علم الوراثة الجزيئية :
هو عبارة عن العلم الذي يحاول فهم آليات الحياة على مستوى الجزيئات والتفاعل بينها سواء من الجانب الكيميائي أو الميكانيكي والفكرة الأساسية لها .
التركيب البنائي للأحماض النووية :
تتركب الأحماض النووية من وحدات تسمى نيوكليوتيدات وتتكون كل واحدة من هذه الوحدات من :
* سكر خماسي pentose .
* قاعدة نيتروجينية Nitrogen base .
* حامض فوسفوريك phosphoric acid .
وترتبط هذه النيوكليوتيدات مع بعضها عن طريق السكر الخماسي ومجموعة الفوسفات .
ويختلف ال DNA عن ال RNA في نوع السكر الخماسي وكذلك في قاعدة من القواعد النيتروجينية فالسكر الخماسي في حالة ال RNA هو الريبوز D – ribose بينما في حالة ال DNA هو الداى اوكسى ريبوزdeoxyribose والفرق بينهما يشمل ذرة الكربون رقم 2 حيث يوجد عليها ذرة هيدروجين في حالة الداى اوكسى ريبوز بينما يوجد عليها مجموعة هيدروكسيل في حالة الريبوز وهذا الفرق يبدو طفيفاً الا انه يكفى تماما لتمييز أيا منهما عن الأخر بالطرق الكيميائية .
إما القواعد النيتروجينية التي تدخل في تركيب الاحماض النووية فهي نوعان :
ا) قواعد بيورين purines :
وهى (A) Adenine و (G) Guanine وهاتين القاعدتين توجدان في نوعى الاحماض النووية الDNA و ال RNA .
ب) قواعد بريميدين pyrimidines :
ومنها (C) cytocine وهذه توجد في نوعى الاحماض النووية و (T) Thymine وهذه القواعد توجد فقط في الحمض النووى ال DNA وكذلك القاعدة (U) Uracil وهذه القاعدة توجد في الحمض النووى الRNA فقط .
جدول يوضح الفرق بين ال DNA و ال RNA :
تضاعف جزيء ال DNA :
لاحظ العلماء أن الخليتين الناتجتين عن الانقسام المتساوي تحتوي على الكمية نفسها من DNA الموجودة في الخلية الأم. وهذا يعني أن جزيء DNA يتضاعف عند انقسام الخلية فكيف يحدث ذلك؟
لقد ساعد نموذج واتسون وكريك، الذي افترض وجود سلسلتين ملتفتين بشكل لولبي على فهم عملية تضاعفDNA. تتبع خطوات هذه العملية المبينة في الشكل التالي :
ملحوظة :
الجزيئين الناتجين متطابقان تماماً مع بعضهما، ومع الجزيء الأم (الأصلي) من حيث ترتيب النيوكليوتايدات وعددها، غير انه قد تحدث تغييرات تركيبية في أثناء تضاعف DNA، تنتج عنها صفات وراثية جديدة، وتسمى هذه التغييرات طفرات ، إلا أن نسبة حدوثها ضئيلة جداً.
الأدلة التي تثبت أن DNA مادة الوراثة:
بعد أن توصل العلماء إلى أن الجينات محمولة على الكروموسومات، وان الكروموسومات تتكون من البروتينات والحمض النووي DNA، ساد الاعتقاد بداية أن البروتينات هي مادة الوراثة نظراً للتنوع الهائل في أنواعها وتعقيد تركيبها. إلا أن التجارب الدقيقة التي قام بها العلماء، واكتشاف تركيب جزيء DNA في النصف الثاني من القرن العشرين، قادت إلى أن DNA، وليست البروتينات هي مادة الوراثة.
فما الصفات التي يجب أن تتصف بها مادة الوراثة :
1- التلاؤم بين تركيبها وقدرتها على خزن المعلومات الوراثية وترجمتها إلى بروتينات .
2- قدرتها على التضاعف الذاتي خلال انقسام الخلية، ونقل المعلومات الوراثية فيها من جيل إلى آخر.
3 ـ ثبات تركيبها الكيميائي، مع قدرتها على التغيير المحدود بشكل طفرات يتم توارثها كمصدر من مصادر التنوع في الكائنات الحية.
وقد اثبت علماء الوراثة أن DNA يتصف بصفات المادة الوراثية السابق ذكرها، ومن الأدلة على ذلك:
1- يعدDNA مكوناً ثابتاً لكروموسومات الكائنات الحية جميعاً.
2- يحتوي المشيج على نصف كمية DNA الموجودة في الخلية الجسمية للكائن الحي نفسه، وعند الإخصاب فان البويضة المخصبة تحتوي على كمية من DNA مساوية لكميته في الخلايا الجسمية.
3- تتناسب كمية DNA في الخلية طردياً مع تعدد المجموعة الكروموسومية فيها.
4- أثبتت التجارب قدرة DNA على التضاعف الذاتي عند انقسام الخلية، وهذا يعني قدرته على نقل المعلومات الوراثية التي يحملها من جيل إلى آخر.
5- أثبتت تجارب العلماء أن DNAهو المادة الوراثية المسؤولة عن تحديد الصفات الوراثية، فقد اثبت العالم افري (Avery) وزملاؤه عام 1944 م، في تجارب عن البكتيريا أن المادة الوراثية التي انتقلت من خلية بكتيرية إلى أخرى، وسببت ظهور صفات جديدة هي مادة DNA.
وكما اثبت العالمان هيرشي وشيس (Hershey & Chase) عام 1952 م في تجاربهما على الفيروس آكل البكتيريا ( البكتيريوفاج )، أن DNA الفيروس، وليس الغلاف البروتيني له هو المسؤول بعد دخوله الخلية البكتيرية على إجبارها على إنتاج فيروسات جديدة .
بناء البروتين في الخلية :
لقد ثبت تجريبيا ان معلومات الDNA مسؤولة عن بناء البروتينات في الخلية , فكيف يعمل الDNA على بناء البروتينات في السيتوبلازم رغم وجوده في النواة ؟
ينقل الm.RNA الرسول التعليمات الوراثية الخاصة ببناء عديد بيبتيد معين من النواة الى الريبوسومات في السيتوبلازم وتدعى عملية نسخ جزء من ال DNA على شكل m.RNA عملية النسخ ثم يلية عملية معالجة ال RNA والتى تعرف على انها تحول m.RNA الاولية الى m.RNA ناضجة عن طريق فصل الانترونات والتحام الاكسونات .
الإنترونات : أجزاء من mRNA غير فعالة أي لا تتضمن شيفرات لبناء عديد الببتيد .
الإكسونات : أجزاء من mRNA فعالة تتضمن شيفرات لبناء سلسلة عديد الببتيد .
ثم يخرج شريط ال mRNA الناضج من النواه الى الريبوسوم وتسمى هذه العملية بعملية الترجمة فهى بناء سلسة عديدة البيبتيد ( بروتين ) من الاحماض الامينية .
الشفرات الوراثية :
أن الشفرة المتماثلة في ترتيب النيوكليوتيدات في جزىء ال DNA يتم نسخها في صورة تتابع مقابل للنيوكليوتيدات في جزىء ال mRNA الذى يذهب الى الريبوسوم حيث تترجم الى تتابع الاحماض الامينية في سلسله عديد البيبتيد الذى يكون بروتينا .
ان الحمض النووى ال DNA لا يقوم بتشكيل جزيئات البروتين نفسه مباشرة ولكنه يفعل ذلك عن طريق وسيط يعرف باسم حمض الرايبوز النووى RNA الذى يقوم بقراءة الشفرات الوراثية المكتوبة على جزيء الحمض النووى ال DNA ثم يقوم بنقل المعلومات والرسائل التى يحملها ال DNA الى بقية الخلية الحية حتى يصنع مختلف البروتينات والانزيمات وغيرها من المواد الهامة التى تؤدى الى الاحتفاظ بالجنس واستمرار الحياه .
ومن المعروف ان هناك عشرين حمض امينى مختلفا تدخل في بناء البروتين وان هناك 4 نيوكليوتيدات U-C-A-G فقط تدخل في بناء كل من DNA و RNA هذه الحروف الابجدية الاربعة يجب ان تشكل العشرين حمض امينى . وذلك لو لم تشكل ستصبح الشفرة احادية اى تتكون من اربعة كلمات فقط وهذا لا يكفى الا لاصلاح 4 احماض امينية فقط .
وبناءا على ذلك انه لربط جميع الاحماض الامينية العشرين بكلمات خاصة يلزم استخدام شفرة ثلاثية الاحرف او ثلاثية المقطع على الاقل حيث انها تعطى عددا كبيرا من الاحتمالات 4 أس 3 =64 كلمة واحتمال وهذا يكفى لإصلاح العشرين حمض امينى واكثر , وعلى ذلك فاصغر حجم نظرى لكلمة شفرة DNA هو ثلاث نيوكليوتيدات .
جدول لتوضيح الشفرات الوراثية :
خطوات بناء m.RNA :
يتم بناء m.RNA وفق الخطوات التالية:
1 ـ تفكك سلسلتي DNA عن بعضهما في موقع محدد، نتيجة تحلل الروابط الهيدروجينية بينهما بفعل إنزيم خاص.
2 ـ ترتبط نيوكليوتايدات RNA الحرة في السائل النووي، مع النيوكليوتايدات المتممة لها في سلسلة الشيفرة(السلسلة النشطة) منDNA التي تعمل كقالب لتكوين سلسلة متممة لها.
3 ـ ترتبط نيوكليوتايدات RNA التي اصطفت على طول سلسلة الشفرة في DNA مع بعضها بعضاً بروابط تساهمية لتكوين سلسلة من mRNA، ويلعب أنزيم بلمرة حمض RNA دوراً أساسيا في تكوين هذه الروابط .
4 ـ تتفكك الروابط الهيدروجينية بين سلسلة mRNA المتكونة، وسلسلة الشيفرة في DNA، مما يؤدي إلى انفصال سلسلة mRNA وابتعادها عن DNA ليعود الارتباط مرة أخرى بين سلسلتي DNA في موضع انفصالهما.
لاحظ أن ترتيب النيوكليوتايدات في سلسلة mRNA الناتجة يكون متمماً لترتيبها في سلسلة الشيفرة من DNAالتي تحمل المعلومات الوراثية، إلا أن نيوكليوتايد اليوراسيل (U)يحل محل الثايمين (T).
وقد لاحظ العلماء أن نسخة mRNA التي تم نسخها مباشرة في النواة تحتوي على (200000) نيوكليوتايد، في حين أن عدد النيوكليوتايدات في سلسلة mRNA عند وصولها إلى السيتوسول حوالي (1000) نيوكليوتايد. فما تفسير ذلك؟
إن سلسلة mRNA الأولية تخضع لتغييرات تركيبية تنظمها أنزيمات متخصصة، وتسمى هذه التغيرات عمليات معالجة .
أنواع أخرى من RNA ووظائفها:
يصنع جزيء DNA عدة أنواع من الحمض النووي RNA أهمهما: الناقل (RNA Transfer ) tRNA، والرايبوسومي rRNA (ribosomal RNA) ، إضافة إلى الرسول(messenger RNA) mRNA
جزيءtRNA الناقل ( RNA Transfer ) :
يختص بنقل الأحماض الأمينية من السيتوبلازم إلى الرايبوسوم , يتم بناءtRNA في النواة، أن هذا الجزيء يتكون من سلسلة واحدة من النيوكليوتايدات تلتف لتكوين ثلاث حلقات. ويرتبط أحد طرفيtRNA مع حمض أميني معين، في حين أن الحلقة المقابلة لهذا الطرف تحتوي على ثلاثة نيوكليوتايدات، وتكون متممة لأحد كودونات mRNA وتسمى النيوكليوتايدات الثلاثة فيtRNA الكودون المضاد
تركيب الرايبوسوم :
أن الرايبوسوم عبارة عن عضيات خلوية تختص ببناء البروتينات، وأنها تتكون من بروتينات rRNA، تبدأ عملية بناء الرايبوسوم في النوية، وتتركب من وحدتين بنائيتين: صغيرة وكبيرة وتحتوي كل منهما على أنواع مختلفة من الجزيئات البروتينية و rRNA، تنتقل هاتان الوحدتان عبر ثقوب الغلاف النووي إلى السيتوسول، وعند ارتباطهما مع mRNAيكونان رايبوسوماً فعّالاً.
لاحظ أن الرايبوسوم الناتج يوفر مواقع خاصة لارتباط جزيئات mRNA، tRNA، فهناك موقعان على الوحدة الكبيرة لارتباط جزيئين من tRNA، وموقع واحد على الوحدة الصغيرة لارتباط جزيء mRNA.
عملية ترجمة الشفرة الوراثية translation :
بناء سلسلة عديدة الببتايد :
تسمى عملية بناء سلسلة من الأحماض الأمينية (عديد الببتايد ) بحسب تتابع الكودونات في mRNA عملية الترجمة. وتتضمن عملية الترجمة سلسلة معقدة من الخطوات التي تنظمها أنزيمات متخصصة. تتبع هذه الخطوات من خلال الشكل التالي :
1ـ نسخ سلسلة أولية لـ mRNA من DNA في النواة.
2 ـ معالجة نسخة mRNA الأولية لتتحول إلى نسخة mRNA الناضجة.
3 ـ ثم ينتقل mRNA من النواة عبر ثقوب الغلاف النووي إلى السيتوسول، حيث يرتبط مع الوحدتين البنائيتين للرايبوسوم.
4 ـ ارتباط جزيئات tRNA مع أحماض أمينية معينة، ويتم ذلك بحسب الكودون المضاد الذي يحمله tRNAوالخاص بحمض أميني معين.
* لاحظ أن عملية تحميل tRNA بحمض أميني ، عملية نشطة تتطلب استهلاك طاقة.
5 ـ ترتبط جزيئات tRNA التي تحمل أحماض أمينية بسلسلة mRNA في الرايبوسوم ويتم ذلك اعتماداً على ترتيب الكودونات في mRNA بحيث يرتبط الكودون المضاد في tRNA مع الكودون المتمم له في mRNA.
6 ـ يسهل وجود جزيئات tRNA متجاورة تحمل أحماض أمينيه، يتكوين روابط ببتيدية بين كل حامضين أمينيين متجاورين، ينتج عنه بناء سلسلة من الأحماض الأمينية (عديد الببتايد)، يكون ترتيب الأحماض الأمينية فيها وفقا لترتيب الكودونات المكونة للشيفرة الوراثية في mRNA.
7 ـ تنفصل السلسة الببتايدية الناتجة. وتنفصل جزيئات tRNA تباعاً ليقوم كل جزيء منها مرة أخرى بنقل حمض أميني من النوع نفسه.
ولعلك تتساءل كيف يتم إنهاء بناء سلسلة عديد الببتايد؟
إن هناك كودونات لا تشفر أحماضاً أمينية معينة، لكنها تعمل كإشارات وقف أو إنهاء. عند الوصول إلى كودون الانتهاء على سلسلة mRNA، فان الموقع (A) في الرايبوسوم يستقبل بروتيناً خاصاً بدلاً منtRNA، وهذا البروتين يفصل سلسلة الببتايد المتكونة، فتنتهي عملية الترجمة (كما بالشكل التالي).
نقل البروتين وتعديله:
ما الذي يحدد اتجاه البروتينات بعد بنائها في الرايبوسوم؟
لقد وجد أن تتابع عدد معين من الأحماض الأمينية في سلسلة عديد الببتايد التي تم بناؤها بشك الإشارة اللازمة لذلك، ويسمى هذا التتابع لعدد من الأحماض الأمينية سلسلة الإشارة . وقد يتم تعديل البروتين الناتج تركيبياً باتحاده مع سكريات لتكوين بروتينات سكرية، أو مع مواد دهنية لتكوين البروتينات الدهنية.
إرسال تعليق