معلومة

كيف يحدد ترتيب أزواج الروابط المتقاطعة في الحمض النووي ترتيب الأحماض الأمينية؟

كيف يحدد ترتيب أزواج الروابط المتقاطعة في الحمض النووي ترتيب الأحماض الأمينية؟


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.

نقلاً عن ريتشارد فاينمان من الفصل الثالث من كتابه Six Easy Pieces ، عندما يتحدث عن الحمض النووي:

يتم إرفاق كل سكر على طول الخط ، وربط السلسلتين ببعضهما البعض ، أجزاء معينة من الروابط المتقاطعة. ومع ذلك ، فهم ليسوا جميعًا من نفس النوع ؛ هناك أربعة أنواع تسمى الأدينين والثايمين والسيتوزين والجوانين ، ولكن دعونا نسميها أ ، ب ، ج ، د.

يأتي بعد ذلك السؤال ، كيف يحدد ترتيب الوحدات A و B و C و D ترتيب الأحماض الأمينية في البروتين؟ هذه هي المشكلة المركزية التي لم يتم حلها في علم الأحياء اليوم.

قام فينمان بتدريس محاضراته خلال الفترة 1961-1963. هل نعرف الآن كيف يؤثر ترتيب الأدينين والثايمين والسيتوزين والجوانين على ترتيب الأحماض الأمينية في الحمض النووي؟


نعم ، تم حلها في أوائل الستينيات ، بدءًا من حوالي عام 1961. راجع ويكيبيديا الشفرة الوراثية - التاريخ ، وربما "إنشاء الطبيعة الثلاثية للشفرة الجينية".


عبر الارتباط في الحمض النووي

  • بمساهمة من Ed Vitz و John W. Moore و Justin Shorb و Xavier Prat-Resina و Tim Wendorff و amp Adam Hahn
  • ChemPRIME في المكتبة الرقمية للتعليم الكيميائي (ChemEd DL)

الحمض النووي هو أحد أكثر الجزيئات الحيوية إنتاجية من حيث الغرض والتكرار. ترسل جيناتها تعليمات إلى الحمض النووي الريبي والأحماض الأمينية ، وبعد ذلك تقريبًا جميع الجزيئات الحيوية لإنشاء سمات محددة. عندما & يتم فصلها & quot ، تتفاعل خيوط الحمض النووي مع نيوكليوتيدات إضافية لإنتاج خيطين متطابقين مزدوجين ، وهي عملية يتم استغلالها في تفاعل البوليميراز المتسلسل ، حيث يتم تضخيم تسلسل معين من الحمض النووي باستخدام بادئات حدية وبوليميراز بناء القاعدة.

ومع ذلك ، في بعض الأحيان ، قد يكون من المفيد وقف تكرار الحمض النووي ، والحفاظ على عينة محددة للتحليل. يهتم العلماء برسم خرائط الجينوم البشري وتحديد مكان تفاعل بروتينات نووية معينة مع سلسلة الحمض النووي [1]. من أجل منع الحمض النووي من التكاثر ، قد تكون الخيوط متصالب، أو الرابطة التساهمية ، مع جزيئات معينة. تمنع شبكة الروابط المتقاطعة أساسًا الحمض النووي من التغيير ، ولكنها تؤدي أيضًا إلى موته بعد فترة. لهذا السبب ، يجب أن تكون عملية الارتباط المتقاطع قابلة للعكس بسهولة للسماح لجزيء الحمض النووي بالبقاء.

يجب أن تظهر الكواشف المتشابكة أيضًا الاستقرار في ظل التحليل الجزيئي الحيوي وأن تكون قادرة على توطين الارتباط في منطقة دقيقة نسبيًا. أحد العوامل الشائعة للربط المتبادل هو الفورمالديهايد ، وهو أبسط ألدهيد. إن صغر حجم الفورمالديهايد وقوة تحملها في ظل الظروف التحليلية التي لا توجد عادة في جسم الإنسان تجعله مرشحًا مثاليًا [2]. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الحضانة عند 70 درجة مئوية تفك الارتباط المتقاطع. يمكن أن يكون لصندوق الألدهيدات الأكبر في دخان التبغ وعوادم السيارات تأثيرات متشابهة ولكن لا رجعة فيها ، مما يؤدي إلى إتلاف الحمض النووي بشكل دائم.

مثال على حيث يمكن أن يكون الفورمالديهايد مفيدًا في الربط المتبادل هو عملية الترسيب المناعي للكروماتين. تحلل هذه العملية الكروماتين ، وهو مزيج من الحمض النووي والبروتينات التي تتكون من الكروموسومات. من خلال رسم خرائط مواقع جزيئات معينة تعرف باسم الهيستونات ، يمكن للعلماء إنشاء خريطة أولية للبروتينات في الجينوم. أولاً ، ومع ذلك ، يجب أن تتماسك البروتينات والحمض النووي معًا في مكانهما. تعمل إضافة الفورمالديهايد على إصلاح تفاعلات البروتين والبروتين والحمض النووي ، مما يسمح للمحللين بمسح الجينوم ثم تقسيمه إلى أجسام مضادة معينة وصوتنة ، في عملية الترسيب المناعي. يؤدي هذا إلى عزل مقاطع الحمض النووي المتشابكة من الأقسام غير المقيدة المرغوبة ، والتي يمكن للعلماء تضخيمها من خلال تفاعل البوليميراز المتسلسل [3].

في بعض الحالات ، قد يرغب العلماء في ملاحظة التأثيرات على الحمض النووي عندما تتأكسد هذه الخلايا البكتيرية. الكثير من عامل مؤكسد ، مثل H2ا2 سيقتل الحمض النووي ، لكن القليل جدًا لن يسيء إلى الاستجابة التي نريدها. لعلاج هذا ، يمكن استخدام الربط المتبادل لحماية الحمض النووي من مستوى عالٍ من الأكسدة. روابط ثاني كبريتيدتتكون من جزيئين من الكبريت ، وهي روابط شائعة تم إنشاؤها لتحقيق هذا التأثير.

يمكنك أن ترى في الصورة أعلاه لبروتين السيستين أن الجزيئات الفردية كل روابط ذرة الكبريت تبدو متطابقة. في الواقع ، هي ، وتسمى جزيئات السيستين ، تجمع رابطة ثاني كبريتيد بين اثنين من مومومرات لتكوين ثنائي ، السيستين. تعتبر روابط ثنائي الكبريتيد وعوامل الربط المتبادل الأخرى من الكواشف الشائعة التي تنتج الثنائيات والبوليمرات من الوحدات الفردية.

في بروتينات مثل السيستين ، يمكن أن تربط إضافة رابطة الكبريتيد ليس فقط المونومرات ، ولكن أطوال البروتين بأكملها لتشكيل بنية بروتينية ثانوية ، مثل صفائح بيتا. روابط الكبريتيد ضرورية في منع جزيئات الماء القطبية من تفكيك روابط الأميد.

مثال ( PageIndex <1> ): طول الرابطة

بناءً على ما تعرفه عن الاتجاهات في الأحجام الذرية ، حدد الرابطة الأطول: رابطة ثاني كبريتيد أو رابطة سي سي. بناءً على ذلك ، قم بتقدير الرابطة الأقوى وما إذا كان من المرجح أن تنكسر العمود الفقري للكربون أو رابطة ثاني كبريتيد أولاً.

يزداد نصف القطر الذري متحركًا أسفل الجدول الدوري بسبب زيادة عدد المدارات ، وبالتالي فإن الرابطة بين ذرتين من الكبريت ستكون أطول من واحدة بين ذرتين من الكربون. هذا يعني أن رابطة ثاني كبريتيد ستكون أيضًا أضعف من رابطة C-C ، وربما تنكسر أولاً.

روابط ثاني كبريتيد هي أيضًا أكثر قابلية للاستقطاب من روابط الكربون والكربون ، نظرًا لوجود حجم أكبر وعدد أكبر من الإلكترونات. تقبل المواد الإلكترونية مثل الهالوجينات بسهولة أزواج الإلكترونات الموجودة على ذرات الكبريت ، مما يؤدي إلى تفكك الرابطة. الكهربة الكهربائية الشائعة هي أيزوثيوسيانات ، مع المجموعة الوظيفية N = C = O [4]. قد ترى كيف يمكن لذرة الكربون أن تكسر الرابطة مع ذرات النيتروجين والأكسجين المجاورة من أجل تكوين رابطتين منفردتين جديدتين مع أزواج متاحة من الإلكترونات ، مثل تلك الموجودة على ذرات الكبريت ثنائية التكافؤ.

يمكن أن تلعب روابط ثاني كبريتيد دورًا مهمًا في تثبيت البنية الثلاثية للبروتينات ، وتقليل إنتروبيا الهيكل ثلاثي الأبعاد.


ملاحظات محاضرة عن الكود الجيني

من دراسة تخليق البروتين ، يتضح أن تسلسل الأحماض الأمينية في جزيء البروتين يتم تحديده بواسطة الحمض النووي الذي يحمل معلومات لهذا الغرض.

لكن أين تكمن المعلومات؟ إذا نظرنا إلى سلسلة الحمض النووي ، يبدو أن العمود الفقري للريبونوكليوتيدات منزوع الأكسجين لا يساعد لأنه هيكل يحتوي على نيوكليوتيدات متكررة ، AG CT AT GC وما إلى ذلك. هنا يتم الإشارة إلى قواعد الحمض النووي: الأدينين والجوانين والسيتوزين والثايمين بالأحرف القياسية A و G و C و T على التوالي.

تكمن الشفرة فقط في القواعد الأربعة (A و T و G و C) التي تظهر عدة مرات في السلسلة التي توفر تسلسلات أساسية مختلفة لسلاسل DNA مختلفة. في الواقع ، تحافظ القواعد الأربع في جزيئات الحمض النووي على شكل مشفر على الرسالة الخاصة بهيكل جزيئات البروتين.

من خلال عملية النسخ ، يتم نقل المعلومات المشفرة في DNA إلى شريط wRNA. وهكذا فإن & # 8216 أربعة أحرف & # 8217 (أربع قواعد - A و T و G و C) يتم نسخ لغة DNA إلى لغة مكملة أخرى مكونة من أربعة أحرف في الرسول RNA.

الخطوة المهمة التالية هي الترجمة الفعلية للغة أربعة أحرف من RNA الرسول إلى بروتين محدد بلغة 20 حرفًا (أحماض أمينية).

نظرًا لأن الجين متورط في تخليق البروتين وبما أن البروتين يمثل في تركيبته الأولية مجموعات خطية من 20 حمضًا أمينيًا ، فمن المنطقي أن نستنتج أن الرسالة المشفرة للجين يجب أن تكون في شكل كلمات تحدد تسلسل معين. أحماض أمينية. هذا ما نعنيه بالشفرة الجينية.

ولكن كيف تقوم أربع قواعد فقط في الحمض النووي بتدوين الأحماض الأمينية المختلفة في البروتينات؟ إذا حددت كل قاعدة أحماض أمينية واحدة ، فيمكن تقنين 4 أحماض أمينية فقط. إذا تم استخدام قاعدتين متجاورتين (على سبيل المثال ، كلمتين من حرفين) ، فسيكون الحد الأقصى لعدد الأزواج الأساسية (الكلمات) 4 × 4 = 16 والذي يمكن أن يمثل 16 نوعًا من الأحماض الأمينية المختلفة فقط.

ولكن ، عدد الأحماض الأمينية المختلفة هو 20 ، والتي ستحتاج إلى 20 كلمة مختلفة على الأقل. لذا فإن الرموز المكونة من حرفين لا تحل الغرض. الآن ، إذا أخذنا في الاعتبار ثلاث كلمات أحرف أو أكواد ثلاثية (تتضمن ثلاثة نيوكليوتيدات متجاورة) ، فسيكون 4x4x4 = 64 نوعًا مختلفًا من ثلاث كلمات مشفرة أخيرة ممكنة.

يمكن أن يمثلوا 64 حمضًا أمينيًا مختلفًا وهذا أكثر من 20 نوعًا مطلوبًا. تم عرض الأنواع المختلفة من كلمات شفرة mRNA الممكنة في كل حالة في الجدول 21.1.

خصائص الكود الجيني:

1. في mRNA ، تُعرف مجموعة النيوكليوتيدات التي تحدد أحد الأحماض الأمينية بالكلمة البرمجية أو & # 8220codon & # 8221. تتم قراءة الرسالة كمجموعة ثلاث نيوكليوتيدات في وقت واحد. الرمز خالي من الفاصلة.

2. نظرًا لأن عدد الكودونات في الترميز الثلاثي أكبر من عدد الأحماض الأمينية ، فمن المفترض أن الشفرة الجينية ستتدهور. يعني الترميز المنحل أنه بالنسبة لبعض الأحماض الأمينية سيكون هناك أكثر من كودون واحد. هذا يعني أن الرنا المرسال ، مع استثناءين (AUG و UGG) ، قد ينص على دمج حمض أميني معين أكثر من ثلاثة توائم.

بالإضافة إلى ذلك ، يتوقع المرء العثور على أكثر من نقل RNA واحد لحمض أميني ، مشفر بشكل متحلل. أثبتت الأبحاث الحديثة أن هذه التوقعات صحيحة. دعونا نفكر هنا في جزء من سلسلة مفردة من جزيء DNA يحتوي على تسع قواعد (ATAGTCGAT).

إذا كان من المفترض أن الشفرة الجينية خالية من الفواصل ، أي بدون كلمات مباعدة (كلمات غير منطقية) بين الكلمات المنطقية ، فسيتم قراءة الرسالة المشفرة بالطريقتين التاليتين:

1 ، ككلمات متداخلة (الشكل 21.1).

2. ككلمات غير متداخلة (الشكل 21.1).

إذا تمت قراءة الكلمات بطريقة متداخلة ، فإن النوكليوتيدات الثالثة للحمض النووي (أي. أ) تظهر بشكل متكرر في ثلاثة توائم ATA و TAG و AGT (الشكل 21.1) ولكن إذا تمت قراءة الكود بطريقة غير متداخلة ، فإن النيوكليوتيد الثالث (أ) يظهر فقط في كود واحد ATA.

الآن السؤال الذي يطرح نفسه هو ما إذا كانت الشفرة الجينية من النوع المتداخل أم النوع غير المتداخل؟ الدليل التجريبي لصالح الشفرة غير المتداخلة ، أي أن الكودونات المجاورة لا تتداخل.

تستند الحجة ضد مفهوم نظام الشفرة المتداخلة إلى حقيقة أن التغيير في النوكليوتيدات الثالثة للحمض النووي من شأنه أن يؤدي إلى تغييرات في الأحماض الأمينية الثلاثة في الحالة المتداخلة ، لأن جميع ثلاثي النوكليوتيدات الأول ATA و AG و AGT يمكن تغييرها عن طريق استبدال النيوكليوتيدات بخلاف A في المركز الثالث.

ستكون النتيجة أن جزيء البروتين المتكون في الحالة المتغيرة سيختلف عن البروتين المتشكل بشكل طبيعي في ثلاثة أحماض أمينية. في الكود غير المتداخل ، نظرًا لأنه سيتم تغيير كلمة واحدة فقط عن طريق استبدال نيوكليوتيد غير A في جزيء الحمض النووي في المرتبة الثالثة ، فإن البروتين المتكون في الحالة المتغيرة سيختلف عن ذلك المركب في الحالة العادية في أمينو واحد فقط حامض.

تم العثور على الشرط الأخير عملي حقًا. هذا يشير إلى أن نظامًا غير متداخل متورط في الترميز الجيني. الشفرة الجينية عالمية ، أي أن جميع الكائنات الحية لها نفس اللغة الجينية. وهذا يعني أن الرسالة من خلية حيوانية ستنتج نفس البروتين سواء تمت ترجمته بواسطة آلية تخليق البروتين لخلية بكتيرية أو خلية نباتية.

4. يستخدم الكود الجيني كود بدء محدد ورموز توقف. أكواد AUG الثلاثية للميثيونين وهي إشارة البدء وإذا كان AUG غائبًا عن نهاية 5 & # 8242 من mRNA ، فلن يكون في وضع يسمح له بإجراء الترجمة أو تخليق البروتين. من بين 64 رمزًا ثلاثيًا ، هناك ثلاثة إشارات توقف أو إشارات إنهاء أو أكواد & # 8216 non-sense & # 8217 ، UAG ، UAA و UGA ، والتي توقف تخليق بولي ببتيد.

5. اقتران قاعدة التذبذب:

لقد وجد من تحليل التسلسل أن إقران القاعدة في الطرف 5 & # 8242 من anticodon (وهو مكمل للقاعدة الثالثة من الكودون) ليس صارمًا أو دقيقًا مثل القاعدتين الأولى والثانية وأنه يتزاوج مع أكثر من قاعدة واحدة في الطرف 3 & # 8242 من الكودون i. ، قد يقترن U في الموضع الثالث من anticodon مع A أو G في الكودون ، وقد يقترن G مع C أو U وقد يقترن I (حمض إينوزينيك الذي يحتوي على هيبوكسانثين الأساسي) مع U ، C ، A.

وهذا ما يسمى الاقتران الأساسي المتذبذب بواسطة Crick (1996) ولا يمكن تحقيق سوى أزواج معينة في هذا الصدد. لا يسمح Wobble لأي واحد / RNA بالتعرف على أربعة أكواد مختلفة (الشكل 21.2).

فك الشفرة الجينية:

إذا كانت الرسالة الجينية موجودة بالفعل في mRNA في شكل مجموعات مكونة من 3 كلمات رمزية للأحرف ، فقد يُفترض أن ثلاث قواعد متتالية من RNA الرسول ستكون مسؤولة عن ربط حمض أميني واحد. تم تقديم دليل تجريبي يدعم مفهوم الكود الثلاثي من قبل F.H.C. كريك وزملاء العمل (1961).

كان المارشال نيرنبرغ وزميله جون ماتاي أول من كسر الشفرة الوراثية في الدراسة المختبرية لتخليق البروتين. عادة ما يتم استخدام الأحماض الأمينية المشعة. أخذ Nirenberg و Matthaei في أنبوب اختبار الريبوسومات والإنزيمات والمركبات المحررة للطاقة وشبعها بـ tRNAs التي تم الحصول عليها من مستخلص الخلية من بكتيريا Escherichia coli.

وهكذا قاموا بتحفيز آلية تصنيع البروتين لخلية في أنبوب الاختبار. لاحظوا في التجربة أن دمج الحمض الأميني فينيل ألانين في البروتين قد تم تحفيزه بشكل كبير عن طريق إضافة الحمض النووي الريبي الاصطناعي المكون من قاعدة اليوراسيل فقط (أي مرنا يحتوي على UUUUUUUUUUUU أو بولي U).

يتم تصنيع بوليمر الحمض النووي الريبي الاصطناعي هذا والبوليمرات الأخرى المشابهة بمساعدة إنزيم فوسفوريلاز متعدد النوكليوتيد الذي اكتشفه أوتشوا ، الحائز على جائزة نوبل. نظرًا لأن سلسلة poly U RNA تحتوي على قاعدة U واحدة فقط ، فمن الواضح أن UUU هو رمز الحمض الأميني فينيل ألانين ، إذا كان الترميز الثلاثي صحيحًا. هذا فتح إمكانية جديدة لكسر الشفرة الجينية.

بعد هذا الاكتشاف الهام ، تولى Nirenberg و Ochoa وزملاؤهم مهمة إيجاد الكودونات لمختلف الأحماض الأمينية الأخرى مع بوليمرات RNA. تتكون بوليمرات RNA هذه من نوع واحد من القواعد مثل poly U أو قاعدتين ، مثل poly AU (-AU-AU-AU وما إلى ذلك) أو ثلاثة أنواع من القواعد ، على سبيل المثال ، poly AUG (AUC-AUC-AUC & # 8230 & # 8230 & # 8230 & # 8230 & # 8230 & # 8230. وهكذا). في بعض الحالات تم التعرف على أكواد الأحماض الأمينية بسهولة.

تقنية التجليد لكسر الشفرة الجينية:

ومع ذلك ، في كثير من الحالات ، كان هناك غموض حيث لا يمكن تحديد التسلسل الأساسي في الرنا المرسال المصطنع المصطنع مسبقًا. علاوة على ذلك ، كان من الصعب تحديد تسلسل القواعد في كودون ، على سبيل المثال ، في صنع بوليمر RNA من ثلاث قواعد- A و U و C ، هناك ست طرق ممكنة لترتيب القواعد في ثلاثة توائم AUG و ACU و CAU و UGA و UAG.

لم يكن هذا سهلاً لتحديد الكودون الذي كان صالحًا لأي حمض أميني. تم تقديم الإجابات جزئيًا من خلال الاكتشاف الذي قام به Nirenberg و Leder (1964). اكتشفوا أن جزيئات معينة من الحمض النووي الريبوزي (tRNA) يمكن أن ترتبط بـ mRNA الريبوسومي حتى لو كان mRNA مكونًا من ثلاثي نيوكليوتيد واحد. لا يمكن ربط الرنا الريباسي بالمرنا إذا كان الرنا المرسال يتكون من أحادي أو ثنائي النوكليوتيدات فقط.

الكود الجيني كما هو محدد لبكتيريا Escherichia coli (CI = بدء السلسلة C.T. = إنهاء السلسلة أو NONS = عدم الإحساس

A = Adenine ، G = Guanine ، C = Cytosine ، U = Uracil

ala = Alanine ، arg = Arginine ، asa = حمض الأسبارتيك

asp = Asparagine، cys = Cysteine، الغراء = حمض الجلوتاميك

gl = الجلوتامين ، gly = الجلايسين ، له = الهيستيدين

ile = Isoleucine ، leu = Leucine ، lys = Lysine ، met = Methionine

phe = Phenylalanine ، pro = Proline ، ser = Serine ، tyr = Tyrosine

thr = Threonine ، trp = التربتوفان ، فال = فالين.

يوفر هذا دليلًا إضافيًا على الطبيعة الثلاثية للرموز. من السهل تركيب ثلاثي النوكليوتيدات البسيطة ذات الترتيب الخطي المعروف. تم اختبار مجموعة ثلاثي النوكليوتيدات مع تسلسل أساسي معروف بشكل تجريبي لخصوصية نوع معين من الأحماض الأمينية. وبالتالي ، من خلال تحليل التسلسل لمثل هذا النظام ، يمكن تحديد الرموز الدقيقة.

يُعرف هذا باسم تقنية الربط. في الواقع ، ساعدت هذه التقنية كثيرًا في العمل على الكود الفعلي. من خلال هذه العملية ، تم اختبار جميع الـ 64 توائم الممكنة بشكل منفصل بحثًا عن 20 من الأحماض الأمينية وتم تعيين أفعى لجميع الأحماض الأمينية. يوضح الشكل 21.3 الأحماض الأمينية المختلفة وكودوناتها.

في الشكل 21.3 ثلاثة توائم UAG و UAA و UGA في mRNA تسمى الكودونات غير المنطقية أو نهايات السلسلة (CT) لأنها لا ترمز لأي حمض أميني ويؤدي وجودها في الرنا المرسال إلى توقف تكوين عديد الببتيد. يبدو أن ثلاثة توائم AUG و GUG لهما دورين أولاً ، يعملان كمبادرين للسلسلة (CI) وثانيًا ، كمواصفات لميثيونين الأحماض الأمينية والفالين على التوالي.

الشفرات الجينية عالمية ، أي أن الرموز الخاصة بأحماض أمينية معينة في البكتيريا خاصة أيضًا بتلك الأحماض الأمينية في الإنسان والفأر والطيور وجميع الكائنات الحية الأخرى.

كان الدكتور خورانا يعمل أيضًا بشكل مستقل على الشفرات الجينية. لقد تأثر بتقنية Dr. Nirenberg & # 8217s لكنه طور طريقته الخاصة في فك الشفرة. لقد صنع الحمض النووي للتسلسل المعروف وأضفه إلى النظام الخالي من الخلايا من أجل الحصول على الحمض النووي الريبي المرسال للتسلسل المعروف.

بدأ بربط قاعدتين فقط من الحمض النووي معًا ثم بلمرة الشرائح المزدوجة تعطي خيطًا طويلًا من الحمض النووي يحتوي على تسلسل بديل للقاعدتين (على سبيل المثال ، AC - AC - AC - AC - AC - AC).

من خلال تكرار متواليات ثلاثي النوكليوتيدات مثل TTC ​​/ AAG ، وحتى متواليات رباعي النوكليوتيدات مثل TTAC / AATG ، قام بتصنيع ثمانية أنواع من الحمض النووي الاصطناعي في المختبر مع تسلسلات أساسية معروفة وهي كما يلي:

ثم قام الرنا المرسال الاصطناعي المركب على سطح الحمض النووي المصطنع بتسلسل أساسي معروف بتوجيه عملية تخليق البروتين. من تسلسل الأحماض الأمينية في جزيئات البروتين التي تم الحصول عليها ، يمكن إنشاء الرموز المحددة لها مباشرة. باستخدام هذا الإجراء ، أنشأ خورانا جميع الكودونات البالغ عددها 64. تم تلخيص بعض السمات البارزة لهذه التجربة هنا.

1. تكرار تسلسلين نيوكليوتيدات في الحمض النووي الريبي ، تم الحصول على عديد الببتيدات مع اثنين من الأحماض الأمينية بترتيب متناوب على سبيل المثال ،

2. نتج عن تكرار تسلسل ثلاثي النوكليوتيدات مزيجًا من ثلاثة بروتينات ، كل منها يحتوي على عدد من الأحماض الأمينية الخاصة ، على سبيل المثال ، تسلسل التكرار - أنتج CUU بروتينًا مع بوليفينيل ألانين ، وبروتين مع بوليليوسين وبروتين مع سيرين.

3. بتكرار تسلسل رباعي النوكليوتيدات حصل على بروتينات بتكرار تسلسل 4 أحماض أمينية على سبيل المثال:

أسست هذه التجارب بما لا يدع مجالاً للشك 64 رمزاً مختلفاً. هذه موضحة في الشكل. 21.3.

في عام 1959 ، عندما كان نيرنبرغ يفكر في استخدام الحمض النووي الريبي من تسلسل معروف للتوصل إلى كلمات مشفرة. اتخذ الدكتور روبرت هولي وفريقه في جامعة كورنيل قرارًا جريئًا للغاية للعمل على بنية الحمض النووي الريبي الذي يحدث بشكل طبيعي. اختاروا أصغر شكل من أشكال الحمض النووي الريبي (الحمض النووي الريبي) وشرعوا في عزله عن الخميرة. بحلول عام 1962 ، قاموا بعزل وتنقية 3 جزيئات من الحمض الريبي النووي النقال (tRNAs).

تم بعد ذلك تقسيم الحمض الريبي النووي النقال المنقى إلى مقاطع بتقنيات خاصة ثم بدأوا في العمل قطعة قطعة ، ترتيب القواعد على طول العمود الفقري لإحدى هذه الجسيمات. في التسلسل الأساسي لـ tRNA ، الذي يحمل الأحماض الأمينية ألانين ، كانت هناك منطقة تحتوي على ثلاثي CGI (I = Inosine مركب كيميائي مشابه لـ G) أو عمليًا GGG.

كان هذا الثلاثي بمثابة محول ثلاثي النوكليوتيدات أو مضاد للألانين. بحلول مارس 1965 ، نجحوا في جهودهم وتم التعرف على مضادات الكودونات لجميع الأحماض الأمينية. من خلال تحديد بنية جزيء الرنا الريباسي ، أظهر الدكتور هولي وزملاؤه أنه من الممكن تحليل الأحماض النووية الأخرى بنفس التقنية أيضًا.

لعملهم التحليلي الرائع ، تم اختيار الدكتور هولي والدكتور هارجوفيند خورانا والدكتور نيرنبرغ فائزين مشاركين في جائزة نوبل لعام 1968.


يتكون الهيكل الأساسي من تسلسل خطي من النيوكليوتيدات التي ترتبط ببعضها البعض بواسطة رابطة فوسفوديستر. هذا التسلسل الخطي للنيوكليوتيدات هو الذي يشكل البنية الأساسية للحمض النووي أو الحمض النووي الريبي. تتكون النيوكليوتيدات من 3 مكونات:

قواعد النيتروجين هي الأدينين والجوانين من البيورين في الهيكل وتشكل رابطة جليكوسيدية بين 9 نيتروجين ومجموعة 1 -OH من deoxyribose. السيتوزين ، الثايمين ، واليوراسيل عبارة عن بيريميدين ، ومن ثم تتشكل الروابط الجليكوسيدية بين 1 نيتروجين و 1 '-OH من deoxyribose. لكل من قواعد البيورين والبيريميدين ، تشكل مجموعة الفوسفات رابطة مع سكر الديوكسيريبوز من خلال رابطة استر بين إحدى مجموعات الأكسجين سالبة الشحنة و 5 '-OH من السكر. [2] القطبية في DNA و RNA مشتق من ذرات الأكسجين والنيتروجين في العمود الفقري. تتشكل الأحماض النووية عندما تتجمع النيوكليوتيدات من خلال روابط الفوسفوديستر بين ذرات الكربون 5 'و 3'. [3] تسلسل الحمض النووي هو ترتيب النيوكليوتيدات داخل جزيء DNA (GACT) أو RNA (GACU) الذي يتم تحديده بواسطة سلسلة من الأحرف. يتم تقديم التسلسلات من نهاية 5 'إلى 3' وتحديد البنية التساهمية للجزيء بأكمله. يمكن أن تكون التسلسلات مكملة لتسلسل آخر حيث تكون القاعدة في كل موضع مكملة وكذلك بالترتيب العكسي. مثال على التسلسل التكميلي لـ AGCT هو TCGA. الحمض النووي مزدوج الشريطة يحتوي على كل من خيط إحساس وخيط مضاد. لذلك ، فإن التسلسل التكميلي سيكون لشريط الإحساس. [4]

المجمعات مع أيونات المعادن القلوية تحرير

توجد ثلاث مجموعات ربط معدنية محتملة على الأحماض النووية: الفوسفات والسكر والشقوق القاعدية. تمت مراجعة بنية الحالة الصلبة للمجمعات ذات الأيونات الفلزية القلوية. [6]

تحرير الحمض النووي

الهيكل الثانوي هو مجموعة التفاعلات بين القواعد ، أي أجزاء الخيوط المرتبطة ببعضها البعض. في الحلزون المزدوج للحمض النووي ، يتم ربط خيطي الحمض النووي معًا بواسطة روابط هيدروجينية. تتزاوج النيوكليوتيدات الموجودة على أحد أزواج قاعدة حبلا مع النيوكليوتيدات الموجودة على الشريط الآخر. الهيكل الثانوي مسؤول عن الشكل الذي يفترضه الحمض النووي. تصنف القواعد الموجودة في الحمض النووي على أنها بورينات وبيريميدين. البيورينات هي الأدينين والجوانين. تتكون البيورينات من بنية حلقة مزدوجة ، حلقة من ستة أعضاء وخمسة أعضاء تحتوي على النيتروجين. البيريميدينات هي السيتوزين والثايمين. لها هيكل حلقة واحدة ، حلقة من ستة أعضاء تحتوي على النيتروجين. تقترن قاعدة البيورين دائمًا بقاعدة بيريميدين (جوانين (G) مع أزواج السيتوزين (C) والأدينين (A) مع الثايمين (T) أو اليوراسيل (U)). يتم تحديد البنية الثانوية للحمض النووي في الغالب عن طريق الاقتران الأساسي بين خيوط بولينوكليوتيد ملفوفة حول بعضها البعض لتشكيل حلزون مزدوج. على الرغم من محاذاة الخيطين بواسطة روابط هيدروجينية في أزواج قاعدية ، فإن القوى الأقوى التي تربط الخيطين معًا تعمل على تكديس التفاعلات بين القواعد. يتم تثبيت تفاعلات التراص هذه بواسطة قوى Van der Waals والتفاعلات الكارهة للماء ، وتُظهر قدرًا كبيرًا من التباين الهيكلي المحلي. [7] يوجد أيضًا أخاديد في اللولب المزدوج ، والتي تسمى الأخدود الرئيسي والأخدود الصغير بناءً على حجمها النسبي.

تحرير RNA

يتكون الهيكل الثانوي للحمض النووي الريبي من بولي نيوكليوتيد واحد. يحدث الاقتران الأساسي في RNA عندما ينثني RNA بين مناطق التكامل. غالبًا ما توجد كل من المناطق المفردة والمزدوجة في جزيئات الحمض النووي الريبي.

العناصر الأربعة الأساسية في البنية الثانوية للحمض النووي الريبي هي:

تشكل الخيوط العكسية شكلًا حلزونيًا. [3] تتشكل الانتفاخات والحلقات الداخلية بفصل السبيل الحلزوني المزدوج إما على خيط واحد (انتفاخ) أو على كلا الخيطين (حلقات داخلية) بواسطة نيوكليوتيدات غير مقترنة.

الحلقة الجذعية أو حلقة دبوس الشعر هي العنصر الأكثر شيوعًا في البنية الثانوية للحمض النووي الريبي. [8] تتشكل الحلقة الجذعية عندما تنثني سلاسل الحمض النووي الريبي مرة أخرى على نفسها لتشكل مسارًا حلزونيًا مزدوجًا يسمى "الجذع" ، وتشكل النيوكليوتيدات غير المقترنة منطقة مفردة تقطعت بها السبل تسمى "الحلقة". [9] الحلقة الرباعية هي عبارة عن أربعة أزواج قاعدية من بنية الحمض النووي الريبي (RNA). هناك ثلاث عائلات شائعة من tetraloop في RNA الريبوسومي: UNCG, GNRA، و CUUG (ن هو واحد من أربعة نيوكليوتيدات و ص هو البيورين). UNCG هو الحلبة الرباعية الأكثر استقرارًا. [10]

العقدة الكاذبة هي بنية ثانوية من الحمض النووي الريبي تم تحديدها لأول مرة في فيروس الفسيفساء الأصفر اللفت. [11] تتشكل العقدة الكاذبة عندما تتشكل النيوكليوتيدات من زوج حلقة دبوس الشعر مع منطقة واحدة مجدولة خارج دبوس الشعر لتشكيل قطعة حلزونية. من الأفضل تمييز العقدة الكاذبة من النوع H. في الطية من النوع H ، تكون النيوكليوتيدات في زوج حلقة دبوس الشعر مع القواعد خارج جذع دبوس الشعر لتشكيل الجذع والحلقة الثانية. يؤدي هذا إلى تكوين عقدة كاذبة ذات سيقان وحلقتين. [12] العقدة الكاذبة هي عناصر وظيفية في بنية الحمض النووي الريبي لها وظائف متنوعة وتوجد في معظم فئات الحمض النووي الريبي.

يمكن التنبؤ بالبنية الثانوية للحمض النووي الريبي من خلال البيانات التجريبية على عناصر البنية الثانوية ، واللوالب ، والحلقات ، والانتفاخات. تستخدم طريقة DotKnot-PW للتنبؤ بالعقدة الزائفة المقارنة. النقاط الرئيسية في طريقة DotKnot-PW هي تسجيل نقاط التشابه الموجودة في السيقان والعناصر الثانوية والعقدة الزائفة من النوع H. [13]

يشير الهيكل الثلاثي إلى مواقع الذرات في الفضاء ثلاثي الأبعاد ، مع مراعاة القيود الهندسية والفراغية. إنه ترتيب أعلى من الهيكل الثانوي ، حيث يحدث الطي على نطاق واسع في بوليمر خطي ويتم طي السلسلة بأكملها في شكل محدد ثلاثي الأبعاد. هناك 4 مجالات يمكن أن تختلف فيها الأشكال الهيكلية للحمض النووي.

  1. اليد - اليمين أو اليسار
  2. طول اللولب بدوره
  3. عدد أزواج القاعدة لكل دور
  4. الفرق في الحجم بين الأخاديد الكبيرة والصغيرة [3]

يتضمن الترتيب الثلاثي للحلزون المزدوج للحمض النووي في الفضاء B-DNA و A-DNA و Z-DNA.

B-DNA هو الشكل الأكثر شيوعًا للحمض النووي في الجسم الحي وهو حلزون مضيق واستطالة أكثر من A-DNA. أخدودها الكبير الواسع يجعل الوصول إليها أكثر سهولة للبروتينات. من ناحية أخرى ، لديها أخدود صغير ضيق. تحدث التوافقات المفضلة لـ B-DNA عند تركيزات عالية من الماء ، ويبدو أن ترطيب الأخدود الصغير يفضل B-DNA. تكون أزواج قواعد B-DNA عمودية تقريبًا على محور اللولب. تجعد السكر الذي يحدد شكل الحلزون ، سواء كان الحلزون موجودًا في الشكل A أو في الشكل B ، يحدث في C2'-endo. [14]

A-DNA ، هو شكل من أشكال DNA مزدوج يتم ملاحظته في ظروف الجفاف. إنه أقصر وأعرض من B-DNA. يتبنى الحمض النووي الريبي هذا الشكل الحلزوني المزدوج ، وتكون أزواج RNA-DNA المزدوجة في الغالب على شكل A ، ولكن لوحظ ازدواج RNA-DNA مزدوج الشكل B. [15] في السياقات الموضعية ثنائية النوكليوتيد أحادية السلسلة ، يمكن أيضًا أن يتبنى الحمض النووي الريبي الشكل B دون الاقتران بالحمض النووي. [16] يحتوي الحمض النووي A-DNA على أخدود رئيسي عميق وضيق لا يجعل الوصول إليه سهلاً للبروتينات. من ناحية أخرى ، فإن أخدودها الضحل الواسع يجعله في متناول البروتينات ولكن مع محتوى معلومات أقل من الأخدود الرئيسي. شكله المفضل هو بتركيزات منخفضة من الماء. تميل أزواج قاعدة A-DNAs بالنسبة لمحور اللولب ، ويتم إزاحتها من المحور. يحدث تجعد السكر في C3'-endo وفي RNA 2'-OH يمنع تشكل C2'-endo. [14] يعتبر منذ فترة طويلة أكثر من مجرد حيلة معملية ، ومن المعروف الآن أن الحمض النووي A-DNA له العديد من الوظائف البيولوجية.

Z-DNA هو حلزون مزدوج أعسر نادر نسبيًا. بالنظر إلى التسلسل الصحيح والتوتر الفائق ، يمكن تشكيله في الجسم الحي ولكن وظيفته غير واضحة. لها حلزون أضيق وأكثر استطالة من الأخدود الرئيسي لـ A أو B. Z-DNA ليس في الحقيقة أخدودًا ، وله أخدود صغير ضيق. يحدث التشكل الأكثر تفضيلاً عندما يكون هناك تركيزات عالية من الملح. هناك بعض البدائل الأساسية ولكنها تتطلب تسلسل بيورين-بيريميدين بالتناوب. إن N2-amino لـ G H-bonds إلى 5 'PO ، وهو ما يفسر التبادل البطيء للبروتونات والحاجة إلى G purine. تكون أزواج قاعدة Z-DNA عمودية تقريبًا على محور اللولب. لا يحتوي Z-DNA على أزواج قاعدية مفردة ولكن بدلاً من ذلك تكرار GpC مع مسافات P-P متفاوتة لـ GpC و CpG. يوجد تداخل قاعدة جيد في مكدس GpC ، بينما يوجد تداخل أقل في مكدس CpG. يرجع العمود الفقري المتعرج لـ Z-DNA إلى تكوين السكر C الذي يعوض عن تشكيل الرابطة الجليكوسيدية. تشكيل G متزامن ، C2'-endo لـ C هو مضاد ، C3'-endo. [14]

يمكن لجزيء الحمض النووي الخطي الذي له نهايات حرة أن يدور ، للتكيف مع تغيرات العمليات الديناميكية المختلفة في الخلية ، عن طريق تغيير عدد المرات التي تلتف فيها سلسلتا اللولب المزدوج حول بعضهما البعض. بعض جزيئات الحمض النووي دائرية ومقيدة طوبولوجيًا. في الآونة الأخيرة ، تم وصف الحمض النووي الريبي الدائري أيضًا بأنه فئة منتشرة بشكل طبيعي من الأحماض النووية ، يتم التعبير عنها في العديد من الكائنات الحية (انظر سيرنا).

الحمض النووي الدائري المغلق تساهميًا (المعروف أيضًا باسم cccDNA) مقيد طوبولوجيًا لأن عدد المرات التي لا يمكن فيها تغيير السلاسل الملتفة حول بعضها البعض. يمكن أن يكون ملف cccDNA هذا ملفوفًا بشكل فائق ، وهو البنية الثلاثية للحمض النووي. يتميز الالتواء الفائق برقم الربط ، الالتواء والتلوى. يتم تعريف رقم الارتباط (Lk) للحمض النووي الدائري على أنه عدد المرات التي يجب أن يمر فيها خيط واحد عبر الخيط الآخر لفصل الخيطين تمامًا. لا يمكن تغيير رقم الربط للحمض النووي الدائري إلا عن طريق كسر الرابطة التساهمية في أحد الخيطين. دائمًا ما يكون عددًا صحيحًا ، فإن رقم الارتباط لـ cccDNA هو مجموع مكونين: التقلبات (Tw) والتلوي (Writhes). [17]

التقلبات هي عدد المرات التي يلتف فيها شريطا الحمض النووي حول بعضهما البعض. التضمينات هي عدد المرات التي يعبر فيها حلزون الحمض النووي نفسه. الحمض النووي في الخلايا ملفوف بشكل سلبي ويميل إلى الاسترخاء. ومن ثم يكون فصل الخيوط أسهل في الحمض النووي فائق الالتفاف سلبيًا منه في الحمض النووي المريح. المكونان من الحمض النووي فائق الالتفاف هما الملف اللولبي والبكتوني. يوجد الملف الفائق للدم في بدائيات النوى ، بينما يظهر الملف اللولبي الفائق في الغالب في حقيقيات النوى.

يشبه التركيب الرباعي للأحماض النووية هيكل البروتين الرباعي. على الرغم من أن بعض المفاهيم ليست متطابقة تمامًا ، إلا أن البنية الرباعية تشير إلى مستوى أعلى من تنظيم الأحماض النووية. علاوة على ذلك ، يشير إلى تفاعلات الأحماض النووية مع الجزيئات الأخرى. يُنظر إلى الشكل الأكثر شيوعًا للتنظيم عالي المستوى للأحماض النووية في شكل كروماتين مما يؤدي إلى تفاعلاته مع هيستونات البروتينات الصغيرة. أيضًا ، يشير الهيكل الرباعي إلى التفاعلات بين وحدات RNA منفصلة في الريبوسوم أو spliceosome. [18]


الكود الجيني في DNA

تتم كتابة التعليمات الخاصة ببناء البروتينات في الحمض النووي باستخدام الشفرة الجينية. بشكل أكثر تحديدًا ، يحتوي تسلسل القواعد المرتبطة بالعمود الفقري لفوسفات السكر في الحلزون المزدوج على معلومات في شكل كودونات ثلاثية القواعد تحدد تسلسل الأحماض الأمينية التي سيتم استخدامها في بناء البروتينات.

يعمل تسلسل القواعد في الحمض النووي كرمز حقيقي من حيث أنه يحتوي على المعلومات اللازمة لبناء بروتين معبر عنه بأربعة أحرف أبجدية من القواعد والتي يتم نسخها إلى mRNA ثم تُترجم إلى الأبجدية المكونة من عشرين حمضًا أمينيًا اللازمة للبناء البروتين. إن القول بأنه رمز حقيقي ينطوي على فكرة أن الكود مجاني وغير مقيد يمكن وضع أي من القواعد الأربعة في أي من المواضع في تسلسل القواعد. لا يتم تحديد تسلسلها من خلال الترابط الكيميائي. There are hydrogen bonds between the base pairs and each base is bonded to the sugar phosphate backbone, but there are no bonds along the longitudional axis of DNA. The bases occur in the complementary base pairs A-T and G-C, but along the sequence on one side the bases can occur in any order, like the letters of a language used to compose words and sentences.


The Chemical Structure of DNA

Click to enlarge

Today’s post crosses over into the realm of biochemistry, with a look at the chemical structure of DNA, and its role in creating proteins in our cells. Of course, it’s not just in humans that DNA is found – it’s present in the cells of every multicellular life form on Earth. This graphic provides an overview of its common structure across these life forms, and a brief explanation of how it allows proteins to be generated.

DNA is found in the nucleus of cells in multicellular organisms, and was first isolated in 1869, by the Swiss physician Friedrich Miescher. However, its structure was not elucidated until almost a century later, in 1953. The authors of the paper in which this structure was suggested, James Watson & Francis Crick, are now household names, and won a Nobel prize for their work. This work, however, was heavily reliant on the work of another scientist, Rosalind Franklin.

Franklin herself was also investigating the structure of DNA, and it was her X-ray photograph, clearly showing the double helix structure of DNA, that greatly aided their work. She had yet to publish her findings when Watson and Crick obtained access to them, without her knowledge. However, her failure to win a Nobel prize is not an oversight, but merely a consequence of the committee’s policy that Nobel prizes cannot be awarded posthumously.

The double helix model of DNA (deoxyribonucleic acid) consists of two intertwined strands. These strands are made up of nucleotides, which themselves consist of three component parts: a sugar group, a phosphate group, and a base. The sugar and phosphate groups combined form the repeating ‘backbone’ of the DNA strands. There are four different bases that can potentially be attached to the sugar group: adenine, thymine, guanine and cytosine, given the designations A, T, G and C.

The bases are what allows the two strands of DNA to hold together. Strong intermolecular forces called hydrogen bonds between the bases on adjacent strands are responsible for this because of the structures of the different bases, adenine (A) always forms hydrogen bonds with thymine (T), whilst guanine (G) always forms hydrogen bonds with cytosine (C). In human DNA, on average there are 150 million base pairs in a single molecule – so many more than shown here!

The cells in your body constantly divide, regenerate, and die, but for this process to occur, the DNA within the cell must be able to replicate itself. During cell division, the two strands of DNA split, and the two single strands can then be used as a template in order to construct a new version of the complimentary strand. As A always pairs with T, and G always pairs with C, it’s possible to work out the sequence of bases on the one strand using the opposite strand, and it’s this that allows the DNA to replicate itself. This process is carried out by a family of enzymes called DNA polymerases.

When DNA is used to create proteins, the two strands must also split. In this case, however, the DNA’s code is copied to mRNA (messenger ribonucleic acid), a process known as ‘transcription’. RNA’s structure is very similar to that of DNA, but with a few key differences. Firstly, it contains a different sugar group in the sugar phosphate backbone of the molecule: ribose instead of deoxyribose. Secondly, it still uses the bases A, G and C, but instead of the base T, it uses uracil, U. The structure of uracil is very similar to thymine, with the absence of a methyl (CH3) group being the only difference.

Once the DNA’s nucleotides have been copied, the mRNA can leave the nucleus of the cell, and makes its way to the cytoplasm, where protein synthesis takes place. Here, complicated molecules called ribosomes ‘read’ the sequence of bases on the mRNA molecule. Individual amino acids, which combined make up proteins, are coded for by three letter sections of the mRNA strand. The different possible codes, and the amino acids they code for, were summarised in a previous post that looked at amino acid structures. A different type of RNA, transfer RNA, is responsible for transporting amino acids to the mRNA, and allowing them to join together.

This process isn’t always flawless, however. Errors can occur in copying DNA’s sequence to mRNA, and these random errors are referred to as mutations. The errors can be in the form of a changed base, or even a deleted or added base. Some chemicals, and radiation, can induce these changes, but they can also happen in the absence of these external effects. They can lead to an amino acid’s code being changed to that of another, or even rendered unreadable. A number of diseases can result from mutations during DNA replication, including cystic fibrosis, and sickle-cell anaemia, but it’s worth noting that mutations can also have positive effects.

Though there are only 20 amino acids, the human body can combine them to produce a staggering figure of approximately 100,000 proteins. Their creation is a continuous process, and a single protein chain can have 10-15 amino acids added to it per second via the process outline above. As the purpose of this post was primarily to examine the chemical structure of DNA, the discussion of replication and protein synthesis has been kept brief and relatively simplistic. If you’re interested in reading more into the subject, check out the links provided below!

Thanks goes to Liam Thompson for the help with the research for this post, and providing an incredibly useful simple overview of the process of protein synthesis from DNA.


The Bases A, C, G, and T

Two ring structures are found in the bases. C (cytosine) and T (thymine) have a single six membered ring, called a pyrimidine ring. A (adenine) and G (guanidine) have two rings joined together. This unit is called a purine ring. C and T are called pyrimidine bases A and G are called purine bases. Here are the structures:

In each of these bases there is a secondary amine whose nitrogen forms a bond to the anomeric carbon of a deoxyribose in the DNA backbone. We can relate the chemistry of the formation of this linkage to the formation of a glycoside (acetal) from glucose (hemiacetal) and an alcohol. The difference is that in the current case the nucleophile is the secondary amine nitrogen of a base rather than the oxygen of an alcohol. An example of four bases attached in this way is:

The "word" here is CACT. Recall that the DNA backbone is very long, and it is clear that even with only a four letter alphabet, a great deal of information can be carried by DNA


البيورينات

Purines are heterocyclic aromatic compounds with an imidazole ring fused to the pyrimidine ring. They were first synthesized by Emil Fischer in 1899, by treating uric acid with phosphorous pentachloride to produce purines. They are also naturally found in high concentrations in meat and meat products. There are two types of purines in the form of DNA bases.

عدنين

Its chemical IUPAC name is 9H-purin-6-amine. It is a purine derivative with an additional amine group at the 6th position. It was named and identified by Albrecht Kossel in 1885. He isolated it from pancreatic tissues. It forms the nucleotide, adenine. Its triphosphate form, adenosine triphosphate (ATP) is extensively utilized in cellular processes as the basic form of chemical energy. In its other phosphate forms, it plays the role of catalyst and co-factor. It occurs in DNA as deoxyadenosine triphosphate (dATP).

Guanine

Its chemical IUPAC name is 2-amino-1H-purin-6(9H)-one. It is a purine derivative with a carbonyl bond at the 6th position. It was first isolated from excreta of sea birds in 1844, and termed as guano. Later Emil Fischer determined its structure, and synthesized it from uric acid. It forms the nucleotide, guanine. Its monophosphate form, guanosine monophosphate (GMP), when salted out, acts as a flavoring agent that imparts an umami taste. It occurs in DNA as deoxyguanosine triphosphate.


Part III: Frontiers &mdash

Eukaryotic chromosomes are long, linear DNA molecules bacterial chromosomes are frequently circles of DNA. However, scientists realized that the simple rules of DNA base pairing could be exploited to create much more complex shapes than are found in nature. Ned Seeman, in 1982, first began exploring the use of DNA as a building material for applications in nanotechnology. Today, DNA nanotechnology has become a booming area of research, attracting both engineers and biologists.

The basic principle of DNA nanotechnology is based upon creating branch points that connect multiple strands of DNA. Biological DNA consists of two strands that are fully complementary, creating a linear molecule. However, four strands of DNA that are partially complementary can interact in the manner shown in Figure 34 . Two of the DNA strands act as "staples" that bridge two non-complementary DNA strands that normally would not interact. With this simple design, a simple 2D shape is created: a rectangle of two tightly packed helices. Staples also can connect more than two segments of DNA and thus create more complicated 3D shapes.

Figure 34 This illustration shows how DNA staples can bridge two non-complementary DNA strands and create two side-by-side helices.

DNA Origami

A popular method of fabricating 3D DNA nanostructures is called DNA origami , which was invented by Paul Rothemund in 2006. To showcase this nanoscale design, Rothmund made smiley faces out of DNA, which were featured on the cover of Nature, the same journal that published the trio of pivotal DNA structure papers from Watson/Crick, Franklin, and Wilkins in 1953 ( Figure 35 ). Keep in mind that these DNA smiley faces are only ∼100 nm in diameter, which is much smaller than a typical human cell (30,000 nm in diameter).

Figure 35 The cover of Nature from March 16, 2006, featuring the work of Paul Rothemund entitled "Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns." See reference list. Permission obtained from Rothemund and Nature.

DNA origami involves mixing two components: (1) a very long, single-stranded "scaffold" strand that on its own just forms a very floppy circle, and (2) a mixture of short oligonucleotides of single-stranded DNA (staples) that are complementary to different regions of the scaffold strand. When the staples and scaffold form helices, different parts of the circle are brought together, folding it into a very specific shape (hence the whimsical name "origami"). One advantage of the origami approach is that different shapes can be created from one scaffold with different oligonucleotide staples ( Figure 36 ).

Figure 36 DNA origami involves combining one large single-stranded DNA "scaffold" (7000 bases) with many short single-stranded DNA "staples." By changing the staples, one scaffold can fold into multiple shapes.

The actual strand-routing diagram of a DNA origami design might look something like that shown in Figure 37 :

Figure 37 Diagram of a DNA origami design the staples connect to two or three different regions of the scaffold creating helices that pack into a specific shape. Artistic redrawing from a figure from the 2006 Rothemund paper (see reference list).

So how did Rothemund make the DNA smiley face? The process involves two important steps.

The genome of a small single-stranded DNA virus (∼8000 nucleotides) is typically used as the scaffold. The virus can be prepared in large quantities and its DNA purified. The custom-designed DNA staples are made by humans, and not nature. Many commercial companies use automatic machines that execute a sequence of chemical reactions to synthesize single-stranded DNA with any custom sequence. Today, scientists design a specific DNA sequence on their computer (up to a few thousand nucleotides at a cost of ∼10 cents per base), send in the order electronically to the DNA synthesis company, and a tube of billions of identical single-stranded DNA molecules arrives by courier to their lab bench a few days later ( Figure 38 ). Making custom DNA sequences has certainly become very easy. On the other hand, designing the sequences of ∼200 DNA staples that will produce a specific shape is not trivial. However, computer software (cadnano https://cadnano.org/) is available to facilitate this process.

Figure 38 The workflow of designing and receiving DNA for research.

The single-stranded DNA scaffold and staples then need to be combined. The DNA mixture is first heated to break apart any preexisting base pairs, and then cooled down to room temperature to allow base pairing between the scaffold and staples, as depicted in the animation in Video 8 .

Video 8 Animation of the formation of DNA origami. The single-stranded scaffold and the staples strands come together through Watson–Crick base pairing to form helices that pack into a particular 2D or 3D shape. Animation by Shawn Douglas.

In the case of Rothemund’s smiley faces, ∼200 distinct DNA oligonucleotide staples were combined with one long (∼7000 nucleotides) single-stranded DNA scaffold. Helices in adjacent rows of the smiley face are connected through branch points created by the DNA staples ( Figure 39 ).

Figure 39 Figure 39: The making of a smiley face DNA origami through the combination of many short oligonucleotide staples with a long scaffold strand.

The last step is checking whether the DNA origami process actually worked. As the structures are small (one ten-millionth of a meter), one needs a high-resolution method like electron microscopy or atomic force microscopy to image these structures, as shown in Figure 40 .

Figure 40 An image of DNA origami smiley faces using atomic force microscopy. The scale bar is 100 nanometers. Image obtained from the 2006 Rothemund paper (see reference list) with permission.

A DNA Origami Nanorobot that Inhibits Cancer Cell Proliferation

DNA origami is being used in many creative ways. One example is a DNA origami nanorobot was designed to halt the division of cancer cells (see the Guided Paper by Shawn Douglas, Ido Bachelet, and George Church). The nanorobot carries a "payload" (an inhibitory antibody ), which it delivers if, and only if, it encounters a cell with a molecular signature characteristic of cancer.

The nanorobot consists of two halves that come together to form a barrel. The two halves are closed with two pairs of complementary DNA strands placed at the mouth of the barrel ( Figure 41 ). The middle of the barrel contains growth-inhibiting antibodies that are attached to the DNA. When the antibodies are trapped inside of the barrel, they cannot interact with cells as a result, the DNA nanorobot in the closed barrel form is harmless.

Figure 41 The nanorobot made by Shawn Douglas and colleagues combines a single ∼7000 nucleotide scaffold with ∼200 short oligonucleotide staples. It is shown here in its closed form. Antibody fragments (portions of a full antibody, called single-chain antibodies) that can inhibit the growth of cancer cells are present inside the barrel.

The trick, then, is to get the cancer cell to open up the nanorobot and expose the inhibitory antibodies. To accomplish this, Douglas developed a clever unlocking mechanism. One DNA strand of the pair that keeps the barrel closed has a special capability of binding to a specific protein expressed on a cancer cell. This type of DNA sequence is called an aptamer . When its protein partner is present, the aptamer will let go of its complementary DNA strand and wrap around the protein instead ( Figure 42 ).

Figure 42 A DNA aptamer is selected for an ability to bind to a specific protein as well as to a complementary DNA strand. Binding to the protein is tighter and thus will be preferred.

The DNA aptamer provides an "intelligent" lock that keeps the DNA nanorobot closed unless it encounters a protein from a cancer cell ( Figure 43 ). The protein on the cancer cell acts as a "key" that unlocks and opens up the two halves of the nanorobot, exposing the payload inside.

Figure 43 The nanorobot is normally closed via two pairs of complementary DNA strands at the mouth of the barrel. One strand of each pair is an aptamer that can bind to a target protein. When that protein is present, the aptamer will bind to it, unlocking the nanorobot.

The nanorobot also can be designed to be extra smart, and open up if, and only if, it detects two different proteins instead of one. In this case, two different DNA aptamers, which recognize different proteins, are deployed on either side of the barrel mouth. If one aptamer binds its partner protein but the second aptamer does not, then the barrel will remain closed since only one side is unlocked. Both proteins must be present to unlock and fully open the barrel. This dual recognition aptamer system offers improved specificity for a target. For example, a combination of two cell surface proteins better defines a unique molecular signature of a cancer cell than a single protein.

With these design principles in place, Douglas built a nanorobot that would battle leukemia cells ( white blood cell -derived cancer) ( Figure 44 ). The nanorobot’s payload was an antibody that inactivates a cell surface protein that promotes cell proliferation. The opening and closing of the nanorobot was controlled by two DNA aptamers that recognize two different cell surface proteins that are abundant on leukemia cells but not on normal white blood cells. Tests of the nanorobot (see the Guided Paper) confirmed that it opens efficiently in the presence of leukemic cells but not normal white blood cells.

Figure 44 The DNA nanorobot in action. Two different locking aptamers recognize different proteins on a cancer cell. In the presence of these proteins, the nanorobot opens up and exposes antibodies that bind to another target protein on the cancer cell, which results in a suppression of cell division.

Finally, the nanorobot was ready for testing with leukemia cells growing in cell culture. Three versions of the nanorobot were tested. The "gated" nanorobot had the dual aptamers designed to open up in response to encountering two specific proteins on the surface of the leukemic cells. Two other nanorobots were tested to assess how well the cell-specific locking mechanism worked. One was permanently locked using non-aptamer DNA strands. The second was permanently open as it lacked locking strands. The results are shown in Figure 45 . The "always locked" nanorobots had no or little effect on cell division at any DNA nanorobot concentration. In contrast, the "always unlocked" nanorobot inhibited cell division with increasing concentrations of the nanorobot. The "gated" nanorobot also inhibited cell division, indicating that it must have opened up when it encountered the cancer cells. While the DNA nanorobot has not yet been used to treat cancer patients (only cancer cells growing on a dish in the lab), it provides an example of how "smart" nanoscale devices can be created with DNA origami.

Figure 45 The effects of different nanorobots on cancer cell proliferation (cell division). The "gated" nanorobot is the one shown in Figure 44. The "always locked" nanorobot has locking DNA strands that are not aptamers. The "always unlocked" nanorobot does not have locking DNA strands.

Explorer’s Question: Why do you think that the growth inhibition curve for the "gated" nanorobot is shifted to the right of the "unlocked" nanorobot?

إجابة: The rightward shift of the curve indicates that the gated nanorobot is less efficient in inhibiting cell division for example, at 1 nM concentration, the "gated" nanorobot was ineffective while the "always unlocked" nanorobot had an effect. This result indicates that the gate might be a bit "sticky" and that not all nanorobots open up when they encounter the cancer cells.

Explorer’s Question: If the "gated" nanorobot is less efficient, why not just use the "unlocked" nanorobot for inhibiting cancer cells?

إجابة: There is a trade-off between efficiency and specificity. It is desirable to kill the leukemic cells, but undesirable to react with normal white blood cells or bone marrow cells that make white blood cells. The "always unlocked" nanorobots, while more efficient, have the potential to affect normal cells. The "gated" nanorobots provide specificity by targeting the inhibitory payload antibodies to the cancer cells.

Explorer’s Question: Why are only 50% of the cancer cells inhibited in their growth?

إجابة: The graph suggests the effect of the nanorobots reaches a plateau at ∼50% growth inhibition (although it would be useful to have additional data points to establish this conclusion in a more convincing manner). There are several possibilities. First, it is possible that the exposure time (3 days) of the nanorobots was too short and that greater inhibition could be achieved with a longer incubation time. Second, the nanorobot inhibition may be partial 50% of the cancer cells escape nanorobot inhibition and divide. Third, a subset of cancer cells may be resistant to the nanorobot (resistance is a common property of cancer cells see Narrative on Cancer by Mike Bishop ). This third possibility could be confirmed by exposing cancer cells to nanorobots and selecting the survivors. If the survivors are re-exposed to nanorobots and are unaffected, then they are a resistant subpopulation. As an example of resistance, cells might have stopped producing one the protein "keys" needed to unlock the nanorobot.

Explorer’s Question: What other controls could you imagine performing to better understand the specificity of the nanorobots?

إجابة: In their paper, the authors showed that the "gated" nanorobot did not bind to normal white blood cells, but it might be useful to test for functional effects as well. For example, T cells (a type of white blood cell) can be induced to divide in response to an invading organism. Does the nanorobot affect the division of T cells? One also might want to know if the "gated" nanorobot opened in response to the correct aptamer-targeting proteins on the leukemia cells. Using current CRISPR gene editing technologies (see Narrative by Barrangou ), one can disrupt the genes for these two proteins in these cancer cells. In these gene-edited cells, the "gated nanorobot" should not be able to open and should not inhibit cell growth.

Undergraduates and DNA Nanotechnology

Does DNA origami and nanoscale biomolecular engineering sound cool? But alas only accessible to PhD scientists? فكر مرة اخرى. Now undergraduates are getting into the game. Every year, undergraduates from around the world are designing amazing biomolecule-based devices, which include nanoscale robots, computers, and therapeutics, in a competition called BIOMOD. The selected teams of undergraduates then meet in person in San Francisco to share their ideas and potentially win a prize. You can learn about some of the amazing DNA origami ideas that undergraduate students have thought of in Video 9 .

Video 9 Undergraduate students share their ideas of DNA origami-based nanomachines in an international competition called BIOMOD.


DNA: ‘The Power of the Beautiful Experiment’

Matthew Cobb tells this story in his latest book, Life&rsquos Greatest Secret. Cobb, a professor of zoology at the University of Manchester, is a working geneticist. He is also a student of the history of science who has written several previous books on the history of biology. Life&rsquos Greatest Secret is aimed at the general reader who may have only a passing familiarity with biology, much less with the detailed molecular mechanics of how DNA does what it does. The book serves as a useful primer for those interested in the brave new world of genetic intervention made possible by the rise of biotechnology. But Cobb&rsquos book will also be of interest to professional scientists as it recounts events in one of the most transformative periods in the history of science: the rise of a molecular understanding of life.

Despite its dense historical detail, Life&rsquos Greatest Secret is an absorbing and, in places, thrilling book. The race to crack the genetic code is a story with considerable drama and it unfolds remarkably lucidly in Cobb&rsquos telling.

The rise of this style of thinking had everything to do with what was happening in other fields of science during and immediately after World War II. This period saw the emergence of two new sciences that focused on information. Claude Shannon and others articulated information theory, which quantified the amount of information that flows from sender to receiver during, say, electronic communication. And Norbert Weiner elaborated cybernetics, which formalized ideas like feedback loops, especially negative feedback loops. (A thermostat involves a feedback loop: a setting on a thermostat affects a room&rsquos temperature and the temperature then affects the thermostat.)

Following these developments, some scientists grew excited at the prospect that the mathematical abstractions developed in these fields might provide a radical new way to think about life. Organisms might not look like the stuff of equations that describe the flow of information but the new sciences hinted that they might well be. Information thinking, Cobb claims, played a crucial part in helping to define what came to be called the &ldquocoding problem,&rdquo a problem that dominated biology in the 1950s and 1960s.

So, finally, what are proteins? Proteins are long molecular chains made of many individual links called amino acids. Organisms use twenty different kinds of amino acid to build their proteins. Your beta-globin is a sequence of 146 amino acids in a particular order. If you were to switch any one amino acid in a protein with another amino acid, things might go terribly wrong. As Cobb notes, the normal and sickle-cell forms of beta-globin&mdashthe latter causes sickle-cell anemia&mdashdiffer by only a single amino acid.

Crick&rsquos letter was auctioned in 2013 for $6 million.

Several weeks after Watson and Crick published their double-helix paper, they wrote, &ldquoThe precise sequence of the bases is the code which carries the genetical information.&rdquo By 1957, Crick was emphasizing that by &ldquoinformation&rdquo he meant &ldquothe specification of the amino acid sequence of the protein.&rdquo These statements, Cobb says, are among some of the earliest explicit usages of the language of information by biologists. (The physicist Erwin Schrödinger had used somewhat similar language earlier.)

More important, the race to crack the code was on.

As biologists were soon to realize, that the coding problem could be stated simply did not mean that it could be solved easily. Much of Cobb&rsquos book is given over to the two main approaches that were taken: theory and experiment.

Fortunately, speculation about the code didn&rsquot occur in an empirical vacuum. Some possible coding schemes, for example, placed constraints on which amino acids could occur next to each other in a protein. But when biochemists characterized many proteins from many species they found that a given amino acid might be followed by any of the twenty amino acids.

The confusion would soon disappear. But its resolution would not involve the clever calculations of the theorists. Nor would it involve the usual suspects, a small circle of brilliant biologists that orbited the yet-more-brilliant Crick. Instead, the code would be cracked by an obscure team: Marshall Nirenberg and Heinrich Matthaei of the National Institutes of Health in Bethesda, Maryland. Nirenberg, the older of the pair, was so unknown that his application to a conference on the genetic code was rejected in 1961. As Cobb puts it, &ldquoIronically, while the great and the good of molecular biology were talking about the genetic code, Nirenberg and Matthaei were cracking it.&rdquo

Cold Spring Harbor Laboratory Press

&lsquoAn outline of how the genetic code works during protein synthesis&rsquo from Matthew Cobb&rsquos book Life&rsquos Greatest Secret. According to Cobb, a codon is &lsquoa sequence of three bases in a DNA or RNA molecule that codes for an amino acid,&rsquo and a ribosome is a &lsquocomplex RNA structure found in all cells that is the primary site of protein synthesis.&rsquo A polypeptide is a chain of amino acids.

The last third of Life&rsquos Greatest Secret is devoted to bringing the history of the molecular side of genetics up to date. Of the many discoveries that followed the cracking of the genetic code, perhaps the most fundamental was the finding that the code is nearly universal across all life on earth. (Some minor variants on the code exist.) This finding is of deep evolutionary significance. All of us&mdashbacteria, fungi, plants, and people&mdashshare the same code because we all share an ancestor that lived billions of years ago and that employed this code.

It&rsquos also reasonably clear why the code has remained fixed through this vast stretch of evolutionary time. If it were to change, with, say, GCA encoding something besides the usual amino acid alanine, the structure of hundreds or thousands of proteins would suddenly and simultaneously change, a certain formula for disaster for any organism that tried it. While there&rsquos no obvious physical or chemical reason why certain letters of DNA encode certain amino acids, once life settled on a code early in evolutionary history, it couldn&rsquot be changed without catastrophic consequences. Crick called this the &ldquofrozen accident&rdquo hypothesis.

In the last part of Life&rsquos Greatest Secret Cobb turns to developments of social significance that followed from the cracking of the code particularly and advances in molecular genetics generally. Two are of special importance: the creation of genetically modified (GM ) crops and the attempt to cure human genetic disease.

By contrast, physicians have had mixed success in using genetic technologies to cure inherited diseases in human beings. (These interventions are usually intended to inject a normal, healthy copy of a gene into a patient&rsquos diseased tissue, such as the liver, not into the patient&rsquos eggs or sperm. As Cobb notes, the genetic modification will not, therefore, affect future generations.) Genetic technologies have not, so far, transformed medicine in the same way that they have agriculture.

While these more modern developments in molecular genetics are certainly important, the last third of Cobb&rsquos book can&rsquot compete with the rest. These later chapters are in places a bit rambling and sometimes read more like a textbook and less like the historical thriller of earlier chapters. Life&rsquos Greatest Secret might have been better off without this material. But it would be churlish to make too much of that. On the whole Cobb tells his story beautifully and his book is a pleasure to read. Packed with fascinating detail, Life&rsquos Greatest Secret is a major accomplishment, particularly for an author who is also a practicing scientist. Though I like to think that I have a good grasp of the history of genetics and evolutionary biology, I was repeatedly surprised by events in Cobb&rsquos tale.

Several major themes emerge from Life&rsquos Greatest Secret. The first concerns the influence of information theory and cybernetic thinking in biology. These disciplines, Cobb concludes, had an important part in twentieth-century biology &ldquobut not in the way in which their partisans might have hoped for.&rdquo In the end, the information sciences provided biologists with loose but useful metaphors and analogies, a language that allowed scientists to think and speak in new ways. But the high-powered mathematics of these fields proved mostly impotent in biology. No one, for instance, used Shannon&rsquos equations to say anything especially interesting about organisms. (A fact that didn&rsquot surprise Shannon himself, who was skeptical all along of this attempted use of his theory.) The history of science, like the history of anything, is characterized by considerable nuance, and one subtlety is that the information sciences were, in one sense, critical to the rise of modern biology and, in another sense, beside the point.

A second theme concerns the respective roles of theory (of any sort) versus experiment in biology. In the early 1960s, mathematicians confidently declared that &ldquoit will be interesting to see how much of the final solution [to the coding problem] will be proposed by mathematicians before the experimentalists find it.&rdquo As Cobb concludes, the &ldquoanswer&hellipwas simple: not one single part of it.&rdquo

The interesting question is why theory failed here. Part of the answer, as Cobb emphasizes, is related to Crick&rsquos idea of the frozen accident. The genetic code seems at least partly arbitrary. It represents a half-decent arrangement arrived at by the imperfect, tinkering process of evolution by natural selection and, once settled on, it couldn&rsquot be &ldquoimproved,&rdquo or made somehow more systematic. In such a situation theory is likely useless.

I suspect there&rsquos another, related, reason that theory contributed so little to cracking the code. There was, at bottom, a mismatch between the nature of the problem and the nature of much biological theory. Successful theory in biology typically plays a different part than does successful theory in, say, physics. Theory in biology often guides thought, or trains intuition, or points to patterns that might hold approximately in nature. Only rarely does biological theory provide the essentially exact results that physicists are accustomed to. (And in biology approximate results, or even rules of thumb, are often more useful than exact results.) This kind of broad-stroke theory doesn&rsquot provide much help with a problem as specific as the coding question.

A rough analogy captures these kinds of concerns. Mathematical theory might tell you something interesting and general about combination locks: for example, that they should require a sequence of three or more numbers to prevent a would-be thief from opening them in a few random tries. But place a particular combination lock before a theorist and he&rsquos probably no better than the rest of us at opening it.

Finally, and perhaps most important, Life&rsquos Greatest Secret highlights the power of the beautiful experiment in science. Though Cobb pays less attention to this subject than he might have, the period of scientific history that he surveys was the golden age of the beautiful experiment in biology. Biologists of the time&mdashincluding Nirenberg with his UUU, Crick and Brenner with their triplet code work, and others including Matthew Meselson, Franklin Stahl, and Joshua Lederberg&mdashwere masters of the sort of experiment that, through some breathtakingly simple manipulation, allowed a decisive or nearly decisive solution to what previously seemed a hopelessly complex problem. Such experiments represent a species of intellectual art that is little appreciated outside a narrow circle of scientists.


شاهد الفيديو: التركیب المتوازي عكسیا لسلاسل الحمض النووي DNA الأحیاء. الجزیئات الضخمة (كانون الثاني 2023).