قواعد النيتروجين: التصنيف والوظائف - مادة الاحياء - 2025

و القواعد النيتروجينية هي مركبات عضوية الغنية heterocyclically في النيتروجين. إنها جزء من اللبنات الأساسية للأحماض النووية والجزيئات الأخرى ذات الأهمية البيولوجية ، مثل النيوكليوسيدات والنيوكليوتيدات والرسل داخل الخلايا. بمعنى آخر ، القواعد النيتروجينية هي جزء من الوحدات التي تتكون منها الأحماض النووية (RNA و DNA) والجزيئات الأخرى المذكورة.

هناك مجموعتان رئيسيتان من القواعد النيتروجينية: قواعد البيورين أو البيورين وقواعد بيريميدين أو بيريميدين. ينتمي الأدينين والجوانين إلى المجموعة الأولى ، في حين أن الثايمين والسيتوزين واليوراسيل هي قواعد بيريميدين. يُشار إلى هذه القواعد عمومًا بالحرف الأول: A و G و T و C و U.

قواعد نيتروجينية مختلفة في DNA و RNA.

المصدر: المستخدم: Sponktranslation: المستخدم: Jcfidy

اللبنات الأساسية للحمض النووي هي A و G و T و C. في ترتيب القواعد هذا ، يتم تشفير جميع المعلومات اللازمة لبناء كائن حي وتطويره. في RNA ، المكونات هي نفسها ، فقط T يتم استبدالها بـ U.

الهيكل والتصنيف

قواعد النيتروجين عبارة عن جزيئات مسطحة ، من النوع العطري وغير المتجانسة الحلقية ، والتي تشتق عمومًا من البيورينات أو البيريميدينات.

خاتم بيريميدين

التركيب الكيميائي للبيريميدين.

حلقة بيريميدين عبارة عن حلقات عطرية حلقية غير متجانسة مكونة من ستة ذرات مع ذرتين من النيتروجين. يتم ترقيم الذرات في اتجاه عقارب الساعة.

حلقة البيورين

التركيب الكيميائي للبيورين.

تتكون حلقة البيورين من نظام من حلقتين: أحدهما يشبه هيكلًا حلقة بيريميدين والآخر يشبه حلقة الإيميدازول. تلتحم هذه الذرات التسع في حلقة واحدة.

حلقة بيريميدين عبارة عن نظام مسطح ، بينما تنحرف البيورينات إلى حد ما عن هذا النمط. تم الإبلاغ عن تجعد طفيف أو تجعد بين حلقة إيميدازول وحلقة بيريميدين.

خصائص القواعد النيتروجينية

عطرية

في الكيمياء العضوية ، تُعرَّف الحلقة العطرية على أنها جزيء تتمتع إلكتروناته من الروابط المزدوجة بالتداول الحر داخل الهيكل الدوري. تمنح حركة الإلكترونات داخل الحلقة استقرارًا للجزيء - إذا قارناه بنفس الجزيء - ولكن بالإلكترونات المثبتة في الروابط المزدوجة.

تمنحهم الطبيعة العطرية لهذا النظام الحلقي القدرة على تجربة ظاهرة تسمى keto-enol tautomerism.

أي أن البيورينات والبيريميدينات موجودة في أزواج توتوميريكية. تسود مواد الكيتو في درجة الحموضة المحايدة لقواعد اليوراسيل والثايمين والجوانين. في المقابل ، يكون شكل enol هو الغالب على السيتوزين ، عند درجة الحموضة المحايدة. هذا الجانب ضروري لتكوين روابط هيدروجينية بين القواعد.

امتصاص ضوء الأشعة فوق البنفسجية

خاصية أخرى للبيورينات والبيريميدين هي قدرتها على امتصاص الأشعة فوق البنفسجية (ضوء الأشعة فوق البنفسجية) بقوة. نمط الامتصاص هذا هو نتيجة مباشرة لعطرية حلقاته الحلقية غير المتجانسة.

طيف الامتصاص له حد أقصى قريب من 260 نانومتر. يستخدم الباحثون هذا المعيار لتحديد كمية الحمض النووي في عيناتهم.

الذوبان في الماء

بفضل الطابع العطري القوي للقواعد النيتروجينية ، فإن هذه الجزيئات غير قابلة للذوبان عمليًا في الماء.

قواعد النيتروجين ذات الأهمية البيولوجية

على الرغم من وجود عدد كبير من القواعد النيتروجينية ، إلا أننا نجد القليل منها بشكل طبيعي في البيئات الخلوية للكائنات الحية.

أكثر أنواع البيريميدين شيوعًا هي السيتوزين واليوراسيل والثايمين (5-ميثيلوراسيل). السيتوزين والثايمين هما بيريميدين الموجودان عادة في الحلزون المزدوج للحمض النووي ، بينما السيتوزين واليوراسيل شائعان في الحمض النووي الريبي. لاحظ أن الفرق الوحيد بين اليوراسيل والثايمين هو مجموعة الميثيل في الكربون 5.

وبالمثل ، فإن البيورينات الأكثر شيوعًا هي الأدينين (6-أمينو بورين) والجوانين (2-أمينو-6-أوكسي بورين). هذه المركبات وفيرة في كل من جزيئات DNA و RNA.

هناك مشتقات أخرى من البيورينات نجدها بشكل طبيعي في الخلية ، من بينها الزانثين ، وهيبوكسانثين وحمض البوليك. يمكن العثور على النوعين الأولين في الأحماض النووية ، ولكن بطريقة نادرة جدًا ومحددة. في المقابل ، لم يتم العثور على حمض البوليك أبدًا كمكوِّن هيكلي لهذه الجزيئات الحيوية.

كيف يتزاوجون؟

تم توضيح بنية الحمض النووي من قبل الباحثين واتسون وكريك. بفضل دراستهم ، كان من الممكن استنتاج أن الحمض النووي هو حلزون مزدوج. يتكون من سلسلة طويلة من النيوكليوتيدات مرتبطة بروابط الفوسفاتيستر ، حيث تشكل مجموعة الفوسفات جسرًا بين مجموعات الهيدروكسيل (-OH) لبقايا السكر.

الهيكل الذي وصفناه للتو يشبه سلمًا مع الدرابزين الخاص به. القواعد النيتروجينية هي نظائر الدرج ، والتي يتم تجميعها في الحلزون المزدوج عن طريق روابط هيدروجينية.

في جسر الهيدروجين ، تشترك ذرتان كهربائيتان في بروتون بين القاعدتين. من أجل تكوين رابطة هيدروجينية ، من الضروري مشاركة ذرة هيدروجين بشحنة موجبة طفيفة ومقبول بشحنة سالبة صغيرة.

يتكون الجسر بين H و O. هذه الروابط ضعيفة ، ويجب أن تكون كذلك ، لأن الحمض النووي يجب أن ينفتح بسهولة للتكاثر.

حكم Chargaff

تشكل أزواج القاعدة روابط هيدروجينية باتباع نمط الاقتران البيورين-بيريميدين التالي المعروف باسم قاعدة Chargaff: أزواج الجوانين مع أزواج السيتوزين والأدينين مع الثايمين.

يشكل زوج GC ثلاث علب هيدروجين مع بعضها البعض ، بينما يرتبط زوج AT بجسرين فقط. وبالتالي ، يمكننا أن نتنبأ بأن الحمض النووي الذي يحتوي على محتوى أعلى من GC سيكون أكثر استقرارًا.

تعمل كل من السلاسل (أو الدرابزين في تشبيهنا) في اتجاهين متعاكسين: واحد 5 ′ → 3 ′ والآخر 3 ′ → 5 ′.

المميزات

اللبنات الأساسية للأحماض النووية

تقدم الكائنات العضوية نوعًا من الجزيئات الحيوية يسمى الأحماض النووية. هذه بوليمرات كبيرة جدًا مكونة من مونومرات متكررة - نيوكليوتيدات ، مرتبطة بنوع خاص من السندات ، تسمى رابطة فوسفوديستر. يتم تصنيفها إلى نوعين أساسيين ، DNA و RNA.

يتكون كل نوكليوتيد من مجموعة فوسفات وسكر (نوع ديوكسيريبوز في DNA وريبوز في RNA) وواحدة من القواعد النيتروجينية الخمسة: A و T و G و C و U. عندما تكون مجموعة الفوسفات غير موجودة ، يسمى الجزيء نيوكليوسيد.

في الحمض النووي

الحمض النووي هو المادة الجينية للكائنات الحية (باستثناء بعض الفيروسات التي تستخدم RNA بشكل أساسي). باستخدام الشفرة المكونة من 4 قواعد ، يحتوي الحمض النووي على تسلسل لجميع البروتينات الموجودة في الكائنات الحية ، بالإضافة إلى العناصر التي تنظم تعبيرها.

يجب أن تكون بنية الحمض النووي مستقرة ، لأن الكائنات الحية تستخدمها لتشفير المعلومات. ومع ذلك ، فهو جزيء عرضة للتغييرات تسمى الطفرات. هذه التغييرات في المادة الجينية هي المادة الأساسية للتغيير التطوري.

في RNA

مثل الحمض النووي ، فإن الحمض النووي الريبي عبارة عن بوليمر نيوكليوتيد ، باستثناء أن القاعدة T يتم استبدالها بـ U. هذا الجزيء في شكل نطاق واحد ويقوم بمجموعة واسعة من الوظائف البيولوجية.

يوجد في الخلية ثلاثة أنواع رئيسية من الحمض النووي الريبي. Messenger RNA هو وسيط بين تكوين الحمض النووي والبروتين. وهي مسؤولة عن نسخ المعلومات الموجودة في الحمض النووي ونقلها إلى آلية ترجمة البروتين. والنوع الثاني من الحمض النووي الريبوزي هو جزء بنيوي من هذه الآلية المعقدة.

النوع الثالث ، أو RNA الناقل ، مسؤول عن حمل بقايا الأحماض الأمينية المناسبة لتخليق البروتينات.

بالإضافة إلى الثلاثة RNAs "التقليدية" ، هناك سلسلة من RNAs الصغيرة التي تشارك في تنظيم التعبير الجيني ، حيث لا يمكن التعبير عن جميع الجينات المشفرة في DNA بشكل مستمر وبنفس الحجم في الخلية.

يجب أن يكون للكائنات مسارات لتنظيم جيناتها ، أي لتقرير ما إذا كان يتم التعبير عنها أم لا. وبالمثل ، فإن المادة الجينية تتكون فقط من قاموس للكلمات الإسبانية ، والآلية التنظيمية تسمح بتكوين عمل أدبي.

اللبنات الأساسية للنيوكليوزيد ثلاثي الفوسفات

قواعد النيتروجين هي جزء من nucleoside triphosphates ، وهو جزيء له أهمية بيولوجية ، مثل DNA و RNA. بالإضافة إلى القاعدة ، تتكون من البنتوز وثلاث مجموعات فوسفاتية مرتبطة ببعضها البعض عن طريق روابط عالية الطاقة.

بفضل هذه الروابط ، تعتبر نوكليوزيد ثلاثي الفوسفات جزيئات غنية بالطاقة وهي المنتج الرئيسي لمسارات التمثيل الغذائي التي تسعى إلى إطلاق الطاقة. من بين الأكثر استخداما ATP.

يتكون ATP أو أدينوسين ثلاثي الفوسفات من قاعدة الأدينين النيتروجينية ، المرتبط بالكربون الموجود في الموضع 1 من سكر البنتوز: الريبوز. في الموضع الخامس من هذه الكربوهيدرات ، ترتبط مجموعات الفوسفات الثلاث.

بشكل عام ، ATP هي عملة الطاقة في الخلية ، حيث يمكن استخدامها وتجديدها بسرعة. العديد من المسارات الأيضية الشائعة بين المواد العضوية تستخدم وتنتج ATP.

تعتمد "قوتها" على روابط عالية الطاقة ، تكونت من مجموعات الفوسفات. الشحنات السالبة لهذه المجموعات في حالة تنافر مستمر. هناك أسباب أخرى تؤهب للتحلل المائي في ATP ، بما في ذلك استقرار الرنين والانحلال.

أوتاكويد

على الرغم من أن معظم النيوكليوسيدات تفتقر إلى نشاط بيولوجي كبير ، إلا أن الأدينوزين هو استثناء ملحوظ في الثدييات. يعمل هذا بشكل تلقائي ، مشابه لـ "هرمون محلي" وكمعدل عصبي.

يدور هذا النيوكليوزيد بحرية في مجرى الدم ويعمل محليًا ، مع تأثيرات مختلفة على تمدد الأوعية الدموية ، وتقلصات العضلات الملساء ، والتفريغ العصبي ، وإطلاق الناقلات العصبية ، واستقلاب الدهون. كما أنه مرتبط بتنظيم معدل ضربات القلب.

يشارك هذا الجزيء أيضًا في تنظيم أنماط النوم. يزيد تركيز الأدينوزين ويعزز التعب. هذا هو السبب في أن الكافيين يساعدنا على البقاء مستيقظين: فهو يمنع التفاعلات العصبية مع الأدينوزين خارج الخلية.

الكتل الهيكلية للعناصر التنظيمية

يحتوي عدد كبير من المسارات الأيضية الشائعة في الخلايا على آليات تنظيمية تعتمد على مستويات ATP و ADP و AMP. هذان الجزيئان الأخيران لهما نفس بنية ATP ، لكنهما فقدا مجموعة واحدة ومجموعتين من الفوسفات ، على التوالي.

كما ذكرنا في القسم السابق ، ATP هو جزيء غير مستقر. يجب أن تنتج الخلية ATP فقط عندما تحتاجها ، حيث يجب أن تستخدمها بسرعة. يعتبر ATP نفسه أيضًا عنصرًا ينظم مسارات التمثيل الغذائي ، نظرًا لأن وجوده يشير إلى الخلية أنه لا ينبغي لها إنتاج المزيد من ATP.

في المقابل ، تحذر مشتقاته المتحللة بالماء (AMP) الخلية من أن ATP ينفد ويجب أن ينتج المزيد. وبالتالي ، ينشط AMP المسارات الأيضية لإنتاج الطاقة ، مثل تحلل السكر.

وبالمثل ، فإن العديد من إشارات النوع الهرموني (مثل تلك التي تشارك في استقلاب الجليكوجين) يتم التوسط فيها داخل الخلايا بواسطة جزيئات cAMP (c للدوري) أو بواسطة متغير مشابه ولكن مع الجوانين في هيكلها: cGMP.

اللبنات الأساسية للأنزيمات المساعدة

في خطوات متعددة في مسارات التمثيل الغذائي ، لا تستطيع الإنزيمات العمل بمفردها. يحتاجون إلى جزيئات إضافية ليتمكنوا من أداء وظائفهم ؛ تسمى هذه العناصر الإنزيمات المساعدة أو الركائز ، والمصطلح الأخير أكثر ملاءمة ، لأن الإنزيمات المساعدة ليست نشطة تحفيزيًا.

في هذه التفاعلات التحفيزية ، هناك حاجة لنقل الإلكترونات أو مجموعة الذرات إلى ركيزة أخرى. الجزيئات المساعدة التي تشارك في هذه الظاهرة هي أنزيمات مساعدة.

قواعد النيتروجين هي عناصر هيكلية لهذه العوامل المساعدة. من بين أكثرها شهرة هي نيوكليوتيدات بيريميدين (NAD ⁺ ، NADP ⁺) ، FMN ، FAD و coenzyme A. تشارك في مسارات استقلابية مهمة للغاية ، مثل تحلل السكر ، ودورة كريبس ، والتمثيل الضوئي ، وغيرها.

على سبيل المثال ، تعتبر نيوكليوتيدات البيريميدين أنزيمات مهمة جدًا من الإنزيمات ذات نشاط ديهيدروجينيز ، وهي مسؤولة عن نقل أيونات الهيدريد.

المراجع

1. ألبرتس ، بي ، براي ، دي ، هوبكين ، كيه ، جونسون ، إيه دي ، لويس ، جيه ، راف ، إم ،… ووالتر ، بي (2013). بيولوجيا الخلية الأساسية. علوم جارلاند.
2. Cooper ، GM ، & Hausman ، RE (2007). الخلية: نهج جزيئي. واشنطن العاصمة ، سندرلاند ، ماساتشوستس.
3. غريفيث ، AJ (2002). التحليل الجيني الحديث: دمج الجينات والجينوم. ماكميلان.
4. Griffiths، AJ، Wessler، SR، Lewontin، RC، Gelbart، WM، Suzuki، DT، & Miller، JH (2005). مقدمة في التحليل الجيني. ماكميلان.
5. كولمان ، ج. ، وروم ، كيه إتش (2005). الكيمياء الحيوية: نص وأطلس. عموم أمريكا الطبية Ed.
6. باسارج ، إي (2009). نص علم الوراثة والأطلس. عموم أمريكا الطبية Ed.