فيديو الدرس: الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ في حقيقيات النوى الأحياء • الصف الثالث الثانوي

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سنتعرف أكثر على الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ في حقيقيات النوى وما يعنيه كل من الكروموسوم، والكروماتين، والنيوكليوسوم. وسنتعرف أيضًا على كيفية تكثيف الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ باستخدام بروتينات الهستون لتكوين الكروموسومات. كما سنتعرف على كيفية اختلاف شكل الكروموسومات وفقًا للمرحلة التي تمر بها في دورة الخلية.

في حقيقيات النوى، مثل البشر، يوجد ‪DNA‬‏ داخل نوى الخلايا. وفي الواقع، ثمة كمية كبيرة من الحمض النووي مكثفة داخل هذا المكان الصغير. وإذا أخرجنا الـ ‪DNA‬‏ من نواة إحدى خلايا جسم الإنسان، وفككناه ومددناه، فسيبلغ طوله مترين تقريبًا. أي سيبلغ طوله طول الإنسان تقريبًا، كما هو موضح هنا، كما أنه أكبر بحوالي 20000 مرة من حجم خلية بشرية عادية. إذن، كيف يمكن استيعاب كل هذا الحمض النووي داخل نواة الخلية؟ لقد تم تكثيف الـ ‪DNA‬‏ بشكل كبير. ولكن قبل أن نخوض في ذلك، دعونا نتحدث أولًا عن كيفية تنظيم الـ ‪DNA‬‏ داخل خلايا الجسم.

في البشر، لا يوجد جزيء واحد طويل من ‪DNA‬‏، بل يوجد 46 جزيئًا أصغر من الـ ‪DNA‬‏ يطلق عليها اسم الكروموسومات. والكروموسوم جزيء طويل من الـ ‪DNA‬‏ والبروتينات المرتبطة به. وسنتعرف أكثر على هذه البروتينات بعد قليل. ولكن، دعونا نتناول أولًا شكل هذه الكروموسومات التي عددها 46. نلاحظ أنها مرقمة من واحد إلى 22 طبقًا لحجمها؛ حيث الكروموسوم رقم واحد أكبر من الكروموسوم رقم 22. والكروموسومان الجنسيان ‪X‬‏ و‪Y‬‏ هما ما يحددان الجنس البيولوجي للإنسان. ولدينا نسختان من كل كروموسوم. أحدهما ممثل باللون الأزرق، وهو الكروموسوم الذي نحصل عليه من الأب البيولوجي، والآخر ممثل باللون الوردي، وهو الكروموسوم الذي نحصل عليه من الأم البيولوجية. وإذا أخذنا جميع هذه الكروموسومات وجعلناها تصطف بعضها بجانب بعض مع الأخذ في الاعتبار الكروموسومات الوردية أيضًا، فسنحصل على نحو مترين من الـ ‪DNA‬‏ الذي نراه موضحًا هنا.

والآن، قبل أن نتحدث عن كيفية تكثيف مترين من ‪DNA‬‏ حتى يمكن للنواة استيعابه بداخلها، دعونا نخصص بعض الوقت للحديث عن أن كلمة «كروموسوم» يمكن أن تشير إلى أشياء مختلفة. فعندما ننظر إلى نواة خلية ما باستخدام المجهر، يمكننا ملاحظة أن الـ ‪DNA‬‏ قد يتخذ إما شكل حزمة غير مرتبة أو يظهر في صورة تراكيب منفردة على شكل حرف ‪X‬‏. هاتان النواتان تحتويان على كروموسومات، ولكن، تم تكثيفها على نحو مختلف قليلًا. وهذا يعتمد على المرحلة التي تمر بها الخلية في دورة الخلية. ولعلنا نتذكر أن دورة الخلية هي مجموعة من المراحل التي تمر بها الخلية لكي تنقسم.

أثناء الطور البيني، ينسخ ‪DNA‬‏ الخلية، في حين أنه أثناء الانقسام الميتوزي، تبدأ الخلية في فصل الـ ‪DNA‬‏ المنسوخ عبر عدة مراحل في حين تستعد للانقسام لتكوين خلية أخرى. وعند نهاية الانقسام الميتوزي، تنقسم الخلية. وإذا كانت الخلية في الطور البيني، أو إذا لم تكن تمر بمراحل دورة الخلية من الأساس، فإن هذه الكروموسومات ستكون بشكل رئيسي في صورة خيوط طويلة من الحمض النووي تتشابك جميعها معًا كما يمكننا أن نرى هنا. وإذا كبرنا مقطعًا من النواة، فسنلاحظ أن كل كروموسوم يمثله لون مختلف. وعليه، يمكن أن يكون هذا الخيط البرتقالي الكروموسوم رقم واحد، وهذا الخيط الأحمر يمكن أن يكون الكروموسوم رقم 22. وهذه الخيوط طويلة للغاية؛ لذا، فهي تلتف بعضها حول بعض عدة مرات. وعليه، لا يمكن تمييز الكروموسوم رقم واحد عن الكروموسوم رقم 22. ونطلق على هذه الحالة اسم الكروماتين.

هذه الكروموسومات الموجودة في الكروماتين هي صور مكثفة من الـ ‪DNA‬‏ وليست مجرد جزيئات من ‪DNA‬‏، ولكننا سنتحدث عن ذلك بعد قليل. ووجود الكروموسوم في صورة كروماتين يتناسب مع الخلية التي لا تمر بمرحلة انقسام. ولكن، أثناء الانقسام الميتوزي، لا بد من فصل هذه الكروموسومات استعدادًا للانقسام الخلوي. والكروماتين غير منظم بعض الشيء؛ لذا، تلتف خيوط الكروماتين هذه بشكل أكبر لتكوين ما يسمى بالكروموسوم المكثف. وهذه الكروموسومات المكثفة هي التراكيب التي ربما نتعرف عليها بوصفها كروموسومات. دعونا إذن نلق نظرة عن قرب.

نلاحظ هنا كروموسومًا مكثفًا؛ حيث تلتف خيوط الكروماتين بعضها حول بعض بإحكام شديد لتكوين هذا التركيب. ويعد هذا كروموسومًا متضاعفًا؛ إذ نحصل عليه بعد نسخ الـ ‪DNA‬‏ خلال دورة الخلية. ويتضاعف الكروموسوم الأحادي لينتج عنه كروموسومان. ومن ثم، يمكن فصل هذين الكروموسومين خلال مرحلة الانقسام الميتوزي لتوزيع هاتين النسختين بين الخليتين. وعليه، فإن مرحلة الانقسام الميتوزي، في واقع الأمر، هي التي يمكننا خلالها تمييز هذه الكروموسومات المنفردة تحت المجهر. ومن ثم، قد تكون كلمة «كروموسوم» مربكة بعض الشيء؛ فهي قد تشير إلى الجزيء المنفرد الطويل من الـ ‪DNA‬‏ الذي نراه هنا. أو قد تشير إلى هذا التركيب المكثف المتضاعف الذي نراه هنا. والآن، بعد أن تعرفنا على المزيد عن الكروموسومات، دعونا نبدأ بتناول كيفية تكثيف جزيء حر من ‪DNA‬‏ لتكوين تركيب كروموسوم مكثف.

لتستوعب النواة الصغيرة مترين من الحمض النووي داخلها، لا بد أن يمر الـ ‪DNA‬‏ بعدة مستويات من التكثيف. الخطوة الأولى هي التفاف ‪DNA‬‏ حول بروتينات متخصصة تسمى الهستونات. والهستونات بروتينات قادرة على التفاعل مع الـ ‪DNA‬‏ بصورة وثيقة. وهذا يحدث لأن الهستونات تحتوي على العديد من الأحماض الأمينية الموجبة الشحنة، مثل الأرجينين والليسين، ويحمل الـ ‪DNA‬‏ شحنة سالبة بفضل وجود مجموعة الفوسفات في هيكل السكر والفوسفات. وعليه، يمكن للهستونات الموجبة الشحنة أن تتفاعل مع الـ ‪DNA‬‏ السالب الشحنة بصورة وثيقة. وهذا يمكن ‪DNA‬‏ من الالتفاف حول مجموعات من بروتينات الهستون، وهذا التركيب يسمى النيوكليوسوم. وعلى الرغم من أنه يبدو وكأن هناك أربعة بروتينات هستون فقط هنا، إلا أنه يوجد في الواقع ثمانية منها، كما يوجد حوالي 146 نيوكليوتيدة من ‪DNA‬‏ تلتف حولها لتكوين النيوكليوسوم.

وكما سنرى لاحقًا، النيوكليوسوم وحدة فرعية من الكروماتين، مستوى تكثيف الحمض النووي الذي رأيناه سابقًا، الذي يحتوي على ‪DNA‬‏ مكثف يلتف حول بروتينات الهستون. ثم يخضع ‪DNA‬‏ لمزيد من التكثيف حتى يصبح في صورة نيوكليوسومات. ثم تبدأ هذه النيوكليوسومات في الالتفاف حول نفسها. وتواصل هذه النيوكليوسومات الالتفاف حول نفسها لتكون خيوطًا طويلة. ويطلق على هذه الخيوط اسم الكروماتين. وتلك هي حالة الـ ‪DNA‬‏ في الخلية التي لا تمر بمرحلة انقسام التي رأيناها سابقًا. وعندما نكسر الكروماتين، سنجد أنه مجرد مركب مكون من الـ ‪DNA‬‏ والبروتين، ويمثل مستوى من تكثيف ‪DNA‬‏ حيث يكون النيوكلوسوم وحدة فرعية.

والكروماتين مستوى تكثيف ‪DNA‬‏ موجود في العديد من الخلايا. ولكن، بالنسبة للخلايا التي تستعد للانقسام، فعليها أن تكثف هذا الكروماتين أكثر لتكوين تركيب الكروموسوم المكثف. وعند هذه المرحلة، يمكننا تمييز الكروموسومات المنفردة تحت المجهر. والآن، دعونا نتحدث قليلًا عن أنواع الكروماتين المختلفة، وكيف يمكن إعادة تشكيلها من أجل تنظيم التعبير الجيني. بالإضافة إلى كونه أحد صور تكثيف ‪DNA‬‏، يمكن استخدام الكروماتين أيضًا لتنظيم طريقة التعبير عن الجينات. وثمة نوعان من الكروماتين. الكروماتين الحقيقي، ويكون مفككًا ومفتوحًا، ويكون الكروماتين المتغاير مكثفًا ومغلقًا. دعونا نفترض أن هناك جينين صغيرين للغاية في هذا الشكل، وهما الجين ‪A‬‏ والجين ‪B‬‏. ويقع الجين ‪A‬‏ في الكروماتين الحقيقي كما هو موضح باللون الوردي، ويقع الجين ‪B‬‏ في الكروماتين المتغاير كما هو موضح باللون الأخضر.

يتضمن التعبير الجيني أو عملية النسخ بروتينات مختلفة، بما في ذلك إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي الصغير الذي نراه هنا. ولا بد أن تتداخل تراكيب هذه البروتينات مع الجين لتكوين نسخة من الحمض النووي الريبوزي الرسول ‪(mRNA)‬‏. وعندما ينفتح الكروماتين في صورة كروماتين حقيقي، فإنه يصبح متاحًا لإنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي وغيره من البروتينات الأخرى اللازمة لإجراء عملية النسخ لتتمكن من الوصول إليه. أما في الكروماتين المتغاير، فلا يمكن الوصول إلى ‪DNA‬‏، وعليه، لن يستطيع إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي وغيره من البروتينات الأخرى إجراء عملية النسخ. إذن، في هذه الحالة، سيتم نسخ الجين ‪A‬‏، في حين يتعذر نسخ الجين ‪B‬‏. ويمكن للخلية تغيير حالتي الكروماتين هاتين أو إعادة تشكيلهما للتحكم في التعبير الجيني. وبهذه الطريقة، فإن الجينات التي يلزم التعبير عنها بشكل متكرر ستكون في صورة الكروماتين الحقيقي، أما الجينات التي يجب إيقاف تعبيرها الجيني أو تقليله فتكون في صورة الكروماتين المتغاير.

وربما كان هذا ما يفرق بين نوع خلية وآخر. عندما يكون الإنسان جنينًا، فإن هذه الخلايا الجنينية، التي تسمى بالخلايا الجذعية الجنينية، تمتلك القدرة على التحول إلى المئات من أنواع الخلايا المختلفة داخل جسمه. وقد تحتوي هذه الخلايا الجذعية في الواقع على كميات كبيرة من الكروماتين الحقيقي. وفي واقع الأمر، عند فحص إحدى هذه الخلايا تحت المجهر، نجد أنها تحتوي على أنوية كبيرة. وقد يرجع هذا إلى وجود وفرة من الكروماتين الحقيقي المفكك. وعلى النقيض من ذلك، عندما تتغير هذه الخلايا أو تتمايز إلى خلايا أكثر تخصصًا، كخلية مناعية على سبيل المثال، يمكن أن تكثف بعض من مناطق الكروماتين الحقيقي هذه في صورة الكروماتين المتغاير الأكثر كثافة، وقد تبدو النواة أصغر حجمًا.

وبتحويل الكروماتين الحقيقي إلى كروماتين متغاير، قد يتعذر الوصول إلى العديد من الجينات التي لا تحتاجها الخلية المناعية ولن يتم التعبير عنها، في حين ستظل الجينات التي تحتاجها الخلية متاحة لعملية النسخ في الكروماتين الحقيقي. وبهذه الطريقة، يمكن إعادة تشكيل الكروماتين بحيث يعبر عن جينات معينة فقط. وهذا من شأنه أن يوجد برامج للتعبير الجيني، ويفسر لماذا تكون الخلية الجلدية خلية جلدية وليست خلية كبدية، على سبيل المثال. والآن، بعد أن تناولنا ‪DNA‬‏ في حقيقيات النوى، دعونا نتناول سؤالًا تدريبيًّا.

يلتف الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ حول البروتينات، ويتجمع في حلقات لتكوين الكروماتين. عند أي مرحلة يتكثف الكروماتين لتكوين كروموسومات مرئية؟ (أ) عند تحفيز الخلايا بنواقل كيميائية. (ب) عندما تصبح الخلايا مخصبة. (ج) عند استعداد الخلية للانقسام الخلوي. (د) بعد اكتمال الانقسام الخلوي بوقت قصير. (هـ) بعد تكون الكروماتين مباشرة.

يتناول هذا السؤال كيفية تكثيف الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ في حقيقيات النوى لتكوين الكروماتين، الذي يمكن بعد ذلك ضغطه أو تكثيفه أكثر لتكوين كروموسومات مرئية. دعونا نتعرف أولًا على الكروموسومات وكيفية تكثيفها.

في البشر، يمكن إيجاد ‪DNA‬‏ في نوى أغلب الخلايا. وإذا أخرجنا الحمض النووي من إحدى الخلايا وصففناه من أحد طرفيه إلى الطرف الآخر، فسيبلغ طوله مترين تقريبًا. هذه ليست قطعة طويلة متصلة من الـ ‪DNA‬‏. بل يرتب الـ ‪DNA‬‏ في صورة 46 كروموسومًا في أغلب الخلايا. وكل كروموسوم عبارة عن قطعة شريطية من الـ ‪DNA‬‏، وإذا صففنا الكروموسومات بعضها بجانب بعض، فسيبلغ طولها نحو المترين. ويتطلب ضغط هذه الكمية من الحمض النووي داخل خلية صغيرة إجراء العديد من عمليات التكثيف. دعونا نلق نظرة على كيفية وصول الحمض النووي إلى هذا المستوى من التكثيف.

يلتف الـ ‪DNA‬‏ أولًا حول بروتينات متخصصة تسمى هستونات؛ لتكوين تركيب يسمى النيوكليوسوم. وبعد ذلك، تلتف هذه النيوكليوسومات المرة تلو الأخرى لتكوين خيوط طويلة مكثفة تسمى الكروماتين. ثم يمكن لف الكروماتين أكثر لتكوين ما يسمى بالكروموسوم المكثف. ولعل الكروموسوم المكثف هو التركيب الذي نألفه عندما نتحدث عن الكروموسومات. فقبل أن تصل إلى هذا المستوى من التكثيف، تتواجد الكروموسومات بالأساس في صورة خيوط طويلة للغاية من الكروماتين المفكك نوعًا ما. في الواقع، يمكننا إيجاد هاتين الحالتين من الـ ‪DNA‬‏ المكثف في الخلايا البشرية. في الأسفل، نلاحظ أن كروموسومات الخلية الموجودة على اليسار تظهر في الصورة المكثفة، وتظهر كروموسومات الخلية على اليمين في صورة الكروماتين. وما يحدد إذا ما كان الـ ‪DNA‬‏ في حالة الكروماتين أم الكروموسوم المكثف يتعلق بالمرحلة التي تمر بها الخلية في دورة الخلية.

لعلنا نتذكر أن دورة الخلية هي دورة تمر بها الخلايا عند انقسامها. الطور البيني مرحلة طويلة ينسخ فيها الحمض النووي، ويتكون الانقسام الميتوزي من عدة خطوات يفصل خلالها الـ ‪DNA‬‏ المنسوخ إلى خلية جديدة ناتجة عن الانقسام. والكروماتين صورة يكون عليها الـ ‪DNA‬‏ خلال مرحلة الطور البيني أثناء نسخ الـ ‪DNA‬‏. ومن الصعب تمييز كل كروموسوم على حدة، وثمة 46 كروموسومًا في الخلايا البشرية؛ لأنها طويلة ومتشابكة بعضها مع بعض. وهكذا قد تبدو ثلاثة كروموسومات، بالألوان الأزرق، والأخضر، والبرتقالي، في حالة الكروماتين.

وإذا فككنا أحد هذه الكروموسومات، الكروموسوم البرتقالي، على سبيل المثال، فقد يبدو بهذا الشكل. وبعد ذلك، ينسخ هذا الكروموسوم أثناء الطور البيني. ثم يلف ويكثف استعدادًا للانقسام الميتوزي والانقسام الخلوي ليكون في النهاية كروموسومًا مكثفًا يمكن رؤيته تحت المجهر الضوئي. ويحتوي هذا الكروموسوم المألوف، الذي يتخذ شكل حرف ‪X‬‏، على نسختين منفصلتين من الكروموسوم. ويمكن أن تنفصل هاتان النسختان عند انقسام الخلية. ومن ثم، يضغط الكروماتين أو يكثف لتكوين كروموسومات مرئية عند استعداد الخلية للانقسام الخلوي.

والآن، دعونا نراجع بعض النقاط الأساسية التي تناولناها في هذا الفيديو. يمكن أن يلتف الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ في حقيقيات النوى حول بروتينات الهستون لتكوين النيوكليوسومات. يمكن أن تلتف هذه النيوكليوسومات لتكوين خيوط طويلة تسمى الكروماتين. يمكن ضغط الكروماتين أو تكثيفه أكثر لتكوين تركيب مكثف للكروموسوم. وهذا يمثل صورة مكثفة للغاية من الحمض النووي ‪(DNA)‬‏. يمكن أن تظهر الكروموسومات في صورة خيوط كروماتين طويلة، أو في صورة كروموسومات مكثفة عند استعداد الخلية للانقسام.