9.1 تركيب الحمض النووي (DNA)
أهداف التعلم
بنهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:- وصف تركيب الحمض النووي (DNA)
- وصف كيفية ترتيب الحمض النووي (DNA) حقيقي النواة وبدائي النواة في الخلية
في خمسينيات القرن الماضي، عمل فرانسيس كريك وجيمس واتسون معًا في جامعة كامبريدج بإنجلترا لتحديد تركيب الحمض النووي (DNA). وكان علماء آخرون، مثل لاينس باولينغ وموريس ويلكنز، يستكشفون هذا المجال بنشاط أيضًا. اكتشف باولينغ التركيب الثانوي للبروتينات باستخدام حيود الأشعة السينية. حيود الأشعة السينية هو طريقة للتحقيق في التركيب الجزيئي عن طريق ملاحظة الأنماط التي تتشكل بواسطة الأشعة السينية التي تُطلق عبر بلورة المادة. توفر الأنماط معلومات مهمة حول تركيب الجزيء محل الاهتمام. في مختبر ويلكنز، كانت الباحثة روزاليند فرانكلين تستخدم حيود الأشعة السينية لفهم تركيب الحمض النووي (DNA). تمكن واتسون وكريك من تجميع لغز جزيء الحمض النووي (DNA) باستخدام بيانات فرانكلين (شكل 9.2). كان لدى واتسون وكريك أيضًا قطع رئيسية من المعلومات متاحة من باحثين آخرين مثل قواعد تشارغاف. أظهر تشارغاف أنه من بين الأنواع الأربعة من المونومرات (النيوكليوتيدات) الموجودة في جزيء الحمض النووي (DNA)، كان نوعان موجودين دائمًا بكميات متساوية، وكان النوعان المتبقيان موجودين دائمًا بكميات متساوية أيضًا. وهذا يعني أنهما كانا دائمًا مقترنين بطريقة ما. في عام 1962، مُنح جيمس واتسون وفرانسيس كريك وموريس ويلكنز جائزة نوبل في الطب لعملهم في تحديد تركيب الحمض النووي (DNA).
دعونا الآن ننظر في تركيب نوعي الأحماض النووية، الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA). اللبنات الأساسية للحمض النووي (DNA) هي النيوكليوتيدات، والتي تتكون من ثلاثة أجزاء: سكر ديوكسي ريبوز (deoxyribose) (سكر خماسي الكربون)، ومجموعة فوسفات (phosphate group)، وقاعدة نيتروجينية (nitrogenous base) (شكل 9.3). هناك أربعة أنواع من القواعد النيتروجينية في الحمض النووي (DNA). الأدينين (A) والغوانين (G) هما بيورينات ثنائية الحلقة، والسيتوزين (C) والثايمين (T) هما بيريميدينات أصغر أحادية الحلقة. تُسمى النيوكليوتيدة وفقًا للقاعدة النيتروجينية التي تحتويها.
ترتبط مجموعة الفوسفات لنيوكليوتيدة واحدة تساهميًا بجزيء السكر للنيوكليوتيدة التالية، وهكذا، لتشكيل بوليمر طويل من مونومرات النيوكليوتيدات. تصطف مجموعات السكر-الفوسفات في "عمود فقري" لكل شريط مفرد من الحمض النووي (DNA)، وتبرز قواعد النيوكليوتيدات من هذا العمود الفقري. تُرقّم ذرات الكربون في السكر الخماسي الكربون باتجاه عقارب الساعة من الأكسجين كـ 1' و 2' و 3' و 4' و 5' (تُقرأ 1' على أنها "واحد برايم"). ترتبط مجموعة الفوسفات بالكربون 5' لنيوكليوتيدة واحدة والكربون 3' للنيوكليوتيدة التالية. في حالته الطبيعية، يتكون كل جزيء الحمض النووي (DNA) فعليًا من شريطين مفردين متماسكين على طولهما بروابط هيدروجينية بين القواعد.
اقترح واتسون وكريك أن الحمض النووي (DNA) يتكون من شريطين ملتفين حول بعضهما البعض لتشكيل لولب أيمن، يسمى اللولب المزدوج (double helix). يحدث اقتران القواعد بين البيورين والبيريميدين: أي أن A يقترن بـ T، و G يقترن بـ C. بعبارة أخرى، الأدينين والثايمين هما زوجان قاعديان متكاملان، والسيتوزين والغوانين هما أيضًا زوجان قاعديان متكاملان. هذا هو أساس قاعدة تشارغاف؛ فبسبب تكاملهما، يوجد من الأدينين بقدر الثايمين في جزيء الحمض النووي (DNA)، ومن الغوانين بقدر السيتوزين. يرتبط الأدينين والثايمين برابطتين هيدروجينيتين، ويرتبط السيتوزين والغوانين بثلاث روابط هيدروجينية. الشريطان متوازيان عكسيًا في طبيعتهما؛ أي أن أحد الشريطين سيكون له الكربون 3' للسكر في الوضع "الأعلى"، بينما سيكون للشريط الآخر الكربون 5' في الوضع الأعلى. قطر اللولب المزدوج للحمض النووي (DNA) موحد في جميع أنحائه لأن البيورين (حلقتان) يقترن دائمًا بالبيريميدين (حلقة واحدة) وأطوالهما المجمعة متساوية دائمًا. (شكل 9.4).
تركيب الحمض النووي الريبي (RNA)
يوجد حمض نووي ثانٍ في جميع الخلايا يسمى الحمض النووي الريبي، أو RNA. مثل الحمض النووي (DNA)، الحمض النووي الريبي (RNA) هو بوليمر من النيوكليوتيدات. تتكون كل نيوكليوتيدة في الحمض النووي الريبي (RNA) من قاعدة نيتروجينية، وسكر خماسي الكربون، ومجموعة فوسفات. في حالة الحمض النووي الريبي (RNA)، السكر الخماسي الكربون هو الريبوز، وليس الديوكسي ريبوز. يحتوي الريبوز على مجموعة هيدروكسيل عند الكربون 2'، على عكس الديوكسي ريبوز، الذي يحتوي فقط على ذرة هيدروجين (شكل 9.5).
تحتوي نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبي (RNA) على القواعد النيتروجينية الأدينين والسيتوزين والغوانين. ومع ذلك، فإنها لا تحتوي على الثايمين، الذي يُستبدل بدلاً من ذلك باليوراسيل، ويرمز له بـ "U". يوجد الحمض النووي الريبي (RNA) كجزيء أحادي الشريط بدلاً من لولب مزدوج الشريط. سمى علماء الأحياء الجزيئية عدة أنواع من الحمض النووي الريبي (RNA) بناءً على وظيفتها. وتشمل هذه الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA)، والحمض النووي الريبي الناقل (tRNA)، والحمض النووي الريبي الريبوسومي (rRNA) — وهي جزيئات تشارك في إنتاج البروتينات من شيفرة الحمض النووي (DNA).
كيف يُرتب الحمض النووي (DNA) في الخلية
الحمض النووي (DNA) هو جزيء عامل؛ يجب تضاعفه عندما تكون الخلية جاهزة للانقسام، ويجب "قراءته" لإنتاج الجزيئات، مثل البروتينات، لأداء وظائف الخلية. لهذا السبب، يُحمى الحمض النووي (DNA) ويُعبأ بطرق محددة للغاية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تكون جزيئات الحمض النووي (DNA) طويلة جدًا. إذا مُدّت جزيئات الحمض النووي (DNA) في خلية بشرية واحدة من طرف إلى طرف، فسيبلغ طولها حوالي 2 متر. وبالتالي، يجب تعبئة الحمض النووي (DNA) للخلية بطريقة منظمة جدًا لتناسب وتعمل داخل بنية (الخلية) غير مرئية بالعين المجردة. كروموسومات بدائيات النواة أبسط بكثير من كروموسومات حقيقيات النواة في العديد من ميزاتها (شكل 9.6). تحتوي معظم بدائيات النواة على كروموسوم دائري واحد يوجد في منطقة في السيتوبلازم تسمى المنطقة النووية.
يبلغ حجم الجينوم في إحدى بدائيات النواة الأكثر دراسة، Escherichia coli، 4.6 مليون زوج قاعدي، والذي سيمتد لمسافة حوالي 1.6 ملم إذا مُدّ. فكيف يتناسب هذا داخل خلية بكتيرية صغيرة؟ يلتف الحمض النووي (DNA) إلى ما بعد اللولب المزدوج فيما يعرف بالتلفيف الفائق. من المعروف أن بعض البروتينات تشارك في التلفيف الفائق؛ وتساعد بروتينات وإنزيمات أخرى في الحفاظ على التركيب المتلفف فائقًا.
تستخدم حقيقيات النواة، التي تتكون كروموسوماتها من جزيء الحمض النووي (DNA) خطي، استراتيجية تعبئة مختلفة لتناسب الحمض النووي (DNA) الخاص بها داخل النواة (شكل 9.7). قبل أن يُكشف عن تركيب الحمض النووي (DNA) حتى، أجرى كل من ماري ماينارد دالي وآرثر إي. ميرسكي بحثًا مكثفًا في الأربعينيات والخمسينيات من القرن الماضي لفهم الجزيئات والتراكيب المعنية. على المستوى الأساسي، يلتف الحمض النووي (DNA) حول بروتينات تعرف باسم الهستونات لتشكيل تراكيب تسمى النيوكليوسومات. يلتف الحمض النووي (DNA) بإحكام حول لب الهيستون. يرتبط هذا النيوكليوسوم بالذي يليه بواسطة شريط قصير من الحمض النووي (DNA) خالٍ من الهستونات. يُعرف هذا أيضًا بتركيب "الخرز على خيط"؛ النيوكليوسومات هي "الخرز" والأطوال القصيرة من الحمض النووي (DNA) بينها هي "الخيط". تتراص النيوكليوسومات، مع الحمض النووي (DNA) الملتف حولها، بشكل مضغوط فوق بعضها البعض لتشكيل ألياف بعرض 30 نانومتر. تلتف هذه الألياف بشكل أكبر لتشكيل تركيب أكثر سمكًا وتراصًا. في الطور الاستوائي من الانقسام المتساوي، عندما تصطف الكروموسومات في مركز الخلية، تكون الكروموسومات في أقصى درجات تراصها. يبلغ عرضها حوالي 700 نانومتر، وتوجد مرتبطة ببروتينات السقالة.
في الطور البيني، وهو طور دورة الخلية بين الانقسامات المتساوية حيث تكون الكروموسومات غير مكثفة، تحتوي كروموسومات حقيقيات النواة على منطقتين متميزتين يمكن تمييزهما بالصبغ. توجد منطقة معبأة بإحكام تصبغ داكنًا، ومنطقة أقل كثافة. تحتوي المناطق المصبوغة داكنًا عادةً على جينات غير نشطة، وتوجد في مناطق السنترومير والتيلوميرات. تحتوي المناطق المصبوغة فاتحًا عادةً على جينات نشطة، مع الحمض النووي (DNA) المعبأ حول النيوكليوسومات ولكن ليس مضغوطًا بشكل أكبر.
رابط للتعلم
شاهد هذه الرسوم المتحركة لتعبئة الحمض النووي (DNA).