أهداف التعلم

• توضح الأدلة على أن DNA هو المادة الوراثية.
• تصف تركيب جزيء DNA ونموذج واطسون وكريك.
• تشرح خطوات تضاعف DNA ودور الإنزيمات فيه.
• تصف تنظيم DNA في أوليات النواة وحقيقيات النواة.
• تقارن بين أنواع الطفرات وأسبابها.

شرح الدرس

الأدلة على أن DNA هو المادة الوراثية

تنفصل الصبغيات أثناء الانقسام بحيث تحصل كل خلية على العدد نفسه منها، فدلّ ذلك على أنها تحمل المعلومات الوراثية. وتتركب الصبغيات من DNA وبروتينات. وظنّ العلماء أولًا أن البروتينات هي الأصل لأنها متنوعة؛ إذ تتكون من نحو عشرين حمضًا أمينيًا مختلفًا، بينما يتكون DNA من أربع نيوكليوتيدات فقط. ثم ثبت في أربعينيات القرن الماضي أن DNA هو الحامل للمعلومات الوراثية.

1. التحول البكتيري (جريفث وآفري): درس جريفث بكتيريا الالتهاب الرئوي على الفئران، وله سلالتان: سلالة مميتة (S) وسلالة غير مميتة (R). وكانت نتائجه:

• حقن S تموت الفئران، وحقن R لا تموت.
• حقن S المقتولة بالحرارة لا تموت الفئران.
• حقن S المقتولة مع R الحية تموت بعض الفئران، ويوجد في أجسامها بكتيريا S حية.

استنتج أن مادة وراثية انتقلت من S الميتة إلى R فحولتها إلى S، وسُمّيت الظاهرة التحول البكتيري. ثم عزل آفري وزملاؤه المادة المحوِّلة فوجدوا أنها DNA. وحين عاملوها بإنزيم يحلل DNA (ديأوكسي ريبونيوكليز) توقف التحول، ولم يتوقف عند التأثير في البروتين أو RNA، فتأكد أن DNA هو المادة الوراثية.

2. لاقمات البكتيريا (هيرشي وتشيس): يتكون الفاج من DNA يحيط به غلاف بروتيني. وسم هيرشي وتشيس DNA الفيروسي بالفوسفور المشع (لأن الفوسفور في DNA وليس في البروتين عادة)، ووسما بروتينه بالكبريت المشع (لأن الكبريت في البروتين وليس في DNA). وبعد أن هاجم الفاج البكتيريا وجدا أن DNA الفيروسي دخل الخلية البكتيرية، بينما لم يدخل البروتين، وأن هذا DNA دفع الخلية إلى بناء فيروسات جديدة.

3. كمية DNA في الخلايا: كمية DNA متساوية في الخلايا الجسدية المختلفة للكائن الواحد (كالدجاج)، بينما تختلف كمية البروتين من نوع خلية لآخر. وكمية DNA في المشيج نصف كميتها في الخلية الجسدية، وهو ما يناسب أن الفرد الجديد ينشأ من اتحاد مشيجين. كما أن البروتينات تُهدم وتُبنى باستمرار، أما DNA فثابت.

وتوجد فيروسات مادتها الوراثية RNA، لكنها جزء صغير من صور الحياة؛ فDNA هو المادة الوراثية في كل صور الحياة تقريبًا.

تركيب DNA

يتكون DNA من نيوكليوتيدات، وتتركب كل نيوكليوتيدة من:

1. سكر خماسي هو ديأوكسي ريبوز.
2. مجموعة فوسفات مرتبطة بالكربون الخامس في السكر.
3. قاعدة نيتروجينية مرتبطة بالكربون الأول في السكر، وهي إما بيريميدين ذو حلقة واحدة (ثايمين T أو سيتوزين C)، أو بيورين ذو حلقتين (أدينين A أو جوانين G).

ترتبط النيوكليوتيدات في الشريط الواحد بارتباط فوسفات الكربون الخامس في إحداها بالكربون الثالث في سكر التالية، فيتكون هيكل سكر–فوسفات. وللشريط نهاية $5'$ فيها فوسفات طليقة، ونهاية $3'$ فيها مجموعة هيدروكسيل طليقة، وتبرز القواعد على جانب واحد.

وفي كل جزيئات DNA تساوي نسبة الأدينين نسبة الثايمين، وتساوي نسبة الجوانين نسبة السيتوزين: $A = T$ و$G = C$. وأظهرت صور حيود الأشعة السينية التي حصلت عليها فرانكلين أن DNA حلزون، هيكل السكر والفوسفات في خارجه والقواعد في داخله، وأنه يتكون من أكثر من شريط. ثم وضع واطسون وكريك النموذج المقبول:

• شريطان يشبهان سلمًا خشبيًا: جانباه هيكلا السكر والفوسفات ودرجاته أزواج القواعد.
• تتزاوج A مع T برابطتين هيدروجينيتين، وG مع C بثلاث روابط هيدروجينية. ولأن كل زوج يضم قاعدة ذات حلقة وأخرى ذات حلقتين يكون عرض الدرجات متساويًا.
• الشريطان متوازيان متعاكسان في الاتجاه ($5' \to 3'$ مقابل $3' \to 5'$).
• يلتف السلم حول نفسه بمعدل عشر نيوكليوتيدات في كل لفة على الشريط الواحد، فيتكون اللولب المزدوج.

تضاعف DNA

قبل الانقسام تتضاعف كمية DNA حتى تنال كل خلية جديدة نسخة طبق الأصل. وبسبب تكامل القواعد، يحدد تتابع القواعد في شريط تتابعها في الشريط المقابل (فإذا كان التتابع A–A–T–C فالمقابل T–T–A–G). فإذا انفصل الشريطان عمل كل منهما قالبًا لبناء شريط يتكامل معه.

ويتطلب ذلك إنزيمات وبروتينات تعمل معًا:

1. إنزيمات اللولب (هيليكيز): تفك اللولب وتكسر الروابط الهيدروجينية بين القواعد فينفصل الشريطان، وتتكون شوكة التضاعف.
2. إنزيم البرايميز: يصنع قطعًا قصيرة من RNA تُسمى البوادئ ترتبط بالشريط القالب، لأن إنزيم البلمرة لا يبدأ عمله وحده.
3. إنزيمات البلمرة (DNA بوليميريز): تضيف النيوكليوتيدات واحدة بعد أخرى إلى النهاية $3'$ للشريط الجديد، بعد أن تتزاوج قاعدة النيوكليوتيدة مع قاعدة القالب. وهو يعمل في اتجاه واحد فقط هو $5' \to 3'$ على الشريط الجديد.
4. إنزيم الربط (DNA ligase): يصل قطع الشريط المتأخر بعضها ببعض.

وبسبب أن الشريطين متعاكسان واتجاه البلمرة واحد:

• على القالب ($3' \to 5'$) يتبع البوليميريز الهيليكيز مباشرة فيبني شريطًا متصلًا يُسمى الشريط القائد.
• على القالب الآخر ($5' \to 3'$) يُبنى الشريط الجديد على هيئة قطع صغيرة تُسمى قطع أوكازاكي تُوصل بإنزيم الربط، ويُسمى الشريط المتأخر.
• بعد البناء تُزال البوادئ بنوع من البوليميريز وتُستبدل بنيوكليوتيدات DNA.

وينتظم DNA في حقيقيات النواة في صبغيات، في كل منها جزيء واحد طويل يبدأ نسخه عند مئات أو آلاف النقاط على امتداده. أما في أوليات النواة فجزيء DNA دائري يتصل بالغشاء البلازمي عند نقطة واحدة يبدأ عندها التضاعف.

إصلاح عيوب DNA

تتعرض الجزيئات الحيوية للتلف بحرارة الجسم وببيئته المائية، ويتلف DNA كذلك بالمركبات الكيميائية والإشعاع، ويحدث ذلك آلاف المرات في الخلية كل يوم. لكن الغالبية العظمى تُصلَح بكفاءة بمجموعة إنزيمات تتعرف المنطقة التالفة وتستبدلها بنيوكليوتيدات تتزاوج مع الشريط المقابل، فلا يبقى دائمًا إلا عدد ضئيل جدًا من التغيرات. ويعتمد الإصلاح على وجود نسختين من المعلومات (واحدة على كل شريط)؛ فما دام أحد الشريطين سليمًا استُخدم قالبًا لإصلاح الآخر، ولا يتعذر الإصلاح إلا إذا تلف الشريطان في الموقع نفسه والوقت نفسه. ولذلك يُعد اللولب المزدوج مهمًا للثبات الوراثي، بينما تتغير فيروسات RNA مفردة الشريط بمعدل مرتفع.

DNA في أوليات النواة

جزيء DNA في البكتيريا (مثل إيشيريشيا كولاي) دائري ملتحم الطرفين، لو مُدّ لكان أطول من الخلية بكثير، فيلتف على نفسه عدة مرات ليشغل منطقة نووية صغيرة من الخلية. وتحمل بعض البكتيريا جزيئات DNA دائرية صغيرة تُسمى البلازميدات، وتتضاعف مع تضاعف DNA الرئيسي. وDNA الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء (عضيات حقيقيات النواة) يشبه DNA أوليات النواة، وكذلك بلازميدات الخميرة؛ فكلها جزيئات دائرية لا ترتبط ببروتينات تعقدها.

تكاثف DNA في حقيقيات النواة

يلتف جزيء DNA في الصبغي ويطوى ويرتبط ببروتينات مكونًا الكروماتين، وفيه كمية متساوية تقريبًا من البروتين وDNA. والبروتينات نوعان:

• هستونية: صغيرة تركيبية غنية بالأرجينين والليسين، وهما حمضان أمينيان قاعديان تحمل مجموعاتهما الجانبية شحنات موجبة فترتبط بقوة بفوسفات DNA السالبة.
• غير هستونية: غير متجانسة؛ بعضها تركيبي ينظم الشكل الفراغي لـ DNA في النواة، وبعضها تنظيمي يحدد هل تُستخدم شفرة الجين في بناء RNA والبروتين أم لا.

يلتف DNA حول مجموعات من الهستون مكونًا النيوكليوسومات، التي تلتف بدورها وتُثبَّت بحلقات من بروتينات غير هستونية مكونة الكروماتين المكدس (المكثف) الذي يشكل الكروماتيد أو الصبغي. وفي هذه الحالة تعجز الإنزيمات عن الوصول إلى DNA، فلا بد أن يُفك التكدس على الأقل إلى مستوى شريط النيوكليوسومات قبل أن يعمل DNA قالبًا لبناء DNA أو RNA.

المحتوى الجيني

المحتوى الجيني هو مجموع الجينات، أي كل DNA في الخلية. يحمل بعضها تعليمات بناء البروتين، وبعضها يحمل تعليمات RNA الريبوسومي وRNA الناقل. ويمثل DNA المشفر معظم المحتوى الجيني في أوليات النواة، أما في حقيقيات النواة فيحمل نسبة ضئيلة فقط شفرة البروتين، وباقيه لا يشفر لـ RNA أو بروتين. وتوجد في حقيقيات النواة مئات النسخ من جينات RNA الريبوسومي والهستونات التي تحتاجها الخلية بكميات كبيرة، وربما أسرع ذلك إنتاجها. ولا تتناسب كمية DNA مع تعقد الكائن؛ فبعض الكائنات كالسلمندر في خلاياه DNA أكثر بكثير مما في الإنسان. ومن الأجزاء غير المشفرة المحفز الذي يشير إلى مكان بدء بناء RNA في بداية كل جين.

الطفرات

الطفرة تغير في العوامل الوراثية المتحكمة في صفة ما، وقد يغير الصفة في الكائن. وتُعد الطفرة حقيقية إذا ظلت متوارثة عبر الأجيال، ويجب تمييزها عن تغير ينشأ من تأثير البيئة أو من انعزال الجينات وإعادة اتحادها. وأغلب الطفرات تظهر صفات غير مرغوبة كبعض التشوهات الخلقية، وقليلها نافع، كطفرة الأغنام ذات الأرجل القصيرة المقوسة (سلالة أنكون) التي لا تتسلق سور الحظيرة.

أولًا: الطفرات الجينية: تغير كيميائي في ترتيب القواعد النيتروجينية في DNA، فينتج بروتين مختلف وصفة جديدة، وغالبًا تتحول الصفة من السائدة إلى المتنحية. وتحدث بتبديل نيوكليوتيدات أو حذفها أو إضافتها.

ثانيًا: الطفرات الصبغية:

• تغير عدد الصبغيات: نقص صبغي أو زيادته عند تكوين الأمشاج بالانقسام الميوزي، كمتلازمة كلاينفلتر (XXY بعدد 47 صبغيًا) ومتلازمة تيرنر (XO بعدد 45 صبغيًا). وقد يتضاعف عدد الصبغيات كله إذا لم تنفصل الكروماتيدات أو لم يتكون الغشاء الفاصل بين الخليتين، فينتج التضاعف الصبغي، وهو شائع في النبات (كالقطن والقمح والعنب والكمثرى والفراولة) ويعطي نباتات أطول وأعضاءً أكبر وبخاصة الأزهار والثمار. ويقل في الحيوان لأن تحديد الجنس يحتاج توازنًا دقيقًا بين الصبغيات الجسمية والجنسية؛ وفي الإنسان يسبب التضاعف الثلاثي إجهاضًا.
• تغير تركيب الصبغي: كأن تنفصل قطعة وتلتف 180° ثم تلتحم مقلوبة على الصبغي نفسه، أو يتبادل صبغيان غير متماثلين أجزاء بينهما، أو يزيد جزء صغير أو ينقص.

الطفرات المشيجية والجسمية: المشيجية تحدث في الخلايا التناسلية فتظهر الصفة في الجنين الناتج وتورَّث، أما الجسمية فتحدث في الخلايا الجسمية فتظهر أعراضها في العضو الذي طفرت خلاياه، وهي شائعة في النباتات التي تتكاثر خضريًا، إذ ينشأ فرع بصفات جديدة يمكن فصله وإكثاره خضريًا.

منشأ الطفرة: إما تلقائية دون تدخل الإنسان بنسبة ضئيلة جدًا، بتأثير الأشعة فوق البنفسجية والأشعة الكونية والمركبات الكيميائية، وتؤدي دورًا في تطور الكائنات؛ وإما مستحدثة يُحدثها الإنسان بأشعة إكس وجاما والأشعة فوق البنفسجية ومواد كيميائية كغاز الخردل والكولشيسين وغيرها. وأغلب الطفرات المستحدثة غير مرغوبة، لكن الإنسان ينتقي النافع منها كأشجار فاكهة ذات ثمار كبيرة حلوة بلا بذور، أو بعض الفطريات الدقيقة (كالبنسليوم) التي تنتج مضادات حيوية بكميات كبيرة.

أسئلة للتدريب

1. وضح كيف أثبتت تجربة هيرشي وتشيس أن DNA هو المادة الوراثية.
2. اذكر مكونات النيوكليوتيدة ونوعي القواعد النيتروجينية مع أمثلة.
3. اشرح دور الإنزيمات الأربعة في تضاعف DNA.
4. ما الفرق بين الشريط القائد والشريط المتأخر؟
5. قارن بين الطفرات الجينية والصبغية.