CALM/arwiki huggingface dataset:
يشكل زوج سلاسل لولبية العمود الفقري للدنا، يمكن إيجاد لولب مزدوج آخر بتتبع الفراغات -أو الأثلام- بين السلسلتين، هذه الفراغات مجاورة لأزواج القواعد ويمكن أن توفر مواقع ارتباط للبروتينات، ولأن السلسلتين غير متموضعتين بانتظام بالنسبة لبعضهما البعض نجد أن الثلمين لهما طولان غير متماثلان، الثلم الكبير عرضه 22 أنغستروم والصغير حوالي 12 أنغستروم. عرض الثلم الكبير يعني أن حواف القواعد فيه أكثر قابلية للوصول إليها من حواف الثلم الصغير وكنتيجة لذلك، البروتينات التي يمكنها الارتباط بتسلسلات معينة في اللولب المزدوج -مثل عوامل النسخ- عادة ما تتصل بجوانب القواعد المكشوفة في الثلم الكبير.
هذه الوضعية تختلف لدى بنيات وهياكل دنا أخرى مختلفة داخل الخلية (انظر أشكال الدنا) لكن الثلمين الكبير والصغير يُذكرَان دائمًا لتوضيح الفروق في الحجم التي يمكن رؤيتها إن تمت إعادة لولب الدنا إلى بنيته ب الطبيعية.
الاتجاه وضد الاتجاه.
لإنتاج رنـا وظيفي لا يتم سوى نسخ جزء معين من إحدى سلسلتي الدنا التي تحتوي على الجين وذلك لأن السلسلتين ليستا متماثلتين، ويقال لتسلسل الدنا بأنه "اتجاه" إذا كان مماثلا للتسلسل على نسخة الرنا الرسول التي تُرجمت إلى بروتين ويكون ذلك في السلسلة التي لم يتم نسخها (انظر الشكل)، أما تسلسل السلسلة القالب (التي تم نسخها) فيسمى "ضد الاتجاه" وذلك لأنه مكمل لتسلسل الرنا الرسول. تسمى أحيانا السلسلة التي يتم نسخها "سلسلة التشفير" والمقابلة لها "سلسلة اللاتشفير" إلا أن هذه الدلالة صالحة فقط بالنسبة لجين معين وذلك لأن سلسلتي نفس اللولب المزدوج من الدنا يمكن أن تشفرا بروتينات مختلفة. يمكن أن يتواجد كلا التسلسُلَين "الاتجاه" و"ضد الاتجاه" على أجزاء مختلفة من نفس سلسلة الدنا (أي يمكن لكلا السلسلتين أن تحويا كلا من الاتجاه وضد الاتجاه).
يتم إنتاج تسلسلات رنـا ضد الاتجاه في كل من حقيقيات وبدائيات النوى، إلا أن وظائفها غير واضحة بالكامل، ويشير أحد الاقتراحات إلى أن سلاسل الرنا ضد الاتجاه تساهم في تنظيم التعبير الجيني عبر ترابط قواعد رنا-رنا.
بعض تسلسلات الدنا في بدائيات وحقيقيات النوى وبنسبة أكثر في البلازميدات والفيروسات يتعسر فيها التمييز بين سلسلتي الاتجاه وضد الاتجاه لوجود جينات متداخلة. في هذه الحالات تقوم تسلسلات الدنا بوظيفة مضاعفة، تشفير بروتين معين حين تتم قراءتها على طول إحدى السلسلتين، وبروتين آخر حين تقرأ في الاتجاه المعاكس على طول السلسلة الأخرى. في البكتيريا قد يساهم هذا التداخل في تنظيم نسخ الجينات ، أما لدى الفيروسات فيزيد في مقدار المعلومة التي يمكن تشفيرها داخل جينوم فيروسي صغير.
دنا فائق الالتفاف.
يكون الدنا خلال معظم عمر الخلية ملفوفا بخفة حول الهستونات ولا يكون مركزا على هيئة كروموسوم، ولا يظهر اللف الفائق للدنا على شكل كروموسومات إلا خلال مرحلة انقسام الخلية. يمكن لف الدنا مثل الحبل خلال عملية تسمى لف الدنا الفائق، وفي حالة الراحة تلتف سلسلة الدنا حول محور اللولب المزدوج مرة كل 10.4 زوج قاعدي، أما إن كان الدنا ملفوفا فإن سلسلتيه تصبحان أشد أو أخف التفافا. حيث إن كان ملفوفا في اتجاه اللولب المزدوج فإن القواعد تصبح متراصة أكثر ويسمى ذلك الالتفاف الفائق الموجب؛ أما إن كان ملفوفا عكس اتجاه اللولب المزدوج فإن القواعد تصبح أقل تراصا ويسمى ذلك بالالتفاف الفائق السالب. لِمعظمِ الدنا في الطبيعة التفافٌ فائق سلبي تُحدِثه إنزيمات التوبوإيزوميراز، هذه الإنزيمات مطلوبة لتزيل التفاف سلسلتي الدنا أثناء عمليتي نسخ وتضاعف الدنا.
الخصائص الفيزيائية والكيميائية للولب المزدوج.
كما ذكر بالأعلى، معظم جزيئات الدنا عبارة عن سلسلتي بوليمير مرتبطة مع بعض على شكلٍ لولبيٍّ بواسطة روابط غير تساهمية، هذه البنية مزدوجة السلاسل تستقر بشكل كبير بواسطة تفاعلات القواعد المحزمة مع بعضها في سلسلة واحدة، وهي قوية في تسلسلات G،C. يمكن للسلسلتين أن تنفصلا - في عملية تسمى بالذوبان - لتشكيل جُزَيئَي سلسلتين منفردتين وهو ما يسمى إفساد الدنا. يحدث الذوبان عند درجة حرارة عالية، كميات أملاح منخفضة وأس هيدروجيني مرتفع (الأس الهيدروجيني المنخفض يذيب الدنا، لكن بما أن الدنا غير مستقر بسبب نزع البيورين الحمضي؛ نادرا ما يستخدم الأس الهيدروجيني المنخفض).
لا يعتمد استقرار بنية اللولب المزدوج على محتوى GC فقط (لأن أزواج القواعد CG تحتوي على ثلاث روابط هيدروجينية بينها، والأزوج AT رابطتين) ولكن على التسلسل كذلك (لأن التحزيم له علاقة بالتسلسل) وطوله (كلما كان الجزيء أطول، استقر أكثر). يمكن قياس الاستقرار بطرق عديدة، أشهرها هي "درجة حرارة الذوبان" وهي درجة حرارة تتحول فيها 50% من الجزيئات مزدوجة السلاسل إلى جزيئات منفردة السلاسل، وتعتمد درجة حرارة الذوبان على قوة الأيونات وتركيز الدنا. وكنتيجة يساهم كل من نسبة أزواج القواعد GC وطول اللولب المزدوج للدنا في تحديد قوة ترابط سلسلتي الدنا. لوالب الدنا الطويلة التي لديها محتوى CG كبير تترابط سلاسلها بشكل قوي، في حين أن اللوالب القصيرة التي لديها محتوى AT كبير تمتاز سلاسلها بترابط ضعيف. في علم الأحياء أجزاء لولب الدنا التي يمكن فصلها بسهولة مثل صندوق بربنو ذي التسلسل codice_1 في بعض المحفزات، تميل أن يكون لديها محتوى AT كبير وهو ما يجعل انفصال سلاسلها أكثر سهولة.
يمكن قياس قوة التفاعلات في المختبر بإيجاد درجة الحرارة الضرورية لكسر الروابط الهيدروجينية (التي تسمى كذلك قيمة Tm) والتي يمكن قياسها بتتبع الامتصاص الضوئي لأطوال الموجات 260 نانومتر في محلول يحتوي على الدنا، حيث يزداد هذا الامتصاص عند تفكك أزواج القواعد وهو ما يسمى فرط الكرومية. حين تذوب كل الروابط بين أزواج القواعد في لولب دنا مزدوج، تنفصل السلسلتان وتبقيان في المحلول كجزيئين مستقلين عن بعضهما تماما، جزيئات الدنا منفردة السلاسل هذه لا تكون لها بنية مألوفة، لكن بعض البنيات التي تتخذها أكثر استقرار من الأخرى.
بنيات الدنا.
يتواجد الدنا على عدة بنيات منها الدنا أ، الدنا ب والدنا ز، رغم أنه لم يتم سوى ملاحظة بنيتي الدنا أ والدنا ب في كائناتٍ وظيفيةٍ. البنية التي يتخذها الدنا تعتمد على مستوى التميؤ، تسلسل الدنا، كمية واتجاه اللف الفائق، التغيرات الكيميائية للقواعد، نوع وتركيز الآيونات المعدنية ووجود متعددات الأمين في المحلول.
لمعرفة بنية الدنا قام العلماء باستخدام تقنية دراسة البلورات بالأشعة السينية وكانت التقارير المنشورة الأولى حول أنماط حيود الأشعة السينية للدنا أ وب قد استخدمت دراسات مبنية على تحول باتيرسون التي أعطت معلومات محدودة عن هيئة سلال الدنا الموجهة. وفي سنة 1953 تم اقتراح دراسات أخرى بواسطة ويلكنز وآل لأنماط حيود الأشعة السينية للدنا ب العالي التميؤ في الكائنات الحية وكانت عبارة عن مربعات دوال بيسل. وفي نفس الصحيفة قدم جيمس واتسون وفرنسيس كريك دراساتهما حول النموذج الجزيئي لأنماط حيود الأشعة السينية للدنا مقترحين أن الهيئة كانت لولبا مزدوجا.
رغم أن الهيئة ب هي الأكثر شيوعا في الظروف الموجودة داخل الخلايا إلا أنها ليست هيئة محددة بدقة وإنما عائلة متقاربة من هيئات الدنا التي تظهر في حالات التميؤ العالية الموجودة داخل الخلايا الحية، وأنماط حيود الأشعة السينية الخاصة بها هي سمة تميز البلورات الناقِصَة (paracrystals) مع درجة معتبرة من عدم الانتظام.
مقارنة بالدنا ب فإن الدنا أ له قطر أكبر ويميني الإتجاه كذلك وله ثلم صغير سطحي وعريض وثلم كبير أضيق وأعمق، تظهر هذه الهيئة في الظروف غير الفيسيولوجية في عينات الدنا المجففة جزئيا، أما في الخلايا الحية فيمكن أن يتم إنتاجه بتزواج هجين لسلاسل الدنا والرنا وكذلك في مركبات إنزيم-دنا. قِطعُ الدنا التي عُدِلت فيها القواعد كيميائيا بواسطة المثيلة يمكن أن تخضع لتحول كبير في الهيئة وتتخذ البنية ز التي تلتف فيها القواعد على يسار محور اللولب عكس البنية ب الأكثر شيوعا هذا الشكل غير الاعتيادي يمكن التعرف عليه بواسطة بروتينات ترتبط بشكل خاص مع الدنا ز ويمكن أن يكون له دور في تنظيم النسخ.
أشكال خاصة.
هذه التسلسلات الغنية بالغوانين يمكن أن تجعل نهايات الصبغي مستقرة بتشكيل هياكل مرصوصة بوحدات رباعية القواعد بدل ثنائية القواعد المعتادة الموجودة في هياكل الدنا الأخرى، حيث تقوم أربع قواعد غوانين بتشكيل وحدة رباعية مسطحة وبعدها تتراص هذه الوحدات الرباعية فوق بعضها لتشكيل بنية رباعي الصبغيد-غ مستقرة. تستقر هذه الهياكل الرباعية بواسطة روابط هيدروجينية بين نهايات هذه القواعد وتمخلب أيون معدني في مركز كل وحدة رباعية.
يمكن للدنا المتفرع تكوين شبكات تحوي العديد من التفرعات.
بالإضافة إلى هذه الهياكل المرصوصة، تشكل القسيمات الطرفية كذلك هياكل تسمى حلقات القسيم الطرفي أو حلقات ت تقوم فيها سلسلة دنا منفردة بالالتواء في حلقة طويلة تستقر بواسطة إنزيمات ترتبط بالقسيمات الطرفية. في نهاية الحلقة ت يتم ضم السلسلة المنفردة للقسيم الطرفي إلى منطقة لدنًا مضاعفِ السلسلة وهذا يتسبب في إخلال التزاوج القاعدي لإحدى سلسلتي هذا اللولب المزدوج وتشكيل بنية ثلاثية السلاسل تسمى حلقة الإزاحة أو الحلقة د.
تركيب كيميائي بديل للدنا.
لأعوام عديدة اقترح علماءٌ في علم الأحياء الفلكي وجود محيط حيوي خفي، وهو محيط حيوي بكتيري افتراضي للأرض يستخدم عمليات كيمياء حيوية وجزيئية مختلفة جذريا عما هو معروف في الحياة حاليا. أحد المقترحات هو وجود أشكال حياة تستخدم الزرنيخ بدل الفسفور في الدنا. وتم نشر تقرير سنة 2010 حول إمكانية ذلك لدى البكتيريا الزرنيخية (GFAJ-1)، إلا أن البحوث اختُلف حولها، وأظهرت أدلةٌ أن البكتيريا تمنع بشكل نشط إدماج واستخدام الزرنيخ في العمود الفقري للدنا الخاص بها والجزيئات الحيوية الأخرى.
التغيرات الكيميائية وتحزيم الدنا المعدل.
تغير القواعد وتحزيم الدنا.
بنية السايتوسين مع ومن دون المجموعة 5-ميثيل، نزع الأمين يحول الـ5-ميثيل سايتوسين إلى ثايمين.
يتأثر التعبير الجيني بطريقة تحزيم الدنا في الكروموسومات على هيئة تسمى كروماتين، يمكن لبعض القواعد المعدلة أن تكون لها علاقة بتكوين الكروماتينات في المناطق ضعيفة أو عديمة التعبير الجيني والغنية بقواعد السايتوسين عن طريق المثيلة خاصة في المناطق CpG، يمكن للهستونات التي يلتف الدنا حولها في الكروماتين أن تتغير بطريقة تساهمية ويمكن للكروماتين بحد ذاته أن يتغير بواسطة مركبات تغيير بنية الكروماتين، علاوة على ذلك فإن مثيلة الدنا والتعديل التساهمي للهستونات يساهمان معا في التأثير على الكروماتين والتعبير الجيني.
على سبيل المثال تُنتج مثيلة السايتوسين 5-ميثيل سايتوسين وهو ضروري في تعطيل الصبغي X، يختلف متوسط معدلات المثيلة بين الكائنات فالدودة الربداء الرشيقة تعوز مثيلة السايتوسين في حين أن الفقاريات لديها معدل مرتفع يصل حتى 1% من الدنا الخاص بها يحوي 5-ميثيل سايتوسين، رغم أهمية الـ5-ميثيل سايتوسين إلا أنه قد يتعرض إلى نزع أمين ويصبح ثايمين وكذلك السايتوسين الذي يصبح يوراسيل، قواعد السايتوسين المُمَثْيَلة عرضة للطفرات. من التغييرات الأخرى للقواعد مثيلة الأدنين عند البكتيريا ووجود 5-هيدروكسي ميثيل سايتوسين في الدماغ. وغلكزة اليوراسيل لإنتاج القاعدة ج لدى ذوات منشأ الحركة. التي تعمل كإشارة إنهاء النسخ للأنزيم بوليميراز الرنا 2.&lt;ref name="10.1016/j.cell.2012.07.030"&gt;&lt;/ref&gt;&lt;ref name="10.1016/j.cub.2012.10.010"&gt;&lt;/ref&gt;
تضرر.
يمكن للدنا التضرر بأنواع مختلفة من المطفِّرات التي تغيّر تسلسله، تتضمن هذه المطفرات: المؤكسدات، عوامل الألكلة والإشعاعات الكهرومغناطيسية عالية الطاقة مثل الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية. يتعلق نوع الضرر الحاصل بنوع المطفّر فعلى سبيل المثال يمكن للأشعة فوق البنفسجية الإضرار بالدنا بإنتاج مثنويات الثايمين وهي روابط جانبية بين قواعد البيريميدين. من جهة أخرى تسبب المؤكسدات مثل الجذور الكيميائية الحرة أو بيروكسيد الهيدروجين أنواع مختلفة من الأضرار منها تغيير القواعد -خاصة الغوانوزين- وشروخ في السلسلة المزدوجة للدنا، حيث يبلغ متوسط عدد القواعد التي عانت أضرارا من المؤكسدات في خلية نموذجية حوالي 150 ألف قاعدة. أخطر هذه الآفات التأكسدية هي شروخ السلاسل المزدوجة وذلك لأنها صعبة الإصلاح وقد تُنتج طفرات نقطية، غرز، أو حذف في تسلسللات الدنا وكذلك انتقالات صبغية. يمكن لهذه الطفرات أن تسبب السرطان بسبب آليات إصلاح الدنا المحدودة طبيعيا، لذا إن عاش البشر لوقت طويل بما فيه الكفاية فإن جميعهم في النهاية سيصاب بالسرطان.
تضررات الدنا التي تحدث طبيعيا بسبب النشاطات الطبيعية للخلية التي تنتج كائنات متفاعلة مع الأكسجين، نشاطات الحلمأة لماء الخلية تظهر بشكل متواتر كذلك رغم أن معظم هذه الأضرار يتم إصلاحها. في أي خلية تبقى بعض تضررات الدنا رغم عمليات الإصلاح وتتراكم هذه التضرارت مع مرور الزمن في الخلايا لأنسجة الثدييات، هذا التراكم يبدو عاملا أساسيا مهما في الشيخوخة.
تدخل العديد من المطفِّرات في الفراغ الموجود بين زوجين قاعديين متجاورين فيما يعرف بـ الإقحام ومعظم المقتحمات جزيئات عطرية ومستوية ومن الأمثلة: بروميد الإيثيديوم، الأكريدينات وداونوروبيسين، لكي يدخل المقتحم بين القواعد يجب عليه فصلها وهذا يشوه سلسلتي الدنا بسبب فك التواء اللولب المزدوج، هذا التشوه يمنع كلا من نسخ وتضاعف الدنا ويسبب تسمما وطفرات. وكنتيجة لذلك يمكن لمقتحمات الدنا أن تكون مسرطنات وفي حالة الثاليدوميد، ماسخات، مقتحمات أخرى مثل بنزو(a)بيرين ديول إيبوكسيد وأفلاتوكسين يشكلان نواتج إضافة تُحدث أخطاءً في التضاعف. مع ذلك وبسبب قدرتها على تعطيل ومنع نسخ وتضاعف الدنا؛ تستخدم مقتحمات سامة أخرى مشابهة في العلاج الكيميائي لمنع النمو السريع للخلايا السرطانية.
وظائف بيولوجية.
عادة ما يكون الدنا على شكل صبغيات خطية عند حقيقيات النوى وصبغيات دائرية عند بدائيات النوى ومجموع الصبغيات في خلية واحدة يشكل الجينوم، يحتوي جينوم الإنسان على ما يقارب 3 مليارات زوج قاعدي منتظمة في 46 صبغيا. المعلومات المحمولة في الدنا موجودة في تسلسلات قطع منه تسمى الجينات، يتم تناقل المعلومة الوراثية في الجينات عبر ترابط قاعدي متكامل مثلا: حين تستخدم الخلية المعلومة الموجودة في الجين يتم نسخ تسلسل الدنا إلى تسلسل رنا مكمل عبر التجاذب بين الدنا والنوكليوتيدات الصحيحة للرنا، وتستخدم هذه النسخة -عادة- لاصطناع تسلسل بروتين مماثل عبر عملية تسمى الترجمة والتي تعتمد على نفس التجاذب بين نوكليوتيدات الرنا، ومن جهة أخرى يمكن للخلية نسخ معلوماتها الوراثية خلال عملية تسمى تضاعف الدنا، تفاصيل هذه العمليات ستذكر في العناوين التالية وسيكون التركيز في العوان التالي على التفاعلات بين الدنا والجزيئات الأخرى التي تتدخل في وظائف الجينوم.
الجينات والجينومات.
يُحزم جينوم الدنا بشدة وانتظام خلال عملية تسمى تكثيف الدنا ليسع الأحجام الصغيرة المتوفرة في الخلية، يتواجد الدنا عند حقيقيات النوى في النواة مع كميات صغيرة في الميتوكندريون والبلاستيدات الخضراء أما عند بدائيات النوى فإن الدنا مخزن في جسيم غير منتظم الشكل يسمى نوواني. المعلومات الجينية في الجينوم موجودة داخل الجينات ومجموع هذه المعلومات في كان حي يسمى نمط جيني، والجين هو وحدة وراثة وهو عبارة عن منطقة من الدنا تؤثر في صفة معينة لكائن ما، تحتوي الجينات قالب قراءة مفتوح يمكن نسخه بالإضافة إلى تسلسلات منظم مثل المحفزات والمعززات والتي تتحكم في عملية نسخ قالب القراءة المفتوح.
في العديد من الأجناس لا يٌشفِّر البروتينَ سوى كمية صغيرة من المجموع الكلي للجينوم، على سبيل المثال عند البشر 1.5% من الجينوم البشري عبارة عن إكسونات تشفر بروتينات، مع كون 50% من الدنا البشري عبارة عن تسلاسلات متكررة غير مُشفِّرة. يمثل سبب وجود كم كبير من الدنا غير المشفر في جينوم حقيقيات النوى والفروق الكبيرة في حجم الجينوم -القيمة س- بين الأجناس لغزا طويل الأمد يعرف بمعضلة القيمة س. رغم ذلك بعض تسلسلات الدنا غير المشفرة يمكن أن تشفر رنا غير مشفر وظيفيا مهمته ضبط التعبير الجيني.
بعض تسلسلات الدنا غير المشفرة تلعب أدوارا بنيوية في الصبغيات، تحتوي القسيمات الطرفية والقطع المركزية على بعض الجينات لكنها مهمة لوظيفة واستقرار الصبغيات. الجينات الكاذبة نوع وافر في الجينوم البشري من الدنا غير المشفر وهي نسخ من جينات تم تعطيلها بواسطة الطفرات، هذه الجينات الكاذبة عبارة عن مستحاثات جزيئية رغم أنها تلعب أحيانا دور المادة الجينية الخام لإنشاء جينات جديدة عبر عملية التضاعف الجيني وعملية التطور التباعدي.
تضاعف الدنا.
الانقسام الخلوي عملية أساسية لنمو الكائن، وحين تتم هذه العملية فعلى الخلية مضاعفة الدنا في جينومها لكي تحصل الخليتيان البنت على نفس المعلومات المتواجدة في الخلية الأم، توفر هيئة الدنا اللولبية المزدوجة طريقة بسيطة لتضاعف الدنا. أثناء عملية التضاعف تقوم إنزيمات التوبوإيزوميراز بفك التواء السلسلة المضاعفة ثم تقوم إنزيمات الهيليكاز بحل الروابط الهيدروجينية بين النوكليوتيدات وفصل السلسلتين عن بعضهما وبعدها يتم إنتاج سلسلتين متكاملتين بواسطة إنزيم بوليميراز الدنا، تقوم هذه الإنزيمات بإنتاج سلسلة مكملة بإيجاد القاعدة الصحيحة عبر ترابط القواعد المكمل ثم ربطها بالسلسلة الأصلية، ولأن إنزيمات بوليمراز الدنا لا تُنتج السلاسل سوى في الاتجاه 5' إلى 3' يتم استخدام طريقة أخرى لنسخ السلاسل المقابلة في لولب الدنا المزدوج. بهذه الطريقة القاعدة في السلسلة القديمة تحدد القاعدة التي ستظهر في السلسلة الجديدة ويغدو لدى الخلية نسخة جديدة من دناها.
التعبير الجيني هو تحول النمط الجيني لكائن ما إلى نمط ظاهري؛ أي إلى مجموعة الخصائص المميزة للكائن، تتأثر هذه العملية بالعديد من المحفزات الخارجية المختلفة وتحتوي ثلاث مراحل أساسية كبيرة هي:
مع ملاحظة أنه يمكن لنفس الدنا الخاص بكائن ذو مرحلتي تطور أن يُعبر عن نفسه بشكل غير متشابه تماما (بسبب مثبطات ومحفزات مختلفة)، أفضل مثال معروف عن ذلك هو اليسروع والفراشة حيث أنهما شكليا مختلفان كثيرا.
النسخ عملية بيولوجية يتم فيها نسخ المعلومة الوراثية المشفَّرة في جين معين من تسلسلات نوكليوتيدات الدنا الموافقة له وإنتاج جزيئات رنا مختلفة مشفِّرة وغير مشفِّرة بواسطة إنزيمات بوليميراز الرنا، سلسلة هذه الجزيئات مماثلة في تركيبها لسلسلة الدنا باستثناء احتواء وحدتها الأساسية على ريبوز بدل الريبوز منقوص الأكسجين وقاعدة اليوراسيل مكان الثايمين، تخضع جزيئات الرنا الأولية الناتجة والتي تسمى الرنا قبل الرسول إلى تعديلات ما بعد الترجمة من تقبيع وتذييل بعديد الأدينيلات لإنتاج رنا رسول مستقر وناضج قادرٍ على تحمل عملية الترجمة أثناء تخليق البروتين. العلاقة بين تسلسل نوكليوتيدات الجين والحمض الأميني محددة بقواعد الترجمة المعروفة بالشيفرة الجينية، تتكون الشيفرة الجينية من كلمات ذات ثلاث أحرف تسمى رامزات أو كودونات مكونة من تسلسل حروف ثلاث نوكليوتيدات (مثال ACT، CAG ،TTT).
الترجمة هي عملية تحويل المعلومة الوراثية المحمولة في جزيء الرنا الرسول الناضج المغادر للنواة إلى بروتين (أوفي بعض الأحيان عدة بروتينات)، حيث يتم فك شيفرته بواسطة الريبوسوم الذي يقرأ تسلسلات الرنا وذلك بربط تسلسلات قواعد الرنا الرسول مع قواعد ضد الكودون للرنا الناقل الذي يحمل معه الأحماض الآمينية، وبما أنه توجد أربع قواعد؛ في توليفة ثلاثة حروف يكون هنالك 64 كودونا ممكنا (43 توليفة) هذه التوليفات تشفِّر العشرين حمض أميني الأساسية، مانحة معظم الأحماض الأمينية أكثر من كودون واحد ممكن، كما توجد ثلاث رامزات 'توقف' أو 'بلا معنى' تشير إلى نهاية المنطقة المشفرة وهذه الرامزات هي TAA، TGA وTAG.
ترميم الدنا هو مجموعة عمليات تتعرف بها الخلية على أضرار في جزيئات الدنا وتصححها، في الخلايا البشرية يسبب كل من نشاط الأيض وعوامل طبيعية مثل الإشعاعات أضرارا للدنا تقدر بحوالي 1 مليون آفة جزيئية لكل خلية كل يوم. حيث تسبب العديد من هذه الآفات ضررا هيكليا لجزيء الدنا يمكن أن يغير أو يقضي على قدرة الخلية على ترجمة جيناتها المتضررة، بعض الآفات الأخرى تحدث طفرات محتملة الضرر في جينوم الخلية وهو ما يؤثر على قدرة بقاء الخلايا البنت بعد عملية الانقسام المتساوي، ونتيجة لهذا فإن نظام ترميم الدنا نشط باستمرار لترميم الضرر في بنية الدنا، حين يفشل نظام الترميم ولا يحدث نظام الاستماتة الخلوي فإنه يحدث ضرر في الدنا غير قابل للترميم بما في ذلك شروخات في السلسلة المزدوجة، والارتباط التشابكي للدنا (ترابط شبكي بين السلاسل)، يمكن أن يقود هذا إلى أورام خبيثة أو إلى السرطان حسب فرضية ندسون.
معدل سرعة ترميم الدنا يعتمد على عدة عوامل منها: عمر الخلية، نوعهـا، ومحيطها الخارجي. الخلية التي تراكمت فيها كمية كبيرة من أضرار الدنا والخلية التي لا يمكنها ترميم أضرار الدنا الخاص بها بفعالية يمكن أن ينتهي بها الحال إلى أحد ثلاث إمكانيات:
قدرة الخلية على ترميم الدنا أساسية لسلامة جينوميها ومنه قيام الكائن بالوظائف بشكل طبيعي، العديد من الجينات التي ظهر في البداية أنها تؤثر على متوسط العمر اتضح أن لها علاقة بحماية الدنا وترميم أضراره.، يوجد ثلاث أنواع من الترميم: استئصال النوكليوتيد، استئصال القاعدة وترميم الدنا غير المتطابق.
الأحماض النووية خارج الخلية.
يصدر معظم الحمض النووي الصبغي الخارجي المجرد (eDNA) بموت الخلية، وهو واسع الانتشار في الطبيعة حيث يبلغ تركيزه في التربة حوالي 2 ميكروغرام/ل وتركيزه في الأوساط المائية الطبيعية قد يبلغ 88 ميكروغرام/ل. تم اقتراح العديد من الوظائف للدنـا الخارجي: فقد تكون له علاقة في نقل الجينات الأفقي؛ قد يوفر مغذيات؛ وقد يعمل كمنظم لجذب أو معايرة الأيونات أو المضادات الحيوية. يعمل الدنا الخارجي كمكون -عبارة عن مصفوفة وظيفية خارجية- في بيـوفيلم العديد من الأجناس البكتيرية، كما يمكن أن يعمل كعامل تعرّف لتنظيم ارتباط وتشتيت أنواع خلايا محددة في البيوفيلم، كما يمكن أن يساهم في تكون البيوفيلم،، ويمكن أن يساهم في القوة الفيزيائية للبيوفيلم ومقاومته للضغظ البيولوجي.
يوجد الدنا الجنيني من دون خلايا في دم الأم، ويمكن فحص تسلسله لمعرفة معلومات كثيرة حول تطور الجنين.
تفاعلات مع البروتينات.
جميع وظائف الدنا تعتمد على التفاعلات مع البروتينات، قد تكون هذه التفاعلات غير محددة أو يمكن للبروتين الارتباط بشكل محدد على تسلسل معين للدنا، يمكن للإنزيمات الارتباط بالدنـا كذلك ومن بين هذه الإنزيمات البوليميرايزات التي تنسخ تسلسل قواعد الدنا أثناء عمليتي النسخ والتضاعف والتي تعتبر ذات أهمية كبيرة.
بروتينات مرتبطة بالدنا.
البروتينات البنيوية التي ترتبط بالدنا هي أمثلة مفهومة جدا عن التفاعلات غير المحدَّدَة للدنا مع البروتين. يوضع الدنا داخل الكروموسومات في مركبات مع بروتينات بنيوية، تنظم هذه البروتينات الدنا على شكل هيئة متراصة تدعى كروماتين، لدى حقيقيات النوى يتطلب حدوث هذه الهياكل ترابط الدنا مع بروتينات صغيرة تسمى الهستونات، أما عند بدائيات النوى فيتطلب ذلك أنواعا عديدة من البروتينات. تشكل الهستونات مركب على شكل قرص يسمى جسيم نووي يحوي دورتين كاملتين لدنا مزدوج السلاسل ملفوف على سطحه، تشكلت هذه التفاعلات غير المحددة بسبب قيام الوحدات الأساسية في الهستونات (أحماض أمينية) بتشكيل روابط أيونية مع مجموعات الفوسفات الحمضية في الوحدة الأساسية للدنا ومنه لا تعتمد هذه التفاعلات بشكل كبير على تسلسل القواعد. التغيرات الكيميائية لهذه الأحماض الآمينية تشمل المثيلة، الفسفرة والأستلة. تُغيِّر هذه التغيرات الكيميائية قوة التفاعل بين الدنا والهستونات، جاعلة الدنا أكثر أو أقل قابلية لوصول عوامل النسخ إليه وتغير معدل سرعة النسخ. بروتينات الترابط غير المحدد بالدنا الأخرى في الكروماتين تشمل مجموعة البروتين عالية الحركة التي ترتبط بالدنا لتحنِيَه أو تلويه. وهذه البروتينات ضرورية لطي مصفوفات من الجسيمات النووية وترتيبها في هيئة أكبر تشكل الكروموسومات.
توجد مجموعة مميزة من البروتينات المرتبطة بالدنا ترتبط بشكل محدد في سلسلة واحدة من الدنا، لدى البشر بروتين التضاعف A هو أفضل عنصر مفهوم من هذه العائلة ويستخدم في عمليات يكون فيها اللولب المزدوج مفصولا، بما في ذلك تضاعف الدنا، إعادة التركيب وترميم الدنا، يبدو أن هذه البروتينات تعمل على استقرار سلسلة الدنا المفردة ومنعها من تشكيل حلقة جذعية أو تحللها بواسطة النوكليازات.
في المقابل تطورت بروتينات أخرى لترتبط بتسلسل دنا محدد، أكثر أنواع هذه البروتينات دراسة هي عوامل النسخ المختلفة، وهي بروتينات تنظم عملية النسخ حيث يرتبط كل عامل نسخ بتسلسل دنا واحد مخصص لتفعيل أو تثبيط نسخ الجينات التي يتواجد تسلسلها بالقرب من محفزاتها. تُنجز عوامل النسخ ذلك بطريقتين، أولا يمكنها الارتباط ببوليميراز الرنا المسؤول عن عملية النسخ سواء مباشرة أو عبر بروتينات وسيطة أخرى، هذا يجعل البوليميراز يتواجد على المحفز ويسمح ببدء النسخ. ثانيا يمكن لعوامل النسخ الارتباط بالإنزيمات المعدلة للهستونات في المحفز، وهذا يغير قابلية الوصول لسلسة الدنا القالب بالنسبة للبوليميراز.
لأن مواقع الارتباط بالدنا هذه يمكن أن تظهر في مختلف مناطق جينوم الكائن؛ فإن تغيرات في نشاط أحد أنواع عوامل النسخ يمكن أن يؤثر على الآلاف من الجينات. ونتيجة لذلك فإن هذه البروتينات عادة أهدافٌ لتوصيل الإشارة التي تتحكم بالردود اتجاه التغيرات المحيطية أو التمايز الخلوي والنمو. اختصاص تفاعلات عوامل النسخ هذه مع الدنا يأتي من قيام هذه البروتينات باتصالات عديدة مع حواف قواعد الدنا، وهذا يسمح لها بقراءة تسلسل الدنا. تتم معظم تفاعلات القواعد هذه في الثلم الكبير أين يكون الوصول لمعظم القواعد ممكنا.
إنزيمات معدلة للدنا.
النوكلياز والليغاز.
النوكليازات هي إنزيمات تقوم بقص سلاسل الدنا بتحفيز حلمـأة روابط الفوسفات ثنائية الأستر. تسمى النولكيازات التي تقوم بحلمأة النوكليوتيدات عند نهايات سلسلتي الدنا نوكليازات خارجية وتسمى التي تقوم بالقص داخل السلاسل نوكليازات داخلية، أكثر إنزيمات النوكلياز استخدما في علم الأحياء الجزيئي هي إنزيمات التقييد الداخلية التي تقطع الدنا في تسلسلات محددة، على سبيل المثال: إنزيم إيكور5 الموضح في الصورة يمينا يتعرف على على التسلسل السداسي codice_2 ويقوم بالقطع على الخط الأفقي. في الطبيعة تحمي هذه البروتينات البكتيريا من عدوى العاثيات وذلك بهضم دنا العاثية لدى دخوله خلية البكتيريا، متصرفة كجزء من نظام منع التغييرات، وفي التكنولوجيا تستخدم هذه الإنزيمات المختصة بتسلسلات معية في التنسيل الجزيئي والبصمة الوراثية.
يمكن لإنزيمات تسمى ليغازات الدنا إعادة وصل سلاسل الدنا المقطوعة أو المبتورة، وهي مهمة بشكل خاص للسلسة المتأخرة في عملية تضاعف الدنا حيث تقوم بتجميع قطع أوكازاكي القصيرة في شوكة التضاعف إلى نسخة كاملة من السلسلة الدنا القالب، كما تستخدم في ترميم الدنا وإعادة التركيب الجيني.
توبوإيزوميراز والهيليكاز.
التوبوإيزوميرازات هي إنزيمات تجمع نشاط كل من النوكلياز والليغاز، حيث تغير هذه البروتينات في كمية لف الدنا الفائق، تعمل بعض هذه الإنزيمات على قطع لولب الدنا والسماح لأحد مقاطعه بالدوران ومنه التخفيف في مستوى اللف الفائق وبعدها يقوم الإنزيم بإعادة وصل القطع، أنواع أخرى من هذه الإنزيمات يمكنها قطع إحدى سلسلتي لولب الدنا ثم تمرير السلسلة الأخرى عبر ذلك القطع قبل إعادة جمع اللولب. وهذه الإنزيمات مطلوبة في العديد من العمليات المتعلقة بالدنا مثل تضاعف الدنا والنسخ.
الهيليكازات هي بروتينات تعتبر كنوع من المحركات الجزيئية، حيث تستخدم الطاقة الكيميائية في النوكليوسيدات ثلاثية الفوسفات وفي الغالب أدينوسين ثلاثي الفوسفات لكسر الروابط الهيدروجينية بين القواعد وفك لولب الدنا المزدوج لسلسلتين مفردتين. هذه الإنزيمات ضرورية في معظم العمليات التي تتطلب وصول الإنزيمات إلى قواعد الدنـا.
بوليميراز.
البوليميرازات هي إنزيمات تقوم بتخليق سلاسل عديدة النوكليوتيد من نوكليوسيدات ثلاثية الفوسفات، تسلسل نواتجها يخلَّق اعتمادا على سلاسل عديدة النوكليتويد موجودة مسبقا تسمى السلاسل القالب، تعمل هذه الإنزيمات بإضافة نوكليوتيد بشكل مستمر لمجموعة هيدروكسيل النهاية 3' لسلسلة عديد نوكليوتيد متنامية، وكنتيجة لذلك تعمل البوليميرازات في الاتجاه 5' إلى 3'. في الموقع النشط لهذه الإنزيمات تترابط قاعديا النوكليوسيدات ثلاثية الفوسفات القادمة مع السلسة القالب: وهذا يسمح للبوليميرازات بتخليق سلسلة مكملة لسلسلة القالب بشكل دقيق. تصنف البوليميرازات حسب نوع السلسلة القالب التي يستخدمونها.
في عملية تضاعف الدنا تقوم بوليمرازات الدنا -المتعلقة بالدنا- بعمل نسخ لسلاسل الدنا عديدة النوكليوتيد. للحفاظ على المعلومة البيولوجية؛ أمر جوهري أن يتم نسخ تسلسل القواعد في كل نسخة بشكل دقيق ومكمل لقواعد السلسة القالب. لدى العديد من بوليميرازات الدنا نشاط التصحيح حيث تتعرف على الأخطاء التي تقع أحيانا في تفاعلات التخليق بواسطة عدم وجود ترابط قاعدي بين النوكليوتيدات غير المتكاملة. إن تم اكتشاف عدم تكامل يُنَشّط إنزيم نوكلياز خارجي 3′ إلى 5′ وتتم إزالة القاعدة. يَنشُط البوليميراز لدى معظم الكائنات في مركبات كبيرة تسمى ريبليسومات والتي تحتوي على العديد من المركبات الإنزيمية الفرعية مثل رابط الدنا والهيليكاز.