الهدف
بنهاية هذا الدرس، يكون الطالب قادرًا على وصف تركيب جزيء DNA وفقًا لنموذج واطسون وكريك، وتحديد قواعد الاقتران التكاملي بين القواعد النيتروجينية.
شرح الدرس
بعد إثبات أن DNA هو المادة الوراثية في الدرس السابق، توصل العالمان جيمس واطسون وفرانسيس كريك في عام 1953 إلى النموذج التركيبي لجزيء DNA، مستفيدين من صور حيود الأشعة السينية التي التقطتها روزاليند فرانكلين.
يتكون جزيء DNA من سلسلتين لولبيتين (حلزون مزدوج) ملتفتين حول محور مشترك، وكل سلسلة مكونة من وحدات متكررة تسمى النيوكليوتيدات. تتكون كل نيوكليوتيدة من ثلاثة مكونات: سكر خماسي (deoxyribose)، ومجموعة فوسفات، وقاعدة نيتروجينية.
توجد أربع قواعد نيتروجينية في DNA: قاعدتان بيوريّتان كبيرتان (الأدينين A والجوانين G)، وقاعدتان بيريميدينيتان أصغر (الثايمين T والسيتوزين C). يرتبط شريطا DNA معًا عبر روابط هيدروجينية بين القواعد المتقابلة، وفقًا لقاعدة اقتران تكاملي صارمة: يرتبط الأدينين (A) دائمًا مع الثايمين (T) (برابطتين هيدروجينيتين)، ويرتبط الجوانين (G) دائمًا مع السيتوزين (C) (بثلاث روابط هيدروجينية) — وهذا التكامل الدقيق (بيورين مع بيريميدين) هو ما يجعل قطر الحلزون المزدوج ثابتًا على طول الجزيء.
يترتب على قاعدة الاقتران التكاملي هذه نتيجة مهمة: معرفة تسلسل القواعد في شريط واحد من DNA يسمح باستنتاج التسلسل الكامل للشريط المقابل تلقائيًا — وهذا المبدأ هو الأساس الذي يُبنى عليه تضاعف DNA (نسخ الجزيء)، الموضوع الذي يتناوله الدرس التالي بالتفصيل.
أسئلة تدريبية
1. باحث يفحص شريط DNA ويجد تسلسل القواعد: A-T-G-C-A. ما التسلسل المتوقع للشريط المقابل بناءً على قاعدة الاقتران التكاملي؟
عرض الإجابة
T-A-C-G-T (A مع T، وG مع C، بترتيب معكوس مقابل).
2. باحثة تحلل جزيء DNA وتجد أن 30% من قواعده هي الأدينين (A). بناءً على قاعدة الاقتران التكاملي، ما النسبة المتوقعة للثايمين (T) في هذا الجزيء؟
عرض الإجابة
30% أيضًا، لأن الأدينين يرتبط دائمًا بالثايمين بنسبة متساوية تقريبًا في جزيء DNA الكامل.
3. طالب يفحص نموذجًا لجزيء DNA ويجد أن قطر الحلزون المزدوج ثابت على طوله بالكامل. ما التفسير العلمي لهذا الثبات، بناءً على نوعي القواعد النيتروجينية؟
عرض الإجابة
التكامل الدقيق بين قاعدة بيورينية كبيرة (A أو G) وقاعدة بيريميدينية أصغر (T أو C) في كل موضع، مما يحافظ على قطر ثابت للحلزون.
4. باحث يحاول تصنيع شريط DNA مقابل بشكل خاطئ، فيربط الأدينين (A) بالجوانين (G) بدلًا من الثايمين. ما الخطأ في هذا الربط، بناءً على قاعدة الاقتران التكاملي؟
عرض الإجابة
هذا ربط غير صحيح – الأدينين يرتبط دائمًا بالثايمين (T)، لا بالجوانين (G)؛ فالجوانين يرتبط بالسيتوزين (C) فقط.
5. باحثة تحلل عينة DNA وتجد أن عدد الروابط الهيدروجينية بين شريطيه يختلف باختلاف موضع القواعد (بعضها برابطتين، وبعضها بثلاث). أي زوج من القواعد يرتبط بثلاث روابط هيدروجينية؟
عرض الإجابة
الجوانين (G) مع السيتوزين (C).
6. طالب يسأل: “إذا عرفنا تسلسل القواعد في شريط واحد فقط من DNA، هل يمكننا استنتاج تسلسل الشريط المقابل بالكامل؟” ما الإجابة الصحيحة، ولماذا؟
عرض الإجابة
نعم، بناءً على قاعدة الاقتران التكاملي (A مع T، وG مع C)، يمكن استنتاج التسلسل الكامل للشريط المقابل تلقائيًا من معرفة تسلسل شريط واحد فقط.
7. باحث يفحص جزيء DNA مأخوذًا من كائن معين، ويجد نسبة أعلى من الجوانين والسيتوزين مقارنة بالأدينين والثايمين. ماذا يتوقع أن يكون تأثير هذا على استقرار الجزيء (بناءً على عدد الروابط الهيدروجينية)؟
عرض الإجابة
استقرارًا أعلى نسبيًا، لأن الجوانين والسيتوزين يرتبطان بثلاث روابط هيدروجينية (أقوى)، بخلاف رابطتين فقط بين الأدينين والثايمين.
8. طالب يفحص نيوكليوتيدة واحدة من DNA تحت الميكروسكوب الافتراضي، ويسأل: “من كم مكون تتكون هذه النيوكليوتيدة؟” ما الإجابة الصحيحة؟
عرض الإجابة
ثلاثة مكونات: سكر خماسي (ديوكسي ريبوز)، مجموعة فوسفات، وقاعدة نيتروجينية.
9. باحثة تحلل صور حيود الأشعة السينية لجزيء DNA (كتلك التي استخدمها واطسون وكريك)، وتستنتج شكلًا حلزونيًا مزدوجًا. من العالمة التي التقطت هذه الصور المهمة، والتي استفاد منها واطسون وكريك؟
عرض الإجابة
روزاليند فرانكلين.
10. باحث يحاول تصنيع نيوكليوتيدة تحتوي على قاعدتين نيتروجينيتين بيوريتين معًا (A وG) في الموضع نفسه. ما الخطأ في هذا التصميم، بناءً على تركيب النيوكليوتيدة الطبيعي؟
عرض الإجابة
كل نيوكليوتيدة تحتوي على قاعدة نيتروجينية واحدة فقط، لا قاعدتين معًا؛ التصميم المفترض يخالف التركيب الطبيعي لجزيء DNA.
11. طالب يقارن بين قاعدتين: الأدينين والسيتوزين، ويسأل: “هل يمكن أن يرتبطا معًا مباشرة في جزيء DNA الطبيعي؟” ما الإجابة الصحيحة؟
عرض الإجابة
لا، الأدينين يرتبط بالثايمين فقط، والسيتوزين يرتبط بالجوانين فقط؛ الأدينين والسيتوزين لا يرتبطان معًا في الاقتران التكاملي الطبيعي.
12. باحثة تفحص جزيء DNA وتجد نسبة الأدينين إلى الثايمين تساوي 1:1 تمامًا، ونسبة الجوانين إلى السيتوزين تساوي 1:1 أيضًا. ما التفسير العلمي لهذا التطابق الدقيق في النسب؟
عرض الإجابة
هذا نتيجة مباشرة لقاعدة الاقتران التكاملي، حيث يرتبط كل أدينين بثايمين واحد بالضبط، وكل جوانين بسيتوزين واحد بالضبط، عبر الجزيء بأكمله.