الصفحة الرئيسة خريطة الموقع المجال التربوي المجال الإسلامي المجال العربي

* الموديول الرابع *
 الوراثة الجزيئية ـ Molecules Genetic

تنتقل الصفات الوراثية من الآباء إلى الأبناء وفق قوانين وراثية محددة، وتحمل الكروموسومات الجينات التي تنتقل عبر الأمشاج من جيل إلى آخر. فما الأساس الجزيئي لهذه الجينات؟ وكيف يتم تضاعفها ؟ وما آلية خزنها للمعلومات الوراثية ونقلها؟ وكيف تتم ترجمة المعلومات الوراثية إلى صفات ظاهرة في الكائن الحي؟ هذه الأسئلة وغيرها ستتمكن من الإجابة عنها بعد دراستك لموديول الوراثة الجزيئية، ويتوقع منك عند الانتهاء من دراسة هذا الموديول أن تكون قادرا بأذن الله على أن:

· توضح التركيب البنائي لجزيء DNA .

· تصف خطوات تضاعف الحمض النووي DNA .

· تتوصل إلى الأدلة التي تثبت أن هو مادة الوراثة في الكائنات الحية هي DNA .

· تحدد دور الأحماض النووية المختلفة في بناء البروتينات.

· توضح المقصود بالمصطلحات: الشيفرة الوراثية، الكودون، الكودون المضاد، الإكسون، والإنترون.

· تتبع خطوات نسخ الشيفرة الوراثية وترجمتها.

· تصف عملية نقل البروتين في الخلية.

· توضح كيفية حدوث أخطاء في الترجمة الوراثية.

· تقدر جهود العلماء في مجال الوراثة الجزيئية.

 مادة الوراثة   DNA

 

تركيب جزيء DNA:

في أواخر القرن التاسع عشر توصل العلماء إلى أن الكروموسومات في أنوية الخلايا تتكون كيميائياً من بروتينات وأحماض عضوية سميت الأحماض النووية، إلا أن تركيب هذه الأحماض وخصائصها لم تعرف تماماً حتى مطلع النصف الثاني من القرن العشرين.

وقد تم تعرف نوعين من الأحماض النووية هما:

1 ـ الحمض النووي الرايبوزي منقوص الأوكسجين Deoxyribonucleic Acid (DNA).

2 ـ الحمض النووي الرايبوزي Ribonucleic Acid (RNA).

وأن هذه الأحماض تتكون من وحدات بنائية تسمى النيوكليوتايدات Nucleotides. وفي عام 1953م اكتشف العالمان واتسن وكريك (Watson & Crick) التركيب البنائي لحمض DNA وحصلا على جائزة نوبل عام 1962 لهذا الاكتشاف ولمراجعة تركيب جزيء DNA وفق نموذج واتسن وكريك.

: للمزيد حول اكتشاف واتسون وكريك لتركيب DNA وحصولهما على جائزة نوبل يمكن الاطلاع على محتوى مواقع الويب التالية: http://library.thinkquest.org/20465/watson.html http://library.thinkquest.org/20465/crick.html

* أمعن النظر في الشكل التالي، ثم أجب عن الأسئلة التي تليها:

شكل (31): تركيب جزيء (DNA) وفق نموذج واتسون وكريك

ـ كم عدد السلاسل التي يتكون منها جزيء DNA ؟ لاحظ أنها ملتفة حول بعضها بما يشبه السلم اللولبي.

ـ ما الوحدات البنائية التي تتكون منها كل سلسلة ؟

ـ ما مكونات النيوكليوتايد الواحد؟

ـ ما أنواع القواعد النيتروجينية الأربعة الموجودة في جزيء DNA؟

ـ ما نوع الروابط الموجودة بين القواعد النيتروجينية المتقابلة في السلسلتين؟

ـ كم عدد الروابط الهيدروجينية بين T,A وبين G,C؟

 

: للمزيد حول تركيب حمض DNA يمكن الاطلاع على محتوى مواقع الويب التالية: http://www.geneticengineering.org/chemis/Chemis-NucleicAcid/DNA.htm http://www.jlc.net/~aretee/atomworld/genetics.html http://exobio.ucsd.edu/Space_Sciences/rna-dna.htm http://www.dnaftb.org/dnaftb/1/concept/index.html http://cellbio.utmb.edu/cellbio/nucleus2.htm http://www.dtic.mil/dpmo/family/dnatyping.htm http://www.angelfire.com/on2/daviddarling/DNA.htm

تضاعف جزيء DNA Replication :

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 تضاعف DNA. تتبع خطوات هذه العملية المبينة في الشكل التالي.

   

شكل (32): خطوات تضاعف جزيء (DNA)

ـ كم عدد جزيئات DNA الناتجة ؟

ـ كم سلسلة جديدة تم بناؤها؟

لاحظ أن 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 Mutations، 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 ـ التلاؤم بين تركيبها وقدرتها على خزن المعلومات الوراثية وترجمتها إلى بروتينات من مثل الأنزيمات التي تنظم النشاطات الأيضية ونمو الكائن الحي.

2 ـ 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 السابقة الذكر، 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.

 

سؤال: كم تتوقع كمية DNA في نسيج الاندوسبيرم الثلاثي، مقارنة مع كميته في المشيج الذكري والبويضة المخصبة ؟

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

دقق في الشكل التالي، ثم أجب عن الأسئلة التالية:

ـ في أي أجزاء الخلية يوجد DNA؟ ـ في أي العضيات الخلوية تتم عملية بناء البروتينات (سلاسل عديدة الببتايد)؟ ـ كيف يسيطر DNA على بناء البروتينات في السيتوبلازم رغم وجوده في النواة؟ لقد ثبت تجريبيا أن معلومات DNA مسؤولة عن بناء البروتينات في الخلية. أن DNA يصنع جزيئاً خاصاً ينقل التعليمات الوراثية في DNA الخاصة ببناء عديد ببتايد معين من النواة إلى الرايبوسومات في السيتوبلازم، ويسمى هذا الجزيء RNA الرسول (m RNA) Messenger RNA، وتدعى عملية نسخ جزء من DNA على شكل mRNA عملية النسخ، وأما عملية الترجمة فهي بناء سلسلة عديدة الببتايد (بروتين) من الأحماض الأمينية.

شكل (33): ملخص عملية بناء البروتين في الخلية

  مفهوم الشيفرة الوراثية Genetic code :

عرفت أنDNA  هو مادة الوراثة التي تقوم بخزن المعلومات الوراثية ونقلها. فكيف يتم خزن المعلومات الوراثية في DNA؟

من المعلوم أن الجين هو قطعة من جزيء DNA، لذا فان كل جين يتكون من سلسلتين من النيوكليوتايدات التي تشمل أربعة أنواع هي: G,C,T,A  وتتابع هذه النيوكليوتايدات في إحدى سلسلتي DNA والتي تسمى سلسة الشيفرة، يحدد تتابع الأحماض الأمينية في سلسلة عديدة ببتايد سيتم بناؤها.

ومن الواضح، أن ذلك يتطلب وجود شيفرة خاصة بكل حمض أميني من الأحماض الأمينية العشرين التي تتكون منها البروتينات. ولكن هل تكفي أربعة أنواع من النيوكليوتايدات لتشفير (20) نوعاً من الأحماض الأمينية؟

كم يجب أن يكون عدد النيوكليوتايدات المكونة للشيفرة الخاصة بحمض أميني واحد؟ للإجابة عن ذلك دقق النظر في الجدول التالي. واجب عن الأسئلة التي تليه.

 

 

ـ إذا كانت الشيفرة الخاصة بحمض أميني واحد تتكون من نيوكليوتايد واحد من الأنواع الأربعة، (A,T,C,G)، فكم عدد الشيفرات الناتجة؟ وهل تكفي لتشفير عشرين نوعاً من الأحماض الأمينية؟

ـ إذا افترضنا أن هذه الشيفرة الخاصة بحمض أميني واحد تتكون مننيوكليوتايد واحد من الأنواع الأربعة  (A,T,C,G,)  فكم عدد الشيفرات الناتجة؟ وهل تكفي لتشفير عشرين نوع من الأحماض الأمينية ؟

 إذا افترضنا أن هذه الشيفرة الخاصة بحمض أميني تتكون من نيوكليوتايدين فان عدد الشيفرات سيكون (16)  ثنائية على أساس انه سينتج (16) ترتيباً مختلفاً من النيوكليوتايدات الأربعة، إذا رتبت بشكل ثنائيات.

    لعلك توصلت إلى ما توصل إليه العالم جامو (Gamow) عام 1954 م من أن كل شيفرة تختص بحمض أميني معين يجب أن تتكون من ثلاثة نيوكليوتايدات، إذ أن عدد الثلاثيات في هذه الحالة (64) سيكون كافياً لتشفير (20) نوعاً من الأحماض الأمينية.

ومن الواضح، أن كل حمض أميني سيمثل بأكثر من شيفرة ثلاثية واحدة، وهذا يعني زيادة سرعة بناء السلاسل الببتيدية، والتقليل من اثر الطفرات الوراثية الخاصة بحمض أميني.

وقد بدا أن تحديد عدد النيوكليوتايدات الخاصة بكل حمض أميني أمراً رياضياً سهلاً، إلا أن الإنجاز الأعظم في الوراثة الجزيئية كان تحديد ترتيب هذه النيوكليوتايدات الخاصة بكل حمض أميني. وقد سجل العالم نيرنبيرج (Nirenberg) أول إنجاز في فك رموز الشيفرة الوراثية، إذ تمكن من تحديد أن الشيفرة الثلاثية الخاصة بالحمض الأميني فينيل ألانين هي UUU  وبفضل جهود علماء آخرين تم التوصل إلى معرفة الشيفرات الثلاثية جميعها الخاصة بجميع أنواع الأحماض الأمينية وتسمى الشيفرة الثلاثية الخاصة بحمض أميني معين في جزيء mRNA الكودون Codon.

وقد توصل العلماء إلى أن الكودونات هي عامة في جميع الكائنات الحية فمثلاً الكودون (GUC)  الخاص بالحمض الأميني (فالين) يكون نفسه في خلايا الكائنات الحية جميعهاً، مما يدل على وحدة خلق الكائنات الحية.

لاحظت أن الخطوة الأولى في عملية بناء البروتينات هي بناء سلسلة  mRNA من DNA  وتسمى هذه العملية عملية النسخ، إذ أن التعليمات الوراثية DNA، يتم نسخها بصورة تتابع معين للنيوكليوتايدات في mRNA ويكون هذا التتابع متمماً لإحدى سلسلتي  DNA وهي السلسلة  النشطة، إلا أن نيوكليوتايد اليوراسيل (U)  يحل محل الثايمين (T). ويسمى تتابع النيوكليوتايدات في جزيء mRNA التي تحدد تسلسل الأحماض الأمينية في السلسلة عديدة الببتايد التي سيتم بناؤها الشيفرة الوراثية.

سؤال : لماذا سمي RNA  الرسول (mRNA) بهذا الاسم ؟

: للمزيد حول الشفرة الوراثية يمكن الاطلاع على محتوى مواقع الويب التالية: http://exobio.ucsd.edu/Space_Sciences/genetic_code.htm http://psyche.uthct.edu/shaun/SBlack/geneticd.html http://molbio.info.nih.gov/molbio/gcode.html http://www.accessexcellence.org/AB/GG/genetic.html http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/C/Codons.html http://www.bioscience.org/atlases/genecode/genecode.htm

ما خطوات بناء mRNA ؟

يتم بناء mRNA 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 الشيفرة في  DNA مع بعضها بعضاً بروابط تساهمية في لتكوين سلسلة من mRNA، ويلعب أنزيم بلمرة حمض RNA   (RNA POLYMERASE)  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 مما يكون متمماً لترتيبها في سلسلة الشيفرة من  DNAالتي تحمل المعلومات الوراثية، إلا أن نيوكليوتايد اليوراسيل  (U)يحل محل الثايمين (T).

شكل (34): عملية بناء mRNA

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 معالجةmRNA Processing . ويبين الشكل المقابل أهم هذه التغيرات: 1 ـ إزالة أجزاء من السلسلة mRNA لا يتضمن شيفرات لبناء سلسلة عديد الببتايد ويسمى هذا الجزء انترون Intron. 2 ـ التحام الأجزاء الفعالة من  mRNAبعد قطع وفصل الانترونات والجزء الذي يحتوي على شيفرات ستترجم إلى سلاسل يسمى إكسون  Exon وتسمى سلسلة  mRNAبعد قطع الانترونات والتحام الإكسونات سلسلة mRNA الناضجة، وتنتقل عبر النواة إلى السيتوسول لترتبط بالرايبوسومات.

شكل (35): معالجة سلسلة (mRNA)

    

أنواع أخرى من RNA  ووظائفها:

يصنع جزيء DNA  عدة أنواع من الحمض النووي RNA  اهمهما: الناقل tRNA، والرايبوسومي،rRNA  ، إضافة إلى mRNA.

      

جزيء tRNA  :         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 Anticodon .

شكل (36): تركيب جزيء (tRNA)

 

: للمزيد حول حمض RNA وأنواعه يمكن الاطلاع على محتوى مواقع الويب التالية: http://cellbio.utmb.edu/cellbio/rer2.htm http://www.geneticengineering.org/chemis/Chemis-NucleicAcid/RNA.htm http://www.imb-jena.de/RNA.html http://mbcr.bcm.tmc.edu/smallRNA/smallrna.html http://www.rnabase.org/

 

تركيب الرايبوسوم :

 

عرفت سابقا أن الرايبوسوم 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.

شكل (37): تركيب الرايبوسوم

 

: للمزيد حول تركيب الرايبوسوم يمكن الاطلاع على محتوى مواقع الويب التالية: http://cellbio.utmb.edu/cellbio/ribosome.htm http://ntri.tamuk.edu/cell/ribosomes.html http://www.rcsb.org/pdb/molecules/pdb10_1.html http://www.aip.org/physnews/graphics/html/ribosome.html

 

عملية ترجمة الشيفرة 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:

1 ـ نسخ سلسلة أولية لـ mRNA من DNA  في النواة.     ـ ما اسم الإنزيم الذي ينشط هذه العملية. 2 ـ معالجة نسخة mRNA الأولية لتتحول إلى نسخة mRNA الناضجة.     ـ ما الأجزاء غير الفعالة التي يتم فصلها من خلال عملية المعالجة ؟     ـ ثم ينتقل mRNA من النواة عبر ثقوب الغلاف النووي إلى السيتوسول، حيث يرتبط مع الوحدتين البنائيتين للرايبوسوم. 3 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.

شكل (38): خطوات بناء سلسلة عديد الببتايد "عملية الترجمة"

* ما نوع الطاقة المستخدمة في عملية تحميل tRNA بالحمض الأميني؟

4 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.

5 ـ يسهل وجود جزيئات tRNA   متجاورة تحمل أحماض أمينية، تكوين 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.

6 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).

 

نقل البروتين وتعديله:

ـ ما الذي يحدد اتجاه البروتينات بعد بنائها في الرايبوسوم؟ ـ 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    signal peptide.  وقد يتم تعديل البروتين الناتج تركيبياً باتحاده مع سكريات لتكوين بروتينات سكرية، أو مع مواد دهنية لتكوين البروتينات الدهنية.

شكل (40): آلية نقل البروتين وتعديله

    

: للمزيد حول نقل البروتين وتعديله يمكن الإطلاع على محتوى مواقع الويب التالية: http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/

   

: للمزيد حول الوراثة الجزيئية بعامة يمكن الاطلاع على محتوى مواقع الويب التالية: http://www.woodrow.org/teachers/bi/1994/ http://www.geneticengineering.org/

**********************

۩ الهي : لك الحمد كما ينبغي لجلال وجهك وعظيم سلطانك ۩ ۩  الحمد لله وحده : عدد خلقه ، وزنة عرشه ، ومداد كلماته ، ورضا نفسه  ۩ يا ربي رضاك وعفوك، ومحبة حبيبك ومصطفاك الحبيب محمد صلى الله عليه وسلم من وراء الجهد والقصد ، فتقبله خالصاً لوجهك الكريم ********** د / يسري مصطفى السيد

جميع الحقوق محفوظة للتربوي الإسلامي العربي د. يسري مصطفى © 2007 م