الأساس الكيمياوي للوراثة Chemical Basis of Heredity

لم تعرف ماهية المادة الوراثية إلا في العقد الرابع من هذا القرن إذ كان الجدل قبل ذلك قائماً حول المادة الوراثية وهل هي من السكريات أو البروتينات أو المادة النووية (الأحماض النووية) ومن أولى التجارب التي دلت على أن المادة الوراثية هي المادة النووية تلك التي أجريت على ظاهرة التحول (Transformation) في البكتريا فقد لاحظ العالم فردريك كريفيث Fredrick Griffith في عام 1928م هذه الظاهرة في بكتريا (Diplococcus pneumoniae) وقد سميت هذه الظاهرة وقتها تأثير كريفيث (Griffith effect) وتعتبر هذه البكتريا احد مسببات مرض التهاب الرئة والسلالة المرضية لهذه البكتريا تكون محاطة بغلاف متعدد السكريان (Polysaccharide capsule) ومستعمراتها على الوسط الغذائي الصلب تكون ذات نمط ظاهري لامع وناعم ويرمز لها بالحرف S وتوجد سلالة أخرى لهذه البكتريا غير مرضية ولا تستطيع تكوين الغلاف لذلك يكون نمط مستعمراتها الظاهري خشناً ويرمز له بالحرف R وعند حقن الفئران بالبكتريا الحية من النوع S فإنها ستمرض ومن ثم تموت . وحقن هذه الفئران بالبكتريا S الميتة (نتيجة المعاملة بالحرارة) سوف لا تسبب موتها ولكن إصابة الفئران بخليط البكتريا الميتة S والبكتريا الحية R سيسبب قتل الفئران , وتم عزل بكتريا حية من نوع S من الفئران الميتة ويستنتج من هذه التجربة بأن قسماً من بكتريا R قد أخذت الجينات الضرورية من البكتريا الميتة وكونت غلافاً من متعدد السكريات وأصبحت مرضية ولا يمكن تفسير ذلك على ضوء نظرية الطفرة لكون نسبة الخلايا البكتيرية المتحولة من R إلى S عالية جداً مقارنة بالتكرار الطفوري الحاصل من تحول R إلى S . تمكن كل من افري وماكليئويد وماكارتي Avery, Macleod and Macarty في سنة 1944م من إعادة تجربة Griffith بطريقة أخرى فقد تمت حضانة البكتريا غير المرضية R في أنبوبة اختبار تحتوي على مادة الـ DNA مستخلصة ومنقاة من بكتريا S وتم الحصول على بكتريا مرضية من نوع S . إن التحول يكون سالباً من  Rإلى S إذا ما أجريت التجارب بوجود المواد التالية بصورة نقية : متعدد السكريات (Polysaccharides) المستخلص من غلاف البكتريا , مختلف البروتينات الخلوية , حامض الـ RNA . ولم يتم الحصول على نتائج ايجابية إلا بوجود مادة الـ DNA . وتختفي قابلية مادة الـ DNA بالتحول بوجود إنزيم الـ DNA ase الذي يتلف بصورة متخصصة هذه المادة .

وتأكدت التجارب الخاصة بالتحول بالعمل الذي قام به كل من زندر وليدربرج (Zinder and Lederberg) في 1952م , وفيه استعملت سلالات بكتريا Salmonella typhimurium التالية :

وقد استعمل هذا الرائق مرة أخرى وأضيف إليه إنزيم الـ DNA ase ومن ثم أضيف الرائق إلى معلق خلايا السلسلة (1) وزرعت عينة من هذا المعلق على وسط غذائي أدنى وهنا أيضاً تم الحصول على عدد كبير من المستعمرات غير المحتاجة للحامضين الامينيين . وهذا يعني أيضاً أن هذه الظاهرة لا تشبه ظاهرة التحول . وحصل على مثل هذه النتائج عند استعمال راشح السلالة (2) . وتبين أن العامل met⁺ يستطيع أن يمر من خلال ورقة الترشيح التي تمنع مرور البكتريا ولكن لا تمنع مرور الفايروس وعند استعمال راشح السلالة (1) (met^- thr⁺) لمظهر مستعمرات عديمة العوز الغذائي وتأكد أن السلالة (2) تأوي فايروساً (P₂₂) وانه هو العامل (met⁺) وباستعمال مادة (DNA ase) اقتنع زيندر و ليدربرج بان العامل (met⁺) يتواجد داخل الفايروس والتي مادته الوراثية هي الـ DNA أيضاً . وأطلق على هذه الظاهرة بالتوصيل Transduction والتي هي بصورة جوهرية تشبه التحول ولكن يتم نقل المادة الوراثية عن طريق فايروس .

وبرهن كل من هيرش وشيس Hershy and Chase من إن المادة الوراثية في الراشح T₂ ما هي إلا DNA لا غيرها بإستعمال النظائر المشعة واستفاد الباحثان  من حقيقة أن مادة الـ DNA تحتوي على الفسفور في حين أن المادة البروتينية للراشح (للفايروس) تحتوي على مادة الكبريت ولا تحتوي على الفسفور . حيث تبين إن الإشعاع يكون فقط داخل البكتريا عند إصابتها بـ P³²- T₂ . وباستعمال S³⁵- T₂ لإصابة البكتريا فإن الإشعاع يلاحظ فقط خارج البكتريا وهذه التجربة توضح أن المادة الوراثية DNA تنفصل عن بروتين الفايروس T₂ خلال عملية إصابة البكتريا حيث تدخل المادة الوراثية في البكتريا من اجل تكاثر الفايروس أما البروتين الفايروسي فيظهر أن عمله بصورة أساسية ادمصاص الراشح على الخلية البكتيرية المضيفة .

وفي الكائنات الحية التي لا تحتوي على مادة الـ DNA فإن المادة الوراثية لها ستكون مادة الـ RNA كما هو ملاحظ في عدد من الفايروسات التي تمتلك هذه الحامض النووي وقد أوضح كل من جيرر وشرام Gierer and Schramm في 1956م إن نبتة التبغ يمكن إصابتها بمادة الـ RNA المستخلصة والمنقاة من الراشح (Tobacco Mosaic Virus) TMV حيث تتكون بقع على التبغ مشابهة لتلك التي تحدث عند إصابة النبات في الراشح الكامل .

تركيب المادة الوراثية :

بين التحليل الكيمياوي للأحماض النووية بنوعيها الـ DNA و الـ RNA وجود الجزيئات التالية :

1. مجموعتان مختلفتان من القواعد النايتروجينية وهما : البيورينات (Purines) والبيرميدينات (Pyrimidines) , وتعتبر القواعد النايتروجينية الأدنين (Adinine) والجوانين (Guaninie) أكثر البيورينات شيوعاً في الـ DNA . وبدلاً من الثايمين يتواجد اليوراسيل (Uracil) في الـ RNA .
2. السكر الخماسي (5- كاربون) والمعروف بالبنتوز (Pentose) ويكون بشكل Deoxyribose في الـ DNA وبشكل Ribose الـ RNA .
3. مجموعة الفوسفات (po₄) : وتستطيع البيورينات أو البيرميدينات من الاتحاد مع السكر الخماسي معطية النيوكليوسيدة (Nucleoside) . وباتحاد مجموعة الفوسفات بالنيوكلوسيدة نحصل على النيوكلوتيدة (Nucleoside) والجزيئات العملاقة للمادة الوراثية DNA تتكون من سلسلتين من متعدد النيوكلوتيدات (Polynucleodes) . وفي عام 1953م اقترح كل من واطسون (Watson) وكريك (Crick) إن بناء مادة الـ DNA يكون بشكل حلزنة مزدوجة Double helix لهاتين السلسلتين . وجاء هذا الافتراض مبنياً على حقائق عديدة منها ما اكتشفه جاركاف (Chargaff) من إن المجموع الكلي لجزيئات الأدنين A تساوي دائماً المجموع الكلي لجزيئات الثايمين T وإن الجوانين G يساوي السايتوسين C .

وتبين أن A يتحد مع T بواسطة آصرتين هايدروجينيتين . أما C فيتحد مع G من خلال ثلاثة أواصر هايدروجينية . ودرس واطسن وكرك نمط انحراف الأشعة السينية X-ray diffraction pattern لخيوط الـ DNA المستخلصة والمنقاة . وتبين أن هذه الخيوط ما هي إلا جزيئات عملاقة ذات بناء حلزوني منتظم . والحلزنة المزدوجة للجزيئات العملاقة للمادة الوراثية DNA يتكون إطارها الخارجي من سكر وفوسفات , أما القواعد النايتروجينية فتتواجد داخل هذا التركيب .

أما الحامض النووي RNA فيتكون بصورة عامة من سلسلة من متعدد النيوكلوتيدات . وتعدد وظائفه في الخلايا بدائية وحقيقية النواة . وتوجد ثلاثة أشكال من هذه الجزيئات العملاقة وهي :

1. الحامض النووي المراسل mRNA ووظيفته نقل المعلومات الوراثية من المادة النووية DNA إلى الرايبوسوم .
2. الحامض النووي الناقل tRNA ويتواجد في السايتوبلازم ومهمته نقل الأحماض الامينية المنشطة إلى الرايبوسوم .
3. الحوامض النووية الرايبوسومية rRNA , حيث تشترك هذه الجزيئات العملاقة في بناء الرايبوسوم .

تكرار المادة الوراثية 

عندما تنقسم الخلية إلى خليتين فإن الخلايا الجديدة تحتوي على جميع المعلومات الوراثية المتواجدة أصلاً في الخلية الأم . ولا يمكن أن يحدث هذا بدون تضاعف المادة الوراثية في الخلية الأم .

إن الأواصر الهيدروجينية التي تربط القواعد النايتروجينية ببعضها في الحلزنة المزدوجة للـ DNA هي ضعيفة بطبيعتها وتبدأ بالانفصال وتبدأ بالانفصال عن بعضها بمساعدة أنزيمات خاصة , وكل سلسلة ستكون القالب (Template) لبناء السلسلة الجديدة شكل (1) . ومادة هذه السلسلة تكون من النيوكلوتيدات الحرة الموجودة السايتوبلازم . وتشترك في عملية تكرار المادة الوراثية أنزيمات عديدة منها DNA Polymerase و DNA Ligase وغيرها . ويعرف تكرار المادة الوراثية بالـ Semiconservative .

شكل (1) تكرار المادة الوراثية .

استنساخ المادة الوراثية  Transcription

إن المادة الوراثية المتمثلة بالحامض النووي DNA ما هي إلا مخزن للمعلومات ولا تعبر عن نفسها إلا عن طريق احد أشكال حامض نووي آخر هو RNA وهذه المادة تعرف بالمراسل mRNA ومهمتها إيصال المعلومات الوراثية من الـ DNA إلى مصنع المادة البروتينية في الخلية (الرايبوسوم) ,ويتم استنساخ المادة الوراثية بمساعدة أنزيم الـ RNA Polymerase حيث يتحد بمناطق معينة على جزيئة الـ DNA ومن ثم يستنسخ سلسلة واحدة من الحلزنة المزدوجة للمادة الوراثية .

الشفرة الوراثية  Genetic Code

إن العلاقة بين البروتين والمادة الوراثية وثيقة ولو بشكل غير مباشر . وتعتبر حصيلة البحوث في هذا المجال والتي أدت إلى معرفة القاموس الوراثي للأحماض الامينية والتي هي وحدات بناء البروتينات من اكبر الانجازات العلمية في الحياة البشرية . ومن الناحية النظرية توجد أربعة أنواع من القواعد النايتروجينية في الحامض النووي DNA وهي الأدنين A والجوانين G والسايتوسين C والثايمين .

أما عدد الأحماض الامينية فلا يتجاوز عددها العشرين نوعاً لذلك فإنه من البديهي أن يكون هناك أكثر من قاعدة نايتروجينية واحدة ترمز إلى حامض أميني واحد . فإذا ما رتبت القواعد النايتروجينية الأربعة على شكل مجاميع كل منها تتكون من قاعدتين فتكون الحصيلة ²4 = 16 زوجاً مختلفاً وهذا خلاف الواقع وعلى هذا فمن الممكن الاستنتاج من أن الشفرة الوراثية تتألف من أكثر من حرفين وهكذا فإذا ما كانت الشفرة الوراثية تتألف من ثلاثة حروف فإن الحروف الأربعة سوف تشكل ²4 = 64 شفرة وراثية لعشرين حامضاً أمينياً ولهذا يعني إن للحامض الأميني الواحد أكثر من شفرة واحدة . وأثبتت التجارب البايوكيميائية هذا الاستنتاج . حيث تبين وجود 64 شفرة وراثية منها 61 يخص 20 حامض أميني والشفرات الثلاثة الباقية لا تخص أياً من الحوامض الامينية ولذلك عرفت بالشفرات المُنهية Terminating Codons وعرفت أيضاً بشفرات Nonsense .

إن وجود أكثر من شفرة لحامض أميني تختلف بحرف واحد سيؤدي إلى تقليل حدوث الطفرات . وبينت الدراسات الوراثية والبايوكيميائية المختلفة من إن الشفرة الوراثية أو القاموس الوراثي عام لكل الكائنات الحية .

عملية بناء البروتين

تعتبر المواد البروتينية من المواد الأساسية لإعطاء النمط المظهري للكائن الحي . فالبروتينات قد تكون لها مهام وظيفية (أي أنزيمية) أو تركيبية (أي تدخل في بناء الخلية) .

ويصنع البروتين في الرايبوسوم في كل أنواع الخلايا من بدائية وحقيقية النواة , وتتم عملية البناء الحيوي للبروتين عن طريق حدوث آصرة ببتيدية بين الحامضين الامينيين المحمولين على الحامض النووي الناقل tRNA . ولكل حامض نووي ناقل منطقة Anticodon تقابل الشفرة الوراثية Codon المناسبة في المراسل حيث تكون الأواصر الهيدروجينية بينهما وتستمر عملية بناء متعدد الببتايد حتى انتهاء عملية صنع البروتين . وتبتدئ عملية صنع البروتين بالشفرة AUG وتنتهي بأحد شفرات الانتهاء .

وعند حصول تغيير ما في الشفرة الوراثية في الـDNA  فإن هذا التغيير سوف ينتقل إلى البروتين عن طريق التغيير الحاصل في الأحماض الامينية لذلك ينتج بروتين يختلف عن البروتين الطبيعي . وقد تتغير صفاته بحيث يؤدي إلى شكل مظهري لا يشبه النمط المظهري الطبيعي . وهنا ما تحصل لدينا ما يعرف بالطفرة .