المحتوى
- اكتشاف الحمض النووي
- الحمض النووي والسمات الوراثية
- هيكل الحمض النووي
- النيوكليوتيدات والقواعد النيتروجينية
- تكرار الحمض النووي
الحمض النووي هو واحد من مجموعات قليلة من الحروف في قلب الانضباط العلمي الذي يبدو أنه يثير مستوى كبير من الفهم حتى في الأشخاص الذين لديهم القليل من التعرض مدى الحياة للبيولوجيا أو العلوم بشكل عام. يدرك معظم البالغين الذين يسمعون عبارة "في الحمض النووي الخاص بها" على الفور أن سمة معينة لا يمكن فصلها عن الشخص الموصوف ؛ أن هذه الخاصية فطرية إلى حد ما ، ولا تزول أبدًا ويمكن نقلها إلى هؤلاء الأشخاص الأطفال وما وراءهم. يبدو أن هذا صحيح حتى في أذهان أولئك الذين ليس لديهم أي فكرة عن معنى "الحمض النووي" ، وهو "حمض الديوكسي ريبونوكلييك".
البشر مفتونون بطريقة مفهومة بمفهوم وراثة الصفات من آبائهم ويمررون سماتهم إلى ذريتهم. من الطبيعي أن يفكر الناس في تراثهم الكيميائي الحيوي ، حتى لو كان القليلون يستطيعون تخيله بهذه الشروط الرسمية. إن إدراك أن هناك عوامل صغيرة غير مرئية داخل كل واحد منا تحكم كيف يبدو أطفال الشعوب وحتى سلوكهم ، وهي موجودة بالتأكيد لمئات السنين. ولكن حتى منتصف القرن العشرين لم يكشف العلم الحديث بتفاصيل مجيدة ، ليس فقط عن جزيئات المسؤولة عن الميراث ، ولكن أيضًا عن شكلها.
يعتبر حمض الديوكسي ريبونوكلييك هو الأزرق الوراثي الذي تحافظ عليه جميع الكائنات الحية في خلاياها ، وهو إصبع مجهري فريد لا يجعل كل إنسان فردًا فريدًا من نوعه حرفيًا (توأمان متطابقان مستبعدان للأغراض الحالية) ولكنه يكشف عن قدر كبير من الحيوية معلومات حول كل شخص ، من احتمال ارتباطه بشخص معين آخر إلى فرص الإصابة بمرض معين في وقت لاحق من الحياة أو نقل هذا المرض إلى الأجيال القادمة. لقد أصبح الحمض النووي ليس فقط النقطة المركزية الطبيعية للبيولوجيا الجزيئية وعلوم الحياة ككل ، ولكنه أيضًا عنصر لا يتجزأ من علوم الطب الشرعي والهندسة البيولوجية أيضًا.
اكتشاف الحمض النووي
جيمس واتسون وفرانسيس كريك (والأقل شيوعًا ، روزاليند فرانكلين وموريس ويلكينز) يرجعان على نطاق واسع لاكتشاف الحمض النووي في عام 1953. لكن هذا التصور خاطئ. من الأهمية بمكان أن هؤلاء الباحثين قد أثبتوا في الواقع أن الحمض النووي موجود في شكل ثلاثي الأبعاد في شكل حلزون مزدوج ، والذي هو في الأساس سلم ملتوي في اتجاهات مختلفة في كلا الطرفين لإنشاء شكل حلزوني. لكن هؤلاء العلماء المصممين والمحتفل بهم في كثير من الأحيان كانوا "يعتمدون" فقط على العمل المضني لعلماء الأحياء الذين كدّوا في البحث عن المعلومات العامة نفسها التي تعود إلى الستينيات من القرن التاسع عشر ، وهي تجارب كانت رائدة بذاتها كتلك التي قام بها واتسون ، كريك وآخرون في فترة ما بعد الحرب العالمية الثانية.
في عام 1869 ، أي قبل 100 عام من سفر البشر إلى القمر ، سعى كيميائي سويسري يدعى فريدريش ميشر إلى استخراج مكونات البروتين من كريات الدم البيضاء (خلايا الدم البيضاء) لتحديد تركيبها ووظيفتها. ما استخلصه بدلاً من ذلك أطلق عليه "النوكليين" ، وعلى الرغم من أنه كان يفتقر إلى الأدوات اللازمة لمعرفة ما يمكن للكيمياء الحيوية في المستقبل أن يتعلمه ، إلا أنه لاحظ بسرعة أن هذه "النواة" كانت مرتبطة بالبروتينات ولكنها ليست بروتينية بحد ذاتها ، كمية غير عادية من الفوسفور ، وأن هذه المادة كانت مقاومة للتحلل بنفس العوامل الكيميائية والفيزيائية التي تحطمت البروتينات.
سيكون أكثر من 50 عامًا قبل أن تصبح الأهمية الحقيقية لعمل Mieschers واضحة. في العقد الثاني من القرن العشرين ، كان عالم الكيمياء الحيوية الروسي ، Phoebus Levene ، أول من اقترح أن ، ما نسميه النيوكليوتيدات اليوم ، يتكون من جزء من السكر وجزء من الفوسفات وجزء أساسي ؛ أن السكر كان ريبوز. وأن الاختلافات بين النيوكليوتيدات كانت ناتجة عن الاختلافات بين قواعدها. كان لنموذجه "متعدد النيوكليوتيد" بعض العيوب ، لكن وفقًا لمعايير اليوم ، كان الهدف ملحوظًا.
في عام 1944 ، كان أوزوالد أفيري وزملاؤه في جامعة روكفلر أول باحثين معروفين يقترحون رسميًا أن الحمض النووي يتكون من وحدات وراثية أو جينات. متابعة لعملهم وكذلك عمل ليفين ، قام العالم النمساوي إروين تشارجاف باكتشافين رئيسيين: الأول ، أن تسلسل النيوكليوتيدات في الحمض النووي يختلف بين أنواع الكائنات الحية ، على عكس ما اقترح ليفين ؛ وثانيًا ، أنه في أي كائن حي ، كانت الكمية الإجمالية للقواعد النيتروجينية أدينين (أ) وجوانين (G) مجتمعين ، بغض النظر عن الأنواع ، تقريبًا دائمًا متماثلة مع إجمالي كمية السيتوزين (ث) والثيمين (تي). لم يؤد ذلك Chargaff إلى استنتاج أن أزواج A مع أزواج T و C مع G في جميع الحمض النووي ، لكنها ساعدت لاحقًا على دعم الاستنتاج الذي توصل إليه الآخرون.
أخيرًا ، في عام 1953 ، استفاد واطسون وزملاؤه من طرق التحسن السريع لتصور الهياكل الكيميائية ثلاثية الأبعاد ، وجمعوا كل هذه النتائج معًا واستخدموا نماذج من الورق المقوى لإثبات أن الحلزون المزدوج يناسب كل شيء كان معروفًا عن الحمض النووي بطريقة لا شيء. آخر يمكن.
الحمض النووي والسمات الوراثية
تم التعرف على الحمض النووي باعتباره المادة الوراثية في الكائنات الحية قبل أن يتم توضيح بنيتها ، كما هو الحال في العلوم التجريبية ، كما كان هذا الاكتشاف الحيوي في الواقع عارضًا للهدف الرئيسي للباحثين.
قبل ظهور العلاج بالمضادات الحيوية في أواخر ثلاثينيات القرن العشرين ، حصدت الأمراض المعدية أرواحًا بشرية أكبر بكثير مما كانت عليه اليوم ، وكان كشف أسرار الكائنات الحية المسؤولة هدفًا بالغ الأهمية في أبحاث الأحياء الدقيقة. في عام 1913 ، بدأت أوزوالد أفيري المذكورة أعلاه العمل الذي كشف في نهاية المطاف عن نسبة عالية من السكريات (السكر) في كبسولات من الأنواع البكتيرية المكورات الرئوية ، والتي تم عزلها من مرضى الالتهاب الرئوي. نظري أفيري أن هذه الأجسام المضادة حفزت إنتاج الأشخاص المصابين. في هذه الأثناء ، في إنجلترا ، كان ويليام جريفيث يؤدي عملاً أظهر أن المكونات الميتة من نوع واحد من المكورات الرئوية المسببة للأمراض يمكن مزجها مع المكونات الحية للمكورات الرئوية غير الضارة وتنتج شكلاً يسبب المرض من النوع غير المؤذي سابقًا ؛ هذا يثبت أن كل ما ينتقل من الموت إلى البكتيريا الحية كان وراثيا.
عندما علم أفيري بنتائج جريفيث ، شرع في إجراء تجارب تنقية في محاولة لعزل المادة الدقيقة في المكورات الرئوية التي كانت وراثية ، والموجودة على الأحماض النووية ، أو بشكل أكثر تحديدًا ، النيوكليوتيدات. كان الحمض النووي يشتبه بشدة في امتلاكه ما كان يسمى آنذاك "تحويل المبادئ" ، لذلك اختبر أفيري وآخرون هذه الفرضية من خلال تعريض المادة الوراثية لمجموعة متنوعة من العوامل. أولئك الذين يُعرف أنهم مدمرون لسلامة الحمض النووي ولكنهم غير ضارين بالبروتينات أو الحمض النووي ، المسمى DNAase ، كانوا كافيين بكميات عالية لمنع انتقال السمات من جيل بكتيري إلى آخر. في هذه الأثناء ، لم تحدث البروتياز ، التي تكشف البروتينات ، مثل هذا الضرر.
إن عمل أفيريز وجريفيث الذي تم إجراؤه هو أنه ، مرة أخرى ، في حين تم الإشادة بحق أشخاص مثل واطسون وكريك بمساهماتهم في علم الوراثة الجزيئية ، فإن إنشاء بنية الحمض النووي كان في الواقع مساهمة متأخرة إلى حد ما في عملية التعرف على هذا جزيء مذهل.
هيكل الحمض النووي
لكن Chargaff ، رغم أنه من الواضح أنه لم يصف بنية الحمض النووي بالكامل ، أظهر أنه ، بالإضافة إلى (A + G) = (C + T) ، كان الدرجتان المعروفتان بإدراجهما في الحمض النووي هما المسافة نفسها دائمًا. هذا أدى إلى افتراض ذلك البيورينات (بما في ذلك A و G) المستعبدين دائما ل البريميدينات (بما في ذلك C و T) في الحمض النووي. هذا الأمر منطقي ثلاثي الأبعاد ، لأن البيورينات أكبر بكثير من البيريميدين ، في حين أن جميع البيورينات هي في الأساس بنفس الحجم وجميع البيريميدات هي بنفس الحجم. هذا يعني أن اثنين من البيورين المرتبطين معًا سيشغلان مساحة أكبر بكثير بين خيوط الحمض النووي مقارنة ببيريميدين ، وأيضًا أن إقران البيورين بيريدين المعطى سيستهلك نفس المقدار من المساحة. يتطلب وضع كل هذه المعلومات أن يرتبط A بـ T فقط وأن له نفس العلاقة بين C و G إذا أثبت هذا النموذج نجاحه. ولها.
ترتبط القواعد (أكثر في ما بعدها) ببعضها البعض على الجزء الداخلي لجزيء الحمض النووي ، مثل الدرجات في سلم. ولكن ماذا عن الخيوط ، أو "الجوانب" بأنفسهم؟ افترضت روزاليند فرانكلين ، التي تعمل مع واتسون وكريك ، أن هذا "العمود الفقري" كان مصنوعًا من السكر (على وجه التحديد سكر البنتوز ، أو أحدهما ذو هيكل بخمس ذرات) ومجموعة فوسفات تربط السكريات. بسبب الفكرة الموضحة حديثًا عن الاقتران الأساسي ، أصبح فرانكلين والآخرون على دراية بأن خيوط الحمض النووي في جزيء واحد كانت "مكملة" أو في الواقع صور مرآة لكل منهما على مستوى النوكليوتيدات. هذا سمح لهم بالتنبؤ بنصف القطر التقريبي للشكل الملتوي من الدنا داخل درجة صلبة من الدقة ، وأكد تحليل حيود الأشعة السينية على البنية الحلزونية. كانت فكرة أن اللولب هو الحلزون المزدوج آخر التفاصيل الرئيسية حول بنية الحمض النووي التي وقعت في عام 1953.
النيوكليوتيدات والقواعد النيتروجينية
النيوكليوتيدات هي الوحدات الفرعية المتكررة للحمض النووي ، وهو عكس قول إن الحمض النووي بوليمر من النيوكليوتيدات. يتكون كل نيوكليوتيد من سكر يُسمى deoxyribose يحتوي على بنية حلقة خماسية تحتوي على أكسجين واحد وأربعة جزيئات كربون. يرتبط هذا السكر بمجموعة فوسفات ، وبقعتان على طول الحلبة من هذا الموضع ، ترتبط أيضًا بقاعدة نيتروجينية. تربط مجموعات الفوسفات السكريات معًا لتشكل العمود الفقري للحمض النووي ، حيث يلتف خيوطها حول القواعد المرتبطة بالنتروجين الثقيل في منتصف اللولب المزدوج. اللولب يجعل واحد كامل 360 درجة تطور حوالي مرة واحدة كل 10 أزواج قاعدة.
ويسمى السكر المرتبط فقط بقاعدة النيتروجين أ نيكليوزيد.
يختلف الحمض النووي الريبي (الحمض النووي الريبي) عن الحمض النووي بثلاث طرق أساسية: الأولى ، يتم استبدال البريميدين يوراسيل بالثيمين. ثانياً ، السكر البنتوز ريبوسي بدلاً من ديوكسيريبوز. وثلاثة ، الحمض النووي الريبي هو دائما تقطعت بهم السبل واحدة ويأتي في أشكال متعددة ، ومناقشتها خارج نطاق هذه المقالة.
تكرار الحمض النووي
يتم "فك ضغط" الحمض النووي إلى شقين مكملين عندما يحين وقت إعداد النسخ. بما أن هذا يحدث ، يتم تشكيل خيوط بنت على طول فروع الوالد الوحيد. تتشكل واحدة حبلا ابنة من هذا القبيل بشكل مستمر عن طريق إضافة النيوكليوتيدات واحدة ، تحت تأثير الانزيم بوليميريز الحمض النووي. يتبع هذا التوليف ببساطة على طول اتجاه فصل فروع الحمض النووي الأصل. الأخرى حبلا ابنة أشكال من النيوكليوتيدات الصغيرة تسمى شظايا أوكازاكي التي تتشكل فعليًا في الاتجاه المعاكس لفك الارتباط بالخيوط الأصل ، ثم يتم ضمها معًا بواسطة الإنزيم يغاز الحمض النووي.
ولأن خياري الابنة مكملان لبعضهما البعض ، فإن قواعدهما ترتبط في النهاية معًا لجعل جزيء الحمض النووي المزدوج الجديلة مطابقًا للجزيء الأصلي.
في البكتيريا ، أحادية الخلية وتسمى بدائيات النوى ، توجد نسخة واحدة من الحمض النووي للبكتريا (وتسمى أيضًا جينومها) في السيتوبلازم ؛ لا توجد نواة. في الكائنات الحية حقيقية النواة متعددة الخلايا ، يوجد الحمض النووي في النواة على شكل كروموسومات ، وهي جزيئات الحمض النووي الملفوف للغاية والموزعة ومكثفة مكانيًا على بعد ملايين من الأمتار ، والبروتينات المسماة الهستونات. عند الفحص المجهري ، تشبه الأجزاء الصبغية التي تُظهِر "بكرات" هيستون بالتناوب وشرائط بسيطة من الحمض النووي (تسمى الكروماتين في هذا المستوى من التنظيم) بالخرز على سلسلة. تم العثور على بعض الحمض النووي حقيقية النواة في عضيات الخلايا المسماة الميتوكوندريا.