معلومة

تحريف في الحلزون المزدوج للحمض النووي

تحريف في الحلزون المزدوج للحمض النووي



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

يحتوي الحمض النووي على سكر ديوكسيريبوز - العمود الفقري الفوسفات مع قواعد البيورين والبيريميدين والأدينين والسيتوزين والثايمين والجوانين المتصلة بسكر الديوكسيريبوز. (جزيئات السكر الأساسي هي نيوكليوسيدات ، وتلك التي تحتوي على الفوسفات والنيوكليوتيدات.) في البنية الحلزونية المزدوجة للحمض النووي ، يتم لف الخيوط وتوصيلها بواسطة روابط هيدروجينية بين القواعد.

كيف يتم إنشاء هذا "الالتواء" في الخلية ، ولماذا هو ضروري؟


أولاً ، وصفك دقيق. النقد المتحذلق الوحيد الذي أود تقديمه هو أن المصطلح التقني للنيوكليوتيدات في الحمض النووي هو ديوكسي ريبونوكليوتيد.

ثانيًا ، لا أريد أن أقول إن الحمض النووي غير الحلزوني لا يحدث أبدًا لأن بنية أي جزيء ضخم ديناميكي ، لكنني على وجه التحديد أتجنب الاستثناءات من القاعدة لتجنب إرباك المشكلة.

التركيب الحلزوني للحمض النووي هو شكل منخفض الطاقة مما يجعل تكوينه مناسبًا للديناميكا الحرارية. تتمتع الروابط الكيميائية في الحمض النووي (وكل جزيء) بالمرونة التوافقية مما يعني أن الجزيء ككل يمكن أن يتبنى هياكل مختلفة. إذا قمت بتصوير خيطين من الحمض النووي مرتبطان بروابط هيدروجينية ولكن في شكل مستقيم غير حلزوني ، يمكنك ببساطة تحريف الخيوط حول محورها المركزي لتشكيل بنية حلزونية. هذا التواء مسموح به بسبب المرونة التوافقية للروابط الكيميائية. البنية الحلزونية أكثر ثباتًا من الشكل "المستقيم" (بسبب تفاعلات تكديس القاعدة) ، وبالتالي تتشكل تلقائيًا. لقد جاهدت عبثًا للعثور على رسم متحرك جيد لهذا ، لكنني لم أتمكن من ذلك. يمكنك تصفح هذا الفيديو لرؤية مثال على ما أتحدث عنه. إنه خفي ، ولكن قد تكون قادرًا على رؤية ، أو تصور ، أنه نظرًا لأن الخيوط الملتوية حول بعضها البعض ، فإن القواعد المجاورة في الخيط تقترب من بعضها البعض. يسمح هذا بتثبيت التفاعلات بين القواعد المجاورة التي تفضل تكوين الحلزون التلقائي (أناقش هذا باختصار في نهاية إجابة أخرى).

بالنسبة لمدى تكرار "الدرجات" ، فهذا يعتمد على هندسة الحلزون المحددة. في الحمض النووي من النوع ب ، يعتقد أن الهندسة تحدث في الغالب في الجسم الحي، يكمل اللولب دورة كاملة واحدة تقريبًا كل 10.5 قواعد ويكون التباعد بين القواعد المجاورة 3.4 Å ، كما هو موضح أدناه:


تتمثل إحدى النقاط الرئيسية لشخص ما في علم الأحياء البنيوي من تلميذ آخر في فهم الديناميكا الحرارية الأساسية التي يقوم عليها مفهوم البنية "المستقرة". هذا موصوف في الفصل التمهيدي لبيرج وآخرون. عبر الانترنت. على الرغم من أنه من الضروري للغاية النظر في إنتروبيا النظام الكلي ، إلا أن العامل الأكثر أهمية في كثير من الحالات هو (Gibbs) الطاقة الحرة للهيكل. إذا قارن المرء بنيتين (أو أكثر) ، فإن أكثر الهياكل ثباتًا من الناحية الديناميكية الحرارية هي تلك التي تحتوي على أقل طاقة حرة.

العوامل التي تساهم في حالة الطاقة الحرة المنخفضة في الهيكل (`` استقرارها '') هي وجود روابط كيميائية وعدم وجود تنافر ثابت أو إلكتروستاتيكي. يتم تثبيت البنية الحلزونية المزدوجة بواسطة روابط هيدروجينية بين قواعد الخيوط المتقابلة ، وتراكم التفاعلات بين الحلقات العطرية فوق وتحت بعضها البعض في الحلزون. هذا ما ذكرهcanadiener ، على الرغم من أن منظور الرسم التخطيطي الخاص به ليس هو الأمثل لإظهار التكديس. يعرض الإطار (أ) من الرسم البياني أدناه حلزون الحمض النووي من `` أعلى '' مع قواعد البيورين باللون الأحمر ، وقواعد البيريميدين باللون الأزرق والعمود الفقري للسكر والفوسفات أبيض (الإطار (ب) يُظهر الروابط الهيدروجينية كخطوط متقطعة بين القواعد ، على الرغم من أن النصف الأزرق لا يظهر جيدًا.)

السبب وراء "الالتواء" الذي هو أساس اللولب في الحمض النووي هو ببساطة أنه جزء من الهيكل الذي يسمح بأقوى رابطة هيدروجينية وتكديس أساسي بأقل قدر من التنافر الفراغي أو الكهروستاتيكي. سيكون هذا الهيكل ذو أقل طاقة حرة.

[انظر أيضًا وصف اللولب المزدوج في بيرج وآخرون.، والذي يتضمن رسمًا تخطيطيًا للتكديس الأساسي. أنصح بشدة بالرجوع إلى نصوص الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية عبر الإنترنت في NCBI Bookshelf للمواد القياسية بدلاً من Wikipedia. المنحة الدراسية والتحكيم والاتساق في هذا الأخير أعلى بشكل عام.]


تطور بسيط للحمض النووي يحدد مصير المشيمة

يعتمد تطور مشيمة الثدييات على تطور غير عادي يفصل الحلزون المزدوج الكلاسيكي للحمض النووي إلى شكل أحادي الخيط ، حسبما أفاد باحثو جامعة ييل في 15 يوليو / تموز في المجلة. طبيعة سجية.

حدد فريق جامعة ييل أيضًا المنظم الجزيئي الذي يعمل على هذا الخيط الفردي لتسريع أو إيقاف نمو المشيمة ، وهو اكتشاف له آثار ليس فقط على أمراض الحمل ولكن أيضًا لفهم كيفية انتشار أورام السرطان.

قال المؤلف الكبير أندرو شياو ، الأستاذ المشارك في علم الوراثة والباحث في مركز ييل للخلايا الجذعية: "أنسجة المشيمة تنمو بسرعة كبيرة ، وتحفز تكوين الأوعية الدموية ، وتغزو الأنسجة المجاورة ، مثل الورم". "على عكس الورم ، ومع ذلك ، فإن المشيمة تنمو بطريقة دقيقة ومنسقة ومسيطر عليها بشكل جيد."

في المرحلة الأولى من تطور الجنين ، تبدأ عمليتان مرتبطتان في وقت واحد. عندما تبدأ البويضة المخصبة في تطوير خلايا متخصصة للحياة الجديدة ، تبدأ مجموعة أخرى من الخلايا في إنتاج أوعية دموية في المشيمة لتغذية الجنين النامي.

وقالت شياو: "من نواح كثيرة ، يكون الحمل بمثابة حالة التهاب طويلة الأمد ، حيث تغزو المشيمة أنسجة الرحم باستمرار".

يشترك الحمض النووي للخلايا التي ستشكل المشيمة النامية في سمة غير عادية - يبدأ اللولب المزدوج في الالتواء. يتسبب الالتواء الناتج في تقسيم أجزاء معينة من الجينوم إلى خيط واحد. على الرغم من أن التسلسلات الأولية للحمض النووي هي نفسها بين المشيمة والجنين ، فإن التركيب المختلف للحمض النووي بين الاثنين يساعد في تحديد مصير الخلايا.

اكتشف فريق جامعة ييل بقيادة Xiao أن نمو المشيمة يتم تنظيمه من خلال القاعدة السادسة من الحمض النووي ، N6-methyladenine. تعمل هذه القاعدة على تثبيت مناطق الحمض النووي أحادية الجديلة وتصد SATB1. يعتبر SATB1 بروتينًا مهمًا لتنظيم الكروماتين ، المادة التي تتكون منها الكروموسومات.

ووجد الباحثون أن المشيمة التي لا تحتوي على N6-methyladenine تنمو بشكل لا يمكن السيطرة عليه في حين أن المشيمة التي تحتوي على مستويات عالية بشكل غير طبيعي من N6-methyladenine تصاب بعيوب شديدة تؤدي في النهاية إلى توقف نمو الجنين.

قال الباحثون إن النتائج يمكن أن تساعد الباحثين على تطوير علاجات جديدة لحالات مثل تسمم الحمل أثناء الحمل بالإضافة إلى أنواع معينة من السرطان تتميز بنشاط من خيوط مفردة من الحمض النووي.

تم تمويل البحث بشكل أساسي من قبل المعاهد الوطنية للصحة ومؤسسة عائلة لودفيغ. كما ساهم في هذه الدراسة فريق من الباحثين بقيادة هايتاو لي في جامعة تسينغهوا.


محتويات

تم نشر نموذج الحلزون المزدوج لهيكل الحمض النووي لأول مرة في المجلة طبيعة سجية بواسطة James Watson و Francis Crick في عام 1953 ، [5] (إحداثيات X ، Y ، Z في عام 1954 [6]) استنادًا إلى عمل روزاليند فرانكلين وطالبها ريموند جوسلينج ، اللذان التقطوا صورة حيود الأشعة السينية الحاسمة للحمض النووي المسمى مثل "الصورة 51" ، [7] [8] وموريس ويلكنز ، وألكسندر ستوكس ، وهيربرت ويلسون ، [9] والمعلومات الكيميائية والبيوكيميائية المزاوجة بين القاعدة إروين تشارجاف. [10] [11] [12] [13] [14] [15] كان النموذج السابق عبارة عن دنا ثلاثي السلاسل. [16]

لقد أوضح إدراك أن بنية الحمض النووي هي بنية الحلزون المزدوج آلية الاقتران الأساسي الذي يتم من خلاله تخزين المعلومات الجينية ونسخها في الكائنات الحية ويعتبر على نطاق واسع أحد أهم الاكتشافات العلمية في القرن العشرين. حصل كل من Crick و Wilkins و Watson على ثلث جائزة نوبل لعام 1962 في علم وظائف الأعضاء أو الطب لمساهماتهم في الاكتشاف. [17]

التهجين هو عملية ربط أزواج القاعدة التكميلية لتشكيل حلزون مزدوج. الذوبان هو العملية التي يتم من خلالها كسر التفاعلات بين خيوط اللولب المزدوج ، مما يفصل بين خيوط الحمض النووي. هذه الروابط ضعيفة ويمكن فصلها بسهولة عن طريق التسخين اللطيف أو الإنزيمات أو القوة الميكانيكية. يحدث الذوبان بشكل تفضيلي عند نقاط معينة في الحمض النووي. [18] تي و أ تذوب المناطق الغنية بسهولة أكبر من ج و جي مناطق غنية. بعض الخطوات الأساسية (الأزواج) عرضة أيضًا لذوبان الحمض النووي ، مثل تي أ و تي جي. [19] تنعكس هذه الميزات الميكانيكية من خلال استخدام متواليات مثل تاتا في بداية العديد من الجينات لمساعدة بوليميراز الحمض النووي الريبي في إذابة الحمض النووي للنسخ.

يعد فصل السلك عن طريق التسخين اللطيف ، كما هو مستخدم في تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) ، أمرًا بسيطًا ، مما يوفر للجزيئات أقل من 10000 زوج قاعدي (10 أزواج كيلوباز ، أو 10 كيلو بايت). يجعل تشابك خيوط الحمض النووي من الصعب فصل الأجزاء الطويلة. تتجنب الخلية هذه المشكلة عن طريق السماح للإنزيمات الذائبة للحمض النووي (الهليكازات) بالعمل بشكل متزامن مع الإيزوميراز العلوي ، والذي يمكنه تشق العمود الفقري للفوسفات في أحد الخيوط كيميائيًا بحيث يمكنه الدوران حول الآخر. تقوم Helicases بفك الخيوط لتسهيل تقدم إنزيمات قراءة التسلسل مثل DNA polymerase.

يمكن وصف هندسة القاعدة أو خطوة زوج القاعدة بـ 6 إحداثيات: إزاحة ، انزلاق ، صعود ، إمالة ، تدحرج ، إلتواء. تحدد هذه القيم بدقة الموقع والاتجاه في مساحة كل زوج قاعدة أو قاعدة في جزيء الحمض النووي بالنسبة إلى سلفه على طول محور اللولب. يميزان معًا التركيب الحلزوني للجزيء. في مناطق DNA أو RNA حيث يكون عادي تم تعطيل البنية ، يمكن استخدام التغيير في هذه القيم لوصف هذا الاضطراب.

لكل زوج أساسي ، بالنسبة إلى سابقه ، هناك الأشكال الهندسية لزوج القاعدة التالية التي يجب مراعاتها: [20] [21] [22]

  • قص
  • تمتد
  • ترنح
  • انبعاج
  • المروحة: دوران قاعدة واحدة بالنسبة إلى الأخرى في نفس زوج القاعدة.
  • افتتاح
  • تحول: الإزاحة على طول محور في مستوى زوج القاعدة عموديًا على الأول ، موجهًا من الصغرى إلى الأخدود الرئيسي.
  • الانزلاق: الإزاحة على طول محور في مستوى زوج القاعدة موجه من حبلا إلى الآخر.
  • ترتفع: الإزاحة على طول محور اللولب.
  • إمالة: دوران حول محور التحول.
  • لفافة: دوران حول محور الشريحة.
  • إلتواء: دوران حول محور الارتفاع.
  • x الإزاحة
  • ص الإزاحة
  • ميل
  • تلميح
  • ملعب كورة قدم: الارتفاع لكل دورة كاملة للحلزون.

الصعود والالتواء يحددان نبرة ونبرة اللولب. على النقيض من ذلك ، يمكن أن تكون الإحداثيات الأخرى صفرًا. عادةً ما يكون الانزلاق والتحول صغيرًا في B-DNA ، لكنهما مهمان في A- و Z-DNA. يجعل التدحرج والإمالة أزواج القاعدة المتتالية أقل توازيًا ، وعادة ما تكون صغيرة.

لاحظ أن مصطلح "الإمالة" غالبًا ما يستخدم بشكل مختلف في الأدبيات العلمية ، مشيرًا إلى انحراف المحور الأول بين الجديلين الأساسي والزوج من العمودية على محور اللولب. هذا يتوافق مع الانزلاق بين سلسلة من أزواج القاعدة ، وفي الإحداثيات القائمة على الحلزون يسمى بشكل صحيح "الميل".

يُعتقد أن ثلاثة على الأقل من مطابقة الحمض النووي موجودة في الطبيعة ، A-DNA ، ب- DNA، و Z-DNA. ال ب الشكل الذي وصفه جيمس واتسون وفرانسيس كريك يُعتقد أنه يسود في الخلايا. [23] يبلغ عرضه 23.7 ويمتد بمقدار 34 لكل 10 نقاط أساس من التسلسل. يقوم اللولب المزدوج بعمل دورة كاملة حول محوره كل 10.4-10.5 أزواج قاعدية في المحلول. تردد هذا الالتواء (يُطلق عليه اسم الحلزوني ملعب كورة قدم) تعتمد بشكل كبير على قوى التراص التي تمارسها كل قاعدة على جيرانها في السلسلة. يحدد التكوين المطلق للقواعد اتجاه المنحنى الحلزوني لتشكل معين.

تختلف A-DNA و Z-DNA اختلافًا كبيرًا في هندستها وأبعادها إلى B-DNA ، على الرغم من أنها لا تزال تشكل هياكل حلزونية. ساد الاعتقاد منذ فترة طويلة أن الشكل A لا يحدث إلا في عينات الحمض النووي المجففة في المختبر ، مثل تلك المستخدمة في التجارب البلورية ، وفي التزاوج الهجين لخيوط DNA و RNA ، لكن جفاف الحمض النووي يحدث في الجسم الحي ، و A-DNA هو من المعروف الآن أن لها وظائف بيولوجية. قد تتبنى أجزاء الحمض النووي التي قامت الخلايا بميثيلتها لأغراض تنظيمية الهندسة Z ، حيث تدور الخيوط حول المحور الحلزوني في الاتجاه المعاكس لـ A-DNA و B-DNA. هناك أيضًا دليل على أن مجمعات البروتين والحمض النووي تشكل هياكل Z-DNA.

التوافقات الأخرى هي A-DNA ، B-DNA ، C-DNA ، E-DNA ، [24] إل-DNA (الشكل enantiomeric من د-DNA) ، [25] P-DNA ، [26] S-DNA ، Z-DNA ، وما إلى ذلك تم وصفها حتى الآن. [27] في الواقع ، فقط الأحرف F و Q و U و V و Y متوفرة الآن [تحديث] لوصف أي بنية DNA جديدة قد تظهر في المستقبل. [28] [29] ومع ذلك ، تم إنشاء معظم هذه الأشكال صناعياً ولم يتم ملاحظتها في النظم البيولوجية التي تحدث بشكل طبيعي. [ بحاجة لمصدر ] هناك أيضًا أشكال DNA ثلاثية الجديلة وأشكال رباعية مثل G-quadruplex و i-motif.

السمات الهيكلية للأشكال الثلاثة الرئيسية للحمض النووي [30] [31] [32]
سمة الهندسة A- DNA ب- DNA Z-DNA
حاسة اللولب أيمن أيمن يساري
وحدة التكرار 1 زوج 1 زوج 2 بي بي
التناوب / bp 32.7° 34.3° 60°/2
BP / بدوره 11 10.5 12
ميل bp إلى المحور +19° −1.2° −9°
ارتفاع / بي بي على طول المحور 2.3 Å (0.23 نانومتر) 3.32 Å (0.332 نانومتر) 3.8 Å (0.38 نانومتر)
الملعب / بدوره اللولب 28.2 Å (2.82 نانومتر) 33.2 Å (3.32 نانومتر) 45.6 Å (4.56 نانومتر)
يعني تحريف المروحة +18° +16°
زاوية الجليكوزيل مضاد مضاد ج: مضاد ،
G: مزامنة
تجعد السكر C3'- إندو C2'- إندو ج: C2'- إندو ،
G: C2'-exo
قطر الدائرة 23 Å (2.3 نانومتر) 20 Å (2.0 نانومتر) 18 Å (1.8 نانومتر)

تحرير الأخاديد

تشكل الخيوط الحلزونية المزدوجة العمود الفقري للحمض النووي. يمكن العثور على حلزون مزدوج آخر عن طريق تتبع المسافات ، أو الأخاديد ، بين الخيوط. هذه الفراغات متاخمة للأزواج الأساسية وقد توفر موقع ربط. نظرًا لأن الخيوط لا تتقابل مباشرة مع بعضها البعض ، فإن حجم الأخاديد غير متساوٍ. يبلغ عرض أحد الأخدود ، الأخدود الرئيسي ، 22 بوصة والآخر ، الأخدود الصغير ، بعرض 12 بوصة. [33] يعني ضيق الأخدود الصغير أن حواف القواعد يمكن الوصول إليها بشكل أكبر في الأخدود الرئيسي. ونتيجة لذلك ، فإن البروتينات مثل عوامل النسخ التي يمكن أن ترتبط بتسلسلات معينة في الحمض النووي مزدوج الشريطة عادة ما تقوم بالاتصال بجوانب القواعد المكشوفة في الأخدود الرئيسي. [4] يختلف هذا الموقف في التوافقات غير العادية للحمض النووي داخل الخلية (انظر أدناه)، ولكن يتم دائمًا تسمية الأخاديد الرئيسية والثانوية لتعكس الاختلافات في الحجم التي يمكن رؤيتها إذا تم التواء الحمض النووي مرة أخرى إلى الشكل B العادي.

تحرير الأشكال الحلزونية غير المزدوجة

تم النظر لفترة وجيزة في النماذج غير الحلزونية البديلة في أواخر السبعينيات كحل محتمل لمشاكل تكرار الحمض النووي في البلازميدات والكروماتين. ومع ذلك ، تم وضع النماذج جانبًا لصالح النموذج الحلزوني المزدوج بسبب التطورات التجريبية اللاحقة مثل علم البلورات بالأشعة السينية لدوابع الدنا المزدوجة ولاحقًا الجسيم الأساسي النواة ، واكتشاف الإيزوميراز العلوي. أيضًا ، النماذج غير المزدوجة الحلزونية غير مقبولة حاليًا من قبل المجتمع العلمي السائد. [34] [35]

الحمض النووي عبارة عن بوليمر جامد نسبيًا ، يتم نمذجته عادةً على شكل سلسلة شبيهة بالديدان. لديه ثلاث درجات كبيرة من حرية الانحناء والالتواء والضغط ، كل منها يسبب حدودًا معينة لما هو ممكن مع الحمض النووي داخل الخلية. التواء الالتواء التصلب مهم لتعميم الحمض النووي وتوجيه البروتينات المرتبطة بالحمض النووي بالنسبة لبعضها البعض والصلابة المحورية الانحناء مهمة لتغليف الحمض النووي والتعميم وتفاعلات البروتين. تمديد الضغط غير مهم نسبيًا في حالة عدم وجود توتر عالٍ.

طول الثبات ، الصلابة المحورية تحرير

لا يأخذ الحمض النووي في المحلول بنية صلبة ولكنه يغير شكله باستمرار بسبب الاهتزاز الحراري والتصادم مع جزيئات الماء ، مما يجعل من المستحيل تطبيق المقاييس الكلاسيكية للصلابة. ومن ثم ، فإن صلابة الانحناء للحمض النووي تقاس بطول الثبات ، المحدد على النحو التالي:

طول الحمض النووي الذي يصبح فيه الاتجاه المتوسط ​​الزمني للبوليمر غير مرتبط بعامل ه. [ بحاجة لمصدر ]

يمكن قياس هذه القيمة مباشرة باستخدام مجهر القوة الذرية لتصوير جزيئات DNA ذات الأطوال المختلفة مباشرة. في محلول مائي ، يبلغ متوسط ​​طول الثبات 46-50 نانومتر أو 140-150 زوجًا قاعديًا (قطر DNA 2 نانومتر) ، على الرغم من أنه يمكن أن يختلف بشكل كبير. هذا يجعل الحمض النووي جزيءًا متوسط ​​الصلابة.

يعتمد طول استمرار جزء من الحمض النووي إلى حد ما على تسلسله ، وهذا يمكن أن يسبب تباينًا كبيرًا. يرجع الاختلاف إلى حد كبير إلى طاقات التراص الأساسية والمخلفات التي تمتد إلى الأخاديد الصغيرة والكبيرة.

نماذج الانحناء تحرير الحمض النووي

استقرار التراص لخطوات القاعدة (B DNA) [36]
خطوة التراص ΔG
/ كيلو كالوري مول −1
تي أ -0.19
تي جي أو ج أ -0.55
سي جي -0.91
اي جي أو سي تي -1.06
أ أو تي تي -1.11
في -1.34
G أ أو تي سي -1.43
نسخة أو جي جي -1.44
أ ج أو جي تي -1.81
G ج -2.17

على نطاقات الطول الأكبر من طول الثبات ، تتوافق المرونة الحتمية للحمض النووي بشكل ملحوظ مع نماذج فيزياء البوليمر القياسية ، مثل كراتكي بورد نموذج سلسلة تشبه الدودة. [37] بما يتفق مع نموذج السلسلة الشبيهة بالديدان ، هناك ملاحظة مفادها أن ثني الحمض النووي موصوف أيضًا في قانون هوك بقوى صغيرة جدًا (بيكونيوتن). بالنسبة لأجزاء الحمض النووي الأقل من طول الثبات ، تكون قوة الانحناء ثابتة تقريبًا وينحرف السلوك عن تنبؤات السلسلة الشبيهة بالديدان.

ينتج عن هذا التأثير سهولة غير عادية في تدوير جزيئات الحمض النووي الصغيرة واحتمال أكبر للعثور على أقسام شديدة الانحناء من الحمض النووي. [38]

تعديل تفضيل الانحناء

غالبًا ما يكون لجزيئات الحمض النووي اتجاه مفضل للانحناء ، أي الانحناء متباين الخواص. هذا ، مرة أخرى ، بسبب خصائص القواعد التي تشكل تسلسل الحمض النووي - لن يكون للتسلسل العشوائي اتجاه الانحناء المفضل ، أي الانحناء المتناحي.

يتم تحديد اتجاه الانحناء المفضل للحمض النووي من خلال ثبات تكديس كل قاعدة فوق القاعدة التالية. إذا تم العثور دائمًا على خطوات التراص الأساسية غير المستقرة على جانب واحد من حلزون الحمض النووي ، فإن الحمض النووي سينحني بشكل تفضيلي بعيدًا عن هذا الاتجاه. مع زيادة زاوية الانحناء ، تلعب العوائق الفاصلة والقدرة على دحرجة المخلفات بالنسبة لبعضها البعض دورًا أيضًا ، خاصة في الأخدود الصغير. أ و تي سيتم العثور على المخلفات بشكل تفضيلي في الأخاديد الصغيرة داخل الانحناءات. يظهر هذا التأثير بشكل خاص في ارتباط بروتين الحمض النووي حيث يتم إحداث انحناء محكم للحمض النووي ، كما هو الحال في جزيئات النوكليوسوم. انظر تشوهات الخطوة الأساسية أعلاه.

يمكن لجزيئات الحمض النووي ذات التفضيل الاستثنائي للثني أن تنحني جوهريًا. وقد لوحظ هذا لأول مرة في DNA المثقبيات الحركية. التسلسلات النموذجية التي تسبب ذلك تحتوي على امتدادات من 4-6 تي و أ بقايا مفصولة جي و ج أقسام غنية تحافظ على بقايا A و T في الطور مع الأخدود الصغير على جانب واحد من الجزيء. على سبيل المثال:

¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦
جي أ تي تي ج ج ج أ أ أ أ أ تي جي تي ج أ أ أ أ أ أ تي أ جي جي ج أ أ أ أ أ أ تي جي ج ج أ أ أ أ أ أ تي ج ج ج أ أ أ ج

يتم تحفيز الهيكل المنحني جوهريًا عن طريق "التواء المروحة" لأزواج القاعدة بالنسبة لبعضها البعض مما يسمح بروابط هيدروجينية متشعبة غير عادية بين خطوات القاعدة. في درجات الحرارة المرتفعة ، يتم تغيير طبيعة هذا الهيكل ، وبالتالي يتم فقد الانحناء الجوهري.

كل الحمض النووي الذي ينحني متباين الخواص له ، في المتوسط ​​، طول ثبات أطول وصلابة محورية أكبر. هذه الصلابة المتزايدة مطلوبة لمنع الانحناء العشوائي الذي يجعل الجزيء يعمل بشكل متناحي.

تحرير التعميم

يعتمد تعميم الحمض النووي على كل من الصلابة المحورية (الانحناء) والصلابة الالتوائية (الدورانية) للجزيء. لكي ينجح جزيء الحمض النووي في الدوران بشكل دائري ، يجب أن يكون طويلًا بما يكفي للانحناء بسهولة في الدائرة الكاملة ويجب أن يكون لديه العدد الصحيح من القواعد بحيث تكون النهايات في الدوران الصحيح للسماح بحدوث الترابط. يبلغ الطول الأمثل لتعميم الحمض النووي حوالي 400 زوج قاعدي (136 نانومتر) [ بحاجة لمصدر ] ، مع عدد لا يتجزأ من دورات لولب الحمض النووي ، أي مضاعفات 10.4 أزواج قاعدية. يمثل وجود عدد غير متكامل من المنعطفات حاجزًا كبيرًا من الطاقة للتعميم ، على سبيل المثال 10.4 × 30 = 312 زوج قاعدي جزيء سوف يدور أسرع بمئات المرات من 10.4 × 30.5 × 317 زوج قاعدي جزيء. [39]

إن ثني مقاطع DNA الدائرية القصيرة غير منتظم. بدلاً من ذلك ، بالنسبة لشرائح الحمض النووي الدائرية الأقل من طول الثبات ، يتم ترجمة انحناء الحمض النووي إلى 1-2 مكامن الخلل التي تتشكل بشكل تفضيلي في الأجزاء الغنية بـ AT. إذا كان النك موجودًا ، فسيتم ترجمة الانحناء إلى موقع النك. [38]

تعديل نظام التمدد المرن

الامتدادات الأطول للحمض النووي تكون مرنة من الناحية الحتمية تحت التوتر. عندما يكون الحمض النووي في محلول ، فإنه يخضع لتغيرات هيكلية مستمرة بسبب الطاقة المتاحة في الحمام الحراري للمذيب. ويرجع ذلك إلى الاهتزاز الحراري للجزيء المصحوب بالتصادم المستمر مع جزيئات الماء. لأسباب إنتروبية ، يمكن الوصول حرارياً إلى حالات الاسترخاء المدمجة أكثر من الحالات الممتدة ، وبالتالي توجد جزيئات الحمض النووي عالميًا تقريبًا في تخطيطات مسترخية متشابكة. لهذا السبب ، سيتمدد جزيء واحد من الحمض النووي تحت تأثير القوة ، مما يؤدي إلى تقويمه. باستخدام ملاقط بصرية ، تمت دراسة وتحليل سلوك التمدد الحتمي للحمض النووي من منظور فيزياء البوليمر ، ووجد أن الحمض النووي يتصرف إلى حد كبير مثل كراتكي بورد نموذج سلسلة شبيهة بالديدان تحت مقاييس طاقة يمكن الوصول إليها من الناحية الفسيولوجية.

انتقالات المرحلة تحت التمديد تحرير

في ظل التوتر الكافي وعزم الدوران الإيجابي ، يُعتقد أن الحمض النووي يمر بمرحلة انتقالية مع تطاير القواعد للخارج وانتقال الفوسفات إلى الوسط. تم استدعاء هذا الهيكل المقترح للحمض النووي الممدود DNA على شكل Pتكريما للينوس بولينج الذي قدمه في الأصل كهيكل محتمل للحمض النووي. [26]

الدليل من التمدد الميكانيكي للحمض النووي في غياب نقاط عزم الدوران المفروضة على الانتقال أو التحولات التي تؤدي إلى المزيد من الهياكل التي يشار إليها عمومًا باسم DNA على شكل S.. لم يتم توصيف هذه الهياكل بشكل نهائي حتى الآن بسبب صعوبة تنفيذ التصوير بدقة ذرية في المحلول بينما تكون تحت القوة المطبقة على الرغم من إجراء العديد من دراسات المحاكاة الحاسوبية (على سبيل المثال ، [40] [41]).

تشتمل هياكل S-DNA المقترحة على تلك التي تحافظ على تكديس أزواج القاعدة والترابط الهيدروجين (غني بالـ GC) ، مع إطلاق التمديد عن طريق الإمالة ، بالإضافة إلى الهياكل التي يحدث فيها انصهار جزئي للمكدس الأساسي ، بينما يكون ارتباط القاعدة الأساسية ومع ذلك تم الحفاظ عليها بشكل عام (AT-rich).

تم اقتراح الكسر الدوري لمكدس الزوج الأساسي مع حدوث كسر مرة واحدة لكل ثلاث نقاط أساس (لذلك واحد من كل ثلاث خطوات bp-bp) كهيكل منتظم يحافظ على مستوى التكديس الأساسي ويطلق المقدار المناسب من الامتداد ، [42] مع مصطلح "Σ-DNA" الذي تم تقديمه باعتباره ذاكريًا ، مع وجود ثلاث نقاط مواجهة لليمين لشخصية سيجما بمثابة تذكير بثلاثة أزواج قاعدية مجمعة. لقد ثبت أن الشكل له تفضيل تسلسلي لنماذج GNC التي يعتقد أنها ذات أهمية تطورية بموجب فرضية GNC. [43]

يلتف الشكل B للحلزون DNA بزاوية 360 درجة لكل 10.4-10.5 نقطة أساس في حالة عدم وجود إجهاد الالتواء. لكن العديد من العمليات البيولوجية الجزيئية يمكن أن تحفز إجهاد الالتواء. يشار إلى مقطع الحمض النووي الذي يحتوي على التواء حلزوني زائد أو غير كاف ، على التوالي ، على أنه إيجابي أو سلبي ملفوف. الحمض النووي في الجسم الحي عادة ما يكون ملفوفًا بشكل سلبي للغاية ، مما يسهل فك (ذوبان) الحلزون المزدوج المطلوب لنسخ الحمض النووي الريبي.

داخل الخلية ، يتم تقييد معظم الحمض النووي طوبولوجيًا. يوجد الحمض النووي عادةً في حلقات مغلقة (مثل البلازميدات في بدائيات النوى) المغلقة طوبولوجيًا ، أو كجزيئات طويلة جدًا تنتج معاملات انتشارها مجالات مغلقة طوبولوجيًا بشكل فعال. ترتبط المقاطع الخطية من الحمض النووي أيضًا بالبروتينات أو الهياكل الفيزيائية (مثل الأغشية) لتشكيل حلقات طوبولوجية مغلقة.

كان فرانسيس كريك من أوائل الذين اقترحوا أهمية ربط الأرقام عند النظر في ملفات الحمض النووي الفائقة. في ورقة نشرت عام 1976 ، حدد كريك المشكلة على النحو التالي:

عند النظر في الملفات الفائقة المكونة من جزيئات DNA مزدوجة الشريطة مغلقة ، هناك حاجة إلى مفاهيم رياضية معينة ، مثل رقم الربط والتواء. يتم شرح معنى هذه بالنسبة للشريط المغلق وكذلك معنى الرقم المتلوى للمنحنى المغلق. يتم إعطاء بعض الأمثلة البسيطة ، قد يكون بعضها وثيق الصلة ببنية الكروماتين. [44]

يستخدم تحليل طوبولوجيا الحمض النووي ثلاث قيم:

  • إل = رقم الربط - عدد المرات التي يلتف فيها خيط DNA حول الآخر. إنه عدد صحيح لحلقة مغلقة وثابت لمجال طوبولوجي مغلق.
  • تي = تطور - إجمالي عدد المنعطفات في حلزون الحمض النووي المزدوج الذي تقطعت بهم السبل. يميل هذا عادةً إلى الاقتراب من عدد المنعطفات التي تجعلها حلزون DNA مزدوج الجديلة مفتوحًا طوبولوجيًا مجانيًا في المحلول: عدد القواعد / 10.5 ، بافتراض عدم وجود عوامل تداخل (على سبيل المثال ، بروميد إيثيديوم) أو عناصر أخرى تعدل صلابة الحمض النووي .
  • دبليو = writhe - عدد دورات لولب الحمض النووي المزدوج الذي تقطعت به السبل حول المحور الفوق حلقي
  • إل = تي + دبليو و Δإل = Δتي + Δدبليو

يجب موازنة أي تغيير في T في مجال طوبولوجي مغلق بتغيير W والعكس صحيح. ينتج عن هذا بنية أعلى رتبة للحمض النووي. سيكون جزيء DNA الدائري الذي يحتوي على 0 عبارة عن جزيء دائري. إذا تم زيادة أو تقليل التواء هذا الجزيء لاحقًا عن طريق الالتواء الفائق ، فسيتم تغيير التواء بشكل مناسب ، مما يجعل الجزيء يخضع للف فائق الحلقي أو حلقي.

عندما يتم ربط نهايات قطعة من الحمض النووي الحلزوني المزدوج الذي تقطعت به السبل بحيث تشكل دائرة ، يتم عقد الخيوط طوبولوجيًا. هذا يعني أنه لا يمكن فصل الخيوط المفردة في أي عملية لا تتضمن كسر خصلة (مثل التسخين). تقع مهمة فك خيوط الحمض النووي المرتبطة طوبولوجيًا على عاتق الإنزيمات المسماة بـ topoisomerases. هذه الإنزيمات مكرسة للحمض النووي الدائري غير المتشابك عن طريق شق أحد الخيوط أو كلاهما بحيث يمكن أن يمر جزء آخر مزدوج أو منفرد. هذا التفكك مطلوب لتكرار الحمض النووي الدائري وأنواع مختلفة من إعادة التركيب في الحمض النووي الخطي الذي له قيود طوبولوجية مماثلة.

مفارقة ربط الرقم تحرير

لسنوات عديدة ، ظل أصل الالتفاف الفائق المتبقي في جينومات حقيقيات النوى غير واضح. أشار البعض إلى هذا اللغز الطوبولوجي على أنه "مفارقة ربط الأرقام". [45] ومع ذلك ، عندما أظهرت البنى المحددة تجريبيًا للنيوكليوسوم غلافًا أعسرًا ملتويًا أكثر من اللازم من الحمض النووي حول أوكتامر هيستون ، [46] [47] هذا المفارقة تم حلها من قبل المجتمع العلمي.


4. تسلسل محدد من القواعد النيتروجينية التي ترمز لبروتينات معينة أو جزيئات الحمض النووي الريبي التنظيمية تسمى الجينات.

كل خيط من الحمض النووي يشبه كتاب وصفات لتخليق البروتينات. ترميز تسلسلات معينة من القواعد النيتروجينية على طول الشريط جزيئات معينة من الحمض النووي الريبي. هذه التسلسلات تسمى الجينات. تُترجم جزيئات الرنا المرسال المنسوخة من الجينات إلى بروتينات لاحقًا.

يمكن أن تختلف الكروموسومات بشكل كبير في عدد أزواجها الأساسية وجيناتها. أطول كروموسوم في الخلايا البشرية ، كروموسوم 1 ، يبلغ طوله حوالي 249 مليون زوج قاعدي وله ما بين 2000 و 2100 جين مميز. كروموسوم 21 ، أقصر كروموسوم بشري ، يتكون من 48 مليون زوج قاعدي ويحتوي على ما بين 200 و 300 جين. بشكل عام ، تحتوي الخلايا بدائية النواة على كروموسومات أقصر مع عدد أقل من الجينات. على سبيل المثال ، البكتيريا كارسونيلا رودي لديها فقط 159662 زوجًا أساسيًا و 182 جينًا في كامل جينومها.

على الرغم من أن الجينات تحصل على معظم الفضل في ما يفعله الحمض النووي ، إلا أنها تشكل حوالي 1 ٪ فقط من الحمض النووي (في البشر). تنفصل الجينات عن بعضها البعض عن طريق تسلسل القواعد النيتروجينية التي لا تقدم تعليمات لتخليق الحمض النووي الريبي. وتسمى هذه المناطق الجينية. حتى داخل الجينات ، توجد مناطق من الحمض النووي غير المشفر تسمى الإنترونات.

تعتبر المناطق غير المشفرة من الحمض النووي مهمة لأنها توفر مواقع ربط للبروتينات التي تساعد في تنشيط أو إلغاء تنشيط عملية النسخ. يمكنهم أيضًا توفير الحماية لمناطق التشفير. على سبيل المثال ، تتكون التيلوميرات من تسلسلات متكررة تحمي المعلومات الجينية لكل جزيء DNA من التلف أثناء انقسام الخلية.


تم الإعلان للتو عن شراكة بين شركتين في كاليفورنيا ، Codexis CDXS و Molecular Assemblies ، تركز على طريقة جذرية جديدة لكتابة الحمض النووي. تأتي الشراكة في وقت مزدهر لصناعة البيولوجيا التركيبية ، التي تسعى إلى استخدام الحمض النووي لإنشاء كل شيء من الأجسام المضادة لـ COVID-19 إلى الخيارات الجديدة لتخزين البيانات عالي الكثافة.

يعتبر تصنيع الحمض النووي بالفعل سوقًا ساخنًا. شهدت Twist Bioscience ، صانع الجينات ، تضاعف أسهمها ثلاث مرات تقريبًا منذ الاكتتاب العام في أواخر عام 2018. في نفس العام ، استحوذت Danaher على تقنيات DNA المتكاملة مقابل 1.8 مليار دولار يُشاع. ومع ذلك ، فإن كل هذا النجاح الأخير يعتمد على طريقة عمرها عقود لطباعة الحمض النووي يعترف المطلعون بأنها محدودة للغاية.

لا يزال صانعو الحمض النووي اليوم يصنعون منتجاتهم باستخدام الكيمياء. لتشكيل حلزون مزدوج جديد ، يتم ربط الأحرف الفردية للحمض النووي - الملقب بـ A و T و C و G - معًا باستخدام عملية تسمى تخليق الفوسفوراميديت. على الرغم من أن العملية قد تم تنقيحها على مر السنين ، إلا أنها لا تزال تتطلب مذيبات قاسية تحد من جودة المنتج النهائي. تصبح هذه المذيبات أيضًا نفايات ضارة.

تثبت نظرة سريعة على علم الأحياء أنه من الواضح أن هناك طريقة أفضل. تصنع خلاياك الحمض النووي على مدار الساعة ، وهي تفعل ذلك بدون مواد كيميائية قاسية. إن نسخ الحمض النووي التي ينتجونها أطول بملايين المرات وأكثر دقة بكثير مما يمكن لأي عمل تجاري الحصول عليه حاليًا من خلال التخليق الكيميائي. هذه القدرة على إنشاء كميات هائلة من الحمض النووي عالي الجودة تمكن من تعقيد الحياة ، وإذا تم تسخيرها ستحول التصنيع العالمي عن طريق فتح الأبواب أمام ابتكارات البيولوجيا التركيبية في قطاعات الأدوية والمنسوجات والزراعة والمواد المتقدمة.

يمتلك Jim Loree من Stanley Black & amp Decker خططًا كبيرة لتزويد الأدوات التي تعمل بالغاز ، والقواطع والجزازات

تجعل التكنولوجيا التعاونية اكتشاف الأدوية أسهل وأسرع

قائمة فوربس 2021 للشركات الناشئة التي تبلغ قيمتها مليار دولار: الترشيحات مفتوحة

لسنوات ، كان علماء التكنولوجيا الحيوية يتوقون إلى صنع الحمض النووي بنفس الطريقة التي تعمل بها البيولوجيا - باستخدام الإنزيمات. هذه الآلات ذات الحجم النانوي ، والتي هي نتاج الجينات ، تتخصص في احتواء المواد الكيميائية الصغيرة من حولها. نوع واحد من الإنزيمات على وجه الخصوص ، يسمى البوليميراز ، لديه قدرة لا مثيل لها على خياطة أحرف الحمض النووي في سلاسل طويلة.

تعمل شركات مثل Molecular Assemblies في سان دييغو على تكييف إنزيمات البوليميراز لإنشاء جزيئات DNA مخصصة. لديهم 24 براءة اختراع في هذا الشأن ، ويقولون إن لديهم بالفعل القدرة على إنتاج سلاسل الحمض النووي التي تصل إلى 50 مرة أطول من المنافسة. لقد بدأوا حتى في تطبيق تقنيتهم ​​على التحدي المتمثل في تخزين بيانات الحمض النووي.

Codexis ، ومقرها في Bay Area ، متخصصة في تحسين الإنزيمات للاستخدام الصناعي. كما كتبت من قبل ، فإنهم يطبقون برامج كمبيوتر متقدمة للتوصل إلى إنزيمات محسنة يمكن أن تساعد في إنشاء مجموعة مذهلة من المنتجات ، بما في ذلك القنب والبلاستيك الحيوي والوقود الحيوي وحتى الأدوية الصيدلانية.

وبموجب الاتفاقية الجديدة ، ستشتري Codexis مخزونًا قيمته مليون دولار من Molecular Assemblies. هذا مكسب واضح لكلا الشركتين: يعتمد العمل الأساسي للجمعيات الجزيئية على الإنزيمات ، وفي Codexis يكتسبون شريكًا متخصصًا في هندسة الإنزيمات. يستفيد الدستور أيضًا ، حيث يحصلون على حصة في المجال المربح والمزدهر لتخليق الحمض النووي الأنزيمي.

في النهاية ، مثل هذه التحركات تفيد أيضًا صناعة البيولوجيا التركيبية بأكملها. سيكون الحمض النووي المصنوع من الإنزيمات نعمة لأي شركة - كبيرة كانت أم صغيرة - ترغب في المشاركة في جهود القرن الحادي والعشرين لبناء اقتصاد أفضل وأكثر اخضرارًا وفعالية مع علم الأحياء.

للحصول على مغرفة داخلية حول تخليق الحمض النووي الأنزيمي وما يعنيه للتكنولوجيا الحيوية بأكملها. [+] في مجال الصناعة ، تحدثت مع مايكل كامدار الرئيس التنفيذي لشركة Molecular Assemblies وجون نيكولز الرئيس التنفيذي لشركة Codexis حول جعل التكنولوجيا نجاحًا تجاريًا.

للحصول على السبق الصحفي الداخلي ، شاهد مقابلتي مع الرئيس التنفيذي لشركة Molecular Assemblies ، مايكل كامدار ، والرئيس التنفيذي لشركة Codexis John Nicols حول تأثير تخليق الحمض النووي الإنزيمي ، وما تعنيه هذه الصفقة للصناعة.

تابعني على Twitter على تضمين التغريدة و @سينبيوبيتا. اشترك في رسالتي الإخبارية الأسبوعية في علم الأحياء التركيبي. شكرا لك ايان هايدون لمزيد من البحث والتقرير في هذه المقالة. أنا مؤسس SynBioBeta، وبعض الشركات التي أكتب عنها - بما في ذلك Molecular Assemblies و Codexis - هي رعاة مؤتمر SynBioBeta و ملخص أسبوعي. إليك القائمة الكاملة لرعاة SynBioBeta. أنا أيضًا شريك تشغيلي في DCVC ، التي استثمرت في التجميعات الجزيئية.


7.1: بنية الحمض النووي

  • بمساهمة إي في وونغ
  • Axolotl Academica Publishing (علم الأحياء) في Axolotl Academica Publishing

كما ترى في الشكل 1 ، تختلف النيوكليوتيدات بشكل طفيف فقط ، وفي القاعدة النيتروجينية فقط. في حالة الحمض النووي ، فإن هذه القواعد هي الأدينين ، والجوانين ، والسيتوزين ، والثايمين. لاحظ تشابه أشكال الأدينين والجوانين ، وكذلك التشابه بين السيتوزين والثايمين. يصنف A و G على أنهما بيورينات ، بينما يصنف C و T على أنهما بيريميدين. طالما أننا & rsquore تسمية الأشياء ، لاحظ & ldquodeoxyribose & rdquo و & ldquoribose & rdquo. كما يوحي الاسم ، فإن deoxyribose هو مجرد ريبوز بدون أكسجين. بشكل أكثر تحديدًا ، حيث توجد مجموعة هيدروكسيل مرتبطة بـ 2-كربون من الريبوز ، يوجد فقط هيدروجين مرتبط بـ 2-كربون من deoxyribose. هذا هو الفرق الوحيد بين السكريات.

في البناء العشوائي لخيط واحد من الحمض النووي في المختبر، لا توجد قواعد معينة فيما يتعلق بترتيب النيوكليوتيدات فيما يتعلق بقواعدها. إن هويات قواعدها النيتروجينية غير ذات صلة لأن النيوكليوتيدات مرتبطة بروابط فسفودايستر من خلال مجموعة الفوسفات والبنتوز. لذلك غالبًا ما يشار إليه على أنه العمود الفقري للسكر والفوسفات. إذا قمنا بتفكيك الكلمة & ldquophosphodiester & rdquo ، فإننا نرى أنها تصف الاتصال بسهولة تامة: ترتبط السكريات برابطة استر (& mdashO & mdash) مع فوسفور بينهما. من الأفكار التي غالبًا ما تربك الطلاب هي اتجاه هذه الرابطة ، وبالتالي اتجاه الأحماض النووية بشكل عام. على سبيل المثال ، عندما نتحدث عن بوليميراز DNA ، الإنزيم الذي يحفز إضافة النيوكليوتيدات في الخلايا الحية ، نقول إنه يعمل في اتجاه 5-Prime (5 & rsquo) إلى 3-Prime (3 & rsquo). قد يبدو هذا كلامًا غامضًا لعالم الأحياء الجزيئي ، لكنه في الواقع بسيط جدًا. ألق نظرة أخرى على اثنين من النيوكليوتيدات المرتبطة ببعضها البعض بواسطة رابطة الفوسفوديستر (الشكل ( فهرس الصفحة <1> ) ، أسفل اليسار). يتم ربط نيوكليوتيد الأدينين بنكليوتيد السيتوزين. ستعمل رابطة الفوسفوديستر دائمًا على ربط 5-كربون لواحد من الديوكسيريبوز (أو الريبوز في الحمض النووي الريبي) بالكربون الثلاثي للسكر التالي. هذا يعني أيضًا أنه في أحد طرفي سلسلة من النيوكليوتيدات المرتبطة ، سيكون هناك فوسفات 5 & rsquo (-PO4) المجموعة ، وعلى الطرف الآخر ، هيدروكسيل 3 & rsquo الحرة (-OH). هذه تحدد اتجاه خيط من DNA أو RNA.

الشكل ( PageIndex <1> ). الحمض النووي. حمض Deoxyribonucleic عبارة عن سلسلة بوليمر من النيوكليوتيدات متصلة بواسطة روابط 5 & rsquo إلى 3 & rsquo phosphodiester. يوجد الحمض النووي عادةً على شكل خيطين تكميليين متوازيين متصلين ببعضهما البعض بواسطة روابط هيدروجينية بين الأدينين (A) والثايمين (T) ، وبين الجوانين (G) والسيتوزينات (C).

يوجد الحمض النووي عادة كجزيء مزدوج تقطعت به السبل في الخلية بينما يكون الحمض النووي الريبي في الغالب أحادي السلسلة. من المهم أن نفهم أنه في ظل الظروف المناسبة ، يمكن جعل الحمض النووي أحادي الجديلة ، ويمكن أن يكون الحمض النووي الريبي مزدوجًا. في الواقع ، الجزيئات متشابهة جدًا لدرجة أنه من الممكن حتى تكوين جزيئات هجينة مزدوجة السلسلة بشريط واحد من DNA وواحد من RNA. ومن المثير للاهتمام ، أن الحلزونات المزدوجة لـ RNA-RNA واللوالب المزدوجة RNA-DNA هي في الواقع أكثر استقرارًا قليلاً من الحلزون المزدوج للحمض النووي DNA التقليدي.

أساس الطبيعة المزدوجة الخيط للحمض النووي ، وفي الواقع أساس الأحماض النووية كوسيلة لتخزين ونقل المعلومات الجينية ، هو قاعدة الاقتران. يشير الاقتران القاعدي إلى تكوين روابط هيدروجينية بين الأدينين والثايمين ، وبين الجوانين والسيتوزينات. هذه الأزواج أكثر استقرارًا بشكل ملحوظ من أي ارتباط يتكون مع القواعد المحتملة الأخرى. علاوة على ذلك ، عندما تتشكل ارتباطات الأزواج الأساسية هذه في سياق خيطين من الأحماض النووية ، فإن تباعدها يكون أيضًا منتظمًا ومستقرًا للغاية. قد تتذكر أن الروابط الهيدروجينية هي روابط ضعيفة نسبيًا. ومع ذلك ، في سياق الحمض النووي ، فإن الترابط الهيدروجيني هو ما يجعل الحمض النووي مستقرًا للغاية وبالتالي فهو مناسب تمامًا كوسيط تخزين طويل الأجل للمعلومات الجينية. نظرًا لأنه حتى في بدائيات النوى البسيطة ، فإن حلزونات الحمض النووي المزدوجة تتكون على الأقل من آلاف النيوكليوتيدات ، وهذا يعني أن هناك عدة آلاف من الروابط الهيدروجينية التي تربط الخيطين معًا. على الرغم من أن أي تفاعل فردي للرابط بين النيوكليوتيدات والنيوكليوتيدات يمكن أن يتعطل بسهولة مؤقتًا عن طريق زيادة طفيفة في درجة الحرارة ، أو تغيير ضئيل في القوة الأيونية للمحلول ، فإن الحلزون المزدوج الكامل للحمض النووي يتطلب درجات حرارة عالية جدًا (بشكل عام أكثر من 90 o C) لإفساد اللولب المزدوج تمامًا إلى خيوط فردية.

نظرًا لوجود اقتران واحد لواحد من النيوكليوتيدات ، اتضح أن الخيطين هما في الأساس نسخان احتياطيان لبعضهما البعض - شبكة أمان في حالة فقدان النيوكليوتيدات من خيط واحد. في الواقع ، حتى في حالة تلف أجزاء من كلا الخيطين ، طالما أن الشريط الآخر سليم في منطقة التلف ، فإن المعلومات الأساسية لا تزال موجودة في التسلسل التكميلي للخيط المقابل ويمكن كتابتها في مكانها. ضع في اعتبارك أنه على الرغم من أن خيطًا واحدًا من الحمض النووي يمكن أن يكون بمثابة & ldquobackup & rdquo من الآخر ، فإن الخيطين ليسا متطابقين - إنهما مكملان. نتيجة مثيرة للاهتمام لهذا النظام من الخيوط التكميلية والمضادة للتوازي هي أن كلا الجدولين يمكن أن يحمل كل منهما معلومات فريدة.

أزواج الجينات ثنائية الاتجاه هي جينان على خيوط متقابلة من الحمض النووي ، لكنهما يشتركان في محفز يقع بينهما. نظرًا لأنه لا يمكن صنع الحمض النووي إلا في اتجاه واحد ، 5 & [رسقوو] إلى 3 & [رسقوو] ، فإن هذا المروج ثنائي الاتجاه ، غالبًا جزيرة CpG (انظر الفصل التالي) ، يرسل بالتالي بوليميراز RNA لكل جين في اتجاهات مادية معاكسة. وقد ظهر هذا لعدد من الجينات المشاركة في السرطانات (الثدي والمبيض) ، وهي آلية لتنسيق التعبير عن شبكات المنتجات الجينية.

خيوط الحلزون المزدوج للحمض النووي غير متوازية. This means that if we looked at a double-helix of DNA from left to right, one strand would be constructed in the 5&rsquo to 3&rsquo direction, while the complementary strand is constructed in the 3&rsquo to 5&rsquo direction. This is important to the function of enzymes that create and repair DNA, as we will be discussing soon. In Figure (PageIndex<1>), the left strand is 5&rsquo to 3&rsquo from top to bottom, and the other is 5&rsquo to 3&rsquo from bottom to top.

From a physical standpoint, DNA molecules are negatively charged (all those phosphates), and normally a double-helix with a right-handed twist. In this normal (also called the &ldquoB&rdquo conformation) state, one full twist of the molecule encompasses 11 base pairs, with 0.34 nm between each nucleotide base. Each of the nitrogenous bases are planar, and when paired with the complementary base, forms a at planar &ldquorung&rdquo on the &ldquoladder&rdquo of DNA. These are perpendicular to the longitudinal axis of the DNA. Most of the free-floating DNA in a cell, and most DNA in any aqueous solution of near-physiological osmolarity and pH, is found in this B conformation. However, other conformations have been found, usually under very specific environmental circumstances. A compressed conformation, A-DNA, was observed as an artifact of في المختبر crystallization, with slightly more bases per turn, shorter turn length, and base-pairs that are not perpendicular to the longitudinal axis. Another, Z-DNA, appears to form transiently in GC-rich stretches of DNA in which, interestingly, the DNA twists the opposite direction.

Figure (PageIndex<2>). Three conformations of DNA. B-DNA is most common, A-DNA is likely an artifact of crystallization in vitro, and Z-DNA may form transiently in parts of the chromosome.

It has been suggested that both the A and Z forms of DNA are, in fact, physiologically relevant. There is evidence to suggest that the A form may occur in RNA-DNA hybrid double helices as well as when DNA is complexed to some enzymes. The Z conformation may occur in response to methylation of the DNA. Furthermore, the &ldquonormal&rdquo B-DNA conformation is something of a idealized structure based on being fully hydrated, as is certainly very likely inside a cell. However, that hydration state is constantly changing, albeit minutely, so the DNA conformation will often vary slightly from the B-conformation parameters in Figure (PageIndex<2>).

In prokaryotes, the DNA is found in the cytoplasm (rather obvious since there is no other choice in those simple organisms), while in eukaryotes, the DNA is found inside the nucleus. Despite the differences in their locations, the level of protection from external forces, and most of all, their sizes, both prokaryotic and eukaryotic DNA is packaged with proteins that help to organize and stabilize the overall chromosome structure. Relatively little is understood with regard to prokaryotic chromosomal packaging although there are structural similarities between some of the proteins found in prokaryotic and eukaryotic chromosomes. Therefore, most introductory cell biology courses stick to eukaryotic chromosomal packaging.

Figure (PageIndex<3>). DNA packaging. (A) A naked strand of DNA is approximately 2 nm in diameter. (B) Histones, which are octameric proteins depicted here as a roughly cylindrical protein, have positive charges distributed on the outer surface to interact with the negatively-charged DNA backbone. (C) Even the organization afforded by histone binding can leave an unmanageable tangle of DNA, especially with longer eukaryotic genomes, and therefore the histone-bound DNA is packaged into the &ldquo30-nm strand&rdquo. This is held together, in part, by histone interactions. (D) The 30-nm fibers are looped into 700-nm fibers, which are themselves formed into the typical eukaryotic chromosome (E).

Naked DNA, whether prokaryotic or eukaryotic, is an extremely thin strand of material, roughly 11 nm in diameter. However, given the size of eukaryotic genomes, if the DNA was stored that way inside the nucleus, it would become unmanageably tangled. Picture a bucket into which you have tossed a hundred meters of yarn without any attempt whatsoever to organize it by coiling it or bunching it. Now consider whether you would be able to reach into that bucket pull on one strand, and expect to pull up only one strand, or if instead you are likely to pull up at least a small tangle of yarn. The cell does essentially what you would do with the yarn to keep it organized: it is packaged neatly into smaller, manageable skeins. In the case of DNA, each chromosome is looped around a histone complex to form the first order of chromosomal organization: the nucleosome.

Figure (PageIndex<4>). The nucleosome is composed of slightly over two turns of DNA around a histone core containing two copies each of H2A, H2B, H3, and H4 histones. The H1 histone is not part of the core unit and functions in coor- dinating interaction between nucleosomes.

The 30-nm fiber is held together by two sets of interactions. First, the linker histone, H1, brings the nucleosomes together into an approximate 30-nm structure. This structure is then stabilized by disulfide bonds that form between the H2A histone of one nucleosome and the H4 histone of its neighbor.

Histones are a family of basic (positively-charged) proteins. They all function primarily in organizing DNA, and the nucleosome is formed when DNA wraps (a little over 2 times) around a core of eight histones - two each of H2A, H2B, H3, and H4. The number and position of the positive charges (mostly from lysines and arginines) are crucial to their ability to tightly bind DNA, which as previously pointed out, is very negatively charged. That &ldquoopposites attract&rdquo idea is not just a dating tip from the advice columns.

Figure from RCSB Protein Data Bank (http://www.rcsb.org).

Upon examination of the 3D structure of the histone core complex, we see that while relatively uncharged protein interaction domains hold the histones together in the center, the positively charged residues are found around the outside of the complex, available to interact with the negatively charged phosphates of DNA.

In a later chapter, we will discuss how enzymes read the DNA to transcribe its information onto smaller, more manageable pieces of RNA. For now, we only need to be aware that at any given time, much of the DNA is packaged tightly away, while some parts of the DNA are not. Because the parts that are available for use can vary depending on what is happening to/in the cell at any given time, the packaging of DNA must be dynamic. There must be a mechanism to quickly loosen the binding of DNA to histones when that DNA is needed for gene expression, and to tighten the binding when it is not. As it turns out, this process involves acetylation و deacetylation of the histones.

Figure (PageIndex<6>). (A) Deacetylated histone allows interaction between the negatively charged phosphates of the DNA and the positively charged lysines of the histone. (B) When the histone is acetylated, not only is the positive charge on the lysine lost, the acetyl group also imparts a negative charge, repelling the DNA phosphates.

Histone Acetyltransferases (HATs) are enzymes that place an acetyl group on a lysine of a histone protein. The acetyl groups are negatively charged, and the acetylation not only adds a negatively charged group, it also removes the positive charge from the lysine. This has the effect of not only neutralizing a point of attraction between the protein and the DNA, but even slightly repelling it (with like charges). On the other side of the mechanism, Histone Deactylases (HDACs) are enzymes that remove the acetylation, and thereby restore the interaction between histone protein and DNA. Since these are such important enzymes, it stands to reason that they are not allowed to operate willy-nilly on any available histone, and in fact, they are often found in a complex with other proteins that control and coordinate their activation with other processes such as activation of transcription.


What does double helix mean in biology?

A "filled-in" حلزون &ndash for example, a "spiral" (helical) ramp &ndash يكون called a helicoid. Helices are مهم في مادة الاحياء, as the DNA molecule يكون formed as two intertwined helices, and many proteins have helical substructures, known as alpha helices. الكلمة حلزون comes from the Greek word ?&lambda&iota&xi, "twisted, curved".

what does the double helix tell us about DNA? أ double helix resembles a twisted ladder. Each 'upright' pole of the ladder is formed from a backbone of alternating sugar and phosphate groups. كل الحمض النووي base ? (adenine, cytosine, guanine, thymine) is attached to the backbone and these bases form the rungs.

Beside above, what does it mean to call the DNA double helix antiparallel?

Antiparallel: A term applied to two molecules that are side by side but run in opposite directions. The two strands of الحمض النووي نكون مضاد. The head of one strand is always laid against the tail of the other strand of الحمض النووي.

What is a helix in medical terms?

طبي تعريف ال حلزون 1 : the incurved rim of the external ear. 2 : a curve traced on a cylinder by the rotation of a point crossing its right sections at a constant oblique angle broadly : spiral sense 2 &mdash see alpha-حلزون, double حلزون.


'Lost' Letters Reveal Twists in Discovery of Double Helix

Rediscovered letters and postcards highlight the fierce competition among scientists who discovered DNA's famous double-helix structure and unraveled the genetic code.

Francis Crick and James D. Watson shared a 1962 Nobel Prize with Maurice Wilkins for their work on revealing the structure of the DNA molecule that encodes instructions for the development and function of living beings. But formerly lost letters kept by Crick add more color to the well-known rivalries between Wilkins and the Crick-Watson duo.

"The [letters] give us much more flavor and examples illuminating the characters and the relations between them," said study researcher Alexander Gann, editorial director at Cold Spring Harbor Laboratory Press in New York. "They're consistent with what we already believed, but they add important details."

A fourth researcher credited with initial DNA work, Rosalind Franklin, died of cancer in 1958 and was never nominated for a Nobel Prize. She and her male colleagues did not get along despite their professional collaboration, as seen in some rather blunt messages contained within the new material.

"I hope the smoke of witchcraft will soon be getting out of our eyes," Wilkins wrote to Crick and Watson in 1953, as Franklin prepared to leave Wilkins' lab for Birbeck College in London.

Nine boxes of Crick's material turned up mixed in with the correspondence of a colleague, Sydney Brenner, who had donated his personal documents to Cold Spring Harbor Laboratory Library in New York. Researchers knew that much of Crick's earlier correspondence had been lost, but no one suspected it would emerge in Brenner's files.

The rediscovered material contains several nuggets about the race between rival labs to develop a DNA model in the early 1950s. Wilkins and Franklin worked at King&rsquos College London, while Crick and Watson did their research at the Cavendish Lab of Cambridge University.

Watson and Crick built an incorrect triple-helix model of DNA in 1951, after Watson saw a lecture by Franklin where she showed crystallographic X-ray images she had taken of DNA. The overconfident Watson had failed to take notes, and so he underestimated the amount of water in the DNA structure.

That led to a temporary agreement that Watson and Crick should not pursue a model of DNA for the time being, because the duo had merely used data from the rival King's College lab. Wilkins and Crick exchanged newly uncovered letters that show Wilkins alternating between a formal, typed letter about the agreement and a handwritten note expressing more personal anguish over the situation.

Yet Crick and Watson still managed to come off as confident in a rediscovered letter to Wilkins, and even include a verbal jab.

Rather than end the letter by praising Wilkins for now having a clear chance to solve the DNA structure, they crossed it out and wrote: "…So cheer up and take it from us that even if we kicked you in the pants it was between friends. We hope our burglary will at least produce a united front in your group!"

The exchange emphasizes the different attitudes among the scientists, Gann explained.

"Watson and Crick are jovial and cavalier, even though they've just been humiliated," Gann told Livescience. "But Wilkins was always anxious and tortured about different things."

'Rosy' the scientist

The rediscovered Crick material, which includes correspondence, photographs, postcards, preprints, reprints, meeting programs, notes and newspaper cuttings, also gives new details on the relationship between Rosalind Franklin and her male colleagues.

Well-known tensions reigned early on. An early misunderstanding poisoned the relationship between Wilkins and Franklin, and Watson's rather chauvinist attitude toward Franklin at the time included complaints that she failed to wear lipstick or pretty herself up like other women.

Franklin's male peers also persisted in calling her "Rosy" or "Rosie," a nickname she disliked immensely.

Still, her work with X-ray crystallography created a certain "Photograph 51," which allowed Crick and Watson to realize that DNA has a double-helix structure. Without Franklin knowing, Wilkins showed her photograph to Crick and Watson in 1953.

Wilkins later complained to Crick and Watson in a rediscovered letter: "To think that Rosie had all the 3D data for 9 months & wouldn&rsquot fit a helix to it and there was I taking her word for it that the data was anti-helical. Christ."

The rival labs eventually agreed to publish several papers together on the DNA structure in the journal Nature.

A twist of discovery

Many have argued that Franklin deserved Nobel recognition, because her experimental work revealed the double-helix structure that helped Crick and Watson build their DNA model. Even Watson suggested much later that Franklin and Wilkins should have shared a Nobel Prize in chemistry for their contributions.

Franklin, who had all the photographic evidence of DNA's double-helix structure in front of her, had dismissed the idea of a helix. That's because she focused her attention on the clearer data from the A form of DNA, which looks less obviously like a helix than the B form of DNA.

The crucial photograph shown to Crick and Watson had contained the B form of DNA, and so the pair immediately seized upon its helical shape. But a newly rediscovered letter shows that even they might have hesitated for a moment upon seeing the A form of DNA.

"This is the first time I have had an opportunity for a detailed study of the picture of Structure A, and I must say I am glad I didn&rsquot see it earlier, as it would have worried me considerably," Crick told Wilkins in the summer of 1953.

Gann suspects today that Crick and Watson would have gone ahead with their double-helix model and ignored the more ambiguous evidence from the A form of DNA.

"It wasn't anti-helical it just wasn't obviously helical," Gann said in a phone interview.

Publishing what-ifs

Other rediscovered letters include one in 1963 from C.P. Snow, the British physicist who bemoaned the communication gap between science and the humanities in a lecture titled "The Two Cultures." Snow wanted Crick to write something for general audiences about the DNA discovery story.

But Crick declined by noting he would have to consult Watson, Wilkins and everyone else involved. Five years later, Watson published his famous first-person account on his own, titled "The Double Helix."

Similarly, Crick spent six years putting off writing a textbook on molecular biology, despite pleas from a publisher. Watson eventually published a textbook called "Molecular Biology of the Gene," which defined the field of molecular biology and is now in its sixth edition.

Had Crick gone ahead and written his textbook, he might have ended up defining molecular biology in the same way, but in a different style, Gann said.

"Watson's first response when we showed him [the correspondence] was 'Wow, if he had written that I would have never written mine,'" Gann recalled.

Gann and Jan Witkowski, executive director of the Banbury Center in Cold Spring Harbor Laboratory, commented on the new Crick material in the Sept. 30 issue of the journal Nature.


Simple twist of DNA determines fate of placenta

(© stock.adobe.com)

The development of the mammalian placenta depends upon an unusual twist that separates DNA’s classic double helix into a single-stranded form, Yale researchers report July 15 in the journal Nature.

The Yale team also identified the molecular regulator that acts upon this single strand to accelerate or stop placental development, a discovery with implications not only for diseases of pregnancy but also for understanding how cancer tumors proliferate.

“ Placental tissue grows very fast, stimulates blood vessel formation, and invades into neighboring tissues, like a tumor,” said senior author Andrew Xiao, associate professor of genetics and a researcher with the Yale Stem Cell Center. “Unlike a tumor, however, the placenta grows through a precise, coordinated, and well-controlled manner.”

At the earliest stage of fetal development two linked processes begin simultaneously. As the fertilized egg begins developing specialized cells of the new life, another set of cells begins producing blood vessels in the placenta to nourish the growing fetus.

“ In many ways, pregnancy is like a prolonged state of inflammation, as the placenta constantly invades the uterine tissue,” Xiao said.

The DNA of the cells that will make up the growing placenta share an unusual trait — the double helix begins to twist. The resulting torsion causes certain sections of the genome break into a single strand. Although the primary sequences of the DNA are the same between the placenta and embryo, the different structure of the DNA between the two helps determine the fate of the cells.

The Yale team led by Xiao discovered placental growth is then regulated by the sixth base of DNA, N6-methyladenine. This base stabilizes the single-stranded regions of DNA and repels SATB1. SATB1 is protein critical for the organization of chromatin, the material that makes up chromosomes.

Placentas without N6-methyladenine grow uncontrollably while placentas with abnormally high levels of N6-methyladenine develop severe defects that eventually halt embryo development, the researchers found.

The findings could help researchers develop new therapies for conditions such as preeclampsia in pregnancy as well as certain types of cancer characterized by activity from single strands of DNA, the researchers said.

Yale’s Zheng Li, Shuai Zhao, Raman V. Nelakanti, Kaixuan Lin, and Tao P. Wu are co-first authors of the paper.

The research was primarily funded by National Institutes of Health and the Ludwig Family Foundation. A team of researchers led by Haitao Li in Tsinghua University also contributed to this study.


شاهد الفيديو: Genetics - Structure of the Double Helix - Lesson 14. Dont Memorise (أغسطس 2022).