بنية الحمض النووي

يشير مصطلح بنية الأحماض النووية إلى بنية الأحماض النووية مثل الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) والحمض النووي الريبوزي (RNA) . من الناحية الكيميائية، يتشابه الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين والحمض النووي الريبوزي تشابهاً كبيراً. تُقسم بنية الأحماض النووية عادةً إلى أربعة مستويات: أولية، وثانوية، وثالثية، ورابعية.

يتكون التركيب الأولي من تسلسل خطي من النيوكليوتيدات المرتبطة معًا بروابط فوسفاتية ثنائية الإستر . هذا التسلسل الخطي من النيوكليوتيدات هو الذي يشكل التركيب الأولي للحمض النووي DNA أو RNA . تتكون النيوكليوتيدات من ثلاثة مكونات:

1. قاعدة نيتروجينية
   1. الأدينين
   2. غوانين
   3. السيتوزين
   4. الثايمين (موجود في الحمض النووي فقط)
   5. اليوراسيل (موجود في الحمض النووي الريبي فقط)
2. سكر خماسي الكربون يسمى ديوكسي ريبوز (موجود في الحمض النووي DNA) وريبوز (موجود في الحمض النووي RNA).
3. مجموعة فوسفات واحدة أو أكثر . ^{[ 1 ]}

تُعدّ قواعد الأدينين والجوانين النيتروجينية من البيورينات في تركيبها، وتُشكّل رابطة جليكوسيدية بين ذرة النيتروجين رقم 9 ومجموعة الهيدروكسيل (OH) في الطرف 1' من سكر الديوكسي ريبوز. أما السيتوزين والثايمين واليوراسيل فهي من البيريميدينات ، ولذلك تتشكّل الروابط الجليكوسيدية بين ذرة النيتروجين رقم 1 ومجموعة الهيدروكسيل (OH) في الطرف 1' من سكر الديوكسي ريبوز. في كلٍّ من قواعد البيورين والبيريميدين، تُشكّل مجموعة الفوسفات رابطة مع سكر الديوكسي ريبوز عبر رابطة إسترية بين إحدى مجموعات الأكسجين سالبة الشحنة ومجموعة الهيدروكسيل (OH) في الطرف 5' من السكر. ^{[ 2 ]} تُستمدّ قطبية الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) والحمض النووي الريبوزي (RNA) من ذرات الأكسجين والنيتروجين في هيكلهما الأساسي. تتكوّن الأحماض النووية عندما تتحد النيوكليوتيدات عبر روابط فوسفاتية ثنائية الإستر بين ذرتي الكربون في الطرفين 5' و3'. ^{[ 3 ]} تسلسل الحمض النووي هو ترتيب النيوكليوتيدات داخل جزيء DNA (GACT) أو RNA (GACU)، ويُحدد بسلسلة من الأحرف. تُعرض التسلسلات من الطرف 5' إلى الطرف 3'، وتُحدد البنية التساهمية للجزيء بأكمله. يمكن أن تكون التسلسلات مُكملة لتسلسل آخر، أي أن القاعدة في كل موضع مُكملة له، وكذلك في الترتيب العكسي. مثال على تسلسل مُكمل لـ AGCT هو TCGA. يتكون DNA من سلسلتين، إحداهما مُكملة للسلسلة المُكملة والأخرى غير مُكملة لها . لذلك، سيكون التسلسل المُكمل للسلسلة المُكملة للسلسلة المُكملة. ^{[ 4 ]}

يشير التركيب الثالثي إلى مواقع الذرات في الفضاء ثلاثي الأبعاد، مع مراعاة القيود الهندسية والفراغية . وهو ترتيب أعلى من التركيب الثانوي، حيث يحدث طي واسع النطاق في البوليمر الخطي، وتُطوى السلسلة بأكملها إلى شكل ثلاثي الأبعاد محدد. توجد أربعة مجالات يمكن أن تختلف فيها الأشكال التركيبية للحمض النووي.

1. استخدام اليد - اليمنى أو اليسرى
2. طول لفة الحلزون
3. عدد أزواج القواعد لكل دورة
4. الفرق في الحجم بين الأخاديد الرئيسية والثانوية ^{[ 3 ]}

يشمل الترتيب الثلاثي للحلزون المزدوج للحمض النووي في الفراغ الحمض النووي من النوع B ، والحمض النووي من النوع A ، والحمض النووي من النوع Z. وقد تم إثبات وجود تراكيب الحمض النووي ثلاثية السلاسل في تسلسلات الميكروساتلايت المتكررة متعددة البيورين: متعددة البيريميدين، وفي الحمض النووي الساتلي .

يُعدّ الحمض النووي من النوع B الشكل الأكثر شيوعًا للحمض النووي في الكائنات الحية، وهو حلزون أضيق وأطول من الحمض النووي من النوع A. يُسهّل أخدوده الرئيسي الواسع وصول البروتينات إليه، بينما يتميز بأخدوده الثانوي الضيق. تتشكل البنية المفضلة للحمض النووي من النوع B عند تركيزات الماء العالية؛ ويبدو أن ترطيب الأخدود الثانوي يُفضّل هذا النوع. تكون أزواج قواعد الحمض النووي من النوع B عمودية تقريبًا على محور الحلزون. يحدث تجعد السكر، الذي يُحدد شكل الحلزون ألفا، سواء كان من النوع A أو من النوع B، عند الطرف C2'-endo. ^{[ 13 ]}

يُعدّ الحمض النووي A-DNA أحد أشكال الحمض النووي المزدوج الذي يُلاحظ في ظروف الجفاف. وهو أقصر وأعرض من الحمض النووي B-DNA. يتخذ الحمض النووي الريبي (RNA) هذا الشكل الحلزوني المزدوج، وتكون معظم ثنائيات الحمض النووي الريبي-الحمض النووي من النوع A، ولكن لوحظت أيضًا ثنائيات من النوع B. ^{[ 14 ]} في سياقات ثنائية النوكليوتيدات أحادية السلسلة الموضعية، يمكن للحمض النووي الريبي أن يتخذ أيضًا الشكل B دون الاقتران بالحمض النووي. ^{[ 15 ]} يتميز الحمض النووي A-DNA بأخدود رئيسي عميق وضيق، مما يجعله غير قابل للوصول بسهولة للبروتينات. من ناحية أخرى، فإن أخدوده الثانوي الواسع والضحل يجعله قابلاً للوصول للبروتينات، ولكنه يحتوي على معلومات أقل من الأخدود الرئيسي. يكون شكله المفضل عند تركيزات الماء المنخفضة. تميل أزواج قواعد الحمض النووي A-DNA بالنسبة لمحور الحلزون، وتكون مزاحة عنه. يحدث تجعد السكر عند C3'-endo، وفي الحمض النووي الريبي، يمنع 2'-OH شكل C2'-endo. ^{[ 13 ]} لطالما اعتبرت الحمض النووي A مجرد خدعة مختبرية، ولكن من المعروف الآن أن له العديد من الوظائف البيولوجية .

يُعدّ الحمض النووي Z-DNA حلزونًا مزدوجًا يساريًا نادرًا نسبيًا. ويمكن تكوينه داخل الكائن الحيّ في ظلّ التسلسل الصحيح والتوتر الحلزوني الفائق، لكن وظيفته غير واضحة. يتميز بحلزون أضيق وأطول من حلزوني A أو B. لا يُعتبر الأخدود الرئيسي في Z-DNA أخدودًا حقيقيًا، كما أنه يتميز بأخدود ثانوي ضيق. ويحدث التكوين الأكثر تفضيلًا عند وجود تركيزات عالية من الأملاح. توجد بعض استبدالات القواعد، لكنها تتطلب تسلسلًا متناوبًا من البيورين والبيريميدين. ترتبط مجموعة الأمينو N2 في الجوانين (G) برابطة هيدروجينية مع مجموعة الفوسفات 5' (PO)، مما يفسر التبادل البطيء للبروتونات والحاجة إلى بيورين الجوانين. تكون أزواج قواعد Z-DNA عمودية تقريبًا على محور الحلزون. لا يحتوي Z-DNA على أزواج قواعد مفردة، بل على تكرار GpC بمسافات PP متفاوتة بين GpC وCpG. يوجد تداخل جيد بين القواعد في رصة GpC، بينما يكون التداخل أقل في رصة CpG. يعود الهيكل المتعرج لـ Z-DNA إلى شكل سكر السيتوزين الذي يعوض شكل الرابطة الجليكوسيدية للجوانين. شكل الجوانين هو syn، C2'-endo؛ أما السيتوزين فهو anti، C3'-endo. ^{[ 13 ]}

يمكن لجزيء الحمض النووي الخطي ذي النهايات الحرة أن يدور، ليتكيف مع تغيرات العمليات الديناميكية المختلفة في الخلية، وذلك بتغيير عدد مرات التفاف سلسلتي حلزونه المزدوج حول بعضهما. بعض جزيئات الحمض النووي دائرية الشكل ومقيدة بنيويًا. ومؤخرًا، وُصف الحمض النووي الريبي الدائري أيضًا بأنه فئة طبيعية واسعة الانتشار من الأحماض النووية، ويُعبر عنها في العديد من الكائنات الحية (انظر CircRNA ).

يُعدّ الحمض النووي الدائري المغلق تساهميًا (المعروف أيضًا باسم cccDNA) مقيدًا طوبولوجيًا، إذ لا يمكن تغيير عدد مرات التفاف السلاسل حول بعضها. يمكن أن يكون هذا الحمض النووي الدائري المغلق تساهميًا فائق الالتفاف ، وهو البنية الثالثية للحمض النووي. يتميز الالتفاف الفائق بعدد الالتفافات والالتواءات والانحناءات. يُعرَّف عدد الالتفافات (Lk) للحمض النووي الدائري بأنه عدد المرات التي يجب أن يمر فيها أحد السلاسل عبر السلسلة الأخرى لفصل السلسلتين تمامًا. لا يمكن تغيير عدد الالتفافات للحمض النووي الدائري إلا بكسر رابطة تساهمية في إحدى السلسلتين. عدد الالتفافات للحمض النووي الدائري المغلق تساهميًا هو دائمًا عدد صحيح، وهو مجموع عنصرين: الالتواءات (Tw) والانحناءات (Wr). ^{[ 16 ]}

${\displaystyle Lk=Tw+Wr}$

اللفات هي عدد مرات التفاف شريطي الحمض النووي حول بعضهما. أما الالتفافات فهي عدد مرات عبور حلزون الحمض النووي لنفسه. يكون الحمض النووي في الخلايا ملتفًا بشكل فائق سالب، ولديه ميل للانفكاك. لذا، يكون فصل الشرائط أسهل في الحمض النووي الملتف بشكل فائق سالب منه في الحمض النووي غير الملتف. يتكون الحمض النووي الملتف بشكل فائق من مكونين: اللولبي والملفوف . يوجد اللولب الملفوف في بدائيات النوى، بينما يُلاحظ اللولب في الغالب في حقيقيات النوى.

يتشابه التركيب الرباعي للأحماض النووية مع التركيب الرباعي للبروتينات . ورغم اختلاف بعض المفاهيم، يشير التركيب الرباعي إلى مستوى تنظيمي أعلى للأحماض النووية، وإلى تفاعلاتها مع جزيئات أخرى. ويُعدّ الكروماتين الشكل الأكثر شيوعًا لهذا التنظيم، إذ يؤدي إلى تفاعلات الأحماض النووية مع بروتينات الهستونات الصغيرة . كما يشير التركيب الرباعي إلى التفاعلات بين وحدات الحمض النووي الريبوزي (RNA) المنفصلة في الريبوسوم أو الجسيم الرابط . ^{[ 17 ]}