أريد أن أعرف كل شيء

الحمض النووي

Pin
Send
Share
Send


في الأعلى ، أ GC زوج قاعدة مع ثلاث روابط الهيدروجين. في الأسفل، في زوج قاعدة مع اثنين من السندات الهيدروجين. وتظهر روابط الهيدروجين كخطوط متقطعة.

كل نوع من القاعدة على حبلا واحد يشكل رابطة مع نوع واحد فقط من قاعدة على حبلا آخر. وهذا ما يسمى قاعدة التكميلية الاقتران. هنا ، تشكل البيورين روابط هيدروجينية لبيريميدين ، مع ارتباط A فقط بـ T ، و C مرتبطة فقط بـ G. ويطلق على هذا الترتيب لنيوكليوتيدات مرتبطين معًا عبر الحلزون المزدوج اسم الزوج الأساسي. في اللولب المزدوج ، يتم أيضًا تثبيت الشريطين معًا عبر قوى ناتجة عن التأثير المسعور والمكدس ، والتي لا تتأثر بتسلسل الحمض النووي.25 بما أن روابط الهيدروجين ليست تساهمية ، يمكن كسرها والانضمام إليها بسهولة نسبية. وبالتالي يمكن فك شريطين الحمض النووي في اللولب المزدوج مثل السوستة ، إما عن طريق القوة الميكانيكية أو ارتفاع درجة الحرارة.26 نتيجة لهذا التكامل ، يتم تكرار جميع المعلومات في التسلسل المزدوج تقطعت بهم السبل الحلزون الحمض النووي على كل حبلا ، وهو أمر حيوي في تكرار الحمض النووي. في الواقع ، هذا التفاعل المعكوس والخاص بين أزواج القاعدة التكميلية أمر بالغ الأهمية لجميع وظائف الحمض النووي في الكائنات الحية.14

يتكون النوعان من الأزواج القاعدية من أعداد مختلفة من روابط الهيدروجين ، و AT التي تشكل رابطتي هيدروجين ، و GC تشكل ثلاث روابط هيدروجينية (انظر الأشكال ، اليسار). وبالتالي فإن زوج قاعدة GC أقوى من زوج قاعدة AT. نتيجة لذلك ، فإن كلاً من النسبة المئوية لأزواج قاعدة GC والطول الكلي لللولب المزدوج للحمض النووي هي التي تحدد قوة الارتباط بين خيوط الحمض النووي. تمتلك حلزونات الدنا الطويلة ذات محتوى GC العالي فروعًا قوية التفاعل ، في حين أن لولسات الدنا القصيرة ذات المحتوى العالي من AT لها شرائط ضعيفة التفاعل.27 تميل أجزاء من الحلزون المزدوج الحمض النووي التي تحتاج إلى الفصل بسهولة ، مثل مربع TATAAT Pribnow في المنشطات البكتيرية ، إلى وجود تسلسلات تحتوي على نسبة عالية من AT ، مما يجعل الشرائط أكثر سهولة.28 في المختبر ، يمكن قياس قوة هذا التفاعل من خلال إيجاد درجة الحرارة المطلوبة لكسر روابط الهيدروجين ، ودرجة حرارة انصهارها (وتسمى أيضًا تيم القيمة). عندما تذوب جميع أزواج القاعدة في الحمض النووي الحلزوني المزدوج ، تنفصل الخيوط وتوجد في محلول كجزيئين مستقلين تمامًا. ليس لجزيئات الحمض النووي المفرد التي تقطعت بهم السبل أي شكل مشترك واحد ، ولكن بعض المطابقات تكون أكثر ثباتًا من غيرها.29

بمعنى و antisense

يُطلق على تسلسل الحمض النووي "الإحساس" إذا كان تسلسله هو نفسه تسلسل نسخة الحمض النووي الريبي messenger التي تُترجم إلى بروتين. يكون التسلسل الموجود على الحبل المقابل مكملاً لتسلسل الإحساس ، وبالتالي يسمى تسلسل "العقاقير". نظرًا لأن بوليميرات RNA تعمل عن طريق عمل نسخة تكميلية من القوالب الخاصة بها ، فإن هذا الشريط المضاد هو القالب لإنتاج الرنا المرسال. يمكن أن يوجد تسلسلان للمعنى ومضاد للحساسية على أجزاء مختلفة من نفس مجموعة الحمض النووي (أي أن كلا النوعين يحتويان على تسلسلات معنوية ومضادة للحساسية).

في كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى ، يتم إنتاج تسلسل الحمض النووي الريبي المضاد للفيروس ، ولكن وظائف هذه الرنا ليست واضحة تمامًا.30 اقتراح واحد هو أن تشارك الحمض النووي الريبي المضاد في تنظيم التعبير الجيني من خلال الاقتران RNA- قاعدة الحمض النووي الريبي.31

هناك عدد قليل من تسلسل الحمض النووي في بدائيات النوى وحقيقيات النوى ، وأكثر من ذلك في البلازميدات والفيروسات ، تمحو التمييز الموجود أعلاه بين خيوط المعنى ومضادات التأثر عن طريق وجود جينات متداخلة.32 في هذه الحالات ، تقوم بعض تسلسل الحمض النووي بواجب مزدوج ، حيث تقوم بترميز بروتين واحد عند قراءة 5 'إلى 3' على طول حبلا واحد ، وبروتين ثانٍ عند قراءته في الاتجاه المعاكس (لا يزال 5 'إلى 3') على طول الشريط الآخر. في البكتيريا ، قد يشارك هذا التداخل في تنظيم نسخ الجينات ،33 بينما في الفيروسات ، تزيد الجينات المتداخلة من كمية المعلومات التي يمكن تشفيرها داخل الجينوم الفيروسي الصغير.34 توجد طريقة أخرى لتقليل حجم الجينوم في بعض الفيروسات التي تحتوي على الحمض النووي أحادي أو خطي دائري الذين تقطعت بهم السبل كمادة جينية.3536

الفائق

الحمض النووي يمكن أن يكون ملتويًا مثل الحبل في عملية تسمى الامتصاص الفائق للحمض النووي. مع وجود الحمض النووي في حالته "المريحة" ، فإن الدائرة عادة ما تدور حول محور الحلزون المزدوج مرة واحدة كل 10.4 أزواج قاعدية ، لكن إذا كان الحمض النووي ملتويًا ، تصبح الخيوط أكثر إحكاما أو أكثر جرحًا.37 إذا تم تحريف الحمض النووي في اتجاه اللولب ، فإن هذا يكون فائقًا إيجابيًا ، وتُثبت القواعد معًا بإحكام. إذا كانت ملتوية في الاتجاه المعاكس ، يكون هذا سلبًا فائقًا سلبيًا ، وتنهار القواعد بسهولة أكبر.

في الطبيعة ، يكون لمعظم الحمض النووي غلاف سالب طفيف يتم إدخاله بواسطة إنزيمات تسمى topoisomerases.38 هناك حاجة أيضًا إلى هذه الإنزيمات لتخفيف الضغوط الملتفة التي تم إدخالها إلى سلاسل DNA أثناء عمليات مثل النسخ وتكرار الحمض النووي.39

من اليسار إلى اليمين ، هياكل الحمض النووي A و B و Z

هياكل مزدوجة حلزونية بديلة

الحمض النووي موجود في العديد من المطابقات الممكنة. المطابقات المحددة حتى الآن هي: A-DNA ، B-DNA ، C-DNA ، D-DNA ،40 E-DNA،41 H-DNA،42 L-DNA،40 P-DNA،43 و Z-DNA.2044 ومع ذلك ، فقد لوحظ فقط A-DNA و B-DNA و Z-DNA في الأنظمة البيولوجية التي تحدث بشكل طبيعي.

يعتمد التشكل الذي يتبناه الحمض النووي على تسلسل الحمض النووي ، وكمية واتجاه الفائق ، والتعديلات الكيميائية للقواعد ، وظروف المحاليل أيضًا ، مثل تركيز أيونات المعادن والبولي أمين.45 من هذه المطابقات الثلاثة ، يكون النموذج "B" الموضح أعلاه أكثر شيوعًا في ظل الظروف الموجودة في الخلايا.46 يختلف الشكلان البديلان للحمض النووي للحمض النووي في هندسةهما وأبعادهما.

الشكل A عبارة عن دوامة أعسر يمتد على نطاق واسع ، بها أخدود صغير ضحل عريض وأخدود كبير أضيق. يحدث الشكل A في ظل ظروف غير فسيولوجية في عينات مجففة من الحمض النووي ، بينما في الخلية قد يتم إنتاجه في أزواج هجينة من خيوط DNA و RNA ، وكذلك في مجمعات إنزيم DNA.4748 شرائح الحمض النووي حيث تم تعديل القواعد كيميائيا بواسطة مثيلة قد تخضع لتغيير أكبر في التشكل واعتماد شكل Z. هنا ، تدور الخيوط حول المحور الحلزوني في لولبية أعسر ، على عكس الشكل B الأكثر شيوعًا.49 يمكن التعرف على هذه البنى غير العادية عن طريق بروتينات ربط Z-DNA محددة وقد تشارك في تنظيم النسخ.50

هيكل الحمض النووي الرباعي يتكون من التيلومير يكرر. يختلف تشكل العمود الفقري للحمض النووي بشكل كبير عن البنية الحلزونية النموذجية.

الهياكل الرباعية

في نهايات الكروموسومات الخطية توجد مناطق متخصصة من الحمض النووي تسمى التيلوميرات. وتتمثل المهمة الرئيسية لهذه المناطق في السماح للخلية بتكرار نهايات الكروموسوم باستخدام إنزيم التيلوميراز ، لأن الإنزيمات التي تكرر عادة الحمض النووي لا يمكنها نسخ الأطراف الثلاثة القصوى للصبغيات.51 نتيجة لذلك ، إذا كان كروموسوم يفتقر إلى التيلوميرات ، فسيصبح أقصر في كل مرة يتم فيه نسخها. تساعد أغطية الكروموسوم المتخصصة هذه أيضًا على حماية نهايات الحمض النووي من النكليوزات وإيقاف أنظمة إصلاح الحمض النووي في الخلية من معاملتها كضرر يجب تصحيحه.52 في الخلايا البشرية ، تكون التيلوميرات عادةً أطوالًا من الحمض النووي المفرد الذي يحتوي على عدة آلاف من التكرار لسلسلة TTAGGG البسيطة.53

قد تثبت هذه المتواليات الغنية بالجوانيين نهايات الكروموسوم من خلال تشكيل هياكل غير عادية للغاية من مجموعات مكدسة من الوحدات الأربعة ، بدلاً من أزواج القاعدة المعتادة الموجودة في جزيئات الحمض النووي الأخرى. هنا ، تشكل أربع قواعد من guanine صفيحة مسطحة وهذه الوحدات المكونة من أربع قواعد مسطحة ثم تتكدس فوق بعضها البعض ، لتكوين مستقر G-quadruplex بناء.54 يتم تثبيت هذه الهياكل عن طريق الترابط الهيدروجيني بين حواف القواعد وإخلاء أيون المعدن في وسط كل وحدة ذات قاعدة أربعة. البنية الموضحة إلى اليسار هي منظر علوي للرباعي يتكون من تسلسل الحمض النووي الموجود في التيلومير البشري. تشكل حبلا الحمض النووي المفرد حلقة ، مع مجموعات من أربع قواعد مكدسة في أربع لوحات وسط بعمق ثلاثة. في الفضاء في وسط القواعد مكدسة ثلاثة أيونات البوتاسيوم مخلب.55 يمكن أيضًا تشكيل هياكل أخرى ، حيث تأتي المجموعة المركزية المكونة من أربعة قواعد إما من حبلا مفرد مطوي حول القواعد ، أو عدة مسارات متوازية مختلفة ، يساهم كل منها بقاعدة واحدة في الهيكل المركزي.

بالإضافة إلى هذه الهياكل المكدسة ، تشكل التيلوميرات أيضًا هياكل حلقة كبيرة تسمى حلقات التيلومير ، أو حلقات T-. هنا ، يتجعد الدنا المفرد الذي تقطعت به السبل في دائرة طويلة مثبتة بواسطة بروتينات ربط التيلومير.56 في نهاية حلقة تي ، يتم الاحتفاظ الحمض النووي التيلومير المفرد الذين تقطعت بهم السبل على منطقة الحمض النووي المزدوج تقطعت بهم السبل من قبل حبلا التيلومير تعطيل الحمض النووي الحلزوني المزدوج والاقتران الأساسي إلى واحد من فروع اثنين. يسمى هذا الهيكل الثلاثي الذين تقطعت بهم السبل حلقة الإزاحة أو حلقة D.54

التعديلات الكيميائية

السيتوزين5-ميثيل سيتوزينثيمين هيكل السيتوزين مع وبدون مجموعة الميثيل 5. بعد التبييض ، يحتوي الميثيل أسيتوزين 5 على نفس بنية الثيمين

التعديلات الأساسية

يتأثر تعبير الجينات بتركيبة الكروماتين للكروموسوم ، كما أن مناطق الهيتوكروماتين (تعبير جيني منخفض أو معدوم) ترتبط بميثيل السيتوزين. على سبيل المثال ، مثيل السيتوزين ، لإنتاج 5 ميثيل سيتوزين ، مهم لتثبيط كروموسوم إكس.57 متوسط ​​مستوى مثيلة يختلف بين الكائنات الحية ، مع أنواع معينة انيقة تفتقر إلى مثيلة السيتوزين ، بينما تظهر الفقاريات مستويات أعلى ، مع ما يصل إلى 1 ٪ من الحمض النووي الخاص بهم الذي يحتوي على 5 ميثيل سيتوزين.58 على الرغم من الدور البيولوجي لـ 5-methylcytosine ، فإنه عرضة للتخميد التلقائي لمغادرة قاعدة الثيمين ، وبالتالي فإن السيتوزينات الميثيلية هي نقاط تحول سريعة.59 وتشمل التعديلات الأساسية الأخرى مثيلة الأدينين في البكتيريا وتلك الجليكوزيل في اليوراسيل لإنتاج "القاعدة J" في البلاستيدات الحركية.6061

تلف الحمض النووي

مزيد من المعلومات: طفرة
البنزوبيرين ، المغير الرئيسي في دخان التبغ ، في تعامله مع الحمض النووي.62

يمكن أن يتلف الحمض النووي بسبب أنواع مختلفة من الطفرات. وتشمل هذه العوامل المؤكسدة ، وعوامل الألكلة ، وكذلك الإشعاع الكهرومغناطيسي عالي الطاقة مثل الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية. يعتمد نوع التلف الناتج عن الحمض النووي على نوع الطفرات. على سبيل المثال ، يتسبب ضوء الأشعة فوق البنفسجية في الغالب في إتلاف الحمض النووي عن طريق إنتاج ثنائيات الثايمين ، وهي روابط متقاطعة بين قواعد البيريميدين المجاورة في شريط الحمض النووي.63 من ناحية أخرى ، فإن المواد المؤكسدة مثل الجذور الحرة أو بيروكسيد الهيدروجين تنتج أشكالًا متعددة من التلف ، بما في ذلك التعديلات الأساسية ، خاصةً للجوانوسين ، بالإضافة إلى فواصل مزدوجة الشرائط.64 تشير التقديرات إلى أنه في كل خلية بشرية ، يعاني حوالي 500 قاعدة من أضرار الأكسدة يوميًا.6566 من بين هذه الآفات المؤكسدة ، أخطرها هي فواصل ذات حبلا مزدوج ، حيث يصعب إصلاح هذه الآفات ويمكن أن تنتج طفرات نقطية ، وإدخالات وحذف من تسلسل الحمض النووي ، وكذلك عمليات نقل الكروموسومات.67

يطفئ العديد من المقاطع في الفراغ بين أزواج قاعدتين متجاورتين. وغالبًا ما تكون الجزيئات العطرية وجزيئات مستوية ، وتشمل الإيثيديوم والداونوميسين والدوكسوروبيسين والثاليدومايد. من أجل احتواء المحاور بين أزواج القاعدة ، يجب أن تفصل القواعد وتشوه خيوط الدنا عن طريق فك اللولب المزدوج. هذه التغييرات الهيكلية تمنع كل من النسخ وتكرار الحمض النووي ، مما تسبب في السمية والطفرات. نتيجةً لذلك ، غالبًا ما تكون مقارنات الحمض النووي من المواد المسببة للسرطان ، حيث تعد البنزوبيرين ديول الإيبوكسايد والأكريدين والأفلاتوكسين وبروميد الإيثيديوم أمثلة معروفة.686970 ومع ذلك ، نظرًا لخصائص تثبيط نسخ الحمض النووي وتكرارها ، يتم استخدامها أيضًا في العلاج الكيميائي لتثبيط الخلايا السرطانية سريعة النمو.71

نظرة عامة على الوظائف البيولوجية

الحمض النووي عادة ما يحدث كروموسومات خطية في حقيقيات النوى ، وكروموسومات دائرية في بدائيات النوى. تشكل مجموعة الكروموسومات في الخلية جينومها. يحتوي الجينوم البشري على حوالي 3 مليارات زوج من الحمض النووي مرتبة في 46 كروموسوم.72

يتم حفظ المعلومات التي يحملها الحمض النووي في تسلسل أجزاء من الحمض النووي تسمى الجينات. يتم نقل المعلومات الوراثية في الجينات عن طريق الاقتران الأساسي التكميلي. على سبيل المثال ، في النسخ ، عندما تستخدم خلية المعلومات في الجينات ، يتم نسخ تسلسل الحمض النووي إلى تسلسل RNA تكميلي من خلال الجذب بين الحمض النووي ونيوكليوتيدات الحمض النووي الريبي الصحيحة. عادة ، يتم استخدام هذه النسخة من الحمض النووي الريبي (RNA) لإنشاء تسلسل بروتين مطابق في عملية تسمى الترجمة ، والتي تعتمد على نفس التفاعل بين نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبي. بدلاً من ذلك ، قد تقوم الخلية ببساطة بنسخ معلوماتها الوراثية في عملية تسمى تكرار الحمض النووي. يتم تغطية تفاصيل هذه الوظائف في مقالات أخرى ؛ هنا نركز على التفاعلات بين الحمض النووي والجزيئات الأخرى التي تتوسط وظيفة الجينوم.

بنية الجينوم

مزيد من المعلومات: كروموسوم ، جين

يقع الحمض النووي الجيني في نواة الخلايا حقيقية النواة ، وكذلك الكميات الصغيرة في الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء. في بدائيات النوى ، يتم الاحتفاظ بالحمض النووي داخل جسم غير منتظم الشكل في السيتوبلازم يسمى النيوكليويد.73

المعلومات الوراثية الموجودة في الجينوم محفوظة داخل الجينات. الجين هو وحدة الوراثة وهي منطقة من الحمض النووي تؤثر على خاصية معينة في الكائن الحي. تحتوي الجينات على إطار قراءة مفتوح يمكن نسخه ، بالإضافة إلى تسلسل تنظيمي مثل المروجين والمحسنات ، التي تتحكم في التعبير عن إطار القراءة المفتوحة.

في العديد من الأنواع ، فقط جزء صغير من التسلسل الكلي للجينوم يشفر البروتين. على سبيل المثال ، يتكون حوالي 1.5٪ فقط من الجينوم البشري من إكسونات ترميز البروتين ، مع أكثر من 50٪ من الحمض النووي البشري يتكون من متواليات متكررة غير مشفرة.74 أسباب وجود الكثير من الحمض النووي غير المشفر في جينومات حقيقية النواة والاختلافات غير العادية في حجم الجينوم ، أو C-قيمة، من بين الأنواع تمثل لغز طويل الأمد يعرف باسم "لغز C- القيمة".75

ومع ذلك ، فإن تسلسل الحمض النووي الذي لا يشتمل على بروتين قد لا يزال يشفر جزيئات الرنا الوظيفية غير المشفرة ، والتي تشارك في تنظيم التعبير الجيني.76

T7 RNA polymerase (أزرق) ينتج مرنا (أخضر) من قالب DNA (برتقالي). تم إنشاؤها من PDB 1MSW.

تلعب بعض سلاسل الدنا غير المشفرة أدوارًا هيكلية في الكروموسومات. تحتوي التيلوميرات والنتروميرات عادة على عدد قليل من الجينات ، ولكنها مهمة لوظيفة واستقرار الكروموسومات.77 شكل وفير من الحمض النووي غير المشفر في البشر هي الجينات الخادعة ، والتي هي نسخ من الجينات التي تم تعطيلها عن طريق الطفرة.78 هذه التسلسلات عادة ما تكون مجرد حفريات جزيئية ، على الرغم من أنها يمكن أن تكون أحيانًا مادة وراثية خام لإنشاء جينات جديدة من خلال عملية ازدواج الجينات والتباعد.79

النسخ والترجمة

الجين هو سلسلة من الحمض النووي تحتوي على معلومات وراثية ويمكن أن تؤثر على النمط الظاهري للكائن الحي. داخل الجين ، يحدد تسلسل القواعد على طول شريط DNA تسلسل الحمض النووي الريبي messenger ، والذي يحدد تسلسل البروتين أو أكثر. يتم تحديد العلاقة بين متواليات النوكليوتيدات في الجينات وتسلسل الأحماض الأمينية للبروتينات وفقًا لقواعد الترجمة ، والتي تعرف مجتمعة باسم الشفرة الوراثية. يتكون الكود الوراثي من ثلاث كلمات "كلمات" تسمى الكودونات تكونت من سلسلة من ثلاث نيوكليوتيدات (مثل ACT ، CAG ، TTT).

في النسخ ، يتم نسخ الكودونات الخاصة بالجينة في messenger RNA بواسطة polymerase RNA. ثم يتم فك تشفير نسخة الحمض النووي الريبي هذه بواسطة ريبوسوم يقرأ تسلسل الحمض النووي الريبي (RNA) عن طريق مزاوجة قاعدة الحمض النووي الريبي messenger لنقل الحمض النووي الريبي ، الذي يحمل الأحماض الأمينية. نظرًا لوجود 4 قواعد في مجموعات مكونة من 3 أحرف ، يوجد 64 رمزًا ممكنًا ( مجموعات). هذه ترميز الأحماض الأمينية العشرين القياسية ، وإعطاء معظم الأحماض الأمينية أكثر من كودون واحد ممكن. هناك أيضًا ثلاثة رموز "توقف" أو "هراء" تشير إلى نهاية منطقة الترميز ؛ هذه هي الرموز TAA و TGA و TAG.

تكرار الحمض النووي. الحلزون المزدوج غير ملفوف بهليكسي و توبويسوميراز. بعد ذلك ، ينتج واحد من بوليميريز الحمض النووي نسخة حبلا رائدة. يرتبط بوليميريز الحمض النووي الآخر بحبلا متخلفا. يصنع هذا الإنزيم شرائح متقطعة (تسمى شظايا أوكازاكي) قبل أن يربطها داء الليزاز معًا.

تكرار

انقسام الخلية ضروري لنمو الكائن الحي ، ولكن عندما تنقسم الخلية ، يجب أن تكرر الحمض النووي في جينومها بحيث تكون للخليتين الابنتين نفس المعلومات الوراثية مثل الوالدين.

توفر بنية الحمض النووي المزدوج تقطعت بهم السبل آلية بسيطة لتكرار الحمض النووي. هنا ، يتم الفصل بين الفرعين ومن ثم يتم إعادة إنشاء تسلسل الحمض النووي التكميلي لكل حبلا بواسطة إنزيم يسمى بوليميريز الحمض النووي. يصنع هذا الإنزيم حبلا مكملاً من خلال إيجاد الأساس الصحيح من خلال الاقتران الأساسي التكميلي ، وربطه في الشريط الأصلي. نظرًا لأن polymerases الحمض النووي يمكنها فقط تمديد شريط الحمض النووي في اتجاه من 5 إلى 3 ، يتم استخدام آليات مختلفة لنسخ خيوط عكسية من الحلزون المزدوج.80 وبهذه الطريقة ، تملي القاعدة الموجودة على الحبل القديم أي قاعدة تظهر على الشريط الجديد ، وتنتهي الخلية بنسخة كاملة من الحمض النووي الخاص بها.

التفاعلات مع البروتينات

جميع وظائف الحمض النووي تعتمد على التفاعلات مع البروتينات. يمكن أن تكون تفاعلات البروتين هذه غير محددة ، أو يمكن أن يرتبط البروتين بشكل خاص بتسلسل DNA واحد. يمكن أن ترتبط الإنزيمات أيضًا بالحمض النووي DNA ، وهذه البوليميرات التي تنسخ تسلسل قاعدة الحمض النووي في النسخ وتكرار الحمض النووي لها أهمية خاصة.

بروتينات ربط الحمض النووي

تفاعل الحمض النووي مع histones (كما هو موضح باللون الأبيض ، أعلى). ترتبط الأحماض الأمينية الأساسية لهذه البروتينات (أسفل اليسار والأزرق) بمجموعات الفوسفات الحمضية الموجودة في الحمض النووي (أسفل اليمين ، الأحمر).

البروتينات الهيكلية التي تربط الحمض النووي هي أمثلة مفهومة جيدا لتفاعلات بروتين الحمض النووي غير المحددة. داخل الكروموسومات ، يوجد الدنا في مجمعات تحتوي على بروتينات هيكلية. هذه البروتينات تنظم الحمض النووي في بنية مدمجة تسمى الكروماتين. في حقيقيات النوى ، تتضمن هذه البنية ارتباط الحمض النووي معقدًا من مجموعة من البروتينات الأساسية الصغيرة تسمى histones ، بينما في بدائيات النوى هناك أنواع متعددة من البروتينات متورطة.8182 تشكل الهستونات مجمعًا على شكل قرص يسمى النوكليوزوم ، والذي يحتوي على منعطفين كاملين من الحمض النووي المزدوج تقطعت بهم السبل حول سطحه. تتشكل هذه التفاعلات غير المحددة من خلال المخلفات الأساسية في الهيستونات التي تربط الروابط الأيونية بالعمود الفقري الحمضي لسكر الحمض النووي من الحمض النووي ، وبالتالي فهي مستقلة إلى حد كبير عن التسلسل الأساسي.83 تشمل التعديلات الكيميائية لمخلفات الأحماض الأمينية الأساسية هذه المثيلة ، الفسفرة ، والأسيتيل.84 هذه التغييرات الكيميائية تغير قوة التفاعل بين الحمض النووي والهستونات ، مما يجعل الحمض النووي أكثر أو أقل الوصول إلى عوامل النسخ وتغيير معدل النسخ.85 تشتمل البروتينات الأخرى غير المحددة المرتبطة بالحمض النووي الموجودة في الكروماتين على بروتينات المجموعة عالية الحركة ، والتي ترتبط بشكل تفضيلي بالثني أو الحمض النووي المشوه.86 هذه البروتينات مهمة في صفائف الانحناء للنيوكليوزومات وترتيبها في هياكل كروماتين أكثر تعقيدًا.87

مجموعة مميزة من بروتينات ربط الحمض النووي هي بروتينات ربط الحمض النووي المفرد التي تقطعت بها السبل والتي تربط على وجه التحديد الحمض النووي المفرد. في البشر ، يعد بروتين التكرار A هو أفضل عضو في هذه العائلة وهو ضروري لمعظم العمليات التي يتم فيها فصل اللولب المزدوج ، بما في ذلك تكرار الحمض النووي ، إعادة التركيب ، وإصلاح الحمض النووي.88 يبدو أن هذه البروتينات الملزمة تعمل على تثبيت الحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل وحمايتها من تشكيل حلقات جذعية أو تتحلل بسبب نوويات.

عامل النسخ اللولبي لقمع الدوران الحلزوني المرتبط بهدف الحمض النووي الخاص به89

في المقابل ، تطورت بروتينات أخرى لربط تسلسل الحمض النووي على وجه التحديد. أكثر هذه الدراسات دراسة مكثفة هي فئات مختلفة من عوامل النسخ ، والتي هي بروتينات تنظم النسخ. يرتبط كل واحد من هذه البروتينات بمجموعة معينة من تسلسل الحمض النووي ، وبالتالي ينشط أو يمنع نسخ الجينات بهذه التسلسلات القريبة من المروجين. عوامل النسخ تفعل ذلك بطريقتين. أولاً ، يمكنهم ربط بوليميريز الحمض النووي الريبي المسؤول عن النسخ ، إما بشكل مباشر أو من خلال بروتينات وسيطة أخرى ؛ هذا يحدد موقع البلمرة في المروج ويسمح له بالبدء في النسخ.90 بدلاً من ذلك ، يمكن لعوامل النسخ ربط الإنزيمات التي تعدل هيستون في المروج ؛ سيؤدي ذلك إلى تغيير إمكانية الوصول إلى قالب الحمض النووي إلى البلمرة.91

نظرًا لأن أهداف الحمض النووي هذه يمكن أن تحدث في جميع أنحاء جينوم الكائن الحي ، فإن التغيرات في نشاط نوع واحد من عوامل النسخ يمكن أن تؤثر على آلاف الجينات.92 وبالتالي ، فإن هذه البروتينات غالبًا ما تكون أهداف عمليات نقل الإشارة التي تتوسط في الاستجابات للتغيرات البيئية أو التمايز الخلوي والتنمية. إن خصوصية تفاعلات عوامل النسخ هذه مع الحمض النووي تأتي من البروتينات التي تقوم بإجراء اتصالات متعددة على حواف قواعد الحمض النووي ، مما يسمح لهم "بقراءة" تسلسل الحمض النووي. يتم إجراء معظم هذه التفاعلات الأساسية في الأخدود الرئيسي ، حيث يمكن الوصول إلى القواعد بشكل أكبر.93

إنزيم تقييد EcoRV (الأخضر) في مجمع مع الحمض النووي الركيزة94

إنزيمات تعديل الحمض النووي

الأنوية والأربطة

Nucleases هي إنزيمات تقطع شرائط الحمض النووي عن طريق تحفيز التحلل المائي لسندات فوسفودستر. تسمى النيوكليوتات التي تحلل النيوكليوتيدات من أطراف شرائط الحمض النووي بالنوكليازات ، في حين تقطع النويدات الداخلية داخل الشرائط. إن نوكليازات الأكثر استخداما في البيولوجيا الجزيئية هي نوكلويات تقييد ، والتي قطعت الحمض النووي في تسلسل معين. على سبيل المثال ، يتعرف إنزيم EcoRV المبين على اليسار على تسلسل 6 قاعدة 5'-GAT | ATC-3 'ويقوم بإجراء قطع على الخط العمودي.

في الطبيعة ، تحمي هذه الإنزيمات البكتيريا من عدوى البلعمة عن طريق هضم الحمض النووي فج عندما تدخل الخلية البكتيرية ، وتعمل كجزء من نظام تعديل التقييد.95 في التكنولوجيا ، تُستخدم هذه nucleases الخاصة بالتسلسل في الاستنساخ الجزيئي وبصمات الحمض النووي.

يمكن للإنزيمات التي تسمى ligases DNA أن تنضم مرة أخرى إلى فروع DNA المكسورة ، باستخدام الطاقة من إما أدينوسين ثلاثي الفوسفات أو نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد.96 تعتبر Ligases مهمة بشكل خاص في تأخر تكرار الحمض النووي لل DNA ، حيث إنها تجمع بين الأجزاء القصيرة من الحمض النووي المنتجة عند شوكة النسخ المتماثل في نسخة كاملة من قالب الحمض النووي. كما أنها تستخدم في إصلاح الحمض النووي وإعادة التركيب الوراثي.96

Topoisomerases وطائرات الهليكوبتر

Topoisomerases هي إنزيمات لها نشاط نووي وليغاز. هذه البروتينات تغيير كمية supercoiling في الحمض النووي. بعض هذه الإنزيمات تعمل عن طريق قطع حلزون الدنا والسماح لقسم واحد بالتناوب ، مما يقلل من مستوى الإلتفاف الفائق ؛ الانزيم ثم ختم الأختام الحمض النووي.38 هناك أنواع أخرى من هذه الإنزيمات قادرة على قطع حلزون الحمض النووي واحد ثم تمرير خيط آخر من الحمض النووي من خلال هذا الكسر ، قبل الانضمام إلى اللولب.97 مطلوبة Topoisomerases للعديد من العمليات التي تنطوي على الحمض النووي ، مثل تكرار الحمض النووي والنسخ.39

Helicases هي بروتينات نوع من المحركات الجزيئية. يستخدمون الطاقة الكيميائية في ثلاثي فوسفات النيوكليوسيد ، في الغالب ATP ، لكسر روابط الهيدروجين بين القواعد وإرخاء حلزون الدنا المزدوج إلى فروع مفردة.98 هذه الإنزيمات ضرورية لمعظم العمليات حيث تحتاج الإنزيمات إلى الوصول إلى قواعد الحمض النووي.

بلمرة

البوليميرات هي إنزيمات تقوم بتوليف سلاسل متعدد النيوكليوتيد من ثلاثي الفوسفات النيوكليوسيدي. وهي تعمل عن طريق إضافة النيوكليوتيدات إلى مجموعة الهيدروكسيل 3 'من النيوكليوتيدات السابقة في حبلا الحمض النووي. نتيجة لذلك ، تعمل جميع البوليميرات في اتجاه 5 إلى 3.99 في الموقع النشط لهذه الإنزيمات ، يقوم الركيزة الثلاثية من النيوكليوسيد بتكوين أزواج الأساس في قالب متعدد النيوكليوتيد المفرد الذي تقطعت به السبل: هذا يسمح للبوليميرات بتوليف السلسلة التكميلية لهذا القالب بدقة. يتم تصنيف البوليميرات وفقًا لنوع القالب الذي يستخدمونه.

في تكرار الحمض النووي ، يقوم بوليميريز الحمض النووي المعتمد على الحمض النووي بنسخ الحمض النووي من تسلسل الحمض النووي. دقة أمر حيوي في هذه العملية ، لذلك العديد من هذه البوليميرات لها نشاط تصحيح التجارب المطبعية. هنا ، يتعرف البوليميراز على الأخطاء العرضية في تفاعل التوليف بسبب عدم وجود قاعدة الاقتران بين النيوكليوتيدات غير المتطابقة. إذا تم الكشف عن عدم تطابق ، يتم تنشيط نشاط نوكلياز 3 'إلى 5' وإزالة القاعدة غير الصحيحة.100 في معظم الكائنات الحية ، تعمل بوليميرات الحمض النووي في مجمع كبير يُطلق عليه replisome الذي يحتوي على وحدات فرعية متعددة ملحقة ، مثل المشبك DNA أو المروحيات.101

إن بوليميرات الدنا المعتمدة على الحمض النووي الريبي هي فئة متخصصة من البوليميرات التي تنسخ تسلسل حبلا الحمض النووي الريبي إلى الحمض النووي. وهي تشمل النسخ العكسي ، وهو إنزيم فيروسي يشارك في إصابة الخلايا بواسطة الفيروسات القهقرية ، والتيلوميراز ، وهو أمر ضروري لتكرار التيلوميرات.10251 Telomerase عبارة عن بوليميريز غير عادي لأنه يحتوي على قالب RNA الخاص به كجزء من بنيته.52

يتم النسخ من خلال بوليميريز RNA المعتمد على الحمض النووي الذي ينسخ تسلسل حبلا الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي. لبدء نسخ الجينات ، يرتبط بوليميريز الحمض النووي الريبي (RNA) بسلسلة من الحمض النووي (DNA) يُسمى المروج ويفصل خيوط الحمض النووي. ثم يقوم بنسخ تسلسل الجينات في نص رسول RNA حتى يصل إلى منطقة من الحمض النووي تسمى المنهي ، حيث يتم إيقافه وفصله عن الحمض النووي. كما هو الحال مع بوليميرات الحمض النووي التي تعتمد على الحمض النووي ، يعمل إنزيم RNA polymerase II ، وهو الإنزيم الذي يقوم بنسخ معظم الجينات في الجينوم البشري ، كجزء من مجمع بروتيني كبير مع وحدات فرعية تنظيمية وملحق متعددة.103

إعادة التركيب الجيني

هيكل تقاطع هوليداييد الوسيط في إعادة التركيب الوراثي. أربعة فروع منفصلة الحمض النووي هي الأحمر والأزرق والأخضر والأصفر.104
مزيد من المعلومات: التركيب الوراثي
يتضمن إعادة التركيب كسر وعود اثنين من الكروموسومات (M و F) لإنتاج اثنين من الكروموسومات المعاد ترتيبها (C1 و C2).

عادةً لا يتفاعل حلزون الحمض النووي مع أجزاء أخرى من الحمض النووي ، وفي الخلايا البشرية تحتل الكروموسومات المختلفة مناطق منفصلة في النواة تسمى "مناطق الكروموسوم".105 يعد هذا الفصل المادي لكروموسومات مختلفة أمرًا مهمًا لقدرة الحمض النووي على العمل كمستودع ثابت للمعلومات ، حيث إن واحدة من المرات القليلة التي يتفاعل فيها الكروموسومات أثناء كروس الكروموسومات عند إعادة تجميعها. يحدث كروسوسوم كروس عندما تنفصل حلزون الدنا عن طريق تبديل أحد المقاطع ثم تعود.

يسمح إعادة التركيب للصبغيات بتبادل المعلومات الوراثية وإنتاج مجموعات جديدة من الجينات ، والتي يمكن أن تكون مهمة للتغيرات المضافة في مجتمع ما ، وبالتالي التطور ، ويمكن أن تكون مهمة في التطور السريع للبروتينات الجديدة.106 يمكن أيضا أن تشارك إعادة التركيب الوراثي في ​​إصلاح الحمض النووي ، وخاصة في استجابة الخلية لفواصل حبلا مزدوجة.107

الشكل الأكثر شيوعًا من كروس الكروموسومات هو إعادة التركيب المتماثل ، حيث تشترك الكروموسومات المعنية في تسلسلات متشابهة جدًا. إعادة التركيب غير المتجانسة يمكن أن تكون ضارة للخلايا ، لأنها يمكن أن تنتج انتقال كروموسومي وتشوهات وراثية. يتم تحفيز تفاعل إعادة التركيب بواسطة إنزيمات معروفة باسم recombinases، مثل RAD51.108 الخطوة الأولى في إعادة التركيب هي كسر مزدوج تقطعت بهم السبل إما بسبب نوكلياز أو تلف الحمض النووي.109 تؤدي سلسلة من الخطوات المحفزة جزئياً بواسطة recombinase إلى دمج الحلمتين بواسطة تقاطع Holliday واحد على الأقل ، حيث يتم تجزيء جزء من حبلا واحد في كل حلزون إلى الشريط التكميلي في الحلزون الآخر. تقاطع Holliday هو عبارة عن هيكل تقاطع رباعي السطوح يمكن تحريكه على طول زوج من الكروموسومات ، مبادلاً حبلاً بآخر. ثم يتم إيقاف تفاعل إعادة التركيب من خلال انشقاق الوصلة وإعادة ربط الحمض النووي المفرج عنه.110

تطور استقلاب الحمض النووي

يحتوي الحمض النووي على المعلومات الوراثية التي تسمح لجميع الكائنات الحية الحديثة بالعمل

Pin
Send
Share
Send