الشفرة الوراثية وعملية تخليق البروتين

• النَّسْخ عمليةُ تحويل تتابع من الحمض النووي (DNA) إلى الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA).
• مصطلح رئيسي: عملية النَّسْخ

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• البروتين جزيءٌ حيويٌّ كبيرٌ مُعقَّدٌ، يتكوَّن من مونومرات الأحماض الأمينية، وله أشكال ووظائف متنوِّعة وواسعة النطاق.
• تعريف: البروتين

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• ومن ثَمَّ، تستند «الفكرة المحورية لعلم البيولوجيا الجزيئية»، الموضَّحة في الشكل 3، إلى هذين المفهومين: النَّسْخ والترجمة. حيث تَصِف هذه العملية كيف يُنسَخ DNA الخاصُّ بجين معيَّن إلى mRNA، ثم يُترجَم إلى البروتين المقابل لهذا الجين.
• نظرًا لوجود شحنة موجبة وشحنة سالبة داخل الأحماض الأمينية المنفردة، يُمكن طيُّ سلسلة عديد الببتيد في شكلٍ محدَّد لتكوين البروتين بشكله ووظيفته المحدَّدين.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• يوضِّح الشكل الآتي المُلخَّص الأساسي للفكرة المحورية لعلم البيولوجيا الجزيئية.
• مثال ١: فهْم الفكرة المحورية لعلم البيولوجيا الجزيئية

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• الشفرة الوراثية غير متداخِلة، وهو ما يعني أن القواعد في كلِّ كودون تُستخدَم مرَّة واحدة فقط. لذا يُترجَم تتابع mRNA مثل «AUGGGACCU» في صورة ثلاث كودونات غير متداخِلة، كما هو موضَّح في الشكل 4.
• قد تلاحِظ أنه لا يَحدُث تداخُل عند تقسيم تتابع الحمض النووي إلى كودونات.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• في الشكل 5، يُمكننا أن نلاحِظ كيفية ترجمة الكودونات المختلفة إلى الأحماض الأمينية الـ 20.
• في الشفرة الوراثية، يُمثِّل كلُّ كودون حمضًا أمينيًّا معيَّنًا. على سبيل المثال، تتابع DNA « » A T G، هو كودون يُشفِّر للحمض الأميني الميثيونين. تذكَّر أن mRNA هو الذي يُترجَم، وليس DNA، لذلك سيُقرَأ الكودون «ATG» في صورة «AUG» أثناء الترجمة، لأن اليوراسيل (U) في RNA يحلُّ محلَّ الثايمين (T) في DNA.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• استخدِم عجلة الكودونات الموضَّحة لتحديد تتابع الأحماض الأمينية.
• يُنسَخ تتابع من الحمض النووي (DNA) إلى تتابع من الحمض النووي الريبوزي (RNA). يُقرأ هذا التتابع كالآتي 5 ′ - GCUUUCACGCAC- 3 ′

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• تمثِّل عجلة الكودون، كما هو موضَّح سابقًا، الشفرة الوراثية للكودونات والأحماض الأمينية المقابِلة لها. لكي نَستخدِمها، نبدأ من مركز العجلة (الطرف 5 ′ ) ثم نتَّجِه إلى الخارج (في اتجاه الطرف 3 ′ ). تتذكَّر أن تتابعات mRNA تُقرَأ في الاتجاه 5 ′ إلى 3 ′ بحسب المُتعارَف عليه. إذن بالنسبة إلى الكودون 5 ′ -GAG- 3 ′ نتحرَّك خلال عجلة الكودونات بداية من المركز ونختار G، ثم A في المنطقة التالية، ثم G في المنطقة التالية. وهذا يُعطينا الحمض الأميني Glu (الجلوتاميك).
• لترجمة mRNA إلى بروتين، يتحوَّل تتابع النيوكليوتيدات في mRNA إلى أحماض أمينية باستخدام الشفرة الوراثية. التتابعات المكوَّنة من ثلاث قواعد، التي تُسمَّى الكودونات، تُقابِلها أحماض أمينية محدَّدة. على سبيل المثال، الكودون «GGG» الموجود في mRNA يُشفِّر للحمض الأميني الجلايسين أثناء الترجمة. وهذه الكودونات غير متداخِلة، وهو ما يعني أن القاعدة نفسها لا تُستخدَم مرَّتين في تتابع محدَّد. ولذا فإن GGGUAA يُناظِر GGG UAA، ولن يتكرَّر من القاعدة G الثانية (أيْ لا يُناظِر … GGG GGU GUA).

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• يوضِّح الشكل 6 مُطابَقة تتابع الأحماض الأمينية للإنسولين في الدجاج والبشر والشمبانزي لمقارنتها. يُمكننا من خلال مطابَقة هذه البروتينات أن نحدِّد مواضع الفروق، وكلما زادت الفروق بينها، قلَّت صِلة القرابة بين الكائنين. لاحِظ كيف يتشابَه الإنسولين بين الإنسان والشمبانزي (يُوجَد حمض أميني واحد فقط مختلف) مقارنة ببروتين الإنسولين في الدجاجة (حيث تختلف 10 أحماض أمينية تقريبًا). بناءً على ذلك، يَستنتِج العلماء أن الطيور تربطها بنا صِلة قرابة بعيدة مقارنة بالشمبانزي؛ ذلك لوجود فروق (طفرات) أكبر في إنسولين الدجاج مقارنة بإنسولين الشمبانزي. ويرجع ذلك إلى أن الطفرات تَحدُث على مدار فترة زمنية طويلة.
• على سبيل المثال، يُمكن مُطابقة تتابع البروتين للإنسولين لتوضيح أوجُه التشابُه والاختلاف بين الدجاج، والبشر، والشمبانزي. عادةً ما تقع تتابعات البروتين المتماثِلة في مناطق أساسية بالنسبة إلى وظيفة البروتين، وهذا من شأنه أن يُعطينا لمحةً عن كيفية عمل البروتين. يُمكننا كذلك استخدام هذه المعلومات لمعرفة المزيد عن كيفية تطوُّر البروتينات، أو تغيُّرها بمرور الزمن، وهو ما يُمكننا توسيع نطاقه ليشمل إيجاد العلاقات التطوُّرية بين الكائنات.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• عملية النسخ هي العملية المسئولة عن تحويل جين في الحمض النووي (DNA) إلى الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA)، الذي يجري تحويله بعد ذلك إلى بروتين أثناء عملية الترجمة (انظر الشكل 2). تبدأ «الفكرة المحورية لعلم البيولوجيا الجزيئية» بعملية النسخ التي تحدُث في نواة الخلايا الحقيقية النوى أو في سيتوبلازم الخلايا البدائية النوى.
• عملية النسخ هي عملية تحويل تتابُع الحمض النووي (DNA) إلى الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA).

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• الحمض النووي (DNA) هو جزيء مزدوج الشريط ملتفٌّ بإحكام في لولبي. يستطيع إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي الارتباط بجزيء DNA وفك اللولب للفصل بين الشريطين والكشف عن النيوكليوتيدات الفردية. كما يمكنه بعد ذلك استخدام أحد شريطَي DNA بمثابة قالب لتخليق تتابُع مكمِّل له من mRNA، كما هو موضَّح في الشكل 3.
• إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي هو الإنزيم الذي يُحفِّز عملية النسخ عن طريق تخليق الحمض النووي الريبوزي (RNA) من الشريط القالب للحمض النووي (DNA).

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• أحد هذين الشريطين يُسمى الشريط المطابق للشفرة، والآخر يُسمى الشريط المعاكس للشفرة. يُقرأ الشريط المطابق للشفرة في الاتجاه 5 ′ إلى 3 ′، ويُناظر الحمض النووي الريبوزي المُترجَم. أما الشريط المعاكس للشفرة هو الشريط الذي يقرأ في الاتجاه من 3 ′ إلى 5 ′، ويكون مكمِّلًا للشريط الآخر؛ وهو الذي يُستخدم في الواقع بمثابة قالب لعملية النسخ. يمكنك ملاحظة ذلك في الشكل 4.
• بما أن الحمض النووي (DNA) مزدوج الشريط، فأيُّ الشريطين يُستخدم فعليًّا بمثابة قالب؟

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي هو الإنزيم المسئول عن تخليق الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) من الحمض النووي (DNA). يَستخدم الإنزيمُ أحدَ شريطَي الحمض النووي قالبًا لتكوين تتابُع النيوكليوتيدات المكمِّلة للحمض النووي الريبوزي الرسول (مع استبدال الثايمين في الحمض النووي باليوراسيل في الحمض النووي الريبوزي). يسمى شريط القالب في بعض الأحيان الشريط المعاكس للشفرة (الذي يكون في الاتجاه 3 ′ إلى 5 ′ )، في حين يُسمى الآخر الشريط المطابق للشفرة (الذي يكون في الاتجاه 5 ′ إلى 3 ′ ). يُخلَّق الحمض النووي الريبوزي الرسول في الاتجاه 5 ′ إلى 3 ′ مع إضافة نيوكليوتيدات جديدة إلى الطرف 3 ′ له. يمكنك ملاحظة ذلك بالأسفل.
• لكي تُنتِج خليةٌ بروتينًا من جين، لا بُد أولًا من نسخ الحمض النووي للجين إلى الحمض النووي الريبوزي الرسول الذي يُترجم بعد ذلك إلى البروتين المُناظر. يُنتَج الحمض النووي الريبوزي الرسول في نواة الخلايا الحقيقية النوى وسيتوبلازم الخلايا البدائية النوى.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• بمجرد حدوث الارتباط، تتضمن الخطوة التالية فك إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي التركيب اللولبي للحمض النووي، وكسر الروابط الهيدروجينية بين النيوكليوتيدات المكمِّلة الموجودة على شريطَي الحمض النووي (DNA)، كما هو موضَّح في الشكل 5.
• الخطوة الأولى من عملية النسخ تُسمى البدء، وتتضمن ارتباط إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي بتتابُع محدَّد في الحمض النووي (DNA) يُسمى المحفِّز. وهو المكان الذي يبدأ إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي فيه عملية النسخ.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• المرحلة التالية من عملية النسخ تُسمى الاستطالة. بما أن شريطَي الحمض النووي أصبحا الآن منفصلَين، يمكن أن ترتبط قواعد الحمض النووي المكشوفة الموجودة على الشريط المعاكس للشفرة بروابط هيدروجينية مع النيوكليوتيدات المكمِّلة للحمض النووي الريبوزي. يعمل إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي على ربط النيوكليوتيدات المجاورة للحمض النووي الريبوزي الرسول عن طريق تكوين روابط فوسفاتية ثنائية الإستر. فيما تضاف النيوكليوتيدات إلى الطرف 3 ′ من شريط mRNA، الذي ينمو في الاتجاه 5 ′ إلى 3 ′. يتحرك إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي في هذا الاتجاه ويواصل فك DNA، بينما يُخلَّق mRNA. يمكنك ملاحظة ذلك في الشكل 6.
• بمجرد حدوث الارتباط، تتضمن الخطوة التالية فك إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي التركيب اللولبي للحمض النووي، وكسر الروابط الهيدروجينية بين النيوكليوتيدات المكمِّلة الموجودة على شريطَي الحمض النووي (DNA)، كما هو موضَّح في الشكل 5.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• يوضِّح الشكل المراحل الأساسية من عملية النسخ بترتيب غير صحيح. استخدِم الحروف لتوضيح الترتيب الصحيح.
• مثال ٣: فهْم مراحل عملية النسخ

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• يمكنك الاطلاع على نظرة عامة بشأن المعالجة التي تتم بعد النسخ في الشكل 7.
• تشذيب الحمض النووي الريبوزي هو عملية تُعالَج خلالها النسخة الأوَّلية للحمض النووي الريبوزي لإزالة الإنترونات وربط الإكسونات لتكوين الحمض النووي الريبوزي الرسول الناضج.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• يحمل الكودون «AUG» والكودون «UUC» شفرة الحمضين الأمينيين الميثيونين (Met) والفينيل ألانين (Phe)، على الترتيب. يُمكنك فكُّ شفرة أيِّ تتابع mRNA باستخدام عجلة الكودونات الموضَّحة في الشكل 2.
• لعلك تتذكَّر أيضًا أن تتابعات الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) تُقرأ في الاتجاه 5 ′ إلى 3 ′. على سبيل المثال، انظر تتابع mRNA الآتي: 5 ′ 3 ′ A U G U U C

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• استخدِم عجلة الكودونات الموضَّحة لتحديد تتابع الأحماض الأمينية الذي سيُترجَم إليه تتابع mRNA هذا.
• لدينا هذا التتابع من الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA): 5 ′ 3 ′ U A C G A G A A C C G A

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• عجلة الكودونات، مثل الموضَّحة سابقًا، هي الشفرة الوراثية للكودونات والأحماض الأمينية المُناظِرة لها. ولاستخدام عجلة الكودونات، نبدأ من مركز العجلة (عند الطرف 5 ′ ) ثم نتَّجِه إلى الخارج (باتجاه الطرف 3 ′ ). تذكَّر أن تتابعات الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) تُقرَأ في الاتجاه 5 ′ إلى 3 ′، كما هو مُتعارَف عليه. إذن بالنسبة إلى الكودون 3 ′ -GAG- 5 ′، سوف تَستخدِم عجلة الكودونات بدءًا من المركز وتَختار «G»، ثم في المنطقة التالية ستَختار «A»، ثم تختار «G» في المنطقة التالية. وهذا سيُعطينا الحمض الأميني Glu.
• لتحويل أحد جينات الحمض النووي (DNA) إلى بروتين، يجب أولًا تكوين الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) من خلال عملية تُسمَّى عملية النَّسْخ. تُنتِج عملية النَّسْخ تتابع الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) الذي يَحمل المعلومات نفسها التي تُوجَد في الحمض النووي (DNA) للجين، ولكنه حمض نووي ريبوزي (RNA)؛ لذلك فهو يتضمَّن اليوراسيل (U) بدلًا من الثايمين (T). يُمكن بعد ذلك أن يُترجَم تتابع الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) هذا إلى أحماض أمينية لتكوين عديد الببتيد من خلال عملية تُسمَّى الترجمة. ويُمكن طيُّ عديد الببتيد الناتج لتكوين البروتين المُناظِر للجين.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) هو جزيء RNA محوِّل متخصِّص يُمكنه حمل الأحماض الأمينية إلى موقع الترجمة بهدف التخليق. بالنسبة إلى كلِّ كودون وحمض أميني، هناك حمض نووي ريبوزي ناقل (tRNA) يتوافَق معهما. وكلُّ جزيئات الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) لها ورقة البرسيم المميَّز الذي يُمكن أن تراه في الشكل 3. ويرجع السبب في هذا الشكل المميَّز إلى قُدْرة الحمض النووي الريبوزي (RNA) المفرد الشريط على أن يُطوَى على نفسه وفقًا لأُسُس تزاوُج القواعد المتكامِلة.
• تتكوَّن عملية الترجمة من مكوِّنين رئيسيين: الأحماض النووية الريبوزية الناقلة (tRNAs) والريبوسومات. دعونا نتناول كلًّا منهما بالتفصيل.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• مضاد الكودون تتابعٌ موجود في جزيء الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) مكمِّلٌ لكودون في الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA).
• تعريف: مضاد الكودون

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• يتكوَّن الريبوسوم من وحدتين فرعيتين تُسمَّيان الوحدة الفرعية الكبيرة والوحدة الفرعية الصغيرة، كما يَظهَر في الشكل 5. أثناء عدم قيام الوحدتين الفرعيتين بالترجمة، تَنفصلان وتَبقَيان في السيتوبلازم حتى يكون هناك حاجة إلى ترجمة شريط آخَر من الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA).
• دعونا الآن نتحدَّث قليلًا عن تركيب الريبوسوم.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• أثناء البدء، ترتبط الوحدة الفرعية الصغيرة للريبوسوم أولًا بجزيء mRNA، ثم تتحرَّك على طول الجزيء حتى تَجِد كودون البدء. وهذا الكودون هو التتابع AUG، الذي يُناظِر الحمض الأميني «الميثيونين» (Met). وبمجرد ارتباطهما، يرتبط جزيء tRNA، الذي يَحمل الحمض الأميني «الميثيونين»، بالوحدة الفرعية الصغيرة للريبوسوم، كما هو موضَّح في الشكل 6.
• هناك ثلاث خطوات رئيسية لعملية الترجمة: البدء والاستطالة والانتهاء.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• بمجرد ارتباط جزيء tRNA الذي يَحمل الميثيونين بكودون البدء، ترتبط الوحدة الفرعية الكبيرة بالوحدة الفرعية الصغيرة، ويُمكن أن تبدأ مرحلة الاستطالة من عملية الترجمة. تَحتوي الوحدة الفرعية الكبيرة على 3 مواقع يُمكن أن يتفاعَل معها جزيء tRNA. الموقع «A» هو موقع الأمينو أسيل، والموقع «P» هو موقع الببتيديل، والموقع «E» هو موقع الخروج. وعند ارتباط الوحدة الفرعية الكبيرة، ينتقل جزيء tRNA المرتبط بكودون البدء إلى الموقع «P». بعد ذلك يرتبط جزيء tRNA التالي الذي يَحمل الحمض الأميني المناسب بجزيء mRNA عند موقع الأمينو أسيل. والآن يُمكن للريبوسوم أن يربط الحمضين الأمينيين معًا عن طريق تكوين رابطة ببتيدية بمُساعَدة النشاط الإنزيمي للببتيديل ترانسفيريز الموجود في الوحدة الفرعية الكبيرة للريبوسوم. وهذا يُمكن أن يربط الحمض الأميني التالي بالحمض الأميني السابق لإطالة سلسلة عديد الببتيد. وتَظهَر خطوة الاستطالة من عملية الترجمة في الشكل 7.
• يُشير كودون البدء إلى بداية تتابع البروتين عن طريق بدء عملية ترجمة الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) بواسطة الريبوسوم. وكودون البدء الأكثر شيوعًا هو AUG.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• بعد ذلك، يتحرَّك الريبوسوم في الاتجاه 5 ′ إلى 3 ′ على طول جزيء mRNA حتى يَصِل إلى الكودون التالي. وهذا يَنقل جزيئات tRNA إلى مواقع جديدة في الريبوسوم. والآن فإن جزيء tRNA، الذي فَقَد حمضه الأميني في الخطوة السابقة، يَدخُل إلى الموقع «E» ويَخرُج من الريبوسوم، ثم يَنتقل جزيء tRNA الذي يَحمل سلسلة عديد الببتيد إلى موقع الببتيديل، ثم يَدخُل جزيء tRNA جديد، يحتوي على الحمض الأميني الموافق للكودون التالي، إلى موقع الأمينو أسيل. ويَظهَر ذلك في الشكل 8.
• الريسين، وهو المادة السامَّة التي سبق الحديث عنها، له نشاط إنزيمي، ويُمكنه تكسير أو إزالة مكوِّنات معيَّنة من الريبوسوم تُشارك في مرحلة الاستطالة. وهو ما يَمنع الريبوسوم من الاستمرار في خطوة الاستطالة، وهو ما يؤدِّي إلى توقُّف تخليق البروتين في الخلايا.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• يوضِّح الشكل مراحل عملية الترجمة بترتيب غير صحيح. رتِّب المراحل ترتيبًا صحيحًا.
• مثال ٤: فهْم مراحل عملية الترجمة

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.