15.1: الشفرة الجينية

Last updated
Save as PDF

Page ID: 196633

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

المهارات اللازمة للتطوير

اشرح «العقيدة المركزية» لتخليق البروتين
وصف الشفرة الجينية وكيف يصف تسلسل النيوكليوتيد الأحماض الأمينية وتسلسل البروتين

تؤدي عملية النسخ الخلوي إلى توليد الحمض النووي الريبي (mRNA)، وهو نسخة جزيئية متنقلة من جين واحد أو أكثر بأبجدية A و C و G و uracil (U). تعمل ترجمة قالب mRNA على تحويل المعلومات الجينية القائمة على النيوكليوتيد إلى منتج بروتيني. تتكون تسلسلات البروتين من 20 حمضًا أمينيًا شائعًا؛ لذلك، يمكن القول أن أبجدية البروتين تتكون من 20 حرفًا (الشكل\(\PageIndex{1}\)). يتم تعريف كل حمض أميني من خلال تسلسل ثلاثي النوكليوتيد يسمى الكودون الثلاثي. تحتوي الأحماض الأمينية المختلفة على مواد كيميائية مختلفة (مثل الحمضية مقابل الأساسية، أو القطبية وغير القطبية) وقيود هيكلية مختلفة. يؤدي الاختلاف في تسلسل الأحماض الأمينية إلى اختلاف هائل في بنية البروتين ووظيفته.

يتم إعطاء هياكل الأحماض الأمينية العشرين. ستة أحماض أمينية - الجليسين والألانين والفالين والليوسين والميثيونين والإيزولوسين - غير قطبية وأليفاتية، مما يعني أنها لا تحتوي على حلقة. ستة أحماض أمينية - السيرين والثريونين والسيستين والبرولين والأسباراجين والجلوتامات - قطبية ولكنها غير مشحونة. هناك ثلاثة أحماض أمينية - ليسين وأرجينين وهيستيدين - مشحونة بشكل إيجابي. يتم شحن اثنين من الأحماض الأمينية، الغلوتامات والأسبارتات، بشكل سلبي. ثلاثة أحماض أمينية - الفينيل ألانين والتيروزين والتريبتوفان - غير قطبية وعطرية. — الشكل\(\PageIndex{1}\): تظهر هياكل الأحماض الأمينية العشرين الموجودة في البروتينات. يتكون كل حمض أميني من مجموعة أمينية (\(\text{NH}_3^+\)) ومجموعة كربوكسيل (COO ^-) وسلسلة جانبية (زرقاء). قد تكون السلسلة الجانبية غير قطبية أو قطبية أو مشحونة، وكذلك كبيرة أو صغيرة. إنها مجموعة متنوعة من السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية التي تؤدي إلى الاختلاف المذهل في بنية البروتين ووظيفته.

العقيدة المركزية: الحمض النووي يشفر الحمض النووي الريبي؛ الحمض النووي الريبي يشفر البروتين

يتم وصف تدفق المعلومات الجينية في الخلايا من الحمض النووي إلى mRNA إلى البروتين من خلال العقيدة المركزية (الشكل\(\PageIndex{2}\))، والتي تنص على أن الجينات تحدد تسلسل mRNAs، والتي بدورها تحدد تسلسل البروتينات. يتم فك تشفير جزيء إلى آخر بواسطة بروتينات محددة ورناوات. نظرًا لأن المعلومات المخزنة في الحمض النووي أساسية جدًا للوظيفة الخلوية، فمن المنطقي أن تقوم الخلية بعمل نسخ mRNA من هذه المعلومات لتخليق البروتين، مع الحفاظ على الحمض النووي نفسه سليمًا ومحميًا. يعد نسخ الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي أمرًا بسيطًا نسبيًا، حيث تتم إضافة نيوكليوتيد واحد إلى خيط mRNA لكل نيوكليوتيد تتم قراءته في خيط الحمض النووي. تعتبر الترجمة إلى البروتين أكثر تعقيدًا بعض الشيء لأن ثلاثة نيوكليوتيدات mRNA تتوافق مع حمض أميني واحد في تسلسل البولي ببتيد. ومع ذلك، لا تزال الترجمة إلى البروتين منهجية وخطية، بحيث تتوافق النيوكليوتيدات من 1 إلى 3 مع الأحماض الأمينية 1، والنيوكليوتيدات من 4 إلى 6 تتوافق مع الأحماض الأمينية 2، وما إلى ذلك.

لصنع بروتين، يجب نسخ المعلومات الجينية المشفرة بواسطة الحمض النووي إلى جزيء mRNA. ثم تتم معالجة الحمض النووي الريبي عن طريق الربط لإزالة الإكسونات وإضافة غطاء بطول 5 بوصات وذيل بولي أ. ثم يقرأ الريبوسوم التسلسل الموجود على الحمض النووي الريبوزي، ويستخدم هذه المعلومات لتجميع الأحماض الأمينية وتحويلها إلى بروتين. — الشكل\(\PageIndex{2}\): يتم نسخ التعليمات الخاصة بالحمض النووي على الحمض النووي الريبي المرسل. تستطيع الريبوسومات قراءة المعلومات الجينية المنقوشة على خيط من الحمض النووي الريبي المرسل واستخدام هذه المعلومات لربط الأحماض الأمينية معًا في بروتين.

الشفرة الجينية متدهورة وعالمية

بالنظر إلى الأعداد المختلفة من «الحروف» في mRNA و «أبجديات» البروتين، افترض العلماء أن مجموعات النيوكليوتيدات تتوافق مع الأحماض الأمينية الفردية. لن تكون أقراص النيوكليوتيد المزدوجة كافية لتحديد كل حمض أميني نظرًا لوجود 16 تركيبة محتملة من النوكليوتيد (4 ²). في المقابل، هناك 64 توائم محتملة من النيوكليوتيد (4 ³)، وهو أكثر بكثير من عدد الأحماض الأمينية. افترض العلماء أن الأحماض الأمينية تم ترميزها بواسطة ثلاثة توائم من النيوكليوتيد وأن الشفرة الجينية تتدهور. بمعنى آخر، يمكن ترميز حمض أميني معين بأكثر من ثلاثي نيوكليوتيد. تم تأكيد ذلك لاحقًا بشكل تجريبي؛ استخدم فرانسيس كريك وسيدني برينر المادة الكيميائية المطفرة البروفلافين لإدخال واحد أو اثنين أو ثلاثة نيوكليوتيدات في جين الفيروس. عندما تم إدخال واحد أو اثنين من النيوكليوتيدات، تم إلغاء تخليق البروتين تمامًا. عندما تم إدخال ثلاثة نيوكليوتيدات، تم تصنيع البروتين وتشغيله. أظهر هذا أن ثلاثة نيوكليوتيدات تحدد كل حمض أميني. تسمى هذه التوائم الثلاثة من النوكليوتيدات بالكودونات. أدى إدخال واحد أو اثنين من النيوكليوتيدات إلى تغيير إطار القراءة الثلاثي تمامًا، وبالتالي تغيير الرسالة لكل حمض أميني لاحق (الشكل\(\PageIndex{4}\)). على الرغم من أن إدخال ثلاثة نيوكليوتيدات تسبب في إدخال حمض أميني إضافي أثناء الترجمة، فقد تم الحفاظ على سلامة بقية البروتين.

قام العلماء بحل الشفرة الجينية بشق الأنفس عن طريق ترجمة mRNAs الاصطناعية في المختبر وتسلسل البروتينات التي حددوها (الشكل\(\PageIndex{3}\)).

يوضح الشكل جميع الرموز الـ 64. اثنان وستون من هذه الرموز للأحماض الأمينية، وثلاثة هي رموز التوقف. — الشكل\(\PageIndex{3}\): يوضح هذا الشكل الشفرة الجينية لترجمة كل ثلاثي نيوكليوتيد في mRNA إلى حمض أميني أو إشارة إنهاء في بروتين ناشئ. (الائتمان: تعديل العمل من قبل NIH)

بالإضافة إلى توجيه إضافة حمض أميني معين إلى سلسلة بولي ببتيد، تقوم ثلاثة من الكودونات الـ 64 بإنهاء تخليق البروتين وإطلاق البولي ببتيد من آلية الترجمة. تسمى هذه التوائم الثلاثة رموز الهراء أو رموز التوقف. كودون آخر، AUG، له أيضًا وظيفة خاصة. بالإضافة إلى تحديد ميثيونين الأحماض الأمينية، فإنه يعمل أيضًا كودون البداية لبدء الترجمة. تم تعيين إطار القراءة للترجمة بواسطة رمز بدء AUG بالقرب من نهاية 5' من mRNA.

الشفرة الجينية عالمية. مع بعض الاستثناءات، تستخدم جميع الأنواع تقريبًا نفس الشفرة الجينية لتخليق البروتين. يعني الحفاظ على الكودونات أن الحمض النووي الريبي المنقى الذي يشفر بروتين الغلوبين في الخيول يمكن نقله إلى خلية خزامى، ويقوم الخزامى بتجميع غلوبين الحصان. إن وجود شفرة جينية واحدة فقط هو دليل قوي على أن جميع أشكال الحياة على الأرض تشترك في أصل مشترك، لا سيما بالنظر إلى أن هناك حوالي 10 ⁸⁴ تركيبة محتملة من 20 من الأحماض الأمينية و 64 كودون ثلاثي.

رابط إلى التعلم

قم بنسخ الجين وترجمته إلى بروتين باستخدام الاقتران التكميلي والشفرة الجينية في هذا الموقع.

يُظهر الرسم التوضيحي طفرة في الإطار يتم فيها تغيير إطار القراءة بحذف اثنين من الأحماض الأمينية. — الشكل\(\PageIndex{4}\): يؤدي حذف اثنين من النيوكليوتيدات إلى تغيير إطار قراءة mRNA وتغيير رسالة البروتين بأكملها، مما يؤدي إلى إنشاء بروتين غير وظيفي أو إنهاء تخليق البروتين تمامًا.

يُعتقد أن الانحطاط هو آلية خلوية لتقليل التأثير السلبي للطفرات العشوائية. عادةً ما تختلف الكودونات التي تحدد نفس الحمض الأميني بنيوكليوتيد واحد فقط. بالإضافة إلى ذلك، يتم ترميز الأحماض الأمينية ذات السلاسل الجانبية المتشابهة كيميائيًا بواسطة رموز مماثلة. يضمن هذا الفارق الدقيق في الشفرة الوراثية أن طفرة استبدال النوكليوتيد الأحادي قد تحدد نفس الحمض الأميني ولكن ليس لها أي تأثير أو تحدد حمضًا أمينيًا مشابهًا، مما يمنع البروتين من أن يصبح غير فعال تمامًا.

اتصال المنهج العلمي: أيهما يحتوي على المزيد من الحمض النووي: كيوي أم فراولة؟

تظهر الصور شريحة رقيقة من فاكهة الكيوي الخضراء ووعاء من الفراولة. — الشكل\(\PageIndex{5}\): هل تعتقد أن الكيوي أو الفراولة تحتوي على المزيد من الحمض النووي لكل فاكهة؟ (مصدر الصورة «كيوي»: «كيلبف» /فليكر؛ المصدر: «الفراولة»: أليسدير ماكديارميد)

سؤال: هل ستحتوي فاكهة الكيوي والفراولة التي لهما نفس الحجم تقريبًا (الشكل\(\PageIndex{5}\)) أيضًا على نفس كمية الحمض النووي تقريبًا؟

الخلفية: يتم نقل الجينات على الكروموسومات وهي مصنوعة من الحمض النووي. جميع الثدييات ثنائية الصبغيات، مما يعني أنها تحتوي على نسختين من كل كروموسوم. ومع ذلك، ليست كل النباتات ثنائية الصبغيات. الفراولة الشائعة هي الأوكتوبلويد (8 أمتار) والكيوي المزروع عبارة عن سداسي الشكل (6 أمتار). ابحث عن العدد الإجمالي للكروموسومات في خلايا كل من هذه الفاكهة وفكر في كيفية توافق ذلك مع كمية الحمض النووي في نواة خلايا هذه الفاكهة. اقرأ عن تقنية عزل الحمض النووي لفهم كيف تساعد كل خطوة في بروتوكول العزل على تحرير الحمض النووي وترسيبه.

الفرضية: افترض ما إذا كنت ستتمكن من اكتشاف اختلاف في كمية الحمض النووي من الفراولة والكيوي ذات الحجم المماثل. ما الفاكهة التي تعتقد أنها ستنتج المزيد من الحمض النووي؟

اختبر فرضيتك: اعزل الحمض النووي من الفراولة والكيوي بنفس الحجم. قم بإجراء التجربة في ثلاث نسخ على الأقل لكل فاكهة.

قم بإعداد زجاجة من عازل استخلاص الحمض النووي من 900 مل من الماء، و50 مل من منظف الأطباق، وملعقتين صغيرتين من ملح الطعام. امزج عن طريق الانعكاس (قم بتغطيته وقلبه رأسًا على عقب عدة مرات).
اطحن الفراولة وفاكهة الكيوي يدويًا في كيس بلاستيكي، أو باستخدام هاون ومدقة، أو بوعاء معدني ونهاية أداة حادة. اطحنها لمدة دقيقتين على الأقل لكل فاكهة.
أضف 10 مل من مخزن استخراج الحمض النووي لكل فاكهة، واخلط جيدًا لمدة دقيقة واحدة على الأقل.
قم بإزالة الحطام الخلوي عن طريق تصفية كل خليط فاكهة من خلال القماش القطني أو القماش المسامي وفي قمع يوضع في أنبوب اختبار أو حاوية مناسبة.
اسكب الإيثانول المثلج أو الأيزوبروبانول (الكحول المحمر) في أنبوب الاختبار. يجب عليك مراقبة الحمض النووي الأبيض المترسب.
اجمع الحمض النووي من كل فاكهة عن طريق لفها حول قضبان زجاجية منفصلة.

سجل ملاحظاتك: نظرًا لأنك لا تقيس حجم الحمض النووي كميًا، يمكنك أن تسجل لكل تجربة ما إذا كانت الثمرتان قد أنتجتا نفس كميات الحمض النووي أو كميات مختلفة من الحمض النووي كما لاحظته العين. إذا أنتجت إحدى الفاكهة أو الأخرى مزيدًا من الحمض النووي بشكل ملحوظ، فقم بتسجيل ذلك أيضًا. حدد ما إذا كانت ملاحظاتك متوافقة مع عدة قطع من كل فاكهة.

تحليل بياناتك: هل لاحظت اختلافًا واضحًا في كمية الحمض النووي التي تنتجها كل فاكهة؟ هل كانت نتائجك قابلة للتكرار؟

استنتج استنتاجًا: بالنظر إلى ما تعرفه عن عدد الكروموسومات في كل فاكهة، هل يمكنك استنتاج أن رقم الكروموسوم يرتبط بالضرورة بكمية الحمض النووي؟ هل يمكنك تحديد أي عيوب لهذا الإجراء؟ إذا كان لديك إمكانية الوصول إلى المختبر، كيف يمكنك توحيد المقارنة وجعلها أكثر كمية؟

ملخص

تشير الشفرة الجينية إلى أبجدية الحمض النووي (A، T، C، G) وأبجدية RNA (A، U، C، G)، والأبجدية متعددة الببتيد (20 حمضًا أمينيًا). تصف العقيدة المركزية تدفق المعلومات الجينية في الخلية من الجينات إلى mRNA إلى البروتينات. يتم استخدام الجينات لصنع mRNA من خلال عملية النسخ؛ يتم استخدام mRNA لتجميع البروتينات من خلال عملية الترجمة. تتدهور الشفرة الجينية لأن 64 كودونًا ثلاثيًا في mRNA تحدد 20 حمضًا أمينيًا فقط وثلاثة أكواد غير منطقية. تستخدم كل الأنواع تقريبًا على هذا الكوكب نفس الشفرة الجينية.

مسرد المصطلحات

العقيدة المركزية: تنص على أن الجينات تحدد تسلسل mRNAs، والذي بدوره يحدد تسلسل البروتينات

كودون: ثلاثة نيوكليوتيدات متتالية في mRNA تحدد إدخال حمض أميني أو إطلاق سلسلة بولي ببتيد أثناء الترجمة

الكولينستير: من حيث الحمض النووي الريبي والبروتين، تحدد ثلاث «وحدات» من RNA (النيوكليوتيدات) «وحدة» واحدة من البروتين (الأحماض الأمينية) بطريقة متتالية

انحطاط: (من الشفرة الجينية) يصف أن حمضًا أمينيًا معينًا يمكن ترميزه بأكثر من ثلاثي نيوكليوتيد؛ الشفرة تتدهور ولكنها ليست غامضة

هراء كودون: أحد رموز mRNA الثلاثة التي تحدد إنهاء الترجمة

إطار القراءة: تسلسل الكودونات الثلاثية في mRNA التي تحدد بروتينًا معينًا؛ تحول الريبوسوم لواحد أو اثنين من النيوكليوتيدات في أي اتجاه يلغي تمامًا تخليق هذا البروتين