جزيء الحمض النووي. هيكل جزيء الحمض النووي. المعلومات الوراثية: التخزين والنقل. الكود الجيني. حبلا الحمض النووي حيث توجد جزيئات الحمض النووي

الأحماض النووية عبارة عن مواد ذات وزن جزيئي مرتفع تتكون من أحاديات النيوكليوتيدات ، والتي ترتبط ببعضها البعض في سلسلة بوليمر باستخدام روابط فوسفوديستر 3 "، 5" ومعبأة في الخلايا بطريقة معينة.

الأحماض النووية عبارة عن بوليمرات حيوية من نوعين: الحمض النووي الريبي (RNA) والحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA). يتكون كل بوليمر حيوي من نيوكليوتيدات تختلف في بقايا الكربوهيدرات (ريبوز ، ديوكسيريبوز) وأحد القواعد النيتروجينية (اليوراسيل ، الثايمين). وفقًا لهذه الاختلافات ، حصلت الأحماض النووية على اسمها.

هيكل حمض الديوكسي ريبونوكلييك

الأحماض النووية لها بنية أولية وثانوية وثالثية.

هيكل الحمض النووي الأساسي

يُطلق على التركيب الأساسي للحمض النووي اسم سلسلة عديد النوكليوتيد الخطية ، حيث ترتبط أحاديات النيوكليوتيدات برباطات فوسفوديستر 3 "، 5". بدء المواد عند تجميع السلسلة حمض نوويفي الخلية عبارة عن نيوكليوسيد 5 "-تري فوسفات ، والذي ، نتيجة لإزالة β و بقايا حمض الفوسفوريك ، قادر على ربط ذرة كربون 3 بوصات من نوكليوزيد آخر. وهكذا ، فإن ذرة الكربون 3 "لواحد من الديوكسيريبوز ترتبط تساهميًا مع 5" ذرة كربون من مادة الديوكسيريبوز الأخرى عبر بقايا حمض الفوسفوريك وتشكل سلسلة حمض نووي خطي متعدد النوكليوتيد. ومن هنا جاء الاسم: روابط فوسفوديستر 3 "، 5". لا تشارك القواعد النيتروجينية في توليفة النيوكليوتيدات لسلسلة واحدة (الشكل 1.).

يؤدي هذا الارتباط ، بين باقي جزيء حمض الفوسفوريك لنيوكليوتيد واحد وكربوهيدرات آخر ، إلى تكوين هيكل عظمي بينتوز-فوسفات لجزيء متعدد النوكليوتيد ، حيث يتم ربط القواعد النيتروجينية واحدة تلو الأخرى على الجانب. تسلسل ترتيبها في سلاسل جزيئات الحمض النووي محدد بدقة لخلايا الكائنات الحية المختلفة ، أي ذات طبيعة خاصة (حكم Chargaff).

سلسلة الحمض النووي الخطية ، التي يعتمد طولها على عدد النيوكليوتيدات المتضمنة في السلسلة ، لها طرفان: أحدهما يسمى الطرف 3 ويحتوي على هيدروكسيل حر ، والآخر ، النهاية 5 بوصات ، يحتوي على حمض الفوسفوريك بقايا. السلسلة مستقطبة ويمكن أن يكون اتجاهها 5 "-> 3" و 3 "-> 5". استثناء هو دائري DNA.

يتكون "النص" الجيني للحمض النووي من "كلمات" شفرية - ثلاثة توائم من النيوكليوتيدات تسمى الكودونات. تسمى مناطق الحمض النووي التي تحتوي على معلومات حول التركيب الأساسي لجميع أنواع الحمض النووي الريبي الجينات الهيكلية.

تصل سلاسل DNA Polynucleodite إلى أحجام هائلة ، لذا فهي معبأة بطريقة معينة في الخلية.

دراسة تكوين الحمض النووي ، وضع Chargaff (1949) قوانين مهمة فيما يتعلق بمحتوى قواعد الحمض النووي الفردية. لقد ساعدوا في الكشف عن البنية الثانوية للحمض النووي. تسمى هذه الأنماط قواعد Chargaff. قواعد Chargaff مجموع نيوكليوتيدات البيورين يساوي مجموع نيوكليوتيدات بيريميدين ، 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 مجموعات 6-amino يساوي عدد مجموعات 6-keto من القواعد الموجودة في DNA: G + T = A + C ؛ فقط مجموع A + T و G + C قابل للتغيير ، إذا كان A + T> G-C ، فهذا هو نوع AT للحمض النووي ؛ إذا كان G + C> A + T ، فهذا هو نوع GC للحمض النووي. تشير هذه القواعد إلى أنه عند بناء الحمض النووي ، لا ينبغي مراعاة المراسلات الصارمة (الاقتران) بين قواعد البيورين والبيريميدين بشكل عام ، ولكن على وجه التحديد الثايمين مع الأدينين والسيتوزين مع الجوانين. بناءً على هذه القواعد ، بما في ذلك ، في عام 1953 ، اقترح Watson and Crick نموذجًا للبنية الثانوية للحمض النووي ، يسمى الحلزون المزدوج (الشكل).

التركيب الثانوي للحمض النووي

الهيكل الثانوي للحمض النووي هو الحلزون المزدوج ، الذي اقترح نموذجه D. Watson و F. Crick في عام 1953.

المتطلبات الأساسية لإنشاء نموذج DNA

أعطت التحليلات الأولية انطباعًا بأن الحمض النووي من أي أصل يحتوي على جميع النيوكليوتيدات الأربعة بكميات جزيئية متساوية. ومع ذلك ، في الأربعينيات من القرن الماضي ، أظهر E.Chargaff ومعاونيه ، نتيجة لتحليل الحمض النووي المعزول من الكائنات الحية المختلفة ، بوضوح أن القواعد النيتروجينية موجودة فيها بنسب كمية مختلفة. وجد Chargaff أنه على الرغم من أن هذه النسب هي نفسها بالنسبة للحمض النووي من جميع خلايا نفس النوع من الكائن الحي ، يمكن أن يختلف الحمض النووي من أنواع مختلفة بشكل ملحوظ في محتوى بعض النيوكليوتيدات. يشير هذا إلى أن الاختلافات في نسبة القواعد النيتروجينية قد ترتبط بنوع من الكود البيولوجي. على الرغم من أن نسبة قواعد البيورين والبيريميدين الفردية في عينات مختلفة من الحمض النووي كانت مختلفة ، عند مقارنة نتائج التحليل ، ظهر نمط معين: في جميع العينات ، كان إجمالي كمية البيورينات مساويًا للكمية الإجمالية للبيريميدين (A + G = T + C) ، كانت كمية الأدينين مساوية لكمية الثايمين (A = T) ، وكمية الجوانين - كمية السيتوزين (G = C). كان الحمض النووي المعزول من خلايا الثدييات أكثر ثراءً بشكل عام في الأدينين والثايمين وأفقر نسبيًا في الجوانين والسيتوزين ، بينما كان الحمض النووي في البكتيريا أكثر ثراءً في الجوانين والسيتوزين وأكثر فقرًا نسبيًا في الأدينين والثيمين. شكلت هذه البيانات جزءًا مهمًا من المادة الواقعية ، والتي على أساسها تم بناء نموذج لهيكل Watson-Crick DNA لاحقًا.

من المؤشرات الأخرى الهامة غير المباشرة على التركيب المحتمل للحمض النووي هو بيانات L. Pauling حول بنية جزيئات البروتين. أظهر Pauling أن العديد من التكوينات المستقرة المختلفة لسلسلة الأحماض الأمينية في جزيء البروتين ممكنة. أحد التكوينات الشائعة لسلسلة الببتيد ، α-helix ، هو هيكل حلزوني منتظم. مع مثل هذا الهيكل ، يمكن تكوين روابط هيدروجينية بين الأحماض الأمينية الموجودة على المنعطفات المجاورة للسلسلة. وصف بولينج التكوين الحلزوني α لسلسلة البولي ببتيد في عام 1950 واقترح أن جزيئات الحمض النووي ، أيضًا ، من المحتمل أن يكون لها بنية حلزونية ، مثبتة بواسطة روابط هيدروجينية.

ومع ذلك ، تم توفير المعلومات الأكثر قيمة حول بنية جزيء الحمض النووي من خلال نتائج التحليل الإنشائي للأشعة 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. يعطي نمط حيود الأشعة السينية (الشكل 3) للعين ذات الخبرة عددًا من المؤشرات غير المباشرة فيما يتعلق ببنية جزيئات المادة التي تم فحصها. أدى تحليل أنماط حيود الأشعة السينية للحمض النووي إلى استنتاج مفاده أن القواعد النيتروجينية (ذات الشكل المسطح) مكدسة مثل كومة من الصفائح. كشفت أنماط حيود الأشعة السينية عن ثلاث فترات رئيسية في بنية الحمض النووي البلوري: 0.34 و 2 و 3.4 نانومتر.

نموذج Watson-Crick DNA

استنادًا إلى البيانات التحليلية لـ Chargaff ، وأنماط حيود الأشعة السينية التي حصل عليها ويلكنز وأبحاث الكيميائيين الذين قدموا معلومات حول المسافات الدقيقة بين الذرات في الجزيء ، وحول الزوايا بين روابط ذرة معينة وحجمها. الذرات ، بدأ واتسون وكريك في بناء نماذج فيزيائية للأجزاء المكونة الفردية لجزيء الحمض النووي على نطاق معين. و "تناسب" بعضها مع بعضها البعض بطريقة تتوافق مع النظام الناتج مع البيانات التجريبية المختلفة [مشاهده] .

حتى في وقت سابق ، كان معروفًا أن النيوكليوتيدات المجاورة في سلسلة الحمض النووي مرتبطة بجسور الفوسفوديستر التي تربط ذرة 5'-carbon من deoxyribose لنيوكليوتيد واحد مع ذرة 3'-carbon من deoxyribose للنيوكليوتيد التالي. لم يكن لدى واتسون وكريك أدنى شك في أن الفترة 0.34 نانومتر تقابل المسافة بين النيوكليوتيدات المتتالية في سلسلة الحمض النووي. علاوة على ذلك ، يمكن افتراض أن فترة 2 نانومتر تتوافق مع سماكة السلسلة. ومن أجل شرح البنية الحقيقية التي تتوافق مع فترة 3.4 نانومتر ، اقترح واتسون وكريك ، تمامًا مثل Pauling سابقًا ، أن السلسلة ملتوية على شكل حلزوني (أو بشكل أكثر دقة ، تشكل خطًا حلزونيًا ، منذ بالمعنى الدقيق للكلمة ، يتم الحصول على الكلمة عندما تشكل المنعطفات سطحًا مخروطيًا وليس أسطوانيًا في الفضاء). بعد ذلك ، سوف تتوافق فترة 3.4 نانومتر مع المسافة بين الدورات المتتالية لهذا اللولب. يمكن أن يكون هذا اللولب كثيفًا جدًا أو ممتدًا إلى حد ما ، أي أن دوره يمكن أن يكون لطيفًا أو حادًا. نظرًا لأن فترة 3.4 نانومتر هي بالضبط 10 أضعاف المسافة بين النيوكليوتيدات المتتالية (0.34 نانومتر) ، فمن الواضح أن كل دورة كاملة للحلزون تحتوي على 10 نيوكليوتيدات. من هذه البيانات ، تمكن واطسون وكريك من حساب كثافة سلسلة متعددة النوكليوتيد الملتوية في حلزون بقطر 2 نانومتر ، بمسافة بين المنعطفات تساوي 3.4 نانومتر. اتضح أن كثافة مثل هذه السلسلة ستكون نصف الكثافة الفعلية للحمض النووي ، والتي كانت معروفة بالفعل. كان علي أن أفترض أن جزيء الحمض النووي يتكون من خيطين - أنه حلزون مزدوج من النيوكليوتيدات.

كانت المهمة التالية ، بالطبع ، توضيح العلاقة المكانية بين الدائرتين اللولب المزدوج. بعد اختبار عدد من تخطيطات السلسلة على نموذجهم المادي ، وجد Watson and Crick أن جميع البيانات المتاحة تتلاءم بشكل أفضل مع متغير يعمل فيه حلزون متعدد النوكليوتيد في اتجاهين متعاكسين ؛ في هذه الحالة ، تشكل السلاسل المكونة من مخلفات السكر والفوسفات سطح اللولب المزدوج ، وتوجد بداخلها البيورينات والبيريميدين. القواعد الموجودة مقابل بعضها البعض ، والتي تنتمي إلى سلسلتين ، متصلة في أزواج بواسطة روابط هيدروجينية ؛ هذه الروابط الهيدروجينية هي التي تربط السلاسل معًا ، وبالتالي تحدد التكوين العام للجزيء.

يمكن تخيل الحلزون المزدوج للحمض النووي على أنه سلم حبل حلزوني الشكل ، بحيث تظل درجاته في وضع أفقي. ثم يتطابق حبال طوليان مع سلاسل من مخلفات السكر والفوسفات ، وستتوافق العارضة المتقاطعة مع أزواج من القواعد النيتروجينية المتصلة بواسطة روابط هيدروجينية.

نتيجة لمزيد من الدراسة للنماذج المحتملة ، خلص واطسون وكريك إلى أن كل "شريط" يجب أن يتكون من بيورين واحد وبيريميدين واحد ؛ مع فترة 2 نانومتر (التي تتوافق مع قطر اللولب المزدوج) لن يكون هناك مساحة كافية للبيورينين ، ولن يكون البيريميدين قريبين بدرجة كافية من بعضهما البعض لتكوين روابط هيدروجينية مناسبة. أظهرت دراسة متعمقة لنموذج مفصل أن الأدينين والسيتوزين ، اللذان يشكلان مزيجًا مناسبًا في الحجم ، لا يزال من غير الممكن تحديد موقعه بطريقة تتشكل الروابط الهيدروجينية بينهما. أجبرت تقارير مماثلة على استبعاد تركيبة الجوانين والثيمين أيضًا ، في حين أن توليفات الأدينين والثيمين والجوانين والسيتوزين كانت مقبولة تمامًا. طبيعة الروابط الهيدروجينية هي أن الأدينين يشكل زوجًا مع الثايمين ، والجوانين مع السيتوزين. سمح مفهوم الاقتران الأساسي المحدد بشرح "قاعدة Chargaff" ، والتي بموجبها تكون كمية الأدينين في أي جزيء DNA مساوية دائمًا لمحتوى الثايمين ، وكمية الجوانين تساوي كمية السيتوزين. تتكون روابط هيدروجينية بين الأدينين والثايمين ، وتتكون ثلاث روابط بين الجوانين والسيتوزين. بسبب هذه الخصوصية في تكوين روابط هيدروجينية ضد كل أدينين في سلسلة واحدة ، يوجد الثايمين في السلسلة الأخرى ؛ وبالمثل ، يمكن العثور على السيتوزين فقط مقابل كل جوانين. وبالتالي ، فإن السلاسل مكملة لبعضها البعض ، أي أن تسلسل النيوكليوتيدات في سلسلة واحدة يحدد بشكل فريد تسلسلها في الأخرى. تعمل السلسلتان في اتجاهين متعاكسين ، وتكون مجموعات الفوسفات الطرفية على طرفي نقيض من الحلزون المزدوج.

نتيجة لأبحاثهم ، اقترح واتسون وكريك في عام 1953 نموذجًا لهيكل جزيء الحمض النووي (الشكل 3) ، والذي يظل وثيق الصلة حتى يومنا هذا. وفقًا للنموذج ، يتكون جزيء الحمض النووي من سلسلتين متكاملتين من عديد النوكليوتيدات. كل خيط DNA هو بولي نيوكليوتيد يتكون من عدة عشرات الآلاف من النيوكليوتيدات. في ذلك ، تشكل النيوكليوتيدات المجاورة العمود الفقري المنتظم للبنتوز والفوسفات بسبب اتصال بقايا حمض الفوسفوريك و deoxyribose برابطة تساهمية قوية. في هذه الحالة ، يتم ترتيب القواعد النيتروجينية لسلسلة بولي نيوكليوتيد واحدة بترتيب محدد بدقة مقابل القواعد النيتروجينية للآخر. تناوب القواعد النيتروجينية في سلسلة عديد النوكليوتيدات غير منتظم.

موقع القواعد النيتروجينية في سلسلة الحمض النووي مكمل (من "الإضافة" اليونانية ") ، أي ضد الأدينين (A) هناك دائمًا الثايمين (T) ، وضد الجوانين (G) - فقط السيتوزين (C). هذا يرجع إلى حقيقة أن A و T ، وكذلك G و C يتوافقان تمامًا مع بعضهما البعض ، أي يكمل كل منهما الآخر. يتم إعطاء مثل هذه المراسلات التركيب الكيميائيالقواعد التي تسمح بتكوين روابط هيدروجينية في زوج من البيورين والبيريميدين. هناك نوعان من الوصلات بين A و T ، وثلاثة بين G و C. توفر هذه الروابط استقرارًا جزئيًا لجزيء الحمض النووي في الفضاء. في هذه الحالة ، يتناسب استقرار اللولب المزدوج بشكل مباشر مع عدد روابط G≡C ، والتي تكون أكثر استقرارًا بالمقارنة مع روابط A = T.

يسمح التسلسل المعروف لترتيب النيوكليوتيدات في أحد خيوط الحمض النووي ، وفقًا لمبدأ التكامل ، بتأسيس نيوكليوتيدات الشريط الآخر.

بالإضافة إلى ذلك ، وجد أن القواعد النيتروجينية ذات التركيبة العطرية في محلول مائيتقع واحدة فوق الأخرى ، وتشكل ، كما كانت ، كومة من العملات المعدنية. تسمى عملية تكوين أكوام من الجزيئات العضوية التكديس. تتمتع سلاسل عديد النوكليوتيد لجزيء الحمض النووي لنموذج Watson-Crick قيد الدراسة بحالة فيزيائية كيميائية مماثلة ، وتقع قواعدها النيتروجينية في شكل كومة من العملات المعدنية ، بين المستويات التي تنشأ منها تفاعلات van der Waals (تفاعلات التراص).

روابط هيدروجينيةبين القواعد التكميلية (أفقيًا) والتفاعل المتراكم بين مستويات القواعد في سلسلة عديد النوكليوتيد بسبب قوى فان دير فالس (عموديًا) يوفر لجزيء الحمض النووي استقرارًا إضافيًا في الفضاء.

تتجه العمود الفقري للسكر والفوسفات لكلا السلسلتين إلى الخارج والقواعد إلى الداخل تجاه بعضها البعض. اتجاه السلاسل في الحمض النووي غير متوازي (يكون اتجاه أحدهما 5 "-> 3" ، والآخر - 3 "-> 5" ، أي أن الطرف 3 بوصات من إحدى السلاسل يقابل الطرف الآخر 5 بوصات .). تشكل السلاسل لولب يمنى مع محور مشترك. دورة واحدة من اللولب هي 10 نيوكليوتيدات ، وحجم الملف 3.4 نانومتر ، وارتفاع كل نوكليوتيد 0.34 نانومتر ، وقطر اللولب 2.0 نانومتر. نتيجة لدوران خيط واحد حول الآخر ، يتم تشكيل أخدود كبير (قطره حوالي 20) وأخدود صغير (حوالي 12 Å) من الحلزون المزدوج للحمض النووي. هذا الشكل من الحلزون المزدوج Watson-Crick سمي لاحقًا بالنموذج B. في الخلايا ، يوجد الحمض النووي عادةً في الشكل B ، وهو الأكثر استقرارًا.

وظائف الحمض النووي

أوضح النموذج المقترح الكثير الخصائص البيولوجيةحمض الديوكسي ريبونوكلييك ، بما في ذلك تخزين المعلومات الجينية وتنوع الجينات ، التي توفرها مجموعة واسعة من التوليفات المتسلسلة من 4 نيوكليوتيدات وحقيقة وجود الشفرة الوراثية ، والقدرة على التكاثر الذاتي ونقل المعلومات الجينية ، بشرط من خلال عملية النسخ ، وتنفيذ المعلومات الجينية على شكل بروتينات ، وأي مركبات أخرى تتكون من بروتينات الإنزيم.

الوظائف الأساسية للحمض النووي.

1. الحمض النووي هو الناقل للمعلومات الجينية ، والتي يتم ضمانها من خلال حقيقة وجود الشفرة الجينية.
2. تكاثر ونقل المعلومات الجينية في أجيال من الخلايا والكائنات الحية. يتم توفير هذه الوظيفة من خلال عملية النسخ المتماثل.
3. تحقيق المعلومات الجينية على شكل بروتينات ، وكذلك أي مركبات أخرى تكونت بمساعدة بروتينات الإنزيم. يتم توفير هذه الوظيفة من خلال عمليات النسخ والترجمة.

أشكال تنظيم الحمض النووي مزدوج الشريطة

يمكن أن يشكل الحمض النووي عدة أنواع من الحلزونات المزدوجة (الشكل 4). حاليًا ، هناك ستة أشكال معروفة بالفعل (من A إلى E و Z-form).

تعتمد الأشكال الهيكلية للحمض النووي ، كما أسست روزاليند فرانكلين ، على تشبع جزيء الحمض النووي بالماء. في الدراسات التي أجريت على ألياف الحمض النووي باستخدام التحليل البنيوي للأشعة السينية ، تبين أن نمط حيود الأشعة السينية يعتمد بشكل جذري على الرطوبة النسبية ، ودرجة تشبع الماء لهذه الألياف ، تجري التجربة. إذا كانت الألياف مشبعة بدرجة كافية بالماء ، فسيتم الحصول على أشعة سينية واحدة. عند التجفيف ، ظهر نمط مختلف تمامًا للأشعة السينية ، والذي كان مختلفًا تمامًا عن نمط الأشعة السينية للألياف عالية الرطوبة.

جزيء الحمض النووي عالي الرطوبة يسمى شكل ب... في ظل الظروف الفسيولوجية (انخفاض تركيز الملح ، ودرجة عالية من الماء) ، فإن النوع الهيكلي السائد للحمض النووي هو الشكل B (الشكل الرئيسي للحمض النووي مزدوج الشريطة هو نموذج Watson-Crick). تبلغ درجة اللولب لمثل هذا الجزيء 3.4 نانومتر. هناك 10 أزواج تكميلية في كل دور على شكل أكوام ملتوية من "العملات المعدنية" - القواعد النيتروجينية. يتم تثبيت الأكوام بواسطة روابط هيدروجينية بين "عملتين" متعارضتين من المكدس ، و "ملفوفة" في شريطين من هيكل عظمي فوسفوديستر ملتوي في لولب يمين. مستويات القواعد النيتروجينية متعامدة على محور اللولب. يتم تدوير الأزواج التكميلية المتجاورة بالنسبة لبعضها البعض بمقدار 36 درجة. يبلغ قطر اللولب 20 Å ، مع احتلال نيوكليوتيد البيورين 12 Å ، ونيوكليوتيد البيريميدين - 8 Å.

يسمى جزيء الحمض النووي للرطوبة المنخفضة بالصيغة A... يتكون الشكل A في ظل ظروف أقل نسبة ترطيب ومع محتوى أعلى من أيونات الصوديوم أو البوتاسيوم. يحتوي هذا التشكل الأوسع لليد اليمنى على 11 زوجًا أساسيًا لكل منعطف. تتميز مستويات القواعد النيتروجينية بميل أقوى للمحور اللولبي ؛ فهي تنحرف عن المحور الطبيعي إلى المحور اللولبي بمقدار 20 درجة. ومن ثم ، فإن وجود فراغ داخلي بقطر 5 يتبع. المسافة بين النيوكليوتيدات المجاورة هي 0.23 نانومتر ، وطول الملف 2.5 نانومتر ، وقطر الحلزون 2.3 نانومتر.

في الأصل ، كان يُعتقد أن الشكل A من الحمض النووي أقل أهمية. ومع ذلك ، أصبح من الواضح لاحقًا أن الشكل A من الحمض النووي ، وكذلك الشكل B ، له أهمية بيولوجية هائلة. يحتوي حلزون RNA-DNA في مجمع القالب التمهيدي على شكل A ، بالإضافة إلى هياكل حلزونية RNA-RNA و RNA (لا تسمح مجموعة 2'-hydroxyl من الريبوز لجزيئات RNA بتكوين شكل B) . تم العثور على شكل A من الحمض النووي في الجدل. وجد أن الشكل A للحمض النووي أكثر مقاومة للأشعة فوق البنفسجية بعشر مرات من الشكل B.

يُطلق على الشكل A و B الأشكال الأساسية للحمض النووي.

أشكال C-Eهم أيضًا يمينيون ، ولا يمكن ملاحظة تكوينهم إلا في تجارب خاصة ، ويبدو أنهم غير موجودين في الجسم الحي. يحتوي DNA على شكل C على بنية مشابهة لـ B-DNA. عدد أزواج القاعدة لكل دور هو 9.33 ، وطول اللولب 3.1 نانومتر. تميل أزواج القاعدة بزاوية 8 درجات بالنسبة للموضع العمودي على المحور. تتشابه الأخاديد في الحجم مع أخاديد B-DNA. في هذه الحالة ، يكون الأخدود الرئيسي ضحلًا إلى حد ما ، والأخدود الصغير أعمق. يمكن للعديد من النيوكليوتيدات الطبيعية والاصطناعية أن تنتقل إلى الشكل C.

الجدول 1. خصائص بعض أنواع هياكل الحمض النووي
نوع حلزوني	أ	ب	ض
خطوة حلزونية	0.32 نانومتر	3.38 نانومتر	4.46 نانومتر
تطور لولبي	حق	حق	اليسار
أزواج أساسية لكل دور	11	10	12
المسافة بين الطائرات الأساسية	0.256 نانومتر	0.338 نانومتر	0.371 نانومتر
تشكيل الرابطة الجليكوسيدية	مضاد	مضاد	مضاد- C متزامن ج
شكل حلقة فورانوز	C3 "-يندو	C2 "-endo	C3 "-endo-G C2 "-يندو ج
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
قطر حلزوني	2.3 نانومتر	2.0 نانومتر	1.8 نانومتر

العناصر الهيكلية للحمض النووي
(هياكل الحمض النووي غير الكنسي)

تشتمل العناصر الهيكلية للحمض النووي على تراكيب غير عادية ، مقيدة ببعض التسلسلات الخاصة:

الحمض النووي على شكل Z - يتشكل في أماكن الشكل B من الحمض النووي ، حيث تتناوب البيورينات مع البيريميدينات أو في التكرارات التي تحتوي على السيتوزين الميثيلي. المتناظرات المتناظرة عبارة عن تسلسلات مقلوبة ، تكرارات مقلوبة لتسلسلات أساسية لها تناظر من الدرجة الثانية فيما يتعلق بخيطي DNA وتشكل "دبابيس الشعر" و "الصلبان". تتشكل الحلزونات الثلاثية للحمض النووي والحمض النووي على شكل H عندما تكون هناك منطقة تحتوي فقط على البيورينات في خيط واحد من سلسلة Watson-Crick المزدوجة العادية ، وفي الخيط الثاني ، على التوالي ، بيريميدينات تكميلية. G-quadruplex (G-4) عبارة عن حلزون مكون من أربعة شرائط DNA ، حيث تشكل 4 قواعد جوانين من خيوط مختلفة مجموعات G-quartets (G-tetrads) ، والهيدروجين المرتبط بتكوين G-quadruplexes.

الحمض النووي على شكل Zتم اكتشافه في عام 1979 أثناء دراسة hexanucleotide d (CG) 3 -. اكتشفه البروفيسور ألكسندر ريتش وزملاؤه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. أصبح الشكل Z أحد أهم العناصر الهيكلية للحمض النووي بسبب حقيقة أن تكوينه لوحظ في مناطق الحمض النووي حيث تتناوب البيورينات مع البيريميدين (على سبيل المثال ، 5'-HCGCH-3 ') ، أو في تكرار 5' -CHCH-3 'تحتوي على سيتوزين ميثيل. كان الشرط الأساسي لتكوين Z-DNA وتثبيته هو وجود نيوكليوتيدات البيورين في التشكل المتزامن ، بالتناوب مع قواعد بيريميدين في مضاد التشكل.

توجد جزيئات الحمض النووي الطبيعية بشكل أساسي في الشكل B الصحيح ، إذا لم تكن تحتوي على متواليات من النوع (CH) n. ومع ذلك ، إذا كانت مثل هذه التسلسلات جزءًا من الحمض النووي ، فإن هذه المناطق ، عندما تتغير القوة الأيونية للمحلول أو الكاتيونات التي تحيد الشحنة السالبة على العمود الفقري للفوسفودايستر ، يمكن أن تتحول إلى شكل Z ، بينما تظل مناطق الحمض النووي الأخرى في السلسلة في النموذج الكلاسيكي ب. تشير احتمالية حدوث مثل هذا الانتقال إلى أن السلسلتين في الحلزون المزدوج للحمض النووي هما في حالة ديناميكية ويمكنهما الاسترخاء بالنسبة لبعضهما البعض ، ويمر من الشكل الأيمن إلى اليسار والعكس صحيح. لم يتم بعد فهم العواقب البيولوجية لمثل هذه القدرة ، والتي تسمح بالتحولات التوافقية لبنية الحمض النووي. يُعتقد أن مناطق Z-DNA تلعب دورًا في تنظيم التعبير عن بعض الجينات وتشارك في إعادة التركيب الجيني.

الشكل Z للحمض النووي هو حلزون مزدوج أعسر ، حيث يقع العمود الفقري للفوسفوديستر بطريقة متعرجة على طول محور الجزيء. ومن هنا جاء اسم الجزيء (zigzag) -DNA. Z-DNA هو الأقل تواءًا (12 زوجًا قاعديًا في كل منعطف) والأرق في الطبيعة. المسافة بين النيوكليوتيدات المجاورة 0.38 نانومتر ، وطول الملف 4.56 نانومتر ، وقطر Z-DNA 1.8 نانومتر. بالإضافة إلى ذلك ، يتميز ظهور جزيء الحمض النووي هذا بوجود أخدود واحد.

تم العثور على الحمض النووي على شكل Z في الخلايا بدائية النواة وخلايا حقيقية النواة. حاليًا ، تم الحصول على أجسام مضادة يمكنها تمييز الشكل Z من الشكل B للحمض النووي. ترتبط هذه الأجسام المضادة بمناطق معينة من الكروموسومات العملاقة لخلايا الغدد اللعابية في ذبابة الفاكهة (دكتور ميلانوجاستر). من السهل متابعة تفاعل الارتباط بسبب التركيب غير المعتاد لهذه الكروموسومات ، حيث تتناقض المناطق الأكثر كثافة (الأقراص) مع المناطق الأقل كثافة (interdiscs). تقع أقسام Z-DNA في النطاقات. ويترتب على ذلك أن الشكل Z موجود بالفعل في ظروف طبيعية ، على الرغم من أن أحجام الأقسام الفردية من الشكل Z لا تزال غير معروفة.

(المتحولون) هم التسلسلات الأساسية الأكثر شهرة والأكثر انتشارًا في الحمض النووي. المتناظرة هي كلمة أو عبارة تقرأ من اليسار إلى اليمين والعكس صحيح بنفس الطريقة. ومن الأمثلة على هذه الكلمات أو العبارات: شلاش ، وكازاك ، وبوتوب ، وروز سقطت على مخلب أزور. عند تطبيقه على مناطق الحمض النووي ، فإن هذا المصطلح (المتناظر) يعني نفس تناوب النيوكليوتيدات على طول السلسلة من اليمين إلى اليسار ومن اليسار إلى اليمين (مثل الأحرف في كلمة "كوخ" ، إلخ).

يتميز التناظر المتناظر بوجود تكرارات مقلوبة لتسلسلات أساسية لها تناظر من الدرجة الثانية فيما يتعلق بسلاسل DNA. مثل هذه المتتاليات ، لسبب مفهوم ، مكملة ذاتيًا وتميل إلى تكوين هياكل دبوس الشعر أو صليبية الشكل (الشكل). تساعد دبابيس الشعر البروتينات المنظمة في التعرف على مكان حذف النص الجيني للحمض النووي للكروموسوم.

في الحالات التي يوجد فيها تكرار مقلوب على نفس شريط الحمض النووي ، يسمى هذا التسلسل تكرار المرآة. لا تمتلك تكرارات المرآة خصائص التكامل الذاتي ، وبالتالي فهي غير قادرة على تكوين هياكل دبوس الشعر أو الصليبية. توجد تسلسلات من هذا النوع في جميع جزيئات الحمض النووي الكبيرة تقريبًا ويمكن أن تتراوح من بضعة أزواج أساسية إلى عدة آلاف من أزواج القواعد.

لم يتم إثبات وجود المتجانسات في شكل هياكل صليبية في الخلايا حقيقية النواة ، على الرغم من وجود عدد من الهياكل الصليبية في الجسم الحي في خلايا الإشريكية القولونية. إن وجود متواليات ذاتية التكميل في الحمض النووي الريبي أو الحمض النووي أحادي السلسلة هو السبب الرئيسي لطي السلسلة النووية في المحاليل إلى بنية مكانية معينة ، تتميز بتكوين العديد من "دبابيس الشعر".

H- شكل DNAهو حلزون يتكون من ثلاثة خيوط DNA - الحلزون الثلاثي للحمض النووي. إنه مركب من اللولب المزدوج Watson-Crick مع خيط DNA أحادي الجديلة الثالث ، والذي يتناسب مع أخدوده الكبير ، مع تكوين ما يسمى بزوج Hoogsteen.

يحدث تكوين مثل هذا الثلاثي نتيجة لطي اللولب المزدوج للحمض النووي بحيث يظل نصف قسمه على شكل حلزون مزدوج ، ويتم فصل النصف الآخر. في هذه الحالة ، تشكل إحدى الحلزونات المنفصلة هيكلًا جديدًا مع النصف الأول من اللولب المزدوج - وهو حلزوني ثلاثي ، والثاني يتضح أنه غير منظم ، على شكل قسم واحد تقطعت به السبل. من سمات هذا التحول الهيكلي الاعتماد الحاد على الرقم الهيدروجيني للوسط ، حيث تعمل البروتونات على استقرار الهيكل الجديد. بسبب هذه الميزة هيكل جديدتلقى اسم شكل H من الحمض النووي ، والذي تم العثور على تكوينه في البلازميدات فائقة الالتواء التي تحتوي على مناطق homopurine-homopyrimidine ، والتي هي تكرار المرآة.

في مزيد من الدراسات ، إمكانية الانتقال الهيكلي لبعض بولينيوكليوتيدات homopurine-homopyrimidine مزدوجة تقطعت بهم السبل مع تكوين بنية ثلاثية الشرائط تحتوي على:

• homopurine واحد واثنين من خيوط homopyrimidine ( ثلاثي Py-Pu-Py) [تفاعل هوغستين].

  الكتل المكونة لثلاثي Py-Pu-Py هي الثلاثيات الكنسية المتشابهة إلى CGC + و TAT. يتطلب استقرار الثلاثي بروتون ثلاثي CGC + ؛ لذلك ، تعتمد هذه الثلاثيات على الرقم الهيدروجيني للمحلول.

• واحد homopyrimidine واثنين من خيوط homopurine ( ثلاثي Py-Pu-Pu) [تفاعل هوغستين العكسي].

  الكتل المكونة لثلاثي Py-Pu-Pu هي متشابهة الكنسي لثلاثيات CGG و TAA. الخاصية الأساسية لثلاثي Py-Pu-Pu هي اعتماد ثباتها على وجود أيونات مشحونة مضاعفة ، والأيونات المختلفة مطلوبة لتثبيت الثلاثيات من متواليات مختلفة. نظرًا لأن تكوين ثلاثي Py-Pu-Pu لا يتطلب بروتونات النيوكليوتيدات المكونة لها ، يمكن أن توجد هذه الثلاثيات عند درجة الحموضة المحايدة.

  ملاحظة: يتم تفسير تفاعل Hoogsteen المباشر والعكسي من خلال تناظر 1-methylthymine: يؤدي دوران 180 درجة إلى حقيقة أن ذرة O4 يتم استبدالها بذرة O2 ، بينما يتم الحفاظ على نظام الروابط الهيدروجينية.

هناك نوعان من اللوالب الثلاثية:

1. حلزونات ثلاثية متوازية ، حيث يتزامن قطبية الخيط الثالث مع قطبية السلسلة المتجانسة لوصلة Watson-Crick المزدوجة
2. حلزونات ثلاثية معاكسة ، حيث تكون أقطاب السلاسل الثالثة وسلسلة homopurine متعاكسة.

السلاسل المتجانسة كيميائيًا في كل من الثلاثيات Py-Pu-Pu و Py-Pu-Py في اتجاه مضاد للتوازي. تم تأكيد ذلك من خلال بيانات التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي.

G- كوادروبلكس- 4-الذين تقطعت بهم السبل الحمض النووي. يتشكل مثل هذا الهيكل إذا كان هناك أربعة جوانين ، والتي تشكل ما يسمى G-quadruplex - رقصة مستديرة من أربعة جوانين.

تم تلقي الإشارات الأولى حول إمكانية تكوين مثل هذه الهياكل قبل فترة طويلة من العمل الخارق لـ Watson and Crick - مرة أخرى في عام 1910. ثم اكتشف الكيميائي الألماني إيفار بانغ أن أحد مكونات الحمض النووي - حمض جوانوسيك - 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 الهلام. اتضح أنها تتكون من أربعة بقايا جوانين ، وتربط بعضها البعض في دائرة وتشكل مربعًا مميزًا. في الوسط ، يتم دعم الرابطة بواسطة أيون معدني (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) لتشكيل هياكل كثيفة ومستقرة إلى حد ما (G-quadruplexes).

يمكن أن تتشابك أربعة خيوط منفصلة من الحمض النووي في مجمعات من أربع خيوط ، ولكن هذا استثناء. في كثير من الأحيان ، يتم ربط خيط واحد من الحمض النووي ببساطة في عقدة ، مكونًا ثخانات مميزة (على سبيل المثال ، في نهايات الكروموسومات) ، أو يشكل الحمض النووي مزدوج الشريطة رباعيًا محليًا في بعض المناطق الغنية بالجوانين.

أكثر ما تم دراسته هو وجود الانعكاسات الرباعية في نهايات الكروموسومات - على التيلوميرات وفي المحركات الورمية. ومع ذلك ، لا يزال الفهم الكامل لتوطين مثل هذا الحمض النووي في الكروموسومات البشرية غير معروف حتى الآن.

كل هذه الهياكل غير العادية للحمض النووي في الشكل الخطي غير مستقرة مقارنة بالحمض النووي من النوع ب. ومع ذلك ، غالبًا ما يوجد الحمض النووي في شكل دائري من الإجهاد الطوبولوجي عندما يحتوي على ما يسمى الالتفاف الفائق. في ظل هذه الظروف ، تتشكل هياكل الحمض النووي غير المتعارف عليها بسهولة: أشكال Z ، والصلبان ودبابيس الشعر ، وأشكال H ، و quadruplexes guanine ، و i-motif.

• شكل فائق الالتواء - يُلاحظ عندما يتم إطلاقه من نواة الخلية دون الإضرار بالعمود الفقري للبنتوز والفوسفات. لها شكل حلقات مغلقة فائقة الالتواء. في حالة الالتفاف الفائق ، يتم "الالتواء على حلزون مزدوج للحمض النووي" مرة واحدة على الأقل ، أي أنه يحتوي على ملف فائق واحد على الأقل (يتخذ شكل رقم ثمانية).
• يتم ملاحظة حالة استرخاء الحمض النووي مع كسر واحد (كسر حبلا واحد). في هذه الحالة ، تختفي اللفائف الفائقة ويأخذ الحمض النووي شكل حلقة مغلقة.
• الشكل الخطي للحمض النووي - يُلاحظ عند كسر خيطين من اللولب المزدوج.

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

هيكل الحمض النووي الثلاثي

هيكل الحمض النووي الثلاثييتشكل نتيجة التواء إضافي في الفضاء لجزيء مزدوج الشريطة - الالتواء الفائق. يتم إجراء الالتواء الفائق لجزيء الحمض النووي في الخلايا حقيقية النواة ، على عكس بدائيات النوى ، في شكل مجمعات بها بروتينات.

تم العثور على كل الحمض النووي حقيقيات النوى تقريبًا في كروموسومات النوى ، وتوجد كمية صغيرة منه في الميتوكوندريا والنباتات والبلاستيدات. المادة الرئيسية لكروموسومات الخلايا حقيقية النواة (بما في ذلك الكروموسومات البشرية) هي الكروماتين ، وتتكون من بروتينات DNA مزدوجة الشريطة وهيستون وبروتينات غير هيستون.

بروتينات الكروماتين هيستون

الهستونات عبارة عن بروتينات بسيطة تشكل 50٪ من الكروماتين. في جميع خلايا الحيوانات والنباتات المدروسة ، تم العثور على خمس فئات رئيسية من الهيستونات: H1 ، H2A ، H2B ، H3 ، H4 ، تختلف في الحجم ، تكوين الأحماض الأمينيةومقدار الشحن (موجب دائمًا).

يتكون هيستون Mammalian H1 من سلسلة عديد ببتيد واحدة من حوالي 215 حمضًا أمينيًا. تختلف أحجام الهستونات الأخرى من 100 إلى 135 من الأحماض الأمينية. كل منهم حلزوني وملفوف في كرة قطرها حوالي 2.5 نانومتر ، تحتوي على كمية كبيرة بشكل غير عادي من الأحماض الأمينية موجبة الشحنة ليسين وأرجينين. يمكن أسيتات الهستونات ، ميثلة ، فسفرة ، بولي (ADP) - ريبوسيليتيد ، وترتبط هيستونات H2A و H2B تساهميًا بـ يوبيكويتين. ما هو دور هذه التعديلات في تكوين الهيكل وأداء الوظائف بواسطة الهيستونات لم يتم توضيحه بالكامل بعد. من المفترض أن هذه هي قدرتها على التفاعل مع الحمض النووي وتوفير إحدى الآليات لتنظيم عمل الجينات.

تتفاعل الهيستونات مع الحمض النووي بشكل رئيسي من خلال الروابط الأيونية (جسور الملح) التي تتكون بين مجموعات الفوسفات سالبة الشحنة من الحمض النووي وبقايا الهيستونات ذات الشحنة الموجبة من الليسين والأرجينين.

بروتينات كروماتين غير هيستون

على عكس الهستونات ، فإن البروتينات غير هيستون متنوعة للغاية. تم عزل ما يصل إلى 590 جزءًا مختلفًا من بروتينات غير هيستون المرتبطة بالحمض النووي. وتسمى أيضًا البروتينات الحمضية ، حيث تسود الأحماض الأمينية الحمضية في بنيتها (وهي بوليانيون). يرتبط التنظيم المحدد لنشاط الكروماتين بمجموعة متنوعة من البروتينات غير الهيستون. على سبيل المثال ، يمكن للأنزيمات المطلوبة لتكرار الحمض النووي والتعبير أن ترتبط بالكروماتين مؤقتًا. البروتينات الأخرى ، على سبيل المثال ، التي تشارك في عمليات تنظيمية مختلفة ، ترتبط بالحمض النووي فقط في أنسجة معينة أو في مراحل معينة من التمايز. كل بروتين مكمل لسلسلة محددة من النوكليوتيدات DNA (موقع DNA). تشمل هذه المجموعة:

• عائلة من بروتينات أصابع الزنك الخاصة بالموقع. يتعرف كل إصبع من أصابع الزنك على موقع محدد يتكون من 5 أزواج من النيوكليوتيدات.
• عائلة البروتينات الخاصة بالموقع - المتجانسة. يحتوي جزء من هذا البروتين المتصل بالحمض النووي على بنية حلزونية دورانية.
• بروتينات الهلام عالية الحركة (بروتينات HMG) هي مجموعة من البروتينات الهيكلية والتنظيمية التي ترتبط باستمرار بالكروماتين. لها وزن جزيئي أقل من 30 كيلو دالتون وتتميز بمحتوى عالٍ من الأحماض الأمينية المشحونة. نظرًا لوزنها الجزيئي المنخفض ، فإن بروتينات HMG شديدة الحركة أثناء الرحلان الكهربائي للهلام متعدد الأكريلاميد.
• إنزيمات النسخ والنسخ والإصلاح.

بمشاركة البروتينات الهيكلية والتنظيمية والإنزيمات المشاركة في تخليق DNA و RNA ، يتم تحويل خيط النيوكليوسوم إلى مركب عالي الكثافة من البروتينات والحمض النووي. الهيكل الناتج أقصر بـ 10000 مرة من جزيء الحمض النووي الأصلي.

الكروماتينية

الكروماتين هو مركب من البروتينات مع الحمض النووي النووي والمواد غير العضوية. معظم الكروماتين غير نشط. يحتوي على حمض نووي مضغوط ومكثف. إنه الهيتروكروماتين. يميز بين الكروماتين التأسيسي غير النشط وراثيًا (DNA الساتلي) ، والذي يتكون من مناطق غير معبر عنها ، والاختياري - غير نشط في عدد من الأجيال ، ولكن في ظل ظروف معينة قادرة على التعبير.

الكروماتين النشط (كروماتين حقيقي) غير مكثف ، أي معبأة بإحكام أقل. في الخلايا المختلفة ، يتراوح محتواها من 2 إلى 11٪. في خلايا الدماغ هو الأهم - 10-11 ٪ ، في خلايا الكبد - 3-4 والكلى - 2-3 ٪. لوحظ النسخ النشط للكروماتين الحقيقي. علاوة على ذلك ، يسمح تنظيمها الهيكلي باستخدام نفس المعلومات الجينية للحمض النووي المتأصل فيها هذا النوعالكائن الحي ، بشكل مختلف في الخلايا المتخصصة.

في المجهر الإلكتروني ، تشبه صورة الكروماتين حبة: سماكة كروية يبلغ حجمها حوالي 10 نانومتر ، مفصولة بجسور تشبه الخيوط. تسمى هذه الثخانات الكروية nucleosomes. النواة هي وحدة هيكلية للكروماتين. يحتوي كل نيوكليوسوم على مقطع فائق الالتفاف من الحمض النووي بطول 146 زوجًا قاعديًا ، وجرحًا بتكوين 1.75 ينعطف يسارًا على النواة النووية. النواة النووية عبارة عن أوكتامر هيستون يتكون من هيستون H2A ، H2B ، H3 ، و H4 ، جزيئين من كل نوع (الشكل 9) ، والذي يشبه قرص يبلغ قطره 11 نانومتر وسمكه 5.7 نانومتر. الهستون الخامس ، H1 ، ليس جزءًا من النواة النووية ولا يشارك في عملية لف الحمض النووي على أوكتامر هيستون. إنه يتصل بالحمض النووي حيث يدخل اللولب المزدوج ويخرج من نواة النواة. هذه مناطق DNA بين القشرة (رابط) ، يختلف طولها اعتمادًا على نوع الخلية من 40 إلى 50 زوجًا من النوكليوتيدات. نتيجة لذلك ، يختلف طول جزء الحمض النووي المتضمن في النواة أيضًا (من 186 إلى 196 زوجًا من النوكليوتيدات).

يحتوي النوكليوسوم على حوالي 90 ٪ من الحمض النووي ، والباقي منه هو الرابط. يُعتقد أن النيوكليوسومات عبارة عن أجزاء من الكروماتين "الصامت" ، والرابط نشط. ومع ذلك ، يمكن أن تتكشف النيوكليوسومات وتصبح خطية. النيوكليوسومات غير المطوية هي كروماتين نشط بالفعل. هذه هي الطريقة التي يتجلى بها اعتماد الوظيفة على الهيكل بوضوح. يمكن افتراض أنه كلما زاد عدد الكروماتين في تكوين النيوكليوزومات الكروية ، كلما كان نشاطه أقل. من الواضح ، في الخلايا المختلفة ، أن النسبة غير المتكافئة من الكروماتين الساكن مرتبطة بعدد هذه النيوكليوسومات.

في الصور المجهرية الإلكترونية ، اعتمادًا على ظروف العزل ودرجة التمدد ، قد يبدو الكروماتين ليس فقط كخيط طويل مع سماكة - "خرزات" من النيوكليوسومات ، ولكن أيضًا كليف أقصر وأكثر كثافة (ألياف) بقطر 30 نانومتر ، لوحظ تكوينه أثناء تفاعل هيستون H1 المرتبط بمنطقة رابط الحمض النووي والهيستون H3 ، مما يؤدي إلى التواء إضافي للحلزون المكون من ستة نيوكليوسومات في كل دور مع تكوين ملف لولبي بقطر 30 نانومتر. في هذه الحالة ، يمكن لبروتين هيستون أن يتدخل في نسخ عدد من الجينات وبالتالي تنظيم نشاطها.

نتيجة للتفاعلات الموصوفة للحمض النووي مع الهيستونات ، يتحول جزء من الحلزون المزدوج للحمض النووي المكون من 186 زوجًا أساسيًا بمتوسط ​​قطر 2 نانومتر وطول 57 نانومتر إلى حلزون بقطر 10 نانومتر وطوله 5 نانومتر. يؤدي الضغط اللاحق لهذا اللولب إلى ألياف قطرها 30 نانومتر إلى زيادة درجة التكثيف بمقدار ستة أضعاف.

في النهاية ، ينتج عن تعبئة نسخة مزدوجة من الحمض النووي بخمسة هيستونات تكثيف 50 ضعفًا للحمض النووي. ومع ذلك ، حتى هذه الدرجة العالية من التكثيف لا يمكن أن تفسر ما يقرب من 50000 إلى 100000 ضعف تكثيف الحمض النووي في كروموسوم الطور الطوري. لسوء الحظ ، فإن تفاصيل تعبئة الكروماتين الإضافية حتى الكروموسوم الطوري غير معروفة بعد ؛ لذلك ، يمكن فقط النظر في السمات العامة لهذه العملية.

مستويات ضغط الحمض النووي في الكروموسومات

يتم تعبئة كل جزيء DNA في كروموسوم منفصل. تحتوي الخلايا ثنائية الصبغيات البشرية على 46 كروموسومًا ، وتقع في نواة الخلية. يبلغ الطول الإجمالي للحمض النووي لجميع كروموسومات الخلية 1.74 مترًا ، لكن قطر النواة التي تتراكم فيها الكروموسومات أصغر بملايين المرات. يتم توفير مثل هذا الحشو المضغوط للحمض النووي في الكروموسومات والكروموسومات في نواة الخلية من خلال مجموعة متنوعة من بروتينات هيستون وغير هيستون التي تتفاعل في تسلسل محدد مع الحمض النووي (انظر أعلاه). إن ضغط الحمض النووي في الكروموسومات يجعل من الممكن تقليل أبعاده الخطية بحوالي 10000 مرة - تقليديًا من 5 سم إلى 5 ميكرون. هناك عدة مستويات للضغط (الشكل 10).

• الحلزون المزدوج للحمض النووي هو جزيء سالب الشحنة يبلغ قطره 2 نانومتر ويبلغ طوله عدة سنتيمترات.
• المستوى النووي- ينظر الكروماتين في المجهر الإلكتروني على أنه سلسلة من "الخرزات" - النيوكليوزومات - "على خيط". النواة هي وحدة هيكلية عالمية توجد في كل من euchromatin و heterochromatin ، في نواة الطور البيني والكروموسومات الطورية.

  يتم توفير المستوى النووي للضغط بواسطة بروتينات خاصة - هيستونات. تشكل ثمانية نطاقات هيستون موجبة الشحنة نواة (نواة) الجسيم النووي الذي يلتف حوله جزيء الحمض النووي سالب الشحنة. ينتج عن هذا تقصير بمقدار 7 أضعاف ، بينما يزيد القطر من 2 إلى 11 نانومتر.

• مستوى الملف اللولبي

  يتميز مستوى الملف اللولبي لتنظيم الكروموسوم بالتواء الخيوط النووية وتشكيل ألياف أكثر سمكًا بقطر 20-35 نانومتر منه - ملفات لولبية أو سوبيربد. تبلغ درجة صوت الملف اللولبي 11 نانومتر ؛ ويوجد حوالي 6-10 نيوكليوسومات لكل دور. يعتبر تغليف الملف اللولبي أكثر احتمالا من المضاعف ، حيث أن ليف كروماتين يبلغ قطره 20-35 نانومتر عبارة عن سلسلة من الحبيبات أو الأجسام الفائقة ، كل منها يتكون من ثمانية نيوكليوسومات. على مستوى الملف اللولبي ، يتم تقليل الحجم الخطي للحمض النووي بمقدار 6-10 مرات ، ويزيد القطر إلى 30 نانومتر.

• مستوى الحلقة

  يتم توفير مستوى الحلقة بواسطة بروتينات مرتبطة بالحمض النووي غير محددة موقع هيستون والتي تتعرف على تسلسلات DNA معينة وترتبط بها ، وتشكل حلقات من حوالي 30-300 كيلو بايت. توفر الحلقة التعبير الجيني ، مثل E. الحلقة ليست هيكلية فحسب ، بل هي أيضًا تشكيل وظيفي. التقصير في هذا المستوى يحدث 20-30 مرة. يزيد القطر إلى 300 نانومتر. يمكن رؤية الهياكل الشبيهة بالحلقة من نوع "فرشاة المصباح" في البويضات البرمائية في المستحضرات الخلوية. يبدو أن هذه الحلقات ملفوفة بشكل فائق وتمثل مجالات الحمض النووي ، والتي ربما تتوافق مع وحدات نسخ الكروماتين وتكرارها. تقوم بروتينات معينة بإصلاح قواعد الحلقات ، وربما بعض مناطقها الداخلية. تعمل منظمة المجال على شكل حلقة على تعزيز طي الكروماتين في الكروموسومات الطورية إلى هياكل حلزونية ذات أوامر أعلى.

• مستوى المجال

  لم يتم دراسة مستوى مجال تنظيم الكروموسوم بشكل كافٍ. في هذا المستوى ، يتم ملاحظة تكوين مجالات الحلقة - هياكل الخيوط (الألياف) بسمك 25-30 نانومتر ، والتي تحتوي على 60٪ بروتين ، 35٪ DNA و 5٪ RNA ، غير مرئية عمليًا في جميع مراحل الخلية دورة باستثناء الانقسام الفتيلي ويتم توزيعها بشكل عشوائي إلى حد ما على نواة الخلية. يمكن رؤية الهياكل الشبيهة بالحلقة من نوع "فرشاة المصباح" في البويضات البرمائية في المستحضرات الخلوية.

  نطاقات الحلقة مع قاعدتها مرتبطة بمصفوفة البروتين داخل النواة في ما يسمى بمواقع المرفقات المضمنة ، والتي يشار إليها غالبًا بتسلسلات MAR / SAR (MAR ، من المنطقة المرتبطة بالمصفوفة الإنجليزية ؛ SAR ، من مناطق مرفق السقالة الإنجليزية) - أجزاء الحمض النووي عدة مئات من أزواج قاعدة الطول ، والتي تتميز بمحتوى مرتفع (> 65٪) أزواج قاعدة A / T. يبدو أن كل مجال له أصل واحد من النسخ المتماثل ويعمل كوحدة ملفوفة ذاتيًا. يحتوي أي مجال حلقي على العديد من وحدات النسخ ، والتي من المحتمل أن يكون عملها منسقًا - المجال بأكمله إما في حالة نشطة أو غير نشطة.

  على مستوى المجال ، نتيجة للتعبئة المتسلسلة للكروماتين ، تقل الأبعاد الخطية للحمض النووي بنحو 200 مرة (700 نانومتر).

• مستوى الكروموسومات

  على المستوى الكروموسومي ، يحدث تكثف كروموسوم الطور الأولي في كروموسوم الطور الطوري مع ضغط مجالات الحلقة حول الإطار المحوري لبروتينات غير هيستون. ويرافق هذا الالتفاف الفائق عملية فسفرة لجميع جزيئات H1 في الخلية. نتيجة لذلك ، يمكن تصوير كروموسوم الطور الطوري على أنه حلقات ملف لولبي معبأة بإحكام ملفوفة في دوامة ضيقة. يمكن أن يحتوي الكروموسوم البشري النموذجي على ما يصل إلى 2600 حلقة. يصل سمك هذا الهيكل إلى 1400 نانومتر (كروماتيدان) ، بينما يتم تقصير جزيء الحمض النووي 104 مرات ، أي مع 5 سم من الحمض النووي الممتد إلى 5 ميكرومتر.

وظائف الكروموسوم

في التفاعل مع الآليات خارج الصبغيات ، توفر الكروموسومات

1. تخزين المعلومات الوراثية
2. استخدام هذه المعلومات لإنشاء التنظيم الخلوي والحفاظ عليه
3. تنظيم قراءة المعلومات الوراثية
4. المضاعفة الذاتية للمادة الوراثية
5. نقل المادة الوراثية من الخلية الأم إلى الابنة.

هناك دليل على أنه عند تنشيط منطقة الكروماتين ، أي أثناء النسخ ، تتم إزالة هيستون H1 بشكل عكسي منه أولاً ، ثم ثمان هيستون. يؤدي هذا إلى إلغاء تكثيف الكروماتين ، وهو انتقال متسلسل لليف كروماتين يبلغ طوله 30 نانومترًا إلى خيوط بطول 10 نانومتر ، ثم تتكشف في مناطق من الحمض النووي الحر ، أي فقدان التركيب النووي.

بيئة الإدراك. العلم والاكتشاف: ما هي الحياة؟ لقد أصبح هذا السؤال هو القوة الدافعة وراء تطور علم الوراثة (من كلمة genetikos اليونانية - "المتعلقة بالولادة والنسب") - علم أصل الحياة ، الذي ظل يركز على جزيء الحمض النووي لأكثر من 50 عامًا.

ما هي الحياة؟ لقد أصبح هذا السؤال هو القوة الدافعة وراء تطور علم الوراثة (من كلمة genetikos اليونانية - "المتعلقة بالولادة والنسب") - علم أصل الحياة ، الذي ظل يركز على جزيء الحمض النووي لأكثر من 50 عامًا.

الاكتشاف الذي قلب العالم رأساً على عقب

"لقد اكتشفنا للتو سر الحياة!" - وهكذا في 28 فبراير 1953 ، أعلن فرانسيس كريك وجيمس واتسون اكتشافهما لبنية الحمض النووي. ما الجديد الذي جلبته إلى علوم الحياة؟ قبل ذلك ، كان من المعروف أن الحمض النووي هو جزيء كبير يتم فيه تسجيل المعلومات حول بنية وخصائص الكائنات الحية باستخدام "الأبجدية المكونة من أربعة أحرف". لكن لم يتضح بعد كيف تنتقل هذه المعلومات من جيل إلى جيل وتتجسد في هذه الهياكل والخصائص ذاتها ، وكذلك ما هي البنية المكانية للحمض النووي.

ساعد حل بنية الحمض النووي العلماء على فهم آليات نسخه وتجسيده. يتكون الحمض النووي من خيطين مكملين (مكملان) لبعضهما البعض. يحدث نسخ الحمض النووي بسبب إضافة نسخة على كل خيط DNA أصلي ، كما هو الحال في القالب ، إليه. لذلك من حلزون مزدوج واحد للحمض النووي ، يتم الحصول على حلقتين مزدوجتين متطابقتين تمامًا ، وهو أمر ضروري للحفاظ على المعلومات الجينية أثناء تقسيم الخلية الأم إلى خليتين ابنتيتين. يكمن مبدأ المصفوفة أيضًا في التجسيد التدريجي للمعلومات الجينية: على أحد خيوط الحمض النووي ، تتشكل سلسلة تكميلية لجزيء معلومات آخر - الحمض النووي الريبي ، والذي يعمل بدوره كمصفوفة لتخليق البروتينات والكمية والنوعية التي تعتمد على بنية وخصائص كائن حي معين.

ما مدى أهمية هذا الاكتشاف لفهم لغز الحياة؟ من ناحية أخرى ، من الواضح أن معرفة بنية الحمض النووي ليست كافية للإجابة على السؤال "ما هي الحياة؟" لكن من ناحية أخرى ، كان هذا الاكتشاف هو الذي جعل قديمًا جدًا سؤال مهمحول العلاقة بين الإمكانات والمتجلى - من خلال مثال اتصال المعلومات حول هياكل وخصائص الكائن الحي مع الهياكل والخصائص نفسها. ولم يطرح هذا السؤال فحسب ، بل قدم أيضًا مفتاحًا للإجابة عليه. هذا المفتاح هو مبدأ المصفوفة ، مبدأ التكامل.

المسار من الجين إلى السمة

ماذا تعني العبارة الكلاسيكية من الكتاب المدرسي: "الحمض النووي هو الناقل للمعلومات الجينية"؟ كيف ترتبط المعلومات الجينية ببنية الحمض النووي؟ كيف تتجسد المعلومات في خصائص معينة للكائن الحي؟ إذا أخذنا بنية الحمض النووي كنقطة انطلاق للمعلومات الجينية ثم اتبعنا النموذج الهيكلي ، فسيبدو المسار من الجين إلى السمة كما يلي: يتم تشفير جميع خصائص الكائن الحي في تسلسل الحمض النووي ؛ يحدد الهيكل الخطي لجين معين بشكل فريد البنية الخطية للبروتين المقابل ، والذي بدوره يحدد بشكل لا لبس فيه دور هذا البروتين في تكوين سمة معينة.

بعبارة أخرى ، "يؤدي الحمض النووي إلى ظهور الحمض النووي الريبي. إن الحمض النووي الريبي (RNA) يولد البروتين ، والبروتين يولد أنا وأنت "(F. Crick). إذا كان هذا صحيحًا ، فمن أجل تغيير هذه السمة أو تلك (على سبيل المثال ، لعلاج مرض ذي جذور وراثية) ، يكفي تحديد التسلسل المقابل لقسم الحمض النووي وتصحيحه.

لكن هل ذلك بسيط؟ هل توجد معرفة كافية (على الرغم من أنها صحيحة وضرورية بلا منازع!) حول التطابقات البنيوية على المسار من الجين إلى السمة لفهم هذا المسار وإعادة إنتاجه؟

أظهرت التطورات الحديثة في علم الوراثة أنها غير كافية. في عام 2003 ، في إطار مشروع الجينوم البشري ، تم تحديد البنية الخطية للحمض النووي البشري (والعديد من الكائنات الحية البسيطة والمعقدة الأخرى) بالكامل. كما قال أحد العلماء: "تمت قراءة جميع الحروف التي يتكون منها كتاب سميك ، والآن لا يزال من الممكن فهم الكلمات ومعناها".

اتضح أن هناك حوالي 30000 جين مناسب (أقسام DNA ترميز البروتينات) في البشر ، وهذا يمثل فقط 1–3٪ من إجمالي الحمض النووي! نفس عدد الجينات في نبات Arabidopsis taliana والأسماك المنتفخة. علاوة على ذلك ، فإن 99٪ من الجينات البشرية تتطابق مع جينات الفأر ، أي أن لدى الشخص 300 جين فقط لا يمتلكها الفأر. (من الصعب أن نتخيل أننا والفئران لدينا أيضًا نفس 99٪ من العلامات!)

بالإضافة إلى. اتضح أن العلاقة التي لا لبس فيها بين الجين والبروتين توجد فقط في البكتيريا. وفي البشر ، من الممكن تكوين العديد من البروتينات على أساس جين واحد (الحد الأقصى المعروف لعدد البروتينات المختلفة المشفرة بواسطة جين واحد اليوم هو 40000!) وظهور العديد من الوظائف في بروتين واحد. اتضح أن المسار من الإمكانية إلى الظاهر ، من المعلومات الجينية إلى السمة ليس خطيًا بأي حال من الأحوال ؛ أن كل سمة هي نتيجة تفاعلات معقدة بين العديد من الجينات ومنتجاتها البروتينية ؛ أن مفهوم "الجين" نفسه ، بسبب غموضه ، لا يمكن أن يكون بمثابة "نقطة انطلاق" لهذا المسار.

تفاعل الهياكل

يتكون جسم الإنسان من 10 خلايا أس 14. لديهم جميعًا نفس الحمض النووي تمامًا ، لكنهم يختلفون بشكل كبير في الشكل والحجم ومهامهم. يكمن حل هذه المفارقة في القراءة الانتقائية للمعلومات الجينية. في كل خلية ، فقط تلك الجينات التي تحتاجها في الوقت الحالي نشطة.

يتم توفير الانتقائية بواسطة جينات منظمة خاصة تسمح أو تمنع قراءة المعلومات من قسم معين من الحمض النووي. يعتمد نشاط الجين أيضًا على بيئته في فضاء نواة الخلية. التغيير في البيئة الناجم عن حركة الجين نفسه أو أحد جيرانه يمكن أن يغير نشاطه ("إيقاف" أو "تشغيل" الجين).

على سبيل المثال ، يحتوي الجينوم البشري على الكثير من الجينات الفيروسية والجينات البروتونية (القادرة على التسبب في التنكس السرطاني للخلية). يمكنهم التصرف بسلام لفترة طويلة (وطوال حياتهم) وحتى العمل لصالح الخلية ، حتى تكشف حركة أنفسهم أو شخص ما من البيئة عن إمكانات عدوانية في هذه الجينات. لحسن الحظ ، يمكن أن تحدث حركات أخرى من شأنها تهدئة "المتمرد" أو تفعيل آليات الدفاع.

لذلك ، انتقل حامل المعلومات الجينية من مستوى الجين (قسم محدد من الحمض النووي) إلى مستوى لا جيني (من اللاتينية "over" ، "over") من تفاعل الجينات مع بعضها البعض ومع الهياكل الأخرى نواة الخلية (99٪ من الحمض النووي والبروتينات غير الجينية). لنفترض أن العلم يفك شفرات آلية هذا التفاعل. فهل سيؤدي ذلك إلى إفشاء سر الحياة؟ هل الحياة مجرد هيكل؟ وإذا لم يكن الأمر كذلك ، فهل من المفيد البحث عن دليل لسر الحياة ليكون مقصورًا على تفاعل البنى؟

من يراقب الحارس؟

كيف من خلية واحدة ، كنتيجة لـ 46 قسمًا ، لا يتم الحصول على كتلة بلا شكل من 1014 خلية ، ولكنها جسم مميز جدًا لكل واحد منا؟ بالتضاعف المتتالي ، لا تصبح الخلايا مختلفة عن نفسها فحسب ، بل تشكل أيضًا أجزاء مختلفة من الجسم فيها الوقت المناسبوفي المكان المناسب. ما الذي يحكم تنظيم الخلايا في الزمان والمكان؟

كلٌّ أكبر من الناحية النوعية من المجموع البسيط للأجزاء المكونة للخلايا. وهذا لا يتعارض مع حقيقة أن الكائن الحي يتكون من خلية واحدة - السؤال هو ، ما هي هذه الخلية التي تجسد "إرادة الكل". أدى البحث عن عامل الترتيب هذا إلى مفهوم المجال المورفوجيني في بداية القرن العشرين. كان مؤسسها العالم الروسي أ. جورفيتش. عندما عمل جورفيش على نظرية المجال ، اعتبر جزيء الحمض النووي جزءًا لا يتجزأ من الكروموسومات ، ولم يُعطى أهمية كبيرة.

في عام 1944 ، نشر العالم عمله "نظرية المجال البيولوجي". لقد أصبح هذا العام حاسمًا لجميع علم الوراثة ، حيث حدد مسار تطورها لعدة عقود قادمة. كان تركيز العلماء على جزيء الحمض النووي ، حيث ثبت أنها لعبت الدور الرئيسي في نقل المعلومات الوراثية. لم يكن عام 1953 بعيد المنال ... ونتيجة لذلك ، ركز العلم كل اهتمامه على بنية الحمض النووي ، والتي بدأت في الواقع تتطابق مع المعلومات التي تحملها ، ولم تكن نظرية المجال البيولوجي تحظى بتقدير كبير. لكن البحث في هذا المجال استمر ، وطوال هذه السنوات ، سار مساران لتعلم أسرار الحياة بالتوازي ...

أدى الانتقال إلى الألفية الجديدة إلى تغيير ميزان القوى في علوم الحياة. توصل المزيد والمزيد من العلماء إلى استنتاج مفاده أن المفتاح البنيوي في معرفة الأحياء ضروري ، ولكنه ليس كافياً ؛ أن المناهج المختلفة لا تستبعد بعضها البعض ، ولكنها تشكل مسارًا موحدًا للبحث العلمي ؛ أن النهج الهيكلي ونظرية المجال مكملان في جوهرهما.

دعونا نتذكر: كان افتراض تكامل سلاسل الحمض النووي هو المفتاح لفك تشفير هيكلها ، وأصبح اكتشاف عام 1953 ممكنًا بسبب تكامل جهود ممثلي مختلف مجالات العلوم - الفيزيائيين والكيميائيين وعلماء الأحياء. ربما لن يوفق العلم الموحد في الألفية الجديدة أخيرًا بين الأساليب العلمية المختلفة (على سبيل المثال ، الهيكلية والميدانية) ، بل سيتحول أيضًا إلى ثمار الطريقة "غير العلمية" لتعلم أسرار الحياة - حكمة الألف عام من الجنس البشري - "غير علمي" ، لأن هذا المسار متجذر في تلك الأوقات التي لم يكن فيها أي علم على الإطلاق.

إن اللجوء إلى مصادر الحكمة القديمة يمكن أن يمنح العلم مفاتيح الباب الذي يختبئ وراءه السر. لكن لكي يحدث هذا ، هكذا طرق مختلفةيجب أن "تتقاطع" المعرفة في مكان ما. أحد هذه "مفترقات الطرق" يمكن أن يكون مفهوم مجال تشكيل الشكل (بيولوجي ، مورفوجيني ، إعلامي) ، والذي نما على أساس العلم الحديث ويعود إلى الظواهر التي تم النظر فيها في المصادر القديمة.

يقول الأخير أن الشخص يتكون من عدة أجسام ، أو مبادئ ، ليست أجزاء منفصلة ومستقلة ، ولكنها تتداخل وتشكل بعضها البعض ؛ أن الجسم المرئي ، الكثيف ، المادي هو موصل ، وحامل لأجساد أكثر دقة ، والتي ، بمساعدتها ، تظهر نفسها في العالم المادي وتتفاعل معه ؛ أن "التجمع" - تكوين الجسم المادي من عناصر المادة الفيزيائية - يتحكم فيه "الأكثر كثافة" من هذه الأجسام ، النموذج الأولي للجسم النجمي (مخطط ، مصفوفة).

يعرف العلم الحديث أن كل خلية مشكلة حديثًا تشارك في تكوين كائن حي وفقًا "لتعليمات" فردية (جينات نشطة أو مشغلة) وأن الوالد والأحفاد قد يكون لديهم "تعليمات" مختلفة تمامًا. لكن ماذا وكيف سيتم تنسيق تبديل "البرامج" الفردية لتطوير بلايين الخلايا لم يتضح بعد.

تفترض نظرية المجال البيولوجي أن التنسيق هو وظيفة للكل ، وهو المجال أو المصفوفة أو النموذج ذاته ؛ أن كل خلية مشكلة حديثًا بمساعدة جهازها الوراثي الخاص بها مرتبطة "بخطة" واحدة لتطور الكائن الحي ، وتتلقى "تعليمات" فردية من هناك وتنفذها في إطار برنامجها السلوكي الخاص.

اتضح أن الجهاز الجيني للخلية يتكون من ثلاث كتل وظيفية على الأقل: "هوائي" استقبال ، و "لوحة تحكم" للنشاط الجيني ، وجزء "تنفيذي" - جينات مسؤولة عن تكوين بروتينات معينة. تذكر أن الجينات مسؤولة فقط عن 1-2٪ من جميع الدنا الخلوي. في النسبة المتبقية 98-99٪ من الحمض النووي ، تم بالفعل العثور على الهياكل المتعلقة بـ "كتلة التحكم" الثانية. وماذا يلعب دور "الهوائي"؟ أين ينعقد "لقاء عالمين" - مجال المعلومات والهياكل الجينية التي تجسد هذه المعلومات في جسم مادي معين؟

لماذا لا نفترض أن الحمض النووي يلعب أيضًا دور هوائي قادر على التقاط وتحويل ونقل الإشارات ذات الطبيعة الموجية؟ التركيب الحلزوني لـ "جزيء الحياة" (العديد من الهوائيات التقنية لها شكل حلزوني) وخصائصه مثل القدرة على توصيل التيار الكهربائي ، وإمكانية إثارة الرنين للتذبذبات الطولية تحت تأثير موجات الراديو ، وكذلك مثل القدرة على توليد ضوء الليزر بعد "الضخ" الأولي.

إذا كان بإمكان الحمض النووي أن يعمل على تلقي المعلومات التي تضمن النشاط الحيوي للخلايا ، فلن يضطر إلى تخزين هذه المعلومات باستمرار في هيكلها. على سبيل المثال ، فإن الدماغ البشري ، من أجل التحكم بنجاح في أنظمة دعم الحياة في الجسم ، لا يجب أن يكون "وعاءًا" للعقل ، ولكن يكفي أن يلعب دور الوسيط بين الوعي و الجسد: يدرك المعلومات من مستوى الوعي و "يترجمها" إلى لغة التحكم في الجسم.

ومن الواضح سبب معاناة الجسم المادي في حالة تلف بنية الحمض النووي (أو هياكل الدماغ). بعد كل شيء ، يعلم الجميع أنه في حالة وجود تفاصيل واحدة على الأقل في التلفزيون ، فإن الصورة على شاشته مشوهة بشدة ، وإذا تم حرمان التلفزيون من الهوائي أو إيقاف تشغيله من الشبكة ، فلن يظهر أي شيء على الشاشة على الإطلاق .

الحمض النووي هو الرابط بين "نموذج" الجسم المادي وتجسيده الملموس. الدماغ هو الوسيط بين العقل والجسد. يربط العقل بين الحياة وشكل مظهرها ويسمح للحياة ، المغطاة بالشكل ، بمعرفة نفسها. بمساعدة هذه الأداة الرائعة ، تتاح للشخص فرصة دراسة العالم من حوله والعثور فيه على مفاتيح معرفة عالمه الداخلي. وهكذا يولد طريق موحد يقود إلى معرفة سر الحياة. لأن الإنسان هو أعظم الألغاز - سر العلاقة بين الأرض والسماء.نشرت

ملاحظة. وتذكر أنه بمجرد تغيير استهلاكك - فإننا معًا نغير العالم! © econet

انضم إلينا على

بعد اكتشاف مبدأ التنظيم الجزيئي لمادة مثل الحمض النووي في عام 1953 ، بدأ علم الأحياء الجزيئي في التطور. علاوة على ذلك ، في عملية البحث ، اكتشف العلماء كيف يعيد الحمض النووي تكوينه وتكوينه وكيف يعمل الجينوم البشري.

تحدث أكثر العمليات تعقيدًا على المستوى الجزيئي كل يوم. كيف يتم بناء جزيء الحمض النووي ، مما يتكون؟ وما هو الدور الذي تلعبه جزيئات الحمض النووي في الخلية؟ دعنا نتحدث بالتفصيل عن جميع العمليات التي تحدث داخل السلسلة المزدوجة.

ما هي المعلومات الوراثية؟

إذن من أين بدأ كل هذا؟ في عام 1868 ، تم العثور عليها في نوى البكتيريا. وفي عام 1928 طرح ن. كولتسوف نظرية مفادها أنه في الحمض النووي يتم تشفير جميع المعلومات الجينية حول الكائن الحي. ثم وجد J. Watson و F. Crick نموذجًا من حلزون الحمض النووي المعروف الآن في عام 1953 ، والذي حصلوا عليه بجدارة وتقدير - جائزة نوبل.

ما هو الحمض النووي على أي حال؟ تتكون هذه المادة من خيوط متحدة ، بشكل أكثر دقة ، حلزونات. يسمى جزء من هذه السلسلة بمعلومات معينة الجين.

يخزن الحمض النووي جميع المعلومات المتعلقة بالبروتينات التي سيتم تشكيلها وبأي ترتيب. جزيء الحمض النووي هو ناقل مادي لمعلومات ضخمة بشكل لا يصدق ، والتي يتم تسجيلها من خلال تسلسل صارم من لبنات البناء الفردية - النيوكليوتيدات. هناك 4 نيوكليوتيدات في المجموع ، تكمل بعضها البعض كيميائيًا وهندسيًا. سيتم وصف مبدأ التكامل ، أو التكامل ، في العلم لاحقًا. تلعب هذه القاعدة دورًا رئيسيًا في ترميز وفك تشفير المعلومات الجينية.

نظرًا لأن خيط الحمض النووي طويل بشكل لا يصدق ، فلا يوجد تكرار في هذا التسلسل. كل كائن حي له خيط DNA الفريد الخاص به.

وظائف الحمض النووي

تشمل الوظائف تخزين المعلومات الوراثية ونقلها إلى النسل. بدون هذه الوظيفة ، لا يمكن الحفاظ على جينوم الأنواع وتطويرها لآلاف السنين. الكائنات الحية التي خضعت لطفرات جينية كبيرة هي أكثر عرضة لعدم البقاء على قيد الحياة أو فقدان القدرة على إنتاج النسل. هذه هي الطريقة التي تحدث بها الحماية الطبيعية من تدهور الأنواع.

وظيفة أساسية أخرى هي تنفيذ المعلومات المخزنة. لا يمكن للخلية أن تصنع بروتينًا حيويًا واحدًا دون التعليمات المخزنة في سلسلة مزدوجة.

تكوين الحمض النووي

الآن أصبح معروفًا بالفعل بشكل موثوق مما تتكون منه النيوكليوتيدات نفسها - اللبنات الأساسية للحمض النووي -. تتكون من 3 مواد:

• صحيح حامض الفوسفوريك.
• قاعدة النيتروز. قواعد بيريميدين - التي لها حلقة واحدة فقط. وتشمل هذه الثايمين والسيتوزين. قواعد البيورين والتي تحتوي على حلقتين. هذه هي الجوانين والأدينين.
• السكروز. كجزء من DNA - deoxyribose ، في RNA - ribose.

عدد النيوكليوتيدات دائمًا يساوي عدد القواعد النيتروجينية. في مختبرات خاصة ، يتم شق النيوكليوتيد وعزل قاعدة نيتروجينية منه. هذه هي الطريقة التي يتم بها دراسة الخصائص الفردية لهذه النيوكليوتيدات والطفرات المحتملة فيها.

مستويات تنظيم المعلومات الوراثية

هناك 3 مستويات من التنظيم: الجين والكروموسومات والجينوم. جميع المعلومات المطلوبة لتخليق بروتين جديد موجودة في جزء صغير من السلسلة - الجين. أي أن الجين يعتبر أدنى وأبسط مستوى لتشفير المعلومات.

الجينات ، بدورها ، تتجمع في كروموسومات. بفضل هذا التنظيم لحامل المواد الوراثية ، تتناوب مجموعات الشخصيات وفقًا لقوانين معينة وتنتقل من جيل إلى آخر. وتجدر الإشارة إلى أن هناك عددًا لا يُصدق من الجينات في الجسم ، لكن المعلومات لا تُفقد حتى عند إعادة تجميعها عدة مرات.

هناك عدة أنواع من الجينات:

• وفقًا للغرض الوظيفي ، هناك نوعان: التسلسلات الهيكلية والتنظيمية ؛
• وفقًا للتأثير على العمليات التي تحدث في الخلية ، يتم تمييزها: الجينات الإشرافية ، القاتلة ، القاتلة المشروطة ، وكذلك الجينات المتحولة والمضادة.

توجد الجينات على طول الكروموسوم بترتيب خطي. في الكروموسومات ، المعلومات لا تركز بشكل عشوائي ، هناك ترتيب معين. حتى أن هناك خريطة توضح مواقع أو مواقع الجينات. على سبيل المثال ، من المعروف أن الكروموسوم رقم 18 يشفر البيانات عن لون عيون الطفل.

ما هو الجينوم؟ هذا هو اسم المجموعة الكاملة من متواليات النيوكليوتيدات في خلية الجسم. يميز الجينوم الأنواع بأكملها ، وليس فردًا.

ما هو الكود الجيني البشري؟

الحقيقة هي أن كل الإمكانات الهائلة التنمية البشريةوضعت بالفعل في فترة الحمل. يتم ترميز جميع المعلومات الوراثية اللازمة لتطور البيضة الملقحة ونمو الطفل بعد الولادة في الجينات. أجزاء من الحمض النووي هي الناقلات الأساسية للمعلومات الوراثية.

يمتلك الشخص 46 كروموسومًا ، أو 22 زوجًا جسديًا بالإضافة إلى كروموسوم واحد محدد للجنس من كل والد. هذه المجموعة ثنائية الصبغيات من الكروموسومات ترمز المظهر الجسدي الكامل للشخص ، وقدراته العقلية والجسدية ، والاستعداد للمرض. الكروموسومات الجسديةلا يمكن تمييزهما ظاهريًا ، لكنهما يحملان معلومات مختلفة ، لأن أحدهما من الأب والآخر من الأم.

يختلف رمز الذكر عن الكود الأنثوي في آخر زوج من الكروموسومات - XY. مجموعة مضاعفة الصيغة الأنثوية هي آخر زوج ، XX. يحصل الرجال على كروموسوم X واحد من أمهم البيولوجية ، ثم ينتقل إلى بناتهم. ينتقل كروموسوم الجنس Y إلى الأبناء.

تختلف الكروموسومات البشرية اختلافًا كبيرًا في الحجم. على سبيل المثال ، أصغر زوج من الكروموسومات هو رقم 17. وأكبر زوج هو 1 و 3.

يبلغ قطر اللولب المزدوج في البشر 2 نانومتر فقط. يتم التواء الحمض النووي بإحكام بحيث يتناسب مع النواة الصغيرة للخلية ، على الرغم من أنه سيصل طوله إلى مترين إذا كان غير ملفوف. يبلغ طول اللولب مئات الملايين من النيوكليوتيدات.

كيف يتم نقل الشفرة الجينية؟

إذن ، ما هو الدور الذي تلعبه جزيئات الحمض النووي في الخلية أثناء الانقسام؟ تم العثور على الجينات - ناقلات المعلومات الوراثية - داخل كل خلية من خلايا الجسم. لتمرير الكود الخاص بهم إلى كائن ابنة ، تقوم العديد من الكائنات بتقسيم الحمض النووي الخاص بهم إلى حلزونيين متطابقين. هذا يسمى النسخ المتماثل. في عملية التكاثر ، يتم فك الحمض النووي وتكمل "الآلات" الخاصة كل خيط. بعد تشعب اللولب الجيني ، تبدأ النواة وكل العضيات في الانقسام ، ثم الخلية بأكملها.

لكن لدى الشخص عملية مختلفة لنقل الجينات - جنسية. تتداخل سمات الأب والأم ، ويحتوي الكود الجيني الجديد على معلومات من كلا الوالدين.

تخزين ونقل المعلومات الوراثية ممكن بسبب التنظيم المعقد للحلزون DNA. بعد كل شيء ، كما قلنا ، يتم ترميز بنية البروتينات في الجينات. بمجرد إنشائه في وقت الحمل ، سوف ينسخ هذا الرمز نفسه طوال حياته. لا يتغير النمط النووي (مجموعة الكروموسومات الشخصية) أثناء تجديد خلايا الأعضاء. يتم نقل المعلومات بمساعدة الأمشاج الجنسية - ذكورًا وإناثًا.

فقط الفيروسات التي تحتوي على خيط واحد من الحمض النووي الريبي ليست قادرة على نقل معلوماتها إلى نسلها. لذلك ، من أجل التكاثر ، يحتاجون إلى خلايا بشرية أو حيوانية.

إدراك المعلومات الوراثية

في نواة الخلية عمليات مهمة... يتم استخدام جميع المعلومات المسجلة في الكروموسومات لبناء البروتينات من الأحماض الأمينية. لكن خيط الحمض النووي لا يترك النواة أبدًا ، لذا فإن مساعدة مركب مهم آخر = RNA مطلوبة هنا. إن الحمض النووي الريبي هو القادر على اختراق الغشاء النووي والتفاعل مع حبلا الحمض النووي.

من خلال تفاعل الحمض النووي و 3 أنواع من الحمض النووي الريبي ، تتحقق جميع المعلومات المشفرة. على أي مستوى يتم تنفيذ المعلومات الوراثية؟ تحدث جميع التفاعلات على مستوى النوكليوتيدات. يقوم Messenger RNA بنسخ جزء من خيط DNA وإحضار هذه النسخة إلى الريبوسوم. هذا هو المكان الذي يبدأ فيه تخليق جزيء جديد من النيوكليوتيدات.

من أجل أن يقوم mRNA بنسخ الجزء المطلوب من الشريط ، يتم فتح اللولب ، وبعد ذلك ، عند الانتهاء من عملية إعادة الترميز ، يتم استعادته مرة أخرى. علاوة على ذلك ، يمكن أن تحدث هذه العملية في وقت واحد على جانبين من كروموسوم واحد.

مبدأ التكامل

تتكون من 4 نيوكليوتيدات - الأدينين (A) ، الجوانين (G) ، السيتوزين (C) ، الثايمين (T). ترتبط بواسطة روابط هيدروجينية وفقًا لقاعدة التكامل. ساعدت أعمال E. Chargaff في إرساء هذه القاعدة ، حيث لاحظ العالم بعض الأنماط في سلوك هذه المواد. اكتشف E. Chargaff أن النسبة المولية للأدينين إلى الثايمين تساوي واحدًا. وبنفس الطريقة ، فإن نسبة الجوانين إلى السيتوزين تساوي دائمًا واحدًا.

على أساس عمله ، شكل علم الوراثة قاعدة لتفاعل النيوكليوتيدات. تنص قاعدة التكامل على أن الأدينين يتحد فقط مع الثايمين ، والجوانين مع السيتوزين. أثناء فك تشفير اللولب وتخليق بروتين جديد في الريبوسوم ، تساعد قاعدة التناوب هذه في العثور بسرعة على حمض أميني أساسيوالتي تعلق على النقل RNA.

RNA وأنواعه

ما هي المعلومات الوراثية؟ النيوكليوتيدات في خيط مزدوج من الحمض النووي. ما هو الحمض النووي الريبي؟ ما هو عملها؟ يساعد الحمض النووي الريبي ، أو الحمض النووي الريبي ، في استخراج المعلومات من الحمض النووي ، وفك تشفيرها ، وبناءً على مبدأ التكامل ، يُنشئ البروتينات اللازمة للخلايا.

في المجموع ، يتم عزل 3 أنواع من الحمض النووي الريبي. كل واحد منهم يؤدي وظيفته بدقة.

1. المعلوماتية (مرنا)، أو يطلق عليه المصفوفة. يذهب مباشرة إلى مركز الخلية ، في النواة. يكتشف في أحد الكروموسومات المادة الوراثية اللازمة لبناء البروتين وينسخ أحد جوانب السلسلة المزدوجة. يحدث النسخ مرة أخرى وفقًا لمبدأ التكامل.
2. المواصلاتهو جزيء صغير يحتوي على مفكك تشفير نيوكليوتيدات من جانب وأحماض أمينية تتوافق مع الكود الأساسي على الجانب الآخر. تتمثل مهمة الحمض الريبي النووي النقال في توصيله إلى "ورشة العمل" ، أي إلى الريبوسوم ، حيث يصنع الحمض الأميني الضروري.
3. الرنا الريباسي - الريبوسوم.يتحكم في كمية البروتين التي يتم إنتاجها. يتكون من جزئين - الأحماض الأمينية وموقع الببتيد.

الاختلاف الوحيد في فك التشفير هو أن الحمض النووي الريبي لا يحتوي على الثايمين. بدلا من الثايمين ، هناك اليوراسيل. ولكن بعد ذلك ، في عملية تخليق البروتين ، باستخدام الحمض الريبي النووي النقال ، فإنه لا يزال يحدد بشكل صحيح جميع الأحماض الأمينية. إذا كان هناك أي فشل في فك تشفير المعلومات ، عندها تحدث طفرة.

إصلاح جزيء الحمض النووي التالف

تسمى عملية إصلاح الخصلة المزدوجة التالفة بالإصلاح. أثناء عملية الإصلاح ، تتم إزالة الجينات التالفة.

ثم يتم إعادة إنتاج التسلسل المطلوب للعناصر بدقة وإعادته إلى نفس المكان الذي تم استخلاصه منه في السلسلة. كل هذا يحدث بفضل خاص مواد كيميائية- الانزيمات.

لماذا تحدث الطفرات؟

لماذا تبدأ بعض الجينات في التحور وتتوقف عن أداء وظيفتها - تخزين المعلومات الوراثية الحيوية؟ هذا بسبب خطأ في فك التشفير. على سبيل المثال ، إذا تم استبدال الأدينين عن طريق الخطأ بالثيمين.

هناك أيضًا طفرات كروموسومية وجينومية. تحدث طفرات الكروموسومات عندما يتم فقد أو تكرار أو حتى نقل أجزاء من المعلومات الوراثية ودمجها في كروموسوم آخر.

الطفرات الجينومية هي الأكثر خطورة. سببهم هو تغيير في عدد الكروموسومات. أي عندما ، بدلاً من زوج - مجموعة ثنائية الصيغة الصبغية ، توجد مجموعة ثلاثية الصيغة الصبغية في النمط النووي.

أشهر مثال على طفرة ثلاثية الصبغيات هو متلازمة داون ، حيث تكون المجموعة الشخصية من الكروموسومات هي 47. في مثل هؤلاء الأطفال ، يتم تشكيل 3 كروموسومات بدلاً من الزوج الحادي والعشرين.

ومن المعروف أيضًا حدوث طفرة مثل تعدد الصبغيات. لكن تعدد الصبغيات موجود فقط في النباتات.

يتكون جزيء الحمض النووي من خيطين يشكلان حلزونًا مزدوجًا. تم فك رموز هيكلها لأول مرة من قبل فرانسيس كريك وجيمس واتسون في عام 1953.

في البداية ، أثار جزيء الحمض النووي ، المكون من زوج من سلاسل النيوكليوتيدات الملتوية حول بعضها البعض ، تساؤلات حول سبب تكوّن هذا الشكل بالضبط. أطلق العلماء على هذه الظاهرة اسم التكامل ، مما يعني أنه يمكن تحديد موقع نيوكليوتيدات معينة فقط في خيوطها المقابلة لبعضها البعض. على سبيل المثال ، يكون الأدينين دائمًا عكس الثايمين ، والجوانين هو عكس السيتوزين. تسمى هذه النيوكليوتيدات لجزيء الحمض النووي التكميلية.

يتم تصوير هذا بشكل تخطيطي على النحو التالي:

تي - أ

ج - ز

تشكل هذه الأزواج رابطة نيوكليوتيد كيميائية تحدد الترتيب الذي يتم فيه ترتيب الأحماض الأمينية. في الحالة الأولى ، يكون أضعف قليلاً. العلاقة بين C و G أقوى. لا تشكل النيوكليوتيدات غير التكميلية أزواجًا مع بعضها البعض.

حول الهيكل

لذلك ، فإن بنية جزيء الحمض النووي خاصة. لها مثل هذا الشكل لسبب: الحقيقة هي أن عدد النيوكليوتيدات كبير جدًا ، وهناك حاجة إلى مساحة كبيرة لاستيعاب السلاسل الطويلة. ولهذا السبب فإن الالتواء الحلزوني متأصل في السلاسل. تسمى هذه الظاهرة بالتصاعد ، وهي تسمح للخيوط بالتقصير حوالي خمس إلى ست مرات.

يستخدم الجسم بعض الجزيئات من هذا النوع بنشاط كبير ، والبعض الآخر نادرًا. هذا الأخير ، بالإضافة إلى التصاعد ، يخضع أيضًا لـ "تغليف مضغوط" مثل الالتفاف الفائق. ثم يتناقص طول جزيء الحمض النووي من 25 إلى 30 مرة.

ما هي "حزم" الجزيء؟

في عملية الالتفاف الفائق ، تشارك بروتينات هيستون. لديهم هيكل ومظهر بكرة الخيط أو قضيب. يتم لف الخيوط الحلزونية عليها ، والتي تصبح على الفور "معبأة بشكل مضغوط" وتشغل مساحة صغيرة. عندما يصبح من الضروري استخدام هذا الخيط أو ذاك ، يتم فكه من ملف ، على سبيل المثال ، من بروتين هيستون ، ويفتح اللولب في سلسلتين متوازيتين. عندما يكون جزيء الحمض النووي في هذه الحالة ، يمكن قراءة البيانات الجينية اللازمة منه. ومع ذلك ، هناك شرط واحد. لا يمكن الحصول على المعلومات إلا إذا كانت بنية جزيء الحمض النووي غير ملتوية. تسمى الكروموسومات المتاحة للقراءة euchromatins ، وإذا كانت مفرطة النمط ، فهذه هي بالفعل كروماتينات متغايرة.

احماض نووية

الأحماض النووية ، مثل البروتينات ، هي بوليمرات حيوية. وتتمثل الوظيفة الرئيسية في تخزين وتنفيذ ونقل المعلومات الوراثية (المعلومات الجينية). هم من نوعين: DNA و RNA (deoxyribonucleic و ribonucleic). المونومرات الموجودة فيها عبارة عن نيوكليوتيدات ، يحتوي كل منها على بقايا حمض الفوسفوريك ، وخمسة سكر من الكربون (ديوكسيريبوز / ريبوز) ، وقاعدة نيتروجينية. يشتمل رمز الحمض النووي على 4 أنواع من النيوكليوتيدات - الأدينين (A) / الجوانين (G) / السيتوزين (C) / الثايمين (T). وهي تختلف في القاعدة النيتروجينية التي تحتوي عليها.

في جزيء الحمض النووي ، يمكن أن يكون عدد النيوكليوتيدات هائلاً - من عدة آلاف إلى عشرات ومئات الملايين. يمكن رؤية هذه الجزيئات العملاقة من خلال مجهر إلكتروني. في هذه الحالة ، سيكون من الممكن رؤية خيوط مزدوجة من خيوط البولي نيوكليوتيد ، والتي ترتبط ببعضها البعض بواسطة روابط هيدروجينية للقواعد النيتروجينية للنيوكليوتيدات.

بحث

في سياق البحث ، وجد العلماء أن أنواع جزيئات الحمض النووي في الكائنات الحية المختلفة تختلف. وجد أيضًا أن الجوانين من سلسلة واحدة يمكن أن يرتبط فقط بالسيتوزين ، والثيمين - بالأدينين. يتوافق ترتيب النيوكليوتيدات في أحد الخيطين بشكل صارم مع الترتيب الموازي. بسبب تكامل عديد النيوكليوتيدات ، فإن جزيء الحمض النووي قادر على التكرار والتكاثر الذاتي. لكن أولاً ، تتباعد السلاسل التكميلية تحت تأثير الإنزيمات الخاصة التي تدمر النوكليوتيدات المقترنة ، ثم يبدأ تركيب السلسلة المفقودة في كل منها. هذا يرجع إلى عدد كبيرالنيوكليوتيدات الحرة في كل خلية. نتيجة لذلك ، بدلاً من "الجزيء الأصل" ، يتم تكوين جزيئين "ابنتين" ، متطابقين في التركيب والهيكل ، ويصبح رمز DNA هو الأصلي. هذه العملية هي مقدمة لانقسام الخلايا. يضمن نقل جميع البيانات الوراثية من الخلايا الأم إلى الخلايا الوليدة ، وكذلك إلى جميع الأجيال اللاحقة.

كيف تقرأ الشفرة الجينية؟

اليوم ، لا يتم حساب كتلة جزيء الحمض النووي فقط ، بل من الممكن أيضًا اكتشاف بيانات أكثر تعقيدًا لم تكن متاحة للعلماء من قبل. على سبيل المثال ، يمكنك قراءة معلومات حول كيفية استخدام الجسم لخليته. بالطبع ، في البداية يتم ترميز هذه المعلومات ولها شكل نوع من المصفوفة ، وبالتالي يجب نقلها إلى ناقل خاص ، وهو RNA. الحمض النووي الريبي قادر على التسلل إلى الخلية من خلال الغشاء النووي وقراءة المعلومات المشفرة بالداخل. وبالتالي ، فإن الحمض النووي الريبي هو ناقل للبيانات المخفية من النواة إلى الخلية ، وهو يختلف عن الحمض النووي في أنه يحتوي على الريبوز بدلاً من الديوكسيريبوز ، واليوراسيل بدلاً من الثايمين. بالإضافة إلى ذلك ، الحمض النووي الريبي واحد تقطعت به السبل.

توليف الحمض النووي الريبي

أظهر تحليل عميق للحمض النووي أنه بعد خروج الحمض النووي الريبي من النواة ، يدخل السيتوبلازم ، حيث يمكن دمجه كقالب في الريبوسومات (أنظمة إنزيمية خاصة). بناءً على المعلومات الواردة ، يمكنهم تجميع التسلسل المناسب للأحماض الأمينية البروتينية. يتعلم الريبوسوم من الشفرة الثلاثية نوع المركب العضوي الذي يجب ربطه بسلسلة البروتين المكونة. كل حمض أميني له ثلاثة توائم خاص به ، والذي يشفره.

بعد اكتمال تشكيل السلسلة ، تكتسب شكلاً مكانيًا محددًا وتتحول إلى بروتين قادر على أداء وظائفها الهرمونية والبناء والإنزيمية وغيرها. بالنسبة لأي كائن حي ، فهو منتج جيني. ومنه يتم تحديد جميع أنواع الصفات والخصائص ومظاهر الجينات.

الجينات

بادئ ذي بدء ، تم تطوير عمليات التسلسل من أجل الحصول على معلومات حول عدد الجينات التي يحتوي عليها هيكل جزيء الحمض النووي. وعلى الرغم من أن البحث قد سمح للعلماء بإحراز تقدم كبير في هذا الأمر ، إلا أنه لا يزال من غير الممكن معرفة العدد الدقيق لهم.

قبل بضع سنوات ، كان من المفترض أن جزيئات الحمض النووي تحتوي على ما يقرب من 100 ألف جين. بعد ذلك بقليل ، انخفض الرقم إلى 80 ألفًا ، وفي عام 1998 أعلن علماء الوراثة أن 50 ألف جين فقط موجودة في حمض نووي واحد ، وهو ما يمثل 3٪ فقط من إجمالي طول الحمض النووي. لكن أحدث استنتاجات علماء الوراثة كانت مندهشة. الآن يزعمون أن الجينوم يشمل 25-40 ألف من هذه الوحدات. اتضح أن 1.5٪ فقط من الحمض النووي الصبغي مسؤول عن ترميز البروتينات.

البحث لم يتوقف عند هذا الحد. وجد فريق موازٍ من المتخصصين في الهندسة الوراثية أن عدد الجينات في جزيء واحد هو 32 ألفًا بالضبط. كما ترى ، لا يزال من المستحيل الحصول على إجابة نهائية. هناك الكثير من التناقضات. يعتمد جميع الباحثين فقط على نتائجهم الخاصة.

هل كان هناك تطور؟

على الرغم من عدم وجود دليل على تطور الجزيء (نظرًا لأن بنية جزيء الحمض النووي هشة وصغيرة الحجم) ، فقد قدم العلماء اقتراحًا واحدًا. استنادًا إلى البيانات المختبرية ، أعربوا عن نسخة من المحتوى التالي: في المرحلة الأولى من ظهوره ، بدا الجزيء وكأنه ببتيد بسيط ذاتي التكاثر ، والذي تضمن ما يصل إلى 32 من الأحماض الأمينية الموجودة في المحيطات القديمة.

بعد التكرار الذاتي ، وبفضل قوى الانتقاء الطبيعي ، اكتسبت الجزيئات القدرة على حماية نفسها من تأثير العناصر الخارجية. بدأوا في العيش لفترة أطول والتكاثر بأعداد كبيرة. حصلت الجزيئات التي وجدت نفسها في المثانة الدهنية على كل فرصة للتكاثر الذاتي. كنتيجة لسلسلة من الدورات المتتالية ، اكتسبت الفقاعات الدهنية شكل أغشية الخلايا ، وعندها فقط - الكل الجسيمات المعروفة... تجدر الإشارة إلى أن أي جزء من جزيء الحمض النووي اليوم هو هيكل معقد يعمل بشكل واضح ، ولم يتم دراسة جميع خصائصه بالكامل من قبل العلماء.

العالم الحديث

طور علماء إسرائيليون مؤخرًا جهاز كمبيوتر يمكنه إجراء تريليونات من العمليات في الثانية. اليوم هي أسرع سيارة على وجه الأرض. السر كله هو أن الجهاز المبتكر مدعوم من الحمض النووي. يقول الأساتذة إن مثل هذه الحواسيب ستكون قادرة على توليد الطاقة على المدى القصير.

قبل عام ، أعلن متخصصون من معهد وايزمان في رحوفوت (إسرائيل) عن إنشاء كمبيوتر جزيئي قابل للبرمجة يتكون من جزيئات وإنزيمات. لقد استبدلوا بها رقائق السيليكون الدقيقة. حتى الآن ، لا يزال الفريق يمضي قدمًا. الآن يمكن لجزيء DNA واحد فقط تزويد الكمبيوتر بالبيانات اللازمة وتوفير الوقود اللازم.

"الكمبيوترات النانوية" الكيميائية الحيوية ليست خيالًا ، فهي موجودة بالفعل في الطبيعة وتتجلى في كل كائن حي. لكن في كثير من الأحيان لا يتم التحكم فيها من قبل البشر. لا يمكن لأي شخص حتى الآن العمل على جينوم أي نبات من أجل حساب ، على سبيل المثال ، الرقم "pi".

ضربت فكرة استخدام الحمض النووي لتخزين / معالجة البيانات لأول مرة العقول النيرة للعلماء في عام 1994. عندها تم استخدام جزيء لحل مسألة حسابية بسيطة. منذ ذلك الحين ، اقترح عدد من المجموعات البحثية العديد من المشاريع المتعلقة بأجهزة الكمبيوتر الخاصة بالحمض النووي. ولكن هنا استندت كل المحاولات فقط على جزيء الطاقة. لا يمكنك رؤية مثل هذا الكمبيوتر بالعين المجردة ؛ يبدو وكأنه محلول شفاف من الماء في أنبوب اختبار. لا توجد أجزاء ميكانيكية فيه ، ولكن فقط تريليونات من الأجهزة الجزيئية الحيوية - وهذا فقط في قطرة واحدة من السائل!

الحمض النووي البشري

أي نوع من الحمض النووي البشري ، أصبح الناس واعين في عام 1953 ، عندما تمكن العلماء لأول مرة من تقديم نموذج مزدوج من الحمض النووي للعالم. لهذا ، حصل كيرك وواتسون على جائزة نوبل ، منذ أن أصبح هذا الاكتشاف أساسيًا في القرن العشرين.

بمرور الوقت ، أثبتوا بالطبع أن جزيءًا بشريًا منظمًا يمكن أن يبدو ليس فقط في النسخة المقترحة. بعد تحليل أكثر تفصيلاً للحمض النووي ، تم اكتشاف الأشكال A و B واليسرى من Z-. غالبًا ما يكون النموذج A- استثناءً ، حيث يتم تكوينه فقط في حالة وجود نقص في الرطوبة. لكن هذا ممكن فقط في الدراسات المختبرية ، لأن البيئة الطبيعية غير طبيعية ، في الخلية الحية لا يمكن أن تحدث مثل هذه العملية.

الشكل B كلاسيكي ويعرف بالسلسلة المزدوجة اليمنى ، لكن الشكل Z ليس فقط ملتويًا في الاتجاه المعاكس ، إلى اليسار ، ولكن أيضًا له مظهر أكثر تعرجًا. حدد العلماء أيضًا شكل G-quadruplex. لا يوجد 2 ، ولكن 4 خيوط في هيكلها. وفقًا لعلماء الوراثة ، يحدث هذا الشكل في تلك المناطق التي توجد فيها كمية زائدة من الجوانين.

الحمض النووي الاصطناعي

الحمض النووي الاصطناعي موجود بالفعل اليوم ، وهو نسخة متطابقة من الحمض النووي الحقيقي. إنه يكرر بشكل مثالي هيكل اللولب المزدوج الطبيعي. ولكن ، على عكس عديد النوكليوتيد البدائي ، في النوع الاصطناعي ، لا يوجد سوى نوعين من النيوكليوتيدات الإضافية.

نظرًا لأن الدبلجة تم إنشاؤها على أساس المعلومات التي تم الحصول عليها في سياق الدراسات المختلفة للحمض النووي الحقيقي ، فيمكن أيضًا نسخها وتكرارها ذاتيًا وتطويرها. يعمل الخبراء على إنشاء مثل هذا الجزيء الاصطناعي منذ حوالي 20 عامًا. والنتيجة هي اختراع مذهل يمكنه استخدام الشفرة الجينية بنفس طريقة استخدام الحمض النووي الطبيعي.

إلى القواعد النيتروجينية الأربعة المتاحة ، أضاف علم الوراثة قاعدتين إضافيتين ، تم إنشاؤها بواسطة طريقة التعديل الكيميائي للقواعد الطبيعية. على عكس الحمض النووي الطبيعي ، فإن الحمض النووي الاصطناعي قصير جدًا. يحتوي فقط على 81 زوجًا أساسيًا. ومع ذلك ، فإنه يتكاثر ويتطور أيضًا.

الحصول على تكرار الجزيء بشكل مصطنع، يحدث بفضل تفاعل البوليميراز المتسلسل ، لكن هذا لا يحدث حتى الآن بشكل مستقل ، ولكن من خلال تدخل العلماء. يضيفون بشكل مستقل الإنزيمات اللازمة إلى الحمض النووي المذكور ، ويضعونه في وسط سائل مُعد خصيصًا.

النتيجة النهائية

يمكن أن تتأثر العملية والنتيجة النهائية لتطوير الحمض النووي بعوامل مختلفة ، مثل الطفرات. وهذا يستلزم دراسة عينات من المادة ، بحيث تكون نتيجة التحليلات موثوقة وموثوقة. مثال على ذلك هو اختبار الأبوة. لكن من الجيد أن حوادث مثل الطفرات نادرة. ومع ذلك ، يتم دائمًا إعادة فحص عينات المادة من أجل الحصول على معلومات أكثر دقة بناءً على التحليل.

DNA النبات

بفضل التسلسل التكنولوجي العالي (HTS) ، تم إحداث ثورة في مجال علم الجينوم - يمكن أيضًا استخراج الحمض النووي من النباتات. بطبيعة الحال ، فإن الحصول على وزن جزيئي عالي الجودة من الحمض النووي من المواد النباتية يسبب بعض الصعوبات بسبب العدد الكبير من نسخ ميتوكوندريا الحمض النووي والبلاستيدات الخضراء ، وكذلك مستوى عالالسكريات والمركبات الفينولية. لعزل الهيكل الذي ندرسه ، في هذه الحالة ، يتم استخدام مجموعة متنوعة من الأساليب.

الرابطة الهيدروجينية في الحمض النووي

رابطة الهيدروجين في جزيء الحمض النووي هي المسؤولة عن التجاذب الكهرومغناطيسي الناتج بين ذرة الهيدروجين موجبة الشحنة ، والتي ترتبط بذرة كهربية. هذا التفاعل ثنائي القطب لا يفي بالمعيار رابطة كيميائية... ولكن يمكن تحقيقه بين الجزيئات أو في أجزاء مختلفة من الجزيء ، أي داخل الجزيء.

ترتبط ذرة الهيدروجين بالذرة الكهربية ، وهي الجهة المانحة لهذه الرابطة. يمكن أن تكون الذرة الكهربية عبارة عن نيتروجين وفلور وأكسجين. إنه - من خلال اللامركزية - يجذب سحابة إلكترونية من قلب الهيدروجين ويجعل ذرة الهيدروجين مشحونة (جزئيًا) بشكل إيجابي. نظرًا لأن حجم H صغير مقارنة بالجزيئات والذرات الأخرى ، فإن الشحنة صغيرة أيضًا.

فك الحمض النووي

قبل فك شفرة جزيء الحمض النووي ، يأخذ العلماء أولاً عددًا كبيرًا من الخلايا. من أجل العمل الأكثر دقة ونجاحًا ، يحتاجون إلى حوالي مليون. تتم مقارنة النتائج التي تم الحصول عليها أثناء الدراسة وتسجيلها باستمرار. اليوم ، لم يعد فك تشفير الجينوم أمرًا نادرًا ، ولكنه إجراء ميسور التكلفة.

بطبيعة الحال ، فإن فك شفرة جينوم خلية واحدة هو تمرين غير مفيد. البيانات التي تم الحصول عليها في سياق هذه الدراسات ليست ذات أهمية للعلماء. لكن من المهم أن نفهم أن جميع طرق فك التشفير الحالية ، على الرغم من تعقيدها ، ليست فعالة بما فيه الكفاية. سيسمحون فقط بقراءة 40-70٪ من الحمض النووي.

ومع ذلك ، أعلن أساتذة جامعة هارفارد مؤخرًا عن طريقة لفك شفرة 90٪ من الجينوم. تعتمد هذه التقنية على إضافة جزيئات التمهيدي إلى الخلايا المعزولة ، والتي يبدأ بها تكاثر الحمض النووي. ولكن حتى هذه الطريقة لا يمكن اعتبارها ناجحة ؛ فلا يزال يتعين تحسينها قبل استخدامها علنًا في العلوم.

يشير DNA (حمض الديوكسي ريبونوكلييك) إلى (جنبًا إلى جنب مع الحمض النووي الريبي) ، وهي عبارة عن بوليمرات ، أو بالأحرى بولي نيوكليوتيدات (مونومر - نيوكليوتيد).

الحمض النووي مسؤول عن تخزين ونقل الشفرة الوراثية أثناء انقسام الخلية. تتحقق الوراثة والتنوع من خلال جزيئات الحمض النووي. يتم تصنيع جميع أنواع الحمض النووي الريبي على الحمض النووي. علاوة على ذلك ، توفر أنواع مختلفة من الحمض النووي الريبي بشكل مشترك تخليق بروتينات الخلية ، أي أنها تدرك المعلومات الجينية.

في الخلايا حقيقية النواة ، توجد الكمية الهائلة من الحمض النووي في النواة ، حيث تشكل مجمعات ببروتينات خاصة ، مما يؤدي إلى تكوين الكروموسومات. في الخلايا بدائية النواة ، يوجد جزيء DNA دائري (أو خطي) كبير (أيضًا معقد مع البروتينات). بالإضافة إلى ذلك ، تمتلك الخلايا حقيقية النواة الحمض النووي الخاص بها في الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء.

في حالة الحمض النووي ، يتكون كل نوكليوتيد من 1) قاعدة نيتروجينية ، والتي يمكن أن تكون أدينين ، جوانين ، سيتوزين أو ثايمين ، 2) ديوكسيريبوز ، 3) حمض الفوسفوريك.

يحدد تسلسل النيوكليوتيدات في خيط DNA البنية الأساسية للجزيء. يتميز الحمض النووي بتركيب ثانوي للجزيء على شكل حلزون مزدوج (غالبًا ما يكون باليد اليمنى). في هذه الحالة ، يتم ربط خيطي DNA ببعضهما البعض بواسطة روابط هيدروجينية تكونت بين القواعد النيتروجينية التكميلية.

الأدينين مكمل للثيمين ، والجوانين مكمل للسيتوزين. تتكون روابط هيدروجينية بين الأدينين والثايمين ، وتتكون ثلاث روابط بين الجوانين والسيتوزين. وهكذا ، يرتبط الجوانين والسيتوزين ببعضهما البعض بقوة أكبر (على الرغم من ضعف الروابط الهيدروجينية ، من حيث المبدأ). يتم تحديد عدد الروابط من خلال السمات الهيكلية للجزيئات.

الأدينين والجوانين عبارة عن بيورينات وتتكون من حلقتين. يشير الثايمين والسيتوزين إلى قواعد بيريميدين ، التي تتكون من حلقة واحدة. وهكذا ، بين العمود الفقري (المكون من ديوكسيريبوز بالتناوب وحمض الفوسفوريك) من خيطي DNA ، لأي زوج من النيوكليوتيدات من خيوط مختلفة ، هناك دائمًا ثلاث حلقات (نظرًا لأن البيورين ثنائي الحلقات يكون دائمًا مكملًا فقط لحلقة واحدة معينة بيريميدين). يتيح لك ذلك الحفاظ على العرض بين خيوط جزيء الحمض النووي كما هو طوال الوقت (حوالي 2.3 نانومتر).

يوجد حوالي 10 نيوكليوتيدات في دورة واحدة من اللولب. يبلغ طول النوكليوتيدات حوالي 0.34 نانومتر. عادة ما يكون طول جزيئات الحمض النووي ضخمًا ، حيث يتجاوز ملايين النيوكليوتيدات. لذلك ، من أجل احتواء نواة الخلية بشكل مضغوط ، يخضع الحمض النووي لدرجات مختلفة من "الالتفاف الفائق".

عند قراءة المعلومات من الحمض النووي (أي توليف الحمض النووي الريبي عليه ، تسمى هذه العملية النسخ) ، يحدث نزع التجاعيد (عملية الحلزونية العكسية) ، تتباعد السلاسل تحت تأثير إنزيم خاص. الروابط الهيدروجينية ضعيفة ، لذلك يحدث الفصل والتشابك اللاحق للسلاسل مع انخفاض استهلاك الطاقة. يتم تصنيع الحمض النووي الريبي على الحمض النووي وفقًا لنفس مبدأ التكامل. فقط بدلا من الثايمين في الحمض النووي الريبي ، اليوراسيل مكمل للأدينين.

الكود الجيني، المكتوبة على جزيئات الحمض النووي ، تتكون من ثلاثة توائم (متواليات من ثلاثة نيوكليوتيدات) ، والتي تمثل حمض أميني واحد (بروتين مونومر). ومع ذلك ، فإن معظم الحمض النووي لا يرمز للبروتين. تختلف أهمية هذه الأجزاء من الجزيء ، فهي غير مفهومة تمامًا في كثير من النواحي.

قبل انقسام الخلية ، هناك دائمًا مضاعفة كمية الحمض النووي. هذه العملية تسمى تكرار... إنه شبه محافظ بطبيعته: سلاسل جزيء دنا واحد تتباعد ، ولكل منها سلسلتها التكميلية الجديدة. نتيجة لذلك ، من جزيء DNA مزدوج الشريطة ، يتم الحصول على DNA مزدوج الشريطة ، مطابق للأول.

في الحمض النووي ، تكون السلاسل متعددة النوكليوتيد متعددة الاتجاهات ، أي حيث يكون لسلسلة واحدة نهاية 5 بوصات (يتم ربط بقايا حمض الفوسفوريك بذرة الكربون الخامسة من مادة الديوكسيريبوز) ، والأخرى لها نهاية 3 بوصات (كربون خالي من حمض الفوسفوريك) .

أثناء النسخ والنسخ ، يستمر التوليف دائمًا في الاتجاه من 5 "نهاية إلى 3" ، نظرًا لأن النيوكليوتيدات الجديدة يمكن أن تلتصق فقط بذرة الكربون الحرة 3 بوصات.

تم توضيح بنية ودور الحمض النووي كمواد مسؤولة عن المعلومات الوراثية في الأربعينيات والخمسينيات من القرن العشرين. في عام 1953 ، حدد D. Watson و F. Crick البنية المزدوجة التي تقطعت بها السبل للحمض النووي. في وقت سابق اكتشف E.Chargaff أن كمية الثايمين في الحمض النووي تتوافق دائمًا مع الأدينين ، وكمية الجوانين في السيتوزين.