الشفرة الوراثية: العلاقة بين تتابع النوكليوتيدات وتتابع الأحماض الأمينية والرامزة وخصائص الشفرة - السنة الثالثة ثانوي علوم تجريبية

يتكون البروتين من تتابع عدة أحماض أمينية، ويصنع في الهيولى خارج النواة، بينما الحمض النووي ADN الذي يحمل المعلومة الوراثية لا يغادر النواة. فكيف تصل المعلومة إلى مكان التصنيع؟ لقد عرفنا من الدروس السابقة أن نسخة من المعلومة الوراثية، وهي الحمض النووي الريبي الرسول ARNm، تخرج إلى الهيولى. لكن بقي سؤال جوهري: كيف تترجم لغة النوكليوتيدات في ARNm إلى لغة الأحماض الأمينية في البروتين؟ وجوابه هو الشفرة الوراثية. وهذا الدرس هو الفيديو الرابع من وحدة تركيب البروتين في برنامج السنة الثالثة ثانوي لشعبة العلوم التجريبية. تعرض هذه الصفحة المشكلة العلمية، ثم الرامزة، ثم جدول الشفرة الوراثية، ثم خصائصها، ثم مثالًا على الترجمة، وتنتهي بأخطاء شائعة وتمارين محلولة.

المشكلة

• لغة الحمض النووي: تتابع أربع قواعد آزوتية في ARNm هي ⁦A⁩ (أدينين) و⁦U⁩ (يوراسيل) و⁦G⁩ (غوانين) و⁦C⁩ (سيتوزين).
• لغة البروتين: تتابع عشرين نوعًا من الأحماض الأمينية.

فكيف تتحول رسالة مكتوبة بأربعة حروف إلى رسالة مكتوبة بعشرين حرفًا؟

كم نوكليوتيدة تشفر لحمض أميني؟

نختبر الفرضيات المتتالية بحساب عدد التراكيب الممكنة من أربع قواعد:

1. نوكليوتيدة واحدة لكل حمض أميني: ⁦4¹ = 4⁩ تركيبات فقط. لا تكفي لـ⁦20⁩ حمضًا أمينيًا.
2. نوكليوتيدتان: ⁦4² = 16⁩ تركيبة. لا تكفي أيضًا.
3. ثلاث نوكليوتيدات: ⁦4³ = 64⁩ تركيبة، وهو عدد كاف وزائد على ⁦20⁩.

ولهذا فالشفرة ثلاثية: كل حمض أميني تشفر له ثلاث نوكليوتيدات متتالية، تسمى رامزة (كودون). وقد أثبتت التجارب التي أجراها العلماء بتركيب ARNm اصطناعي هذا الأمر.

جدول الشفرة الوراثية

عدد الرامزات الممكنة ⁦64⁩، وتتوزع كالتالي:

• ⁦61⁩ رامزة تشفر للأحماض الأمينية العشرين.
• ثلاث رامزات هي ⁦UAA⁩ و ⁦UAG⁩ و ⁦UGA⁩ لا تشفر لأي حمض أميني، وتسمى رامزات التوقف (النهاية).
• الرامزة ⁦AUG⁩ تشفر للحمض الأميني ميثيونين وهي أيضًا رامزة البداية.

مقتطف من الجدول للتطبيق:

خصائص الشفرة الوراثية

1. ثلاثية: كل حمض أميني تشفر له ثلاث قواعد متتالية.
2. كونية (عامة): هي نفسها تقريبًا في كل الكائنات الحية من البكتيريا إلى الإنسان، ولهذا يمكن لخلية بكتيرية أن تصنع بروتينًا بشريًا إذا زودت بمورثته.
3. متعددة (متضاعفة): عدة رامزات قد تشفر للحمض الأميني نفسه، فمثلًا ⁦GGU⁩ و ⁦GGC⁩ و ⁦GGA⁩ و ⁦GGG⁩ كلها تشفر للغليسين. وسبب ذلك أن عدد الرامزات ⁦61⁩ أكبر من عدد الأحماض الأمينية ⁦20⁩.
4. غير غامضة (نوعية): كل رامزة تشفر لحمض أميني واحد فقط ولا لحمضين.
5. غير متداخلة وبلا فواصل: تقرأ الرامزات متتابعة، رامزة بعد رامزة، دون تداخل ودون فاصل بينها، وتبدأ القراءة من رامزة البداية ⁦AUG⁩.
6. لها إشارة بداية ونهاية: ⁦AUG⁩ للبداية، و ⁦UAA⁩ أو ⁦UAG⁩ أو ⁦UGA⁩ للتوقف.

مثال: ترجمة تتابع

ليكن جزء من ARNm: ⁦AUG GCU UAC AAA UAA⁩.

نقسمه إلى رامزات من البداية:

• ⁦AUG⁩ ميثيونين.
• ⁦GCU⁩ ألانين.
• ⁦UAC⁩ تيروزين.
• ⁦AAA⁩ ليزين.
• ⁦UAA⁩ توقف.

فيكون البروتين الناتج: ميثيونين ثم ألانين ثم تيروزين ثم ليزين. أي أن عدد الأحماض الأمينية ⁦4⁩ رغم أن عدد القواعد ⁦15⁩.

من ADN إلى البروتين

لو عرف تتابع الشريط المنسوخ (الشريط المستنسخ) من ADN: ⁦TAC CGA ATG TTT ATT⁩، فإن ARNm المكمل له هو (نستبدل ⁦T⁩ بـ⁦U⁩ في ARN، والقاعدة ⁦A⁩ تقابلها ⁦U⁩ والقاعدة ⁦G⁩ تقابلها ⁦C⁩):

⁦AUG GCU UAC AAA UAA⁩.

وهو المثال نفسه أعلاه.

أثر الطفرة على الشفرة

تغير قاعدة واحدة في ADN قد يغير الرامزة:

• فإن بقيت الرامزة تشفر للحمض الأميني نفسه (بسبب تعدد الشفرة) سميت طفرة صامتة.
• وإن تغير الحمض الأميني فقد يتغير البروتين ووظيفته.
• وإن ظهرت رامزة توقف مبكرة قصر البروتين وفقد وظيفته غالبًا.

أخطاء شائعة

• القول إن الرامزة هي القاعدة الواحدة.
• الخلط بين الرامزة (في ARNm) والرامزة المضادة (في ARNt).
• كتابة ⁦T⁩ في ARNm بدل ⁦U⁩.
• القول إن كل رامزة تشفر لحمض أميني. رامزات التوقف لا تشفر.
• الخلط بين تعدد الشفرة (عدة رامزات لحمض واحد) وغموضها (رامزة لعدة أحماض)، فالشفرة متعددة وليست غامضة.
• بدء القراءة من أول قاعدة بدل رامزة البداية ⁦AUG⁩.

تمارين للتدرب

1. لماذا لا تكفي نوكليوتيدتان لتشفير الأحماض الأمينية؟
2. كم رامزة تشفر لأحماض أمينية؟ وكم رامزة توقف؟
3. ترجم التتابع: ⁦AUG UUU GGC UGA⁩.

الحلول:

1. لأن ⁦4²⁩ يساوي ⁦16⁩، وهو أقل من ⁦20⁩.
2. ⁦61⁩ رامزة تشفر لأحماض أمينية، وثلاث رامزات توقف.
3. ميثيونين، ثم فينيل ألانين، ثم غليسين، ثم توقف.

الشرح المصوّر

لمن يفضل المتابعة بالصوت والصورة، يقدم الأستاذ معمري عطاء الله في فيديو «درس الشفرة الوراثية، 3 ثانوي، وحدة تركيب البروتين» هذا الدرس في نحو اثنتي عشرة دقيقة، وهو الفيديو الرقم أربعة من وحدة تركيب البروتين، ويطرح فيه المشكل العلمي عن كيفية ترجمة اللغة النووية إلى لغة بروتينية.