الحمض النووي والمعلومات الوراثية

 

وجد علماء البيولوجي أنه أثناء انقسام الخلية تنفصل الكروموسومات عن بعضها البعض بحيث يصبح في النهاية لكل خلية ناشئة عن الانقسام نفس عدد الكروموسومات الموجودة في الخلية الأصلية ، مما يدل على أن الكروموسومات هي التي تحمل المعلومات الوراثية ، إلا أن الكروموسومات يدخل في تركيبها مركبان رئيسيان هما :
حمض DNA والبروتينات ...... فأي منهما يحمل المعلومات الوراثية ؟
وكان من المعروف أن البروتينات مجموعة من الجزيئات المتنوعة حيث يدخل في تركيبها 20 حمضاً أمينياً وتتجمع الأحماض الأمينية بطرق متباينة لتعطي عدد لا حصر له من المركبات البروتينية المختلفة بينما يدخل في تركيب حمض DNA أربع نيوكليوتيدات فقط .
لذلك أعتقد العلماء في أول الأمر أن البروتينات هي التي تحمل المعلومات الوراثية .
كما كانت المعرفة قليلة بالأحماض النووية ، والتي يبدو أن صفاتها الفيزيائية والكيميائية بعيدة عن التنظيم الضروري للمادة الوراثية ، ولكن هذه النظرة تغيرت بالتدريج ، عندما أظهرت التجارب على الكائنات الحية المجهرية المعروفة نتائج غير متوقعة .

الأدلة على أن حمض DNA هو مادة الوراثة

1- التحول البكتيري Bacterial Trasformation :

ظهر أول دليل يثير الشك حول اعتبار أن مادة الوراثة من البروتينات في عام 1928م – حين كان العالم البريطاني فريدريك جريفث (Griffith ) يدرس البكتيريا المسببة لمرض الالتهاب الرئوي – حيث اكتشف أنه يمكن تحويل إحدى سلالات بكتيريا الالتهاب الرئوي إلى سلالة أخري مختلفة وراثياً ، وكانت إحدى السلالتين اللتين درسهما مميتة ( السلالة S ) بمعنى أنها أدت إلى موت الفئران التي حقنت بها ، بينما الســلالة الأخرى ( السلالة R ) أصابت الفئران بمرض الالتهاب الرئوي لكنها لم تؤد إلى قتلها ، وقد أوضح جريفث أنه عندما حقنت الفئران بسلالة البكتيريا المميتة التي سبق قتلها بالحرارة مع السلالة غير المميتة الحية ( أنظر الشكل )

ماتت بعض الفئران رغم أنها لم تحقن بخلايا مميتة حية كما أن جثثها احتوت على سلالة البكتيريا المميتة .
وقد استنتج جريفث من ذلك أن بعض المادة الوراثية الخاصة بالبكتيريا المميتة قد دخلت بطريقة ما إلى داخل البكتيريا غير المميتة وحولتها إلى بكتيريا مميتة ، وأطلق على هذه الظاهرة ( التحول البكتيري ) .

وكانت الخطوة المنطقية التالية هي عزل المادة المسئولة عن التحول الوراثي في البكتيريا والتعرف عليها كيميائياً والتي كان يعتقد أنها مركب بروتيني إلا أنه لم يثبت أن أياً من البروتينات المعزولة من البكتيريا أدت للتحول الوراثي ، واستمر الحال كذلك حتى عام 1945م عندما تمكن العالم الأمريكي آفري Oswald Afery 
( وزميلاه مكارتي وماكلويد ) من عزل مادة نشطة من سلالة البكتيريا المميتة لها القدرة على إحداث التحول البكتيري والتي أثبت التحليل الكيميائي والفيزيائي فيما بعد أنها عبارة عن حمضDNA .

 

وقد أثير في أول الأمر اعتراضا على أن DNA هو المادة الوراثية على أساس أن الجزء من DNAالذي سبب التحول البكتيري لم يكن على قدر كاف من النقاوة ، والذي كان به كمية من البروتين هي التي سببت التحول ، إلا أن التجربة الحاسمة قد أجريت عندما تخلصوا من البروتينات بهضمها بإنزيمات محللة مثل التربسين ، وكذلك من RNA بواسطة إنزيم رايبونيوكليز الذي يحطمه ، وحقنوا الفئران بمزيج من DNA المستخلص من خلايا البكتيريا السلالة S مع خلايا حية من السلالة R فماتت الفئران ، وبذلك تأكد لديهم أن إزالة البروتين وRNA لم تأثر في عملية التحول البكتيري ، وهذا يثبت أن المادة التي سببت التحول الوراثي ليست بروتين ولا RNA وإنما هي DNA .

 

2- لاقمات البكتيريا Bacteriophages :

عام 1952م اكتشف آلفريد هيرشي Alfred Hershy ومارثا تشيس Matha Chase أن DNA هو المادة الوراثية لآكل البكتيريا T2 وهو واحد من عدة الفاجات التي تصيب بكتيريا القولون حيث يمسك بها بخيوط الذيل ولوحظ أنه بعد حوالي 20 دقيقة من اتصال الفيروس بالخلية البكتيرية أنها تنفجر ويخرج منها حوالي 100 فيروس جديد مكتمل التكوين ، وعلى ذلك لابد أن المادة التي دخلت إلى البكتيريا تحتوي على جينات الفيروس ، كما أن الغلاف البروتيني لفيروس T2  لا يدخل البكتيريا .

وكان معروفاً أن DNA يدخل في تركيبه الفسفور ولا يحتوي على الكبريت ومعظم البروتينات تحتوي على الكبريت ولا تحتوي على الفسفور ، فقام العالمان بتنمية فيروس T2 على غذاء يحتوي على نظير الفسفور المشع 32P   كعلامة مميزة لحمض DNA ، والكبريت المشع 35Sكعلامة مميزة لبروتينات الفيروس ، ثم سمحا للفيروس بمهاجمة الخلية البكتيرية وقاما بالكشف على الفسفور المشع والكبريت المشع داخل وخارج البكتيريا ، وأظهرت النتائج أنه لم بدخل من البروتين الفيروسي إلى الخلية البكتيرية إلا أقل من 3% أما DNA الفيروسي فقد دخل كله تقريباً لداخل الخلية البكتيرية ودفعها لبناء فيروسات جديدة ، وبذلك لم تقدم تجربة هيرشي وتشيس دليلاً واضحاً بأن DNA هو المادة الوراثية لآكل البكتيريا ، لأن كمية قليلة جداً من المادة البروتينية الموسومة بالكبريت المشع تدخل الخلية البكتيرية بصحبة DNA وقد تحمل المعلومات الوراثية .

وبقى الأمر كذلك لمدة عام حتى نشر نموذج واطسون وكريك حيث بدأت مرحلة أخرى من الأبحاث والدراسات

 

3- كمية DNA في الخلايا :

يسبق الانقسام الميتوزي للخلية تضاعف محتواها من DNA ، وخلال الانقسام يتوزع DNAبالتساوي بين الخليتين الوليدتين ، كما يوجد في المجموعات الزوجية من الكروموسومات ضعف كمية DNA الموجود في العدد النصفي للكروموسومات في أمشاج الكائن الحي نفسه ، ومن جهة أخرى فإن توزيع البروتينات في الخلايا الجسمية يختلف كثيراً من نسيج لآخر وليس من الضروري أن تكون كمية أقل في الخلايا الأمشاج مما ينفي أن البروتين يعمل كمادة وراثية ، كما أن البروتينات وجزيئات RNA يتم هدمهما وإعادة بنائها باستمرار في الخلايا بينما يكون DNA ثابت بشكل واضح .

4- محتوى DNA من القواعد النيتروجينية :
اكتشف عالم الكيمياء الحيوية إرون شارجاف Erwin Chargaff ومساعدوه في أواخر عام 1940م أن كل أفراد النوع الواحد من الكائنات الحية تحتوي علىDNA ذي تركيب كيميائي واحد ولا ينطبق ذلك على البروتين ، كما أن كل مركبات DNA تتكون من نفس النيوكليوتيدات الربعة التي تحتوي على القواعد النيتروجينية الأربعة ( الأدنين A ، والثايمين T ، والجوانين G والسايتوسين C ) وهى لا توجد بنسب متسـاوية في خلايا أفراد الأنواع المختلفة ، إلا ان DNA المستخلص من أفراد مختلفة من النوع نفسه أو مستخلص من أنسجة مختلفة لنفس الفرد تكون النيوكليوتيدات به لها نفس النسبة ، وعلاوة على ذلك فإن DNA الخاص بكل نوع يحتوي على أعداد متساوية من كل من النيوكليوتيدات الأربعة ، أي أن نسب    و      تساوي تقريباً الواحد الصحيح ، وقد قاد هذا الاكتشاف فيما بعد إلى التعرف على تركيب جزئ حمض DNA .

تركيب DNA (DeoxyriboNucleic Acid )

توصل العالم إرون شارجاف Erwin Chargaff ومساعدوه أن حمض DNA يتكون من وحدات بنائية أسماها النيوكليوتيدات Nucleotides ،
ويتركب النيوكليوتيد من ثلاث مكونات : سكر خماسي ( وهو الرايبوز منقوص الأكسجين 
Deoxyribose في نيوكليوتيد DNA وهو يختلف عن سكر الريبوز في نيوكليوتيد RNA بذرة أكسجين واحدة في ذرة الكربون رقم 2 )  ومجموعة من الفوسفات مرتبطة برابطة تساهمية بذرة الكربون الخامسة في السكر ، وواحدة من القواعد النيتروجينية الأربعة ترتبط برابطة تساهمية بذرة الكربون الأولي في السكر الخماسي والقاعدة النيتروجينية قد تكون أحد مشتقات البيريميدين Pyrimidine الحلقية المفردة ثايمين ( T ) Thymine أو سايتوسين ( C )Cytokine ، أو أحد مشتقات البيورين Purine الحلقية المزدوجة أدنين ( A ) Adenine أو جوانين (G ) Guanine . 
عندما ترتبط النيوكليوتيدات بعضها ببعض في شريط DNA فإن مجموعة الفوسفات المتصلة بذرة الكربون رقم 5' في سكر أحد النيوكليوتيدات ترتبط برابطة تساهمية مع ذرة الكربونرقم 3' في سكر النيوكليوتيد.

والشريط الذي يتبادل فيه السكر مع الفوسفات يطلق عليه هيكل سكر- فوسفات وهذا الهيكل غير متماثل بمعنى أنه يوجد به مجموعةفوسفات طليقة مرتبطة بذرة الكربون رقم 5' في السكر الخماسي عند إحدى نهاياته ، ومجموعة هيدروكسيل OH- طليقة مرتبطة بذرة الكربون رقم 3'في السكر الخماسي عند النهاية الأخرى ، 
أما قواعد البيورينات والبريميدينات فإنها تبرز على جانب واحد من الهيكل سكر فوسفات .  وكما علمنا فقد توصل شارجاف إلى أن في كل جزئ من DNA يكون عدد نوكليوتيدات A ≈ T وكذلك عدد نيوكليوتيدات G ≈ C وعرف ذلك بقانون شارجاف .

اكتشاف اللولب المزدوج (The Double Helix  )

لقد جاء الدليل المباشر على تركيب DNA   من دراسات  قامت بها روزالين فرانكلين Rosalin Franklin حيث استخدمت تقنية حيود أشعة X في الحصول على صور لبلورات من DNA عالي النقاوة ، حيث تمرر أشعة X خلال بلورات من جزيئات ذات تركيب منتظم مما ينشأ عنه تشتت أشعة X فيظهر طراز من توزيع نقطي يعطي تحليلها معلومات عن شكل الجزيء .

وفي عام 1952م نشرت فرانكلين صور بلورات من DNA عالي النقاوة ، حيث بدأ سباق رهيب بين العلماء لوضع المعلومات المتاحة في صورة نموذج model لتركيب جزئ DNA   .وفي ذلك الوقت كان عالمان غير معروفين جيداً هما الأمريكي جيمس واتسون  James Watsonوالإنجليزي فرانسيس كريك Francis Crick قد حلا لغز DNA .

اعتمد واتسون وكريك في أنموذجيهما لحمض DNA على البيانات التي استخلصاها من صورة حيود الأشعة X لفرانكلين ، وفسرا نمط البقع على صورة الأشعة لتدل على أن  جزئ DNAملتف على شكل حلزون أو لولب Helix معتمدين على إعادة جمع واتسون للصورة ، حيث استنتجا أن عرض اللولب 2نانومتر بحيث تكون القواعد متعامدة على طول الخيط ، كما وفرت هذه الصورة دليلاً على أن هيكل سكر- فوسفات يوجد في الجهة الخارجية من اللولب وتوجد القواعد النيتروجينية جهة الداخل ، كما أن قطر اللولب دل على أنه يتكون من سلسلتين من شريط منDNA والذي أصبح معروفاً باللولب المزدوج ، كما تم استنتاج أن اللولب يعمل لفة كاملة 3.4 نانومتر من طوله ، ولأن القواعد النيتروجينية يفصل بينها 34, . نانومتر، لذلك توجد عشر طبقات من القواعد النيتروجينية ، أو درجات على السلم في كل لفة من اللولب ، وقد حدد هذا التركيب وضع القواعد النيتروجينية الأكثر كرهاً للماء داخل الجزئ ، وبذلك فهي بعيدة عن الوسط المائي الخارجي.

ولعمل قطر2 نانومتر للولب المزدوج فالحل هو ازدواج بيورين مع بريميدين ، كما أن كل قاعدة نينروجينية يمكنها تكوين روابط هيدروجينية مع الشريك المناسب لها ، فيمكن للأدنين عمل رابطة هيدروجينية ثنائية مع الثايمين فقط ، كما يمكن للجوانين عمل رابطة هيدروجينية ثلاثية مع السايتوسين فقط . ولكي تتكون الروابط الهيدروجينية بشكل سليم بين زوجي القواعد النيتروجينية وحتى يتساوى قطر اللولب المزدوج  رأى واتسون وكريك أن شريطي النيوكليوتيد في جزئ DNA يكون أحدهما معاكس للآخر بمعنى أن مجموعة الفوسفات الطرفية المتصلة بذرة الكربون 5' في السكر الخماسي في شريطي DNA ، كما أن مجموعة الفوسفات في إحدى النيوكليوتيدات ترتبط مع ذرة الكربون 3' للنيوكليوتيد المجاور . والنتيجة سلسلة DNAبقطبية واضحة Distinct polarity . والكربون الطرفي في إحدى نهايتي هيكل السكر – فوسفات ذرة الكربون 3' ، ولا يرتبط هذا الطرف مع مجموعة الفوسفات ويرتبط مع مجموعة OH- ويسمى النهاية 3' للسلسلة ، وفي الطرف المقابل ينتهي هيكل السكر – فوسفات بمجموعة فوسفات ترتبط مع الكربون 5' للنيوكليوتيد الآخر ويسمى النهاية 5' لسلسلة DNA في اللولب المزدوج ، وبذلك فمن الضروري أن يكون العمودان الفقريان لسلسلتي DNA مقلوبين بالنسبة لبعضهما ، ولأن السلسلتين متعاكستين ، لهذا نجد أنه إذا كان اتجاه إحدى السلسلتين 5'       3' 
( القطبية ) ، يكون اتجاه السلسلة المكملة لها 3' --- < 5' . 

وفسر نموذج واتسون وكريك قانون شـارجاف ، وفي عام 1953م فاجـأ واتسون وكريك العالم بمقالة موجزة
في مجلة الطبيعة Nature البريطانية أوضحا فيها نموذج جزئ جديد لحمض  DNA اللولب المزدوج .
والجيد في هذا النموذج أنه أقترح الآلية الأساسية لتضاعف DNA . 

تضاعف DNA

قبل أن تبدأ الخلية في انقسامها تتضاعف كمية  DNAبها حتى تستقبل كل خلية جديدة نسخة طبق الأصل من المعلومات الوراثية الخاصة بالخلية الأم ، وقد أشار واتسون وكريك إلى أن تركيب الشريط المزدوج ذي القواعد المتزاوجة لجزئ DNA يحتوي على وسيلة يمكن بها مضاعفة المعلومات الوراثية بدقة . فحيث أن الشريطين يحتويان على قواعد متكاملة ، فإن تتابع النيوكليوتيدات في كل شريط يوفر المعلومات اللازمة لإنتاج الشريط المقابل ن فمثلاً إذا كان تتابع القواعد النيتروجينية في جزء من الشريط ( 3' – C  - C – T – A  - A 5' ) فإن قطعة الشريط التي تتكون معها يكون ترتيب قواعدها النيتروجينية  ( 5' – G – G – A -  T – T 3' )، فإذا تم فصل شريطي DNA عن بعضهما البعض فإن أياً منهما يمكن أن يعمل كقالب لإنتاج شريط يتكامل معه، أي لكل جزئ ابن من DNA سلسلة قديمة ( القالب ) وسلسلة جديدة ، وهو ما يعرف بالتضاعف شبه المحافظ وقام العديد من العلماء بإجراء تجارب للتأكد من ذلك .

فقد فرض كل من العالمـان ماثيو ميسلسـون Mathew Messelson وفرانكلين سـتال Franklin Stahl .

 

أن هناك ثلاثة طرق محتملة لتضاعف DNA :  

 1- التضاعف المحافظ ( Conservative model ) : 
يعمل DNA بعضهما مع بعض كقالب لبناء جزئ DNA جديد مزدوج الشريط حيث يستمر جزيءDNA  الأصلي على حاله ويذهب إلى إحدى الخليتين الجديدتين بينما يذهب الجزيء الجديد للخلية الأخرى . 

2- التضاعف شبه المحافظ ( Semi Conservative model  ) :
ينفصل شريطا DNA بعضهما عن بعض بكسر الروابط الهيدروجينية التي تربط القواعد النيتروجينية المتزاوجة ويعمل كل شريط من الشريطين كقالب لبناء شريط جديد ثم يتم تكوين روابط بين القواعد المتزاوجة للربط بين شريطين أحدهما جديد والأخر قديم ، وعند انقسام الخلية ترث كل خلية جديدة DNA هجين أي يتكون من شريط قديم وآخر جديد .

3- التضاعف المشتت ( Dispersive model ) :
يقطع جزئ DNA ككل إلى قطع صغيرة يستخدم كل منها كقالب لبناء لولبين جديدين يرتبط أن بعضهما ببعض بطريقة ما .

وباستخدام سلسلة من التجارب على بكتيريا القولون تمكن ميسلون وستال من إثبات أن الطريقتين الأولى والثالثة لا يمكن حدوثهما ، ووفرا دليلاً قوياً على صدق الطريقة الثانية وهي التضاعف شبه المحافظ .

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. ينفصل الشريطان بعضهما عن بعض بكسر الروابط الهيدروجينية الموجودة بين القواعد المتزاوجة في الشريطين .
3. يبتعد الشريطان بعضهما عن بعض لتعريض القواعد لتتمكن من تكوين روابط هيدروجينية

    مع نيوكليوتيات جديدة .
ومن المعروف الآن أن إنزيمات اللولب DNA – helicaes تتحرك على امتداد اللولب المزدوج فاصلة الشـريطين عن بعضهمـا البعض ، أما البناء الفعلي لأشـرطة DNA الجديدة فتقوم به إنزيمـات البلمرة DNA- Polymerases والتي تساعد على إضافة النيوكليوتيدات واحدة بعد الأخرى إلى النهاية 3' لشريط DNA الجديد ، ولكي يتم إضافة النيوكليوتيدة إلى الشريط الجديد لا بد أولاً أن تتزاوج القواعد النيتروجينية في النيوكليوتيدة مع القاعدة النيتروجينية الموجودة على شريط القالب . 

ينتظم DNA في حقيقيات النواة في صورة كروموسـومات حيث يحتوي كل كروموسـوم على جزئ واحد من DNA يمتد من أحد طرفيه إلى الطرف الآخر ، ويبدأ نسخ DNA عند أي نقطة على امتداد الجزئ ، ومن المعروف أن إنزيم البلمرة يعمل في اتجاه واحد فق من الطرف 5' في اتجاه3' للشريط الجديد الذي يجري بناؤه ، وحيث أن شـريطي لولبDNA المزدوج متوازيان عكسياً ، أي أن أحدهما يكون في اتجاه 5' إلى 3' بينما الشريط المتزاوج معه يتوجه في الاتجاه المعاكس أي في اتجاه 3' إلى 5'   ،  وعلى ذلك فعندما يعمل إنزيم اللولب على فصل شريطي جزئ DNAيتم ذلك في اتجاه النهاية 3' لأحد الشريطين والنهاية 5' للشريط الأخر . وبالنسبة للشريط 3' -5' ليست هناك مشكلة حيث أن إنزيم البلمرة يتبع إنزيم اللولب مباشرة مضيفاً نيوكليوتيدات جديدة إلى النهاية 3' . إلا أن ذلك لا يحدث بالنسبة للشريط الآخر المعاكس ، وذلك لن إنزيم البلمرة لا يعمل في إتجاه 3' - 5' ولذا فإن هذا الشريط يتم بناؤه على شكل قطع صغيرة ( قطع أوكازاكي ) في اتجاه 5' - 3' ثم ترتبط هذه القطع الصغيرة مع بعضها البعض بواسطة إنزيم الربطDNA- ligase