الدرس 105 : تضاعف الـ DNA | مدونة أحمد النادى لأحياء الثانوية العامة

الدرس 105 : تضاعف الـ DNA

>
تضاعف الحمض النووى dna
مقدمة : 
 لماذا تنقسم الخلايا ؟ 
♢ الحاجة إلى الإنقسام الميتوزى : 
فى المراحل الأولى من عمر الكائن الحى يحتاج للإنقسام الميتوزى
حيث يحتاج للنمو لذلك يزداد عدد الخلايا بالإنقسام الميتوزى من خلية الزيجوت ( البويضة المخصبة ) إلى خليتين ثم إلى أربعة ثم إلى ثمانية وهكذا حتى تصل خلاياه لتريليونات الخلايا المتخصصة فى وظائف مختلفة , وينتج عن ذلك إنتقال المادة الوراثية الموجودة فى خلية الزيجوت إلى كل خلايا الجسم الناتجة عنها نتيجة تضاعف الـ DNA فى الخلية المنقسمة إلى نسختين متشابهتين قبل بدء الإنقسام لتستقبل كل خلية ناتجة عن الإنقسام لنسخة منها . 
إذا تلفت خلية أو تقدم عمرها يحتاج الجسم للإنقسام الميتوزى لتعويضها وإستبدالها بأخرى
مثال : 
♣ إذا تلفت خلايا من طبقة الجلد الخارجية بسبب الإحتكاك . 
♣ عند حدوث جرح تنقسم الخلايا التى تلامس الجرح ميتوزياً لإنتاج خلايا تسد الجرح لتحل محل التى تلفت وفقدت . 
ملحوظة : 
♦ الخلايا الجديدة الناتجة عن إنقسام أى خلية كخلية جلد ميتوزياً مثلاً ستشبه الخلية الأم وستؤدى نفس وظيفتها .
♢ الحاجة إلى الإنقسام الميوزى : 
أهميته فى تكوين الأمشاج
حيث يعطى خلايا تناسلية ( حيوان منوى وبويضة ) بها نصف عدد الصبغيات الموجودة فى الخلية المنقسمة فى المناسل ( الخصى والمبايض ) , لأنه عندما تتلاقى الأمشاج بالإخصاب تعود الصبغيات أزواج فى خلية الزيجوت التى تنقسم ميتوزى لتكوين الجنين . 
ملحوظة :
♦ عملية إنقسام الخلية
يتحكم فيها جينات موجودة فى نواتها تُعْلِمْ الخلية متى تنقسم فإذا أصيبت تلك الجينات بطفرة ستنقسم تلك الخلايا بلاعقل وبطريقة جنونية فتتكون كتلة خلايا غير طبيعية لها نفس المحتوى الجينى المعطوب تسمى ورم سرطانى .
♦  المرحلة الثانية من الإنقسام الميوزى لا تتضاعف فيها الصبغيات . 

تضاعف DNA ( يعيد إنتاج ذاته ) : 

ينفرد جزئ الـ DNA من بين باقى جزيئات الطبيعة بقدرتها على تضاعف نفسها . 
وهو العملية التى تُنسخ أو تتضاعف فيها كل جزيئات DNA فى نواة الخلية قبل أن تبدأ تلك الخلية فى الإنقسام الخلوى ( وليس أثناءه ) ليتكون جزيئان منفصلان من DNA يماثل كل منهما جزئ DNA الأصلى , حتى تحصل كل خلية جديدة ناتجة عن الإنقسام على نسخة طبق الأصل من المعلومات الوراثية الخاصة بالخلية الأم ( 2 ن ) , ففى الإنسان مثلاً  وقبل إنقسام الخلية لابد من تضاعف 46 جزئ DNA بها محموله على 46 صبغى أحادى الكروماتيد ( 23 زوج من الصبغيات , وكل زوج يتكون من كروموسومين أحدهما موروث من الأب ومعه نظيره الموروث من الأم وكلاهما يحمل الجينات بنفس الترتيب ) . 
تضاعف الحمض النووى dna - من كروموسوم أحادى الكروماتيد إلى ثنائى الكروماتيد
مبدأ التضاعف
أشار واقترح كلاً من واطسن وكريك فى نموذج تركيب DNA الآلية الممكنة لتضاعف DNA وتوصلا إلى أن
كل شريط من شريطى DNA يحتوى على قواعد نيتروجينية متكاملة ومتممة للقواعد النيتروجينية على الشريط الآخر بمعنى أنه
لو تم فصل شريطى DNA عن بعضهما فإن كل شريط قديم منفرد منهما يعمل كقالب لإنتاج وبناء شريط جديد مقابل له ومتكامل معه حيث أن تتابع النيوكليوتيدات فى كل شريط يوفر المعلومات اللازمة لبناء الشريط المقابل له والمتكامل معه , 
فمثلاً
إذا كان تتابع القواعد النيتروجينية فى جزء من أحد الشريطين هو         
[ 5' …… A – A – T – C – C – G …… 3']
فإن قطعة الشريط التى تتكامل معه يكون ترتيب قواعدها النيتروجينية هى
[ 3' …… T – T – A – G – G – C …… 5'] .

دور الإنزيمات فى تضاعف الـ DNA : 

يتطلب نسخ الـ DNA تكامل نشاط عدد من الإنزيمات والبروتينات فى الخلية وهى
تضاعف الحمض النووى dna - إنزيمات اللولب - إنزيمات البلمرة - إنزيمات الربط

خطوات تضاعف الـ DNA : 

1 - فك إلتواء وإلتفاف اللولب الحلزونى المزدوج ( رجوعه لشكل السلم ) . 
2 - فصل الشريطين عن بعضهما بفعل إنزيمات اللولب . 

إنزيمات اللولب Helicase ( تفُك ) : 

تتحرك على إمتداد اللولب المزدوج , فتقوم بكسر وفك الروابط الهيدروجينية بين القواعد النيتروجينية المتزاوجة فى كلا الشريطين , فتفصل وتبعد الشريطين عن بعضهما لتكوين سلسلتين منفردتين تمهيداً لعمل إنزيم البلمرة لتتمكن القواعد من تكوين روابط هيدروجينية مع نيوكليوتيدات جديدة . 
ملحوظة : 
يعمل إنزيم بلمرة DNA مباشرة خلف إنزيم اللولب بمعنى أن كل قطعة من اللولب يتم فكها يتم نسخها ثم تنفك قطعة أخرى ويتم تضاعفها وهكذا ولا ينتظر إنزيم البلمرة حتى تمام الإنفصال بين الشريطين ثم بعد ذلك تبدأ عملية التضاعف حتى لا تزدوج الروابط مع مركبات أخرى . 
♢ يوجد بروتين يرتبط بالقاعدة النيتروجينية التى تم كسر الرابطة بينها وبين القاعدة المكملة لها فى الشريط المقابل لمنع إتصالهما حتى لايُعاد إرتباطهما مرة أخرى قبل أن يتم إستخدامهما كقالب . 
تضاعف الحمض النووى dna - إنزيمات اللولب - إنزيمات البلمرة - إنزيمات الربط

تضاعف الحمض النووى dna - إنزيمات اللولب - إنزيمات البلمرة - إنزيمات الربط
إتجاه عمل إنزيمات اللولب : 
♢ يعمل فى إتجاه النهاية 3' فى أحد الشريطين والنهاية 5' للشريط الآخر . 
♢ التضاعف يتم فى السلسلتين فى نفس الوقت ولكن فى إتجاهين متعاكسين وبسرعة مختلفة . 
ملحوظة : 
♢ لوغاب إنزيم اللولب من خلية فلن يحدث إنفصال لشريطى الـDNA عن بعضهما وبالتالى لن يحدث تضاعف لـ DNA وبالتالى لن تنقسم الخلية .
♢ 
تستمر عملية فك إلتفاف الشريطين الأصليين عن بعضهما طالما إستمرت عملية البناء . 
3- بناء أشرطة DNA جديدة ( بفعل إنزيمات البلمرة ) : 
يعمل كل شريط من شريطى DNA الأصلى المفصولين عن بعضهما كقالب لبناء شريط DNA جديد يتكامل معه ويتمم له .
♢ الشريط الأصلى القالب  ( 3'  ---<  5' ) يكّوِنْ شريط جديد ( 5'  ---<  3' ) يتكامل معه .
♢ والشريط الأصلى القالب ( 5'  ---<  3' ) يكّوِنْ شريط جديد ( 3'  ---<  5' ) يتكامل معه .

 إنزيمات البلمرة ( تبنى ) : 

♦ تعمل خلف " تَتْبَعْ " إنزيمات اللولب مباشرة فتقوم ببناء شريط DNA جديد بإضافة نيوكليوتيدات إلى شريط DNA الجديد الواحدة تلو الأخرى ( من البداية 5' إلى النهاية 3' ) بحيث تتزاوج القاعدة النيتروجينية فى النيوكليوتيدة الجديدة على السلسلة الجديدة مع القاعدة النيتروجينية الموجودة على الشريط القالب والمتممة لها فقط , حيث
يقوم هذا الإنزيم بإدخال نيوكليوتيدة تحتوى على الثايمين فى الشريط الجديد أينما وُجد الأدينين فى نيوكليوتيدة فى الشريط الأصلى وبالعكس . 
♦ ويقوم بإدخال نيوكليوتيدة تحتوى على السيتوزين فى الشريط الجديد أينما وُجد الجوانين فى نيوكليوتيدة فى الشريط الأصلى وبالعكس . 
♢ ثم تتكون بين القاعدتين النيتروجينيتين ( القديمة والجديدة ) رابطة هيدروجينية
♢ ثم تتكون رابطة تساهمية بين سكر ديؤكسى ريبوز للنيوكليوتيدة وبين مجموعة الفوسفات على النيوكليوتيدة التالية على السلسلة النامية . 
ونتيجة ذلك يزداد طول الشريط الجديد تدريجياً فى إتجاه 3' . 
ملحوظة : 
♠ إنزيم بلمرة DNA لاينتظر إنزيم اللولب حتى يتم فك كامل شريطى اللولب المزدوج ولكن يتبعه ليبنى على جزء القالب الذى تم فكه بواسطة إنزيم اللولب قطعة تتكامل معه فى إتجاه 5'  --- 3' ) ثم يفك إنزيم اللولب جزء آخر وهكذا وذلك أسهل وأنجز
♠ أول نيوكليوتيدة يضيفها إنزيم بلمرة DNA تكون مجموعات الفوسفات بها حرة ومتصلة بذرة الكربون رقم 5 فى سكر ديؤكسى ريبوز . 
♠ النيوكليوتيدات الداخلة فى بناء شريط DNA الجديد موجودة بشكل حر فى النواة . 
إتجاه عمل إنزيمات البلمرة : 
♢  يعمل فى إتجاه واحد فقط وهو من الطرف 5' إلى الطرف 3' لشريط DNA الجديد الذى يجرى بناؤه مهما كان إتجاه القالب . 
لأنه هو المسئول عن تكوين الرابطة التساهمية بين OH فى ذرة الكربون رقم 3 فى سكر نيوكليوتيدة ومجموعة الفوسفات المتصلة بذرة الكربون رقم 5 فى سكر نيوكليوتيدة تالية ويكرر العملية ........ 
تضاعف الحمض النووى dna -  إنزيمات البلمرة
♢ بسبب أن DNA يتكون من سلسلتين ملتفتان حول نفس المحور ومتوازيتين لكن فى إتجاهين متعاكسين فإن
DNA يبنى فى إتجاه مختلف فى كل سلسلة ونتيجة ذلك : 
تعمل إنزيمات البلمرة فى إتجاه واحد فقط من الطرف 5' إلى الطرف 3' لشريط DNA الجديد
لذلك
- تصُلح هذه الإنزيمات لبناء شريط DNA جديد 5'  --- 3' ) يصنع بشكل متواصل من البداية إلى النهاية و يتكامل مع شريط DNA الأصلى القالب 3'  --- 5' )  ولاتحتاج لإنزيمات الربط . 
ولاتعمل فى إتجاه 3'  --- 5' )  بالنسبة للشريط الجديد النامى المعاكس
لذلك
- لاتصلح وحدها لبناء شريط DNA جديد 3'  --- 5' )  يتكامل مع شريط DNA الأصلى القالب 5'  --- 3' ) إلا بمساعدة إنزيمات الربط حيث
يتم بناء الشريط الجديد 3'  --- 5' ) النامى المعاكس بواسطة إنزيم البلمرة على هيئة قطع صغيرة بشكل غير متواصل فى إتجاه 5'  --- 3' ) لشريط DNA القالب القديم تاركة ثغرات فى الشريط الجديد ولايربطها إنزيم البلمرة , فبعد أن يفْرُغ إنزيم بلمرة DNA من بناء قطعة يكون إنزيم اللولب قد فك جزء آخر من اللولب فيقوم إنزيم البلمرة بالرجوع لبناء قطعة أخرى وهكذا ... ( بمعنى أنه يبنى من الداخل للخارج وليس العكس كما يفعل فى بناء الشريط الجديد 3'  --- 5' ) ) . 
ملحوظة : 
من المستحيل ان يتم بناء الشريط الجديد 3'  --- 5' )  بإستمرار وقطعة واحدة لأن إنزيم البلمرة لايعمل إلا فى الإتجاه 5'  --- 3' ) للشريط الجديد وفك الشريطين مستمر . 

إنزيمات الربط

♢ تعمل على ربط أو لحام وإتصال القطع الصغيرة ( كل قطعة طولها من 100 إلى 200 نيوكليوتيدة ) فى إتجاه 5'  --- 3' ) للشريط المعاكس الجديد وضد إتجاه إنزيم اللولب وذلك لأن إنزيم البلمرة لايعمل فى إتجاه 3'  --- 5' )  لشريط DNA الجديد الجارى بناؤه . 
♢ تعمل تلك الإنزيمات على تكوين رابطة تساهمية لتوصيل النهاية - 3 للقطعة الجديدة بالنهاية – 5 للقطعة السابقة لها للحصول على شريط كامل متصل . 
تضاعف الحمض النووى dna - dna replication
ملحوظة : 
الطريقة التى يتضاعف بها DNA تبين كيف أن الكروموسوم يحافظ على صفاته على مر العصور . 
♧ أول خطوة فى التضاعف ينفك إلتفاف اللولب المزدوج ( بمعنى رجوعه سلم ) وليس ينفصل الشريطان . 
♧ بناء شريط DNA الجديد المستمر 5'  --- 3' ) يتم بشكل أسرع من بناء شريط DNA الجديد المتقطع 3'  --- 5' )  وبسبب هذا الفرق فى سرعة البناء يسمى الشريط 5'  --- 3' ) بالقائد ويسمى الشريط 3'  --- 5' ) بالتابع . 
♧ يوجد من إنزيم اللولب وإنزيم بلمرة DNA كميات كبيرة فى الخلايا وليس نسخة واحده منهما تقوم بكل الدور . 
البلمرة : هى عملية تحويل وربط الوحدات الصغيرة والتى تسمى مونيمرات لتكوين بوليمر كبير وبذلك فإن إنزيم بلمرة DNA يكون بوليمر الـ DNA من وحدات تسمى نيوكليوتيدات . 
♧ يسمى التضاعف بتلك الطريقة بالتضاعف نصف المحافظ لأن كل لولب مزدوج تم إنتاجه من اللولبين الجديدين يحتوى على سلسلة مأخوذة من الجزئ الأصلى ( تم الحفاظ عليها ) والسلسلة الأخرى جديدة تم تكوينها
♧ فى كلا الشريطين الجديدين يعمل إنزيم البلمرة فى إتجاه 5'  --- 3' ) ولكن يختلف الإتجاه حيث
تضاعف الحمض النووى dna - dna replication
♧ لكى يضيف إنزيم البلمرة نيوكليوتيدة تلو أخرى على الشريط النامى الجديد أثناء البناء لابد من وجود نيوكليوتيدة سابقة قبل الجديدة المضافة ( يربط الإنزيم بينهما برابطة تساهمية ) ولأن النيوكليوتيدة الأولى ليس قبلها نيوكليوتيدة فإن هناك إنزيم آخر يضيف مجموعة من النيوكليوتيدات فى أول الشريط الجديد 5'  --- 3' ) وكذلك فى أول كل القطع التى سيتم بنائها بواسطة إنزيم بلمرة DNA فى الشريط الجديد 3'  --- 5' )  ليبدأ إنزيم البلمرة عمله ثم تزال تلك النيوكليوتيدات وتُقص عند إكتمال عملية البناء ويتم إستبدالها بأخرى صحيحة بإستخدام آخر نيوكليوتيدة فى القطعة السابقة , ولكن ذلك لايحدث مع إنزيم بلمرة RNA أثناء نسخ RNA حيث يمكن أن يبدأ بناء الشريط الجديد بدون نيوكليوتيدة سابقة . 
تضاعف الحمض النووى dna - dna replication

تضاعف الحمض النووى dna - dna replication
♧ يتم تضاعف DNA فى نقاط عديدة فى الإتجاهين ولكن المذكور فى الكتاب هو إتجاه واحد فى نقطة واحدة وذلك لسهولة الدراسة . 
تضاعف الحمض النووى dna - dna replication
إذن : 
♦  يحدث تضاعف DNA فى الطور البينى للإنقسامين الميتوزى ( ومنه الإنشطار الثنائى ) والميوزى وذلك للحفاظ على المعلومات الوراثية كاملة فى الخلية وغير ناقصة عبر الأجيال المتعاقبة . 
 ♦  يحدث التضاعف للشريط كله وليس لجزء منه . 

تضاعف DNA فى أوليات النواة : 

يوجد جزئ DNAواحد فى أوليات النواة فى السيتوبلازم على شكل لولب مزدوج يلتحم طرفيه معاً ويتصل مع الغشاء السيتوبلازمى للخلية عند نقطة ما يبدأ عندها نسخ وتضاعف جزئ DNA فى الإتجاهين , ولايلزم أن يتحول الجزئ الحلقى إلى جزئ خطى ( مستقيم ) . 
تضاعف الحمض النووى dna فى أوليات النواة

تضاعف الحمض النووى dna فى أوليات النواة

تضاعف DNA فى حقيقيات النواة : 

ينتظم DNA فى صورة صبغيات فى النواة وكل صبغى يحتوى على جزئ واحد فقط من DNA يمتد من أحد طرفيه إلى الطرف الآخر ويبدأ نسخ وتضاعف DNA من عند أى نقطة على إمتداد الـ DNA .