نسخة الفيديو النصية
في هذا الفيديو، سوف نتعرف على الحمض النووي (DNA). وسوف نناقش تركيبه، ونتعرف على النيوكليوتيدات، وهيكل السكر والفوسفات، والقواعد المتكاملة التي تربط شريطي DNA معًا. وسوف نتعرف أيضًا على اتجاه هذين الشريطين. وأخيرًا، سوف نتناول كيف يمكننا استخلاص DNA من مواد عضوية، مثل الفاكهة.
الحمض النووي (DNA) جزيء مهم للغاية. فهو موجود بداخل كل خلية من خلايا أجسامنا تقريبًا، ويحتوي على المعلومات التي تجعلنا ما نحن عليه. في الواقع، إذا عزلنا كل DNA من خلية واحدة ومددناه، فسوف يصل طوله إلى مترين تقريبًا. قد يكون ذلك أطول منك، لكن ربما ليس كثيرًا. يحتوي هذا الجزيء المذهل على المعلومات التي تمنحنا جميع صفاتنا. على سبيل المثال، فهو يتحكم في لون أعيننا، وفيما إذا كان شعرنا طويلًا أم قصيرًا، ويمكنه أن يجعلنا طوال أو قصار القامة. يحمل DNA شفرة جميع هذه الصفات. وفي هذا الدرس، سوف نتعرف على تركيب جزيء DNA، وكيف يبدو، ومم يتكون.
لكي نتصور شكل جزيء DNA، لنستحضر في أذهاننا أولًا شكل السلم. يتكون السلم من عمودين جانبيين متوازيين ودرجات تفصل بينها مسافات متساوية. والآن، تخيل أن السلم أصبح ملتفًّا. هذا هو شكل جزيء DNA. حيث يوجد شريطان من DNA يلتف أحدهما حول الآخر. ويسمى هذا الشكل اللولب المزدوج. دعونا الآن نكبر هذا الجزء ونتحدث عن التركيب الكيميائي لجزيء DNA بمزيد من التفصيل. نلاحظ هنا شريطين من DNA. هذا الشريط الأيسر موضح هنا، وهذا الشريط الأيمن موضح هنا. كل شريط من DNA عبارة عن بوليمر يتكون من العديد من الوحدات المتكررة التي تسمى النيوكليوتيدات. ويمكننا رؤية إحدى هذه النيوكليوتيدات محاطة بدائرة هنا.
في هذا الشكل، توجد ستة نيوكليوتيدات إجمالًا، وكل نيوكليوتيدة تتكون من ثلاثة أجزاء مختلفة. الجزء الأول هو مجموعة الفوسفات. الجزء الثاني هو السكر الخماسي، وهو جزيء سكر يحتوي على خمس ذرات من الكربون. في جزيء DNA، يسمى السكر الخماسي الكربون هذا الريبوز المنقوص الأكسجين. وفي الواقع، هذا هو سبب تسميته الحمض النووي الريبوزي المنقوص الأكسجين، أو بالإنجليزية deoxyribonucleic acid. حيث يشير الجزء deoxyribo إلى سكر الريبوز المنقوص الأكسجين في جزيء DNA، ويشير الجزء nucleic acid إلى أن جزيء DNA هو حمض نووي، وهو عبارة عن بوليمر مكون من عدة نيوكليوتيدات.
الجزء الثالث من النيوكليوتيدة هو القاعدة النيتروجينية. وفي الواقع، توجد أربع قواعد نيتروجينية مختلفة في جزيء DNA: الجوانين، أو G اختصارًا؛ وهو موضح هنا باللون البرتقالي، والسيتوزين؛ الموضح باللون الأزرق، والأدينين؛ الموضح باللون الأخضر، والثايمين؛ الموضح باللون الوردي. يمكنك رؤية هذه القواعد النيتروجينية المختلفة موضحة على كلا الشكلين. وقد تختلف هذه النيوكليوتيدات بعضها عن بعض حسب نوع القاعدة النيتروجينية التي تحملها. إذن هذا هو التركيب الأساسي للنيوكليوتيدة.
ربما تتساءل كيف يمكن لهذه النيوكليوتيدات أن يرتبط بعضها ببعض. ترتبط النيوكليوتيدات عن طريق مجموعة الفوسفات وذرتي الكربون المتجاورتين في سكر الريبوز المنقوص الأكسجين. وهذا ما يسمى الرابطة الفوسفاتية الثنائية الإستر. تربط هذه الروابط الفوسفاتية الثنائية الإستر المتكررة نيوكليوتيدة واحدة بالنيوكليوتيدة التي تليها؛ لتكون هيكل جزيء DNA. يعرف هذا الهيكل باسم هيكل السكر والفوسفات، وهو موضح على هذا الشكل باللون الأسود، وباللون الأسود أيضًا على هذا الشكل. إذن يوجد هيكلان للسكر والفوسفات في جزيء DNA؛ نظرًا لوجود شريطين من DNA في اللولب المزدوج. حسنًا، كيف يتحد أحد شريطي DNA مع الشريط الآخر لتكوين بنية هذا اللولب المزدوج؟
يتعلق هذا الأمر بالقواعد النيتروجينية وطريقة ارتباطها بعضها ببعض. ترتبط كل قاعدة نيتروجينية على أحد شريطي DNA بقاعدة نيتروجينية على الشريط المقابل. وهذه هي الطريقة التي تتكون بها الدرجات في هذا الشكل السلمي الملتف. وعندما ترتبط هذه القواعد النيتروجينية، فهذا يحدث بطريقة خاصة. في جزيء DNA، يرتبط الأدينين بالثايمين فقط، ويرتبط السيتوزين بالجوانين فقط. وهذا ما يسمى أسس تزاوج القواعد المتكاملة. ويتم ذلك من خلال تكوين روابط هيدروجينية. حيث تتكون ثلاث روابط هيدروجينية بين السيتوزين والجوانين، وتتكون رابطتان هيدروجينيتان بين الأدينين والثايمين. هذه الروابط الهيدروجينية ليست قوية في حد ذاتها. ولكن إجمالًا، وعلى مستوى جزيء كبير من DNA، يمكن أن تصبح قوية للغاية، وهذا ما يربط الشريطين معًا.
والآن، دعونا نتحدث عن الاتجاهية في DNA. ربما تكون قد لاحظت أن سكر الريبوز المنقوص الأكسجين الموجود على أحد الشريطين يبدو أنه يشير إلى الاتجاه المعاكس للشريط الآخر. ويرجع ذلك إلى أن الشريطين يأخذان اتجاهين متعاكسين. إن الطريقة التي نتناول بها مسألة الاتجاه في DNA تتعلق بطريقة ترقيم ذرات الكربون الموجودة في الريبوز المنقوص الأكسجين. ذرة الكربون هذه تسمى واحدًا شرطة. وهذه اثنين شرطة، وثلاثة شرطة، وأربعة شرطة، وخمسة شرطة. هذه الذرة هنا هي في الواقع ذرة أكسجين وليست ذرة كربون.
عندما نتحدث عن الاتجاه في جزيء DNA، نهتم بالموقعين خمسة شرطة وثلاثة شرطة. لأن الرابطة الفوسفاتية الثنائية الإستر تتكون بين هذين الموقعين. وعند تخليق جزيء DNA وتكوين روابط فوسفاتية ثنائية الإستر جديدة، تضاف نيوكليوتيدات جديدة دائمًا في الاتجاه من خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة. إذن هذا الشريط يأخذ هذا الاتجاه؛ لأنه الاتجاه الذي ينمو فيه هذا الشريط أثناء تخليق DNA. وهذا مجرد مبدأ نستخدمه في علم الأحياء لوصف اتجاه جزيء DNA. إذن، عندما نقرأ تتابعًا من جزيء DNA، فإننا نقرؤه في الاتجاه من خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة.
لنقل إن هذا الشريط يتجه من خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة؛ لأنه يأخذ هذا الاتجاه. إذا نظرنا إلى الشكل الأيسر وتتبعنا هذا الشريط، يمكننا رؤية هذا الشريط هنا. والآن، دعونا نرقم ذرات الكربون الموجودة على الشريط المقابل. الاتجاه من خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة على هذا الشريط يعاكس اتجاه الشريط الأول. دعونا إذن نشر إلى هذا الشريط على أنه الشريط ثلاثة شرطة إلى خمسة شرطة؛ لأن هذا هو الاتجاه الذي يأخذه. ويمكننا رؤية ذلك على الشكل الأيسر هنا. ولأن هذين الشريطين يأخذان اتجاهين متضادين، فهذا يعني أن هذين الشريطين متوازيان عكسيًّا، ما يعني بدوره أنهما متوازيان ولكنهما متضادان في الاتجاه.
والآن لنحاول قراءة تتابع هذه القواعد النيتروجينية على هذين الشريطين. إذن نلاحظ هنا أن التتابع هو CAC. لنفعل الأمر نفسه في الشكل الأيسر. إذن لدينا CAC. ثم يلتف الشريط لنصل إلى التتابع TGC. والآن، دعونا نكتب هذا التتابع بالأعلى هنا. سنوضح أيضًا أنه يأخذ الاتجاه من خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة. والآن، ماذا نفعل عندما نريد معرفة تتابع الشريط المقابل؟
تذكر أن هذه القواعد النيتروجينية يمكنها أن تكون أزواجًا من القواعد المتكاملة التي تتبع أسسًا معينة. إذن، أينما نجد C في التتابع، نعرف حينها أنه يزدوج مع G. إذن، إذا انتقلنا إلى هذا التتابع هنا، يمكننا تكملته، والعكس صحيح أيضًا. ومن ثم، إذا وجدنا G، نعلم أنه يزدوج مع C. وإذا وجدنا A، نعلم أنه يزدوج مع T، وبذلك يمكننا تكملة ذلك هنا، وT يزدوج مع A. يمكننا أيضًا التحقق مما فعلناه هنا. لدينا إذن GTGACG، وهذا يتوافق مع التتابع لدينا.
في بعض الأحيان، عندما نتحدث عن تتابع القواعد النيتروجينية، نطلق عليها أزواج القواعد؛ لأنها تزدوج معًا. ومن ثم، في هذا التتابع، لدينا واحد، اثنان، ثلاثة، أربعة، خمسة، ستة أزواج من القواعد. في البشر، تحتوي معظم الخلايا على كمية من DNA تتجاوز ستة مليارات زوج من القواعد في الخلية الواحدة. ولهذا السبب يصل طوله إلى مترين عند مده؛ لأنه موجود بكمية كبيرة.
تعطي الكثير من تتابعات DNA التعليمات اللازمة لتخليق البروتينات، التي تمنحنا صفاتنا الفريدة. ونطلق على هذه التتابعات من DNA اسم الجينات. إذا رسمنا مقطعًا من DNA المزدوج الشريط على شكل خط مثل هذا، يمكننا رؤية جينات على طول جزيء DNA موضحة هنا باللون الأزرق. بعضها يشغل تتابعًا طويلًا للغاية من DNA، والبعض الآخر يشغل تتابعًا قصيرًا للغاية. هذه الجينات المختلفة يمكنها أن تشفر جميع صفاتنا المختلفة، مثل لون العينين، أو لون الشعر، أو طول القامة. يوجد أكثر من 20000 جين في DNA البشر، وهذه الجينات معًا هي التي تجعلنا ما نحن عليه. لقد تعلمنا الكثير عن تركيب DNA، لكن كيف يمكننا استخلاصه حتى يمكننا رؤيته بأعيننا؟
يمكننا فعل ذلك باستخدام مواد عضوية مختلفة، مثل الفاكهة والخضراوات. في هذا المثال، سنستخدم الفراولة. سنحتاج إلى بعض الأغراض الأخرى: سائل غسيل الأطباق، وملح. سنحتاج إلى بعض الكؤوس الزجاجية، أو يمكننا استخدام كوب. سنحتاج أيضًا إلى ورقة ترشيح، أو يمكننا استخدام ورقة ترشيح القهوة، وإيثانول، أو يمكننا استخدام كحول مطهر. أولًا: نأخذ بعضًا من ثمار الفراولة ونهرسها جيدًا في كأس زجاجية أو كوب. بعد ذلك، نأخذ كأسًا زجاجية أخرى ونضيف 100 ملليلتر من الماء، ثم 10 ملليلترات من سائل غسيل الأطباق، ونصف ملعقة صغيرة من الملح. والآن، لنخلط المكونات جميعًا، وهكذا سنحصل على محلول الاستخلاص. والآن، نضيف محلول الاستخلاص إلى الفراولة المهروسة. ثم نقلب هذا الخليط لمدة دقيقة واحدة، وإذا استطعنا، نتركها في حمام مائي دافئ لمدة 10 دقائق. قد يصبح لون الخليط ورديًّا بسبب الفراولة. ويساعد سائل غسيل الأطباق والملح على تكسير خلايا الفراولة؛ وبذلك يصبح DNA مذابًا في هذا المحلول.
بعد ذلك، دعونا نرشح هذا المحلول حتى نتخلص من فتات الفراولة وبذورها. وبعد أن حصلنا الآن على محلول DNA الفراولة، علينا ترسيب DNA خارج هذا المحلول. بإمكاننا القيام بذلك هنا في هذه الكأس الزجاجية، أو في أنبوب اختبار إذا توفر لدينا. يمكننا إذن إضافة 10 ملليلترات من محلول DNA هذا إلى أنبوب اختبار. بعد ذلك، نضيف بحرص حجمًا متساويًا من الإيثانول البارد؛ حتى يكون طبقة على السطح العلوي. بعد ذلك، ننتظر حوالي خمس دقائق، ومن المفترض أن تتكون مادة خيطية على الطبقة العلوية هذه. هذا هو DNA.
الآن، بعد أن تناولنا تركيب جزيء DNA وكيفية استخلاصه، لنحاول الإجابة عن سؤال تدريبي.
تحتوي قطعة من الحمض النووي (DNA) على تسلسل القواعد ATGCTTAA. ما تسلسل القواعد المكمل لهذه القطعة؟ ) ATCCAA(أ)T، أم ) TACCAA(ب)T، أم ) TACGAA(ج)T، أم ) TACGGA(د)T، أم ) TTCGAA(هـ)T.
DNA هو حمض نووي يخزن المعلومات الوراثية اللازمة للحياة. وهو مسئول عن ظهور جميع صفاتنا المختلفة، مثل لون العينين أو طول القامة. وهو يتكون من شريطين من DNA يلتف أحدهما حول الآخر لتكوين اللولب المزدوج كما هو موضح هنا.
دعونا نفك هذا الشكل اللولبي لجزيء DNA؛ حتى يمكننا أن نتناول مكوناته بمزيد من التفصيل. يمثل الخط الأسود هيكل شريطي DNA هذين، ويسمى هيكل السكر والفوسفات. ويتكون من مجموعات فوسفات وجزيئات سكر الريبوز المنقوص الأكسجين. توجد مربعات مختلفة ملونة بين هذين الشريطين. يطلق على هذه المربعات القواعد النيتروجينية، أو القواعد اختصارًا. توجد أربعة أنواع مختلفة من القواعد النيتروجينية: الجوانين، أو G اختصارًا؛ وهو موضح باللون البرتقالي، والسيتوزين؛ الموضح باللون الأزرق، والأدينين؛ الموضح باللون الأخضر، والثايمين؛ الموضح باللون الوردي. وتوجد هذه القواعد عادة في صورة أزواج، كما نلاحظ.
يمكننا رؤية جميع قواعد الجوانين موضحة هنا، وهذه تزدوج دائمًا مع السيتوزين الموضح هنا، ويزدوج الأدينين دائمًا مع الثايمين. وهذا ليس من قبيل المصادفة. تزدوج هذه القواعد تحديدًا بعضها مع بعض؛ لأن كلًّا منها يميل للارتباط مع الأخرى. وهذا بسبب الروابط الهيدروجينية التي تتكون بين هذه القواعد. نسمي القاعدتين اللتين تزدوجان معًا بالقواعد المتكاملة. ويمكن للقواعد في جزيء DNA أن تزدوج وفقًا لأسس معينة؛ حيث يزدوج G دائمًا مع C، ويزدوج A دائمًا مع T. وهكذا، عندما يكون لدينا تتابع من هذه القواعد، مثل ذلك التتابع المعطى في السؤال، فكل ما علينا فعله هو كتابة القواعد التي تتطابق معها. إذن، الجوانين يزدوج مع السيتوزين، ويزدوج السيتوزين مع الجوانين. ويزدوج الأدينين مع الثايمين والعكس، وهذا يعطينا تتابع القواعد المكمل. إذن الإجابة الصحيحة هي TACGAATT.
الآن، دعونا نلخص النقاط الرئيسية التي تناولناها في هذا الفيديو. DNA هو بوليمر يتكون من وحدات مونومر فرعية متكررة تسمى النيوكليوتيدات. في جزيء DNA، تتكون النيوكليوتيدة من سكر ريبوز منقوص الأكسجين ومجموعة فوسفات وقاعدة نيتروجينية. يتكون جزيء DNA من شريطين يكونان لولبًا مزدوجًا له هيكل يسمى هيكل السكر والفوسفات. هذا الشكل ينتج عن ارتباط أزواج متكاملة من القواعد؛ حيث يرتبط A مع T، وG مع C. يقرأ جزيء DNA في الاتجاه من خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة. ويمكننا استخلاص DNA من المواد العضوية، مثل الفاكهة والخضراوات.
