من الجين إلى البروتين

تحدد الجينات في ⁦DNA⁩ صفات الكائن الحي، التي تشكل تسلسلاً محدداً من النيوكليوتيدات التي تعطي الصفات المختلفة للكائنات الحية، ولكن، كيف تحدد الجينات تركيب البروتين؟ وكيف تحدث عملية تحويل المعلومات الوراثية إلى لغة واضحة تستخدم في بناء البروتين؟ وكيف تتحول هذه البروتينات إلى شكلها الفاعل في الخلية؟ هذه الأسئلة وغيرها سأتمكن من الإجابة عليها بعد دراستي هذا الفصل، وسأكون قادراً على:

1. تتبع مراحل اكتشاف العلاقة بين الجين والبروتين.
2. توضيح المقصود بالمفاهيم الآتية: الشيفرة الوراثية، الكودون، الكودون المضاد، الإنترون، الإكسون، المعالجة.
3. التمييز بين دور كل من ⁦DNA⁩ و ⁦RNA⁩ في عملية النسخ والترجمة.
4. تتبع مراحل عملية بناء البروتين من نسخ وترجمة.
5. تقدير دور العلماء في اكتشاف الشيفرة الوراثية وفك أسرارها.

• قام العالمان بيدل وتاتوم (⁦Beadle⁩ & ⁦Tatum⁩) بإحداث طفرات على جينات معينة من أجل التعرف على تأثيرها في الكائن الحي. حيث قاما بدراسة تأثير تلك الطفرات على فطر نيوروسبورا ⁦(Neurospora)⁩، وهو فطر يسبب عفن الخبز، فإتلاف جين واحد أثر على إنتاج أنزيم واحد، وكانت هذه أول فرضية تفسر العلاقة بين الجينات والبروتينات (فرضية جين واحد-أنزيم واحد). وبعد ذلك تبين للعلماء أن الجينات لا تؤثر في إنتاج الأنزيمات فقط، وإنما تؤثر في بروتينات أخرى (الأنزيمات معظمها بروتينات) أيضاً؛ ليتم تعديل الفرضية السابقة، حيث تبين للعلماء أن جيناً واحداً يكون مسؤولاً عن إنتاج سلسلة عديد ببتيد واحدة. هذه الاستنتاجات جاءت من خلال دراسة طفرة في نيوكليوتيد معين لأحد الجينات، الذي يؤثر على تركيب بروتين الهيموغلوبين، الذي ينتج عنه مرض الأنيميا المنجلية.

كما أثبتت الاكتشافات الحديثة أن بعض الجينات يمكن أن تكون مسؤولة عن إنتاج عدة بروتينات؛ أي أن جيناً واحداً يمكن أن يتحكم في إنتاج عدة بروتينات.

1. تمثل الشيفرة الوراثية تسلسل النيوكليوتيدات في ⁦DNA⁩، فإذا علمت أن عدد أنواع الحموض الأمينية (20) نوعاً، فكيف يمكن أن يتم بناء شيفرات وراثية تربط هذه الحموض الأمينية كي يتم بناء سلاسل عديد الببتيد (البروتين) التي يحتاجها الإنسان؟ علماً بأن عدد النيوكليوتيدات المختلفة التي تكون ⁦DNA⁩ هي أربعة فقط (⁦A⁩: أدنين و ⁦T⁩: ثايمين و ⁦G⁩: غوانين و ⁦C⁩: سايتوسين).
2. بداية الإجابة عن هذا السؤال كانت على يد العالم جورج غامو عام 1954، حيث أثبت بشكل رياضي أن أقل عدد يلزم من النيوكليوتيدات لتشفير حمض أميني واحد هو ثلاثة نيوكليوتيدات.
3. وهذا بدوره كفيل أن يربط جميع الحموض الأمينية التي تلزم الإنسان، وتسمى هذه الوحدات الثلاثية على جزيء ⁦mRNA⁩ بالكودون.
4. وكل كودون يُشفر حمضاً أمينياً في سلسلة عديد الببتيد، ومن ثم جاء العالم نيرنبيرغ ومساعدوه، حيث تمكنوا من معرفة بعض الحموض الأمينية التي تشفر من قبل كودونات بطريقة عملية. وأخيراً تمكن العلماء من معرفة جميع الكودونات اللازمة لتشفير الحموض الأمينية. أنظر الجدول (1).

ملاحظة: تحفظ كودونات البدء والإيقاف فقط.

تتمثل عملية بناء البروتين في تحويل تسلسل معين من النيوكليوتيدات على جزيء ⁦DNA⁩ إلى لغة يمكن قراءتها بواسطة الرايبوسوم؛ ليتم بذلك بناء سلسلة عديد الببتيد، ويلزم هذه العملية نسخ أنواع من الحموض النووية من نوع ⁦RNA⁩ حيث يتم نسخها من جينات خاصة لكل نوع موجودة ضمن تسلسل ⁦DNA⁩ وذلك بواسطة أنزيمات خاصة تسمى أنزيمات بلمرة ⁦RNA (DNA Dependent RNA Polymerases)⁩ وتتم عملية نسخ الحموض كما يلي:

1. يتم نسخ ⁦mRNA⁩ من إحدى سلاسل ⁦DNA (⁩السلسلة 5' -> 3' تشكل قالباً لعملية النسخ)، التي تمثل سلسلة مفردة تحمل المعلومات الخاصة ببناء البروتين الذي تحتاجه الخلية.
2. ينتقل ⁦mRNA⁩ من النواة إلى السيتوسول، حيث يشكل قالباً لصنع البروتين من قبل الرايبوسوم. أنظر الشكل (1).

وتبدأ العملية بنسخ جزء محدد من سلسلة ⁦DNA⁩ القالب بواسطة أنزيم بلمرة ⁦RNA (RNA Polymerase)⁩، إذ تعمل رموز الشيفرة في ⁦DNA⁩ كقالب، حيث ينسخ منها سلسلة ⁦RNA⁩ الرسول ⁦(mRNA)⁩ بشكل متمم ⁦(Complementary)⁩، إذ يحل نيوكليوتيد اليوراسيل ⁦(U)⁩ محل الثايمين ⁦(T)⁩ الذي يتممه نيوكليوتيد الأدنين ⁦(A)⁩، ونيوكليوتيد السايتوسين ⁦(C)⁩ يتممه نيوكليوتيد الغوانين ⁦(G)⁩.

1. يقوم ⁦tRNA⁩ بنقل الحموض الأمينية من السيتوسول إلى الرايبوسوم، ليتم ربطها في سلسلة عديد الببتيد.
2. ويتكون ⁦tRNA⁩ من شريط مفرد يلتف على نفسه، ليكون 4 حلقات، أنظر الشكل (2)، حيث تحتوي الحلقة الثانية على ثلاثة نيوكليوتيدات تمثل كودوناً مضاداً يكون متمماً لأحد الكودونات على جزيء ⁦mRNA⁩.

يدخل في بناء الرايبوسوم، ويمثل الناحية الوظيفية فيه، ويعمل على ربط الحموض الأمينية المتجاورة بروابط ببتيدية أثناء عملية الترجمة، ويُبنى ⁦rRNA⁩ على شكل كروي، حيث يوجد منه عدة أنواع.

أولاً: نسخ ⁦(mRNA) (Transcription)⁩

تتكون عملية نسخ ⁦mRNA⁩ من ثلاث مراحل هي: البدء، والاستطالة، والإنهاء. أنظر الشكل (3).

1. البدء: ترتبط عوامل النسخ ⁦(Transcription Factors)⁩ وأنزيم بلمرة ⁦RNA⁩ على بداية الجين المراد نسخه من سلسلة ⁦DNA (5' -⁩> 3') وبالتحديد على تتابع معين من النيوكليوتيدات تسمى المحفز ⁦(Promoter)⁩، حيث يتم فتح سلسلتي ⁦DNA⁩ الملتفتين في هذا الموقع، ويبدأ أنزيم بلمرة ⁦RNA⁩ بعملية النسخ.
2. الاستطالة: يعمل أنزيم بلمرة ⁦RNA⁩ على إضافة نيوكليوتيدات، بحيث تكون متممة لتلك الموجودة على سلسلة ⁦DNA⁩، التي تعمل كقالب، حيث تبدأ سلسلة ⁦mRNA⁩ في التكون، وبمجرد مرور الأنزيم تعود سلسلتا ⁦DNA⁩ للالتفاف مرة أخرى ويستمر إضافة النيوكليوتيدات المتممة، ويحدث استطالة لجزيء ⁦mRNA⁩.

3. الإنهاء: يصل أنزيم بلمرة ⁦RNA⁩ إلى تتابع من النيوكليوتيدات يسمى منطقة الإنهاء ⁦(Termination Point)⁩، حيث ينفصل الأنزيم عن سلسلة ⁦DNA⁩، وتطلق سلسلة ⁦mRNA⁩ الجديدة التي تم تصنيعها. وتعود سلسلتا ⁦DNA⁩ للالتفاف حول بعضهما ثانية.

وتسمى السلسلة الناتجة ⁦mRNA⁩ الأولي ⁦(Primary mRNA)⁩، حيث تمر هذه السلسلة بمرحلة معالجة لينتج من خلالها ⁦mRNA⁩ الناضج (الوظيفي) ⁦(Functional mRNA)⁩، أنظر الشكل (4).

وتتم عملية المعالجة في النواة بثلاث مراحل أساسية وهي:

يتم إضافة نيوكليوتيد الغوانين ⁦(G)⁩ في نهاية السلسلة 5' ليرتبط مع النيوكليوتيد الأول في شريط ⁦mRNA⁩ برابطة ثلاثية الفوسفات بما يسمى بالقبعة ⁦(Cap)⁩. وللقبعة دور مهم في ثبات وحماية ⁦mRNA⁩ من التحلل في السيتوبلازم، ولها دور في عملية الترجمة، حيث تشكل إشارة لارتباط ⁦mRNA⁩ بالرايبوسوم.

تهدف هذه العملية إلى مساعدة ⁦mRNA⁩ في خروجه من الغلاف النووي إلى السيتوسول، والحفاظ على ثباته، وعدم تحطمه في السيتوبلازم، وتتم من خلال إضافة ذيل من وحدات متكررة (50-250 وحدة) من نيوكليوتيد الأدنين ⁦(Poly (A) tail)⁩.

1. يتكون ⁦mRNA⁩ الأولي من إنترونات ⁦(Introns)⁩ وإكسونات ⁦(Exons)⁩، وتمثل الإكسونات الأجزاء الفاعلة التي يتم ترجمتها إلى حموض أمينية، بينما تمثل الإنترونات أجزاء غير فاعلة في بناء البروتين. حيث يتم في هذه المرحلة إزالة الإنترونات، وربط الإكسونات معاً وتكوين ⁦mRNA⁩ الناضج.
2. علماً بأن هذه العملية تتم في الخلايا حقيقية النوى فقط.

1. تمثل عملية ترجمة المعلومات من لغة جزيئية لأخرى، وذلك بتحويل تسلسل النيوكليوتيدات في ⁦mRNA⁩ إلى تسلسل الحموض الأمينية في عملية بناء البروتين.
2. وتمر عملية الترجمة في ثلاث مراحل هي: البدء، والاستطالة، والإنهاء.
3. ولحدوث عملية الترجمة لا بد من توفر كل من جزيئات ⁦mRNA⁩ الحاملة للشيفرة الوراثية، وجزيئات ⁦tRNA⁩ الحاملة للحموض الأمينية، والرايبوسومات التي تُعد عضيات بناء البروتينات.

1. يُعد الرايبوسوم بمثابة المصنع الذي يتم من خلاله ربط الحموض الأمينية بعضها ببعض لبناء سلسلة عديد الببتيد، ويتركب الرايبوسوم في الخلايا حقيقية النوى من وحدتين بنائيتين: وحدة بنائية صغيرة ⁦(Small Subunit)⁩، ووحدة بنائية كبيرة ⁦(Large Subunit)⁩.
2. تتكون الوحدات البنائية للريبوسوم من جزيئات ⁦rRNA⁩ وبروتينات، وتمثل هذه البروتينات الأجزاء التركيبية للرايبوسوم، أما الأجزاء الوظيفية فتمثل جزيئات ⁦rRNA⁩. أنظر الشكل (5).

يحتوي الرايبوسوم على أربعة مواقع:

1. موقع لارتباط ⁦mRNA⁩: تمثل منطقة الانغماد بين الوحدتين البنائيتين.
2. ثلاثة مواقع لارتباط ⁦tRNA⁩: تمثل ثلاثة انغمادات على الوحدة البنائية الكبيرة للرايبوسوم، موقعاً لارتباط جزيئات ⁦tRNA⁩ وهذه المواقع هي ⁦(A)⁩ و ⁦(P)⁩ و ⁦(E)⁩. وتعني ما يأتي: (⁦Aminoacyl⁩: ⁦A)⁩، و(⁦Peptidyl⁩: ⁦P)⁩، و(⁦Exit⁩: ⁦E⁩).

قضية للبحث: ساهمت معرفة الإنسان في التعرف على تركيب الرايبوسوم في الخلايا البدائية في تفعيل دور المضادات البكتيرية. ابحث في ذلك موضحاً تركيب الرايبوسوم.

1. مرحلة البدء ⁦(Initiation)⁩

• أ. يرتبط ⁦mRNA⁩ بالوحدة البنائية الصغيرة على الرايبوسوم، بحيث يكون كودون البدء ⁦(AUG)⁩ في موقع ⁦P⁩، ويرتبط جزيء ⁦tRNA⁩ الحامل للميثيونين على كودون البدء، كما في الشكل (6).

• ب. ترتبط الوحدة البنائية الكبيرة بالوحدة البنائية الصغيرة. ومع نهاية المرحلة يكون ⁦tRNA⁩ الحامل للميثيونين في موقع ⁦(P)⁩ والموقع ⁦(A)⁩ يكون فارغاً ومستعداً لاستقبال جزيء ⁦tRNA⁩ التالي.

يتم إضافة الحموض الأمينية في هذه المرحلة واحداً تلو الآخر، ألاحظ الشكل (7):

• أ. التعرف على الكودون: يرتبط الكودون المضاد في ⁦tRNA⁩ الحامل للحمض الأميني بروابط هيدروجينية مع الكودون المتمم على ⁦mRNA⁩ في موقع ⁦(A)⁩.
• ب. تكوين الرابطة الببتيدية: يعمل ⁦rRNA⁩ في الوحدة البنائية الكبيرة كأنزيم رايبوزايم ⁦(Ribozyme)⁩ على تكوين رابطة ببتيدية بين الحمض الأميني في موقع ⁦(P)⁩ والحمض الأميني في موقع ⁦(A)⁩، وعندها ينفصل ⁦tRNA⁩ في موقع ⁦(P)⁩ عن الحمض الأميني الحامل له، ويخرج من الموقع ⁦(E)⁩.
• جـ. تغيير موقع الرايبوسوم: يتحرك ⁦mRNA⁩ خلال الرايبوسوم بمقدار كودون واحد، فينتقل ⁦tRNA⁩ من موقع ⁦(A)⁩ إلى موقع ⁦(P)⁩، ونتيجة لذلك يتغير موقع ⁦tRNA⁩ الحامل لعديد الببتيد من موقع ⁦(A)⁩ إلى موقع ⁦(P)⁩.
• د. الرايبوسوم جاهز لاستقبال ⁦tRNA⁩ جديد في الموقع ⁦(A)⁩: يصبح موقع ⁦(A)⁩ فارغاً ومستعداً لاستقبال جزيء جديد من ⁦tRNA⁩.

1. تستمر عملية الترجمة حتى يقرأ الرايبوسوم أحد كودونات الإيقاف (⁦UAA⁩ أو ⁦UAG⁩ أو ⁦UGA⁩) على ⁦mRNA⁩ في الموقع ⁦(A)⁩، وهنا يرتبط عامل بروتيني للإيقاف ⁦(Release Factor)⁩ مع كودون الإيقاف في موقع ⁦A⁩ بدلاً من ⁦tRNA⁩. أنظر الشكل (8).
2. وبذلك تنفصل سلسلة عديد الببتيد عن ⁦tRNA⁩ في موقع ⁦(P)⁩، ثم تنفصل الوحدتان البنائيتان للرايبوسوم بعضهما عن بعض، وتتوقف عملية الترجمة، وتنطلق سلسلة عديد الببتيد.

بعد الانتهاء من عملية الترجمة وإنتاج سلسلة عديد الببتيد، تخضع السلسلة لعمليات تعديل، لتكوين بروتين وظيفي فعال على النحو الآتي:

1. الالتفاف: تلتف سلسلة عديد الببتيد على نفسها مكونة بروتيناً وظيفياً فعالاً ذا شكل خاص ومهماً لوظيفته في الخلية.
2. الإضافة: يتم إضافة سكر أو دهون إلى البروتين، كما يحدث في البروتينات السكرية التي تدخل في تركيب الغشاء الخلوي.
3. المعالجة: تتم المعالجة بعدة طرق.

• أ. تقوم بعض الأنزيمات بإضافة أو إزالة حمض أميني أو أكثر من أحد طرفي السلسلة، وفي بعض الأحيان يتم تقسيم سلسلة عديد الببتيد إلى قطعتين أو أكثر بواسطة الأنزيمات، كما يحدث في تصنيع هرمون الإنسولين.
• ب. قد يتم في حالات أخرى ارتباط سلسلتين أو أكثر من عديد الببتيد لتشكل وحدة من البروتين الفعال، بعد أن كانتا سلسلتين منفصلتين تم تصنيعهما بشكل مستقل، ومثال ذلك عملية تصنيع بروتين الهيموغلوبين.

سؤال: هل من الممكن ترجمة نسخة ⁦mRNA⁩ بأكثر من رايبوسوم. أفسر إجابتي.

السؤال الأول: أختار رمز الإجابة الصحيحة في كل مما يأتي:

1. ما اسم الحمض النووي الذي يعمل على ربط الحموض الأمينية المتجاورة بروابط ببتيدية أثناء عملية الترجمة؟

• أ. DNA
• ب. mRNA
• جـ. tRNA
• د. rRNA

2. أي الآتية ليست من خصائص الكودون؟

• أ. يمكن أن يشفر أكثر من حمض أميني.
• ب. يتكون من ثلاثة نيوكليوتيدات.
• جـ. يمكن أن يشفر الحمض الأميني الذي يشفره كودون آخر.
• د. يرتبط بالكودون المضاد.

3. إذا كان التسلسل التالي ⁦(AGC)⁩ جزءاً من الشيفرة الوراثية في ⁦DNA⁩، فما هو الكودون المضاد له؟

• أ. GGA
• ب. UCG
• جـ. AGC
• د. GCU

4. بأي الكودونات الآتية يشفر الحمض الأميني برولين؟

• أ. CCA
• ب. UGA
• جـ. UAG
• د. AUG

5. بأي اتجاه يتم ترجمة شريط ⁦mRNA⁩ بواسطة الرايبوسوم؟

• أ. 5' -> 3'
• ب. 3' -> 5'
• جـ. 6' -> 2'
• د. 2' -> 6'

السؤال الثاني: أوضح المقصود بكل مما يأتي: (الشيفرة الوراثية، الكودون، الكودون المضاد، الإنترون، الإكسون، النسخ، الترجمة، المعالجة ⁦mRNA⁩).

السؤال الثالث: بالرغم من تطابق النيوكليوتيدات في جميع الكائنات الحية، إلا أنه عندما أدخل العلماء الجينات الخاصة بتصنيع بروتين بيتا غلوبن الخاص بالإنسان إلى البكتيريا، لم يتم تصنيع البروتين المطلوب.

كيف أفسر ذلك؟

السؤال الرابع: أقارن بين أنواع ⁦RNA⁩ من حيث التركيب والوظيفة.

السؤال الخامس: لديك السلسلة الآتية من ⁦DNA (T A C T T T T G G G T A A C C)⁩ التي سيتم استخدامها في بناء بروتين فاعل للخلية، بالرجوع إلى الجدول (1)، أجيب عن الأسئلة الآتية:

• أ. أكتب النيوكليوتيدات في سلسلة ⁦DNA⁩ المتممة للسلسلة.
• ب. أكتب الكودونات في سلسلة ⁦mRNA⁩.
• جـ. أجد الكودونات المضادة في جزيئات ⁦tRNA⁩.
• د. أجد الحموض الأمينية الناتجة عن عملية الترجمة، بالاستعانة بالجدول (1).