حمض نووي

السؤال: متي إكتشف جيمس واطسون الشكل الحلزوني للحمض النووى ؟




النيوكليوتيدات هي الجزيئات الأساسية الصغيرة للأحماض النووية  ، وتستطيع تركيب جزيئات كبيرة. تتابع جزيئات سكر أحادي وإستر حمض الفسفوريك في سلسلة، بحيث يرتبط بكل جزيء سكر أحد القواعد النووية. بلايين القواعد النووية تشكل بلايين النوكليوتديات التي تتراص في التركيب اللولبي المزدوج المسمى الدنا.
تستطيع الأحماض النووية تكوين بروتينات، وكربوهيدرات وليبيد (شحميات). كما أنها هي التي تكوّن الحمض النووي الريبوزي المنقوص الأكسجين . هذا الدنا هو عماد وجود الكائنات الحية على مختلف أنواعها . فهو يحمل الشفرة التي يتخلق منها الجنين من البويضة المخصبة. وهو الذي يحمل  الاختلاف بين البشر، من حيث: الجنس  (ذكر وأنثى) ، والشكل، واللون.
وقد تمكن في عام 1965  العالمان جيمس واطسون وفرنسيس كريك في منتصف القرن الـ 20 من اكتشاف الشكل الحلزوني للحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين DNA، وتبين أنه مركب من سلاسل من الأحماض النووية. وأدى ذلك إلى التعرف على كيفية  تخزين المعلومات  الوراثية، وحفظها، وكيفية نقلها من جيل لآخر.
بجانب وظيفة الأحماض النووية كمخازن للمعلومات في الكائنات الحية فهي تقوم أيضا بحمل إشارات في أعضاء الأحياء، ويمكنها تحفيز تفاعلات حيوية.
مكونات الأحماض النووية

الاحماض النووية مركبة في سلاسل من نوكليوتيدات . والجزء المركزي في النكليوتيد هو جزيء سكر حلقي (في الشكل لونه رمادي: ريبوز) . فإذا قمنا بترقيم ذرات الكربون في هذا السكر في اتجاه دوران الساعة من 1 إلى 5 ، فإننا نجد قاعدة نيتروجينية عند  
C1 (صورة 1: أحمر، أصفر، أخضر ،وأزرق)  عبر رابطة غلايكوسيدية . وعند الكربون  C3 نجد بقية فوسفات تتبع النكليوتيد اللاحق (أزرق فاتح) ترتبط بمجموعة OH- للسكر مكونة رابطة إسترية. كما ترتبط "بقية فوسفات" أخرى بالسكر عند  C5  مكونة ربطة إستر ثنائي الفسفور.
لحمض الفسفوريك الغير مرتبط ثلاثة مجموعات من الاحماض (ثلاثة مجموعات  OH- يمكنها فصل الهيدروجين)  . ويوجد في الحمض النووي اثنين من تلك الثلاثة مجموعات الحمضية في إستر ولا يمكنها بذلك تحرير هيدروجين آخر.
تنشأ الخاصية الحمضية   للحمض النووي من الدالة الثالثة الغير مرتبطة . فيمكنها ان تكون 
عاطي بروتون أو في خلية يمكنها نزع بروتون (فيصبح الأكسجين في الربطة سالبا الشحنة).
وفي حالة تواجده في وسط ذو باهاء 7 ، يكوّن هذا الحمض النووي أنيون كبير بسبب ذرة الأكسجين تلك ذات الشحنة السالبة.  وبغرض عزل الأحماض النووية طبقا لأحجامها فيمكن بتسليط مجال كهربائي عليها  فتتجه نحو الأنود (القطب الموجب). (أنظر Agarose-Gelelektrophorese).
التركيب الكيميائي للأحماض النووية
تتكون الأحماض النووية DNA وRNA من سلاسل من وحدات كيمائية تسمى بـ النيكلوتيدات، ويتكون كل نيوكلوتيد من ثلاث مكونات رئيسية:
جزيء سكر خماسي (ريبوزي ؛ أو ريبوز منقوص الأكسجين).
مجموعة من الفوسفات.
قاعدة نيتروجينية. وتتكون القواعد نيتروجين|النيتروجينية من:
أ- بيورينات (purines)، وتشمل قاعدتين هما: أدنين A ، غوانين G ، وتتألف كل منها من حلقتين.
ب- بيرمدينات (pyrmidines)، وتشتمل على ثلاث قواعد: ثايمين T ،و سيتوسين C ، ويوراسيل U، ويتألف كل منها من  حلقة واحدة. (في الدنا  ترتبط  T-A  وC-G ويشكلون اللولب المزدوج. أما في الرنا فعليه   يرتبط اليوراسيل U بدلا من الثايمين T ، ويتشكل لولبا منفردا تتراص عليه A و  U و C و G  .
و يختلف تركيب النيوكليوتيدات بعضها عن بعض بناء على نوع القاعدة النيتروجينية الموجودة فيها، وجزيء السكر.
الحمض النووي DNA


DNA، هو اختصار لـ (الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين). ويتألف من سلسلتين من النيوكليوتيدات تلتفان حول بعضهما بشكل حلزوني ، ويلاحظ أن القاعدة النيتروجينية أدنين A  تكون في أحد السلسلتين وترتبط  مع القاعدة النيتروجينية ثايمين(تيمين) T في السلسلة الثانية، وترتبط معها برابطتين من الروابط الهيدروجينية بينما تكون القاعدة النيتروجينية غوانين G متقابلة مع القاعدة النيتروجينية سايتوسين C وترتبط معها بـ 3 روابط هيدروجينية.
و القاعدة النيتروجينية يوراسيل U، لا تدخل في تركيب DNA. وإنما تدخل في تركيب الرنا
و تتكون سلسلة الحمض النووي DNA من ارتباط مجموعة من الفوسفات في كل نيوكليوتيد مع سكر الرايبوز منقوص الأكسجين في النيوكليوتيد. وتشكل سلسلة القواعد النيتروجينية في جزيء DNA مخزون المعلومات الوراثية، ويسمى ترتيبها بالشيفرة الوراثية التي تميز الكائنات الحية عن بعضها.
الحمض النووي RNA

تعني RNA، الحمض النووي الرايبوزي، ويتألف من سلسلة واحدة فقط من النيوكليوتيدات التي ترتبط بعضها مع بعض بنفس الطريقة التي يرتبط بها جزيء DNA، ولكنه يختلف عن جزيء DNA في احتوائه على القاعدة النيتروجينية يوراسيل U، بدلا من احتوائه على الثايمين T ، في حين يحتوي الاثنان على القواعد النيتروجينية (أدينين A) و( جوانين G) و( سيتوسين C).
توجد ثلاث أنواع من الحمض النووي RNA داخل الخلايا وهي:
mRNA أو RNA الرسول، ويقوم بنقل الشيفرة الوراثية من الجينات في النواة إلى الريبوسومات ، ليتم تصنيع البروتينات المختلفة داخل السيتوبلازم.
tRNA أو RNA الناقل، ويقوم بنقل الأحماض الامينية في العصارة الخلوية (زيتوسول) إلى الريبوسومات لاستخدامها في عملية بناء البروتينات.
rRNA أو الريبوسومي، يستخدم في إنتاج الريبوسومات في النوية داخل نواة الخلية.
الفرق بين DNA وRNA

آلية تضاعف الحمض النووي DNA
مقدرة الخلايا الحية في الحفاظ على درجة عالية من الدقة في الاستمرار في وظائفها من جيل لآخر تعتمد على قدرتها على مضاعفة المعلومات الوراثية المخزونة في جزيء الـ DNA، المكون للكروموسوم، ويكون ذلك في الطور البيني قبيل عملية الانقسام وإنتاج خلايا جديدة.
شروط تضاعف جزيء DNA
جزيء DNA الذي تلتزم مضاعفته ليتم إنتاج جزيئات DNA جديدة تحمل نفس المعلومات الوراثية.
كميات كافية من النيوكليوتيدات الأربعة المختلفة التي تدخل في تركيبة (A, G, C, T).
إنزيم التضاعف (إنزيم بلمرة DNA)، إضافة إلى بعض الإنزيمات والبروتينات الأخرى اللازمة لإتمام العملية.
خطوات عملية التضاعف

تنفصل سلسلتي جزيء DNA عن بعضها البعض بشكل تدريجي، نتيجة تكسّر الروابط الهيدروجينية التي تربط القواعد النيتروجينية ببعضها، فتتحول إلى سلاسل أحادية بدءا من نقطة محددة، وينشطر بشكل طولي حتى نهاية السلسلة.
يرتبط إنزيم التضاعف بالسلسلة الأحادية، ويقوم بوضع النيوكليوتيدات - الموجودة في السائل النووي - الواحدة تلو الأخرى بشكل متمم حسب ترتيب القواعد النيتروجينية الموجودة في سلسلة جزيء DNA الذي يتم تضاعفه بحيث يتم وضع نيوكليوتيد T مقابل نيوكليوتيد A، ونيوكليوتيد G مقابل نيوكليوتيد C، وتستمر هذه العملية بتحرك إنزيم التضاعف من نقطة البدأ حتى نهاية السلسلة.
تتم عمليتي تضاعف سلسلتي جزيء DNA في وقت واحد وبنفس السرعة، فينتج من هذه العملية جزيئان كاملان من DNA، يحتوي كل منهما على سلسلة قديمة وأخرى جديدة.
بعد الانتهاء من هذه العملية تقوم بروتينات الهستونات الأصلية والجديدة بالارتباط جميعها بجزيئي DNA، لتكوين الكروموسومات وتكثيفها داخل النواة.
الطفرة الوراثية
يؤدي حدوث أي خطأ في ترتيب أو تسلسل القواعد النيتروجينية في جزيء DNA إلى تغيير المعلومات الوراثية، فينتج عن ذلك بما يسمى بالطفرة، كما يؤدي هذا التغير في الخلايا الجسدية إلى خلل لدى الفرد الذي حدث له ذلك التغيير، وفي حالة حصول الطفرة الوراثية في الخلايا الجنسية يصبح بالإمكان نقل هذه الطفرة من جيل لاخر، وذلك يؤدي إلى ظهور الأمراض الوراثية. كالتشوهات الجسمية
عوامل حدوث الطفرة الوراثية
عوامل داخلية: أثناء عملية التضاعف يقوم إنزيم التضاعف بوضع النيوكليوتيدات في غير موضعها الصحيح، وتنتج الطفرة عند عدم قدرة الخلايا على إصلاح كافة الأخطاء الناتجة عن ذلك.
عوامل خارجية: كالإشعاعات المختلفة، وبعض المواد الكيميائية، أو بعض أنواع الفيروسات التي تؤدي إلى إحداث تغيير في تركيب القواعد النيتروجينية لجزيء DNA.
و تكمن خطورة هذه الطفرات عند حصولها في الجينات الموجودة على الكروموسومات، مما يؤدي إلى التأثير على عملها أو إيقاف عملها بشكل تام، فيسبب ذلك حدوث الاختلال في الوظائف المتربطة بهذه الجينات وظهور لعديد من الأمراض.
ملاحظات
بالإمكان التعرف على عدد الكروموسومات وحجمها عن طريق فصلها عن مكونات الخلية الأخرى وصبغ جزيء الـ DNA بصبغات خاصة ذات ألوان مختلفة.
عدد النيوكليوتيدات الموجودة في كروموسومات الإنسان تبلغ 3.2 مليار نيوكليوتيد، بينما يبلغ عددها على الكروموسوم الوحيد في بكتيريا القولون E.coli حوالي مليون نيوكليوتيد.
الجينات في كروموسومات الإنسان تحتل فقط ما مقداره 5% من حجم الكروموسوم تقريبا، في حين أن 95% من المساحة المتبقية ليس فيها جينات.
الحمض النووي DNA موجود في نواة الخلية، إضافة إلى وجوده أيضا في المايتوكندريا في الخلايا التي لها نواة حقيقية كخلايا الإنسان كما توجد في البلاستيدات الخضراء.
التركيب الكيميائي الأساسي للحموض النووية متطابق في كافة خلايا الكائنات الحية من نباتات وحيوان وحتى في الفيروسات وتختلف في الطول وترتيب سلسلة القواعد النيتروجينية.
الرابطة الهيدورجينية بين القواعد النيتروجينية في جزيء DNA هي رابطة بين ذرة هيدروجين من قاعدة نيتروجينية وذرة نيتروجين من قاعدة نيتروجينية متقابلة معها.
عملية التضاعف تبدأ من نقطة معينة في جزيء DNA بشكل دائم ولها تركيب خاص، ويوجد في كروموسوم البكتيريا نقطة واحد فقط، بينما يوجد في كروموسومات الإنسان الآلاف من هذه المواقع ليتيح إتمام العملية بسرعة.
إنزيم تضاعف جزيء DNA يقوم بعملية وضع النيوكليوتيدات ضمن التلسلسل اللازم بدقة متناهية، ومع ذلك قد تحدث بعض الأخطاء، وتقوم الخلايا بإصلاح هذه الأخطاء بعد الانتهاء من عملية التضاعف بآليات خاصة وذلك باستخدام مجموعة من الإنزيمات.
تستطيع الخلية أن تقوم بإصلاح الطفرات الوراثية التي قد تحدث في جزيء DNA بواسطة آليات خاصة لذلك. ويحدث الخلل غالباً عندما يكون معدل حصول هذه الطفرات أعلى من قدرة الخلايا على إصلاحها.
انظر أيضا
مسلسلة دنا
حمض نووي ريبوزي منقوص الأكسجين
حمض نووي ريبوزي
ثلاثي فوسفات الأدينوسين
ترقيم الحمض النووي
هابلوغروب L0
هابلوغروب N1a الميتوكوندرية
المراجع

عبد الهادي، عائدة وصفي (1998): مقدمة في علم الوراثة. ط1 عمان، دار الشروق للنشر والتوزيع.
Bruce, Alberts, & other (2002). Molecular Biology of the Cell. 4th Ed., Garland Science. Newyork. USA.


*
*
تصنيف:جزيئات حيوية
تصنيف:دورة النيتروجين
تصنيف:علم الوراثة