معلومة

لماذا لا تحتوي الكائنات الحية المختلفة على جينومات الحمض النووي التي تحتوي على قواعد مختلفة وسكر؟

لماذا لا تحتوي الكائنات الحية المختلفة على جينومات الحمض النووي التي تحتوي على قواعد مختلفة وسكر؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

تحتوي جميع الكائنات الحية على مادة وراثية. سواء كان الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي ، كلاهما لهما مجموعة بنتوز ثابتة (ديوكسيريبوز وريبوز). كما أنها تحتوي على نفس الأنواع من القواعد النيتروجينية ، الأدينين ، الثايمين (أو يوراسيل) ، الجوانين ، السيتوزين. ما الذي يجعل الريبوز وهذه القواعد غير الأصلية جيدة جدًا لدرجة أنه من بين جميع الجزيئات الموجودة في مجموعتنا الكيميائية ما قبل التاريخ ، صنعت هذه المركبات الانتقائية مادتنا الجينية.

لماذا لا تمتلك الكائنات الحية المختلفة قواعد / سكريات مختلفة؟ أفهم أن لدينا جميعًا سلف تطوري مشترك ، لذا فإن المادة الجينية ستكون متشابهة. لكن الطفرة ممكنة ، فلماذا لا توجد أحماض نووية موجودة بشكل طبيعي مصنوعة من قواعد أو سكريات مختلفة؟ فقط على سبيل المثال ، إذا كان لدينا مادة سداسية مثل الجلوكوز للسكر بدلاً من البنتوز ...


الجميع يواجهون صعوبة في الإجابة على هذا السؤال. لكنه سؤال رائع! جيد لك لسؤاله.

الجواب هو أننا لا نعرف حقًا لماذا تتكون الأحماض النووية من الريبوز ، على عكس أي سكريات أخرى. لا نعرف حتى لماذا تستخدم الحياة على الأرض L-ribose بدلاً من D-ribose. أو إذا كان بدلاً من أن تكون قائمة على الكربون ، فإننا لا نعرف ما إذا كانت الحياة خارج كوكب الأرض يمكن أن تكون قائمة على السيليكون.

وبالمثل ، يوجد أيضًا نوعان من أشكال D و L من الأحماض الأمينية. (جزيئات صورة المرآة ذات اليد اليمنى مقابل جزيئات الصورة المرآة التي تعمل بنفس الطريقة.) الكائنات الحية على الأرض تستخدم فقط الشكل L! ليس لدينا أي فكرة عن السبب. إذا هبط نيزك على الأرض يحتوي على أحماض أمينية D ، فسيؤدي ذلك حقًا إلى إلقاء العلماء في حلقة.

(* قد يكون هذا الرابط يهمك: https://en.wikipedia.org/wiki/Murchison_meteorite#Organic_compounds)

سأقدم لكم نصيحة ، وآمل حقًا أن تقرأوا هذا. أنت مفكر "خارج الصندوق" وسيشعر الأشخاص العاديون بالحيرة عندما تطرح أسئلة مثل هذه. تجاهلهم.

إذا سأل الجميع أسئلة خيالية رمادية بدلاً من اتباع قواعد الأبيض والأسود التي تعلموها ، فلن يعمل المجتمع. لكن الأفراد مثلك يساعدون في تقدم المجتمع. نحن بحاجة إلى كلا النوعين من الناس بالتساوي. تصادف أن تكون في الفئة الأخيرة. سيواجه الأشخاص في الفئة الأولى وقتًا عصيبًا مع الأسئلة التي تطرحها. اقبلهم واحترمهم ، لكن استمر في طرح أسئلتك واستمر في طرح أسئلتك على أي حال.

في النهاية ، ستجد أشخاصًا يفكرون مثلك. أقترح العثور على آخرين مهتمين بعلم الأحياء الفلكي ، وهو مجال متنام ويحتاج إلى أشخاص مثلك فيه. ربما الكيمياء الحيوية أو علم وظائف الأعضاء التطوري أيضًا.


يبدو أنك مرتبك بشأن كيفية "عمل" التطور الدارويني. على سبيل المثال ، أثناء قيامنا بمسح أشكال الحياة الحالية في هذا المحيط الحيوي ، لا يوجد دليل على الإطلاق على أن هذه الأنواع (أو جزيئاتها ، التي تشير إليها) قد تم تحسينها بأي شكل أو شكل أو شكل. كل ما يمكننا قوله بأي قدر من اليقين هو أنه في وقت ما في الماضي ، خلال حدث انتقائي واحد أو أكثر ، كل الأنواع التي استخدمت ريبوز ، ديوكسيريبوز ، والقواعد الخمسة المشتركة (A ، C ، G ، T ، U ) لمادة وراثية ، نجوا من التكاثر ، والمساهمة في ذرية للجيل القادم.

إذا كان هذا الحدث الانتقائي المفترض مختلفًا ، فربما تموت جميع الأنواع القائمة على البنتوز ، وسيكون لدينا جميعًا مادة وراثية قائمة على سداسي.

لا نعرف عدد الوصفات الجينية المختلفة التي تم تجربتها قبل أن "فازت" هذه الوصفات.

التطور يمكن أن يعمل فقط ، أو يختار ، أو يختار ضد ، المجموعة الحالية من الكائنات الحية. إنها ليست خوارزمية تحسين ، إنها مرشح يسمح للمتغيرات بالمرور.

قد يكون من الجيد أن مادتنا الجينية ، على سبيل المثال ، تتكاثر بشكل أسرع من المواد المرشحة الأخرى. قد تكون هذه ميزة انتقائية ، لكن لا يجب أن تكون كذلك.

إذن ما الذي تسأله هنا حقًا (بما أن سؤالك الأصلي يحتوي على افتراضات غير صحيحة)؟


أنتم غير صحيح في تأكيدك على أن:

... لا توجد أحماض نووية موجودة بشكل طبيعي مصنوعة من قواعد أو سكريات مختلفة

تم العثور على قواعد مختلفة في الحلقة المضادة للكودون لنقل الحمض النووي الريبي ، وفي غطاء الحمض النووي الريبي رسول حقيقيات النوى وفي الحمض النووي الريبي الريبوزومي ، والذي يحتوي أيضًا على السكريات المعدلة.

قد تقول إن هذا متحذلق أم لا ، لأن هذه المتغيرات لا تحدث في المادة الجينية. ومع ذلك ، فإنه يوضح على الأقل أن Nature قد `` لعبت '' بهذا وقررت فقط استخدام قوالب Lego الفاخرة هذه في مشاريع خاصة.

أنا لا أحب الأسئلة من النوع الذي تطرحه ، لأن أي إجابة تميل إلى أن تكون من الشكل "الهيكل الذي لدينا مفضل لأنه يمكنه القيام بذلك ، هذا وهذا ، والذي لا يمكن لأي شيء آخر القيام به أيضًا." وبالطبع ، نحن لا نعرف حقًا أنه لا يوجد شيء آخر يمكنه فعل ذلك - نحن نفترض ذلك فقط لأن الأشياء على ما هي عليه.

مع هذا التنصل ، قد يقترح المرء أن الطبيعة الأم أظهرت استعدادًا لتحسين الأشياء من خلال الانتقال من جينومات الحمض النووي الريبي إلى جينومات الحمض النووي "الأفضل" بسكر مختلف وقاعدة واحدة مختلفة. (يمكن العثور على توضيحي الخاص لسبب أن هذا `` أفضل '' في الإجابة على لماذا ديوكسيريبوز للحمض النووي والريبوز للحمض النووي الريبي؟) لذلك على الرغم من أننا لا نستطيع التأكد من أن نظامًا آخر لن يعمل بشكل جيد ، فإن حقيقة الطبيعة الأم لديها عالقة مع الحمض النووي تشير إلى أنها لم تجد شيئًا يعمل بشكل أفضل بشكل كافٍ للانتقال إلى ذلك. (في الدوائر الأكاديمية ، يتم التعبير عن هذه الحجة الدائرية من حيث الميزة التطورية.)


ملاحظة إضافية صغيرة على سؤالك: أنت تستخدم مصطلح "طفرة" بشكل خاطئ. الطفرة هي عملية يمكن أن تعمل على الجينات (أو الكروموسومات). كما ينص تعريف الطفرة على ما يلي: "تغيير بنية الجين ، مما يؤدي إلى شكل متغير يمكن نقله إلى الأجيال اللاحقة ، بسبب تغيير وحدات أساسية مفردة في الحمض النووي ، أو حذف أو إدخال أو إعادة ترتيب أقسام أكبر من الجينات أو الكروموسومات ".

لذا فإن الطفرة تعمل على الجينات (وترتيبها ، وتسلسلها ، ...) ، مع الجينات باعتبارها "أصغر وحدة". لا يعمل على التركيب الجزيئي للجينات. إذا تم إجراء تغييرات في التركيب الجزيئي للبيريميدينات / البيورينات ، فهذه تفاعلات كيميائية تؤدي إلى جزيئات أخرى. وهي عملية مختلفة تمامًا عن "الطفرة".


كل منا لديه سلف مشترك. كان لديه مجموعة من الآليات الجينية التي نجحت ، وكانت أفضل بشكل عام في البقاء على قيد الحياة من أي شيء آخر كان متاحًا في ذلك الوقت.

قد تكون ميزته هي الحمض النووي / الحمض النووي الريبي ، أو ربما كان شيئًا آخر وقد جاء الحمض النووي / الحمض النووي الريبي للتو.

في هذه المرحلة ، يكون لديك كوكب مليء بالكائنات الحية الناجحة إلى حد ما والتي ترتبط جميعها جينيًا. إذا ظهرت أي كائنات حية جديدة تمامًا ، فسيتم منافستها قبل أن تنطلق من الأرض.

الآن ، يمكنك أن تتخيل أن كائنًا ما حصل على طفرة تغير طريقة قراءة الشفرة الجينية. ما يحدث بعد ذلك؟ لن يتمكن هذا الكائن الحي من قراءة الجينوم الخاص به ، ويموت.

ما هو المطلوب للتبديل الناجح للرمز؟ لنفترض أننا نريد استخدام Neoadenine بدلاً من Adenine.

أولاً ، تحتاج الخلية إلى إنتاج Neoadenine بدلاً من Adenine.
ثانيًا ، يحتاج إلى إنتاج RNA الناقل الذي ينسخ بشكل صحيح الكودونات التي تحتوي على Neoadenine.
ثالثًا ، يحتاج إلى تغيير جميع الجينات الموجودة إلى الكود الجديد.

ليس هذا فحسب ، بل يجب أن تفعل كل هذا بينما لا يؤكل من قبل أبناء عمومته غير المطوَّرين.

حتى الآن ، حدث هذا مرة واحدة فقط ، عندما أصبح الحمض النووي إما RNA أو العكس.

احتمالات حدوث ذلك مرة أخرى صغيرة ، خارج طبق المختبر.


اختبار Biochem # 4: Lec. 13- استقلاب الحمض النووي وتكرار الحمض النووي

ثم يتم بناء هيكل الحلقة أولاً ، ثم قم بإرفاق الحلقة بـ PRPP.

ATCase هو إنزيم تنظيمي أساسي ويتم تثبيته بواسطة CTP (المنتج النهائي)

إنزيم أساسي
البيورين: gln-PRPP-midotransferase
بيريميدين: ATCase

اللائحة
البيورين: مواقع متعددة
بيريميدين: الخطوة الأولى

تنظمها
البيورين: AMP ، GMP ، IMP
بيريميدين: CTP

تم تحويل NMPs إلى NDPs بواسطة كينازات أحادي الفوسفات النيوكليوزيدية المحددة

تم تحويل NDPs إلى NTPs بواسطة واسع الانتشار نوكليوزيد ثنائي فوسفات كيناز (NDP كيناز)

العلاج الكيميائي للسرطان ، النوكليوزيد التناظرية المؤيدة للمخدرات

يتم ميثلة dUMP بواسطة thymidylate synthase لإنشاء dTMP.

5-فلورويوراسيل يثبط سينسيز ثيميديلات. أقل dTMP

ثم تتحلل النيوكليوسيدات إلى قواعد حرة وريبوسات بواسطة نوكليوزيدات

تنجم معظم الحالات عن الإفراط في إنتاج حمض البوليك

زيادة 100 ضعف في المستويات المتداولة من dATP (يؤدي إلى استنفاد الديوكسينوكليوتيدات الأخرى بسبب تثبيط التغذية المرتدة لانزيم اختزال الريبونوكليوتيد)

لا تتطور الخلايا B و T بشكل كامل ، مما يؤدي إلى نقص المناعة الشديد.

أول تجربة للعلاج الجيني على البشر في عام 1990

PRPP + Purine Base (أدينين أو جوانين)
--- & gt Purine RIbonucleotide (AMP أو GMP) + PPi

هذا يؤدي إلى زيادة مستويات PRPP و de novo purine biosynthesis مما يؤدي إلى زيادة إنتاج حمض البوليك وتلف الأنسجة الشبيه بالنقرس بسبب زيادة تحلل البيورين

تتميز بالتخلف العقلي والعدوانية والسلوك القهري بتشويه الذات

يعتمد الدماغ على مسار إنقاذ البيورين لتخليق IMP و GMP الذي يمثل تلف أنسجة الجهاز العصبي المركزي.


3.5 الأحماض النووية

في هذا القسم ، سوف تحقق في الأسئلة التالية:

  • ما هما نوعا الحمض النووي؟
  • ما هو هيكل ودور الحمض النووي؟
  • ما هو هيكل وأدوار الحمض النووي الريبي؟

اتصال لدورات AP ®

تتكون الأحماض النووية (DNA و RNA) من المجموعة الرابعة من الجزيئات البيولوجية الضخمة وتحتوي على الفوسفور (P) بالإضافة إلى الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين. تحفظ الأحماض النووية عن طريق التطور في جميع الكائنات الحية وتنقل المعلومات الوراثية. كما سيتم استكشافه بمزيد من التفصيل في الفصول 14-17 ، يحتوي الحمض النووي على تعليمات لتخليق البروتينات عن طريق إملاء تسلسل الأحماض الأمينية في عديد الببتيدات من خلال عمليات تعرف باسم النسخ والترجمة. تتكون الأحماض النووية من نيوكليوتيدات بدورها ، ويتكون كل نوكليوتيد من سكر البنتوز (ديوكسيريبوز في الحمض النووي الريبوزي والريبوز في الحمض النووي الريبي) ، وقاعدة نيتروجينية (الأدينين ، والسيتوزين ، والجوانين ، والثيمين أو اليوراسيل) ، ومجموعة الفوسفات. يحمل الحمض النووي المخطط الجيني للخلية التي تنتقل من الوالدين إلى النسل عن طريق الانقسام الخلوي. يحتوي الحمض النووي على بنية مزدوجة الحلزونية مع وجود خيطين يعملان في اتجاهين متعاكسين (مضاد للتوازي) ، متصلين بواسطة روابط هيدروجينية ومكملين لبعضهما البعض. في الحمض النووي ، تتزاوج البيورينات مع البيريميدين: أزواج الأدينين مع الثايمين (A-T) ، وأزواج السيتوزين مع الجوانين (C-G). في الحمض النووي الريبي ، يستبدل اليوراسيل الثايمين ليقترن بالأدينين (U-A). يختلف الحمض النووي الريبي أيضًا عن الحمض النووي في أنه أحادي الخيط وله أشكال عديدة ، مثل الرنا المرسال (mRNA) والحمض النووي الريبي (الرنا الريباسي) ونقل الحمض النووي الريبي (الحمض النووي الريبي) التي تشارك جميعها في تخليق البروتينات. تنظم MicroRNAs (miRNAs) استخدام mRNA. عادةً ما يكون تدفق المعلومات الجينية عبارة عن بروتين DNA → RNA ، المعروف أيضًا باسم العقيدة المركزية للحياة.

المعلومات المقدمة والأمثلة الموضحة في القسم تدعم المفاهيم وأهداف التعلم الموضحة في الفكرة الكبيرة 3 والفكرة الكبيرة 4 من إطار منهج بيولوجي AP ®. توفر أهداف التعلم المدرجة في إطار المناهج الدراسية أساسًا شفافًا لدورة AP ® Biology ، وتجربة معملية قائمة على الاستفسار ، وأنشطة تعليمية ، وأسئلة اختبار AP ®. يدمج هدف التعلم المحتوى المطلوب مع واحد أو أكثر من الممارسات العلمية السبعة.

فكرة كبيرة 3 تقوم الأنظمة الحية بتخزين المعلومات الأساسية لعمليات الحياة واستردادها ونقلها والاستجابة لها.
التفاهم الدائم 3 توفر المعلومات القابلة للتوريث استمرارية الحياة.
المعرفة الأساسية 3-أ 1 الحمض النووي ، وفي بعض الحالات RNA ، هو المصدر الأساسي للمعلومات القابلة للتوريث.
ممارسة العلوم 6.5 يمكن للطالب تقييم التفسيرات العلمية البديلة.
هدف التعلم 3.1 الطالب قادر على بناء تفسيرات علمية تستخدم هياكل وآليات الحمض النووي والحمض النووي الريبي لدعم الادعاء بأن الحمض النووي ، وفي بعض الحالات ، أن الحمض النووي الريبي هي المصادر الأولية للمعلومات القابلة للتوريث.
المعرفة الأساسية 3-أ 1 الحمض النووي ، وفي بعض الحالات RNA ، هو المصدر الأساسي للمعلومات القابلة للتوريث.
ممارسة العلوم 6.4 يمكن للطالب تقديم ادعاءات وتنبؤات حول الظواهر الطبيعية بناءً على النظريات والنماذج العلمية.
هدف التعلم 3.6 يمكن للطالب أن يتنبأ كيف أن التغيير في تسلسل DNA أو RNA معين يمكن أن يؤدي إلى تغييرات في التعبير الجيني.
فكرة كبيرة 4 تتفاعل النظم البيولوجية ، وهذه الأنظمة وتفاعلاتها تمتلك خصائص معقدة.
الفهم الدائم 4 التفاعلات داخل النظم البيولوجية تؤدي إلى خصائص معقدة.
المعرفة الأساسية 4-أ 1 تحدد المكونات الفرعية للجزيئات البيولوجية وتسلسلها خصائص هذا الجزيء.
ممارسة العلوم 7.1 يمكن للطالب ربط الظواهر والنماذج عبر المقاييس المكانية والزمانية.
هدف التعلم 4.1 يستطيع الطالب شرح العلاقة بين التسلسل والمكونات الفرعية للبوليمر البيولوجي وخصائصه.
المعرفة الأساسية 4-أ 1 تحدد المكونات الفرعية للجزيئات البيولوجية وتسلسلها خصائص هذا الجزيء.
ممارسة العلوم 1.3 يمكن للطالب صقل تمثيلات ونماذج للظواهر الطبيعية أو من صنع الإنسان والأنظمة في المجال.
هدف التعلم 4.2 يستطيع الطالب تحسين التمثيلات والنماذج لشرح كيف تحدد المكونات الفرعية للبوليمر البيولوجي وتسلسلها خصائص هذا البوليمر.
المعرفة الأساسية 4-أ 1 تحدد المكونات الفرعية للجزيئات البيولوجية وتسلسلها خصائص هذا الجزيء.
ممارسة العلوم 6.1 يمكن للطالب تبرير الادعاءات بالأدلة.
6.4 يمكن للطالب تقديم ادعاءات وتنبؤات حول الظواهر الطبيعية بناءً على النظريات والنماذج العلمية.
هدف التعلم 4.3 الطالب قادر على استخدام النماذج للتنبؤ وتبرير أن التغييرات في المكونات الفرعية للبوليمر البيولوجي تؤثر على وظائف الجزيئات.

دعم المعلم

استخدم الجدول 3.2 لتوضيح الاختلافات الرئيسية بين DNA و RNA.

لا يتشكل البولي نيوكليوتيد من خلال تفاعل تخليقي تقليدي للجفاف. بدلاً من إزالة مكونات الماء من المونومرات ، يتم إزالة مجموعة الفوسفات من كل منها لتشكيل الرابط.

دعم المعلم

تتمثل الوظائف الأساسية للأحماض النووية في تخزين المعلومات الجينية اللازمة لإنتاج البروتينات وتسهيل الروابط المناسبة بين الأحماض الأمينية. وظيفة أخرى للأحماض النووية هي نقل الطاقة ، والتي تمت مناقشتها في فصل لاحق.

قد يكون من الصعب فهم مفهوم الحلزون المزدوج للحمض النووي. اطلب من الطلاب تخيل سلم حبل يكون أعلى الجانب الأيمن عليه 3 والطرف الآخر من هذا الجانب يسمى 5. أعلى الجانب الأيسر هو 5 والطرف الآخر 3 ، وبالتالي فإن الأرقام تسير في اتجاهين متعاكسين على جوانب متقابلة من السلم ، مما يعطي جوانب الهيكل اتجاهًا عكسيًا. الآن تخيل الاستيلاء على السلم من الأعلى والتواء. هذا هو الحلزون المزدوج. إنها مزدوجة لأن لها وجهان. قد تحاول رسم سلم ، مع تسمياته ، ثم اطلب من الطلاب تخيله وهو يلتف. الاحتمال الآخر هو جعل الطلاب يستخدمون منظفات الأنابيب لبناء اللولب المزدوج.

عادة ما يوجد الحمض النووي الريبي كخيط واحد. يمكن العثور على Messenger RNA (mRNA) في النواة ، حيث "يعكس" تسلسل النيوكليوتيدات الموجود في الحمض النووي ، وفي السيتوبلازم ، حيث يوصل رسالته إلى الريبوسومات لتجميع البروتين. تتكون الريبوسومات من RNA الريبوسومي (rRNA) والبروتين. يحمل نقل الحمض النووي الريبي (الحمض النووي الريبي) الأحماض الأمينية إلى الريبوسومات من أجل الارتباط بالبروتين النامي. MicroRNA (miRNA) هي أصغر جزيئات RNA وينطوي دورها على تنظيم التعبير الجيني عن طريق التدخل في التعبير عن mRNA معين.

تحتوي بعض الفيروسات على RNA مزدوج الشريطة ، لكن النباتات والحيوانات لا تحتوي عليه.

تحتوي أسئلة تحدي ممارسة العلوم على أسئلة اختبار إضافية لهذا القسم والتي ستساعدك على التحضير لامتحان AP. تتناول هذه الأسئلة المعايير التالية:
[APLO 3.1] [APLO 4.17]

DNA و RNA

الأحماض النووية هي أهم الجزيئات لاستمرارية الحياة. إنهم يحملون المخطط الجيني للخلية ويحملون تعليمات لعمل الخلية.

النوعان الرئيسيان من الأحماض النووية هما الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA). الحمض النووي هو المادة الجينية الموجودة في جميع الكائنات الحية ، بدءًا من البكتيريا وحيدة الخلية إلى الثدييات متعددة الخلايا. توجد في نواة حقيقيات النوى وفي العضيات والبلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا. في بدائيات النوى ، لا يكون الحمض النووي محاطًا بغلاف غشائي.

يُعرف المحتوى الجيني الكامل للخلية باسم الجينوم الخاص بها ، ودراسة الجينوم هي علم الجينوم. في الخلايا حقيقية النواة ولكن ليس في بدائيات النوى ، يشكل الحمض النووي مركبًا مع بروتينات هيستون لتكوين الكروماتين ، وهو مادة الكروموسومات حقيقية النواة. قد يحتوي الكروموسوم على عشرات الآلاف من الجينات. تحتوي العديد من الجينات على المعلومات اللازمة لجعل منتجات البروتين ترميز جينات أخرى لمنتجات الحمض النووي الريبي. يتحكم الحمض النووي في جميع الأنشطة الخلوية عن طريق "تشغيل" أو "إيقاف" الجينات.

النوع الآخر من الحمض النووي ، RNA ، يشارك في الغالب في تخليق البروتين. لا تغادر جزيئات الحمض النووي النواة أبدًا ولكنها تستخدم وسيطًا للتواصل مع بقية الخلية. هذا الوسيط هو الرسول RNA (mRNA). أنواع أخرى من الرنا - مثل الرنا الريباسي ، الرنا المرسال ، و الرنا الميكروي - تشارك في تخليق البروتين وتنظيمه.

يتكون DNA و RNA من مونومرات تعرف بالنيوكليوتيدات. تتحد النيوكليوتيدات مع بعضها البعض لتشكيل عديد النيوكليوتيدات أو الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي. يتكون كل نوكليوتيد من ثلاثة مكونات: قاعدة نيتروجينية ، سكر بنتوز (خمسة كربون) ، ومجموعة فوسفات (الشكل 3.33). ترتبط كل قاعدة نيتروجينية في نوكليوتيد بجزيء سكر ، والذي يرتبط بمجموعة أو أكثر من مجموعات الفوسفات.

القواعد النيتروجينية ، وهي مكونات مهمة للنيوكليوتيدات ، هي جزيئات عضوية وسميت بهذا الاسم لأنها تحتوي على الكربون والنيتروجين. إنها قواعد لأنها تحتوي على مجموعة أمينية لديها القدرة على ربط هيدروجين إضافي ، وبالتالي تقليل تركيز أيون الهيدروجين في بيئتها ، مما يجعلها أكثر أساسية. يحتوي كل نيوكليوتيد في الحمض النووي على واحدة من أربع قواعد نيتروجينية محتملة: الأدينين (A) والجوانين (G) والسيتوزين (C) والثيمين (T).

يتم تصنيف الأدينين والجوانين على أنها بورينات. الهيكل الأساسي للبيورين هو حلقتان من الكربون والنيتروجين. يتم تصنيف السيتوزين والثايمين واليوراسيل على أنها بيريميدين لها حلقة كربون-نيتروجين واحدة كهيكلها الأساسي (الشكل 3.33). كل من حلقات الكربون والنيتروجين الأساسية هذه لها مجموعات وظيفية مختلفة مرتبطة بها. في اختزال البيولوجيا الجزيئية ، تُعرف القواعد النيتروجينية ببساطة برموزها A و T و G و C و U. يحتوي DNA على A و T و G و C بينما يحتوي RNA على A و U و G و C.

سكر البنتوز في الحمض النووي هو ديوكسيريبوز ، وفي الحمض النووي الريبي ، السكر هو ريبوز (الشكل 3.33). الفرق بين السكريات هو وجود مجموعة الهيدروكسيل على الكربون الثاني من الريبوز والهيدروجين على الكربون الثاني من الديوكسيريبوز. يتم ترقيم ذرات الكربون في جزيء السكر على أنها 1 و 2 و 3 و 4 و 5 (1 ′ تقرأ على أنها "عدد أولي واحد"). يتم إرفاق بقايا الفوسفات بمجموعة الهيدروكسيل المكونة من 5 كربون لسكر واحد ومجموعة الهيدروكسيل المكونة من 3 كربون من سكر النوكليوتيد التالي ، والتي تشكل رابطة 5′ - 3 phosphodiester. لا تتشكل رابطة الفوسفوديستر عن طريق تفاعل تجفيف بسيط مثل الروابط الأخرى التي تربط المونومرات في الجزيئات الكبيرة: يتضمن تكوينها إزالة مجموعتين من الفوسفات. قد يحتوي عديد النيوكليوتيد على آلاف من روابط الفوسفوديستر هذه.

هيكل DNA مزدوج الحلزون

يحتوي الحمض النووي على هيكل مزدوج الحلزون (الشكل 3.34). يقع السكر والفوسفات على السطح الخارجي للحلزون ، ويشكلان العمود الفقري للحمض النووي. القواعد النيتروجينية مكدسة في الداخل ، مثل درجات السلم ، في أزواج ترتبط الأزواج ببعضها البعض بواسطة روابط هيدروجينية. يتم فصل كل زوج أساسي في اللولب المزدوج عن الزوج الأساسي التالي بمقدار 0.34 نانومتر. يعمل شريطا اللولب في اتجاهين متعاكسين ، مما يعني أن الطرف المكون من 5-كربون لخيط واحد سيواجه نهاية 3-كربون من الخيط المطابق. (يشار إلى هذا باسم التوجه المضاد وهو مهم لتكرار الحمض النووي وفي العديد من تفاعلات الحمض النووي.)

يُسمح فقط بأنواع معينة من الاقتران الأساسي. على سبيل المثال ، يمكن أن يقترن بورين معين فقط مع بيريميدين معين. هذا يعني أنه يمكن أن يقترن A مع T ، ويمكن أن يقترن G مع C ، كما هو موضح في الشكل 3.35. يُعرف هذا بالقاعدة التكميلية الأساسية. وبعبارة أخرى ، فإن خيوط الحمض النووي مكملة لبعضها البعض. إذا كان تسلسل حبلا واحد هو AATTGGCC ، فإن الخيط التكميلي سيكون له تسلسل TTAACCGG. أثناء تكرار الحمض النووي ، يتم نسخ كل خيط ، مما ينتج عنه حلزون مزدوج للحمض النووي ابنة يحتوي على خيط DNA للوالدين وخيط مركب حديثًا.


1.1. الحمض النووي

تم اكتشاف الحمض النووي في عام 1869 من قبل يوهان فريدريش ميشر ، عالم الكيمياء الحيوية السويسري الذي يعمل في T & # x000fcbingen ، ألمانيا. كانت المقتطفات الأولى التي صنعها ميشر من خلايا الدم البيضاء البشرية عبارة عن خليط خام من الحمض النووي والبروتينات الصبغية ، ولكن في العام التالي انتقل إلى بازل بسويسرا (حيث يوجد الآن معهد الأبحاث الذي يحمل اسمه) وأعد عينة نقية من الحمض النووي. من الحيوانات المنوية السلمون. أظهرت اختبارات Miescher الكيميائية أن الحمض النووي حمضي وغني بالفوسفور ، واقترحت أيضًا أن الجزيئات الفردية كبيرة جدًا ، على الرغم من أنه لم يتم تقدير الأطوال الضخمة للسلاسل البوليمرية حتى الثلاثينيات عندما تم تطبيق التقنيات الفيزيائية الحيوية على الحمض النووي.

قبل ثلاث سنوات من اكتشاف ميشر للحمض النووي ، نشر جريجور مندل نتائج تجاربه في التكاثر مع نباتات البازلاء ، التي أجريت في حدائق الدير في برنو ، وهي مدينة أوروبية مركزية على بعد حوالي 550 كيلومترًا من T & # x000fcbingen في ما يعرف الآن بجمهورية التشيك. ورقة مندل في وقائع جمعية العلوم الطبيعية في برنو يصف فرضيته القائلة بأن الوراثة تتحكم فيها عوامل الوحدة ، الكيانات التي يسميها علماء الوراثة اليوم الجينات. من غير المحتمل أن يكون Miescher و Mendel على دراية بعمل بعضهما البعض ، وإذا كان أي منهما قد قرأ عن اكتشافات الآخر ، فمن المؤكد أنهما لم يجريا أي صلة بين الحمض النووي والجينات. إن إجراء مثل هذا الارتباط - للاستدلال على أن الجينات مصنوعة من الحمض النووي - كان من الممكن أن يكون غير منطقي تمامًا في أواخر القرن التاسع عشر أو في الواقع لعقود عديدة بعد ذلك. لم تكن الوظيفة البيولوجية الدقيقة للحمض النووي معروفة ، وبدا الافتراض القائل بأنه مخزن للفوسفور الخلوي معقولًا تمامًا في ذلك الوقت. كانت الطبيعة الكيميائية للجينات غير معروفة أيضًا ، وكانت في الواقع غير ذات صلة بالنسبة لمعظم علماء الوراثة ، الذين تمكنوا في السنوات التي أعقبت عام 1900 مباشرة ، عندما أعيد اكتشاف عمل مندل ، من تحقيق تقدم ملحوظ في فهم الوراثة دون القلق بشأن الجينات التي صنعت بالفعل. .

لم يبدأ العلماء في طرح المزيد من أسئلة البحث حول الجينات إلا في الثلاثينيات من القرن الماضي. في عام 1944 ، نشر Erwin Schr & # x000f6dinger ، الذي اشتهر بمعادلة الموجة التي لا تزال ترعب العديد من طلاب البيولوجيا الذين يأخذون دورات تمهيدية في الكيمياء الفيزيائية ، كتابًا بعنوان ما هى الحياة؟، والتي تضمنت مجموعة متنوعة من القضايا التي لم تتم مناقشتها من قبل علماء الوراثة فحسب ، بل تمت مناقشتها أيضًا من قبل علماء الفيزياء مثل Niels Bohr و Max Delbr & # x000fcck. كان هؤلاء العلماء هم أول علماء الأحياء الجزيئية وأول من اقترح أنه يمكن تفسير & # x02018life & # x02019 بمصطلحات جزيئية معرفتنا الحالية لكيفية تنبع وظائف الجينوم مباشرة من عملهم الرائد. كانت نقطة البداية للبيولوجيا الجزيئية الجديدة هي اكتشاف ماهية الجينات.

1.1.1. الجينات مصنوعة من الحمض النووي

كيف يمكن تحديد الطبيعة الجزيئية للمادة الجينية؟ في عام 1903 ، أدرك WS Sutton أن أنماط وراثة الجينات توازي سلوك الكروموسومات أثناء انقسام الخلية. أدت هذه الملاحظة إلى اقتراح أن الجينات تقع في الكروموسومات وبحلول الثلاثينيات من القرن الماضي ، كان من المقبول عالميًا أن نظرية الكروموسوم كانت صحيحة. أظهر فحص الخلايا عن طريق الكيمياء الخلوية ، بعد التلوين بالأصباغ التي ترتبط بشكل خاص بنوع واحد فقط من الكيمياء الحيوية ، أن الكروموسومات مصنوعة من الحمض النووي والبروتين ، بكميات متساوية تقريبًا. نظر بعض علماء الأحياء إلى الجمع بين الاثنين (& # x02018 nucleoprotein & # x02019) باعتباره المادة الوراثية ، لكن البعض الآخر جادل بشكل مختلف. من منظور اليوم ، قد يكون من الصعب فهم سبب تفضيل هذه الحجج لمفهوم أن الجينات صنعت ، ليس من الحمض النووي ، ولكن من البروتين. التفسير هو أنه في ذلك الوقت ، اعتقد العديد من علماء الكيمياء الحيوية أن جميع جزيئات الحمض النووي هي نفسها ، مما يعني أن الحمض النووي لم يكن لديه التباين الهائل الذي كان أحد السمات المفترضة للمادة الجينية. يجب أن توجد بلايين من الجينات المختلفة ولكل منها نشاط فردي خاص به ، يجب أن تكون المادة الجينية قادرة على اتخاذ العديد من الأشكال المختلفة. إذا كان كل جزيء DNA متطابقًا ، فلن يتمكن الحمض النووي من تلبية هذا المطلب وبالتالي يجب أن تتكون الجينات من البروتين. كان هذا الافتراض منطقيًا تمامًا لأن البروتينات كانت معروفة ، بشكل صحيح ، على أنها جزيئات بوليمرية شديدة التغير ، كل منها يتكون من مجموعة مختلفة من 20 مونومر حمض أميني متميز كيميائيًا (القسم 3.3.1).

استمرت الأخطاء التي ارتكبت في فهم بنية الحمض النووي حتى أواخر الثلاثينيات. تدريجيًا ، ومع ذلك ، تم قبول أن الحمض النووي ، مثل البروتين ، له تنوع هائل. هل يمكن أن يكون الحمض النووي بالتالي المادة الجينية؟ أجبرت نتائج تجربتين أجريتا خلال العقود الوسطى من القرن العشرين علماء الأحياء على أخذ هذا الاحتمال على محمل الجد.

تتكون الجينات البكتيرية من الحمض النووي

أدرك علماء الأحياء الجزيئية الأوائل أن الطريقة الأكثر تحديدًا لتحديد التركيب الكيميائي للجينات هي تنقية بعضها وإخضاعها للتحليل الكيميائي. ولكن لم تتم محاولة أي شيء من هذا القبيل على الإطلاق ولم يكن من الواضح كيف يمكن القيام بذلك. ومن المفارقات أن التجربة أُجريت عن غير قصد تقريبًا من قبل مجموعة من العلماء الذين لم ينظروا إلى أنفسهم على أنهم علماء أحياء جزيئية ولم يكونوا مدفوعين بالفضول لمعرفة ماهية الجينات. بدلاً من ذلك ، كان هدفهم هو إيجاد علاج أفضل لواحد من أكثر الأمراض فتكًا في أوائل القرن العشرين ، وهو الالتهاب الرئوي.

قبل اكتشاف المضادات الحيوية ، كان الالتهاب الرئوي يتم التحكم فيه بشكل أساسي عن طريق علاج المرضى في المراحل المبكرة من المرض بمصل مُعد عن طريق حقن الخلايا الميتة من البكتيريا المسببة (تسمى الآن العقدية الرئوية) في حيوان. من أجل تحضير مضادات أكثر فعالية ، أجريت دراسات على الخصائص المناعية للبكتيريا. تبين أن هناك مجموعة من أنواع مختلفة من الرئوية الرئوية، يتميز كل منها بمزيج من السكريات الموجودة في الكبسولة السميكة التي تحيط بالخلية وتثير الاستجابة المناعية (الشكل 1.2 أ). في عام 1923 ، اكتشف فريدريك جريفيث ، وهو مسؤول طبي بريطاني ، أنه بالإضافة إلى السلالات الخبيثة ، كانت هناك بعض أنواع الرئوية الرئوية التي لا تحتوي على كبسولة ولا تسبب التهاب رئوي. لم يكن هذا الاكتشاف مفاجأة كبيرة لأن الأنواع الأخرى من البكتيريا المسببة للأمراض كانت معروفة بأشكال عديمة الفوعة وغير مغلفة. ومع ذلك ، بعد 5 سنوات ، حصل جريفيث على بعض النتائج التي كانت غير متوقعة تمامًا (Griffith ، 1928). أجرى سلسلة من التجارب التي قام فيها بحقن الفئران بمخاليط مختلفة من البكتيريا (الشكل 1.2 ب). أظهر ، كما كان متوقعًا ، حقنة الفئران بضراوة الرئوية الرئوية طورت البكتيريا الالتهاب الرئوي وماتت ، في حين أن أولئك الذين تم حقنتهم بنوع ضار ظلوا يتمتعون بصحة جيدة. لكن ما لم يتوقعه هو ما سيحدث عندما تُحقن الفئران بمزيج مكون من بكتيريا حية عديمة الفوعة إلى جانب بعض الخلايا الخبيثة التي قُتلت عن طريق المعالجة الحرارية. البكتيريا الحية الوحيدة هي البكتريا غير المؤذية ، لذا بالتأكيد ستبقى الفئران بصحة جيدة؟ ليس الأمر كذلك: ماتت الفئران. أجرى جريفيث خزعات من هذه الفئران الميتة واكتشف أن مجاريها التنفسية تحتوي على بكتيريا ضارة ، والتي كانت دائمًا من نفس النوع المناعي مثل السلالة التي قُتلت عن طريق المعالجة الحرارية قبل الحقن. بطريقة ما اكتسبت البكتيريا الحية غير الضارة القدرة على صنع السكريات الكبسولة من البكتيريا الميتة. هذه العملية - تحويل البكتيريا الحية غير الضارة إلى خلايا خبيثة - كانت تسمى التحول. على الرغم من أن جريفيث لم يعترف به على هذا النحو ، فإن مبدأ التحويل - مكون الخلايا الميتة الذي يمنح الخلايا الحية القدرة على صنع السكريات الكبسولية - كان مادة وراثية.

الشكل 1.2

تجارب جريفيث مع ضراوة وعديمة الفوعة العقدية الرئوية بكتيريا. (أ) تمثيل أ الرئوية الرئوية بكتيريا. النمط المصلي هو نوع بكتيري يتمتع بخصائص مناعية مميزة ، يتم منحه في هذه الحالة من خلال الجمع (المزيد).

شرع أوزوالد أفيري ، مع زملائه كولين ماكليود وماكلين مكارتي ، من جامعة كولومبيا بنيويورك ، في تحديد ماهية مبدأ التحويل. استغرقت التجارب وقتًا طويلاً لتنفيذها ولم تكتمل حتى عام 1944 (Avery وآخرون، 1944). لكن النتائج كانت حاسمة: كان مبدأ التحول هو الحمض النووي. يتصرف مبدأ التحويل بنفس الطريقة تمامًا مثل الحمض النووي عند تعرضه لاختبارات فيزيائية حيوية مختلفة ، وقد تم تعطيله بواسطة الإنزيمات التي أدت إلى تدهور الحمض النووي ، ولم يتأثر بالإنزيمات التي تهاجم البروتين أو أي نوع آخر من الكيمياء الحيوية (الشكل 1.3).

الشكل 1.3

مبدأ التحول هو الحمض النووي. أظهر أفيري وزملاؤه أن مبدأ التحويل لا يتأثر بالعلاج بالبروتياز أو الريبونوكلياز ، ولكن يتم تعطيله عن طريق العلاج باستخدام نوكلياز ديوكسي ريبونوكلياز.

كانت تجارب أفيري دقيقة ، ولكن بسبب العديد من العوامل المعقدة ، لم تؤد على الفور إلى قبول الحمض النووي باعتباره المادة الوراثية. لم يكن واضحًا في أذهان جميع علماء الأحياء المجهرية أن التحول كان في الحقيقة ظاهرة وراثية ، وقليل من علماء الوراثة فهموا النظام جيدًا بما يكفي ليتمكنوا من تقييم عمل أفيري. كان هناك أيضًا بعض الشك حول صحة التجارب. على وجه الخصوص ، كانت هناك مخاوف بشأن خصوصية إنزيم deoxyribonuclease الذي استخدمه لتعطيل مبدأ التحويل. هذه النتيجة ، جزء مركزي من الدليل على أن مبدأ التحول هو الحمض النووي ، سيكون غير صالح إذا كان الإنزيم يحتوي ، كما يبدو ممكنًا ، على كميات ضئيلة من البروتياز الملوث ، وبالتالي كان قادرًا أيضًا على تحلل البروتين. تعني أوجه عدم اليقين هذه أن هناك حاجة إلى تجربة ثانية لتوفير مزيد من المعلومات حول الطبيعة الكيميائية للمادة الجينية.

تتكون جينات الفيروس من الحمض النووي

تم إجراء التجربة الثانية بواسطة شخصين حسن النية علماء الأحياء الجزيئية ، ألفريد هيرشي ومارثا تشيس ، في كولد سبرينغ هاربور ، نيويورك ، في عام 1952 (هيرشي وتشيس ، 1952). مثل العمل على مبدأ التحويل ، لم يتم إجراء تجربة Hershey-Chase على وجه التحديد لتحديد الطبيعة الكيميائية للجين. كان هيرشي وتشيس اثنين من العديد من علماء الأحياء الذين كانوا يدرسون دورة العدوى للعاثيات (أو & # x02018phages & # x02019) - الفيروسات التي تصيب البكتيريا. العاثيات هي هياكل بسيطة نسبيًا مصنوعة من الحمض النووي والبروتين فقط ، مع وجود الحمض النووي داخل العاثية ، محاطة بقفيصة بروتينية (الشكل 1.4 أ). للتكرار ، يجب أن تدخل العاثية خلية بكتيرية وتدمر الإنزيمات البكتيرية للتعبير عن المعلومات الموجودة في جينات الملتهمة ، بحيث تقوم البكتيريا بتركيب عاثيات جديدة. بمجرد اكتمال النسخ المتماثل ، تترك العاثيات الجديدة البكتيريا ، مما قد يتسبب في موتها أثناء قيامها بذلك ، وتنتقل لإصابة خلايا جديدة (الشكل 1.4 ب). كان الهدف من تجربة هيرشي وتشيس هو تحديد ما إذا كان جسيم العاثية بأكمله قد دخل البكتيريا في بداية دورة العدوى ، أو إذا بقي جزء من العاثية بالخارج. إذا دخل مكون واحد فقط من الملتهمة - الحمض النووي أو البروتين - إلى الخلية ، فيجب أن يكون هذا المكون هو المادة الجينية.

الشكل 1.4

الجراثيم هي فيروسات تصيب البكتيريا. (أ) هيكل عاثيات الرأس والذيل مثل T2. يوجد جينوم الحمض النووي للعاثية في الجزء الرئيسي من قفيصة البروتين. (ب) دورة العدوى. بعد الحقن في الإشريكية (أكثر. )

استندت استراتيجيتهم التجريبية على استخدام العلامات المشعة ، والتي تم إدخالها مؤخرًا في علم الأحياء. يحتوي الحمض النووي على الفوسفور ، وهو غائب عن البروتين ، لذلك يمكن تمييز الحمض النووي على وجه التحديد بنظير الفوسفور المشع ، 32 P. من ناحية أخرى ، يحتوي البروتين على الكبريت ، وهو غائب عن الحمض النووي ، وبالتالي يمكن تمييز البروتين بـ 35 S لم يكن هيرشي وتشيس أول من استخدم العلامات الإشعاعية لمحاولة تحديد أي جزء من العاثية دخل الخلية ، لكن التجارب السابقة التي أجراها جيمس واتسون وأولي مال & # x000f8e وآخرين لم تكن حاسمة بسبب صعوبة التمييز بين مادة الملتهمة التي كان في الواقع داخل بكتيريا ومكون لم يدخل الخلية ولكنه ظل مرتبطًا بسطح الخلية الخارجي. للتغلب على هذه الصعوبة ، قام هيرشي وتشيس بإجراء تعديل مهم على التجارب السابقة. أصيبوا الإشريكية القولونية البكتيريا ذات الملصقات الإشعاعية T2 Phages ، ولكن بدلاً من السماح لعملية العدوى بالانتهاء ، تركوا المزرعة لبضع دقائق فقط ثم قاموا بتحريكها في الخلاط. كانت الفكرة أن المزج سيفصل مادة الملتهمة عن سطح البكتيريا ، مما يتيح فصل هذا المكون عن المادة الموجودة داخل الخلايا عن طريق الطرد المركزي بسرعة تجمع البكتيريا الثقيلة نسبيًا على شكل حبيبات في قاع الأنبوب. لكنه ترك المادة المنفصلة في التعليق (الشكل 1.5). بعد الطرد المركزي ، قام هيرشي وتشيس بفحص الحبيبات البكتيرية ووجدوا أنها تحتوي على 70٪ من المكون المسمى بـ 32 P من العاثيات (الحمض النووي) ولكن فقط 20٪ من المادة 35 التي تحمل علامة S (بروتين فج). في تجربة موازية ، تُركت البكتيريا لمدة 20 دقيقة ، وهي مدة كافية حتى تكتمل دورة العدوى. مع T2 Phage ، تنتهي الدورة بانفجار البكتيريا وإطلاق العاثيات الجديدة في المادة الطافية. تحتوي هذه العاثيات الجديدة على ما يقرب من نصف الحمض النووي من العاثيات الأصلية ، ولكن أقل من 1 ٪ من البروتين.

الشكل 1.5

تجربة هيرشي تشيس. تم تصنيف العاثيات بـ 32 P و 35 S. بعد دقائق قليلة من الإصابة ، تم تحريك المزرعة لفصل قفيصة الملتهمة الفارغة من سطح الخلية. ثم تم الطرد المركزي للثقافة والمحتوى المشع (المزيد).

أشارت نتائج هيرشي وتشيس إلى أن الحمض النووي هو المكون الرئيسي للعاثيات المسببة للعدوى التي دخلت الخلية البكتيرية ، وبالمثل ، كان المكون الرئيسي ، أو ربما الوحيد ، الذي يتم نقله إلى العاثيات الذرية. دعمت هذه الملاحظات الرأي القائل بأن الحمض النووي هو المادة الجينية ، لكن هل كانت قاطعة؟ ليس وفقًا لـ Hershey and Chase (1952) الذي كتب & # x02018 توضح تجاربنا بوضوح أن الفصل المادي للعاثية T2 إلى أجزاء وراثية وغير وراثية أمر ممكن & # x02026. ومع ذلك ، يجب أن ينتظر التحديد الكيميائي للجزء الجيني حتى يتم الإجابة على بعض الأسئلة & # x02026. & # x02019 حتى لو قدمت التجربة دليلًا دامغًا على أن المادة الوراثية للعاثيات هي DNA ، فسيكون من الخطأ الاستقراء من هذه الأشكال غير العادية من الحياة (التي يؤكد بعض علماء الأحياء أنها ليست في الحقيقة & # x02018living & # x02019) للكائنات الخلوية. في الواقع ، نحن نعلم أن بعض جينومات العاثيات مصنوعة من الحمض النووي الريبي. تجربة هيرشي تشيس مهمة ، ليس بسبب ما تخبرنا به ، ولكن لأنها نبهت علماء الأحياء إلى حقيقة أن الحمض النووي قد أن تكون المادة الجينية وبالتالي كانت تستحق الدراسة. كان هذا هو ما أثر على واتسون وكريك في دراسة الحمض النووي ، وكما سنرى أدناه ، كان اكتشافهما للبنية الحلزونية المزدوجة ، هو الذي حل السؤال المحير حول كيفية تكاثر الجينات ، والذي أقنع العالم العلمي حقًا أن الجينات تصنع من الحمض النووي.

1.1.2. هيكل الحمض النووي

ترتبط أسماء جيمس واتسون وفرانسيس كريك ارتباطًا وثيقًا بالحمض النووي لدرجة أنه من السهل نسيان أنه عندما بدأ تعاونهما في كامبريدج بإنجلترا في أكتوبر 1951 ، كان التركيب التفصيلي لبوليمر الحمض النووي معروفًا بالفعل. لم تكن مساهمتهم لتحديد بنية الحمض النووي في حد ذاته، ولكن لإظهار أنه في الخلايا الحية تتشابك سلسلتان من الحمض النووي لتشكيل الحلزون المزدوج. سننظر في وجهي بنية الحمض النووي بشكل منفصل.

النيوكليوتيدات وعديد النوكليوتيدات

الحمض النووي عبارة عن بوليمر خطي غير متفرّع تكون فيه الوحدات الفرعية الأحادية أربعة نيوكليوتيدات مميزة كيميائيًا يمكن ربطها معًا بأي ترتيب في سلاسل يبلغ طولها مئات أو آلاف أو حتى ملايين الوحدات. يتكون كل نوكليوتيد في بوليمر DNA من ثلاثة مكونات (الشكل 1.6):

الشكل 1.6

هيكل النوكليوتيدات. (أ) الهيكل العام للنيوكليوتيد ، نوع النيوكليوتيد الموجود في الحمض النووي. (ب) القواعد الأربعة التي تحدث في deoxyribonucleotides.

2& # x02032-ديوكسيريبوز، وهو بنتوز ، نوع من السكر يتكون من خمس ذرات كربون. هذه الكربونات الخمسة مرقمة 1 & # x02032 (منطوقة بـ & # x02018one-prime & # x02019) ، 2 & # x02032 ، إلخ. يشير الاسم & # x020182 & # x02032-deoxyribose & # x02019 إلى أن هذا السكر المعين مشتق من الريبوز ، واحد في التي تم استبدال مجموعة الهيدروكسيل (-OH) المرتبطة بـ 2 & # x02032-كربون ريبوز بمجموعة هيدروجين (-H).

قاعدة نيتروجينية ، واحدة من السيتوزين ، الثايمين (بيريميدين ذو الحلقة الواحدة) ، الأدينين أو الجوانين (البيورينات ذات الحلقة المزدوجة). القاعدة متصلة بـ 1 & # x02032-carbon من السكر بواسطة أ & # x003b2- ن -رابطة غليكوسيدية تعلق بالنيتروجين رقم 1 من بيريميدين أو رقم 9 من البيورين.

أ مجموعة فوسفات، تتكون من وحدة أو وحدتين أو ثلاث وحدات فوسفات مرتبطة مرتبطة بالكربون 5 & # x02032 من السكر. تم تعيين الفوسفات & # x003b1 ، & # x003b2 و & # x003b3 ، مع كون & # x003b1-فوسفات هو المرتبط مباشرة بالسكر.

يسمى الجزيء المكون من السكر والقاعدة فقط إضافة نيوكليوزيد للفوسفات يحول هذا إلى نيوكليوتيد. على الرغم من أن الخلايا تحتوي على نيوكليوتيدات مع مجموعة واحدة أو مجموعتين أو ثلاث مجموعات فوسفات ، إلا أن ثلاثي فوسفات النوكليوزيد فقط يعمل كركائز لتخليق الحمض النووي. الأسماء الكيميائية الكاملة للنيوكليوتيدات الأربعة التي تتبلمر لصنع الحمض النووي هي:

اختصارات هذه النيوكليوتيدات الأربعة هي dATP و dCTP و dGTP و dTTP ، على التوالي ، أو عند الإشارة إلى تسلسل DNA ، A و C و G و T على التوالي.

في عديد النوكليوتيدات ، ترتبط النيوكليوتيدات الفردية ببعضها البعض بواسطة روابط فوسفوديستر بين 5 & # x02032- و 3 & # x02032-carbons (الشكل 1.7). من هيكل هذا الارتباط يمكننا أن نرى أن تفاعل البلمرة (الشكل 1.8) يتضمن إزالة الفوسفات الخارجيين (& # x003b2- و & # x003b3- فوسفات) من نيوكليوتيد واحد واستبدال مجموعة الهيدروكسيل المرفقة بـ 3 & # x02032-carbon للنيوكليوتيدات الثانية. لاحظ أن طرفي عديد النوكليوتيد منفصلان كيميائيًا ، أحدهما يحتوي على مجموعة ثلاثي فوسفات غير متفاعل مرتبطة بالكربون 5 & # x02032 ( 5& # x02032 أو 5& # x02032-P المحطة) والآخر يحتوي على هيدروكسيل غير متفاعل متصل بالكربون 3 & # x02032 ( 3& # x02032 أو 3& # x02032-أوه المحطة). هذا يعني أن البولي نيوكليوتيد له اتجاه كيميائي ، معبرًا عنه إما 5 & # x02032 & # x021923 & # x02032 (لأسفل في الشكل 1.8) أو 3 & # x02032 & # x021925 & # x02032 (أعلى في الشكل 1.8). من النتائج المهمة لقطبية رابطة الفوسفودايستر أن التفاعل الكيميائي اللازم لتمديد بوليمر الحمض النووي في الاتجاه 5 & # x02032 & # x021923 & # x02032 يختلف عن ذلك المطلوب لإنشاء امتداد 3 & # x02032 & # x021925 & # x02032. جميع إنزيمات DNA polymerase الطبيعية قادرة فقط على تنفيذ 5 & # x02032 & # x021923 & # x02032 ، مما يضيف مضاعفات كبيرة إلى العملية التي يتم من خلالها نسخ الحمض النووي المزدوج (القسم 13.2). ينطبق نفس القيد على بوليميرات الحمض النووي الريبي ، والإنزيمات التي تصنع نسخًا من جزيئات الحمض النووي الريبي (القسم 3.2.2).

الشكل 1.7

عديد نيوكليوتيد قصير للحمض النووي يُظهر بنية رابطة الفوسفوديستر. لاحظ أن طرفي عديد النوكليوتيد متمايزان كيميائيًا.

الشكل 1.8

تفاعل البلمرة الذي ينتج عنه تخليق بولي نيوكليوتيد DNA. يحدث التوليف في الاتجاه 5 & # x02032 & # x021923 & # x02032 ، مع إضافة النيوكليوتيد الجديد إلى الكربون 3 & # x02032 في نهاية البولي نيوكليوتيد الحالي. الاكثر. )


لماذا يحتاج البشر إلى الأحماض النووية

يحتاج البشر - وجميع الكائنات الحية الأخرى - إلى الأحماض النووية. الأحماض النووية ، والتي تشمل الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين ، والحمض النووي الريبي ، أو الحمض النووي الريبي ، تقوم بترميز المعلومات الجينية وتسمح للبشر والكائنات الأخرى باتباع تعليماتهم الجينية. تسمح لك الأحماض النووية أيضًا بنقل معلوماتك الوراثية إلى ذريتك.

الحمض النووي هو الحمض النووي الذي يعرفه معظم الناس. تحتوي خلاياك على الحمض النووي في نواتها ، ويشفر الحمض النووي المعلومات الجينية التي تستخدمها خلاياك لصنع البروتينات الهيكلية والوظيفية التي تسمح لها بالعمل. عندما تنتج خلايا جديدة ، تكرر الخلايا القديمة معلوماتها الجينية ، وتنتج مجموعتين متطابقتين من الحمض النووي. The cell then splits into two, each daughter cell getting a complete set of the genetic code, explains Dr. Lauralee Sherwood in her book "Human Physiology."

DNA isn't the only nucleic acid you also depend upon RNA. RNA helps the cell make proteins from DNA, because DNA is sequestered in a cell's nucleus, and the protein-making machinery in a cell is outside the nucleus. RNA transfers genetic information from inside the nucleus to outside, and also helps to read the genetic information and generate protein from it, explain Drs. Reginald Garrett and Charles Grisham in their book "Biochemistry."


مأكولات بحرية

A number of different seafood options contain nucleic acids, particularly fish. According to the Gordon Research Institute, sardines have the highest levels of nucleic acids, which typically comprise 1.5 percent of the fishes’ total composition. In addition to animal-based seafood options, there are also plant-based foods that contain nucleic acids. According to AGM Foods, chlorella, a type of single-celled algae, is amongst these. The algae are also well known for their high levels of fatty acids and polysaccharides.

Nuts are excellent sources of proteins and unsaturated fats, which are good for heart function. According to the Gordon Research Institute, most varieties also have high levels of nucleic acids.


الملخص

Functional nucleic acids with fluorescence properties are powerful research tools for both biomolecular analysis and biological nanomaterials. This review collected these interesting FFNAs originating from diverse fields and proposed a concept of fluorescent FNA (FFNA). Eight types are addressed including fluorescent nucleotide base analogs, AP site binding molecular, light-up aptamer-fluorophore complexes, G-quadruplex-fluorophore complexes, DNA-templated noble metal nanoclusters, ruthenium (II) polypyridyl complexes, DNA sensitized lanthanides and traditional FFNA. Their photophysical properties, the influence of nucleic acids on them, and the recent research progress of interaction mechanisms are mainly discussed particularly. Besides, nucleic-acids and ligands based FFNA screening methods are introduced, as well as related nucleic acid tailoring strategies. Finally, the advances on application of FFNAs in biosensing and bioimaging are presented. Hopefully, this review can provide a guidance for researchers in different fields to further break down the barriers among various disciplines and stimulate the potential of FFNAs in scientific world.


DNA techniques

هلام الكهربائي

هلام الكهربائي is a technique commonly used to separate nucleic acid fragments based on size. It can be used to identify particular fragments or to verify that a technique was successful.

A porous gel is prepared made of agarose, with the concentration adjusted based on expected size. Nucleic acid samples are deposited into wells in the gel and an electrical current is applied. Nucleic acid, with its negative charge, will move towards the positive electrode, which should be placed at the bottom of the gel. The nucleic acid will move through the gel, with the smallest pieces encountering the least resistance and thus moving through the fastest. The length of passage of each nucleic acid fragment can be compared to a DNA ladder, with fragments of known size.

تفاعل البلمرة المتسلسل (PCR)

ال تفاعل البلمرة المتسلسل أو PCR is a method used to copy or amplify DNA in vitro. The process can yield a billionfold copies of a single gene within a short period of time. ال template DNA is mixed with all the ingredients necessary to make DNA copies: الاشعال (small oligonucleotides that flank the gene or genes of interest by recognizing sequences on either side of it), النيوكليوتيدات (the building blocks of DNA), and بوليميريز الحمض النووي. The steps involve heating the template DNA in order to تفسد or separate the strands, dropping the temperature to allow the primers to anneal, and then heating the mixture up to allow the DNA polymerase to extend the primers, using the original DNA as an initial template. The cycle is repeated 20-30 times, exponentially increasing the amount of target DNA in a few hours.

Polymerase Chain Reaction (PCR). By Enzoklop (Own work) [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons


استقلاب البيورين وبيريميدين

Antonio Blanco , Gustavo Blanco , in Medical Biochemistry , 2017

ملخص

Humans produce nitrogenous bases endogenously and are not dependent on dietary intake of purines and pyrimidines.

Purine biosynthesis involves the formation of the purine ring from residues of different origins. C4, C5, and N7 are derived from glycine N3 and N9 are derived from the amide group of glutamine N1 is derived from aspartate C2 and C8 come from formyl residues donated by formyl tetrahydrofolate C6 is derived from CO2. The molecular assembly is performed with ribose-5-P bound to it. First, PRPP is formed through a reaction catalyzed by phosphoribosylpyrophosphate synthetase, an enzyme inhibited by the end products, AMP, GMP, IMP. Finally a nucleotide is obtained.

Salvage pathway for purine synthesis requires the activity of APRT و hypoxanthine-guanine phosphoribosyl transferase.

Purine catabolism starts with the degradation of nucleic acids into nucleosides and nucleotides. Adenosine is deaminated (catalyzed by adenosine deaminase). Inosine formed is cleaved by phosphorylation (catalyzed by nucleoside phosphorylase) to produce hypoxanthine and ribose-P.

Then, hypoxanthine is oxidized to xanthine (catalyzed by xanthine oxidase). Guanosine is hydrolyzed to guanine and ribose. Guanine is deaminated to xanthine (catalyzed by guanase). Xanthine, formed from both adenine and guanine, is oxidized into حمض البوليك (catalyzed by xanthine oxidase).

حمض اليوريك is the end product of purine catabolism in humans. It is poorly soluble and is mainly excreted in the urine.

The concentration of uric acid in normal plasma is 4–6 mg/dL. In some pathological conditions this value increases.

النقرس is a disease characterized by elevated levels of urate in the blood and urine. Urate precipitates causing arthritis and kidney stones.

Pyrimidine biosynthesis requires the binding of aspartate and carbamoyl phosphate. Carbamoyl phosphate is synthesized from the amide group of glutamine and CO2 (catalyzed by CPS 2). The reaction of carbamoyl-phosphate and aspartate forms carbamoylaspartate (catalyzed by aspartate transcarbamoylase), which is cyclized forming orotic acid. الأسبارتات ترانسكاربامويلاز is the main regulatory site of the pathway, it is inhibited by the end products (UTP, CTP).

Pyrimidine catabolism renders soluble compounds, which can be easily removed or used.

Degradation of cytosine produces β-alanine, CO2, and NH3. Thymine produces β-aminoisobutyrate, CO2, and NH3. β-Aminoisobutyrate is converted into succinyl-CoA.

Biosynthesis of nucleoside di-and triphosphate are obtained from nucleoside monophosphate by phosphoryl transfer from other nucleoside triphosphates (catalyzed by nucleoside kinase).

Deoxyribonucleotide biosynthesis is obtained by reduction of ribose already bound to the nucleotide by ribonucleotide reductase. NADPH and thioredoxin are required.


Differences between DNA and RNA

DNA and RNA both play important roles in cellular activities, especially in storing genetic information. They work in synergy but they are totally different entities.

Let us take a look at the primary differences between the two:

  • A complex molecule found in the cell’s nucleus.
  • It has a double-helix structure in eukaryotic cells.
  • It is present in all living organisms.
  • It contains genetic instructions necessary to develop and maintain life.
  • Its nucleic acid is deoxyribose.
  • Its nucleotides include adenine, cytosine, guanine, and thymine.
  • It is stable under alkaline conditions.
  • Its primary role is to store and transfer genetic information. (8 و 9 و 10)
  • Its nucleic acid is ribose.
  • It is single-stranded and available in various shapes and types.
  • Its molecule can easily fold back on itself because of its single-stranded structure.
  • Its nucleotides include uracil, A, G, and C.
  • RNA is unstable in alkaline conditions.
  • Its primary function is to directly codes for amino acid and serves as a messenger between the DNA and ribosomes to create proteins. (1, 3, and 5)

Which comes first DNA or RNA?

It is quite difficult to distinguish which comes first. However, many scientists strongly believed that RNA comes first primarily because of its structure. RNA has a simple structure. Without RNA, DNA could not function.

RNA is also present in prokaryotes, which come first before eukaryotes. However, RNA alone could not totally protect the genetic code from damage. Which is why DNA a double-stranded molecule is needed. (3, 5, and 7)


شاهد الفيديو: حكاية إلتواء الحمض النووي DNA (قد 2022).