ملخص الأحياء تالتة ثانوي الأحماض النووية وتخليق البروتين

المصطلحات والتعريفات العلمية

• الأحماض الأمينية: 20 نوعًا طبيعيًا، لكل منها مجموعة كربوكسيل COOH ومجموعة أمين NH₂ مرتبطتان بذرة الكربون ألفا وذرة هيدروجين، ومجموعة رابعة (R) تختلف من حمض لآخر (الجليسين استثناء إذ يرتبط بذرة هيدروجين ثانية).
• الرابطة الببتيدية: تربط الأحماض الأمينية بتفاعل نزع ماء فتتكوّن سلاسل عديد الببتيد ثم البروتين.
• الكودون: ثلاث نيوكليوتيدات متتالية على mRNA تشفّر لحمض أميني.
• مضاد الكودون: ثلاث قواعد على tRNA تتزاوج مع الكودون.
• الجين: وحدة وراثية تحدد بروتينًا معينًا (تتابع نيوكليوتيدات).
• البلازميد: جزيء DNA دائري صغير في بعض البكتيريا يُستخدم ناقلًا في الهندسة الوراثية.
• عديد الريبوسوم (Polysome): عدة ريبوسومات على mRNA واحد.
• الجينوم البشري: كل الجينات الموجودة على الكروموسومات البشرية.

أولًا: البروتينات

• كل البروتينات (آلاف الأنواع) تُبنى من 20 حمضًا أمينيًا في سلاسل خطية غير متفرعة.
• يختلف بروتين عن آخر في عدد ونوع وترتيب الأحماض الأمينية، وعدد السلاسل، والروابط الهيدروجينية الضعيفة التي تعطي الجزيء شكله.

ثانيًا: تركيب RNA (مقارنة مع DNA)

1) RNA الرسول (mRNA)

• يبدأ النسخ عندما يرتبط إنزيم RNA بوليميريز بتتابع على DNA يسمى المحفز (Promoter)، فينفصل الشريطان ويعمل أحدهما قالبًا لتكوين شريط RNA مكمل.
• يضيف الإنزيم النيوكليوتيدات واحدة واحدة، ويعمل على القالب في اتجاه 3′→5′ فيبني RNA في اتجاه 5′→3′.
• الفرق عن التضاعف: النسخ لا يشمل إلا أجزاء مختارة من DNA (وفي كل جزء ينسخ شريط واحد يحدده اتجاه المحفز).
• في بدائيات النواة إنزيم واحد ينسخ rRNA وmRNA وtRNA، وفي حقيقيات النواة ثلاثة إنزيمات.
• في بدائيات النواة يكون mRNA جاهزًا للترجمة بمجرد نسخه (وقد تبدأ الريبوسومات الترجمة قبل انتهاء النسخ)، أما في حقيقيات النواة فيعالج mRNA في النواة قبل خروجه للسيتوبلازم.
• تركيب mRNA: موقع ارتباط الريبوسوم ← كودون البدء AUG ← الجزء المشفّر ← كودون وقف (UAA أو UAG أو UGA) ← ذيل بولي أدينين (حتى 200 أدينين) يحميه من الهدم بالإنزيمات، ولا يُترجم إلى أحماض أمينية.

2) RNA الريبوسومي (rRNA)

• الريبوسوم عضية تخليق البروتين، يتكون من عدة أنواع من rRNA ونحو 70 نوعًا من عديدات الببتيد.
• في حقيقيات النواة يتم إنتاجه في النُّوَيّة ويُصنّع مئات الآلاف من الريبوسومات كل ساعة لأن DNA الخلية يحتوي حتى 600 نسخة من جينات rRNA.
• أربعة أنواع من rRNA تشارك في تركيب الريبوسوم، والريبوسوم الفعال من وحدتين: كبيرة وصغيرة تنفصلان وتتحركان معًا حين لا تعملان.
• تُصنع بروتينات الريبوسوم في السيتوبلازم ثم تدخل النوية حيث تتجمع مع rRNA.

3) RNA الناقل (tRNA)

• يحمل الأحماض الأمينية إلى الريبوسومات، ولكل حمض أميني نوع خاص من tRNA (والحمض ذو الشفرات المتعددة له أكثر من نوع).
• يلتف جزيء tRNA ويحتفظ بشكله بازدواج القواعد، وله موقعان مهمان: موقع ارتباط الحمض الأميني (عند الطرف 3′) ومضاد الكودون الذي يتزاوج مع الكودون على mRNA.

ثالثًا: الشفرة الوراثية

• تتابع نيوكليوتيدات DNA يُنسخ إلى ثلاثيات على mRNA تُترجم في الريبوسوم إلى تتابع أحماض أمينية.
• لماذا ثلاثية؟ 4 قواعد فقط و20 حمضًا أمينيًا؛ كلمة من حرف واحد تعطي 4 احتمالات فقط، ومن حرفين 4² = 16 احتمالًا لا تكفي، ومن ثلاثة 4³ = 64 كودونًا تكفي لكل الأحماض. فأصغر حجم للكلمة ثلاث نيوكليوتيدات.
• خصائص الشفرة:
  • ثلاثية (كودون = 3 قواعد).
  • مُنحلّة (متعددة الشفرات): أكثر من كودون للحمض الأميني الواحد.
  • كودون بدء واحد AUG (الميثيونين) وثلاثة كودونات وقف (UAA, UAG, UGA) لا تشفّر لحمض أميني.
  • عالمية: نفس الكودونات في الفيروسات والبكتيريا والنباتات والحيوانات والفطريات، وهو دليل على أن كل الكائنات نشأت من أصل مشترك وأن الشفرة ثابتة منذ مليارات السنين.
• كودونات الجدول موجودة على RNA، وثلاثيات DNA مكملة لها.

رابعًا: خطوات تخليق البروتين

أ) النسخ (في النواة)

1. يرتبط RNA بوليميريز بالمحفز وينفصل شريطا DNA.
2. يُصنع mRNA مكملًا لأحد الشريطين (قالب).
3. في حقيقيات النواة يعالج mRNA ثم يخرج إلى السيتوبلازم.

ب) الترجمة (في الريبوسوم)

1. البدء: يرتبط mRNA بالوحدة الريبوسومية الصغيرة بحيث يتمركز كودون البدء AUG (عند 5′)، ويتزاوج مع مضاد الكودون على tRNA الحامل للميثيونين، ثم ترتبط الوحدة الكبيرة.
2. للريبوسوم موقعان لارتباط tRNA: موقع P (ببتيدي) يوضع فيه كودون البدء، وموقع A (أمينو أسيلي) يتمركز عنده كودون الحمض الثاني.
3. الاستطالة تتكرر في دورة من ثلاث خطوات:
   • ارتباط tRNA الذي مضاد الكودون فيه مكمل للكودون التالي على mRNA.
   • تفاعل الببتيديل ترانسفيريز (جزء من الوحدة الكبيرة) الذي يكوّن الرابطة الببتيدية بين الحمضين، فيفرغ tRNA الأول ويحمل الثاني الحمضين.
   • انتقال الريبوسوم على mRNA (تحرك الريبوسوم كودونًا واحدًا) فيصبح الكودون التالي عند موقع A ويدخل tRNA جديد، وتتكرر الدورة.
4. الإنهاء: عند وصول الريبوسوم إلى كودون وقف يرتبط عامل التحرير (Release factor) به فيترك mRNA الريبوسوم وتنفصل الوحدتان.
5. على mRNA الواحد من عدة ريبوسومات إلى أكثر من 100 تتحرك معًا وتترجم الرسالة، ويسمى هذا التجمع عديد الريبوسوم (Polyribosome).

خامسًا: التكنولوجيا الجزيئية (الهندسة الوراثية)

بعد معرفة تركيب الجين وتخليق البروتين أمكن عزل جين مرغوب وإنتاج ملايين النسخ منه في البكتيريا أو الخميرة وتحليل تتابعه، ونقل جينات عاملة لخلايا نباتية أو حيوانية. وفي عام 1979 أنتج خورانا جينًا صناعيًا أدخله في بكتيريا، وتوجد "آلات الجينات" التي تنتج أشرطة DNA قصيرة بأي تتابع.

تطبيقات DNA المعاد الاتحاد

• إنتاج بروتينات مفيدة تجاريًا: الإنسولين البشري (رُخّص عام 1982) بدلًا من إنسولين الأبقار والخنازير، لمرضى لا يتحملون الاختلاف.
• الإنترفيرون البشري: في السبعينات كان يُستخلص من خلايا بشرية فكان نادرًا غاليًا؛ وفي الثمانينات أُدخلت 15 جين إنترفيرون بشري في بكتيريا فأصبح متوفرًا ورخيصًا.
• نقل جينات تثبيت النيتروجين من البقوليات إلى محاصيل أخرى لتقليل الأسمدة النيتروجينية الغالية والملوثة للمياه.
• نقل جين لون العين الأحمر في ذبابة الفاكهة، ونقل جين هرمون النمو للفئران فنمت لضعف حجمها وورّثته لنسلها.
• إنتاج مستضدات الممرضات في البكتيريا لتصنيع لقاحات آمنة.

سادسًا: مشروع الجينوم البشري

• مشروع دولي (1990–2003) لدراسة تتابع الجينات على الكروموسومات البشرية وتتابع النيوكليوتيدات فيها، وقد بلغ عدد الجينات المعروفة نحو 25000 جين على 23 كروموسومًا. أهميته:

1. التعرف على الجينات المسببة للأمراض الوراثية الشائعة أو النادرة.
2. التعرف على الجينات المسببة لعجز بعض الأعضاء عن أداء وظائفها.
3. الاستفادة منه في صناعة أدوية بلا أعراض جانبية.
4. دراسة تطور الكائنات بمقارنة الجينوم البشري بجينومات الكائنات الأخرى.

جدول مقارنة: أنواع RNA

تنبيهات الامتحان

1. الكودون على mRNA والمضاد على tRNA؛ لا تخلطها.
2. mRNA فيه U بدل T.
3. عدد الكودونات 64 منها 61 للأحماض الأمينية و3 وقف (AUG بدء وليس وقفًا).
4. نسبة القواعد التي لا يتساوى فيها A مع U (أو T) وG مع C تدل على شريط مفرد؛ فإذا ظهر U فهو RNA.
5. بولي A لا يُترجم لأحماض أمينية بل يحمي mRNA.
6. عدد الأحماض الأمينية = عدد نيوكليوتيدات mRNA ÷ 3 = عدد أزواج قواعد الجين ÷ 3 (مع مراعاة وجود كودون الوقف في نص السؤال).

قائمة المراجعة

• البروتينات التركيبية والتنظيمية.
• تركيب الحمض الأميني والرابطة الببتيدية.
• الفروق الثلاثة بين RNA وDNA.
• المحفز ودور RNA بوليميريز.
• مكونات mRNA وبولي A.
• النوية وrRNA ووحدتا الريبوسوم.
• tRNA ومضاد الكودون.
• الشفرة ثلاثية منحلة عالمية؛ 64 كودونًا.
• كودون البدء AUG وكودونات الوقف الثلاثة.
• موقعا P وA وخطوات الاستطالة الثلاث.
• عامل التحرير وعديد الريبوسوم.
• إنزيمات القصر والنهايات اللزجة والليجيز.
• DNA المعاد الاتحاد، cDNA، PCR.
• الإنسولين والإنترفيرون كتطبيقات.
• الجينوم البشري: 25000 جين و23 كروموسومًا.