Skip to main content
Global

3.3: النواة وتكرار الحمض النووي

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    203319

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    أهداف التعلم

    • وصف هيكل وخصائص الغشاء النووي
    • ضع قائمة بمحتويات النواة
    • شرح تنظيم جزيء الحمض النووي داخل النواة
    • وصف عملية تكرار الحمض النووي

    النواة هي الأكبر والأبرز بين عضيات الخلية (الشكل\(\PageIndex{1}\)). تعتبر النواة عمومًا مركز التحكم في الخلية لأنها تخزن جميع التعليمات الجينية لتصنيع البروتينات. ومن المثير للاهتمام أن بعض الخلايا في الجسم، مثل خلايا العضلات، تحتوي على أكثر من نواة واحدة (الشكل\(\PageIndex{2}\))، والتي تُعرف باسم متعدد النواة. لا تحتوي الخلايا الأخرى، مثل خلايا الدم الحمراء للثدييات (RBCs)، على نوى على الإطلاق. تقوم كرات الدم الحمراء بإخراج نواتها عند نضجها، مما يوفر مساحة للأعداد الكبيرة من جزيئات الهيموجلوبين التي تحمل الأكسجين في جميع أنحاء الجسم (الشكل\(\PageIndex{3}\)). بدون نواة، يكون عمر كرات الدم الحمراء قصيرًا، وبالتالي يجب على الجسم إنتاج خلايا جديدة باستمرار.

    الشكل\(\PageIndex{1}\): النواة. النواة هي مركز التحكم في الخلية. تحتوي نواة الخلايا الحية على المادة الوراثية التي تحدد البنية الكاملة ووظيفة تلك الخلية.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): خلية العضلات متعددة النواة. على عكس خلايا عضلة القلب وخلايا العضلات الملساء، التي تحتوي على نواة واحدة، تحتوي خلية العضلات الهيكلية على العديد من النوى، ويشار إليها باسم «متعددة النواة». هذه الخلايا العضلية طويلة وليفية (غالبًا ما يشار إليها بألياف العضلات). أثناء التطور، تندمج العديد من الخلايا الصغيرة لتكوين ألياف عضلية ناضجة. يتم حفظ نوى الخلايا المنصهرة في الخلية الناضجة، وبالتالي إضفاء خاصية متعددة النواة على خلايا العضلات الناضجة. مل × 104.3. (صورة مصغرة مقدمة من حكام كلية الطب بجامعة ميشيغان © 2012)

    رمز QR يمثل عنوان URL

    شاهد منظار الويب الخاص بجامعة ميشيغان على 141.214.65.171/علم الأنسجة/Basi... svs/view.apml لاستكشاف عينة الأنسجة بمزيد من التفصيل.

    الشكل\(\PageIndex{3}\): خلايا الدم الحمراء تخرج نواتها. تفتقر خلايا الدم الحمراء الناضجة إلى النواة. عندما تنضج، تفرز كريات الدم الحمراء نواتها، مما يفسح المجال لمزيد من الهيموجلوبين. تُظهر اللوحتان هنا كريات الدم الحمراء قبل وبعد إخراج نواتها، على التوالي. (مصدر: تعديل صورة مجهرية مقدمة من حكام كلية الطب بجامعة ميشيغان © 2012)

    رمز QR يمثل عنوان URL

    شاهد منظار الويب الخاص بجامعة ميشيغان على VirtualSlides.med.umich.edu/h... svs/view.apml لاستكشاف عينة الأنسجة بمزيد من التفصيل.

    يوجد داخل النواة المخطط الذي يحدد كل ما ستفعله الخلية وجميع المنتجات التي ستصنعها. يتم تخزين هذه المعلومات داخل DNA. ترسل النواة «الأوامر» إلى الخلية عبر الرسائل الجزيئية التي تترجم المعلومات من الحمض النووي. تحتوي كل خلية في جسمك (باستثناء الخلايا الجرثومية) على المجموعة الكاملة من الحمض النووي الخاص بك. عندما تنقسم الخلية، يجب تكرار الحمض النووي بحيث تتلقى كل خلية جديدة مكملاً كاملاً من الحمض النووي. سوف يستكشف القسم التالي بنية النواة ومحتوياتها، بالإضافة إلى عملية تكرار الحمض النووي.

    تنظيم النواة وحمضها النووي

    مثل معظم العضيات الخلوية الأخرى، فإن النواة محاطة بغشاء يسمى الغلاف النووي. يتكون هذا الغطاء الغشائي من طبقتين دهنيتين متجاورتين مع مساحة سائلة رقيقة بينهما. تمتد المسامات النووية على هاتين الطبقتين. المسام النووية هي ممر صغير لمرور البروتينات والحمض النووي الريبي والمواد المذابة بين النواة والسيتوبلازم. تنظم البروتينات التي تسمى مجمعات المسام المبطنة للمسام النووية مرور المواد داخل وخارج النواة.

    يوجد داخل الغلاف النووي نوكليوبلازم يشبه الهلام مع مذيبات تتضمن اللبنات الأساسية للأحماض النووية. يمكن أيضًا أن تكون هناك كتلة ملطخة داكنة غالبًا ما تكون مرئية تحت مجهر ضوئي بسيط يسمى النواة (الجمع = النواة). النواة هي منطقة من النواة المسؤولة عن تصنيع الحمض النووي الريبي الضروري لبناء الريبوسومات. بمجرد تصنيعها، تخرج الوحدات الفرعية الريبوسومية حديثة الصنع من نواة الخلية عبر المسام النووية.

    يتم ترتيب التعليمات الجينية المستخدمة لبناء الكائن الحي والحفاظ عليه بطريقة منظمة في خيوط الحمض النووي. داخل النواة توجد خيوط من الكروماتين تتكون من الحمض النووي والبروتينات المرتبطة (الشكل 1)\(\PageIndex{4}\)). Along the chromatin threads, the DNA is wrapped around a set of histone proteins. A nucleosome is a single, wrapped DNA-histone complex. Multiple nucleosomes along the entire molecule of DNA appear like a beaded necklace, in which the string is the DNA and the beads are the associated histones. When a cell is in the process of division, the chromatin condenses into chromosomes, so that the DNA can be safely transported to the “daughter cells.” The chromosome is composed of DNA and proteins; it is the condensed form of chromatin. It is estimated that humans have almost 22,000 genes distributed on 46 chromosomes.

    Figure \(\PageIndex{4}\): DNA Macrostructure.Strands of DNA are wrapped around supporting histones. These proteins are increasingly bundled and condensed into chromatin, which is packed tightly into chromosomes when the cell is ready to divide.

    DNA Replication

    In order for an organism to grow, develop, and maintain its health, cells must reproduce themselves by dividing to produce two new daughter cells, each with the full complement of DNA as found in the original cell. Billions of new cells are produced in an adult human every day. Only very few cell types in the body do not divide, including nerve cells, skeletal muscle fibers, and cardiac muscle cells. The division time of different cell types varies. Epithelial cells of the skin and gastrointestinal lining, for instance, divide very frequently to replace those that are constantly being rubbed off of the surface by friction.

    A DNA molecule is made of two strands that “complement” each other in the sense that the molecules that compose the strands fit together and bind to each other, creating a double-stranded molecule that looks much like a long, twisted ladder. Each side rail of the DNA ladder is composed of alternating sugar and phosphate groups (Figure \(\PageIndex{5}\)). The two sides of the ladder are not identical, but are complementary. These two backbones are bonded to each other across pairs of protruding bases, each bonded pair forming one “rung,” or cross member. The four DNA bases are adenine (A), thymine (T), cytosine (C), and guanine (G). Because of their shape and charge, the two bases that compose a pair always bond together. Adenine always binds with thymine, and cytosine always binds with guanine. The particular sequence of bases along the DNA molecule determines the genetic code. Therefore, if the two complementary strands of DNA were pulled apart, you could infer the order of the bases in one strand from the bases in the other, complementary strand. For example, if one strand has a region with the sequence AGTGCCT, then the sequence of the complementary strand would be TCACGGA.

    Figure \(\PageIndex{5}\): Molecular Structure of DNA.The DNA double helix is composed of two complementary strands. The strands are bonded together via their nitrogenous base pairs using hydrogen bonds.

    DNA replication is the copying of DNA that occurs before cell division can take place. After a great deal of debate and experimentation, the general method of DNA replication was deduced in 1958 by two scientists in California, Matthew Meselson and Franklin Stahl. This method is illustrated in Figure \(\PageIndex{6}\) and described below.

    Figure \(\PageIndex{6}\): DNA Replication.DNA replication faithfully duplicates the entire genome of the cell. During DNA replication, a number of different enzymes work together to pull apart the two strands so each strand can be used as a template to synthesize new complementary strands. The two new daughter DNA molecules each contain one pre-existing strand and one newly synthesized strand. Thus, DNA replication is said to be “semiconservative.”

    Stage 1: Initiation. The two complementary strands are separated, much like unzipping a zipper. Special enzymes, including helicase, untwist and separate the two strands of DNA.

    Stage 2: Elongation. Each strand becomes a template along which a new complementary strand is built. DNA polymerase brings in the correct bases to complement the template strand, synthesizing a new strand base by base. A DNA polymerase is an enzyme that adds free nucleotides to the end of a chain of DNA, making a new double strand. This growing strand continues to be built until it has fully complemented the template strand.

    Stage 3: Termination. Once the two original strands are bound to their own, finished, complementary strands, DNA replication is stopped and the two new identical DNA molecules are complete.

    Each new DNA molecule contains one strand from the original molecule and one newly synthesized strand. The term for this mode of replication is “semiconservative,” because half of the original DNA molecule is conserved in each new DNA molecule. This process continues until the cell’s entire genome, the entire complement of an organism’s DNA, is replicated. As you might imagine, it is very important that DNA replication take place precisely so that new cells in the body contain the exact same genetic material as their parent cells. Mistakes made during DNA replication, such as the accidental addition of an inappropriate nucleotide, have the potential to render a gene dysfunctional or useless. Fortunately, there are mechanisms in place to minimize such mistakes. A DNA proofreading process enlists the help of special enzymes that scan the newly synthesized molecule for mistakes and corrects them. Once the process of DNA replication is complete, the cell is ready to divide. You will explore the process of cell division later in the chapter.

    QR Code representing a URL

    شاهد هذا الفيديو للتعرف على تكرار الحمض النووي. يستمر تكرار الحمض النووي في وقت واحد في عدة مواقع على نفس الجزيء. ما الذي يفصل الزوج الأساسي في بداية تكرار الحمض النووي؟

    مراجعة الفصل

    النواة هي مركز القيادة للخلية، وتحتوي على التعليمات الجينية لجميع المواد التي ستصنعها الخلية (وبالتالي جميع وظائفها التي يمكن أن تؤديها). يتم تغليف النواة داخل غشاء مكون من طبقتين دهنيتين مترابطتين جنبًا إلى جنب. هذا الغلاف النووي مرصع بمسام مبطنة بالبروتين تسمح بتهريب المواد داخل وخارج النواة. تحتوي النواة على نواة واحدة أو أكثر تعمل كمواقع لتخليق الريبوسوم. تحتوي النواة على المادة الوراثية للخلية: DNA. عادةً ما يتم العثور على الحمض النووي كهيكل فضفاض يسمى الكروماتين داخل النواة، حيث يتم لفه وربطه بمجموعة متنوعة من بروتينات الهستون. عندما تكون الخلية على وشك الانقسام، يلتف الكروماتين بإحكام ويتكثف لتكوين الكروموسومات.

    هناك مجموعة من الخلايا تنقسم باستمرار داخل جسمك. والنتيجة هي إنشاء مليارات الخلايا الجديدة كل يوم. قبل أن تصبح أي خلية جاهزة للانقسام، يجب عليها تكرار الحمض النووي الخاص بها حتى تحصل كل خلية ابنة جديدة على نسخة دقيقة من جينوم الكائن الحي. يتم إدراج مجموعة متنوعة من الإنزيمات أثناء تكرار الحمض النووي. تعمل هذه الإنزيمات على تفكيك جزيء الحمض النووي، وفصل الشريطين، والمساعدة في بناء خيوط تكميلية على طول كل خيط أصلي. تعمل خيوط الحمض النووي الأصلية كقوالب يتم من خلالها تحديد تسلسل النوكليوتيدات للخيوط الجديدة وتصنيعه. عند اكتمال النسخ المتماثل، يوجد جزيئان متطابقان من DNA. تحتوي كل واحدة على خيط أصلي واحد وخيط مكمل تم تصنيعه حديثًا.

    أسئلة الرابط التفاعلي

    شاهد هذا الفيديو للتعرف على تكرار الحمض النووي. يستمر تكرار الحمض النووي في وقت واحد في عدة مواقع على نفس الجزيء. ما الذي يفصل الزوج الأساسي في بداية تكرار الحمض النووي؟

    الجواب: إنزيم

    مراجعة الأسئلة

    س: تشترك النواة والميتوكوندريا في أي من الميزات التالية؟

    أ. مسام غشائية مبطنة بالبروتين

    B. غشاء مزدوج الخلية

    ج. تخليق الريبوسومات

    د. إنتاج الطاقة الخلوية

    الإجابة: ب

    س: أي من الهياكل التالية يمكن العثور عليها داخل النواة؟

    أ. الكروماتين

    ب. هيستونز

    C. الريبوسومات

    د. النيوكليوزومات

    الإجابة: ج

    س: أي من التسلسلات التالية على جزيء الحمض النووي سيكون مكملاً لـ GCTTATAT؟

    أ. TAGGCG

    ب. ATCCGCGC

    ج. كاجاتاتا

    د. TGCCTC

    الإجابة: ج

    س: ضع الهياكل التالية بالترتيب من المنظمة الأقل إلى الأكثر تعقيدًا: الكروماتين والنيوكليوسوم والحمض النووي والكروموسوم

    أ. الحمض النووي والنيوكليوسوم والكروماتين والكروموسوم

    B. النيوكليوسوم والحمض النووي والكروموسوم والكروماتين

    C. الحمض النووي والكروماتين والنوكليوزوم والكروموسوم

    د. النيوكليوسوم والكروماتين والحمض النووي والكروموسوم

    الإجابة: أ

    س: أي مما يلي هو جزء من خطوة الاستطالة لتخليق الحمض النووي؟

    أ. تفكيك خيوطي الحمض النووي

    ب. ربط النيوكليوتيدات التكميلية بخيط القالب

    C. فك لولب الحمض النووي

    D. لا شيء مما سبق

    الإجابة: ب

    أسئلة التفكير النقدي

    س: اشرح بكلماتك الخاصة لماذا يُقال أن تكرار الحمض النووي «شبه متحفظ»؟

    ج: يُقال إن تكرار الحمض النووي شبه متحفظ لأنه بعد اكتمال النسخ، يشكل أحد خيوطي الحمض النووي الأم نصف كل جزيء DNA جديد. النصف الآخر عبارة عن خيط تم تصنيعه حديثًا. لذلك، يكون نصف («نصف») كل جزيء DNA ابنة من الجزيء الأصلي والنصف الآخر عبارة عن جزيء جديد.

    س: لماذا من المهم أن يتم تكرار الحمض النووي قبل انقسام الخلايا؟ ماذا سيحدث إذا حدث الانقسام الخلوي لخلية الجسم دون تكرار الحمض النووي، أو عندما يكون تكرار الحمض النووي غير مكتمل؟

    ج: أثناء انقسام الخلايا، تنقسم خلية واحدة لإنتاج خليتين جديدتين. من أجل أن تحافظ جميع الخلايا في جسمك على جينوم كامل، يجب على كل خلية نسخ الحمض النووي الخاص بها قبل الانقسام بحيث يمكن تخصيص جينوم كامل لكل خلية من خلايا نسلها. إذا لم يتم تكرار الحمض النووي بشكل كامل، أو على الإطلاق، فستفقد خلايا النسل بعض أو كل الجينوم. قد يكون هذا كارثيًا إذا فقدت الخلية الجينات اللازمة لوظيفتها وصحتها.

    مسرد المصطلحات

    الكروماتين
    مادة تتكون من الحمض النووي والبروتينات المرتبطة به
    كروموسوم
    نسخة مكثفة من الكروماتين
    بوليميراز الحمض النووي
    إنزيم يعمل على إضافة نيوكليوتيدات جديدة إلى خيط متزايد من الحمض النووي أثناء تكرار الحمض النووي
    تكرار الحمض النووي
    عملية تكرار جزيء الحمض النووي
    جينوم
    مكمل كامل للحمض النووي للكائن الحي؛ موجود داخل كل خلية تقريبًا
    هيليكوز
    إنزيم يعمل على فصل خيوطي الحمض النووي في اللولب المزدوج أثناء تكرار الحمض النووي
    هيستون
    عائلة البروتينات التي ترتبط بالحمض النووي في النواة لتكوين الكروماتين
    ظرف نووي
    غشاء يحيط بالنواة؛ يتكون من طبقة شحمية مزدوجة
    مسام نووية
    إحدى الفتحات الصغيرة المبطنة بالبروتين المنتشرة في جميع أنحاء الغلاف النووي
    نواة
    منطقة صغيرة من النواة التي تعمل في تخليق الريبوسوم
    نيوكليوسوم
    وحدة من الكروماتين تتكون من خيط DNA ملفوف حول بروتينات الهستون