الدرس الأول: أنواع RNA وتخليق البروتين والشفرة الوراثية

• يوجد في الأنظمة الحية آلاف الأنواع من المركبات البروتينية، وتُقسم إلى قسمين رئيسيين.

1) البروتينات التركيبية (Structural Proteins)

• بروتينات تدخل في تراكيب محددة في الكائن الحي.
• الأكتين والميوسين: يدخلان في تركيب العضلات.
• الكولاجين: يدخل في تركيب الأنسجة الضامة.
• الكيراتين: يكوّن الأغطية الواقية كالجلد والشعر والحوافر والقرون والريش.

2) البروتينات التنظيمية (Regulatory Proteins)

• بروتينات تنظم عمليات الكائن الحي وأنشطته.
• الإنزيمات: تنشّط التفاعلات الكيميائية في الكائنات الحية.
• الأجسام المضادة: تعطي الجسم مناعة ضد الأجسام الغريبة.
• الهرمونات وغيرها من المواد التي تمكّن الكائن من الاستجابة للتغير المستمر في بيئته الداخلية والخارجية.

مقارنة بين نوعي البروتينات

• هناك خطة مشتركة لبناء آلاف البروتينات: عشرون نوعًا من الوحدات البنائية هي الأحماض الأمينية.

التركيب الأساسي للحمض الأميني

• يحتوي كل حمض أميني على مجموعة كربوكسيل (COOH) ومجموعة أمينية (NH₂) ترتبطان بأول ذرة كربون.
• ترتبط بالذرة نفسها ذرة هيدروجين هي المجموعة الثالثة.
• الجلايسين هو الاستثناء، فيحمل ذرة هيدروجين أخرى بدل المجموعة الرابعة.
• الأحماض التسعة عشر الباقية تحمل مجموعة رابعة (R) تختلف باختلاف الحمض الأميني.

الرابطة الببتيدية

• ترتبط الأحماض الأمينية معًا بوجود إنزيمات خاصة في تفاعل نازع للماء.
• تتكوّن رابطة ببتيدية (Peptide Bond) بين الأحماض الأمينية.
• الناتج بوليمر هو عديد الببتيد (Polypeptide) الذي يكوّن البروتين.

سبب اختلاف البروتينات

• اختلاف عدد الأحماض الأمينية وأنواعها وترتيبها في البوليمرات.
• اختلاف عدد البوليمرات الداخلة في بناء البروتين.
• الروابط الهيدروجينية الضعيفة التي تعطي الجزيء شكله المميز.
• تخليق البروتين عملية معقدة تتداخل فيها أنواع كثيرة من الجزيئات.

• يشبه RNA جزيء DNA في أنه سلسلة طويلة غير متفرعة من وحدات بنائية هي النيوكليوتيدات.
• تتكون كل نيوكليوتيدة من سكر خماسي وقاعدة نيتروجينية ومجموعة فوسفات.
• ترتبط فوسفات نيوكليوتيدة بالكربون 5 وتتصل بالكربون 3 من النيوكليوتيدة السابقة لتكوين هيكل سكر-فوسفات.

أوجه الاختلاف

• من هنا جاء اسم الحمض النووي الديوكسي ريبوزي (Deoxyribonucleic acid).
• يوجد ثلاثة أنواع من RNA تساهم في بناء البروتين: الرسول والريبوسومي والناقل.

نسخ mRNA (النسخ)

• تبدأ العملية بارتباط إنزيم بلمرة RNA (RNA Polymerase) بتتابع من النيوكليوتيدات على DNA يُسمّى المحفز (Promoter).
• ينفصل شريطا DNA، ويعمل أحدهما قالبًا لتكوين شريط RNA متكامل.
• يتحرك الإنزيم على DNA، ويربط الريبونيوكليوتيدات المتكاملة واحدة تلو الأخرى بشريط RNA النامي.
• يعمل الإنزيم على القالب في الاتجاه ‎3′ → 5′‎ ويكوّن RNA في الاتجاه ‎5′ → 3′‎.

مقارنة النسخ بتضاعف DNA

• كلتا العمليتين متشابهتان، لكن الفرق الرئيسي أن تضاعف DNA لا يتوقف حتى ينتهي نسخ كل DNA في الخلية.
• أما النسخ فيتم لـ جزء فقط من DNA.
• شريط واحد فقط من DNA هو الذي يُنسخ (رغم أن كلا الشريطين يصلح نظريًا)، ويدل المحفز على الشريط الذي سيُنسخ.

النسخ في أوليات وحقيقيات النواة

• في أوليات النواة: إنزيم واحد من RNA بوليميريز ينسخ الأحماض الريبوزية الثلاثة.
• في حقيقيات النواة: لكل نوع من RNA إنزيم خاص به.
• في أوليات النواة يصبح mRNA جاهزًا للترجمة مباشرة، فترتبط الريبوسومات ببدايته ويبدأ في ترجمته بينما الطرف الآخر ما زال يُبنى على DNA.
• في حقيقيات النواة يجب أن يكتمل بناء mRNA في النواة ثم ينتقل إلى السيتوبلازم عبر ثقوب الغشاء النووي ليُترجم إلى البروتين.

تركيب جزيء mRNA

• موقع الارتباط بالريبوسوم في بداية الجزيء، وهو تتابع من النيوكليوتيدات يربط الريبوسوم بحيث يتجه أول كودون AUG إلى أعلى، وهو الوضع الصحيح للترجمة.
• كودون البدء (AUG).
• كودونات الرسالة.
• كودون الوقف: واحد من ثلاثة هي UAA وUAG وUGA.
• ذيل عديد الأدينين عند الطرف الآخر، من نحو 200 أدينوزين، ويحمي mRNA من التحلل بإنزيمات السيتوبلازم.
• لا يُترجم ذيل عديد الأدينين إلى أحماض أمينية.

• يدخل في بناء الريبوسومات (عضيات بناء البروتين) عدة أنواع من RNA الريبوسومي، مع نحو 70 نوعًا من عديد الببتيد.
• هناك أربعة أنواع مختلفة من rRNA تدخل مع البروتين في بناء الريبوسومات.

مكان بناء الريبوسومات

• تُبنى في حقيقيات النواة في النوية، حيث تُبنى آلاف الريبوسومات في الساعة.
• سبب هذا المعدل السريع أن DNA يحتوي على أكثر من 600 نسخة من جينات rRNA التي يُنسخ منها rRNA في النوية.
• تُبنى بروتينات الريبوسومات في السيتوبلازم، ثم تنتقل عبر غشاء النواة إلى داخل النوية.
• هناك يكوّن rRNA مع عديدات الببتيد تحت وحدات الريبوسوم.

تركيب الريبوسوم

• الريبوسوم الوظيفي يتكوّن من تحت وحدتين: إحداهما كبيرة والأخرى صغيرة.
• عندما لا يعمل الريبوسوم في إنتاج البروتين تنفصل تحت الوحدتان وتتحرك كل منهما بحرية.
• قد تتحد كل منهما مع تحت وحدة من النوع المقابل فتبدأ عملية البناء مرة أخرى.

• يحمل الأحماض الأمينية إلى الريبوسومات.
• لكل حمض أميني نوع خاص من tRNA يتعرف عليه وينقله.
• الأحماض التي لها أكثر من شفرة يكون لها أكثر من نوع من tRNA.
• يُنسخ tRNA من جينات tRNA الموجودة على جزء من DNA.

الشكل العام

• لجميع جزيئات tRNA شكل عام واحد، فتلتف أجزاء من الجزيء لتكوّن حلقات تحتفظ بشكلها عن طريق ازدواج القواعد في مناطق مختلفة.

موقعان مهمان في tRNA

• موقع ارتباط الحمض الأميني: يتكوّن من ثلاث قواعد CCA عند الطرف 3′.
• مضاد الكودون (Anticodon): مقابل الكودون، تتزاوج قواعده مع كودونات mRNA المناسبة عند مركب mRNA والريبوسوم.
• ينتج عن ذلك ارتباط مؤقت بين tRNA وmRNA يسمح للحمض الأميني المحمول على tRNA بالدخول في سلسلة عديد الببتيد في المكان المحدد.

مقارنة بين أنواع RNA الثلاثة

• الشفرة الوراثية هي تتابع النيوكليوتيدات في ثلاثيات على mRNA، وقد نُسخت من أحد شريطي DNA.
• ينتقل mRNA إلى الريبوسوم فيُترجم إلى تتابع من الأحماض الأمينية في سلسلة عديد ببتيد تكوّن بروتينًا معينًا.

لماذا الشفرة ثلاثية؟

• يوجد 20 حمضًا أمينيًا مختلفًا وأربع نيوكليوتيدات فقط، أي أن "لغة" الوراثة لها أربعة "حروف".
• شفرة أحادية: تعطي 4 كلمات فقط، فتحتوي البروتينات على 4 أحماض أمينية فقط (غير كافٍ).
• شفرة ثنائية: 4² = 16 كلمة (ما زال غير كافٍ لـ 20 حمضًا).
• شفرة ثلاثية: 4³ = 64 كلمة، وهذا أكثر من كافٍ.
• لذلك أصغر حجم نظري لكلمة الشفرة هو ثلاث نيوكليوتيدات وتُسمّى كودونًا (Codon).

تاريخ الوصول إلى الشفرة

• بحلول عام 1960 توفرت أدلة كافية تؤيد الشفرة الثلاثية.
• الوصول إلى شفرة كل حمض أميني (الكودونات) تم عام 1965.

أهم خصائص الشفرة

• ثلاثية: كل كودون ثلاث نيوكليوتيدات.
• أكثر من شفرة للحمض الأميني الواحد (يوجد مرادفات).
• كودون بدء واحد: AUG (يشفّر للميثيونين).
• ثلاثة كودونات وقف: UAA وUAG وUGA وهي تشير إلى النقطة التي تتوقف عندها آلية بناء البروتين وتنتهي سلسلة عديد الببتيد.
• عالمية (Universal): نفس الكودونات تمثل شفرات للأحماض الأمينية نفسها في كل الكائنات من الفيروسات إلى البكتيريا والفطريات والنباتات والحيوانات.
• العالمية دليل قوي على أن كل الكائنات الحية الحالية نشأت من أسلاف مشتركة.

الكودونات الموجودة على mRNA

• الكودونات في جدول الشفرة هي التي توجد على mRNA.
• أما ثلاثيات DNA فهي النيوكليوتيدات المتكاملة قواعدها مع تلك الموجودة في الجدول.

جدول الشفرة (للاطلاع)

1) مرحلة البدء

• ترتبط تحت وحدة ريبوسوم صغيرة بجزيء mRNA عند موقع الارتباط، ويكون أول كودون AUG عند الطرف 5′.
• يتزاوج مضاد كودون tRNA الخاص بالميثيونين (UAC) مع الكودون AUG.
• يصبح الميثيونين أول حمض أميني في السلسلة التي ستُبنى.
• ترتبط بعد ذلك تحت وحدة الريبوسوم الكبيرة بالمركب.

موقعا الريبوسوم

• موقع الببتيديل (P): يوجد عنده كودون البدء AUG مع tRNA الميثيونين.
• موقع أمينو أسيل (A): يستقبل tRNA التالي.

2) مرحلة الاستطالة (دورة من ثلاث خطوات)

• الخطوة 1: يرتبط مضاد كودون tRNA آخر بالكودون التالي على mRNA، فيصبح الحمض الأميني الذي يحمله هو الحمض الأميني التالي في السلسلة.
• الخطوة 2: يحدث تفاعل نقل الببتيديل (Peptidyl Transferase Reaction) الذي تتكوّن فيه رابطة ببتيدية بين الحمضين.
• الإنزيم المنشّط لهذا التفاعل هو جزء من تحت وحدة الريبوسوم الكبيرة.
• يصبح tRNA عند موقع P فارغًا ويترك الريبوسوم، وقد يلتقط ميثيونينًا آخر.
• أما tRNA الثاني فيحمل الحمضين الأمينيين معًا.
• الخطوة 3: يتحرك الريبوسوم على mRNA (بمقدار كودون)، فيصبح الكودون التالي عند الموقع A.
• تبدأ الدورة من جديد فيجلب tRNA مناسب الحمض الأميني الثالث، وتُربط السلسلة النامية بالحمض الجديد، ثم يتكرر التتابع.

3) مرحلة الإنهاء

• تقف العملية عندما يصل الريبوسوم إلى كودون وقف على mRNA.
• يرتبط بكودون الوقف بروتين يُسمّى عامل الإطلاق (Release Factor).
• يترك الريبوسوم mRNA، وتنفصل تحت وحدتا الريبوسوم عن بعضهما.
• تتحرر السلسلة الببتيدية لتكوّن البروتين.

عديد الريبوسوم (Polyribosome أو Polysome)

• ما إن يبرز الطرف 5′ لـ mRNA من الريبوسوم حتى ترتبط تحت وحدة صغيرة أخرى وتبدأ بناء بروتين.
• عادة يتصل بجزيء mRNA عدد من الريبوسومات قد يصل إلى المئة.
• يترجم كل ريبوسوم الرسالة بمروره على mRNA، ويُسمّى المجموع عديد الريبوسوم.
• فائدته إنتاج كميات كبيرة من البروتين نفسه في وقت قصير.

ربط DNA بـ mRNA وبالبروتين

عدد الأحماض الأمينية

• عدد الأحماض الأمينية = عدد كودونات mRNA − 1 (كودون الوقف لا يُترجم). مثال 2: جزيء mRNA يحتوي 300 نيوكليوتيدة تشمل كودون الوقف، فكم حمضًا أمينيًا في البروتين؟

الحل:

• عدد الكودونات = \[\begin{gathered}300 \div 3 = 100\end{gathered}\] كودون.
• عدد الأحماض الأمينية = \[\begin{gathered}100 - 1 = 99\end{gathered}\] حمضًا أمينيًا. مثال 3: عديد ببتيد يتكون من 50 حمضًا أمينيًا، فما أقل عدد من النيوكليوتيدات في mRNA المقابل؟

الحل:

• عدد الكودونات = 50 + 1 (كودون الوقف) = 51 كودونًا.
• عدد النيوكليوتيدات = \[\begin{gathered}51 \times 3 = 153\end{gathered}\] نيوكليوتيدة.
• (بدون احتساب كودون الوقف تكون 150 نيوكليوتيدة تشفّر للأحماض).

خلاصة الدور المشترك للأنواع الثلاثة

• DNA يحمل التعليمات، وتُنسخ منه mRNA في النواة.
• mRNA ينقل الرسالة إلى الريبوسوم.
• rRNA مع البروتينات يكوّن الريبوسوم مكان بناء البروتين.
• tRNA يجلب الأحماض الأمينية ويقرأ الكودونات بمضاد الكودون.
• ينتج عن تزاوج الكودون ومضاد الكودون ترتيب الأحماض الأمينية في عديد الببتيد.