أحياء المرحلة الثانوية · Grades 10–12

3DNA: جزيء وراثي واحد للحياة كلها

في مختبر معتم، تحت مصباح أزرق، يتوهج أحد فأرين أبيضين بالأخضر من أنفه إلى ذنبه. إنه يحمل، في كل خلية من خلاياه، مورّثة واحدة أخذت من قنديل بحر يضيء في المحيط الهادئ — وخلايا الفأر تقرأ مورّثة قنديل البحر تلك كما تقرؤها خلايا القنديل نفسها بالضبط. وتنجح التجربة لأن كل كائن حي يكتب مورّثاته في الجزيء نفسه، بالأحرف الأربعة نفسها، ويقرؤها بالقواعد نفسها. وهذا الفصل عن ذلك الجزيء، DNA: كيف بني، وما الذي تفسره بنيته، وما الذي يثبته الفأر المتوهج.

3.1 المادة الوراثية

تعريف 3.1 (المعلومة الوراثية)

المعلومة الوراثية في خلية ما هي مجموع التعليمات، المنتقلة من الخلية إلى خليتيها البنتين ومن الآباء إلى الأبناء، التي تحدد صفات الكائن والبروتينات التي تستطيع خلاياه صنعها. وتحملها في كل كائن حي جزيئات DNA (الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين)، محزومة مع بروتينات في الصبغيات — في نواة الخلية الحقيقية النواة، وحرة في سيتوبلازم البكتيريا.

قضية 3.2 (DNA هو جزيء الوراثة)

المادة الوراثية في الخلية هي DNA فيها، لا بروتيناتها ولا أي مكون آخر: فنقل DNA منقى من سلالة بكتيريا إلى أخرى ينقل صفات السلالة الأولى.

شواهد. وجد غريفيث (1928) أن بكتيريا ذات الرئة غير المؤذية، إذا خلطت بخلايا مقتولة من سلالة قاتلة، صارت قاتلة وبقيت كذلك عبر الأجيال: فشيء من الخلايا الميتة قد «حوّلها». ثم فصل آفري وماكليود وماكارتي (1944) مستخلص الخلايا الميتة إلى عائلات جزيئاته واختبر كلًا منها: فلم يحوّل إلا جزء DNA؛ ومعالجة المستخلص بإنزيم يهدم DNA ألغت الأثر، بينما لم تلغه إنزيمات تهدم البروتينات أو RNA. فالمادة المحوِّلة، ومن ثم حاملة الصفة الموروثة، هي DNA. ∎

مثال 3.3 (أين يقع DNA)

صباغ خاص بجزيء DNA يلون نواة خلية الخد ولا يلون شيئًا آخر في السيتوبلازم؛ وفي خلية منقسمة يلون الصبغيات المكتنزة. وتأخذ البكتيريا الصباغ في منطقة مركزية بلا غلاف. وفي الحالتين تتضاعف كمية DNA قبل كل انقسام وتنصف بين الخليتين البنتين — وهو السلوك المنتظر من معلومة يجب أن تنسخ وتتقاسم.

3.2 بنية DNA

تعريف 3.4 (النوكليوتيد)

DNA سلسلة من النوكليوتيدات. وكل نوكليوتيد مؤلف من ثلاثة أجزاء: زمرة فوسفاتية، وسكر (الريبوز منقوص الأكسجين)، وواحدة من أربع قواعد آزوتية: الأدنين (A)، والتيمين (T)، والغوانين (G)، والسيتوزين (C). ويتناوب السكر والفوسفات فيكوّنان العمود الفقري للسلسلة؛ وتبرز القواعد منه، واحدة لكل نوكليوتيد. ولا تختلف النوكليوتيدات الأربعة إلا بقاعدتها، فيوصف شريط DNA بمتتالية قواعده، مكتوبة سلسلة من الأحرف: ATGGCTTAC…

شريطا DNA، مرسومين مسطحين. كل شريط سلسلة من النوكليوتيدات (فوسفات وسكر وقاعدة). ويسير الشريطان في اتجاهين متعاكسين، ويمسك أحدهما بالآخر بأزواج القواعد: فA تواجه دائمًا T، وG تواجه دائمًا C. ويتلو زوج القواعد الزوج الذي قبله كل 0.34\, nm. — شريطا DNA، مرسومين مسطحين. كل شريط سلسلة من النوكليوتيدات (فوسفات وسكر وقاعدة). ويسير الشريطان في اتجاهين متعاكسين، ويمسك أحدهما بالآخر بأزواج القواعد: فA تواجه دائمًا T، وG تواجه دائمًا C. ويتلو زوج القواعد الزوج الذي قبله كل $0.34\,\mathrm{nm}$ .

قضية 3.5 (اللولب المزدوج)

جزيء DNA مؤلف من شريطين ملتفين أحدهما حول الآخر في لولب مزدوج يمنة عرضه نحو $2\,\mathrm{nm}$ ، بدورة كاملة كل عشرة أزواج قواعد ( $3.4\,\mathrm{nm}$ ). ويسير الشريطان في اتجاهين متعاكسين ويتواجهان بقواعدهما، وهي تتزاوج وفق قاعدة صارمة من التتام: فA لا تزاوج إلا T، وG لا تزاوج إلا C. ومتتالية أحد الشريطين تثبّت إذن متتالية الآخر.

شواهد. قاس شارغاف (1950) تركيب القواعد في DNA من أنواع كثيرة فوجد في كل منها من A بقدر ما فيه من T، ومن G بقدر ما فيه من C، بينما تفاوتت نسبة A+T إلى G+C من نوع إلى نوع — أي قاعدة تزاوج، لا مصادفة كيميائية. ثم بينت صور فرانكلين بالأشعة السينية لألياف DNA (1952) بصمة لولب قطره $2\,\mathrm{nm}$ وخطوته $3.4\,\mathrm{nm}$ . وبنى واطسون وكريك (1953) النموذج الوحيد الذي يوافق الأمرين: عمودان خارجيان، وقواعد مزدوجة في الداخل، وزوجا A–T وG–C لهما العرض نفسه فيكون اللولب منتظمًا. ∎

مثال 3.6 (قاعدة شارغاف بالأرقام)

DNA البشري: A 30.9%، وT 29.4%، وG 19.9%، وC 19.8% — أي A $\,\approx\,$ T وG $\,\approx\,$ C في حدود دقة القياس، وA+T $= 60\%$ . وE. coli: A 24.7%، وT 23.6%، وG 26.0%، وC 25.7%، وA+T $= 48\%$ . والخميرة: A+T $= 64\%$ . فإذا حوت عينة DNA 32% من A، تنبأ التتام بنسبة 32% من T وبنسبة $(100 - 64)/2 = 18\%$ من كل من G وC.

تركيب قواعد DNA في أربعة أنواع. في كل منها يتطابق عمودا A وT ويتطابق عمودا G وC — وهي بصمة ازدواج القواعد — بينما يختلف نصيب A+T من نوع إلى آخر.

طريقة 3.7 (كتابة الشريط المتمم)

إذا أعطي شريط، فاكتب تحت كل قاعدة شريكتها (A $\leftrightarrow$ T، G $\leftrightarrow$ C)، ثم اقرأ الناتج في الاتجاه المعاكس إن اقتضى ذلك اصطلاح التمرين. فمقابل 5’-ATGGCTTAC-3’ يكون الشريط الشريك، مقروءًا في اتجاهه الخاص، 5’-GTAAGCCAT-3’. أما العد: فالشريط الذي فيه $n_\mathrm{A}$ من الأدنين يواجه شريطًا فيه $n_\mathrm{A}$ من التيمين، ومنه في الجزيء كله $n_\mathrm{A} = n_\mathrm{T}$ و $n_\mathrm{G} = n_\mathrm{C}$ .

قضية 3.8 (ما الذي تفسره البنية)

تتبع من البنية خاصتان للمادة الوراثية.

المعلومة: ترتيب القواعد على شريط لا تقيده الكيمياء — فكل متتالية ممكنة — فتستطيع المتتالية أن تحمل رسالة، كما يحمل ترتيب الأحرف نصًا. والخلية البشرية تحوي $3.2 \times 10^{9}$ زوج قواعد في كل طقم من الصبغيات.
النسخ: لما كان كل شريط يحدد الآخر، أمكن مضاعفة الجزيء بفصل الشريطين وبناء شريك جديد على كل منهما. وآلية ذلك موضوع الفصل 11.

برهان. نقبله في هذا المستوى. ∎

3.3 المورّثات والأليلات والصبغيات

تعريف 3.9 (المورّثة والأليل)

المورّثة قطعة من جزيء DNA — طولها عادة بضعة آلاف من أزواج القواعد — تحمل متتاليتها تعليمات صنع بروتين واحد (أو، أحيانًا، جزيء RNA عامل واحد). وهي تشغل موضعًا ثابتًا على صبغي معين. أما نسخ المورّثة التي تختلف ببضع قواعد فهي أليلاتها: الموضع نفسه، والوظيفة نفسها، ومتتالية مختلفة قليلًا، ومنه بروتين مختلف قليلًا في الغالب.

مثال 3.10 (أرقام)

يحمل المجين البشري — أي طقم كامل من الصبغيات — $3.2 \times 10^{9}$ زوج قواعد ونحو $20\,000$ مورّثة؛ ولا تشغل المورّثات إلا بضعة بالمئة من المتتالية. وتحمل خلية E. coli جزيء DNA حلقيًا واحدًا فيه $4.6 \times 10^{6}$ زوج قواعد ونحو 4300 مورّثة. ويختلف إنسانان لا قرابة بينهما في نحو قاعدة من كل ألف: أي في نحو ثلاثة ملايين موضع، معظمها خارج المورّثات ولا أثر له، وقليل منها أليلات تغير صفة.

قضية 3.11 (الصبغيات)

الصبغي جزيء DNA واحد، ملفوف حول بروتينات حازمة ومكوَّر على نفسه. ولو مُدّ DNA صبغي بشري واحد لبلغ طوله من $1.5\,\mathrm{cm}$ إلى $8.5\,\mathrm{cm}$ ؛ وصبغيات الخلية الستة والأربعون تحوي معًا نحو $2\,\mathrm{m}$ من DNA في نواة عرضها $6\,\text{µ}\mathrm{m}$ . ولا تُرى الصبغيات أجسامًا منفصلة إلا أثناء انقسام الخلية، حين تكون أشد ما تكون تكوّرًا؛ أما بين الانقسامات فهي منشورة تملأ النواة كخيوط متشابكة.

برهان. نقبله في هذا المستوى. ∎

3.4 جزيء واحد لكل الكائنات الحية

قضية 3.12 (كونية DNA)

تحمل الكائنات الحية جميعًا — بكتيريا وفطريات ونباتات وحيوانات — معلومتها الوراثية DNA مبنيًا من النوكليوتيدات الأربعة نفسها، وتقرأ متتالية المورّثة بالقواعد نفسها. ومن ثم فمورّثة تؤخذ من نوع وتدخل في DNA نوع آخر تقرؤها خلايا المتلقي، فتصنع البروتين الذي ترمز له: فالنقل المورّثي ممكن، والكائن المنقول إليه يورّث المورّثة الغريبة نسله كأي مورّثة أخرى.

شواهد. أدخلت مورّثة البروتين الفلوري الأخضر (GFP) لقنديل البحر Aequorea victoria في بكتيريا وخميرة ونباتات وأسماك وفئران وأرانب: فصنع كل منها البروتين وتوهج بالأخضر تحت الضوء الأزرق، وورثت الصفة. وأدخلت مورّثة الأنسولين البشرية في E. coli سنة 1978 فصارت البكتيريا تنتج أنسولينًا بشريًا، وهو مصدر الهرمون للسكريين منذ ذلك الحين. وما من نوع معروف تكتب مورّثاته بكيمياء أخرى. ∎

النقل المورّثي: مورّثة تعزل من نوع وتدخل في DNA بيضة ملقحة من نوع آخر. فتحملها كل خلية من خلايا الكائن الناتج، وتقرؤها، وتنقلها.

تحت الضوء الأزرق، يتوهج فأر يحمل مورّثة قنديل البحر للبروتين الفلوري الأخضر إلى جانب فأر عادي. الجزيء نفسه، وقواعد القراءة نفسها: فتعليمة القنديل تعمل في الفأر.

مثال 3.13 (استعمالات النقل المورّثي)

أنسولين بشري وهرمون نمو من بكتيريا؛ ومورّثة مقاومة لحشرة ضارة تدخل في الذرة أو القطن؛ وأرز يحمل مورّثات لصنع طليعة الفيتامين A؛ ومورّثة GFP تلحق بمورّثة أخرى فتضيء الخلايا التي تنشط فيها تلك المورّثة تحت المجهر — وهذا الاستعمال الأخير، وهو أداة بحث، أشيعها جميعًا. ولكل استعمال أسئلته في السلامة وفي العواقب على البيئة؛ وكل منها يقوم على الحقيقة نفسها، وهي كونية الجزيء الوراثي.

ملاحظة 3.14 (الوحدة والتنوع على المستوى الجزيئي)

كونية DNA هي الوجه الجزيئي لوحدة الحياة التي لقيناها في الفصل 1: كيمياء واحدة، وجزيء معلومة واحد، ونظام قراءة واحد لكل كائن على الأرض، وهو ما يتنبأ به أصل مشترك (الفصل 6). أما تنوع الحياة فمكتوب في الجزيء نفسه أيضًا، اختلافات في المتتالية: بين أليلين بضع قواعد، وبين نوعين بضعة بالمئة من المجين، وبين بكتيريا وإنسان تنظيم النص كله.

3.5 تمارين

تمرين 3.1 ★

سمِّ أجزاء النوكليوتيد الثلاثة وقواعد DNA الأربع.

حل

حل التمرين 3.1.

زمرة فوسفاتية، وسكر (الريبوز منقوص الأكسجين)، وقاعدة. والقواعد: الأدنين، والتيمين، والغوانين، والسيتوزين.

تمرين 3.2 ★

اكتب الشريط المتمم للمتتالية TACGGATTCA.

حل

حل التمرين 3.2.

ATGCCTAAGT، مكتوبة قاعدة تحت قاعدة.

تمرين 3.3 ★

عينة DNA فيها 21% غوانين. أعطِ نسب C وA وT.

حل

حل التمرين 3.3.

C $= 21\%$ ؛ وA $=$ T $= (100 - 42)/2 = 29\%$ لكل منهما.

تمرين 3.4 ★

عرّف المورّثة والأليل في جملة واحدة لكل منهما، مستعملًا كلمة «متتالية».

حل

حل التمرين 3.4.

المورّثة قطعة من DNA تحمل متتاليتها تعليمات بروتين واحد، في موضع ثابت على صبغي. أما الأليل فإحدى نسخ المورّثة، تختلف عن غيرها ببضع قواعد من متتاليتها.

تمرين 3.5 ★

ما الكائن المنقول إليه مورّثيًا؟ أعطِ مثالين من الفصل.

حل

حل التمرين 3.5.

كائن أدخلت في DNA فيه مورّثة من نوع آخر، فصار يقرؤها وينقلها. ومن الأمثلة: فئران تحمل مورّثة GFP لقنديل البحر؛ وE. coli تحمل مورّثة الأنسولين البشري.

تمرين 3.6 ★★

مورّثة طولها 1500 زوج قواعد. ما طولها بالنانومترات، وكم دورة لولب تصنع؟

حل

حل التمرين 3.6.

$1500 \times 0.34 = 510\,\mathrm{nm}$ ؛ و $1500/10 = 150$ دورة.

تمرين 3.7 ★★

احسب الطول الكلي لجزيئات DNA في خلية بشرية واحدة، علمًا بأن في كل طقم صبغيات $3.2 \times 10^{9}$ زوج قواعد وأن في الخلية طقمين. قارن بقطر النواة، $6\,\text{µ}\mathrm{m}$ .

حل

حل التمرين 3.7.

$2 \times 3.2 \times 10^{9} \times 0.34\,\mathrm{nm} \approx 2.2\,\mathrm{m}$ ، أي نحو $3.6 \times 10^{5}$ ضعف قطر النواة.

تمرين 3.8 ★★

في تجربة آفري، لماذا لزم اختبار المستخلص المعالج بإنزيم يهدم DNA، لا جزء DNA المنقى وحده؟

حل

حل التمرين 3.8.

قد يظل الجزء «المنقى» يحوي آثارًا من جزيئات أخرى، فلا يثبت نشاطه وحده أن DNA هو المسؤول. أما هدم DNA بعينه، في المستخلص الكامل، ورؤية النشاط يزول بينما تتركه إنزيمات هدم البروتين وRNA سليمًا، فيثبّت الأثر على DNA دون سواه.

تمرين 3.9 ★★

فسّر لماذا استبعدت معطيات شارغاف نموذجًا تُرصّ فيه القواعد بترتيب دوري منتظم مثل ATGCATGC…

حل

حل التمرين 3.9.

التكرار الثابت كان ليعطي التركيب نفسه (25% من كل قاعدة) في كل نوع. وقد وجد شارغاف A+T يتفاوت تفاوتًا واسعًا بين الأنواع: فترتيب القواعد ليس نمطًا ثابتًا، والمتتالية حرة في التغير — وهو ما يجعلها قادرة على حمل معلومة.

تمرين 3.10 ★★

أليلان لمورّثة يختلفان بقاعدة واحدة من بين 2000. فسّر كيف يستطيع اختلاف بهذا الصغر أن يغير بروتينًا، ولماذا قد لا يغير شيئًا كذلك.

حل

حل التمرين 3.10.

تقرأ المتتالية بالترتيب لبناء البروتين؛ فقاعدة متغيرة في موضع يحدد حمضًا أمينيًا قد تستبدل حمضًا أمينيًا بآخر وتبدل شكل البروتين أو نشاطه. أما إذا وقعت القاعدة المتغيرة في جزء من المورّثة لا يقرأ، أو حددت الحمض الأميني نفسه، فالبروتين لا يتغير.

تمرين 3.11 ★★

مورّثة GFP المدخلة في بيضة فأر ملقحة توجد في خلايا جلده وخلايا كبده وخلايا نطافه. فسّر ذلك بالنظرية الخلوية وبما جاء في القضية 3.8.

حل

حل التمرين 3.11.

تنحدر خلايا الفأر كلها بالانقسام من البيضة الملقحة؛ وعند كل انقسام ينسخ DNA، ومعه المورّثة المنقولة، بالتتام، ويتقاسم. فخلايا الجلد والكبد والنطاف تحمل المورّثة كلها — وتنقلها النطفة إلى الجيل التالي.

تمرين 3.12 ★★★

جزيء DNA في بكتيريا طوله $4.6 \times 10^{6}$ زوج قواعد. احسب طوله؛ وقارنه بالطول $2\,\text{µ}\mathrm{m}$ في الخلية؛ ثم فسّر كيف يتسع له مع ذلك مكان في البكتيريا.

حل

حل التمرين 3.12.

$4.6 \times 10^{6} \times 0.34\,\mathrm{nm} \approx 1.6\,\mathrm{mm}$ ، أي نحو 800 ضعف طول الخلية. لكن عرض الجزيء $2\,\mathrm{nm}$ فقط: فحجمه، وهو نحو $\pi \times 1^2 \times 1.6 \times 10^{6}\, \mathrm{nm}^{3} \approx 5 \times 10^{-3}\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ ، نحو 1% من حجم الخلية؛ فإذا طوي وتكوّر اتسع له المكان وزيادة.

تمرين 3.13 ★★★

يزعم صديق أن DNA البشري لا بد أن يكون «أعقد» من DNA بكتيريا لأن فيه قواعد أكثر. قارن $3.2 \times 10^{9}$ و $4.6 \times 10^{6}$ زوج قواعد بالعددين $20\,000$ و4300 مورّثة، وناقش ما هو DNA الزائد وما ليس هو.

حل

حل التمرين 3.13.

DNA البشري أطول 700 مرة لكنه لا يحمل إلا نحو 5 أمثال المورّثات: فمعظمه ليس مورّثات. وجزء من DNA الزائد ينظم متى تستعمل المورّثات، وجزء منه متتاليات مكررة لا وظيفة معروفة لها. فعدّ القواعد يقيس حجم النص، لا تعقيد الكائن؛ وعدد المورّثات، وقبل كل شيء طريقة تركيبها وتنظيمها، أهم من ذلك.

تمرين 3.14 ★★★

افترض أن نوعًا اكتشف تستعمل مادته الوراثية جزيئًا آخر وشفرة أخرى. أي قضايا الفصل يناقض ذلك، وماذا يعني بالنسبة إلى الأصل المشترك بين ذلك النوع وسائر الحياة؟

حل

حل التمرين 3.14.

يناقض ذلك كونية DNA (القضية 3.12). ولما كان الجزيء المشترك والشفرة المشتركة موروثين من سلف مشترك، وجب أن ينحدر مثل ذلك النوع من أصل مستقل للحياة: فمورّثاته لن تستطيع خلايانا قراءتها، والنقل المورّثي بين النسلين مستحيل.

تمرين 3.15 ★★★

حل الأنسولين البشري المنتج ببكتيريا محل أنسولين مستخلص من بنكرياس الخنازير. اذكر سببين بيولوجيين يجعلان المنتج الجرثومي تحسينًا، وسؤالًا واحدًا يظل على الجهة المنظمة أن تطرحه.

حل

حل التمرين 3.15.

المنتج الجرثومي هو البروتين البشري بعينه (وأنسولين الخنزير يختلف بحمض أميني واحد وقد يثير ردود فعل مناعية)، وهو يصنع بكمية غير محدودة، وخال من ممرضات الخنزير. ومع ذلك تسأل الجهة المنظمة هل البروتين المنقى خال من ملوثات جرثومية وهل هو مطوي طيًّا صحيحًا وفعال.

3.6 مسألة: مورّثة قنديل البحر

مسألة 3.1

مسألة نهاية الأسبوع — مورّثة واحدة من قنديل بحر تتبع إلى فأر: طولها، وأحرفها، ولماذا يقدر الفأر على قراءتها، والمترا DNA اللذان يحملانها في كل خلية

البروتين الفلوري الأخضر لقنديل البحر Aequorea victoria سلسلة من 238 حمضًا أمينيًا. ومورّثته، كما تستعمل في المختبر، قطعة DNA فيها 720 زوج قواعد. خذ $0.34\,\mathrm{nm}$ لكل زوج قواعد، وعشرة أزواج قواعد لكل دورة، ومجين فأر فيه $2.7 \times 10^{9}$ زوج قواعد لكل طقم صبغيات، وطقمين في الخلية.

الجزء الأول — الجزيء.

احسب طول مورّثة GFP بالنانومترات، وعدد دورات اللولب التي تصنعها.
يبدأ أحد شريطي المورّثة هكذا: ATGAGTAAAGGAGAAGAAC. اكتب الشريط المتمم.
في المورّثة كلها، يمثل الأدنين 27% من القواعد. أعطِ نسب القواعد الثلاث الأخرى.
في المورّثة 720 زوج قواعد وهي ترمز إلى 238 حمضًا أمينيًا. احسب النسبة، واقترح ما توحي به عن عدد القواعد التي تحدد حمضًا أمينيًا واحدًا (وهي فرضية سيؤكدها الفصل 14).
كم متتالية مختلفة من 720 قاعدة ممكنة من حيث المبدأ؟ اكتب الجواب قوةً للعدد 4، ثم فسّر في جملة واحدة لماذا يمكن أن تسمى المتتالية معلومة.

الجزء الثاني — لماذا يقدر الفأر على قراءتها.

اذكر خاصة DNA التي تجعل خلية فأر قادرة على استعمال مورّثة قنديل بحر.
تدخل المورّثة في بيضة ملقحة لا في جلد فأر بالغ. باستعمال النظرية الخلوية، فسّر ما الفرق الذي يحدثه ذلك في المكان الذي تنتهي إليه المورّثة.
يتوهج الفأر البالغ في كل نسيج من أنسجته. فما الذي يبينه ذلك عن محتوى أصناف خلاياه المختلفة من DNA؟
يزاوج الفأر المتوهج بفأر عادي. تنبأ، مع التعليل، بما إذا كان بعض النسل سيتوهج.
يحقن فأر شاهد ببروتين GFP منقى بدل المورّثة: فيتوهج توهجًا خافتًا بضعة أيام ثم يتوقف. فسّر الفرق بين التجربتين.

الجزء الثالث — الشواهد وراء القصة.

في تجربة آفري، سمِّ الجزء الذي حوّل البكتيريا والمعالجة التي ألغت التحويل.
فسّر لماذا كانت تجربة التحويل صورة طبيعية من النقل المورّثي.
وجد شارغاف A $\,=\,$ T وG $\,=\,$ C في كل نوع، لكن A+T يتفاوت من 25% إلى 75%. أي المشاهدتين تدعم ازدواج القواعد، وأيهما يبين أن المتتالية حرة؟
أعطت صور فرانكلين قطر اللولب $2\,\mathrm{nm}$ . فسّر لماذا يجعل ازدواج قاعدة كبيرة مع صغيرة (A مع T، وG مع C) لا كبيرتين معًا اللولب منتظمًا.
لماذا أوحى اكتشاف البنية في الحال بكيفية نسخ DNA؟

الجزء الرابع — متران في نواة.

احسب الطول الكلي لجزيئات DNA في خلية فأر واحدة.
عرض النواة $6\,\text{µ}\mathrm{m}$ . بأي عامل يجب تقصير DNA بالتكوّر ليتسع فيها؟
ما نسبة مورّثة GFP من DNA الخلية؟
في الفأر نحو $2 \times 10^{4}$ مورّثة متوسط طولها $3 \times 10^{4}$ زوج قواعد بأجزائها غير المرمِّزة. فما نسبة المجين التي تشغلها المورّثات؟
اذكر النتيجة في جملة واحدة: كم من DNA تحمل خلية فأر، وأي حقيقة واحدة عن ذلك DNA تتيح قراءة مورّثة قنديل بحر واحدة بين آلاف مورّثاته؟

حل

حل المسألة 3.1.

1. $720 \times 0.34 \approx 245\,\mathrm{nm}$ ؛ و $720/10 = 72$ دورة.

2. TACTCATTTCCTCTTCTTG.

3. T $= 27\%$ ؛ وG $=$ C $= (100 - 54)/2 = 23\%$ .

4. $720/238 \approx 3.0$ : أي ثلاث قواعد لكل حمض أميني (والثلاث الأخيرة تشير إلى نهاية السلسلة).

5. $4^{720}$ متتالية، أي نحو $10^{433}$ . والكيمياء تسمح بأي ترتيب، فالترتيب المعين المختار من بين هذه الإمكانات كلها رسالة — أي معلومة.

6. الكونية: فكل كائن حي يستعمل النوكليوتيدات الأربعة نفسها ويقرأ المتتالية بالقواعد نفسها.

7. خلايا الفأر كلها تنحدر من البيضة بالانقسام، فالمورّثة المدخلة في البيضة تنسخ إلى كل خلية. أما لو أدخلت في جلد بالغ فلم تكن لتوجد إلا في خلايا الجلد المعالجة وذريتها.

8. كل صنف من الخلايا يحوي DNA كله، ومعه المورّثة المنقولة: فالتخصص لا يتخلص من مورّثات.

9. نعم: فالخلايا الجنسية تحمل المورّثة. وإذا كان في الفأر نسخة واحدة على أحد صبغيي الزوج، ورثها نحو نصف نسله وتوهج.

10. البروتين ليس معلومة: فهو يستهلك ولا يجدد أبدًا، فيخبو التوهج. أما المورّثة فتنسخ عند كل انقسام وتقرأ باستمرار، فالتوهج دائم وموروث.

11. جزء DNA؛ والمعالجة بإنزيم يهدم DNA.

12. أخذت البكتيريا DNA من سلالة أخرى، وأدمجته، وعبّرت عن الصفة ونقلتها: أي مورّثة انتقلت من كائن إلى آخر، وهو ما يفعله النقل المورّثي عن قصد.

13. A $\,=\,$ T وG $\,=\,$ C تدعمان الازدواج؛ أما نصيب A+T المتغير فيبين أن ترتيب الأزواج حر.

14. A وG قاعدتان كبيرتان ذواتا حلقتين، وT وC قاعدتان صغيرتان ذواتا حلقة واحدة: فالكبيرة مع الصغيرة تقطعان دائمًا المسافة نفسها، فيبقى العمودان على $2\,\mathrm{nm}$ بعضهما من بعض على طول الجزيء. أما كبيرتان فتنتفخان، وصغيرتان فتتركان فجوة.

15. لأن كل شريط متمم الآخر: افصلهما، وابنِ شريكًا على كل منهما بقاعدة الازدواج، فينتج جزيئان متطابقان.

16. $2 \times 2.7 \times 10^{9} \times 0.34\,\mathrm{nm} \approx 1.8\,\mathrm{m}$ .

17. $1.8\,\mathrm{m} / 6\,\text{µ}\mathrm{m} = 3 \times 10^{5}$ : أي اكتناز بمقدار ثلاثمئة ألف ضعف.

18. $720 / 5.4 \times 10^{9} \approx 1.3 \times 10^{-7}$ : أي نحو جزء من عشرة ملايين من DNA الخلية.

19. $2 \times 10^{4} \times 3 \times 10^{4} = 6 \times 10^{8}$ زوج قواعد، أي نحو 22% من المجين؛ والباقي يقع بين المورّثات.

20. تحمل خلية الفأر نحو $1.8\,\mathrm{m}$ من DNA؛ ولأن ذلك DNA مبني ومقروء بالطريقة نفسها التي عند قنديل البحر، تقرأ المورّثة الغريبة الواحدة بين عشرين ألفًا كما تقرأ سائرها.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (479) في المسرد