Biology · الكتاب 3 · Bachelor Year 1

الأحياء الجامعية — السنة الأولى

الأحياء الجامعية — السنة الأولى · Bachelor Year 1

18تضاعف DNA والتقسم الخيطي

كل ثماني ساعات أو نحوها تنسخ خلية من بطانة المعي ستة مليارات زوج قواعد بخطأ واحد في المليار تقريبًا، ثم تفرز النسختين إلى وليدتين بحيث تنال كل منهما ستة وأربعين صبغيًا بالضبط — لا خمسة وأربعين ولا سبعة وأربعين. والنسخ تؤديه آلة تقرأ خصلة وتبني متممتها بخمسين حرفًا في الثانية من عشرات آلاف نقاط البدء في آن؛ والفرز يؤديه مغزل من الأنيبيبات الدقيقة يسحب نسختي كل صبغي بعيدًا إحداهما عن الأخرى بدقة خطأ واحد في مئة ألف انقسام. يصف هذا الفصل شوكة التضاعف وإنزيماتها، ومشكلة النهايات، ودورة الخلية التي توقّت التضاعف والانقسام، والتقسم الخيطي، أي الانقسام نفسه.

18.1 التضاعف نصف المحافظ

قضية 18.1 (كل خصلة قالب)

يتضاعف DNA تضاعفًا نصف محافظ: فتنفصل خصلتا اللولب، وتعمل كل منهما قالبًا تُبنى عليه خصلة متممة جديدة، فيكون كل جزيء وليد خصلة قديمة مقترنة بخصلة جديدة.

شواهد. نمّى مزلسون وستال (1958؛ المستعاد من كتاب المرحلة الثانوية) E. coli على نتروجين ثقيل، ثم نقلاها إلى نتروجين خفيف، وفصلا DNA بالكثافة: فبعد جيل واحد كان كل DNA بكثافة وسطى، وبعد جيلين نصفه وسطى ونصفه خفيف — وهذا بالضبط ما يتنبأ به وجود خصلة قديمة وأخرى جديدة في كل جزيء، ولا يتنبأ به أي مخطط آخر. ووسم كيرنز (1963) صبغيات بكتيرية متضاعفة بالتريتيوم وصورها بالتصوير الإشعاعي الذاتي: فكانت حلقات فيها «فقاعة» تضاعف تتحرك شوكتاها في اتجاهين متعاكسين من منشأ واحد. ونقّى كورنبرغ (1956) إنزيمًا يركّب DNA في أنبوب اختبار من النوكليوزيدات الثلاثية الفوسفات الأربعة ومن قالب، بتسلسل القالب. ∎

تعريف 18.2 (شوكة التضاعف وإنزيماتها)

يبدأ التضاعف عند منشأ — واحد على الصبغي البكتيري، وعشرات الآلاف على مورثوم حقيقي النواة — حيث يُفتح اللولب وتبتعد شوكتا تضاعف في اتجاهين متعاكسين. وعند كل شوكة: حلّالة تفك اللولب (بجزيء ATP واحد لكل زوج قواعد)، وبروتينات رابطة للخصلة المفردة تبقي الخصلتين المنفصلتين متباعدتين، وطوبوإيزوميراز أمام الشوكة يخفف اللي الذي يراكمه الفك. وبوليميراز DNA لا يضيف النوكليوتيدات إلا إلى هيدروكسيل 3′3' في سلسلة قائمة، فتنمو كل خصلة جديدة 5′→3′5' \to 3' ولا تستطيع أي منها أن تبدأ من عدم: فتضع بادئة أولًا بادئًا قصيرًا من RNA يمدّه البوليميراز. وعلى القالب المقروء 3′→5′3' \to 5' تنمو الخصلة الجديدة نموًا متصلًا نحو الشوكة: وهي الخصلة الرائدة. وعلى القالب الآخر لا بد للخصلة الجديدة أن تنمو مبتعدة عن الشوكة، في قطع من 1000 to 2000 1000\text{ to }2000\, نوكليوتيد عند البكتيريا و100 to 200 100\text{ to }200\, عند حقيقيات النواة، هي قطع أوكازاكي، لكل منها بادئها: وهي الخصلة المتأخرة. ويستبدل بوليميراز ثانٍ بالبادئات DNA وتلحم رابطة القطع في خصلة واحدة.

شوكة تضاعف. الحلّالة تفتح اللولب الأبوي؛ وتُنسخ الخصلة الرائدة نسخًا متصلًا نحو الشوكة، والخصلة المتأخرة إلى الخلف في قطع أوكازاكي، لأن البوليميرازات لا تبني إلا في الاتجاه 5' 3'.
شوكة تضاعف. الحلّالة تفتح اللولب الأبوي؛ وتُنسخ الخصلة الرائدة نسخًا متصلًا نحو الشوكة، والخصلة المتأخرة إلى الخلف في قطع أوكازاكي، لأن البوليميرازات لا تبني إلا في الاتجاه 5′→3′5' \to 3'.

قضية 18.3 (الأمانة)

اقتران القواعد وحده كان ليعطي خطأ واحدًا في 10510^5؛ والبوليميراز يدقق — إذ ينزع نشاط نوكلياز خارجي 3′→5′3' \to 5' نوكليوتيدًا غير مقترن قبل إضافة التالي — فيبلغ بالخطأ واحدًا في 10710^7؛ وبعد مرور الشوكة تجد جملة إصلاح عدم التطابق ما بقي من عدم اقتران، وتميز الخصلة الجديدة، وتصححها: فيصير خطأ واحدًا في 10910^9 إلى 101010^{10} زوج قواعد لكل تضاعف. والخلية البشرية التي تنسخ 6.4×1096.4 \times 10^{9} زوج تحدث حفنة طفرات في كل انقسام؛ والبكتيريا واحدة في ألف انقسام.

مثال 18.4 (السرعة ونقاط البدء)

تتحرك الشوكة البكتيرية بمقدار 1000 1000\, زوج قواعد في الثانية: فتنسخ شوكتان 4.6 Mb4.6\,\mathrm{Mb} في E. coli في 40 min40\,\mathrm{min}، وفي وسط غني تنقسم فيه الخلية كل عشرين دقيقة تبدأ جولة جديدة قبل انتهاء السابقة. أما الشوكة حقيقية النواة، وقد أبطأها الصبغين، فتتحرك بمقدار 50 50\, في الثانية: فنسخ صبغي بشري من 250 Mb250\,\mathrm{Mb} من منشأ واحد كان ليستغرق شهرًا، ولذلك يُنسخ المورثوم من نحو 40 00040\,000 منشأ في ثماني ساعات، بترتيب ثابت لكل نمط خلوي.

18.2 النهايات

قضية 18.5 (مشكلة تضاعف النهايات والتيلوميراز)

على صبغي خطي لا يمكن إكمال الخصلة المتأخرة إلى النهاية تمامًا: فحين يُنزع البادئ الأخير لا يوجد هيدروكسيل 3′3' أعلى المجرى يُملأ منه الفراغ، وكان كل تضاعف ليقصّر الصبغي بمقدار 50 to 100 50\text{ to }100\, نوكليوتيد. ولذلك تنهي حقيقيات النواة صبغياتها بقسيمات طرفية، وهي آلاف النسخ من تكرار قصير (TTAGGG عند الفقاريات) لا تحمل مورّثات، وتحمل الخلايا الجنسية والجذعية تيلوميرازًا، وهو إنزيم له قالب RNA خاص به يضيف تكرارات إلى النهاية 3′3'، فيعيد ما يفقده التضاعف. أما معظم الخلايا الجسمية فتفتقر إليه: فتقصر قسيماتها الطرفية عند كل انقسام، وبعد نحو خمسين انقسامًا في المزرعة تكف عن الانقسام. أما البكتيريا، وصبغياتها حلقية، فلا نهايات لها.

مشكلة تضاعف النهايات (أعلى) وحلها (أسفل). الخصلة المتأخرة تُترك قصيرة عند نهاية الصبغي؛ والتيلوميراز يضيف تكرارات إلى نهاية القالب 3' حتى يقع الفقد على تسلسل لا يحمل مورّثات.
مشكلة تضاعف النهايات (أعلى) وحلها (أسفل). الخصلة المتأخرة تُترك قصيرة عند نهاية الصبغي؛ والتيلوميراز يضيف تكرارات إلى نهاية القالب 3′3' حتى يقع الفقد على تسلسل لا يحمل مورّثات.

18.3 دورة الخلية

تعريف 18.6 (دورة الخلية)

لدورة الخلية عند حقيقية النواة أربعة أطوار. G1_1 (الفجوة 1): تنمو الخلية وتصنع إنزيمات التضاعف؛ وS (التركيب): تضاعف DNA لها، فيصير كل صبغي صبيغيتين شقيقتين متطابقتين موصولتين عند المريكز؛ وG2_2: تنمو أكثر وتتحقق من النسخ؛ وM: التقسم الخيطي، أي انقسام النواة، يتبعه انقسام السيتوبلازم. وG1_1 وS وG2_2 معًا هي الطور البيني، وفيه تكون الصبغيات ممدودة فعالة؛ والخلية التي تكف عن الانقسام تغادر الدورة من G1_1 إلى حالة سكون هي G0_0. والخلية البشرية المنقسمة تستغرق نحو 24 h24\,\mathrm{h}: G1_1 10 h10\,\mathrm{h}، وS 8 h8\,\mathrm{h}، وG2_2 4 h4\,\mathrm{h}، وM 1 h1\,\mathrm{h}؛ والخميرة 90 min90\,\mathrm{min}؛ وجنين ضفدع مبكر ثلاثين دقيقة بلا فجوات البتة.

محتوى النواة من DNA عبر دورة خلية واحدة مدتها 24\, h. يتضاعف في الطور S، من q (2n صبغيًا بصبيغية واحدة) إلى 2q (2n صبغيًا بصبيغيتين)، ويعود إلى q في كل وليدة في نهاية التقسم الخيطي؛ وعدد الصبغيات لا يتغير أبدًا.
محتوى النواة من DNA عبر دورة خلية واحدة مدتها 24 h24\,\mathrm{h}. يتضاعف في الطور S، من qq (2n صبغيًا بصبيغية واحدة) إلى 2q2q (2n صبغيًا بصبيغيتين)، ويعود إلى qq في كل وليدة في نهاية التقسم الخيطي؛ وعدد الصبغيات لا يتغير أبدًا.

قضية 18.7 (نقاط التفتيش)

تقود الدورةَ إلى الأمام عائلةٌ من الكينازات البروتينية، تنشّطها بالتناوب بروتينات تسمى السيكلينات ترتفع مستوياتها وتهبط عبر الدورة، وتُحبس الدورة عند نقاط تفتيش حتى تتحقق الشروط: ففي نهاية G1_1 لا تلتزم الخلية بالتضاعف إلا إذا كانت كبيرة بما يكفي، ومغذاة، ومأمورة بالانقسام، وكان DNA لها سليمًا؛ وفي نهاية G2_2 لا تدخل التقسم الخيطي إلا حين يكتمل التضاعف؛ وفي التقسم الخيطي لا تنفصل الصبيغيات إلا حين يرتبط كل صبغي بالمغزل من الجهتين. والتلف يوقف الدورة، وإن تعذر إصلاحه أطلق موت الخلية. أما آلة هذا التحكم الجزيئية فتنتمي إلى كتاب السنة الثالثة؛ وفشلها هو السرطان.

18.4 التقسم الخيطي

تعريف 18.8 (التقسم الخيطي)

التقسم الخيطي يوزع الصبغيات المتضاعفة بحيث تنال كل نواة وليدة صبيغية واحدة من كل صبغي — أي العدد نفسه والمورّثات نفسها التي للأبوية. وأطواره:

  • الطور التمهيدي: تتكثف الصبغيات في قضبان مرئية، كل منها من صبيغيتين شقيقتين تمسكهما معًا على امتداد طولهما بروتينات التماسك؛ ويتباعد الجسيمان المركزيان وينمو بينهما المغزل الخيطي من الأنيبيبات الدقيقة؛
  • الطور التمهيدي المتأخر: ينهار الغلاف النووي؛ وترتبط أنيبيبات المغزل بالقسيم المركزي لكل صبيغية، وهو بنية بروتينية عند المريكز، من قطبين متقابلين؛
  • الطور الاستوائي: تصطف الصبغيات عند خط استواء المغزل، وكل منها تحت شد من القطبين؛
  • الطور الانفصالي: يُقص التماسك، فتنفصل الصبيغيات الشقيقتان وتُسحبان إلى قطبين متقابلين كلما قصرت الأنيبيبات (الانفصال أ) وتباعد القطبان (الانفصال ب)؛
  • الطور النهائي: تفكّ الصبغيات تكثفها، ويعاد تكوين غلاف نووي حول كل مجموعة.

ثم يقسم انقسام السيتوبلازم السيتوبلازمَ: ففي الخلايا الحيوانية تقرص حلقة متقلصة من الأكتين والميوزين الخلية نصفين؛ وفي الخلايا النباتية تندمج حويصلات من غولجي عند خط الاستواء في صفيحة خلوية تنمو إلى الخارج فتصير جدارًا جديدًا.

خلايا من قمة جذر بصل في الطور البيني، والتمهيدي، والاستوائي، والانفصالي، والنهائي، وبعد انقسام السيتوبلازم بجدارها الجديد في الوسط. والصبغيات لا تُرى إلا وهي مكثفة، من الطور التمهيدي إلى النهائي.
خلايا من قمة جذر بصل في الطور البيني، والتمهيدي، والاستوائي، والانفصالي، والنهائي، وبعد انقسام السيتوبلازم بجدارها الجديد في الوسط. والصبغيات لا تُرى إلا وهي مكثفة، من الطور التمهيدي إلى النهائي.
أربعة أطوار من التقسم الخيطي في خلية حيوانية. التمهيدي: تتكثف الصبغيات ويتكون المغزل من الجسيمين المركزيين. والاستوائي: يجلس كل صبغي عند خط الاستواء، مرتبطًا من القطبين. والانفصالي: تُسحب الصبيغيتان الشقيقتان متباعدتين. والنهائي: تتكون نواتان من جديد ويقسم الأخدود الخلية.
أربعة أطوار من التقسم الخيطي في خلية حيوانية. التمهيدي: تتكثف الصبغيات ويتكون المغزل من الجسيمين المركزيين. والاستوائي: يجلس كل صبغي عند خط الاستواء، مرتبطًا من القطبين. والانفصالي: تُسحب الصبيغيتان الشقيقتان متباعدتين. والنهائي: تتكون نواتان من جديد ويقسم الأخدود الخلية.
خلية مزروعة في الطور الاستوائي، وقد وُسمت أنيبيباتها الدقيقة بالأخضر وصبغياتها بالأزرق: فالمغزل يمتد في الخلية من قطب إلى قطب وتكوّن الصبغيات صفيحة عبر خط استوائه.
خلية مزروعة في الطور الاستوائي، وقد وُسمت أنيبيباتها الدقيقة بالأخضر وصبغياتها بالأزرق: فالمغزل يمتد في الخلية من قطب إلى قطب وتكوّن الصبغيات صفيحة عبر خط استوائه.

قضية 18.9 (ما يحفظه التقسم الخيطي)

التقسم الخيطي انقسام يحفظ عدد الصبغيات: فخلية فيها 2n صبغيًا (46 عند الإنسان) تعطي خليتين فيهما 2n. ومحتوى DNA ينتقل من 2q2q (بعد التضاعف) إلى qq في كل وليدة؛ وعدد الصبغيات لا يتغير أبدًا، لأن الصبغي يُعدّ بمريكزه، وكل صبيغية، ما إن تنفصل، تصير صبغيًا. وهكذا تكون كل خلية في جسم مطابقة وراثيًا للبيضة التي انحدرت منها، إلا الطفرات التي أدخلها النسخ. أما الانقسام الذي ينصّف عدد الصبغيات، وهو الانقسام المنصّف، فينتمي إلى كتاب السنة الثانية.

طريقة 18.10 (قراءة تجربة على دورة الخلية)

  1. قِس DNA لكل خلية (بصباغ تألقه متناسب مع DNA، خلية خلية): فالخلايا عند qq في G1_1، وعند 2q2q في G2_2 أو M، وبينهما في S. والكسور تعطي المدد: فحصة الطور من الدورة هي حصته من الخلايا.
  2. أعطِ نبضة من نوكليوتيد موسوم (بروموديوكسي يوريدين): فلا تأخذه إلا الخلايا في الطور S؛ والكسر الموسوم هو كسر S، وتتبع الوسم إلى التقسم الخيطي يعطي طول G2_2.
  3. عُدّ صور التقسم في مقطع مصبوغ: أي دليل التقسم، وهو كسر الخلايا في M، هو كسر الدورة الذي يشغله M — أي 4 %4\,\% لدورة 24 h24\,\mathrm{h} بتقسم يستغرق ساعة.
  4. اسدد خطوة (بدواء يفكك بلمرة الأنيبيبات الدقيقة فيوقف الخلايا في الطور الاستوائي؛ أو بدواء يسد تركيب DNA فيوقفها في S) وعُدّ ما يتراكم.

مثال 18.11 (التجدد)

تتجدد ظهارة المعي الدقيق كل أربعة أيام، والجلد كل شهر، والكريات الحمراء كل أربعة أشهر من النقي، الذي ينتج مليونين في الثانية؛ وتنقسم خلية الكبد مرة في السنة أو نحوها، والعصبون لا ينقسم أبدًا. وخلايا الورم فقدت نقاط التفتيش: فتنقسم حين لا ينبغي، وتحتمل صبغيات سيئة الفرز، وتراكم الطفرات التي تتيح لها أن تنقسم أسرع بعد. والمعالجة الكيميائية تستغل الفرق: فالأدوية التي تسمم المغزل أو البوليميراز تقتل أكثر الخلايا انقسامًا.

18.5 تمارين

تمرين 18.1 ★

فسّر لماذا تُنسخ إحدى الخصلتين عند شوكة نسخًا متصلًا وتُنسخ الأخرى في قطع.

حل

حل التمرين 18.1.

البوليميرازات لا تضيف النوكليوتيدات إلا إلى نهاية 3′3'، فتنمو الخصلات الجديدة 5′→3′5' \to 3'؛ والقالبان متعاكسا الاتجاه، فتستطيع عند شوكة خصلة جديدة أن تنمو نحو الشوكة نموًا متصلًا بينما على الأخرى أن تنمو مبتعدة عنها، فتبدأ من جديد في قطع كلما انكشف قالب أكثر.

تمرين 18.2 ★

اذكر إنزيمات شوكة التضاعف وبروتيناتها وعمل كل منها.

حل

حل التمرين 18.2.

الحلّالة (تفك)، والبروتينات الرابطة للخصلة المفردة (تبقي الخصلتين متباعدتين)، والطوبوإيزوميراز (يخفف اللي أمامها)، والبادئة (بادئات RNA)، وبوليميراز DNA (يمد البادئات، ويدقق)، وبوليميراز ثانٍ (يستبدل بالبادئات)، والرابطة (تلحم القطع).

تمرين 18.3 ★

من شكل محتوى DNA، اقرأ المحتوى في G1_1 وG2_2 وبعد التقسم الخيطي، وعدد الصبغيات في كل حالة.

حل

حل التمرين 18.3.

G1_1: qq، و2n صبغيًا بصبيغية واحدة. وG2_2: 2q2q، و2n صبغيًا بصبيغيتين. وبعد التقسم الخيطي: qq لكل وليدة، و2n صبغيًا لكل منهما.

تمرين 18.4 ★

رتّب أطوار التقسم الخيطي وأعطِ الحدث المميز لكل منها.

حل

حل التمرين 18.4.

الطور التمهيدي (التكثف، وتكوّن المغزل)، والتمهيدي المتأخر (انهيار الغلاف، وارتباط القسيمات المركزية)، والاستوائي (الاصطفاف عند خط الاستواء)، والانفصالي (انفصال الصبيغيات)، والنهائي (إعادة تكوّن الأغلفة)، ثم انقسام السيتوبلازم.

تمرين 18.5 ★★

احسب عدد قطع أوكازاكي المصنوعة في نسخ المورثوم البشري (6.4×1096.4 \times 10^{9} زوج، وقطع من 150 150\,)، وعدد البادئات وعمليات نزع البادئات واللحم التي يقتضيها ذلك.

حل

حل التمرين 18.5.

نصف المورثوم تركيب على الخصلة المتأخرة: أي 6.4×109/150=4.3×1076.4 \times 10^{9}/150 = 4.3 \times 10^{7} قطعة؛ ومثلها من البادئات وعمليات النزع واللحم.

تمرين 18.6 ★★

احسب معدل الخطأ لكل مورثوم بشري لكل تضاعف عند بوليميراز وحده (10−510^{-5})، ومع التدقيق (10−710^{-7})، ومع إصلاح عدم التطابق (10−910^{-9}). فكم طفرة يعطي كل منها في الانقسام؟

حل

حل التمرين 18.6.

6.4×109×10−5=64 0006.4 \times 10^{9}\times 10^{-5} = 64\,000؛ و×10−7\times 10^{-7}: 640؛ و×10−9\times 10^{-9}: أي نحو 6 طفرات في كل انقسام.

تمرين 18.7 ★★

خلية جسمية تفقد 80 80\, نوكليوتيدًا من القسيم الطرفي في كل انقسام وتبدأ من 10 kb10\,\mathrm{kb}؛ وتكف عن الانقسام عند 5 kb5\,\mathrm{kb}. فكم انقسامًا تستطيع؟ ولماذا تحتاج خلية سرطانية إلى تيلوميراز؟

حل

حل التمرين 18.7.

5000/80=625000/80 = 62 انقسامًا. والورم عليه أن ينقسم بلا حد؛ ودون تيلوميراز كانت قسيماته الطرفية لتنفد وتتوقف خلاياه أو تموت، ولذلك تعيد كل السرطانات تقريبًا تنشيط الإنزيم.

تمرين 18.8 ★★

نسيج فيه 5 %5\,\% من خلاياه في التقسم الخيطي و30 %30\,\% في الطور S؛ والتقسم يستغرق ساعة. احسب طول الدورة وطول الطور S.

حل

حل التمرين 18.8.

الدورة =1 h/0.05=20 h= 1\,\mathrm{h}/0.05 = 20\,\mathrm{h}؛ والطور S =0.30×20=6 h= 0.30\times 20 = 6\,\mathrm{h}.

تمرين 18.9 ★★

خلية فيها 2n =8= 8. أعطِ عدد الصبغيات وعدد الصبيغيات ومحتوى DNA (بوحدة qq) في G1_1 وG2_2 والطور الاستوائي وفي كل وليدة بعد الطور النهائي.

حل

حل التمرين 18.9.

G1_1: 8 صبغيات، و8 صبيغيات، وqq. وG2_2: 8، و16، و2q2q. والطور الاستوائي: 8، و16، و2q2q. والوليدة: 8، و8، وqq.

تمرين 18.10 ★★★

E. coli تحتاج 40 min40\,\mathrm{min} لتضاعف صبغيها لكنها تنقسم كل 20 min20\,\mathrm{min} في وسط غني. فسّر كيف، واحسب كم منشأً وكم شوكة تحوي خلية عند لحظة الانقسام.

حل

حل التمرين 18.10.

تبدأ جولات جديدة كل 20 min20\,\mathrm{min} عند المنشأ قبل انتهاء الجولة السابقة: فالتضاعف متداخل، والخلية الوليدة يكون DNA لها متضاعفًا جزئيًا أصلًا. وعند الانقسام يكون الصبغي الذي ينهي جولته قد بدأها قبل 40 min40\,\mathrm{min}، وجولة ثانية بدأت قبل 20 min20\,\mathrm{min} شوكاتها في منتصف الطريق، وثالثة تبدأ للتو: أي 4 مناشئ و6 شوكات في الخلية المنقسمة.

تمرين 18.11 ★★★

الكولشيسين يفكك بلمرة الأنيبيبات الدقيقة. تنبأ بما يحل بخلية منقسمة تُعالَج به، وبعدد صبغياتها إن عادت بعد ذلك إلى الطور البيني، ولماذا يُستعمل الدواء لصنع الأنماط النووية.

حل

حل التمرين 18.11.

لا يتكون مغزل: فتتكثف الصبغيات لكنها لا تستطيع الاصطفاف ولا الانفصال، وتتوقف الخلية عند نقطة تفتيش المغزل في حالة شبيهة بالطور الاستوائي. وإن انزلقت راجعة إلى الطور البيني دون أن تنقسم صار فيها 4n صبغيًا (رباعية الصيغة). والخلايا الموقوفة بصبغيات مكثفة منفصلة هي بالضبط ما يحتاجه النمط النووي: فيُستعمل الدواء لتجميعها.

تمرين 18.12 ★★★

«التقسم الخيطي نسخ للمورثوم يتبعه عدّ.» ناقش في فقرة: ما الذي يضمنه التضاعف، وما الذي يضمنه المغزل، ونقاط التفتيش بينهما، وما الذي يفشل في خلية تفرز صبغيًا فرزًا خاطئًا.

حل

حل التمرين 18.12.

التضاعف يضمن أن يصير كل صبغي صبيغيتين متطابقتين، بخطأ واحد في المليار؛ والمغزل يضمن أن تنال كل وليدة واحدة من كل زوج، بربط كل صبغي من القطبين وحبس الطور الانفصالي حتى يكون كل واحد تحت شد. ونقطة تفتيش G2_2 تضمن انتهاء النسخ قبل بدء العدّ؛ ونقطة تفتيش المغزل تضمن ترتيب العدّ قبل الفصل. والخلية التي تفرز فرزًا خاطئًا تنتهي بصبغي زائد أو ناقص (اختلال الصيغة): أي نسخة صحيحة حرفًا حرفًا، مسلَّمة إلى العنوان الخطأ — وهذا يقتل معظم تلك الخلايا ويميز معظم السرطانات.

18.6 مسألة: نسخ مورثوم بشري

مسألة 18.1

مسألة نهاية الأسبوع — طور S من ثماني ساعات: الشوكات موقَّتة، والمناشئ معدودة، والقطع والبادئات محصاة، والأخطاء محسوبة، وبكتيريا مقارَنة، وصولًا إلى أدنى عدد من المناشئ

خلية بشرية تضاعف 6.4×1096.4 \times 10^{9} زوج قواعد في طور S مدته 8 h8\,\mathrm{h}. والشوكة حقيقية النواة تتحرك بسرعة 50 bp/s50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}؛ والشوكة البكتيرية بسرعة 1000 bp/s1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}. وقطع أوكازاكي 150 150\, نوكليوتيدًا عند حقيقيات النواة و1500 1500\, عند البكتيريا. وكل نوكليوتيد يُضاف يكلف مكافئي ATP (أي الطليعة الثلاثية الفوسفات). ومعدلات الخطأ لكل قاعدة: 10−510^{-5} عند البوليميراز وحده، و10−710^{-7} مع التدقيق، و10−910^{-9} مع إصلاح عدم التطابق.

الجزء الأول — الشوكات والمناشئ.

  1. كم زوج قواعد تنسخ شوكة واحدة في 8 h8\,\mathrm{h}؟
  2. المنشأ يرسل شوكتين. فكم زوج قواعد ينسخ منشأ واحد في 8 h8\,\mathrm{h}؟
  3. احسب أدنى عدد من المناشئ يلزم لنسخ المورثوم في 8 h8\,\mathrm{h} إذا انطلقت كلها في البداية.
  4. احسب المباعدة الوسطية بين هذه المناشئ على امتداد DNA، بالكيلو زوج وبالميكرومتر.
  5. وفي الواقع تنطلق المناشئ طوال الطور S ويُستعمل نحو 40 00040\,000 منها. احسب المباعدة الوسطية والمسافة الوسطية التي تقطعها شوكة فعلًا.
  6. كم كان أكبر صبغي (250 Mb250\,\mathrm{Mb}) ليستغرق في النسخ من منشأ واحد في وسطه؟
  7. فسّر لماذا كان عدد المناشئ، لا سرعة الشوكة، هو ما عدله التطور ليقصّر الطور S.

الجزء الثاني — القطع والبادئات.

  1. احسب عدد قطع أوكازاكي المصنوعة في طور S واحد.
  2. احسب عدد بادئات RNA الموضوعة، بما فيها واحد لكل خصلة رائدة لكل منشأ.
  3. احسب عدد عمليات اللحم اللازمة.
  4. احسب مجموع النوكليوتيدات المبلمرة (على خصلتي المورثوم كله).
  5. احسب مكافئات ATP المنفقة على البلمرة، والمعدل الوسطي بوحدة ATP في الثانية على مدى الطور S.
  6. قارن مع دوران ATP في خلية مستريحة، وهو نحو 10910^9 في الثانية: فأي كسر من طاقة الخلية يذهب إلى البلمرة؟

الجزء الثالث — الأخطاء.

  1. احسب عدد الأخطاء في طور S واحد عند كل من معدلات الخطأ الثلاثة.
  2. التسلسل المشفِّر لمورّثة 1.5 kb1.5\,\mathrm{kb}. فمع الآلة الكاملة، ما احتمال أن تكتسب مورّثة معينة طفرة في انقسام واحد؟
  3. تخضع خلايا الشخص لنحو 101610^{16} انقسام في العمر. فكم طفرة في المجموع، عند 10−910^{-9}؟ ولماذا يحتمل الجسم هذا؟
  4. طفرة تعطّل إصلاح عدم التطابق. فبأي عامل يرتفع معدل الطفرات، وماذا يفعل هذا بخطر السرطان على مدى العمر؟

الجزء الرابع — البكتيريا. E. coli: 4.6 Mb4.6\,\mathrm{Mb}، ومنشأ واحد، وشوكتان.

  1. احسب زمن تضاعف الصبغي.
  2. في وسط غني تنقسم الخلية كل 20 min20\,\mathrm{min}. فكم جولة تضاعف تجري في آن، وكم منشأً تحمل خلية وليدة؟
  3. احسب عدد قطع أوكازاكي لكل جولة وفي الثانية.
  4. احسب الأخطاء لكل جولة عند 10−910^{-9} وكسر الخلايا الوليدة الحاملة لطفرة جديدة.
  5. مزرعة من 10910^9 خلية في المليلتر تنقسم مرة. فكم طفرة جديدة تظهر في مليلتر، وكم منها يصيب مورّثة معينة من 1 kb1\,\mathrm{kb}؟
  6. فسّر لماذا يمكن أن تُوجد مقاومة المضادات الحيوية في أي مزرعة كبيرة تقريبًا من سلالة حساسة.
  7. قارن الكائنين: أزواج القواعد، والمناشئ، وسرعة الشوكة، ومدة الطور S، والتصميم الذي يتيح نسخ المورثوم الأكبر في زمن مقارب.
  8. اذكر النتيجة: أدنى عدد من المناشئ لطور S بشري مدته 8 h8\,\mathrm{h}، والعدد الحقيقي والمباعدة.
حل

حل المسألة 18.1.

1. 50×28 800=1.44×106 bp50\times 28\,800 = 1.44 \times 10^{6}\,\mathrm{bp}. 2. 2.88×106 bp2.88 \times 10^{6}\,\mathrm{bp}. 3. 6.4×109/2.88×106=22206.4 \times 10^{9}/2.88 \times 10^{6} = 2220 منشأ. 4. 2.9 Mb2.9\,\mathrm{Mb}، أي 2.9×106×0.34 nm=0.98 mm2.9\times 10^6\times 0.34\,\mathrm{nm} = 0.98\,\mathrm{mm} من DNA بين المناشئ. 5. 6.4×109/40 000=160 kb6.4 \times 10^{9}/40\,000 = 160\,\mathrm{kb} مباعدةً؛ وكل شوكة تقطع نحو 80 kb80\,\mathrm{kb}، أي عمل نصف ساعة. 6. 125 Mb125\,\mathrm{Mb} لكل شوكة عند 50 bp/s50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}: أي 2.5×1062.5 \times 10^{6} ثانية، أي 29 يومًا. 7. سرعة الشوكة تحدها الكيمياء والصبغين (فهي أبطأ عشرين مرة مما عند البكتيريا)؛ أما المناشئ فيمكن تكثيرها بلا حد، فيُقصَّر الطور S بإضافة نقاط بدء لا بإسراع الشوكات. 8. تركيب الخصلة المتأخرة يغطي نصف المورثوم، أي 3.2×1093.2 \times 10^{9} نوكليوتيد: أي 2.1×1072.1 \times 10^{7} قطعة (فلكل شوكة من شوكتي كل منشأ خصلة متأخرة، والنصفان يجمعان مورثومًا كاملًا). 9. 2.1×107+2×40 000=2.1×1072.1 \times 10^{7} + 2\times40\,000 = 2.1 \times 10^{7} بادئ. 10. نحو 2.1×1072.1 \times 10^{7} عملية لحم (واحدة لكل قطعة) زائد واحدة لكل التقاء شوكتين. 11. 2×6.4×109=1.28×10102\times6.4 \times 10^{9} = 1.28 \times 10^{10} نوكليوتيد. 12. 2.56×10102.56 \times 10^{10} ATP؛ وعلى مدى 28 800 s28\,800\,\mathrm{s}، 8.9×1058.9 \times 10^{5} في الثانية. 13. نحو 0.1 %0.1\,\% من دوران ATP في الخلية: فالبلمرة رخيصة؛ والمكلف هو صنع النوكليوتيدات والهستونات. 14. 64 00064\,000، و640، و6.4 خطأ. 15. 1500×10−9=1.5×10−61500\times 10^{-9} = 1.5 \times 10^{-6}: أي مورّثة واحدة من سبعمئة ألف في كل انقسام. 16. 1016×6.4=6.4×101610^{16}\times 6.4 = 6.4 \times 10^{16} طفرة — أي كل تغير مفرد ممكن في المورثوم مرات كثيرة، موزعًا على 101310^{13} خلية: فيقع جلها في DNA غير مشفِّر أو في خلايا تُطرح، والخلية المطفَّرة واحدة بين مليارات؛ ولا يهم إلا تراكيب قليلة في خلية واحدة. 17. مئة ضعف (10−710^{-7}): فتتابع الطفرات الذي يصنع سرطانًا، وهو يستغرق عقودًا في التراكم عند 10−910^{-9}، يتراكم أبكر بكثير — والعيوب الموروثة في إصلاح عدم التطابق تسبب سرطان القولون في مطلع الرشد. 18. 2.3×1062.3 \times 10^{6} زوج لكل شوكة عند 1000 bp/s1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}: أي 2300 s2300\,\mathrm{s}، أي 38 min38\,\mathrm{min}. 19. نحو جولتين متداخلتين؛ والخلية الوليدة تحمل منشأين (كل منهما متضاعف مرة أصلًا) وشوكات في منتصف الطريق: فصبغيها متضاعف جزئيًا عند الولادة. 20. 4.6×106/1500=30704.6 \times 10^{6}/1500 = 3070 قطعة لكل جولة، أي نحو 1.3 في الثانية. 21. 4.6×106×10−9=4.6×10−34.6 \times 10^{6}\times 10^{-9} = 4.6 \times 10^{-3} خطأ لكل جولة: أي نحو وليدة واحدة من 200 تحمل طفرة جديدة. 22. 109×4.6×10−3=4.6×10610^9\times4.6 \times 10^{-3} = 4.6 \times 10^{6} طفرة جديدة في المليلتر؛ ومورّثة معينة من 1 kb1\,\mathrm{kb} تُصاب 4.6×106×1000/4.6×106=10004.6 \times 10^{6}\times 1000/4.6 \times 10^{6} = 1000 مرة. 23. فمع ألف طفرة مستقلة في أي مورّثة معينة في المليلتر لكل انقسام، يكون كل تغير مفرد ممكن — ومنها ما يمنح المقاومة — موجودًا أصلًا في مزرعة كبيرة قبل تطبيق المضاد الحيوي؛ فالدواء ينتقي ولا يخلق. 24. الإنسان: 6.4×1096.4 \times 10^{9} زوج، و40 00040\,000 منشأ، و50 bp/s50\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}، و8 h8\,\mathrm{h}. والبكتيريا: 4.6×1064.6 \times 10^{6} زوج، ومنشأ واحد، و1000 bp/s1000\,\mathrm{bp}/\mathrm{s}، و40 min40\,\mathrm{min}. فمورثوم أكبر بألف مرة، تنسخه شوكات أبطأ بعشرين مرة، في اثني عشر ضعف الزمن فقط: والفرق هو عشرات آلاف المناشئ العاملة على التوازي. 25. نحو 22002200 منشأ كحد أدنى، لو انطلقت كلها دفعة واحدة؛ وفي الواقع نحو 40 00040\,000، واحد كل 160 kb160\,\mathrm{kb}، تنطلق تباعًا فتقطع كل شوكة نحو 80 kb80\,\mathrm{kb}.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (479) في المسرد