DNA  زلاليات وصفات

تعتبرالزلاليات (البروتينات) من أهم المواد التي تقوم بتشكيل صفات الكائن الحي. فيما يلي بعض من الوظائف التي تقوم بها الزلاليات والتي تلقي الضوء على أهميتها العظمى للحياة:

1- إنزيمات.  فالخلايا الحيّة تحتوي على آلاف الإنزيمات المختلفة، وكل إنزيم يحفز تفاعلاً واحداً خاصاً.  هذه التفاعلات هي التي تسيطر على مختلف عمليات الحياة التي تحصل في الكائن الحي، مثل استخلاص الطاقة وبناء المواد الضرورية وانقسام الخلايا واستيعاب أو إخراج مواد وغيرها.

2-  زلاليات حركة والتي تساهم في توليد حركة في الخلايا والأنسجة.  أمثلة: الميوزين في العضلات هو الذي يجعلها قادرة على الإنقباض والإرتخاء أي قادرة على توليد حركة. أما الكينيزين فهو الزلال الذي يجعل العضيّات تتحرك داخل الخلايا.

2-  مستقبلات (receptors ).  وهي تلك البروتينات التي تشخص الإشارات الضوئية (مثلما يحصل بواسطة الرودوبسين في شبكية العين) أو تشخص الإشارات الكيماوية (مثل المستقبلات الموجودة في أغشية الخلايا والحساسة للهورمونات أو للإفرازات العصبية ) أو تشخص التغيرات الحرارية الخ...

4- زلاليات بنائية تساهم في توفير الدعم الميكانيكي للخلايا والأنسجة مثل الزلاليات التي تشكل هيكل الخلية وبالتالي تقرر شكلها ووظيفتها والزلاليات الموجودة بين الخلايا وخاصة الكولاجين والإلاستين والتي تساعد في تلاصق الخلايا وعملها سوية.

5- زلاليات خزن مثل ألبومين البيضة والذي يعتبر مخزناً غذائياً لجنين الصوص أثناء نموه وزلال الكازئين الذي يوجد في حليب الثدييات ويستفسد منه المواليد الرضّع.

6- زلاليات ناقلة مثل الزلاليات التي توجد في أغشية الخلايا وتقوم بنقل الجزيئات الصغيرة من وإلى الخلية وكذلك الزلاليات الموجودة في تيار الدم مثل الألبومين الذي يقوم بنقل الليبيدات (الدهنيات) والهيموجلوبين الذي ينقل الأكسجين والترانسفيرين الذي ينقل الحديد.

7- زلاليات مؤثرة،  فهنالك الكثير من الهورمونات التي تتألف من زلاليات.  الإنسولين مثلاً، وهو الهورمون الذي ينظم مستوى السكّر في الجسم، عبارة عن زلال ذي جزيئات صغيرة نسبياً.

ما ذكر هو جزء فقط من الوظائف التي تقوم بها الزلاليات في الجسم الحي بل يمكن القول إنّ كل صفاتنا تتشكل بطريق أو بأخرى بواسطة الزلاليات.

ممّ تتركب الزلاليات؟

تتألف الزلاليات من وحدات بناء أساسية تدعى الحوامض الأمينية.  هنالك 20 حامضاً أمينياً مختلفاً تتألف منهم كل أنواع الزلاليات الموجودة في العالم الحي إن كان ذلك في الفيروسات والبكتيريا أو في الثدييات وعلى رأسها الإنسان.  تتشابه هذه الحوامض الأمينية بأن كلاً منها يحتوي على مجموعة كاربوكسيلية   COOH   ومجموعة أمينية NH₂ مرتبطتين إلى نفس ذرة الكربون بالإضافة إلى سلسلة كربونية تتفاوت من حامض أميني إلى آخر.  تختلف الحوامض الأمينية باختلاف سلاسلها الكربونية، فهنالك بعض الحوامض الامينية التي تمتاز سلاسلها الكربونية بأنها قاعدية وأخرى حامضية وأخرى غير قطبية وهكذا...

تستطيع الحوامض الأمينية أن تتحد معا بواسطة أربطة كيماوية تسمى أربطة ببتيدية، والسلسلة الناتجة من هذا الإتحاد تسمى "ببتيد" وقد يكون الببتيد مكوناً من حامضين أمينيين فيدعى عندها "ببتيد ثنائي" أو مكوناً من عدد من الحوامض الأمينية وعندها يدعى "عديد الببتيد" (بولي ببتيد). الببتيدات هي عملياً سلاسل زلالية (سلاسل بروتينية).

بولي بيتيد

تختلف السلاسل الزلالية عن بعضها بثلاثة أمور:

1. عدد جزيئات الحوامض الأمينية المكونة لها (على سبيل المثال يتألف جزيء الإنسولين من 51 جزيء حامض أميني بينما يتألف جزيء الهيموجلوبين من 300 جزيء حامض أميني).
2. أنواع الحوامض الأمينية المؤلفة لها.
3. تسلسل الحوامض الأمينية داخل الجزيء.

ألأمورالسابقة هي التي تقرر الطريقة التي يتشكل بواسطتها الزلال.  فالسلاسل الزلالية تصنع إلتفافات وإنثناءات وطيّات فيما بينها هي التي تقرر مبناها المجسّم.  الأربطة التي تربط بين الطيّات المختلفة هي أربطة هيدروجينية وأربطة ثنائية الكبريت.  المبنى المجسّم للزلال هو الذي يقرر وظيفته.

خلاصة:

عدد ونوع وتسلسل الحوامض الأمينية داخل سلسلة الزلال هو الذي يقرر صفاتها الكيماوية والفيزيائية وبالتالي يقرر وظيفتها في الجسم الحي.  الوظائف المختلفة التي تقوم بها الزلاليات هي التي تشكل صفاتنا.  إنّ أي ضرر أو تغيير في الزلاليات التي يتركب منها جسمنا، من شأنه أن يؤدي إلى ضرر في الجسم كله.

ما الذي يقرر كيف تترتب الحوامض الأمينية داخل جزيء الزلال وكم يكون عددها وأية أنواع تشترك في بنائه؟

ألجواب على هذا السؤال هو تسلسل وعدد النوكلئوتيدات في أل DNA .

توجد مادة ال DNA داخل عضيات في نواة الخلية تدعى كروموسومات.  في كل خلية من خلايا الإنسان يوجد 23 زوجًا من الكروموسومات (ما عدا في الخلايا التناسلية التي تحتوي كل منها على 23 كروموسومًا فقط).

DNA الإنسان يتألف من 3 مليار نوكلئوتيد تقريباً، 10% منها تقريباً تشترك في بناء الزلاليات المختلفة في الجسم أما أل 90% الباقية فلا تعرف وظائفها على وجه التحديد.

كل قطاع من أل DNA والذي يحدد بناء سلسلة زلالية معينة يسمى "جين" أو "موروثة" (Gene ).  يتألف كل كروموسوم من جينات يترواح عددها بين مئات وآلاف.

نموذج يبين المبنى ثنائي الجديلة لل DNA وفيه تفصيل للذرات التي يتألف منها

في خلايا الحيوان والنبات والإنسان توجد الكروموسومات داخل مبنى محدّد ومحاط بغشاء هوالنواة، بينما يتم إنتاج الزلاليات في السيتوبلازما.  لا تستطيع الكروموسومات أن تنتقل من النواة إلى السيتوبلازما بسبب كبر حجمها، فكيف إذن تستطيع هذه الكروموسومات أن تسيطر على إنتاج الزلاليات الذي يحصل في مكان آخر؟

ألجواب على هذا السؤال هو أنّ "نسخاً" من المعلومات الوراثية تنتقل من النواة إلى السيتوبلازما على شكل مادة أخرى هي أل RNA.  لا يتم نسخ كل الكروموسومات وإنما الجينات الفعالة في كل خلية.  الجينات هي قطاعات صغيرة نسبياً ولذلك الجزيئات المنسوخة عنها صغيرة هي الأخرى  وبامكانها الإنتقال من النواة إلى السيتوبلازما.

ألنوع السابق من ال RNA يدعى RNA رسول (messenger-RNA ) لأنه يحمل المعلومات الوراثية من الكروموسومات إلى السيتوبلازما.

أل RNA هو أيضاً حامض نووي ولكنه يختلف عن أل DNA بثلاثة أمور:

1. يحتوي على ريبوز وليس دي أكسي ريبوز.
2. يحتوي على القاعدة النيتروجينية يوراسيل (U ) بدل الثيمين (T ).
3. أحادي الجديلة.

نسخ أل RNA عن الجين المعيّن يتم على النحو التالي:

1. إنزيم DNAase يفك سلسلتي أل DNA المؤلفتين للجين.
2. إنزيم RNA بوليميراز يقوم بربط نوكلئوتيدات حرة إلى النوكلئوتيدات الموجودة في إحدى السلسلتين ، بحيث أنّ C يتحد مع G وأنّ U يتحد مع A .  يقوم هذا الإنزيم بنسخ الجين من بدايته وحتى نهايته مكوناً  جزيئات RNA فيها تسلسل من النوكلئوتيدات شبيه بالتسلسل الموجود في الجين مع اختلاف واحد هو أنّ القاعدة النيتروجينية U تأتي بدل القاعدة النيتروجينية T .  هذا الإختلاف لا يغيّر من المعلومات الوراثية  لأن أنظمة الخلية "تقرأ" هذين الرمزين وكانهما رمز واحد.
3. تنفصل جزيئات ال RNA عن ال DNA وتنتقل إلى السيتوبلازما.

تسمى العملية السابقة "نسخ "

الإنزيم الذي ينسخ الجين  يعرف أن يبدأ واين يُنهي!  فهنالك ثلاثيات من النوكلئوتيدات تشكل للإنزيم موقع بداية لعملية النسخ (promotor ) وهنالك ثلاثيات تشكل للإنزيم موقع نهاية لعملية النسخ (stop ).

تحصل عمليةالنسخ على إحدى جديلتي ال DNA فقط. 

"ترجمة" ال RNA إلى سلاسل زلالية

اتضح من الأبحاث أن كل ثلاثية متتالية من النوكلئوتيدات في ال RNA الرسول تترجم إلى حامض أميني معيّن.  وبما أنّ عدد انواع النوكلئوتيدات هو أربعة (A,U,C,G ) فإنّ عدد الثلاثيات المختلفة التي يمكن  تكوينها هو 64 .  عدد أنواع الحوامض الأمينية هو 20 نوعاً ولذلك فمن الواضح أنّ هنالك حوامض أمينية تحددها أكثر من ثلاثية واحدة.  كما أنّ هنالك ثلاثيات تشكل إشارة إلى الإنزيم لبدء عملية النسخ وهنالك ثلاثيات تشكل إشارة للإنزيم لإنهاء عملية النسخ.

ترجمة تسلسل النوكلئوتيدات في ال RNA الرسول يحصل على الريبوزومات وهي جسيمات دقيقة توجد في السيتوبلازما.  وتشترك في عملية الترجمة جزيئات أخرى من ال RNA يسمى RNA الناقل (tRNA ) لأنه هو الذي يحمل وينقل الحوامض الأمينية إلى مواقع البناء أي إلى الريبوزومات.  فيما يلي جدول يبيّن الشيفرة الوراثية التي تشكل كل ثلاثية رمزاً من رموزها ووظيفة كل رمز (كودون) من هذه الرموز.

عندما يصل ال RNA الرسول الى السيتوبلازم، ترتربط به الريبوزومات.  والريبوزوم الذي يرتبط به ال RNA الرسول، يبدأ في قراءته وتبعاً لتسلسل القواعد في ال RNA الرسول يتم بناء سلسلة من الحوامض الأمينية.

كيف تتم إضافة مزيد من الحوامض الأمينية إلى السلسلة؟

على عرض الريبوزوم يوجد ما يشبه ُثقب (ممر) والذي يلائم جزيئات RNA الرسول، وكذلك يوجد أيضا ًموضعان متجاوران ملائمان لجزيئي RNA ناقل.

أنظر الشكل التخطيطي التالي لمراحل إضافة الحوامض الأمينية للسلسلة:

تمعّن في الشكل واقرأ ما يلي (كل فقرة تمثّل أحد الأشكال).

- على عرض الريبوزوم يلتصق جزيء RNA الرسول واثنان من جزيئات RNA الناقل (كل منهما تحمل حامضاً أمينياً واحداُ)، بحيث أنّ  الأنتي كودونات (أي الثلاثيات من النوكليئوتيدات المكملة للثلاثيات الموجودة في ال RNA الرسول مثلاُ UAC هو أنتي كودون للثلاثية AUG  ) الموجودة في هذه الجزيئات تكون مرتبطة بالكودونات الموجودة في ال RNA الرسول. وقد أصبح الحامض الأميني Pro  مربوطاً الى السلسلة البوليببتيدية التي يتم بناؤها.  السهم يبين اتجاه قراءة ال RNA .

- يرتبط الحامض الأميني Met  بمساعدة إنزيم مناسب الى السلسلة البوليببتيدية في حين أن الحامض الأميني Pro  ينفصل عن ال RNA الناقل لها.

- ينفصل ال RNA الناقل للحامض الأميني Pro  عن الريبوزوم ويكون حراً بحيث يمكنه الارتباط مع جزيء آخر من الحامض الأمينيPro .

- يتحرك الريبوزوم على ال RNA الرسول إلى الكودون الذي يليه في عملية تتطلب طاقة، بحيث يفرغ مكاناً لجزيء RNA ناقل جديد ملائم.  وهكذا تستمر قراءة التسلسل الموجود في جزيء ال RNA الرسول و"ترجمتها" إلى تسلسل من الحوامض الأمينية...

إنّ الزمن اللازم لقراءة كودون واحد هو 1/20 من الثانية، وهذا يعني أنّ الزمن اللازم لبناء جزيء بروتين يتألف من 400 حامض أميني يستمر 20 ثانية فقط!