Biology · الكتاب 3 · Bachelor Year 1

الأحياء الجامعية — السنة الأولى

الأحياء الجامعية — السنة الأولى · Bachelor Year 1

19التعبير المورّثي: الاستنساخ والترجمة

تُقرأ مورّثة من ثلاثين ألف زوج قواعد في ربع ساعة إلى نسخة عاملة، وتُختصر إلى ألفي حرف، وتُشحن خارج النواة، ويترجمها خمسة وعشرون ريبوزومًا معًا إلى بروتين من خمسمئة حمض أميني — واحدًا كل أربع ثوانٍ، ما بقيت النسخة. وتنفق الخلية على هذا طاقة أكثر مما تنفق على أي شيء آخر تفعله. ويتتبع هذا الفصل المعلومة من DNA إلى البروتين: استنساخ المورّثة إلى RNA، وتحرير هذه النسخة في حقيقيات النواة، والشفرة التي تربط ثلاثيات القواعد بالأحماض الأمينية، والريبوزوم الذي يقرؤها، وما يحدث للبروتين بعد صنعه.

19.1 من المورّثة إلى البروتين

قضية 19.1 (مسار المعلومة)

تسير المعلومة الوراثية من DNA إلى RNA إلى البروتين. والاستنساخ ينسخ إحدى خصلتي المورّثة إلى RNA تسلسله تسلسل الخصلة الأخرى (مع U مكان T)؛ والترجمة تقرأ RNA الرسول ثلاث قواعد في كل مرة وتركّب الأحماض الأمينية الموافقة في عديد ببتيد. وكل خطوة تستعمل ازدواج القواعد: DNA مع RNA في الاستنساخ، والرسول مع RNA الناقل في الترجمة. فتسلسل البروتين إذن نسخة من تسلسل مورّثته، وتغيّر قاعدة واحدة قد يغيّر حمضًا أمينيًا واحدًا — وهي الصلة بين الطفرة والنمط الظاهري. ولا تعود المعلومة من البروتين إلى الحمض النووي؛ والخطوة العكسية الوحيدة، وهي نسخ RNA إلى DNA في الفيروسات القهقرية، لا تمس البروتين.

19.2 الاستنساخ

تعريف 19.2 (بوليميراز RNA، والمروّج، والاستنساخ)

بوليميراز RNA يخلّق RNA على قالب من DNA، من 5′→3′5' \to 3'، انطلاقًا من ثلاثيات فوسفات النوكليوزيدات الريبية الأربعة، دون بادئة. ويبدأ عند مروّج، وهو تسلسل يقع أعلى المجرى من المورّثة مباشرة يتعرفه ويرتبط به؛ وفي البكتيريا تتولى التعرف وحدة فرعية تسمى σ\sigma (سيغما)، عند شريطين محفوظين على بعد عشرة أزواج وخمسة وثلاثين زوجًا قبل موضع البداية. ويفتح الإنزيم نحو خمسة عشر زوجًا من اللولب في فقاعة استنساخ، وينسخ الخصلة القالب (تُقرأ 3′→5′3' \to 5') إلى RNA مطابق في التسلسل للخصلة الأخرى، المشفِّرة، ويتحرك على طولها بنحو خمسين نوكليوتيدًا في الثانية، معيدًا إغلاق اللولب خلفه؛ وينسلخ RNA وهو يُصنع. ويقف عند تسلسل إنهاء: وهو في البكتيريا تسلسل متمم لنفسه ينطوي RNA الموافق له في دبوس شعر يسحب النسخة حرة. وتستطيع بوليميرازات كثيرة أن يتبع بعضها بعضًا على مورّثة واحدة، فتُبدأ نسخة كل ثانية.

الاستنساخ. يفتح البوليميراز فقاعة، ويزاوج النوكليوتيدات الريبية مع الخصلة القالب ويصلها من 5' 3'؛ ويغادر RNA عبر قناة والإنزيم يتقدم.
الاستنساخ. يفتح البوليميراز فقاعة، ويزاوج النوكليوتيدات الريبية مع الخصلة القالب ويصلها من 5′→3′5' \to 3'؛ ويغادر RNA عبر قناة والإنزيم يتقدم.

قضية 19.3 (الاستنساخ ومعالجة RNA في حقيقيات النواة)

لحقيقيات النواة ثلاثة بوليميرازات: I لأنواع RNA الريبوزومي الكبيرة، وII لأنواع RNA الرسول، وIII لأنواع RNA الناقل وRNA الصغيرة. والبوليميراز II لا يتعرف مروّجه وحده: بل تتجمع عليه مجموعة من عوامل الاستنساخ العامة (عند تسلسل TATA على بعد نحو ثلاثين زوجًا أعلى المجرى في مورّثات كثيرة) فتستقدم الإنزيم، وتعدّل بروتينات منظِّمة مرتبطة قريبًا أو بعيدًا سرعةَ العملية (الفصل 20). وتُعالَج النسخة الأولية (معالجةً) في النواة: تُضاف قلنسوة من غوانين معدَّل إلى النهاية 5′5'، وذيل من نحو مئتي أدنين (عديد الأدنين) إلى النهاية 3′3'، وتُزال الإنترونات في عملية التشذيب — إذ يتعرف معقد من أنواع RNA صغيرة وبروتينات، هو الجسيم المشذِّب، GU عند بداية كل إنترون وAG عند نهايته، فيقص ويصل الإكسونات. وعندئذ فقط يُصدَّر الرسول الناضج إلى العصارة الخلوية. وكثير من المورّثات يُشذَّب بأكثر من طريقة (تشذيب بديل)، فتعطي المورّثة الواحدة عدة بروتينات؛ فمورّثات الإنسان العشرون ألفًا تصنع نحو مئة ألف.

شواهد. هجّن شارب وروبرتس (1977) RNA رسولًا فيروسيًا مع DNA مورّثته ونظرا إلى الهجائن بالمجهر الإلكتروني: ازدوج RNA مع DNA في عدة شرائط، وبينها انعقد DNA في عرى غير مزدوجة — وهي الإنترونات، الحاضرة في المورّثة الغائبة عن الرسول. أما المورّثات البكتيرية، وقد عوملت المعاملة نفسها، فلم تعطِ عرى. وحجم النسخة الأولية للمورّثة، مقيسًا في النواة، يوافق المورّثة؛ وحجم الرسول السيتوبلازمي يوافق الإكسونات وحدها. ∎

من المورّثة إلى الرسول في حقيقية النواة: تُستنسخ المورّثة كلها، ثم تُقص الإنترونات وتوصل الإكسونات، وتُضاف قلنسوة وذيل من عديد الأدنين، ويغادر الرسول الناضج النواة.
من المورّثة إلى الرسول في حقيقية النواة: تُستنسخ المورّثة كلها، ثم تُقص الإنترونات وتوصل الإكسونات، وتُضاف قلنسوة وذيل من عديد الأدنين، ويغادر الرسول الناضج النواة.

19.3 الشفرة الوراثية

تعريف 19.4 (الشفرة الوراثية)

الشفرة الوراثية تربط ثلاثيات من قواعد الرسول، وهي الكودونات، بالأحماض الأمينية. فمن الكودونات الأربعة والستين يحدد واحد وستون الأحماض الأمينية العشرين، وثلاثة (UAA وUAG وUGA) إشارات توقف؛ وAUG يحدد الميثيونين وهو أيضًا كودون البدء، فكل عديد ببتيد جديد يبدأ بالميثيونين. والشفرة منحلّة — فلأكثر الأحماض الأمينية عدة كودونات تختلف غالبًا في الموضع الثالث — وغير متراكبة، تُقرأ بلا علامات ترقيم في إطار قراءة يثبته كودون البدء، وعامة تقريبًا، هي نفسها في البكتيريا والنباتات والحيوانات مع اختلافات طفيفة في المتقدرات: فمورّثة بشرية تُوضع في بكتيريا تُقرأ قراءة صحيحة.

القاعدةالقاعدة الثانيةالقاعدة
الأولىUCAGالثالثة
UPhe Phe Leu LeuSer Ser Ser SerTyr Tyr توقف توقفCys Cys توقف TrpU C A G
CLeu Leu Leu LeuPro Pro Pro ProHis His Gln GlnArg Arg Arg ArgU C A G
AIle Ile Ile MetThr Thr Thr ThrAsn Asn Lys LysSer Ser Arg ArgU C A G
GVal Val Val ValAla Ala Ala AlaAsp Asp Glu GluGly Gly Gly GlyU C A G
الشفرة الوراثية. تسرد كل خانة الكودونات الأربعة ذات القاعدة الأولى والثانية المعطاتين والقاعدة الثالثة U وC وA وG بهذا الترتيب. وAUG هو الميثيونين وإشارة البدء؛ وUAA وUAG وUGA إشارات توقف. والقاعدة الثالثة كثيرًا ما لا تهم: فالشفرة منحلّة.

قضية 19.5 (كيف قُرئت الشفرة)

الشفرة شفرة ثلاثية غير متراكبة، ويمكن تعيين معنى كل كودون فيها بالكيمياء.

شواهد. أحدث كريك وبرينر (1961) في مورّثة عاثية طفرات تضيف قاعدة واحدة أو تحذفها: فأتلف تغيير واحد منها وظيفة المورّثة، وأتلفها تغييران، لكن ثلاث إضافات (أو ثلاثة حذوف) متقاربة أعادتها — فالرسول يُقرأ ثلاثات، من نقطة بداية ثابتة، والإضافة تزيح إطار كل ما بعدها. وأضاف نيرنبرغ وماتاي (1961) RNA اصطناعيًا من اليوراسيل وحده إلى مستخلص خالٍ من الخلايا من E. coli مع الأحماض الأمينية العشرين: فصنع سلسلة من الفينيل ألانين وحده، فالثلاثي UUU إذن يعني Phe؛ وأسندت رسائل اصطناعية أخرى، ثم ارتباط ثلاثيات نوكليوتيدية مفردة بالريبوزومات مع أنواع RNA الناقل الخاصة بها، الكودونات الأربعة والستين جميعها بحلول 1966. ∎

مثال 19.6 (قراءة رسول)

الرسول 5′5'-…GCAUGGCUUUCGGAUAA…-3′3' يُقرأ من AUG: هي AUG GCU UUC GGA UAA — ميثيونين-ألانين-فينيل ألانين-غليسين-توقف: ببتيد من أربع بقايا. واحذف G الأولى بعد AUG ينزح الإطار: AUG CUU UCG GAU AA… — ميثيونين-لوسين-سيرين- أسبارتات…، وهو بروتين مختلف بطول مختلف. وغيّر UUC إلى UUU فلا يتغير شيء: كلاهما Phe، وهي طفرة صامتة.

19.4 الترجمة

تعريف 19.7 (RNA الناقل وإنزيمات شحنه)

RNA الناقل (الفصل 11) هو الوسيط بين الكودون والحمض الأميني: فله كودون مضاد، وهو ثلاث قواعد في عروة، يزدوج مضاد التوازي مع كودون من الرسول، ونهايته 3′3' تحمل الحمض الأميني الموافق. والازدواج في الموضع الثالث من الكودون رخو (ترنّح)، فنحو أربعين نوعًا من RNA الناقل تكفي لواحد وستين كودونًا. ويشحن كل RNA ناقل إنزيم شحن خاص به، وهو إنزيم يتعرف الحمض الأميني وRNA الناقل معًا ويصلهما في خطوتين بكلفة ATP واحد (يُشطر إلى AMP: أي رابطتان عاليتا الطاقة)، ويدقق في الحمض الأميني وهو يفعل. وهذه الإنزيمات العشرون هي حيث تُنفَّذ الشفرة فعلًا: فالريبوزوم لا يتحقق من الحمض الأميني الذي يحمله RNA ناقل، بل من مطابقة كودونه المضاد وحدها.

تعريف 19.8 (الريبوزوم)

الريبوزوم جسيم من وحدتين فرعيتين، كل منهما من RNA ريبوزومي وبروتينات (في البكتيريا: وحدة صغيرة 30S ووحدة كبيرة 50S، معًا 70S، 2.5 MDa2.5\,\mathrm{MDa}؛ وريبوزومات حقيقيات النواة أكبر، 80S). والوحدة الصغيرة ترتبط بالرسول وتفك شفرته؛ والوحدة الكبيرة تمسك أنواع RNA الناقل وتكوّن الرابطة الببتيدية — والحفاز هو RNA الريبوزومي نفسه. وثلاثة مواقع لأنواع RNA الناقل تمتد عبر الوحدتين: A (أمينوأسيل، حيث يدخل RNA الناقل المشحون التالي)، وP (ببتيديل، يمسك السلسلة النامية)، وE (الخروج).

الريبوزوم: وحدتان فرعيتان مطبقتان على الرسول، ونوعان من RNA الناقل في الشق، والسلسلة النامية تغادر عبر نفق في الوحدة الكبيرة.
الريبوزوم: وحدتان فرعيتان مطبقتان على الرسول، ونوعان من RNA الناقل في الشق، والسلسلة النامية تغادر عبر نفق في الوحدة الكبيرة.

قضية 19.9 (دورة الاستطالة)

تبدأ الترجمة حين تجد الوحدة الصغيرة كودون البدء — في البكتيريا بازدواج تسلسل من RNA الريبوزومي مع موقع أعلى المجرى من AUG مباشرة، وفي حقيقيات النواة بالارتباط بالقلنسوة والمسح حتى أول AUG — ويستقر RNA الناقل البادئ (الميثيونين) في الموقع P؛ ثم تنضم الوحدة الكبيرة. وتضيف كل دورة استطالة بقية واحدة: فيسلّم عاملُ استطالة RNA ناقلًا مشحونًا يوافق كودونُه المضاد كودونَ الموقع A ويُتحقق منه (بكلفة GTP واحد)؛ وينقل RNA الريبوزومي في الوحدة الكبيرة السلسلة النامية من RNA الناقل في الموقع P إلى الحمض الأميني في RNA الناقل في الموقع A، فتتكون الرابطة الببتيدية؛ ويتحرك الريبوزوم كودونًا واحدًا (بكلفة GTP ثانٍ)، فينزاح نوعا RNA الناقل إلى P وE، ويغادر الفارغ. وعند كودون توقف يدخل عامل تحرير الموقع A فتُحلمأ السلسلة حرة. وتضيف ريبوزومات البكتيريا خمس عشرة إلى عشرين بقية في الثانية، وريبوزومات حقيقيات النواة اثنتين إلى خمس؛ وتقرأ عدة ريبوزومات رسولًا واحدًا معًا، مكوّنة عديد ريبوزوم.

دورة استطالة واحدة. يُقبل RNA ناقل مشحون في الموقع A حين يطابق كودونه المضاد؛ ويصل RNA الريبوزومي السلسلة إلى حمضه الأميني؛ ويتقدم الريبوزوم كودونًا واحدًا، ويغادر RNA الناقل الفارغ. أي GTP اثنان لكل بقية، زائد الرابطتين عاليتي الطاقة المنفقتين في شحن RNA الناقل.
دورة استطالة واحدة. يُقبل RNA ناقل مشحون في الموقع A حين يطابق كودونه المضاد؛ ويصل RNA الريبوزومي السلسلة إلى حمضه الأميني؛ ويتقدم الريبوزوم كودونًا واحدًا، ويغادر RNA الناقل الفارغ. أي GTP اثنان لكل بقية، زائد الرابطتين عاليتي الطاقة المنفقتين في شحن RNA الناقل.
عديدات الريبوزوم تحت المجهر الإلكتروني: ريبوزومات منظومة على رسول، كل واحد منها يصنع نسخته من البروتين.
عديدات الريبوزوم تحت المجهر الإلكتروني: ريبوزومات منظومة على رسول، كل واحد منها يصنع نسخته من البروتين.

طريقة 19.10 (حساب تخليق بروتين)

  1. الطول: بروتين من nn بقية يحتاج إلى تسلسل مشفِّر من 3n+33n + 3 نوكليوتيد (بما فيه كودون التوقف)، داخل رسول أطول منه بنهايتيه غير المترجمتين، وداخل المورّثة أطول منه بإنتروناتها.
  2. الزمن: اقسم nn على سرعة الاستطالة (15 to 20 15\text{ to }20\, في الثانية في البكتيريا، و2 to 5 2\text{ to }5\, في حقيقيات النواة)؛ ويقرأ الرسولَ ريبوزوم كل 80 to 100 80\text{ to }100\, نوكليوتيد، فالمردود لكل رسول سلسلة كل (المسافة / السرعة) ثانية.
  3. الطاقة: أربع روابط فوسفاتية عالية الطاقة لكل بقية (اثنتان لشحن RNA الناقل، وGTP اثنان على الريبوزوم)، زائد استنساخ الرسول باثنتين لكل نوكليوتيد، موزعًا على كل السلاسل التي يعطيها ذلك الرسول.
  4. الدقة: نحو حمض أميني خاطئ واحد في 10410^4 كودون؛ فبروتين من 500 500\, بقية يكون خاطئًا في موضع ما في نسخة من كل عشرين — وهو محتمل لأن البروتينات تُستبدل والأخطاء لا تُورَّث.

19.5 بعد الترجمة

قضية 19.11 (ما يحدث لعديد الببتيد الجديد)

تنطوي السلسلة وهي تبرز، بمعونة البروتينات المرافقة (الفصل 12). ووجهتها مكتوبة في تسلسلها: فهناك ببتيد إشارة عند النهاية الأمينية يرتبط به جسيم تعرف الإشارة فيوقف الترجمة، ويرسو بالريبوزوم على الشبكة الإندوبلازمية، ويدسّ السلسلة في لمعتها (الفصل 6)؛ وتوجّه تسلسلات أخرى البروتينات إلى المتقدرات أو البلاستيدات الخضراء أو النواة أو البيروكسيسومات بعد التخليق؛ والبروتين الذي لا إشارة له يبقى في العصارة الخلوية. وكثير من البروتينات يُعدَّل: فيُنزع الميثيونين الأول، وتُضاف السكاكر في الشبكة الإندوبلازمية وجهاز غولجي، وتضيف الكينازات الفوسفات وتنزعها الفوسفاتازات، وتُضاف الدهون، وتُقتطع قطع (فالإنسولين يُصنع سلسلة واحدة ثم يُقص إلى سلسلتين؛ وتُقص الزيموجينات لتنشيطها). وكل بروتين يُهضم في النهاية: يُوسم بالبروتين الصغير اليوبيكويتين ويُنشر ويُهضم في البروتيازوم، بعد عمر من دقائق (البروتينات المنظِّمة) إلى شهور (الهيموغلوبين) — حتى تكون البروتينات الحاضرة هي ما تصنعه الخلية الآن.

مثال 19.12 (أرقام خلية)

تحمل E. coli نامية نحو 20 00020\,000 ريبوزوم، يضيف كل منها عشرين بقية في الثانية: أي 4×1054 \times 10^{5} بقية في الثانية، ومليون بروتين من 300 300\, بقية في الساعة — وهو محتواها هي، وذلك ما يقتضيه التضاعف كل ساعة. ويذهب نصف طاقتها إلى تخليق البروتين. وتحمل خلية كبدية عشرة ملايين ريبوزوم وتصنع بروتينات لأسابيع من الاستعمال لا للانقسام؛ وخلية بلازمية، تفرز ضدًا، تكرّس كلها تقريبًا لبروتين واحد وتصبّ ألفي جزيء في الثانية.

19.6 تمارين

تمرين 19.1 ★

أعطِ RNA المستنسخ من الخصلة القالب 3′3'-TACGGATTC-5′5'، والخصلة المشفِّرة.

حل

حل التمرين 19.1.

RNA هو 5′5'-AUGCCUAAG-3′3'؛ والخصلة المشفِّرة 5′5'-ATGCCTAAG-3′3'.

تمرين 19.2 ★

اذكر التعديلات الثلاثة التي تخضع لها نسخة أولية في حقيقية النواة قبل أن تغادر النواة.

حل

حل التمرين 19.2.

قلنسوة عند 5′5' (غوانين معدَّل)، وذيل من عديد الأدنين عند 3′3'، وإزالة الإنترونات بالتشذيب.

تمرين 19.3 ★

مستعملًا جدول الشفرة، ترجم 5′5'-AUGCCGAAAGUUUGA-3′3'.

حل

حل التمرين 19.3.

AUG CCG AAA GUU UGA: ميثيونين-برولين-لايسين-فالين، ثم توقف.

تمرين 19.4 ★

سمّ مواقع RNA الناقل الثلاثة في الريبوزوم وما يحدث في كل منها.

حل

حل التمرين 19.4.

A: يُقبل RNA الناقل المشحون الداخل ويُتحقق منه. P: RNA الناقل الحامل للسلسلة النامية؛ وتتكون الرابطة بين سلسلته والحمض الأميني في الموقع A. E: RNA الناقل المفرَّغ في طريقه إلى الخارج.

تمرين 19.5 ★★

رسول من 2400 2400\, نوكليوتيد فيه 150 150\, من المنطقة غير المترجمة عند 5′5' و450 450\, من المنطقة غير المترجمة عند 3′3' ومن عديد الأدنين. كم بقية في البروتين؟ وكم يستغرق ريبوزوم واحد لصنعه بأربع بقايا في الثانية، وكم ريبوزومًا يستطيع قراءة الرسول معًا بواحد لكل 90 90\, نوكليوتيد؟

حل

حل التمرين 19.5.

المشفِّر 2400−600=18002400 - 600 = 1800 نوكليوتيد: أي 599 بقية (600 كودون، واحد منها توقف). والزمن 599/4=150 s599/4 = 150\,\mathrm{s}. والريبوزومات 1800/90=201800/90 = 20 معًا.

تمرين 19.6 ★★

فسّر لماذا تعيد ثلاث إضافات إطار قراءة مورّثة بينما لا تعيده واحدة ولا اثنتان، وكيف يبدو البروتين المصنوع من الإضافة الثلاثية.

حل

حل التمرين 19.6.

يُقرأ الرسول ثلاثات من بداية ثابتة؛ فقاعدة زائدة أو قاعدتان تزيح كل كودون بعدها ويصير باقي البروتين هذيانًا، ينتهي عادة عند توقف مبكر. أما ثلاث قواعد زائدة فتضيف كودونًا واحدًا وتعيد الإطار: فيكون في البروتين بقية زائدة وبضع بقايا خاطئة بين مواضع الإضافة، وكثيرًا ما يظل عاملًا.

تمرين 19.7 ★★

طفرة تغيّر الكودون CAG إلى UAG في وسط مورّثة من 300 300\, كودون؛ وأخرى تغيّر CAG إلى CAA؛ وثالثة تغيّره إلى CGG. أعطِ أثر كل واحدة في البروتين.

حل

حل التمرين 19.7.

من CAG (غلوتامين) إلى UAG (توقف): تنتهي السلسلة عند البقية 150، وهو بروتين مبتور شبه مؤكد أنه غير فعال (طفرة لا معنى لها). ومن CAG إلى CAA: غلوتامين كما هو، أي طفرة صامتة. ومن CAG إلى CGG: أرجينين مكان الغلوتامين، أي استبدال (طفرة مغلوطة المعنى) يتوقف أثره على الموضع.

تمرين 19.8 ★★

فسّر لماذا تقوم دقة الترجمة على إنزيمات شحن RNA الناقل لا على الريبوزوم، وصف تجربة أظهرت ذلك (سيستين مشحون على RNA ناقله يُحوَّل كيميائيًا إلى ألانين؛ فأين ينتهي الألانين؟).

حل

حل التمرين 19.8.

لا يتحقق الريبوزوم إلا من ازدواج الكودون مع الكودون المضاد؛ ولا يرى الحمض الأميني. فإذا حُوّل السيستين المحمول على RNA ناقله كيميائيًا إلى ألانين، أدخل الريبوزوم الألانين حيثما قال الرسول سيستين: فالمقروء هو RNA الناقل لا الحمض الأميني. ومن ثم يكون إنزيم الشحن، الذي يزاوج كل حمض أميني مع RNA الناقل الصحيح، هو المترجم الحقيقي.

تمرين 19.9 ★★

احسب كلفة الطاقة، بالروابط عالية الطاقة، لبروتين من 400 400\, بقية، والكسر منها المنفق على الريبوزوم.

حل

حل التمرين 19.9.

400×4=1600400\times 4 = 1600 رابطة؛ وGTP اثنان لكل بقية على الريبوزوم نصفها، والاثنتان في إنزيمات الشحن النصف الآخر.

تمرين 19.10 ★★★

في البكتيريا تبدأ الريبوزومات ترجمة الرسول وهو ما يزال يُستنسخ؛ وفي حقيقيات النواة لا تستطيع. فسّر لماذا (لسببين)، وما الذي يتيحه هذا الفرق في حقيقيات النواة.

حل

حل التمرين 19.10.

في حقيقيات النواة تُصنع النسخة في النواة والريبوزومات في العصارة الخلوية، يفصلهما الغلاف؛ ثم إن النسخة لا تصير رسولًا حتى تُشذَّب وتُقلنس. والفصل هو ما يتيح المعالجة نفسها — التشذيب البديل، والتحكم في التصدير، والتحقق من تمام الرسول قبل قراءته.

تمرين 19.11 ★★★

مورّثة من خمسة إكسونات يمكن أن تُشذَّب لتضم الإكسون 3 (90 90\, نوكليوتيد) والإكسون 4 (100 100\, نوكليوتيد) أو تتخطاهما. اسرد الرسائل الممكنة وقل أيها يحفظ إطار قراءة الإكسون 5. فماذا يبيّن هذا عن التشذيب البديل؟

حل

حل التمرين 19.11.

أربعة رسائل: مع الإكسونين كليهما (زيادة 190 نوكليوتيد)، ومع 3 وحده (90)، ومع 4 وحده (100)، ومع لا واحد منهما (0). ويُحفظ الإطار إذا كانت الزيادة من مضاعفات 3: فالصفر و90 يحفظانه؛ و100 و190 يزيحانه، فالرسائل التي فيها الإكسون 4 وحده أو الإكسونان معًا تقرأ الإكسون 5 خارج الإطار وتبتر البروتين. فالتشذيب البديل عليه أن يحترم الإطار، والإكسونات كثيرًا ما تكون من مضاعفات الثلاثة لهذا السبب.

تمرين 19.12 ★★★

«الشفرة حادث متجمد: اعتباطية، لكن تغييرها أبهظ من أن يُحتمل.» ناقش في فقرة: ما الذي يبدو اعتباطيًا في الشفرة، وما الذي يبدو مُحسَّنًا (الموضع الثالث، والكودونات المتشابهة للأحماض الأمينية المتشابهة)، ولماذا تكون الطفرة التي تغيّر نوعية إنزيم شحن مميتة دائمًا تقريبًا.

حل

حل التمرين 19.12.

الاعتباطي: لا شيء في الكيمياء يوجب أن تعني UUU الفينيل ألانين؛ فالإسنادات أعراف تحفظها إنزيمات الشحن. والمُحسَّن: الموضع الثالث هو الأشد انحلالًا، فالأخطاء والطفرات التي تقع فيه صامتة غالبًا، والكودونات التي تختلف بقاعدة واحدة تميل إلى تشفير أحماض أمينية متشابهة، فيكون الاستبدال هيّنًا غالبًا — أي إن الشفرة تصغّر ضرر الخطأ. والمتجمد: إنزيم شحن يغيّر نوعيته يغيّر كل بروتينات الخلية دفعة واحدة، وهي آلاف، في اللحظة نفسها؛ ولا تكاد خلية تنجو من ذلك، فلا تستطيع الشفرة أن تنجرف، وقد ثبتت منذ السلف المشترك لكل الأحياء.

19.7 مسألة: من مورّثة إلى بروتين

مسألة 19.1

مسألة نهاية الأسبوع — مورّثة من ثلاثين كيلوقاعدة تُتابع إلى بروتين من خمسمئة بقية: توقيت الاستنساخ، ووزن التشذيب، وعدّ الريبوزومات، وحساب الطاقة والأخطاء، وختامًا كلفة بروتين واحد بوحدات ATP

مورّثة بشرية تمتد 30 kb30\,\mathrm{kb} بثمانية إكسونات مجموعها 2000 2000\, نوكليوتيد من الرسول الناضج، منها 1503 1503\, تشفّر (500 بقية زائد التوقف). ويستنسخ البوليميراز II بسرعة 30 30\, نوكليوتيد في الثانية؛ وتستطيل الريبوزومات بسرعة 4 4\, بقايا في الثانية وتتباعد بواحد لكل 80 80\, نوكليوتيد؛ وعمر النصف للرسول 2 h2\,\mathrm{h}. والكلف: رابطتان عاليتا الطاقة لكل نوكليوتيد مستنسخ، وأربع لكل بقية مترجمة؛ وخذ الرابطة العالية الطاقة الواحدة ATP واحدًا. ومعدلات الخطأ: 10−510^{-5} لكل نوكليوتيد مستنسخ، و10−410^{-4} لكل كودون مترجم.

الجزء الأول — الاستنساخ والتشذيب.

  1. كم يستغرق بوليميراز واحد لاستنساخ المورّثة؟
  2. أي كسر من النسخة الأولية يزيله التشذيب؟
  3. كم نوكليوتيدًا يُستنسخ مقابل كل نوكليوتيد من الرسول الناضج؟
  4. احسب ATP المنفق على استنساخ نسخة أولية واحدة.
  5. إذا بدأ بوليميراز كل 10 s10\,\mathrm{s}، فكم بوليميرازًا على المورّثة معًا، وكم رسولًا تنتج المورّثة في الساعة؟
  6. احسب عدد الإنترونات وطولها الوسطي.
  7. يزيل الجسيم المشذِّب كل إنترون في نحو دقيقة، على التوازي. فهل التشذيب أم الاستنساخ هو الذي يحدد الزمن من المورّثة إلى الرسول؟
  8. احسب الطول الفيزيائي للمورّثة وللرسول الناضج (0.34 nm0.34\,\mathrm{nm} لكل نوكليوتيد).

الجزء الثاني — الترجمة.

  1. كم يستغرق ريبوزوم واحد لترجمة البروتين؟
  2. كم ريبوزومًا يقرأ رسولًا واحدًا معًا؟
  3. كم جزيء بروتين يعطي رسول واحد في الساعة؟
  4. وكم يعطي في المجمل على مدى عمر النصف 2 h2\,\mathrm{h} (رسول عمر نصفه t1/2t_{1/2} يعطي، وسطيًا، t1/2/ln⁡2t_{1/2}/\ln 2 ساعة من الإنتاج الكامل)؟
  5. احسب ATP المنفق على ترجمة بروتين واحد.
  6. احسب ATP المنفق على الاستنساخ لكل بروتين، بتوزيع كلفة النسخة على بروتينات السؤال 12.
  7. احسب الكلفة الكلية لبروتين واحد والكسر منها العائد إلى الترجمة.

الجزء الثالث — الأخطاء.

  1. احسب احتمال أن يحمل رسول معطى خطأ استنساخ واحدًا على الأقل في نوكليوتيداته المشفِّرة 1503 1503\,.
  2. احسب احتمال أن يحمل جزيء بروتين معطى خطأ ترجمة واحدًا على الأقل.
  3. نحو ربع تغيرات النوكليوتيدات صامت وثلث استبدالات الأحماض الأمينية غير ضار. فأي كسر من جزيئات البروتين المصنوعة معيب؟
  4. الرسول المعيب يعطي بروتينات معيبة ساعتين؛ والبروتين المعيب جزيء واحد. فسّر لماذا تحتمل الخلية معدل خطأ في الترجمة عشرة أمثال معدل الاستنساخ، وكليهما أعلى بكثير من معدل التضاعف.

الجزء الرابع — ميزانية الخلية. تصنع الخلية 30003000 نسخة من هذا البروتين في الساعة، وفي المجمل 3×1093 \times 10^{9} بقية من البروتين في اليوم.

  1. كم رسولًا من هذه المورّثة يجب أن يكون حاضرًا معًا (يعطي كل منها عدد السؤال 11)؟
  2. كم ريبوزومًا يشغله هذا البروتين؟
  3. احسب ATP اليومي الذي تنفقه الخلية على تخليق بروتيناتها كلها (أربعة لكل بقية) وكذلك، عند 50 kJ/mol50\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}، القدرة بالواط لخلية حجمها 2000 µm32000\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}.
  4. قارن بقدرة الخلية الكلية إذا استهلكت 1×109 1 \times 10^{9}\, ATP في الثانية.
  5. دواء يعطّل الجسيم المشذِّب. تنبأ بأثره في هذا البروتين وفي بروتين بكتيري.
  6. اذكر النتيجة: كلفة جزيء واحد من البروتين بوحدات ATP، موزعة بين الترجمة والاستنساخ، والزمن من بدء الاستنساخ إلى أول بروتين تام.
حل

حل المسألة 19.1.

1. 30 000/30=1000 s30\,000/30 = 1000\,\mathrm{s}، أي نحو 17 min17\,\mathrm{min}. 2. 28 000/30 000=93 %28\,000/30\,000 = 93\,\%. 3. 30 000/2000=1530\,000/2000 = 15. 4. 2×30 000=60 0002\times 30\,000 = 60\,000 ATP. 5. 1000/10=1001000/10 = 100 بوليميراز على المورّثة؛ و360 رسولًا في الساعة. 6. سبعة إنترونات، متوسطها 28 000/7=4000 28\,000/7 = 4000\, نوكليوتيد. 7. الاستنساخ (17 min17\,\mathrm{min})؛ فالإنترونات تُشذَّب وهي تُصنع، وآخرها لا يضيف غير دقيقة. 8. المورّثة 30 000×0.34 nm=10 µm30\,000\times 0.34\,\mathrm{nm} = 10\,\text{µ}\mathrm{m}؛ والرسول 0.68 µm0.68\,\text{µ}\mathrm{m}. 9. 500/4=125 s500/4 = 125\,\mathrm{s}. 10. 2000/80=252000/80 = 25. 11. تتم سلسلة كل 80/4=20 s80/4 = 20\,\mathrm{s}: أي 180 في الساعة. 12. 2/ln⁡2=2.9 h2/\ln 2 = 2.9\,\mathrm{h} من الإنتاج الكامل: أي نحو 520 بروتينًا. 13. 4×500=20004\times 500 = 2000 ATP. 14. 60 000/520=11560\,000/520 = 115 ATP لكل بروتين. 15. نحو 2100 ATP، منها 95 %95\,\% في الترجمة. 16. 1−(1−10−5)1503≈1503×10−5=1.5 %1 - (1 - 10^{-5})^{1503} \approx 1503\times 10^{-5} = 1.5\,\%. 17. 1−(1−10−4)500≈5 %1 - (1 - 10^{-4})^{500} \approx 5\,\%. 18. الاستنساخ: 1.5%×0.75×0.67≈0.75%1.5\%\times 0.75\times 0.67 \approx 0.75\% من الرسائل معيبة، ومن ثم من البروتينات؛ والترجمة: 5%×0.67=3.3%5\%\times 0.67 = 3.3\%؛ أي نحو 4 %4\,\% من الجزيئات. 19. خطأ البروتين محصور في جزيء واحد يُهضم سريعًا؛ وخطأ الرسول يُنسخ في مئات البروتينات؛ وخطأ التضاعف يرثه كل خلف إلى الأبد. فكلفة الخطأ، ومن ثم الدقة التي يستحق دفع ثمنها، ترتفع عند كل خطوة إلى الوراء. 20. 3000/180=173000/180 = 17 رسولًا حاضرًا. 21. 17×25=42017\times 25 = 420 ريبوزومًا. 22. 3×109×4=1.2×10103 \times 10^{9}\times 4 = 1.2 \times 10^{10} ATP في اليوم =2×10−14 mol= 2 \times 10^{-14}\,\mathrm{mol}، أي 1×10−9 J1 \times 10^{-9}\,\mathrm{J} في اليوم، أي 1.2×10−14 W1.2 \times 10^{-14}\,\mathrm{W} — أي 6 fW6\,\mathrm{fW} لكل ميكرومتر مكعب. 23. 10910^9 ATP في الثانية هي 8.6×10138.6 \times 10^{13} في اليوم: فتخليق البروتين جزء من مئة منها في هذه الخلية البطيئة التجدد (وفي بكتيريا منقسمة هو النصف). 24. لا رسول ناضج: فتتراكم النسخ الأولية في النواة ويختفي البروتين مع تحلل رسائله، في غضون ساعات. أما البروتين البكتيري، ومورّثته بلا إنترونات، فلا يتأثر. 25. نحو 2100 ATP لكل جزيء — منها 2000 للترجمة ومئة لحصته من النسخة؛ وأول بروتين بعد 1000 s1000\,\mathrm{s} من الاستنساخ، ودقيقة من المعالجة والتصدير، و125 s125\,\mathrm{s} من الترجمة: أي نحو عشرين دقيقة.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (479) في المسرد