شارح الدرس: اكتشاف الحمض النووي (DNA) وتركيبه الأحياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف تركيب الحمض النووي (DNA)، ونلخِّص الإسهامات المقدَّمة لاكتشافه.

الأحماض النووية أحد الجزيئات البيوكيميائية التي تحمل المعلومات الوراثية. في كل خلية حية، تتحكَّم الأحماض النووية في وظائف الخلية، وهذا يعني التحكُّم في جميع صفات الكائن الحي من حيث مظهره وحجمه ومتطلباته الغذائية، وما إلى ذلك. عند تكاثر الكائنات الحية، تُورَّث المعلومات التي تحملها الأحماض النووية للآباء إلى النسل.

ثمة نوعان من الأحماض النووية: DNA أو الحمض النووي الريبوزي المنقوص الأكسجين، وRNA أو الحمض النووي الريبوزي. توجد هذه الجزيئات بالأساس في نواة كل خلية حية. وعادةً ما تخزِّن الكائنات الحية معلوماتها الوراثية في الحمض النووي (DNA)، أما جزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA)، فتساعد على نقل هذه المعلومات وترجمتها.

في القرنين التاسع عشر والعشرين، بدأ العلماء اكتشاف معلومات حول جزيء DNA وتركيبه ووظائفه. كانت هذه الاكتشافات نقطة تحوُّل؛ فقد رسَّخت الأسس التي قامت عليها الابتكارات في العديد من مجالات العلوم الحديثة. واليوم أصبحت لدينا صورة واضحة لشكل جزيء DNA، وكيف يؤدي وظائفه بصفته «أساس الحياة».

اكتُشف الحمض النووي (DNA) لأول مرة عام 1869 عن طريق فريدريك ميسشر، الذي نجح في عزل الجزيء قبل أن يتوصَّل إلى أنه جزيء حمضي بطبيعته. وفي بداية القرن العشرين، بدأ العديد من العلماء إجراء أبحاث علمية لفهم وظائف الحمض النووي (DNA)، وبحلول عام 1952، تقرَّر أن الحمض النووي (DNA) هو الذي يحمل المادة الوراثية. وتزامنًا مع هذه الدراسات، وفي أوائل الخمسينيات، عكف العلماء على اقتراح نموذج يشرح تركيب جزيء DNA. ففي عام 1953، اقترح جيمس واطسون وفرانسيس كريك أن جزيء DNA يتكوَّن من لولب مزدوج الشريط. وقد توصَّلا إلى هذا الاستنتاج بناءً على دراسات روزاليند فرانكلين وموريس ويلكنز.

قبل أن نتعلَّم المزيد عن إسهامات هؤلاء العلماء في اكتشاف تركيب جزيء DNA، هيا نفهم هذا التركيب بأنفسنا!

لكي نتخيَّل شكل جزيء DNA، استحضر في ذهنك أولًا شكل السُّلَّم. يتكوَّن السُّلَّم من عمودين مستقيمين متوازيين، وله درجات تفصل بينها مسافات متساوية. والآن، نفترض أن هذا السُّلَّم قد التفَّ، كما هو موضَّح في شكل 1. هذا هو شكل جزيء DNA: شريطان ملتفٌّ أحدهما حول الآخر. يُسمَّى هذا الشكل اللولب المزدوج.

يمثِّل كلُّ شريط في هذا اللولب المزدوج بوليمرًا، ما يعني أنه يتكوَّن من عدة وحدات صغيرة متكرِّرة تُسمَّى مونومرات. في الأحماض النووية، يُسمَّى المونومر الواحد نيوكليوتيدة. ومن ثَمَّ، فالشريط الكامل لجزيء DNA يُسمَّى عديد النيوكليوتيد. يوضِّح شكل 2 موقع النيوكليوتيدة على شريط DNA.

تتكوَّن كل نيوكليوتيدة من ثلاثة مكوِّنات: جزيء سكر خماسي ومجموعة فوسفات وقاعدة نيتروجينية. سنُلقي نظرةً على هذه المكوِّنات كلٌّ على حدة، ونتعلَّم كيف يرتبط بعضها ببعض لتتكوَّن النيوكليوتيدة، ولتتكوَّن في النهاية سلسلة عديد النيوكليوتيد.

السكر الخماسي هو جزيء السكر المكوَّن من خمس ذرات من الكربون. في جزيء DNA، يُسمَّى السكر الخماسي سكر الريبوز المنقوص الأكسجين. تتخذ ذرات الكربون الخمس شكل حلقة مغلقة، كما هو موضَّح في شكل 3. تأخذ كل ذرة كربون في هذه الحلقة رقمًا، بدايةً من ذرة الكربون الأولى (تُقرأ «1 شرطة»)، ثم بالتحرُّك في اتجاه دوران عقارب الساعة من ذرة الأكسجين على الحلقة، وصولًا إلى (تُقرأ «5 شرطة»).

وكما تعلَّمنا، يوجد نوعان مختلفان من الأحماض الأمينية: DNA وRNA. في جزيء RNA، يُعرَف السكر الخماسي باسم الريبوز. ويختلف تركيب الريبوز عن تركيب الريبوز المنقوص الأكسجين في وجه واحد فقط. ففي الريبوز، ترتبط ذرة الكربون بمجموعة هيدروكسيل () لا يحتوي عليها جزيء الريبوز المنقوص الأكسجين، وهذا ما يوضِّحه شكل 3.

في الأحماض النووية، ترتبط ذرة الكربون في السكر الخماسي بقاعدة نيتروجينية بواسطة رابطة تساهمية، كما هو موضَّح في شكل 4. وجزيء السكر الخماسي المرتبط بالقاعدة النيتروجينية يُسمَّى النيوكليوسيدة.

توجد أربع قواعد نيتروجينية مختلفة في جزيء DNA، وهي: الأدينين (A)، والجوانين (G)، والثايمين (T)، والسيتوزين (C). لكن جزيء RNA يحتوي على اليوراسيل (U) بدلًا من الثايمين. ومن بين هذه القواعد النيتروجينية، يُطلَق على الأدينين والجوانين البيورينات، وهذه تراكيب تتكوَّن من حلقتين. أما الثايمين والسيتوزين واليوراسيل فهي تراكيب تتكوَّن من حلقة واحدة، وتُسمَّى البيريميدينات. هذه التراكيب موضَّحة في شكل 5.

المكوِّن الأخير في النيوكليوتيدة هو مجموعة الفوسفات. في جزيء السكر الخماسي، ترتبط ذرة الكربون بمجموعة فوسفات بواسطة رابطة تساهمية، كما هو موضَّح في شكل 6. وتتكوَّن النيوكليوتيدة نتيجة ارتباط النيوكليوسيدة بمجموعة الفوسفات. وترتبط ملايين من هذه النيوكليوتيدات معًا لتكوِّن سلسلة عديد النيوكليوتيد.

نعلم الآن كيف تبدو النيوكليوتيدة الواحدة. لكن كيف لهذه الوحدات المنفردة أن ترتبط معًا لتكوين سلسلة عديد النيوكليوتيد؟ بين كل نيوكليوتيدة والأخرى المجاورة لها توجد رابطة تُسمَّى الرابطة الفوسفاتية الثنائية الإستر. هيا نتعرَّف على كيفية تكوُّن هذه الرابطة.

هل تذكُر كيف ترتبط مجموعة الفوسفات في كل نيوكليوتيدة بذرة الكربون في السكر الخماسي؟ تتكوَّن رابطة بين مجموعة الفوسفات هذه ومجموعة الهيدروكسيل () الموجودة في النيوكليوتيدة المجاورة، كما هو موضَّح في شكل 7. هذه الرابطة تُسمَّى الرابطة الفوسفاتية الثنائية الإستر. تُشير كلمة «الثنائية» إلى تكوُّن رابطتين إستريتين؛ حيث ترتبط مجموعة الفوسفات بجزيء واحد من السكر على الجانبين.

وعندما تتكوَّن هذه الروابط بين عدة نيوكليوتيدات لتكوين سلسلة عديد النيوكليوتيد، نلاحظ أن السلسلة تظهر كأنها وحدات متبادلة من جزيئات السكر ومجموعات الفوسفات. لذا يُسمَّى هذا الجزء من سلسلة عديد النيوكليوتيد هيكل السكر والفوسفات.

مثال ١: التعرُّف على تركيب الحمض النووي (DNA)

فيما يلي مخطَّط مبسَّط لتركيب الحمض النووي (DNA). ما الجزء الذي يُشير إليه الحرف (أ) في هذا التركيب؟

1. هيكل السكر والفوسفات
2. سلسلة ثلاثي الجليسريد
3. الوحدة الفرعية الريبوسومية
4. القواعد النيتروجينية
5. هيكل السكر الريبوزي

الحل

الحمض النووي (DNA) هو الجزيء الذي يحمل المعلومات الوراثية في كل خلية حية. يتكوَّن جزيء DNA من سلسلتين من عديد النيوكليوتيد تتكوَّنان من وحدات متكرِّرة تُسمَّى النيوكليوتيدات.

تتكوَّن النيوكليوتيدة الواحدة من سكر خماسي وقاعدة نيتروجينية ومجموعة فوسفات. السكر الخماسي جزيء سكر يتكوَّن من خمس ذرات من الكربون. في جزيء DNA، السكر الخماسي هو الريبوز المنقوص الأكسجين، أما في جزيء RNA فهو الريبوز. في الشكل الموضَّح في السؤال، يمكنك ملاحظة أن سكر الريبوز المنقوص الأكسجين يمثِّله شكل رمادي خماسي الأضلاع.

يرتبط كل سكر خماسي بقاعدة نيتروجينية. في جزيء DNA، توجد أربعة أنواع من القواعد النيتروجينية، وهي: الأدينين (A)، والجوانين (G)، والثايمين (T)، والسيتوزين (C). في الشكل، تمثِّل القواعدَ النيتروجينية التراكيبُ الوردية والخضراء والزرقاء والبرتقالية، وهذه تستطيع رؤيتها في الجانب الداخلي من جزيء DNA. السكر الخماسي المرتبط بقاعدة نيتروجينية يُسمَّى النيوكليوسيدة.

يرتبط كل جزيء سكر خماسي بمجموعة فوسفات أيضًا، وهذه ممثَّلة بدوائر صفراء في الشكل السابق. النيوكليوسيدة المرتبطة بمجموعة فوسفات تُسمَّى النيوكليوتيدة.

ترتبط النيوكليوتيدات المنفردة معًا لتكوين سلاسل طويلة من عديد النيوكليوتيد عن طريق روابط تُسمَّى الروابط الفوسفاتية الثنائية الإستر. تتكوَّن الرابطة الفوسفاتية الثنائية الإستر بين مجموعة فوسفات لإحدى النيوكليوتيدات والسكر الخماسي للنيوكليوتيدة التالية. وهذه هي الطريقة التي تتكوَّن بها سلاسل طويلة من النيوكليوتيدات المفردة على جانبَي الشكل.

والآن، بعد أن تعرَّفنا على مكوِّنات جزيء DNA، نُلقي نظرةً على الخيارات المطروحة في السؤال. يمكننا على الفور استبعاد اثنين منها؛ الوحدة الفرعية الريبوسومية وسلسلة ثلاثي الجليسريد. كما يمكننا استبعاد هيكل السكر الريبوزي؛ لأن التركيب الظاهر أمامنا هو لجزيء DNA وليس RNA.

في الجزء المشار إليه بالحرف (أ) على الشكل، تظهر السلسلة كأنها وحدات تتبدَّل بين سكر خماسي رمادي اللون ومجموعة فوسفات صفراء اللون. تُسمَّى هذه التراكيب هياكل السكر والفوسفات.

ومن ثَمَّ، فالجزء (أ) من الحمض النووي (DNA) هو هيكل السكر والفوسفات.

حتى الآن، فهمنا كيف تتكوَّن سلسلة واحدة طويلة متكرِّرة من عديد النيوكليوتيد، وتعرَّفنا على مكوِّناتها. لكن تذكَّر أن شريط DNA عبارة عن لولب مزدوج، ما يعني أنه لا يتكوَّن من سلسلة واحدة فقط من عديد النيوكليوتيد، بل سلسلتان، تلتف إحداهما حول الأخرى. لكن كيف يرتبط أحد شريطَي DNA بالآخر لتكوين هذا الشكل؟

هنا يأتي دور القواعد النيتروجينية التي تحدَّثنا عنها سابقًا. كل قاعدة نيتروجينية في أحد شريطَي DNA ترتبط بقاعدة نيتروجينية في الشريط المقابل. هذه هي الطريقة التي تتكوَّن بها «الدرجات» في هذا الشكل السُّلَّمي الملتوي!

عندما ترتبط هذه القواعد النيتروجينية معًا، فهي تفعل ذلك بطريقة خاصة. في جزيء DNA، يمكن للأدينين أن يرتبط بالثايمين فقط على الشريط المقابل، ويمكن للجوانين أن يرتبط بالسيتوزين فقط. تُسمَّى هذه الأسس «تزاوُج القواعد المتكاملة»، وهي من السمات المميِّزة لجزيء DNA. يرتبط الأدينين بالثايمين بواسطة رابطتين هيدروجينيتين، أما الجوانين فيرتبط بالسيتوزين بواسطة ثلاث روابط هيدروجينية، كما هو موضَّح في شكل 8.

مثال ٢: التعرُّف على الروابط في تركيب الحمض النووي (DNA)

ما نوع الرابطة التي تتكوَّن بين أزواج القواعد في الحمض النووي (DNA) لربط الشريطين معًا لتكوين لولب مزدوج؟

1. رابطة هيدروجينية
2. رابطة أيونية
3. رابطة جليكوسيدية
4. رابطة فوسفاتية ثنائية الإستر
5. رابطة تساهمية

الحل

جزيء DNA عبارة عن بوليمر يتكوَّن من وحدات فرعية متكرِّرة تُسمَّى النيوكليوتيدات. تتكوَّن النيوكليوتيدة الواحدة من سكر خماسي ومجموعة فوسفات وقاعدة نيتروجينية.

يرتبط العديد من هذه النيوكليوتيدات معًا لتكوين سلاسل طويلة من عديد النيوكليوتيد، كما هو موضَّح في الشكل الآتي. تُسمَّى الروابط التي تتكوَّن بين النيوكليوتيدة والنيوكليوتيدة المجاورة لها لتكوين هذه السلسلة الخطية بالروابط الفوسفاتية الثنائية الإستر.

عند النظر إلى السؤال، يمكننا ملاحظة أن «الرابطة الفوسفاتية الثنائية الإستر» هي أحد الخيارات. يمكننا استبعاد هذا الخيار؛ فكما نعلم، تربط الروابط الفوسفاتية الثنائية الإستر بين النيوكليوتيدة والنيوكليوتيدة المجاورة لها لتكوين هيكل السكر والفوسفات، لكنها لا تربط بين شريطَي DNA.

القواعد النيتروجينية، الممثَّلة باللون الوردي والأخضر والأزرق والبرتقالي، هي المسئولة عن ربط الشريطين معًا. توجد أربعة أنواع مختلفة من القواعد النيتروجينية في جزيء DNA، وهي: الأدينين (A)، والجوانين (G)، والثايمين (T)، والسيتوزين (C). يرتبط شريطا جزيء DNA معًا وفقًا لتزاوُج القواعد المتكاملة: يرتبط الأدينين بالثايمين بواسطة رابطتين هيدروجينيتين، أما الجوانين فيرتبط بالسيتوزين بواسطة ثلاث روابط هيدروجينية.

ومن ثَمَّ، فإن نوع الرابطة التي تربط شريطَي الحمض النووي (DNA) معًا هي الرابطة الهيدروجينية.

مثال ٣: تحديد عدد الروابط الهيدروجينية بين القواعد النيتروجينية.

بين أيِّ قاعدتين من قواعد الحمض النووي (DNA) تتكوَّن رابطتان هيدروجينيتان؟

1. A ،C
2. T ،C
3. T ،A
4. G ،C
5. T ،G

الحل

جزيء DNA عبارة عن بوليمر يتكوَّن من وحدات فرعية متكرِّرة تُسمَّى النيوكليوتيدات. تتكوَّن النيوكليوتيدة الواحدة من سكر خماسي ومجموعة فوسفات وقاعدة نيتروجينية.

يرتبط العديد من هذه النيوكليوتيدات معًا لتكوين سلاسل طويلة من عديد النيوكليوتيد، كما هو موضَّح في الشكل الآتي.

القواعد النيتروجينية، الممثَّلة باللون الوردي والأخضر والأزرق والبرتقالي، هي المسئولة عن ربط الشريطين معًا. توجد أربعة أنواع مختلفة من القواعد النيتروجينية في جزيء DNA، وهي: الأدينين (A)، والجوانين (G)، والثايمين (T)، والسيتوزين (C). يرتبط شريطا DNA وفقًا لتزاوُج القواعد المتكاملة؛ حيث يمكن للأدينين أن يرتبط بالثايمين فقط، أما الجوانين فيمكن أن يرتبط بالسيتوزين فقط.

يرتبط الأدينين بالثايمين بواسطة رابطتين هيدروجينيتين، ويرتبط الجوانين بالسيتوزين بواسطة ثلاث روابط هيدروجينية، كما هو موضَّح في الشكل الآتي.

إذا نظرنا مرةً أخرى على السؤال والاختيارات المتاحة، يمكننا ملاحظة أن الإجابة الصحيحة هي أن الرابطتين الهيدروجينيتين تتكوَّنان بين A وT.

والآن، بعد أن تعرَّفنا على جميع المكوِّنات المختلفة للحمض النووي (DNA) وكيف يرتبط بعضها ببعض، يمكننا الآن وضعها معًا لتكوين التركيب الكامل لجزيء DNA. وهذا موضَّح في شكل 9.

هل تتذكَّر كيفية ترقيم كل ذرة كربون في جزيء السكر؟ إذا أنعمنا النظر في شكل 9، فقد نلاحظ أنه على الشريط الأيسر توجد مجموعة فوسفات حرة في الأعلى ومجموعة هيدروكسيل حرة () في الأسفل. ترتبط مجموعة الفوسفات أعلى اليسار بذرة الكربون الأخيرة لجزيء السكر. نُسمِّي هذا بالطرف لشريط DNA. أما أسفل هذا الشريط فترتبط مجموعة الهيدروكسيل الحرة بذرة الكربون الأخيرة لجزيء السكر؛ ولذا نُسمِّي هذا بالطرف لشريط DNA.

والآن، انظر إلى الشريط الموجود في الطرف الأيمن من شكل 9. هل يمكنك رؤية موقع الطرفين و لهذا الشريط؟ يقع الطرف في الأسفل، أما الطرف فيقع في الأعلى! عندما يرتبط شريطا DNA معًا نتيجة تزاوُج القواعد المتكاملة، فإنهما يَكونان متوازيين ومتعاكسين في الاتجاه. هذا يعني أن شريطَي DNA لكلٍّ منهما نهايتان مختلفتان (، ) على الجانب نفسه، كما ترى في شكل 9. وهذا التوازي المتعاكس سمة مميِّزة أخرى لجزيء DNA.

والآن، بعد أن تعرَّفنا على تركيب جزيء DNA، قد تتساءل كيف لهذا الجزيء المعقَّد أن يخزِّن المعلومات الوراثية! تلعب القواعد النيتروجينية التي تعلَّمناها للتو دورًا مهمًّا هنا.

المعلومات التي تحتاج إليها الخلية لأداء وظائفها تُشفَّر في شريط DNA. في سلسلة عديد النيوكليوتيد، يمكن «قراءة» تتابُع القواعد النيتروجينية من الطرف للشريط إلى الطرف . يَنتج عن ترتيب القواعد شفرة وراثية يمكن للخلية ترجمتها، فتتحوَّل الشفرة إلى بروتينات محدَّدة تؤدِّي وظائف محدَّدة. على سبيل المثال، قد يَنتج عن تتابُع القواعد النيتروجينية في جزيء DNA شفرة لبروتين يتحكَّم في لون عينيك أو في شكل شعرك المجعَّد أو الأملس!

لقد تعلَّمنا أن شريطَي DNA يرتبطان نتيجة تزاوُج القواعد المتكاملة. نتناول مثالًا سريعًا لتتابُع القواعد النيتروجينية من الطرف إلى الطرف ، كما هو موضَّح في شكل 10.

تعرَّفنا حتى الآن في هذا الشارح على سمتين مميِّزتين مهمَّتين لجزيء DNA، وهما: تزاوُج القواعد المتكاملة والتوازي المتعاكس. إذا طبَّقنا ما تعلَّمناه عن هاتين الخاصيتين هنا، يمكننا بالتأكيد فَهْم تتابُع القواعد المتكاملة لجزيء DNA!

إحدى السمات المميزة أن شريطَي جزيء DNA متوازيان ومتعاكسان في الاتجاه. المعلومات الموجودة التي يحملها الشريط الموضَّح تأخذ الاتجاه . هذا يعني أن الشريط الآخر يتجه من إلى . يمكننا إضافة هذه الرموز إلى الشكل.

والآن، نفكِّر في تتابُع القواعد على الشريط المكمِّل. توجد سمة مميِّزة أخرى لجزيء DNA، وهي تزاوُج القواعد المتكاملة؛ حيث يرتبط الأدينين بالثايمين، ويرتبط الجوانين بالسيتوزين. باستخدام هذه المعلومات، يمكننا كتابة تتابُع القواعد على الشريط المكمِّل لمعرفة التتابُع المكمِّل، كما هو موضَّح في شكل 11.

إذن الشريط المقابل من جزيء DNA يحمل النسخة المكمِّلة للشفرة التي يحملها الشريط الأول. وهذا يعني بالضرورة أن جزيء DNA واحدًا يحمل نسختين متكاملتين من المعلومات نفسها!

مثال ٤: استنتاج التتابُع المكمِّل لشريط من الحمض النووي (DNA)

يحتوي شريط DNA على التتابُع:

اذكر التتابُع المقابل على الشريط المكمِّل، بالقراءة في الاتجاه .

1. CACATGTG
2. TATACGCG
3. ATATGCGC

الحل

يتكوَّن الحمض النووي (DNA) من سلسلتين من عديد النيوكليوتيد متوازيتين ومتعاكستين في الاتجاه. توجد أربعة أنواع مختلفة من القواعد النيتروجينية في جزيء DNA، وهي: الأدينين (A)، والجوانين (G)، والثايمين (T)، والسيتوزين (C). يرتبط شريطا DNA معًا نتيجة تزاوُج القواعد المتكاملة: يرتبط الأدينين بالثايمين بواسطة رابطتين هيدروجينيتين، أما الجوانين فيرتبط بواسطة السيتوزين بثلاث روابط هيدروجينية.

التتابُع المعطى في السؤال الذي يُقرأ في الاتجاه من إلى هو:

هيا نطبِّق ما تعلَّمناه لمعرفة التتابُع المكمِّل، من الطرف إلى الطرف له. يمكننا إعادة كتابة القواعد كالآتي:

• A T
• G C
• T A
• C G

وبذلك يكون تتابُع شريط DNA المكمِّل هو:

إذن الخيار الصحيح هو:

في جزيء DNA المكوَّن من شريطين، ونظرًا لأن الأدينين على أحد الشريطين يمكنه الارتباط فقط بالثايمين على الشريط المقابل، فهذا يعني أن عدد قواعد الأدينين في هذا الجزيء لا بد أن يساوي عدد قواعد الثايمين. وبالطريقة نفسها، بما أن الجوانين يمكنه الارتباط بالسيتوزين فقط، فهذا يعني أن عدد قواعد الجوانين لا بد أن يساوي عدد قواعد السيتوزين. على سبيل المثال، إذا احتوى جزيء DNA على 20 قاعدة من الأدينين، فهذا يعني أنه يحتوي على 20 قاعدة من الثايمين أيضًا. يُسمَّى ذلك قاعدة تشارجاف، وهذه تُفيد في حساب النسب المئوية لقواعد معيَّنة في جزيء DNA.

كيفية حساب النسب المئوية للتراكيب باستخدام قاعدة تشارجاف

عندما يرتبط شريطا الحمض النووي (DNA) معًا، تتكوَّن روابط هيدروجينية بين قواعدهما النيتروجينية. في جزيء DNA، يرتبط الأدينين دائمًا بالثايمين على الشريط المقابل، ويرتبط الجوانين دائمًا بالسيتوزين على الشريط المقابل. وهذا ما يُسمَّى «تزاوُج القواعد المتكامِلة». وهذا ما يوضِّحه الشكل الآتي.

وبسبب تزاوُج القواعد المتكامِلة، لا بد أن يتساوى دائمًا عدد قواعد الأدينين في جزيء DNA مع عدد قواعد الثايمين. وبالمثل، يجب أن يتساوى دائمًا عدد قواعد الجوانين مع عدد قواعد السيتوزين. يُسمَّى ذلك قاعدة تشارجاف.

باستخدام قاعدة تشارجاف، يمكننا حساب النسب المئوية للقواعد المختلفة الموجودة في جزيء DNA. هيا نفهم كيف نفعل ذلك.

دعونا نُطلِق على العدد الإجمالي للقواعد B_total، ويكون عدد القواعد في كل نوع من النيوكليوتيدات B_A في الأدينين، وB_T في الثايمين، وB_C في السيتوزين، وB_G في الجوانين.

وباستخدام قاعدة تشارجاف، نعلم أن:

وأخيرًا:

هيا نُطبِّق ذلك في مثال.

في الشكل السابق، يحتوي هذا المقطع الممتد على 12 زوجًا من القواعد. وبما أن لدينا 12 زوجًا، فهذا يعني أن إجمالي عدد القواعد هو 24:

نفترض أننا نعلم أن 4 من هذه القواعد سيتوزين:

بما أن B_C B_G:

يمكننا بعد ذلك تحديد عدد القواعد المتبقية بعد استبعاد قواعد السيتوزين والجوانين: أو:

تُخبرنا هذه المجموعة من العمليات الحسابية أن عدد القواعد المتبقية بعد استبعاد قواعد السيتوزين والجوانين هو 16.

بعد ذلك، وفقًا لقاعدة تشارجاف: يمكننا استنتاج أن القواعد الست عشرة المتبقية تتوزَّع مناصفةً بين الأدينين والثايمين:

وبما أن B_A = B_T:

إذن يمكننا التحقُّق من هذه القيم بمقارنتها بما نراه على الشكل. يمكنك عدُّ القواعد A وT وC وG للتحقُّق من الحل.

لحساب النسب المئوية، نقسم عدد قواعد نوع معيَّن على إجمالي عدد القواعد، ثم نضرب الناتج في :

بإجراء هذه العملية الحسابية لكل قاعدة من القواعد، نحصل على المعلومات الموضَّحة في الجدول الآتي.

القاعدة	العدد	النسبة المئوية
الأدينين	8
الثايمين	8
السيتوزين	4
الجوانين	4

والآن، بعد أن تعرَّفنا على تركيب جزيء DNA، هيا نتعرَّف على تاريخ اكتشاف هذا التركيب، والعلماء الذين ساهم عملهم في هذا الاكتشاف.

في عام 1953، اقترح جيمس واطسون وفرانسيس كريك للعالَم نموذج اللولب المزدوج للحمض النووي (DNA)، بناءً على الأبحاث التي أجراها من سبقوهما من العلماء. وفي عام 1962، فاز العالمان، إلى جانب موريس ويلكنز، بجائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب عن عملهما الذي عُرِف بأنه حدث بارز في تاريخ العلوم. مع ذلك، لم يُنسَب الفضل لأحد العلماء رغم ما قدَّمه من إسهامات مهمة. فلولا العمل الذي قامت به روزاليند فرانكلين، لكان من المستحيل التوصُّل إلى نموذج اللولب المزدوج للحمض النووي (DNA).

ففي لندن، عام 1951، بدأت روزاليند فرانكلين دراسة تركيب جزيء DNA، بناءً على الدراسات التي أجراها موريس ويلكنز. وقد كانت على دراية واسعة بتقنية تُسمَّى التصوير البلوري بالأشعة السينية، وهو ما استخدمته للحصول على صور فوتوغرافية لبلورات معزولة من الحمض النووي. هيا نفهم سريعًا كيفية استخدام هذه التقنية.

عند اختراق الأشعة السينية التراكيب البلورية، فإنها تحيد أو تتفرَّق في اتجاهات عديدة مختلفة. يمكن التقاط صورة فوتوغرافية لأنماط الحيود الناتجة. ويمكن للعلماء بعد ذلك دراسة أنماط الحيود هذه واستنتاج التركيب الجزيئي للبلورات.

تمكَّنت روزاليند فرانكلين مع فريقها من الحصول على العديد من الصور الفوتوغرافية للتركيب البلوري لجزيء DNA. وفي عام 1952، كانت الصورة رقم 51 التي التقطوها دليلًا قويًّا على أن جزيئات DNA تتخذ شكل اللولب المزدوج. الصورة أظهرت جزيء DNA كما يظهر من الأعلى. وقد أوضحت هذه الصورة أن جزيء DNA يحتوي على شريطين؛ نظرًا لأن قطر الجزيء كان أكبر من أن يحتوي على شريط واحد. كما أوضحت أن القواعد النيتروجينية أو «الدرجات» التي يتكوَّن منها هذا التركيب كانت تقع على الجانب الداخلي من الجزيء. اشتهرت هذه الصورة التاريخية باسم الصورة 51.

ودون معرفة روزاليند فرانكلين أو موافقتها، عرض موريس ويلكنز الصورة 51 على جيمس واطسون، إلى جانب جميع البيانات التي حصلت عليها فرانكلين. استخدم بعد ذلك جيمس واطسون وشريكه في البحث، فرانسيس كريك، هذه المعلومات لاقتراح نموذج اللولب المزدوج للحمض النووي (DNA). نُشِر هذا النموذج عام 1953، دون ذكر ما أسهمت به روزاليند فرانكلين!

ومع الأسف، تُوفِّيت روزاليند فرانكلين بعد صراع مع سرطان المبيض عام 1958. ولم تَنَل طيلة حياتها أي تكريم أو تشريف عن اكتشافها الرائد. وبعد وفاتها، حصل واطسون وكريك وويلكنز على جائزة نوبل عام 1962، لكن الأمر استغرق سنوات عديدة حتى حازت إسهامات فرانكلين على التشريف المناسب.

إن معرفة تركيب جزيء DNA أمر بالغ الأهمية بالنسبة إلى العلوم الحديثة والرعاية الصحية. وكان من المستحيل التوصُّل إلى ابتكارات مثل الهندسة الوراثية والعلاج الجيني والعديد من التقنيات التشخيصية دون أن يتوصَّل العلماء للفهم الكامل لتركيب جزيء DNA ووظائفه. ولذلك، عندما ندرس الحمض النووي، من المهم أيضًا أن نتعرَّف على تاريخ اكتشافه والإسهامات القيِّمة التي قدَّمها جميع العلماء الذين عكفوا على اقتراح نموذج للحمض النووي الذي نعرفه اليوم!

هيا نلخِّص كلَّ ما تعلَّمناه عن الحمض النووي (DNA) وتركيبه واكتشافه.