شارح الدرس: عملية الترجمة الأحياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف عملية الترجمة، ونلخِّص دَوْر الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA)، والحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA)، والريبوسومات.

الريسين مادة شديدة السُّمِّية يُمكن استخلاصها من البذور الزيتية لنبات الخروع (هذه البذور موضَّحة في الشكل الآتي).

جرعة الريسين التي يبلغ حجمها حبيبات قليلة من ملح الطعام يُمكن أن تقتل انسانًا بالِغًا! في الواقع، استُخدِمَ الريسين عدَّة مرَّات على مرِّ التاريخ في بعض محاولات الاغتيال، كان أحدها عبارة عن مظلَّة معدَّلة لإطلاق حبيبات ضئيلة من الريسين!

إذن كيف يعمل الريسين؟ يُثبِّط الريسين عملية ترجمة البروتينات من الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA). وإذا لم تَستطِع الخلية إنتاج البروتينات، فإن كلَّ عمليات الأيض ستتوقَّف، وستموت الخلايا.

الجين مقطعٌ من الحمض النووي (DNA) يشفِّر وحدة وظيفية معيَّنة، البروتين على سبيل المثال. تذكَّر أنه لكي يُعبَّر عن أحد الجينات باعتباره بروتينًا، يجب نسخُه أولًا إلى الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA). ثم يُترجَم هذا الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) إلى سلسلة عديد الببتيد، وذلك في عملية تُسمَّى الترجمة. عديد الببتيد سلسلةٌ طويلةٌ من الأحماض الأمينية (وهي الوحدات البنائية للبروتينات). سلسلة عديد الببتيد هذه، عند ارتباطها بسلاسل أخرى، يُمكنها أن تُطوَى إلى البروتين المناظِر لهذا الجين.

في الخلايا الحقيقية النواة، يُنسَخ الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) في النواة، ثم يَخرُج عبر المسامِّ النووية إلى السيتوبلازم؛ حيث تَحدُث عملية الترجمة. في الخلايا البدائية النواة، والتي ليس بها أنوية، تَحدُث عمليتا النسخ والترجمة في السيتوبلازم.

عملية ترجمة جزيء الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) إلى عديد الببتيد تتضمَّن تحويل تتابع الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) إلى الأحماض الأمينية المناسبة. لعلك تتذكَّر أن التتابعات المكوَّنة من 3 نيوكليوتيدات تُكَوِّن ما يُسمَّى بالكودونات. وكل كودون يُمكن أن يشفِّر حمضًا أمينيًّا معيَّنًا بناءً على الشفرة الوراثية.

لعلك تتذكَّر أيضًا أن تتابعات الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) تُقرأ في الاتجاه إلى . على سبيل المثال، انظر تتابع mRNA الآتي:

يحمل الكودون «AUG» والكودون «UUC» شفرة الحمضين الأمينيين الميثيونين (Met) والفينيل ألانين (Phe)، على الترتيب. يُمكنك فكُّ شفرة أيِّ تتابع mRNA باستخدام عجلة الكودونات الموضَّحة في الشكل 2.

مثال ٢: تحديد تتابع الأحماض الأمينية من الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA)

لدينا هذا التتابع من الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA):

استخدِم عجلة الكودونات الموضَّحة لتحديد تتابع الأحماض الأمينية الذي سيُترجَم إليه تتابع mRNA هذا.

1.  Tyr, Asp, Gln, Pro
2.  Ser, Gly, Gln, Ser
3.  Tyr, Glu, Asn, Arg
4.  Stop, Asp, Lys, Pro
5.  His, Glu, Thr, Arg

الحل

لتحويل أحد جينات الحمض النووي (DNA) إلى بروتين، يجب أولًا تكوين الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) من خلال عملية تُسمَّى عملية النَّسْخ. تُنتِج عملية النَّسْخ تتابع الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) الذي يَحمل المعلومات نفسها التي تُوجَد في الحمض النووي (DNA) للجين، ولكنه حمض نووي ريبوزي (RNA)؛ لذلك فهو يتضمَّن اليوراسيل (U) بدلًا من الثايمين (T). يُمكن بعد ذلك أن يُترجَم تتابع الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) هذا إلى أحماض أمينية لتكوين عديد الببتيد من خلال عملية تُسمَّى الترجمة. ويُمكن طيُّ عديد الببتيد الناتج لتكوين البروتين المُناظِر للجين.

عجلة الكودونات، مثل الموضَّحة سابقًا، هي الشفرة الوراثية للكودونات والأحماض الأمينية المُناظِرة لها. ولاستخدام عجلة الكودونات، نبدأ من مركز العجلة (عند الطرف ) ثم نتَّجِه إلى الخارج (باتجاه الطرف ). تذكَّر أن تتابعات الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) تُقرَأ في الاتجاه إلى ، كما هو مُتعارَف عليه. إذن بالنسبة إلى الكودون -GAG-، سوف تَستخدِم عجلة الكودونات بدءًا من المركز وتَختار «G»، ثم في المنطقة التالية ستَختار «A»، ثم تختار «G» في المنطقة التالية. وهذا سيُعطينا الحمض الأميني Glu.

التتابع المُعطَى: يُمكن تقسيمه إلى كودونات بعد كلِّ نيوكليوتيدة ثالثة، وهو ما يُناظِر . دعونا نلقِ نظرةً على كيفية ترجمة كلِّ كودون إلى الحمض الأميني الخاص به:

•  Tyr :UAC
•  Glu :GAG
•  Asn :AAC
•  Arg :CGA.

إذن الإجابة الصحيحة هي الخيار (ج)، Tyr, Glu, Asn, Arg.

تتكوَّن عملية الترجمة من مكوِّنين رئيسيين: الأحماض النووية الريبوزية الناقلة (tRNAs) والريبوسومات. دعونا نتناول كلًّا منهما بالتفصيل.

الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) هو جزيء RNA محوِّل متخصِّص يُمكنه حمل الأحماض الأمينية إلى موقع الترجمة بهدف التخليق. بالنسبة إلى كلِّ كودون وحمض أميني، هناك حمض نووي ريبوزي ناقل (tRNA) يتوافَق معهما. وكلُّ جزيئات الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) لها شكل ورقة البرسيم المميَّز الذي يُمكن أن تراه في الشكل 3. ويرجع السبب في هذا الشكل المميَّز إلى قُدْرة الحمض النووي الريبوزي (RNA) المفرد الشريط على أن يُطوَى على نفسه وفقًا لأُسُس تزاوُج القواعد المتكامِلة.

يَحتوي كلُّ جزيء tRNA على منطقتين متخصِّصتين.

عند أحد الطرفين، تُوجَد حلقة مضاد الكودون في الجزء السُّفلي من الجزيء (الشكل 3). وهذه المنطقة مكمِّلة لتتابع الكودون الموجود على جزيء mRNA. ولأن هذه المنطقة مكمِّلة، فإن مضاد الكودون يُمكن أن تزدوج قواعده مع قواعد الكودون الموجود في جزيء mRNA. وهذه هي الطريقة التي يتفاعَل بها جزيء tRNA تحديدًا مع كودونات جزيء mRNA. على سبيل المثال، مضاد الكودون AUU (الموضَّح في الشكل 3) يُمكن أن يرتبط بكودون mRNA المكمِّل AAU ــــ ويَظهَر هذا في الشكل 4 مع مضاد الكودون الموضَّح في الاتجاه من ′3 إلى ′5.

والطرف الآخَر من الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) (بالأعلى) هو موقع ارتباط الحمض الأميني المُناظِر. في هذا المثال، AAU هو كودون الأسباراجين (Asn)؛ لذلك فإن هذا الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) سيَحمل الحمض الأميني «الأسباراجين».

بالإضافة إلى جزيء tRNA، فإن المكوِّن الرئيسي الآخَر لعملية الترجمة مركَّبٌ كبيرٌ من البروتين والحمض النووي الريبوزي (RNA) يُسمَّى الريبوسوم. هذا المركَّب آلة جزيئية كبيرة يُمكن أن تعمل مع جزيئات tRNA لتحويل جزيئات mRNA إلى عديدات الببتيد. وهو يَفعل هذا من خلال قراءة كلِّ مقطع من جزيء mRNA لفكِّ شفرة التتابع عن طريق تجميع الأحماض الأمينية المناسبة (التي تَحملها جزيئات tRNA) وتكوين روابط تساهُمية (روابط ببتيدية) بينها. يُمكن بعد ذلك أن يُطوَى عديد الببتيد الناتج إلى بروتين.

دعونا الآن نتحدَّث قليلًا عن تركيب الريبوسوم.

يتكوَّن الريبوسوم من وحدتين فرعيتين تُسمَّيان الوحدة الفرعية الكبيرة والوحدة الفرعية الصغيرة، كما يَظهَر في الشكل 5. أثناء عدم قيام الوحدتين الفرعيتين بالترجمة، تَنفصلان وتَبقَيان في السيتوبلازم حتى يكون هناك حاجة إلى ترجمة شريط آخَر من الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA).

تتكوَّن الوحدتان الفرعيتان للريبوسوم من بروتين وحمض نووي ريبوزي (RNA). ويُعتبَر الحمض النووي الريبوزي (RNA) الموجود بالريبوسوم نوعًا متخصِّصًا يُسمَّى الحمض النووي الريبوزي الريبوسومي (rRNA). تُجمَّع الريبوسومات في نوية الخلايا الحقيقية النواة حيث يُمكن تجميع مئات الآلاف من الريبوسومات في غضون ساعة واحدة. وعندما تتجمَّع الوحدات الفرعية للريبوسومات، تنتقل إلى السيتوبلازم؛ حيث يُمكنها إجراء عملية الترجمة.

والآن بعد أن عرفنا المكوِّنين الرئيسيين لعملية الترجمة، حان الوقت لوصْف كيفية عمل الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) والريبوسومات معًا لترجمة تتابع الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) إلى عديد الببتيد المُناظِر.

هناك ثلاث خطوات رئيسية لعملية الترجمة: البدء والاستطالة والانتهاء.

أثناء البدء، ترتبط الوحدة الفرعية الصغيرة للريبوسوم أولًا بجزيء mRNA، ثم تتحرَّك على طول الجزيء حتى تَجِد كودون البدء. وهذا الكودون هو التتابع AUG، الذي يُناظِر الحمض الأميني «الميثيونين» (Met). وبمجرد ارتباطهما، يرتبط جزيء tRNA، الذي يَحمل الحمض الأميني «الميثيونين»، بالوحدة الفرعية الصغيرة للريبوسوم، كما هو موضَّح في الشكل 6.

بمجرد ارتباط جزيء tRNA الذي يَحمل الميثيونين بكودون البدء، ترتبط الوحدة الفرعية الكبيرة بالوحدة الفرعية الصغيرة، ويُمكن أن تبدأ مرحلة الاستطالة من عملية الترجمة. تَحتوي الوحدة الفرعية الكبيرة على 3 مواقع يُمكن أن يتفاعَل معها جزيء tRNA. الموقع «A» هو موقع الأمينو أسيل، والموقع «P» هو موقع الببتيديل، والموقع «E» هو موقع الخروج. وعند ارتباط الوحدة الفرعية الكبيرة، ينتقل جزيء tRNA المرتبط بكودون البدء إلى الموقع «P». بعد ذلك يرتبط جزيء tRNA التالي الذي يَحمل الحمض الأميني المناسب بجزيء mRNA عند موقع الأمينو أسيل. والآن يُمكن للريبوسوم أن يربط الحمضين الأمينيين معًا عن طريق تكوين رابطة ببتيدية بمُساعَدة النشاط الإنزيمي للببتيديل ترانسفيريز الموجود في الوحدة الفرعية الكبيرة للريبوسوم. وهذا يُمكن أن يربط الحمض الأميني التالي بالحمض الأميني السابق لإطالة سلسلة عديد الببتيد. وتَظهَر خطوة الاستطالة من عملية الترجمة في الشكل 7.

الريسين، وهو المادة السامَّة التي سبق الحديث عنها، له نشاط إنزيمي، ويُمكنه تكسير أو إزالة مكوِّنات معيَّنة من الريبوسوم تُشارك في مرحلة الاستطالة. وهو ما يَمنع الريبوسوم من الاستمرار في خطوة الاستطالة، وهو ما يؤدِّي إلى توقُّف تخليق البروتين في الخلايا.

بعد ذلك، يتحرَّك الريبوسوم في الاتجاه إلى على طول جزيء mRNA حتى يَصِل إلى الكودون التالي. وهذا يَنقل جزيئات tRNA إلى مواقع جديدة في الريبوسوم. والآن فإن جزيء tRNA، الذي فَقَد حمضه الأميني في الخطوة السابقة، يَدخُل إلى الموقع «E» ويَخرُج من الريبوسوم، ثم يَنتقل جزيء tRNA الذي يَحمل سلسلة عديد الببتيد إلى موقع الببتيديل، ثم يَدخُل جزيء tRNA جديد، يحتوي على الحمض الأميني الموافق للكودون التالي، إلى موقع الأمينو أسيل. ويَظهَر ذلك في الشكل 8.

تتكرَّر هذه الخطوات، وتستمرُّ سلسلة عديد الببتيد في الاستطالة حتى الوصول إلى كودون وقْف (UAA أو UAG أو UGA). تبدأ خطوة انتهاء عملية الترجمة بواسطة بروتينات معيَّنة تُسمَّى عوامل الإطلاق، تجعل الريبوسوم يُطلِق سلسلة عديد الببتيد وجزيء mRNA. وبعد ذلك يُمكن لعديد الببتيد أن يُطوَى لشكله المناسب.

مثال ٤: فهْم مراحل عملية الترجمة

يوضِّح الشكل مراحل عملية الترجمة بترتيب غير صحيح. رتِّب المراحل ترتيبًا صحيحًا.

الحل

الترجمة عملية تحويل الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) إلى عديد الببتيد المُناظِر.

موقع عملية الترجمة هو الريبوسوم، الذي يتكوَّن من وحدتين فرعيتين (وحدة فرعية صغيرة ووحدة فرعية كبيرة). تُساعِد الأحماض النووية الريبوزية الناقلة (tRNAs) في حمل الأحماض الأمينية المُناظِرة (وفقًا للكودونات الموجودة على جزيء mRNA) إلى موقع يُمكن للريبوسوم فيه تكوين روابط ببتيدية لربط الأحماض الأمينية معًا. يَحتوي tRNA على حلقة لمضاد الكودون يُمكنها تكوين روابط هيدروجينية مع تتابع الكودون المكمِّل لها والموجود على الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA).

تبدأ هذه العملية بارتباط الوحدة الفرعية الصغيرة للريبوسوم بالطرف لشريط mRNA. بعد ذلك، يدخل جزيء tRNA الخاص بهذا الكودون إلى الريبوسوم ويرتبط بشريط mRNA من خلال مضاد الكودون الخاص به. بعد ذلك، ترتبط الوحدة الفرعية الكبيرة للريبوسوم بالوحدة الفرعية الصغيرة. ويرتبط جزيء tRNA التالي، الذي يحتوي على مضاد الكودون المكمِّل، بالكودون التالي الموجود على شريط mRNA. وبمجرد ارتباطهما، يُمكن أن يربط الريبوسوم الحمضين الأمينيين معًا من خلال رابطة ببتيدية. وبعد ذلك يتحرَّك الريبوسوم ويُطلِق جزيء tRNA الأول (وهو خالٍ الآن من أيِّ حمض أميني) ليَسمَح بدخول جزيء tRNA آخَر مكمِّل للكودون التالي. تستمرُّ عملية الاستطالة حتى الوصول إلى كودون وقْف؛ حيث يُطلِق الريبوسوم عديد الببتيد والحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA).

إذن الترتيب الصحيح هو (ب)، (أ)، (هـ)، (د)، (ج).

يُمكن تخليق سلاسل عديد الببتيد بشكلٍ سريع نسبيًّا بمعدَّل 10 أحماض أمينية تقريبًا كلَّ ثانية. من ناحية أخرى، يتكوَّن بروتين الإنسولين من سلسلتَيْ عديد ببتيد يُمكن أن يبلغ طولاهما معًا حوالي 50 حمضًا أمينيًّا؛ ولهذا يَستغرِق الريبوسوم حوالي 5 ثوانٍ أثناء تخليقه. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن أن يُترجَم جزيء mRNA الواحد بواسطة عدَّة ريبوسومات، وذلك يكوِّن تركيبًا يُطلَق عليه عديد الريبوسوم، ليَسمَح بالتخليق المتزامِن لسلسلة عديد ببتيد مفردة. وعندما يُترجَم الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA)، يُمكن إعادة استخدامه في المزيد من عمليات الترجمة حتى تُحلِّله في النهاية.

دعونا نلخِّص بعض النقاط الرئيسية التي تناولناها في هذا الشارح.