أهداف التعلم

• تصنف البروتينات وتصف تركيب الأحماض الأمينية والرابطة الببتيدية.
• تقارن بين RNA وDNA، وبين أنواع RNA الثلاثة.
• توضح خصائص الشفرة الوراثية.
• تشرح خطوات النسخ والترجمة في تخليق البروتين.
• تتعرف تقنيات التكنولوجيا الجزيئية ومشروع الجينوم البشري.

شرح الدرس

البروتينات

تنقسم البروتينات إلى نوعين:

• بروتينات تركيبية: تدخل في تراكيب محددة، كالأكتين والميوسين في العضلات، والكولاجين في الأنسجة الضامة، والكيراتين في الجلد والشعر والأظافر والقرون والريش.
• بروتينات تنظيمية: تنظم أنشطة الكائن، وتشمل الإنزيمات والأجسام المضادة والهرمونات.

وتبنى آلاف البروتينات من عشرين نوعًا من الأحماض الأمينية. يضم كل حمض أميني مجموعة كربوكسيل (COOH) ومجموعة أمين (NH₂) وذرة هيدروجين مرتبطة بذرة كربون واحدة، ومجموعة رابعة جانبية $R$ تختلف من حمض لآخر (وفي الجلايسين تحل ذرة هيدروجين محلها). وترتبط الأحماض الأمينية بروابط ببتيدية في تفاعل نازع للماء بوجود الإنزيمات، فيتكون عديد الببتيد. وتختلف البروتينات في عدد الأحماض الأمينية وأنواعها وترتيبها، وفي عدد سلاسل عديد الببتيد، وفي الروابط الهيدروجينية الضعيفة التي تعطي الجزيء شكله الفراغي.

RNA

يشبه RNA جزيء DNA في أنه سلسلة غير متفرعة من النيوكليوتيدات (سكر خماسي وقاعدة وفوسفات). لكن يختلف عنه في:

ثلاثة أنواع من RNA تسهم في بناء البروتين:

1. RNA الرسول (mRNA): يُنسخ من أحد شريطي DNA. يرتبط إنزيم بلمرة RNA بتتابع على DNA يُسمى المحفز، فينفصل الشريطان ويعمل أحدهما قالبًا، ويضيف الإنزيم ريبونيوكليوتيدات متكاملة واحدة تلو أخرى في الاتجاه $5' \to 3'$ مع حركته على القالب $3' \to 5'$. ويختلف هذا عن تضاعف DNA في أنه ينسخ جزءًا فقط من DNA. وفي أوليات النواة إنزيم واحد ينسخ الأنواع الثلاثة من RNA وتبدأ الترجمة قبل اكتمال النسخ، وفي حقيقيات النواة لكل نوع إنزيم خاص ويكتمل mRNA في النواة ثم ينتقل إلى السيتوبلازم عبر ثقوب الغشاء النووي. وفي بداية الجزيء موقع ارتباط بالريبوسوم يوجه كودون البدء AUG، وفي نهايته كودون وقف (UAA أو UAG أو UGA) يليه ذيل عديد الأدينين الذي يحمي mRNA من الإنزيمات المحللة في السيتوبلازم.

2. RNA الريبوسومي (rRNA): يدخل مع عديدات الببتيد في بناء الريبوسومات. تُبنى الريبوسومات في حقيقيات النواة في النوية بمعدل مرتفع بسبب وجود نسخ كثيرة من جينات rRNA. ويتكون الريبوسوم الوظيفي من تحت وحدتين كبيرة وصغيرة تنفصلان عند عدم العمل.

3. RNA الناقل (tRNA): ينقل الأحماض الأمينية إلى الريبوسوم، ولكل حمض أميني نوع خاص منه (ويكون للحمض ذي الكودونات المتعددة أكثر من نوع). لكل جزيء tRNA موقعان: موقع ارتباط بالحمض الأميني عند الطرف $3'$ وهو ثلاث قواعد CCA، وموقع مضاد الكودون الذي تتزاوج قواعده مع كودون mRNA المناسب مؤقتًا على الريبوسوم.

الشفرة الوراثية

الشفرة الوراثية هي تتابع النيوكليوتيدات في ثلاثيات على mRNA المنسوخ من أحد شريطي DNA، وتُترجم إلى تتابع أحماض أمينية. لماذا ثلاثية؟ لأن أربع قواعد وعشرين حمضًا أمينيًا:

• كلمة من قاعدة واحدة تعطي $4$ احتمالات فقط، وهي لا تكفي.
• كلمة من قاعدتين تعطي $4^2 = 16$ احتمالًا، وهي لا تكفي.
• كلمة من ثلاث قواعد تعطي $4^3 = 64$ احتمالًا، وهي أكثر من الحاجة.

فأصغر كلمة شفرة تتكون من ثلاث نيوكليوتيدات، وتُسمى الكودون. ومن خصائص الشفرة:

• لأغلب الأحماض الأمينية أكثر من كودون.
• كودون بدء واحد هو AUG (يشفر الميثيونين)، وثلاثة كودونات وقف (UAA وUAG وUGA) لا تشفر أي حمض أميني.
• الشفرة عالمية: الكودونات نفسها تشفر الأحماض الأمينية نفسها في كل الكائنات من الفيروسات إلى الحيوانات، وهو دليل على أن الكائنات انحدرت من أسلاف مشتركة.

تخليق البروتين (الترجمة)

1. البدء: ترتبط تحت وحدة الريبوسوم الصغيرة بـ mRNA عند الكودون AUG عند الطرف $5'$، ويتزاوج مضاد كودون tRNA الحامل للميثيونين معه، فيكون الميثيونين أول حمض أميني. ثم ترتبط تحت الوحدة الكبيرة. وللريبوسوم موقعان: الببتيديل (P) وأمينو أسيل (A).
2. الاستطالة: تتكرر دورة من ثلاث خطوات: (أ) يرتبط مضاد كودون tRNA آخر بالكودون التالي عند الموقع A حاملًا حمضه الأميني. (ب) يحدث تفاعل نقل الببتيديل الذي يكوّن رابطة ببتيدية بين الحمضين بإنزيم جزء من تحت الوحدة الكبيرة، فيخرج tRNA الفارغ من الموقع P. (ج) يتحرك الريبوسوم على mRNA فيأتي الكودون التالي إلى الموقع A وتتكرر الدورة.
3. الإنهاء: عند الوصول إلى كودون وقف يرتبط به عامل الإطلاق (بروتين) فتتحرر السلسلة ويترك الريبوسوم mRNA وتنفصل تحت وحدتاه.

وما إن يبرز الطرف $5'$ لـ mRNA حتى ترتبط به تحت وحدة صغيرة أخرى، فيترجم الجزيء الواحد عدد كبير من الريبوسومات معًا يسمى عديد الريبوسوم.

التكنولوجيا الجزيئية

بعد معرفة تركيب الجين وطريقة بناء البروتين صار ممكنًا عزل جين مرغوب وتكوين ملايين النسخ منه في بكتيريا أو خميرة، وتحديد تتابع نيوكليوتيداته، ونقل جينات إلى خلايا نباتية وحيوانية، وبناء جينات صناعية. ويُعرف ذلك بـ الهندسة الوراثية.

تهجين DNA: برفع درجة حرارة DNA إلى نحو $100^\circ$م تنكسر الروابط الهيدروجينية وينفصل الشريطان، وعند التبريد يتزاوج كل شريط مع شريط متكامل. وتزداد الحرارة اللازمة لفصل الشريطين كلما زاد التكامل بينهما. وبمزج DNA من مصدرين يتكون لولب هجين. ومن استخداماته: الكشف عن جين معين وكميته باستخدام شريط مفرد مشع متكامل معه، وتقدير القرابة التطورية بين الأنواع (كلما زاد التشابه زادت درجة التهجين).

إنزيمات القصر: إنزيمات تصنعها بعض البكتيريا فتقطع DNA الفيروسي الغريب عند مواقع محددة. وتحمي البكتيريا DNA الخاص بها بإنزيمات معدِّلة تضيف مجموعة ميثيل إلى مواقع التعرف. يتعرف كل إنزيم قصر على تتابع محدد من 4 إلى 7 نيوكليوتيدات ويقطع DNA عنده، وكثيرًا ما يترك أطرافًا مفردة لاصقة تتزاوج مع أطراف قطعة أخرى قُطعت بالإنزيم نفسه، ثم إنزيم الربط يصلهما.

استنساخ DNA: يقص الباحث الجين والبلازميد بإنزيم القصر نفسه فتتكون أطراف لاصقة متكاملة، ثم يُربطان بإنزيم الربط. يدخل البلازميد المعاد الاتحاد إلى بكتيريا أو خميرة عولجت لتصبح أكثر نفاذية، فتتضاعف البلازميدات مع نمو الخلايا، ثم تُكسّر الخلايا ويُقص الجين بالإنزيم ويُعزل بالطرد المركزي.

النسخ العكسي وPCR: للحصول على الجين من خلايا يكون فيها نشطًا (كخلايا البنكرياس للأنسولين) يعزل الباحث mRNA ويستخدمه قالبًا لبناء DNA بواسطة إنزيم النسخ العكسي الموجود في الفيروسات التي مادتها الوراثية RNA، ثم يبني الشريط الآخر بإنزيم البلمرة. ويُضاعَف DNA بجهاز PCR الذي يستخدم إنزيم تاك بوليميريز الذي يعمل عند حرارة مرتفعة، فيضاعف القطعة ملايين المرات في دقائق.

تطبيقات DNA معاد الاتحاد:

• إنتاج الأنسولين البشري في البكتيريا بدلًا من استخلاصه من بنكرياس الماشية.
• إنتاج الإنترفيرونات التي توقف تضاعف الفيروسات بوفرة وتكلفة أقل.
• نقل جينات مقاومة المبيدات العشبية وبعض الأمراض إلى المحاصيل، ومحاولة نقل جينات النباتات البقولية التي تتيح استضافة بكتيريا تثبيت النيتروجين الجوي لتقليل الأسمدة النيتروجينية.
• نقل جينات إلى الحيوان كجين هرمون نمو إلى الفئران فنمت إلى ضعف حجمها.
• تعديل جينوم البكتيريا لإنتاج أنتيجينات لتصنيع لقاحات آمنة.
• محاولة علاج الأمراض الوراثية بإدخال جينات سليمة. وهذه تقنية قد تكون خطرة إذا أسيء استخدامها ويعارض بعض العلماء استمرار البحث فيها.

الجينوم البشري

مشروع الجينوم البشري جهد دولي ضخم لدراسة تتابع الجينات على الكروموسومات البشرية وتتابع النيوكليوتيدات في كل جين، وقد أُتيحت نتائجه للمجتمع العلمي. فوائده: معرفة جينات الأمراض الوراثية الشائعة والنادرة، ومعرفة الجينات المسببة لعجز الأعضاء، والإفادة في صناعة عقاقير بلا آثار جانبية، ودراسة تطور الكائنات بمقارنة الجينوم البشري بغيره.

أسئلة للتدريب

1. قارن بين DNA وRNA.
2. اكتب وظيفة كل من mRNA وrRNA وtRNA.
3. لماذا يجب أن تكون الشفرة الوراثية ثلاثية على الأقل؟
4. اشرح خطوات الاستطالة في الترجمة.
5. وضح كيف تُنتج بكتيريا الأنسولين البشري.