اسم الصورة: مقارنة بين أنواع RNA الثلاثة

اسم الصورة: مقارنة بين أنواع RNA الثلاثة

9-3

DNA، وRNA، والبروتين
DNA, RNA, and Protein

الفكرة الرئيسة تنسخ شفرات DNA في صورة RNA، الذي يتحكم بدوره في بناء البروتينات.

الربط مع الحياة يكتب مبرمجو الحاسوب برامجهم بلغة معينة، وشفرة. ويصمم الحاسوب برامجه الخاصة في أداء وظائفه. وكذلك يحدث؛ يحتوي DNA على شفرة، ومثل شفرة البرمجة، تحفز الخلية على أداء عمل ما.

الأهداف
تقارن كيف تختلف RNA الرسول، وRNA الرايبوسومي، وRNA الناقل في نسخ الجينات وترجمتها.
تلخص دور إنزيم بلمرة RNA في بناء RNA الرسول.
تلخص كيف يتم نسخ شفرة DNA إلى RNA الرسول، واستعمالها في بناء بروتين معين.

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

المفردات الجديدة
RNA
RNA الرسول
RNA الرايبوسومي
RNA الناقل
عملية النسخ
إنزيم بلمرة RNA
الكودون
الأكسون
الإنترونات
عملية الترجمة

Central Dogma
المبدأ الأساسي

إحدى خصائص الـDNA المهمة، والتي لم تحل بعد اكتشاف واتسون وكريك، هي كيف يستخدم الـDNA بوصفه شفرة وراثية ضرورية في بناء البروتين، حيث يعمل 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. تنسخ شفرات DNA إلى RNA الذي يوجه عملية بناء البروتين.

جزيء RNA حمض نووي يشبه DNA. يتكون RNA من سكر رايبوز، والقاعدة النيتروجينية اليوراسيل بدلاً من الثايمين الموجود في DNA، وهو عادة شريط مفرد. وهناك ثلاثة أنواع من RNA موجودة في الخلايا الحية، هي: جزيئات RNA الرسول messenger RNA (mRNA)، وهي سلاسل طويلة من نيوكليوتيدات RNA، يوضع بعضها متممة لسلسلة واحدة من DNA، وتنتقل من النواة إلى الرايبوسومات لتوجيه بناء بروتين محدد. وRNA الرايبوسومي ribosomal RNA (rRNA)، وهو نوع من RNA يرتبط مع البروتينات ليكون الرايبوسوم في الخلية. والنوع الثالث من RNA هو RNA الناقل transfer RNA (tRNA)، وهو قطع صغيرة من نيوكليوتيدات RNA تنقل الأحماض الأمينية إلى الرايبوسومات. ويقارن الجدول 9-2 بين تركيب الأنواع الثلاثة من RNA ووظائفها.

الجدول 9-2

مقارنة بين أنواع RNA الثلاثة

| الاسم | mRNA | rRNA | tRNA |
| ------- | ------------------------------------------------------------------------------- | --------------------------------------- | --------------------------------------- |
| الوظيفة | يحمل المعلومات الوراثية من DNA في النواة لتوجيه بناء البروتينات في السيتوبلازم. | يرتبط مع البروتينات لبناء الرايبوسومات. | ينقل الأحماض الأمينية إلى الرايبوسومات. |
| مثال | | | |

اسم الصورة: عملية النسخ وبناء جزيء RNA

الشكل 9-12 يتم بناء جزيء RNA في الاتجاه من 5′ إلى 3′.
حدد الإنزيم الذي يضيف النيوكليوتيدات إلى RNA في أثناء تكوينه.

شريط ثانوي
إنزيم بلمرة RNA
mRNA
شريط DNA القالب
اتجاه عملية النسخ
5′
3′

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 ينقل الشفرة إلى السيتوبلازم لبناء البروتين. تتبع عملية النسخ في الشكل 9-12. ينفك التواء DNA جزئيًّا 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 سلسلة DNA قام إنزيم بلمرة RNA ببناء mRNA كما يحصل على طول سلسلة DNA في الاتجاه 5′ إلى 3′. وتسمى سلسلة DNA التي يقرؤها إنزيم بلمرة RNA السلسلة الأساسية القالب. وسلسلة mRNA سلسلة متممة لنيوكليوتيدات DNA. وتصنع نسخة RNA الرسول في الاتجاه 5′ إلى 3′، بإضافة كل نيوكليوتيد RNA جديد إلى النهاية 3′. حيث يحل اليوراسيل محل الثايمين عندما يخرج mRNA جديد. وفي النهاية ينسخ mRNA، وينفصل إنزيم بلمرة RNA عن DNA. ويتحرك mRNA الجديد بعد ذلك من النواة إلى السيتوبلازم عبر الثقوب النووية.

ماذا قرأت؟ وضح الاتجاه الذي تنسخ فيه سلسلة mRNA.

معالجة RNA RNA processing عندما قارن العلماء مناطق الشفرة بين DNA وRNA الناتج في الخلايا الحقيقية النوى، وجدوا أن شفرة mRNA أقصر من شفرة DNA. وبعد الفحص الدقيق اكتشاف أن الشفرة على DNA تحتوي قطعًا متسلسلة ومبعثرة غير موجودة في RNA النهائي. وتسمى هذه القطع الإنترونات الإنترونات introns. أما القطع الفعالة التي تبقى في RNA النهائي فتسمى الإكسونات الإكسونات exons. وفي المخلوقات الحية الحقيقية النوى يسمى mRNA الأصلي الذي ينتج في النواة أحيانًا mRNA الأولى غير المعالج، ويحوي شفرة DNA كلها. وقبل أن يغادر RNA الأولى النواة يتم التخلص من الإنترونات فيه. ومن معالجات mRNA الأولى الأخرى إضافة خلاف على النهاية 5′، وكذلك إضافة ذيل مكون من نيوكليوتيدات الأدنين يسمى عديد الأدينين على النهاية 3′ من mRNA. وقد أظهرت الأبحاث أن هذه الغلاف الواقي يساعد أيضًا على تعرف الرايبوسومات رغم أن أهمية عديد الأدينين ما زالت غير معروفة.

اسم الصورة: جائزة الملك فيصل واكتشاف RNA الرسول

منح البروفيسور ستانيلي برينر جائزة الملك فيصل في العلوم عام 1413هـ لاكتشافه طريقة تشكيل الرموز الثلاثية التي ترمز للمركبات الكيميائية التي يتكون منها المخلوق الحي. وقد كشف عن وجود الوحدات التي تبني الجسم الحي المورثة، وكان أعظم اكتشاف تجريبي له اكتشاف وجود RNA الرسول الذي ينقل عن DNA شفرات الوراثة ومعلوماته، ويحملها إلى حيث تصنع البروتينات. ولذلك اكتمل اكتشاف السلسلة التي يتم بها انتقال المعلومات الوراثية إلى البروتين. وهذا الاكتشاف هو الذي بني في الحقيقة نظرية اكتشاف نسخة RNA، وهي أساس كل علم الحياة الجزيئي المعاصر.

المصدر: موقع جائزة الملك فيصل / فرع العلوم
[http://kingfaisalprize.org/ar/science/](http://kingfaisalprize.org/ar/science/)

المطويات
ضمن مطويتك معلومات من هذا القسم.

اسم الصورة: الشفرة الوراثية وجدول الكودونات

The Code
الشفرة

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 أمينيًّا تستعمل 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 (4×4 أو 42) حمضًا أمينيًّا. لكن إذا كانت مجموعة من ثلاث قواعد نيتروجينية مسؤولة عن حمض أميني واحد، فإنها مسؤولة عن (43)، وهي تساوي 64 حمضًا أمينيًّا. وهذا يوفر شفرات أكثر من المطلوب لعشرين حمضًا أمينيًّا، 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 سلسلة DNA. وبينت التجارب في ستينيات القرن السابق أن الشفرة في DNA فعلاً شفرة مكونة من ثلاث قواعد نيتروجينية. تسمى الشفرة الثلاثية القواعد النيتروجينية في DNA أو mRNA الشفرة الوراثية. الكودون codon؛ حيث يتم نسخ القواعد الثلاثة كلها المكونة للكودون في DNA إلى mRNA، ويبين الشكل 9-13 جميع الشفرة الوراثية. لاحظ أن الكودونات كلها - ما عدا ثلاثة منها هي كودونات الانتهاء - تحدد حمضًا أمينيًّا واحدًا. أما الكودون AUG فمسؤول عن الحمض الأميني الميثيونين، وهو أيضًا يعمل كودون بدء.

الترجمة Translation عندما يصنع mRNA، تتم معالجته لينتقل نحو الرايبوسومات. وهذا يعني أن mRNA يجب أن يغادر النواة ويدخل السيتوبلازم في المخلوقات الحية الحقيقية النوى. وعندما يصبح في السيتوبلازم ترتبط النهاية 5′ برايبوسوم. عندها تبدأ قراءة الشفرة وترجمتها لبناء بروتين من خلال عملية تسمى الترجمة translation. انظر الشكل 9-14، والتي 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 يعرف كودون مضاد؛ فهو يحتوي على ثلاث قواعد نيتروجينية 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′.

الشكل 9-13 يمثل "معجم" الشفرة الوراثية. يفيد هذا في معرفة الكودونات الخاصة بالأحماض الأمينية.
حدد الترتيب الصحيح للكودونات التي يمكن أن ينتج عنها سلسلة الأحماض الأمينية التالية: ميثيونين - سستين - تريبتوفان - انتهاء.

اسم الصورة: عمليتا النسخ والترجمة

Transcription and Translation
عمليتا النسخ والترجمة

الشكل 9-14 تحدث عملية النسخ في النواة، أما الترجمة فتحدث في السيتوبلازم وينتج عنها عديد الببتيد البروتين.

DNA
نواة
ثقب نووي
السيتوبلازم
النسخ
إنزيم بلمرة RNA
mRNA غير ناضج
إنترونات
إكسونات
mRNA ناضج
معالجة mRNA
ذيل عديد الأدنين
خروج mRNA من نواة
وحدات بناء الرايبوسومات
رايبوسوم
موقع P
موقع A
موقع E
أحماض أمينية
تنشيط الحمض الأميني
إنزيم
يرتبط إنزيم tRNA بجزيء حمض أميني خاص على كل tRNA.
حمض أميني خاص
tRNA
تشفير tRNA
التشفير المضاد
كودون مضاد
كودون
mRNA
عديد الببتيد

The role of ribosome
دور الرايبوسوم

يتكون الرايبوسوم من وحدتين بنائيتين، الشكل 9-14. 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 يخرج tRNA مع كودونه المضاد لحامض أميني يحمل الميثيونين، ويرتبط مع كودون البدء AUG على mRNA عند النهاية 5′ من mRNA. ويوجد في تركيب الرايبوسوم أخدود يسمى الموقع A الذي يتحرك نحوه tRNA المتمم لـ mRNA، ثم يتحرك tRNA عبر أخدود آخر في الرايبوسوم يسمى الموقع P. يحتوي الكودون الثاني في mRNA على UUU الذي يشفر الحمض الأميني فينيل ألانين، ويكون كودونه المضاد على tRNA هو AAA.

يعمل جزء من rRNA في الرايبوسوم على ارتباط بعض الأحماض الأمينية بعضها مع بعض. ثم يتحرر 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 بذلك بحيث يضع tRNA الموجود في أخدود الـP، الشكل 9-14، سيدخل الآن tRNA جديد الموقع A، متتبعًا الكودون التالي على mRNA.

إرشادات الدراسة
المخطط ارسم مخططًا يربط بين عملية تضاعف DNA وعمليتي النسخ والترجمة.

اسم الصورة: مختبر تحليل البيانات تأثير الرايفاميسين في عملية النسخ

مختبر تحليل البيانات 9-1

بناء على بيانات حقيقية

فسر البيانات

كيف يمكن للدواء أن يؤثر في عملية النسخ؟ لدراسة عملية بناء RNA استعمل العلماء جزيئًا قادرًا على وقف عملية النسخ، يسمى هذا الجزيء ريفاميسين Rifampicin. عندما يرتبط مع RNA حديث التكون، وتزداد إضافة كتل إلى طول سلسلة RNA. لذا يمكن استعمال هذا الجزيء المميز في تتبع بناء RNA. وقد قارن العلماء في هذه التجربة المضاد الحيوي ريفاميسين (Rif) الذي يضاف إلى ثلاثة RNA مستخرجة من نوعين من بكتيريا، هما: E. coli (E. coli RNAP) و Mycobacterium smegmatis (M. smegmatis RNAP)، مع تجويف لبناء RNA.

البيانات والملاحظات

مقارنة الإشعاع مع إضافة ريفاميسين
الإشعاع
الزمن (sec)

التفكير الناقد

• صف العلاقة بين مستوى الإشعاع والزمن في كل تجربة تم إضافة الريفاميسين إليها.
• استنتج. لاختبر العلاقة بين مستوى الإشعاع والزمن في كل حالة يضاف إليها ريفاميسين؟
• فسر. أي جزيئات RNA في المخلوقات الحية السابقة تأثر بدواء أكثر بالمضاد الحيوي ريفاميسين؟

أخذت البيانات في هذا المختبر من:

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 من tRNA. وهناك يتوقف البروتين من mRNA. والانطلاق، وهذا غالبًا لا يطلق mRNA من آخر tRNA تم ترجمته، ثم تتفكك وحدات بناء الرايبوسوم، منهية بذلك بناء البروتين.

اسم الصورة: التقويم 9-3

التقويم 9-3

الخلاصة

• يدخل ثلاثة أنواع رئيسة من RNA في تصنيع البروتين، هي: mRNA، وrRNA، وtRNA.
• يتم 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 الأدينين على mRNA.

فهم الأفكار الرئيسة

• الفكرة الرئيسة لخص العملية التي تستعمل فيها شفرة DNA في تصنيع بروتين.
• صف وظيفة كل مما يأتي في تصنيع البروتين: tRNA، وrRNA، وmRNA.
• فرق 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 في كل كودون بدلاً من ثلاث، فما عدد الكودونات التي يمكن الحصول عليها؟