شيفرة جينية
الشفرة الجينية أو الكودون (بالإنجليزية: Codon) عبارة عن قواعد ثلاثية مركبة من ثلاثة قواعد نتروجينية يمكنها أن تتراص طبقا للشفرة الجينية لتشكليل تسلسل الحمض النووي «DNA sequences» إلى بروتينات عن طريق مقابلة كل ثلاثية نيكليوتيدية (كودون) بحمض أميني من الحموض العشرين التي تشكل بروتينات الخلايا الحية. تقريبا جميع الخلايا الحية في الأحياء تستخدم الشفرة الجينية ذاتها مما يدعو لتسميتها بالشفرة الجينية القياسية «standard genetic code» ، وهي خاصة لكل إنسان، مع أن بعض الأنواع القليلة تقدم شفرة جينية ذات اختلافات طفيفية ولها وظائف أخرى، مثل الكودون الختامي.
الاكتشاف
بدأت جهودا جادة لفهم كيف يتم ترميز البروتينات بعد اكتشاف تركيب الحمض النووي (DNA) من قبل جيمس واطسون و فرانسيس كريك ، الذين استخدما الأدلة التجريبية من موريس ويلكنز و روزاليند فرانكلين (وغيرهم). جورج جامو افترض أن رمز من ثلاثة أحرف يجب أن يوظف لترميز 20 من الأحماض الأمينية القياسية المستخدمة من قبل الخلايا الحية لبناء البروتينات . ومع وجود أربعة نوكليوتيدات مختلفة A وT و G وC ِ، فإذا اعتبرنا أن كل اثنين منهم ينتج حمضا أمينيا لحصلنا على عدد التباديل والتوافيق الممكنة بينهم =42 أي يمكنهم إنتاج 16 حمض أميني.
وفي حالة رمز من 3 نوكليوتيدات فيكون أقصى عدد لتبادلات تركيب الـ 4 نوكليتيدات لأحماض أمينية = قالب:بدون لف 64 حمض أميني مختلف.
اكتشاف جيمس واتسون وفرنسيس كريك للشفرة الوراثية
ربما يرى الكثيرون أن الاكتشاف الخاص بالشفرة الوراثية في عام ١٩٥٣، الذي توصل إليه العالم |لأمركي والمالم جيمس واتسون والعالم البريطاني فرنسيس كريك بالعمل معا في معمل كافندش في كامبريدج، هو أكبر اكتشاف علمي في القرن العشرين. من المؤكد أن العثور على بناء للمركب الكيميائي الوراثي المعروف باسم الحامض النووي (DNA) كان له أهمية بالغة، فبفضل هذا الاكتشاف استطعنا التعرف على رموز شفرة الصفات الوراثية الكاملة المسئولة عن تكوين الكائنات الحية جميعها، بما فيها الإنسان (١٩٩٠)، الأمر الذي نتج عنه التوصل إلى أنواع جديدة وفعالة من علم التقنية الحيوية.
لهذا الاكتشاف تاريخ طويل يرجع على الأقل إلى الاكتشافات التي توصل إليها كل من جوهان ميشر وولتر فليمينج، حيث قاما باكتشاف الحامض النووي الموجود داخل نوى الخلايا في عام ١٨٦٩ . وبعد فترة من الزمن، جاء أروين تشارجاف (١٩٥٠) بقوانينه التي تنص على أنه دائما ما تكون الوحدات الكيميائية الأساسية (لتي تشكل القواعد الأربع) بالحامض النووي (DNA) مجتمعة مع بعضها البعض: الأدينين مع الثيمين والجوانين مع السيتوزين. من ناحية أخرى، قام بعض العلماء باستخدام أشعة إكس لاكتشاف كيفية تجمع البروتينات مع بعضها البعض، وقد اكتشفوا أن كثير من البروتينات كانت مجتمعة على شكل زنبرك (نابض) حلزوني.
إلى جانب هذا الإنجاز العظيم الذي حققه كل من واتسون وكريك (أمام بعض الباحثين البارزين أمثال لينيوس بولينج) ، كات الصور التي أخذت بواسطة أشعة إكس (الأخوان براج ١٩١٥) على القدر نفسه من الأهمية، والتي التقطها موريس ويلكينز وروزاليند فرانكلين في عام ١٩٥٢، اللذان عملا معا في جامعة كينج بلندن. وقد خضعت هذه الصور للعديد من التفسيرات، إلا أنها أضمرت داخلها دلائل مهمة للحل الذي اقترحه كل من واتسون وكريك. فقد أظهرت هذه الصور أن الحامض النووي (DNA) ليس له مسار حلزوني واحد وإنما له مساران مشتبكان مع بعضهما البعض مثل السلم الحلزوني. ويتم تشبيه درجات السلم بأزواج القواعد: الأدينين مجتمع مع الثيمين والجوانين مجتمع مع السيتوزين. وهذه الدرجات تم الجمع بينها في الوسط بواسطة عامل الجذب المشترك لذرات الهيدروجين الموجودة في كل نصف من الدرجة.
يمضي العلم قدماً بواسظة روح المغامرة التي تتسم بالحيوية والاعتقاد في أنه بمجرد العثور على الحقيقة، فإنها ستكون بسيطة وجذابة في الوقت نفسه. جيمس واتسون
يوضح هذا الشكل البناء الحلزوني المزدوج للمركب الكيميائي الرئيسي المتمثل في الحامض النووي (DNA)، كما اكتشفه كل من جيمس واتسون وفرنسيس كريك في عام ١٩٥٣. يقطع كل التواء من هذه الالتواءات الحلزونية مقدار ٣ نانو متر (مليارات الأجزاء من المترات). وتقوم أزواج من هذه القواعد، التي تتماسك مع بعضها البعض بواسطة الجاذبية الموجودة بين الذرات الهيدروجينية والتي تشبه درجات السلم الحلزوني، بالامتداد في الفجوة الموجودة بين عظام العمود الفقري المتشابكة والمكونة من فوسفات السكر. ويعد التنظيم الدقيق لهذه الوحدات الكيميائية هو مفتاح الشفرة الوراثية.
يشبه تركيب الحامض النووي لسكر الريبوز المعروف اختصاراً بـ RNA هذا البناء السابق، مع وجود بعض الاختلافات البسيطة في المركب الكيميائى للعمود الفقري وإحدى هذه القواعد. كما أنه عادة ما ياخذ الحامض النووي لسكر الريبوز مساراً حلزونيا واحدا بدلا من المسار المزدوج.
بهذا تمكن واتسون وكريك من شرح كيف يقوم الحامض النووي (DNA) استنساخ نفسه في كل مرة تنقسم فيها الخلية، في حين أنه يجب أن تتضاعف عدد الكروموسومات جميعها بالإضافة إلى الخلايا الموجودة داخلها (ميشر وفليمنج ١٨٦٩). بعد ذلك، تقوم الروابط الهيدروجينية بالانقسام وينفصل المساران الحلزونيان عن بعضهما البعض. ومن خلال المادة الكيميائية الموجودة بالخلية، يقوم كل نصف من هذا السلم الآن بتجميع المواد لإعادة بناء الجانب المفقود منه. فيجتمع الأدينين مع الثيمين والجوانين مع السيتوزين، وبهذا يكون عمود السلم قد أعيد بناؤه ليتكون لدينا الآن جزءان من الحامض النووي (DNA) بدلاً من جزء واحد.
لقد اتضح لنا الآن كيفية عمل الشفرة الوراثية. فمن أجل التحكم في تكوين بروتين معين، تحتاج كل رسالة مشفرة (ويقصد بها الجين) إلى توفير النظام الذي يتعين فيه تجميع الأحماض الأمينية مع بعضها البعض. أما عن رموز هذه الشفرة فتتمثل في الحروف الأولى من القواعد الأربع الأدينين والثيمين والجوانين والسيتوزين (A, T, G, C). وقد افترض واتسون وكريك أن كل كلمة (وتعرف اصطلاحا بالرامزة وهي الوحدة الأساسية للشفرة الوراثية) تمثل حمضا أمينيا بعينه في السلسلة التي تكون البروتينات.
ترى ما عدد الحروف الذي تحتاجه كل كلمة؟ إن حرفين لا يكفيان للحصول على كلمة واحدة، حيث يوجد ١٦ طريقة فقط لاختيار حرفين من أربعة وترتيبهما. وبهذا، سيكون لدينا عدد كلمات غير كاف لتمثيل الأحماض الأمينية العشرين المعروفة. بينما لو كان لدينا ثلاثة أحرف للكلمة الواحدة، فسيكون لدينا ٦٤ احتمالاً، مع ترك بعض الكلمات لتستخدم في أغراض أخرى (١٩٦٦),
بذلك، أظهر كل من واتسون وكريك عبقريتهما في استخلاص كل هذه النتائج رغم تعقيد الأدلة المتاحة. وقد حازا على جائزة نوبل للطب في عام ١٩٦٢، وشاركهما فيه موريس ويلكينز ولم تشاركهم الجائزة روزاليند فرانكلين لأنها كانت قد توفيت في عام ١٩٥٧، عن عمر يناهز السابعة والثلاثين عائل.
السمات البارزة
هذه الشفرة يقول عنها العلماء : انها تحمل كل الصفات الخِلْقِيَّة للكائن الحي، وهذه الشفرة امرها غريب .، لان نصف هذه الصفات الخلقية، يرثها الجنين عن الأب، ويرث النصف الآخر عن الام، وتُحمَل هذه الشفرة فيما يسمى (بالكروموسومات أو الصبغيات ) . وهي مختزنة في نواة كل خلية. وعدد الكروموسومات أو الصبغيات هو عدد محدِّد للنوع، وكل نوع له عدد محدَّد من هذه الصبغيات، فالإنسان مثلا في خليته ( 46 كروموسوم ) موجودة في (23 زوج) .
هذا بالنسبة للصفات الخلقية للمولود مثل لون العينين ولون الشعر، والشكل (الوجه واليدان والذراعان والرجين) ، والطول والعرض، وكذلك صفات معنوية مثل الذكاء والمواهب، وصفات صحية مثل حساسية لسكر اللبن حساسية للجلوتين، احتمال التعرض مستقبلا لأمراض القلب أو السمنة، وغيرها.
أما الدنا الخاص بتركيب البروتينات فهو موجود في متقدرة الخلية ؛ حيث عمليات الأيض (إستقلاب) وإنتاج الطاقة تقوم بها المتقدرات.
تسلسل إطار القراءة
يتم تعريف تسلسل معلومات النظام الجيني من النوكليوتيدات الأولي التي تبدأ من الترجمة. على سبيل المثال، سلسلة GGGAAACCC، إذا قُرأت من الموضع الأول (من اليمين إلى اليسار) يحتوي على الكودونات GGG، AAA ، CCC؛، وإذا قرأت من الموضع الثالث (من اليمين إلى اليسار) ، نجد الكودونين المتتابعين AAC و GGA ، بهذا تختلف تركيبات البروتينات الناتجة. قالب:صفحات مرجع معنى ذلك أن الجزيئات الناتجة تختلف حسب موضع بدء القراءة. يقوم الرنا بقراءة الشفرة ويترجمها وينتج منها الجزيء المناسب سواء كان جزيء بروتين أو إنزيم أو غيرها.
جدول كودونات الرنا (RNA)
الحمض النووي الريبوزي يُسمى اختصارًا رنا RNA، هو جزيء حيوي يتواجد تقريبًا لدى كل الكائنات الحية والفيروسات، كما يلعب أدوارًا متعددة في نقل و تشفير و فك تشفير و تنظيم التعبير الجيني من المعلومات الوراثية وتحفيز العديد من التفاعلات الكيميائية الحيوية. الرنا والدنا (DNA) هما أهم الأحماض النووية التي تُشكِّل أيضا البروتينات والليبيدات و السكريات المتعددة الضرورية للحياة. يتكون الرنا وكذلك الدنا من مجموعات ثلاثية من الجزيئات، تسمى كودونات . هذا الجزء من المقال يوضح تركيب بروتينات في جسم الإنسان من مختلف الكودونات. الكودونات هي أحماض أمينية بسيطة، تنتجها عمليات الهضم والاستقلاب من الغذاء. بعضها يمكن للجسم تكوينها والبعض الآخر لا بد للإنسان من تناولها عن طريق تنويع غذائه (غذاء صحي).
| غير قطبي | قطبي | قاعدي | حامضي | (كودون التوقف) |
| القاعدة الثانية | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| U | C | A | G | ||
| القاعدة الأولى |
U | UUU (Phe/F) فينيل ألانين فينيل ألانين UUC (Phe/F) Phenylalanine |
UCU (Ser/S) سرين UCC (Ser/S) سرين |
UAU (Tyr/Y) تيروسين UAC (Tyr/Y) تيروسين |
UGU (Cys/C) سيستين UGC (Cys/C) سيستين |
| UUA (Leu/L) ليوسين | سيرين UCA (Ser/S) Serine | UAA Ochre (Stop) | UGA Opal (Stop) | ||
| UUG (Leu/L) Leucine | UCG (Ser/S) سرين | UAG Amber (Stop) | UGG (Trp/W) تريبتوفان | ||
| C | CUU (Leu/L) Leucine CUC (Leu/L) Leucine |
CCU (Pro/P) برولين CCC (Pro/P) Proline |
CAU (His/H) هستيدين CAC (His/H) Histidine |
CGU (Arg/R) أرجنين CGC (Arg/R) Arginine | |
| CUA (Leu/L) Leucine CUG (Leu/L) Leucine |
CCA (Pro/P) Proline CCG (Pro/P) Proline |
CAA (Gln/Q) جلوتامين
CAG (Gln/Q) Glutamine |
CGA (Arg/R) Arginine CGG (Arg/R) Arginine | ||
| A | AUU (Ile/I) إيزوليوسين AUC (Ile/I) Isoleucine |
ACU (Thr/T) ثريونين ACC (Thr/T) Threonine |
AAU (Asn/N) أسباراجين AAC (Asn/N) Asparagine |
AGU (Ser/S) Serine AGC (Ser/S) Serine | |
| AUA (Ile/I) Isoleucine | ACA (Thr/T) Threonine | AAA (Lys/K) لايسين | AGA (Arg/R) Arginine | ||
| AUG[A] (Met/M) ميثيونين |
ACG (Thr/T) Threonine | AAG (Lys/K) Lysine | AGG (Arg/R) Arginine | ||
| G | GUU (Val/V) ڤالين GUC (Val/V) ڤالين |
GCU (Ala/A) ألانين GCC (Ala/A) ألانين |
GAU (Asp/D) حمض الأسپارتيك GAC (Asp/D) حمض الأسپارتيك |
GGU (Gly/G) گلايسين GGC (Gly/G) گلايسين | |
| GUA (Val/V) ڤالين GUG (Val/V) ڤالين |
GCA (Ala/A) ألانين GCG (Ala/A) Alanine |
GAA (Glu/E) حمض الجلوتاميك GAG (Glu/E) Glutamic acid |
GGA (Gly/G) گلايسين GGG (Gly/G) گلايسين | ||
- A تسلسل معلومات النظام الجيني يبدأ بالكودون AUG لالميثيونين ويعمل كموقع بدء قراءة البروتين: يظهر AUG في مقدمة تشفير حمض نووي ريبوزي رسول المنطقة حيث يبدأ ترجمتها إلى البروتين. كما يبدأ الكودون AUG بمقدمة الكودونات المتتابعة لتشكيل البروتين في حقيقيات النوى بواسطة mRNA المرسال وينتج نوعا آخر من الميثيونين ويرمز له ب (fMet/M). وكما نجد للبروتين بداية فله نهاية أيضا ؛ ينتهي بكودون توقف stop codon.
| Ala/A | GCU, GCC, GCA, GCG | Leu/L | UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG |
|---|---|---|---|
| Arg/R | CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG | Lys/K | AAA, AAG |
| Asn/N | AAU, AAC | Met/M | AUG |
| Asp/D | GAU, GAC | Phe/F | UUU, UUC |
| Cys/C | UGU, UGC | Pro/P | CCU, CCC, CCA, CCG |
| Gln/Q | CAA, CAG | Ser/S | UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC |
| Glu/E | GAA, GAG | Thr/T | ACU, ACC, ACA, ACG |
| Gly/G | GGU, GGC, GGA, GGG | Trp/W | UGG |
| His/H | CAU, CAC | Tyr/Y | UAU, UAC |
| Ile/I | AUU, AUC, AUA | Val/V | GUU, GUC, GUA, GUG |
| START | AUG | STOP | UAA, UGA, UAG |
