الدرس الثاني: تركيب DNA وتضاعفه وإنزيمات الإصلاح

• منذ أوائل الخمسينيات تجمّعت أدلة قوية على أن DNA يحمل المعلومات الوراثية للخلية.
• انشغل باحثون كثيرون بمحاولة معرفة تركيب جزيء DNA ووضع نموذج له.
• يجب أن يراعي أي نموذج المعلومات المنبثقة عن التجارب، وهي التي نعرضها في النقاط التالية.

المعلومات التي بُني عليها النموذج

• DNA يتكون من نيوكليوتيدات ترتبط ببعضها في شريط.
• أحد الشريطين يتجه عكس الآخر وهيكل سكر-فوسفات إلى الخارج.
• عدد القواعد A يساوي عدد T، وعدد G يساوي عدد C.
• صور حيود الأشعة السينية أظهرت أن الجزيء حلزوني ويتكون من أكثر من شريط.

المكونات الثلاثة

• سكر خماسي: هو الديوكسي ريبوز (C₅H₁₀O₄) في نيوكليوتيدات DNA.
• مجموعة فوسفات: ترتبط برابطة تساهمية بذرة الكربون رقم 5 في السكر.
• قاعدة نيتروجينية: ترتبط برابطة تساهمية بذرة الكربون رقم 1 في السكر.

القواعد النيتروجينية في DNA

• البيريميدينات: قواعد ذات حلقة واحدة، وهي الثايمين (T) والسيتوزين (C).
• البيورينات: قواعد ذات حلقتين، وهي الأدينين (A) والجوانين (G).

مقارنة بين نوعي القواعد

• ترتبط نيوكليوتيدات الشريط الواحد بأن تتصل مجموعة الفوسفات المرتبطة بالكربون 5 في سكر نيوكليوتيدة بذرة الكربون 3 في سكر النيوكليوتيدة التالية.
• الرابطة بينهما تساهمية.
• يُسمّى الشريط الذي يتبادل فيه السكر والفوسفات هيكل سكر-فوسفات.
• هذا الهيكل غير متماثل:
• عند أحد الطرفين توجد مجموعة فوسفات طليقة متصلة بالكربون 5′.
• عند الطرف الآخر توجد مجموعة هيدروكسيل (OH) طليقة متصلة بالكربون 3′.
• أما القواعد النيتروجينية (البيورينات والبيريميدينات) فتبرز على جانب واحد من هيكل سكر-فوسفات.

• في كل جزيئات DNA يكون عدد النيوكليوتيدات الحاملة للأدينين مساويًا لعدد الحاملة للثايمين.
• ويكون عدد الحاملة للجوانين مساويًا لعدد الحاملة للسيتوزين.
• بصيغة رمزية:

A = T ، G = C

• ينتج عن ذلك أن مجموع البيورينات يساوي مجموع البيريميدينات:

\[\begin{gathered}A + G = T + C\end{gathered}\]

تطبيق حسابي على قاعدة التكافؤ

• جاء الدليل المباشر على الشكل الفراغي لـ DNA من دراسات روزاليند فرانكلين.
• استخدمت تقنية حيود الأشعة السينية (X) للحصول على صور لبلورات من DNA عالي النقاوة.
• في هذه التقنية تُمرَّر الأشعة خلال بلورات جزيئات ذات تركيب منتظم، فتتشتت وتعطي طراز نقط يُحلَّل لمعرفة شكل الجزيء.

ما أظهرته صور فرانكلين (نُشرت عام 1952)

• جزيء DNA ملتف على هيئة حلزون أو لولب (Helix).
• القواعد النيتروجينية متعامدة على طول الخيط.
• هيكل سكر-فوسفات في الجهة الخارجية من اللولب، والقواعد النيتروجينية في الداخل.
• قطر اللولب يدل على أنه يتكون من أكثر من شريط من DNA.

• بعد نشر صور فرانكلين بدأ سباق بين العلماء لوضع المعلومات المتاحة في نموذج.
• أول من وضع نموذجًا مقبولًا هما واطسون وكريك (1953).

وصف النموذج

• يتكون من شريطين يرتبطان معًا كـ السلم الخشبي.
• هيكلا السكر والفوسفات يمثلان جانبي السلم.
• القواعد النيتروجينية تمثل درجات السلم.
• تتكوّن كل درجة من أدينين مع ثايمين أو جوانين مع سيتوزين.
• قد توجد أي من القواعد الأربع على أي من الشريطين في الدرجة.

الروابط بين القواعد

• ترتبط أزواج القواعد في كل درجة بـ روابط هيدروجينية:
• بين A و T توجد رابطتان هيدروجينيتان (A = T).
• بين G و C توجد ثلاث روابط هيدروجينية (G ≡ C).

ثبات عرض السلم

• كل زوج من القواعد يضم قاعدة ذات حلقة واحدة مع قاعدة ذات حلقتين.
• لذلك يكون عرض درجات السلم متساويًا.
• ويبقى الشريطان على المسافة نفسها من بعضهما على امتداد الجزيء.

الشريطان المتوازيان عكسيًا

• لكي تتكوّن الروابط الهيدروجينية بين زوجي القواعد بشكل سليم، رأى واطسون وكريك أن أحد الشريطين يكون في وضع معاكس للآخر.
• أي أن مجموعة الفوسفات الطرفية المتصلة بالكربون 5′ في الشريطين تقع عند الطرفين المعاكسين.
• يتجه أحد الشريطين 5′ → 3′ والآخر 3′ → 5′.
• يُسمّى هذا التعاكس التوازي العكسي (Antiparallel).

اللولب

• سلم DNA ككل يلتف أو يُجدل.
• يوجد عشر نيوكليوتيدات في كل لفة على الشريط الواحد.
• بما أن اللولب يتكوّن من شريطين يلتفان حول بعضهما، يُسمّى الجزيء اللولب المزدوج (Double Helix).

قوانين حسابية على اللولب

• عدد اللفات = عدد النيوكليوتيدات في الشريط الواحد ÷ 10.
• عدد اللفات = عدد النيوكليوتيدات الكلي (في الشريطين) ÷ 20.
• عدد مجموعات الفوسفات الطليقة في DNA خطي مزدوج = 2 (واحدة عند طرف 5′ لكل شريط). مثال 1: قطعة DNA مزدوجة تحتوي 400 نيوكليوتيدة في الشريطين معًا، فكم لفة؟

الحل:

• عدد اللفات = 400 ÷ 20.
• عدد اللفات = 20 لفة.

• قبل أن تدخل الخلية في الانقسام تتضاعف كمية DNA فيها.
• الهدف أن تستقبل كل خلية جديدة نسخة طبق الأصل من المعلومات الوراثية للخلية الأم.
• أشار واطسون وكريك إلى أن تركيب الشريط المزدوج ذي القواعد المتزاوجة يوفّر وسيلة لمضاعفة المعلومات بدقة.

مبدأ التكامل

• الشريطان يحتويان على قواعد متكاملة، فتتابع النيوكليوتيدات في كل شريط يحدد تتابع الشريط المقابل.
• مثال: إذا كان تتابع جزء من شريط ‎3′ ... A–A–T–C–C ... 5′‎ فإن الشريط المكمل له يكون ‎5′ ... T–T–A–G–G ... 3′‎.
• عند فصل الشريطين يعمل كل منهما قالبًا لبناء شريط جديد متكامل معه.
• أجرى العلماء تجارب كثيرة للتأكد من هذه الفكرة.

• يحتاج تضاعف DNA إلى تكامل عدد من الإنزيمات والبروتينات.

الخطوة الأولى: انفكاك اللولب

• ينفك التفاف اللولب المزدوج ليتمكن الإنزيم من التحرك على امتداده.

الخطوة الثانية: فصل الشريطين

• تتحرك إنزيمات اللولب (DNA Helicase) على امتداد اللولب المزدوج وتفصل الشريطين.
• تعمل بـ كسر الروابط الهيدروجينية بين القواعد المتزاوجة.
• ينتج عن ذلك شوكة التضاعف (Replication Fork) حيث تكوّن القواعد الحرة روابط مع نيوكليوتيدات جديدة.

الخطوة الثالثة: بناء الأشرطة الجديدة

• تقوم إنزيمات البلمرة (DNA Polymerase) ببناء الشريط الجديد.
• تضيف النيوكليوتيدات واحدة بعد الأخرى إلى الطرف 3′ للشريط الجديد.
• قبل الإضافة لا بد أن تتزاوج القاعدة في النيوكليوتيدة الجديدة مع القاعدة المقابلة على الشريط القالب.

اتجاه عمل إنزيم البلمرة

• يعمل الإنزيم في اتجاه واحد فقط: يقرأ القالب في الاتجاه ‎3′ ← 5′‎ ويبني الشريط الجديد في الاتجاه ‎5′ → 3′‎.
• الشريطان الأصليان متوازيان عكسيًا، فأحدهما ‎5′ → 3′‎ والآخر ‎3′ → 5′‎.

الشريط القالب ‎3′ → 5′‎

• لا توجد مشكلة هنا، لأن إنزيم البلمرة يتبع إنزيم اللولب مباشرة.
• يضيف نيوكليوتيدات إلى الطرف 3′ للشريط الجديد فيتكون شريط متصل.
• يُسمّى هذا الشريط الشريط القائد (المتقدم) Leading strand.

الشريط القالب ‎5′ → 3′‎

• لا يستطيع إنزيم البلمرة العمل في الاتجاه المعاكس على الشريط الجديد.
• لذلك يُبنى هذا الشريط على هيئة قطع صغيرة تُسمّى قطع أوكازاكي (Okazaki Fragments).
• تُرتبط هذه القطع بعضها ببعض بواسطة إنزيم الربط (DNA Ligase).
• يُسمّى الشريط الناتج الشريط المتأخر (Lagging strand).

مقارنة بين الشريطين الجديدين

حاجة البلمرة إلى بادئ

• لا يستطيع إنزيم DNA بوليميريز أن يبدأ وحده البناء على الشريط الجديد.
• يحتاج إلى إنزيم البرايميز (Primase).
• يصنع البرايميز تتابعات قصيرة من RNA تُسمّى البوادئ (Primers) وترتبط بالشريط القالب.
• يضيف إنزيم البوليميريز النيوكليوتيدات بعدها.

إزالة البوادئ

• بعد نسخ الشريطين تُزال البوادئ بواسطة نوع من إنزيم البوليميريز.
• تُضاف نيوكليوتيدات DNA مكانها، ثم تُربط القطع.

ملخص إنزيمات التضاعف

نتيجة التضاعف

• يتكوّن جزيئان من DNA، يحتوي كل منهما على شريط قديم وشريط جديد.
• لذلك يُسمّى التضاعف شبه محافظ، وتتطابق المعلومات الوراثية في الخليتين الجديدتين.

• في حقيقيات النواة ينتظم DNA في صورة صبغيات، ويحتوي كل صبغي على جزيء DNA واحد يمتد من طرف إلى آخر.
• يبدأ النسخ عند مئات أو آلاف النقاط على امتداد الجزيء، فيتم التضاعف بسرعة.
• في أوليات النواة يوجد DNA على هيئة لولب مزدوج تلتحم نهايتاه (حلقي).
• يتصل هذا الجزيء بـ الغشاء البلازمي عند نقطة واحدة يبدأ منها النسخ.

لماذا يتلف DNA؟

• المركبات البيولوجية التي توجد على شكل بوليمرات (النشا والبروتين والأحماض النووية) معرّضة للتلف من حرارة الجسم والبيئة المائية داخل الخلية.
• يُقدَّر أن نحو 5000 قاعدة بيورينية (أدينين وجوانين) تُفقد يوميًا من DNA الخلية البشرية.
• السبب أن الحرارة تكسر الروابط التساهمية التي تربط السكريات الخماسية.
• يتلف DNA أيضًا بالعديد من المركبات الكيميائية وبـ الإشعاع.
• أي تلف قد يغيّر المعلومات المحمولة عليه، فتنتج تغيرات خطيرة في بروتينات الخلية.

كفاءة الإصلاح

• رغم آلاف التغيرات اليومية، لا يستمر في DNA الخلية كل عام سوى تغيران أو ثلاثة دائمة.
• معظم التغيرات تُزال بكفاءة نتيجة نشاط مجموعة من نحو 20 إنزيمًا تُصلح عيوب DNA.
• تعمل هذه الإنزيمات (ومنها إنزيمات الربط) في تناغم لتتعرف على المنطقة التالفة وتصلحها.

خطوات الإصلاح

• تتعرف الإنزيمات على الجزء التالف من الجزيء.
• تُزال المنطقة التالفة.
• تُستبدل بها نيوكليوتيدات تتزاوج مع النيوكليوتيدات الموجودة على الشريط المقابل.

الاعتماد على نسختين

• يعتمد الإصلاح على وجود نسختين من المعلومات الوراثية، واحدة على كل شريط.
• طالما بقي أحد الشريطين سليمًا، تستخدمه الإنزيمات قالبًا لإصلاح التلف في الشريط المقابل.

متى يتعذر الإصلاح؟

• كل تلف يمكن إصلاحه إلا إذا حدث في الشريطين معًا وفي الموقع نفسه وفي الوقت ذاته.
• يؤدي ذلك إلى غياب القالب السليم فيحدث تغير دائم في التتابع، أي طفرة.

حالة فيروسات RNA

• المادة الوراثية لبعض الفيروسات شريط مفرد من RNA.
• ليس لهذه المادة شريط مقابل يُستخدم قالبًا، فيحدث فيها معدل مرتفع من التغير الوراثي.

النتيجة

• اللولب المزدوج حيوي للثبات الوراثي للكائنات الحية التي يوجد بها.

ملخص الإصلاح

• التلف يحدث يوميًا بآلاف المرات.
• نحو 20 إنزيمًا تعمل على الإصلاح.
• الشريط المقابل السليم هو القالب.
• تلف الشريطين في الموقع والوقت نفسيهما ينتج عنه طفرة.