الدرس 126 : الشفرة الوراثية genetic code

الشفرة الوراثية

هى ترتيب وتتابع للنيوكليوتيدات فى جزئ m-RNA ( وليس على DNA ) على شكل ثلاثيات تسمى كودونات

حيث أن كل كودون يتكون من 3 نيوكليوتيدات متجاورة ومتتالية

و يتم ترجمة كل كودون أثناء تخليق البروتين إلى حمض أمينى معين

وتم نسخ تلك الشفرة فى النواة فى صورة تتابع مكمل للنيوكليوتيدات

فى جزء من أحد شريطى جزئ DNA ( ثلاثيات شفرة DNA )

لتكوين صورة طبق الأصل من المعلومات الوراثية الموجودة فى الجين على DNA وتسمى تلك الصورة m-RNA

ثم يخرج m-RNA من ثقوب النواة إلى الريبوسومات فى السيتوبلازم للترجمة

حيث يترجم إلى تتابع للأحماض الأمينية فى سلسلة عديد الببتيد الذى تكون بروتين معين يظهر صفة وراثية معينة .

بمعنى أن :

الشفرة الوراثية تمثل تعليمات لبناء بروتين ما

فهى تشرح كيف ترتب الأحماض الأمينية فى البروتين المطلوب وكذلك عددها وأنواعها .

الشفرة الوراثية - genetic code - الثالث الثانوى – الجين – إختلاف ترتيب وأنواع وعدد الأحماض الأمينية

خصائص الشفرة الوراثية :

♦ لغة الشفرة الوراثية تكتب بـ :

4 نيوكليوتيدات ( حروف ) هى ( A ، U ، G ، C )

وتمثل أنواع القواعد النيتروجينية

التى تعبر عن أنواع الريبونيوكليوتيدات الأربعة التى تدخل فى تركيب m-RNA .

♦ لغة الشفرة الوراثية تكتب بـ :

64 كودون مختلف ( كلمة ) ، فوحدة الشفرة الوراثية هى الكودونات .

♦ الشفرة الوراثية على m-RNA منسوخة من شفرة أيضاً على DNA ( مجازاً ) ،

لكن الذى سندرسه هو صورة الشفرة الوراثية التى يتم تسجيلها على m.RNA.

♦ جدول الشفرة الوراثية :

عبارة عن قاموس للترجمة بين لغتين

حيث يحتوى على 64 شفرة ( تسمى كلمة وتسمى كودون ) للتحويل بين :

اللغة النووية ( وهى عبارة عن كودونات على m-RNA وحروفها 4 نيوكليوتيدات )

واللغة البروتينية ( خاصة بالأحماض الأمينية وحروفها 20 حمض أمينى ) .

♦ جدول الشفرة الوراثية :

يحتوى على 61 كودون تشفر لأحماض أمينية

و 3 كودونات وقف لا تشفر لأى حمض أمينى ،

وبعض الأحماض الأمينية تُشفر بأكثر من كودون واحد ( 2 أو 3 أو 4 أو 6 ) .

الشفرة الوراثية - genetic code - الثالث الثانوى – الجين – جدول الشفرة الوراثية

الشفرة الوراثية - genetic code – الجين – كودونات M.RNA – جدول الشفرة الوراثية - الثالث الثانوى

♦ الشفرة الوراثية عالمية ( عامة ) فهى واحدة لكل الكائنات الحية :

لأن نفس الكودونات ( 3 نيوكليوتيدات متتالية على m-RNA )

تمثل شفرات لنفس الأحماض الأمينية فى كل الكائنات الحية

( أى أنها تستدعى نفس الأحماض الأمينية )

ويتم ترجمة الكودونات بنفس الطريقة فى كل الكائنات الحية .

والدليل على ذلك أنه :

عند زراعة جين بشرى لإنتاج بروتين ما كالأنسولين مثلاً فى خلية بكتيرية

يتم ترجمة شفرة ذلك الجين فى تلك البكتيريا إلى أحماض أمينية ويتم تخليق ذلك الهرمون .

فمثلاً :

الأرجينين:

هو حمض أمينى له نفس الشفرة ( CGU أو CGC ) فى خلايا أى كائن حى

من فيروسات وبكتيريا وفطريات ونباتات وحيوانات .

لذلك :

الشفرة الوراثية تؤيد نظرية التطور ( أى أنها دليل الأصل المشترك للكائنات الحية )

فهى دليل قوى على أن جميع الكائنات الحية الموجودة على سطح الأرض نشأت عن

أسلاف مشتركة من ملايين السنين بعد فترة قصيرة من بدء الحياة

ولم تتغير شفرتها الوراثية من وقتها حتى الآن .

الجين – كودونات M.RNA – الشفرة الوراثية تؤيد نظرية التطور - الثالث الثانوى

♦ كل الأحماض الأمينية لها أكثر من شفرة عدا الميثيونين والتربتوفان .

♦ كل كودون فى الشفرة الوراثية يعبر عن حمض أمينى واحد فقط ،

ولكن ممكن أن يكون لكل حمض أمينى أكثر من كودون .

m.rna - الشفرة الوراثية - تخليق البروتين - أكثر من شفرة للحمض الأمينى-

♦ الشفرة الوراثية غير متداخلة :

بمعنى أنها تقرأ فى ثلاثيات متتابعة وليست متداخلة ،

أى أن القاعدة التى دخلت فى تكوين كودون لن تشارك فى تكوين كودون آخر .

الجين – كودونات M.RNA – الشفرة الوراثية غير متداخلة - الثالث الثانوى

ولوكانت متداخلة لتم قراءة التتابع التالى بثلاثة طرق مختلفة هى :

♦ كل جزئ m-Rna ( يعنى الشفرة الوراثية ) له :

- كودون بدء ( لبدء بناء البروتين وهو AUG الذى يشفر للميثيونين)

- وأحد ثلاث كودونات توقف ( لتوقف عملية بناء البروتين وهى

UGA ، UAA ، UAG وجميعها لاتشفر لأى حمض أمينى ) .

إذن : ليس لكل الكلمات فى اللغة النووية معنى فى اللغة البروتينية .

الجين –M.RNA – الشفرة الوراثية - كودون الوقف – كودون البدء- الثالث الثانوى

♦ الشفرة الوراثية ( يعنى جزئ m-Rna ) يقرأها الريبوسوم من الطرف 5' إلى الطرف 3'

وليس العكس حتى لايترجم إلى أحماض أمينية أخرى .

♦ الشفرة الوراثية ثلاثية الأحرف .

- توافرت الأدلة الكافية على أن الشفرة الوراثية ثلاثية ( عام 1960 )

بمعنى أن :

كل كودون فى الشفرة الوراثية يتكون من 3 أحرف متتالية على m-RNA أى من 3 نيوكليوتيدات

أى أن :

كل كلمة من اللغة البروتينية وهى ( الحمض الأمينى )

يقابلها كلمة فى اللغة النووية وهى ( الكودون ) الذى يتكون من 3 حروف هى ( النيوكليوتيدات ) .

والبروتين عبارة عن جملة تتكون من مجموعة كلمات ( أحماض أمينية ) .

معنى ذلك أن :

أقل عدد من النيوكليوتيدات التى تلزم وتكفى لتكوين شفرة الحمض الأمينى هو 3 .

- وتوصل العلماء إلى الشفرة الخاصة بكل حمض أمينى بمعنى معرفة معانى الكودونات الـ 64 ( عام 1965 ) .

حيث أن عدد النيوكليوتيدات التى تدخل فى بناء RNA و DNA

( وبالتالى تمثل وتشكل شفرات للأحماض الأمينية العشرين على m-RNA و DNA )

هى أربعة أنواع ، فالنيوكليوتيدات هى أحرف اللغة الوراثية الأربعة .

لذلك يجب أن تتشكل عشرين كلمة على الأقل من تلك الأربعة أحرف ترتب بطرق مختلفة

لينتج ( 20حمض أمينى على الأقل من 4 نيوكليوتيدات )

فإذا إعتبرنا أن الشفرة الوراثية :

أحادية :

أى أن (كل نيوكليوتيدة تمثل شفرة حمض أمينى معين )

بمعنى أن : كل حرف من اللغة النووية ( نيوكليوتيدة ) يساوى كلمة من اللغة البروتينية ( حمض أمينى ) .

إذن : كل نيوكليوتيدة = كلمة = ترمز لحمض أمينى .

فتكون عدد الشفرات (كودونات ) = 4 شفرات هى A و U و C و G تشكل وتعبر عن 4 أحماض أمينية فقط

وهذا لا يصلح ولايكفى للدلالة على العشرين حمض أمينى التى تدخل فى بناء البروتين .

ثنائية :

أى أن (كل نيوكليوتيدتين تمثل شفرة حمض أمينى معين )

بمعنى أن : كل حرفين من اللغة النووية (2 نيوكليوتيدة ) يساوى كلمة من اللغة البروتينية ( حمض أمينى ) .

إذن : كل 2 نيوكليوتيدة = كلمة = ترمز لحمض أمينى .

فتكون عدد الشفرات (كودونات ) = 4 مرفوعة لأس 2 = 4 x 4 = 16 شفرة تشكل وتعبر عن 16 حمض أمينى فقط

وهذا لا يصلح ولايكفى للدلالة على العشرين حمض أمينى التى تدخل فى بناء البروتين .

ثلاثية :

أى أن (كل 3 نيوكليوتيدات تمثل شفرة حمض أمينى معين )

بمعنى أن : كل 3 أحرف من اللغة النووية ( 3 نيوكليوتيدة ) يساوى كلمة من اللغة البروتينية ( حمض أمينى ) .

إذن : كل 3 نيوكليوتيدة = كلمة = ترمز لحمض أمينى .

فتكون عدد تشكيلات الشفرات المحتملة (كودونات ) = 4 مرفوعة لأس 3 = 4 x 4 x 4 = 64 شفرة مختلفة

وبالتالى يصبح لكل حمض أمينى أكثر من شفرة ( ماعدا الميثيونين )

وهذا يصلح وأكثر من الحاجة لتكوين شفرة لكل حمض أمينى .

ومما يدل كذلك على أن الشفرة الوراثية ثلاثية

أن مضاد الكودون على t.Rna والذى يقابل الشفرة الوراثية على m.rna يتكون من ثلاثيات من النيوكليوتيدات .

الجين – M.RNA – الشفرة الوراثية - كودون – مضاد الكودون- الثالث الثانوى

إذن الشفرة الوراثية ثلاثية :

أى تتكون من ثلاثيات من النيوكليوتيدات المتتالية تسمى كودونات ( وهذا أصغر حجم نظرى للشفرة ) .

بمعنى أنه :

إذا أُريد بناء بروتين مكون من عشرة أحماض أمينية

يجب على m-RNA أن يحتوى على 36 قاعدة نيتروجينية

وفق تتابع معين هو :

( 3 قواعد تخص كودون إشارة البدء ) AUG )

+ 30 قاعدة تكون 10 كودونات تشفر لـ 10 أحماض أمينية

+ 3 قواعد تخص كودون إشارة التوقف ) .

إذن يمكنا تعريف :

الكودون :

وحدة الشفرة الوراثية ، ويتكون من 3 نيوكليوتيدات متتالية على m-RNA تمثل شفرة لحمض أمينى معين داخل البروتين

وتم نسخ هذه الشفرة من 3 نيوكليوتيدات ( قواعد ) متتالية على DNA تمثل واحدة من ثلاثيات شفرة DNA

بحيث تتكامل قواعدها فى DNA مع قواعد تلك الكودونات فى m-RNA .

ثلاثيات شفرة DNA :

هى تتابعات من النيوكليوتيدات على شريط DNA ،

كل ثلاثة متجاورة من هذه التتابعات تشفر لحمض أمينى معين ( مجازاً لأن الشفرة هى المنسوخة على m.RNA )

وتتكامل قواعد تلك النيوكليوتيدات مع قواعد النيوكليوتيدات فى الكودونات المقابلة على m-RNA ( الذى تم نسخه منها ) .

كودون البدء والإنطلاق (إشارة بدء بناء البروتين ) :

تتابع لثلاثة نيوكليوتيدات على m-RNA هو ( AUG ) يمثل شفرة الميثيونين

وهو أول حمض أمينى يُستدعى فى أى سلسلة عديد ببتيد يجرى بنائها

وتشير إلى الموقع الذى يجب أن تبدأ عنده عملية الترجمة لبناء البروتين

و تم نسخ هذا التتابع من تتابع على DNA هو ( TAC )

وفى نهاية الترجمة قد يتم حذف الميثيونين من سلسة عديد الببتيد المتكونة .

كودونات الوقف ( إشارة توقف بناء البروتين ) :

ثلاثة تتابعات للنيوكليوتيدات على m-RNA ( UGA أو UAA أو UAG )

لا تمثل أى منها شفرة لأى حمض أمينى لأنه لا يتوفر لها t-RNA يحمل كودون مضاد متمم

ويوجد إحدى تلك الكودونات الثلاثة فى نهاية m-RNA عند النقطة التى

يجب أن تقف عندها عملية الترجمة وبناء البروتين المطلوب وإنهاء سلسلة عديد الببتيد المتكونة

حيث لا يستدعى أى حمض أمينى ولكن يستدعى بروتين عامل الإطلاق

لفك الإرتباط بين الريبوسوم و m-RNAو t-RNA الحامل لآخر حمض أمينى فى السلسلة

وتم نسخ تلك التتابعات الثلاثة من 3 تتابعات توجد على DNA هى ACT و ATT و ATC .

الجين – M.RNA – الشفرة الوراثية – كودون الوقف – بروتين عامل الإطلاق- الثالث الثانوى

ملحوظة :

♦ DNA عبارة عن كتاب للمعلومات الوراثية

يحمل مخطط لكيفية صناعة كل البروتينات التى تحتاجها الخلية لإستمرار حياتها والمحافظة على بنيتها

( سواء سيدخل البروتين فى تكوين جزء من الخلية أو فى أداء ووظيفة جزء منها ) .

♦ الطفرة التى تؤثر فى قطعة من DNA ( جين معين ) ستؤدى إلى تغير الشفرة الوراثية

وهذا سيؤدى إلى تغيير الأحماض الأمينية الداخلة فى تركيب البروتين

وهذا سيؤدى بدوره إلى تغير فى بنية البروتين

مما يؤدى إلى عدم قدرة البروتين على القيام بوظيفته

مما يؤدى إلى ظهور المرض مثل أنيميا الخلايا المنجلية .

الجين – M.RNA – الشفرة الوراثية – طفرة – أنيميا الخلايا المنجلية - الهيموجلوبين- الثالث الثانوى

إلا أنه من الممكن حدوث طفرة ولا تظهر مرض ولاحتى صفة جديدة لأن :

بعض الأحماض الأمينية لها أكثر من شفرة

فمن الممكن حدوث استبدال نيوكليوتيدة أو إثنتان أو ثلاثة فى DNA ولا تؤدى إلى حدوث تغير فى البروتين المتكون

وبالتالى لا تظهر صفة جديدة فمثلاً :

الأرجينين :

عبارة عن حمض أمينى له شفرة وراثية هى AGA

لو تم تغيير القاعدة النيتروجينية A الأخيرة بالقاعدة G لا تحدث طفرة

لأن AGG شفرة تمثل الأرجينين أيضاً .

إذن :

ممكن أن يكون لكلمة واحدة من اللغة البروتينية ( الحمض الأمينى ) عدة مرادفات فى اللغة النووية ( الشفرات ) .

الجين – M.RNA – الشفرة الوراثية – طفرة عديمة المعنى - الثالث الثانوى

♦ يطلق على النيوكليوتيدات قواعد نيتروجينية مجازاً :

لتشابه النيوكليوتيدات فى السكر والفوسفات وإختلافها فى القاعدة النيتروجينية فقط .

♦ الكودون AUG يمثل كودون بدء يشفر إلى الميثيونين

ولكن من الممكن أن يتكرر أكثر من مرة على طول m.Rna .