كيف يتم الحفاظ على البنية ثلاثية الأبعاد للحلزون المزدوج للحمض النووي؟

ترجمة بتصرف: ميشيل رحال، الكيمياء العربي

 يعتبر الحمض النووي منقوص الأوكسيجينDNA  بوليمير طبيعي. تم عزله لأول مرة سنة 1869 من قبل ميتشر Meischer، لكن بقي دوره في الوراثة غير محدداً حتى سنة 1944، وهو الوقت الذي يقدر بأن الكروموسومات chromosomes الموجودة داخل نوى الخلية هي التي تعطي الصفات الوراثية.

تتكون هذه الكروموسومات من الحموض النووية والبروتينات. وفي سنة 1944 تمكن عالم بكتيريا أميركي اسمه أوزوالد أفيري Oswald Avery من إظهار أن الـ DNA هو حامل المعلومات الوراثية، وليس البروتين.

حصل التقدم الثاني سنة 1952، عندما طبق كلاً من فرانس كريك Francis Crick ودونالد واتسون Donald Watson تقنية انعراج الأشعة السينية على الحمض النووي واستطاعوا توضيح بنيته، حيث أظهروا الشكل المعروف الآن بالحلزون المزدوج Double Helix وهو مترابط مع بعضه عن طريق سلاسل من تآثرات قوية أساسها ثنائي قطب-ثنائي قطب غير مألوفة بين أماكن محددة على الأسس العضوية ومتوضعة على طول أساس بوليمير الحمض النووي.

يوجد في الحمض النووي 4 أسس: الغوانين، التيمين، السيتوزين، والآدينين. يملك كل مركب زمرة كيتونية حيث يكون الاوكسيجين فيها ذو شحنة سالبةδ⁻، ويملك أمين يكون عليه هيدروجين ذو شحنة موجبة كبيرة δ⁺.

بما أن ذرة الهيدرجين صغيرة جداً وتملك شحنة موجبة كبيرة، لذا يقود الفائض من هذه الشحنة إلى تشكيل ثنائي قطب غير اعتيادي وقوي، ويقود بنفسه لتشكيل قوى فاندرفالس قوية. هذه القوى دائمة (على عكس تآثر ثنائي قطب-ثنائي قطب المعهودة)، بالتالي فـ “غلق” بنية الحمض النووي ضمن زوج من الحلزونات المتوازية، يشابه جداً الأشكال المتعرجة المسننة المرتبطة بقطعتين في الثياب.

نقوم بتسمية روابط ثنائي قطب-ثنائي قطب القوية بشكل كبير بالروابط الهيدروجينية، وقد تم تعريفها حسب الاتحاد العالمي للكيمياء النظرية والتطبيقية IUPAC بأنّها: “شكل من أشكال الارتباط بين ذرة عالية الكهرسلبية وذرة هيدروجين مرتبطة هي الأخرى، بذرة تملك نسبيا كهراسلبية.”

تشارك كل الروابط الهيدروجينية بعزمي ثنائي قطب: واحد دوماً يشكل نهاية الرابطة مع الهيدروجين، والثاني ينهي الرابطة بوجود ذرة عالبية الكهرسلبية. من الأفضل اعتبار الرابطة الهيدروجينية كتآثر كهرسكوني، تكمن زيادته بوجود ذرة الهيدروجين صغيرة الحجم، والتي تسمح باقتراب تآثرات عزوم ثنائيات الأقطاب، أو الشحنات من بعضها بمعنى آخر.

تكون عادة الذرة ذات الكهرسلبية العالية (لكن ليس بالضرورة) ضمن الصف الأول من الجدول الدوري: النيتروجين، الأوكسيجين، والفلور. وقد تكون الروابط الهيدروجينية بين الجزيئات أو ضمن الجزيئة الواحدة.

في النهاية، لتقدير ضعف هذه القوى بتوضيح بسيط، لاحظ بأن الطاقة المطلوبة لتحطيم الرابطة الهيدروجينية في سائل حمض كلور الماء (أي الطاقة اللازمة لتبخيره) هي 16 كيلوجول/مول، والطاقة اللازمة لتحطيم الرابطة الكيميائية بين ذرة الهيدروجين وذرة الكلور H-Cl هي تقريباً أكبر بـ 30 مرة، أي 431 كيلوجول/مول.

فكرة على الجانب:

ميّز اليونانيون القدماء بأن الكائنات الحية تكسب أبنائها بعض من صفاتها، لكن العمل التطبيقي للراهب النمساوي غريغور مندل Gregor Mendel هو الذي قاد إلى النظرية الحديثة في الوراثة. لقد دخل مدينة مينسك Minsk اوغستين Augustin في برون (اسمها الآن برنو Brno في جمهورية التشيك) ودرس في مدرسته التقنية.

قام مندل بزرع وتجربة النباتات في حديقة المينسك طيلة 7 سنوات. بدءاً من سنة 1857، قام بتحليل 7 أزواج من البذور وصفات النباتات وبعناية شديدة، على الأقل 28000 نبتة بازيلاء. كانت نتيجة هذه الأعمال المضجرة هي تعميمان، والذين سميا بقوانين ماندل في الوراثة. نشر ماندل أعماله سنة 1866، لكن لم تعط أهمية حتى سنة 1900، عندما قام عالم النبات الهولندي هوغو دو فري Hugo de Vries بالرجوع إليها. تم تقدير الأهمية الكاملة لأعمال ماندل في ثلاثينيات القرن الماضي.

أدت ملاحظاته إلى وضع مسلمتين مازالتا قائمتين حتى وقتنا الحاضر في علم الجينات هما:

هيمنة السمة تظهر في النسل، والتنحي في السمة يتم إخفائها من قبل جينة مهيمنة.

 المصدر:

Monk, Paul M. S. Physical Chemistry Understanding our Chemical World. Chichester: John Wiley & Sons; 2004: 77-80.

النص الأصلي:

How is the three-dimensional structure maintained within the DNA double helix?

DNA is a natural polymer. It was first isolated in 1869 by Meischer, but its role in determining heredity remained unrecognized until 1944, by which time it was appreciated that it is the chromosomes within a cell nucleus that dictate hereditary traits. And such chromosomes consist of DNA and protein. In 1944, the American bacteriologist Oswald Avery showed how it was the DNA that carried genetic information, not the protein.

The next breakthrough came in 1952, when Francis Crick and Donald Watson applied X-ray diffraction techniques to DNA and elucidated its structure, as shown schematically in Figure 2.5. They showed how its now famous ‘double helix’ is held together via a series of unusually strong dipole–dipole interactions between precisely positioned organic bases situated along the DNA polymer’s backbone.

There are four bases in DNA: guanine, thymine, cytosine and adenine. Each has a ketone C=O group in which the oxygen is quite electronegative and bears an excess negative charge δ−, and an amine in which the electropositive hydrogen atoms bear an excess positive charge δ+. Since the hydrogen atom is so small and so electropositive, its excess charge leads to the formation of an unusually strong dipole, itself leading to a strong van der Waals bond. The bond is usually permanent (unlike a typical

dipole–dipole interaction), thereby ‘locking’ the structure of DNA into its pair of parallel helices, much like the interleaving teeth of a zip binding together two pieces of cloth.

We call these extra-strong dipole–dipole bonds ‘hydrogen bonds’, and these are defined by the IUPAC as ‘a form of association between an electronegative atom and a hydrogen atom attached to a second, relatively electronegative atom’. All hydrogen bonds involve two dipoles: one always comprises a bond ending with hydrogen; the other terminates with an unusually electronegative atom. It is best considered as an electrostatic interaction, heightened by the small size of hydrogen, which permits proximity of the interacting dipoles or charges. Table 2.2 contains typical energies for a few hydrogen bonds. Both electronegative atoms are usually (but not necessarily) from the first row of the periodic table, i.e. N, O or F. Hydrogen bonds may be intermolecular or intramolecular.

Finally, as a simple illustration of how weak these forces are, Strictly, the dipole–note how the energy required to break the hydrogen bonds in liquid hydrogen chloride (i.e. the energy required to vaporize it) is 16 kJ mol−1, yet the energy needed break the chemical bond between atoms of hydrogen and chlorine in H–Cl is almost 30 times stronger, at 431 kJ mol−1.

Aside

The ancient Greeks recognized that organisms often pass on traits to their offspring, but it was the experimental work of the Austrian monk Gregor Mendel (1822–1884) that led to a modern hereditary ‘theory’. He entered the Augustinian monastery at Br¨unn (now Brno in the Czech Republic) and taught in its technical school.

He cultivated and tested the plants at the monastery garden for 7 years. Starting in 1856, painstakingly analysing seven pairs of seed and plant characteristics for at least 28 000 pea plants. These tedious experiments resulted in two generalizations, which were later called Mendel’s laws of heredity. Mendel published his work in 1866, but it remained almost unnoticed until 1900 when the Dutch botanist Hugo Marie de Vries

referred to it. The full significance of Mendel’s work was only realized in the 1930s. His observations also led him to coin two terms that still persist in present-day genetics: dominance for a trait that shows up in an offspring, and recessiveness for a trait masked by a dominant gene.