من الجين إلى البروتين

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

كيف تصير الجينات بروتيناً؟

تحدد الجينات في ⁦DNA⁩ صفات الكائن الحي، ولكن، كيف تحدد الجينات تركيب البروتين؟

• كيف تحدث عملية تحويل المعلومات الوراثية إلى لغة واضحة تُستخدم في بناء البروتين؟
• وكيف تتحول هذه البروتينات إلى شكلها الفاعل في الخلية؟

من جين واحد-أنزيم واحد إلى عدة بروتينات

• بيدل وتاتوم ⁦Beadle⁩ & ⁦Tatum⁩ أحدثا طفرات على جينات معينة في فطر نيوروسبورا ⁦Neurospora⁩، وهو فطر يسبب عفن الخبز.
• إتلاف جين واحد أثر على إنتاج أنزيم واحد: فرضية جين واحد-أنزيم واحد، أول فرضية تفسر العلاقة بين الجينات والبروتينات.

• تعديل الفرضية: الجينات تؤثر في بروتينات أخرى أيضاً، فجين واحد مسؤول عن إنتاج سلسلة عديد ببتيد واحدة.
• جاء هذا من دراسة طفرة في نيوكليوتيد معين لأحد الجينات تؤثر على بروتين الهيموغلوبين، وينتج عنها مرض الأنيميا المنجلية.
• الاكتشافات الحديثة: جين واحد يمكن أن يتحكم في إنتاج عدة بروتينات.

الكودون: ثلاثة نيوكليوتيدات لحمض أميني

• عدد أنواع الحموض الأمينية (20) نوعاً، وعدد النيوكليوتيدات المختلفة في ⁦DNA⁩ أربعة فقط (⁦A⁩ و⁦T⁩ و⁦G⁩ و⁦C⁩).
• غامو (1954): أثبت بشكل رياضي أن أقل عدد يلزم من النيوكليوتيدات لتشفير حمض أميني واحد هو ثلاثة.

• وكل كودون يشفر حمضاً أمينياً في سلسلة عديد الببتيد.
• نيرنبيرغ ومساعدوه: عرفوا بطريقة عملية بعض الحموض الأمينية التي تشفرها كودونات، ثم عرف العلماء جميع الكودونات (الجدول 1).
• ⁦AUG⁩ ميثيونين أو بدء
• ⁦UAA UAG⁩ توقف
• ⁦GUU GUC GUA GUG⁩ فالين

نشاط (1): كم عدد أنواع الكودونات التي يمكن أن تكون على سلسلة ⁦mRNA⁩؟

أكتب كودونات البدء والإيقاف.

أذكر الحموض الأمينية التي تشفر بكودون واحد فقط.

يمكن أن يشفر الحمض الأميني بأكثر من كودون ولكن العكس لا يكون صحيحاً، أبين ذلك بالأمثلة.

بماذا تختلف الكودونات التي تشفر نفس الحمض الأميني؟

بناء البروتين: من الجين إلى لغة الرايبوسوم

• يلزم نسخ أنواع من الحموض النووية من نوع ⁦RNA⁩، تنسخ من جينات خاصة لكل نوع موجودة ضمن تسلسل ⁦DNA⁩.
• يتم النسخ بواسطة أنزيمات خاصة تسمى أنزيمات بلمرة ⁦RNA⁩ (DNA Dependent RNA Polymerases).

ثلاثة أنواع من الحموض النووية، وثلاث وظائف

• mRNA: يتم نسخه من إحدى سلاسل ⁦DNA⁩، والسلسلة 5' -> 3' تشكل قالباً لعملية النسخ.
• ينتقل ⁦mRNA⁩ من النواة إلى السيتوسول، حيث يشكل قالباً لصنع البروتين من قبل الرايبوسوم.
• النسخ متمم ⁦(Complementary)⁩: يحل نيوكليوتيد اليوراسيل ⁦(U)⁩ محل الثايمين ⁦(T)⁩ الذي يتممه نيوكليوتيد الأدنين ⁦(A)⁩، والسايتوسين ⁦(C)⁩ يتممه الغوانين ⁦(G)⁩.

• tRNA: يقوم بنقل الحموض الأمينية من السيتوسول إلى الرايبوسوم، ليتم ربطها في سلسلة عديد الببتيد.
• يتكون من شريط مفرد يلتف على نفسه، ليكون 4 حلقات، والحلقة الثانية تحتوي على ثلاثة نيوكليوتيدات تمثل كودوناً مضاداً متمماً لأحد الكودونات على ⁦mRNA⁩.

• rRNA: يدخل في بناء الرايبوسوم، ويمثل الناحية الوظيفية فيه.
• يعمل على ربط الحموض الأمينية المتجاورة بروابط ببتيدية أثناء عملية الترجمة، ويُبنى على شكل كروي، ويوجد منه عدة أنواع.

النسخ: ثلاث مراحل من البدء إلى الإنهاء

تتكون عملية نسخ ⁦mRNA⁩ من ثلاث مراحل هي: البدء، والاستطالة، والإنهاء.

• البدء: ترتبط عوامل النسخ ⁦(Transcription Factors)⁩ وأنزيم بلمرة ⁦RNA⁩ على تتابع معين من النيوكليوتيدات يسمى المحفز ⁦(Promoter)⁩.
• يتم فتح سلسلتي ⁦DNA⁩ الملتفتين في هذا الموقع، ويبدأ أنزيم بلمرة ⁦RNA⁩ بعملية النسخ.

• الاستطالة: يضيف أنزيم بلمرة ⁦RNA⁩ نيوكليوتيدات متممة لتلك الموجودة على سلسلة ⁦DNA⁩ التي تعمل كقالب، فتبدأ سلسلة ⁦mRNA⁩ في التكون.
• بمجرد مرور الأنزيم تعود سلسلتا ⁦DNA⁩ للالتفاف مرة أخرى، ويحدث استطالة لجزيء ⁦mRNA⁩.
• الإنهاء: يصل أنزيم بلمرة ⁦RNA⁩ إلى تتابع يسمى منطقة الإنهاء ⁦(Termination Point)⁩، فينفصل الأنزيم عن سلسلة ⁦DNA⁩.
• تطلق سلسلة ⁦mRNA⁩ الجديدة، وتعود سلسلتا ⁦DNA⁩ للالتفاف حول بعضهما ثانية.

المعالجة: من النسخة الأولية إلى الناضجة

• تمر سلسلة ⁦mRNA⁩ الأولي بمرحلة معالجة لينتج ⁦mRNA⁩ الناضج (الوظيفي) ⁦(Functional mRNA)⁩.
• تتم عملية المعالجة في النواة بثلاث مراحل أساسية.

• إضافة القبعة: يضاف نيوكليوتيد الغوانين ⁦(G)⁩ في نهاية السلسلة 5' ليرتبط مع النيوكليوتيد الأول برابطة ثلاثية الفوسفات، وتسمى القبعة ⁦(Cap)⁩.
• للقبعة دور مهم في ثبات ⁦mRNA⁩ وحمايته من التحلل في السيتوبلازم، وتشكل إشارة لارتباطه بالرايبوسوم.
• إضافة ذيل أدنين: تساعد ⁦mRNA⁩ في خروجه من الغلاف النووي إلى السيتوسول، والحفاظ على ثباته.

• إزالة الإنترونات: الإكسونات ⁦(Exons)⁩ هي الأجزاء الفاعلة التي يتم ترجمتها إلى حموض أمينية، والإنترونات ⁦(Introns)⁩ أجزاء غير فاعلة في بناء البروتين.
• يتم إزالة الإنترونات، وربط الإكسونات معاً وتكوين ⁦mRNA⁩ الناضج.
• علماً بأن هذه العملية تتم في الخلايا حقيقية النوى فقط.

الترجمة: من تسلسل النيوكليوتيدات إلى الحموض الأمينية

• تمر عملية الترجمة في ثلاث مراحل هي: البدء، والاستطالة، والإنهاء.
• لا بد من توفر جزيئات ⁦mRNA⁩ الحاملة للشيفرة الوراثية، وجزيئات ⁦tRNA⁩ الحاملة للحموض الأمينية، والرايبوسومات التي تُعد عضيات بناء البروتينات.

الرايبوسوم: مصنع البروتين

• الرايبوسوم بمثابة المصنع الذي يتم من خلاله ربط الحموض الأمينية بعضها ببعض لبناء سلسلة عديد الببتيد.
• يتركب في الخلايا حقيقية النوى من وحدة بنائية صغيرة ⁦(Small Subunit)⁩ ووحدة بنائية كبيرة ⁦(Large Subunit)⁩.
• تتكون الوحدات من جزيئات ⁦rRNA⁩ وبروتينات: البروتينات الأجزاء التركيبية، وجزيئات ⁦rRNA⁩ الأجزاء الوظيفية.

• يحتوي الرايبوسوم على أربعة مواقع:
• موقع لارتباط ⁦mRNA⁩: منطقة الانغماد بين الوحدتين البنائيتين.
• ثلاثة مواقع لارتباط ⁦tRNA⁩ على الوحدة الكبيرة: ⁦(A)⁩ و⁦(P)⁩ و⁦(E)⁩، أي (⁦Aminoacyl⁩: ⁦A)⁩ و(⁦Peptidyl⁩: ⁦P)⁩ و(⁦Exit⁩: ⁦E⁩).

البدء والاستطالة والإنهاء في الرايبوسوم

• البدء (أ): يرتبط ⁦mRNA⁩ بالوحدة الصغيرة، فيكون كودون البدء ⁦(AUG)⁩ في موقع ⁦P⁩، ويرتبط ⁦tRNA⁩ الحامل للميثيونين عليه.
• البدء (ب): ترتبط الوحدة الكبيرة بالصغيرة، فيكون ⁦tRNA⁩ الحامل للميثيونين في موقع ⁦(P)⁩ والموقع ⁦(A)⁩ فارغاً.

• الاستطالة: تضاف الحموض الأمينية واحداً تلو الآخر.
• أ- التعرف على الكودون: يرتبط الكودون المضاد في ⁦tRNA⁩ بروابط هيدروجينية مع الكودون المتمم على ⁦mRNA⁩ في موقع ⁦(A)⁩.
• ب- الرابطة الببتيدية: يعمل ⁦rRNA⁩ على تكوين رابطة ببتيدية بين الحمض الأميني في موقع ⁦(P)⁩ والحمض في موقع ⁦(A)⁩.
• عندها ينفصل ⁦tRNA⁩ في موقع ⁦(P)⁩ عن الحمض الأميني، ويخرج من الموقع ⁦(E)⁩.

• ج- تغيير الموقع: يتحرك ⁦mRNA⁩ خلال الرايبوسوم بمقدار كودون واحد، فينتقل ⁦tRNA⁩ من موقع ⁦(A)⁩ إلى موقع ⁦(P)⁩.
• د- الاستعداد: يصبح موقع ⁦(A)⁩ فارغاً ومستعداً لاستقبال جزيء جديد من ⁦tRNA⁩.

• الإنهاء: تستمر الترجمة حتى يقرأ الرايبوسوم أحد كودونات الإيقاف (⁦UAA⁩ أو ⁦UAG⁩ أو ⁦UGA⁩) في الموقع ⁦(A)⁩.
• يرتبط عامل بروتيني للإيقاف ⁦(Release Factor)⁩ مع كودون الإيقاف بدلاً من ⁦tRNA⁩.
• تنفصل سلسلة عديد الببتيد عن ⁦tRNA⁩ في موقع ⁦(P)⁩، ثم تنفصل الوحدتان بعضهما عن بعض، وتتوقف الترجمة.

بعد الترجمة: كيف تصير السلسلة بروتيناً فاعلاً؟

• الالتفاف: تلتف السلسلة على نفسها مكونة بروتيناً فعالاً ذا شكل خاص ومهم لوظيفته في الخلية.
• الإضافة: يضاف سكر أو دهون إلى البروتين، كما في البروتينات السكرية التي تدخل في تركيب الغشاء الخلوي.
• المعالجة (أ): تضيف بعض الأنزيمات أو تزيل حمضاً أمينياً أو أكثر من أحد طرفي السلسلة، أو تقسمها إلى قطعتين أو أكثر، كما في هرمون الإنسولين.
• المعالجة (ب): قد ترتبط سلسلتان أو أكثر مصنعتان بشكل مستقل لتشكل وحدة من البروتين الفعال، كما في بروتين الهيموغلوبين.

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

أختبر نفسي: أسئلة الفصل

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

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

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.

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

• أ. GGA
• ب. UCG
• جـ. AGC
• د. GCU

بأي الكودونات الآتية يشفر الحمض الأميني برولين؟

• أ. CCA
• ب. UGA
• جـ. UAG
• د. AUG

بأي اتجاه يتم ترجمة شريط ⁦mRNA⁩ بواسطة الرايبوسوم؟

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

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

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

أقارن بين أنواع ⁦RNA⁩ من حيث التركيب والوظيفة.

لديك السلسلة الآتية من ⁦DNA (T A C T T T T G G G T A A C C)⁩، بالرجوع إلى الجدول (1). 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).

أختبر نفسي: أسئلة الوحدة عن الجين والبروتين

أتتبع العمليات التي تحدث خلال معالجة ⁦mRNA⁩ الأولي للحصول على ⁦mRNA⁩ الناضج؟

بالاستعانة بالجدول (1). لدينا قطعة من ⁦DNA⁩ وترتيب للنيوكليوتيدات ترتيب الثلاثيات: ⁦72 ACA⁩، ⁦71 CTT⁩، ⁦70 ACA⁩، ⁦69 GCC⁩، ⁦68 GGT⁩، ⁦67 GGG⁩ ما الحمض الأميني الذي تشفره النيوكليوتيدات في الترتيب رقم 70؟

أكتب ترتيب الحموض الأمينية في سلسلة عديد الببتيد الناتجة من ترجمة هذه النيوكليوتيدات.

إذا تم اعتبار الترتيب الثلاثي رقم 72 الأخير في عملية الترجمة، فما ترتيب النيوكليوتيدات الثلاثية في الرقم 73؟

ما تسلسل الكودونات في جزيء ⁦mRNA⁩ عند نسخ هذه السلسلة؟

ماذا تتوقع أن يحدث لعملية الترجمة إذا كان الترتيب الثلاثي للنيوكليوتيدات في الرقم 73 هو ⁦ACT⁩ والترتيب الثلاثي في رقم 74 هو ⁦CTT⁩؟

إذا كان تسلسل النيوكليوتيدات في سلسلة الشيفرة الوراثية ⁦DNA⁩ هو: ⁦3' - GCT AAC ATC -5'⁩. أ. ما ترتيب الكودونات في سلسلة ⁦mRNA⁩؟

• ب. ما ترتيب الكودونات المضادة في جزيء ⁦tRNA⁩؟

أشرح مراحل كل مما يأتي:

• أ. عملية نسخ ⁦mRNA⁩
• ب. عملية الترجمة

أوضح العمليات التي تحدث لتحويل سلسلة عديد الببتيد إلى:

• أ. هرمون الإنسولين.
• ب. بروتين الهيموغلوبين

يمثل الشكل المجاور سلاسل مختلفة من حموض نووية تسهم في بناء البروتين:

• أ. ماذا تمثل السلاسل (أ، ب، ج)؟
• ب. أكمل الشيفرات (1،2،3،4) على السلاسل.
• جـ. أكتب النيوكليوتيدات على السلسلة الثانية من ⁦DNA⁩.
• د. أي الثلاثيات تمثل كودوناً مضاداً؟