التركيب الثانوي والثالثي لجزيئة DNA

(Secondary and Tertiary Structure of DNA)

لقد أوضحت الدراسات حول صفات جزيئة الـ DNA بان هذه الجزيئة تتألف من جزيئات خيطية طويلة، كما ان الدراسات بالمجهر الإلكتروني أكدت بأن هذه الجزيئات تمتلك على امتداد طولها سمكاً متجانساً يقدر بحوالي (2) نانوميتر، اما الدراسات الكيميائية على هذه الجزيئات فقد أثبتت أنها تتألف من سلاسل نيوكليوتيدية متعددة (Polynucleotides). ان الاشكال التي تتخذها هذه السلاسل قد أثبتت من قبل ولكنسس (Wilkins) من خلال دراسات حيود أشعة إكس لألياف جزيئة الـ DNA، انها تكون على هيئة لولب (حلزون) (Helical).

وضع العالمان واتسون وكريك (Watson and Crick) عام 1953 نظريتهما المشهورة حول تركيب جزيئة الـ DNA ، والتي تفيد بأن جزيئة الـ DNA تتألف من سلسلتين من النيوكليوتيدات المتعددة (Polynucleotide) تلتف لولبيا (حلزونياً) حول بعضهما البعض لتشكل ما يشبه الحبل المزدوج (الحزون المزدوج) تكون فيه سلسلة السكر الخماسي الى الخارج، بينما تتجه القواعد النتروجينية الى الداخل، وتتماسك هاتين السلسلتين مع بعضهما من خلال الأواصر الهيدروجينية التي تنشأ بين الأزواج المناسبة من القواعد النتروجينية. ومن دراسة النماذج الجزيئية للقواعد الأربعة (A, G, C, T) نستدل على وجود توافق بين جزيئتي الأدنين والثايمين، اذ ان هندسة هاتين الجزيئتين تتيح لها التقابل لتكوين عدد من الأواصر الهيدروجينية (رابطتين هيدروجينيتين) وكما يوضحه الشكل التالي :

ويصدق هذا القول كذلك على جزيئتي الكواتين والسايتوسين، فهما يكونان ثلاثة أواصر هيدروجينية وكما هو موضح في الشكل التالي :

ان الصفات الهيدروقوبية (Hydrophobic) للقواعد النتروجينية لتلعب دوراً مهما في تركيب جزيئات الأحماض النووية ووظائفها. ان إلقاء نظرة على الشكل الثالثي لهذه القواعد يوضح لنا إمكانية حدوث ترابط قطبي من خلال حافات سطح هذه القواعد، بينما لا يمكن حدوث مثل هذا الارتباط مع أوجه سطح هذه القواعد. لذلك فإن هذه الاوجه لا يمكنها الارتباط بقوة مع الماء، غير انها تستطيع الارتباط هيدروفوبياً وبقوة مع بقية القواعد عندما يسنح لها المجال بالتجمع قريباً من بعضها البعض، لذلك فإن هذه الروابط تلعب دوراً مهماً في استقرار التركيب الثانوي للحامض النووي (DNA)، وبالمقابل فإن للروابط الهيدروجينية أهمية بالغة في تثبيت واستقرار تركيب جزيئات الـ DNA ان مجموعة الكربونيل ........ ومجموعة الأمين (-NH2) في القواعد النتروجينية لها القدرة على تكوين الروابط الهيدروجينية مع جزيئة الماء وكذلك مع المجاميع المماثلة من القواعد النتروجينية الاخرى.

ان الشكل الهندسي لأزواج القواعد النتروجينية في تركيب الحامض النووي (DNA) تمتلك مواصفات خاصة فمثلا تكون المسافات بين الروابط الكلوكوسايدية (Glycosideic Linkage) هي نفسها لكلا الزوجين، كذلك تكون زاوية الربط بين اتجاه الرابطة الكلوكوسايدية والخط الواصل بين ذرات الكربون رقم (1) متساويةلكل زوج من القواعد النتروجينية. ونتيجة لذلك، يلاحظ ان الروابط الكلوكوسايدية لجميع النيوكليوتيدات تترتب بشكل متماثل مع محور الحلزون (اللولب) بغض النظر عن الاختلافات بين القواعد النتروجينية، فيكون شكل القواعد النتروجينية مستوياً وتتجمع الواحدة فوق الاخرى وترتبط عادة ببعضها البعض بواسطة قوى فان ديرفال (Vanderwaals) وتكون عمودية تقريباً على محور الحلزون لجزيئة الـ (DNA) ويقدر قطر الجزيئة بحوالي (2.0) نانوميتر.

ان جزيئة الـ (DNA) في الشكل (B – form) B، والذي يعد أحد الاشكال المستقرة في الرطوبة النسبية العالية (أكثر من 60%)، يتكون من سلسلتين محلزنتين بالاتجاه الأيمن (Two right – handed nelical) متعاكستين في القطبية، تلتفان حول نفس المحور لتكون حلزون مزدوج (double helix) وتكون القواعد النتروجينية خارج الحزن على شكل أزواج تترب بصورة تسمح دائماً للبريديميدين في إحدى السلاسل بالترابط مع البيورين في السلسلة المعاكسة والعكس بالعكس.

ان قوانين الترابط هذه تحتاج ان تكون القواعد في كلا السلسلتين متممة لبعضها البعض لدرجة ان ترتيب احدى السلاسل يقرر كلياً ترتيب السلسلة الموافقة له. يحتوي الشكل الحلزوني لجزيئة الـ (DNA) في شكلها الشائع (B) على عشرة ازواج من النيوكلوتيدات لكل لفة للحلزون وتفصل هذه الازواج عن بعضها بمقدار (0.34) نانومتر على طول محور الجزيئة وبهذا يكمل الحلزون لفة واحدة لكل (3,4) نانوميتر. لقد أظهرت دراسات حيود أشعة – X، ان لجزيئة الـ (DNA) القابلية على التكيف بأشكال مختلفة اعتمادا على كمية الماء الموجودة في المحيط الذي تتواجد فيه هذه الجزيئة، فمثلا تستطيع هذه الجزيئة ان تتكرر على نفسها من دون التأثير على شكلها الحلزوني.