البنية الثانوية للأحماض النووية

في الأعلى ، زوج قاعدة AT يوضح رابطتين هيدروجينيتين بين الجزيئات؛ في الأسفل ، زوج قاعدة GC يوضح ثلاث روابط هيدروجينية بين الجزيئات .

في علم الأحياء الجزيئي ، يُطلق على نيوكليوتيدين على سلسلتي DNA أو RNA متكاملتين متقابلتين ، والمرتبطتين بروابط هيدروجينية ، اسم زوج قاعدي (يُختصر غالبًا إلى bp). في اقتران قواعد واتسون-كريك التقليدي، يُشكّل الأدينين (A) زوجًا قاعديًا مع الثايمين (T)، ويُشكّل الجوانين (G) زوجًا قاعديًا مع السيتوزين (C) في DNA. أما في RNA، فيُستبدل الثايمين باليوراسيل (U). كما توجد أنماط بديلة للروابط الهيدروجينية، مثل زوج القواعد المتذبذب وزوج قواعد هوغستين ، خاصةً في RNA ، مما يُؤدي إلى تكوين تراكيب ثلاثية معقدة ووظيفية . ومن المهم ذكره أن الاقتران هو الآلية التي يتم من خلالها التعرف على الكودونات الموجودة على جزيئات mRNA بواسطة مضادات الكودونات الموجودة على tRNA أثناء ترجمة البروتين . تستطيع بعض الإنزيمات المرتبطة بـ DNA أو RNA التعرف على أنماط اقتران قاعدي محددة تُحدد مناطق تنظيمية معينة في الجينات. الرابطة الهيدروجينية هي الآلية الكيميائية التي تقوم عليها قواعد اقتران القواعد المذكورة أعلاه. يسمح التوافق الهندسي المناسب بين مانحي ومستقبلي الروابط الهيدروجينية بتكوين الأزواج "الصحيحة" فقط بشكل مستقر. يكون الحمض النووي ذو المحتوى العالي من GC أكثر استقرارًا من الحمض النووي ذي المحتوى المنخفض من GC ، ولكن على عكس الاعتقاد الشائع، فإن الروابط الهيدروجينية لا تُثبّت الحمض النووي بشكل كبير، ويعود الاستقرار بشكل أساسي إلى تفاعلات التراص . ^{[ 2 ]}

تُعدّ القواعد النيتروجينية الأكبر حجمًا ، الأدينين والجوانين، من فئة من التراكيب الكيميائية ذات الحلقات المزدوجة تُسمى البيورينات ؛ أما القواعد النيتروجينية الأصغر حجمًا، السيتوزين والثايمين (واليوراسيل)، فهي من فئة من التراكيب الكيميائية ذات الحلقات المفردة تُسمى البيريميدينات . تُكمّل البيورينات البيريميدينات فقط: فتزاوج البيريميدين-بيريميدين غير مُفضّل طاقيًا لأن الجزيئات متباعدة جدًا بحيث لا يُمكن تكوين روابط هيدروجينية؛ وتزاوج البيورين-بيورين غير مُفضّل طاقيًا لأن الجزيئات متقاربة جدًا، مما يؤدي إلى تنافر التداخل. التزاوجات الأخرى الممكنة هي GT وAC؛ وهذه التزاوجات غير متطابقة لأن نمط مانحات ومستقبلات الهيدروجين لا يتطابق. يُلاحظ وجود زوج القاعدة المتذبذب GU ، الذي يحتوي على رابطتين هيدروجينيتين، بشكل متكرر نسبيًا في الحمض النووي الريبي (RNA) .

لا ينبع استقرار اللولب من الروابط الهيدروجينية بين القواعد فحسب، بل أيضًا من تفاعل التراص بين الحلقات العطرية للقواعد، خاصةً عندما تكون الحلقات متوازية. في اللولب المزدوج العادي، يمكن أن تتمتع القواعد الأربع المتجاورة في سلسلتين من اللولب بأنواع استقرار التراص التالية: ^{[ 3 ]}

• يحدث التراص داخل السلسلة بين قاعدتين متجاورتين من نفس السلسلة، مثل حافتين أقصر من مستطيل (أزواج القواعد هي الحواف "الأطول").
• يحدث التراص بين السلاسل بين قاعدتين متجاورتين لسلاسل مختلفة، مثل الأقطار على مستطيل.

بسبب تكديس القواعد، فإن وصف سبب وكيفية طي الحمض النووي الريبي (RNA) - وهو أمر أساسي للتنبؤ بالأشكال التي يتخذها - عادة ما يأتي على شكل أجزاء تسمى "أجزاء الجوار الأقرب" لتفسير كل من التكديس واقتران القواعد. ^{[ 3 ]}

لا يقتصر تأثير اقتران القواعد وتراصها على البنية الثانوية فحسب، بل يمكن أن يحدثا عبر عناصر بسيطة كاللوالب والحلقات، مما يضعهما ضمن نطاق البنية الثالثية للأحماض النووية . يحدث التراص المحوري عندما تتراص قواعد لولبين مختلفين معًا، ويُلاحظ ذلك في بنية الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA ). ^{[ 4 ] [ 5 ]}

التهجين هو عملية ارتباط أزواج القواعد المتكاملة لتكوين حلزون مزدوج . أما الانصهار فهو العملية التي يتم من خلالها كسر الروابط بين خيوط الحلزون المزدوج، مما يؤدي إلى فصل خيطي الحمض النووي. هذه الروابط ضعيفة، ويمكن فصلها بسهولة عن طريق التسخين الخفيف أو الإنزيمات أو القوة الفيزيائية. يحدث الانصهار بشكل تفضيلي عند نقاط معينة في الحمض النووي. ^{[ 6 ]} تذوب التسلسلات الغنية بالثايمين (T) والأدينين (A) بسهولة أكبر من المناطق الغنية بالسيتوزين (C) والجوانين (G) ، لأن رابطتي الهيدروجين فيها أضعف من ثلاث روابط. كما أن بعض قواعد الحمض النووي معرضة لانصهار الحمض النووي، وخاصة قواعد TA و TG ، لأن التراص فيها أضعف. ^{[ 7 ]} تنعكس هذه الخصائص الميكانيكية في استخدام تسلسلات مثل TATAA في بداية العديد من الجينات لمساعدة بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA) في انصهار الحمض النووي من أجل النسخ.

يُعد فصل خيوط الحمض النووي بالتسخين اللطيف، كما هو مُستخدم في تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR )، عمليةً بسيطةً شريطة ألا يتجاوز طول الجزيئات 10000 زوج قاعدي (10 كيلو قاعدة، أو 10 كيلو قاعدة). يُصعّب تشابك خيوط الحمض النووي فصل القطع الطويلة. تتجنب الخلية هذه المشكلة بالسماح لإنزيماتها المُذيبة للحمض النووي ( الهيليكازات ) بالعمل بالتزامن مع إنزيمات التوبويزوميراز ، التي تقوم بفصل العمود الفقري الفوسفاتي لأحد الخيوط كيميائيًا ليتمكن من الالتفاف حول الآخر. تعمل الهيليكازات على فكّ الخيوط لتسهيل عمل إنزيمات قراءة التسلسل، مثل بوليميراز الحمض النووي .

يُعدّ الحلزون المزدوج بنيةً ثالثيةً مهمةً في جزيئات الأحماض النووية، وهو مرتبطٌ ارتباطًا وثيقًا ببنيتها الثانوية. ويتكوّن الحلزون المزدوج من مناطق تحتوي على العديد من أزواج القواعد المتتالية.

يُعدّ اللولب المزدوج للحمض النووي بوليمرًا حلزونيًا، عادةً ما يكون يمينيًا، ويتكون من سلسلتين من النيوكليوتيدات ترتبطان معًا بروابط قاعدية . تتألف لفة واحدة من اللولب من حوالي عشرة نيوكليوتيدات، وتحتوي على أخدود كبير وأخدود صغير، حيث يكون الأخدود الكبير أعرض من الأخدود الصغير. ^{[ 11 ]} نظرًا لاختلاف عرض الأخدودين، فإن العديد من البروتينات التي ترتبط بالحمض النووي تفعل ذلك من خلال الأخدود الكبير الأعرض. ^{[ 12 ]} توجد العديد من الأشكال اللولبية المزدوجة الممكنة؛ بالنسبة للحمض النووي، فإن الأشكال الثلاثة ذات الأهمية البيولوجية هي A-DNA و B-DNA و Z-DNA ، بينما تمتلك اللوالب المزدوجة للحمض النووي الريبي (RNA) هياكل مشابهة للشكل A من الحمض النووي.

يمكن في كثير من الأحيان تحليل البنية الثانوية لجزيئات الأحماض النووية إلى سيقان وحلقات. وتُعد بنية الساق والحلقة (التي تُعرف أيضًا باسم "الدبوس")، حيث ينتهي حلزون مزدوج القواعد بحلقة قصيرة غير مزدوجة، شائعة للغاية، وهي لبنة أساسية لبنى هيكلية أكبر مثل بنى ورقة البرسيم، وهي عبارة عن وصلات رباعية الحلزونات كتلك الموجودة في الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA ). كما تُعد الحلقات الداخلية (سلسلة قصيرة من القواعد غير المزدوجة في حلزون مزدوج أطول) والانتفاخات (مناطق تحتوي فيها إحدى خيوط الحلزون على قواعد إضافية مُدرجة دون وجود نظائر لها في الخيط المقابل) شائعة أيضًا.

توجد العديد من عناصر البنية الثانوية ذات الأهمية الوظيفية في الحمض النووي الريبي البيولوجي؛ ومن الأمثلة الشهيرة على ذلك حلقات ساق الإنهاء المستقلة عن عامل رو، وبنية ورقة البرسيم في الحمض النووي الريبي الناقل . وتجري أبحاث مكثفة لتحديد البنية الثانوية لجزيئات الحمض النووي الريبي، باستخدام مناهج تشمل الأساليب التجريبية والحسابية (انظر أيضًا قائمة برامج التنبؤ ببنية الحمض النووي الريبي ).

العقدة الكاذبة هي بنية ثانوية في الأحماض النووية تحتوي على بنيتين جذعيتين حلقيتين على الأقل ، حيث يتداخل نصف ساق بين نصفي ساق أخرى. تتخذ العقد الكاذبة أشكالًا ثلاثية الأبعاد تشبه العقد، لكنها ليست عقدًا طوبولوجية حقيقية . لا يكون اقتران القواعد في العقد الكاذبة متداخلًا بشكل جيد؛ أي أن أزواج القواعد تتداخل في مواقعها التسلسلية. هذا يجعل من المستحيل التنبؤ بوجود العقد الكاذبة العامة في تسلسلات الأحماض النووية باستخدام الطريقة القياسية للبرمجة الديناميكية ، التي تستخدم نظام تسجيل متكرر لتحديد السيقان المزدوجة، وبالتالي لا يمكنها اكتشاف أزواج القواعد غير المتداخلة باستخدام الخوارزميات الشائعة. مع ذلك، يمكن التنبؤ بفئات فرعية محدودة من العقد الكاذبة باستخدام برامج ديناميكية معدلة. ^{[ 14 ]} كما أن تقنيات التنبؤ بالبنية الحديثة، مثل القواعد النحوية العشوائية الخالية من السياق، غير قادرة على التعامل مع العقد الكاذبة.

يمكن للعُقد الكاذبة أن تُشكّل مجموعة متنوعة من التراكيب ذات النشاط التحفيزي ^{[ 15 ]} ، وتعتمد العديد من العمليات البيولوجية الهامة على جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) التي تُشكّل هذه العُقد. على سبيل المثال، يحتوي مُكوّن الحمض النووي الريبي (RNA) للتيلوميراز البشري على عُقدة كاذبة تُعدّ ضرورية لنشاطه. ^{[ 13 ]} يُعدّ ريبوزيم فيروس التهاب الكبد دلتا مثالًا معروفًا على الحمض النووي الريبي (RNA) التحفيزي الذي يحتوي على عُقدة كاذبة في موقعه النشط. ^{[ 16 ] [ 17 ]} يُعدّ إنترون المجموعة الأولى مثالًا آخر على الحمض النووي الريبي (RNA) التحفيزي الذي يحتوي على عُقد كاذبة متعددة، مثل P3 وP7 في المجال التحفيزي، بالإضافة إلى عُقد كاذبة فرعية مُساعدة خاصة بكل فئة فرعية تُوفّر دعمًا بنيويًا إضافيًا. ^{[ 18 ] [ 19 ]} على الرغم من أن الحمض النووي (DNA) يُمكنه أيضًا تشكيل عُقد كاذبة، إلا أنها لا تتواجد عادةً في الظروف الفيزيولوجية القياسية .