شارح الدرس: الأحماض النووية الأحياء • الصف الأول الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف تركيب النيوكليوتيدات والأحماض النووية، ونوضِّح أهمِّيَّتها بالنسبة إلى الكائنات الحية.

الأحماض النووية هي نوع من الجزيئات الكبيرة التي تتكيَّف لتخزين المعلومات ونقْلها. وقد سُميت الأحماض النووية بهذا الاسم لأنه عُثِرَ عليها للمرة الأولى في نواة الخلية. هناك نوعان من الأحماض النووية: الحمض النووي الريبوزي المنقوص الأكسجين أو DNA، والحمض النووي الريبوزي أو RNA. وعلى الرغم من أن الأحماض النووية اكتُشفت للمرة الأولى في نوى الخلايا الحقيقية النوى، فإنها موجودة في جميع الكائنات الحية، بما في ذلك الكائنات البدائية النوى التي ليس بها نواة من الأساس.

الأحماض النووية هي بوليمرات، بمعنى أنها جزيئات كبيرة مكوَّنة من عدة مونومرات أو وحدات جزيئية فرعية متكررة. تُسمى المونومرات المُكوِّنة للأحماض النووية بالنيوكليوتيدات. وتتكون النيوكليوتيدة الواحدة من ثلاثة أجزاء هي: مجموعة فوسفات وسكر خماسي وقاعدة نيتروجينية. يوضِّح الشكل (1) التركيب الأساسي للنيوكليوتيدة.

مثال ١: التعرُّف على وحدات المونومر في بوليمرات الأحماض النووية

تعتبر الأحماض النووية بوليمرات. ما وحدات المونومر للأحماض النووية؟

الحل

البوليمر هو جزيء كبير مكوَّن من عدة جزيئات أصغر متشابهة ومترابطة معًا. تتضمن الأحماض النووية الحمض النووي المنقوص الأكسجين (DNA) والحمض النووي الريبوزي (RNA)، وعلى الرغم من وجود بعض الاختلافات بينهما، فإن كليهما جزيء كبير يتكون من شرائط مكوَّنة من جزيئات أصغر تُسمى النيوكليوتيدات. تتكون النيوكليوتيدة الواحدة من مجموعة فوسفات وقاعدة نيتروجينية واحدة من القواعد النيتروجينية الخمس المختلفة وسكر خماسي. تحتوي الأنواع المختلفة من النيوكليوتيدات على نوعين مختلفين من السكريات الخماسية وهما: سكر الريبوز المنقوص الأكسجين في جزيء DNA، وسكر الريبوز في جزيء RNA. يوضِّح الشكل التالي التركيب الأساسي لجزيء DNA، مع تحديد أحد النيوكليوتيدات.

باستخدام هذه المعلومات والشكل أمامنا، يمكننا استنتاج أن وحدات المونومر للأحماض النووية هي النيوكليوتيدات.

السكريات الخماسية هي جزيئات السكر التي تحتوي على خمس ذرات من الكربون. وهناك نوعان من السكريات الخماسية في الأحماض النووية: سكر الريبوز المنقوص الأكسجين، وسكر الريبوز. ويمكننا أن نستنتج من الاسمين أن سكر الريبوز المنقوص الأكسجين يدخل في تركيب الحمض النووي الريبوزي المنقوص الأكسجين أو DNA، وسكر الريبوز يدخل في تركيب الحمض النووي الريبوزي أو RNA. يوضِّح الشكل (2) تركيب كلٍّ من سكر الريبوز المنقوص الأكسجين وسكر الريبوز.

هناك خمسة أنواع من القواعد النيتروجينية: الأدينين والثايمين والسيتوزين والجوانين واليوراسيل. وعادةً ما تُمثَّل هذه القواعد بالأحرف: (A)، (T)، (C)، (G)، (U) على الترتيب. تدخُل قاعدة الثايمين في تركيب نيوكليوتيدات جزيء DNA فقط، في حين تدخل قاعدة اليوراسيل في تركيب نيوكليوتيدات جزيء RNA فقط.

تتصل كل قاعدة نيتروجينية بذرَّة الكربون رقم 1 لجزيء السكر الخماسي، سواء كان سكر الريبوز أم سكر الريبوز المنقوص الأكسجين. أما مجموعة الفوسفات فتتصل بذرَّة الكربون رقم 5 لجزيء السكر. يوضِّح الشكل (3) تركيب القواعد النيتروجينية الخمس.

نتيجة لعملية البلمرة تتحد النيوكليوتيدات معًا لتكوين الحمض النووي، حيث تتصل النيوكليوتيدات المتجاورة معًا عن طريق تفاعل كيميائي يُسمى بتفاعل التكثيف، والذي يُشار إليه أيضًا بتفاعل نزع الماء. تتشكل رابطة تساهمية بين مجموعة الفوسفات في إحدى النيوكليوتيدات وجزيء السكر الخماسي في النيوكليوتيدة المجاورة لها، وهو ما ينتُج عنه جزيء ماء. هذه الرابطة التساهمية التي تتكون بين مجموعة الفوسفات وجزيئي السكر تُسمى بالرابطة الفوسفاتية الثنائية الإستر. تشكِّل هذه الروابطُ القوية سلسلةً تركيبية مستقرة يشار إليها بهيكل السكر والفوسفات. ويوضِّح الشكل (4) هذه العملية.

تخزِّن الأحماضُ النوويةُ المعلوماتِ الوراثيةَ وتنقلها. وبما أن هيكل السكر والفوسفات للحمض النووي لا يتغير، فإن المعلومات الوراثية تتحد بناءً على تتابع القواعد النيتروجينية المختلفة أو ترتيبها.

يتكيف الحمض النووي (DNA) على وجه التحديد لتخزين المعلومات ونقلها إلى خلايا النسل أو الكائنات الحية. وفي الواقع، من الممكن أن يحمل الكروموسوم الواحد ما يقرب من 250 MB من البيانات. قد لا يبدو هذا كبيرًا، لكن البيانات الموجودة في DNA هي التي تجعلك ما أنت عليه. ومن ثم، لا بد أن تكون البيانات المخزنة في DNA مستقرة ودقيقة وقابلة للنسخ بسهولة.

يتكون جزيء DNA من شريطين من النيوكليوتيدات يرتبطان معًا عن طريق الروابط الهيدروجينية التي تنشأ بين أزواج القواعد النيتروجينية. ونظرًا لتركيب النيوكليوتيدات، يأخذ الحمض النووي (DNA) شكل سُلَّم ملتفٍّ يسمى اللولب المزدوج، حيث يمثِّل هيكلُ السكر والفوسفات جانبَي السلم، بينما تمثِّل كلُّ قاعدتين مرتبطتين معًا بروابط هيدروجينية درجاتِ هذا السلم. يوضِّح الشكل (5) صورة لتركيب اللولب المزدوج.

يحدد تتابع القواعد المعلومات الوراثية المخزَّنة في جزيء DNA، ونظرًا للدور المهم الذي يقوم به هذا التتابع، يجب أن يكون بالترتيب الصحيح. تُقرأ القواعد على طول أحد الشريطين في الاتجاه من (خمسة شرطة) إلى (ثلاثة شرطة). وهذا الاتجاه يتحدد حسب موضع ذرتَي الكربون الثالثة والخامسة في السكر الخماسي داخل كل نيوكليوتيدة، وهو ما يمكن ملاحظته في الشكل (2) والشكل (4). أما الشريط المكمِّل، فيشير إلى الاتجاه المعاكس، أيْ من إلى . يطلق على هذا الترتيب «التوازي المتعاكس»، ويوضِّح الشكلان (5) و(6) شريطين متوازيين متعاكسين في جزيء DNA.

تتَّبع القواعد النيتروجينية قواعد معينة عند ارتباط كلٍّ منها بالأخرى. على سبيل المثال، في جزيء DNA، يرتبط الأدينين بالثايمين فقط، بينما يرتبط السيتوزين بالجوانين فقط. يُشار إلى ذلك بـ «قواعد تزاوج القواعد»، وإذا نظرنا إلى الشكلين (5) و(6)، فسنجد أنه في جزيء DNA يقترن الأدينين، الذي يرمز له بالحرف A، دائمًا بالثايمين، الذي يرمز له بالحرف T؛ ويقترن السيتوزين، الذي يرمز له بالحرف C، دائمًا بالجوانين الذي يرمز له بالحرف G. يوصف شريطا النيوكليوتيدات المكوَّنان من أزواج قواعد بأنهما «متكاملان»؛ وذلك لأنهما يتوافقان معًا مثل قطعتَي الأحجية.

مثال ٣: كتابة تتابع مُكمِّل لشريط من الحمض النووي (DNA)

يحمل شريط مفرد من الحمض النووي (DNA) التتابع لآتي:

عند القراءة على الشريط المُكمِّل من إلى كيف يجب أن يكون تتابع قواعد الحمض النووي (DNA)؟ لا تحتاج إلى تضمين أو .

الحل

كلٌّ من الشريطين المتكاملين في الحمض النووي (DNA) موازٍ للآخر لكن في الاتجاه المعاكس له، بمعنى أنهما في اتجاهين متعاكسين. إذن، إذا كان التتابع يُقرأ في أحد الشريطين من إلى في الاتجاه من اليسار إلى اليمين، فإنه سيُقرأ من إلى في الاتجاه من اليسار إلى اليمين على الشريط المكمِّل الآخر. تعتمد تتابعات الحمض النووي (DNA) على ترتيب القواعد النيتروجينية في شريط النيوكليوتيدات. كل قاعدة نيتروجينية ترتبط فقط بالقاعدة المكمِّلة لها. في جزيء DNA، يرتبط الأدينين (A) فقط بالثايمين (T)، ويرتبط السيتوزين (C) فقط بالجوانين (G). إذن، لكل قاعدة أدينين (A)، في التتابع المعطى في السؤال، علينا وضع قاعدة ثايمين (T) في الشريط المكمِّل. ولكل قاعدة سيتوزين (C)، علينا وضع قاعدة جوانين (G)، بمعنًى آخر، كل قاعدة (T) سيقابلها قاعدة (A)، وكل قاعدة (G) سيقابلها قاعدة (C).

ومن ثم، باستخدام قواعد تزاوُج القواعد هذه، يمكننا القول إن تتابع DNA في الشريط المكمِّل يجب أن يكون TAATAACGCG.

من السهل نسبيًّا كسر الروابط الهيدروجينية التي تربط شريطَي النيوكليوتيدات هذين معًا، وفي هذه الحالة لن تقترن قواعد النيوكليوتيدة إلا بقواعد معينة مكمِّلة لها. هذه السمات التي يختص بها الحمض النووي (DNA) هي التي تمكِّنه من حمل كمية كبيرة من المعلومات ونَسْخها بسرعة وبدقة. بجانب هذا، يتميز جزيء DNA تحديدًا بأنه جزيء مستقر، وهذا ما يجعله يتكيف جيدًا مع وظيفته المتعلقة بتخزين المعلومات الوراثية.

يُطلق على قواعد تزاوُج القواعد عادةً اسم «قواعد تشارجاف» على اسم العالم الذي طوَّرها. في أربعينيات القرن العشرين، اكتشف إروين تشارجاف، أحد علماء الكيمياء، أنه في عينة الحمض النووي (DNA) الواحدة لأيِّ نوع، يكون تركيز قواعد الأدينين مساويًا لتركيز قواعد الثايمين. وبالمثل، يكون تركيز السيتوزين مساويًا لتركيز الجوانين. ونتيجةً لهذا الاكتشاف ظهرت قواعد تزاوُج القواعد التي ذكرناها سابقًا.

يمكننا أيضًا استخدام هذه المعلومات لحساب النسبة المئوية للقواعد المختلفة المكوِّنة لعينة من DNA. عندما نعلم إجمالي عدد النيوكليوتيدات في العينة وكمية نوع واحد فقط من القواعد، يمكننا استخدام قواعد تشارجاف لتحديد النسبة المئوية للقواعد النيتروجينية الأربع المختلفة المكوِّنة للعينة.

طريقة الحل: حساب النسبة المئوية للقواعد النيتروجينية باستخدام قواعد تشارجاف (قواعد تزاوُج القواعد).

تنص قواعد تزاوُج القواعد للحمض النووي (DNA)، بين الشريطين المتكاملين، أن الأدينين دائمًا ما يقترن بالثايمين، والسيتوزين دائمًا ما يقترن بالجوانين. وهذا ما يوضِّحه الشكل التالي.

بناءً على ذلك، يمكننا استنتاج أنه في أيِّ عينة DNA، يكون عدد قواعد الأدينين مساويًا لعدد قواعد الثايمين، كما يكون عدد قواعد السيتوزين مساويًا لعدد قواعد الجوانين.

يمكن استخدام هذه المعلومات لحساب عدد القواعد والنسبة المئوية لكل نوع منها في عينة DNA باستخدام بيانات بسيطة جدًّا.

دعونا نطلق على إجمالي عدد القواعد .

سنسمي عدد القواعد في كل نوع من النيوكليوتيدات ، ، ، لعدد قواعد الأدينين والثايمين والسيتوزين والجوانين على الترتيب.

باستخدام قاعدة تشارجاف، نعرف أن: وأيضًا أن: وأخيرًا أن:

دعونا نطبق ما عرفنا على مثال.

في الشكل السابق، يحتوي المقطع الموضَّح على 12 زوجًا من القواعد.

وبما أن لدينا 12 زوجًا، فإن إجمالي عدد القواعد سيساوي 24:

لنفترض أننا علمنا أن أربعًا من هذه القواعد هو السيتوزين:

وبما أن ، فإن:

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

توضِّح لنا مجموعة العمليات الحسابية هذه أن عدد القواعد المتبقية بعد استبعاد قواعد السيتوزين والجوانين هو 16.

وبما أنه، وفقًا لقاعدة تشارجاف: يمكننا استنتاج أن نصف القواعد الـ 16 المتبقية هي الأدينين، ونصفها الآخر هو الثايمين:

وبما أن ، فإن:

يمكننا التحقق من هذه القيم ومقارنتها بما نراه في الشكل. سنرصد عدد القواعد G ،C ،T ،A للتحقق مما تَوصَّلنا إليه.

نحن نعرف الآن عدد كل نوع من أنواع القواعد الموجودة في العينة التي تحتوي على 24 قاعدة إجمالًا؛ إذن، دعونا نحسب النسبة المئوية لكلٍّ منها.

لحساب النسبة المئوية، سنقسم عدد نوع واحد من القواعد على إجمالي عدد القواعد، ونضرب القيمة الناتجة في .

على سبيل المثال:

إذا أكملنا هذه العملية الحسابية لكل نوع من القواعد، فسنحصل على المعلومات الواردة في الجدول التالي.

القاعدة	العدد	النسبة المئوية
أدينين	8
ثايمين	8
سيتوزين	4
جوانين	4

كذلك، إذا كان لدينا إجمالي عدد النيوكليوتيدات وعدد نوع واحد فقط من القواعد، يمكننا حساب عدد كلٍّ من القواعد الأربع والنسبة المئوية لكلٍّ منها في عينة DNA.

مثال ٤: حساب النسبة المئوية للقواعد في نيوكليوتيدات الحمض النووي (DNA)

يحتوي جزيء من الحمض النووي (DNA) على 180 قاعدة. 18 من هذه القواعد أدينين.

1. ما نسبة الثايمين بين القواعد؟
2. ما نسبة الجوانين بين القواعد؟

الحل

الجزء الأول

يعطينا هذا السؤال بعض المعلومات عن مقطعٍ من جزيء DNA. أخبرنا السؤال أولًا أن الجزيء يحتوي على 180 قاعدة، وأن 18 من الـ 180 قاعدة هذه أدينين.

يتكون جزيء DNA من شريطين متكاملين. وعندما نقول إن الشريطين متكاملان، فإننا نعني أنهما يكمِّل أحدهما الآخر وفقًا لنمط معين. في هذه الحالة، هذا النمط هو ما يعرف بـ «قواعد تزاوُج القواعد». هذه القواعد تنص على أنه عندما يحتوي أحد الشريطين في جزيء DNA على الأدينين، فإن الشريط الآخر المكمِّل له سيحتوي على قاعدة ثايمين. وبالمثل، عندما يحتوي أحد الشريطين على الجوانين، فإن الشريط المكمِّل له سيحتوي على السيتوزين. توضِّح صورة جزيء DNA الواردة بالأسفل مثالًا على تطبيق قواعد تزاوج القواعد.

بمعرفة هذا، يمكننا استنتاج أنه إذا كان هناك 18 قاعدة أدينين في جزء DNA، فسيكون هناك 18 قاعدة ثايمين؛ لأن كل قاعدة أدينين ستقترن بقاعدة ثايمين. يطلب منا السؤال إيجاد النسبة المئوية لتركيب قواعد الثايمين.

ولتحويل العدد إلى نسبة مئوية، علينا قسمة عدد نوع معين من القواعد على إجمالي عدد القواعد، ثم ضرب القيمة الناتجة في :

الجزء الثاني

لدينا الآن إجمالي عدد القواعد وعدد قواعد الأدينين وعدد قواعد الثايمين. إذن، باستخدام هذه الأعداد، يمكننا حساب عدد قواعد الجوانين والسيتوزين:

تنطبق على قواعد السيتوزين والجوانين نفس القواعد التي استخدمناها لكلٍّ من الأدينين والثايمين. من بين الـ 144 قاعدة المتبقية، وبما أن السيتوزين والجوانين زوج متكامل، فسيكون النصف سيتوزين، والنصف الآخر جوانين:

باستخدام العمليات الحسابية بالأعلى، نجد أن هناك 72 قاعدة سيتوزين و72 قاعدة جوانين.

مرة أخرى، المطلوب منا في السؤال هو النسبة المئوية للجوانين، وليس عددها. وللحصول على هذه القيمة، علينا قسمة عدد قواعد الجوانين على إجمالي عدد القواعد، ثم ضرب القيمة الناتجة في :

يؤدي جزيئَا DNA وRNA وظائف مختلفة في الخلايا الحية. يخزِّن جزيءُ DNA المعلوماتِ الوراثيةَ، ويقوم جزيء RNA بنسخ هذه المعلومات لنقلها من مكان لآخر. تحديدًا، يحمل جزيء RNA الشفرة الوراثية من جزيء DNA في النواة إلى أجزاء الخلية المسئولة عن تخليق البروتينات.

ولكي يتحقق ذلك، ينفصل الشريطان في جزيء DNA وتقترن النيوكليوتيدات في جزيء RNA بالقواعد المكشوفة في جزيء DNA لتكوِّن شريطًا مفردًا من المعلومات التي يمكن نقلها إلى مكان آخر. وهذا ما يوضِّحه الشكل (7).

عندما ينسخ جزيء RNA المعلومات من الحمض النووي (DNA)، فإنه يتبع مجموعة مشابهة لقواعد تزاوُج القواعد. يرتبط السيتوزين والجوانين معًا كالمعتاد، وعندما يحتوي جزيء DNA على ثايمين، فإنه يقترن بقاعدة أدينين في جزيء RNA، لكن عندما يحتوي جزيء DNA على الأدينين، فإنه يقترن بقاعدة يوراسيل بدلًا من الثايمين في جزيء RNA. وهذا ما يوضِّحه الشكل (8) والجدول (1).

الأحماض النووية هي جزيئات تحدِّد ماهية الخلايا، والآلات الخلوية وكيفية تكوينها. وبفضل تكيُّفات الأحماض النووية، أصبحت ملائمة بشكل خاص لوظيفتها في تخزين البيانات ونقلها.

دعونا نلخص ما تعلمناه في هذا الشارح.