل القواعد في الحمض النووي الريبي (RNA) الذي تتم "إعادة كتابته" إليه في عملية تسمى النسخ. في حالة mRNA، يحدد هذا التسلسل الأحماض الأمينية للبروتين. يتم تحديد العلاقة بين تسلسل النيوكليوتيدات في mRNA وتسلسل الأحماض الأمينية من خلال قواعد الترجمة، والتي تسمى الشفرة الوراثية. تتكون الشفرة الوراثية من "كلمات" مكونة من ثلاثة أحرف تسمى الكودونات، وتتكون من ثلاثة نيوكليوتيدات (أي ACT CAG TTT، وما إلى ذلك). أثناء النسخ، يتم نسخ نيوكليوتيدات الجين على الحمض النووي الريبي الذي يتم تصنيعه بواسطة بوليميراز الحمض النووي الريبي. في حالة mRNA، يتم فك تشفير هذه النسخة بواسطة الريبوسوم، الذي "يقرأ" تسلسل mRNA عن طريق إقران الحمض النووي الريبي المرسال مع RNA الناقل، المرتبط بالأحماض الأمينية. نظرًا لأن المجموعات المكونة من ثلاثة أحرف تستخدم 4 قواعد، فهناك إجمالي 64 كودونًا محتملاً (مجموعات 4³). ترمز الكودونات إلى 20 حمضًا أمينيًا قياسيًا، يتوافق كل منها في معظم الحالات مع أكثر من كودون واحد. أحد الكودونات الثلاثة الموجودة في نهاية mRNA لا تعني حمضًا أمينيًا وتحدد نهاية البروتين، فهي كودونات "توقف" أو "هراء" - TAA، TGA، TAG.

يعد انقسام الخلايا ضروريًا للتكاثر وحيد الخلية والنمو متعدد الخلايا، ولكن قبل الانقسام، يجب على الخلية أن تضاعف جينومها بحيث تحتوي الخلايا الوليدة على نفس المعلومات الوراثية الموجودة في الخلية الأصلية. من بين العديد من الآليات الممكنة نظريًا لمضاعفة الحمض النووي (التكرار)، يتم تطبيق الآلية شبه المحافظة. يتم فصل الشريطين، ومن ثم يتم إعادة إنتاج كل تسلسل DNA التكميلي المفقود بواسطة إنزيم بوليميراز DNA. يقوم هذا الإنزيم ببناء سلسلة متعددة النوكليوتيدات من خلال إيجاد القاعدة الصحيحة من خلال الاقتران الأساسي التكميلي وربطها بالسلسلة المتنامية. لا يمكن لبوليميراز الحمض النووي أن يبدأ سلسلة جديدة، بل يقوم فقط بتمديد سلسلة موجودة، لذلك فهو يحتاج إلى سلسلة قصيرة من النيوكليوتيدات (البرايمر) التي يتم تصنيعها بواسطة البريميز. نظرًا لأن بوليمرات الحمض النووي يمكنها فقط بناء سلسلة في الاتجاه 5" --> 3"، يتم استخدام آليات مختلفة لنسخ الخيوط غير المتوازية.

تعتمد جميع وظائف الحمض النووي على تفاعله مع البروتينات. قد تكون التفاعلات غير محددة، حيث يرتبط البروتين بأي جزيء DNA، أو يعتمد على وجود تسلسل محدد. يمكن أن تتفاعل الإنزيمات أيضًا مع الحمض النووي، وأهمها بوليميرات الحمض النووي الريبي (RNA)، التي تنسخ تسلسل قواعد الحمض النووي على الحمض النووي الريبي (RNA) في النسخ أو في تخليق شريط DNA جديد - النسخ.

من الأمثلة المدروسة جيدًا للتفاعلات بين البروتينات والحمض النووي المستقل عن تسلسل نيوكليوتيدات الحمض النووي هي التفاعلات مع البروتينات الهيكلية. في الخلية، يرتبط الحمض النووي بهذه البروتينات لتكوين بنية مدمجة تسمى الكروماتين. في بدائيات النوى، يتكون الكروماتين من ارتباط البروتينات القلوية الصغيرة - الهستونات - بالحمض النووي؛ ويحتوي الكروماتين الأقل ترتيبًا في بدائيات النوى على بروتينات تشبه الهيستون. تشكل الهستونات بنية بروتينية على شكل قرص - جسيم نووي، حول كل منها تتلاءم دورتان من حلزون الحمض النووي. تتشكل روابط غير محددة بين الهستونات والحمض النووي بسبب الروابط الأيونية بين الأحماض الأمينية القلوية للهستونات والبقايا الحمضية للعمود الفقري للسكر والفوسفات في الحمض النووي. التعديلات الكيميائية لهذه الأحماض الأمينية تشمل المثيلة، الفسفرة، والأستلة. تغير هذه التعديلات الكيميائية قوة التفاعلات بين الحمض النووي والهستونات، مما يؤثر على إمكانية الوصول إلى تسلسلات محددة لعوامل النسخ وتغيير معدل النسخ. البروتينات الأخرى في الكروماتين التي ترتبط بتسلسلات غير محددة هي البروتينات ذات الحركة العالية في المواد الهلامية التي ترتبط في الغالب بالحمض النووي المطوي. هذه البروتينات مهمة لتشكيل هياكل ذات ترتيب أعلى في الكروماتين. مجموعة خاصة من البروتينات المرتبطة بالحمض النووي هي بروتينات ترتبط بالحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل. البروتين الأكثر تميزًا في هذه المجموعة عند البشر هو بروتين النسخ A، والذي بدونه لا يمكن أن تحدث معظم العمليات التي يتفكك فيها الحلزون المزدوج، بما في ذلك النسخ المتماثل وإعادة التركيب والإصلاح. تعمل البروتينات في هذه المجموعة على تثبيت الحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل وتمنع تكوين الحلقات الجذعية أو التدهور بواسطة النيوكلياز.

وفي الوقت نفسه، تتعرف البروتينات الأخرى على تسلسلات محددة وترتبط بها. المجموعة الأكثر دراسة من هذه البروتينات هي الفئات المختلفة لعوامل النسخ، أي البروتينات التي تنظم النسخ. يتعرف كل من هذه البروتينات على تسلسل مختلف، غالبًا في المحفز، وينشط أو يثبط النسخ الجيني. يحدث هذا عندما ترتبط عوامل النسخ مع بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA)، إما بشكل مباشر أو من خلال بروتينات وسيطة. يرتبط البوليميراز أولاً بالبروتينات ثم يبدأ في النسخ. في حالات أخرى، يمكن أن ترتبط عوامل النسخ بالإنزيمات التي تعدل الهستونات الموجودة على المحفزات، مما يغير إمكانية وصول الحمض النووي إلى البوليمرات.

ونظرًا لوجود تسلسلات محددة في العديد من المواقع في الجينوم، فإن التغيرات في نشاط نوع واحد من عوامل النسخ يمكن أن تغير نشاط آلاف الجينات. وبناء على ذلك، غالبا ما يتم تنظيم هذه البروتينات استجابة للتغيرات البيئية، وتطور الكائنات الحية، وتمايز الخلايا. يتم ضمان خصوصية تفاعل عوامل النسخ مع الحمض النووي من خلال الاتصالات العديدة بين الأحماض الأمينية وقواعد الحمض النووي، مما يسمح لهم "بقراءة" تسلسل الحمض النووي. تحدث معظم الاتصالات الأساسية في الأخدود الرئيسي، حيث يسهل الوصول إلى القواعد.

من الأمثلة المدروسة جيدًا للتفاعلات بين البروتينات والحمض النووي المستقل عن تسلسل نيوكليوتيدات الحمض النووي هي التفاعلات مع البروتينات الهيكلية. في الخلية، يرتبط الحمض النووي بهذه البروتينات لتكوين بنية مدمجة تسمى الكروماتين. في بدائيات النوى، يتكون الكروماتين من ارتباط البروتينات القلوية الصغيرة - الهستونات - بالحمض النووي؛ ويحتوي الكروماتين الأقل ترتيبًا في بدائيات النوى على بروتينات تشبه الهيستون. تشكل الهستونات بنية بروتينية على شكل قرص - جسيم نووي، حول كل منها تتلاءم دورتان من حلزون الحمض النووي. تتشكل روابط غير محددة بين الهستونات والحمض النووي بسبب الروابط الأيونية بين الأحماض الأمينية القلوية للهستونات والبقايا الحمضية للعمود الفقري للسكر والفوسفات في الحمض النووي. التعديلات الكيميائية لهذه الأحماض الأمينية تشمل المثيلة، الفسفرة، والأستلة. تغير هذه التعديلات الكيميائية قوة التفاعلات بين الحمض النووي والهستونات، مما يؤثر على إمكانية الوصول إلى تسلسلات محددة لعوامل النسخ وتغيير معدل النسخ. البروتينات الأخرى في الكروماتين التي ترتبط بتسلسلات غير محددة هي البروتينات ذات الحركة العالية في المواد الهلامية التي ترتبط في الغالب بالحمض النووي المطوي. هذه البروتينات مهمة لتشكيل هياكل ذات ترتيب أعلى في الكروماتين. مجموعة خاصة من البروتينات المرتبطة بالحمض النووي هي بروتينات ترتبط بالحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل. البروتين الأكثر تميزًا في هذه المجموعة عند البشر هو بروتين النسخ A، والذي بدونه لا يمكن أن تحدث معظم العمليات التي يتفكك فيها الحلزون المزدوج، بما في ذلك النسخ المتماثل وإعادة التركيب والإصلاح. تعمل البروتينات في هذه المجموعة على تثبيت الحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل وتمنع تكوين الحلقات الجذعية أو التدهور بواسطة النيوكلياز.

يقارن العديد من المؤلفين المدن بالكائنات الحية، أو حتى بالناس بشكل عام، مما يمنحهم القدرة الميتافيزيقية على امتلاك المشاعر والأعضاء وحتى الأفكار. فنان صيني لو شينجيانحتى أنني رسمت هيكل الحمض النووي، ومختلفة لمختلف المدن الكبرى في العالم.

علمنا موقع Culturology.RF أنه يمكن عمل خريطة جغرافية من أي شيء حرفيًا. على سبيل المثال، أو.

كما أنشأ الفنان الصيني ليو شينجيانغ خرائط غير عادية لأكبر مدن العالم. ومع ذلك، فهو نفسه يقول إنه رسم الحمض النووي لهذه المدن.
بدأ هذا المشروع غير العادي لليو شينجيانغ بحقيقة أنه نظر إلى صور الأقمار الصناعية لمدن مختلفة حول العالم من خلال برنامج Google Eatrh. وحتى ذلك الحين، بدأت في رسم الرسومات التخطيطية، في محاولة لتقديم خرائط للمدن الكبرى في شكل خطوط وأيقونات تقليدية.

بمرور الوقت، تم نقل هذه الرسومات إلى تنسيق رقمي ومعالجتها باستخدام Adobe Illustrator. وهكذا ظهرت اللوحات من سلسلة "City DNA".

فقط للوهلة الأولى في أعمال ليو شينجيانغ يبدو أنه تم رسم الخطوط الموجودة في أماكن عشوائية والعناصر الهندسية الأخرى هناك. في الواقع، كل هذه الصور لها بنية طوبوغرافية واضحة، تعتمد على تضاريس مدن مثل موسكو ولوس أنجلوس وطوكيو وشانغهاي وستوكهولم وغيرها.

لذلك يمكن لأي شخص مطلع على خرائط هذه المدن الكبرى أن يتعرف بسهولة على مدينة أو أخرى في أعمال ليو شينجيانغ. وهذا على الرغم من أن بعض اللوحات تم تصميمها بحيث يمكن التعرف عليها من مصادر مختلفة تمامًا. مثل، على سبيل المثال، خريطة الحمض النووي لنيويورك، والتي تكشف عن مجال لعبة Pac-Man.