Biology · الكتاب 3 · Bachelor Year 1

الأحياء الجامعية — السنة الأولى

الأحياء الجامعية — السنة الأولى · Bachelor Year 1

11النوكليوتيدات والحموض النووية

صبّ إيثانولًا باردًا على محلول من خلايا مكسورة فتظهر سحابة بيضاء من الألياف يمكن لفها على قضيب زجاجي: إنه DNA، الجزيء الذي يحمل كل تعليمة من تعليمات الكائن الحي، مرئيًا بالعين المجردة. مترانِ منه مطويان في كل نواة بشرية؛ وهو مكتوب كله بأبجدية من أربعة حروف، يُقرأ في اتجاه واحد، ويُنسخ بفصل خصلتين تتوافقان توافق اليد وقفازها. يصف هذا الفصل النوكليوتيدات — وهي حروف وعملة طاقة ومرافقات إنزيمية في آن — والسلاسل التي تكوّنها، واللولب المزدوج وشواهده، وما يحدث حين يُصهر ثم يُعاد التئامه، وأنواع RNA التي تحمل رسالته إلى الخلية.

11.1 النوكليوتيدات

تعريف 11.1 (النوكليوتيد)

النوكليوتيد مكون من ثلاثة أجزاء: قاعدة نتروجينية — وهي بورين (أدنين A، وغوانين G: حلقتان ملتحمتان) أو بيريميدين (سيتوزين C، وثيمين T، ويوراسيل U: حلقة واحدة)؛ وسكر من خمس ذرات كربون، هو الريبوز في RNA أو الريبوز 2′' منقوص الأكسجين في DNA (وهو يفتقر إلى الهيدروكسيل على الكربون 2′2')؛ وزمرة فوسفات إلى ثلاث زمر على الكربون 5′5' من السكر. والقاعدة مرتبطة بالكربون 1′1'؛ وكربونات السكر مرقمة بعلامات تفريق لتمييزها من كربونات القاعدة. والقاعدة مع السكر نوكليوزيد (أدنوزين، وغوانوزين، وسيتيدين، وثيميدين، ويوريدين)؛ ومع الفوسفات نوكليوتيد (AMP، وADP، وATP وأشباهها).

أجزاء النوكليوتيد: قاعدة على الكربون 1' من سكر خماسي، وفوسفات على الكربون 5'. والهيدروكسيل 3' هو حيث يرتبط النوكليوتيد التالي في السلسلة؛ والموضع 2' يميز RNA (OH) من DNA (H).
أجزاء النوكليوتيد: قاعدة على الكربون 1′1' من سكر خماسي، وفوسفات على الكربون 5′5'. والهيدروكسيل 3′3' هو حيث يرتبط النوكليوتيد التالي في السلسلة؛ والموضع 2′2' يميز RNA (OH) من DNA (H).

قضية 11.2 (للنوكليوتيدات ثلاث وظائف)

النوكليوتيدات، فضلًا عن كونها وحيدات DNA وRNA، هي عملة الطاقة في الخلية — ATP وGTP، اللذان تدفع روابطهما الفوسفوأنهيدريدية (الفصل 8) ثمن التركيب والنقل والحركة؛ ومرافقاتها الإنزيمية — NAD+\mathrm{NAD^+} وNADP+\mathrm{NADP^+} وFAD، التي تحمل الإلكترونات في التنفس والتركيب الضوئي (الفصل 15)، والمرافق A، الذي يحمل زمر الأسيل؛ ورسلها — AMP الحلقي، الذي ينقل إشارات الهرمونات داخل الخلايا. وكلها نوكليوتيدات أدنين أو مبنية عليها: فالجزيء نفسه الذي يهجئ الرسالة يمد تنفيذها بالطاقة.

11.2 سلسلة عديد النوكليوتيد

تعريف 11.3 (الرابطة الفوسفوديإستيرية والاتجاه)

تُوصل النوكليوتيدات في عديد نوكليوتيد بروابط فوسفوديإستيرية: إذ يُربط الفوسفات على الكربون 5′5' من نوكليوتيد بهيدروكسيل 3′3' من التالي. فيكون للسلسلة إذن هيكل سكري فوسفاتي، منتظم ومشحون سالبًا (شحنة واحدة لكل فوسفات)، تبرز منه القواعد تسلسلًا؛ ويكون لها اتجاه: نهاية 5′5' تحمل فوسفاتًا حرًا، ونهاية 3′3' تحمل هيدروكسيلًا حرًا. وتُكتب التسلسلات وتُقرأ من 5′→3′5' \to 3'، وهو الاتجاه الذي تُصنَّع فيه السلاسل. وDNA (الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين) يستعمل الريبوز منقوص الأكسجين والقواعد A وG وC وT؛ وRNA (الحمض النووي الريبي) يستعمل الريبوز وA وG وC وU.

سلسلة من أربعة نوكليوتيدات. فوسفات 5' لكل نوكليوتيد موصول بهيدروكسيل 3' للذي فوقه برابطة فوسفوديإستيرية؛ والسلسلة تجري من نهاية 5' إلى نهاية 3' والقواعد متدلية من هيكل منتظم.
سلسلة من أربعة نوكليوتيدات. فوسفات 5′5' لكل نوكليوتيد موصول بهيدروكسيل 3′3' للذي فوقه برابطة فوسفوديإستيرية؛ والسلسلة تجري من نهاية 5′5' إلى نهاية 3′3' والقواعد متدلية من هيكل منتظم.

مثال 11.4 (RNA هش وDNA متين)

يستطيع هيدروكسيل 2′2' في الريبوز أن يهاجم الرابطة الفوسفوديإستيرية المجاورة: ففي قلوي خفيف يُحلمه RNA إلى نوكليوتيدات في غضون ساعات، بينما ينجو DNA، وهو يفتقر إلى ذلك الهيدروكسيل، من الغليان في القلوي وقد استُخرج سليمًا من عظام عمرها عشرات الآلاف من السنين. واليوراسيل في RNA ثيمين بلا زمرة ميثيل؛ وDNA يستعمل الثيمين حتى يمكن التعرف على السيتوزين، الذي يفقد زمرته الأمينية ببطء فيصير يوراسيلًا، بوصفه تالفًا فيُصلَح — فاليوراسيل في DNA خطأ دائمًا.

11.3 اللولب المزدوج

قضية 11.5 (قانونا شارغاف)

في DNA أي كائن حي تساوي كمية الأدنين كمية الثيمين وتساوي كمية الغوانين كمية السيتوزين (A=TA = T وG=CG = C، ومن ثم البورينات == البيريميدينات)، بينما تتغير النسبة (G+C)/(A+T)(G + C)/(A + T) من نوع إلى نوع (من 25 %25\,\% إلى 75 %75\,\% G+CG + C).

شواهد. حلمه شارغاف (1950) DNA من كائنات كثيرة وفصل القواعد بالاستشراب، وقاس كلًا منها بامتصاصها فوق البنفسجي. فصدقت المساواتان في حدود الخطأ التجريبي عند كل DNA؛ ولم يصدق محتوى G+CG + C، وكان هو نفسه في كل نسيج من الكائن الواحد. ∎

مبرهنة 11.6 (لولب واطسون وكريك المزدوج)

DNA سلسلتا عديد نوكليوتيد ملتفتان حول محور مشترك في لولب مزدوج يميني: الهيكلان السكريان الفوسفاتيان في الخارج، والقواعد في الداخل، مسطحة مكدسة عموديًا على المحور. والسلسلتان متعاكستا الاتجاه (إحداهما تجري 5′→3′5' \to 3' صعودًا والأخرى هبوطًا) ومتتامتان: فمقابل كل A ثيمين T، تمسكهما رابطتان هيدروجينيتان، ومقابل كل G سيتوزين C، تمسكهما ثلاث؛ وكل زوج قواعد كهذا له العرض نفسه، فيكون اللولب منتظمًا مهما كان التسلسل. وفي الصورة B الشائعة يبلغ عرض اللولب 2 nm2\,\mathrm{nm}، ويرتفع 0.34 nm0.34\,\mathrm{nm} لكل زوج قواعد و3.4 nm3.4\,\mathrm{nm} لكل دورة من عشرة أزواج، ويُظهر أخدودًا كبيرًا واسعًا وأخدودًا صغيرًا ضيقًا تنكشف فيهما حواف القواعد للبروتينات.

شواهد. أظهرت صور فرانكلن لانعراج الأشعة السينية على ألياف DNA (1952) صليب اللولب بتكرار قدره 3.4 nm3.4\,\mathrm{nm} على امتداد المحور، وانعكاسًا قويًا عند 0.34 nm0.34\,\mathrm{nm} (وحدات مسطحة مكدسة)، وقطرًا قدره 2 nm2\,\mathrm{nm}؛ ولا بد أن تكون الفوسفات، وهي أثقل الذرات، في الخارج. ثم وجد واطسون وكريك (1953) أن اقتران بورين ببيريميدين — وA مع T وG مع C وحدها — يعطي أزواجًا متساوية العرض توافق قطر 2 nm2\,\mathrm{nm}، فيفسر قانوني شارغاف، وأن سلسلتين متعاكستي الاتجاه مقترنتين هكذا تبنيان لولبًا منتظمًا بأبعاد الليف. وتنبأ النموذج بأن كل سلسلة قالب للأخرى؛ وأكد ذلك إثبات مزلسون وستال للتضاعف نصف المحافظ (المستعاد من كتاب المرحلة الثانوية، وفي الفصل 18). ∎

إلى اليسار: نموذج للولب المزدوج؛ الهيكلان يلتفان حول أزواج القواعد المكدسة، فيتركان أخدودًا كبيرًا وآخر صغيرًا. وإلى اليمين: أزواج القواعد العشرة نفسها مفكوكة سلّمًا: خصلتان متعاكستا الاتجاه، وأزواج متتامة متساوية العرض، و0.34\, nm لكل زوج و3.4\, nm لكل دورة.
إلى اليسار: نموذج للولب المزدوج؛ الهيكلان يلتفان حول أزواج القواعد المكدسة، فيتركان أخدودًا كبيرًا وآخر صغيرًا. وإلى اليمين: أزواج القواعد العشرة نفسها مفكوكة سلّمًا: خصلتان متعاكستا الاتجاه، وأزواج متتامة متساوية العرض، و0.34\, nm لكل زوج و3.4\, nm لكل دورة.
إلى اليسار: نموذج للولب المزدوج؛ الهيكلان يلتفان حول أزواج القواعد المكدسة، فيتركان أخدودًا كبيرًا وآخر صغيرًا. وإلى اليمين: أزواج القواعد العشرة نفسها مفكوكة سلّمًا: خصلتان متعاكستا الاتجاه، وأزواج متتامة متساوية العرض، و0.34 nm0.34\,\mathrm{nm} لكل زوج و3.4 nm3.4\,\mathrm{nm} لكل دورة.

مثال 11.7 (قراءة خصلة)

إذا قرأت إحدى الخصلتين 5′5'-ATGGCATTC-3′3'، كانت شريكتها، مكتوبةً من 5′→3′5' \to 3'، هي 5′5'-GAATGCCAT-3′3': فتمّم كل قاعدة، ثم اعكس الترتيب. وهي تسعة أزواج، أي 3.1 nm3.1\,\mathrm{nm} من اللولب، واثنتان وعشرون رابطة هيدروجينية (خمس G–C وأربع A–T). وصبغي بشري من 2.5×1082.5 \times 10^{8} زوج طوله 8.5 cm8.5\,\mathrm{cm} في هذه الصورة ولا بد أن يُطوى مئة ألف مرة ليسع في نواة (الفصل 17).

قضية 11.8 (ما الذي يمسك اللولب)

الروابط الهيدروجينية بين القواعد المقترنة تمنح النوعية؛ وتكديس القواعد المسطحة بعضها على بعض — وهو تماسات فان دير فالس والأثر الكاره للماء الذي يبقي القواعد خارج الماء — يمنح معظم الاستقرار؛ والهيكلان المشحونان سالبًا يتنافران، ولا يستقر اللولب إلا بوجود كاتيونات (وهي فيزيولوجيًا Mg2+\mathrm{Mg^{2+}} وNa+\mathrm{Na^+}، أو بروتينات الصبغين الأساسية) تحجب الشحنة. والزوج G–C، بروابطه الهيدروجينية الثلاث وتكديسه الأقوى، يمسك أحسن من الزوج A–T.

11.4 الصهر والتهجين

تعريف 11.9 (المسخ ودرجة حرارة الانصهار)

التسخين، أو pH المتطرف، يفصل خصلتي DNA: المسخ (الانصهار)، وهو انتقال تعاوني على مدى بضع درجات، منتصفه درجة حرارة الانصهار TmT_m. ويتبعه الأثر فوق اللوني: إذ تمتص الخصلتان المفردتان من الضوء فوق البنفسجي عند 260 nm260\,\mathrm{nm} نحو 40 %40\,\% أكثر مما تمتصه القواعد نفسها مكدسة في لولب. وترتفع TmT_m مع محتوى G+CG + C (0.4 ∘C0.4\,{}^{\circ}\mathrm{C} لكل واحد في المئة)، ومع تركيز الملح، ومع الطول؛ ففي ملح 0.15 mol/L0.15\,\mathrm{mol}/\mathrm{L} ينصهر DNA طويل فيه 50 %50\,\% G+CG + C قرب 90 ∘C90\,{}^{\circ}\mathrm{C}. وإذا بُرِّد ببطء وجدت الخصلتان متمماتهما وأعادتا تكوين اللولب: وهو إعادة التطبيع، أو التهجين حين تأتي الخصلتان من مصدرين مختلفين.

منحنيا انصهار لنوعين من DNA في الملح نفسه. الامتصاصية ترتفع 40\,\% كلما انفصلت الخصلتان، على مدى بضع درجات؛ والمنتصف، T_m، أعلى عند DNA الأغنى بأزواج G–C.
منحنيا انصهار لنوعين من DNA في الملح نفسه. الامتصاصية ترتفع 40 %40\,\% كلما انفصلت الخصلتان، على مدى بضع درجات؛ والمنتصف، TmT_m، أعلى عند DNA الأغنى بأزواج G–C.

طريقة 11.10 (قياس الحموض النووية بالامتصاصية)

  1. تمتص القواعد الضوء فوق البنفسجي بأعظمية عند 260 nm260\,\mathrm{nm}. وفي خلية سماكتها 1 cm1\,\mathrm{cm}، تقابل امتصاصية قدرها 1.01.0 50 µg/mL50\,\text{µ}\mathrm{g}/\mathrm{mL} من DNA المزدوج الخصلة (و40 µg/mL40\,\text{µ}\mathrm{g}/\mathrm{mL} من RNA، و33 µg/mL33\,\text{µ}\mathrm{g}/\mathrm{mL} من DNA المفرد الخصلة).
  2. والنسبة A260/A280A_{260}/A_{280} هي 1.81.8 عند DNA النقي و2.02.0 عند RNA النقي؛ والبروتينات تمتص عند 280 nm280\,\mathrm{nm} فتخفضها.
  3. ولمتابعة الانصهار، سجّل A260A_{260} في أثناء التسخين البطيء؛ فمنتصف المنحني هو TmT_m وانحداره مقياس لتجانس العينة.
  4. وللكشف عن تسلسل، امسخ العينة وأضف خصلة مفردة موسومة متممة له (وهي مسبار)؛ فتتهجن حيث تكون متممتها وحدها، ويعلّم الوسم الموضع — على هلام، أو على صبغي، أو في نسيج.
DNA مرسَّبًا بالإيثانول البارد من محلول خلوي مكسور وملفوفًا على قضيب زجاجي: بضعة مليغرامات من الجزيء، ترى ألياف لأن كل واحد منها بطول ملايين أزواج القواعد.
DNA مرسَّبًا بالإيثانول البارد من محلول خلوي مكسور وملفوفًا على قضيب زجاجي: بضعة مليغرامات من الجزيء، ترى ألياف لأن كل واحد منها بطول ملايين أزواج القواعد.

مثال 11.11 (مسبار يجد مورّثة)

مسبار من عشرين نوكليوتيدًا متمم لمورّثة واحدة، عند 5 ∘C5\,{}^{\circ}\mathrm{C} دون TmT_m الخاصة به، يرتبط بمتممته بالضبط ولا يرتبط بشيء آخر في ثلاثة مليارات زوج قواعد: فعدم تطابق واحد من عشرين يخفض TmT_m عدة درجات وينصهر الهجين غير المتطابق. ونوعية اقتران القواعد، مضروبةً في عشرين موضعًا، هي ما يستند إليه كل اختبار DNA، من إثبات الأبوة إلى كشف الممرضات.

11.5 RNA

تعريف 11.12 (أنواع RNA)

RNA مفرد الخصلة عادة، وهو ينطوي على نفسه حيثما سمحت مقاطع قصيرة متممة، في دبابيس وعرى وانتفاخات — أي بنية ثانوية — ترتص بعد ذلك في شكل. وثلاثة أصناف تحمل جريان المعلومة الوراثية (الفصل 19): RNA الرسول (mRNA)، وهو نسخة من مورّثة يقرأها الريبوزوم؛ وRNA الناقل (tRNA)، وهو نحو 75 75\, نوكليوتيدًا مطويًا في ورقة برسيم، يحمل حمضًا أمينيًا عند نهايته 3′3' ومضاد رمزة يقترن بالرسالة؛ وRNA الريبوزومي (rRNA)، وهو اللب البنيوي والحفاز للريبوزوم، وأربعة أخماس RNA الخلية. وثمة أنواع أخرى كثيرة تنظّم وتشذّب وتوجّه (كتاب السنة الثالثة).

RNA ناقل في بنيته الثانوية على شكل ورقة برسيم: خصلة مفردة من نحو 75 نوكليوتيدًا مقترنة بنفسها في أربعة سوق. والحمض الأميني محمول عند النهاية 3'؛ ومضاد الرمزة في الطرف المقابل يقرأ الرسالة.
RNA ناقل في بنيته الثانوية على شكل ورقة برسيم: خصلة مفردة من نحو 75 نوكليوتيدًا مقترنة بنفسها في أربعة سوق. والحمض الأميني محمول عند النهاية 3′3'؛ ومضاد الرمزة في الطرف المقابل يقرأ الرسالة.

ملاحظة 11.13 (RNA يمكن أن يكون حفازًا)

بعض أنواع RNA إنزيمات (ريبوزيمات): فالرابطة الببتيدية في كل بروتين يكوّنها RNA الريبوزومي لا بروتين، وبعض أنواع RNA تقص نفسها وتشذبها. وجزيء يحمل المعلومة ويحفّز التفاعلات في آن هو ما قد يكون أول نظام حي مصنوعًا منه؛ وعالم DNA والبروتين يكون عندئذ تقسيم عمل لاحقًا، مع بقاء RNA في مركزه.

11.6 تمارين

تمرين 11.1 ★

سمِّ أجزاء النوكليوتيد الثلاثة والفرقين بين نوكليوتيد ريبي ونوكليوتيد ريبي منقوص الأكسجين.

حل

حل التمرين 11.1.

قاعدة نتروجينية، وسكر خماسي، وفوسفات واحدة إلى ثلاث. وفي RNA: الريبوز (بهيدروكسيل 2′2') واليوراسيل؛ وفي DNA: الريبوز 2′2' منقوص الأكسجين والثيمين.

تمرين 11.2 ★

اكتب الخصلة المتممة للتسلسل 5′5'-GGATCCTA-3′3' في الاتجاه 5′→3′5' \to 3'، وعُدّ روابطها الهيدروجينية.

حل

حل التمرين 11.2.

5′5'-TAGGATCC-3′3'. والأزواج: G–C، وG–C، وA–T، وT–A، وC–G، وC–G، وT–A، وA–T: أي أربعة G–C (12 رابطة) وأربعة A–T (8): أي 20 رابطة هيدروجينية.

تمرين 11.3 ★

DNA يحوي 22 %22\,\% أدنين. أعطِ النسب المئوية للقواعد T وG وC، ومحتوى G+CG + C.

حل

حل التمرين 11.3.

T 22 %22\,\%؛ ويتقاسم G وC ما تبقى وهو 56 %56\,\%: أي 28 %28\,\% لكل منهما؛ وG+C=56 %G + C = 56\,\%.

تمرين 11.4 ★

من شكل الانصهار، ما TmT_m عند DNA فيه 50 %50\,\% G+CG + C في الشروط نفسها، وبكم ترتفع الامتصاصية عند الانصهار؟

حل

حل التمرين 11.4.

بين المنحنيين، بمعدل 0.4 ∘C0.4\,{}^{\circ}\mathrm{C} لكل واحد في المئة: أي نحو 85 ∘C85\,{}^{\circ}\mathrm{C}. والامتصاصية ترتفع 40 %40\,\%.

تمرين 11.5 ★★

احسب طول صبغي E. coli (4.6×1064.6 \times 10^{6} زوج قواعد) بالمليمتر، وعدد دوراته، والعامل الذي يجب أن يُضغط به ليسع خلية قياسها 2 µm2\,\text{µ}\mathrm{m}.

حل

حل التمرين 11.5.

4.6×106×0.34 nm=1.56 mm4.6 \times 10^{6}\times 0.34\,\mathrm{nm} = 1.56\,\mathrm{mm}؛ و460 000460\,000 دورة؛ و1560/2=7801560/2 = 780 ضعفًا في الطول (والصبغي مطوي في عرى وتلافيف فائقة).

تمرين 11.6 ★★

فسّر لماذا وجب أن تكون خصلتا DNA متعاكستي الاتجاه، مستعملًا هندسة الهيكل السكري الفوسفاتي وشرط أن يكون لكل زوج قواعد العرض نفسه.

حل

حل التمرين 11.6.

تقترن القواعد وحوافها متقابلة، ولا يرتبط سكر كل منها في الجهة نفسها من الزوج إلا إذا جرى الهيكلان في اتجاهين متعاكسين؛ فبخصلتين متوازيتين كان السكران ليقعا على حافتين متقابلتين ولتغير عرض الزوج، وموضع الهيكل، مع التسلسل. أما الخصلتان المتعاكستا الاتجاه بأزواج من بورين وبيريميدين فتعطيان 2 nm2\,\mathrm{nm} الثابتة التي يقتضيها نمط الليف.

تمرين 11.7 ★★

محلول من DNA له A260=0.35A_{260} = 0.35 في خلية سماكتها 1 cm1\,\mathrm{cm} وA280=0.20A_{280} = 0.20. احسب التركيز وعلّق على النقاء. وكم زوج قواعد في 1 mL1\,\mathrm{mL}، إذا كانت الكتلة الوسطية للزوج 650 Da650\,\mathrm{Da}؟

حل

حل التمرين 11.7.

0.35×50=17.5 µg/mL0.35\times 50 = 17.5\,\text{µ}\mathrm{g}/\mathrm{mL}. وA260/A280=1.75A_{260}/A_{280} = 1.75: أي DNA نقي عمليًا (1.8)، مع أثر بروتين ربما. وفي 1 mL1\,\mathrm{mL}: 17.5×10−6/(650×1.66×10−24)=1.6×101617.5\times 10^{-6}/(650\times 1.66\times 10^{-24}) = 1.6 \times 10^{16} زوج قواعد.

تمرين 11.8 ★★

فسّر الأثر فوق اللوني ولماذا كان منحني انصهار DNA نقي حادًا ومنحني خليط من أنواع DNA من أنواع كثيرة منبسطًا.

حل

حل التمرين 11.8.

القواعد المكدسة يحجب بعضها بعضًا فتمتص أقل؛ وفصل الخصلتين يكشف كل قاعدة للضوء فترتفع الامتصاصية 40 %40\,\%. وDNA النقي ينصهر في حدود بضع درجات حول TmT_m الواحدة له، انصهارًا تعاونيًا؛ أما الخليط فيحوي أنواع DNA بمحتويات G+CG + C كثيرة، لكل منها TmT_m خاصة، فيمتد مجموع منحنياتها على عشرات الدرجات.

تمرين 11.9 ★★

مسبار من عشرين نوكليوتيدًا له Tm=62 ∘CT_m = 62\,{}^{\circ}\mathrm{C} مع متممته بالضبط؛ وعدم تطابق واحد يخفض TmT_m نحو 5 ∘C5\,{}^{\circ}\mathrm{C}. فعند أي درجة حرارة يجب أن يجري التهجين لكشف التسلسل المطابق ورفض عدم تطابق واحد؟ وماذا يحدث عند 45 ∘C45\,{}^{\circ}\mathrm{C}؟

حل

حل التمرين 11.9.

دون 62 ∘C62\,{}^{\circ}\mathrm{C} بقليل وفوق 57 ∘C57\,{}^{\circ}\mathrm{C}، أي نحو 60 ∘C60\,{}^{\circ}\mathrm{C}: فيصمد الهجين التام وينصهر غير المتطابق. أما عند 45 ∘C45\,{}^{\circ}\mathrm{C} فتستقر الهجائن حتى بثلاثة مواضع غير متطابقة ويضيء المسبار تسلسلات قريبة أيضًا.

تمرين 11.10 ★★★

يصدق قانونا شارغاف على DNA المزدوج الخصلة لا على RNA ولا على DNA بعض الفيروسات الصغيرة. فسّر ماذا يقول كل استثناء عن بنية تلك الحموض النووية.

حل

حل التمرين 11.10.

ينبع القانونان من اقتران القواعد بين خصلتين متتامتين. وRNA، وهو مفرد الخصلة، لا شريك له يقيّد تركيبه، فيكون A≠UA \neq U عمومًا؛ أما الفيروسات الصغيرة المعنية فمورثوماتها DNA مفرد الخصلة، وهي كذلك لا يلزمها أن تطيع القانونين — وكان عدم طاعتها من أوائل الإشارات إلى أنها مفردة الخصلة.

تمرين 11.11 ★★★

رابطتان هيدروجينيتان تمسكان زوج A–T، ومع ذلك يستقر لولب من ألف زوج A–T عند 60 ∘C60\,{}^{\circ}\mathrm{C} بينما لا يتكون زوج واحد البتة. فسّر بأفكار الفصل 8 (الروابط الضعيفة، والتعاون، والتكديس)، وقل ماذا يقتضي هذا في أمانة المسبار.

حل

حل التمرين 11.11.

كل زوج وحده يساوي بضعة كيلوجولات في المول، أي أقل من الاضطراب الحراري، وهو يتكون وينكسر في ميكروثوان. أما في اللولب فتتكون الأزواج معًا: إذ يتكدس كل زوج على سابقه وتنوي الأزواجُ الأولى الباقيَ، فتُجمع الطاقات وتصير احتمالية انكسارها جميعًا دفعة واحدة مهملة — وهذا هو التعاون. والتكديس يسهم بقدر ما تسهم الروابط الهيدروجينية. وهذا يعني عند المسبار أن الاستقرار ينمو مع الطول ويهبط هبوطًا حادًا مع كل عدم تطابق، لأنه يقطع المسار التعاوني: فالنوعية خاصية للمقطع كله.

تمرين 11.12 ★★★

«بنية DNA هي تفسير الوراثة.» ناقش في فقرة: ما الذي يفسره اللولب المزدوج في الحال (النسخ، والطفرة تغيّرًا في التسلسل)، وما الذي لا يفسره وحده (كيف يصير التسلسل بروتينًا)، ولماذا قُبل نموذج واطسون وكريك قبل أي اختبار كيميائي حيوي له.

حل

حل التمرين 11.12.

يفسر اللولب النسخ في الحال: فكل خصلة تحدد الأخرى، وفصلهما ثم اقتران نوكليوتيدات جديدة بكل منهما يعطي جزيئين متطابقين؛ والطفرة قاعدة خاطئة تثبت في نسخة وتُنسخ بأمانة بعد ذلك. لكنه لا يقول وحده كيف يحدد تسلسل من أربع قواعد بروتينًا — وقد استغرق ذلك عقدًا (الشيفرة، وmRNA، وtRNA، والريبوزوم). وقد قُبل النموذج لأنه وافق كل قياس (شارغاف، وأبعاد الأشعة السينية، والكثافة) دون أن يفضل شيء، ولأن تفسيره للوراثة كان من الاقتصاد بحيث صار البديل — أي المصادفة — غير معقول؛ ثم أكد مزلسون وستال النسخ الذي تنبأ به.

11.7 مسألة: مورثوم فيروس

مسألة 11.1

مسألة نهاية الأسبوع — DNA العاثية λ\lambda يُقاس ويُوزن ويُعدّ ويُصهر ويُحشر في قفيصته، وصولًا إلى درجة حرارة انصهاره وطوله الممتد

مورثوم العاثية λ\lambda جزيء DNA خطي واحد مزدوج الخصلة من 48 50248\,502 زوج قواعد ومحتوى G+CG + C فيه 49.9 %49.9\,\%. وهو محشور في قفيصة عشرينية الوجوه قطرها الداخلي 55 nm55\,\mathrm{nm}. خذ 0.34 nm0.34\,\mathrm{nm} لكل زوج قواعد، و2.0 nm2.0\,\mathrm{nm} لقطر اللولب، و650 Da650\,\mathrm{Da} لكل زوج قواعد، وTm=81.5+16.6log⁡10[Na+]+0.41 (% G+C)−500/LT_m = 81.5 + 16.6\log_{10}[\mathrm{Na^+}] + 0.41\,(\%\,G{+}C) - 500/L بالدرجات المئوية، حيث [Na+][\mathrm{Na^+}] بوحدة mol/L\mathrm{mol}/\mathrm{L} وLL الطول بأزواج القواعد.

الجزء الأول — مقيسًا وموزونًا.

  1. احسب الطول الممتد للجزيء بالميكرومتر.
  2. احسب عدد دورات اللولب.
  3. احسب كتلته المولية بالدالتون.
  4. احسب كتلة جزيء واحد بالغرام.
  5. احسب عدد زمر الفوسفات ومن ثم الشحنة الصافية للجزيء.
  6. احسب عدد نوكليوتيدات كل قاعدة (A وT وG وC).
  7. احسب العدد الكلي للروابط الهيدروجينية التي تمسك الخصلتين.

الجزء الثاني — مصهورًا.

  1. احسب TmT_m في صوديوم 0.1 mol/L0.1\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}.
  2. احسب TmT_m في صوديوم 0.01 mol/L0.01\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}، وفسّر لماذا يثبّت الملح اللولب.
  3. يحوي مورثوم λ\lambda منطقة من 1000 1000\, زوج عند 35 %35\,\% G+CG + C وأخرى عند 62 %62\,\%. احسب TmT_m لكل منطقة في صوديوم 0.1 mol/L0.1\,\mathrm{mol}/\mathrm{L} وصف شكل منحني انصهار الجزيء كله.
  4. محلول من DNA العاثية λ\lambda له A260=0.50A_{260} = 0.50 قبل الانصهار. فما تركيزه، وماذا يصير A260A_{260} بعد الانصهار التام؟
  5. كم جزيء λ\lambda في 1 mL1\,\mathrm{mL} من ذلك المحلول؟
  6. نهايتا مورثوم λ\lambda نتوءان مفردا الخصلة من 12 نوكليوتيدًا، متممان أحدهما للآخر، يتحلق بهما الجزيء في المضيف. احسب TmT_m لهما (باستعمال L=12L = 12) وقل لماذا تصمد الحلقة مع ذلك عند 37 ∘C37\,{}^{\circ}\mathrm{C} داخل الخلية.

الجزء الثالث — محشورًا.

  1. احسب حجم DNA بوصفه أسطوانة.
  2. احسب الحجم الداخلي للقفيصة.
  3. أي كسر من القفيصة يملؤه DNA؟ قارنه بأوثق ارتصاص لأسطوانات متوازية (91 %91\,\%).
  4. يحمل DNA 97 00097\,000 شحنة سالبة في كرة قطرها 55 nm55\,\mathrm{nm}. فسّر ما الذي يجب أن يرافق DNA إلى القفيصة، ولماذا يمارس DNA المحشور ضغطًا على الغلاف (عشرات الأجواء) يساعد على حقنه في بكتيريا.
  5. لا بد أن يُثنى الجزيء في عرى نصف قطرها من رتبة نصف قطر القفيصة. وDNA يقاوم الثني دون نصف قطر يناهز 50 nm50\,\mathrm{nm}. علّق.

الجزء الرابع — مقروءًا.

  1. تبدأ إحدى خصلتي المورثوم 5′5'-GGGCGGCGACCT-3′3'. اكتب الخصلة المتممة 5′→3′5' \to 3'.
  2. إذا استُنسخت مورّثة من 12001200 زوج قواعد إلى mRNA، فما طول هذا mRNA بالنوكليوتيدات وما كتلته عند 330 Da330\,\mathrm{Da} لكل نوكليوتيد؟
  3. في المورثوم 75 75\, مورّثة في 48 50248\,502 زوج. فأي كسر من المورثوم مشفِّر إذا كان متوسط المورّثة 600600 زوج؟ قارنه بمورثوم بشري (1.5 %1.5\,\%).
  4. يتضاعف المورثوم في 20 min20\,\mathrm{min} عند 37 ∘C37\,{}^{\circ}\mathrm{C} بإنزيمات المضيف. احسب المعدل بأزواج القواعد في الثانية إذا بدأ التضاعف عند منشأ واحد ومضى في الاتجاهين.
  5. كم رابطة هيدروجينية تُكسر في الثانية عند الشوكتين في أثناء التضاعف (استعمل المتوسط لكل زوج من السؤال 7)؟
  6. طفرة تحوّل زوج G–C واحدًا إلى A–T. فبكم تتغير TmT_m للجزيء كله؟ وهل يستطيع الانصهار كشفها؟
  7. اذكر النتيجة: درجة حرارة انصهار DNA العاثية λ\lambda في صوديوم 0.1 mol/L0.1\,\mathrm{mol}/\mathrm{L} وطوله الممتد، والضغط الذي يوسّعه في القفيصة.
حل

حل المسألة 11.1.

1. 48 502×0.34=16 490 nm=16.5 µm48\,502\times 0.34 = 16\,490\,\mathrm{nm} = 16.5\,\text{µ}\mathrm{m}. 2. 48 502/10=485048\,502/10 = 4850 دورة. 3. 48 502×650=3.15×107 Da48\,502\times 650 = 3.15 \times 10^{7}\,\mathrm{Da}. 4. 3.15×107×1.66×10−24=5.2×10−17 g3.15 \times 10^{7}\times 1.66\times 10^{-24} = 5.2 \times 10^{-17}\,\mathrm{g}. 5. اثنتان لكل زوج: أي 97 00497\,004 فوسفات، وشحنة صافية −97 004 e-97\,004\,e. 6. G+C=0.499×97 004=48 405G + C = 0.499\times97\,004 = 48\,405: فيكون G=C=24 203G = C = 24\,203؛ وA=T=24 299A = T = 24\,299. 7. 3×24 203+2×24 299=121 2073\times24\,203 + 2\times24\,299 = 121\,207. 8. 81.5+16.6×(−1)+0.41×49.9−500/48502=81.5−16.6+20.5−0.01=85.4 ∘C81.5 + 16.6\times(-1) + 0.41\times 49.9 - 500/48502 = 81.5 - 16.6 + 20.5 - 0.01 = 85.4\,{}^{\circ}\mathrm{C}. 9. 81.5−33.2+20.5=68.8 ∘C81.5 - 33.2 + 20.5 = 68.8\,{}^{\circ}\mathrm{C}. فالكاتيونات تحجب التنافر بين الهيكلين المشحونين سالبًا؛ وبملح أقل يتنافر الخصلتان أكثر فتنفصلان عند حرارة أدنى. 10. عند 35 %35\,\%: 81.5−16.6+14.4−0.5=78.8 ∘C81.5 - 16.6 + 14.4 - 0.5 = 78.8\,{}^{\circ}\mathrm{C}؛ وعند 62 %62\,\%: 81.5−16.6+25.4−0.5=89.8 ∘C81.5 - 16.6 + 25.4 - 0.5 = 89.8\,{}^{\circ}\mathrm{C}. والجزيء كله ينصهر على مراحل: فالمناطق الغنية بأزواج A–T تنفتح أولًا والغنية بأزواج G–C آخرًا، فيكون المنحني ارتفاعًا عريضًا بأكتاف لا درجة حادة واحدة. 11. 0.50×50=25 µg/mL0.50\times 50 = 25\,\text{µ}\mathrm{g}/\mathrm{mL}؛ وبعد الانصهار يصير A260=0.70A_{260} = 0.70. 12. 25×10−6/5.2×10−17=4.8×101125\times 10^{-6}/5.2\times 10^{-17} = 4.8 \times 10^{11} جزيء. 13. 81.5−16.6+0.41×50−500/12=81.5−16.6+20.5−41.7=43.7 ∘C81.5 - 16.6 + 0.41\times 50 - 500/12 = 81.5 - 16.6 + 20.5 - 41.7 = 43.7\,{}^{\circ}\mathrm{C} (والصيغة تقريبية عند مقاطع بهذا القصر). وعند 37 ∘C37\,{}^{\circ}\mathrm{C} تقترن النهايتان لكنهما كانتا لتتنفسا فتنفتحا؛ لكن إنزيمًا في الخلية (الرابطة) يلحم الشقين تساهميًا، فلا تعود الحلقة تتوقف على الأزواج الاثني عشر. 14. π×(1.0)2×16 490=5.2×104 nm3\pi\times(1.0)^2\times16\,490 = 5.2 \times 10^{4}\,\mathrm{nm}^{3}. 15. 43π×27.53=8.7×104 nm3\frac{4}{3}\pi\times 27.5^3 = 8.7 \times 10^{4}\,\mathrm{nm}^{3}. 16. 60 %60\,\%: أي ثلثا أوثق ارتصاص ممكن للأسطوانات — فجزيء DNA ملفوف في تلافيف شبه بلورية. 17. لا بد أن تعادل شوارد مضادة (بولي أمينات، وMg2+\mathrm{Mg^{2+}}) معظم الشحنة وإلا لما أمكن تجاوز التنافر؛ والتنافر الباقي وطاقة الثني المخزونة في التلافيف الضيقة يدفعان إلى الخارج على الغلاف، وحين ينفتح الذنب يقود هذا الضغط الجزء الأول من المورثوم إلى داخل البكتيريا. 18. العرى في قفيصة قدرها 55 nm55\,\mathrm{nm} أنصاف أقطارها 10 to 25 nm10\text{ to }25\,\mathrm{nm}، أي دون 50 nm50\,\mathrm{nm} التي ينثني عندها DNA بحرية: فثنيه يكلف طاقة، يدفعها محرك التعبئة (ATP) وتُخزن ضغطًا كما في السؤال 17. 19. 5′5'-AGGTCGCCGCCC-3′3'. 20. 12001200 نوكليوتيد؛ و1200×330=4.0×105 Da1200\times 330 = 4.0 \times 10^{5}\,\mathrm{Da}. 21. 75×600=45 00075\times 600 = 45\,000 زوج، أي 93 %93\,\% مشفِّرة — وهو مورثوم مضغوط؛ والمورثوم البشري أقل كثافة بالمورّثات بستين مرة. 22. شوكتان، تنسخ كل منهما 24 25124\,251 زوجًا في 1200 s1200\,\mathrm{s}: أي 20 20\, زوجًا في الثانية لكل شوكة (وبوليميراز المضيف قادر على 1000 1000\,؛ فالزمن تحدده الدورة كلها لا البوليميراز). 23. 121 207/48 502=2.5121\,207/48\,502 = 2.5 رابطة لكل زوج؛ وشوكتان عند 20 زوجًا في الثانية: أي 100 رابطة هيدروجينية في الثانية — ومثلها يُعاد تكوينه خلفهما. 24. زوج واحد من 48 50248\,502 يغير G+CG + C بمقدار 0.002 %0.002\,\% ويغير TmT_m بمقدار 0.001 ∘C0.001\,{}^{\circ}\mathrm{C}: أي لا يمكن كشفه بصهر الجزيء كله؛ ولا يبينه إلا مسبار قصير يغطي الموضع. 25. Tm=85 ∘CT_m = 85\,{}^{\circ}\mathrm{C} في صوديوم 0.1 mol/L0.1\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}؛ والطول الممتد 16.5 µm16.5\,\text{µ}\mathrm{m}، أي ثلاثمئة ضعف قطر القفيصة، محشورًا فيها عند 60 %60\,\% من حجمها.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (479) في المسرد