حسنًا فلنبدأ درس اليوم الذي يتحدَّث عن نسخ وترجمة الحمض النووي DNA. وبدايةً سأسألكم: هل تعرفون ما هي أطول كلمة في العالم، أطول من أي كلمة في كل لغات العالم، تلك التي تتألف من أكثر من مائة وتسعة وثمانين ألف حرف، إذا حاولتم كتابتها ستملأ أكثر من مائة صفحة، وإذا حاولتم نطقها سيستغرق الأمر حوالي 5 ساعات، لكن ما هي هذه الكلمة؟
هذه الكلمة هي اسم أطول بروتين معروف على وجه الأرض وهو موجود داخل الجسم، وبسبب طول اسمه الهائل سماه العلماء اسم تيتين (Titin)، وهذا البروتين مسؤول عن مرونة العضلات.
سأتحدث في هذا الدرس عن الحمض النووي DNA وكيف يتمكن بالتعاون مع ثلاث أشكال من الحمض النووي RNA من بناء البروتينات الضخمة مثل هذا البروتين، وشرح هذا الموضوع (عملية النسخ والترجمة) سيستغرق وقتًا طويلًا لأنه معقد بعض الشيء.
نسخ الحمض النووي DNA
سأتحدث اليوم بالتحديد عن عمليتي نسخ الحمض النووي DNA وترجمته، وهاتان العمليتان مسؤولتان عن تكوين الجسم بكل تفاصيله، ولكن كيف يتم ذلك؟
تتألف الحيوانات والنباتات من الماء المالح والكربوهيدرات والدهون والبروتينات مجتمعة بنسب دقيقة تبعًا لتعليمات واضحة ومحددة، يمكن تلخيص عمليتا النسخ والترجمة على النحو الآتي:
يوجد داخل نواة الخلية الحمض النووي DNA الذي يحتوي على كافة التعليمات الوراثية التي يحتاجها الجسم، ويتم نسخ كل جين فيه على نوع من الـ RNA ثم يخرج من النواة ويتم بعد ذلك اتباع هذه التعليمات من خلال عملية الترجمة لتجميع سلاسل الأحماض الأمنية وتكوين عديدات الببتيد أو البروتينات التي تشكل مواد مختلفة في الجسم كبروتين التيتين هذا أو الكيراتين (الموجود في الشعر) لكن معظم عديدات الببتيد التي يتم صنعها في الجسم ليست بروتينات هيكلية مثل البروتينات الموجودة في الشعر، بل هي إنزيمات تعمل مثل الآلات التي تكسر وتبني وتجمع الكربوهيدرات والدهون والبروتينات التي تشكل مختلف المواد الموجودة في الخلايا.
وحدة النسخ
سأبدأ في نواة الخلية: يسمى الجزء من الحمض النووي DNA الذي يتم نسخه على جزيء الـ RNA وحدة النسخ، وبما أنني تحدثت عن بروتين التيتين فوحدة نسخ هذه ستشمل الجين المسؤول عن تصنيع هذا البروتين، وهذا الجين موجود عن البشر على الكروموسوم رقم ٢ كل وحدة نسخ لها تسلسل فوقها مباشرة على السلسلة، ويشير العلماء إلى اتجاه النسخ بأنه عكس التيار ويحدد هذا التسلسل الموقع الذي تبدأ عنده وحدة النسخ.
المحفز
وهذا التسلسل الخاص يسمى المحفز، وهو غالبًا يحتوي على تسلسل قاعدتين نيتروجينيتين من الأربع قواعد التي تحدثت عنها سابِقًا؛ الأدينين والثايمين والسيتوسين والجوانين لتحديد المحفز هو تكرار بسيط للغاية؛ لدينا ثايمين وأدنين وثايمين A, A, A ثم على الجانب الآخر المقابل لدينا A ثم T وهكذا وهذا ما يعرف بمربع TATA، وهو مصطلح موحد عالميًا وهو يساعد الإنزيم في التعرف على المكان الذي يجب أن يرتبط به على السلسلة.
ذكرت في الدرس السابق عندما تحدثت عن تركيب الحمض النووي أن سلاسل الـ DNA لديها اتجاهين متعاكسين اعتمادًا على أي طرف من السلسلة يكون حرًا، وأي طرف مرتبط بالفوسفات أحد هذه السلسلتين هي ذات الاتجاه ٥- : ٣- والسلسلة المقابلة هي ذات الاتجاه ٣-:٥- ، في هذه الحالة عندما أقول اتجاه الحركة يكون عكس التيار، أي باتجاه النهاية ٣-، أما عندما أقول اتجاه الحركة مع التيار أي نحو النهاية ٥-.
إنزيم بوليميراز RNA
إن الإنزيم الأول في عملية النسخ هو بوليميراز الحمض النووي RNA، وينسخ تسلل الـ DNA مع التيار بعيدًا عن صندوق TATA، أي باتجاه نهاية ٥- ويقوم بنسخها على الـ RNA الرسول.
دعوني أذكر ملاحظة بسيطة: ستلاحظون أن الجسم يحتاج إلى إنزيم ليتمكن من صنع إنزيمات، لذلك فقد تشعرون أن الأمر مشابه لمعضلة الدجاجة والبيضة؛ فلا بد من وجود إنزيم لصنع الـ DNA وفي نفس الوقت نحتاج للـ DNA لصنع الإنزيم، إذاً من أين جاء إنزيم بوليميراز الحمض النووي من الأساس إذا لم يصنعه الجسم بعد، هذا سؤال ممتاز.
اتضح أن كل هذه الضروريات الأساسية للجسم يتم نقلها من الأم؛ فالبويضة تحتوي على الكثير من هذه المواد لمساعدة الجنين على النمو، وليس فقط الحمض النووي DNA الخاص بها.
يرتبط إنزيم بوليميراز RNA بالحمص النووي DNA عند صندوق TATA، ويبدأ بفك التركيب الحلزوني المزدوج، ويكمل الإنزيم عمله على طول سلسلة الحمض النووي DNA، ويقرأ القواعد النيتروجينية وهي هذه الحروف التي ترونها، ثم يساعد يساعد القواعد النيتروجينية تبعًا للـ RNA والعائمة في النواة في العثور على القواعد التكميلية لها.
وذكرت في الحلقات السابقة أن القواعد النيتروجينية لديها نظير واحد يمكنها الارتباط به، لكن الـ RNA لا يحتوي على ثايمين مثل DNA وهو الملون بالأخضر والأزرق بل يحتوي الـ RNA على اليوراسيل لذا يظهر الـU هنا في مكان الـ T هنا كشريك للأدنين، وعندما يكمل إنزيم بوليميراز RNA حركته فإنه يعيد إغلاق سلسلتي الـ DNA خلفه ويسمح السلسلة الجديدة من الـ RNA الرسول بالانفصال عنها، وفي نهاية المطاف يصل إنزيم بوليميراز RNA إلى تسلسل آخر يحفزه للانفصال.
وهذا التسلسل يسمى إشارة الإنهاء.
وقبل أن تتمكن هذه المعلومات من مغادرة النواة هناك بعض الخطوات البسيطة؛ أولًا يتم إضافة نوع خاص من الجوانين إلى النهاية ٥-، وهذا هو الجزء الأول من RNA الرسول الذي تم نسخه من الـ DNA، ويسمى هذا النوع الخاص من من الجوانين بالقلنسوة ٥-، أما على الطرف الآخر أي النهاية ٣- في الـ RNA الرسول فيقوم إنزيم آخر بإضافة حوالي ٢٥٠ قاعدة أدنين، ولهذا سمي بالذيل العريض الأدينين، هذه الإضافات على طرفي شريط m- RNA تسهل على الـ RNA مغادرة النواة، كما تحميه من الإنزيمات المجاورة وتساعد في الارتباط بالعضيات الأخرى في وقت لاحق.
ربط الـ RNA
ولكن العملية لا تنتهي هنا وقبل مغادرة النواة يتم قطع المعلومات الإضافية الموجودة على الـ RNA في عملية تسمى تضفير أو ربط الـ RNA.
وهذه العملية معقدة للغاية لذلك سأخبرك فقط عن عنصرين أساسيين في هذه العملية؛
أولًا السنيربس؛ وهي بروتينات ريبية نووية صغيرة، السنيربس هي عبارة عن مزيج من RNA والبروتينات قادرة على التعرف على التسلسلات التي تشير إلى بداية ونهاية المناطق المراد ربطها، وتتجمع السنيربس مع مجموعة من البروتينات الأخرى لتشكيل ما يعرف بـ: جسيم التضفير، وهو الجسم المسؤول عن عملية التنقيح أو التعديل، حيث يقوم هذا الجسيم بفصل الأجزاء غير المرغوبة حتى يتمكن الجسم من إعادة استخدام قواعدها النيتروجينية في DNA أو RNA، ثم يقوم بإلصاق الأطراف المرغوبة ببعضها البعض، وهذه الأجزاء المرغوبة التي تم وصلها ببعضها تسمى إكسونات، وهي التي تكون موجودة في النسخة النهائية من RNA الرسول.
أما الأجزاء الغير مهمة التي تم قطعها تسمى انترونات، وهي تبقى المواد التي تتكون من الإنترونات في النواة ويعاد استخدامها لاحقًا.
وعلى سبيل المثال، بروتين التيتين يمتلك مئات الإكسونات ربما أكثر من ثلاثمائة وستين، أي أكثر من أي بروتين آخر، كما يحتوي أيضًا على أطول انترون في جسم الإنسان، حيث يبلغ طوله حوالي سبعة عشر ألف زوج قاعدي، أليس بروتين التيتين مذهلًا؟
وبعد الانتهاء من هذه العملية فإن RNA الرسول أصبح جاهزًا للخروج من النواة. دعوني أستذكر ما حدث حتى الآن داخل نواة الخلية، لقد تم نسخ المعلومات الموجودة على سلسلة DNA وإعادة كتابتها على شكل RNA الرسول ثم تم إضافة أطراف خاصة لحماية السلسلة المنسوخة، كما تم قطع الأجزاء غير المرغوب بها، وبهذا تكون عملية النسخ قد انتهت ويمكن لسلسلة MRNA بالخروج من النواة.
ترجمة الحمض النووي DNA
الخطوة التالية هي قراءة هذه المعلومات الموجودة على السلسلة وتجميع العناصر اللازمة لتصنيع البروتينات، وتسمى هذه العملية الترجمة.
هل تذكرون الدرس الذي تحدثت فيه عن الخلايا الحيوانية؟ لقد ذكرت في ذلك الدرس أن أغشية الشبكة الإندوبلازمية الخشنة عليها هذه النقاط الصغيرة، وهذه النقاط هي الريبوسومات، وفي هذه العملية يدخل RNA الرسول من خلال هذه الريبوسومات تمامًا مثلما تدخل القطع النقدية المعدنية في آلات البيع.
الريبوسومات
وهي مزيج من البروتين ونوع آخر من RNA يسمى RNA الريبوسومي أو RRNA، ولا يساهم RRNA بأي معلومات جينية في العملية، بل لديها ما يسمى بمواقع ارتباط تسمح ل RNA الرسول بالتفاعل مع نوع آخر من RNA، وهذا النوع الثالث من RNA يسمى RNA الناقل أو TRNA، ويقوم TRNA بترجمة وتحويل لغة النيوكليوتيدات إلى لغة الأحماض الأمينية والبروتينات، ويوجد على أحد طرفي RNA الناقل حمض أميني، أما على الطرف الآخر فيوجد تسلسل محدد يتألف من ثلاث قواعد نيتروجينية ويكون عادةً لكل طرف نظير محدد على الطرف الآخر، أي أن كل نوع من الأحماض الأمينية العشرين الموجودة في الجسم لديها تسلسلها الخاص على الطرف الآخر؛ فعلى سبيل المثال إذا كان الحمض الأميني المتصل بال RNA الناقل هو الميثيونين فإن تسلسل النيوكليوتيدات الموجودة على الطرف الآخر سيكون UAC، وبعد ذلك تكون العملية تمامًا مثل تركيب قطع الأحجية.
يدخل RNA الرسول عبر الريبوسوم، ويقرأ الريبوسوم كل ثلاثة أحرف من سلسلة LMRNA على حدة، وهذا ما يسمى بالكودون الثلاثي.
ثم يجد الريبوسوم القطعة المكملة أي TRNA الذي يحمل ثلاث قواعد نيتروجينية مكملة لتسليل الكودون، ويسمى هذا الجزء من TRNA بمقابلة الكودون.
أعتذر عن كل هذه المصطلحات الجديدة ولكن يجب أن تعرفوها، وتذكروا أنه عندما يجد الريبوسوم TRNA المكمل الكودون الثلاثي فإنه يجلب معه الحمض الأميني الذي يحمله هذا TRNA، حسنًا، بدءًا من النهاية ٥- من سلسلة MRNA التي تدخل في الريبوسوم وبعد قلنسوة ٥- يبدأ كل جين في الجسم بللتسلسل النيوكليوتيدي AUG، لذلك يقوم الريبوسوم لإيجاد TRNA المكمل الذي يحمل تسلسل UAC، ويتصل بالطرف الآخر من هذا الـ TRNA الحمض الأميني ميثيونين.
وتستمر سلسلة MRNA في الانزلاق داخل الريبوسوم ليتم قراءة الكودون التالي وإيجاد TRNA الذي يحمل التسلسل المكمل لهذا الكودون ليرتبط به؛ فإذا كان الكودون هو UUA فإن TRNA المكمل له يحتوي على تسلسل AAU على أحد طرفيه والطرف الآخر فهو مرتبط باللايسين.
أما إذا كان تسلسل MRNA هو AGA فإن TRNA المكمل له يحمل تسلسل UCU على أحد طرفيه والأرجينين على الطرف الآخر.
وبعد كل خطوة يتصل الحمض الأميني الجديد بالحمص الأميني السابق لتكوين سلسلة عديد الببتيد وهي بداية تكوين البروتين، ولكن اتضح أن هناك الكثير من الطرق المختلفة لقراءة هذه الشفرات لأن UUA ليس الكودون الثلاثي الوحيد الذي يترجم إلى لايسين، فيمكن للتسلسل UUG أن يفعل ذلك أيضًا، كما يمكن الحصول على الأرجينين من ست كودونات ثلاثية مختلفة. وهذا في الواقع أمر إيجابي إذ يمكن للجسم ارتكاب بعض الأخطاء في نسخ وترجمة الحمض النووي DNA دون التأثير على الناتج النهائي.
تستمر العملية مع انزلاق سلسلة MRNA أكثر قليلًا داخل الريبوسوم، مما يؤدي إلى ارتباط TRNA آخر مع حمض أميني آخر، ثم يرتبط هذا الحمض الأميني بأحماض أمينية أخرى على سلسلة عديد الببتيد، وتستمر هذه العملية مرارًا وتكرارًا، وفي بعض الأحيان يحتاج الجسم إلى الآلاف من الأحماض الأمينية لصنع سلسلة واحدة من عديد الببتيد.
وهذه الكلمة هي مجرد أسماء لأحماض أمينية تتألف من هذا البروتين بالترتيب الذي تكونت به وهو يتألف من أربع وثلاثين ألف وثلاثمائة وخمسين حمضًا أمينيًا.
طيّ البروتين
وقبل الانتقال إلى الخطوة النهائية من هذه العملية أي قبل أن تتحول هذه السلسلة من الأحماض الأمينية إلى أنسجة عضلية، لا بد أولًا من طي هذه السلسلة.
تمتاز البروتينات بحجمها الكبير وقدرتها على الانطواء والالتفاف لتكوين أشكال معقدة، ويمكن فهم آلية عمل البروتين من خلال فهم طريقة طيه، ولكن الأمر معقد بعض الشيء؛ حيث مازال العلماء يحاولون صنع برامج كمبيوتر يمكنه فهم عملية طي البروتين، ويعرف تسلسل الأحماض الأمينية في عديد الببتيد بـ: البنية الأولية للبروتين، وهذه البنية هي الأحماض الأمينية المرتبطة ببعضها البعض بروابط تساهمية واحدة تلو الأخرى في خط واحد. ولكن بعض الأحماض الأمينية تفضل الارتباط بأكثر من حمضين أمينيين في ذات الوقت، حيث يساهم الهيدروجين الموجود في البنية الرئيسية الأحماض الأمينية بتشكيل روابط إضافية وبتحديد روابط هيدروجينية مع الأكسجين المجاور له في الأحماض الأمينية.
الروابط الهيدروجينية
واعتمادًا على البنية الأولية فإن سلسلة عديد الببتيد ستنحني وتلتف وتنطوي لتشكيل سلسلة من الحلزونات تسمى اللولب، وفي أحيان أخرى تتشكل عدة خيوط متعرجة ومتوازية تعرف بالصفائح المنثنية، على سبيل المثال تلك الروابط الهيدروجينية الموجودة في الصفائح المنثنية هي ما يجعل الحرير قويًا.
تساهم هذه الروابط الهيدروجينية في إعطاء عديدات الببتيد بنيتها الثانوية، ولا ينتهي تشكل البروتين هنا، هل تذكرون مجموعة R المسؤولة عن تحديد نوع الأحماض الأمينية، يكون بعض هذه المجموعات كارهًا للماء، وبما أن البروتين موجود داخل الخلية التي تتألف غالبًا من الماء فإن كل تلك المجموعات الكارهة للماء ستحاول أن تختبأ من الماء من خلال التجمع على بعضها.
ويمكن أن يؤدي ذلك إلى انطواء السلسلة أكثر وأكثر.
وهناك مجموعة R أخرى محبة للماء، مما يعني أنها تفضل تكوين روابط هيدروجينية مع مجموعة R أخرى محبة للماء، ويؤدي ذلك إلى المزيد من الترابط ثم المزيد من الانثناء والطي، وبالتالي ستتخذ سلسلة الأحماض الأمينية شكلًا ثلاثي الأبعاد معقد بشكل كبير، ومن فوائد هذه البنية الثلاثية هي إمكانية تصفيف الشعر عن طريق تربيطه بالماء، فالسماء يساعد على كسر بعض الروابط الهيدروجينية الموجودة في بروتين الكيراتين، مما يريح بنيته، مما يسمح لي أن أسرحه بالطريقة التي أريدها، وعندما يجف ستتشكل هذه الروابط مجددًا، وبالتالي أحصل على التسريحة التي أريدها.
إن ترابط مجموعة R بهذه الطريقة يعطي سلسلة عديد الببتيد بنيتها الثلاثية وبهذا تتكون سلسلة عديد الببتيد ذات بنية شديدة التعقيد، ولا تتم هذه العملية بشكل عشوائي، فهي تنطوي بشكل محدد ودقيق للغاية، وفي بعض الأحيان يتشكل الإنزيم أو البروتين من سلسلة واحدة فقط، أما البروتينات الأخرى مثل الهيموجلوبين فتجتمع عدة سلاسل مختلفة لتشكيل بنيتها الرباعية.
دعوني أستعرض البنيات الأساسية للبروتينات؛ التسلسل الرئيسي هو البنية الأولية، أما البنية الثانوية فتنتج عن الروابط الهيدروجينية التي تشكل صفائح ولوالب وروابط مجموعة R تشكل البنية الثلاثية، أما تجمع عدة وحدات بروتينية معًا فيشكل بنية رباعية. تكون عديدات الببتيد إما بروتينات هيكلية مثل البروتين الموجود في العضلات، أو يمكن أن تكون الإنزيمات والإنزيمات كما تعرفون تقوم بعدة عمليات حيوية مختلفة.