تركيب البروتين: الاستنساخ وتنشيط الأحماض الأمينية والترجمة والشفرة الوراثية - السنة الثالثة ثانوي

البروتين جزيء حيوي يؤدي في الخلية وظيفة محددة: إنزيم يسرّع تفاعلًا، أو جسم مضاد يدافع عن الجسم، أو مكوّن في بنية الخلية. وما يحدد هذه الوظيفة هو عدد الأحماض الأمينية المكوّنة له ونوعها وترتيبها. والمعلومة التي تحدد هذا الترتيب مخزنة في المورثة، أي في جزء من جزيء ⁦ADN⁩. تشرح هذه الصفحة كيف تتحول المعلومة الوراثية إلى بروتين، خطوة بعد خطوة، مع مثال محلول يُقرأ فيه تتابع نيكليوتيدي ويُستخرج تتابع الأحماض الأمينية.

من المورثة إلى البروتين

يسمى مسار تحويل المعلومة الوراثية إلى بروتين التعبير المورثي، وله مرحلتان رئيسيتان تفصل بينهما خطوة وسطى:

1. الاستنساخ: نسخ المعلومة من ⁦ADN⁩ إلى جزيء ⁦ARNm⁩ (الرسول).
2. تنشيط الأحماض الأمينية: ربط كل حمض أميني بـ ⁦ARNt⁩ الخاص به.
3. الترجمة: قراءة ⁦ARNm⁩ على الريبوزوم وتجميع الأحماض الأمينية في سلسلة ببتيدية.

وموضع كل مرحلة يختلف بين نوعين من الخلايا. في الخلايا حقيقية النواة (حيوانية أو نباتية) يتم الاستنساخ في النواة، ثم يخرج ⁦ARNm⁩ عبر الثقوب النووية إلى الهيولى حيث تتم الترجمة على الريبوزومات. أما عند بدائيات النواة كالبكتيريا فالمرحلتان معًا في هيولى الخلية لأنه لا توجد نواة.

الاستنساخ

يحتاج الاستنساخ إلى ثلاثة عناصر: قطعة من ⁦ADN⁩ هي المورثة، وإنزيم ⁦ARN⁩ بوليميراز، وأربعة أنواع من النيكليوتيدات الريبية الحرة التي تحمل الطاقة اللازمة للتفاعل. ويمر بثلاث خطوات:

• الانطلاق: يتثبت الإنزيم عند بداية المورثة ويفتح سلسلتي ⁦ADN⁩ على امتداد قصير.
• الاستطالة: يتحرك الإنزيم على طول المورثة، ويربط النيكليوتيدات الريبية الحرة وفق قاعدة التكامل مع إحدى السلسلتين، وهي السلسلة المستنسخة.
• النهاية: يصل الإنزيم إلى نهاية المورثة، فينفصل ⁦ARNm⁩ عن ⁦ADN⁩ وتتحرر الإنزيمات وتعود سلسلتا ⁦ADN⁩ إلى الالتفاف حول بعضهما.

قاعدة التكامل في الاستنساخ هي: ⁦A⁩ يقابله ⁦U⁩ في ⁦ARN⁩، و ⁦T⁩ يقابله ⁦A⁩، و ⁦C⁩ يقابله ⁦G⁩، و ⁦G⁩ يقابله ⁦C⁩. لاحظ أن ⁦ARN⁩ لا يحتوي على ⁦T⁩ ويحتوي بدلًا منه على ⁦U⁩. والنتيجة سلسلة واحدة تُقرأ في الاتجاه من ⁦5'⁩ إلى ⁦3'⁩.

تنشيط الأحماض الأمينية

لا ينضم الحمض الأميني إلى البروتين وحده، بل يحتاج إلى حامل. هذا الحامل هو ⁦ARNt⁩، وهو سلسلة واحدة ملتفة على نفسها تحمل في طرفها ⁦3'⁩ موضعًا لتثبيت الحمض الأميني، وفي حلقة منها ثلاثة نيكليوتيدات تسمى الرامزة المضادة. التنشيط يتم بإنزيم نوعي لكل حمض أميني، وبوجود ⁦ATP⁩:

1. يرتبط الحمض الأميني بـ ⁦ATP⁩ على الإنزيم، فيتشكل معقد حمض أميني مع ⁦AMP⁩ ويتحرر ⁦PPi⁩.
2. يتثبت ⁦ARNt⁩ المناسب على الإنزيم، فتتشكل رابطة بين الحمض الأميني و ⁦ARNt⁩ ويتحرر ⁦AMP⁩.
3. يتحرر المعقد حمض أميني مع ⁦ARNt⁩، ويصبح الإنزيم جاهزًا لعملية أخرى مماثلة.

مصدر الأحماض الأمينية الحرة ما ينتج عن هضم البروتينات، وبعضها تصنعه الخلية نفسها.

الترجمة

تتم على الريبوزوم، وهو مكوّن من تحت وحدة صغرى وتحت وحدة كبرى. وتمر أيضًا بثلاث خطوات:

• الانطلاق: تتثبت تحت الوحدة الصغرى على ⁦ARNm⁩ عند الرامزة ⁦AUG⁩. يلتحق بها ⁦ARNt⁩ الحامل للميثيونين، لأن رامزته المضادة ⁦UAC⁩ تكمل الرامزة ⁦AUG⁩. ثم تلتحق تحت الوحدة الكبرى فيتشكل معقد الانطلاق، ويستقر ⁦ARNt⁩ الأول في الموقع ⁦P⁩.
• الاستطالة: يدخل ⁦ARNt⁩ الثاني بحمضه الأميني إلى الموقع ⁦A⁩ وفق تكامل الرامزة مع الرامزة المضادة. تتشكل رابطة ببتيدية بين الحمضين الأمينيين، ثم يتقدم الريبوزوم بمقدار رامزة واحدة، فينتقل ⁦ARNt⁩ الحامل للثنائي ببتيد إلى الموقع ⁦P⁩ ويصبح الموقع ⁦A⁩ شاغرًا لـ ⁦ARNt⁩ ثالث. وتتكرر العملية.
• النهاية: يصل الريبوزوم إلى رامزة توقف، ولا يوجد ⁦ARNt⁩ يقابلها، فتنفصل تحت الوحدتان وتتحرر السلسلة الببتيدية.

وقد يقرأ ⁦ARNm⁩ الواحد عدة ريبوزومات في آن واحد فتتشكل مجموعة تسمى متعدد الريبوزومات، فيُصنع عدد كبير من نسخ البروتين بسرعة.

الشفرة الوراثية

الشفرة الوراثية جدول يوضح أي حمض أميني تعنيه كل رامزة، والرامزة ثلاثة نيكليوتيدات متتالية. وهي تتميز بما يلي:

• عدد الرامزات 64: منها 61 تعبّر عن أحماض أمينية و 3 هي رامزات توقف ⁦UAA⁩ و ⁦UAG⁩ و ⁦UGA⁩.
• رامزة انطلاق واحدة هي ⁦AUG⁩ وتعبّر عن الميثيونين.
• الشفرة شاملة، أي أن أغلب الكائنات الحية تشفّر للحمض الأميني نفسه بالرامزة نفسها، مع حالات استثنائية قليلة.
• الشفرة مرادفة، أي أن الحمض الأميني الواحد قد تشفّر له عدة رامزات، كالليوسين الذي له ست رامزات.
• كل رامزة تعني حمضًا أمينيًا واحدًا فقط.

ولقراءة الشفرة من ⁦ARNm⁩ نبدأ من الرامزة ⁦AUG⁩ ونقرأ ثلاثًا ثلاثًا حتى رامزة توقف.

مثال محلول

مورثة سلسلتها المستنسخة في الاتجاه ⁦3'⁩ إلى ⁦5'⁩ هي: ⁦TAC CGA AAG TTT ATT⁩.

1. استنتاج ⁦ARNm⁩. نكتب التكامل نيكليوتيدًا بنيكليوتيد: ⁦TAC⁩ يعطي ⁦AUG⁩، و ⁦CGA⁩ يعطي ⁦GCU⁩، و ⁦AAG⁩ يعطي ⁦UUC⁩، و ⁦TTT⁩ يعطي ⁦AAA⁩، و ⁦ATT⁩ يعطي ⁦UAA⁩. فـ ⁦ARNm⁩ هو ⁦AUG GCU UUC AAA UAA⁩ في الاتجاه ⁦5'⁩ إلى ⁦3'⁩.
2. قراءة الشفرة. ⁦AUG⁩ ميثيونين، و ⁦GCU⁩ ألانين، و ⁦UUC⁩ فينيل ألانين، و ⁦AAA⁩ ليزين، و ⁦UAA⁩ رامزة توقف.
3. النتيجة. السلسلة الببتيدية هي: ميثيونين، ألانين، فينيل ألانين، ليزين، أي أربعة أحماض أمينية.
4. الرامزات المضادة. ⁦ARNt⁩ الحامل للميثيونين رامزته المضادة ⁦UAC⁩، والحامل للألانين ⁦CGA⁩.

الطفرات وما يخل بتركيب البروتين

قد يتغير تتابع النيكليوتيدات في المورثة لسبب داخلي: خطأ عند تضاعف ⁦ADN⁩ أو تأثير مادة كيميائية أو إشعاع. هذا التغير يسمى الطفرة، وليست كل طفرة تغير البروتين:

• استبدال نيكليوتيد بآخر: قد لا يتغير الحمض الأميني لأن الشفرة مرادفة، فتكون الطفرة صامتة. وقد يتغير حمض أميني واحد، كما في مرض الخلية المنجلية حيث يتحول الحمض الأميني الغلوتاميك إلى فالين في سلسلة من الهيموغلوبين. وقد تظهر رامزة توقف مبكرة فيُقطع البروتين.
• إضافة نيكليوتيد أو حذفه: تنزاح الرامزات كلها بعد موضع الطفرة، فتتغير الأحماض الأمينية اللاحقة جميعًا وغالبًا يفقد البروتين وظيفته.

وهناك عوامل خارجية تؤثر على المراحل نفسها: مواد تثبط الاستنساخ أو التنشيط أو الترجمة، ومنها بعض المضادات الحيوية التي تعطل ريبوزومات البكتيريا فتوقف تركيب بروتيناتها.

أخطاء شائعة

• الخلط بين السلسلة المستنسخة وغير المستنسخة. ⁦ARNm⁩ يكمل السلسلة المستنسخة، ويشبه السلسلة غير المستنسخة مع استبدال ⁦T⁩ بـ ⁦U⁩.
• كتابة ⁦T⁩ في ⁦ARN⁩ أو ⁦U⁩ في ⁦ADN⁩.
• قراءة الرامزات على ⁦ARNt⁩ بدل الرامزات المضادة، أو قراءة الرامزات المضادة على ⁦ARNm⁩.
• القول إن الاستنساخ والترجمة يحدثان في الموضع نفسه في كل الخلايا. الفرق بين حقيقيات النواة وبدائياتها يُسأل عنه كثيرًا.
• نسيان ⁦ATP⁩ في خطوة تنشيط الأحماض الأمينية.
• اعتبار رامزة التوقف رامزة لحمض أميني. لا يقابلها ⁦ARNt⁩.

تمارين للتدرب

1. سلسلة مستنسخة من مورثة: ⁦3' TAC TTT CGA ATC 5'⁩. اكتب ⁦ARNm⁩ ثم تتابع الأحماض الأمينية.
2. ما الرامزتان المضادتان لـ ⁦ARNt⁩ اللذين يقابلان الرامزتين ⁦GCU⁩ و ⁦AAA⁩؟
3. تغيرت الرامزة ⁦AAA⁩ إلى ⁦AAG⁩ بطفرة. هل يتغير البروتين؟ علل.
4. حُذف نيكليوتيد واحد من منتصف المورثة. ما أثر ذلك؟
5. أين تحدث كل مرحلة من مراحل التعبير المورثي في بكتيريا؟

الحلول:

1. ⁦ARNm = AUG AAA GCU UAG⁩. تتابع الأحماض الأمينية: ميثيونين، ليزين، ألانين، ثم توقف عند ⁦UAG⁩.
2. الرامزة المضادة للرامزة ⁦GCU⁩ هي ⁦CGA⁩، وللرامزة ⁦AAA⁩ هي ⁦UUU⁩.
3. لا يتغير، لأن ⁦AAA⁩ و ⁦AAG⁩ كلتيهما تشفّران للحمض الأميني ليزين، فالطفرة صامتة بفضل الشفرة المرادفة.
4. تنزاح الرامزات بعد موضع الحذف، فتتغير الأحماض الأمينية اللاحقة جميعها، وقد تظهر رامزة توقف مبكرة، فينتج بروتين مختلف أو ناقص.
5. في البكتيريا لا توجد نواة، فالاستنساخ وتنشيط الأحماض الأمينية والترجمة كلها في الهيولى.

الشرح المصوّر وملفات التمارين

لمن يفضل المتابعة بالصوت والصورة، تعرض الأستاذة كتفي شريف زينة في فيديو «ملخص وحدة تركيب البروتين» الوحدة كلها على شكل خريطة ذهنية في نحو اثنتين وثلاثين دقيقة، من الاستنساخ إلى الترجمة والشفرة الوراثية وعوامل الخلل.

وللتمرن على مواضيع حقيقية، اطلع على ملفات الموقع التالية:

• سلسلة تمارين حول آليات تركيب البروتين للاستاذ بلمداني
• تمارين وحدة تركيب البروتينات في البكالوريا من 2017 إلى 2021 للأستاذ شويحة عبد القادر
• درس تركيب البروتينات إعداد الأستاذ شميمت الطيب