اسید نوکلئیک ، انواع و ساختار | به زبان ساده

اسید نوکلئیک (Nucleic Acid) یکی از ماکرومولکول‌های زیستی مهم در سلول‌های ارگانیسم‌ها به شمار می‌آیند. این مولکول‌ها به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند که شامل «دی اکسی ریبونوکلئیک اسید» (Deoxyribonucleic Acid) یا (DNA) و «ریبونوکلئیک اسید» (Ribonucleic Acid) یا (RNA) هستند. این مولکول‌های زیستی هر دو در عملکرد موجود زنده نقش اساسی دارند.

انواع اسید‌های نوکلئیک ساختار‌های اساسی مشابه دارند با این که این مولکول‌ها تفاوت‌های مهمی نیز با یکدیگر دارند. آن‌ها از مونومرهای نوکلئوتید‌ی متصل به هم ساخته شده‌اند که مانند پیوند‌های زنجیره‌ای در کنار هم قرار می‌گیرند تا پلیمر‌های اسید نوکلئیک تشکیل شوند. نوکلئوتید‌ها شامل یک نوکلئوزید (ترکیبی از یک مولکول پنتوز مونوساکارید و یک باز آلی) و یک گروه فسفات هستند. تفاوت بین RNA و DNA در یک باز آلی و یک اتم اکسیژن منفرد در یک مولکول قند نهفته است.

دی اکسی ریبونوکلئیک اسید DNA

DNA طرح ژنتیکی یک ارگانیسم زنده است که در آن تمام اطلاعات ژنتیکی ذخیره می‌شود و از طریق این مولکول اطلاعات ارگانیسم‌ها به نسل‌های بعد منتقل می‌شوند. دی اکسی ریبونوکلئیک یک ساختار دو رشته‌ای مارپیچ ویژه است که در آن دو رشته منفرد که در اطراف یکدیگر پیچ خورده‌اند، در کنار هم قرار می‌گیرند. رشته DNA بسیار طولانی‌تر از تک رشته RNA است. این بدان دلیل است که هر رشته DNA در هر سلول حاوی طرح ژنتیکی کلی ارگانیسم‌ها است. دی اکسی ریبونوکلئیک اسید در درجه اول در هسته یافت می‌شود. با این حال، DNA در یک نسخه بسیار کوتاه‌تر نیز می‌تواند در میتوکندری (mtDNA) وجود داشته باشد که ژن‌های لازم برای تولید آدنوزین تری فسفات (ATP)، مهمترین منبع انرژی سلولی را تأمین می‌کند.

هر سلولی که دارای هسته باشد، حاوی اسید نوکلئیک به شکل DNA است. استثنائات مختلفی در این قانون وجود دارد. برخی از سلول‌ها طی فرآیند پیری، هسته و DNA خود را از دست می‌دهند، مانند گلبول‌های قرمز بالغ، سلو‌ل‌های بالغ روپوست و کراتینوسیت‌ها (Keratinocyte) که سلول‌هایی فاقد هسته هستند. پلاکت‌های خون بعضی اوقات به عنوان سلول‌هایی بدون هسته یا DNA شناخته می‌شوند، در حالی که، پلاکت‌ها قطعاتی از «مگاکاریوست‌ها» (Megakaryocytes) هستند و سلول‌های واقعی محسوب نمی‌شوند. ارگانیسم‌های تک سلولی (پروکاریوت‌ها) مانند باکتری‌ها، هسته‌ای ندارند اما حاوی رشته‌های سستی از DNA در سیتوپلاسم هستند، در شکل زیر ساختار یک سلول پروکاریوتی نمایش داده شده است.

ساختار اسید نوکلئیک DNA

ساختار DNA، یک مارپیچ دو رشته‌ای شناخته شده در تمام ارگانیسم‌های زنده است، این مولکول بر پایه دو رشته با ستون فقرات قند - فسفات تشکیل شده که توسط پیوند هیدروژنی بین بازهای آلی در کنار هم قرار می‌گیرند. DNA حاوی چهار باز آلی یا نیتروژنی است که به آن‌ها نوکلئوباز نیز می‌گویند. این بازها شامل آدنین، تیمین، سیتوزین و گوانین هستند.

بازهای آلی ترکیباتی هستند که به طور طبیعی در سلو‌ل‌ها وجود دارند و نام هر نوکلئوتید از باز آلی آن مشخص می‌شود و به این صورت نوکلئوتیدها را به دو گروه پیریمیدین و پورین تقسیم می‌کنند. بازهای گروه پیریمیدین سیتوزین، تیمین و اوراسیل هستند که ساختارهای کوچک و تک حلقه را می‌سازند، بازهای آدنین و گوانین ساختارهای بزرگتر و دو حلقه را تشکیل می‌دهند که در گروه بازهای پورین قرار دارند. این تفاوت در شکل و اندازه و اختلاف در بار الکتریکی مهم است، زیرا ایجاد جفت پیوندهای‌ مکمل اختصاصی را بین انواع گروه‌های مختلف امکان پذیر می‌کند. در DNA، آدنین تنها با تیمین پیوند می‌یابد و سیتوزین فقط می‌تواند با گوانین پیوند برقرار کند. این امر باعث ایجاد جفت بازهای نیتروژنی با طول یکسان و یک تصویر آینه‌ای در رشته‌های مخالف می‌شود.

شکل مارپیچ دو رشته‌ای DNA ناشی از شکل نوکلئوتید‌های مونومر تشکیل دهنده آن است. هنگامی ‌که مولکول‌های نامتقارن بر روی یکدیگر قرار می‌گیرند، اغلب موجب ایجاد یک مارپیچ می‌شوند. در DNA، هر رشته به صورت موازی و غیرهم جهت با رشته مقابل است.

مونومر نوکلئوتیدی که یک واحد از زنجیره پلیمر DNA را تشکیل می‌دهد، از یک نوکلئوباز، یک گروه فسفات و یک قند پنج کربنی (پنتوز) به نام 2-دی اکسی ریبوز تشکیل می‌شود. دی اکسی (Deoxy) به از بین رفتن یک اتم اکسیژن در ساختمان یک قند پنتوز که به ریبوز (در RNA وجود دارد) معروف است، اشاره دارد. عدم وجود اتم اکسیژن نیز در ساختار مارپیچی DNA نقش دارد. تصویر زیر تفاوت در ساختار شیمیایی این دو قند پنج کربنی ریبوز و دی اکسی ریبوز را نشان می‌دهد. توجه داشته باشید که مولکول اکسیژن (دایره قرمز رنگ) روی کربن دوم دی اکسی ریبوز در سمت چپ دیده نمی‌شود.

دی اکسی ریبوز با یک گروه فسفات به صورت کووالانسی پیوند می‌خورد. این پیوندها زنجیره‌ای را ایجاد می‌کند که به عنوان ستون فقرات قند- فسفات شناخته می‌شود. این ساختار هر باز نوکلئوتیدی را آزاد می‌کند تا با باز صحیح نوکلئوتید در رشته مقابل پیوند بخورد.

ریبو نوکلئیک اسید RNA

RNA در همه انواع سلول‌ها یافت می‌شود. این مولکول‌های زیستی برای تولید پروتئین از طریق رونویسی از اطلاعات ژنتیکی، ضروری به شمار می‌آیند. با استفاده از طرح DNA، مولکول‌های RNA در اشکال مختلف از اطلاعات ژنتیکی رمزگذاری شده طی فرایند رونویسی تهیه می‌شوند و این اطلاعات را به ریبوزوم‌های سلولی انتقال می‌دهند.

فیلم آموزش بیوشیمی نوکلئوتیدها و اسیدهای نوکلئیک در فرادرس

کلیک کنید

ریبوزوم‌ها این داده‌ها را به شکل پروتئین‌ها ترجمه می‌كنند. در حالت کلی، RNA با ساختار مارپیچ دو رشته‌ای DNA مرتبط نیست. با این حال، RNA این توانایی را دارد که ساختار دو رشته‌ای را برای یک دوره موقت تشکیل دهد و ولی اغلب مولکول‌های RNA در رشته‌های منفرد با طول‌های مختلف وجود دارند. حتی در گلبول‌های قرمز خون که فاقد هسته هستند، RNA همچنان روند رونویسی را انجام می‌دهد. دلیل این امر ضرورت بیوسنتز پروتئین برای انجام همه واکنش در یک ارگانیسم زنده به شمار می‌آید.

انواع RNA

RNA با توجه به نقش خاص خود در سلول، چهار شکل اصلی دارد. این انواع شامل موارد زیر است:

•  RNA پیام رسان (mRNA)
• RNA انتقال دهنده (tRNA)
• RNA ریبوزومی ‌(rRNA)
• RNA غیرکد کننده (nCRNA)

سه مورد از این موارد یعنی mRNA، tRNA و rRNA، وظیفه تولید پروتئین از اسید‌های آمینه واحد را براساس اطلاعات DNA بر عهده دارند.

RNA غیرکد کننده گروه گسترده‌ای از اسید‌های ریبونوکلئیک است که از طریق کد‌های DNA پروتئین تولید نمی‌کند. تحقیقات در مورد این گروه هنوز در مراحل ابتدایی خود است. با این حال، مقادیر زیادی از انواع خاص RNA ممکن است، عملکرد‌هایی را در مناطقی مانند ساختار کروموزوم، هومئوستازی و فیزیولوژی سلول نشان دهند.

ساختار اسید نوکلئیک RNA

در رابطه با ساختار، RNA بسیار شبیه DNA است. تفاوت‌های اصلی بین این دو مولکول زیستی عبارتند از:

• نبود ساختار مارپیچ دو رشته‌ای
• وجود قند ریبوز به جای دی اکسی ریبوز
• وجود باز یوراسیل به جای تیمین

RNA در درجه اول به صورت تک رشته یا اشکال تاخورده یافت می‌شود. در این مولکول‌ها یک مارپیچ دو رشته‌ای تنها به صورت موقت می‌تواند شکل بگیرد. قند پنتوز به شکل ریبوز که بخشی از ستون فقرات قند - فسفات RNA را تشکیل می‌دهد، یک اتم اکسیژن اضافی در اتم کربن دوم خود دارد که یک گروه هیدروکسیل تشکیل می‌دهد. نوکلئوباز اوراسیل (باز اختصاصی RNA) تیمین موجود در DNA را جایگزین می‌کند. تصویر زیر این تفاوت‌های ساختاری و ابتدایی را به وضوح نشان می‌دهد.

ساختار اسیدهای نوکلئیک

اسید‌های نوکلئیک می‌توانند انواع پلیمر‌های بزرگ را ‌تشکیل دهند که اشکال مختلفی به خود می‌گیرند. به همین ترتیب، روش‌های مختلفی برای بحث در مورد ساختار اسید نوکلئیک وجود دارند. ساختار اسید نوکلئیک می‌تواند در تعریف ساده‌ای به عنوان توالی نوکلئوتید‌ها در یک قطعه DNA باشد یا در تعریف پیچیده این مولکول‌ها می‌توان از چگونگی پیچ خوردگی‌های DNA و چگونگی تعامل آن با سایر مولکول‌ها بحث کرد. در این بخش در مورد سطوح مختلف ساختار اسیدهای نوکلئیک بحث می‌شود.

ساختار اولیه

نوکلئوتید‌ها که واحدهای ساختمانی اسید‌های نوکلئیک به شمار می‌آیند، در واقع حروف و کدهای ژنتیکی اسیدهای نوکلئیک را می‌سازند که از دو جزء تشکیل شده‌اند:

• بازهای آلی مانند آدنین، سیتوزین، گوانین و تیمین یا اوراسیل از اجزای اصلی اسیدهای نوکلئیک هستند. DNA و RNA هر کدام ۴ نوع از بازهای آلی را در ساختار خود دارند. به طوری که DNA باز تیمین یا T در ساختار خود دارد ولی RNA از اوراسیل یا U به جای تیمین استفاده می‌کند. هر یک از این چهار باز دارای خصوصیات پیوندی مختلف هستند و همین ویژگی موجب می‌شود ایجاد خطا در سنتز این مولکول‌های زیستی به حداقل برسد. تیمین و اوراسیل تقریباً دارای ساختار و خاصیت یکسان هستند و به آن‌ها امکان می‌دهد، نقش‌های مشابهی را در دو نوع مختلف اسید‌های نوکلئیک انجام دهند.

• ستون فقرات قند - فسفات بخشی از ساختار اسیدهای نوکلئیک است که باعث می‌شود، بازهای آلی به هم وصل شوند. قند هر نوکلئوتید می‌تواند به فسفات نوکلئوتید دیگر پیوند یابد تا یک مولکول واحد را بسازد. هنگامی ‌که بسیاری از نوکلئوتید‌ها به هم وصل می‌شوند، زاویه پیوند فسفات - قند، اغلب رشته را به شکل یک مارپیچ تبدیل می‌کند. به همین دلیل DNA که دو رشته است، به طور طبیعی شکل مارپیچ دو رشته را به خود می‌گیرد. ساختار اولیه اسید نوکلئیک به توالی بازهای آلی نوکلئوتیدی آن و نحوه پیوند کووالانسی آن‌ها به یکدیگر اشاره دارد. بنابراین ترتیب حروف در یک رشته DNA یا RNA بخشی از ساختار اصلی آن‌ها به شمار می‌آید و ساختار مارپیچ دو رشته و مارپیچ تک رشته به عنوان ساختار اولیه اسیدهای نوکلئیک شناخته می‌شوند.

ساختار ثانویه

ساختار ثانویه به چگونگی پیوندهای هیدروژنی بازهای نوکلئوتیدها با یکدیگر اشاره دارد، پیوندهای هیدروژنی شکل قرارگیری دو رشته را در کنار هم مشخص می‌کنند.

پیوند‌های هیدروژنی که بین باز‌های مکمل دو رشته اسید نوکلئیک تشکیل می‌شوند با پیوند کووالانسی که بین مونومر‌های متوالی در یک رشته اسید نوکلئیک تشکیل می‌شود، کاملاً متفاوت هستند.

پیوند‌های بین بازها در یک رشته از اسید نوکلئیک کووالانسی هستند، آن‌ها کاملاً الکترون‌های خود را به اشتراک می‌گذارند و به شکلی پیوند می‌خورند که شکستن آن بسیار مشکل است. اتم‌هایی که با پیوند‌های کووالانسی به یکدیگر متصل می‌شوند، همه بخشی از یک مولکول یکسان هستند.

از طرف دیگر پیوند‌های هیدروژنی، پیوند‌های ضعیفی هستند که از جاذبه‌های ضعیف و موقتی بین هسته‌های هیدروژن با بار مثبت و الکترون‌های دیگر اتم‌ها ناشی می‌شوند. در این حالت، مولکول‌ها الکترون را به اشتراک نمی‌گذارند، بنابراین می‌توان آن‌ها را با سهولت از هم جدا کرد. تغییر در عوامل محیطی مانند اسیدیته نیز می‌تواند پیوند‌های هیدروژن را مختل کند.

متداول‌ترین ساختار ثانویه که با آن آشنا هستیم، مارپیچ دو رشته‌ای است که وقتی دو رشته مکمل DNA با پیوند هیدروژنی با یکدیگر پیوند می‌خورند، تشکیل می‌شود. ساختار‌های دیگر ثانویه نیز ممکن است در اسیدهای نوکلئیک مشاهده شود، مانند ساختار «حلقه - ساقه» (Stem-Loop) که هنگامی ‌اتفاق می‌افتد که یک مولکولDNA یا RNA به سمت عقب تا خوردگی پیدا می‌کند و هیدروژن‌ها با خودشان پیوند برقرار می‌کنند یا یک ساختار چهار بازویی که معمولا زمانی می‌تواند اتفاق می‌افتد که هیدروژن‌های چهار رشته مختلف اسید نوکلئیک با بخش‌های متفاوت یکدیگر پیوند برقرار می‌کنند.

تصور می‌شود که برخی از این امکانات ساختار ثانویه برای کمک به کنترل بیان ژن و انجام سایر عملکرد‌های بیولوژیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. به طور کلی، آنزیم‌های رونویسی فقط ژن‌هایی را که می‌توانند به آن‌ها دسترسی پیدا کنند، بیان می‌کنند. اگر یک ژن یا قطعه RNA در یک ترکیب اسید‌های نوکلئیک گره خورده باشد، ممکن است آنزیم‌ها کمتر به آن برسند. از طرف دیگر ممکن است ژن‌ها در ساختار‌های ثانویه بازتر باشند و ساده‌تر بیان شوند.

ساختار سوم

ساختار سوم به موقعیت اتم‌های یک اسید نوکلئیک در فضا اشاره دارد. چندین اندازه‌گیری متداول وجود دارند که هنگام صحبت در مورد ساختار سوم یک اسید نوکلئیک مورد بحث قرار می‌گیرند، از جمله آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

دست غالب

«مولکول‌های نامتقارن» (Asymmetrical Molecules) بسیار شبیه دست ما هستند. به عنوان مثال، هر یک از دستان ما یک شکل یکسان دارند، در واقع همان اجزای یکسان به هم متصل می‌شوند. اما دست ما به وضوح با یکدیگر قابل تعویض نیستند. به این دلیل که یکی از دست‌های ما انگشت شست را در سمت راست دارد و انگشت شست در دست دیگر در سمت چپ قرار می‌گیرد. دست ما به جای اینکه ساختار‌های یکسان و قابل تعویض باشند، تصاویر آینه‌ای از یکدیگر هستند.

درست با همین روش، مولکول‌های نامتقارن نیز با قسمت‌ها و پیوندهای یکسان می‌توانند تصاویر آینه‌ای از یکدیگر باشند. بعضی از مولکول‌ها در جهت دست راست هستند و برخی دیگر تصویر آینه‌ای آن‌ها یعنی در جهت دست چپ قرار دارند.

هنگام صحبت از مولکول‌های بیولوژیکی، دست غالب می‌تواند برای تعیین تأثیر یک ماده شیمیایی بر ارگانیسم بسیار مهم باشد. برای برخی دارو‌ها و سموم، تنها یک ایزومر فضایی هستند که با آنزیم‌های بدن ما برهمکنش برقرار می‌کند. موضوعی که در مورد این نوع مولکول‌ها مطرح می‌شود، این است که گاهی یک مولکول که هیچ تاثیری بر بدن ندارد، در حالتی که به شکل تصویر آینه خود در آید ممکن است برای بدن مفید یا مضر باشد.

طول دور هر مارپیچ اسیدهای نوکلئیک

در حالی که هر مولکول نامتقارن می‌تواند یک ایزومر فضایی داشته باشد، همان طور که حدس می‌زنید، طول هر دور مارپیچ برای اسید‌های نوکلئیک کاملاً منحصر به فرد است.

زاویه پیوند بین نوکلئوتید‌ها باعث می‌شود، بیشتر اسید‌های نوکلئیک شکل مارپیچ به خود بگیرند. اما تفاوت‌های اندک در شکل مارپیچ می‌تواند تفاوت‌هایی در نحوه تعامل مارپیچ با آنزیم‌های ما و سایر مولکول‌ها ایجاد کند. بنابراین جزئیات شکل مارپیچ می‌تواند مهم باشد.

تعداد جفت باز در هر دور مارپیچ اسیدهای نوکلئیک

این یک اندازه‌گیری دیگر از شکل و ویژگی‌های دقیق مارپیچ اسید نوکلئیک است. شمارش تعداد جفت بازها در هر دور می‌تواند از نظر شیمیایی و بیولوژیکی از اهمیت بالایی برخوردار باشد، زیرا تعیین می‌کند کدام آنزیم‌ها و مولکول‌ها می‌توانند DNA یا RNA را تحت تأثیر قرار دهند.

تفاوت در اندازه بین شیار‌های بزرگ و کوچک اسیدهای نوکلئیک

در مارپیچ دو رشته‌ای اسید نوکلئیک، «شیار بزرگ» (Major Groove) مسیر وسیع‌تری است که بین دو رشته اسید نوکلئیک اسید باز می‌شود. در حالی که «شیار کوچک» (Minor Groove) باریک‌تر است. در بعضی موارد، این شیار‌ها ممکن است به عنوان محل اتصال مولکول‌های دیگر مورد استفاده قرار بگیرند.

اندازه شیار‌های بزرگ و کوچک اسیدهای نوکلئیک بسته به عوامل مختلفی از جمله محیط شیمیایی مارپیچ دو رشته‌ای می‌تواند متفاوت باشد. هر چیزی که بر استحکام پیوند‌های هیدروژن تأثیر بگذارد، می‌تواند بر اندازه شیار‌های بزرگ و کوچک نیز تاثیرگذار باشد.

ساختار چهارم

ساختمان چهارم یا «ساختار کواترنر» (Quaternary) به اشکال و ساختار‌های بزرگی اشاره دارد که توسط اسید‌های نوکلئیک ساخته می‌شوند. تقریباً مانند اسید‌های آمینه و پروتئین‌ها، اسید‌های نوکلئیک می‌توانند ساختار‌های بزرگی تشکیل دهند. شکل این سازه‌ها می‌تواند برای عملکرد آن‌ها مهم باشد.

نمونه‌هایی از ساختار‌های چهارم اسیدهای نوکلئیک شامل «کروماتید‌ها» (Chromatids) و ریبوزوم‌ها هستند:

• کروماتیدها: مولکول‌های عظیمی ‌از DNA کروموزومی هستند که برای ذخیره سازی اطلاعات ژنتیکی و حمل و نقل آن‌ها در حین تقسیم سلولی به صورت بسیار متراکم در می‌آیند.
• ریبوزوم‌ها:  اندامک‌های کوچک سلولی هستند که بخشی از این اندامک‌ها از RNA تشکیل شده‌اند.

برخی از «ریبوزیم‌ها» (Ribozymes) (آنزیم‌هایی که از RNA تشکیل شده‌اند) همچنین با استفاده از ساختار چهارم می‌توانند فعالیت‌های خود را به انجام برسانند. این ساختار به آن‌ها اجازه می‌دهد تا با سوبستراهای خود در تعامل باشند. درست مانند آنزیم‌های ساخته شده از پروتئین، ریبوزیم‌ها دقیقاً باید با سوبسترای خود متناسب باشند تا بتواند واکنش‌های شیمیایی را بر روی آن‌ها کاتالیز کنند.