חומצות גרעין

כְּלָלִיוּת

חומצות גרעין הן המולקולות הביולוגיות הגדולות DNA ו- RNA, שנוכחותם ותפקודם התקין, בתוך תאים חיים, חיוניים להישרדותם של האחרונים.
חומצת גרעין גנרית נובעת מהאיחוד, בשרשראות לינאריות, של מספר רב של נוקלאוטידים.

איור: מולקולת DNA.

נוקלאוטידים הם מולקולות קטנות, שבחוקתן משתתפות שלושה יסודות: קבוצת פוספט, בסיס חנקני וסוכר 5 פחמן.

חומצות גרעין חיוניות להישרדותו של אורגניזם, שכן הן משתפות פעולה בסינתזה של חלבונים, מולקולות חיוניות ליישום נכון של מנגנונים סלולריים.
DNA ו- RNA נבדלים זה מזה במובנים מסוימים.
לדוגמה, ל- DNA יש שתי שרשראות נוקלאוטיד אנטי-מקבילות ויש לו deoxyribose כסוכר בעל 5 פחמן. ל- RNA, לעומת זאת, יש בדרך כלל שרשרת אחת של נוקלאוטידים ובעלת ריבוז כסוכר עם 5 אטומי פחמן.

מהן חומצות גרעין?

חומצות גרעין הן מקרו -מולקולות ביולוגיות ה- DNA ו- RNA, שנוכחותן, בתוך תאי היצורים החיים, חיונית להישרדות ולהתפתחות נכונה של אלה האחרונים.
על פי הגדרה אחרת, חומצות גרעין הן ביו -פולימרים הנובעות מהאיחוד, בשרשראות לינאריות ארוכות, של מספר רב של נוקלאוטידים.
ביופולימר, או פולימר טבעי, הוא תרכובת ביולוגית גדולה המורכבת מיחידות מולקולריות שכולן זהות, הנקראות מונומרים.

חומצות גרעין: מי נמצא ברשותך?

חומצות גרעין שוכנות לא רק בתוך התאים של אורגניזמים אוקריוטים ופרוקריוטים, אלא גם בצורות חיים תאיים, כגון וירוסים, ובאברונים סלולריים, כגון מיטוכונדריה וכלורופלסטים.

מבנה כללי

בהתבסס על ההגדרות הנ"ל, נוקלאוטידים הם היחידות המולקולריות המרכיבות את חומצות הגרעין DNA ו- RNA.
לכן הם ייצגו את הנושא המרכזי של פרק זה, המוקדש למבנה של חומצות הגרעין.

מבנה של נוקלאוטיד גנרי

נוקלאוטיד גנרי הוא תרכובת בעלת טבע אורגני, תוצאה של איחוד של שלושה יסודות:

• קבוצת פוספט, שהיא נגזרת של חומצה זרחתית;
• פנטוז, כלומר סוכר בעל 5 אטומי פחמן;
• בסיס חנקני, שהוא מולקולה הטרוציקלית ארומטית.

הפנטוז מייצג את האלמנט המרכזי של הנוקלאוטידים, כאשר קבוצת הפוספט והבסיס החנקני נקשרים אליו.

איור: יסודות המרכיבים נוקלאוטיד גנרי של חומצת גרעין. כפי שניתן לראות, קבוצת הפוספטים ובסיס החנקן נקשרים לסוכר.

הקשר הכימי שמחזיק את הפנטוז וקבוצת הפוספט יחד הוא קשר פוספודיאסטר, ואילו הקשר הכימי שקושר את הפנטוז והבסיס החנקני הוא קשר N- גליקוזידי.

כיצד משתתפת הפנטוזה בקישורים השונים עם שאר האלמנטים?

הַנָחַת יְסוֹד: כימאים חשבו למנות את הפחמנים המרכיבים מולקולות אורגניות באופן שיפשט את המחקר והתיאור שלהם. כאן אם כן, ש -5 הפחמנים של הפנטוז הופכים: פחמן 1, פחמן 2, פחמן 3, פחמן 4 ופחמן 5.

קריטריון הקצאת המספרים הוא די מורכב, ולכן אנו רואים לנכון לוותר על ההסבר.
מתוך 5 הפחמנים היוצרים את הפנטוז של הנוקלאוטידים, המעורבים בקשרים עם הבסיס החנקני וקבוצת הפוספט הם בהתאמה פחמן 1 ופחמן 5.

• פנטוז פחמן 1 → קשר N-glycosidic → בסיס חנקן
• פנטוז פחמן 5 → קשר פוספודיאסטר → קבוצת פוספט

איזה סוג של קשרים כימיים הקושרים את הגרעינים של חומצות גרעין?

איור: מבנה של פנטוז, מספור הפחמנים המרכיבים אותו וקשרים עם בסיס חנקן וקבוצת פוספט.

בהרכבת חומצות גרעין, נוקלאוטידים מארגנים את עצמם לשרשראות לינאריות ארוכות, המוכרות יותר בשם נימים.
כל נוקלאוטיד היוצר חוטים ארוכים אלה נקשר לנוקלאוטיד הבא באמצעות קשר פוספודיאסטר בין הפחמן 3 של הפנטוז שלו לבין קבוצת הפוספטים של הנוקלאוטיד העוקב.

האקסטרים

לגדילי נוקלאוטיד (או קווצות פולינוקלאוטיד), המרכיבים חומצות גרעין, יש שני קצוות, המכונים קצה 5 "(לקרוא" חמש פריים ") ו -3" קצה (לקרוא "שלושה פריים"). לפי הסכמה, ביולוגים וגנטיקאים קבעו ש"קצה 5 "מייצג את ראש גדיל היוצר חומצת גרעין, ואילו" סוף 3 "מייצג את זנבו.
מנקודת המבט הכימית, "קצה 5" של חומצות הגרעין עולה בקנה אחד עם קבוצת הפוספטים של הנוקלאוטיד הראשון בשרשרת, בעוד ש"קצה 3 "של חומצות הגרעין עולה בקנה אחד עם קבוצת ההידרוקסיל (OH) על פחמן 3 של הנוקלאוטיד האחרון.
על בסיס ארגון זה מתוארים, בספרים על גנטיקה וביולוגיה מולקולרית, קווצות הנוקלאוטיד של חומצת גרעין כדלקמן: P -5 "→ 3" -OH.

* הערה: האות P מציינת את אטום הזרחן של קבוצת הפוספטים.

החלת המושגים של קצה 5 "ו -3" על נוקלאוטיד יחיד, "קצה 5" של האחרון היא קבוצת הפוספט המחוברת לפחמן 5, ואילו קצה 3 "שלה הוא קבוצת ההידרוקסיל המחוברת לפחמן 3.
בשני המקרים, s "מזמין את הקורא לשים לב להישנות המספרית: סוף 5" - קבוצת פוספט על פחמן 5 וסוף 3 " - קבוצת הידרוקסיל על פחמן 3.

פונקציה כללית

חומצות גרעין מכילות, מעבירות, מפענחות ומבטאות מידע גנטי בחלבונים.
חלבונים המורכבים מחומצות אמינו הם מקרומולקולות ביולוגיות, הממלאות תפקיד בסיסי בוויסות המנגנונים הסלולריים של אורגניזם חי.
המידע הגנטי תלוי ברצף הנוקלאוטידים, המרכיבים את קווצות חומצות הגרעין.

רמזים להיסטוריה

הקרדיט לגילוי חומצות גרעין, שהתרחש בשנת 1869, מגיע לרופא ולביולוג השוויצרי פרידריך מישר.
מישר מצא את ממצאיו בזמן שחקר את גרעין התא של לויקוציטים, מתוך כוונה להבין טוב יותר את הרכבם הפנימי.
הניסויים של מישר ייצגו נקודת מפנה בתחום הביולוגיה המולקולרית והגנטיקה, כאשר הם יזמו סדרת מחקרים שהובילו לזיהוי מבנה ה- DNA (ווטסון וקריק, בשנת 1953) ו- RNA, לידיעת מנגנוני תורשה גנטית וזיהוי התהליכים המדויקים של סינתזת החלבון.

מקור השם

לחומצות הגרעין יש שם זה, כיוון שמישר זיהה אותן בתוך גרעין הלוקוציטים (גרעין - גרעין) וגילה שהן מכילות את קבוצת הפוספטים, נגזרת של חומצה זרחתית (נגזרת של חומצה זרחתית - חומצות).

DNA

בין חומצות הגרעין הידועות, ה- DNA הוא המפורסם ביותר, שכן הוא מייצג את מחסן המידע הגנטי (או הגנים) המשמשים לכוון את התפתחותם וצמיחתם של תאים של אורגניזם חי.
קיצור ה- DNA פירושו חומצה deoxyribonucleic או חומצה deoxyribonucleic.

הליקס כפול

בשנת 1953, כדי להסביר את מבנה "ה- DNA של חומצת הגרעין, הביולוגים ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק הציעו את המודל - שהתברר מאוחר יותר כנכון - של מה שנקרא" סליל כפול ".
על פי מודל "סליל כפול", ה- DNA הוא מולקולה גדולה, הנובעת מאיחוד של שני גדילים ארוכים של נוקלאוטידים אנטי -מקבילים ונתפתלים זה לזה.
המונח "אנטי -מקביל" מצביע על כך שלשני החוטים יש כיוון הפוך, כלומר: הראש והזנב של נימה אחת מתקשרים, בהתאמה, עם הזנב וראשו של החוט השני.

על פי נקודה חשובה נוספת במודל "הסליל הכפול", לנוקלאוטידים של חומצת הגרעין הדנ"א יש סידור כזה שהבסיסים החנקניים מכוונים כלפי הציר המרכזי של כל ספירלה, בעוד שהפנטוזות וקבוצות הפוספט יוצרות את הפיגום. חיצוני של האחרון.

מהי תמצית ה- DNA?

הפנטוז המרכיב את הנוקלאוטידים של חומצת הגרעין ה- DNA הוא deoxyribose.
סוכר זה בעל 5 פחמן חייב את שמו לחוסר חמצן על פחמן 2. אחרי הכל, deoxyribose פירושו "ללא חמצן".

איור: deoxyribose.

בשל נוכחותם של deoxyribose, הנוקלאוטידים של חומצת הגרעין ה- DNA נקראים deoxyribonucleotides.

סוגי נוקלאוטידים ובסיסי חנקן

לחומצת גרעין ה- DNA יש 4 סוגים שונים של deoxyribonucleotides.
כדי להבחין בין 4 הסוגים השונים של deoxyribonucleotides הוא רק בסיס החנקן, המקושר להיווצרות קבוצת הפנטוז-פוספט (שבניגוד לבסיס החנקן אף פעם לא משתנה).
מסיבות ברורות, לפיכך, הבסיסים החנקניים של ה- DNA הם 4, במיוחד: אדנין (A), גואנין (G), ציטוזין (C) ותימין (T).
אדנין וגואנין שייכים למעמד הפורינים, תרכובות הטרוציקליות ארומטיות בעלות טבעות כפולות.
ציטוזין ותימין, לעומת זאת, נכללים בקטגוריה של פירימידינים, תרכובות הטרוציקליות ארומטיות חד-טבעתיות.
באמצעות מודל "סליל כפול", ווטסון וקריק הסבירו גם מהו ארגון הבסיסים החנקניים בתוך ה- DNA:

• כל בסיס חנקני של נימה מצטרף, באמצעות קשרי מימן, לבסיס חנקני המצוי על נימה אנטי -מקבילה, ויוצר למעשה זוג, זיווג, של בסיסים.
• ההתאמה בין הבסיסים החנקניים של שני החוטים הינה ספציפית ביותר. למעשה, אדנין נקשר רק לתימין, ואילו ציטוזין נקשר רק לגואנין.
  תגלית חשובה זו גרמה לביולוגים ולגנטיקאים מולקולריים להטביע את המונחים של "השלמה בין בסיסים חנקניים" ו"זיווג משלים בין בסיסים חנקניים ", כדי להצביע על ייחודו של קישור בין אדנין לתימין וציטוזין עם גואנין. .

היכן הוא שוכן בתוך תאי החיים?

באורגניזמים אוקריוטים (בעלי חיים, צמחים, פטריות ופרוטטיסטים), חומצת הגרעין ה- DNA שוכנת בתוך הגרעין של כל התאים בעלי המבנה התאי הזה.

אולם באורגניזמים פרוקריוטים (חיידקים וארכאיות) חומצת הגרעין ה- DNA שוכנת בציטופלזמה, שכן לתאים הפרוקריוטים חסר הגרעין.

RNA

בין שתי חומצות הגרעין הקיימות בטבע, RNA מייצג את המקרו -מולקולה הביולוגית המתרגמת את נוקלאוטידים ה- DNA לחומצות האמינו המרכיבות את החלבונים (תהליך סינתזת החלבון).
למעשה, חומצת הגרעין RNA ניתנת להשוואה למילון מידע גנטי, המדווח על DNA חומצת גרעין.
ראשי התיבות RNA פירושו חומצה ריבונוקלאית.

הבדלים שמבדילים אותו מ- DNA

RNA חומצה גרעינית יש מספר הבדלים בהשוואה ל- DNA:

• RNA היא מולקולה ביולוגית קטנה יותר מ- DNA, המורכבת בדרך כלל מחוט אחד של נוקלאוטידים.
• הפנטוז המרכיב את הנוקלאוטידים של חומצה ריבונוקלאית הוא ריבוז. בניגוד לדאוקסיריבוז, בריבוז יש אטום חמצן על פחמן 2.
  זה נוכח נוכחות סוכר הריבוזה שהביולוגים והכימאים הקצו ל- RNA את שם החומצה הריבונוקלאית.
• נוקלאוטידים של RNA ידועים גם בשם ריבונוקלאוטידים.
• חומצה גרעינית RNA חולקת רק 3 מתוך 4 בסיסים חנקניים עם DNA. למעשה, במקום תימין, יש לו את אורציל הבסיס החנקני.
• RNA יכול להתגורר בתאים שונים של התא, מהגרעין ועד הציטופלזמה.

סוגי RNA

איור: ריבוזה.

בתוך תאים חיים, חומצת הגרעין RNA קיימת בארבע צורות עיקריות: RNA הובלה (או העברת RNA או tRNA), RNA שליח (או שליח RNA או mRNA), RNA ריבוזומלי (או RNA ריבוזומלי או rRNA) ו- RNA הגרעיני הקטן (o RNA גרעיני קטן או snRNA).
למרות שהם ממלאים תפקידים ספציפיים שונים, ארבע צורות ה- RNA הנ"ל משתפות פעולה למטרה משותפת: סינתזה של חלבונים, החל מרצפי הנוקלאוטיד הקיימים ב- DNA.

מודלים מלאכותיים

בעשורים האחרונים, ביולוגים מולקולריים סינתזו במעבדה כמה חומצות גרעין המזוהות עם שם התואר "מלאכותי".
בין חומצות הגרעין המלאכותיות ראוי לאזכור מיוחד: ה- TNA, ה- PNA, ה- LNA וה- GNA.