-علوم- علم الاحماض النووية

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 .



وإذا نظرنا للإنسان بدقة نجد انه يتكون من بلايين
الخلايا المتراصة فوق بعضها البعض أو جنب إلى جنب أو إذا نظرنا في الخلية
الواحدة نجد أنها تحتوى على النواة والتي بدورها تحتوى على 46 كروموسوم ,
هذا الكروموسوم يتكون من عقد طويلة من DNA والذي
يبلغ طوله الإلف متر يطوى طياً محكماً ويرص ويصف بشكل بديع .




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 ريبوز deoxyribose 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 ال DNA
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 ال RNA
فقط .
جدول يوضح الفرق بين ال DNA و ال RNA :





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 .
واذا تشكلت الى شفرة ثنائية المقطع التى
تتكون من حرفين فقط وذلك يعطى 4 أس 2 = 16 كلمة على الاكثر وذلك لا يصلح
ولا يكفى .لان اذا تصورنا ان كل حمض امينى يحتاج الى كلمة خاصة به فان هذه
الشفرة لا تصلح الا لربط 16 حمضا امينيا 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 ) :


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 tRNA
والخاص 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 من tRNA،
وهذا البروتين يفصل سلسلة الببتايد المتكونة، فتنتهي عملية الترجمة (كما
بالشكل التالي).










ما الذي يحدد اتجاه البروتينات بعد بنائها في
الرايبوسوم؟