شارح الدرس: النواة الأحياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف تركيب نواة الخلية الحقيقية النواة، ونتذكَّر تركيب الكروماتين والكروموسومات ووظائفهما.

تحتوي كل خلية بشرية على مترين من الحمض النووي (DNA) المعبَّأ والمنظَّم بإحكام. إذا وُضِعَت جميع شرائط DNA الموجودة في خلايا الإنسان معًا، فإن طولها يُمكن أن يبلغ 6.2 مليار كيلومتر، وهو ما يفوق المسافة من الأرض إلى الشمس بنحو 41 مرة!

على الرغم من أن مصطلح «الحيوانات» لا يُستخدَم عادة للإشارة إلى البشر، فإنه وفقًا لنظام التصنيف الحديث، يُصنَّف البشر ضمن المملكة الحيوانية، لأن أجسامنا بصفة عامة تتكوَّن من تريليونات الخلايا الأساسية ذاتها الموجودة في الحيوانات الأخرى، وهي ما تُسمى الخلية الحيوانية. الخلية الحيوانية هي أحد أنواع الخلايا الحقيقية النوى. وهذا يعني أن جميع خلايانا تَحتوي على نواة، مع بعض الاستثناءات البسيطة، مثل خلايا الدم الحمراء الناضجة. وبشكل عام، كل كائن حي معروف متعدد الخلايا هو حقيقي النواة، سواء أكان من النباتات أو الحيوانات أو الفطريات، لكن بعض حقيقيات النوى كائنات وحيدة الخلية، مثل الأميبا أو فطر الخميرة.

تختلف الخلايا الحقيقية النوى اختلافًا طفيفًا في نسبة العُضَيَّات المختلفة التي تحتوي عليها؛ ويرجع ذلك إلى اختلاف وظائفها. على سبيل المثال، أَلْقِ نظرة على الشكل 1 الموضَّح بالأسفل. يحتاج الحيوان المنوي إلى الكثير من الطاقة للتحرُّك نحو البويضة؛ ومن ثمَّ سيتطلب مزيدًا من الميتوكوندريا لتوفير هذه الطاقة مقارنةً ببعض الخلايا الأخرى. على سبيل المثال، خلايا الدم الحمراء لا تحتوي على أيِّ ميتوكوندريا؛ لأنها لا تحتاج إلى كمية الطاقة التي يحتاج إليها الحيوان المنوي، ويرجع ذلك إلى أنها تتحرك بمساعدة عوامل أخرى.

تحتوي جميع الخلايا الحقيقية النوى على السيتوبلازم، وهو سائل هلامي يحتوي على الماء، وأملاح ذائبة، وجزيئات عضوية أخرى. كما يُعد السيتوبلازم موطنًا للعديد من العُضَيَّات والتراكيب الأخرى؛ على سبيل المثال، تُوجَد الميتوكوندريا لإطلاق الطاقة، والريبوسومات لتخليق البروتين، والبلاستيدات الخضراء في الخلايا النباتية للقيام بعملية البناء الضوئي.

العُضَيَّة التي سنركِّز عليها في هذا الشارح هي النواة، وكذلك الشيء الذي يجعلها مميزة للغاية لدرجة أن جميع خلايا الكائنات الحية المعقدة تقريبًا تحتاج إليها لأداء وظائفها بفاعلية. لكي نفهم ذلك، علينا أن نتعرف على المادة الثمينة التي تعمل النواة على حفظها، وهي الحمض النووي (DNA) . بعد ذلك، سنتعرَّف أكثر على التركيب المعقد للنواة ذاتها.

تُوجَد الكروموسومات في النواة، ويتكوَّن كلٌّ منها من شريط طويل من DNA. يحتوي كل شريط من شرائط DNA على العديد من الجينات المختلفة، وهي مقاطع من DNA تُشفَّر لإنتاج بروتينات معينة ضرورية لأنشطة الخلية.

الانقسام الميوزي هو نوع من الانقسام الخلوي الذي يحدث للخلية الحقيقية النواة لإنتاج الجاميتات (البويضات والحيوانات المنوية عند البشر). وخلال الانقسام الميوزي، تتضاعف هذه الكروموسومات أولًا في عملية تُعرَف بتضاعف DNA. بعد ذلك، تُقسَّم الكروموسومات ويُعاد ترتيبها مرتين، ويَنتج عن ذلك تكوين جاميتات تحتوي على نصف المعلومات الوراثية للخلية الأبوية الأصلية. الجينات الموجودة في الكروموسومات قابلة للتوريث. وهذا يعني أن الجينات يمكن أن تُنقل من الأبوين إلى النسل عندما تَندمج البويضة مع الحيوان المنوي عند الإخصاب.

يتكوَّن كل كروموسوم بشري من جزيء DNA طويل جدًّا، وإذا تم فك التفافه، فسيبلغ متوسط طوله 4.8 سنتيمترات. وهذا طول كروموسوم واحد فقط من أصل 46 كروموسومًا في نواة كل خلية من الخلايا الجسمية؛ إذن، ثمة مشكلة كبيرة في التعبئة!

لتجنُّب هذه المشكلة، يتشكَّل الكروماتين داخل النواة عندما ترتبط شرائط DNA الموجودة في الكائنات الحقيقية النوى وتلتفُّ حول بروتينات معينة تُسمى الهستونات. وهذا مفيد في عملية تكثيف DNA بشكل دقيق. يلتفُّ الكروماتين ويتكثَّف لتكوين الكروموسومات، والتي قد تتكون من كروماتيد واحد قبل تضاعُف DNA، أو كروماتيدَيْن بعد التضاعف.

هذه المصطلحات يسهل الخلط بينها، وتحتاج إلى قدر من التدريب لاستخدامها في السياق الصحيح، لكن يُوضِّح الشكل 2 كيف ترتبط هذه المصطلحات معًا.

يحتوي الكروموسوم الموجود في أعلى الجانب الأيسر من هذا الشكل على كروماتيدين، كلٌّ منهما يتكوَّن من شريط طويل من DNA يلتفُّ حول بروتينات هستونية. وتَظهر الكروموسومات بهذه الصورة بعد تضاعُف DNA، وقبل انفصالها في الانقسام الخلوي. ويُرجَّح أن تَظهر الكروموسومات بهذه الصورة خلال الطَّوْر الاستوائي للانقسام الميتوزي، قبل أن ينفصل الكروماتيدين في الطور الانفصالي.

لا تَظهر الكروموسومات في الخلايا الحقيقية النوى تحت المجهر الضوئي إلا أثناء عملية الانقسام الخلوي. يُوجَد نوعان أساسيان من الانقسام الخلوي في حقيقيات النوى، وهما الانقسام الميوزي، الذي ذكرناه سابقًا، والانقسام الميتوزي. على النقيض من الانقسام الميوزي الذي يُنتِج أربع خلايا تَحتوي كلٌّ منها على نصف المادة الوراثية الموجودة في الخلية الأبوية، يُنتِج الانقسام الميتوزي خليتين بَنَوِيَّتين متطابقتين جينيًّا تحتويان على نفس مجموعة المادة الوراثية الكاملة الموجودة في الخلية الأبوية.

خلال دورة الخلية، تمضي الخلية العادية معظم حياتها في مرحلة تُعرَف باسم الطور البَّيْني، تقوم خلالها بتحضيرات استعدادًا لإجراء عملية الانقسام الميتوزي. أثناء الطور البَيْني، تُنسخ المادة الوراثية لكل كروموسوم في الخلية تمامًا بحيث تحتوي الخلية البَنَوِيَّة الجديدة على DNA نفسه الموجود في الخلية الأبوية الأصلية من خلال عملية تضاعُف DNA.

يوضِّح الشكل 3 تركيب الكروموسوم بعد عملية تضاعُف DNA، وقبل انفصال الكروماتيدين أثناء الانقسام الخلوي.

يحتوي الكروموسوم الموضَّح في الشكل 3 على كروماتيدَيْن شقيقين متطابقين يلتقيان عند السنترومير. يصبح الكروموسوم مرئيًّا عندما يلتفُّ DNA حول بروتينات هستونية لتكوين الكروماتين الذي يَتكثَّف بدرجة أكبر حتى يُشكِّل كروموسومات مكثَّفة بإحكام. بعد ذلك، يُصبح الكروموسوم جاهزًا للانقسام في عملية الانقسام الميتوزي، لتتكون خليتان لهما حمض نووي متطابق.

النواة هي عُضَيَّة كروية الشكل تحتوي على المادة الوراثية للخلية الحقيقية النواة. وتَكون النواة غالبًا أكبر العُضَيَّات حجمًا في الخلية الحيوانية، كما هو موضَّح في الشكل 4، وعادةً ما يجري صبغها عند رؤيتها باستخدام المجهر الضوئي، وهذا يُسهِّل التعرُّف عليها في الصور الفوتوجرافية الملتقطة عن طريق المجهر، والتي تُسمى أيضًا «الصور المجهرية».

لنلقِ نظرة على المثالين الموضَّحين لصورتين مجهريتين تُظهران أنوية مرئية في خلايا مختلفة من حقيقيات النوى.

الصورة الآتية هي صورة مجهرية ملتقطة بمجهر ضوئي لبعض الألياف العضلية في الأنسجة العضلية للقلب. كل خلية من هذه الخلايا المتخصصة تحتوي على نواة واحدة بيضوية الشكل تَظهر باللون الأزرق الأرجواني الغامق.

الصورة الآتية هي صورة مجهرية ملتقطة بمجهر ضوئي، وهي عبارة عن خلايا ممتدة ومستطيلة الشكل تقريبًا من الغشاء الداخلي لنبات البصل، والمعروف علميًّا باسم «Allium cepa»؛ تم صبغها باليود. حيث يُظهر اليود نواة كل خلية على شكل دائرة صغيرة برتقالية أو بُنِّية اللون.

للنواة تركيب داخلي معقد، كما هو موضَّح في الشكل 7.

يُحيط بالنواة غشاء مزدوج يُعرف باسم الغلاف النووي، ويتصل عادةً بعُضَيَّة أخرى تُسمى الشبكة الإندوبلازمية. يَفصل الغلافُ النوويُّ بفاعليةٍ محتوياتِ النواة عن باقي أجزاء الخلية؛ وبذلك يَحمي DNA من التفاعلات التي قد تحدث داخل سيتوبلازم الخلية. يُسمى ذلك تقسيم الخلية، ويحدث في جميع العُضَيَّات التي تُوجَد بها أغشية.

يحتوي الغلاف النووي على فتحات صغيرة تُسمى المسام النووية، وهي تسمح بمرور المواد الصغيرة من خلالها بين النواة والسيتوبلازم، لكن لا تستطيع الجزيئات الكبيرة فعل ذلك. على سبيل المثال، يُعد جزيء DNA كبيرًا جدًّا على المرور من المسام النووية؛ وبهذا يَظل داخل النواة، لكن جزيئات الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) أصغر حجمًا؛ وبهذا تَستطيع المرور من المسام النووية والاتجاه إلى الريبوسومات في السيتوبلازم حيث تتم عملية تخليق البروتين.

لنستخدِمْ تشبيهًا يساعدنا على فهْم دور الغلاف النووي فهمًا أفضل. تخيَّل أن النواة مكتبة في مدرسة، تَحتوي على كمية كبيرة من المعلومات داخل الكتب (أو تَحتوي على المادة الوراثية إذا كان حديثنا عن النواة). وأبواب المكتبة تُمثِّلها المسام النووية الموجودة في الغلاف النووي. وبينما يُمكن نقل الكتب من وإلى المكتبة عبر الأبواب، فقد يَصعب نقل أشياء مثل الطاولات والكراسي وخزانات الكتب؛ لأنها كبيرة جدًّا.

تُوجَد مادة هلامية داخل الغلاف النووي تُسمى بلازما النواة. وكلمة «بلازما» تشبه ذلك المقطع الموجود في كلمة «سيتوبلازم» لسبب معين، وهو أن السيتوبلازم هو الجزء السائل من الخلية، بينما بلازما النواة هي الجزء السائل من النواة. إذ تحتوي على النُّوَيَّة والكروماتين، والعديد من المواد المختلفة، مثل النيوكليوتيدات والإنزيمات، لاستخدامها في تضاعُف DNA. لذلك تُفصل التفاعلات الكيميائية التي تَحدث في بلازما النواة عن السيتوبلازم بواسطة الغلاف النووي.

النُّوَيَّة هي منطقة كثيفة داخل النواة، تَسهُل عادةً رؤيتها في الصور المجهرية. أما الريبوسومات فتتكوَّن داخل النُّوَيَّة من البروتينات والحمض النووي الريبوزي (RNA).

وكما نلاحظ في الشكل 8، تتكوَّن الريبوسومات من وحدتين فرعيتين كبيرة وصغيرة.

تَخرج وحدتا الريبوسوم الفرعيتان الكبيرة والصغيرة من النواة عبر المسام النووية وتتجمعان معًا في السيتوبلازم أثناء عملية تخليق البروتين. تستطيع الريبوسومات أن تلتصق بالشبكة الإندوبلازمية الخشنة أو أن تظل حرة في السيتوبلازم. بعد ذلك ترتبط جزيئات mRNA، التي تنتقل أيضًا عبر المسام النووية إلى السيتوبلازم، بالريبوسومات عند الحاجة إلى إنتاج بروتينات معينة. إذن، تؤدي الريبوسومات دورًا مهمًّا في تخليق البروتين.

لنلخِّصْ بعض النقاط الرئيسية التي تناولناها في هذا الشارح.