مدرستي
علوم الطبيعة والحياة🎓 هدف البكالوريا

آليات تركيب البروتين الترجمة

آلية الترجمة و فك الشفرة الوراثية

🔊 المعلّمة تقرأ لك
إشكالية: بعد الاستنساخ يغادر الـ ARNm النواة إلى الهيولى حاملا المعلومة الوراثية مكتوبة بلغة نووية من أربعة أحرف، لتتحوّل هناك إلى لغة بروتينية من عشرين حمضا أمينيا. فكيف تُترجَم الشفرة الوراثية إلى بروتين، وكيف أمكن فكّ رموزها ؟
🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • أن تبرهن بالحساب أنّ وحدة الشفرة الوراثية ثلاثية من القواعد الآزوتية
  • أن تستغلّ جدول الشفرة الوراثية لتكتب سلسلة ببتيدية انطلاقا من ARNm
  • أن تذكر خصائص الشفرة الوراثية ورامزة الانطلاق ورامزات التوقّف
  • أن تشرح كيف سمحت تجربة نيرنبرغ بفكّ رموز الشفرة الوراثية
  • أن تحسب نسبة التشابه بين مورثتين انطلاقا من نتائج مقارنة معلوماتية
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • أنّ الـ ARNm يُستنسخ في النواة ثمّ يغادرها إلى الهيولى
  • أنّ تتابع القواعد الآزوتية هو الذي يحمل المعلومة الوراثية
  • أنّ البروتين سلسلة ببتيدية مكوّنة من أحماض أمينية
قبل أن تبدأ، سمِّ الأشياء بأسمائها: «اللغة النووية» أربعة أحرف هي القواعد A و U و G و C، و«اللغة البروتينية» عشرون كلمة هي الأحماض الأمينية العشرون. والترجمة انتقال من الأولى إلى الثانية. والسؤال الأوّل الذي يطرحه هذا الانتقال بسيط: كم حرفا يلزم لكتابة كلمة واحدة ؟

النشاط 1: كم قاعدة تلزم لتشفير حمض أميني واحد ؟

💭الفرضيات: كلّ ثلاث قواعد آزوتية تعبّر عن حمض أميني واحد.

اللغةعدد وحداتهاالوحدة
اللغة النووية، على الـ ARNm4قاعدة آزوتية: A · U · G · C
اللغة البروتينية، في البروتين20حمض أميني
الوثيقة ⁦(1)⁩: معطيات المسألة — عدد وحدات كلّ لغة من اللغتين.
🎯التعليمة
  1. أحسب عدد الكلمات النووية الممكنة في كلّ فرضية: كلمة من قاعدة واحدة، ثمّ من قاعدتين، ثمّ من ثلاث قواعد.
  2. استنتج عدد القواعد التي تشفّر حمضا أمينيا واحدا، معلّلا رفضك للفرضيتين الأخريين.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نحسب عدد الكلمات في كلّ فرضية: لكلّ موضع في الكلمة 4 اختيارات، فعدد الكلمات هو عدد الاختيارات مضروبا في نفسه بعدد المواضع. فبقاعدة واحدة نحصل على 4 كلمات، وبقاعدتين على 16 كلمة، وبثلاث قواعد على 64 كلمة.
  2. نستنتج: اللغة البروتينية 20 كلمة. فالفرضية الأولى مرفوضة لأنّ 4 كلمات لا تشفّر إلّا 4 أحماض ويبقى 16 حمضا بلا تشفير. والفرضية الثانية مرفوضة لأنّ 16 كلمة تترك 4 أحماض بلا تشفير. أمّا الفرضية الثالثة فتعطي 64 كلمة، وهي أكثر من العشرين، فهي وحدها الكافية.
الاستنتاج: وحدة الشفرة الوراثية ثلاثية من القواعد الآزوتية تُسمّى الرامزة، وكلّ رامزة تعبّر عن حمض أميني واحد.

النشاط 2: جدول الشفرة الوراثية وخصائصها

الحمض الأمينيالرامزات التي تشفّر لهعددها
⁦Arginine (Arg)⁩CGU · CGC · CGA · CGG · AGA · AGG6
⁦Leucine (Leu)⁩UUA · UUG · CUU · CUC · CUA · CUG6
⁦Serine (Ser)⁩UCU · UCC · UCA · UCG · AGU · AGC6
⁦Alanine (Ala)⁩GCU · GCC · GCA · GCG4
⁦Glycine (Gly)⁩GGU · GGC · GGA · GGG4
⁦Proline (Pro)⁩CCU · CCC · CCA · CCG4
⁦Threonine (Thr)⁩ACU · ACC · ACA · ACG4
⁦Valine (Val)⁩GUU · GUC · GUA · GUG4
⁦Isoleucine (Ile)⁩AUU · AUC · AUA3
⁦Asparagine (Asn)⁩AAU · AAC2
⁦Aspartic acid (Asp)⁩GAU · GAC2
⁦Cysteine (Cys)⁩UGU · UGC2
⁦Glutamine (Gln)⁩CAA · CAG2
⁦Glutamic acid (Glu)⁩GAA · GAG2
⁦Histidine (His)⁩CAU · CAC2
⁦Lysine (Lys)⁩AAA · AAG2
⁦Phenylalanine (Phe)⁩UUU · UUC2
⁦Tyrosine (Tyr)⁩UAU · UAC2
⁦Methionine (Met)⁩AUG1
⁦Tryptophan (Trp)⁩UGG1
StopUAA · UAG · UGA3
الوثيقة ⁦(2)⁩: جدول الشفرة الوراثية والأحماض الأمينية الموافقة لها.
🎯التعليمة
  1. علّل الفرق في عدد الكلمات بين اللغة النووية واللغة البروتينية.
  2. حدّد من الجدول الأحماض الأمينية التي يعبَّر عنها بأكثر من رامزة، وأعط عدد رامزات بعضها.
  3. بيّن هل لكلّ كلمة من اللغة النووية معنى في اللغة البروتينية، معلّلا إجابتك.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نعلّل الفرق: اللغة النووية 64 رامزة واللغة البروتينية 20 حمضا أمينيا. ويرجع الفرق إلى سببين يظهران في الجدول: عدّة رامزات تشفّر الحمض الأميني نفسه، وبعض الرامزات لا تشفّر أيّ حمض أميني.
  2. نحدّد المرادفات: يعبَّر عن فنيل ألانين بـ 2 رامزتين، وعن إزولوسين بـ 3 رامزات، وعن برولين وألانين وفالين بـ 4 رامزات لكلّ واحد منها، وعن لوسين بـ 6 رامزات. فالشفرة متعدّدة: للحمض الواحد عدّة مرادفات، غير أنّ الرامزة الواحدة لا تدلّ إلّا على حمض أميني واحد.
  3. نبيّن: ليس لكلّ كلمة معنى في اللغة البروتينية، فـ 3 رامزات هي UAA و UAG و UGA لا تشفّر أيّ حمض أميني، ودورها التحكّم في إيقاف تركيب البروتين، ولذلك تُسمّى رامزات التوقّف؛ فتبقى 61 رامزة معبّرة. ونلاحظ كذلك أنّ الرامزة AUG هي أوّل ما يُترجَم، ولهذا تُسمّى رامزة الانطلاق.
الاستنتاج: الشفرة الوراثية قاموس يربط كلّ رامزة بحمض أميني. وهي متعدّدة لأنّ عدّة رامزات تشفّر الحمض الواحد، وغير غامضة لأنّ الرامزة الواحدة لا تدلّ إلّا على حمض واحد؛ وفيها رامزة انطلاق هي AUG وثلاث رامزات توقّف هي UAA و UAG و UGA.

النشاط 3: تجربة نيرنبرغ — كيف فُكّت رموز الشفرة ؟

الوثيقة ⁦(3)⁩: تجربة نيرنبرغ — من ARN اصطناعي معلوم التتابع إلى التعرّف على الرامزات.
🎯التعليمة
  1. اشرح كيف سمحت هذه التجربة بفكّ رموز الشفرة الوراثية.
  2. استخرج التوافقات بين الرامزات والأحماض الأمينية التي تعطيها نتائج التجربة، وما أعطاه متعدّد G.
  3. علّل أهمّية أن يكون الوسط خاليا من كلّ معلومة وراثية.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نشرح المبدأ: يوضع في وسط تتوفّر فيه شروط تركيب البروتين جزيء ARNm اصطناعي تتابعه معلوم لأنّه تكرار لقاعدة واحدة. فنحصل على سلسلة ببتيدية من نوع واحد من الأحماض الأمينية. وبمطابقة التتابع المعلوم مع الببتيد المتشكّل نتعرّف على الحمض الأميني الموافق لرامزة معيّنة.
  2. نستخرج التوافقات: متعدّد U يعطي متعدّد فنيل ألانين، فالرامزة UUU تشفّر Phe. ومتعدّد A يعطي متعدّد ليزين، فالرامزة AAA تشفّر Lys. ومتعدّد C يعطي متعدّد برولين، فالرامزة CCC تشفّر Pro. أمّا متعدّد G فلم يُعطِ أيّ سلسلة: فالـ ARN الغنيّ بالقاعدة G ذو بنية ثانوية تمنعه من أن يكون قالبا للترجمة، ولم تُعرَف الرامزة ⁦GGG (Gly)⁩ إلّا لاحقا بطرق أخرى.
  3. نعلّل خلوّ الوسط: لو بقي في الوسط أيّ ADN أو ARN من الخلية لجاز أن يكون البروتين المتحصَّل عليه ناتجا عن تلك المعلومة لا عن الجزيء الاصطناعي. فخلوّ الوسط يجعل الـ ARNm الاصطناعي المعلومة الوحيدة الداخلة، وهو ما يسمح بنسب النتيجة إليه وحده.
الاستنتاج: باستعمال ARNm اصطناعي معلوم التتابع في وسط خال من كلّ معلومة وراثية أمكن ربط كلّ رامزة بحمضها الأميني؛ وهكذا فُكّت رموز الشفرة الوراثية.

النشاط 4: من الرامزات إلى السلسلة الببتيدية

رتبة الرامزة12345678910
الرامزةAUGUUUCCUCAUGCGGUGGAUGGUAGCUGC
الوثيقة ⁦(4)⁩: قطعة من الـ ARNm مكوّنة من 10 رامزات متتالية.
🎯التعليمة
  1. حدّد الرامزة التي تبدأ بها الترجمة، وبيّن الحمض الأميني الموافق لها.
  2. اكتب السلسلة الببتيدية الموافقة لهذه القطعة مستعينا بجدول الشفرة الوراثية.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نحدّد رامزة الانطلاق: الرامزة الأولى هي AUG، وهي رامزة الانطلاق، والحمض الأميني الموافق لها هو المثيونين Met. وكلّ ترجمة تبدأ بها.
  2. نكتب السلسلة الببتيدية: نقرأ الرامزات واحدة واحدة في جدول الشفرة فنحصل بالترتيب على: Met ثمّ Phe ثمّ Pro ثمّ His ثمّ Ala ثمّ Val ثمّ Asp ثمّ Gly ثمّ Ser ثمّ Cys. فالسلسلة الناتجة متعدّد ببتيد من 10 أحماض أمينية، مقابل 30 قاعدة على الـ ARNm، أي أنّ عدد الأحماض الأمينية ثلث عدد القواعد المترجَمة.
الاستنتاج: تُقرأ الرامزات على الـ ARNm واحدة تلو الأخرى ابتداء من رامزة الانطلاق AUG، فتعطي كلّ رامزة حمضا أمينيا واحدا؛ فيكون عدد الأحماض الأمينية ثلث عدد القواعد المترجَمة.

النشاط 5: التحليل المقارن للتتابعات بأداة معلوماتية

الوثيقة ⁦(5)⁩: نتائج التحليل المقارن للتتابعات ببرنامج Anagène.
المورثة المقارنة بالسلسلة βعدد القواعد الكلّيعدد القواعد المختلفةعدد القواعد المتشابهة
δ51546
α511734
γ511833
الوثيقة ⁦(6)⁩: نتائج محاذاة سلاسل الهيموغلوبين، مقارنة بالسلسلة β.
🎯التعليمة
  1. بيّن هل تتوافق نتائج تحويل التتابعات مع ما توصّلت إليه في الاستنساخ والترجمة، معلّلا إجابتك.
  2. حدّد الفائدة من مقارنة تتابع النكليوتيدات لمورثتين إحداهما طافرة.
  3. أحسب النسبة المئوية للتشابه بين كلّ سلسلة والسلسلة β، ثمّ استنتج.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نبيّن التوافق: نعم، تتوافق النتائج مع ما توصّلنا إليه. فتتابع الـ ARNm يشبه تتابع السلسلة غير المستنسخة مع وضع U مكان T، وهو ما استنتجناه في الاستنساخ. والحمض الأميني الأوّل في السلسلة الببتيدية هو Met، وهو الموافق لرامزة الانطلاق AUG، وهو ما استنتجناه في الترجمة.
  2. نحدّد الفائدة: تعطي المقارنة مواضع الاختلاف في تتابع القواعد بين مورثتين، فتكشف مواضع الطفرات. وهنا لا يظهر بين مورثة الشخص السليم ومورثة الشخص المصاب إلّا اختلاف واحد، أي تبديل قاعدة واحدة، ويكفي هذا التبديل الوحيد لتغيير البروتين.
  3. نحسب النسب المئوية: نسبة التشابه هي عدد القواعد المتشابهة على العدد الكلّي في المائة. فنجد 90,2 بالمائة بين δ و β، و66,7 بالمائة بين α و β، و64,7 بالمائة بين γ و β. ونستنتج أنّ هذه المورثات متقاربة في تتابعها، لكنّ تقاربها غير متساو: فـ δ أقربها إلى β و γ أبعدها.
الاستنتاج: يسمح التحليل المعلوماتي للتتابعات بالتحقّق من انتقال المعلومة من الـ ADN إلى الـ ARNm ثمّ إلى البروتين، وبكشف مواضع الطفرات، وبقياس درجة التشابه بين المورثات؛ فمورثات سلاسل الهيموغلوبين شديدة التشابه ومتفاوتة القرب بعضها من بعض.

النشاط 6: قراءة جدول الشفرة الوراثية بمداخله الثلاثة

يُقدَّم جدول الشفرة الوراثية كذلك في شكل شبكة من أربعة أسطر وأربعة أعمدة، تحيط بها من ثلاث جهات أشرطة تحمل القواعد الأربع U و C و A و G، وتضمّ كلّ خانة منها رامزات مكتوبة بعضها تحت بعض، مجمّعة نحو الأحماض الأمينية التي تشفّر لها.

الوثيقة ⁦(7)⁩: جدول الشفرة الوراثية في شكل شبكة، تحيط بها القواعد الأربع من ثلاث جهات.
🎯التعليمة
  1. حدّد، اعتمادا على الأشرطة المحيطة بالجدول في الوثيقة ⁦(7)⁩، كيف تُقرأ رامزة ما للوصول إلى الحمض الأميني الذي تشفّر له.
  2. استخرج من الجدول الحمض الأميني الذي تشفّر له كلّ رامزة من الرامزات GCA و UGG و CAU.
  3. قارن بين الرامزات الأربع التي تجمعها خانة البرولين، ثمّ بين رامزات خانتي الفالين والغلايسين، واستنتج دور القاعدة الثالثة فيها.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نحدّد: تُقرأ الرامزة في الجدول بثلاثة مداخل. فقاعدتها الأولى تُقرأ على الشريط الأيسر وتحدّد السطر، وقاعدتها الثانية تُقرأ على الشريط العلوي وتحدّد العمود، فنصل إلى خانة واحدة. ثمّ تحدّد قاعدتها الثالثة، المقروءة على الشريط الأيمن، موضع الرامزة داخل هذه الخانة، ومنه الحمض الأميني الذي تشفّر له.
  2. نستخرج: الرامزة GCA في سطر G وعمود C، وقاعدتها الثالثة A، فهي تشفّر للحمض الأميني Ala. والرامزة UGG في سطر U وعمود G، فهي تشفّر للحمض Trp. والرامزة CAU في سطر C وعمود A، فهي تشفّر للحمض His.
  3. نقارن ونستنتج: الرامزات الأربع في خانة البرولين، CCU و CCC و CCA و CCG، تشترك في قاعدتيها الأولى والثانية ولا تختلف إلّا في الثالثة، وتشفّر كلّها للبرولين؛ والأمر نفسه في خانتي الفالين والغلايسين. فالقاعدة الثالثة فيها غير حاسمة: تغييرها لا يغيّر الحمض الأميني، وهذا وجه من أوجه تعدّد الشفرة.
الاستنتاج: يُقرأ جدول الشفرة الوراثية بثلاثة مداخل: القاعدة الأولى للرامزة تحدّد السطر، والثانية تحدّد العمود، والثالثة تحدّد موضعها داخل الخانة. وكثيرا ما تشفّر الرامزات الأربع لخانة واحدة للحمض الأميني نفسه، فتكون القاعدة الثالثة غير حاسمة.

الشفرة الوراثية ووحدتها

الترجمة تحويل المعلومة المحمولة على الـ ARNm من لغة نووية إلى لغة بروتينية، وتقع في الهيولى. واللغة النووية أربعة أحرف هي القواعد A و U و G و C، واللغة البروتينية عشرون كلمة هي الأحماض الأمينية.

ووحدة الشفرة الوراثية ثلاثية من القواعد الآزوتية تُسمّى الرامزة، وكلّ رامزة تعبّر عن حمض أميني واحد. وقد فرض الحسابُ هذا العدد ولم يفرضه الاختيار: قاعدة واحدة لا تعطي إلّا أربع كلمات، وقاعدتان لا تعطيان إلّا ستّ عشرة كلمة، وكلاهما دون العشرين؛ أمّا ثلاث قواعد فتعطي أربعا وستّين كلمة، وهو ما يكفي ويزيد.

خصائص الشفرة الوراثية

الشفرة متعدّدة: عدّة رامزات تشفّر الحمض الأميني الواحد، فللوسين ستّ رامزات وللبرولين أربع ولفنيل ألانين رامزتان. وهي في الوقت نفسه غير غامضة: الرامزة الواحدة لا تدلّ إلّا على حمض أميني واحد. وهما وجهان مختلفان لا يُخلط بينهما.

ويُقدَّم جدول الشفرة الوراثية كذلك في شكل شبكة تُقرأ بثلاثة مداخل: القاعدة الأولى للرامزة تحدّد السطر، والثانية تحدّد العمود، والثالثة تحدّد موضعها داخل الخانة. وفي هذه الشبكة يظهر وجه من أوجه تعدّد الشفرة: ففي خانات عديدة، كخانات البرولين والألانين والفالين والغلايسين، تشفّر الرامزات الأربع للحمض الأميني نفسه وهي لا تختلف إلّا في قاعدتها الثالثة، فكثيرا ما تكون هذه القاعدة غير حاسمة.

وفيها رامزات لها وظيفة خاصّة: AUG رامزة الانطلاق، وهي أوّل ما يُترجَم وتوافق المثيونين؛ و UAA و UAG و UGA رامزات توقّف لا تشفّر أيّ حمض أميني ودورها إيقاف تركيب البروتين. فمن أربع وستّين رامزة تبقى إحدى وستّون رامزة معبّرة.

ما تكشفه المقارنة بين المورثات

مقارنة تتابعات النكليوتيدات بالأدوات المعلوماتية تؤكّد ما بيّنته التجربة: تتابع الـ ARNm يوافق السلسلة غير المستنسخة مع وضع U مكان T، وتتابع الأحماض الأمينية يوافق قراءة الرامزات ابتداء من AUG.

وتكشف هذه المقارنة أيضا مواضع الاختلاف بين مورثتين، ومنها مواضع الطفرات: فتبديل قاعدة واحدة في مورثة السلسلة بيتا للهيموغلوبين يكفي لتغيير البروتين. كما تسمح بحساب نسب التشابه بين مورثات مختلفة، فتُظهر أنّ مورثات سلاسل الهيموغلوبين شديدة التشابه ومتفاوتة القرب.

الترجمة في الهيولى

تتمّ الترجمة في الهيولى على مستوى الرّيبوزومات، وكثيرا ما تقرأ عدّة ريبوزومات خيط الـ ARNm الواحد في آن واحد فتشكّل متعدّد الرّيبوزوم؛ وتنقل جزيئات الـ ARNt الأحماض الأمينية إليها، فتُقرأ الرامزات واحدة تلو الأخرى من رامزة الانطلاق AUG إلى رامزة توقّف. أمّا بنية الرّيبوزوم ومواقعه، ودور الـ ARNt وتنشيط الأحماض الأمينية، ومراحل الترجمة، فهي موضوع الدرس الموالي: «دور الـ ⁦ARNt⁩، تنشيط الأحماض الأمينية و مراحل الترجمة».

أين تتمّ المرحلتان ؟

عند أوليات النّوى كالبكتيريا تتمّ المرحلتان في المكان نفسه وفي آن واحد، لعدم وجود نواة واضحة الحدود، حتّى إنّ الترجمة تستطيع أن تنطلق قبل انتهاء الاستنساخ. ⟸ أمّا عند حقيقيات النّوى كالإنسان والحيوان والنّبات فلا يمكن ذلك، لأنّ غشاء نوويّا يفصل النّواة عن الهيولى: الاستنساخ في النّواة، والترجمة في الهيولى.

طريقة مضمونة لقراءة الرامزات دون خطأ: قسّم تتابع الـ ARNm إلى مجموعات من ثلاث قواعد ابتداء من AUG، ولا تقسّم قبلها. فأيّ إزاحة بقاعدة واحدة تغيّر كلّ الرامزات التي تليها، وتعطيك بروتينا آخر تماما.
حصيلة الدرس: قراءة الـ ARNm ثلاثية ثلاثية، من رامزة الانطلاق إلى رامزة التوقّف.
أكثر ما يُطلب في الباكالوريا حول هذا الدرس ثلاثة أشياء: كتابة الـ ARNm انطلاقا من قطعة ADN، ثمّ ترجمته بجدول الشفرة، ثمّ تعليل أثر طفرة في البروتين. اكتب دائما الرامزات في مجموعات ثلاثية منفصلة قبل أن تترجم: هذا وحده يقيك أغلب الأخطاء.
الخلاصة: تُترجَم المعلومة المحمولة على الـ ARNm في الهيولى من لغة نووية من أربعة أحرف إلى لغة بروتينية من عشرين حمضا أمينيا. ووحدة هذه الشفرة رامزة من ثلاث قواعد آزوتية، لأنّ ثلاث قواعد وحدها تعطي أربعا وستّين كلمة تكفي للأحماض العشرين. والشفرة متعدّدة وغير غامضة، فيها رامزة انطلاق هي AUG وثلاث رامزات توقّف هي UAA و UAG و UGA، فتبقى إحدى وستّون رامزة معبّرة. وقد فُكّت رموزها باستعمال ARNm اصطناعية معلومة التتابع، ويؤكّدها اليوم التحليل المعلوماتي المقارن للتتابعات النكليوتيدية والببتيدية. وتجري الترجمة في الهيولى على مستوى الرّيبوزومات، من رامزة الانطلاق AUG إلى رامزة توقّف؛ أمّا أدواتها ومراحلها فموضوع الدرس الموالي.

الصفحة 1/11

© مدرستي — هذا الدرس من تأليف مدرستي · madrassati.net