نسخة الفيديو النصية
في هذا الفيديو، سوف نتناول تضاعف الحمض النووي (DNA). سوف نتناول أولًا التركيب الأساسي لـ DNA، مع أزواج القواعد المتكاملة. وبعد ذلك، سوف نصف عملية التضاعف شبه المحافظ للحمض النووي (DNA)، ودور إنزيم اللولب وإنزيم بلمرة الحمض النووي (DNA) وإنزيم الربط. وأخيرًا، سوف نصف كيف يمكن تصحيح الأخطاء التي تحدث في عملية تضاعف DNA.
لقد نشأنا جميعًا من خلية واحدة انقسمت إلى خليتين، ثم انقسمت كل خلية من الخليتين بعد ذلك لتكوين أربع خلايا، والتي انقسمت مرة أخرى لتكوين ثماني خلايا. واستمر حدوث ذلك مرارًا وتكرارًا حتى أصبحنا في النهاية على ما نحن عليه، نتكون من تريليونات الخلايا. التريليون عدد كبير جدًّا. فاليوم الواحد يوجد به 80000 ثانية، والعام الواحد يوجد به ثلاثة ملايين ثانية، وثلاثة تريليونات ثانية تساوي 100000 عام تقريبًا. من المدهش للغاية أن خلايانا يمكنها الانقسام بهذه الطريقة لإنتاج هذا العدد الهائل. ومع كل انقسام خلوي، لا بد من نسخ DNA الموجود داخل نوى هذه الخلايا بدقة في كل مرة.
لذا، فقبل أن نتطرق إلى كيفية نسخ DNA أو تضاعفه، دعونا نستعرض أولًا التركيب الأساسي لـ DNA. يتكون DNA من شريطين مفردين يلتفان حول بعضهما لتكوين شكل لولب مزدوج كما نلاحظ هنا. تعرف المربعات الملونة الموجودة داخل DNA بالنيوكليوتيدات أو أزواج القواعد. دعونا نكبر هذا المقطع من DNA لنتمكن من إلقاء نظرة فاحصة على التركيب الكيميائي. يمثل الشكل المرسوم باللون الأسود هيكل السكر والفوسفات لـ DNA، وهو يتكون من مجموعة فوسفات وسكر ريبوز منقوص الأكسجين. وتمثل المربعات الملونة القواعد النيتروجينية المختلفة. تكون هذه المكونات الثلاثة نيوكليوتيدة. ويتكون كل شريط DNA من بوليمر من هذه النيوكليوتيدات.
إذن، في هذا الشريط الموجود هنا، يوجد نيوكليوتيدة، اثنتان، ثلاث نيوكليوتيدات. ترتبط كل نيوكليوتيدة برابطة فوسفاتية ثنائية الإستر، تحتوي على ذرات كربون على كلا جانبي مجموعة الفوسفات. ويرتبط الشريطان عن طريق قواعدهما النيتروجينية لتكوين أزواج القواعد. في DNA، توجد أربعة أنواع من القواعد النيتروجينية: الجوانين، واختصاره (G)، والسيتوزين، والأدينين، والثايمين. يمكن أن تتزاوج هذه القواعد مع القواعد المتكاملة معها عن طريق تكوين روابط هيدروجينية مع بعضها. وهذه الروابط الهيدروجينية هي التي تحافظ على التصاق الشريطين ببعضهما. تتزاوج قاعدة الجوانين دائمًا مع قاعدة السيتوزين من خلال ثلاث روابط هيدروجينية، في حين تتزاوج قاعدة الأدينين دائمًا مع قاعدة الثايمين من خلال رابطتين هيدروجينيتين.
إحدى الخواص المهمة الأخرى لـ DNA هي اتجاهيته. حيث يكون لأحد الشريطين هذا الاتجاه، في حين يكون للشريط الآخر هذا الاتجاه. وهذا يسمى أحيانًا «التوازي المتعاكس». يحدد اتجاه كل شريط من خلال موضع ذرات الكربون الموجودة في سكر الريبوز المنقوص الأكسجين. وترقم ذرات الكربون بالأرقام من واحد شرطة إلى خمسة شرطة، كما هو موضح هنا.
يسمى أحد الشريطين الشريط المتجه من خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة، وهو ما يمكننا ملاحظته هنا أيضًا، في حين يكون للشريط المقابل له اتجاه معاكس. نسمي هذا الشريط الشريط المتجه من ثلاثة شرطة إلى خمسة شرطة، لكننا نرسم السهم في الاتجاه من خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة، لأن هذا في الواقع هو اتجاه تخليق DNA كما سنرى. وإذا نظرت إلى الجانب الأيسر، يمكنك ملاحظة هذه التسمية على الشكل الموجود هنا أيضًا.
والآن بعد أن تناولنا تركيب DNA بشيء من التفصيل، دعونا نبدأ الحديث عن كيفية تضاعف DNA. حسنًا، لدينا هنا مقطع DNA يجب مضاعفته في اتجاه هذين الشريطين المشار إليهما. أولًا، يجب فك جزيء DNA حتى يمكن فصل الشريطين، بحيث يمكن الوصول إلى القواعد النيتروجينية المختلفة. لفعل ذلك، يعمل إنزيم خاص يسمى «إنزيم اللولب» على فك اللولب عن طريق تكسير الروابط الهيدروجينية الموجودة بين القواعد.
الآن، وبعد فصل الشريطين، يتكون تركيب يسمى «شوكة التضاعف». يمكننا أيضًا رؤية القواعد المفردة هنا وهنا. نحن نعرض حروف هذه القواعد، لنتمكن من ملاحظة كيفية حدوث عملية تخليق DNA. سوف يخلق شريطا DNA جديدان باستخدام كل من هذين الشريطين الأصليين بوصفهما قالبًا.
دعونا نتناول أولًا ما يحدث في الشريط العلوي الذي اتجاهه من خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة. يرتبط إنزيم يسمى «إنزيم بلمرة DNA» بالشريط العلوي، وهو الإنزيم المشارك في تخليق DNA. تشير كلمة «بلمرة» إلى الكيفية التي يمكن أن يكون بها هذا الإنزيم بوليمرات النيوكليوتيدات التي ستكون شريط DNA الجديد. داخل نواة الخلايا الحقيقية النوى، حيث تحدث عملية تضاعف DNA، يوجد العديد من النيوكليوتيدات الحرة الحركة التي يمكن أن يستخدمها إنزيم بلمرة DNA لتكوين شريط DNA جديد. تظهر كل نيوكليوتيدة من هذه النيوكليوتيدات مع هيكل السكر والفوسفات الخاص بها الموضح باللون الأحمر وذلك لتمييزها بوصفها شريط DNA المخلق حديثًا.
تتزاوج قواعد هذه النيوكليوتيدات مع القواعد المتكاملة معها، ويمكن أن يربط إنزيم بلمرة DNA هذه القواعد ببعضها عن طريق تحفيز تكوين روابط فوسفاتية ثنائية الإستر بينها. يتحرك إنزيم بلمرة DNA على طول الشريط أثناء إضافة هذه النيوكليوتيدات. إذا نظرنا إلى اتجاه الشريط الجديد، فسنلاحظ أن اتجاهه من ثلاثة شرطة إلى خمسة شرطة. ومع ذلك، إذا نظرنا إليه من منظور عمل إنزيم بلمرة DNA، فسنلاحظ أن هذا الإنزيم يتحرك في الاتجاه من خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة. وهذه نقطة مهمة؛ لأن إنزيم بلمرة DNA يمكنه فقط إضافة النيوكليوتيدات إلى شريط DNA المخلق حديثًا في الاتجاه من خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة.
عندما نتناول الشريط المقابل الذي اتجاهه من ثلاثة شرطة إلى خمسة شرطة، نجد أن إنزيم بلمرة DNA لا يمكنه تخليق DNA مثلما فعل في الشريط العلوي؛ لأنه من منظور إنزيم بلمرة DNA، سيتحرك الإنزيم في الاتجاه من ثلاثة شرطة إلى خمسة شرطة، وهو ما لا يستطيع فعله. لذا، ما يفعله الإنزيم هو أنه يظل يتحرك في الاتجاه من خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة، كما نلاحظ هنا، لكن لا بد للإنزيم الآن أن ينفصل ويرتبط بمقطع آخر على طول الشريط. هنا، يمكن بهذه الطريقة تخليق قطعة أخرى في الاتجاه من خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة.
تسمى هذه القطع «قطع أوكازاكي». وفي هذا المثال، قطع أوكازاكي صغيرة جدًّا. في حين في الواقع، يمكن أن تكون أكبر بكثير. في بدائيات النوى، يبلغ طولها نحو 1200 نيوكليوتيدة، في حين يبلغ طولها في حقيقيات النوى نحو 200 نيوكليوتيدة. لدينا الآن هاتان القطعتان من قطع أوكازاكي، وتوجد بينهما فجوة. يمكن ربط هاتين القطعتين والتخلص من الفجوة الموجودة بينهما باستخدام إنزيم آخر يسمى «إنزيم الربط». يمكن أن يكون هذا الإنزيم رابطة فوسفاتية ثنائية الإستر بين قطعتين من DNA كما نرى هنا. إذن، هذه هي طريقة حدوث تضاعف DNA. نظرًا لتكون أحد الشريطين باستمرار دون تكوين قطع أوكازاكي هذه ثم ربطها، يسمى هذا الشريط «الشريط القائد» أو المتقدم، في حين يسمى الشريط الآخر «الشريط التابع» أو المتأخر، لأنه يجمع من أجزاء.
يتواصل حدوث تضاعف DNA بوتيرة مستمرة بفك إنزيم اللولب لـ DNA الموجود أمامه، في حين تعمل إنزيمات بلمرة DNA خلفه على تخليق DNA. يحدث تضاعف DNA بسرعة كبيرة، ويضاف نحو 50 نيوكليوتيدة في الثانية الواحدة. تحتوي خلايا الإنسان على المليارات من نيوكليوتيدات DNA، لذا سيستغرق هذا وقتًا طويلًا للغاية. والحقيقة هي أن تضاعف DNA يمكن أن يحدث في جميع أجزاء الكروموسوم ويكون ما يسمى «فقاعات التضاعف». يمكن أن تتمدد فقاعات التضاعف هذه من مواضعها الأصلية حتى يتضاعف جزيء DNA بالكامل.
الآن، لدينا جزيئا DNA، حيث يحتوي كل جزيء منهما على شريط واحد من الجزيء الأصلي، موضح باللون الأسود، وشريط مخلق حديثًا موضح باللون الأحمر. ولهذا السبب، يقال إن تضاعف DNA شبه محافظ. فلو كان تضاعف DNA محافظًا، كنا سنلاحظ وجود جزيء DNA الأصلي إلى جانب جزيء آخر يحتوي على شريطي DNA جديدين. لكن ليس هذا ما يحدث، لأن تضاعف DNA شبه محافظ.
يوجد الكثير من النيوكليوتيدات التي تضاف لتكوين شريط DNA جديد، فما الذي سيحدث إذن لو أخطأ إنزيم بلمرة DNA؟ يمكن أن تحدث تلك الأخطاء في عملية التضاعف طفرات في DNA. لذا، إذا كان لدينا جزيء DNA يخضع لعملية التضاعف، كما هو موضح هنا، وبدلًا من إضافة الجوانين، وهو ما يعد صحيحًا، أضاف إنزيم بلمرة DNA الأدينين بصورة خاطئة، فإن شريط DNA المخلق حديثًا سيحتوي على خطأ أو طفرة في تتابع DNA الخاص به. في بعض الأحيان، تحدث هذه الطفرات في مناطق مهمة من الجينات.
في جين الهيموجلوبين، وهو البروتين الذي يحمل الأكسجين في خلايا الدم الحمراء، يمكن أن تؤدي طفرة نقطية في هذا الجين إلى حدوث حالة فقر الدم المنجلي. وهذا يجعل خلايا الدم الحمراء تغير شكلها إلى شكل منجل. ويكون لدى الأشخاص الذين لديهم هذه الطفرة نسخة من الهيموجلوبين في خلايا الدم الحمراء لا تحمل الأكسجين بشكل فعال، ومن ثم يصبحون أكثر عرضة للإصابة بمرض فقر الدم.
يخطئ إنزيم بلمرة DNA خطأ واحدًا في كل 100000 نيوكليوتيدة، وهو ما قد يؤدي إلى حدوث أكثر من 120000 طفرة في كل مرة تنقسم فيها الخلية. ولمنع حدوث هذه الأخطاء، يستخدم إنزيم بلمرة DNA وظيفة تصحيح خاصة. لذا، أثناء تخليقه لـ DNA، يمكنه اكتشاف إذا ما كان هناك عدم تطابق بين النيوكليوتيدات، ويزيل النيوكليوتيدة الخاطئة. وحينئذ يمكن أن تتزاوج النيوكليوتيدة الصحيحة. وبهذه الطريقة، يمكن تقليل أخطاء عملية تضاعف DNA إلى أدنى حد ممكن.
دعونا نأخذ الآن بعض الوقت لتناول سؤال تدريبي.
أثناء عملية تضاعف الحمض النووي (DNA)، ما الدور الرئيسي لإنزيم اللولب؟ (أ) يكشف إنزيم اللولب عن أي أخطاء تحدث عن طريق التزاوج غير الصحيح للقواعد أثناء تضاعف الحمض النووي، ويصلحها. (ب) يكسر إنزيم اللولب الروابط الهيدروجينية بين أزواج القواعد، ويفصل بين شريطي الحمض النووي. (ج) يكون إنزيم اللولب الروابط الفوسفاتية الثنائية الإستر بين النيوكليوتيدات لتكوين شريط من الحمض النووي. (د) يضيف إنزيم اللولب النيوكليوتيدات إلى سلسلة الحمض النووي النامية، ويخلق شريطًا من الحمض النووي متكاملًا مع الشريط القالب. (هـ) يصل إنزيم اللولب فجوات هيكل السكر والفوسفات الموجودة بين قطع الحمض النووي المكونة حديثًا.
يسألنا هذا السؤال عن الدور الرئيسي لإنزيم اللولب أثناء عملية تضاعف DNA. للإجابة عن ذلك، دعونا أولًا نمسح خيارات الإجابة حتى يكون لدينا مساحة أكبر للعمل عليها. لكي تنقسم الخلية وتكون خلية جديدة، يجب أولًا نسخ DNA الخاص بها أو مضاعفته لتكوين جزيئات DNA جديدة. لعلك تتذكر أن DNA عبارة عن لولب مزدوج الشريط. وتمثل هذه المربعات الملونة التي تراها النيوكليوتيدات المختلفة التي تكون جزيء DNA.
لنكبر الصورة هنا حتى نتمكن من إلقاء نظرة فاحصة. هنا، يمكننا أن نرى شريطي DNA. يتكون DNA من وحدات فرعية متكررة تسمى النيوكليوتيدات. تحتوي كل نيوكليوتيدة على مجموعة فوسفات وسكر ريبوز منقوص الأكسجين وقاعدة نيتروجينية. في DNA، توجد أربعة أنواع من القواعد النيتروجينية: الجوانين والسيتوزين والأدينين والثايمين. يمكن أن يشفر تتابع هذه القواعد النيتروجينية على طول شريطي DNA هذين جينات مختلفة. تكون هذه القواعد أزواجًا من القواعد، لأن القواعد المتكاملة يمكن أن ترتبط ببعضها بروابط هيدروجينية. تتزاوج دائمًا قاعدة الجوانين مع قاعدة السيتوزين وتتكون ثلاث روابط هيدروجينية، في حين تتزاوج قاعدة الأدينين دائمًا مع قاعدة الثايمين وتتكون رابطتان هيدروجينيتان. هذه الروابط الهيدروجينية الموجودة بين هذه القواعد هي التي تربط شريطي DNA هذين معًا.
لكي تحدث عملية تضاعف DNA، يجب فصل هذين الشريطين، حتى يمكن نسخ DNA. يسمى الإنزيم الذي يكسر هذه الروابط الهيدروجينية ويفصل الشريطين «إنزيم اللولب». ومن ثم، ففي عملية تضاعف DNA، يتمثل الدور الأساسي لإنزيم اللولب في تكسير الروابط الهيدروجينية الموجودة بين أزواج القواعد، وفصل شريطي الحمض النووي (DNA).
والآن، دعونا نستعرض النقاط الرئيسية التي تناولناها في هذا الفيديو. تضاعف الحمض النووي (DNA) هو عملية تكوين نسخ DNA جديدة من جزيء DNA أصلي. تحدث هذه العملية بواسطة إنزيمات مختلفة، تشمل إنزيم اللولب الذي يفصل شريطي DNA، وإنزيم بلمرة الحمض النووي (DNA) الذي يخلق شريط DNA جديدًا، وإنزيم الربط الذي يربط قطع DNA معًا. تضاعف الحمض النووي (DNA) شبه محافظ، وهذا يعني أن النسخة الجديدة من DNA تتكون من شريط واحد من DNA الأصلي، وشريط واحد من DNA المخلق حديثًا. يمكن تصحيح الأخطاء التي تحدث أثناء عملية تضاعف الحمض النووي (DNA) عن طريق وظيفة التصحيح التي يؤديها إنزيم بلمرة الحمض النووي (DNA).
