חומצות גרעין: מאפיינים, פונקציות, מבנה - ביולוגיה - 2025

חומצות הגרעין הן מולקולות ביולוגיות גדולות נוצרו על ידי יחידות או מונומרים שנקראו נוקלאוטידים. הם אחראים על אחסון והעברת מידע גנטי. הם גם משתתפים בכל אחד מהשלבים של סינתזת החלבון.

מבחינה מבנית, כל נוקלאוטיד מורכב מקבוצת פוספטים, סוכר בן חמישה פחמן ובסיס חנקן הטרוציקליקי (A, T, C, G ו- U). ב- pH פיזיולוגי, חומצות גרעין נטענות שליליות, מסיסות במים, יוצרות תמיסות צמיגות, והן יציבות למדי.

מקור: pixabay.com

ישנם שני סוגים עיקריים של חומצות גרעין: DNA ו- RNA. ההרכב של שתי חומצות הגרעין דומה: בשתיהן אנו מוצאים סדרה של נוקלאוטידים המקושרים על ידי קשרי פוספודיאסטר. עם זאת, ב- DNA אנו מוצאים תימין (T) וב- RNA uracil (U).

ה- DNA ארוך יותר ונמצא במבנה סליל כפול ו- RNA מורכב מגדיל בודד. מולקולות אלה קיימות בכל האורגניזמים החיים, החל מוירוסים וכלה ביונקים גדולים.

פרספקטיבה היסטורית

גילוי חומצות גרעין

גילוי חומצות גרעין הוא עוד משנת 1869 כאשר פרידריך מיסשר זיהה כרומטין. בניסוייו חילק מיסשר חומר ג'לטיני מהליבה וגילה כי חומר זה עשיר בזרחן.

בתחילה, החומר בעל אופי מסתורי הוגדר כ"גרעין ". ניסויים מאוחרים יותר על הגרעין הגיעו למסקנה כי הוא אינו עשיר רק בזרחן, אלא גם בפחמימות ובבסיסים אורגניים.

פובוס לוון מצא כי נוקליין הוא פולימר ליניארי. למרות שהיו ידועים המאפיינים הכימיים הבסיסיים של חומצות גרעין, אך לא נחשב שיש קשר בין פולימר זה לחומר התורשתי של יצורים חיים.

גילוי תפקוד ה- DNA

באמצע שנות הארבעים של המאה הקודמת, זה לא היה משכנע עבור הביולוגים של התקופה כי המולקולה האחראית על העברת ואחסון המידע של האורגניזם שוכנת במולקולה עם קונפורמציה פשוטה כמו DNA - המורכבת מארבעה מונומרים דומים מאוד (נוקלאוטידים) כל אחד.

חלבונים, פולימרים המורכבים מ 20 סוגים של חומצות אמינו, נראו באותה עת המועמדים האמינים ביותר להיות מולקולת התורשה.

השקפה זו השתנתה בשנת 1928, כאשר החוקר פרד גריפית 'חשד כי הגרעין מעורב בתורשה. לבסוף, בשנת 1944 הצליח אוסוולד אייברי להסיק בראיות איתנות לכך ש- DNA מכיל מידע גנטי.

כך, ה- DNA עבר מלהיות מולקולה משעממת ומונוטונית, המורכבת מארבעה אבני בניין בלבד, למולקולה המאפשרת אחסון של מספר עצום של מידע, וזה יכול לשמר ולהעביר אותו בצורה מדויקת, מדויקת ויעילה.

גילוי מבנה ה- DNA

שנת 1953 הייתה מהפכנית למדעים הביולוגיים, שכן החוקרים ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק הבינו את המבנה הנכון של ה- DNA.

על סמך הניתוחים של דפוסי השתקפות הרנטגן, התוצאות של ווטסון וקריק העלו כי המולקולה היא סליל כפול, שם קבוצות הפוספטים מהוות עמוד שדרה חיצוני והבסיסים מוקרנים אל תוך הפנים.

בדרך כלל נעשה שימוש באנלוגיה של סולם, שם המעקות תואמים את קבוצות הפוספטים ואת הקווים לבסיסים.

גילוי רצף DNA

בשני העשורים האחרונים חלו התקדמות יוצאת דופן בביולוגיה, בהובלת רצף DNA. בזכות ההתקדמות הטכנולוגית, כיום יש לנו את הטכנולוגיה הנחוצה כדי לדעת את רצף ה- DNA בדיוק די גבוה - באמצעות "רצף" אנו מתכוונים לסדר הבסיסים.

בתחילה, הסבר על הרצף היה אירוע יקר ולקח זמן רב להשלים. נכון לעכשיו אין זו בעיה לדעת את רצף הגנומים השלמים.

מאפיינים

טעינה ומסיסות

כשמו כן הוא, טיבן של חומצות גרעין הוא חומצי והן מולקולות עם מסיסות גבוהה במים; כלומר הם הידרופיליים. ב- pH פיזיולוגי, המולקולה טעונה באופן שלילי, בגלל נוכחותן של קבוצות פוספט.

כתוצאה מכך, החלבונים שאליהם DNA נקשר עשירים בשאריות של חומצות אמינו עם מטענים חיוביים. הקשר הנכון של ה- DNA הוא קריטי לאריזתו בתאים.

צְמִיגוּת

צמיגות החומצה הגרעינית תלויה אם זו פס כפול או יחיד. DNA-band כפול יוצר פתרונות בעלי צמיגות גבוהה, מכיוון שמבנהו נוקשה ומתנגד לעיוות. יתר על כן, מדובר במולקולות ארוכות במיוחד ביחס לקוטר שלה.

לעומת זאת, ישנם גם תמיסות חומצות גרעין חד-גוניות, המאופיינות בצמיגות נמוכה.

יַצִיבוּת

מאפיין נוסף של חומצות גרעין הוא יציבותן. מטבע הדברים, מולקולה עם משימה כה הכרחית כמו אחסון ירושה חייבת להיות יציבה מאוד.

יחסית, ה- DNA יציב יותר מ- RNA, מכיוון שהוא חסר קבוצת הידרוקסיל.

יתכן שמאפיין כימי זה מילא תפקיד חשוב בהתפתחות חומצות גרעין ובבחירת ה- DNA כחומר תורשתי.

על פי המעברים ההיפותטיים שהציעו כמה מחברים, RNA הוחלף על ידי DNA בתהליך האבולוציוני. עם זאת, כיום ישנם כמה וירוסים המשתמשים ב- RNA כחומר גנטי.

ספיגת אור אולטרה סגול

ספיגת חומצות גרעין תלויה גם אם מדובר בפס כפול או פס יחיד. שיא הקליטה של ​​הטבעות במבנה שלהם הוא 260 ננומטר (ננומטר).

כאשר גדיל ה- DNA הכפול-מתחיל מתחיל להיפרד, הספיגה באורך הגל המוזכר עולה, מכיוון שהטבעות המרכיבות את הנוקלאוטידים נחשפים.

פרמטר זה חשוב לביולוגים מולקולריים במעבדה, שכן על ידי מדידת ספיגתם הם יכולים להעריך את כמות ה- DNA הקיימת בדגימות שלהם. באופן כללי הידע על תכונות ה- DNA תורם לטיהורו וטיפולו במעבדות.

סיווג (סוגים)

שתי חומצות הגרעין העיקריות הן DNA ו- RNA. שניהם מרכיבים מכל הדברים החיים. DNA מייצג חומצה deoxyribonucleic ו- RNA עבור חומצה ribonucleic. שתי המולקולות ממלאות תפקיד בסיסי בתורשה ובסינתזת החלבון.

ה- DNA הוא המולקולה המאחסנת את כל המידע הדרוש להתפתחות של אורגניזם, ומקובצת ליחידות פונקציונליות הנקראות גנים. RNA אחראי על לקיחת מידע זה, ויחד עם קומפלקסים חלבוניים, מתרגם את המידע משרשרת של נוקלאוטידים לשרשרת של חומצות אמינו.

גדילי RNA יכולים להיות באורך של כמה מאות או כמה אלפי נוקליאוטידים, ואילו גדילי ה- DNA חורגים ממיליוני נוקלאוטידים וניתן לדמיין אותם תחת אור מיקרוסקופ אופטי אם הם מוכתמים בצבעים.

ההבדלים המבניים הבסיסיים בין שתי המולקולות יפורטו בסעיף הבא.

RNA

בתאים ישנם סוגים שונים של RNA הפועלים יחד לתזמור סינתזת חלבון. שלושת הסוגים העיקריים של RNA הם שליח, ריבוזומלי והעברה.

Messenger RNA

Messenger RNA אחראי על העתקת ההודעה שקיימת ב- DNA והעברתם לסינתזת החלבון המתרחשת במבנים הנקראים ריבוזומים.

RNA ריבוזומלי או ריבוזומלי

RNA ריבוזומלי נמצא כחלק ממכונה חיונית זו: הריבוזום. מבין הריבוזום, 60% מורכבים מ- RNA ריבוזומי והשאר תפוסים כמעט 80 חלבונים שונים.

העבר RNA

העברת RNA היא סוג של מתאם מולקולרי המעביר חומצות אמינו (אבני הבניין של חלבונים) לריבוזום, שישולבו.

RNA קטן

בנוסף לשלושת הסוגים הבסיסיים הללו, ישנם מספר RNAs נוספים שהתגלו לאחרונה הממלאים תפקיד חיוני בסינתזת חלבון וביטוי גנים.

RNA גרעיני קטן, המקוצר כ- snRNA, משתתפים כישויות קטליטיות בשחבור (תהליך המורכב מהסרת האינטרונים) של ה- RNA המסנג'ר.

RNAs גרעינים קטנים או snoRNA מעורבים בעיבוד של תמלילי RNA טרום ריבוזומלים המהווים חלק מיחידת המשנה של הריבוזום. זה מתרחש בגרעין.

RNA וקצרים המפריעים ל- RNA הם רצפי RNA קטנים שתפקידם העיקרי הוא אפנון ביטוי הגנים. מיקרו-רנ"א מקודד מ- DNA, אך התרגום שלהם לחלבונים אינו ממשיך. הם חד-גדילים ויכולים להשלים RNA של הודעה, ומעכבים את התרגום שלה לחלבונים.

מבנה והרכב כימי

חומצות גרעין הן שרשראות פולימריות ארוכות המורכבות מיחידות מונומריות הנקראות נוקלאוטידים. כל אחד מהם מורכב מ:

קבוצת פוספטים

ישנם ארבעה סוגים של נוקלאוטידים ויש להם מבנה משותף: קבוצת פוספט המקושרת לחומש דרך קשר פוספודיאסטר. נוכחותם של פוספטים מעניקה למולקולה אופי חומצי. קבוצת הפוספט מתנתקת ב pH של התא, כך שהיא נטענת שלילית.

מטען שלילי זה מאפשר קשר של חומצות גרעין למולקולות שהמטען שלהן חיובי.

כמויות קטנות של נוקלאוזידים ניתן למצוא בתוך תאים וגם בנוזלים חוץ תאיים. מדובר במולקולות המורכבות מכל המרכיבים של נוקלאוטיד, אך חסרות קבוצות פוספטים.

על פי nomenclature זה, נוקלאוטיד הוא נוקלאוזיד שיש בו קבוצות פוספט אחת, שתיים או שלוש המועתרות בהידרוקסיל הממוקם בפחמן 5 '. נוקלאוזידים עם שלושה פוספטים מעורבים בסינתזה של חומצות גרעין, אם כי הם ממלאים גם פונקציות אחרות בתא.

פנטוזה

פנטוזה היא פחמימה מונומרית המורכבת מחמישה אטומי פחמן. ב- DNA, פנטוזה היא דוקסיריבוזה, המאופיינת באובדן קבוצת הידרוקסיל בפחמן 2 '. ב- RNA, פנטוזה היא ריבוז.

בסיס חנקני

הפנטוז קשור בתורו לבסיס אורגני. זהות הגרעין ניתנת על ידי זהות הבסיס. ישנם חמישה סוגים, מקוצרים לפי ראשי התיבות שלהם: אדנין (A), גואנין (G), ציטוזין (C), תימין (T), ואורציל (U).

מקובל בספרות שאנו מגלים כי חמש האותיות הללו משמשות להתייחסות לנוקלאוטיד כולו. עם זאת, בקפדנות, אלה הם רק חלק מהנוקלאוטיד.

שלושת הראשונים, A, G ו- C, נפוצים הן ל- DNA והן ל- RNA. ואילו T הוא ייחודי ל- DNA ואורציל מוגבלת למולקולת RNA.

מבחינה מבנית, הבסיסים הם תרכובות כימיות הטרוציקליקיות, שהטבעות שלהן מורכבות ממולקולות פחמן וחנקן. A ו- G נוצרים על ידי זוג טבעות התמזגו ומשתייכים לקבוצת הפורינים. הבסיסים הנותרים שייכים לפירימידינים והמבנה שלהם מורכב מטבעת יחידה.

מקובל שבשני סוגים של חומצות גרעין אנו מוצאים סדרה של בסיסים שהשתנו, כמו קבוצת מתיל נוספת.

כאשר אירוע זה מתרחש אנו אומרים שהבסיס מתילטי. בפרוקריוטים נמצאים בדרך כלל אדנין מתילתי, ובשני הפרוקריוטות וגם האוקריוטות, ציטוזינים עשויים להיות בקבוצת מתיל נוספת.

כיצד מתרחשת פילמור?

כפי שציינו, חומצות גרעין הן שרשראות ארוכות המורכבות ממונומרים - נוקלאוטידים. ליצירת השרשראות, אלה קשורים בצורה מסוימת.

כאשר נוקליאוטידים מפולימרים, קבוצת ההידרוקסיל (-OH) שנמצאת על פחמן 3 'של הסוכר של אחד הנוקלאוטידים, יוצרת קשר אסטר לקבוצת הפוספט ממולקולת נוקליאוטיד אחרת. במהלך היווצרות קשר זה מתרחשת הסרת מולקולת מים.

תגובה מסוג זה מכונה "תגובת עיבוי", והיא דומה מאוד למה שמתרחש כאשר קשרי פפטיד בחלבונים נוצרים בין שני שאריות חומצות אמיניות. הקשרים בין כל זוג נוקלאוטידים נקראים קשרי פוספודיאסטר.

כמו בפוליפפטידים, לרשתות חומצות גרעין יש שני אוריינטציות כימיות בקצותיהן: האחד הוא קצה ה- 5 'המכיל קבוצת הידרוקסיל חופשית או קבוצת פוספטים על פחמן 5' של הסוכר הסופי, ואילו בקצה 3 "אנו מוצאים קבוצת הידרוקסיל חופשית של פחמן 3".

בואו נדמיין שכל חסימת DNA היא מערך לגו, עם קצה אחד המוחדר ועם חור חופשי בו החדרה של בלוק אחר יכולה להתרחש. קצה ה- 5 'עם הפוספט יהיה הקצה שיוחדר וה- 3' הוא מקביל לחור החופשי.

נוקליאוטידים אחרים

בתא אנו מוצאים סוג אחר של נוקלאוטידים עם מבנה שונה מזה שהוזכר לעיל. למרות שאלו לא יהיו חלק מחומצות הגרעין, הם ממלאים תפקידים ביולוגיים חשובים מאוד.

בין הרלוונטיים ביותר שיש לנו ריבונפולין מונונוקלאוטיד, המכונה FMN, קואנזים A, אדנין דינוקלוטיד וניקוטין.

מבנה RNA

המבנה הליניארי של פולימר חומצת הגרעין מתאים למבנה הראשוני של מולקולות אלה. לפולינוקלאוטידים יש גם את היכולת ליצור מערכים תלת מימדיים המייצבים על ידי כוחות לא קוולנטיים - בדומה לקיפול שנמצא בחלבונים.

למרות שהרכבם העיקרי של ה- DNA וה- RNA דומה למדי (למעט ההבדלים שהוזכרו לעיל), איפור המבנה שלהם שונה במידה ניכרת. לרוב נמצאים RNA כשרשרת נוקליאוטידים יחידה, אם כי היא יכולה לקחת סידורים שונים.

RNA מועברים, למשל, הם מולקולות קטנות המורכבות פחות מ- 100 נוקלאוטידים. המבנה המשני האופייני לו הוא בצורת תלתן עם שלוש זרועות. כלומר, מולקולת RNA מוצאת בסיסים משלימים בפנים ויכולה להתקפל על עצמה.

RNA Ribosomal הם מולקולות גדולות יותר שלוקחות קונפורמציות תלת מימדיות מורכבות ומציגות מבנה משני וטריסי.

מבנה DNA

הליקס כפול

שלא כמו RNA ליניארי, סידור ה- DNA מורכב משני גדילים שזורים זה בזה. הבדל מבני זה חיוני לביצוע התפקודים הספציפיים שלו. RNA אינו מסוגל ליצור סוג זה של סיבובים בגלל מכשול סטרילי שמטילה קבוצת OH הנוספת שהסוכר מציג.

השלמת בסיס

יש השלמה בין הבסיסים. כלומר כתוצאה מגודלם, צורתם והרכבם הכימי, על הפורינים להזדווג עם פירימידין דרך קשרי מימן. מסיבה זו, ב- DNA הטבעי אנו מגלים כי A כמעט תמיד מזווג עם T ו- G עם C ויוצרים קשרי מימן עם בני זוגם.

זוגות הבסיס בין G ו- C מקושרים על ידי שלושה קשרי מימן ואילו הזוג A ו- T חלשים יותר ורק שני קשרי מימן מחזיקים ביניהם.

ניתן להפריד בין גדילי DNA (זה מתרחש גם בתא וגם בהליכי מעבדה) והחום הנדרש תלוי בכמות ה- GC במולקולה: ככל שהוא גדול יותר, כך יידרש יותר אנרגיה כדי להפריד אותו.

כיוון גדיל

מאפיין נוסף של ה- DNA הוא האוריינטציה ההפוכה שלו: בעוד גדיל רץ בכיוון 5'-3 ', בן זוגו רץ לכיוון 3'-5'.

התאמות טבעיות ובמעבדה

המבנה או הקונפורמציה שבדרך כלל אנו מוצאים בטבע נקרא DNA B. זה מאופיין בכך שיש 10.4 נוקלאוטידים לכל סיבוב, מופרדים על ידי מרחק של 3.4. DNA B פונה ימינה.

דפוס מפותל זה מביא להופעתן של שתי תלמים, אחת גדולה יותר ואחת קטנה יותר.

בחומצות גרעין הנוצרות במעבדה (סינטטי) ניתן למצוא קונפורמציות אחרות, המופיעות גם בתנאים מאוד ספציפיים. אלה DNA A ו- DNA Z.

וריאנט A גם פונה ימינה, אם כי הוא קצר יותר ורחב מעט מזה הטבעי. המולקולה לובשת צורה זו כאשר הלחות יורדת. זה מסתובב כל 11 זוגות בסיס.

הגרסא האחרונה היא ה- Z המאופיינת בכך שהיא צרה ועל ידי פנייה שמאלה. זה נוצר על ידי קבוצה של hexanucleotides כי הם מקובצים לדופלקס של שרשרות אנטי-פרלליות.

מאפיינים

DNA: מולקולת תורשה

DNA הוא מולקולה שיכולה לאחסן מידע. החיים כפי שאנו מכירים אותם בכוכב הלכת שלנו תלויים ביכולת לאחסן ולתרגם מידע כזה.

עבור התא, ה- DNA הוא סוג של ספריה בה נמצאים כל ההוראות הנחוצות לייצור, פיתוח ותחזוקה של אורגניזם חי.

במולקולת ה- DNA אנו מוצאים ארגון של ישויות פונקציונליות נפרדות הנקראות גנים. חלקם יועברו לחלבונים ואילו אחרים ימלאו פונקציות רגולטוריות.

מבנה ה- DNA אותו אנו מתארים בסעיף הקודם הוא המפתח לביצוע תפקידיו. הסליל חייב להיות מסוגל להיפרד ולהצטרף בקלות - מאפיין מרכזי לאירועי שכפול ותמלול.

DNA נמצא בפרוקריוטים באתר ספציפי בציטופלזמה שלהם, ואילו באיקריוטים הוא נמצא בתוך הגרעין.

RNA: מולקולה רב-פונקציונלית

תפקיד בסינתזת חלבון

RNA היא חומצה גרעין שאנו מוצאים בשלבים שונים של סינתזת חלבון ובוויסות ביטוי הגנים.

סינתזת חלבונים מתחילה עם שעתוק ההודעה המוצפנת ב- DNA למולקולת RNA של שליח. בשלב הבא על השליח לחסל את המנות שלא יתורגמו, הידועות בשם אינטרונים.

לצורך תרגום הודעת ה- RNA לשאריות של חומצות אמינו, יש צורך בשני מרכיבים נוספים: RNA ה- ribosomal המהווה חלק מהריבוזומים, וה- RNA העברתי, אשר יישא את חומצות האמינו ויהיה אחראי על החדרת חומצת האמינו הנכונה בשרשרת הפפטיד. באימון.

במילים אחרות, כל סוג RNA עיקרי ממלא תפקיד קריטי בתהליך זה. המעבר הזה מ- DNA ל- RNA שליח ולבסוף לחלבונים הוא מה שהביולוגים מכנים "הדוגמה המרכזית של הביולוגיה".

עם זאת, מכיוון שלא ניתן לבסס את המדע על דוגמות, ישנם מקרים שונים שבהם לא מתקיימת הנחת יסוד זו, כמו למשל וירוסים.

תפקיד ברגולציה

RNAs הקטנים שהוזכרו לעיל משתתפים בעקיפין בסינתזה, מתזמרים את הסינתזה של RNA שליח ומשתתפים בוויסות הביטוי.

לדוגמא, בתא ישנם RNA של מסרים שונים המווסתים על ידי RNA קטנים, שיש להם רצף המשלים לזה. אם ה- RNA הקטן מצורף להודעה, הוא יכול לחתוך את המסנג'ר ובכך למנוע את תרגומו. ישנם מספר תהליכים המווסתים בדרך זו.

הפניות

1. אלברטס, ב., בריי, ד., הופקין, ק., ג'ונסון, א.ד., לואיס, ג'., רף, מ., … & וולטר, פ. (2015). ביולוגיה חיונית של תאים. גרלנד מדע.
2. ברג, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). בִּיוֹכִימִיָה. מהדורה 5. ווה פרימן.
3. קופר, GM ו- Hausman, RE (2000). התא: גישה מולקולרית. מקורבי סינאור.
4. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). הזמנה לביולוגיה. מקמילן.
5. Fierro, A. (2001). היסטוריה קצרה של גילוי מבנה ה- DNA. כב 'Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
6. Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) מקור ואבולוציה של מכונות שכפול DNA ו- DNA. בתוך: מסד הנתונים של מאדאם קורי Bioscience. אוסטין (טקסס): Landes Bioscience.
7. Karp, G. (2009). ביולוגיה תאית ומולקולרית: מושגים וניסויים. ג'ון וויילי ובניו.
8. Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). המעבר האבולוציוני מ- RNA ל- DNA בתאים מוקדמים. כתב העת להתפתחות מולקולרית, 27 (4), 283-290.
9. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). ביולוגיה מולקולרית של התא. מקמילן.
10. Voet, D., & Voet, JG (2006). בִּיוֹכִימִיָה. פנמריקנית רפואית אד.
11. Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). יסוד הביוכימיה. ניו יורק: ג'ון ווילי ובניו.