ما هي القواعد النيتروجينية
القواعد النيتروجينية هي جزيئات عضوية تحتوي على تركيب حلقي يتضمن ذرات الكربون والنيتروجين. تعمل هذه الجزيئات كقواعد في التفاعلات الكيميائية، حيث تعمل ذرة النيتروجين كقاعدة لويس بواسطة الزوج الوحيد من الإلكترونات، وتقوم بتبرع زوج من الإلكترونات في التفاعل الكيميائي. وتسمى هذه القواعد أحيانا القواعد النووية.
تتواجد قواعد النيتروجين في شكلين، البيورينات والبيريميدين. البيورينات تتألف من قواعد نيتروجينية تحتوي على حلقتين دمجتا معا، أما البيريميدينات فتتألف من قواعد نيتروجينية تحتوي على حلقة واحدة فقط. في كلتا الحالتين، تتكون الحلقة أو الحلقات من ذرات الكربون والنيتروجين، وترتبط بذرات الكربون والنيتروجين بذرات الهيدروجين أو عناصر أخرى أو مجموعات وظيفية مختلفة. تشمل البيورينات قواعد النيتروجين الأدينين والجوانين، أما البيريميدين فتشمل الثايمين والسيتوزين واليوراسيل. توجد القواعد النيتروجينية في الحمض النووي.
أهمية القواعد النيتروجينية
القواعد النيتروجينية لها أهمية خاصة في مجال علم الأحياء لأنها تشكل جزءا أساسيا من النيوكليوتيدات، التي تعتبر بنى المعلومات الوراثية مثل الحمض النووي (DNA) والرنا (RNA) ، إن المعلومات الوراثية تحتوي على جميع التعليمات التي تحتاجها خلايانا لبناء الهياكل والوظائف في الجسم ، وتغيرات تسلسل القواعد النيتروجينية يمكن أن تؤثر بشكل كبير على الخلية والكائن الحي، هذه التغيرات، المعروفة بالطفرات، هي سبب للعديد من الأمراض الوراثية مثل السرطان.
كيف يتم ترتيب القواعد النيتروجينية في DNA
جميع الكائنات الحية على الأرض، بمختلف تنوعها وتعقيدها، مبنية أساسا على نفس اللونات الأساسية `القواعد النيتروجينية`. تم ترتيب هذه القواعد بعدد لا يحصى من الطرق المختلفة، حيث يتواجد حمض الدي إن إي الخاص بنا في نواة كل خلية تقريبا في جسمنا (مع استثناء قليل، مثل خلايا الدم الحمراء التي لا تحتوي على نواة). يتألف حمض الدي إن إي من جزيئات طويلة، ويتم تشكيلها من الوحدات الأصغر التي تسمى القواعد النيتروجينية `الأدينين (A)، الثايمين (T)، السيتوزين (C)، الجوانين (G)، واليوراسيل (U)`. وتم ترتيب هذه القواعد بالترتيب التالي:
- أدينين
الأدينين هي قاعدة نيتروجينية تمثل بالرمز A في DNA و RNA، وهي عبارة عن قاعدة بيورين وتحتوي على حلقتين نيتروجينيتين مدمجتين معا، وصيغتها الكيميائية C5H5N5، ويرتبط الأدينين بجزيء السكر في النيوكليوتيدات عن طريق 1 `كربون على الريبوز أو الديوكسيريبوز، ولديها موقعان للربط يسمحان لها بتكوين روابط هيدروجينية مع النيوكليوتيدات المكملة.
- جوانين
الجوانين هو قاعدة نيتروجينية تمثل بالرمز G في الحمض النووي (DNA) والريبوز النووي (RNA). إن الجوانين هو أيضا قاعدة بيورين ويحتوي على حلقتين مترابطتين من النيتروجين. الصيغة الكيميائية للجوانين هي C5H5N5O. يشبه الجوانين في تركيبه الأدينين، ومع ذلك، يحتوي على مجموعة كربونيل بدلا من مجموعة أمين ومجموعة أمين بدلا من ذرة هيدروجين كبدائل في الحلقة الأكبر. بالإضافة إلى ذلك، يحتوي الجوانين على ثلاثة مواقع ربط تمكنه من تكوين روابط هيدروجينية مع النيوكليوتيدات المكملة.
- ثايمين
الثايمين هو قاعدة نيتروجينية بيريميدين توجد فقط في الحمض النووي، ويتم تمثيله بالرمز T في الـ DNA، وصيغته الكيميائية هي C5H6N2O2، وبالمقارنة بالأدينين والجوانين، فإن الثايمين يحتوي على حلقة واحدة فقط لأنه بيريميدين، وتسمى أحيانا 5-methyl uracil لأنها تحتوي على مجموعة ميثيل بدل الذرة الهيدروجينية، ولها مواقع ربط يمكنها من خلالها تكوين روابط هيدروجينية مع النيوكليوتيدات المكملة.
- سيتوزين
السيتوزين (C4H5N3O) هو قاعدة بيريميدين ويوجد في الـ DNA و RNA، ويتميز بوجود حلقة واحدة فقط، وثلاثة مواقع يمكن استخدامها لتشكيل روابط هيدروجينية مع النيوكليوتيدات التكميلية.
- يوراسيل
اليوراسيل هو قاعدة بيريميدين التي تستخدم في الحمض النووي الريبي بدلا من الثايمين، يُشار إلى اليوراسيل بالحرف U في RNA وهو بيريميدين، وبالتالي، فهو يحتوي على حلقة واحدة فقط، لها الصيغة الكيميائية C4H4N2O2، كما أن له موقعان محتملان للربط يسمحان له بتكوين روابط هيدروجينية ذات قواعد تكميلية.
القواعد النيتروجينية وتكوين الحمض النووي
في حالة أخذنا إحدى القواعد النيتروجينية السابقة ووضعناها مع جزيء سكر وجزيء فوسفات، سنحصل على قاعدة نوكليوتيد. تتصل جزيئات السكر والفوسفات بقواعد النوكليوتيدات معا لتشكيل خيط واحد من الحمض النووي. ثم يتلف الخيطان حول بعضهما البعض، مكونين الشكل الملتوي المزدوج للحلزون للحمض النووي. تترابط قواعد النوكليوتيدات لتشكيل الدرجات في الشكل الملتوي، بينما تكون جزيئات السكر والفوسفات الجوانب، وتتحلى القواعد بأشكال مختلفة وتترابط معا في أزواج محددة: يترابط الأزواج A مع T، والأزواج C مع G لتشكيل الأزواج القاعدية.
قم بوضع ثلاثة مليارات زوج من هذه القواعد في ترتيب صحيح، وستحصل على مجموعة كاملة من الحمض النووي البشري والجينوم البشري. يبلغ طول هذا الجزيء من الحمض النووي حوالي متر وهناك نسختان من الجينوم، إحداها من والدك والأخرى من والدتك. يتم تقسيم التسلسل الذي يبلغ طوله مترا إلى قطع صغيرة، ثم يتم تعبئتها في شكل كروموسومات داخل كل خلية مجهرية.
تقريبا، تكون تسلسل زوج قواعد الحمض النووي لجميع الأشخاص متطابقا، وهذا يجعلنا جميعا بشرا. ومع ذلك، هناك اختلافات صغيرة في ترتيب الستة مليار زوج من القواعد القاعدية في الحمض النووي لكل شخص، وهذه الاختلافات تؤدي إلى الاختلافات التي نراها في لون الشعر ولون العين وشكل الأنف وما إلى ذلك. ولا يوجد شخصان يمتلكان نفس التسلسل الدقيق للحمض النووي. ومع ذلك، يعد التوأم المتطابق استثناء قليلا لهذه القاعدة، حيث يأتون من بويضة واحدة تقسم إلى اثنتين، وتكون نسختين من نفس الحمض النووي. ومع ذلك، على الرغم من أن تسلسلات الحمض النووي هذه قد تكون متطابقة، إلا أن التعديلات في كيفية “قراءة” تسلسل الحمض النووي يمكن أن تؤثر في كيفية تعبير الجينات بين التوائم المتطابقة، وخاصة مع تقدمهم في العمر.
احتواء الجينات على معلومات لصنع البروتينات
داخل الجين، يتم قراءة الأزواج الأساسية في مجموعات من ثلاثة وتسمى هذه المجموعات بالرموز، وبناءً على تتابع الرموز، يتم ربط الأحماض الأمينية معًا في سلاسل تسمى بوليبيبتيدات، والتي بعد ذلك تترتب أو تتحد معًا لبناء البروتينات.
تقوم البروتينات (و RNA) ببناء جميع الهياكل الحية، بالإضافة إلى عملها كمحفزات (إنزيمات) التي تسيطر على التفاعلات الكيميائية الحيوية. تقوم البروتينات ببناء الأنسجة، وبناء الأنسجة يؤدي إلى بناء الأعضاء التي يتكون منها الجسم. تحتوي الجينات التي تحدد لون العين البنية، على سبيل المثال، على تعليمات للخلايا الموجودة في قزحية العين لتصنيع البروتينات التي تصنع أصباغ بنية اللون. يمكن أن يؤدي تسلسل مختلف من القواعد إلى تهجئة رسالة مختلفة، مما يؤدي إلى بناء بروتينات مختلفة، وهذا يؤدي إلى ظهور عيون زرقاء، على سبيل المثال، بدلا من تهجئة جملة مختلفة باستخدام نفس الأحرف الأبجدية.