تضاعف الحمض النووي

الحمض النووي هو المادة الوراثية المخزنة في أنوية الخلايا الحية، ومن أهم عمليات الحفاظ على ديمومته هي عملية تضاعف الحمض النووي (DNA replication)، وهي العملية التي يتم من خلالها تكرار جزيء الحمض النووي (DNA) قبل انقسام الخلية، حيث يجب أولاً أن يتضاعف جزيء الـ DNA لإنتاج نسخ عنه قبل حدوث الانقسام الخلوي؛ لكي ينتج بعد ذلك خلايا تمتلك كامل الحمض النووي، أي بمجموعة كاملة من الكروموسومات.[١]


الهيكل العام للحمض النووي

قبل التعمق بكيفية تضاعف الحمض النووي، يجب فهم هيكلته العامة، وذلك لأهميتها خلال تضاعفه، فالمادة الوراثية تسمى بالحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين، ويتكون من وحدات كل واحدة منها تتكون من ثلاثة أجزاء رئيسية وهي: سكر خماسي منقوص الأكسجين، ومجموعة فوسفات، وقاعدة نيتروجينية، ويوجد أربعة أنواع للقواعد النيتروجينية، وهي الأدنين (A)، والثايمين (T)، والجوانين (G)، والسايتوسين (C)، وترتبط هذه الوحدات المتكررة ببعضها البعض لتشكل سلسلة الحمض النووي، ويتواجد الحمض النووي على شكل سلسلتين مرتبطين معًا بشكل حلزوني مزدوج، وهذا الالتواء بين السلسلتين يسمح للحمض النووي أن يكون محفوظًا بطريقة أكثر إحكامًا داخل النواة، وتسمى هياكل المادة الوراثية الملفوفة بإحكام بالكروماتين، الذي يشكل بدوره الكروموسومات أثناء انقسام الخلية، أما قبل تضاعف الحمض النووي، فيتحلل الكروماتين مما يتيح الوصول إلى سلاسل الحمض النووي لنسخها.[٢][٣]


شروط تضاعف جزيء DNA

يعد تضاعف الحمض النووي الريبي (DNA replication) عملية في غاية الأهمية للخلايا، ومن أهم شروطها ما يأتي:[٣]

  • حدوث التضاعف في الوقت المناسب: يجب أن تقوم الخلية بمضاعفة الـ DNA قبل عملية الانقسام الخلوي لضمان حصول الخلايا الجديدة على نفس المادة الوراثية بالطريقة الصحيحة.
  • إنتاج نسخ مطابقة للمادة الوراثية: تهدف مضاعفة المادة الوراثية إلى إنتاج نسخ متطابقة من الـ DNA تحتوي على نفس تتابعات النيوكليوتيدات تمامًا وتحافظ على المعلومات الوراثية المخزنة فيه.
  • وجود الإنزيمات اللازمة: يجب توفر العديد من الإنزيمات اللازمة لنسخ المادة الوراثية وإنتاج تتابعات DNA طبق الأصل عنها، وتشمل هذه الإنزيمات؛ إنزيمات البدء، والإطالة، والإنهاء.


خطوات تضاعف الحمض النووي

فيما يأتي خطوات تضاعف الحمض النووي بالتفصيل:[٣]


الخطوة الأولى: تكوين شوكة النسخ المتماثل

  • الهدف: فصل سلسلتي الحمض النووي عن بعضهما البعض للتّمَكُّن من نسخه.
  • الإنزيم المسؤول عن العملية: الهيليكيز (DNA helicase).
  • الكيفية: ترتبط سلسلتا الحمض النووي ببعضهما البعض عن طريق روابط هيدروجينية بين القواعد النيتروجينية حيث يرتبط الأدنين بالثايمين، والجوانين بالسايتوسين، ولفصل السلسلتين يجب كسر هذه الروابط، حيث يقوم إنزيم الهيليكيز بكسرها وفصل السلسلتين عن بعضهما البعض، وتسمى منطقة الفصل بشوكة التضاعف (Replication Fork).
  • يجب التنويه إلى أن الحمض النووي متّجه حيث إن له اتجاهين، 5' و  3'، إذ ترتبط مجموعة الفوسفات بطرف 5'، ومجموعة الهيدروكسيل بطرف 3'، وتسير عملية تضاعف الحمض النووي ابتداء بطرف 5' إلى طرف 3' دائم، ومع ذلك، فإن شوكة النسخ تكون ثنائية الاتجاه؛ ويتم توجيه سلسلة واحدة في الاتجاه من 3 إلى 5 تسمى بالسلسلة الرئيسية (Leading Strand)، بينما الأخرى موجهة من 5 إلى 3، وهي السلسلة الثانوية (Lagging Strand) لذلك يتم تضاعف كلتا السلسلتين باتجاهين مختلفين.


الخطوة الثانية: الارتباط المسؤول عن التمهيد

السلسلة الرئيسية هي الأبسط لبدء التضاعف، ولذلك بمجرد فصل سلاسل الحمض النووي، ترتبط قطعة قصيرة من الحمض النووي الريبي تسمى بالمُمَهّد (Primer) بالطرف 3 للسلسلة كنقطة بداية للبدء بالنسخ، ويتم إنتاج المُمَهّد بواسطة إنزيم بريميز (DNA primase).


الخطوة الثالثة: الاستطالة (Elongation)

  • الهدف: نسخ الحمض النووي من خلال إضافة وحدات متكررة إلى كلتا السلسلتين وفق قاعدة ارتباط (A-T) و (G-C).
  • الإنزيم السؤول: بوليميريز الحمض النووي (DNA polymerase).
  • الكيفية: لتكوين السلسلة الجديدة خلال الاستطالة، هناك خمسة أنواع مختلفة معروفة من بوليميريزات الحمض النووي في البكتيريا والخلايا البشرية، ففي البكتيريا مثل (E. coli)، يعتبر (Polymerase III) هو إنزيم التضاعف الرئيسي، في حين أن (Polymerase I) و II و IV و V مسؤول عن فحص الأخطاء وإصلاحها خلال التضاعف، وخلال الاستطالة، يرتبط (DNA polymerase III) بالسلسلة الموجودة في موقع التمهيدي ويبدأ بإضافة وحدات قاعدة جديدة مكملة للسلسلة الرئيسية، هذا في البكتيريا، أما في الخلايا حقيقية النواة كالخلايا البشرية، يعد (polymerases alpha) و (delta) و (epsilon) هي البوليمريزات الأولية المشاركة في تكرار الحمض النووي، ويكون النسخ المتماثل في الاتجاه 5' إلى 3' على السلسلة الرئيسية، وبالتالي تتكون سلسلة حديثة متّصلة، أما بالنسبة للسلسلة الثانوية، فيبدأ نسخها من خلال الارتباط بعدة بادئات، ثم يضيف بوليميراز الحمض النووي قطعًا من الحمض النووي إليها، تسمى شظايا أوكازاكي (Okazaki Fragments)، وبهذا تنتج سلسلة جديدة متقطعة عكس السلسلة الناشئة عن نسخ السلسلة الرئيسية.


الخطوة الرابعة: الإنهاء

  • الهدف: فصل السلاسل والتحقق من عدم وجود الأخطاء خلال عملية النسخ.
  • الإنزيمات المسؤولة والكيفية: بمجرد تشكيل كل من السلاسل المستمرة والمتقطعة، يقوم إنزيم يسمى نوكلياز خارجي (Exonuclease) بإزالة جميع بادئات الحمض النووي الريبي من السلاسل الأصلية واستبدالها بقواعد نيتروجينية مناسبة، كما يقوم إنزيم نوكلياز خارجي آخر بتدقيق الحمض النووي المتشكل حديثًا لفحص وإزالة واستبدال أي أخطاء، ويوجد إنزيم آخر يسمى ليغاز (DNA ligase) يقوم بضم شظايا أوكازاكي معًا لتشكيل سلسلة واحدة مستمرة، ويقوم إنزيم تيلوميريز بتحفيز تركيب سلاسل التيلومير (موجودة عند نهاية كل طرف لسلاسل الـ DNA) في نهايات الحمض النووي، وعند الانتهاء، تلتف السلسلة الأم والسلسلة حديثة التكوين في شكل لولبي مزدوج، حيث ينتج في النهاية جزيئان من الحمض النووي، كل منهما بسلسلة واحدة من الجزيء الأصلي وسلسلة واحدة جديدة.


المراجع

  1. ↑ "DNA-Replication", genome, Retrieved 19/10/2021. Edited.
  2. ↑ "dna-structure-and-function", khanacademy, Retrieved 20/10/2021. Edited.
  3. ^ أ ب ت "dna-replication", thoughtco, Retrieved 20/10/2021. Edited.