الشيفرة الوراثية هي عبارة عن تسلسل قواعد النوكليوتيد في الأحماض النووية (DNA و RNA) التي ترمز لسلاسل الأحماض الأمينية في البروتينات ، ويتكون الحمض النووي من قواعد النوكليوتيدات الأربعة وهم الأدينين (A) ، الجوانين (G) ، السيتوزين (C) والثيمين (T) ، ويحتوي الحمض النووي الريبي على النيوكليوتيدات الأدينين ، والجوانين ، والسيتوزين واليوراسيل (U) ، وعندما تقوم ثلاث قواعد مستمرة من النوكليوتيد بكود للحمض الأميني أو تشير إلى بداية أو نهاية تخليق البروتين ، فإن المجموعة تعرف باسم الكودون ، وتوفر هذه المجموعات الثلاثية بعض الإرشادات لإنتاج الأحماض الأمينية ، وترتبط الأحماض الأمينية معًا لتشكيل البروتينات . [1]
ما هي الشيفرة الوراثية (الكودون)
الشيفرة الوراثية والتي تعرف أيضاُ باسم الكودون هي عبارة تسلسل النيوكليوتيدات في حمض النوكليوتيدات (DNA) وحمض الريبونك (RNA) الذي يحدد تسلسل الحمض الأميني للبروتينات ، وعلى الرغم من أن التسلسل الخطي للنيوكليوتيدات في الحمض النووي الذي يحتوي على معلومات عن متواليات البروتين ، إلا أن البروتينات لا يتم تصنيعها مباشرة من الحمض النووي ـ وبدلاً من ذلك ، يتم تصنيع جزيء ( messenger RNA ( mRNA من الحمض النووي ثم يتم تكوين البروتين . [2]
ويتكون الحمض النووي الريبي من أربعة نيوكليوتيدات : الأدينين (A) ، والجوانين (G) ، والسيتوزين (C) ، واليوراسيل (U) ، وتشكل ثلاث نيوكليوتيدات متجاورة وحدة تعرف باسم الكودون الذي يرمز للحمض الأميني ، وعلى سبيل المثال ، تسلسل AUG هو رمز يحدد حمض أميني ميثيونين ، وهناك 64 شيفرة ، ثلاثة منها لا ترمز للأحماض الأمينية ولكنها تشير إلى نهاية البروتين ، وتحدد الـ 61 رمز المتبقية الـ 20 من الأحماض الأمينية التي تشكل البروتينات ، ويوجد كود AUG ، بالإضافة إلى ترميز الميثيونين ، في بداية كل mRNA ، ويشير إلى بداية البروتين ، والميثيونين والتربتوفان هما الأحماض الأمينية الوحيدة التي يتم ترميزها من خلال كودون واحد فقط (AUG و UGG ، على التوالي) ، ويتم ترميز الـ 18 من الأحماض الأمينية الأخرى برموز اثنين إلى ستة ، ونظرًا لأن معظم الأحماض الأمينية العشرين مشفرة بأكثر من كودون واحد ، فإن الكود يسمى التدهور degenerate .
اكتشاف الشيفرة الوراثية
لتحليل الشيفرة الوراثية ، احتاج الباحثون إلى معرفة كيف يمكن لتسلسل النيوكليوتيدات في جزيء DNA أو RNA أن يشفر تسلسل الأحماض الأمينية في بولي ببتيد .
وقد تساءل البعض لماذا كانت هذه مشكلة صعبة ؟ في واحدة من أبسط الشيفرات المحتملة ، قد يتوافق كل نكليوتيد في جزيء DNA أو RNA مع حمض أميني واحد في بولي ببتيد ، ومع ذلك ، لا يمكن أن يعمل هذا الكود فعليًا ، لأن هناك أحماض أمينية 20 شائع الاستخدام في البروتينات وقواعد النوكليوتيدات فقط 4 في الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي ، وهكذا ، عرف الباحثون أن الكود يجب أن يتضمن شيئًا أكثر تعقيدًا من التطابق الفردي بين النيوكليوتيدات والأحماض الأمينية .
الفرضية الثلاثية
في منتصف الخمسينيات من القرن العشرين ، قام عالم الفيزياء جورج جامو بتوسيع هذا التفكير لعمل اختبار يثبت أن الكود الوراثي من المحتمل أن يتكون من ثلاثة أضعاف النيوكليوتيدات ، وهذا هو ، اقترح أن مجموعة من 3 نيوكليوتيدات المتعاقبة في الجين قد ترمز لحمض أميني واحد في بولي ببتيد .
كان منطق جامو أنه حتى كود الكود الثنائي (2 نيوكليوتيدات لكل حمض أميني) لن ينجح ، لأنه سيسمح فقط بمجموعات 16مرتبة من النيوكليوتيدات (4 مربعة) ، وهي قليلة جدًا لمراعاة الأحماض الأمينية القياسية 20 المستخدمة في بناء البروتينات ، ومع ذلك ، يبدو أن الكود المبني على ثلاثة أضعاف النوكليوتيدات يبدو واعداً ، وإنه سيوفر 64 سلسلة فريدة من النيوكليوتيدات (4 مكعبة) ، وستكون كافية بشكل أكبر لتغطية الأحماض الأمينية 20 .
التعبير الجيني والشيفرة الوراثية
يتم التعبير عن الجينات التي توفر تعليمات عن البروتينات في عملية من خطوتين وهي كالتالي :
في النسخ أو الوراثة تتم إعادة كتابة تسلسل الحمض النووي للجين باستخدام نيوكليوتيدات RNA ، وفي حقيقيات النوى ، يجب أن يمر RNA خلال خطوات معالجة إضافية ليصبح حمض نووي ريبوزي رسول ، أو mRNA .
في الترجمة ، يتم ترجمة تسلسل النيوكليوتيدات في الحمض النووي الريبوزي الرسول إلى سلسلة من الأحماض الأمينية في ببتيد (البروتين أو الوحدة الفرعية للبروتين) ، وتقوم الخلايا بفك تشفير mRNAs من خلال قراءة النيوكليوتيدات الخاصة بها في مجموعات من ثلاثة ، تسمى الكودونات ، ويحدد كل كود حمض أميني معين ، أو في بعض الحالات ، يوفر إشارة ” توقف ” تنهي الترجمة ، وبالإضافة إلى ذلك ، فإن كودون AUG له دور خاص ، حيث يمثل كود البدء حيث تبدأ الترجمة ، وتعرف المجموعة الكاملة من المراسلات بين الكودونات والأحماض الأمينية (أو إشارات التوقف) بالشفرة الوراثية . [3]
خصائص الشيفرة الوراثية
الطبيعة ثلاثية
يمكن للرمز الثلاثي إنشاء شيفرة وراثية لـ 64 مجموعة مختلفة (4 × 4 × 4) من الشفرات الوراثية ، ويوفر الكثير من المعلومات في جزيء الحمض النووي لتحديد موضع جميع الأحماض الأمينية العشرين ، وعندما تم إجراء تجارب لكسر الشيفرة الوراثية ، تم العثور على شيفرة ثلاثية ، وتدعى أكواد الحروف الثلاثة هذه للنيوكليوتيدات (AUG ، AAA ، إلخ) باسم الكودونات .
الانحلال أو التدهور
من المعروف أن الكود ينحل ، مما يعني أن نفس الحمض الأميني مشفر بأكثر من قاعدة ثلاثية ، فعلى سبيل المثال ، تحتوي كل من الأحماض الأمينية الثلاثة أرجينين ، والألانين ، والولوسين على ستة رموز مشفرة .
غير متداخلة
الشيفرة الوراثية غير متداخلة ، أي أن الكودونات المتجاورة لا تتداخل ، يعني شيفرة nonloverlapping أنه لا يتم استخدام نفس الحرف لشيفرتين مختلفين ، وبمعنى آخر ، لا يمكن لأي قاعدة واحدة المشاركة في تكوين أكثر من كودون واحد .
غير غامضة
حيث أن كل شيفرة لنفس الحمض الأميني له نفس الكود دائماً ، فبينما يمكن ترميز الحمض الأميني نفسه بأكثر من كودون واحد (الرمز المنحل ) ، يجب ألا ترمز الشيفرة نفسها إلى اثنين أو أكثر من الأحماض الأمينية المختلفة (غير غامضة) .
كلية أو عامة
على الرغم من أن الكود يستند إلى عمل تم إجراؤه على بكتيريا الإشريكية القولونية ولكنه صالح للكائنات الحية الأخرى ، وتسمى هذه الخاصية الهامة للشيفرة الوراثي عاميتها ، وهذا يعني أن نفس التسلسل من 3 قواعد يشفر الأحماض الأمينية نفسها في جميع أشكال الحياة من الكائنات الحية الدقيقة البسيطة إلى الكائنات المعقدة متعددة الخلايا مثل البشر .
قطبية
تحتوي الشفرة الوراثية على قطبية ، أي أن الكود يتم قراءته دائمًا في اتجاه ثابت ، أي في الاتجاه 5 ′ → 3 ′ .
سلسلة كودونات البدء
تلعب الثلاثيات AUG و GUG أدوارًا مزدوجة في E. coli ، وعندما تحدث بين طرفي سيسترون (الوضع المتوسط) ، فإنها ترمز للأحماض الأمينية الميثيونين والالالين ، على التوالي في وضع وسيط في جزيء البروتين .
شفرات إنهاء السلسلة
ال 3 توائم UAA ، UAG ، UGA ليست شيفرة لأي حمض أميني ، وقد تم وصفها في الأصل على أنها شيفرة غير حساسة ، مقارنةً بالكودونات الـ 61 المتبقية ، والتي يطلق عليها شيفرة الترميز . [4]
ما هي الشيفرة الوراثية (الكودون)
الشيفرة الوراثية والتي تعرف أيضاُ باسم الكودون هي عبارة تسلسل النيوكليوتيدات في حمض النوكليوتيدات (DNA) وحمض الريبونك (RNA) الذي يحدد تسلسل الحمض الأميني للبروتينات ، وعلى الرغم من أن التسلسل الخطي للنيوكليوتيدات في الحمض النووي الذي يحتوي على معلومات عن متواليات البروتين ، إلا أن البروتينات لا يتم تصنيعها مباشرة من الحمض النووي ـ وبدلاً من ذلك ، يتم تصنيع جزيء ( messenger RNA ( mRNA من الحمض النووي ثم يتم تكوين البروتين . [2]
ويتكون الحمض النووي الريبي من أربعة نيوكليوتيدات : الأدينين (A) ، والجوانين (G) ، والسيتوزين (C) ، واليوراسيل (U) ، وتشكل ثلاث نيوكليوتيدات متجاورة وحدة تعرف باسم الكودون الذي يرمز للحمض الأميني ، وعلى سبيل المثال ، تسلسل AUG هو رمز يحدد حمض أميني ميثيونين ، وهناك 64 شيفرة ، ثلاثة منها لا ترمز للأحماض الأمينية ولكنها تشير إلى نهاية البروتين ، وتحدد الـ 61 رمز المتبقية الـ 20 من الأحماض الأمينية التي تشكل البروتينات ، ويوجد كود AUG ، بالإضافة إلى ترميز الميثيونين ، في بداية كل mRNA ، ويشير إلى بداية البروتين ، والميثيونين والتربتوفان هما الأحماض الأمينية الوحيدة التي يتم ترميزها من خلال كودون واحد فقط (AUG و UGG ، على التوالي) ، ويتم ترميز الـ 18 من الأحماض الأمينية الأخرى برموز اثنين إلى ستة ، ونظرًا لأن معظم الأحماض الأمينية العشرين مشفرة بأكثر من كودون واحد ، فإن الكود يسمى التدهور degenerate .
اكتشاف الشيفرة الوراثية
لتحليل الشيفرة الوراثية ، احتاج الباحثون إلى معرفة كيف يمكن لتسلسل النيوكليوتيدات في جزيء DNA أو RNA أن يشفر تسلسل الأحماض الأمينية في بولي ببتيد .
وقد تساءل البعض لماذا كانت هذه مشكلة صعبة ؟ في واحدة من أبسط الشيفرات المحتملة ، قد يتوافق كل نكليوتيد في جزيء DNA أو RNA مع حمض أميني واحد في بولي ببتيد ، ومع ذلك ، لا يمكن أن يعمل هذا الكود فعليًا ، لأن هناك أحماض أمينية 20 شائع الاستخدام في البروتينات وقواعد النوكليوتيدات فقط 4 في الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي ، وهكذا ، عرف الباحثون أن الكود يجب أن يتضمن شيئًا أكثر تعقيدًا من التطابق الفردي بين النيوكليوتيدات والأحماض الأمينية .
الفرضية الثلاثية
في منتصف الخمسينيات من القرن العشرين ، قام عالم الفيزياء جورج جامو بتوسيع هذا التفكير لعمل اختبار يثبت أن الكود الوراثي من المحتمل أن يتكون من ثلاثة أضعاف النيوكليوتيدات ، وهذا هو ، اقترح أن مجموعة من 3 نيوكليوتيدات المتعاقبة في الجين قد ترمز لحمض أميني واحد في بولي ببتيد .
كان منطق جامو أنه حتى كود الكود الثنائي (2 نيوكليوتيدات لكل حمض أميني) لن ينجح ، لأنه سيسمح فقط بمجموعات 16مرتبة من النيوكليوتيدات (4 مربعة) ، وهي قليلة جدًا لمراعاة الأحماض الأمينية القياسية 20 المستخدمة في بناء البروتينات ، ومع ذلك ، يبدو أن الكود المبني على ثلاثة أضعاف النوكليوتيدات يبدو واعداً ، وإنه سيوفر 64 سلسلة فريدة من النيوكليوتيدات (4 مكعبة) ، وستكون كافية بشكل أكبر لتغطية الأحماض الأمينية 20 .
التعبير الجيني والشيفرة الوراثية
يتم التعبير عن الجينات التي توفر تعليمات عن البروتينات في عملية من خطوتين وهي كالتالي :
في النسخ أو الوراثة تتم إعادة كتابة تسلسل الحمض النووي للجين باستخدام نيوكليوتيدات RNA ، وفي حقيقيات النوى ، يجب أن يمر RNA خلال خطوات معالجة إضافية ليصبح حمض نووي ريبوزي رسول ، أو mRNA .
في الترجمة ، يتم ترجمة تسلسل النيوكليوتيدات في الحمض النووي الريبوزي الرسول إلى سلسلة من الأحماض الأمينية في ببتيد (البروتين أو الوحدة الفرعية للبروتين) ، وتقوم الخلايا بفك تشفير mRNAs من خلال قراءة النيوكليوتيدات الخاصة بها في مجموعات من ثلاثة ، تسمى الكودونات ، ويحدد كل كود حمض أميني معين ، أو في بعض الحالات ، يوفر إشارة ” توقف ” تنهي الترجمة ، وبالإضافة إلى ذلك ، فإن كودون AUG له دور خاص ، حيث يمثل كود البدء حيث تبدأ الترجمة ، وتعرف المجموعة الكاملة من المراسلات بين الكودونات والأحماض الأمينية (أو إشارات التوقف) بالشفرة الوراثية . [3]
خصائص الشيفرة الوراثية
الطبيعة ثلاثية
يمكن للرمز الثلاثي إنشاء شيفرة وراثية لـ 64 مجموعة مختلفة (4 × 4 × 4) من الشفرات الوراثية ، ويوفر الكثير من المعلومات في جزيء الحمض النووي لتحديد موضع جميع الأحماض الأمينية العشرين ، وعندما تم إجراء تجارب لكسر الشيفرة الوراثية ، تم العثور على شيفرة ثلاثية ، وتدعى أكواد الحروف الثلاثة هذه للنيوكليوتيدات (AUG ، AAA ، إلخ) باسم الكودونات .
الانحلال أو التدهور
من المعروف أن الكود ينحل ، مما يعني أن نفس الحمض الأميني مشفر بأكثر من قاعدة ثلاثية ، فعلى سبيل المثال ، تحتوي كل من الأحماض الأمينية الثلاثة أرجينين ، والألانين ، والولوسين على ستة رموز مشفرة .
غير متداخلة
الشيفرة الوراثية غير متداخلة ، أي أن الكودونات المتجاورة لا تتداخل ، يعني شيفرة nonloverlapping أنه لا يتم استخدام نفس الحرف لشيفرتين مختلفين ، وبمعنى آخر ، لا يمكن لأي قاعدة واحدة المشاركة في تكوين أكثر من كودون واحد .
غير غامضة
حيث أن كل شيفرة لنفس الحمض الأميني له نفس الكود دائماً ، فبينما يمكن ترميز الحمض الأميني نفسه بأكثر من كودون واحد (الرمز المنحل ) ، يجب ألا ترمز الشيفرة نفسها إلى اثنين أو أكثر من الأحماض الأمينية المختلفة (غير غامضة) .
كلية أو عامة
على الرغم من أن الكود يستند إلى عمل تم إجراؤه على بكتيريا الإشريكية القولونية ولكنه صالح للكائنات الحية الأخرى ، وتسمى هذه الخاصية الهامة للشيفرة الوراثي عاميتها ، وهذا يعني أن نفس التسلسل من 3 قواعد يشفر الأحماض الأمينية نفسها في جميع أشكال الحياة من الكائنات الحية الدقيقة البسيطة إلى الكائنات المعقدة متعددة الخلايا مثل البشر .
قطبية
تحتوي الشفرة الوراثية على قطبية ، أي أن الكود يتم قراءته دائمًا في اتجاه ثابت ، أي في الاتجاه 5 ′ → 3 ′ .
سلسلة كودونات البدء
تلعب الثلاثيات AUG و GUG أدوارًا مزدوجة في E. coli ، وعندما تحدث بين طرفي سيسترون (الوضع المتوسط) ، فإنها ترمز للأحماض الأمينية الميثيونين والالالين ، على التوالي في وضع وسيط في جزيء البروتين .
شفرات إنهاء السلسلة
ال 3 توائم UAA ، UAG ، UGA ليست شيفرة لأي حمض أميني ، وقد تم وصفها في الأصل على أنها شيفرة غير حساسة ، مقارنةً بالكودونات الـ 61 المتبقية ، والتي يطلق عليها شيفرة الترميز . [4]
