فيديو الدرس: اكتشاف الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ وتركيبه الأحياء

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على تركيب الحمض النووي ‪(DNA)‬‏، بدءًا من الجزيئات التي يتكون منها ووصولًا إلى الروابط التي تربط هذه الجزيئات معًا. وسوف نكتشف أيضًا كيف ساهم عمل العلماء في منتصف القرن العشرين في تكوين فهمنا الحالي للحمض النووي ‪(DNA)‬‏. والآن، دعونا نر ما بداخل اللولب المزدوج.

الأحماض النووية هي أحد أنواع الجزيئات الكيميائية الحيوية التي تحمل المعلومات الوراثية. توجد الأحماض النووية في كل خلية حية تقريبًا، وهي مسئولة عن التحكم في وظائف الخلية، وهذا يعني التحكم في جميع خواص الكائن الحي؛ من حيث مظهره وحجمه ومتطلباته الغذائية. وعند تكاثر الكائنات الحية، تورث المعلومات التي تحملها الأحماض النووية لكل من الأبوين إلى النسل.

يوجد نوعان من الأحماض النووية، وهما ‪DNA‬‏، الذي يرمز إلى الحمض النووي الريبوزي المنقوص الأكسجين، و‪RNA‬‏، الذي يرمز إلى الحمض النووي الريبوزي. توجد هذه الجزيئات في الغالب في نواة كل خلية حية. وعادة ما تخزن الكائنات الحية معلوماتها الوراثية في الحمض النووي ‪(DNA)‬‏، في حين تساعد جزيئات ‪RNA‬‏ على نقل هذه المعلومات وترجمتها.

على الرغم من أن الجزيء الذي يعرف الآن باسم ‪DNA‬‏ قد اكتشف لأول مرة في القرن التاسع عشر، فلم يكتشف تركيبه ودوره في الوراثة الجينية إلا في منتصف القرن العشرين. كانت هذه الاكتشافات بمثابة نقطة تحول؛ حيث إنها وضعت الأسس التي قامت عليها الابتكارات في العديد من مجالات العلوم الحديثة. واليوم، قد أصبح لدينا فكرة واضحة عن شكل ‪DNA‬‏ والطريقة التي يؤدي بها وظيفته باعتباره أساس الحياة.

حسنًا، دعونا نستعرض أولًا أبسط الوحدات التي يتكون منها ‪DNA‬‏. يتكون ‪DNA‬‏ من العديد من النيوكليوتيدات. وتتكون النيوكليوتيدة الواحدة من ثلاثة مكونات. المكون الأول هو سكر ريبوز منقوص الأكسجين، وهو ممثل هنا باستخدام شكل خماسي. يرجع سبب تمثيله على شكل خماسي إلى أن الريبوز المنقوص الأكسجين عبارة عن سكر خماسي، أي أنه يحتوي على خمس ذرات كربون في تركيبه الذري، كما هو موضح هنا. ونعطي كل ذرة من ذرات الكربون الخمسة هذه رقمًا متبوعًا بفاصلة علوية تقرأ شرطة. لذا، على سبيل المثال، يمكننا الإشارة إلى هذه الذرة بأنها ذرة الكربون خمسة شرطة.

المكون الثاني للنيوكليوتيدة هو قاعدة تحتوي على النيتروجين أو قاعدة نيتروجينية، ترتبط بالريبوز المنقوص الأكسجين بواسطة رابطة تساهمية. وعلى الرغم من أن جميع نيوكليوتيدات ‪DNA‬‏ تحتوي على سكر الريبوز المنقوص الأكسجين نفسه، فإن لكل منها قاعدة من أربع قواعد نيتروجينية ممكنة مختلفة. هذه القواعد هي الجوانين، ويمثله الحرف ‪G‬‏ وهو موضح هنا باللون البرتقالي؛ والأدينين، ويمثله الحرف ‪A‬‏ وهو موضح هنا باللون الأخضر؛ والسيتوزين، ويمثله الحرف ‪C‬‏ وهو موضح هنا باللون الأزرق؛ والثايمين، ويمثله الحرف ‪T‬‏، كما توقعنا، وهو موضح هنا باللون الوردي. يعرف الجوانين والأدينين بالبيورينات؛ لأن لهما تركيبًا كيميائيًّا كبيرًا يتكون من حلقتين. ويعرف السيتوزين والثايمين بالبيريميدينات؛ لأن لهما تركيبًا كيميائيًّا أصغر حجمًا يتكون من حلقة واحدة.

أما المكون الثالث والأخير للنيوكليوتيدة، فهو مجموعة الفوسفات. تعد مجموعة الفوسفات مهمة؛ لأنها تسمح للنيوكليوتيدة بالارتباط بالنيوكليوتيدة المجاورة لها. وتفعل ذلك عن طريق تكوين رابطتين إستريتين بين مجموعة الفوسفات وذرة كربون واحدة على كل جانب. تعرف هاتان الرابطتان معًا بالرابطة الفوسفاتية الثنائية الإستر. ويؤدي وجود روابط فوسفاتية ثنائية الإستر بين ملايين النيوكليوتيدات إلى تكون سلسلة عديد النيوكليوتيد. وبما أن هذه الروابط تتكون بين جزيئات السكر ومجموعات الفوسفات، فإننا نقول إن عديد النيوكليوتيد له هيكل من السكر والفوسفات.

لكن كيف تصبح عديدات النيوكليوتيد جزيئات ‪DNA‬‏ مكتملة التكوين؟ إذا كبرنا أحد طرفي عديد النيوكليوتيد، فسنلاحظ أنه يحتوي على مجموعة فوسفات حرة غير مرتبطة بسكر ريبوز منقوص الأكسجين. ولعلنا نتذكر كيف أوضحنا أن كل ذرة كربون في جزيء السكر مرقمة. حسنًا، بما أن مجموعة الفوسفات الحرة هذه مرتبطة بذرة الكربون خمسة شرطة، فيمكننا قول إن هذا هو الطرف خمسة شرطة لعديد النيوكليوتيد. إذا كبرنا الطرف المقابل، فسنلاحظ أنه يحتوي على مجموعة ‪OH‬‏ حرة مرتبطة بذرة الكربون ثلاثة شرطة. ومن ثم، فإن هذا يعرف بالطرف ثلاثة شرطة لعديد النيوكليوتيد.

لا يوجد ‪DNA‬‏ في صورة عديد نيوكليوتيد مفرد. فهو يتكون عادة من شريطين. بعبارة أخرى، يتكون ‪DNA‬‏ عادة من سلسلتين من عديد النيوكليوتيد مرتبطتين معًا. لكن كيف يحدث هذا؟ تتجمع سلسلة ثانية من عديد النيوكليوتيد ثم ترتبط بالسلسلة الأولى عن طريق روابط هيدروجينية بين القواعد النيتروجينية. لكن هذه الروابط الهيدروجينية لا تتكون عشوائيًّا. فيرتبط الثايمين بالأدينين فقط، في حين يرتبط السيتوزين بالجوانين فقط. تسمى هذه الظاهرة بتزاوج القواعد المتكاملة. وتعني أن الشريطين المكونين لجزيء ‪DNA‬‏ يكملان بعضهما.

من السمات الأخرى لهذين الشريطين أنهما متوازيان ومتعاكسان في الاتجاه. هذا يعني أن لهما اتجاهين متعاكسين. ومن ثم، فإن الطرف خمسة شرطة لأحد الشريطين يقابل الطرف ثلاثة شرطة للشريط الآخر، والعكس بالعكس. نلاحظ أن التركيب الذي لدينا الآن يشبه السلم، والروابط الهيدروجينية بين القواعد تمثل درجات هذا السلم. لتكوين التركيب النهائي للحمض النووي ‪(DNA)‬‏، يلتف هذا الجزيء الذي يشبه السلم في اتجاه عقارب الساعة. ويعرف هذا الشكل الأخير باللولب المزدوج، وهو الشكل الأكثر شيوعًا للحمض النووي ‪(DNA)‬‏.

يمكننا استخدام هذه المعلومات عن تركيب ‪DNA‬‏ لحساب النسبة المئوية لتركيب ‪DNA‬‏. حسنًا، بسبب تزاوج القواعد المتكاملة، يجب أن يتساوى دائمًا عدد قواعد الجوانين، الموضحة هنا باللون البرتقالي، في جزيء ‪DNA‬‏ مع عدد قواعد السيتوزين، الموضحة هنا باللون الأزرق. على سبيل المثال، في هذا الجزء من ‪DNA‬‏ الموضح هنا، يوجد سبعة من كل منهما. وللسبب نفسه، يجب أن يتساوى عدد قواعد الأدينين، الموضحة هنا باللون الأخضر، مع عدد قواعد الثايمين، الموضحة هنا باللون الوردي، وفي هذه الحالة يوجد ستة من كل منهما. قد اكتشف ذلك عالم أمريكي يدعى تشارجاف في أواخر أربعينيات القرن العشرين قبل شرح تركيب ‪DNA‬‏ حتى. يمكن استخدام قاعدة تشارجاف، كما أصبحت تعرف، لحساب النسبة المئوية لكل قاعدة في الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ لكائن حي معين. وتعرف هذه أيضًا بنسبة التركيب المئوية.

دعونا نر الآن كيف فسر العلماء تتابعات الحمض النووي ‪(DNA)‬‏. يمكننا التفكير في الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ على أنه كتاب تعليمات لكل ما يحدث داخل الخلية؛ حيث تعمل القواعد النيتروجينية ‪G‬‏ و‪A‬‏ و‪C‬‏ و‪T‬‏ بمثابة الحروف الأبجدية الوراثية. وعليه، فإن ترتيب هذه القواعد أو تتابعها مهم حقًّا في تحديد البروتينات التي ستتكون في النهاية. درس العلماء تتابع الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ منذ سبعينيات القرن العشرين للتوصل إلى فهم أفضل للطريقة التي تعمل بها الجينات وكيف يمكننا استخدامها لصالحنا، على سبيل المثال، في تطوير علاجات طبية مخصصة لكل شخص.

لكن المشكلة في دراسة هذه التتابعات هي أن ‪DNA‬‏ لا يوجد دائمًا في الاتجاه نفسه. على سبيل المثال، يمكن أن يوجد مقطع ‪DNA‬‏ الموضح هنا بهذا الاتجاه أو بهذا الاتجاه. وبناء على الاتجاه الذي يفحص فيه العالم ‪DNA‬‏، فإن قراءته من اليسار إلى اليمين ستعطيه فكرة مختلفة تمامًا عن المعلومات الوراثية التي يحتوي عليها. ومن ثم، لتجنب هذه المشكلة، يقرأ ‪DNA‬‏ دائمًا في الاتجاه من خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة. لذلك، بغض النظر عن اتجاه تتابعات ‪DNA‬‏، فإنها تترجم دائمًا بالطريقة نفسها.

والآن، دعونا نرجع بالزمن لنرى كيف اكتشف تركيب ‪DNA‬‏ لأول مرة. في عام 1951، بدأت عالمة إنجليزية تدعى روزاليند فرانكلين دراسة تركيب ‪DNA‬‏. وكانت على دراية واسعة بالتقنية المعملية التي تسمى التصوير البلوري بالأشعة السينية. تتضمن هذه التقنية تمرير الأشعة السينية خلال التراكيب البلورية وملاحظة كيف تتفرق أو تحيد في اتجاهات مختلفة. ومن خلال التقاط صور فوتوغرافية لأنماط الحيود هذه وتحليلها، يمكن للعلماء تحديد التركيب الجزيئي لبلورة معينة.

طبقت فرانكلين في التجربة التي أجرتها هذه التقنية على بلورات معزولة من ‪DNA‬‏. وتمكنت مع فريقها من الحصول على العديد من الصور الفوتوغرافية للتركيب البلوري للحمض النووي ‪(DNA)‬‏. هذه الصورة الفوتوغرافية تحديدًا، التي التقطت عام 1952، قدمت الدليل القاطع على تركيب ‪DNA‬‏. أولًا، اتضح من نمط الحيود على شكل حرف ‪X‬‏ أن ‪DNA‬‏ يتخذ شكل اللولب. ثانيًا، باستخدام المعلومات المتعلقة بكثافة عينات ‪DNA‬‏ الأصلية لفرانكلين، استنتج أن ‪DNA‬‏ يتكون من شريطين. ثالثًا، استنتج أن القواعد النيتروجينية تتجه إلى الداخل نحو مركز اللولب، في حين تتجه مجموعات الفوسفات إلى الخارج.

كانت هذه هي الصورة رقم 51 من بين الصور التي التقطتها فرانكلين وفريقها، لذلك أصبحت تعرف مؤخرًا باسم «الصورة 51» تقديرًا لأهميتها. وفي يناير 1953، عرض زميل فرانكلين، موريس ويلكنز، الصورة 51 على جيمس واطسون. كان واطسون عالمًا آخر يحاول مع شريكه في البحث، فرانسيس كريك، تحديد تركيب ‪DNA‬‏. استخدم واطسون وكريك المعلومات من الصورة 51 لاقتراح نموذج اللولب المزدوج الثلاثي الأبعاد لتركيب ‪DNA‬‏، ونشرا هذا النموذج في عام 1953 دون ذكر ما أسهمت به فرانكلين على الإطلاق.

في عام 1962، حصل كل من ويلكنز وواطسون وكريك على جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب عن اكتشافاتهم، لكن مع الأسف، توفيت فرانكلين في ذلك الوقت بسبب سرطان المبيض. ولم تحصل إسهامات فرانلكين في اكتشاف تركيب ‪DNA‬‏ على التقدير المناسب حتى عام 1968، عندما نشر واطسون رواية شخصية عن أعماله. وحقيقة أن التركيب اللولبي المزدوج للحمض النووي ‪(DNA)‬‏ لا يزال هو النموذج المستخدم حتى يومنا هذا توضح مدى ريادة عمل فرانكلين وزملائها وتأثيره.

والآن، بعد أن تعرفنا على كل شيء يخص الحمض النووي ‪(DNA)‬‏، دعونا نتناول سؤالًا تدريبيًّا.

ما نوع الرابطة التي تتكون بين أزواج القواعد في الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ لربط الشريطين معًا لتكوين لولب مزدوج؟ (أ) رابطة جليكوسيدية، (ب) رابطة هيدروجينية، (ج) رابطة أيونية، (د) رابطة تساهمية، (هـ) رابطة فوسفاتية ثنائية الإستر.

يمثل هذا الشكل التركيب اللولبي المزدوج للحمض النووي ‪(DNA)‬‏. إذا كبرنا جزءًا صغيرًا من جزيء ‪DNA‬‏، فسنلاحظ أنه يتكون من وحدات مفردة تسمى النيوكليوتيدات. تحتوي كل نيوكليوتيدة على قاعدة. وتوجد أربع قواعد ممكنة مختلفة تمثلها الألوان الأربعة المختلفة التي نراها هنا. يتكون بين النيوكليوتيدات نوع خاص من الروابط التساهمية يسمى رابطة فوسفاتية ثنائية الإستر. الروابط الفوسفاتية الثنائية الإستر هذه تكون الشريطين المكونين لجزيء ‪DNA‬‏. لكن مطلوب منا في هذا السؤال تحديد نوع الروابط التي تتكون بين أزواج القواعد لربط الشريطين معًا. لذا، يمكننا استبعاد الخيار (هـ)؛ لأن الرابطة الفوسفاتية الثنائية الإستر ليست الإجابة الصحيحة.

الروابط التي تتكون بين أزواج القواعد هي روابط هيدروجينية. فكما نرى في هذا الشكل، تتكون رابطتان هيدروجينيتان بين الثايمين والأدينين، وهما اسما هاتين القاعدتين، وتتكون ثلاث روابط هيدروجينية بين الجوانين والسيتوزين، وهما اسما القاعدتين الأخريين. إذن، نستنتج أن نوع الرابطة التي تتكون بين أزواج القواعد في الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ لربط الشريطين معًا لتكوين لولب مزدوج هو الخيار (ب) الرابطة الهيدروجينية.

دعونا نلخص الآن ما تعلمناه في هذا الفيديو من خلال مراجعة النقاط الرئيسية. ‏‪DNA‬‏ هو حمض نووي يخزن المعلومات الوراثية. ويتكون من وحدات مفردة تسمى النيوكليوتيدات، وتتحد هذه النيوكليوتيدات معًا لتكوين سلاسل من عديد النيوكليوتيد. ترتبط سلسلتان من عديد النيوكليوتيد معًا بواسطة روابط هيدروجينية تتكون بين القواعد لتكوين الحمض النووي ‪(DNA)‬‏. يرتبط الجوانين بالسيتوزين فقط، ويرتبط الأدينين بالثايمين فقط. يوجد الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ في صورة جزيء على شكل لولب مزدوج، ويقرأ في الاتجاه من خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة. وأخيرًا، وضعت روزاليند فرانكلين وزملاؤها نموذج اللولب المزدوج للحمض النووي ‪(DNA)‬‏ في خمسينيات القرن العشرين.