الأحياء الجامعية — السنة الأولى · Bachelor Year 1

17مورثومات الخلايا والفيروسات

مترا DNA مطويان في نواة قطرها ستة ميكرومترات، ومطويان بحيث يمكن إيجاد أي من عشرين ألف مورّثة وقراءتها في دقائق. والبكتيريا تطوي مليمترًا ونصفًا في خلية أقصر منه بألف مرة، وتنسخه كل عشرين دقيقة. والفيروس يحمل بضعة آلاف من الحروف في غلاف بروتيني ويقرؤها بخلية لا يملكها. يصف هذا الفصل المورثوم — أي مجموع DNA الكائن — بوصفه شيئًا ماديًا: كيف يُنظَّم DNA البكتيريا، والخلايا حقيقية النواة، والعضيات، والفيروسات، وما يحويه فوق المورّثات، ولماذا يقول مقداره القليل جدًا عن الكائن الذي يحمله.

17.1 المورثوم البكتيري

تعريف 17.1 (المورثوم والصبغي والنويد)

مورثوم خلية هو مجموع DNA فيها: أي المعلومة لكل بروتين وكل RNA تستطيع صنعه، والتسلسلات التي تتحكم في متى تُصنع. والصبغي جزيء DNA واحد مع البروتينات التي تنظمه. وللبكتيريا عادة صبغي واحد حلقي من مليون إلى عشرة ملايين زوج قواعد (وE. coli: $4.6 \times 10^{6}$ ، أي $1.5\,\mathrm{mm}$ طولًا)، مطوي في منطقة من السيتوبلازم هي النويد، بلا غشاء حولها. وفوق الصبغي تحمل كثير من البكتيريا بلازميدات: وهي حلقات صغيرة من بضعة آلاف إلى بضع مئات الآلاف من الأزواج، في نسخة إلى مئات النسخ، تتضاعف على حدة وتحمل مورّثات اختيارية — مقاومة المضادات الحيوية، والذيفانات، وآلة نقل نفسها إلى خلية أخرى.

قضية 17.2 (كيف تطوي بكتيريا صبغيها)

DNA حلقي لا تستطيع نهايتاه أن تدورا يمكن لَيّه لَيّ شريط مطاطي: وهو الالتفاف الفائق. وإنزيمات تسمى طوبوإيزوميرازات تقص الخصلتين وتمررهما وتعيد لحمهما لتضيف دورات أو تنزعها؛ والجيراز يستعمل ATP ليُدخل التفافات فائقة سالبة تفكّ لولبة الحلزون وتجعله أكثر انضغاطًا وأسهل فتحًا في آن. وصبغي E. coli منظَّم في نحو خمسين عروة، كل منها ملتفة التفافًا فائقًا على حدة ومرساة على لب بروتيني، حتى إن $1.5\,\mathrm{mm}$ تشغل نويدًا بنحو ميكرومتر — أي انضغاطًا ألف ضعف — بينما يمكن فك أي عروة للقراءة أو النسخ دون إزعاج الباقي. وبروتينات أساسية صغيرة (شبيهة بالهستونات، وإن لم تكن قريبة منها) تثني DNA وتجسر بينه في كل مكان.

صبغي حلقي مرتخيًا، وملتفًا التفافًا فائقًا، ومنظَّمًا في عرى. والالتفاف الفائق يضغط الجزيء ويخزن الطاقة التي تساعد على فتحه؛ والعرى تتيح فك منطقة واحدة في كل مرة.

مثال 17.3 (مورثوم كثيف)

من $4.6\,\mathrm{Mb}$ في صبغي E. coli، تشفّر $88\,\%$ بروتينات: أي نحو $4300$ مورّثة من نحو $1000$ زوج لكل واحدة، مرصوصة رأسًا بعقب بمئة زوج بينها، وكثير منها مجموع في أوبرونات تُستنسخ معًا (الفصل 20). والبلازميد من $5\,\mathrm{kb}$ قد يحمل ثلاث مورّثات ويوجد في خمسين نسخة؛ ومورّثة المقاومة التي يحمله يمكن أن تنتشر في بكتيريا جناح مستشفى في أسابيع، بالاقتران، أسرع مما تستطيع أي طفرة أن تنشأ.

17.2 المورثوم حقيقي النواة: الصبغين

تعريف 17.4 (الجسيم النووي والصبغين)

في نواة حقيقية يُلف DNA على بروتينات: $147\,$ زوج قواعد تصنع 1.7 دورة حول ثماني هستونات (اثنتان من كل من H2A وH2B وH3 وH4، وهي بروتينات صغيرة غنية باللايسين والأرجينين تعادل الفوسفات)، فتكوّن جسيمًا نوويًا قطره $11\,\mathrm{nm}$ ؛ وتتتابع الجسيمات النووية كل $200\,$ زوج تقريبًا، كخرزات على خيط، مع هستون خامس، H1، يختم كل خرزة. وينطوي هذا الصبغين أكثر: في ليف قطره $30\,\mathrm{nm}$ ، ثم في عرى من عشرات الآلاف من الأزواج مرساة على سقالة بروتينية، ثم — عند الانقسام — في قضبان الصبغي المنضغطة في الطور الاستوائي، وهي أقصر من DNA العاري بعشرة آلاف مرة. والصبغين الحقيقي هو الصورة الأرخى الغنية بالمورّثات المستنسخة في الطور البيني؛ والصبغين المتغاير هو الصورة المكثفة الفقيرة بالمورّثات التي تبقى منضغطة (حول المريكزات، وعند الأطراف، وعلى صبغي X مطفأ).

مستويات رصّ DNA حقيقي النواة، من اللولب إلى صبغي الطور الاستوائي. كل مستوى يضاعف الانضغاط؛ والمجموع يبلغ عشرة آلاف.

إلى اليسار: صبغيات خلية بشرية واحدة، منشورة من خلية أُوقفت في الطور الاستوائي. وإلى اليمين: الصبغيات نفسها مرتبة بالقياس والتخطط في نمط نووي — اثنان وعشرون زوجًا وXY، أي ستة وأربعون في المجموع. النمط النووي: National Human Genome Research Institute، ملك عام.

تعريف 17.5 (النمط النووي والمريكز والقسيم الطرفي)

النمط النووي هو مجموعة صبغيات خلية، مرتبة بالقياس ونمط التخطط: فللإنسان 23 زوجًا (22 صبغيًا جسميًا وXY أو XX)، و $6.4 \times 10^{9}$ زوج قواعد في المجموع، أي $2.2\,\mathrm{m}$ ؛ وأكبر صبغي يحمل $250\,\mathrm{Mb}$ وأصغرها $50\,$ . ويحمل كل صبغي خطي مريكزًا، وهي المنطقة المضيَّقة التي تبقى النسختان موصولتين عندها بعد التضاعف ويرتبط بها المغزل (الفصل 18)، وقسيمين طرفيين، وهما تسلسلان متكرران عند النهايتين يحميانهما من أن يُحسبا DNA مكسورًا ومن التقصر عند كل تضاعف.

قضية 17.6 (قياس المورثوم لا يقيس التعقيد)

الكائن	المورثوم (Mb)	المورّثات المشفِّرة للبروتين
E. coli	4.6	$4300$
الخميرة	12	$6000$
ذبابة الفاكهة	140	$14\,000$
الإنسان	3200	$20\,000$
الذرة	2300	$40\,000$
سمكة الرئة	$130\,000$	$\approx20\,000$
Paris japonica (زنبقة)	$150\,000$	$\approx30\,000$

يتغير قياس المورثوم ألف ضعف بين حقيقيات النواة بلا علاقة بعدد المورّثات ولا بتعقيد الكائن (وهي مفارقة القيمة C): فسمكة الرئة تحمل أربعين ضعف DNA الإنسان ولا تحمل مورّثات أكثر. والفرق ليس في المورّثات بل في DNA الواقع بينها.

17.3 ماذا يحوي المورثوم

تعريف 17.7 (تشريح مورّثة)

المورّثة قطعة من DNA تُستنسخ إلى RNA وظيفي — وهو عادة رسول لبروتين واحد. والمورّثة حقيقية النواة المشفِّرة للبروتين تشمل مروّجًا، وهو التسلسل الواقع أعلى المجرى حيث يبدأ الاستنساخ ويُتحكم فيه؛ وإكسونات، وهي الأجزاء المحفوظة في الرسالة الناضجة؛ وإنترونات، وهي الأجزاء المستنسخة ثم المقصوصة (الفصل 19)؛ والمنطقتين غير المترجمتين عند طرفي الرسالة؛ وخاتمة. والمورّثة البشرية بالمتوسط $27\,\mathrm{kb}$ بثمانية إكسونات مجموعها $1.5\,\mathrm{kb}$ : فتسعة عشر جزءًا من عشرين من المورّثة النموذجية إنترون. أما المورّثات البكتيرية فلا إنترونات فيها.

مورّثة حقيقية النواة: مروّج، وإكسونات (محفوظة) تتناوب مع إنترونات (تُنزع بعد الاستنساخ). مرسومة بسلم مضغوط — ففي مورّثة حقيقية تكون الإنترونات أطول من الإكسونات بعشرين مرة.

قضية 17.8 (جرد المورثوم البشري)

من $3.2\,\mathrm{Gb}$ : نحو $1.5\,\%$ تشفّر بروتينًا؛ و $25\,\%$ إنترونات؛ و $45\,\%$ بقايا عناصر قافزة — وهي تسلسلات تنسخ نفسها في مواضع جديدة، وأكثرها ميت منذ زمن (والعنصر Alu وحده، و $300\,\mathrm{bp}$ ، موجود في مليون نسخة، أي عُشر المورثوم)؛ و $8\,\%$ تكرارات قصيرة متتالية (DNA تابع، عند المريكزات والقسيمات الطرفية)؛ والباقي تسلسل غير مشفِّر فريد يشمل المروّجات والمعزِّزات ومورّثات RNA التي تتحكم في التعبير. وكثير من المورّثات ينتمي إلى عائلات نشأت بالتضاعف (الغلوبينات، ومستقبِلات الشم — وهي ألف) ويحمل المورثوم آلاف المورّثات الزائفة، وهي نسخ ميتة لم تعد تعمل. فالمورثوم ليس تصميمًا بل سجل.

مما يتكون المورثوم البشري. الإكسونات التي تشفّر البروتين شظية؛ ونصف المورثوم حطام عناصر كانت تنسخ نفسها يومًا.

مثال 17.9 (قراءة قياس مورثوم)

مورثوم من $4.6\,\mathrm{Mb}$ بلا إنترونات وبقليل من التكرارات يحمل $4300$ مورّثة؛ وآخر من $3200\,\mathrm{Mb}$ بإنترونات طويلة ونصف طوله تكرارات يحمل $20\,000$ ؛ وآخر من $130\,000\,\mathrm{Mb}$ يحمل العشرين ألفًا نفسها. فالقياس يقيس كم تراكم في DNA غير المشفِّر لنسب ما، وبأي كفاءة أُزيل، لا كم يفعل الكائن.

17.4 مورثومات العضيات والفيروسات

تعريف 17.10 (مورثومات العضيات)

تحتفظ المتقدرات والبلاستيدات الخضراء ببقية من صبغي أسلافها البكتيرية (الفصل 6): وهي حلقة صغيرة — $16.6\,\mathrm{kb}$ و37 مورّثة في متقدرات الإنسان، و $120\text{ to }160\,\mathrm{kb}$ ونحو 100 مورّثة في البلاستيدات — في نسخ كثيرة لكل عضية، تشفّر بعض بروتيناتها الخاصة وRNA ريبوزوماتها. وسائر بروتيناتها يأتي من مورّثات نووية. وفي معظم الحيوانات يُورَّث المورثوم المتقدري من الأم وحدها، مع سيتوبلازم البيضة.

تعريف 17.11 (الفيروس)

الفيروس مورثوم في غلاف بروتيني، هو القفيصة — ملفوفة أحيانًا في غشاء، هو الغلاف، مأخوذ من خلية مضيفة — لا يتكاثر إلا داخل خلية، مستعملًا ريبوزوماتها وطاقتها وطلائعها. ومورثومه قد يكون DNA أو RNA، مزدوج الخصلة أو مفردها، خطيًا أو حلقيًا، جزيئًا واحدًا أو عدة جزيئات: من $5\,\mathrm{kb}$ (بضع مورّثات) إلى $1.2\,\mathrm{Mb}$ (ألف مورّثة، عند الفيروسات العملاقة). وخارج خلية لا يفعل الفيروس شيئًا: فهو ليس خلية، ولا يستقلب، وهو حي بمعنى واحد فقط هو أنه يحمل معلومة ويتطور. والعاثيات هي فيروسات البكتيريا.

عاثيات ملتصقة ببكتيريا: رؤوس متعددة السطوح تحمل DNA، وأذناب سيُحقن عبرها. وستطلق خلية واحدة مئة عاثية جديدة في غضون نصف ساعة.

قضية 17.12 (دورتا العاثية $\lambda$ )

تحقن العاثية $\lambda$ ما لديها من $48.5\,\mathrm{kb}$ من DNA (الفصل 11) في E. coli، حيث يتحلق. ثم يتبع مصيران. ففي الدورة الحالة تُستنسخ مورّثات العاثية ببوليميراز المضيف، ويتضاعف DNA لها مئة ضعف، وتُصنع بروتينات القفيصة وتُركَّب، ويُحشر DNA فيها، ويذيب إنزيم الجدار: فتنفجر الخلية، فتطلق مئة عاثية بعد أربعين دقيقة من العدوى. وفي الدورة المدمجة يُدخل DNA العاثية في صبغي المضيف ويُسكَّت بكابح من صنعه هو: فتُنسخ العاثية الكامنة مع الصبغي أجيالًا، غير مرئية، حتى يرفع تلفٌ في DNA المضيف الكبحَ فتستأنف الدورة الحالة. والاختيار مفتاح جزيئي، وهو من أول ما فُهم منها (الفصل 20).

العاثية : دورة حالة (أحمر) أو مدمجة (أخضر)، والتحريض الذي يحول الثانية إلى الأولى. — العاثية $\lambda$ : دورة حالة (أحمر) أو مدمجة (أخضر)، والتحريض الذي يحول الثانية إلى الأولى.

مثال 17.13 (فيروسات مورثوماتها RNA)

تحمل الأنفلونزا ثماني قطع من RNA مفرد الخصلة وبوليميرازها الخاص لنسخها، إذ لا إنزيم في الخلايا ينسخ RNA؛ وبوليميرازها يخطئ خطأً واحدًا لكل $10\,000$ قاعدة والفيروس يتغير كل موسم. أما الفيروس القهقري (HIV) فيحمل RNA وناسخة عكسية تنسخه إلى DNA يُدخل في صبغي المضيف مثل عاثية كامنة — أي عدوى دائمة. والآليات، والاستجابة المناعية لها، من كتاب السنة الثالثة؛ وهي هنا تعلّم مدى ما يمكن أن يكونه مورثوم.

17.5 تمارين

تمرين 17.1 ★

قارن المورثوم البكتيري بالمورثوم حقيقي النواة: من حيث عدد الصبغيات وشكلها، والموضع، والبروتينات التي تنظمها، وكثافة المورّثات.

حل

حل التمرين 17.1.

البكتيريا: صبغي حلقي واحد (مع بلازميدات) في نويد بلا غشاء، مضغوط بالالتفاف الفائق وببروتينات أساسية صغيرة، ونحو $90\,\%$ منه مشفِّر. وحقيقية النواة: عدة صبغيات خطية في نواة، ملفوفة على هستونات في صبغين، وبضعة في المئة منها مشفِّرة.

تمرين 17.2 ★

صف جسيمًا نوويًا وأعطِ عامل الانضغاط عند كل مستوى من طي الصبغين.

حل

حل التمرين 17.2.

147 زوج قواعد ملفوفة 1.7 مرة حول ثماني هستونات (اثنتان من كل من H2A وH2B وH3 وH4)، تختمها H1، واحدة كل 200 زوج. والخرزات على الخيط $\times 6$ ؛ والليف $30\,\mathrm{nm}$ $\times 40$ ؛ والعرى $\times 1000$ ؛ وصبغي الطور الاستوائي $\times 10\,000$ .

تمرين 17.3 ★

من شكل الجرد، أي كسر من المورثوم البشري يشفّر بروتينًا، وما أكبر الأصناف؟

حل

حل التمرين 17.3.

$1.5\,\%$ ؛ والعناصر القافزة وبقاياها، $45\,\%$ .

تمرين 17.4 ★

ما الفيروس، وبأي معنى لا يكون حيًا؟

حل

حل التمرين 17.4.

مورثوم (DNA أو RNA) في قفيصة بروتينية، مغلَّف أحيانًا، لا يتكاثر إلا داخل خلية بآلة الخلية. وخارج خلية لا استقلاب له ولا نمو ولا استجابة — بل جسيم خامل؛ وهو «حي» بمعنى حمله معلومة وراثية تتطور فقط.

تمرين 17.5 ★★

احسب طول صبغي E. coli وعدد اللفات بقياس الجسيم النووي التي كان سيحتاجها لو كان حقيقي النواة؛ وفسّر كيف تضغطه البكتيريا بدلًا من ذلك.

حل

حل التمرين 17.5.

$4.6 \times 10^{6}\times 0.34 = 1.56\,\mathrm{mm}$ ؛ و $4.6 \times 10^{6}/200 = 23\,000$ جسيم نووي. وبدل ذلك: التفاف فائق سالب بالجيراز وطي في نحو خمسين عروة على لب بروتيني، مع بروتينات أساسية صغيرة تثني DNA — أي ألف ضعف، في نويد بميكرومتر.

تمرين 17.6 ★★

مورّثة بشرية من $27\,\mathrm{kb}$ فيها $1.5\,\mathrm{kb}$ إكسونات في ثماني قطع. احسب متوسطي طول الإكسون والإنترون والكسر المطروح من النسخة الأولية.

حل

حل التمرين 17.6.

الإكسونات $1500/8 = 190\,\mathrm{bp}$ ؛ والإنترونات $25\,500/7 = 3640\,\mathrm{bp}$ ؛ و $25.5/27 = 94\,\%$ من النسخة مطروح.

تمرين 17.7 ★★

باستعمال الجدول، احسب المورّثات لكل ميغا زوج عند E. coli، والخميرة، وذبابة الفاكهة، والإنسان، وسمكة الرئة. وعلّق على المنحى.

حل

حل التمرين 17.7.

E. coli 930 مورّثة لكل ميغا زوج؛ والخميرة 500؛ والذبابة 100؛ والإنسان 6؛ وسمكة الرئة 0.15. فكثافة المورّثات تهبط أربع مراتب قدر بينما يرتفع عددها خمسة أضعاف: فجزيء DNA الزائد غير مورّثي.

تمرين 17.8 ★★

العنصر Alu طوله $300\,\mathrm{bp}$ وهو موجود في مليون نسخة. فأي كسر من المورثوم هو Alu؟ وإذا نشأت كل نسخة بقفز راجع (RNA يُنسخ راجعًا إلى DNA ويُدخل)، فكم إدخالًا في الجيل يعطي مليون نسخة في $60$ مليون سنة عند $20$ سنة للجيل؟

حل

حل التمرين 17.8.

$10^6\times 300 = 3 \times 10^{8}\,\mathrm{bp}$ : أي $9\,\%$ من المورثوم. و $60\times 10^6/20 = 3 \times 10^{6}$ جيل: أي إدخال جديد كل ثلاثة أجيال، بالمتوسط، في مكان ما من النسب.

تمرين 17.9 ★★

فسّر لماذا يُورَّث المورثوم المتقدري من الأم، وماذا يقتضي هذا في تتبع النسب.

حل

حل التمرين 17.9.

البيضة تسهم بالسيتوبلازم وبمتقدراته؛ ومتقدرات النطفة القليلة تُستبعد أو تُهدم بعد الإلقاح. فينتقل DNA المتقدري من الأم إلى الولد بلا خلط، وتتبع طفراته المتراكمة الأنساب الأمومية عبر الزمن.

تمرين 17.10 ★★★

العاثية $\lambda$ في الحالة المدمجة تُنسخ مرة واحدة لكل جيل مضيف؛ وفي الحالة الحالة تصنع مئة نسخة في $40\,\mathrm{min}$ . ففي مزرعة جيدة التغذية تتضاعف كل $20\,\mathrm{min}$ ، قارن الاستراتيجيتين على مدى ساعتين؛ وفي مزرعة جائعة لا تنقسم، قارنهما من جديد. ولماذا يستجيب المفتاح لحال المضيف؟

حل

حل التمرين 17.10.

في مزرعة مغذاة، على مدى ساعتين: يعطي الاندماج $2^6 = 64$ نسخة (واحدة لكل انقسام مضيف)؛ ويعطي الحل 100 عاثية في $40\,\mathrm{min}$ ، وذريتها $100^3 = 10^6$ في ساعتين إن كثر المضيفون — فيفوز الحل بفارق كبير. وفي مزرعة جائعة: يعطي الاندماج نسخة واحدة، آمنة داخل خلية حية؛ ويعطي الحل 100 عاثية بلا خلية تعديها، فتضمحل. والمفتاح يقرأ حال المضيف لأن أفضل استراتيجية تتوقف على هل ستتوفر مضائف جديدة.

تمرين 17.11 ★★★

خلية سمكة رئة تحمل $130\,\mathrm{Gb}$ : احسب طول DNA، وعدد الجسيمات النووية، وكتلة الهستونات في الخلية، وزمن تضاعفه بسرعة الشوكة البشرية ( $50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$ لكل شوكة) بمنشأ واحد لكل $100\,\mathrm{kb}$ . فماذا يكلف مورثوم كبير خلية؟

حل

حل التمرين 17.11.

$1.3 \times 10^{11}\times 0.34\,\mathrm{nm} = 44\,\mathrm{m}$ (أحادي الصيغة)؛ و $6.5 \times 10^{8}$ جسيم نووي؛ والهستونات $6.5 \times 10^{8}\times 108\,000\times 1.66\times 10^{-24} = 117\,\mathrm{pg}$ . والمناشئ: $1.3 \times 10^{6}$ ، وكل منها يضاعف $50\,\mathrm{kb}$ على كل جانب بسرعة $50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}$ : أي $1000\,\mathrm{s}$ — فالزمن ليس المشكلة، ما دامت المناشئ كافية؛ والكلفة هي النوكليوتيدات ( $130\,\mathrm{pg}$ من DNA لكل انقسام)، والهستونات، وزمن صنعها، ونواة وخلية أكبر بمرات، ولهذا تنقسم خلايا كهذه ببطء.

تمرين 17.12 ★★★

«المورثوم سجل لا تصميم.» ناقش في فقرة مستعينًا بالمورّثات الزائفة، والعناصر القافزة، وعائلات المورّثات، ومفارقة القيمة C.

حل

حل التمرين 17.12.

التصميم يحوي ما يلزم ولا يزيد؛ والسجل يحوي ما جرى. فالمورّثات الزائفة جثث مورّثات مضاعفة ماتت بالطفرة؛ والعناصر القافزة طفيليات نسخت نفسها عشرات الملايين من السنين ولم تُزل قط؛ وعائلات المورّثات تُظهر تضاعفًا تلاه تباعد؛ ومفارقة القيمة C تُظهر أن مقدار DNA يعكس تاريخ نسب من التراكم والفقد لا حاجاته. والانتقاء يبقي المورّثات عاملة ويترك الباقي ينجرف: فما نقرؤه في مورثوم تاريخ في معظمه.

17.6 مسألة: مترانِ في ستة ميكرومترات

مسألة 17.1

مسألة نهاية الأسبوع — نواة بشرية مقيسة من اللولب إلى الصبغي: الأطوال، والحجوم، والجسيمات النووية، والهستونات، ونسبة الرص عند كل مستوى، وصولًا إلى الانضغاط الكلي في الطور الاستوائي

نواة بشرية ثنائية الصيغة كرة قطرها $6\,\text{µ}\mathrm{m}$ تحمل $6.4 \times 10^{9}$ زوج قواعد على 46 صبغيًا؛ وأكبر صبغي يحمل $250\,\mathrm{Mb}$ وأصغرها $50\,$ . خذ $0.34\,\mathrm{nm}$ لكل زوج، و $2\,\mathrm{nm}$ لقطر اللولب، و $650\,\mathrm{Da}$ لكل زوج، و $200$ زوج لكل جسيم نووي، وثماني هستونات كتلتها $108\,\mathrm{kDa}$ ، و $1.66 \times 10^{-24}\,\mathrm{g}$ لكل دالتون.

الجزء الأول — الأطوال والحجوم.

احسب مجموع طول DNA في النواة.
احسب عدد دورات اللولب المزدوج التي يحويها.
احسب طول DNA أكبر صبغي وأصغره.
احسب حجم النواة.
احسب حجم DNA بوصفه أسطوانة، والكسر الذي يشغله من النواة.
احسب كتلة DNA في النواة بالبيكوغرام.
تحوي النواة نحو $25\,\mathrm{pg}$ من البروتين. فأي كسر من كتلة النواة هو DNA، إذا كان الماء $80\,\%$ من النواة (بكثافة $1.1\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$ )؟

الجزء الثاني — الجسيمات النووية.

احسب عدد الجسيمات النووية في النواة.
احسب كتلة الهستونات وقارنها بكتلة DNA.
الأزواج $200\,$ في جسيم نووي واحد تمتد على $68\,\mathrm{nm}$ من اللولب لكنها تشغل خرزة طولها $11\,\mathrm{nm}$ . احسب عامل انضغاط «الخرزات على الخيط».
الليف $30\,\mathrm{nm}$ يحمل ست جسيمات نووية لكل $11\,\mathrm{nm}$ من طوله. احسب عامل انضغاطه بالنسبة إلى DNA العاري.
احسب طول الليف $30\,\mathrm{nm}$ للمورثوم كله، وقارنه بقطر النواة.
لا بد من تفكيك كل جسيم نووي وإعادة تركيبه حين يتضاعف DNA أو يُستنسخ. فكم جسيمًا نوويًا يُعاد تركيبه في الطور S ( $8\,\mathrm{h}$ )؟ وكم في الثانية؟

الجزء الثالث — العرى والصبغيات.

عرى من $75\,\mathrm{kb}$ من الليف $30\,\mathrm{nm}$ تتدلى من سقالة. احسب طول الليف في عروة واحدة وعدد العرى في المورثوم.
صُبيغية أكبر صبغي في الطور الاستوائي طولها $10\,\text{µ}\mathrm{m}$ . احسب عامل الانضغاط من DNA العاري إلى صبغي الطور الاستوائي.
احسب حجم تلك الصبيغية بوصفها أسطوانة قطرها $0.7\,\text{µ}\mathrm{m}$ ، والكسر الذي هو DNA منها.
الصبغيات الستة والأربعون في الطور الاستوائي، وكل منها قضيب بالكثافة نفسها: احسب حجمها الكلي وقارنه بالنواة في الطور البيني.
فسّر لماذا لا يمكن رص صبغين الطور البيني رصًا محكمًا كرص صبغين الطور الاستوائي.

الجزء الرابع — إيجاد مورّثة.

على بروتين أن يجد موقعًا واحدًا من $20\,\mathrm{bp}$ في المورثوم. فلو اختبر موقعًا عشوائيًا واحدًا في كل جزء من الألف من الثانية، فكم يستغرق البحث؟ وماذا يقول هذا عن كيفية إيجاد المواقع؟
مورّثات المورثوم $20\,000\,$ بمتوسط $27\,\mathrm{kb}$ . فأي كسر من المورثوم داخل المورّثات؟ وأي كسر مشفِّر، عند $1.5\,\mathrm{kb}$ من الإكسونات لكل مورّثة؟
يشغل كل صبغي إقليمه الخاص من النواة. احسب حجم إقليم أكبر صبغي إذا كانت الأقاليم متناسبة مع محتوى DNA، وتركيز DNA داخله بأزواج القواعد في الميكرومتر المكعب.
نواة سمكة رئة بكثافة DNA نفسها يكون حجمها كم من أجل $260\,\mathrm{Gb}$ (ثنائية الصيغة)؟ وما قطرها؟
احسب عدد ثمانيات الهستونات التي يجب أن تصنعها خلية في الطور S والحموض الأمينية التي تحويها ( $1000\,$ بقية لكل ثمانية). قارن مع $3 \times 10^{9}\,$ بقية بروتينية تصنعها خلية في اليوم.
فسّر في جملتين لماذا تستطيع البكتيريا الاستغناء عن الجسيمات النووية ولا تستطيع حقيقيات النواة ذلك.
اذكر النتيجة: عامل الانضغاط الكلي من اللولب إلى صبغي الطور الاستوائي، والعوامل عند كل مستوى.

حل

حل المسألة 17.1.

1. $6.4 \times 10^{9}\times 0.34\,\mathrm{nm} = 2.18\,\mathrm{m}$ . 2. $6.4 \times 10^{9}/10 = 6.4 \times 10^{8}$ دورة. 3. $2.5 \times 10^{8}\times 0.34 = 8.5\,\mathrm{cm}$ ؛ و $1.7\,\mathrm{cm}$ . 4. $\frac{4}{3}\pi\times 3^3 = 113\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ . 5. $\pi\times(1\,\mathrm{nm})^2\times 2.18\,\mathrm{m} = 6.8 \times 10^{-18}\,\mathrm{m}^{3} = 6.8\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ : أي $6\,\%$ من النواة. 6. $6.4 \times 10^{9}\times 650\times 1.66\times 10^{-24} = 6.9 \times 10^{-12}\,\mathrm{g} = 6.9\,\mathrm{pg}$ . 7. كتلة النواة $113\times 10^{-12}\,\mathrm{mL}\times 1.1 = 124\,\mathrm{pg}$ ؛ وDNA $5.6\,\%$ منها، والبروتين $20\,\%$ . 8. $6.4 \times 10^{9}/200 = 3.2 \times 10^{7}$ . 9. $3.2 \times 10^{7}\times 108\,000\times 1.66\times 10^{-24} = 5.7\,\mathrm{pg}$ : أي نحو كتلة DNA نفسها. 10. $68/11 = 6.2$ . 11. ست جسيمات نووية، أي $1200\,\mathrm{bp}$ $= 408\,\mathrm{nm}$ من اللولب، في $11\,\mathrm{nm}$ : أي بعامل $37$ . 12. $2.18/37 = 5.9\,\mathrm{cm}$ من الليف — أي عشرة آلاف ضعف قطر النواة، مطويًا داخلها. 13. كلها، أي $3.2 \times 10^{7}$ ، مع مثلها من الجديدة على النسخة الثانية: أي $6.4 \times 10^{7}$ في $28\,800\,\mathrm{s}$ ، أي نحو $2200$ في الثانية. 14. $75\,000\times 0.34/37 = 690\,\mathrm{nm}$ من الليف لكل عروة؛ و $6.4 \times 10^{9}/75\,000 = 85\,000$ عروة. 15. $8.5\,\mathrm{cm}/10\,\text{µ}\mathrm{m} = 8500$ . 16. $\pi\times 0.35^2\times 10 = 3.85\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ ؛ وDNA $\pi\times 10^{-6}\times 0.085\,\mathrm{m} = 0.27\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ : أي $7\,\%$ — والباقي بروتين هستوني وسقالي وماء. 17. مجموع DNA $6.4 \times 10^{9}$ زوج بالكثافة نفسها ( $2.5 \times 10^{8}$ زوج في $3.85\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ ، لكل صبيغية؛ وصبيغيتان لكل صبغي): $2\times 6.4\times 10^9/2.5\times 10^8\times 3.85 = 197\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ ، وهو أكبر من نواة الطور البيني لأن الصبغيات صارت قضبانًا بينها فراغ. 18. صبغين الطور البيني لا بد أن يُقرأ ويُنسخ: فالبوليميرازات وعواملها تحتاج إلى الوصول إلى DNA، فيبقى معظمه في هيئة الليف $30\,\mathrm{nm}$ المفتوح والعرى؛ أما صبغين الطور الاستوائي فخامل ويمكن رصه للنقل. 19. $6.4 \times 10^{9}$ موقع عند $10^3$ في الثانية: $6.4 \times 10^{6}$ ثانية، أي 74 يومًا. فالبروتينات لا تبحث عشوائيًا: بل ترتبط بجزيء DNA ارتباطًا غير نوعي وتنزلق عليه، وتبحث نسخ كثيرة على التوازي، فيُوجد الموقع في ثوان. 20. $20\,000\times 27\,\mathrm{kb} = 540\,\mathrm{Mb}$ ، أي $17\,\%$ من $3.2\,\mathrm{Gb}$ ؛ والمشفِّر $20\,000\times 1.5 = 30\,\mathrm{Mb}$ ، أي $0.9\,\%$ (ونحو 1.5% بحساب المورّثات الأقصر حسابًا أدق). 21. $113\times 2\times 250/6400 = 8.8\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ (نسختان)؛ و $5 \times 10^{8}/8.8 = 5.7 \times 10^{7}\,\mathrm{bp}/\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ ، أي كثافة النواة كلها نفسها. 22. $2.6 \times 10^{11}/5.7 \times 10^{7} = 4600\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ : أي قطر $21\,\text{µ}\mathrm{m}$ ، وحجم أربعين ضعف نواة الإنسان. 23. $3.2 \times 10^{7}$ ثمانية، أي $3.2 \times 10^{10}$ بقية — أي عُشر تصنيع البروتين اليومي في الخلية، منفَقًا على التغليف. 24. صبغي البكتيريا أقصر بألف مرة ويكفي الالتفاف الفائق في عرى لإدخاله في ميكرومتر؛ أما حقيقية النواة فعليها أن تطوي طولًا يفوق نواتها بعشرة آلاف مرة وتحتاج إلى هرمية رص، الجسيم النووي أول مستوياتها. 25. نحو $8500$ (أي $8.5\,\mathrm{cm}$ في $10\,\text{µ}\mathrm{m}$ )، مبنيًا على $\times 6$ (الجسيمات النووية)، ثم $\times 6$ أخرى (الليف $30\,\mathrm{nm}$ ، أي $\times 37$ في المجموع)، ثم $\times 27$ أخرى (العرى، أي $\times 1000$ في المجموع)، ثم $\times 8$ أخرى (تكثف الطور الاستوائي).

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (479) في المسرد