بنية الأحماض النووية كيميائيا "شرح وافي "

السلام عليكم و رحمة الله تعالى و بركاته

في أساسيات الوراثة يقد موقع حكيم عدة دروس رائعة و مفيدة جدا و ان قرأتها تكسب بنك وافر من المعلومات التي ترسخ بالذهن
اخترت لكم هذا الدرس المهم و الملخص بطريقة جد رائعة ليساعدكم في الفهم . " بنية الأحماض النووية كيميائيا" .
ماهيّة الحمض النووي - بنية السلسلة عديدة النكليوتيد:
في البداية، لا بدَّ من التنويه إلى ان الحمض النووي نوعان، الأول هو الـ RNA (Ribonucleic Acid) أي الحمض النووي الريبي، والثاني هو الـDNA (Deoxyribonucleic Acid) أي الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين، وبنية الحمضين متماثلة تماماً عدا بعض الاختلافات التي سأتحدث عنها لاحقاً، لذا فحينما أقول "الحمض النووي" فأنا أقصد النوعيين والمعلومة التي تُذكر خاصة بالنوعين على حدٍّ سواء..
إن حجر الأساس في الحمض النووي هو النكليوتيد Nucleotide، وسبب اختلاف الحمضين النوويين عن بعضهما هو اختلاف حجر الأساس أي النكليوتيد بين النوعين، ولكن بشكل عام يتكون النكليوتيد من: جزيء سكّر ريبوز Ribose، مجموعة فوسفات Phosphate وأساس آزوتي Nitrogenous Base.

بنية النكليوتيد

أ‌. سكّر الريبوز: نمطان، أحدهما عادي، والآخر منقوص الأكسجين..

الريبوز

والجدير بالذكر أن الريبوز هو مفتاح اختلاف الـRNA عن الـDNA لأن:
• الـRNA يحوي على الريبوز العادي.
• الـ DNA يحوي على الريبوز منقوص الأكسجين لذا سميَّ بالحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين.

نمطا الريبوز (العادي، ومنقوص الأكسجين)

في الـRNA إذاً، السكّر يملك OH على ذرة الكربون الثانية وبالتالي يكون السكّر عادي، أي النكليوتيد عادي، أي الحمض النووي الريبي عادي، أي RNA.
أما في الـDNA فالسكّر يملك فقط H على ذرة الكربون الثانية، وبالتالي سيكون السكّر منقوص الأكسجين أي النكليوتيد منقوص الأكسجين أي الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين، أي DNA.
ب‌. مجموعة الفوسفات: قلنا مجموعة ولم نقل جزيء لأننا لا نستطيع الجزم بالفوسفات الموجود، فقد يكون النكليوتيد أحاديّ الفوسفات Monophosphate أي بذرة فوسفور واحدة مع أربع ذرات أكسجين وCH2، وقد يكون ثنائيّ الفوسفات Diphosphate أي بذرَّتي فوسفور مع سبع ذرات أكسجين وCH2، وقد يكون ثلاثيَّ الفوسفاتTriphosphate أيضاً.

ت‌. الأساس الآزوتي: في كلّ نكليوتيد أساس آزوتي واحد ينتمي للبيورينات أو البيريميدينات.
البيورين الواحد Purine هو أساس آزوتي بتسع مواقع (أربعة فوسفور وخمسة كربون) منتظمة في حلقتين وهو إما غوانين Guanine أو أدينين Adenine.

البيورينات

و البيريميدين الواحد Pyrimidine هو أساس آزوتي بستّ مواقع (اثنان فوسفور وأربعة كربون) منتظمة في حلقة واحدة، وهو إما أن يكون سيتوزين Cytosine أو ثايمين Thymine أو يوراسيل Uracil.

البيريميدينات

و الجدير بالذكر هنا أنه بالإضافة إلى الفرق في السكّر بين الـRNA والـDNA فهناك أيضاً فارق في الأسس الآزوتية الموجودة في نكليوتيدات كلّ منهما.
وحيث أن الغوانين والسيتوزين والأدينين مشتركان بين نكليوتيدات الـDNA والـRNA، فالثايمين موجود فقط في نكليوتيدات الـDNA واليوراسيل موجود فقط في نكوليتيدات الـRNA.
ما الفرق بين الثايمين واليوراسيل وكلاهما بيريميدينان؟
هو فرقٌ وحيد... ففي الموقع الخامس (كربون) في الثايمين توجد زمرة ميثيل CH3، أما في الموقع ذاته من اليوراسيل فلا يوجد سوى ذرة هيدروجين فقط.
ارتباط مكونات النكليوتيد ببعضها لتشكل نكليوتيد!
لا بدَّ في البداية من الإشارة إلى بنية هامة هي "النكليوزيد Nucleoside" وهو مكون أساس آزوتي (بيورين أو بيريميدين) مرتبط بالموقع (1)َ لسكّر الريبوز - أي لا يوجد فيه فوسفات.

بنية النكليوتيد

و بالتالي بانضمام مجموعة فوسفات إلى النكليوزيد يتحول تلقائياً إلى نكليوتيد.
إن الهدف من ربط مكونات النكليوتيد ببعضها هو أولاً تشكيل نكليوتيد، وثانياً خلق بنية بطرفين أحدهما (3)َ من الريبوز والآخر (5)َ لذات سكر الريبوز.
الربط يتم وفق النقاط التالية:
- لسكر الريبوز خمس مواقع (من الـ(1)َ إلى الـ(5)َ).
- الفوسفات يرتبط بالموقع (3)َ لسكر ريبوز أول وبالموقع (5)َ لسكر ريبوز ثان رابطاً بينهما.
- الأساس الآزوتي البيورين له (5) مواقع لذا يرتبط بالموقع (1)َ من الريبوز من خلال الموقع (1) له.
- الأساس الآزوتي البيريميدين له (9) مواقع لذا يرتبط أيضاً بالموقع (1)َ من الريبوز ولكن من خلال الموقع (9) له.
وبما أن الفوسفات ربط بين سكرين متجاورين تتضح لنا بنية السلسلة عديدة النكليوتيدات وهي عبارة عن شريط من جزيئات سكر-فوسفات المتناوبة بدءاً من الموقع (5)َ الخالي لأول ريبوز حتى الموقع (3)َ الخالي لآخر سكر ريبوز.
أي أن اتجاه سلسلة عديد النكليوتيد هو (5)َ-->(3)َ أي من أول ريبوز على اليسار إلى آخر ريبوز على اليمين.

رسم توضيحي لأماكن ارتباط مكونات السلسلة عديدة النكليوتيدات ببعضها

يمكننا اختصار اسم الأساس الآزوتي بأول حرف من اسمه، حيث:

الغوانين = G / السيتوزين = C / الأدنين = A / الثايمين = T / اليوراسيل = U

الخلاصة:

• النكليوزيد مكوّن من أساس آزوتي مرتبط بالريبوز فقط.
  
• الحمض النووي (RNA وDNA) مكوّن من سلسلة من النكليوتيدات.
  
• النكليوتيد مكون من سكر ريبوز ومجموعة فوسفات وأساس آزوتي.
  
• النكليوتيد (بتعبير آخر) مكوّن من نكليوزيد مرتبط بمجموعة فوسفات (أحادية أو ثنائية أو ثلاثية الفوسفات) متوضّعة على الكربون (3)َ (أو) (5)َ للريبوز.
  
• الفرق بين الـDNA والـRNA هو الموجود على الكربون (2)َ في الريبوز حيث في الـRNA يوجد OH على الكربون (2)َ في الريبوز (فهو عادي) وفي الـDNA يوجد H فقط على الكربون (2)َ في الريبوز (فهو منقوص الأكسجين).
  
• إن تسلسل جزيئات سكر الريبوز تكون من خلال مجموعة فوسفات بين السكّر والسكّر الذي يليه، ترتبط هذه المجموعة بالكربون (3)َ لأحد السكّرين وبالكربون (5)َ للسكر الآخر.
  
• لسلسلة عديد النكليوتيد نهايتان حرتان، الأولى في الموقع (5)َ للسكر الأول، والثانية في الموقع للسكر الأخير، لذا فاتجاه سلسلة عديد النكليوتيد هو (5)َ-->(3)َ.
  
• الـDNA يحوي T,A,C,G فقط. والـRNA يحوي U,A,C,G فقط (أي U بدل الـT).
  

الـDNA هو شريط مضاعف – نموذج واطسون وكريك:

واطسون (يساراً) وكريك (يميناً)

إن ما قلته في البداية حول تكوين شريط الـDNA من عمود فقري من السكر منقوص الأكسجين والفوسفات وأسس آزوتية جانبية مرتبط بجزيئات السكر كان وصفاً لبنية الشريط المفرد للـDNA أي وصفاً للسلسلة واحدة عديدة النكليوتيد.

سلسلة عديدة نكليوتيد

لكن بتقابل شريطي DNA مفردين وارتباط أسسهما الآزوتية ينتج لدينا جزيء الـDNA الحيوي مضاعف الشريط!

من الخلية... إلى الحمض النووي

إن معرفة أن الـDNA يحتوي على أسس آزوتية بأعداد مختلفة بين الكائنات الحيّة قاد إلى المفهوم التالي:

"إن متوالية الأسس الآزوتية هي التي تمثل المعلومات الوراثية التي يحملها الـDNA."

في أوائل الخمسينات من القرن الماضي، تعددت المحاولات لتفسير كيفية حمل الحمض النووي للمعلومات التي تحوَّل إلى سلسلة من الحموض الأمينية المشكلة للبروتين !
وفي عام 1953 حدَّد العالمان واطسون (J. D. Watson) وكريك (H. F. C. Crick)"شريط مضاعف" حيث:
• كثافة الـDNA (DNA Density) -المدروسة- وضّحت أن الـDNA هو شريط مضاعف مكوّن من شريطين مفردين كل منهما عبارة عن سلسلة عديد نكليوتيد مقابلة للأخرى ومعاكسة لها. (الحائزان على جائزة نوبل) موديل الـDNA كـ
• الأشعة السينية X-Ray بانعراجها خلال إمرارها على جزيء DNA وضّحت بملاقاة مسقطها أن الـDNA هو عبارة عن حلزون منظّم.

مسقط أشعة X-Ray بعد إمرارها داخل الـDNA

هذا الحلزون (وكأي حلزون) يتشكّل من خلال فتل شريط الـDNA (المضاعف) على ذاته، والتنظيم يكون من خلال إجراء لفة كل مسافة معيّنة.
وفي شريط الـDNA تحديداً، فإنه يقوم بلفّة كل 34 A أنغستروم (3,4 نانومتر) من طوله، ليشكّل بفتله المنتظم أسطوانة (ليس بالمعنى الحرفي) قطرها 20 A أنغستروم (2 نانومتر).
وبما أن البعد بين النكليوتيد والذي يليه في ذات الشريط المفرد هو 3,4 أنغستروم فإن شريط الـDNA المضاعف يقوم بلفة كل عشرة نكليوتيدات متتالية أي كل 10 أسس آزوتية.

شريط الـDNA بمسافاته وأثلامه وارتباطاته

• إن القطر الثابت للأسطوانة التي يشكلها شريط الـDNA المضاعف بفتله على نفسه (وهو 20 A أنغستروم) ليس نتيجة لعمل عشوائي، وإنما نتيجة لتوضع الأسس الآزوتية في الشريطين المفردين وفق قانون وهو:

"أن كل بيورين في السلسلة الأولى لا بدَّ وأن يقابله بيريميدين في السلسلة الثانية والعكس بالعكس"

لذا، يكون قطر الأسطوانة هو عبارة عن ثلاث حلقات (حلقتان من البيورين وحلقة من البيريميدين) بالإضافة إلى مسافة الرابطة.
ولنفرض توضع بيريميدين مقابل بيريميدين آخر، فإن ذلك سيعطي مسافة قدرها حلقتان فقط (مسافة قصيرة) ،وبفرض توضع بيورين مقابل بيورين ستنتج مسافة قدرها أربع حلقات (طويلة جداً).
إذاً فتقابل الأسس سيكون من خلال قوانين ثابتة وصارمة لتعطي قطراً ثابتاً لاسطوانة الـDNA.

• بالإضافة لقانون تقابل البيريميدين مع البيورين فهناك قانون آخر هو "قاعدة الاستكمالية Complementary Rule" التي تفرض تقابل الأدنين مع الثايمين، وتقابل السيتوزين مع الغوانين.

ارتباطات الأسس الآزوتية ببعضها

• بغض النظر عن كميّة (عدد) كل أساس آزوتي ما في شريط DNA ما، فإن نسبة وجود الأساس الآزوتي G في شريط مضاعف ما هي ذاتها نسبة وجود الأساس الآزوتي C في ذات الشريط المضاعف (بناءً على قاعدة الاستكمالية)، وكذلك بالنسبة للـA والـT.
لذا فإن DNA كائن حيّ معيّن يميّز بالنسبة G+C فيه والتي تتراوح بين 26% إلى 74% للكائنات الحيّة المختلفة.
اقترح واطسون وكريك أن السلسلتين عديدتي النكليوتيد ليستا منفصلتان عن بعضهما وإنما ترتبطان ببضعهما بواسطة روابط هيدروجينية متشكلة بين الأسس الآزوتية المتقابلة.
حيث أن الغوانين لا يستطيع إلا أن يقابل السيتوزين يشكّل معه رابطة هيدروجينية ثلاثية، والأدنين لا يستطيع إلا أن يقابل الثايمين فيشكل معه رابطة هيدروجينية ثنائية.
هذا التقابل والارتباط بين الأسس الآزوتية يسمى بازدواج الأسس Base Pairing والذي يتم حكماً تحت سيطرة قاعدة الاستكمالية Complementary Rule.
و أتمَّ العالمان اقتراحهما بأن السلسلتان المشكلتان لشريط الـDNA المضاعف تسيران باتجاهين متعاكسين، أي السلسلة الأولى بالاتجاه (5)َ-->(3)َ والأخرى بالاتجاه (3)َ-->(5)َ.

كهربائية جزيء الـDNA:
في شريط الـDNA المضاعف، يكون العمود الفقري (الفوسفات والسكر) متجهاً نحو الخارج ومشحوناً بشحنة سالبة Negative Charge متوضعة على جزيئات الفوسفات.
في المحلول In Vitro يكون المحلول الحاوي للـDNA معتدلاً بسبب وجود شوارد موجبة ضمن المحلول كالـNA+ مثلاً، أي تعدل الشحنة السالبة للـDNA.
والسؤال هنا:هل الـDNA في جسم الكائن الحي "سالب الشحنة" لعدم وجود شوارد موجبة كالتي توجد في المحلول؟
الـDNA (بمجمله) في الكائن الحي معتدل الشحنة، وذلك لوجود بروتينات موجبة الشحنة تعدّل من سلبية الـDNA.
إلى الداخل، تتوجه الأسس الآزوتية في شريط الـDNA المضاعف لتلتقي وترتبط ببعضها بالروابط الهيدروجينية آنفة الذكر.

رسم توضيحي لشريط الـDNA المضاعف

تشبيه.. توضيح!
يمكن أن نعتبر شريط الـDNA المضاعف (قبل التحلزن) عبارة عن سلّم، لذا تكون كل سلسلة عديدة النكليوتيد إحدى عمودي السلم.. أي عمودا السلم (في السلم) يكافئان السلسلتان عديدتا النكليوتيد (في شريط الـDNA المضاعف).
وأيضاً يمكن اعتبار الأسس الآزوتية المتقابلة المرتبطة ببعضها في شريط الـDNA المضاعف كدرجات السلم!
و عند التحلزن، يدور السلم حول نفسه دورة كل 10 درجات، وكذلك شريط الـDNA المضاعف يدور حول نفسه لفة كل 10 أسس آزوتية.
لماذا 10 أسس بالتحديد؟
إن كل زوج أساس آزوتي في الشريط المضاعف ملتف بمقدار 36 ْ حول محور الأسطوانة، لذا فإن زوج الأساس الآزوتي الثاني يلتف بمقدار 36 ْ درجة بدءاً من النقطة التي أنهى فيها الزوج السابق دورانه فيعطي 36 ْ دوران إضافية فيصبح الدوران مقدراً بـ72 ْ درجة.
أي أن التفاف عشر أزواج أسس آزوتية متتالية سيؤدي إلى التفاف الشريط المضاعف بمقدار 360 ْ /أي لفّة كاملة!/.
الأثلام:
نوعان، الثلم الصغير يمتد على طول 12 أنغستروم من طول الشريط المضاعف، والثلم الكبيرة على طول 22 أنغستروم أي أن كل لفة تمسح 10 أسس آزوتية تشكل ثلمان صغيران وثلمان كبيران (لأن هناك جانبان).
الخلاصة:

• لشريط الـDNA المضاعف عدة انماط، النمط الشائع هو النمط B المكون من سلسلتين ملتفتين على بعضهما بشكل متعاكس.
  
• في شريط الـDNA المضاعف تكون الأسس الآزوتية في كل شريط مفرد متجهة نحو الداخل ليتقابل الأساس في الشريط المفرد مع أساس من الشريط المقابل، ويرتبط الأساسان ببعضهما بروابط هيدروجينية بحيث يرتبط الـA مع الـT، ويرتبط الـC مع الـG .
  
• قطر الأسطوانة التي يشكلها شريط الـDNA المضاعف بتحلزنه هوA 20ْ أنغستروم.
  
• تحلزن الـDNA يكون من خلال لفة كل 34 A أنغستروم ماسحاً بذلك 10 أسس في اللفة الواحدة.
  
• بالتفاف الشريط المضاعف (تحلزنه) يصبح للأسطوانة في كل لفة ثلمان في كل جانب، أحدهما صغير Minor Groove والآخر كبير Major Groove. المراجع:
  
  Genes VIII For Benjamin Lewin
  Color Atlas Of Genetics (2nd Edition) For Eberhard Passarge And Jürgen Wirth