كثير من الناس يستخدمون مصطلح DNA. ولكن لا توجد مقالات تقريبًا تصف عادة كيفية عملها (غير مفهومة لعلماء الأحياء). لقد وصفت بالفعل بشكل عام
هيكل الخلية وأسس
عمليات الطاقة الخاصة بها . الآن دعنا ننتقل إلى الحمض النووي.
يقوم DNA بتخزين المعلومات. يعلم الجميع ذلك. ولكن هنا كيف تفعل ذلك؟
لنبدأ بمكان تخزينها في الخلية. يتم تخزين ما يقرب من 98٪ في القلب. الباقي في الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء (يحدث التمثيل الضوئي في هؤلاء الرجال). DNA هو بوليمر ضخم يتكون من وحدات مونومر. يبدو شيء من هذا القبيل.
ماذا نرى هنا؟ أولاً ، الحمض النووي جزيء مزدوج الجدائل. لماذا هو مهم جدا - بعد ذلك بقليل. ثم نرى الخماسي الزرقاء. هذه هي جزيئات الريبوز
deoxy (مثل السكر ، قليل الجلوكوز قليلاً. وهي تختلف عن ribose بسبب عدم وجود مجموعة OH واحدة ، والتي توفر الاستقرار لجزيء DNA ، على عكس RNA ، حيث يتم استخدام الريبوز. بعد ذلك ، من أجل البساطة ، سأحذف البادئة deoxy وسأقول فقط ribose ، نعم الرفاق المخلصين سوف يغفر لنا). دوائر صغيرة - بقايا حمض الفوسفوريك. حسنًا ، في الواقع هناك قواعد نيتروجينية. هناك 5 منها ، لكنها موجودة في الغالب في DNA 4. وهي Adenine و Guanine و Timin و Cytosine. أي أن هناك الريبوز الذي ترتبط به قاعدة النيتروجين. يشكلون معًا ما يسمى بـ nucleosides ، التي ترتبط ببعضها البعض باستخدام بقايا حمض الفوسفوريك. وهكذا نحصل على سلسلة طويلة تتكون من مونومرات. انظر الآن إلى السلسلة اليسرى الموسعة. انظر C و G متصلان بثلاثة خطوط متقطعة ، و T و A بخطين. ماذا يعني هذا؟ نعم ، يحتوي الحمض النووي على خطين ، ولكن ما الذي يجمعهما؟ هناك شيء مثل رابطة الهيدروجين. يبدو شيء من هذا القبيل. تتكون شحنة سالبة جزئية على ذرات الأكسجين (O) والنيتروجين (N) ، وشحنة موجبة على الهيدروجين (H). هذا يؤدي إلى تكوين روابط ضعيفة.
الاتصالات ضعيفة جدًا حقًا. يمكن أن تكون طاقتها أقل 200 مرة من طاقة الروابط التساهمية (يتم تشكيلها بسبب تداخل زوج من السحب الإلكترونية ، على سبيل المثال ، رابطة في جزيء CO2). ومع ذلك ، هناك العديد من هذه العلاقات. في كل خلية من خلايانا ، ترتبط سلاسل الحمض النووي بما يقرب من 16 مليار رابطة ضعيفة ، وليس القليل ، توافق؟
ولكن نعود إلى عدد الاتصالات بين القواعد. ترتبط السيتوزين والجوانين بثلاث روابط ، والأدينين وتيمين اثنان. هذا يؤدي إلى حقيقة أن G و C مرتبطان بقوة أكبر بكثير من A و T. تحتاج بعض الكائنات الحية إلى استقرار خاص لروابط الحمض النووي ، على سبيل المثال ، الذين يعيشون في درجات حرارة عالية. عند تسخينه ، يكون الحمض النووي الذي يحتوي على المزيد من أزواج HC أكثر استقرارًا. لذلك تريد أن تعيش في السخان - لديك الكثير من أزواج HZ. على الرغم من أن الدراسات الحديثة تقول أنه لا يوجد اتصال واضح بين تكوين GC (٪ أزواج HC من جميع الأزواج) ودرجة حرارة الموائل. تجدر الإشارة إلى أنه يختلف اختلافًا كبيرًا. لذلك في Candidatus Carsonella ruddii PV (داخل الخلايا الشحمية) يكون حوالي 16 ٪ ، لدينا معك ما يقرب من 41 ٪ ، وفي Anaeromyxobacter K (بكتيريا متوسطة الحجم) يصل إلى 75 ٪.
هنا يمكنك أن ترى علاقة تكوين GC بحجم الجينوم البكتيري. ميغابايت مليون زوج من النيوكليوتيدات. المؤشر متغير للغاية. بالمناسبة ، غالبًا ما يتم استخدامه كميزة عند تدريس أنواع مختلفة من المصنفات. لقد قمت مؤخرًا بكتابة مصنّف للتعرف على مسببات الأمراض استنادًا إلى بيانات التسلسل الخام ، واتضح أنه يمكن استخدام تكوين GC حتى لواحد ryd.
لم أنس بعد. لماذا من المهم أن يكون الحمض النووي مزدوج الشريط؟ استنادًا إلى سلسلة واحدة ، يمكنك استعادة سلسلة أخرى. في حالة تلف قطعة مقابل تسلسل Adenine-Adenine-Cytosine في سلسلة واحدة ، فإننا نعلم على وجه اليقين أنه قبل الضرر كان هناك Timin-Timin-Guanin. وبالتالي ، فإن وجود الدائرة الثانية يسمح بتخزين أكثر موثوقية للمعلومات.
رائع! نعود الآن إلى جزيء DNA نفسه. هذه سلسلة من 4 أنواع من الروابط. ومع ذلك ، متى؟ يحتوي Candidatus Carsonella ruddii PV على 160.000 نيوكليوتيدات فقط كما هو مذكور أعلاه. أنا وأنت لدينا 3.2 مليار (في خلية أحادية الصيغة الصبغية ، مع مجموعة واحدة من الكروموسومات. معظم خلايانا تحتوي على اثنين). يبدو الكثير ، أليس كذلك؟ ليس بالفعل. في الاميبا أحادية الخلية (Amoeba dubia) ، لديها حوالي 670 مليار زوج من النوكليوتيدات. يبدو أنها سلسلة طويلة بشكل لا نهائي ، لذا دعنا نترجم الحجم إلى عداداتنا المفضلة. إذا تم توسيع جميع الكروموسومات لدينا (46 منها ، لا تنسى ؛ 23 نسختين لكل منها) وتمددها في سطر واحد ، نحصل على سلسلة بطول 2 متر. إن الحمض النووي لأميبا واحد يكفي لتطويق ملعب لكرة القدم. ولكن ما الذي أؤدي إليه؟ النواة التي يتم تخزين الحمض النووي فيها ليست كبيرة جدًا. لدينا في المتوسط بقطر 6 ميكرون. ليس كثيرًا ، إذا كنت تريد لف خيط بطول 2 متر ، وإن كان رقيقًا جدًا. ولا تحتاج فقط إلى دفع الخيط إلى القلب. من الضروري الانهيار بحيث كان من الممكن في أي وقت توفير الوصول إلى أي جزء منه. المهمة صعبة. والبروتينات المتخصصة تتعامل معها بنجاح. يخلقون سلسلة من اللوالب والحلقات التي توفر مستويات أعلى من التعبئة والتغليف ولا تسمح بتشابك الحمض النووي في العقدة الغوردية. لنتحدث عن كيفية تعبئتها.
يجب أن أقول ، يتم تعبئتها بطرق مختلفة جدًا. ولكن إذا تخلصت من الغريب ، فهناك طريقتان. الأول هو خاصية البكتيريا ، والثاني من حقيقيات النوى (أو النووية).
تعبئة الحمض النووي في البكتيريا
لنبدأ بإخواننا الأصغر. لا تحتوي البكتيريا نفسها على جينوم كبير جدًا ، في المتوسط من 1 إلى 5 مليون زوج من النيوكليوتيدات. أكثر الاختلافات المميزة بينهم وبيننا أنه ليس لديهم نواة ويطفو الحمض النووي في الخلية. لا تسبح تمامًا ، فهي مرتبطة جزئيًا بغشاء الخلية وهي مطوية أيضًا ، ولكن ليس بقدر غشاءنا.
الثاني. غالبًا ما يكون الحمض النووي الجرثومي دائريًا. لذلك من السهل النسخ (لا توجد نهايات يمكن أن تضيع عند النسخ ولا تحتاج إلى وضع آليات لحفظ النهايات). عادة ما تكون هذه الحلقة واحدة ، ولكن بعض البكتيريا قد تحتوي على 2 أو 3. هناك عدد أقل من الحلقات (من بضعة آلاف إلى بضع مئات الآلاف من البقايا). اسمها بلازميد ، وهذه قصة أخرى تمامًا.
العودة إلى حزمة الحمض النووي. يحتوي الحمض النووي على بروتينات الهيستون (هناك أيضًا بروتينات شبيهة بالهيستون). الحمض النووي هو حمض الديوكسي ريبونوكلييك.
حمض . هذا يعني أنها مشحونة سلبًا (بسبب بقايا حمض الفوسفوريك). لذلك ، يتم شحن البروتينات التي تربطها بشكل إيجابي. بهذه الطريقة ، يمكنهم الارتباط بالحمض النووي. يشكل الحمض النووي البكتري مع بروتينات التغليف نوكليويد ، مع 80 ٪ من كتلته DNA. يبدو شيء من هذا القبيل. أي أن الحمض النووي الحلقي ينقسم إلى مجالات تحتوي على 40 ألف زوج من النيوكليوتيدات. ثم هناك التواء. يحدث التواء أيضًا داخل المجالات ، لكن درجته تختلف في المجالات المختلفة. في المتوسط ، تختلف درجة تعبئة الحمض النووي البكتيري من مائة إلى ألف مرة.
لا يزال هناك
فيديو رائع .
تغليف الحمض النووي في حقيقيات النوى
كل شيء أكثر إثارة للاهتمام هنا. إن حمضنا النووي معبأ بشكل جيد ومخفي داخل النواة. وهي معبأة بكفاءة أكبر من البكتيريا. أثناء الانقسام الفتيلي (انقسام الخلايا) ، يكون حجم الكروموسوم الثاني والعشرون 2 ميكرون. إذا كانت غير متشابكة وسحبت ، سيكون بالفعل 1.5 سم ، وهو ما يتوافق مع درجة التعبئة والتغليف بمقدار 10000 مرة. هذا عن الحد الأقصى لدرجة تعبئة الحمض النووي لدينا. أثناء التقسيم ، تحتاج إلى حزم الحمض النووي قدر الإمكان من أجل تقسيمه بشكل فعال بين الخلايا الوليدة. في الحياة اليومية ، تبلغ درجة الضغط حوالي 500 مرة. من الصعب قراءة الكثير من الحمض النووي.
هناك عدة مستويات من تغليف الحمض النووي حقيقية النواة
الأول هو مستوى النوى. 8 بروتينات الهيستون تشكل جزيءًا يتم فيه جرح الحمض النووي. ثم يقوم بروتين آخر بإصلاحه. يبدو شيء من هذا القبيل.
اتضح نوع من الخرز. ونتيجة لذلك ، تزداد كثافة التعبئة بمقدار 7-10 مرات. بعد ذلك ، يتم تعبئة النوى في الليف. قليلا مثل المخلل. هنا يمكن أن تصل الدرجة الإجمالية للتغليف إلى 60 مرة.
ترتبط المرحلة التالية من انضغاط الحمض النووي بتكوين هياكل شبيهة بالحلقة تسمى الكروم. ينقسم الليف إلى أقسام من 10-80 ألف زوج من القواعد النيتروجينية. في مواقع الانهيار توجد كريات من البروتينات غير الهيستونية. تتعرف البروتينات المرتبطة بالحمض النووي على كريات البروتينات غير الهيستونية وتجمعها معًا. يتم تشكيل فم الحلقة. يشمل متوسط طول الحلقة حوالي 50 ألف قاعدة. ويسمى هذا الهيكل كرومونيمي بين الطور. وفيه يوجد حمضنا النووي معظم الوقت. يصل مستوى التعبئة هنا إلى 500-1500 مرة.
إذا لزم الأمر ، يمكن للخلية زيادة ضغط المادة الوراثية. تشكيل حلقات أكبر من الألياف اللونية. هذه الحلقات بدورها تشكل حلقات جديدة (حلقات إلى حلقات ... وهذا ليس حياكة). والتي تشكل في النهاية كروموسوم.
بشكل عام ، يمكن وصف عملية التعبئة والتغليف على النحو التالي.
ونتيجة لذلك ، نحصل من خيوط الحمض النووي ، عند الانقسام ، على هياكل فائقة الالتفاف يمكن رؤيتها تحت المجهر. نسميها الكروموسومات.
تسمى مادة الكروموسومات نفسها بالكروماتين. وتختلف درجة عبوته باختلاف موقع الكروموسوم. هناك كروماتين حقيقي وغير متجانسة. Euchromatin هو منطقة غير نظيفة إلى حد ما من الكروماتين ، حيث يكون DNA في مستوى chomomeric (500 إلى 1000 ضعف التغليف). هنا قراءة نشطة للمعلومات. على سبيل المثال ، إذا كانت الخلية تعمل بنشاط على تخليق البروتين A الآن ، فإن منطقة الحمض النووي التي تقوم بتشفيرها ستكون في حالة كروماتين حقيقي حتى تتمكن الإنزيمات التي تقرأ الحمض النووي من الوصول إليها. يحتوي Heterochromatin على هذا الجزء من الحمض النووي الذي لا تحتاجه الخلية الآن. أي أن الحمض النووي معبأ بإحكام قدر الإمكان حتى لا يقع تحت قدميك. اعتمادًا على احتياجات الخلية ، قد تتفكك بعض مناطق الكروماتين جزئيًا ، بينما قد تتشابك مناطق أخرى. وبالتالي ، يتم إجراء التنظيم أيضًا (تقريب تقريبي جدًا) ، لأنه لا يمكن الوصول إلى منطقة ملتوية ، وبالتالي لا يمكن قراءتها.
في الواقع ، هذا كل شيء الآن. ناقشنا كيفية تخزين وسيط التخزين. سنأخذ استراحة قصيرة ، وفي غضون يومين سنتحدث عن ترميز المعلومات.