من الحمض النووي إلى البروتين

إن تدفق المعلومات الجينية في الخلايا من DNA إلى mRNA إلى البروتين موصوف بالقاعدة المركزية، والتي تنص على أن الجينات تحدد تسلسل mRNAs، والتي بدورها تحدد تسلسل الأحماض الأمينية التي تتكون منها جميع البروتينات. فك التشفير من جزيء إلى آخر يتم إجراؤه بواسطة بروتينات محددة و RNAs. نظراً لأن المعلومات المخزنة في DNA مركزية جداً للوظيفة الخلوية، فمن المنطقي أن تقوم الخلية بعمل نسخ mRNA من هذه المعلومات لتخليق البروتين مع الحفاظ على الحمض النووي نفسه سليماً و يعتبر نسخ DNA إلى RNA أمراً بسيطاً نسبياً، حيث تتم إضافة نيوكليوتيد واحد إلى خيط mRNA لكل نيوكليوتيد يُقرأ في خيط DNA.تعتبر الترجمة إلى البروتين أكثر تعقيدًا بعض الشيء لأن ثلاثة نيوكليوتيدات mRNA تتوافق مع حمض أميني واحد في تسلسل متعدد الببتيد. ومع ذلك، فإن الترجمة إلى البروتين لا تزال منتظمة وخطية، مثل أن النيوكليوتيدات 1 إلى 3 تتوافق مع الأحماض الأمينية 1، والنيوكليوتيدات 4 إلى 6 تتوافق مع الأحماض الأمينية 2، وهكذا.

الكود الجيني منحلّ وشامل

يتم تعريف كل حمض أميني من خلال تسلسل ثلاثي النيوكليوتيدات يسمى الكودون الثلاثي. بالنظر إلى الأرقام المختلفة لـ “الحروف” في mRNA والبروتين “الأبجديات,” افترض العلماء أن الأحماض الأمينية الفردية يجب أن يتم تمثيلها من خلال مجموعات من النيوكليوتيدات. لن تكون مضاعفات النوكليوتيدات كافية لتحديد كل حمض أميني لأنه لا يوجد سوى 16 توليفة محتملة من اثنين من النيوكليوتيدات (4²). في المقابل ، هناك 64 ثلاثي نيوكليوتيد محتمل (4³)، وهو عدد أكبر بكثير من عدد الأحماض الأمينية. افترض العلماء أن الأحماض الأمينية تم تشفيرها بواسطة ثلاثة توائم من النيوكليوتيدات وأن الشفرة الوراثية “منحلّة.” بعبارة أخرى، يمكن ترميز حمض أميني معين بأكثر من ثلاثي نيوكليوتيد واحد. تم تأكيد ذلك لاحقاً تجريبياً: استخدم فرانسيس كريك وسيدني برينر المغير الكيميائي بروفلافين لإدخال واحد أو اثنين أو ثلاثة نيوكليوتيدات في جين الفيروس. عندما تم إدخال واحد أو اثنين من النيوكليوتيدات، لا يتم إنتاج البروتينات الطبيعية. عندما تم إدخال ثلاث نيوكليوتيدات، تم تصنيع البروتين وعمله. أظهر هذا أن الأحماض الأمينية يجب أن تحدد بمجموعات من ثلاثة نيوكليوتيدات. تسمى هذه النوكليوتيدات الثلاثية الكودونات. أدى إدخال واحد أو اثنين من النيوكليوتيدات إلى تغيير إطار القراءة الثلاثي تماماً، وبالتالي تغيير الرسالة لكل حمض أميني لاحق. على الرغم من أن إدخال ثلاثة نيوكليوتيدات تسبب في إدخال حمض أميني إضافي أثناء الترجمة، فقد تم الحفاظ على سلامة بقية البروتين.

بالإضافة إلى الكودونات التي ترشد إضافة حمض أميني معين إلى سلسلة بولي ببتيد، تنهي ثلاثة من الكودونات الـ 64 تخليق البروتين وتحرر البولي ببتيد من آلية الترجمة. تسمى هذه المجموعات الثلاثة أكواد غير منطقية أو أكواد الإيقاف. كودون آخر، AUG، له أيضاً وظيفة خاصة. بالإضافة إلى تحديد ميثيونين الأحماض الأمينية، فإنه يعمل أيضاً ككودون بدء لبدء الترجمة. يتم تعيين إطار القراءة للترجمة بواسطة كودون البدء AUG بالقرب من نهاية 5' للـ mRNA. بعد رمز البدء، تتم قراءة mRNA في مجموعات من ثلاثة حتى يتم العثور على كودون الإيقاف.

يسمى تحديد حمض أميني واحد بواسطة عدة أكواد متشابهة "انحلال." يُعتقد أن الانحلال هو آلية خلوية لتقليل التأثير السلبي للطفرات العشوائية. عادةً ما تختلف الكودونات التي تحدد نفس الحمض الأميني بنوكليوتيد واحد فقط. بالإضافة إلى ذلك، يتم ترميز الأحماض الأمينية ذات السلاسل الجانبية المتشابهة كيميائياً بواسطة أكواد مماثلة. على سبيل المثال، فإن شحنة كل من الأسبارتات (Asp) والغلوتامات (Glu)، التي تشغل كتلة GA*، هي سالبة. يضمن هذا الفارق الدقيق في الشفرة الجينية أن طفرة استبدال النوكليوتيدات المفردة قد تحدد نفس الحمض الأميني ولكن ليس لها تأثير أو تحدد حمض أميني مشابه، مما يمنع البروتين من أن يصبح غير فعال تماماً.

الشفرة الجينية عالمية تقريباً. مع بعض الاستثناءات الطفيفة، تستخدم جميع الأنواع تقريباً نفس الشفرة الجينية لتخليق البروتين. يعني حفظ الكودونات أنه يمكن نقل mRNA المنقى الذي يشفر بروتين الغلوبين في الخيول إلى خلية خزامى، وسيقوم الخزامى بتصنيع غلوبين الحصان. إن وجود رمز جيني واحد فقط هو دليل قوي على أن كل أشكال الحياة على الأرض تشترك في أصل مشترك، لا سيما بالنظر إلى أن هناك حوالي 10⁸⁴ مجموعات محتملة من 20 حمض أميني و 64 كودون ثلاثي.

تم اقتباس هذا النص من Openstax, Biology 2e, Chapter 15.1: The Genetic Code.