شرح كيفية وصف تركيب الحمض النووي (DNA) واستخلاصه

سنتعلم في هذا الشرح كيفية وصف تركيب الحمض النووي (DNA) وكذلك طريقة استخلاصه من المواد العضوية.

 

الحمض النووي (DNA) هو جزيء حيوي ذو أهمية بالغة، فهو يحمل المعلومات التي تحدد مظهرنا وطبيعتنا! جميع جزيئات الحمض النووي (DNA) والمعلومات التي يحملها في جسمنا تسمى الجينوم الخاص بنا. الجينوم هو مزيج من الحمض النووي (DNA) الذي يُرث عن والدينا، وينتقل هذا التركيب الوراثي إلينا من خلال عملية يُعرفها العلماء بـ "الوراثة".

في هذا الشرح، سنقدم لكم فهمًا وافيًا لتركيب الحمض النووي (DNA) وكيف يُمكن استخلاصه من الكائنات الحية والمواد العضوية. سنتناول جوانب هامة حول الجينوم وكيف يتم نقل معلوماته الوراثية من جيل إلى جيل. استعدوا لاكتشاف عالم الحمض النووي (DNA) ودوره الحيوي الذي يلعبه في تشكيلنا ووجودنا.

 

البروتين الفلوري الأخضر (GFP) :

هو بروتين ينبعث منه ضوء أخضر ساطع عند تعريضه للضوء. يتم استخراجه عادة من قناديل البحر ويستخدم في تجارب الحمض النووي (DNA).

عندما يُضاف جين البروتين الفلوري الأخضر (GFP) إلى حمض نووي فأر، يمكن أن يصبح الفأر قادرًا على إطلاق ضوءٍ أخضرٍ! وإذا كان لديه فرز، فإنه يمكن أن ينقل هذا الجين ويظهر أيضًا البروتين الفلوري الأخضر.

يُعرف هذا النقل للجينات بالتعديل الوراثي، ويُظهر لنا كيفية انتقال صفات معينة من الآباء إلى الأجيال اللاحقة عبر الحمض النووي (DNA). 

نظرًا لأهمية الحمض النووي (DNA) كوحدة وراثية في الكائنات الحية، دعونا نتعرف أكثر على تركيبه.

يمكن تصوير شكل جزيء الحمض النووي (DNA) على أنه سلم ملتفّ يتكون من عمودين طويلين ومتوازيين، وبينهما مسافات فاصلة متساوية. عند التخيل، يمكن أن نتصور هذا السلم ملتفًّا حول نفسه، مشكلًا بذلك شكل اللولب المزدوج كما يوضح الشكل رقم 1. وبناءً على هذا التشكيل، يُطلَق على هذا الشكل اسم "اللولب المزدوج" وهو تصوُّر تركيب جزيء الحمض النووي (DNA).

اللولب المزدوج

اللولب المزدوج هو الشكل الذي يتبعه جزيء الحمض النووي (DNA)، ويُمثِّل هذا الشكل هيكلية جزيئات الحمض النووي. يتألف اللولب المزدوج من عمودين طويلين من النوكليوتيدات المتجاورة، وهما ملتفين حول بعضهما البعض ليشكلوا شكلَ اللولب الثنائي، مُشبِهًا بشكل سُلَّمٍ ملتَفٍّ.

 

يُعَدُّ اللولب المزدوج أساسيًا لاحتواء وتخزين المعلومات الجينية والوراثية في الكائنات الحية، حيث تُشفَر المعلومات الوراثية في ترتيب النوكليوتيدات على هذا اللولب. ويتم الاحتفاظ بالمعلومات الوراثية ونقلها من جيل إلى آخر عن طريق عملية تكرار النسخ الوراثي.

يُعَتَبَرُ اللولب المزدوج في جزيء الحمض النووي (DNA) أحد أكثر الاكتشافات المهمة والمثيرة في علم الأحياء الجزيئي، وقد ساهم في فهم عمليات التوريث والتطور والتنوع الحيوي

 

جزيء الحمض النووي (DNA) يتكون من وحدات متكررة تسمى "مونومرات"، وهي الوحدات الفردية التي تشكل البنية الأساسية للحمض النووي. ونظرًا لأنه يتكون من عدة وحدات متشابهة متكررة، فإن الحمض النووي يُصنَف كـ "بوليمر".

يُسمى كل مونومر في الحمض النووي بالـ "نوكليوتيد"، وهي تتكون من ثلاثة مكوِّنات رئيسية:

1. الجروب الفوسفاتي: وهو المكوِّن الأول والذي يحمل شحنة سالبة.

2. السكر: ويُعرَف باسم "ديوكسيريبوز"، وهو جزء من النوكليوتيد يتصل بالجروب الفوسفاتي والقاعدة النيتروجينية.

3. القاعدة النيتروجينية: وهي المكوِّن الثالث والذي يرتبط بالسكر، وتوجد أربعة أنواع من القواعد النيتروجينية: أدينين (A)، وثايمين (T)، وجوانين (G)، وسيتوسين (C).

باختلاف ترتيب النوكليوتيدات على السلم، تتم تشفير المعلومات الوراثية والجينية للكائن الحي. يعتبر هذا النظام الحيوي البسيط والمُتكرِّر جزءًا هامًا في فهم عمليات التوريث والوراثة والتطور الجيني في الكائنات الحية. 

تعريف مهم : النيوكليوتيدة

النيوكليوتيدة هي جزء صغير جدًا من جزيء الحمض النووي (DNA). تتكون من ثلاثة أجزاء: سكر خماسي، ومجموعة فوسفات، وقاعدة نيتروجينية. هذه الأجزاء تجتمع معًا لتشكل سلسلة الحمض النووي، وتساهم في حمل المعلومات الوراثية للكائنات الحية.

 

لماذا يمكن وصف الحمض النووي (DNA) بالبوليمر؟

1. هل يتكون الحمض النووي (DNA) من العديد من الوحدات المتشابهة (النيوكليوتيدات) المرتبطة معًا في سلسلة؟
2. هل يتكون الحمض النووي (DNA) من العديد من الوحدات المختلفة (نيوكليوتيدات) المرتبطة معًا في سلسلة؟
3. هل يتكون الحمض النووي (DNA) من وحدات قليلة متكرِّرة؟
4. هل يتكون الحمض النووي (DNA) من العديد من الوحدات غير المرتبطة؟
5. هل يتخذ الحمض النووي (DNA) تركيبًا لولبيًّا مزدوجًا؟

 

 الحل : 

الحمض النووي (DNA) يمكن وصفه بالبوليمر لأنه يتكون من العديد من الوحدات المتشابهة (النيوكليوتيدات) المرتبطة معًا في سلسلة. هذه النيوكليوتيدات هي المونومرات التي تكررت لتشكيل جزيء الحمض النووي. الإجابة الصحيحة هي (1).

 

تعريف السكر الخماسي بوضوح! 

السكر الخماسي في الحمض النووي (DNA) هو سكر الريبوز المنقوص الأكسجين. يتكوَّن هذا السكر من خمس ذرات من الكربون، وهو جزء أساسي في تركيب النيوكليوتيدات التي تشكِّل مادة الحمض النووي.

 

 الحمض النووي (DNA) يحتوي على أربع قواعد نيتروجينية مختلفة: الأدينين (A)، والجوانين (G)، والثايمين (T)، والسيتوزين (C). الأدينين والجوانين يُسميان بالبيورينات ولهما تركيب ثنائي الحلقة، أما الثايمين والسيتوزين فيُسميان بالبيريميدينات ولهما تركيب مفرد الحلقة.

في كل نيوكليوتيدة، يكون الجزء الأخير هو مجموعة الفوسفات. ترتبط مجموعة الفوسفات بذرة الكربون 5′ في جزيء السكر الخماسي.

هناك رابطة فوسفاتية ثنائية الإستر تربط كل نيوكليوتيدتين متجاورتين. هذه الروابط الفوسفاتية الثنائية الإستر تشكل شريطاً من نيوكليوتيدات الحمض النووي (DNA).

 

الرابطة الفوسفاتية :

هي رابطة كيميائية تحدث بين مجموعة الفوسفات وجزيئين السكر في الحمض النووي (DNA). هذه الرابطة تساهم في ربط النيوكليوتيدات معًا لتشكيل سلسلة الحمض النووي.

 

 ملخص مفيد : 

ما يصف تركيب النيوكليوتيدة هو:

النيوكليوتيدة هي وحدة صغيرة مكونة من سكر الريبوز المنقوص الأكسجين، ومجموعة فوسفات، وقاعدة نيتروجينية (إما A أو T أو G أو C).

 

يشرح الشكل اعلاه 

 النيوكليوتيدة هي وحدة صغيرة مكونة من سكر الريبوز المنقوص الأكسجين، ومجموعة فوسفات، وقاعدة نيتروجينية (إما A أو T أو G أو C). هذه القواعد النيتروجينية هي التي تحدد التسلسل والترتيب الجيني في الحمض النووي (DNA)، وبالتالي تحدد الصفات والخصائص الوراثية للكائنات الحية.

"تكوين الحمض النووي (DNA) اللولبي المزدوج وتزاوج القواعد المتكاملة"

شريط الحمض النووي (DNA) يتكون من سلسلتين ملتفتين حول بعضهما البعض، مما يجعله يتبع شكل لولبي مزدوج. تتم هذه التكوينات من خلال القواعد النيتروجينية التي تتبطن ببعضها في السلسلة.

تتكون القواعد النيتروجينية من أربعة أحرف مختلفة: الأدينين (A) والثايمين (T) والجوانين (G) والسيتوزين (C). وتتم تكوين السلسلة اللولبية المزدوجة عندما تتزاوج هذه القواعد بطريقة محددة ومتكاملة. فالأدينين يرتبط فقط بالثايمين، والجوانين يرتبط فقط بالسيتوزين. هذه العملية تسمى تزاوج القواعد المتكاملة وتساهم في الحفاظ على ترتيب النيوكليوتيدات في السلسلة.

يتم ربط الأدينين بالثايمين بواسطة رابطتي هيدروجينية، في حين يتم ربط الجوانين بالسيتوزين بثلاث روابط هيدروجينية. هذه التكوينات الهيدروجينية تعزز استقرار السلسلة وتحافظ على شكل اللولب المزدوج للحمض النووي (DNA).

تزاوج القواعد المتكاملة

يمكن أن ترتبط قواعد الحمض النووي (DNA) وفقًا لأسس معينة، حيث يرتبط الأدينين (A) بالثايمين (T)، بينما يرتبط الجوانين (G) بالسيتوزين (C). في الحمض النووي الريبوزي (RNA)، يحل اليوراسيل (U) محل الثايمين (T).

تتكوَّن روابط الهيدروجين بين القواعد النيتروجينية في الحمض النووي (DNA) على النحو التالي:

1. الأدينين (A) يرتبط بالثايمين (T) بواسطة رابطتين هيدروجينيتين.
2. الجوانين (G) يرتبط بالسيتوزين (C) بواسطة ثلاث روابط هيدروجينية.

الرسم البياني يوضِّح هذه الروابط الهيدروجينية بين القواعد النيتروجينية في الحمض النووي (DNA):

```
  A-T
  | |
  G-C
```

في جزيء DNA المزدوج الشريط، تتكون روابط الهيدروجين بين القواعد النيتروجينية بالتزاوج الكمّي. وبناءً على هذا التزاوج، نجد أن:

1. الأدينين (A) يرتبط بالثايمين (T) بواسطة رابطتين هيدروجينيتين.
2. الجوانين (G) يرتبط بالسيتوزين (C) بواسطة ثلاث روابط هيدروجينية.

بناءً على هذه القواعد التزاوجية، ينطبق مفهوم التكافؤ بين القواعد النيتروجينية في الجزيء المزدوج الشريط للحمض النووي (DNA). يعني ذلك أنه في الجزيء المزدوج الشريط، عدد قواعد الأدينين (A) سيكون مساويًا لعدد قواعد الثايمين (T)، وكذلك عدد قواعد الجوانين (G) سيكون مساويًا لعدد قواعد السيتوزين (C).

مثالًا، إذا احتوى جزيء الحمض النووي (DNA) على 20 قاعدة أدينين، فإنه سيحتوي أيضًا على 20 قاعدة ثايمين. وكذلك، إذا كان لدينا 25 قاعدة جوانين، فإنه سيكون هناك 25 قاعدة سيتوزين في الجزيء الشريط المقابل.

وتُسمى هذه القاعدة التزاوجية بقواعد تشارجاف (Chargaff's rules)، وهي قواعد مهمة جدًا في حساب النسب المئوية للقواعد النيتروجينية المحددة في جزيء الحمض النووي (DNA).

حساب التركيب بالنسبة المئوية باستخدام قواعد تشارجاف يتم من خلال متابعة الخطوات التالية:

1. نحدد إجمالي عدد القواعد النيتروجينية في الجزيء الحمض النووي (DNA) ونرمز له بـ "B".

2. نحسب عدد قواعد كل نوع من النيوكليوتيدات ونرمز لها كالتالي:
   - عدد الأدينين (A) والثايمين (T) يكون "BA".
   - عدد السيتوزين (C) والجوانين (G) يكون "BC".

3. باستخدام قواعد تشارجاف، نعرف أن عدد قواعد الأدينين (A) يساوي عدد قواعد الثايمين (T) في الجزيء الحمض النووي. وبالمثل، عدد قواعد الجوانين (G) يساوي دائمًا عدد قواعد السيتوزين (C). لذلك نكتب:
   - BA = BT (عدد قواعد الأدينين يساوي عدد قواعد الثايمين).
   - BG = BC (عدد قواعد الجوانين يساوي عدد قواعد السيتوزين).

 

4. يمكننا حساب النسب المئوية لكل نوع من النيوكليوتيدات بواسطة تقسيم عدد قواعد كل نوع على إجمالي عدد القواعد B ومضاعفة النتيجة بـ 100 للحصول على النسبة المئوية. على سبيل المثال:
   - نسبة الأدينين (A) = (BA / B) × 100
   - نسبة الثايمين (T) = (BT / B) × 100
   - نسبة السيتوزين (C) = (BC / B) × 100
   - نسبة الجوانين (G) = (BG / B) × 100

وهكذا يمكننا حساب التركيب بالنسبة المئوية للقواعد النيتروجينية المختلفة الموجودة في جزيء الحمض النووي (DNA) باستخدام قواعد تشارجاف.

التوازي المتعاكس

في الحمض النووي (DNA)، نصِف الشريطين بأنهما متوازيان عكسيًّا لأنهما موازيان أحدهما للآخر، ولكنْ لهما اتجاهان متعاكسان.

عندما نفكر في تتابع القواعد على الشريط المكمل للحمض النووي (DNA)، نجد أن القواعد تتزاوج بطريقة متكررة ومكملة. وفقًا لقواعد تزاوج القواعد المتكاملة، يرتبط الأدينين دائمًا بالثايمين، ويتزاوج الجوانين دائمًا بالسيتوزين.

لتوضيح التتابع المكمِّل، يمكننا كتابة ترتيب القواعد النيتروجينية المتكاملة على الشريط المكمل بالشكل التالي:

على الشريط الأصلي: 5'- A T G C A T G C T A C G -3'
على الشريط المكمل: 3'- T A C G T A C G A T G C -5'

كما يظهر في الشكل أعلاه، فإن القواعد على الشريط المكمل ترتبط مباشرة بالقواعد على الشريط الأصلي بحيث يتم تكوين روابط هيدروجينية بينهما. وهذا يؤدي إلى تكوين الهيليكس الثنائي لجزيء الحمض النووي (DNA) والذي يُظهر التتابع المكمل بين القواعد النيتروجينية.

بعد اكتمال ترتيب الحمض النووي (DNA)، يُخَزِّن هذا الجزيء المعقد المعلومات الوراثية التي تحتاجها الخلية لأداء وظائفها. تلعب القواعد النيتروجينية الأساسية، التي تعرفنا عليها، دورًا حيويًا في هذه العملية.

في مقطع الحمض النووي (DNA)، يُقرأ تتابع القواعد النيتروجينية من الطرف 5′ للشريط إلى الطرف 3′. يُكوِّن ترتيب هذه القواعد شفرة وراثية يمكن للخلية تفسيرها.

عندما تحتاج الخلية للمعلومات المشفرة في الحمض النووي (DNA)، تأخذ تتابع قواعد الحمض النووي (المسمى بالجين) وتقوم بتحويل هذه الشفرة إلى بروتين معين. يقوم هذا البروتين بأداء وظيفة محددة. على سبيل المثال، يمكن أن تكون تتابع القواعد النيتروجينية في الحمض النووي (DNA) هي الشفرة التي تتحكم في لون العين أو المتحكمة في ما إذا كان الشعر سيكون مجعدًا أو ناعمًا.

بهذه الطريقة، تلعب القواعد النيتروجينية دورًا حاسمًا في نقل المعلومات الوراثية وتحديد ترتيب البروتين ووظائفه في الكائنات الحية. إن ترتيب هذه القواعد يمثل لغة الحمض النووي (DNA) التي تحمل معلومات وراثية هائلة وحاسمة في عالم الأحياء.

ما هو تعريف الجين : 

الجين هو جزء من الحمض النووي (DNA) يحمل المعلومات الوراثية. يُعتبر الجين وحدة الوراثة ويحدد سمات وخصائص الكائنات الحية. يتم تحويل معلومات الجين إلى بروتين خاص بواسطة عملية تُسمى الترجمة، وهذا البروتين يؤدي وظيفة محددة في الكائن الحي. فهم الجينات يساهم في فهم الوراثة وعمل الكائنات الحية.

 

استخلاص الحمض النووي (DNA) من المواد العضوية:

1. قم بأخذ عينة من الفاكهة أو الخضراوات (مثل الفراولة أو البازلاء) وفك تجميدها إن كانت مجمدة، ثم اطحنها باستخدام هاون ومدقة.

2. امزج 10 سم^3 من سائل غسيل الأطباق مع 100 سم^3 من الماء وأضف نصف ملعقة صغيرة من الملح للحصول على محلول الاستخلاص.

3. ضع الفاكهة أو الخضراوات المطحونة ومحلول الاستخلاص في كأس زجاجية كبيرة. قلب المحلول جيدًا لمدة دقيقة واحدة، وإن أمكن ضع الكأس الزجاجية على حمام ماء دافئ لمدة 10 دقائق.

4. ضع ورق الترشيح فوق كأس زجاجية أخرى.

5. صف الخليط باستخدام ورق الترشيح في الكأس الزجاجية الثانية.

6. اسكب بعناية 10 سم^3 من الراشح (السائل الذي تم تصفيته للتو) في أنبوب اختبار.

7. املأ أنبوب الاختبار بالإيثانول البارد بكمية مساوية للراشح.

8. اترك الأنبوب لمدة 5 دقائق.

9. بعد فترة الانتظار، يجب أن ترى راسبًا أبيض في الأنبوب وهو يمثل الحمض النووي (DNA) الذي تم استخلاصه من العينة.

هكذا تم استخلاص الحمض النووي (DNA) بنجاح من المواد العضوية المستخدمة.

 

نقاط ملخص ما تعلمناه عن الحمض النووي (DNA):

1. الحمض النووي (DNA) هو بوليمر مكون من النيوكليوتيدات.
2. النيوكليوتيدات تتكون من سكر الريبوز المنقوص الأكسجين، ومجموعة فوسفات، وقاعدة نيتروجينية.
3. الحمض النووي (DNA) يشكل شكل لولبي مزدوج ويحتوي على أزواج قواعد متكاملة (A مع T و C مع G).
4. يتم قراءة الحمض النووي (DNA) في الاتجاه 5'→3' ويحدد التتابع المحدد لقواعد الحمض النووي (DNA) الوحدة الوظيفية المنتجة.
5. يمكن استخلاص الحمض النووي (DNA) من المواد العضوية، مثل الفاكهة أو الخضراوات، باستخدام محلول استخلاص والإيثانول.