المادة الوراثية: DNA

10-1 المادة الوراثية: DNA

DNA: The Genetic Material

الأهداف

• تلخص التجارب التي أدت إلى اكتشاف DNA بوصفه مادة الوراثة.
• ترسم التركيب الأساسي لجزيء DNA.
• تصف التركيب الأساسي للكروموسوم في المخلوقات الحية حقيقية النوى.

مراجعة المفردات

الحمض النووي: جزيئات حيوية معقدة تخزن المعلومات الخلوية في صورة شفرة.

المفردات الجديدة

• الجزيء الحلزوني المزدوج.
• الجسم النووي، النيوكليوسوم.

---

الفكرة الرئيسية

تطلب اكتشاف DNA بوصفه شفرة وراثية إجراء العديد من التجارب.

الربط مع الحياة

لعلك شاهدت أحد برامج المباحث على التلفاز، وهم يحلون ألغاز جرائمهم. يبحث المحققون عن أدلة تساعدهم على حل اللغز. وكذلك فإن علماء الوراثة محققون يبحثون عن أدلة في أسرار الوراثة وألغازها.

---

اكتشاف المادة الوراثية

Discovery of The Genetic Material

عندما أعيد اكتشاف نتائج مندل في العام 1900م، بدأ العلماء البحث عن الجزيء الذي يخزن المعلومات الوراثية. وقد عرف العلماء أن المعلومات الوراثية محمولة على الكروموسومات في خلايا المخلوقات الحية الحقيقية النوى، وأن أهم مكونين من مكونات الكروموسومات هما DNA والبروتين.

وعلى مدى سنوات طويلة حاول العلماء تحديد أي هذين الجزيئين الكبيرين، DNA أو البروتين، هو مصدر المعلومات الوراثية.

أجرى العالم جريفيث Griffith في عام 1928م أول تجربة رئيسة أدت إلى اكتشاف DNA بوصفه مادة الوراثة. وقد درس جريفيث سلالتين من بكتيريا المكورات السبحية الرئوية Streptococcus pneumoniae التي تسبب التهاب الرئة.

وجد أن إحدى السلالات يمكنها أن تتحول إلى شكل آخر. وقد كان لإحدى السلالتين اللتين درسهما غلاف من السكريات، في حين لم يكن للسلالة الأخرى ذلك الغلاف.

والسلالة المحاطة بغلاف من السكر تسبب التهاب الرئة، وسماها السلالة الملساء S. أما السلالة غير المحاطة فلا تسبب التهاب الرئة، وسماها الخشنة R، كما في الشكل 10-1.

الشكل 10-1

تسبب السلالة الملساء S من البكتيريا S. pneumoniae التهاب الرئة، بينما لا تسبب السلالة الخشنة R المرض. يمكن تمييز السلالات من مظهر المستعمرات.

صور الشكل

• سلالة خشنة R - pneumoniae.
• سلالة ملساء S - pneumoniae.

---

تجربة جريفيث

الشكل 10-2

توضح تجربة جريفيث تحول البكتيريا الخشنة إلى بكتيريا ملساء.

فسر: لماذا استنتج جريفيث أن هناك تحولًا من البكتيريا الحية R إلى البكتيريا الحية S؟

خطوات الشكل

| الجزء | التجربة | النتيجة |
| ----- | --------------------------------------------------------------------------------- | ---------------- |
| A | حقن داخل الفأر بالسلالة الملساء S، تسبب المرض. | الفأر يموت. |
| B | حقن داخل الفأر بالسلالة الخشنة R، لا تسبب المرض. | الفأر يبقى حيًا. |
| C | قتل السلالة S بالحرارة، ثم حقنها داخل الفأر. | الفأر يبقى حيًا. |
| D | خلط السلالة R الحية مع السلالة S الميتة بالحرارة، ثم حقنها معًا في الفأر. | الفأر يموت. |

تتبع تجربة جريفيث في الشكل 10-2، تلاحظ أن خلايا السلالة S الحية قتلت الفأر، في حين لم تقتل خلايا R الحية الفأر، ولم تقتل خلايا S الميتة الفأر أيضًا.

ومع ذلك، فعندما حضر جريفيث خليطًا من خلايا R الحية وخلايا S الميتة، وحقن الفأر بهذا الخليط مات الفأر. عزل جريفيث خلايا بكتيريا حية من الفأر الميت، وعندما زرعت هذه البكتيريا وجد أن لديها الصفة الملساء.

ويشير هذا إلى أن العامل المسبب للمرض انتقل من البكتيريا الميتة S إلى البكتيريا الحية R، فاستنتج جريفيث أن هناك تحولًا حدث من البكتيريا الحية R إلى البكتيريا الحية S.

وكانت هذه بداية البحوث في عوامل التحول.

---

المفردات

المفردات الأكاديمية

التحول Transform
التسبب في تغير النوع.
استعمل أفري DNA لتحويل البكتيريا.

---

أفري

Avery

في عام 1944م تعرف أفري وزملاؤه الجزيء الذي حول البكتيريا من السلالة R إلى السلالة S.

فقد عزل أفري جزيئات كبيرة مختلفة مثل DNA وبروتين ودهون من خلايا البكتيريا S الميتة، وقام بتعريض الخلايا البكتيرية الحية R للجزيئات الكبيرة على نحو منفصل، وتحولت الخلايا R إلى الخلايا S عندما تعرضت لجزيئات DNA.

استنتج أفري أنه عند قتل الخلايا S في تجربة جريفيث تحررت جزيئات DNA، فاستقبلت بعض خلايا البكتيريا R جزيئات DNA هذه، مما أدى إلى تغيير خلايا البكتيريا R إلى خلايا من النوع S.

ماذا قرأت؟

فسر كيف استطاع أفري اكتشاف العامل المحول؟

---

هيرشي وتشيس

Hershey and Chase

في عام 1952م نشر العالمان ألفرد هيرشي ومارثا تشيس نتائج تجاربهما التي وفرت الدليل الداعم على أن DNA هو عامل التحول.

وقد تضمنت تجاربهما الفيروس الآكل للبكتيريا، وهو نوع من الفيروسات يهاجم البكتيريا.

وهناك عاملان جعلا تجربة هيرشي وتشيس ملائمة لإثبات أن DNA هو المادة الوراثية:

• أولهما أن الفيروس الآكل للبكتيريا المستعمل في التجربة كان مكونًا من DNA وبروتين فقط.
• ثانيهما أن الفيروسات لا تستطيع أن تتضاعف بنفسها؛ لذا يجب أن تحقن الفيروسات مادتها الوراثية داخل خلايا حية لكي تتمكن من التكاثر.

وقد ميز هيرشي وتشيس مكوني الفيروس DNA والبروتين؛ ليحددا أي هذين المكونين يحقن داخل البكتيريا، لمعرفة أي هذين المكونين هو المادة الوراثية.

استعمل هيرشي وتشيس العلامات المشعة Radioactive labeling، وهي تقنية تسمى العلامات بالإشعاع لتتبع DNA والبروتين عندما تهاجم الفيروسات الآكلة للبكتيريا خلايا البكتيريا وتتكاثر داخلها، لاحظ الشكل 10-3.

وحقن هذان العالمان مجموعة من الفيروسات بالفوسفور المشع ³²P. ولما كانت البروتينات لا تحتوي على فسفور، لذا سيكون DNA فقط وليس البروتين هو الجزيء المشع.

وقام هذان العالمان أيضًا بحقن مجموعة أخرى من الفيروسات الآكلة للبكتيريا بالكبريت المشع ³⁵S. ولما كانت البروتينات تحتوي على الكبريت ولا تحتوي عليه جزيئات DNA فإن البروتينات هي التي ستشع وليس DNA.

جعل هيرشي وتشيس مجموعتي الفيروسات تهاجمان البكتيريا. وعندما تهاجم الفيروسات البكتيريا تلتصق بسطحها الخارجي وتحقن مادتها الوراثية داخلها. ثم عزلت البكتيريا المصابة عن الفيروسات.

الشكل 10-3

استعمل هيرشي وتشيس تقنية العلامات المشعة في توضيح أن DNA هو المادة الوراثية في الفيروسات.

---

الجدول 10-1

ملخص نتائج هيرشي وتشيس

| المجموعة | العينة | النتيجة |
| ------------------------------------ | ---------------------- | -------------------------------------------------------------------------------------------------- |
| المجموعة 1: فيروسات مميزة بـ ³²P | بكتيريا مصابة | DNA فيروس مميز بـ ³²P داخل خلايا البكتيريا. تضاعف الفيروس. الفيروسات الجديدة تحوي ³²P. |
| المجموعة 1: فيروسات مميزة بـ ³²P | سائل يحتوي على فيروسات | لا يوجد DNA مميز. لم تتضاعف الفيروسات. |
| المجموعة 2: فيروسات مميزة بـ ³⁵S | بكتيريا مصابة | لا توجد بروتينات فيروسية مميزة بـ ³⁵S. تضاعف الفيروس. لم تكن الفيروسات الجديدة مميزة. |
| المجموعة 2: فيروسات مميزة بـ ³⁵S | سائل يحتوي على فيروسات | توجد بروتينات مميزة. لم تتضاعف الفيروسات. |

---

تتبع DNA

DNA Tracking

تفحص هيرشي وتشيس المجموعة 1 التي حقنت بـ ³²P، ووجدا أن DNA الفيروس المميز بالمادة المشعة حقن داخل الخلية البكتيرية.

وبعد فترة من الزمن وجدا أن الفيروسات التي تكاثرت داخل البكتيريا المصابة وخرجت منها تحتوي ³²P. وهذا يشير أيضًا إلى أن DNA هو الذي يحمل المعلومات الوراثية.

وعندما فحصا المجموعة 2 المميزة بـ ³⁵S المشع وجدا أن البروتينات المميزة بالمادة المشعة بقيت خارج الخلايا البكتيرية؛ لأنه لم يجد أي ³⁵S في الداخل.

حيث تضاعفت الفيروسات داخل خلايا البكتيريا، مما يشير إلى أن المادة الوراثية للفيروس قد دخلت البكتيريا.

ويلخص الجدول 10-1 النتائج التي توصل إليها هيرشي وتشيس في تجربتهما.

بناءً على نتائجهما استنتجا أن DNA الفيروس حقن داخل الخلية، ووفر المعلومات الوراثية المطلوبة لبناء فيروسات جديدة.

وقد أعطت هذه التجربة دليلًا قويًا على أن DNA وليس البروتين هو المادة الوراثية التي يمكن أن تنتقل من جيل إلى جيل في الفيروسات.

ماذا قرأت؟

فسر لماذا تعد إنتاج الفيروسات الجديدة داخل البكتيريا مهمًا؟

---

تركيب DNA

DNA Structure

بعد تجربة هيرشي وتشيس أصبح العلماء أكثر ثقة أن DNA هو المادة الوراثية.

وقد أدت الأدلة إلى تعرف المادة الوراثية.

---

النيوكليوتيدات

Nucleotides

في عام 1920م حدد عالم الكيمياء الحيوية الروسي ليفين أن الأحماض النووية تتكون من نيوكليوتيدات.

النيوكليوتيدات وحدات بنائية للأحماض النووية، وتتكون من سكر خماسي الكربون، ومجموعة فوسفات، وقاعدة نيتروجينية.

لاحظ الشكل 10-4.

الحمضان النوويان الموجودان في الخلايا الحية هما:

• DNA.
• RNA.

وتحتوي النيوكليوتيدات في DNA على سكر رايبوز منقوص الأكسجين، ومجموعة فوسفات، وواحدة من أربع قواعد نيتروجينية، هي:

• الأدنين A.
• الجوانين G.
• السايتوسين C.
• الثايمين T.

الشكل 10-4

تتكون النيوكليوتيدات من فوسفات، وسكر، وقاعدة نيتروجينية.

هناك خمسة أنواع مختلفة من القواعد الموجودة في وحدات الأساس للنيوكليوتيدات التي تشكل DNA و RNA.

قواعد البيورينات

• أدنين A.
• جوانين G.

قواعد البيريميدينات

• سايتوسين C.
• ثايمين T: فقط في جزيء DNA.
• يوراسيل U: فقط في جزيء RNA.

---

وتحتوي نيوكليوتيدات RNA على سكر رايبوز ومجموعة فوسفات، وواحدة من أربع قواعد نيتروجينية هي:

• الأدنين.
• الجوانين.
• السايتوسين.
• اليوراسيل.

تحل قاعدة الجوانين G والأدنين A قواعد نيتروجينية ثنائية الحلقات، وهذا النوع من القواعد يسمى قواعد البيورين.

أما السايتوسين C واليوراسيل U والثايمين T فهي قواعد نيتروجينية ذات حلقة واحدة، وتسمى قواعد بيريميدين.

---

تشارجاف

Chargaff

حلل إروين تشارجاف عام 1940م كمية الأدنين والثايمين والجوانين والسايتوسين في DNA لأنواع مختلفة من المخلوقات الحية.

وبينت نتائج تشارجاف بيانات متقاربة، كما في الشكل 10-5.

وجد تشارجاف أن كمية الجوانين تساوي كمية السايتوسين تقريبًا، وأن كمية الأدنين تساوي كمية الثايمين تقريبًا في النوع الواحد.

وسمي هذا الاكتشاف قاعدة تشارجاف:

A = T
C = G

---

الشكل 10-5

بيانات تشارجاف: تركيب القواعد النيتروجينية، النسبة المئوية

| المخلوق الحي | C | G | T | A |
| ------------ | ---: | ---: | ---: | ---: |
| E. coli | 25.2 | 24.9 | 23.9 | 26.0 |
| خميرة | 17.1 | 18.7 | 32.9 | 31.3 |
| سمك الرنجة | 22.6 | 22.7 | 27.5 | 27.8 |
| الجرذ | 21.5 | 21.4 | 28.4 | 28.6 |
| الإنسان | 19.8 | 19.9 | 29.4 | 30.9 |

يبين الشكل أن تشارجاف، على الرغم من اختلاف نسب القواعد النيتروجينية من نوع إلى آخر، أدرك أن G = C، وأن A = T في النوع الواحد.

---

ولكنز وفرانكلين

Wilkins and Franklin

في تقنية تسمى تشتت الأشعة السينية، وهي تقنية تتضمن تصويب الأشعة السينية على جزيء DNA.

وفي عام 1951م انضمت فرانكلين إلى الفريق، وهناك التقطت الصورة رقم 51 الشهيرة الآن، وجمعت بيانات استخدمها بعد ذلك واطسون وكريك.

وقد أشارت هذه الصورة إلى أن الشكل 10-6 يكشف عن أن DNA ذو تركيب حلزوني مزدوج double helix، أو على شكل سلم ملتوٍ، مكون من سلسلتين من النيوكليوتيدات ملتفتين إحداهما حول الأخرى.

وقد حدد واطسون وكريك التركيب الحلزوني المزدوج لجزيء DNA لاحقًا، حيث استخدما بيانات فرانكلين وبيانات رياضية أخرى.

وجزيء DNA في خلايا المخلوقات الحية، ومكون من سلسلتين من النيوكليوتيدات، كل منهما متمم للآخر، وهي أشرطة ملتفة بعضها حول بعض بدقة لتكونا الشكل الحلزوني المزدوج.

تبارك الله أحسن الخالقين.

الشكل 10-6

صورة 51 التقطتها روزالند فرانكلين باستخدام الأشعة السينية، وساعدت واطسون وكريك على حل لغز تركيب جزيء DNA.

عندما حللا وقيسا بدقة النمط خصائص تركيب حلزوني.

---

واطسون وكريك

Watson and Crick

اعتمد واطسون وكريك على صورة فرانكلين لتشتت الأشعة السينية.

وقد قاس واطسون وكريك معًا عرض الجزئ الحلزوني والمسافات بين القواعد، مستخدمين بيانات فرانكلين وبيانات تشارجاف.

وقاما ببناء نموذج لجزيء DNA المزدوج يتوافق مع أبحاث الآخرين.

نشر العالمان واطسون وكريك النموذج الذي بناه في عام 1953م.

وقد اشتمل نموذجهما المقترح على بعض الخصائص المهمة الآتية:

• سلسلتان خارجيتان تتكونان من سكر الرايبوز المنقوص الأكسجين وفوسفات بشكل متبادل.
• يرتبط السايتوسين والجوانين معًا بثلاث روابط هيدروجينية.
• يرتبط الثايمين والأدنين معًا برابطتين هيدروجينيتين.

الشكل 10-7

حل واطسون وكريك لغز تركيب DNA باستخدام بيانات تشارجاف وبيانات فرانكلين.

---

تركيب DNA

DNA structure

يحاكي جزيء DNA على الأغلب السلم الملوي؛ حيث يحاكي حاجزا الحماية، الدرابزين، للسلم، السكر المنقوص الأكسجين والفوسفات بشكل متبادل.

وتشكل أزواج القواعد النيتروجينية السايتوسين والجوانين أو الثايمين والأدنين، درجات هذا السلم.

وترتبط البيريميدينات بالبيورينات، فتحافظ بذلك على البعد الثابت لحاجزي الحماية، سلسلتي DNA، في السلم.

هذا الترابط المقترح للقواعد يفسر أيضًا نتائج تشارجاف، الذي اقترح أن كمية البيريميدينات تساوي كمية البيورينات في عينة جزيء DNA.

لذا فإن:

C + T = G + A

أي أن قواعد البيريميدينات تساوي قواعد البيورينات.

تستخدم أزواج القواعد المتممة لوصف الارتباط الدقيق بين قواعد البيورينات والبيريميدينات بين سلسلتي الأحماض النووية، وهي خاصية تضاعف جزيء DNA التي يمكن من خلالها للسلاسل الأصلية أن تحدد ترتيب النيوكليوتيدات الجديدة.

ماذا قرأت؟

فسر لماذا كانت بيانات تشارجاف دليلًا مهمًا للوصول إلى بناء DNA؟

---

تجربة 10-1

عمل نموذج DNA

ما تركيب جزيء DNA؟

صمم نموذجًا يزيد من فهم تركيب جزيء DNA.

خطوات العمل

• املأ بطاقة السلامة في دليل التجارب العملية.
• صمم نموذجًا لقطعة صغيرة من DNA باستعمال المواد التي يوفرها لك معلمك.
• حدد أجزاء النموذج التي تتطابق مع الأجزاء المختلفة من جزيء DNA.

التحليل

• صف تركيب جزيء DNA الخاص بك.
• حدد خصائص DNA التي ركزت عليها عند بناء نموذجك.
• استنتج: كيف يختلف نموذجك عن نماذج زملائك في الصف؟ وكيف يرتبط هذا الاختلاف باختلافات جزيء DNA بين المخلوقات الحية؟

---

الاتجاه

Orientation

من الصفات الفريدة لجزيء DNA اتجاه أو ترتيب السلسلتين؛ حيث يمكن ترقيم الكربون في المركبات العضوية، وهي هنا السكر.

ويوضح الشكل 10-8 اتجاه ذرات الكربون المرقمة في جزيئات السكر في كل سلسلة من سلاسل DNA.

فتكون بداية الارتباط في السلسلة العلوية عند الكربون رقم 5 في سكر الرايبوز منقوص الأكسجين، وتسمى 5'، وتنتهي الارتباط عند الكربون رقم 3 في سكر الرايبوز منقوص الأكسجين، وتسمى 3'.

ويقال إن السلسلة تترتب من 5' إلى 3'، بينما تترتب السلسلة الأخرى الموازية في الاتجاه المعاكس، من 3' إلى 5'.

ترتب السلسلتين بهذا الشكل يسمى التوازي المعاكس.

لاحظ الشكل 10-8.

وهناك طريقة أخرى توضح الترتيب المتوازي المعاكس لسلسلتي DNA، بأخذ قلمي رصاص ووضعهما بحيث يكون رأس أحدهما بجوار ممحاة القلم الآخر.

الشكل 10-8

تترتب سلسلتا DNA على نحو متوازٍ ومتعاكس، ويتكون جزيء DNA الحلزوني.

حلل: ماذا تسمى نهايتا سلسلتي جزيء DNA، 3' و 5'؟

---

التركيب البنائي للكروموسوم

Chromosome Structure

يوجد جزيء DNA في المخلوقات الحية البدائية النوى في السيتوبلازم، ويكون بشكل أساسي من حلقة من DNA ويرتبط مع البروتينات.

في حين يترتب DNA في المخلوقات الحية الحقيقية النوى في صورة كروموسومات مفردة.

يتكون الكروموسوم في الإنسان من 51 مليونًا إلى 245 مليون زوج من القواعد النيتروجينية.

وإذا بسطت سلسلة DNA مكونة من 140 مليون نيوكليوتيد في خط مستقيم، فإن طولها سيبلغ 5 cm تقريبًا.

فكيف يمكن لكمية DNA هذه أن تترتب داخل خلية مجهرية؟

لكي يترتب جزيء DNA داخل نواة خلية حقيقية النواة فإنه يلتف حول مجموعة من البروتينات تشبه الخرز تسمى الهستونات، كما في الشكل 10-9.

ولأن مجموعات الفوسفات في DNA تحمل شحنة سالبة، فهي تنجذب إلى بروتينات الهستون الموجبة الشحنة، فتكون جسمًا نوويًا Nucleosome.

تجتمع جزيئات DNA معًا لتكون أليافًا كروماتينية، تلتف بعضها على بعض لتكون تركيب DNA المعروف بالكروموسوم.

الشكل 10-9

يلتف جزيء DNA حول الهستونات ليكون جسيمات نووية، نيوكليوسومات، تلتف بدورها لتكون أليافًا كروماتينية.

وتلتف ألياف الكروماتين بشدة لتكوين الكروموسومات التي تكون واضحة في أثناء الطور الاستوائي من الانقسام المتساوي.

بيانات الشكل

• DNA.
• هستونات.
• جسمات نووية، نيوكليوسومات.
• ليف كروماتيني.
• ليف شديد الالتواء.
• كروماتيدان.
• سنترومير.
• كروموسوم في الطور الاستوائي.

---

التقويم 10-1

الخلاصة

• تعد تجربة جريفيث باستعمال البكتيريا تفسيرًا قويًا أو إشارة إلى أن جزيء DNA هو المادة الوراثية.
• وفرت تجربة هيرشي وتشيس دليلًا على أن جزيء DNA هو المادة الوراثية في الفيروسات.
• تنص قاعدة تشارجاف على أنه في جزيء DNA كمية السايتوسين تساوي كمية الجوانين، وكمية الثايمين تساوي كمية الأدنين.
• وفرت أعمال واطسون وكريك وفرانكلين وويلكنز دليلًا على التركيب الحلزوني المزدوج لجزيء DNA.

---

فهم الأفكار الرئيسية

• الفكرة الرئيسية: لخص تجارب جريفيث وأفري وهيرشي وتشيس التي أدت إلى أن جزيء DNA هو المادة الوراثية.
• صف البيانات التي استعملها واطسون وكريك في تحديد تركيب جزيء DNA.
• ارسم وعنون الأجزاء في قطعة DNA، مبينًا الشكل الحلزوني لهذا الجزيء، وارتباط القواعد النيتروجينية المتممة.
• صف تركيب الكروموسومات في المخلوقات الحية حقيقية النوى.

---

التفكير الناقد

• صف خاصيتين يحتاج إليهما جزيء DNA لكي يؤدي دوره بوصفه مادة الوراثة.
• قوّم قرار هيرشي وتشيس في استعمال الفوسفور والكبريت المشعين في تجاربهما. وهل كان يمكن استخدام الكربون أو الأكسجين كبديلين؟ ولماذا؟