ما هو الحمض النووي وما أهميته؟

الحمض النووي، أو حمض الديوكسي ريبونوكلييك (Deoxyribonucleic Acid)، هو جزيء معقد يحمل المعلومات الوراثية لجميع الكائنات الحية. يوجد الحمض النووي في كل خلية من خلايا الجسم، وهو يحدد سماتنا الجسدية، مثل لون العين، ولون الشعر، والطول، وفصيلة الدم. يلعب الحمض النووي أيضاً دوراً حيوياً في تطور جميع الكائنات الحية وعملها ونموها وتكاثرها.

ولكن مما يتكون الحمض النووي؟ كيف يتم تخزين ونقل المعلومات الوراثية؟ ومن اكتشف بنيتها ووظيفتها؟ وكيف يمكننا تعديل الحمض النووي ومعالجته لأغراض مختلفة؟ في هذه المقالة، سنجيب على هذه الأسئلة وأكثر، بينما نستكشف عالم الحمض النووي الرائع.

مم يتكون الحمض النووي؟

الحمض النووي عبارة عن بوليمر (polymer)، مما يعني أنه يتكون من العديد من الوحدات المتكررة التي تسمى النيوكليوتيدات (nucleotides). يتكون كل نيوكليوتيد من ثلاثة أجزاء: سكر يسمى ديوكسي ريبوز (deoxyribose)، ومجموعة فوسفات، وقاعدة نيتروجينية. توجد أربعة أنواع من القواعد النيتروجينية في الحمض النووي: الأدينين (A)، والثايمين (T)، والجوانين (G)، والسيتوزين (C). هذه القواعد هي حروف الشفرة الوراثية (genetic code)، وتقترن مع بعضها البعض بطريقة محددة: A مع T، وG مع C.

ترتبط النيوكليوتيدات معاً بواسطة روابط تساهمية بين سكر أحد النيوكليوتيدات وفوسفات النيوكليوتيدات التي تليها، لتشكل العمود الفقري للسكر والفوسفات. تخرج القواعد النيتروجينية من العمود الفقري وتشكل روابط هيدروجينية مع القواعد التكميلية الموجودة على شريط آخر من الحمض النووي. بهذه الطريقة، يلتف شريطان من الحمض النووي حول بعضهما البعض ليشكلا حلزوناً مزدوجاً، والذي يشبه السلم الملتوي. الحلزون المزدوج هو الشكل الأكثر شيوعاً للحمض النووي في الخلايا الحية، ولكن ثمة اختلافات أخرى أيضاً.

كل شريط من الحمض النووي له اتجاهية، مما يعني أن له طرفين مختلفين: أحدهما يحتوي على مجموعة فوسفات مكشوفة 5’، والآخر يحتوي على مجموعة هيدروكسيل مكشوفة 3′ (-OH). يسير شريطا الحمض النووي في اتجاهين متعاكسين لبعضهما البعض، ولهذا السبب يطلق عليهما اسم مضاد التوازي (antiparallel). اتجاهية الحمض النووي مهمة لتكرارها والتعبير عنها.

كيف يعمل الحمض النووي ويتغير؟

يعمل الحمض النووي عن طريق توجيه تخليق الحمض النووي الريبي (RNA) والبروتينات المسؤولة عن تنفيذ العمليات الخلوية المختلفة. الحمض النووي الريبي (RNA) هو جزيء أحادي السلسلة يشبه الحمض النووي (DNA)، باستثناء أنه يحتوي على سكر مختلف (الريبوز) وقاعدة مختلفة (اليوراسيل بدلاً من الثايمين). يمكن أن يعمل الحمض النووي الريبي (RNA) كرسول أو منظم أو إنزيم.

تسمى عملية صنع الحمض النووي الريبي (RNA) من الحمض النووي (DNA) بالنسخ، وتحدث في النواة. تسمى عملية صنع البروتينات من الحمض النووي الريبي (RNA) بالترجمة، وتحدث في السيتوبلازم. يحدد تسلسل القواعد في الحمض النووي تسلسل الأحماض الأمينية في البروتينات، والذي بدوره يحدد شكلها ووظيفتها.

يمكن أن يتغير الحمض النووي أو يتحور بسبب أخطاء في التكاثر أو العوامل البيئية أو الأحداث العشوائية. بعض الطفرات مفيدة، وبعضها ضار، وبعضها محايد. يمكن أن تؤثر الطفرات على بنية البروتينات أو وظيفتها، أو تغير تنظيم التعبير الجيني. يمكن للطفرات أيضاً أن تخلق تبايناً بين المجموعات السكانية، وهو أساس التطور.

اكتشاف الحمض النووي

تم عزل المادة الكيميائية للحمض النووي لأول مرة بواسطة فريدريش ميشر في عام 1869 من نواة خلايا الدم البيضاء. ومع ذلك، لم يكن يعرف وظيفة أو بنية الحمض النووي. في عام 1944، أظهر أوزوالد أفيري وزملاؤه أن الحمض النووي هو المادة التي تحمل المعلومات الوراثية في البكتيريا. وفي عام 1952، أكد ألفريد هيرشي ومارثا تشيس أن الحمض النووي هو أيضاً المادة الوراثية في الفيروسات. في عام 1953، اقترح جيمس واتسون وفرانسيس كريك نموذج الحلزون المزدوج لبنية الحمض النووي بناءً على بيانات حيود الأشعة السينية التي حصلت عليها روزاليند فرانكلين وموريس ويلكنز. كان اكتشافهم إنجازاً كبيراً في علم الأحياء وحصلوا على جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب عام 1962.

وظيفة الحمض النووي

وتتمثل المهمة الرئيسة للحمض النووي في تخزين ونقل المعلومات الوراثية من جيل إلى جيل. يتم ترميز المعلومات الوراثية في تسلسل النيوكليوتيدات على طول شريط الحمض النووي. كل جزء من الحمض النووي يحتوي على تعليمات لصنع بروتين أو جزيء RNA وظيفي يسمى جيناً. يحدد التعبير الجيني خصائص ووظائف الخلايا والكائنات الحية. وللحمض النووي أيضًا وظائف أخرى، مثل إصلاح نفسه عند تلفه، وتنظيم تكاثره، والمشاركة في العمليات الخلوية المختلفة.

حقائق عن الحمض النووي

فيما يلي بعض الحقائق المثيرة للاهتمام حول الحمض النووي:

• يحتوي الجينوم البشري على حوالي 3 مليارات زوج أساسي من الحمض النووي، والتي يمكن أن تمتد لحوالي 2 متر إذا تم وضعها من طرف إلى طرف.
• يحتوي الجينوم البشري على حوالي 20.000 إلى 25.000 جين، والتي تمثل حوالي 1٪ فقط من إجمالي تسلسل الحمض النووي. ويشارك باقي الحمض النووي في تنظيم التعبير الجيني أو له وظائف غير معروفة.
• الجينوم البشري متطابق بنسبة 99.9% بين جميع الأفراد، ولكن لا يزال هناك حوالي 3 ملايين اختلاف يجعل كل شخص فريداً.
• يتشابه الجينوم البشري مع الشمبانزي بنسبة 98%، والفئران بنسبة 85%، والموز بنسبة 50%، والملفوف بنسبة 40%.
• يمكن أن يتلف الحمض النووي بسبب عوامل مختلفة، مثل الأشعة فوق البنفسجية، أو المواد الكيميائية، أو الفيروسات، أو الأخطاء أثناء النسخ. ومع ذلك، فإن الحمض النووي لديه آليات لإصلاح نفسه أو منع المزيد من الضرر.
• يمكن استخدام الحمض النووي في تطبيقات مختلفة، مثل علوم الطب الشرعي، والعلاج الجيني، والتكنولوجيا الحيوية، والزراعة، والطب، واختبار الأنساب.

ما هي فوائد واستخدامات الحمض النووي؟

للحمض النووي العديد من الفوائد والاستخدامات في مجالات مختلفة مثل الطب والتكنولوجيا الحيوية والطب الشرعي والزراعة. بعض الأمثلة هي:

• يمكن استخدام اختبار الحمض النووي لتشخيص الأمراض الوراثية، أو تحديد الأبوة أو النسب، أو مطابقة المتبرعين بالأعضاء أو المتلقين لها، أو حل الجرائم.
• يمكن استخدام تسلسل الحمض النووي لتحليل جينوم الكائن الحي، أو تحديد الجينات أو المتغيرات، أو مقارنة الأنواع أو الأفراد المختلفين.
• يمكن استخدام تحرير الحمض النووي لتعديل الجينات أو تصحيحها، أو إنشاء كائنات معدلة وراثياً أو علاجات جينية، أو تعزيز السمات أو الوظائف.
• يمكن استخدام تخزين الحمض النووي لتخزين كميات كبيرة من البيانات بتنسيق مدمج ومتين.
• يمكن أن تثير أخلاقيات الحمض النووي تساؤلات حول ملكية أو خصوصية أو موافقة أو سلامة أو أخلاقيات التلاعب بالحمض النووي أو استخدامه.

ما هي بعض المفاهيم الخاطئة الشائعة حول الحمض النووي؟

الحمض النووي هو جزيء رائع يحمل المعلومات الوراثية للحياة. ومع ذلك، توجد أيضاً العديد من المفاهيم الخاطئة الشائعة حول الحمض النووي والتي يمكن أن تؤدي إلى الارتباك أو سوء الفهم. وفيما يلي بعض الأمثلة على هذه المفاهيم الخاطئة والحقائق وراءها:

• الحمض النووي هو مخطط الحياة: يعتقد الكثير من الناس أن الحمض النووي يشبه المخطط الذي يحدد كل جانب من جوانب بنية الكائن الحي ووظيفته. مهما يكن … هذه ليست الحقيقة. إن الحمض النووي أشبه بوصفة توفر تعليمات لصنع البروتينات والجزيئات الأخرى التي تتفاعل مع بعضها البعض ومع البيئة لإنتاج سمات وسلوكيات معقدة. لا يحدد الحمض النووي كل تفاصيل النمط الظاهري للكائن الحي، ولا يأخذ في الاعتبار تأثيرات علم الوراثة اللاجينية، والتعلم، والعوامل البيئية.
• يوجد جين لكل شيء: ثمة اعتقاد خاطئ شائع آخر وهو أن هناك جيناً واحداً يتحكم في سمة أو خاصية معينة، مثل الذكاء أو الشخصية أو القابلية للإصابة بالأمراض. ومع ذلك، وهذا نادراً ما يحدث، تتأثر معظم السمات بجينات متعددة تتفاعل مع بعضها بعضاً ومع العوامل البيئية. على سبيل المثال، لا يوجد “جين مثلي” واحد يحدد التوجه الجنسي، بل توجد مجموعة من العوامل الوراثية وغير الوراثية التي تؤثر على هذه السمة المعقدة.
• يُسْتَخْدَمُ شريط واحد فقط من الحمض النووي لتكوين الحمض النووي الريبي (RNA): قد يظن بعض الناس أن شريطاً واحداً فقط من شريطي الحمض النووي الموجودين في الحلزون المزدوج يستخدم لصنع الحمض النووي الريبي (RNA)، والذي يُترجم بعد ذلك إلى بروتينات. مهما يكن … هذه ليست الحقيقة. يمكن استخدام كلا شريطي الحمض النووي لتكوين الحمض النووي الريبي (RNA)، اعتماداً على الجينات التي يتم التعبير عنها في خلية أو نسيج معين. يُطلق على الشريط المُستخدم لتكوين الحمض النووي الريبي (RNA) اسم الشريط الحسي، بينما يُسمى الشريط الآخر الشريط المضاد للاتجاه.
• جميع الطفرات ضارة: قد يربط العديد من الأشخاص الطفرات بأمراض أو عيوب، ولكن هذا ليس صحيحاً دائماً. الطفرات هي تغييرات في تسلسل الحمض النووي يمكن أن تحدث بسبب أخطاء أثناء التكاثر، أو العوامل البيئية، وهذا كله محكوم بقضاء الله وقدره. معظم الطفرات محايدة أو ليس لها أي تأثير على النمط الظاهري للكائن الحي. يمكن أن تكون بعض الطفرات مفيدة وتوفر ميزة للبقاء أو التكاثر. الطفرات هي مصدر التنوع الجيني والتطور.

خاتمة

الحمض النووي هو جزيء رائع يحمل مخطط الحياة. وله هيكل معقد وأنيق يسمح له بتخزين المعلومات الوراثية ونقلها وتنظيمها. الحمض النووي هو أيضًا جزيء ديناميكي وقابل للتكيف ويمكنه الاستجابة للتغيرات في البيئة والتطور بمرور الوقت. الحمض النووي هو أساس التنوع البيولوجي ومصدر الهوية البشرية. ومن خلال فهم الحمض النووي، يمكننا أن نفهم أنفسنا والعالم من حولنا بشكل أفضل.