الأحماض النووية، تركيب النوكليوتيدة وDNA

اكتُشف الحمض النووي (DNA) لأول مرة عام 1869 عن طريق فريدريك ميسشر والذي نجح في عزل جزيء (DNA).

وفي بداية القرن العشرين بدأ العديد من العلماء إجراء أبحاث علمية لفهم وظائف الحمض النووي (DNA) وبحلول عام 1952 أثبتوا أن الحمض النووي (DNA) هو الذي يحمل المادة الوراثية، حيث إنه كان يُعتقد أن البروتين هو المادة الوراثية.

وتزامنًا مع هذه الدراسات، وفي أوائل الخمسينيات عكف العلماء على اقتراح نموذج يشرح تركيب جزيء DNA.

وفي عام 1953 اقترح جيمس واطسون وفرانسيس كريك أن جزيء DNA يتكوَّن من لولب مزدوج الشريط وقد توصلا إلى هذا الاستنتاج بناءً على دراسات روزاليند فرانكلين وموريس ويلكنز.

وفي النهاية تبين أنه يوجد نوعين من الأحماض النووية في الخلايا الحية وهما:

1. DNA: الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين أو (Deoxyribo Nucleic Acid).
2. RNA: الحمض النووي الريبوزي أو (Ribo Nucleic Acid)

تحتوي هذه الجزيئات على مجموعة من المعلومات والتي تحدد من نكون وما نكون.

ولكن مما يتشكل الحمض النووي؟

تركيب الأحماض النووية

تُعتبر الأحماض النووية DNA و RNA جزيئات كبيرة (بوليمرات) تتكون من جزيئات أصغر (مونومرات) تعرف بالنيوكليوتيدات. 

تتحد هذه النيوكليوتيدات مع بعضها البعض لتشكيل عديد النيوكليوتيدات أو الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي.

تركيب النوكليوتيدة

 تتكون كل نوكليوتيدة من ثلاثة مكونات أساسية وهي:

1. سكر بنتوز (سكر خُماسي الكربون)
2. قاعدة نيتروجينية
3. مجموعة فوسفات

1. السكر الخماسي:

السكر الخماسي هو جزيء السكر المكون من خمس ذرات من الكربون.

في جزيء DNA يُسمى السكر الخماسي سكر الريبوز المنقوص الأكسجين، وفي جزيء RNA، يُسمى بسكر الريبوز.

يعود الفرق بين نوعي السكر إلى غياب ذرة الأكسجين المرتبطة بذرة الكربون الثانية في جزيء DNA، منظر 1.

2. القواعد النيتروجينية:

ترتبط ذرة الكربون الأولى في السكر الخماسي بقاعدة نيتروجينية بواسطة رابطة تساهمية تسمى بالرابطة الجلوكوزيدية.

يُسمى جزيء السكر الخماسي المرتبط بالقاعدة النيتروجينية بالنيوكليوسيدة، منظر2.

توجد أربع قواعد نيتروجينية مختلفة في جزيء DNA وهي:

• الأدينين (A)
• الجوانين (G)
• الثايمين (T)
• السيتوزين (C)

لكن جزيء RNA يحتوي على قاعدة مختلفة وهي اليوراسيل (U) بدلًا من الثايمين (T).

تنقسم هذه القواعد النيتروجينية ألى مجموعتين وهما:

البيورينات	البيريميدينات
مجموعة من القواعد النيتروجينية تتكون من حلقتين غير متجانستين.	مجموعة من القواعد النيتروجينية تتكون من حلقة واحدة غير متجانسة.
مثل: الأدينين(A)، الجوانين (G)	مثل: الثيامين(T)، السيتوزين(C)، اليوراسيل(U)

3. مجموعة الفوسفات:

المكوِّن الأخير في النيوكليوتيدة هو مجموعة الفوسفات.

ترتبط ذرة الكربون الخامسة بمجموعة فوسفات بواسطة رابطة تساهمية، منظر3.

وتتكوَّن النيوكليوتيدة نتيجة ارتباط النيوكليوسيدة بمجموعة الفوسفات.

بين كل نيوكليوتيدتين توجد رابطة تُسمى الرابطة الفوسفاتية ثنائية الإستر وترتبط ملايين من النيوكليوتيدات معاً لتكوين سلسلة عديد النيوكليوتيد.

تتكوَّن الرابطة الفوسفاتية ثنائية الإستر بين مجموعة الفوسفات في النيوكليوتيدة الأولى ومجموعة الهيدروكسيل (OH) في ذرة الكربون الثالثة الموجودة في النيوكليوتيدة المجاورة، منظر4.

تركيب DNA

يتكون الحمض النووي DNA من سلسلتين من عديد النيوكليوتيد ملتفتين حول بعضهما على هيئة حلزون مزدوج.

هاتان السلسلتان ترتبطان مع بعضهما عبر روابط هيدروجينية بحيث ترتبط قاعدة من مجموعة البيورينات ذات الحلقتين مع قاعدة من مجموعة البيريميدينات ذات الحلقة الوحدة وهذا ما يجعل جزيء DNA ذا قطر ثابت.

ترتبط دائماً قواعد الأدينين (A) مع قواعد الثايمين (T) برابطتين هيدروجينيتين بين كل قاعدتين متقابلتين (T=A).

كما ترتبط قواعد السيتوسين (C) مع قواعد الجوانين (G) بثلاث روابط هيدروجينية بين كل قاعدتين متقابلتين (C-G)، منظر5.

يُعد تعاقب القواعد في السلسلتين مكملاً لبعضهما فاذا علمنا تتابع القواعد في إحدى السلسلتين فيمكننا معرفة تتابع القواعد في السلسلة الأخرى.

تلتف السلسلتان التفافاً حلزونياً يمينياً (باتجاه عقارب الساعة) حول محور مركزي وهمي لتكون حلزوناً مزدوجاً، منظر7.

في النهاية يصبح DNA على شكل سلم حلزوني بحيث تكون القواعد النيتروجينية درجات السلم والسكر الخماسي شريط السلم.

توجد مجموعة فوسفات حرة ترتبط بذرة الكربون الخامسة الأخيرة لجزيء السكر في أعلى الشريط الأيسر عند الطرف 5′ ومجموعة هيدروكسيل حرة (OH) في الأسفل مرتبطة بذرة الكربون الأخيرة لجزيء السكر عند الطرف 3′.

أما في الشريط الأيمن يقع الطرف 5′ في الأسفل والطرف 3′ فيقع في الأعلى.

عندما يرتبط شريطا DNA معًا نتيجة تزاوُج القواعد المتكاملة، فإنهما يَكونان متوازيين ومتعاكسين في الاتجاه، شكل 8.

تخزين المعلومات في DNA

تُشفر المعلومات التي تحتاج إليها الخلية لأداء وظائفها في شريط DNA.

يمكن قراءة تتابُع القواعد النيتروجينية في سلسلة عديد النيوكليوتيد من الطرف 5′ للشريط إلى الطرف 3′.

يَنتج عن ترتيب القواعد شفرة وراثية يمكن للخلية ترجمتها، فتتحول الشفرة إلى بروتينات محددة تؤدي وظائف محددة، منظر9.

على سبيل المثال، قد يَنتج عن تتابُع القواعد النيتروجينية في جزيء DNA شفرة لبروتين يتحكم في لون العين أو في شكل الشعر المجعد أو الأملس.

تركيب RNA

الحمض النووي الريبوزي (RNA) هو شريط مفرد من تتابع عديد النيوكليوتيد.

تتمثل وظيفة (RNA) في نقل المعلومات الوراثية وترجمتها لتخليق البروتين.

في بعض الفيروسات يحمل الحمض النووي الريبوزي (RNA) المادة الوراثية بدلًا من الحمض النووي (DNA).

هناك ثلاث اختلافات رئيسية بين الحمض النووي الريبوزي أو (Ribo Nucleic Acid) والحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين أو (Deoxyribo Nucleic Acid) وهي:

DNA	RNA
في جزيء DNA يُسمى السكر الخماسي الموجود في تركيب النيكلوتيدة بالريبوز المنقوص الأكسجين.	في جزيء RNA يُسمى السكر الخماسي الموجود في تركيب النيكلوتيدة بالريبوز.
(DNA) يحتوي على الثايمين (T)	(RNA) يحتوي على اليوراسيل (U) بدلًا من الثايمين (T)
يتكون من شريطين ملتفين حول بعضهما	يتكون من شريط وحد

ينتج شريطين متشابهين من عملية تضاعف جزيء واحد من الحمض النووي (DNA).

أنوع RNA:

1.  الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA)

هو تتابع من النيكلوتيدات المنسوخة من الحمض النووي (DNA) لجين معين والتي تترجم في الريبوسوم لتنتج نوع محدد من البروتينات مسوؤل عن صفة وراثية محددة.

عملية الترجمة: هي العملية التي يتحول فيها تتابع معيناً من الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) إلى عديد الببتيد الذي يكون البروتين في الريبوسوم.

2. الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي (rRNA)

هو أحد أنواع الحمض النووي الريبوزي(RNA) لا يحتوي على شفرات وراثية ولا يترجم، كما انه أحد المكونات الرئيسية للريبوسومات.

تنتج الريبوسومات في الكائنات حقيقية النوى عن طريق النوية تركيب صغير يوجد داخل النواة.

تتكون جزيئات rRNA عن طريق عملية نسخ DNA مثل جزيئات mRNA ، وعلى عكس المعلومات التي يحملها mRNA فإن rRNA لا يُترجَم إلى بروتينات.

3. الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA)

هو أحد أنواع الحمض النووي الريبوزي(RNA) ينقل الأحماض الأمينية إلى الريبوسوم لإتمام عملية الترجمة.

لا يترجم الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) ولكنة يعمل على تجميع الاحماض الأمينية ليكون عديد الببتيد.

المصادر:

1. Nucleic Acids، من موقع coursehero.com، أُطلع علية بتاريخ 10-3-2023.
2. اكتشاف الحمض النووي (DNA) وتركيبه، أنواع الحمض النووي الريبوزي (RNA)، من موقع نجوى، أُطلع عليها بتاريخ 11-3-2023.
3. DEOXYRIBONUCLEIC ACID (DNA)، RIBONUCLEIC ACID (RNA)، من موقع genome.gov، أُطلع عليها بتاريخ 10-3-2023.
4. Discovery of DNA Structure and Function: Watson and Crick، ribonucleic acid / RNA، من موقعnature.com، أُطلع عليها بتاريخ 9-3-2023.