מאפייני חומצות גרעין

תוֹכֶן

• מאפיינים כלליים של DNA
• מאפיינים כלליים של RNA
• הבסיסים החנקניים
• תמלול ותרגום
• מגדילי DNA לכרומוזומים
• חומצות גרעין והופעת החיים
• טיפולים רפואיים

חומצות גרעין חשובות בטבע כוללות חומצה deoxyribonucleic, או DNA, וחומצה ribonucleic, או RNA. הם נקראים חומצות מכיוון שהם תורמים של פרוטון (כלומר אטום מימן), ולכן הם נושאים מטען שלילי.

מבחינה כימית, ה- DNA וה- RNA הם פולימרים, כלומר הם מורכבים מיחידות חוזרות, לעיתים קרובות חלק גדול מאוד מהן. יחידות אלה נקראות נוקליאוטידים. כל הנוקלאוטידים בתורם כוללים שלושה חלקים כימיים נבדלים: סוכר מחומש, קבוצת פוספט ובסיס חנקני.

ה- DNA שונה מ- RNA בשלושה דרכים ראשוניות. האחת היא שהסוכר שמרכיב את "עמוד השדרה" המבני של מולקולת חומצת הגרעין הוא דוקסיריאבוזה, ואילו ב- RNA זה ריבוז. אם בכלל מכירים את הנושאים הכימיים, תוכלו להכיר בכך שזה הבדל קטן בתכנית המבנית הכוללת; לריבוז יש ארבע קבוצות הידרוקסיל (-OH) ואילו לדוקסיריבוז שלוש.

ההבדל השני הוא שבעוד שאחד מארבעת הבסיסים החנקניים המצויים ב- DNA הוא תימין, הבסיס המקביל ב- RNA הוא אורציל. הבסיסים החנקניים של חומצות גרעין הם המכתיבים את המאפיינים הסופיים של מולקולות אלה, מכיוון שחלקי הפוספט והסוכר אינם משתנים בתוך או בין מולקולות מאותו סוג.

לבסוף, ה- DNA הוא גדילי כפול, כלומר הוא מורכב משתי שרשראות ארוכות של נוקלאוטידים הנקשרים כימית על ידי שני בסיסים חנקניים. ה- DNA נכרך לצורת "סליל כפול", כמו סולם גמיש מפותל בכיוונים מנוגדים בשני קצוותיו.

מאפיינים כלליים של DNA

Deoxyribose מורכב מטבעת חמישה אטומים, ארבעה פחמימות וחמצן, בצורת מחומש או צלחת ביתית בבייסבול. מכיוון שהפחמן יוצר ארבעה קשרים וחמצן שניים, זה משאיר שמונה אתרי קשירה חופשיים בארבעת אטומי הפחמן, שניים לכל פחמן, אחד מעל ואחד מתחת לטבעת. שלוש מהנקודות הללו תפוסות על ידי קבוצות הידרוקסיל (-OH), וחמישה נטענות על ידי אטומי מימן.

מולקולת סוכר זו עשויה להיקשר לאחד מארבעה בסיסים חנקניים: אדנין, ציטוזין, גואנין ותימין. אדנין (A) וגואנין (G) הם פורינים, ואילו ציטוזין (C) ותימין (T) הם פירימידינים. פורינים הם מולקולות גדולות יותר מפירימידינים; מכיוון ששני הגדילים של כל מולקולת DNA שלמה נקשרים באמצע על ידי הבסיסים החנקניים שלהם, קשרי קשר אלה חייבים להיווצר בין פורין אחד לפירימידין אחד כדי לשמור על הגודל הכולל של שני הבסיסים על פני המולקולה בערך קבוע. (זה עוזר להתייחס לכל תרשים של חומצות גרעין בזמן הקריאה, כמו אלה שבפניות.) כפי שזה קורה, A נקשר אך ורק ל- T ב- DNA, ואילו C נקשר באופן בלעדי לג '.

Deoxyribose הנקשר לבסיס חנקני נקרא א נוקלאוזיד. כאשר מתווספת קבוצת פוספט לדוקסיריבוזה בפחמן בשני כתמים הרחק מהמקום בו מוצמד הבסיס נוצר נוקלאוטיד שלם. המוזרויות של המטענים האלקטרוכימיים בהתאמה על האטומים השונים בנוקלאוטידים אחראיים על די.אנ.א. עם חוטים כפולים היוצרים באופן טבעי צורה סלילית, ושני גדילי ה- DNA במולקולה נקראים גדילים משלימים.

מאפיינים כלליים של RNA

סוכר הפנטוזה ב- RNA הוא ריבוז ולא deoxyribose. ריבוז זהה לדוקסיריבוזה למעט העובדה שמבנה הטבעת מחויב לארבע קבוצות הידרוקסיל (-OH) וארבעה אטומי מימן במקום לשלושה וחמישה בהתאמה. חלק הריבוז של נוקלאוטיד נקשר לקבוצת פוספטים ולבסיס חנקני, כמו ל- DNA, עם פוספטים וסוכרים לסירוגין היוצרים את "עמוד השדרה של ה- RNA". הבסיסים, כאמור לעיל, כוללים A, C ו- G, אך הפירימידין השני ב- RNA הוא אורציל (U) ולא T.

בעוד ש- DNA עוסק רק באחסון מידע בלבד (גן הוא פשוט גדיל של DNA המקודד לחלבון בודד), סוגים שונים של RNA מקבלים תפקידים שונים. RNA מסנג'ר, או mRNA, עשוי מ- DNA כאשר ה- DNA הרגיל כפול גדיל מתפצל לשני גדילים יחידים לצורך השעתוק. ה- MRNA שנוצר בסופו של דבר עושה את דרכו לעבר חלקי התאים שבהם מתרחש ייצור חלבונים, ונושא את ההוראות לתהליך זה שנמסר על ידי DNA. סוג שני של RNA, העברת RNA (tRNA), לוקח חלק בייצור חלבונים. זה מתרחש באברונים תאים הנקראים ריבוזומים, והריבוזומים עצמם מורכבים בעיקר מסוג RNA שנקרא, כביכול, RNA ריבוזומלי.

הבסיסים החנקניים

חמשת הבסיסים החנקניים - אדנין (A), ציטוזין (C), גואנין (G) ותימין (T) ב- DNA ושלושת הראשונים פלוס אורסיל (U) ב- RNA - הם חלקים של חומצות גרעין האחריות בסופו של דבר ל מגוון של מוצרי גנים על פני יצורים חיים. חלקי הסוכר והפוספט חיוניים בכך שהם מספקים מבנה ופיגומים, אך הבסיסים הם היכן שנוצרים הקודים. אם אתה חושב על המחשב הנייד שלך כחומצה גרעינית או לפחות כמחרוזת של נוקלאוטידים, החומרה (למשל, כונני דיסק, צג מסך, מעבד מעבד) מקבילה לסוכרים ולפוספטים, ואילו כל התוכנות והיישומים שאתה מפעיל הם כמו בסיסים חנקניים, מכיוון שהמגוון הייחודי של תוכניות שהעלית עליהם למערכת שלך הופך את המחשב שלך לאפקטיבי "אורגניזם".

כפי שתואר קודם, בסיסים חנקניים מסווגים כפורינים (A ו- G) או כפרימידינים (C, T ו- U). A תמיד מתיישר עם גדיל DNA עם T ו- C תמיד מזדווג עם G. חשוב מכך, כאשר גדיל DNA משמש כתבנית לסינתזה של RNA (תעתוק), בכל נקודה לאורך מולקולת ה- RNA ההולכת וגדלה, נוקליאוטיד ה- RNA הנוצר. מגרעין ה- DNA של "האב" כולל את הבסיס שהוא זה שאליו הבסיס "האב" תמיד נקשר. זה נחקר בפרק נוסף.

הפורינים מורכבים מטבעת חנקן ופחמן בת שישה חברים וטבעת חנקן ופחמן בת חמישה חברים, כמו משושה וחומש המחולקים צד. סינתזת פורין כוללת ציוצים כימיים של סוכר ריבוז, ואחריו תוספת אמינו (-NH₂) קבוצות. לפירימידינים יש גם טבעת חנקן ופחמן בעלת שישה חברים, כמו פורינים, אך חסרה טבעת החנקן והפחמן של חמישה חברים של פורינים. לפורינים יש אפוא מסה מולקולרית גבוהה יותר מפירימידינים.

הסינתזה של נוקלאוטידים המכילים פירמידינים וסינתזה של נוקלאוטידים המכילים פורינים מתרחשים בסדר הפוך בשלב מכריע אחד. בפירימידינים, חלק הבסיס מורכב תחילה, ושאר המולקולה משתנה לנוקלאוטיד אחר כך. בפורינים, החלק שהופך בסופו של דבר לאדנין או לגואנין משתנה לקראת סוף היווצרות נוקליאוטידים.

תמלול ותרגום

תמלול הוא יצירת גדיל של mRNA מתבנית DNA, הנושאת את אותן הוראות (כלומר קוד גנטי) לייצור חלבון מסוים כמו שעושה התבנית. התהליך מתרחש בגרעין התא, בו נמצא DNA.כאשר מולקולת DNA כפולת חוטים נפרדת לחלקים בודדים ומתמכר התעתיק, ה- mRNA הנוצר משכבה אחת מצמד ה- DNA "הלא רוכסן" זהה ל- DNA של הגדיל השני של ה- DNA הלא רוכסן, פרט לכך שה- mRNA מכיל U במקום T. (שוב, הפניה לתרשים מועילה; ראה הפניות.) ה- mRNA, לאחר השלמתו, משאיר את הגרעין דרך נקבוביות בקרום הגרעיני. לאחר שה- mRNA עוזב את הגרעין, הוא מתחבר לריבוזום.

אנזימים נצמדים אז למתחם הריבוזומלי ומסייעים בתהליך התרגום. תרגום הוא המרת הוראות ה- mRNA לחלבונים. מצב זה מתרחש כאשר חומצות אמינו, תת-יחידות של חלבונים, נוצרות מ"קודונים "עם תלת-נוקלאוטידים על גדיל ה- mRNA. התהליך כולל גם rRNA (מכיוון שהתרגום מתרחש על ribsomes) ו- tRNA (המסייע בהרכבת חומצות אמינו).

מגדילי DNA לכרומוזומים

גדילי ה- DNA מתאספים לסליל כפול בגלל מפגש של גורמים קשורים. אחד מאלו הם קשרי המימן שנמצאים באופן טבעי על פני חלקים שונים של המולקולה. עם התגבשות הסליל, זוגות ההדבקה של בסיסים חנקניים הם בניצב לציר הסליל הכפול בכללותו. כל סיבוב מלא כולל בסך הכל כעשרה זוגות מלוכדים בסיסיים. מה שאפשר לכנות "הצדדים" של ה- DNA כשהוא מונח כ"סולם "נקראים כיום" השרשראות "של הסליל הכפול. אלה מורכבים כמעט לחלוטין מחלקי הריבוזה והפוספט של נוקלאוטידים, כאשר הבסיסים נמצאים בפנים. על פי הסליל, יש חריצים גדולים וגם מינוריים הקובעים את צורתו היציבה בסופו של דבר.

אמנם ניתן לתאר את הכרומוזומים כקטעים ארוכים מאוד של DNA, אך זהו פשט גס. נכון כי כרומוזום נתון יכול, בתיאוריה, להיות מנוטרף כדי לחשוף מולקולת DNA אחת בלתי-שבורה, אך הדבר אינו מצביע על התפתלות מורכבת, סליל ואשכול ש- DNA עושה בדרך ליצירת כרומוזום. כרומוזום אחד כולל מיליוני זוגות בסיסים של DNA, ואם כל ה- DNA נמתח מבלי לשבור את הסליל, אורכו היה נמשך מכמה מילימטרים לסנטימטר. במציאות, ה- DNA מרוכז בהרבה. חלבונים המכונים היסטונים נוצרים מארבעה זוגות של חלבוני תת יחידה (שמונה יחידות יחידה בסך הכל). מתומן זה משמש סליל מיני עבור סליל ה- DNA הכפול שיעטוף את עצמו פעמיים, כמו חוט. מבנה זה, האוקטמר בתוספת ה- DNA הנכרך סביבו, נקרא נוקלאוזום. כאשר כרומוזום מתפרק בחלקו לחוט הנקרא כרומטיד, נוקלאוזומים אלה מופיעים במיקרוסקופ כחרוזים על חוט. אך מעל לרמת הגרעין, מתרחשת דחיסה נוספת של החומר הגנטי, אם כי המנגנון המדויק נותר חמקמק.

חומצות גרעין והופעת החיים

DNA, RNA וחלבונים נחשבים ביו-פולימרים מכיוון שהם רצפי מידע חוזרים וחומצות אמינו הקשורים לדברים חיים ("ביו" פירושו "חיים"). ביולוגים מולקולריים כיום מכירים בכך ש- DNA ו- RNA בצורה כלשהי מקדימים את הופעת החיים על פני כדור הארץ, אך נכון לשנת 2018 איש לא הצליח להבין את המסלול מהביו-פולימרים המוקדמים לדברים חיים פשוטים. חלקם תיאורטו כי RNA בצורה כלשהי היה המקור המקורי לכל הדברים האלה, כולל DNA. זו "ההשערה העולמית של ה- RNA." עם זאת, זה מציג מעין תרחיש של תרנגולת-ביצה עבור ביולוגים, מכיוון שמולקולות RNA גדולות מספיק, לכאורה, לא היו יכולות להופיע בשום אמצעי אחר מלבד שעתוק. בכל מקרה, המדענים בוחנים כעת בלהיטות גוברת את ה- RNA כיעד למולקולה המשכפלת את עצמה הראשונה.

טיפולים רפואיים

כימיקלים המחקים את המרכיבים של חומצות גרעין משמשים כיום כתרופות, עם התפתחויות נוספות בתחום זה. לדוגמה, צורה שונה מעט של אורציל, 5-פלואורורציל (5-FU), משמשת במשך עשרות שנים לטיפול בקרצינומה של המעי הגס. זה עושה זאת על ידי חיקוי בסיס חנקני אמיתי מספיק קרוב כך שהוא יוחדר לתוך ה- DNA החדש שיוצר. זה מוביל בסופו של דבר להתמוטטות בסינתזת החלבון.

חוקרים של נוקלאוזידים (שהם, כזכור, הם סוכר ריבוז בתוספת בסיס חנקני) שימשו בטיפול אנטיבקטריאלי ואנטי-ויראלי. לפעמים, זהו חלק הבסיס של הגרעין שעובר שינוי, ובפעמים אחרות התרופה מכוונת לחלק הסוכר.