الأحماض النووية Nucleic Acids

6-4

الأحماض النووية Nucleic Acids

الأهداف

• تحدد المكونات البنائية للأحماض النووية.
• تربط وظيفة DNA بتركيبه.
• تصف تركيب RNA ووظيفته.

مراجعة المفردات

المعلومات الوراثية: سلسلة يتم توريثها موجودة في RNA أو DNA وتنتقل السمات والخصائص من جيل إلى الجيل الذي يليه.

المفردات الجديدة

• الحمض النووي
• النيوكليوتيد

الفكرة الرئيسية

تخزن الأحماض النووية المعلومات الوراثية وتنقلها.

الربط مع الحياة

أصبح فحص DNA شيئًا عاديًا في الطب والعلم الجنائي، وعلم الأنساب، والتعرف على ضحايا الكوارث. ولقد مكنتنا التقنية الحديثة من الحصول على عينة DNA مفيدة من مصادر مدهشة كشعرة أو لعاب جاف على طابع بريدي.

تركيب الأحماض النووية

Structure of Nucleic Acids

تشكل الأحماض النووية نوعًا رابعًا من الجزيئات الحيوية. وهي جزيئات تخزين المعلومات في الخلية. وقد أخذت هذه الجزيئات اسمها من الموقع الخلوي الذي توجد فيه هذه الجزيئات بشكل رئيس، وهو النواة. وتقوم الأحماض النووية بوظائفها الرئيسة من مركز التحكم هذا. والحمض النووي بوليمر حيوي يحتوي على النيتروجين، ويقوم بتخزين المعلومات الوراثية ونقلها. وتسمى وحدة البناء الأساسية للحمض النووي النيوكليوتيد. ولكل نيوكليوتيد ثلاثة أجزاء: مجموعة فوسفات غير عضوية، وسكر أحادي ذو خمس ذرات كربون، وتركيب يحتوي على نيتروجين يسمى قاعدة نيتروجينية. تفحص أجزاء الشكل 6-20a.

فعلى الرغم من أن مجموعة الفوسفات هي نفسها في جميع النيوكليوتيدات، إلا أن السكر والقاعدة النيتروجينية يختلفان.

يحتوي الحمض النووي على سكر أحادي مكون من 5 ذرات كربون ويسمى سكر (بنتوز) pentose من أحد النيوكليوتيدات مرتبط بفوسفات نيوكليوتيد آخر، كما في الشكل 6-20b. وهكذا تشكل النيوكليوتيدات سلسلة، أو شريطًا، يحتوي على سكر خماسي ومجموعات فوسفات متناوبة. وكل سكر خماسي يرتبط أيضًا بقاعدة نيتروجينية تبرز من السلسلة. وتتكدس القواعد النيتروجينية على وحدات النيوكليوتيدات المتجاورة واحدة فوق الأخرى في وضع متحرك قليلًا، تشبه درجات السلم، كما في الشكل 6-20b. وتبقي القوى بين الجزيئية كل قاعدة نيتروجينية قريبة من القواعد النيتروجينية التي فوقها والتي تحتها.

الشكل 6-20

النيوكليوتيدات وحدات البناء الأساسية التي تتكون منها بوليمرات الأحماض النووية.

أ. يحتوي كل نيوكليوتيد على قاعدة تحتوي على نيتروجين وسكر خماسي ومجموعة فوسفات.

ب. الأحماض النووية سلاسل طويلة من سكريات ومجموعات فوسفات متعاقبة. ويرتبط بكل سكر قاعدة نيتروجينية، ولأن النيوكليوتيدات ملتوية فإن السلاسل تشبه درجات السلم.

============================================================
==========

صور الصفحة:

• الشكل_6-21_تركيب_DNA_لولب_مزدوج.png
• إرشادات_الدراسة_العلاقة_بين_المؤثرات_العقلية_وتركيب_DNA.png
• الشكل_6-22_تزاوج_القواعد_في_DNA.png

DNA: اللولب المزدوج

DNA: The Double Helix

ربما سمعت عن حمض ديوكسي رايبونوكليك DNA، وهو أحد نوعين من الأحماض النووية التي توجد في الخلايا الحية؛ إذ يحتوي DNA على المخطط الرئيس لبناء جميع بروتينات جسم المخلوق الحي.

تركيب DNA

يتكون DNA من سلسلتين طويلتين من النيوكليوتيدات ملتفتين معًا لتشكلا بناء حلزونيًا كما في الشكل 6-21. ويحتوي كل نيوكليوتيد في DNA على مجموعة فوسفات، وسكر ديوكسي رايبوز ذي الخمس ذرات من الكربون وهو عبارة عن سكر خماسي منقوص الأكسجين (Deoxyribose)، وقاعدة نيتروجينية. وتشكل جزيئات السكر ومجموعات الفوسفات المتعاقبة في كل سلسلة الجزء الخارجي، أو العمود الفقري للتركيب اللولبي. أما القواعد النيتروجينية فتوجد داخل التركيب. ولأن البناء اللولبي يتكون من سلسلتين فهو يعرف باللولب المزدوج.

يحتوي DNA على أربع قواعد نيتروجينية مختلفة هي: الأدينين (A)، الثايمين (T)، السايتوسين (C)، والجوانين (G). إذ يحتوي كل من الأدينين والجوانين على تركيب حلقة مزدوجة، كما في الشكل 6-22. أما الثايمين والسايتوسين فلهما تركيب أحادي الحلقة.

انظر مرة أخرى إلى الشكل 6-21 تلاحظ أن كل قاعدة نيتروجينية على شريط من اللولب تقابلها قاعدة نيتروجينية على الشريط المقابل، بطريقة تشبه تقابل بها أسنان السحاب المنزلق. وتقارب أزواج القواعد المتجاورة إلى حد تكوّن بينها روابط هيدروجينية. ولما كانت كل قاعدة نيتروجينية لها ترتيب فريد من المجموعات الوظيفية العضوية التي تستطيع أن تكون روابط هيدروجينية، فإن القواعد النيتروجينية تشكل دائمًا أزواجًا بطريقة معينة، حيث يتكون دائمًا العدد الأفضل من الروابط الهيدروجينية.

ماذا قرأت؟ صف مم يتكون أسنان سحاب DNA المنزلق؟

ويرتبط الجوانين دائمًا بالسايتوسين، ويرتبط الأدينين دائمًا بالثايمين، كما في الشكل 6-22. وتسمى أزواج G-C و A-T أزواجًا قاعدية متطابقة. ولذلك تساوي كمية الأدينين في جزيء DNA دائمًا كمية الثايمين، وكمية السايتوسين دائمًا تساوي كمية الجوانين. وفي عام 1953م استخدم جيمس واطسون وفرانسيس كريك هذه الملاحظة ليقوما بأحد أعظم الاكتشافات العلمية في القرن العشرين عندما حددا تركيب DNA ذا اللولب المزدوج. لقد حققا هذا الإنجاز دون أن يقوما بالعديد من التجارب المختبرية، بل قاما بدلًا من ذلك بتجميع أعمال عدد كبير من العلماء الذين قاموا بدراسة DNA وتحليلها.

الشكل 6-21

تركيب DNA هو لولب مزدوج يشبه سحابًا منزلقًا ملتويًا. ويتكون العمودان الفقريان من السكر والفوسفات، وتشكلان الجانبين الخارجيين للسحاب المنزلق.

إرشادات الدراسة

ناقش مع زملائك العلاقة بين المؤثرات العقلية، وتأثيرها على تغيير تركيب الـ DNA.

الشكل 6-22

يحدث تزاوج القواعد في DNA بين قاعدة ذات حلقتين وقاعدة ذات حلقة واحدة، حيث يتزاوج الأدينين والثايمين دائمًا ويشكلان زوجًا بينهما رابطتان هيدروجينيتان، ويتزاوج الجوانين والسايتوسين دائمًا فيكونان زوجًا يرتبطان بثلاث روابط هيدروجينية.

============================================================
==========

صور الصفحة:

• مختبر_حل_المشكلات_تضاعف_DNA_كون_نموذجا.png

وظيفة DNA

استخدم واطسون وكريك نموذجهما لتوقع كيف يمكن أن يؤدي تركيب DNA الكيميائي وظيفته. تخزن DNA المعلومات الوراثية للخلية في النواة، وينسخ DNA قبل انقسام الخلية حتى يحصل الجيل الجديد من الخلايا على المعلومات الوراثية نفسها. وبعد أن قرر واطسون وكريك أن سلسلتي لولب DNA تكمل إحداهما الأخرى، أدركا أن الأزواج القاعدية المتطابقة تنسخ المادة الوراثية للخلية بطريقة آلية. فقواعد DNA النيتروجينية الأربع تتخذ حروفًا أبجدية في لغة تخزين المعلومات للخلايا الحية. ويمثل التسلسل المحدد لهذه الحروف التعليمات الشاملة للمخلوق الحي، كما يحمل تسلسل الحروف في كلمات جملة ما معنى خاصًا. ويختلف تسلسل القواعد في كل نوع من المخلوقات الحية، مما يسمح بتنوع ضخم من أشكال الحياة. وكل ذلك عن طريق لغة تستخدم أربعة حروف فقط. ويقدر أن DNA الخلية البشرية يحتوي على نحو ثلاثة مليارات زوج من القواعد النيتروجينية المتطابقة، مرتبة في تسلسل خاص بالبشر.

مختبر حل المشكلات

كوّن نموذجًا

كيف يتضاعف DNA؟ يتضاعف DNA قبل انقسام الخلية؛ حيث تحصل كل من الخليتين الجديدتين على مجموعة كاملة من التعليمات الوراثية. وعندما يبدأ DNA في التضاعف، يبدأ شريطا النيوكليوتيد بالانفكاك، ويقوم إنزيم بفك الروابط الهيدروجينية بين القواعد النيتروجينية فينفصل الشريطان. كذلك تقوم إنزيمات أخرى بإحلال نيوكليوتيدات حرة من الوسط المحيط إلى القواعد النيتروجينية المكشوفة، فيرتبط الأدينين بروابط هيدروجينية مع الثايمين، ويرتبط السايتوسين بالجوانين. وهكذا يقوم كل شريط ببناء شريط مرتبط مكمل عن طريق مزاوجة القواعد بالنيوكليوتيدات الحرة. وهذه العملية موضحة في الرسم المجاور. وبعد أن يتم ارتباط النيوكليوتيدات الحرة بالروابط الهيدروجينية في أماكنها، تقوم السكريات والفوسفات بالارتباط بروابط تساهمية بالسكريات ومجموعات الفوسفات على النيوكليوتيدات المجاورة لتكون عمودًا فقريًا جديدًا. ويرتبط كل شريط من جزيء DNA الأصلي بشريط جديد.

التحليل

يبين الرسم السفلي إلى اليسار قطعة صغيرة من جزيء DNA. انسخ تسلسل القواعد على ورقة منفصلة، وكن حذرًا حتى لا تخطئ في النسخ. وبيّن خطوات التضاعف لإنتاج قطعتين من DNA.

التفكير الناقد

• قارن بين التسلسل في الشريط الذي صُنع حديثًا والتسلسل في الشريط الأصلي الذي يرتبط به.
• اشرح إذا لوِّنت قطعة DNA الأصلية باللون الأحمر ولونت النيوكليوتيدات الحرة باللون الأزرق، فأي نمط ألوان سيكون في قطعة DNA التي تكونت حديثًا؟ وهل ستكون جميع القطع الجديدة لها الألوان نفسها؟
• اشرح كيف يمكن أن يتأثر المخلوق الحي إذا حدث خطأ في أثناء تضاعف DNA فيه؟ وهل التأثيرات دائمة؟ وضح إجابتك.

============================================================
==========

صور الصفحة:

• الشكل_6-23_اختلاف_DNA_وRNA_في_السكر_والقواعد.png
• المطويات_قسم_الأحماض_النووية.png
• تقويم_6-4_الأحماض_النووية.png

الشكل 6-23

يختلف DNA وRNA من حيث مكوناتهما؛ فالتركيبان عن اليمين موجودان في DNA، أما التركيب عن اليسار فموجودان في RNA.

حدد اختلافين في تركيبي DNA وRNA.

RNA

حمض الرايبونوكليك حمض نووي، يختلف تركيبه العام عن تركيب DNA في ثلاث طرائق مهمة، كما في الشكل 6-23. أولًا: إن DNA يحتوي على القواعد النيتروجينية الأدينين، والسايتوسين، والجوانين، والثايمين. في حين يحتوي RNA على الأدينين، والسايتوسين، والجوانين، واليوراسيل. ولا يوجد الثايمين أبدًا في RNA. ثانيًا، يحتوي RNA على سكر الريبوز، في حين يحتوي DNA على سكر الديوكسي رايبوز الذي يوجد فيه ذرة هيدروجين بدل مجموعة هيدروكسيل في أحد المواقع.

أما الفرق الثالث بين DNA وRNA فهو في الشكل؛ إذ يكون DNA عادة على شكل لولب ثنائي، حيث تقوم الروابط الهيدروجينية بربط السلسلتين معًا عن طريق قواعدها، في حين يتكون RNA من شريط واحد دون وجود روابط هيدروجينية بين القواعد.

ويخزن DNA المعلومات الوراثية، في حين يمكن لخلايا من استخدام المعلومات الموجودة في DNA. لقد تعلمت أن المعلومات الوراثية للخلية موجودة في تسلسل من القواعد النيتروجينية في جزيء DNA. وأن الخلايا تقوم باستعمال تسلسل القواعد لتكون RNA بتسلسل مطابق. ومن ثم يستعمل RNA لصنع بروتين بتسلسل من الأحماض الأمينية يتقرر بترتيب القواعد النيتروجينية في RNA، وتسمى هذه التسلسلات باسم الشفرة الوراثية. ولما كانت البروتينات هي الأدوات الجزيئية التي تقوم بمعظم النشاطات في الخلية، لذا يعد اللولب المزدوج لـ DNA هو المسؤول في النهاية عن التحكم في آلاف التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الخلايا.

المطويات

ضمن مطويتك معلومات من هذا القسم.

التقويم 6-4

الخلاصة

• الأحماض النووية بوليمرات من النيوكليوتيدات التي تتكون من قاعدة نيتروجينية، ومجموعة فوسفات، وسكر خماسي.
• DNA وRNA هي جزيئات تخزين معلومات للخلية.
• يتكون DNA من شريطين، في حين يتكون RNA من شريط واحد.

• الفكرة الرئيسية: اشرح الوظيفة الأساسية لكل من RNA وDNA.

• حدد المكونات البنائية الخاصة لكل من RNA وDNA.

• اربط وظيفة DNA بتركيبه.

• حلّل تركيب الأحماض النووية، ثم حدد التركيب الذي يجعلها أحماضًا.

• توقع ماذا يحدث إذا احتوى DNA الذي يحمل شفرة صنع بروتين على تسلسل قواعد خاطئ؟