عالم الأحياء 12: الأحماض النووية
الأحماض النووية هي من الجزيئات الكبيرة الضرورية لاستمرار حياة المخلوق الحي، حيث يحمل الحمض النووي كافة المعلومات الوراثية للمخلوق الحي.
كما ينقل الحمض النووي المعلومات الوراثية من الآباء إلى الأبناء، ويُقدم الشيفرات التي يحتاجها الجسم لصناعة البروتينات، كما تُساهم هذه البروتينات ببناء الخلايا والأنسجة.
لكن كيف يحمل الحمض النووي هذه المعلومات جميعها؟
وكيف يستفيد الجسم منها؟
في الحقيقة هذا الأمر معقد ورائع للغاية، وسنوضح هنا معلومات عامة عنه، وأما التفاصيل فسيتم التطرق لها عندما نبدأ بالحديث عن الأحياء الجزيئية.
ما هي الأحماض النووية
الأحماض النووية هي جزيئات كبيرة تتألف من وحدات صغيرة للغاية يُطلق عليها اسم النيوكليوتيدات.
تنقسم النيوكليوتيدات إلى نوعين وهما:
- الحمض النووي الريبوزي والذي يُرمز له بالرمز RNA.
- الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين والذي يُرمز له بالرمز DNA.
الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين أو مركب DNA هو أصل المادة الوراثية في جميع المخلوقات الحية ابتداء من البكتيريا أحادية الخلية وصولًا إلى الثدييات عديدة الخلايا كالبشر.
عمومًا، يُمكن لبعض الفيروسات استخدام الحمض النووي الريبوزي RNA فقط بدلًا من الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين.
ولكن الفيروسات في الغالب لا تُصنف ضمن المخلوقات الحية، وهذا لأنها لا تتكاثر إلا داخل جسم العائل.
الأحماض النووية داخل الخلايا
في حقيقيات النوى، يُمكن العثور على الأحماض النووية في داخل نواة الخلية، ومن الجدير بالذكر أن للنواة غشاءها الخاص.
كما يُمكن أن تحتوي الميتوكندريا والبلاستيدات الخضراء على مادتها الوراثية الخاصة.
يعود السبب في ذلك إلى حاجة البلاستيدات الخضراء أو الميتوكندريا إلى إنتاج الطاقة مباشرة من دون انتظار أي أوامر من النواة، وهذا يزيد من سرعة عملية إنتاج الطاقة.
أما في بدائيات النوى كالبكتيريا، لا يُحيط الحمض النووي أي غشاء، ولكنه يقع في منطقة متخصصة يُطلق عليها اسم شبه النواة أو النيوكلويد.
عادة ما ينقسم الحمض النووي في حقيقيات النوى إلى أجزاء صغيرة تُعرف باسم الكروموسومات، ويتضمن الكروموسوم عشرات آلاف الجينات، وكل جين منهم يُشكل إرشادات محددة متعلقة بالخلية.
أما في بدائيات النوى تكون الكروموسومات صغيرة للغاية، وغالبًا ما تكون دائرية، ويُطلق عليها في هذه الحالة اسم البلازميد.
الأحماض النووية والبروتينات
تُعبر كل مجموعة من الجينات عن حمض أميني معين، وباتحاد عدة أحماض أمينية معًا كسلسلة واحدة يتكون البروتين.
في البداية، من المهم التركيز على أن الحمض الريبوزي منقوص الأكسجين DNA يتألف من سلسلتين ملتفتان معًا.
أما الحمض الريبوزي RNA فيتألف من سلسلة واحدة فقط.
عندما يحتاج الجسم إلى بروتين ما، فهو ينسخ الكود الخاص به من الحمض الريبوزي، ويُطلق عليه اسم الحمض الرايبوزي الرسول mRNA، ثم ينقله عن طريق ما يُعرف باسم الحمض الريبوزي الناقل أو ما يُرمز له بالرمز tRNA.
عمومًا، تُعد هذه الفقرة مقدمة لعلم يُطلق عليه اسم الأحياء الجزيئية، والتي تركز على دراسة كيفية بناء البروتينات من الحمض الريبوزي منقوص الأكسجين.
النيوكليوتيدات
يعتبر كلٌ من الحمض الريبوزي منقوص الأكسجين والحمض الريبوزي بوليمرات كبيرة، وتتألف هذه البوليمرات من مونومرات يُطلق عليها اسم النيوكليوتيدات.
يتكون كل نيوكليوتيد من ثلاثة أجزاء رئيسية وهي كالآتي:
- القاعدة النيتروجينية التي تتألف من جزيء حلقي يتضمن النيتروجين، وترتبط القاعدة النيتروجينية بإحدى ذرات الكربون في السكر خماسي الكربون.
- سكر خماسي الكربون، والذي يُشكل مركز النيوكليوتيد.
- مجموعة فوسفات واحدة على الأقل، وترتبط هي أيضًا بإحدى ذرات الكربون في السكر خماسي الكربون.
القواعد النيتروجينية
القواعد النيتروجينية هي جزيئات عضوية حلقية تعتمد على الكربون، كما تحتوي على النيتروجين.
بالنسبة للحمض الريبوزي منقوص الأكسجين، يحتوي كل نيوكليوتيد على واحدة من أربع قواعد نيتروجينية، وتنقسم هذه القواعد إلى مجموعتين وهما:
- البيورينات: وهما القاعدتان النيتروجينيتان الأدينين والجوانين، وتتضمن البيورينات في تركيبها الكيميائي حلقتين ملتصقين معًا من الكربون.
- البيريميدين: وهما القاعدتان السيتوسين والثايمين، وهما يتضمنان حلقة واحدة واحدة فقط تحتوي على النيتروجين.
أما في الحمض الريبوزي، يتم استبدال الثايمين ببيريميدين آخر يُطلق عليه اسم اليوراسيل.
في الصورة أعلاه الفرق بين شكل الحمض الريبوزي منقوص الأكسجين والحمض الريبوزي، بالإضافة إلى التركيب الكيميائي الحلقي لكل قاعدة نيتروجينية.
كما يُعبر عن القواعد النيتروجينية وفق الآتي:
- الأدينين: بالإنجليزية Adenine ويرمز له بالرمز A.
- الجوانين: بالإنجليزية Guanine ويُرمز له بالرمز G.
- السيتوسين: بالإنجليزية Cytosine ويُرمز له بالرمز C.
- الثايمين: بالإنجليزية Thymine ويُرمز له بالرمز T.
- اليوراسيل: بالإنجليزية Uracil ويُرمز له بالرمز U.
السكر خماسي الكربون
يتألف النيوكليوتيد أيضًا من جزيء سكر حلقي خماسي الكربون، ويوجد فرق واحد فقط بين الحمض الريبوزي والحمض الريبوزي منقوص الأكسجين في هذا الجزيء.
في الحمض الريبوزي، ترتبط ذرة الكربون الثانية مع مجموعة هيدروكسيل OH.
بينما في الحمض الريبوزي منقوص الأكسجين ترتبط ذرة الكربون الثانية مع هيدروجين فقط، ولهذا يُطلق عليه اسم منقوص الأكسجين.
كما يُعد السكر خماسي الكربون مركز النيوكليوتيد، فترتبط القاعدة النيتروجينية مع الكربون رقم واحد، بينما ترتبط مجموعة الفوسفات مع الكربون رقم 5.
مجموعة الفوسفات
يُمكن أن يحتوي النيوكليوتيد على مجموعة فوسفات واحدة أو يتضمن سلسلة من ثلاثة مجموعات على الأكثر.
في العادة، يُطلق اسم النيوكليوتيد على أحادي الفوسفات، كما يُطلق اسم عديد النيوكليوتيد إذا كان يمتلك ثلاثة مجموعات من الفوسفات.
عمومًا، عندما يتحد النيوكليوتيد مع بقية النيوكليوتيدات لتشكيل الحمض الريبوزي منقوص الأكسجين أو الحمض الريبوزي فإنه يفقد مجموعتي الفوسفات، ويتبقى له مجموعة واحدة.
لهذا السبب لا يُمكن أن يمتلك النيوكليوتيد في سلسلة الأحماض النووية أكثر من مجموعة فوسفات واحدة.
سلسلة النيوكليوتيدات
في الأحماض النووية، تتشكل سلاسل طويلة من النيوكليوتيدات الملتصقة معًا، ولهذه السلاسل اتجاه محدد.
تبدأ هذه السلاسل بالاتجاه رقم 5’، وتنتهي بالاتجاه رقم 3’، ويعني هذا أن عملية بناء الأحماض النووية تتم في النهاية في الاتجاه 3′.
عندما ترتبط النيوكليوتيدات معًا، ترتبط مجموعة الفوسفات في النيوكليوتيد الأول برابطة تساهمية مع حلقة السكر من النيوكليوتيد الثاني، ويُطلق على هذه الرابطة اسم رابطة الفوسفور ثنائية الاستر.
خصائص الأحماض النووية
تتميز سلاسل الحمض الريبوزي منقوص الأكسجين بأنها عبارة عن سلسلتين ملتفتين معًا بشكل حلزوني أو لولبي مزدوج.
يُشكل الجزء الخارجي من هذا الحلزون المزدوج مجموعة الفوسفات المرتبطة بالسكر خماسي الكربون.
أما الجزء الداخلي فيتألف من ترابط قاعدة نيتروجينية من السلسلة الأولى مع قاعدة نيتروجينية أخرى مكملة لها من السلسلة الثانية.
تشبه القواعد النيتروجينية المرتبطة معًا درجات السلم في داخل الشكل الحلزوني المزدوج، تمامًا كما هو واضح في هذه الصورة.
في الحمض الريبوزي منقوص الأكسجين يكون اتجاه السلسلة الأولى عكس اتجاه السلسلة الثانية.
وهذا يعني أن الاتجاه 5′ يُقابله في السلسلة الأخرى الاتجاه 3’، وهذا الأمر مهم للغاية لنسخ الحمض الريبوزي.
كما أن القواعد النيتروجينية لا ترتبط معًا بشكل عشوائي، فالأدنين يرتبط فقط مع الثايمين، والسايتوسين يرتبط فقط مع الجوانين.
في الصورة أدناه مثال لترتيب القواعد النيتروجينية، وكيف تقابلها القواعد النيتروجينية الأخرى في السلسلة المقابلة.
كما نُلاحظ اتجاه السلسلتين المتعاكس، فالاتجاه 3′ يُقابله الاتجاه 5′ والعكس صحيح.
وعندما تتطابق السلسلتين بهذا الشكل يُطلق عليهم لفظ مكملتان، وهذا يعني أن كل سلسلة مكملة للأخرى، وهذه من الخصائص الهامة في الحمض الريبوزي منقوص الأكسجين.
أما بالنسبة للحمض الريبوزي RNA فهو يتألف من سلسلة واحدة فقط، وينقسم إلى أربعة أنواع وهم:
- الحمض الريبوزي الرسول mRNA.
- الحمض الريبوزي الناقل tRNA.
- الحمض الريبوزي الرايبوسومي rRNA.
- الحمض الريبوزي التنظيمي miRNA و siRNA.
وسيتم تفصيل وظيفة كل نوع من أنواع الحمض الريبوزي في المقال المخصص بشرح كيفية صناعة البروتينات.
