ثانوي · الصف 2

DNA، وRNA، والبروتين

جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط

10-3 DNA، وRNA، والبروتين

DNA, RNA, and Protein

الأهداف

  • تفسر كيف يشارك RNA الرسول، وRNA الريبوسومي، وRNA الناقل في نسخ الجينات وترجمتها.
  • تلخص دور إنزيم بلمرة RNA في بناء RNA الرسول.
  • تصف كيف يتم نسخ شفرة DNA إلى RNA الرسول، واستخدامها في بناء بروتين معين.

مراجعة المفردات

البناء: تركيب أجزاء أو ارتباط بعضها مع بعض لتكوين شيء كامل.

المفردات الجديدة

  • RNA
  • RNA الرسول
  • RNA الريبوسومي
  • RNA الناقل
  • عملية النسخ
  • إنزيم بلمرة RNA
  • إنترون
  • الإكسون
  • الشفرة الوراثية
  • عملية الترجمة

الفكرة الرئيسية

تُنسخ شفرات DNA في صورة RNA، الذي يتحكم بدوره في بناء البروتينات.

الربط مع الحياة

يكتب مبرمجو الحاسوب برامجهم بلغة معينة، أو شفرة. ويصمم الحاسوب لقراءة الشفرة وأداء وظائف ما. وكذلك يحتوي DNA على شفرة، مثل شفرة البرمجة، تحفز الخلية على أداء عمل ما.

المبدأ الأساسي

Central Dogma

إحدى خصائص الـ DNA المهمة، والتي لم تُحل بعد اكتشاف واطسون وكريك، هي كيف يستخدم الـ DNA بوصفه شفرة وراثية ضرورية في بناء البروتين؛ حيث تعمل هذه البروتينات بوصفها وحدات بنائية للخلايا والإنزيمات.

وقد بين علماء الوراثة أن آلية قراءة الجينات والتعبير عنها تتم من DNA إلى RNA، ثم إلى البروتينات. وتحدث هذه العملية في جميع المخلوقات الحية، بدءًا من البكتيريا حتى الإنسان. ويسمي العلماء هذه الآليات المبدأ الأساسي في علم الأحياء: تُنسخ شفرات DNA إلى RNA الذي يوجه عملية بناء البروتين.

جزيء RNA حمض نووي يشبه DNA. يتكون RNA من سكر رايبوز، والقاعدة النيتروجينية اليوراسيل بدلًا من الثايمين الموجود في DNA، وهو عادة شريط منفرد.

وهناك ثلاثة أنواع من RNA موجودة في الخلايا الحية، هي:

  • جزيئات RNA الرسول messenger RNA (mRNA)، وهي سلاسل طويلة من نيوكليوتيدات RNA بوصفها سلسلة متممة لسلسلة واحدة من DNA، وتنتقل من النواة إلى الرايبوسومات لتوجه بناء بروتين محدد.
  • RNA الريبوسومي ribosomal RNA (rRNA)، وهو نوع من RNA يرتبط مع البروتينات ليكوّن الرايبوسومات في السيتوبلازم.
  • أما النوع الثالث من RNA فهو RNA الناقل transfer RNA (tRNA)، وهو قطع صغيرة من نيوكليوتيدات RNA تنقل الأحماض الأمينية إلى الرايبوسومات.

ويقارن الجدول 10-2 بين تركيب الأنواع الثلاثة من RNA ووظائفها.

الجدول 10-2

مقارنة بين أنواع RNA الثلاثة

| الاسم | mRNA | rRNA | tRNA |
| ------- | ------------------------------------------------------------------------------ | --------------------------------------- | --------------------------------------- |
| الوظيفة | يحمل المعلومات الوراثية من DNA في النواة ليوجه بناء البروتينات في السيتوبلازم. | يرتبط مع البروتينات لبناء الرايبوسومات. | ينقل الأحماض الأمينية إلى الرايبوسومات. |
| مثال | شكل سلسلة RNA الرسول. | شكل الرايبوسوم. | شكل RNA الناقل. |

عملية النسخ

Transcription

تتضمن الخطوة الأولى في بناء RNA من DNA عملية تسمى النسخ transcription. وتنتقل خلال هذه العملية شفرة DNA إلى mRNA في النواة. ويمكن بعد ذلك لـ mRNA أن يأخذ الشفرة إلى السيتوبلازم لبناء البروتين.

تتبع عملية النسخ في الشكل 10-12. ينفك التواء DNA جزئيًا في النواة، ثم يرتبط به إنزيم بلمرة RNA RNA polymerase، وهو إنزيم يوجه بناء RNA، بارتباطه في منطقة محددة؛ حيث تبدأ عملية بناء mRNA.

وكلما انفكت لولبة DNA قام إنزيم بلمرة RNA ببناء mRNA، كما يتحرك على طول إحدى سلاسل DNA في الاتجاه 3' إلى 5'. وتسمى سلسلة DNA التي يقرؤها إنزيم بلمرة RNA السلسلة الأساسية، القالب.

وسلسلة mRNA سلسلة متممة لنيوكليوتيدات DNA. وتُصنع نسخة RNA الرسول في الاتجاه 5' إلى 3'، بإضافة كل نيوكليوتيد RNA جديد إلى الجهة 3'، حيث يحل اليوراسيل محل الثايمين عند بناء جزيء mRNA.

وفي النهاية ينتج mRNA، وينفصل إنزيم بلمرة RNA عن DNA. ويتحرك mRNA الجديد بعد ذلك من النواة إلى السيتوبلازم عبر الثقوب النووية.

الشكل 10-12

يتم بناء جزيء RNA في الاتجاه من 5' إلى 3'.

حدد: الإنزيم الذي يضيف النيوكليوتيدات إلى RNA أثناء تكونه.

ماذا قرأت؟

ما الاتجاه الذي تنسخ فيه سلسلة mRNA؟

معالجة RNA

RNA processing

عندما قارن العلماء مناطق الشفرة بين DNA وRNA الذي ينتج في نهاية الأمر البروتين، وجدوا أن شفرة mRNA أقصر من شفرة DNA.

وبعد الفحص الدقيق اكتشفوا أن الشفرة على DNA تحتوي قطعًا متسلسلة ومتينة غير موجودة في RNA النهائي، وتسمى هذه القطع الإنترونات introns، المناطق غير المشفرة.

أما القطع الفعالة التي تبقى في RNA النهائي فتسمى الإكسونات exons، المناطق المشفرة.

في المخلوقات الحية الحقيقية النوى، يسمى mRNA الأصلي الذي ينتج في النواة أحيانًا mRNA الأولي، غير المعالج، ويحتوي شفرة DNA كلها.

وقبل أن يغادر RNA الأولي النواة يتم التخلص من الإنترونات فيه.

ومن معالجات mRNA الأولي الأخرى إضافة غلاف واق على النهاية 5'، وكذلك إضافة ذيل مكون من نيوكليوتيدات الأدنين يسمى عديد الأدنين على النهاية 3' من mRNA.

وقد أظهرت الأبحاث أن الغلاف الواقي يساعد أيضًا على تعرف الرايبوسومات، رغم أن أهمية عديد الأدنين ما زالت غير معروفة.

جائزة الملك فيصل

منح البروفسور سيدني برينر جائزة الملك فيصل فرع العلوم عام 1424هـ لاكتشافه طريقة تفكيك الرموز الثلاثية التي ترمز للمركبات الكيميائية التي يتكون منها المخلوق الحي.

وقد كشف عن وجود الدالات التي تختم السلسلة في الرمزتين، وكان أعظم اكتشاف تجريبي له اكتشاف وجود RNA الرسول الذي ينقل عن DNA، خازن الوراثة، ومعلوماته، ويحملها إلى حيث تستعمل لصنع البروتينات.

وبذلك اكتمل اكتشاف السلسلة التي يتم بها انتقال المعلومات المؤثرة إلى البروتين، وهذا الاكتشاف هو الذي يلي في أهميته مباشرة اكتشاف بنية DNA التي هي أساس كل علم الحياة الجزيئي المعاصر.

المصدر: موقع جائزة الملك فيصل / فرع العلوم.

الشفرة

The Code

بدأ علماء الأحياء يفترضون أن تعليمات بناء البروتين موجودة في DNA. لقد عرفوا أن الطريقة الوحيدة التي يختلف فيها DNA بين المخلوقات الحية هي ترتيب القواعد. كما عرف العلماء أيضًا أن هناك 20 حمضًا أمينيًا تستخدم في صناعة البروتينات، لذا فقد عرفوا أن DNA يجب أن يوفر على الأقل 20 شفرة وراثية مختلفة.

الربط مع الرياضيات

إذا كانت كل قاعدة نيتروجينية مسؤولة عن حمض أميني واحد فإن القواعد النيتروجينية الأربع تكون مسؤولة عن أربعة أحماض أمينية فقط.

أما عندما يكون كل زوج من القواعد النيتروجينية مسؤولًا عن حمض أميني واحد فإن القواعد الأربع تكون مسؤولة عن 16 أو 4² حمضًا أمينيًا.

لكن إذا كانت مجموعة من ثلاث قواعد نيتروجينية مسؤولة عن حمض أميني واحد فإنها مسؤولة عن 64 أو 4³ حمضًا أمينيًا محتملًا.

وهذا يوفر شفرات أكثر من المطلوب لعشرين حمضًا أمينيًا، وهي أصغر تركيب محتمل للقواعد لكي يوفر شفرات كافية للأحماض الأمينية.

وهذا لا يعني أن الشفرة موجودة في أزواج القواعد نفسها، ولكنها موجودة على طول سلاسل DNA. وبينت التجارب في ستينيات القرن السابق أن الشفرة في DNA هي فعلاً شفرة مكونة من ثلاث قواعد نيتروجينية.

وتسمى الشفرة الثلاثية القواعد النيتروجينية في DNA أو mRNA الشفرة الوراثية، أو الكودون codon؛ حيث يتم نسخ القواعد الثلاث كلها المكونة للكودون في DNA إلى شفرة في mRNA.

ويبين الشكل 10-13 معجم الشفرة الوراثية. لاحظ أن الكودونات كلها، ما عدا ثلاثة منها هي كودونات الانتهاء، تحدد حمضًا أمينيًا واحدًا.

أما الكودون AUG فمسؤول عن الحمض الأميني الميثيونين، وهو أيضًا يعمل عمل كودون بدء.

الشكل 10-13

يفيد معجم الشفرة الوراثية هذا في معرفة الكودونات الخاصة بالأحماض الأمينية.

حدد: الترتيب المحتمل للكودونات التي يمكن أن ينتج عنها سلسلة الأحماض الأمينية التالية: بادئ - سيرين - هستدين - تريبتوفان - انتهاء.

الترجمة

Translation

عندما يُصنع mRNA وتتم معالجته ينتقل نحو الرايبوسومات. وهذا يعني أن mRNA يجب أن يغادر النواة ويدخل السيتوبلازم في المخلوقات الحية الحقيقية النوى.

وعندما يصبح في السيتوبلازم ترتبط النهاية 5' بالرايبوسوم. فتبدأ هنا قراءة الشفرة وترجمتها لبناء بروتين من خلال عملية تسمى الترجمة translation. تتبع الشكل 10-14 وأنت تدرس الترجمة.

في الترجمة تعمل جزيئات tRNA عمل مفسرات لترتيب الكودونات على mRNA.

وينطوي tRNA على شكل ورقة البرسيم، ويتم تنشيطه بإنزيم يعمل على ربط حمض أميني محدد على النهاية 3'.

وفي منتصف الشريط المطوي هناك ترتيب مكون من 3 قواعد نيتروجينية يسمى الكودون، شفرة، المضاد. وكل كودون مضاد متمم للكودون على mRNA.

وعلى الرغم من أن الشفرة على DNA وRNA تقرأ من 5' إلى 3' فإن قراءة الكودون المضاد تكون من 3' إلى 5'.

عمليتا النسخ والترجمة

Transcription and Translation

الشكل 10-14

تحدث عملية النسخ في النواة. أما الترجمة فتحدث في السيتوبلازم وينتج عنها عديد الببتيد، البروتين.

مراحل الشكل

A - النسخ:
تتم نسخ mRNA عن سلسلة DNA بوساطة إنزيم بلمرة RNA.

B - معالجة mRNA:
يتم إزالة الإنترونات ومعالجة mRNA.

C - انتقال mRNA:
يغادر mRNA النواة ويرتبط بوحدات بناء الرايبوسومات.

D - تنشيط الحمض الأميني:
يتنشط إنزيم tRNA جزيئًا بحمض أميني خاص على كل tRNA.

E - الترجمة:
تضيف جزيئات tRNA أحماضًا أمينية إلى عديد الببتيد، كما تحدد شفرة mRNA عبر الرايبوسوم بإضافة كودون واحد في كل مرة. وعندما تصل إلى كودون الانتهاء تتوقف الترجمة، ويتحرر عديد الببتيد.

دور الرايبوسوم

The role of ribosome

يتكون الرايبوسوم من وحدتين بنائيتين، الشكل 10-14. وهاتان الوحدتان لا تكونان مرتبطتين معًا عندما لا تدخلان ضمن عملية ترجمة البروتين.

وعندما يترك mRNA النواة تجتمع وحدتا الرايبوسوم معًا وترتبطان بـ mRNA لإنتاج الرايبوسوم الفعال.

وعندما يتم ارتباط mRNA مع الرايبوسوم، يتحرك الرايبوسوم نحو الكودون المضاد CAU الذي يحمله tRNA المشحون، ويرتبط مع كودون البدء AUG على mRNA على النهاية 5' من mRNA.

يوجد في تركيب الرايبوسوم أخدود، شق، يسمى الموقع P، الذي يتحرك نحوه tRNA المتمم لـ mRNA.

ثم يتحرك tRNA آخر نحو أخدود آخر في الرايبوسوم يسمى الموقع A، يحتوي الكودون الثاني لـ mRNA، هو UUU الذي يشفر الحمض الأميني فينيل ألانين، ويكون كودونه المضاد على tRNA هو AAA.

يعمل جزء من rRNA في الرايبوسوم عمل إنزيم محفز لتكوين رابطة بين الحمض الأميني الجديد في الموقع A والحمض الأميني في الموقع P.

وعندما يتم ربط الحمضين الأمينيين ينتقل tRNA في الموقع P إلى الموقع الثالث، ويسمى الموقع E؛ حيث يغادر tRNA الرايبوسوم.

ويتحرك الرايبوسوم بعد ذلك، حيث يتغير موقع tRNA في الأخدود A إلى الموقع P، الشكل 10-14. سيدخل الآن tRNA جديد الموقع A، متممًا للكودون الجديد التالي على mRNA.

مختبر تحليل البيانات 10-1

بناءً على بيانات حقيقية

فسر البيانات

كيف يمكن للفيروس أن يؤثر في عملية النسخ؟

لدراسة عملية بناء RNA استعمل العلماء جزيئًا مميزًا بمادة مشعة لتتبع الجزيئات.

يصبح هذا الجزيء مضيئًا، مشعًا، عندما يرتبط مع RNA حديث التكون، وتزداد الإضاءة كلما ازداد طول سلسلة RNA.

لذا يمكن استعمال هذا الجزيء المميز في تتبع بناء RNA.

وقد أضاف العلماء في هذه التجربة المضاد الحيوي ريفامبين rif إلى إنزيمات بلمرة RNA مستخرجة من فيروس T7، ومن E. coli، ومن Mycobacterium smegmatis، ثم تتبعوا بناء RNA.

البيانات والملاحظات

يوضح الرسم البياني مقارنة الإشعاع مع إضافة ريفامبين.

التفكير الناقد

  • صف العلاقة بين مستوى الإشعاع والزمن في كل تجربة لم يتم إضافة الريفامبين إليها.
  • استنتج: لا يُغير العلاقة بين مستوى الإشعاع والزمن في كل حالة يضاف إليها ريفامبين؟
  • فسر: أي جزيئات RNA في المخلوقات الحية السابقة تتأثر بنموها أكثر بالمضاد الحيوي ريفامبين؟

أُخذت البيانات في هذا المختبر من:
Marras Salvatore A.E., et al. 2004. Real-time measurement of in vitro transcription. Nucleic Acids Research 32.9.e: 72.

وتستمر عملية إضافة وربط الأحماض الأمينية بالتتابع الذي يحدده mRNA.

ويستمر الرايبوسوم في التحرك إلى أن يدخل الموقع A كودون انتهاء؛ حيث يشير كودون الانتهاء إلى نهاية تصنيع البروتين، ولا يوجد لهذا الكودون كودون مضاد لدى tRNA.

وهناك بروتين يسمى عامل الإطلاق، أو عامل الإنهاء، يتحرر mRNA من آخر tRNA تم ترجمته، ثم تتفكك وحدات بناء الرايبوسوم، منهية بذلك بناء البروتين.

التقويم 10-3

الخلاصة

  • يدخل ثلاثة أنواع رئيسة من RNA في تصنيع البروتين، هي: mRNA و tRNA و rRNA.
  • تتضمن عملية بناء mRNA من سلسلة DNA عملية النسخ.
  • الترجمة عملية يتم من خلالها ربط mRNA مع الرايبوسوم وتصنيع البروتين.
  • يحتوي mRNA في المخلوقات الحية الحقيقية النواة على إنترونات يتم إزالتها قبل مغادرة النواة، ويضاف أيضًا غلاف وذيل عديد الأدنين على mRNA.

فهم الأفكار الرئيسية

  • الفكرة الرئيسية: لخّص العملية التي تستعمل فيها شفرة DNA في تصنيع بروتين.
  • صف وظيفة كل مما يأتي في تصنيع البروتين: tRNA و rRNA و mRNA.
  • فرّق بين الكودونات والكودونات المضادة.
  • وضح دور إنزيم بلمرة RNA في بناء mRNA.

التفكير الناقد

  • الرياضيات في علم الأحياء: إذا كانت الشفرة الوراثية التي تمثل الحمض الأميني تتكون من أربع قواعد، أي كل كودون بدلًا من ثلاث، فما عدد الكودونات التي يمكن الحصول عليها؟

جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط

نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.

إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم

طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.

خبير مناهج سعودية

اختر نمط التعلم

تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.