الباب الثاني: البيولوجيا الجزيئية
تضاعف DNA وإصلاح عيوبه
درس «تضاعف DNA وإصلاح عيوبه» — شرح منظم من كتاب الوزارة للصف الثالث الثانوي (علوم). قبل أن تبدأ الخلية في الانقسام تتضاعف كمية DNA بها حتى تستقبل كل خلية جديدة نسخة طبق الأصل من المعلومات الوراثية الخاصة بالخلية الأم، ولقد أشار كل من واطسون وكريك إلى أن تركيب الشريط المزدوج ذي القواعد المتزاوجة لجزيء D… محاور الدرس: الإنزيمات وتضاعف DNA. أهداف الوحدة: يشرح DNA كمادة وراثية وتركيبه وتضاعفه والطفرات
اضغط أي أداة — لتوليد اختبارات وفلاش كارد وملخصات وتجارب من الدرس تفاعلياً
درس «تضاعف DNA وإصلاح عيوبه» — شرح منظم من كتاب الوزارة للصف الثالث الثانوي (علوم). قبل أن تبدأ الخلية في الانقسام تتضاعف كمية DNA بها حتى تستقبل كل خلية جديدة نسخة طبق الأصل من المعلومات الوراثية الخاصة بالخلية الأم، ولقد أشار كل من واطسون وكريك إلى أن تركيب الشريط المزدوج ذي القواعد المتزاوجة لجزيء D… محاور الدرس: الإنزيمات وتضاعف DNA. أهداف الوحدة: يشرح DNA كمادة وراثية وتركيبه وتضاعفه والطفرات
- ✓أشرح ضرورة تضاعف DNA قبل الانقسام
- ✓أوضح دور إنزيمات اللولب وفك اللولب
- ✓أميز الشريط القائد عن المتأخر
- ✓أشرح دور البرايميز والربط
- ✓أربط إصلاح DNA بالنسختين المزدوجتين
قبل أن تبدأ الخلية في الانقسام تتضاعف كمية DNA بها حتى تستقبل كل خلية جديدة نسخة طبق الأصل من المعلومات الوراثية الخاصة بالخلية الأم، ولقد أشار كل من واطسون وكريك إلى أن تركيب الشريط المزدوج ذي القواعد المتزاوجة لجزيء DNA، يحتوى على وسيلة يمكن بها مضاعفة المعلومات الوراثية بدقة، فحيث إن الشريطين يحتويان على قواعد متكاملة، فإن تتابع النيوكليوتيدات في كل شريط يوفر المعلومات اللازمة لإنتاج الشريط المقابل، فمثلاً إذا كان تتابع القواعد النيتروجينية في جزء من الشريط هو
'5... A - A - T - C - C -... 3 فإن قطعة الشريط التي تتكامل معها يكون ترتيب قواعدها النيتروجينية
'3... T - T - A - G - G -... 5 فإذا ما تم فصل شريطي DNA عن بعضهما البعض، فإن أيًا منهما يمكن أن يعمل كقالب لإنتاج شريط يتكامل معه. ولقد قام العلماء بإجراء العديد من التجارب للتأكد من ذلك.
الإنزيمات وتضاعف DNA
يتطلب نسخ DNA تكامل نشاط عدد من الإنزيمات والبروتينات في الخلية. ولكي يتم النسخ يتعين حدوث ما يلي:
1. ينفك التفاف اللولب المزدوج. 2. تقوم إنزيمات اللولب (DNA-helicases) بالتحرك على امتداد اللولب المزدوج فاصلة الشريطين عن بعضهما البعض وذلك بكسر الروابط الهيدروجينية الموجودة بين القواعد المتزاوجة في الشريطين وابتعادهما عن بعضهما لتتمكن القواعد من تكوين روابط هيدروجينية مع نيوكليوتيدات جديدة. مكونة ما يعرف باسم شوكة التضاعف (Replication fork)
٣ - تقوم إنزيمات البلمرة (DNA-Polymerases) ببناء أشرطة DNA الجديدة وذلك بإضافة النيوكليوتيدات واحدة بعد الأخرى إلى النهاية ٣' لشريط DNA الجديد، ولكي يتم إضافة النيوكليوتيدة إلى الشريط الجديد لابد أولاً أن تتزاوَج القاعدة النيتروجينية في النيوكليوتيدة مع القاعدة النيتروجينية الموجودة على شريط القالب.
- من المعروف أن إنزيم البلمرة (DNA polymerase) يعمل في إتجاه واحد فقط على الشريط الاصلي في الإتجاه ٣' → ٤ ليكون شريط جديد في الإتجاه ٣' → ٤ الذي يتم بناؤه.
- وكما سبق أن ذكرنا أن شريطي لولب DNA المزدوج متوازيان عكسياً، أي أن أحدهما في الاتجاه ٣' → ٤ بينما الشريط المتزاوج معه يتوجه في الاتجاه المعاكس أي في الاتجاه ٣' → ٤.
- عندما يعمل إنزيم اللولب على فصل شريطي جزيء DNA يتم ذلك في إتجاه ٣' لأحد الشريطين والنهاية ٣' للشريط الآخر (٣' → ٤)
- وبالنسبة للشريط القالب ٣' → ٤ لا توجد مشكلة في عملية التضاعف لهذا الشريط، حيث أن إنزيم البلمرة يتبع مباشرة إنزيم اللولب مضيفاً نيوكليوتيدات جديدة إلى النهاية ٣' عند الشريط الجديد مكوناً شريط جديد في الإتجاه (٣' → ٤) ويسمى الشريط القائد (المتقم) Leading strand، إلا أن ذلك لا يحدث بالنسبة للشريط الآخر المعاكس (٣' → ٤) وذلك لأن إنزيم البلمرة لا يعمل في الإتجاه (٣' → ٤) على الشريط الجديد.
- لذا فإن هذا الشريط يتم بناؤه على هيئة قطع صغيرة في الإتجاه (٣' → ٤) تسمى قطع أو كازاكي (Okazaki fragments) ثم ترتبط هذه القطع الصغيرة مع بعضها البعض بواسطة إنزيم الربط (DNA Ligase) مكونة الشريط المتأخر (Lagging strand).
ومن المعلوم أن إنزيم DNA بوليميريز لا يمكنه أن يبدأ وحده العمل على الشريط الجديد ولكنه يحتاج إلى إنزيم آخر ويعرف باسم البرايميز Primase الذي يقوم بعمل تتابعات قصيرة من RNA يعرف كل منها باسم البادئ Primers ترتبط بالشريط القالب ثم يقوم إنزيم البوليميريز بإضافة نيوكليوتيدات إليها.
وبعد أن يتم نسخ الشريطين الجديدين يتم إزالة هذه البوادئ بواسطة نوع من إنزيم البوليميريز وإضافة نيوكليوتيدات DNA بدلاً منها.
- ينتظم DNA في حقيقيات النواة في صورة صيغيات حيث يحتوى كل صيغي على جزيء واحد من DNA يمتد من أحد طرفيه إلى الطرف الآخر، ويبدأ نسخ DNA عند مئات أو آلاف النقاط على امتداد الجزيء.
أما في أوليات النواة فإن جزيء DNA يوجد على لولب مزدوج إلا أن نهاياته تلتحم بعضها مع بعض، وهذا الجزيء يتصل بالغشاء البلازمي للخلية عند نقطة واحدة يبدأ عندها نسخ جزيء DNA.
كل المركبات البيولوجية التي توجد على بوليمرات ( مركبات طويلة تتكون من وحدات بنائية متكررة كالنشا والبروتين، والأحماض النووية ) معرضة للتلف من حرارة الجسم ومن البيئة المائية في داخل الخلية ولا يشتد على ذلك. حيث يقدر أن حوالي ٥٠٠٠ قاعدة بيورينية ( أدينين وجوانين ) تفقد كل يوم من DNA الموجود في الخلية البشرية. وذلك لأن الحرارة تعمل على كسر الروابط التساهمية التي تربط السكريات الخماسية، وبالإضافة إلى ذلك فإن DNA يمكن أن يتلف بالعديد من المركبات الكيميائية، وكذلك بالاشعاع، وأي تلف في جزيء DNA يمكن أن يحدث تغييرًا في المعلومات الموجودة به، مما قد ينتج عنه تغييرات خطيرة في بروتينات الخلية.
ومع ذلك ورغم أن هناك آلاف التغيرات التي تحدث لجزيء DNA كل يوم، إلا أنه لا يستمر في DNA الخلية من هذه التغيرات كل عام إلا تغيران أو ثلاثة تكون لها صفة الدوام. أما الفالبية العظمى من التغيرات فتزال بكفاءة عالية نتيجة لنشاط مجموعة من ٢٠ إنزيمًا تعمل على إصلاح عيوب DNA يطلق عليها إنزيمات (DNA ligases) التي تعمل في تناغم لتعرف المنطقة التالفة من جزيء DNA وإصلاحها حيث
تستبدلها بنيوكليوتيدات تتزاوج مع تلك الموجودة على الشريط المقابل في الجزء التالف. ويعتمد إصلاح خلل DNA على وجود نسختين من المعلومات الوراثية واحدة على كل من شريطي اللولب المزدوج، وطالما ظل أحد هذين الشريطين دون تلف تستطيع تلك الإنزيمات أن تستخدمه كقالب لإصلاح التلف الموجود على الشريط المقابل. وعلى ذلك فكل تلف يمكن إصلاحه إلا إذا حدث في الشريطين في نفس الموقع وفي ذات الوقت، لكن المادة الوراثية لبعض الفيروسات توجد على صورة شريط مفرد من RNA، ولذلك يظهر بها معدل مرتفع من التغير الوراثي الذي ينشأ عن تلف في شريط RNA، وعلى ذلك فاللولب المزدوج يعتبر حيويًا للثبات الوراثي للكائنات الحية التي يوجد بها.
- تضاعف الحمض النووي (DNA) هو عملية إنتاج جزيئين DNA متماثلين من جزيء DNA أصلي واحد.
- مصطلح رئيسي: تضاعف الحمض النووي (DNA)
💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.
- عندما تتزاوج القواعد النيتروجينية على أحد الشريطين مع القواعد النيتروجينية على الشريط المقابل، فإنها تتبع أسسًا معينة لتزاوج القواعد. ففي جزيء الحمض النووي (DNA)، ترتبط قاعدة الأدينين مع قاعدة الثايمين على الشريط المقابل فقط، وترتبط قاعدة الجوانين مع قاعدة السيتوزين فقط. تُسمى هذه الأسس «تزاوج القواعد المتكاملة»، وتعد إحدى السمات المحددة للحمض النووي (DNA). وترتبط قاعدة الأدينين مع قاعدة الثايمين من خلال رابطتين هيدروجينيتين، في حين ترتبط قاعدة الجوانين مع قاعدة السيتوزين من خلال ثلاث روابط هيدروجينية كما هو موضح في الشكل 2.
- ترتبط السلسلتان عديدتا النيوكليوتيد معًا من خلال تزاوج القواعد النيتروجينية التي تواجه بعضها البعض داخل السلم. في الحمض النووي (DNA)، ثمة أربعة أنواع مختلفة من القواعد النيتروجينية: الأدينين (A)، والجوانين (G)، والثايمين (T)، والسيتوزين (C).
💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.
- ترتبط ذرة الكربون 3 ′ من كل نيوكليوتيدة بمجموعة هيدروكسيل ( O H ). وعليه، ينتهي الطرف 3 ′ من شريط الحمض النووي (DNA) بمجموعة هيدروكسيل، كما يمكنك أن ترى في الشكل 3. وترتبط ذرة الكربون 5 ′ من كل نيوكليوتيدة بمجموعة فوسفات. وعليه، ينتهي الطرف 5 ′ من شريط الحمض النووي (DNA) بمجموعة فوسفات، وهي موضَّحة بدائرة صفراء اللون في الشكل 3.
- ثمة سمة أخرى مهمة من سمات الحمض النووي (DNA) وهي طبيعة التوازي المتعاكس له. لكل شريط من شريطي الحمض النووي (DNA) طرفان: يُسمى أحدهما الطرف 5 ′، ويُسمى الآخر الطرف 3 ′. أُطلق هذان الاسمان على هذين الطرفين تبعًا لذرات الكربون الأخيرة من النيوكليوتيدة عند كل طرف. فهذان الشريطان متعاكسا التوازي، أي متوازيان ولكل منهما اتجاه معاكس للآخر، حيث يتجه أحد الشريطين من 5 ′ إلى 3 ′، في حين يتجه الشريط الآخر من 3 ′ إلى 5 ′، كما هو موضح في الشكل 3.
💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.
- تتكون شوكة التضاعف من شريطي الحمض النووي (DNA) المنفصلين أو غير الملتفَّين استعدادًا لعملية تضاعف الحمض النووي (DNA).
- مصطلح رئيسي: شوكة التضاعف
💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.
- يُكون إنزيم بلمرة الحمض النووي (DNA) شريطًا جديدًا من الحمض النووي (DNA) على طول الشريط الأصلي من خلال إضافة نيوكليوتيدات إلى الشريط الجديد، والتأكيد على اتباع أسس تزاوج القواعد المتكاملة، والتي تعرفنا عليها سابقًا. من أجل بناء شريط DNA جديد، يستخدم إنزيم بلمرة الحمض النووي (DNA) مجموعة من النيوكليوتيدات الحرة التي تظل موجودة في الخلية. يمثل الشكل 5 مخططًا بسيطًا لعمل إنزيم بلمرة الحمض النووي (DNA).
- إنزيم بلمرة الحمض النووي (DNA) إنزيم يُضيف نيوكليوتيدات مكملة للشريط القالب لتخليق شريط جديد. ويؤدي هذا الإنزيم دورًا أساسيًّا في عملية تضاعف الحمض النووي (DNA).
💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.
- يُعد إنزيم بلمرة الحمض النووي (DNA) إنزيمًا ذا كفاءة عالية، حيث يُخلق الشريطين المتكاملين بسرعة كبيرة وبدقة عالية. ثمة خاصية أخرى مهمة لهذا الإنزيم، وهي أنه قادر على تخليق شريط جديد من الحمض النووي (DNA) في الاتجاه من 5 ′ إلى 3 ′ فقط. تمثل هذه الخاصية مشكلة في الخلية التي تمر بمرحلة انقسام. ربما تتساءل عن كيفية حدوث ذلك! حسنًا، دعونا نلقي نظرة على شوكة التضاعف في شريط من الحمض النووي (DNA). كما نعلم بالفعل، شريطا الحمض النووي (DNA) متعاكسا التوازي. ومثلما يمكنك أن ترى في الشكل 6، في الشريط العلوي يكون الطرف 3 ′ مفتوحًا عند شوكة التضاعف، بينما في الشريط السفلي يكون الطرف 5 ′ مفتوحًا.
- يُكون إنزيم بلمرة الحمض النووي (DNA) شريطًا جديدًا من الحمض النووي (DNA) على طول الشريط الأصلي من خلال إضافة نيوكليوتيدات إلى الشريط الجديد، والتأكيد على اتباع أسس تزاوج القواعد المتكاملة، والتي تعرفنا عليها سابقًا. من أجل بناء شريط DNA جديد، يستخدم إنزيم بلمرة الحمض النووي (DNA) مجموعة من النيوكليوتيدات الحرة التي تظل موجودة في الخلية. يمثل الشكل 5 مخططًا بسيطًا لعمل إنزيم بلمرة الحمض النووي (DNA).
💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.
- عند تخليق شرائط جديدة من الحمض النووي (DNA)، يجب أن تكون أيضًا موازية للشريط المكمل الأصلي ولها اتجاه معاكس له. على الرغم من أن الشريطين الجديدين يُخلقان في الوقت نفسه، دعونا نتناول أولًا تكوين الشريط الجديد في أعلى الشكل، مع الوضع في الاعتبار حقيقة أن إنزيم بلمرة الحمض النووي (DNA) يمكنه أن يُخلق الشريط الجديد في الاتجاه من 5 ′ إلى 3 ′ فقط. في هذه الحالة، يمكن أن يُخلق الشريط الجديد بدون أي انقطاعات أو فواصل.
- يُعد إنزيم بلمرة الحمض النووي (DNA) إنزيمًا ذا كفاءة عالية، حيث يُخلق الشريطين المتكاملين بسرعة كبيرة وبدقة عالية. ثمة خاصية أخرى مهمة لهذا الإنزيم، وهي أنه قادر على تخليق شريط جديد من الحمض النووي (DNA) في الاتجاه من 5 ′ إلى 3 ′ فقط. تمثل هذه الخاصية مشكلة في الخلية التي تمر بمرحلة انقسام. ربما تتساءل عن كيفية حدوث ذلك! حسنًا، دعونا نلقي نظرة على شوكة التضاعف في شريط من الحمض النووي (DNA). كما نعلم بالفعل، شريطا الحمض النووي (DNA) متعاكسا التوازي. ومثلما يمكنك أن ترى في الشكل 6، في الشريط العلوي يكون الطرف 3 ′ مفتوحًا عند شوكة التضاعف، بينما في الشريط السفلي يكون الطرف 5 ′ مفتوحًا.
💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.
- يتحايل إنزيم بلمرة الحمض النووي (DNA) على هذه المشكلة عبر التحرك إلى مسافة أبعد على طول الشريط، كما هو موضح في الشكل، ويُخلِّق قطعة قصيرة من الحمض النووي (DNA) الجديد في الاتجاه من 5 ′ إلى 3 ′، في اتجاه الطرف المفتوح من شوكة التضاعف. ثم يتحرك بعد ذلك لمسافة أبعد، من بعد هذه القطعة، ويكرر العملية، أي يُخلِّق قطعة قصيرة أخرى. ومع تقدم الإنزيم على طول الشريط، يبدأ ظهور شريط مكمل متقطع. في الشكل 8، يمكنك ملاحظة كيفية حدوث ذلك.
- دعونا نتناول الشريط السفلي في الصورة. بينما يُفك التفاف جزيء الحمض النووي (DNA)، يواجه إنزيم بلمرة الحمض النووي (DNA) الطرف 5 ′ لهذا الشريط. وهذا يتطلب تخليق شريط جديد مكمل في الاتجاه من 3 ′ إلى 5 ′، وهو ما لا يمكن لإنزيم بلمرة الحمض النووي (DNA) فعله!
💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.
- إنزيم الربط إنزيم يمكنه التوصيل بين فجوات هيكل السكر والفوسفات للحمض النووي (DNA) من خلال تكوين رابطة فوسفاتية ثنائية الإستر.
- مصطلح رئيسي: إنزيم الربط
💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.
- وبسبب خاصية إنزيم البلمرة هذه، يُضاعف شريطي الحمض النووي (DNA) في الجزيء بطريقتين مختلفتين. فعلى طول «الشريط القائد»، الذي يقع طرفه 3 ′ عند فتحة شوكة التضاعف، يمكن لإنزيم البلمرة أن يُخلق شريط مكمل وغير متقطع من الحمض النووي (DNA). وعلى طول «الشريط التابع»، الذي يقع طرفه 5 ′ عند فتحة شوكة التضاعف، لا بد وأن يُخلق إنزيم البلمرة قطعًا قصيرة من الحمض النووي (DNA) في الاتجاه من 5 ′ إلى 3 ′، كما هو موضح في الشكل.
- نعلم أن كل شريط من شريطي الحمض النووي (DNA) له طرف 5 ′ وطرف 3 ′، وأن شريطي الحمض النووي (DNA) دائمًا ما يكونان متعاكسي التوازي، أي كل شريط منهما له اتجاه معاكس للآخر. وعند تخليق شريط جديد من الحمض النووي (DNA)، لا يمكن لإنزيم البلمرة إضافة نيوكليوتيدات جديدة إلا في الاتجاه من 5 ′ إلى 3 ′ فقط.
💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.
- لقد انتهينا من التعرف على أدوار الإنزيمات الثلاثة المهمة المشاركة في عملية تضاعف الحمض النووي (DNA) وفهمنا آلية هذه العملية. يقدم الشكل 10 نظرة عامة بسيطة على العملية بالكامل أثناء حدوثها وماذا ينتج عنها.
- والآن، دعونا نتناول الخيارات الواردة في السؤال. العبارة الأفضل التي تناسب المعطيات التي أصبحنا نعلمها الآن عن إنزيم الربط هي «يصل إنزيم الربط بين هياكل القطع المُكوَّنة على الشريط المكمِّل أثناء التضاعف». وعليه فهي الإجابة الصحيحة.
💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.
- ولمنع حدوث مثل هذه الأخطاء خلال عملية تضاعف الحمض النووي (DNA)، يُؤدي إنزيم البلمرة وظيفة أخرى مهمة. فأثناء إضافته للنيوكليوتيدات إلى الشريط الجديد المتكون، يُجري أيضًا عملية «تصحيح» أو فحص لعمله. وبهذه الطريقة، إذا ما أُضيفت نيوكليوتيدة خاطئة، سيتمكن إنزيم البلمرة من تحديد الخطأ ويستبدل النيوكليوتيدة الخاطئة بأخرى صحيحة. ويفعل إنزيم البلمرة ذلك من خلال نشاط إنزيم النيوكليز الخارجي؛ ما يعني أنه يزيل النيوكليوتيدات الخاطئة ويستبدل بها أخرى صحيحة. يمكنك أن ترى مثالًا على ذلك في الشكل 11.
- الطفرة خطأ أو تغير في تتابع النيوكليوتيدات.
💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.
أسئلة قياس مستوى الفهم والامتحانات
٠ / ١٢قبل الانقسام:
إنزيم اللولب يكسر:
DNA بوليميريز يضيف نيوكليوتيدات إلى:
منطقة فصل الشريطين تسمى ______ التضاعف.
الشريط القائد:
الشريط المتأخر:
يربط قطع أوكازاكي:
البرايميز يصنع:
في حقيقيات النواة يبدأ النسخ:
DNA في أوليات النواة:
تقدر التلفات اليومية بحوالي ______ قاعدة بيورينية.
ثبات DNA وراثيًا بفضل:
بلازميدات · كروماتين · المحتوى الجيني · الطفرات
ابدأ الدرس التالي ←