تم إلغاء تنشيط البوابة. يُرجَى الاتصال بمسؤول البوابة لديك.

فيديو الدرس: تضاعف الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ الأحياء

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف عملية التضاعف شبه المحافظ للحمض النووي ‪(DNA)‬‏، ويتضمن ذلك دور الإنزيمات المختلفة، ونعرف كيف يمكن تصحيح الأخطاء التي تحدث أثناء تضاعف الحمض النووي.

١٧:١٣

‏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)‬‏.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.