مدرستي
علوم الطبيعة والحياة🎓 هدف البكالوريا

تركيب البروتين الترجمة

الشفرة الوراثية

🔊 المعلّمة تقرأ لك
إشكالية: تخرج المعلومة الوراثية من النواة محمولة على الـ ARNm بعد الاستنساخ، فتصل إلى الهيولى حيث تتحوّل من لغة نووية قوامها أربعة أحرف إلى لغة بروتينية قوامها عشرون حمضا أمينيا. فكيف تُقرأ الرسالة المحمولة على الـ ARNm، وكم قاعدة يلزم لتحديد حمض أميني واحد ؟
🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • أن تحسب عدد الكلمات النووية الممكنة وتستنتج منها طول الرامزة
  • أن تقرأ جدول الشفرة الوراثية وتستخرج خصائصها من قراءتك
  • أن تحدّد رامزة الانطلاق ورامزات التوقّف ودور كلّ منها
  • أن تحسب نسبة التشابه بين تتابعين وتستنتج منها درجة القرابة بين مورثتين
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • أنّ الـ ARNm يحمل نسخة عن المعلومة الوراثية من النواة إلى الهيولى
  • أنّ البروتين تتابع من الأحماض الأمينية، وأنّ عددها عشرون
  • أنّ القواعد الآزوتية في الـ ARNm أربع هي A و U و G و C

النشاط 1: عدد القواعد التي تشفّر لحمض أميني واحد

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

تتكوّن اللغة النووية المحمولة على الـ ARNm من أربعة أحرف هي A و U و G و C، بينما تتكوّن اللغة البروتينية من عشرين حمضا أمينيا. وأمام هذا الفرق طُرحت ثلاثة احتمالات لبنية الكلمة النووية.

📌الوثيقة ⁦(1)⁩
الاحتمالبنية الكلمة النوويةمثال على كلمة
الأوّلقاعدة آزوتية واحدةA
الثانيقاعدتان آزوتيتانUA
الثالثثلاث قواعد آزوتيةUUU
الوثيقة ⁦(1)⁩: الاحتمالات الثلاثة المطروحة لبنية الكلمة النووية التي تشفّر لحمض أميني واحد.
🎯التعليمة
  1. احسب عدد الكلمات النووية الممكنة في كلّ احتمال من احتمالات الوثيقة ⁦(1)⁩.
  2. ناقش الاحتمالات الثلاثة بمقابلتها بعدد الأحماض الأمينية، واستنتج بنية الرامزة.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نحسب: لكلّ موضع في الكلمة 4 اختيارات، لأنّ القواعد أربع. ففي الاحتمال الأوّل، والكلمة فيه قاعدة واحدة، يكون عدد الكلمات 4. وفي الاحتمال الثاني، والكلمة فيه قاعدتان، يكون العدد 16. وفي الاحتمال الثالث، والكلمة فيه ثلاث قواعد، يكون العدد 64.
  2. نناقش ونستنتج: الاحتمال الأوّل يعبّر عن 4 أحماض أمينية فقط ويبقى 16 حمضا بلا كلمة، فهو مرفوض. والاحتمال الثاني يعبّر عن 16 حمضا ويبقى 4 أحماض بلا كلمة، فهو مرفوض بدوره. أمّا الثالث فيعطي 64 كلمة، وهي تكفي للأحماض الأمينية العشرين وتزيد، فهو الاحتمال الوحيد المقبول.
الاستنتاج: وحدة الشفرة الوراثية ثلاثيّة من القواعد الآزوتية المتتالية على الـ ARNm، تُدعى الرامزة. فالرامزة ثلاث قواعد، وهي تعبّر عن حمض أميني واحد.

النشاط 2: قراءة جدول الشفرة الوراثية

توضّح الوثيقة الموالية جدول الشفرة الوراثية: تقابل فيه كلّ رامزة من رامزات الـ ARNm الحمض الأميني الذي تشفّر له، وقد جُمعت رامزات الحمض الواحد في سطر واحد.

📌الوثيقة ⁦(2)⁩
الحمض الأمينيالرامزات الموافقة لهعددها
أرجينين ArgAGA · AGG · CGA · CGC · CGG · CGU6
لوسين LeuCUA · CUC · CUG · CUU · UUA · UUG6
SerAGC · AGU · UCA · UCC · UCG · UCU6
ألانين AlaGCA · GCC · GCG · GCU4
غلايسين GlyGGA · GGC · GGG · GGU4
برولين ProCCA · CCC · CCG · CCU4
ThrACA · ACC · ACG · ACU4
فالين ValGUA · GUC · GUG · GUU4
إزولوسين IleAUA · AUC · AUU3
AsnAAC · AAU2
AspGAC · GAU2
CysUGC · UGU2
GlnCAA · CAG2
غلوتاميك GluGAA · GAG2
HisCAC · CAU2
ليزين LysAAA · AAG2
فنيل ألانين PheUUC · UUU2
TyrUAC · UAU2
ميثيونين MetAUG1
TrpUGG1
رامزات التوقّف — لا تشفّر لأيّ حمض أمينيUAA · UAG · UGA3
الوثيقة ⁦(2)⁩: جدول الشفرة الوراثية — رامزات الـ ARNm والأحماض الأمينية الموافقة لها، مرتّبة من الأكثر رامزات إلى الأقلّ، وفي آخره الرامزات التي لا تشفّر لأيّ حمض أميني.
🎯التعليمة
  1. علّل الفرق بين عدد كلمات اللغة النووية وعدد كلمات اللغة البروتينية.
  2. تعرّف من الوثيقة ⁦(2)⁩ على الأحماض الأمينية التي تعبّر عنها عدّة رامزات، واستخرج أكبر عدد من الرامزات يعبّر عن حمض واحد.
  3. بيّن هل لكلّ كلمة في اللغة النووية معنى في اللغة البروتينية، معلّلا إجابتك.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نعلّل: للغة النووية 64 كلمة، وللغة البروتينية 20 كلمة فقط. ويعود هذا الفرق إلى سببين نقرؤهما في الجدول: عدّة رامزات تشفّر لحمض أميني واحد، و3 رامزات لا تشفّر لأيّ حمض أميني.
  2. نتعرّف ونستخرج: أغلب الأحماض الأمينية تعبّر عنها أكثر من رامزة واحدة: فـ فنيل ألانين رامزتان، وإزولوسين ثلاث رامزات، وبرولين وألانين وفالين أربع رامزات لكلّ منها. وأكبر عدد هو 6 رامزات، تبلغه ثلاثة أحماض هي Arg و Leu و Ser.
  3. نبيّن: ليس لكلّ كلمة نووية معنى في اللغة البروتينية: 3 رامزات هي UAA و UAG و UGA لا تشفّر لأيّ حمض أميني، ودورها التحكّم في إيقاف تركيب البروتين، ولذلك تُدعى رامزات التوقّف. فيبقى 61 رامزة معبّرة. ونلاحظ أنّ أوّل رامزة تُترجَم هي AUG، ولذلك تُدعى رامزة الانطلاق.
الاستنتاج: تقابل 64 رامزة 20 حمضا أمينيا فقط. فالشفرة الوراثية تحمل عدّة رامزات للحمض الواحد، غير أنّ الرامزة الواحدة لا تعبّر إلاّ عن حمض واحد. ومنها 3 رامزات توقّف، فتبقى 61 رامزة معبّرة، وأوّل ما يُترجَم منها رامزة الانطلاق AUG.
لا تقلب الخاصّية: أن يكون للحمض الأميني الواحد عدّة رامزات شيء، وأن تكون للرامزة الواحدة عدّة معان شيء آخر لا وجود له. اقرأ الجدول في اتّجاه واحد — من الرامزة إلى الحمض — وستجد جوابا واحدا لا غير.

النشاط 3: كيف فُكّت رموز الشفرة الوراثية ؟

أُضيف عشرون نوعا من الأحماض الأمينية إلى وسط يحتوي المكوّنات الهيولية الضرورية لتركيب البروتين وخال من كلّ معلومة وراثية، ثمّ أُضيف إليه ARNm اصطناعيّ مكوّن من تكرار قاعدة واحدة، وأُعيدت التجربة مع ثلاثة متعدّدات أخرى.

الوثيقة ⁦(3)⁩: تركيب البروتين انطلاقا من ARNm اصطناعيّ معروف التتابع، في وسط لا خلويّ خال من المعلومة الوراثية (تجربة Nirenberg).
🎯التعليمة
  1. اشرح كيف فُكّت رموز الشفرة الوراثية اعتمادا على النتائج الموضّحة في الوثيقة ⁦(3)⁩.
  2. اكتب قطعة ARNm من اقتراحك تعطي متعدّد ببتيد مكوّنا من عشرة أحماض أمينية، مستعينا بجدول الشفرة الوراثية.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نشرح: الوسط خال من كلّ معلومة وراثية، فالمعلومة الوحيدة المُدخَلة إليه هي الـ ARNm الاصطناعي: ما ينتج فيه من بروتين لا يمكن أن يُنسب إلاّ إليه. ولمّا كان تتابعه معروفا ومكرّرا، جاءت السلسلة الببتيدية من نوع واحد من الأحماض الأمينية. وبمطابقة الـ ARNm مع الببتيد الناتج نعرف الحمض الموافق لكلّ رامزة: UUU توافق Phe، و AAA توافق Lys، و CCC توافق 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.
  2. نكتب: نقترح التتابع AUG UUU CCU CAU GCG GUG GAU GGU AGC UGC. ثمّ نقرأ الجدول رامزة رامزة، محافظين على الترتيب نفسه، فنحصل على السلسلة الببتيدية: Met - Phe - Pro - His - Ala - Val - Asp - Gly - Ser - Cys. ونبدأ برامزة الانطلاق AUG لأنّها أوّل ما يُترجَم، فيكون الحمض الأميني الأوّل هو Met.
الاستنتاج: باستعمال ARNm اصطناعيّ معروف التتابع في وسط خال من المعلومة الوراثية، تُقابَل كلّ رامزة بالحمض الأميني الذي تشفّر له. وبتكرار التجربة على متعدّدات مختلفة فُكّت رموز الشفرة رامزة رامزة حتّى اكتمل جدولها.

النشاط 4: من التتابع النكليوتيدي إلى التتابع الببتيدي

حُوّل تتابع نكليوتيدات على مستوى مورثة إلى تتابع نكليوتيدات على مستوى الـ ARNm، ثمّ إلى تتابع أحماض أمينية على مستوى سلسلة ببتيدية، وعُرضت الصور الثلاث على سلّم المواضع نفسه.

الوثيقة ⁦(4)⁩: نتيجة تحويل تتابع نكليوتيدات مورثة إلى تتابع نكليوتيدات ARNm ثمّ إلى تتابع أحماض أمينية، على سلّم المواضع نفسه (برنامج Anagène).
🎯التعليمة
  1. حلّل الوثيقة ⁦(4)⁩ وبيّن هل تتوافق نتائجها مع ما توصّلت إليه حول تحويل المعلومة الوراثية في عمليّتي الاستنساخ والترجمة، معلّلا إجابتك.
  2. استنتج العلاقة بين طول التتابع النكليوتيدي وطول السلسلة الببتيدية الموافقة له.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نحلّل ونبيّن: نعم تتوافق. فالمورثة معروضة في ثلاث صور متتالية على سلّم المواضع نفسه: تتابع نكليوتيدات ADN، ثمّ تتابع نكليوتيدات الـ ARNm الموافق له، ثمّ تتابع الأحماض الأمينية. ونعلّل التوافق بأنّ الـ ARNm يحاذي المورثة موضعا بموضع، وبأنّ الحمض الأميني الأوّل هو Met لأنّ الرامزة الأولى في الـ ARNm هي رامزة الانطلاق AUG.
  2. نستنتج: السلسلة الببتيدية أقصر 3 مرّات من التتابع النكليوتيدي الذي أعطاها، لأنّ كلّ 3 نكليوتيدات متتالية تعطي حمضا أمينيا واحدا. فالعلاقة ثابتة: عدد النكليوتيدات يساوي 3 أمثال عدد الأحماض الأمينية في السلسلة.
الاستنتاج: تُقرأ الرسالة على الـ ARNm ثلاث قواعد ثلاث قواعد، فيكون التتابع النكليوتيدي أطول 3 مرّات من السلسلة الببتيدية الموافقة له، وتبدأ هذه السلسلة بالحمض الأميني Met الموافق لرامزة الانطلاق.

النشاط 5: مقارنة تتابعات أربع مورثات للهيموغلوبين

تُحاذى أجزاء من أربع مورثات تشفّر لسلاسل ببتيدية للهيموغلوبين، موضعا بموضع، على مورثة واحدة تُتّخذ مرجعا. وتدلّ النجيمة على تشابه السلاسل الأربع في الموضع، وتدلّ الشرطة على تطابق الموضع مع المرجع، فلا يظهر إلاّ ما اختلف عنه.

الوثيقة ⁦(5)⁩: محاذاة أجزاء من أربع مورثات تشفّر لسلاسل ببتيدية للهيموغلوبين؛ النجيمة تدلّ على تشابه السلاسل الأربع، والشرطة على تطابق الموضع مع المرجع β.
🎯التعليمة
  1. احسب النسبة المئوية للتشابه بين كلّ من المورثات α و γ و δ وبين المورثة β المتّخذة مرجعا.
  2. استنتج ما تدلّ عليه هذه النسب عن القرابة بين المورثات الأربع.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نحسب: عدد القواعد الكلّي 51 في كلّ مقارنة. نطرح منه عدد القواعد المختلفة فنحصل على عدد المتشابهة: 51 ناقص 17 (14 قاعدة مختلفة و3 قواعد غائبة) يساوي 34 عند α، و51 ناقص 18 يساوي 33 عند γ، و51 ناقص 5 يساوي 46 عند δ. ثمّ نضرب كلّ عدد في 100 ونقسمه على 51.
  2. نستنتج: نجد 66,7 بالمائة عند α، و64,7 بالمائة عند γ، و90,2 بالمائة عند δ. فالمورثات الأربع متشابهة تشابها كبيرا لكنّها غير متساوية القرب: δ أقربها إلى المرجع، ثمّ α، ثمّ γ. وهذا التدرّج يرتّب قرابتها ويجعلها عائلة واحدة من المورثات.
الاستنتاج: تُقاس درجة القرابة بين مورثتين بنسبة التشابه في تتابع قواعدهما. ومورثات سلاسل الهيموغلوبين الأربع متشابهة لكن بدرجات مختلفة، وهذا التدرّج هو الذي يرتّبها ويجعلها عائلة واحدة.
في كلّ حساب لنسبة مئوية من هذا النوع، تأكّد أوّلا من أنّ العدد الكلّي هو نفسه في المقارنات كلّها. فالنسب لا تُقارَن ببعضها إلاّ إذا حُسبت على القاعدة نفسها.

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 ⁦(6)⁩: جدول الشفرة الوراثية في شكل شبكة، تحيط بها القواعد الأربع من ثلاث جهات.
🎯التعليمة
  1. حدّد، اعتمادا على الأشرطة المحيطة بالجدول في الوثيقة ⁦(6)⁩، 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.

لغتان ووحدة ترجمة واحدة

الرسالة المحمولة على الـ ARNm مكتوبة بأربعة أحرف هي القواعد الآزوتية A و U و G و C، والبروتين مكتوب بعشرين حرفا هي الأحماض الأمينية. ولمّا كان عدد الأحرف مختلفا، لزم أن تُقرأ الرسالة النووية مجموعات لا حرفا حرفا: هذه المجموعة هي الرامزة.

وعدد الكلمات الممكنة يتضاعف مع كلّ قاعدة تُضاف إلى الكلمة، لأنّ لكلّ موضع أربعة اختيارات. فكلمة من قاعدة واحدة تعطي أربع كلمات، وكلمة من قاعدتين تعطي ستّ عشرة كلمة، وهما دون العشرين؛ أمّا الكلمة من ثلاث قواعد فتعطي أربعا وستّين كلمة، وهي وحدها التي تكفي.

خصائص الشفرة الوراثية

جدول الشفرة الوراثية يعطي، لكلّ رامزة، الحمض الأميني الذي تشفّر له. وقراءته تكشف خصائص أربعا، كلّها تُستخرج من الجدول نفسه:

خصائص الشفرة الوراثية:
  • وحدة الشفرة رامزة من ثلاث قواعد، وعدد الرامزات 64.
  • عدّة رامزات قد تشفّر لحمض أميني واحد: من رامزة واحدة (Met و Trp) إلى 6 رامزات حسب الحمض.
  • الرامزة الواحدة لا تعبّر إلاّ عن حمض أميني واحد، فالشفرة غير ملتبسة.
  • 3 رامزات لا تشفّر لأيّ حمض أميني ودورها إيقاف التركيب، فتبقى 61 رامزة معبّرة؛ ورامزة واحدة هي AUG تُترجَم أوّلا فتُدعى رامزة الانطلاق، وهي في الوقت نفسه رامزة الميثيونين.

ولهذه الخصائص أثر عمليّ مباشر: إذا أُعطيت تتابع ARNm استطعت أن تكتب البروتين الموافق له يقينا، لأنّ الرامزة لا تحتمل إلاّ معنى واحدا. أمّا العكس فلا يكون يقينا: إذا أُعطيت البروتين لم تستطع أن تحدّد الرامزة بعينها، لأنّ للحمض الواحد عدّة رامزات.

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.

مقارنة التتابعات: من نسبة التشابه إلى القرابة

تُحاذى المورثات موضعا بموضع على مورثة مرجع، فيظهر ما اختلف وحده. وتُحسب نسبة التشابه بقسمة عدد القواعد المتشابهة على العدد الكلّي مضروبا في مائة. وكلّما ارتفعت النسبة كانت المورثتان أقرب.

✅النّتيجة
المورثة المقارنة بالمرجع βعدد القواعد المختلفةعدد القواعد المتشابهةنسبة التشابه (%)
دلتا δ54690,2
ألفا α173466,7
غاما γ183364,7
نسب التشابه محسوبة على 51 قاعدة، مرتّبة من الأقرب إلى الأبعد: التدرّج نفسه هو الذي يرتّب القرابة.

ولا يقتصر الاختلاف بين تتابعين على استبدال قاعدة بأخرى: قد تغيب قواعد من أحد التتابعين فتظهر في المحاذاة فجوة. فالمقارنة تكشف نوعين من الاختلاف، لا نوعا واحدا.

حصيلة الدرس: من ثلاث قواعد على الـ ARNm إلى حمض أميني واحد في السلسلة الببتيدية، ونصيب كلّ صنف من الرامزات.
التمرين النموذجيّ يعطيك تتابع ARNm ويطلب السلسلة الببتيدية، أو يعطيك سلسلة ببتيدية ويطلب مناقشة تتابع الـ ARNm الممكن. اقرأ دائما من رامزة الانطلاق، وثلاثا ثلاثا دون أن تُزحزح القراءة موضعا واحدا؛ وإن طُلب منك العكس فقل صراحة إنّ الحلّ غير وحيد، لأنّ للحمض الواحد عدّة رامزات — هذه الجملة تُنقَّط.
عند المراجعة، لا تحفظ الجدول: احفظ ما يُستخرج منه — عدد الرامزات، ورامزات التوقّف الثلاث، ورامزة الانطلاق، وأنّ الرامزة لا تحتمل إلاّ معنى واحدا. فهذه هي التي تُسأل، لا الجدول نفسه، وهو يُعطى لك في الامتحان.
الخلاصة: تُقرأ المعلومة على الـ ARNm بوحدات من ثلاث قواعد تُدعى الرامزات، وعددها 64: 61 رامزة تعبّر عن الأحماض الأمينية العشرين، و3 رامزات توقّف هي UAA و UAG و UGA، ورامزة AUG هي رامزة الانطلاق وتوافق الميثيونين. والشفرة تحمل عدّة رامزات للحمض الواحد لكنّها غير ملتبسة، فيمكن دائما الانتقال من الـ ARNm إلى البروتين لا من البروتين إلى الـ ARNm. ولمّا كانت كلّ ثلاث قواعد تعطي حمضا واحدا، كان التتابع النكليوتيدي أطول 3 مرّات من السلسلة الببتيدية. وبمقارنة تتابعات مورثات مختلفة تُحسب نسبة تشابهها، فتُرتَّب قرابتها.

الصفحة 1/10

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