اسید نوکلئیک ، انواع و ساختار | به زبان ساده

نوکلئیک اسیدها یا اسیدهای نوکلئيک یکی از انواع مولکول‌های زیستی هستند که اطلاعات ژنتیکی سلول‌ها و ویروس‌ها را در خود حفظ می‌کنند. واحدهای سازنده نوکلئيک اسیدها «نوکلئوتیدها» هستند که از یک باز آلی نیتروژن‌دار، یک مولکول قند و گروه فسفات تشکیل شده‌اند. در این مطلب از مجله فرادرس به طور کامل با اسیدهای نوکلئیک آشنا می‌شویم و یاد می‌گیری که DNA و RNA به عنوان دو نوع اسید نوکلئیک موجود در سلول‌ها چه تفاوت‌های ساختاری و عملکردی دارند. علاوه بر این موضوعات، به طور کامل به بررسی ساختارهای اسیدهای نوکلئیک مانند ساختار ثانویه آن‌ها می‌پردازیم.

اسید نوکلئيک چیست؟

• «دی اکسی ریبونوکلئیک اسید» (Deoxyribonucleic Acid | DNA )
• «ریبونوکلئیک اسید» (Ribonucleic Acid | RNA )

دی اکسی ریبونوکلئیک اسید یا DNA چیست؟

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.

ساختار DNA

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.

ریبو نوکلئیک اسید یا RNA چیست؟

فیلم آموزش بیوشیمی نوکلئوتیدها و اسیدهای‌نوکلئیک در فرادرس

کلیک کنید

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 RNA

• 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

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
• ستون فقرات قند - فسفات

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.

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.

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.

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. اندازه هر باز در مارپیچ DNA برابر با ۳٫۴ آنگستروم و طول هر دور کامل برابر ۳۴ آنگستروم و ۱۰ باز است. قطر هر مارپیچ برابر با ۲۰ انگستروم 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

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:  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.