تركيب DNA و RNA

تركيب DNA و RNA

مصطلحات علمية
نيوكليوتيد Nucleotide:
جزيء يتكوّن من قاعدة نيتروجينية وسكر خماسي، ومجموعة فوسفات.

عديد النيوكليوتيد
Polynucleotide : شريط من النيوكليوتيدات مرتبطة معًا بروابط فوسفات ثنائية الإستر.

تركيب DNA و RNA
إذا كنت ترغب في تصميم جزيء يكون بمثابة المادة الجينية في الكائنات الحية، يجب
أن تكون له سمتان أساسيتان:

القدرة على تخزين المعلومات (مجموعة من التعليمات اللازمة للتحكم في سلوك الخلايا).

القدرة على نسخ نفسه بدقة (حين تنقسم الخلية، يجب نقل نسخة طبق الأصل من ((الجزيء الجيني)) لكل خلية من الخلايا الناتجة، من دون أن يتم فقدان المعلومات).
يرمز DNA إلى الحمض النووي الرايبوزي منقوص الأكسجين Deoxyribonucleic acid، ويرمز RNA إلى الحمض النووي الرايبوزي Ribonucleic acid. ويُسمّيان معًا الأحماض النووية Nucleic acids، لأنه تمّ العثور عليهما في الأصل داخل النواة. وجزيئات DNA و RNA هي جزيئات كبيرة مثل البروتينات وعديدة التسكر، أي أنها بوليمرات طويلة السلسلة مكوّنة من وحدات مونومر مرتبطة معًا تسمّى النيوكليوتيدات Nucleotides، وبالتالي فإن DNA و RNA هي عديدة النيوكليوتيد Polynucleotides.

النيوكليوتيدات
تتكوّن النيوكليوتيدات من ثلاثة مكوّنات أصغر منها هي:

• قاعدة نيتروجينية Nitrogenous base
• سكر خماسي Pentose sugar
• مجموعة فوسفات Phosphate group.
  يبيّن الشكل تركيب النيوكليوتيد وكيفية ارتباط مكوّناته الثلاثة معًا.

القاعدة النيتروجينية
توجد أربع قواعد نيتروجينية (تحتوي على النيتروجين) مختلفة، في كل من DNA و RNA. القواعد في DNA هي:
أدنين Adenine، جوانين Guanine، ثايمين Thymine، وسايتوسين Cytosine وفي RNA تحل قاعدة مماثلة تسمّى
يوراسيل Uracil محل الثايمين. ويشار غالبًا إلى القواعد بترميزها بالحرف الأول من الكلمة الإنجليزية: A,G,T,C,U.
تنتمي القاعدتان أدنين وجوانين كيميائيًا إلى البيورينات Purines، وهي ذات تركيب ثنائي الحلقة، وتنتمي القواعد
الثلاث الأخرى، ثايمين وسايتوسين ويوراسيل كيميائيًا إلى البيريميدينات Pyrimidines، وهي ذات تركيب أحادي
الحلقة.

السكر الخماسي
تسمّى السكريات التي تحتوي على خمس ذرات كربون سكريات خماسية Pentoses. يوجد نوعان من السكر الخماسي
في الأحماض النووية، الرايبوز Ribose والرايبوز منقوص الأكسجين Deoxyribose.
يسمّى الحمض النووي الذي يحتوي على الرايبوز، الحمض النووي الرايبوزي (RNA). ويسمّى الحمض النووي الذي
يحتوي على الرايبوز منقوص الأكسجين، الحمض النووي الرايبوزي منقوص الأكسجين (DNA). وكما يدل الاسم، فإن
الرايبوز منقوص الأكسجين هو تقريبًا الرايبوز نفسه ينقصه ذرة أكسجين واحدة في الجزيء.

مجموعة الفوسفات
تعطي مجموعة الفوسفات الأحماض النووية طبيعتها الحمضية.

تركيب ATP
على الرغم من أن ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات) ليس جزءًا من DNA أو RNA، فإنك ستتعرف على تركيبه هنا لأنه
نيوكليوتيد أيضًا.
يبيّن الشكل ١-٢ تركيب ATP، ومكوّناته الثلاثة هي أدنين ورايبوز وفوسفات. يشكل الأدنين والرايبوز معًا الأدينوسين،
والذي يمكنه أن يرتبط مع مجموعة أو مجموعتَين أو ثلاث مجموعات من الفوسفات ليكوّن أدينوسين أحادي الفوسفات
(AMP)، أو أدينوسين ثنائي الفوسفات (ADP)، أو أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) على التوالي.
لا تخلط بين الأدنين والأدينوسين، فالأدينوسين هو جزء من اسم ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات)، وهو أدنين يرتبط مع
سكر؛ ولا تخلط بين الثايمين Thymine والثيامين Thiamine، فالثيامين هو فيتامين.

ثنائي النيوكليوتيد وعديدة النيوكليوتيد
يمكن أن يرتبط نيوكليوتيدان معًا بواسطة تفاعل تكثيف (التفاعل نفسه المستخدم لربط حمض أميني بحمض أميني
آخر، أو سكر بسكر آخر).

يسمّى الجزيء المتكوّن من ارتباط نيوكليوتيدَين معًا ثنائي النيوكليوتيد Dinucleotide (الشكل ١-٣أ). وتسمّى الرابطة التي تنشأ رابطة فوسفات ثنائية الإستر Phosphodiester bond. يستخدم المصطلح ثنائية الإستر Diester لأن مجموعة الفوسفات هنا تحتوي على رابطتَي إستر؛ واحدة لكل من السكرَين المرتبطين بها. يمكن تكرار عملية ارتباط النيوكليوتيدات عدة ملايين من المرات لتكوين عديد النيوكليوتيد Polynucleotide الذي له شكل شريط طويل غير متفرع من النيوكليوتيدات، كما يوضح الشكل ١-٣ب. ترتبط جزيئات السكر ومجموعات الفوسفات بواسطة روابط فوسفات ثنائية الإستر لتكوّن عمودًا فقريًا تبرز منه القواعد جانبيًا من جهة اليمين بزوايا قائمة.

مصطلحات علمية

ثنائي النيوكليوتيد
Dinucleotide: نيوكليوتيدان مرتبطان معًا برابطة فوسفات ثنائية الإستر.

رابطة فوسفات ثنائية الإستر Phosphodiester bond :
رابطة تربط نيوكليوتيدَين معًا. ثمّة رابطتا إستر؛ تربط كل واحدة منهما مجموعة الفوسفات المشتركة بجزيئّي السكر على
جانبیها.

تركيب DNA
في خمسينيات القرن الماضي، كان تركيب عديد النيوكليوتيد معروفًا كما في الشكل ١-٣ب، لكنه لم يبيّن كيف
يستطيع DNA تخزين المعلومات أو نسخ نفسه. فعام 1953م توصل العالمان في جامعة كامبريدج جيمس واتسون
James Watson وفرانسيس كريك Francis Crick، اعتمادًا على مجموعة أدلة لعلماء آخرين، إلى تكوين نموذج ثلاثي
الأبعاد لجزيء DNA، حيث اعتمدوا على البيانات التي استخلصوها من صور حيود الأشعة السينية لجزيء DNA التي
التقطتها العالمة روزاليند فرانكلين Rosalind Franklin، التي عملت في الكلية الملكية في لندن. وقد اقترحت الصور
التي التقطتها تركيبًا لولبيًّا لجزيء DNA (الصورة ١-٢ب).
كوّن واتسون وكريك نموذجًا لتركيب DNA على شكل لولب مزدوج Double helix، مستخدمَين شريطين من عديد
النيوكليوتيد يمتدان في اتجاهَين متعاكسَين، ويرتبطان معًا بواسطة روابط هيدروجينية بين القواعد (الشكل ١-٤).

رسم مبسّط للولب المزدوج لجزيء DNA. تظهر القواعد C ،T ،G ،A في جزء فقط من الجزيء

خصائص جزيء DNA
يبيّن الشكل ١-٥أ نموذج ملء الفراغ Space-filling لجزيء DNA. ويبيّن الشكل ١-٥ب، والشكل ١-٦ رسومًا تخطيطية
لجزء من جزيء DNA، حيث يشير ‘5 و’3 في الشكل ١-٦ إلى ذرات الكربون 5 و3 من السكر (الصف ١١ الوحدة
الثانية الجزئيات الحيوية). ويُسمّى طرفا شريط DNA الطرف ‘5 والطرف ‘3. حيث يوجد عند الطرف ‘5 الفوسفات،
وعند الطرف ‘3 السكر.

يتصف جزيء DNA بالخصائص الآتية:

يتكوّن من شريطي (سلسلتَي) عديد النيوكليوتيد.

كل شريط هو لولب يَميني Right-handed يلتفّ باتجاه عقارب الساعة.

يلتفّ الشريطان أحدهما حول الآخر ليشكلا لولبا مزدوجًا.

يمتد الشريطان في اتجاهَين متعاكسَين، لذا يقال إنهما متوازيان ومتعاكسا الاتجاه.

لكل شريط عمود فقري من سكر – فوسفات تبرز منه قواعد بزوايا قائمة.

تنجذب القواعد في الشريط الواحد إلى القواعد في الشريط الآخر بواسطة روابط هيدروجينية بين القواعد، بحيث يبقى الشريطان معًا.

تركيب RNA
جزيء RNA شريط مفرد من عديد النيوكليوتيد على العكس من DNA. ستدرس لاحقًا في هذه الوحدة بناء البروتين
(الموضوع ١-٤). وهذا يتضمن ثلاثة أنواع من RNA هي RNA المرسال mRNA) Messenger RNA)، و RNA الناقل
tRNA) Transfer RNA)، و RNA الرايبوسومي rRNA) Ribosomal RNA). ينثي RNA الناقل و RNA الرايبوسومي على
شكل تراكيب معقدة، في حين يبقى RNA المرسال على شكل شريط غير ملتف.

بسبب ارتباط الشريطين معًا (مثل قطع أحجية الصور المقطوعة Puzzel)، يرتبط الأدنين (A) دائمًا مع الثايمين (T)، ويرتبط الجوانين (G) دائمًا مع السايتوسين (C)
وهذا يسمى ازدواج القواعد المكملة Complementary base pairing (وهذا يشرح بيانات تشارجاف ).

ترتبط A مع T برابطتَين هيدروجينيتين، وترتبط G مع C بثلاث روابط هيدروجينية.

يرتبط البيورين دائمًا مع البيریمیدین.

• تكون البيورينات بعرض حلقتَين، والبيريميدينات بعرض حلقة واحدة. وتكون المسافة بين عمودَي الشريطين ثابتة
  وبعرض ثلاث حلقات دائمًا.
• تحدث الدورة الكاملة للولب المزدوج كل 10 أزواج من القواعد.
  يعتمد تتابع القواعد في الشريط الواحد على تتابع القواعد في الشريط الآخر، لأن القاعدة A يجب أن ترتبط مع القاعدة T، والقاعدة G يجب أن ترتبط مع القاعدة C. أي أن الشريطين يكمل أحدهما الآخر.
  أدرك واتسون وكريك على الفور كيف يوضح هذا التركيب عملية تخزين DNA للمعلومات، وكيف ينسخ نفسه.
  إن المعلومات هي تتابع القواعد الأربع A،G ،T ،C بأي ترتيب على طول الجزيء. وأي تتابع ممكنٌ ضمن الشريط الواحد، لكن يجب أن يكون التتابع في الشريط الآخر مكمّلا له؛ فتتابع القواعد هو بمثابة رسالة مشفرة.
  ومن الخصائص الجميلة أيضًا لجزيء DNA أنه يمكن أن ينسخ نفسه (يتضاعف) بدقة عن طريق ((انفكاك)) Unzipping شريطي DNA، وهذا سهل نسبيًا لأن الشريطين يرتبط أحدهما بالآخر بروابط هيدروجينية ضعيفة، وبالتالي يمكن لكل شريط منهما أن يكوّن نسخة من نفسه، ليتم إنتاج جزيئَين متماثلَين من DNA.

تركيب RNA
جزيء RNA شريط مفرد من عديد النيوكليوتيد على العكس من DNA. ستدرس لاحقًا في هذه الوحدة بناء البروتين
(الموضوع ١-٤). وهذا يتضمن ثلاثة أنواع من RNA هي RNA المرسال mRNA) Messenger RNA)، و RNA الناقل
tRNA) Transfer RNA)، و RNA الرايبوسومي rRNA) Ribosomal RNA). ينثي RNA الناقل و RNA الرايبوسومي على
شكل تراكيب معقدة، في حين يبقى RNA المرسال على شكل شريط غير ملتف.

١-٢ تضاعف DNA
تفسر الطبيعة اللولبية لجزيء DNA كيفية تضاعفه. ويعرف العلماء الآن بالتفصيل كيف تحدث هذه العملية، وأنها تحدث أثناء الطور S من دورة الخلية.
تتحكم الإنزيمات في عملية التضاعف. وهي تبدأ بفك التفاف اللولب المزدوج وانفصال شريطي DNA عن طريق كسر الروابط الهيدروجينية التي تربط عادة الشريطين معًا، وهذا هو ((الانفكاك Unzipping)) الذي ورد سابقًا. بعد ذلك، يستخدم إنزيم DNA بوليميريز DNA polymerase في عملية النسخ، حيث يلتصق جزيء من DNA بوليميريز بكل شريط مفرد،
ويضيف في كل مرة نيوكليوتيدًا واحدًا يرتبط بالشريط الجاري نسخه بواسطة رابطة هيدروجينية.

يستطيع DNA بوليميريز النسخ فقط في الاتجاه ‘5 إلى ‘3 على طول كل شريط، ويسبب ذلك مشكلة. فإذا أمعنت النظر في الشكل ١-٧، فسترى أنه يجري نسخ الشريط الأصلي العلوي ‘3 إلى ‘5 باتجاه عملية الانفكاك تمامًا. ويتبع DNA بوليميريز اتّجاه عملية الانفكاك نفسها ناسخًا DNA أثناء انفكاكه. ويسمّى الشريط الجديد الذي يتشكّل بالشريط المتقدم Leading strand. أمّا نسخ الشريط الأصلي السفلي ‘5 إلى ‘3، فيجري بعكس اتجاه الانفكاك، وعلى العكس من الشريط الأصلي العلوي، وهذا يعني أنه على DNA بوليميريز نسخ جزء منفك من DNA، ثم العودة مرّة أخرى لنسخ الجزء التالي من DNA المنفك، ومع الاستمرار في تكرار هذه العملية، ينتج من ذلك مجموعة من القطع الصغيرة من DNA التي تمّ نسخها
تسمّى قطع أوكازاكي Okazaki fragments على اسم عالم الكيمياء الحيوية الذي اكتشفها. وفي هذه الحالة، يسمّى الشريط الجديد الذي يتكوّن بالشريط المتأخر Lagging strand. ينهي العملية إنزيم آخر يسمّى DNA لايجيز DNA ligase. وظيفة هذا الإنزيم ربط جميع النيوكليوتيدات الجديدة بروابط تساهمية (فوسفات ثنائية الإستر)، والتي تكون قبل ذلك مرتبطة بالشريط الأصلي فقط بروابط هيدروجينية بين القواعد المكمّلة Complementary bases. يربط DNA لايجيز النيوكليوتيدات المتجاورة بروابط فوسفات ثنائية الإستر لتكوين العمود الفقري سكر- فوسفات لجزيء DNA الجديد. ترتبط قطع أوكازاكي بالطريقة نفسها أيضًا. يبيّن الشكل ١-٨ تفاصيل أكثر عن التضاعف، بما في ذلك ازدواج القواعد .Base pairing

التضاعف شبه المحافظ
تسمّى طريقة نسخ DNA التي تمّ وصفها التضاعف شبه المحافظ Semi-conservative replication. إذ في كل مرة يتضاعف فيها جزيء DNA يُحْتَفظ بنصف الجزيء الأصلي في كل من الجزيئات الجديدة. ولو كان التضاعف محافظا، لبقي جزيء DNA الأصلي كما هو في نهاية العملية، وكان جزيء DNA الناتج مُكوّنًا من شريطين جديدين.