صطلح رئيسي: الأحماض النووية
DNA وRNA حمضان نوويان. وهما عبارة عن بوليمرات تتكوَّن من مونومرات تُسمَّى نيوكليوتيدات. هذه الجزيئات الكبيرة مُهيَّأة لتخزين المعلومات الوراثية ونقلها.
تعريف: الحمض النووي الريبوزي المنقوص الأكسجين (DNA)
الحمض النووي (DNA) هو الجزيء الذي يحمل المعلومات الوراثية مدى الحياة. وهو يتكوَّن من شريطين من النيوكليوتيدات يلتف كلٌّ منهما حول الآخر لتكوين لولب مزدوج.
تعريف: الحمض النووي الريبوزي (RNA)
الحمض النووي الريبوزي (RNA) شريط مفرد من عديد النيوكليوتيد يساعد على نقل المعلومات الوراثية وترجمتها لتخليق البروتين. في بعض الفيروسات، يحمل RNA المادة الوراثية بدلًا من DNA.
في القرنين التاسع عشر والعشرين، بدأ العلماء اكتشاف معلومات حول جزيء DNA وتركيبه ووظائفه. كانت هذه الاكتشافات نقطة تحوُّل؛ فقد رسَّخت الأسس التي قامت عليها الابتكارات في العديد من مجالات العلوم الحديثة. واليوم أصبحت لدينا صورة واضحة لشكل جزيء DNA، وكيف يؤدي وظائفه بصفته «أساس الحياة».
اكتُشف الحمض النووي (DNA) لأول مرة عام 1869 عن طريق فريدريك ميسشر، الذي نجح في عزل الجزيء قبل أن يتوصَّل إلى أنه جزيء حمضي بطبيعته. وفي بداية القرن العشرين، بدأ العديد من العلماء إجراء أبحاث علمية لفهم وظائف الحمض النووي (DNA)، وبحلول عام 1952، تقرَّر أن الحمض النووي (DNA) هو الذي يحمل المادة الوراثية. وتزامنًا مع هذه الدراسات، وفي أوائل الخمسينيات، عكف العلماء على اقتراح نموذج يشرح تركيب جزيء DNA. ففي عام 1953، اقترح جيمس واطسون وفرانسيس كريك أن جزيء DNA يتكوَّن من لولب مزدوج الشريط. وقد توصَّلا إلى هذا الاستنتاج بناءً على دراسات روزاليند فرانكلين وموريس ويلكنز.
قبل أن نتعلَّم المزيد عن إسهامات هؤلاء العلماء في اكتشاف تركيب جزيء DNA، هيا نفهم هذا التركيب بأنفسنا!
لكي نتخيَّل شكل جزيء DNA، استحضر في ذهنك أولًا شكل السُّلَّم. يتكوَّن السُّلَّم من عمودين مستقيمين متوازيين، وله درجات تفصل بينها مسافات متساوية. والآن، نفترض أن هذا السُّلَّم قد التفَّ، كما هو موضَّح في شكل 1. هذا هو شكل جزيء DNA: شريطان ملتفٌّ أحدهما حول الآخر. يُسمَّى هذا الشكل اللولب المزدوج.
مصطلح رئيسي: اللولب المزدوج
اللولب المزدوج شكل سُلَّمي ملتفٌّ يمثِّل شكل الحمض النووي (DNA) تحديدًا.
يمثِّل كلُّ شريط في هذا اللولب المزدوج بوليمرًا، ما يعني أنه يتكوَّن من عدة وحدات صغيرة متكرِّرة تُسمَّى مونومرات. في الأحماض النووية، يُسمَّى المونومر الواحد نيوكليوتيدة. ومن ثَمَّ، فالشريط الكامل لجزيء DNA يُسمَّى عديد النيوكليوتيد. يوضِّح شكل 2 موقع النيوكليوتيدة على شريط DNA.
مصطلح رئيسي: النيوكليوتيدة
النيوكليوتيدة من المونومرات التي يتكوَّن منها بوليمر الحمض النووي. تتكوَّن النيوكليوتيدات من سكر خماسي ومجموعة فوسفات وقاعدة نيتروجينية.
مصطلح رئيسي: عديد النيوكليوتيد
عديدات النيوكليوتيد هي البوليمرات التي تتكوَّن منها الأحماض النووية. تتكوَّن عديدات النيوكليوتيد من عدة وحدات فرعية متكرِّرة تُسمَّى نيوكليوتيدات.
تتكوَّن كل نيوكليوتيدة من ثلاثة مكوِّنات: جزيء سكر خماسي ومجموعة فوسفات وقاعدة نيتروجينية. سنُلقي نظرةً على هذه المكوِّنات كلٌّ على حدة، ونتعلَّم كيف يرتبط بعضها ببعض لتتكوَّن النيوكليوتيدة، ولتتكوَّن في النهاية سلسلة عديد النيوكليوتيد.
السكر الخماسي هو جزيء السكر المكوَّن من خمس ذرات من الكربون. في جزيء DNA، يُسمَّى السكر الخماسي سكر الريبوز المنقوص الأكسجين. تتخذ ذرات الكربون الخمس شكل حلقة مغلقة، كما هو موضَّح في شكل 3. تأخذ كل ذرة كربون في هذه الحلقة رقمًا، بدايةً من ذرة الكربون الأولى
1
′
(تُقرأ «1 شرطة»)، ثم بالتحرُّك في اتجاه دوران عقارب الساعة من ذرة الأكسجين على الحلقة، وصولًا إلى
5
′
(تُقرأ «5 شرطة»).
مصطلح رئيسي: السكر الخماسي
السكر الخماسي جزيء سكر يحتوي على خمس ذرات من الكربون. السكر الخماسي في جزيء DNA هو سكر الريبوز المنقوص الأكسجين، أما السكر الخماسي في جزيء RNA، فهو سكر الريبوز.
وكما تعلَّمنا، يوجد نوعان مختلفان من الأحماض الأمينية: DNA وRNA. في جزيء RNA، يُعرَف السكر الخماسي باسم الريبوز. ويختلف تركيب الريبوز عن تركيب الريبوز المنقوص الأكسجين في وجه واحد فقط. ففي الريبوز، ترتبط ذرة الكربون
2
′
بمجموعة هيدروكسيل (
O
H
) لا يحتوي عليها جزيء الريبوز المنقوص الأكسجين، وهذا ما يوضِّحه شكل 3.
في الأحماض النووية، ترتبط ذرة الكربون
1
′
في السكر الخماسي بقاعدة نيتروجينية بواسطة رابطة تساهمية، كما هو موضَّح في شكل 4. وجزيء السكر الخماسي المرتبط بالقاعدة النيتروجينية يُسمَّى النيوكليوسيدة.
توجد أربع قواعد نيتروجينية مختلفة في جزيء DNA، وهي: الأدينين (A)، والجوانين (G)، والثايمين (T)، والسيتوزين (C). لكن جزيء RNA يحتوي على اليوراسيل (U) بدلًا من الثايمين. ومن بين هذه القواعد النيتروجينية، يُطلَق على الأدينين والجوانين البيورينات، وهذه تراكيب تتكوَّن من حلقتين. أما الثايمين والسيتوزين واليوراسيل فهي تراكيب تتكوَّن من حلقة واحدة، وتُسمَّى البيريميدينات. هذه التراكيب موضَّحة في شكل 5.
المكوِّن الأخير في النيوكليوتيدة هو مجموعة الفوسفات. في جزيء السكر الخماسي، ترتبط ذرة الكربون
5
′
بمجموعة فوسفات بواسطة رابطة تساهمية، كما هو موضَّح في شكل 6. وتتكوَّن النيوكليوتيدة نتيجة ارتباط النيوكليوسيدة بمجموعة الفوسفات. وترتبط ملايين من هذه النيوكليوتيدات معًا لتكوِّن سلسلة عديد النيوكليوتيد.
نعلم الآن كيف تبدو النيوكليوتيدة الواحدة. لكن كيف لهذه الوحدات المنفردة أن ترتبط معًا لتكوين سلسلة عديد النيوكليوتيد؟ بين كل نيوكليوتيدة والأخرى المجاورة لها توجد رابطة تُسمَّى الرابطة الفوسفاتية الثنائية الإستر. هيا نتعرَّف على كيفية تكوُّن هذه الرابطة.
تعريف: الرابطة الفوسفاتية الثنائية الإستر
الرابطة الفوسفاتية الثنائية الإستر رابطة كيميائية تتكوَّن بين مجموعة فوسفات وجزيئين من السكر.
هل تذكُر كيف ترتبط مجموعة الفوسفات في كل نيوكليوتيدة بذرة الكربون
5
′
في السكر الخماسي؟ تتكوَّن رابطة بين مجموعة الفوسفات هذه ومجموعة الهيدروكسيل
3
′
(
O
H
) الموجودة في النيوكليوتيدة المجاورة، كما هو موضَّح في شكل 7. هذه الرابطة تُسمَّى الرابطة الفوسفاتية الثنائية الإستر. تُشير كلمة «الثنائية» إلى تكوُّن رابطتين إستريتين؛ حيث ترتبط مجموعة الفوسفات بجزيء واحد من السكر على الجانبين.
وعندما تتكوَّن هذه الروابط بين عدة نيوكليوتيدات لتكوين سلسلة عديد النيوكليوتيد، نلاحظ أن السلسلة تظهر كأنها وحدات متبادلة من جزيئات السكر ومجموعات الفوسفات. لذا يُسمَّى هذا الجزء من سلسلة عديد النيوكليوتيد هيكل السكر والفوسفات.
مثال ١: التعرُّف على تركيب الحمض النووي (DNA)
فيما يلي مخطَّط مبسَّط لتركيب الحمض النووي (DNA). ما الجزء الذي يُشير إليه الحرف (أ) في هذا التركيب؟
هيكل السكر والفوسفات
سلسلة ثلاثي الجليسريد
الوحدة الفرعية الريبوسومية
القواعد النيتروجينية
هيكل السكر الريبوزي
الحل
الحمض النووي (DNA) هو الجزيء الذي يحمل المعلومات الوراثية في كل خلية حية. يتكوَّن جزيء DNA من سلسلتين من عديد النيوكليوتيد تتكوَّنان من وحدات متكرِّرة تُسمَّى النيوكليوتيدات.
تتكوَّن النيوكليوتيدة الواحدة من سكر خماسي وقاعدة نيتروجينية ومجموعة فوسفات. السكر الخماسي جزيء سكر يتكوَّن من خمس ذرات من الكربون. في جزيء DNA، السكر الخماسي هو الريبوز المنقوص الأكسجين، أما في جزيء RNA فهو الريبوز. في الشكل الموضَّح في السؤال، يمكنك ملاحظة أن سكر الريبوز المنقوص الأكسجين يمثِّله شكل رمادي خماسي الأضلاع.
يرتبط كل سكر خماسي بقاعدة نيتروجينية. في جزيء DNA، توجد أربعة أنواع من القواعد النيتروجينية، وهي: الأدينين (A)، والجوانين (G)، والثايمين (T)، والسيتوزين (C). في الشكل، تمثِّل القواعدَ النيتروجينية التراكيبُ الوردية والخضراء والزرقاء والبرتقالية، وهذه تستطيع رؤيتها في الجانب الداخلي من جزيء DNA. السكر الخماسي المرتبط بقاعدة نيتروجينية يُسمَّى النيوكليوسيدة.
يرتبط كل جزيء سكر خماسي بمجموعة فوسفات أيضًا، وهذه ممثَّلة بدوائر صفراء في الشكل السابق. النيوكليوسيدة المرتبطة بمجموعة فوسفات تُسمَّى النيوكليوتيدة.
ترتبط النيوكليوتيدات المنفردة معًا لتكوين سلاسل طويلة من عديد النيوكليوتيد عن طريق روابط تُسمَّى الروابط الفوسفاتية الثنائية الإستر. تتكوَّن الرابطة الفوسفاتية الثنائية الإستر بين مجموعة فوسفات لإحدى النيوكليوتيدات والسكر الخماسي للنيوكليوتيدة التالية. وهذه هي الطريقة التي تتكوَّن بها سلاسل طويلة من النيوكليوتيدات المفردة على جانبَي الشكل.
والآن، بعد أن تعرَّفنا على مكوِّنات جزيء DNA، نُلقي نظرةً على الخيارات المطروحة في السؤال. يمكننا على الفور استبعاد اثنين منها؛ الوحدة الفرعية الريبوسومية وسلسلة ثلاثي الجليسريد. كما يمكننا استبعاد هيكل السكر الريبوزي؛ لأن التركيب الظاهر أمامنا هو لجزيء DNA وليس RNA.
في الجزء المشار إليه بالحرف (أ) على الشكل، تظهر السلسلة كأنها وحدات تتبدَّل بين سكر خماسي رمادي اللون ومجموعة فوسفات صفراء اللون. تُسمَّى هذه التراكيب هياكل السكر والفوسفات.
ومن ثَمَّ، فالجزء (أ) من الحمض النووي (DNA) هو هيكل السكر والفوسفات.
حتى الآن، فهمنا كيف تتكوَّن سلسلة واحدة طويلة متكرِّرة من عديد النيوكليوتيد، وتعرَّفنا على مكوِّناتها. لكن تذكَّر أن شريط DNA عبارة عن لولب مزدوج، ما يعني أنه لا يتكوَّن من سلسلة واحدة فقط من عديد النيوكليوتيد، بل سلسلتان، تلتف إحداهما حول الأخرى. لكن كيف يرتبط أحد شريطَي DNA بالآخر لتكوين هذا الشكل؟
هنا يأتي دور القواعد النيتروجينية التي تحدَّثنا عنها سابقًا. كل قاعدة نيتروجينية في أحد شريطَي DNA ترتبط بقاعدة نيتروجينية في الشريط المقابل. هذه هي الطريقة التي تتكوَّن بها «الدرجات» في هذا الشكل السُّلَّمي الملتوي!
عندما ترتبط هذه القواعد النيتروجينية معًا، فهي تفعل ذلك بطريقة خاصة. في جزيء DNA، يمكن للأدينين أن يرتبط بالثايمين فقط على الشريط المقابل، ويمكن للجوانين أن يرتبط بالسيتوزين فقط. تُسمَّى هذه الأسس «تزاوُج القواعد المتكاملة»، وهي من السمات المميِّزة لجزيء DNA. يرتبط الأدينين بالثايمين بواسطة رابطتين هيدروجينيتين، أما الجوانين فيرتبط بالسيتوزين بواسطة ثلاث روابط هيدروجينية، كما هو موضَّح في شكل 8.
مصطلح رئيسي: تزاوُج القواعد المتكاملة
يمكن أن ترتبط قواعد الحمض (DNA) النووي وفقًا لأسس محدَّدة؛ حيث يرتبط الأدينين (A) بالثايمين (T)، أما الجوانين (G) فيرتبط بالسيتوزين (C). لكن الحمض النووي الريبوزي (RNA) يحتوي على اليوراسيل (U) بدلًا من الثايمين (T). تلعب أسس تزاوُج القواعد المتكاملة هذه دورًا بالغ الأهمية في تضاعف الحمض النووي (DNA) ونسخه.
مثال ٢: التعرُّف على الروابط في تركيب الحمض النووي (DNA)
ما نوع الرابطة التي تتكوَّن بين أزواج القواعد في الحمض النووي (DNA) لربط الشريطين معًا لتكوين لولب مزدوج؟
رابطة هيدروجينية
رابطة أيونية
رابطة جليكوسيدية
رابطة فوسفاتية ثنائية الإستر
رابطة تساهمية
الحل
جزيء DNA عبارة عن بوليمر يتكوَّن من وحدات فرعية متكرِّرة تُسمَّى النيوكليوتيدات. تتكوَّن النيوكليوتيدة الواحدة من سكر خماسي ومجموعة فوسفات وقاعدة نيتروجينية.
