فيديو الدرس: الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ في بدائيات النوى الأحياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف التراكيب التي تحتوي على الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ في خلايا بدائيات النوى. سوف نناقش الطبيعة الدائرية للكروموسوم في بدائيات النوى، وكيفية ضغطه، ونرى كيف نقارن ذلك بحقيقيات النوى. بعد ذلك، سوف نتعلم المزيد عن ‪DNA‬‏ غير الكروموسومي الذي يكون في صورة بلازميد، وعن بعض الوظائف التي قد يؤديها. وأخيرًا، سوف نناقش منشأ كل من الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء، ونرى كيفية تطورهما من خلايا بدائية النوى.

بدائيات النوى هي كائنات حية وحيدة الخلية تتميز عن حقيقيات النوى بأنها تفتقر إلى النواة التي تحتوي على ‪DNA‬‏. عادة تكون بدائيات النوى أصغر حجمًا من حقيقيات النوى بمقدار 10 إلى 100 مرة. لكن الآن، سنعرضها بالحجم نفسه للمقارنة بينهما بسهولة أكثر. أيضًا، لا يوجد في بدائيات النوى عضيات محاطة بغشاء كالتي يمكن أن نجدها في حقيقيات النوى، مثل الميتوكوندريا.

قبل دراسة ‪DNA‬‏ في بدائيات النوى، دعونا نستعرض بعض تفاصيل تركيب خلية بدائية النواة. العديد من بدائيات النوى له ثلاث طبقات مختلفة تفصل الجزء الداخلي من الخلية عن البيئة الخارجية. المحفظة هي طبقة خارجية لاصقة تساعد بدائيات النوى في الالتصاق بالأسطح. الطبقة التالية هي الجدار الخلوي، الذي يساعد في حماية الجزء الداخلي من الخلية، ويحافظ على شكل الخلية. بعد ذلك، يوجد الغشاء البلازمي، الذي يحتوي على المكونات الداخلية للخلية. خارج الخلية، توجد خيوط شعرية وهي تراكيب قصيرة تشبه الشعر، يمكنها أن تساعد في الحركة، وتشارك أيضًا في نقل ‪DNA‬‏ إلى بدائيات النوى الأخرى، كما سنرى، إضافة إلى الأسواط، وهي تساعد في الحركة.

داخل الخلية، يمكننا أن نرى الريبوسومات، التي تساعد في إنتاج البروتين، و‪DNA‬‏ الكروموسومي لبدائيات النوى. يوجد ‪DNA‬‏ غالبًا في صورة كروموسوم دائري واحد، وهو لا يوجد داخل نواة مثل الخلايا الحقيقية النواة. لكنه يتركز بدلًا من ذلك في منطقة تسمى المنطقة النووية. يحتوي هذا الكروموسوم على معظم المعلومات الوراثية للخلية، أما ‪DNA‬‏ الذي لا يمثل جزءًا من الكروموسوم ويسمى ‪DNA‬‏ البلازميدي، فيحتوي على بقية هذه المعلومات. كما سنرى، البلازميدات هي جزيئات صغيرة دائرية من ‪DNA‬‏، تحتوي على جينات محددة تفيد الخلية البدائية النواة.

دعونا الآن نلق نظرة على بعض خواص ‪DNA‬‏ في بدائيات النوى، ونقارنها بخواص ‪DNA‬‏ في حقيقيات النوى. كما ذكرنا، حقيقيات النوى لها نواة تحيط بجزيئات ‪DNA‬‏، في حين لا توجد نواة في بدائيات النوى. بدلًا من ذلك، يتركز ‪DNA‬‏ في بدائيات النوى في منطقة في الخلية تسمى المنطقة النووية. فيما يتعلق بشكل الكروموسومات، يصعب استخدام هذا الرسم للحديث عن الشكل؛ وذلك لوجود كمية كبيرة من ‪DNA‬‏. لكن في حالة وجود كمية أصغر من ‪DNA‬‏، قد نلاحظ أن الخلية البدائية النواة عادة يكون لها كروموسوم دائري واحد، وهو ما يمكننا ملاحظته هنا مقارنة بحقيقيات النوى، التي يكون لها عادة كروموسومات خطية متعددة، والتي يمكننا ملاحظتها هنا.

بشكل عام، تحتوي بدائيات النوى على نسخة واحدة من الكروموسومات، ومن ثم فهي عادة أحادية الصيغة الصبغية، وتحتوي حقيقيات النوى عادة على نسخ متعددة، ويمكن أن تكون ثنائية الصيغة الصبغية، بنسختين أو أكثر. في كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى، يكون ‪DNA‬‏ مضغوطًا بصورة فائقة. في الواقع، إذا أمكننا أخذ جميع ‪DNA‬‏ الموجود في خلية بشرية واحدة حقيقية النواة، ومددناه، فقد يبلغ طوله مترين. وإذا أمكننا فك ‪DNA‬‏ في حقيقيات النوى، فيمكننا ملاحظة أنه يوجد في مجموعات مضغوطة باستخدام بروتينات متخصصة تسمى الهستونات.

في بدائيات النوى، يلتوي ‪DNA‬‏ الدائري أو يلتف مرات عديدة لضغطه. في بكتيريا ‪E. coli‬‏ بدائية النواة، تحتوي الخلية الواحدة على 1.4 ملليمتر تقريبًا من ‪DNA‬‏. وهذا يمثل حوالي 1000 مرة من حجم الخلية نفسها. ولكي يكون ‪DNA‬‏ بهذا الشكل، يجب أن يتعرض ‪DNA‬‏ لعملية التفاف كبيرة تسمى الالتفاف الفائق. تخيل أننا أخذنا رباط مطاط، يمثل شريط ‪DNA‬‏ الكروموسومي، ولففناه لتكوين عدد من اللفات. يمكن لف الشريط مرارًا وتكرارًا، ثم لفه مرات أكثر، بحيث تطوى اللفات بعضها فوق بعض لتكوين تركيب أكثر انضغاطًا. بعد تكرار ذلك عدة مرات، تكون النتيجة كرة مكثفة من ‪DNA‬‏ فائق الالتفاف. تشترك بروتينات في هذه العملية، ولكنها ليست هستونات مثل حقيقيات النوى.

الفارق الأخير الذي سوف نتناوله هو أن بدائيات النوى تحتوي على ‪DNA‬‏ غير الكروموسومي الذي يسمى ‪DNA‬‏ البلازميدي. وبشكل عام، لا يوجد هذا في حقيقيات النوى.

حسنًا، بما أننا قد رأينا بعض الاختلافات الرئيسية بين ‪DNA‬‏ في بدائيات النوى وحقيقيات النوى، فدعونا نلق نظرة عن كثب على هذه البلازميدات. نلاحظ هنا أن البلازميد هو جزيء دائري من ‪DNA‬‏. ستتذكر أن طول ‪DNA‬‏ يقاس بالنيوكليوتيدات أو أزواج القواعد. يمكن أن يتراوح طول البلازميدات ما بين أكثر من 100,000 نيوكليوتيدة إلى أكثر من مئات قليلة فقط من النيوكليوتيدات. يبلغ طول أحد أكبر البلازميدات المكتشفة 1.8 مليون نيوكليوتيدة. بالنسبة لبعض الكائنات، قد يكون هذا العدد أكبر من ‪DNA‬‏ الكروموسومي الخاص بها. تحتوي البلازميدات عادة على جينات مختلفة قد تكون مفيدة للخلية البدائية النواة؛ إذ تسمح لها بالنمو في بيئات قد تقتلها. على سبيل المثال، بعضها يحمل شفرة مقاومة للمضادات الحيوية أو مقاومة لأيونات المعادن الثقيلة السامة.

المجموعات الأخرى من جينات البلازميدات المشفرة، التي تسمى عوامل الفوعة، قد تساعد بدائية النواة في إصابة العائل بالعدوى. يوجد مثال جيد على ذلك في سلالة البكتيريا المسببة للأمراض E. coli 0157. هذه هي سلالة بكتيريا ‪E. coli‬‏ التي تسمع عنها غالبًا في الأخبار عند تلوث اللحم البقري أو الخس بها. وتشمل أعراض المرض الإسهال والقيء والحمى، وفي بعض الحالات الوفاة. ترجع تسمية بكتيريا E. coli 0157 بهذا الاسم إلى بلازميد خاص يسمى p0157. يحتوي هذا البلازميد على العشرات من عوامل الفوعة التي تلعب دورًا في إصابة البشر بالعدوى، وبعضها يساعد البكتيريا في الالتصاق بخلايا الأمعاء، بحيث تتمكن من استيطان الأمعاء. تشارك العوامل الأخرى في منع جهاز المناعة من اكتشاف البكتيريا والتهرب منه كما تساعدها على تحمل البيئة الحمضية للمعدة. بهذه الطريقة، يساعد البلازميد بكتيريا ‪E. coli‬‏على التكيف مع العائل والبقاء على قيد الحياة في هذه البيئة الخطرة.

إذن، كم عدد البلازميدات التي يمكن أن تحتوي عليها الخلية البدائية النواة؟ قد يصل عدد البلازميدات في بعض بدائيات النوى إلى 20 بلازميدًا مختلفًا، وكل بلازميد يحتوي على مجموعة مختلفة من الجينات. كل بلازميد من هذه البلازميدات يمكن أن يتضاعف مستقلًّا عن ‪DNA‬‏ الكروموسومي. بهذه الطريقة، قد توجد العديد من نسخ البلازميد الواحد في الخلية، وقد يتراوح عددها من نسخة واحدة إلى عدة مئات من النسخ. عندما تخضع الخلية البدائية النواة إلى الانقسام الخلوي، تنتقل معها البلازميدات التي تحتويها أيضًا. كما رأينا، يمكن أن تكون البلازميدات مفيدة جدًّا لبدائيات النوى. لمشاركة الفوائد، يمكن نقل البلازميدات إلى بدائيات النوى الأخرى في عملية تسمى الاقتران. دعونا نلق نظرة على هذا ببعض التفصيل.

دعونا نفترض أن الخلية البدائية النواة هنا لها بلازميد يعطي مقاومة لبعض المضادات الحيوية مثل البنسلين. البنسلين هو مضاد حيوي يمكن أن يعرقل تخليق الجدار الخلوي للخلية البدائية النواة. هذا يتسبب في إضعاف الخلايا وموتها بسبب التحلل. ينتج الجين الخاص بمقاومة البنسلين إنزيمًا يمكنه تكسير البنسلين، ويمكنه منع حدوث ذلك. ومن ثم، تكون بدائيات النوى بهذا البلازميد مقاومة للبنسلين. إذن، في هذه الحالة، تكون بدائية النواة هذه هي المعطي، وتكون مقاومة للمضاد الحيوي البنسلين. افترض أن لدينا خلية بدائية نواة أخرى لا تقاوم البنسلين، ومن ثم تكون حساسة. هذه هي خلية المستقبل الذي لدينا.

أثناء عملية الاقتران، يمتد خيط شعري خاص، يسمى الخيط الشعري الجنسي، من خلية المعطي إلى خلية المستقبل لتقريبها إليها. والآن، بما أن الخليتين في حالة تلامس، يتكون جسر بينهما. على الرغم من أن هذا البلازميد يظهر على شكل حلقة مفردة، فإنه بالفعل مزدوج الشريط. لذا، دعونا نرسمه بهذا الشكل. بعد ذلك، ينفصل أحد أشرطة ‪DNA‬‏ البلازميدي، ثم ينقل إلى خلية المستقبل. أثناء هذه العملية، يخلق شريط ‪DNA‬‏ الثاني، ولكن لتبسيط العملية سنتركه يظهر بهذا الشكل. بمجرد انتقال البلازميد إلى خلية المستقبل، تصبح الخلية حاملة للبلازميد والجين المقاوم للمضاد الحيوي، ومن ثم تكون مقاومة للبنسلين.

ربما تكون قد سمعت عن مقاومة المضادات الحيوية في البكتيريا، وكيف أنها أصبحت مشكلة عالمية. يرجع ذلك لأن المضادات الحيوية توصف بكثرة ويسهل الحصول عليها؛ مما أدى إلى سوء استخدام الجمهور لها. إذن، افترض أن لدينا عدوى بتجمعات من البكتيريا. ولكن، يحمل أحدها بلازميدًا يتسبب في مقاومة البنسلين. عند علاج هذه العدوى باستخدام البنسلين، تقتل جميع هذه الخلايا البكتيرية، فيما عدا تلك المقاومة للبنسلين. يمكن أن تتكاثر هذه الخلية البكتيرية بعد ذلك لتكوين مزيد من البكتيريا المقاومة للبنسلين. أو قد تنقل البلازميد إلى خلايا بكتيرية أخرى من خلال الاقتران.

نظرًا لأن كل هذه البكتيريا أصبحت الآن مقاومة للبنسلين؛ فإن علاج هذه العدوى بالبنسلين لن يجدي نفعًا. ولذلك، نعالج هذه العدوى بمضاد حيوي آخر، مثل الأموكسيسيلين، على سبيل المثال. هذا سوف يقتل معظم الخلايا مرة أخرى، فيما عدا التي لديها مقاومة لمضاد الأموكسيسيلين. والآن، قد تمتلك هذه الخلية البكتيرية مقاومة لكلا المضادين الحيويين. إن سوء استخدام المضادات الحيوية هو ما يؤدي إلى إمكانية ظهور سلالات من البكتيريا تكون مقاومة لتلك المضادات. الخوف الحقيقي في كل ذلك هو أنه إذا نفدت المضادات الحيوية التي لدينا لعلاج العدوى، فإن ما كان في السابق مجرد عدوى بسيطة، قد يتحول إلى عدوى مميتة. بالتأكيد، يبدو مستقبل الجنس البشري وبدائيات النوى مظلمًا، إلا إذا واجهنا هذه المشكلة.

حسنًا، دعونا نعد بالزمن للوراء لمناقشة أصول الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء التي تعود لبدائيات النوى، والتي تعرف بنظرية التكافل الداخلي. نظرية التكافل الداخلي هي النظرية التي تنص على أن الميتوكندريون والبلاستيدة الخضراء من سلف الخلية البدائية النوى. ربما ابتلعت خلية من الخلايا الأولى الحقيقية النوى، التي تفتقر إلى الميتوكوندريا أو البلاستيدات الخضراء، خلية بدائية النواة كان يمكنها التنفس هوائيًّا أو يمكنها القيام بعملية البناء الضوئي. ربما قد أدى ذلك إلى علاقة تكافل داخلي متبادلة؛ حيث تستفيد كلتا الخليتين.

التكافل هو نوع من التفاعلات البيولوجية الوثيقة وطويلة المدى بين كائنين حيين مختلفين. وتشير كلمة «الداخلي» في التكافل الداخلي إلى أن أحد هذين الكائنين الحيين يعيش داخل الآخر. قد تكون حقيقية النواة استفادت من الطاقة المنطلقة من التنفس الهوائي للخلية البدائية النواة، في حين أن بدائية النواة تكون استفادت من المغذيات التي تستقبلها من حقيقية النواة. على مدار مليارات السنين، تطورت بدائية النواة التي تقوم بالتنفس الهوائي إلى الميتوكندريون الذي نعرفه اليوم. قد تكون حدثت عملية مشابهة مع بدائيات النوى التي تقوم بالبناء الضوئي؛ مما أدى إلى ظهور البلاستيدات الخضراء.

هناك العديد من الأدلة على ذلك، ومنها أن الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء كلاهما يحتويان على ‪DNA‬‏ الخاص بهما، والذي يكون دائريًّا ويفتقر إلى الهستونات، وهو ما يشبه بشدة بدائيات النوى. أيضًا، تحتوي الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء على الريبوسومات الخاصة بها، وهي العضيات المشتركة في إنتاج البروتينات، التي تكون شبيهة جدًّا بريبوسومات بدائية النواة. الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء تتشابه في الحجم أيضًا مقارنة ببدائيات النوى. بسبب هذه الأدلة وغيرها من الأدلة الكثيرة، نعتقد أن الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء قد تطورا من بدائيات النوى. حسنًا، دعونا نتناول سؤالًا تدريبيًّا لتطبيق ما تعلمناه.

أين يوجد الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ الكروموسومي في الخلايا البدائية النوى؟

نتذكر أن بدائيات النوى هي كائنات حية وحيدة الخلية تكون عادة أصغر حجمًا مقارنة بحقيقيات النوى، وتتميز بأنها تفتقر إلى وجود نواة أو عضيات محاطة بغشاء. دعونا نجعل هذه الخلية البدائية النواة أكبر قليلًا، بحيث نتمكن من استعراض تركيبها للإجابة عن السؤال.

العديد من بدائيات النوى له ثلاث طبقات تفصل داخل الخلية عن خارجها. المحفظة هي الطبقة الخارجية اللاصقة التي تستخدمها بعض بدائيات النوى في الالتصاق بالأسطح. الجدار الخلوي هو الطبقة الوسطى، ويساعد في إعطاء الخلية شكلها، ويحمي الجزء الداخلي من الخلية. وأخيرًا، يوجد الغشاء البلازمي، الذي يساعد في إبقاء مكونات الجزء الداخلي من الخلية في مكانها. يوجد خارج الخلية التركيب الذي يشبه الشعر، والذي يسمى الخيط الشعري، والذي يساعد في حركة بدائيات النوى. أيضًا، هناك تركيب يشبه الذيل يساعد في الحركة، يسمى السوط.

إذا ركزنا الآن على داخل الخلية، فسنجد السيتوبلازم، وهو سائل يملأ الجزء الداخلي من الخلية. يشترك الريبوسوم في إنتاج البروتينات. والبلازميد هو جزيء دائري من ‪DNA‬‏ غير الكروموسومي الذي ينفصل عن الكروموسوم. وأخيرًا، لدينا كروموسوم بدائيات النوى، الذي يحتوي على ‪DNA‬‏ الكروموسومي، وهو ما يطرحه علينا السؤال. كما ذكرنا، إنه لا يوجد داخل النواة. بدلًا من ذلك، إنه يتركز في منطقة في الخلية تسمى المنطقة النووية. وعليه، في الخلايا البدائية النوى، يوجد ‪DNA‬‏ الكروموسومي في المنطقة النووية.

الآن، دعونا نستعرض سريعًا النقاط الرئيسية الواردة في هذا الفيديو. يوجد الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ في بدائيات النوى إما في صورة ‪DNA‬‏ الكروموسومي أو ‪DNA‬‏ البلازميدي، ويكون تركيبهما دائريًّا. هناك العديد من الفوارق بين ‪DNA‬‏ في بدائيات النوى و‪DNA‬‏ في حقيقيات النوى. ‏‪DNA‬‏ في بدائيات النوى لا يكون موجودًا في النواة، ولكن في منطقة تسمى المنطقة النووية، في حين يوجد ‪DNA‬‏ في حقيقيات النوى في النواة. تحتوي بدائيات النوى عادة على كروموسوم دائري واحد، في حين تحتوي حقيقيات النوى على كروموسومات خطية متعددة. تكون بدائيات النوى عادة أحادية الصيغة الصبغية، في حين تكون حقيقيات النوى ثنائية الصيغة الصبغية أو أكثر. لا يكون ‪DNA‬‏ في بدائيات النوى مضغوطًا باستخدام الهستونات، في حين يكون ‪DNA‬‏ في حقيقيات النوى كذلك. عادة ما تحمل بدائيات ‪DNA‬‏ غير الكروموسومي في البلازميدات، في حين لا تفعل حقيقيات النوى ذلك. وأخيرًا، قد تكون الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء تطورتا من خلال بدائيات النوى، كما هو موضح في نظرية التكافل الداخلي.