شرح الموضوع
يمتاز جزيء DNA بقدرته على التضاعف، وتُعَدُّ المعلومات التي يحملها الأساس في عمليات تصنيع الخلية للبروتينات.
نتاجات التعلُّم:
- أُبيّن دور العلماء في اكتشاف المادة الوراثية وتضاعفها.
- أتتبّع آليّة تضاعف DNA في الخلية.
- أصف آليات تصحيح اختلالات DNA.
- أستقصي آليّة تصنيع البروتينات.
- أُبيّن دور التعبير الجيني في تمايز الخلايا.
التعبير الجيني: لماذا تختلف خلايا الجسم؟
- تحدث عملية التعبير الجيني في الخلية، وهي تختلف بين الخلايا تبعًا لاختلاف الأنشطة والوظائف التي تقوم بها كلٌّ منها.
- تستطيع الخلية تصنيع آلاف البروتينات المختلفة، لكنها لا تحتاج إلى هذه البروتينات كلها في الوقت نفسه.
تضاعف
التضاعف: كيف تنسخ الخلية المادة الوراثية؟
الفكرة الرئيسة: يمتاز جزيءُ DNA بقدرته على التضاعف، وتُعدُّ المعلومات التي يحملها الأساس في عمليات تصنيع الخلية للبروتينات.
- يحدث تضاعف DNA في طور التضاعف من المرحلة البينية لدورة الخلية، وتُنظِّمه إنزيمات عِدَّة.
- ينتج من التضاعف نسختان مُتماثلتان من جزيء DNA، تحمل كلٌّ منهما التعليمات الوراثية كاملة.
- تتكوَّن كل نسخة من سلسلتين: إحداهما أصلية من DNA الأصل، والأخرى جديدة ومُكمِّلة لها.
أيُّ أطوار الخلية يحدث فيه تضاعف DNA؟
فكيف تبدأ الخلية بفصل السلسلتين؟
آليّة تضاعف
الخطوة الأولى: من يفتح سلسلتي الجزيء؟
- تبدأ العملية بانفصال سلسلتي DNA المُتقابلتين.
- يُحطِّم إنزيم الهيليكيز (Helicase) الروابط الهيدروجينية بين النيوكليوتيدات المُتقابلة في السلسلتين.
- يحتاج الهيليكيز إلى طاقة ATP لإتمام هذه العملية.
- تمنع هذه البروتينات عودة ارتباط السلسلتين إحداهما بالأخرى.
- كل سلسلة مفردة تُمثِّل قالبًا لبناء سلسلة جديدة.
ما النتائج المُتوقَّعة من حدوث طفرة في البروتينات المُرتبطة بالسلاسل المفردة تمنعها من الارتباط بسلسلة DNA المفردة؟
ما دور إنزيم الهيليكيز في عملية تضاعف DNA؟
وكيف تبدأ بناء السلسلة الجديدة؟
البدء والبناء: سلسلة البدء وإنزيم البلمرة
- الإنزيمات المسؤولة عن تضاعف DNA غير قادرة على بَدء العملية بنفسها.
- يسير بناء السلسلة المُكمِّلة (الجديدة) دائمًا من '5 إلى '3؛ فتنتج سلسلة مُتَّصلة.
فماذا عن السلسلة القالب الأخرى؟
السلسلة المتأخرة: بناء على قطع
- لا يستطيع إنزيم بلمرة DNA بناء سلسلة في اتجاه معاكس (أي من '3 إلى '5).
- تحتاج السلسلة المتأخرة إلى أكثر من سلسلة بدْء؛ تُضاف سلسلة جديدة كلما فصل الهيليكيز جزءًا من سلسلتي DNA الأصليتين.
- يستأنف إنزيم بلمرة DNA بناء قطع أوكازاكي من '5 إلى '3.
- بعد ذلك تُزال سلاسل البدْء، وتوضع نيوكليوتيدات DNA مكانها.
- النتيجة: ينتج جزيئا DNA متماثلان، يتكوَّن كلٌّ منهما من سلسلة أصلية وأخرى جديدة مُكمِّلة لها.
| السلسلة الرائدة | السلسلة المتأخرة | |
|---|---|---|
| سلسلة مُتَّصلة | قطع غير متصلة تُسمَّى قطع أوكازاكي | |
| من 5' إلى 3' | من '5 إلى '3 | |
| مُكمِّلة لإحدى سلسلتي القالب | السلسلة المُكمِّلة للسلسلة القالب الأخرى | |
| — | أكثر من سلسلة بدْء | |
| — | تُربط قطع أوكازاكي باستعمال إنزيم ربط DNA |
لماذا تُبنى إحدى سلسلتي DNA على شكل قطع غير مُتَّصلة؟
أُفسِّر سبب تكوُّن قطع أوكازاكي.
خطوات العمل:
نشاط: نمذجة التضاعف بالورق المقوّى
التحليل والاستنتاج:
أُقارن: أيُّ السلسلتين عملية بنائها مُتَّصلة منذ البداية؟ أيُّهما عملية بنائها مُتقطّعة؟
أستنتج: أيُّ السلسلتين رائدة؟ أيُّهما مُتأخّرة؟
أتوقع: أفصل الجزء المُتبقّي من السلسلتين المُتقابلتين، ثم أحدّد السلسلة التي قد يستمر بناؤها، وتلك التي سيتوقّف بناؤها، وتتطلب البدء من جديد.
تصحيح اختلالات
الإصلاح: كيف تعالج الخلية التلف في المادة الوراثية؟
- توجد آليات عديدة لتصحيح اختلالات DNA الناجمة عن تلف جزء من سلسلته.
- أسباب التلف: عوامل كيميائية ضارّة مثل سموم بعض الفطريات والتبغ، أو عوامل فيزيائية مثل الأشعة السينية (X) والأشعة فوق البنفسجية (UV).
- خطوات تصحيح استئصال النيوكليوتيد:
- تحديد الجزء التالف بإنزيمات عديدة.
- قطع الجزء التالف من سلسلة DNA بإنزيم النيوكلييز (Nuclease).
- سدّ الفجوة بنيوكليوتيدات مُكمّلة للسلسلة المُقابلة غير التالفة، باستعمال إنزيم بلمرة DNA، وإنزيم ربط DNA.
- تجدر الإشارة إلى وجود آليات تستخدمها الخلية في تصحيح اختلالات تضاعف DNA.
- يُمثّل الشكل (23) مُلخّصًا لاختلالات DNA، وآليات تصحيحها في الخلية.
ما الإنزيمات التي تعمل على سدِّ الفجوات الناجمة عن قطع الجزء التالف من سلسلة DNA؟
تصنيع البروتينات
من الشيفرة إلى البروتين: ما المرحلتان؟
- ينظِّم DNA أنشطة الخلية والعمليات الحيوية التي تحدث فيها.
- تؤدّي البروتينات أدوارًا مُهمّةً في أجسام الكائنات الحيّة وخلاياها، إضافةً إلى دورها في تنظيم دورة الخلية.
- تمرّ العملية بمرحلتين رئيستين: النسخ (Transcription)، والترجمة (Translation).
- بينهما مرحلة يُعالَج فيها الحمض النووي RNA.
- النسخ ضروري أيضًا لإنتاج جميع أنواع الحمض النووي RNA، التي تختلف بطرائق معالجتها.
- الحمض النووي mRNA هو من تحدث له عملية الترجمة لتصنيع البروتينات.
فكيف تبدأ مرحلة النسخ؟
النسخ (Transcription)
النسخ: من يقرأ الجين في النواة؟
- تحدث العملية في النواة، وتتألّف من ثلاث خطوات: بدء النسخ، واستطالة RNA، وانتهاء النسخ.
بدء عملية النسخ
- من أمثلة هذا التسلسل في الخلايا حقيقية النوى: الصندوق كات (CAAT BOX)، والصندوق تاتا (TATA BOX).
- تُعزى تسمية كلّ منهما إلى النيوكليوتيدات المُكوّنة لهما.
- يرتبط إنزيم بلمرة RNA بموقعه المُناسب، وترتبط به عوامل نسخ أُخرى؛ ما يؤدّي إلى تكوّن مُعقّد بَدء النسخ (Transcription Initiation Complex).
- بعد ذلك يفكّ الإنزيم التفاف سلسلتي DNA، وتبدأ عملية نسخ mRNA الأوّلي من نقطة بَدء النسخ على السلسلة القالب.
استطالة
- في الاستطالة يتحرّك إنزيم بلمرة RNA من '3 إلى '5 على سلسلة DNA القالب، ويضيف نيوكليوتيدات جديدة إلى النهاية '3 في جزيء RNA.
- القاعدة المُكمِّلة للأدنين في RNA هي اليوراسيل، عوضًا عن الثايمين.
انتهاء عملية النسخ
- عند انتهاء النسخ المطلوبة يتوقَّف إنزيم بلمرة RNA عن العمل، ويبتعد RNA المنسوخ عن سلسلة DNA القالب.
أُوضِّح مراحل عملية النسخ.
ماذا سيحدث لعملية النسخ في حال عدم توافر أحد عوامل النسخ؟
فماذا يحدث له قبل الترجمة؟
معالجة
المعالجة: ماذا يُحذف قبل الترجمة؟
- يخضع mRNA الأوّلي لمعالجة في النواة قبل أن يصبح mRNA ناضجًا (mature mRNA) يُمكن ترجمته.
- بعد ذلك تُربط قطع الإكسون المُتبقِّية بعضها ببعض، فينتج mRNA ناضج.
- يخرج mRNA الناضج من النواة إلى السيتوبلازم عن طريق الثقوب النووية في الغلاف النووي؛ تمهيدًا لبدء الترجمة.
الترجمة
الترجمة: من يقرأ الكودونات؟
- كودون البدء (AUG) يرتبط به الكودون المضاد (UAC) في tRNA البادئ، الذي يحمل الحمض الأميني الميثيونين.
- كودونات الوقف: (UAA)، أو (UAG)، أو (UGA) في جزيء mRNA.
- يتألّف كل رايبوسوم من وحدتين: إحداهما كبيرة، والأخرى صغيرة، وهما تجتمعان عند بَدء عملية الترجمة.
- يحتوي الرايبوسوم الواحد على ثلاثة مواقع مُخصَّصة لارتباط جزيئات tRNA.
| الموقع | ارتباط جزيئات tRNA |
|---|---|
| الموقع (P) Peptidyl-tRNA | يرتبط بـ tRNA الحامل لسلسلة عديد الببتيد التي تتكوَّن في أثناء عملية الترجمة |
| الموقع (A) Aminoacyl-tRNA Site | يرتبط بـ tRNA الذي يحمل الحمض الأميني الذي سيضاف إلى سلسلة عديد الببتيد |
| الموقع (E) Exit site | موقع خروج جزيء tRNA الذي يغادر الرايبوسوم فارغًا بعد أنْ يوصل الحمض الأميني ويعود ليرتبط بحمض أميني آخر |
- تمرُّ الترجمة بثلاث مراحل رئيسة: بَدء الترجمة، واستطالة سلسلة عديد الببتيد، وانتهاء الترجمة.
أين تحدث عملية الترجمة؟
مرحلة بَدء الترجمة
بدء الترجمة: كيف تجتمع مكوّنات الرايبوسوم؟
- يرتبط جزيء mRNA وجزيء tRNA البادئ بالوحدة البنائية الصغيرة.
- يحمل tRNA البادئ الحمض الأميني الميثيونين، وكودونه المضاد UAC.
- تتكوَّن روابط هيدروجينية بين كودون البدء (AUG) في mRNA والكودون المضاد (UAC) في tRNA.
- يلي ذلك ارتباط الوحدة البنائية الكبيرة للرايبوسوم.
- تحتاج هذه العملية إلى عوامل مساعدة، وإلى الطاقة المُخزَّنة في جزيئات غوانوسين ثلاثي الفوسفات GTP.
ما الكودون المضاد في جزيء tRNA البادئ؟
الاستطالة: كيف تُضاف الحموض الأمينية؟
- يتعرّف الكودون المضاد في أحد جزيئات tRNA الكودون المُكمّل له في جزيء mRNA الموجود في الموقع (A).
- يستقبل الموقع (A) جزيء tRNA الذي يحوي الكودون المضاد المُكمّل للكودون الثاني، ويحمل الحمض الأميني الثاني.
- تتكوّن رابطة ببتيدية بين مجموعة الكربوكسيل في الحمض الأميني في الموقع (P) ومجموعة الأمين في الحمض الأميني الذي يحمله tRNA في الموقع (A).
- يصبح الموقع (A) مشغولًا بـ tRNA حاملًا حمضين أمينيين، ولا يحمل tRNA في الموقع (P) أيّ حمض أميني.
- يتحرّك الرايبوسوم إلى الداخل على mRNA بمقدار كودون واحد من النهاية '5 إلى النهاية '3.
- ينتقل tRNA من الموقع (P) إلى الموقع (E) خارجًا من الرايبوسوم، وينتقل tRNA من الموقع (A) إلى الموقع (P).
- يصبح الموقع (A) فارغًا وجاهزًا لاستقبال جزيء tRNA جديد يحمل كودونًا مضادًا للكودون التالي.
- تتكرّر الخطوات لإضافة الحموض الأمينية واحدًا تلو الآخر.
- تحتاج كل إضافة إلى الطاقة المُخزّنة في جزيئات GTP؛ لكي يتعرّف الكودون المضاد الكودون في mRNA، ويتحرّك الرايبوسوم بعد تكوّن الرابطة الببتيدية.
أتتبَّع مرحلة استطالة سلسلة عديد الببتيد.
الإنهاء: ما الذي يوقف الترجمة؟
- يصل الرايبوسوم إلى أحد كودونات الوقف: (UAA)، أو (UAG)، أو (UGA) في جزيء mRNA.
- تتحرّر سلسلة عديد الببتيد من الرايبوسوم، ثم تنفصل الوحدة البنائية الكبيرة، وتنفصل بقية المُكوّنات باستهلاك جزيئين من GTP.
ما مبدأ العمل الذي يعتمد عليه عامل الإطلاق؟
التعبير الجيني
- خلايا الكائن الحيّ عديد الخلايا تحوي كروموسومات تحمل الجينات نفسها؛ لكنّ تفعيل التعبير الجيني لجينات مُعيّنة دون غيرها يُسبّب اختلاف البروتينات التي تصنعها كل خلية، استنادًا إلى وظيفتها.
- مثال: في مراحل تكوّن جنين الإنسان تتمايز الخلايا الناتجة من انقسام الزيجوت إلى خلايا مختلفة الأنواع، منها خلايا الكبد، والخلايا العصبية.
- يتطلّب التمايز تغيير نمط التعبير الجيني في الخلية، فيصبح لها نمط مُحدّد لا يتغيّر غالبًا طوال حياتها.
- يتأثّر التعبير الجيني بعوامل داخلية (من جسم الكائن الحيّ نفسه) مثل الهرمونات، وعوامل خارجية (من البيئة المحيطة بالكائن الحيّ) مثل بعض المواد الكيميائية، وعوامل فيزيائية.
ما العوامل المُؤثّرة في عملية التعبير الجيني؟
الإثراء والتوسع
التيلوميرات: ما الذي يحمي أطراف الكروموسومات؟
- تختلف الكائنات حقيقية النوى في ما بينها من حيث عدد النيوكليوتيدات في التيلومير.
- ففي خلايا الإنسان الجسمية توجد سلسلة من ستة نيوكليوتيدات ()، والسلسلة المكملة لها، تتكرّر بين (100-1000) مرّة.
- ينشط التيلوميريز في الخلايا الجنينية والخلايا الجسمية الجذعية، ولا ينشط في الخلايا الجسمية المتمايزة.
- بعد إضافة سلسلة مُتكرّرة إلى نهاية '3 في الكروموسوم، يضيف إنزيم بلمرة RNA البادئ سلسلة بدء إليها، ثم يضيف إنزيم بلمرة DNA النيوكليوتيدات المُكمّلة للسلسلة.
- تتكرّر هذه العملية مرّات عدّة للحفاظ على طول سلسلة التيلومير.
- لا يُمكن لمعظم الخلايا الجسمية القيام بها لعدم وجود إنزيم التيلوميريز فيها؛ فيقل طول التيلومير في ظلّ الانقسامات المُتكرّرة، وتقل قدرتها على الانقسام، فتشيخ الخلية أو تموت.
