حمض الديوكسي ريبونيوكلييك ، أو الحمض النووي ، هو المادة الوراثية المسؤولة عن نقل السمات من جيل إلى جيل في جميع الكائنات الحية ومعظم الفيروسات. يتكون الحمض النووي من شريطين من النيوكليوتيدات يلتفان حول بعضهما البعض لتشكيل حلزون مزدوج. حدث اكتشاف بنية الحمض النووي بشكل تدريجي على مدار ما يقرب من قرن من الزمان ، مما يمثل واحدة من أكثر القصص شهرة في تاريخ العلم.
يتكون كل خيط من الحمض النووي من وحدات فرعية تسمى النيوكليوتيدات التي تحتوي على سكر الديوكسيريبوز ، ومجموعة الفوسفات ، و واحدة من أربع قواعد تحتوي على النيتروجين: الأدينين (A) ، والجوانين (G) ، والسيتوزين (C) ، والثايمين (T). يعد الأدينين والجوانين أعضاء في فئة أكبر من المواد الكيميائية تسمى البيورينات التي تحتوي جميعها على هياكل ثنائية الحلقات. ينتمي السيتوزين والثايمين إلى مجموعة من الهياكل أحادية الحلقة تسمى بيريميدين.
ترتبط النيوكليوتيدات المتجاورة في نفس الشريط تساهمياً بواسطة روابط الفوسفوديستر. يتم ربط خيوط النيوكليوتيدات معاً بواسطة روابط هيدروجينية ، حيث تكون الأدينينات في زوج واحد مع الثايمين في نفس الموضع في الخيط الآخر ، والسيتوزينات في زوج واحد مع الجوانين في نفس الموضع في الخيط الآخر. أصبح هذا الترابط الهيدروجيني ممكناً من خلال الترتيب المضاد للتوازي بين خيوط الحمض النووي ، حيث توجه اطراف الخيوط 5 ‘و 3’ ، في اتجاهين متعاكسين. بدون هذا الترتيب ، ستكون النيوكليوتيدات في وضع خاطئ لتكوين روابط هيدروجينية بين الخيوط.
يتم لف خيطي جزيء الحمض النووي بإحكام في هيكل يشبه الزنبرك يسمى اللولب المزدوج. ومع ذلك ، فإن اللولب المزدوج ليس متماثلاً تماماً. بدلا من ذلك ، هناك أخاديد تحدث بانتظام في الهيكل. يحدث الأخدود الرئيسي حيث تكون العمود الفقري للسكر والفوسفات متباعدة نسبياً. يمنح هذا الفضاء الوصول إلى البروتينات المرتبطة بالحمض النووي ، مثل عوامل النسخ. على النقيض من ذلك ، يحدث الأخدود الصغير عندما يكون العمود الفقري للسكر والفوسفات متقاربة. يرتبط عدد قليل نسبياً من البروتينات بالحمض النووي عبر الأخدود الصغير.
بدأت قصة اكتشاف بنية الحمض النووي في عام ١٨٦٩ عندما اكتشف العالم السويسري فريدريش ميشر مادة سماها ”نيوكلين“. في عملية استخلاص البروتين من خلايا الدم البيضاء ، وجد ميشر مادة غير متوقعة تحتوي على نسبة عالية من الفوسفور نسبياً. لم يكن يعرف ما هو ، لكنه شك في أنه يمكن أن يكون مهماً من الناحية البيولوجية. كان ميشر على حق ، لكن الأمر استغرق عقوداً حتى يقدر المجتمع العلمي أفكاره تماماً.
الاكتشاف المهم التالي تم بواسطة عالم الكيمياء الحيوية الروسي فويبس ليفين. في عام ١٩١٩ ، اقترح ليفين أن النيوكلين ، المعروف آنذاك باسم الحمض النووي ، يتكون من سلاسل من الجزيئات التي أطلق عليها عديد النيوكليوتيدات. نبع اقتراح ليفين من بحثه عن الخميرة ، حيث وجد أن النيوكليوتيدات الفردية تتكون من مجموعة فوسفات وسكر وقاعدة تحتوي على النيتروجين. على الرغم من أن نموذج ليفين متعدد النيوكليوتيد كان صحيحاً من نواحٍ عديدة ، إلا أنه لا يزال من غير الواضح كيف تم ترتيب القواعد في جزيء الحمض النووي.
توسع عالم الكيمياء الحيوية النمساوي إروين تشارجاف في عمل ليفين. في أواخر الأربعينيات من القرن الماضي ، توصل تشارجاف إلى نتيجة رئيسية: كمية الأدينين في الحمض النووي دائماً ما تساوي تقريباً كمية الثايمين ، وكمية الجوانين دائماً تساوي تقريباً كمية السيتوزين. أصبح هذا النمط معروفاً باسم قاعدة تشارجاف وكان جزءاً رئيسياً من الأدلة التي مكنت من التوضيح النهائي لهيكل الحمض النووي.
في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي ، كان عالم الأحياء الأمريكي جيمس واتسون والفيزيائي الإنجليزي فرانسيس كريك يتسابقان مع منافسهما الرئيسي ، الأمريكي لينوس بولينج ، لاكتشاف البنية ثلاثية الأبعاد للحمض النووي. بناءً على عمل تشارجاف ، استخدموا معرفة الفيزياء والرياضيات والكيمياء لبناء نماذج فيزيائية للحمض النووي. لكنهم لم ينجحوا حتى تلقوا قطعة مهمة من البيانات: صورة بالأشعة السينية ”صورة“ من الحمض النووي الذي أشار بالتفصيل إلى هيكله المزدوج الحلزوني. كانت هذه الصورة عبارة عن بيانات غير منشورة للفيزيائية روزاليند فرانكلين وأعطيت لواتسون وكريك دون علم فرانكلين. نشر واتسون وكريك وصفهما لهيكل الحمض النووي في عام ١٩٥٣ ، وفازا مع موريس ويلكينز (زميل عمل فرانكلين) بجائزة نوبل عام ١٩٦٢ في علم وظائف الأعضاء أو الطب لهذا الاكتشاف. للأسف ، توفي فرانكلين في عام ١٩٥٣ وبالتالي لم تكن مؤهلة للحصول على جائزة نوبل.
