فيديو الدرس: الحمض النووي ‪(DNA)‬‏

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على تركيب الحمض النووي ‪(DNA)‬‏؛ أي على ما يتكون منه، والأنماط التي تشكلها أجزاؤه، وشكله. وعندما ننتهي ستتمكن من تفسير لماذا يعد الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ بوليمرًا، ومعرفة ما هي هياكل السكر والفوسفات، والنيوكليوتيدات، والقواعد المتكاملة، ومن وصف اتجاه الشريطين المكونين للولب المزدوج.

أولًا، لنكتشف ما يتكون منه الحمض النووي ‪(DNA)‬‏. يشار إلى الحمض النووي الريبوزي المنقوص الأكسجين اختصارًا بالـ ‪DNA‬‏. هذا يوضح لنا أمرين على الأقل. أولًا، إنه حمض نووي، لكننا سنرجع إلى ذلك عندما نتحدث عن أنماط الحمض النووي ‪(DNA)‬‏. ثانيًا، يحتوي الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ على ريبوز منقوص الأكسجين، وهو سكر به خمس ذرات كربون، موضح هنا باللون الأسود. تمتد جزيئات السكر بطول الجانبين الطويلين جدًّا لجزيء الحمض النووي ‪(DNA)‬‏، وتربط بينها مجموعات الفوسفات. كل سلسلة تتناوب فيها سكريات الريبوز المنقوص الأكسجين ومجموعات الفوسفات تسمى بـ «هيكل السكر والفوسفات».

هذه الهياكل طويلة. أعني إنها طويلة جدًّا. إذا استخلصنا الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ من نواة واحدة لخلية بشرية ومددنا الجزيئات في صف واحد طرفًا إلى طرف، فسيبلغ طولها مترين. تربط بين هياكل السكر والفوسفات قواعد نيتروجينية لها أربعة أنواع مختلفة، وتأتي في أزواج: الأدينين ‪(A)‬‏، والثايمين ‪(T)‬‏، والسيتوزين ‪(C)‬‏، والجوانين ‪(G)‬‏. ترتبط هذه القواعد بسكريات الريبوز المنقوص الأكسجين على هياكل السكر والفوسفات. وترتبط هذه القواعد أيضًا بقواعدها المتكاملة التي سنتحدث عنها في الجزء الآتي بعنوان: ما الأنماط التي تكونها جزيئات الحمض النووي ‪(DNA)‬‏؟

لنلق نظرة عن قرب على الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ لنفحص الأنماط في تركيبه. وإليكم نمطًا لاحظناه بالفعل. السلاسل التي تتناوب فيها سكريات الريبوز المنقوص الأكسجين ومجموعات الفوسفات، الممتدة بطول جزيء الحمض النووي ‪(DNA)‬‏، تكون هياكل السكر والفوسفات. يمكنك ملاحظة أن هياكل السكر والفوسفات تمتد في اتجاهين متعاكسين. إذا تخيلنا سكريات الريبوز المنقوص الأكسجين بيوتًا مصنوعة من السكر لها مداخن تشبه المصاصة، فستكون أسطح المنازل على امتداد أحد الهيكلين في اتجاه أحد طرفي جزء الحمض النووي ‪(DNA)‬‏، في حين ستكون الأسطح على الهيكل الآخر في الاتجاه المعاكس. وبما أن هيكلي السكر والفوسفات متوازيان ولهما اتجاهين متعاكسين، فإننا نسمي هذا التوازي المتعاكس.

الآن أضفنا قاعدة الأدينين ‪(A)‬‏ إلى الشكل. ترتبط القاعدة بأحد سكريات الريبوز المنقوص الأكسجين، الذي يرتبط بدوره بمجموعة فوسفات. عند بناء جزيء الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ داخل الخلايا، لا تكون وحدة بنائه السكريات المنفردة أو مجموعات الفوسفات أو القواعد المنفردة. لكن وحدة البناء التي تتجمع مع مثيلاتها لتكون الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ عبارة عن مجموعة مكونة من هذه الوحدات الثلاث، مرتبطة معًا. تسمى كل وحدة منها «النيوكليوتيدة»، وهي الوحدة الأساسية المتكررة في الحمضين النوويين؛ الحمض النووي الريبوزي المنقوص الأكسجين ‪(DNA)‬‏، والحمض النووي الريبوزي ‪(RNA)‬‏. تذكر أن الحرفين ‪NA‬‏ في الاختصار ‪(DNA)‬‏ يشيران إلى الحمض النووي.

إذن ما عدد النيوكليوتيدات التي يتطلبها صنع جزيء من الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ لدى البشر؟ تتباين جزيئات الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ في طولها، لكن متوسط عدد النيوكليوتيدات في جزيء الحمض النووي الموجود في الإنسان يبلغ 270 مليونًا تقريبًا؛ أي أكثر من ربع مليار. تتكون البوليمرات من عدة وحدات متكررة. الجزء «بولي» من الكلمة يعني الكثير. والجزء «مر» يعني الوحدة. إذن، تتكون البوليمرات من الكثير من الوحدات المتكررة. والحمض النووي ‪(DNA)‬‏ هو بوليمر يتكون من نيوكليوتيدات كثيرة.

الآن أضفت قاعدة أخرى إلى الشكل؛ وهي الجوانين ‪(G)‬‏. إنها مساوية في الطول لقاعدة الأدينين ‪(A)‬‏. وهنا لدينا القاعدتان؛ السيتوزين ‪(C)‬‏ والثايمين ‪(T)‬‏. طولاهما أقصر من طول القاعدتين ‪(A)‬‏ أو ‪(G)‬‏. لكن عرض جزيء الحمض النووي يظل بالأساس ثابتًا؛ لذا يجب أن تتضمن أزواج النيوكليوتيدات في جميع أجزاء الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ قاعدة طويلة، إما ‪(A)‬‏ وإما ‪(G)‬‏، وقاعدة قصيرة، إما ‪(C)‬‏ وإما ‪(T)‬‏، لسد أو ملء الفراغ بين هيكلي السكر والفوسفات. هذا النمط من اقتران قاعدة طويلة بقاعدة قصيرة يسمى «تزاوج القواعد المتكاملة أو المكملة»؛ لأنها تكمل المسافة بين هيكلي السكر والفوسفات.

لكن هناك تفصيلًا أكثر أهمية؛ وهو أن: الأدينين يرتبط بالثايمين، والسيتوزين يرتبط بالجوانين. للمساعدة في تذكر ذلك، يمكنك الربط بين كل اثنين منهما بتكوين كلمة أو عبارة تربط بين الرمز ‪A‬‏ و‪T‬‏ والرمز ‪C‬‏ و‪G‬‏. هذا ما نسميه بـ «أسس تزاوج القواعد المتكاملة». إذن فيما يتعلق بأنماط جزيء الحمض النووي ‪(DNA)‬‏، ناقشنا الآن تناوب السكر والفوسفات، والتوازي المتعاكس بين الهيكلين، والنيوكليوتيدات المتكررة في بوليمر الحمض النووي ‪(DNA)‬‏، وأزواج القواعد المتكاملة.

النمط الأخير الذي سنتحدث عنه هنا هو الشرائط. يتكون الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ من شريطين يلتقيان في مواضع ارتباط القواعد المتكاملة بالروابط الهيدروجينية. وظيفة الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ هي تخزين المعلومات الوراثية، وآلية التخزين هي ترتيب تتابع النيوكليوتيدات في جزء معين من الشريط. ترتيب النيوكليوتيدات في الشريط الموضح باللون الوردي هنا هو ‪AGCT‬‏. أم إن علينا القراءة من الطرف الآخر، ليصبح الترتيب ‪TCGA‬‏؟ إن معرفة اتجاه القراءة مهم للغاية. هل تتذكر كيف أن هيكلي السكر والفوسفات متوازيان عكسيًّا؟ يمكننا استخدام هذه المعلومة للإشارة إلى اتجاه كل شريط.

دعونا نلق نظرة أخرى على النيوكليوتيدات التي حددناها سابقًا. يرتبط طرف المدخنة في بيت السكر بمجموعة الفوسفات. ولكن عند ارتباط النيوكليوتيدات معًا لتكوين الحمض النووي ‪(DNA)‬‏، فإنها ترتبط أيضًا بالطابق الأرضي ببيت السكر أسفل المدخنة. يسمى هذان الموضعان على الريبوز المنقوص الأكسجين بالموضعين خمسة شرطة وثلاثة شرطة. ويمكننا تمييز كلا طرفي الشريط بهاتين العلامتين. في الواقع، يمكننا إضافة الرمز نفسه إلى الموضع الذي كتبنا فيه تتابع القواعد من الشريط الموضح باللون الوردي، لكي نعرف الاتجاه الذي سنقرؤه. لكن المتفق عليه في كتابة تتابعات النيوكليوتيدات هو البدء من الموضع خمسة شرطة والانتقال إلى الموضع ثلاثة شرطة.

بعد ذلك، لنلق نظرة على الشكل العام للحمض النووي ‪(DNA)‬‏. حتى الآن، تشبه جميع الأشكال التوضيحية للحمض النووي ‪(DNA)‬‏ السلالم؛ حيث هيكلا السكر والفوسفات هما سور السلم، وأزواج القواعد المتكاملة هي درجاته. لكن الشكل الفعلي للحمض النووي أشبه بسلم ملتف؛ إذ ترتبط القواعد المتكاملة في النيوكليوتيدات معًا. يسمى هذا الشكل بـ «اللولب المزدوج». والآن، دعونا نحل بعض المسائل التدريبية.

يوضح الشكل المعطى جزءًا من الحمض النووي ‪(DNA)‬‏. ما التراكيب التي تمثلها الأرقام واحد، واثنان، وثلاثة؟ (أ) اللولب المزدوج، (ب) قاعدة، (ج) نيوكليوتيدات، (د) هيكل السكر والفوسفات، (هـ) الروابط الهيدروجينية.

المعلومات الأساسية اللازمة لاختيار الإجابة الصحيحة هنا هي فهم تركيب الحمض النووي ‪(DNA)‬‏. لنراجع إذن تركيب الحمض النووي ‪(DNA)‬‏، وبعض الأنماط في تركيبه، وشكله العام. الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ بوليمر مكون من العديد من الوحدات المتكررة المتشابهة التي تسمى «النيوكليوتيدات». كل نيوكليوتيدة مكونة من سكر ريبوز منقوص الأكسجين، ومجموعة فوسفات، وقاعدة واحدة من أربع قواعد نيتروجينية. يشكل سكر الريبوز ومجموعات الفوسفات هيكلي السكر والفوسفات الطويلين في جزيء الحمض النووي ‪(DNA)‬‏، لكن الشكل في السؤال يمزج بينهما في هذين الخطين الأزرقين السميكين اللذين يلتف كل منهما حول الآخر.

القواعد في الشكل ممثلة بالخطوط الأربعة القصيرة الملونة بألوان مختلفة، والتي ترتبط معًا بواسطة روابط هيدروجينية. وبوضع كل ذلك معًا، ينتج الشكل المشابه لسلم ملتف، المعروف باللولب المزدوج. والآن، نحن جاهزون لتحديد التراكيب التي تمثلها الأرقام واحد، واثنان، وثلاثة. الخيار (أ)، اللولب المزدوج، لا يمكن أن يمثل أيًّا من التراكيب الثلاثة؛ لأنه يصف الشكل الكلي للجزيء. والخيار (ب)، قاعدة، ممثل في الشكل بالخطوط القصيرة الملونة التي يشير إليها الرقم اثنان.

الخيار (ج)، النيوكليوتيدات، لا يشار إليه بأي من الأرقام؛ لأنه تصعب الإشارة إلى النيوكليوتيدة دون توضيح السكر والفوسفات في هيكل السكر والفوسفات. الخيار (د)، هيكل السكر والفوسفات، هو الخطوط الزرقاء السميكة الملتفة، ويشير إليها الرقم واحد. وأخيرًا، هناك الخيار (هـ)، الروابط الهيدروجينية؛ وهي تربط بين شريطي جزيء الحمض النووي ‪(DNA)‬‏، ويشير إليها الرقم ثلاثة. إذن، الرقم واحد يشير إلى هيكل السكر والفوسفات. الرقم اثنان يشير إلى قاعدة. الرقم ثلاثة يشير إلى الروابط الهيدروجينية.

تحتوي قطعة من الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ على تسلسل القواعد ‪ATGCTTA‬‏. ما تسلسل القواعد المكمل لهذه القطعة؟ ‏‪) ATCCAA‬‏(أ)‪T‬‏، ‪) TACCAA‬‏(ب)‪T‬‏، ‪) TACGAA‬‏(ج)‪T‬‏، ‪) TACGGA‬‏(د)‪T‬‏، ‪) TTCGA‬‏(هـ)‪T‬‏

المعلومات الأساسية اللازمة لاختيار الإجابة الصحيحة هنا هي فهم تركيب الحمض النووي ‪(DNA)‬‏، وبالتحديد، تزاوج القواعد المتكاملة. لنبدأ بمراجعة بعض المصطلحات الأساسية في السؤال؛ مثل الحمض النووي ‪(DNA)‬‏. جزيء الـ ‪DNA‬‏ حمض نووي يخزن المعلومات الوراثية. المصطلح الآخر المهم في هذا السؤال هو القواعد. يتكون الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ من أربعة أنواع من القواعد، وتسلسل هذه القواعد يمثل الشفرة الوراثية.

قبل أن نناقش مصطلح «مكمل» دعونا نلق نظرة على شكل توضيحي لشريط ‪DNA‬‏ يوضح القواعد المذكورة في السؤال: الأدينين ‪(A)‬‏، والثايمين ‪(T)‬‏، والجوانين ‪(G)‬‏، والسيتوزين ‪(C)‬‏. ترتبط هذه القواعد بهيكلي السكر والفوسفات اللذين يتكونان من مجموعات فوسفات وسكريات الريبوز المنقوص الأكسجين. إذن ما الذي يشير إليه مصطلح «مكمل»؟ من المؤكد أنك سمعت هذه الكلمة في سياقات أخرى، وبإمكانك تخمين معناها هنا. إنها تعني أن هناك شيئًا يكمل شيئًا آخر. هذا يعني أنه يتممه. وهنا لدينا شيئان يكمل كل منهما الآخر.

إذن، عند السؤال عن تتابع القواعد المكمل، مطلوب منك تحديد تتابع القواعد الذي يكمل التتابع المذكور في بداية السؤال أو يتكامل معه. لذا لنلق نظرة على تتابع القواعد في الشكل. لقد لاحظت على الأرجح أن القاعدتين ‪A‬‏ و‪G‬‏ أطول من القاعدتين الأخريين ‪C‬‏ و‪T‬‏. يجب أن يتضمن الزوج المكمل من القواعد قاعدة طويلة وأخرى قصيرة لملء الفجوة بين هيكلي السكر والفوسفات. ولكن هناك تفاصيل أخرى مهمة. يرتبط الأدينين ‪(A)‬‏ بالثايمين ‪(T)‬‏، ويرتبط السيتوزين ‪(C)‬‏ بالجوانين ‪(G)‬‏. يعرف هذا بأسس تزاوج القواعد المتكاملة.

والإجابة عن هذا السؤال موجودة أمام أعيننا مباشرة في الشريط العلوي بالشكل التوضيحي للحمض النووي ‪(DNA)‬‏ هنا: ‪TACGAAT‬‏.

إليكم النقاط الرئيسية التي تعلمناها في هذا الفيديو عن الحمض النووي ‪(DNA)‬‏. يشار إلى الحمض النووي الريبوزي المنقوص الأكسجين اختصارًا بالـ ‪DNA‬‏. يعد جزيء الـ ‪DNA‬‏ بوليمرًا وحمضًا نوويًّا لأنه يتكون من نيوكليوتيدات عديدة متكررة. تتكون النيوكليوتيدات من سكر الريبوز المنقوص الأكسجين، ومجموعة فوسفات، وقاعدة واحدة من بين أربع قواعد. القواعد الأربع هي: الأدينين، والثايمين، والجوانين، والسيتوزين.

تتناوب السكريات ومجموعات الفوسفات في سلسلتين طويلتين على امتداد جزيء الـ ‪DNA‬‏، تسميان هيكلي السكر والفوسفات. هذان الهيكلان متوازيان عكسيًّا؛ أي إنهما متوازيان ولكل منهما اتجاهًا معاكسًا للآخر. يحتوي الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ على شريطين تربط بينهما الروابط الهيدروجينية المتكونة بين أزواج القواعد. تنص أسس تزاوج القواعد على أن الأدينين ‪(A)‬‏ يرتبط بالثايمين ‪(T)‬‏، والسيتوزين ‪(C)‬‏ يرتبط بالجوانين ‪(G)‬‏. وأخيرًا، الشكل الكلي لجزيء الـ ‪DNA‬‏ يشبه اللولب المزدوج.