مقدمة في علم الأحياء الجزيئي

مقدمة إلى علم الأحياء الجزيئي

• يستكشف علم الأحياء الجزيئي الظواهر البيولوجية على المستوى الجزيئي.
• يدرس تركيب الجينات ووظائفها على مستوى الجزيئات.
• يركز على العمليات الجزيئية الأساسية مثل تضاعف الحمض النووي، والنسخ، والترجمة.
• يركز بشكل خاص على التفاعلات بين الأنظمة المختلفة في الخلية.
• يشمل التفاعلات بين الحمض النووي، والحمض النووي الريبي، والتخليق الحيوي للبروتين.
• يدرس كيفية تنظيم هذه التفاعلات.

طبيعة علم الأحياء الجزيئي

• يتداخل هذا المجال مع فروع أخرى من علم الأحياء والكيمياء، ولا سيما علم الوراثة والكيمياء الحيوية.
• يدمج الجوانب المتعلقة بعلم الوراثة والكيمياء الحيوية.
• يسمح علم الأحياء الجزيئي بالتنبؤ بالأحداث التي قد تحدث في المختبر أو في الطبيعة.

المكونات المشاركة في علم الأحياء الجزيئي

• تعتمد الحياة على ثلاث جزيئات أساسية: الحمض النووي (DNA)، والحمض النووي الريبي (RNA)، والبروتينات.

نظرة عامة على تنظيمات الحياة

• النواة تشبه المكتبة.
• الكروموسومات تشبه رفوف الكتب.
• الجينات تشبه الكتب.
• تحتوي خلايا الكائن الحي تقريبًا على نفس المكتبات ومجموعات الكتب.
• تمثل الكتب جميع المعلومات (DNA) التي تحتاجها كل خلية في الجسم للنمو وأداء وظائفها المختلفة.

البروتينات

• تمنح البروتينات الخلايا تركيبها وتقوم بمعظم المهام الخلوية.
• تقوم الخلايا بتجميع 20 حمضًا أمينيًا مختلفًا في سلاسل خطية بتسلسل محدد لتشكيل البروتينات.
• تؤدي البروتينات مجموعة متنوعة من الوظائف في الخلية.
• العديد من البروتينات عبارة عن إنزيمات تعمل على تسريع (تحفيز) التفاعلات الكيميائية التي تشمل الجزيئات الصغيرة أو الجزيئات الكبيرة مثل جميع البروتينات، والحمض النووي، والحمض النووي الريبي.

الأحماض النووية ودورها

• تحمل الأحماض النووية معلومات مشفرة لصنع البروتينات في الوقت والمكان المناسبين.
• الجزيء الكبير الذي يحظى بأكبر قدر من الاهتمام العام هو الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA)، الذي تجعل خصائصه الوظيفية الخلية "الجزيء الرئيسي".
• تم اقتراح التركيب ثلاثي الأبعاد للحمض النووي لأول مرة من قبل جيمس دي واتسون وفرانسيس إتش سي كريك في عام 1953.

تركيب الحمض النووي (DNA)

• يتكون الحمض النووي من شريطين متكاملين ملتفين حول بعضهما البعض لتشكيل حلزون مزدوج.
• يتم تثبيت الحلزون المزدوج بواسطة روابط هيدروجينية ضعيفة بين قواعد A وT وبين قواعد C وG.
• أثناء التضاعف، يتم فك الشريطين واستخدامهما كقالب لإنتاج أشرطة مكملة.
• والنتيجة هي نسختين متطابقتين من الحلزون المزدوج الأصلي، تحتوي كل منهما على أحد الشريطين الأصليين وشريط ابنة جديد (مكمل).

أهمية تركيب الحمض النووي (DNA)

• التركيب الحلزوني المزدوج للحمض النووي ضروري لظاهرة الوراثة.
• تتكون جدائل الحمض النووي من مونومرات تسمى النيوكليوتيدات؛ غالبًا ما يشار إلى هذه المونومرات باسم القواعد لأنها تحتوي على قواعد عضوية حلقية.
• تتطابق الأشرطة المكملة بقوة بحيث إذا انفصلت الأشرطة المكملة في ظل تركيز الملح ودرجة الحرارة المناسبين، فإنها ستعود معًا بشكل عفوي.
• توجد المعلومات الوراثية التي يحملها الحمض النووي في تسلسله، والترتيب الخطي للنيوكليوتيدات على طول الشريط.
• الجينات: تحمل قطاعات محددة من الحمض النووي، تسمى الجينات، تعليمات لصنع بروتينات معينة.
• تحتوي الجينات على جزأين: تحدد المنطقة المشفرة تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين؛ ترتبط المنطقة التنظيمية ببروتينات معينة وتتحكم في متى وفي أي الخلايا يتم إنتاج بروتين الجين.

الأحماض النووية

• الأحماض النووية عبارة عن بوليمرات خطية من أربعة أنواع من النيوكليوتيدات: A و G و C و T.
• تحتوي هذه الجزيئات الكبيرة (1) في التسلسل الدقيق للنيوكليوتيدات الخاصة بها على معلومات لتحديد تسلسل الأحماض الأمينية، وبالتالي بنية ووظيفة جميع البروتينات في الخلية؛ (2) هي مكونات وظيفية حاسمة للمصانع الخلوية الجزيئية الكبيرة التي تحدد الأحماض الأمينية وتصطفها بالترتيب الصحيح حيث يتم تصنيع سلسلة بولي ببتيد؛ (3) تحفز عددًا من التفاعلات الكيميائية الأساسية في الخلايا، بما في ذلك تكوين روابط الببتيد بين الأحماض الأمينية أثناء تخليق البروتين؛ و (4) تنظيم التعبير عن الجينات.
• الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) هو جزيء معلومات يحتوي في تسلسل النيوكليوتيدات الخاصة به على المعلومات المطلوبة لبناء جميع البروتينات والحمض النووي الريبي للكائن الحي، وبالتالي الخلايا والأنسجة الخاصة بالكائن الحي.

تخزين المعلومات في تسلسل الحمض النووي واستخدامها

• تستخدم الخلايا عمليتين على التوالي لتحويل المعلومات المشفرة في الحمض النووي إلى بروتينات.

بدائيات النوى

• تشمل بدائيات النوى مملكتين: العتائق والبكتيريا الحقيقية.
• يتكون الجينوم من جزيء DNA دائري واحد؛ تحتوي العديد من بدائيات النوى على جزيئات DNA دائرية صغيرة إضافية تسمى البلازميدات.
• على الرغم من أن الخلايا البكتيرية لا تحتوي على نواة محددة، إلا أن الحمض النووي مطوي ومكثف على نطاق واسع في المنطقة المركزية للخلية، والتي تسمى النواة.
• تخضع الرنا المرسال البكتيري لمعالجة محدودة إن وجدت.
• نظرًا لعدم وجود حاجز غشائي بين الحمض النووي البكتيري والسيتوبلازم، فإن الريبوسومات قادرة على الارتباط بالرنا المرسال بمجرد تصنيع جزء منه بواسطة بوليميراز الرنا؛ وبالتالي في حقيقيات النوى، يحدث النسخ والترجمة في نفس الوقت.

تركيب الخلية حقيقية النواة

• النواة هي جزء فرعي نووي حيث يتم تصنيع معظم الرنا الريباسي للخلية.
• تمتلئ النواة بالكروماتين المكون من الحمض النووي والبروتينات؛ موقع تخليق الرنا المرسال والرنا الناقل.
• يُشار إلى إجمالي الحمض النووي في الكائن الحي باسم جينومه.
• في معظم الخلايا بدائية النواة، توجد معظم أو كل المعلومات الوراثية في جزيء DNA دائري واحد يبلغ طوله حوالي ملليمتر واحد.
• في المقابل، يتم توزيع الحمض النووي في نوى الخلايا حقيقية النواة بين هياكل خطية طويلة متعددة تسمى الكروموسومات.
• يتكون الكروموسوم من جزيء الحمض النووي الواحد المرتبط بالعديد من الهيستونات والبروتينات الأخرى.
• يمكن رؤية النواة في النواة على أنها مناطق داكنة وفاتحة التلوين.
• تحتوي المناطق الداكنة، التي غالبًا ما ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالغشاء النووي، على DNA مكثف ومركّز لا يمكن نسخه إلى RNA، ويسمى heterochromatin.
• الكروموسومات البكتيرية دائرية وترتبط بأنواع مختلفة من البروتينات عن الكروموسومات حقيقية النواة.

الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء

• الميتوكوندريا هي المواقع الرئيسية لإنتاج ATP في الخلايا الهوائية.
• تحتوي البلاستيدات الخضراء على مقصورات داخلية تحدث فيها عملية التمثيل الضوئي.
• تشترك البلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا في ميزات أخرى مشتركة: غالبًا ما تهاجر كلتاهما من مكان إلى آخر داخل الخلايا، وكلاهما يحتوي على الحمض النووي الخاص بهما، والذي يشفر بعض بروتينات العضية الرئيسية.
• ومع ذلك، يتم ترميز معظم البروتينات الموجودة في كل عضية في الحمض النووي النووي ويتم تصنيعها في السيتوبلازم.

الجينوم البشري

• الجينوم البشري هو المجموعة الكاملة من الحمض النووي للكائن الحي.
• تحتوي البكتيريا على حوالي 600000 زوج من القواعد في الحمض النووي، في حين أن الجينوم البشري والفأر يحتوي على حوالي 3 مليارات.
• يحتوي الجينوم البشري على 24 كروموسومًا متميزة.
• يحتوي كل كروموسوم على العديد من الجينات.
• الجين هو الوحدة الفيزيائية والوظيفية الأساسية للوراثة.
• التسلسل المحدد لقواعد الحمض النووي التي تعطي تعليمات لصنع بروتين.
• تشكل البروتينات التركيب الخلوي.
• الجزيئات الكبيرة والمعقدة المكونة من وحدات فرعية أصغر تسمى الأحماض الأمينية.

الأحماض النووية

• الأحماض النووية هي: حمض الديوكسي ريبونوكلييك (DNA) وحمض الريبونيوكلييك (RNA).
• الحمض النووي (DNA) هو المادة الوراثية الموجودة في الكائنات الحية، من البكتيريا وحيدة الخلية إلى الثدييات متعددة الخلايا مثلك ومثلي.
• تستخدم بعض الفيروسات الحمض النووي الريبي (RNA) ، وليس الحمض النووي (DNA) ، مثل مادتها الوراثية ، لكنها لا تعتبر حية من الناحية الفنية (لأنها لا تستطيع التكاثر دون مساعدة من المضيف).

أنواع الأحماض النووية

• يوجد نوعان من الأحماض النووية: الحمض النووي DNA (حمض الديوكسيريبونوكلييك) والحمض النووي RNA (حمض الريبونوكلييك).
• الحمض النووي (DNA) هو المادة الوراثية التي تحمل المعلومات الوراثية عن الكائن الحي وتنتقل من الآباء إلى الأبناء.
• الحمض النووي الريبي (RNA) هو حمض نووي يوجد في النواة والسيتوبلازم في الخلية، ويلعب دوراً مهماً في إنتاج البروتينات.

النوكليوتيدات

• تتكون الأحماض النووية من النوكليوتيدات.
• تحتوي النوكليوتيدات على ثلاثة أجزاء أساسية:
• سكر خماسي الكربون.
• مجموعة فوسفات.
• قاعدة نيتروجينية (تحتوي على نيتروجين).

المستويات التنظيمية للجينات

• النكليوتيدات هي أصغر الوحدات البنائية.
• الجينات تشفر الصفات الوراثية.
• يتكون الحمض النووي من العديد من الجينات.
• الكروموسومات هي أشرطة حمض نووي ملتفة بإحكام.
• الجينوم هو التركيب الوراثي الكامل للكائن الحي.

الهرمونات

• البريميدينات هي سيتوزين وثايمين ويوراسيل.
• البيورينات هي الأدينين والجوانين.

التركيب الأساسي

• يتكون التركيب الأساسي من تسلسل خطي من النوكليوتيدات المرتبطة بروابط فوسفاتية ثنائية الإستر.
• التسلسل الخطي للنيوكليوتيدات هو الذي يشكل التركيب الأساسي للحمض النووي RNA.

اتجاهية الحمض النووي

• هناك اتجاه كيميائي لشريط الحمض النووي.
• يظهر التركيب الكيميائي مجموعة هيدروكسيل في الطرف '3 ومجموعة فوسفات في الطرف '5.
• تُقْرَأ وتسجل تسلسلات الحمض النووي في الاتجاه '5 → '3 (من اليسار إلى اليمين)؛ على سبيل المثال، يُفترض أن يكون التسلسل AUG هو (5')AUG(3').
• تتكون البنية الأولية لجزيء الحمض النووي من التسلسل الخطي للنيوكليوتيدات المرتبطة بروابط فوسفورية.
• يمكن للطيات والالتواءات متعددة النوكليوتيدات أن تشكل تركيبات ثلاثية الأبعاد مستقرة بروابط غير تساهمية.

التركيب الأساسي للحمض النووي RNA

• النيوكليوسيد = قاعدة + سكر.
• النيوكليوتيد = قاعدة + سكر + فوسفات.
• الحمض النووي = سلسلة من النيوكليوتيدات.
• يتم قراءة تسلسل القاعدة من الطرف C5 (فوسفات حر) إلى الطرف C3 (هيدروكسيل حر).

التسمية

• لتسمية النيوكليوزيد المشتق من قاعدة بيريميدين، استخدم اللاحقة "-يدين".
• لتسمية النيوكليوسيد المشتق من قاعدة بورين، استخدم اللاحقة "-أوزين".
• بالنسبة للديوكسيريبونوكليوسيدات، أضف البادئة "ديوكسي-".

الترابط

• عندما ترتبط ذرةN في القاعدة برابطة جليكوسيدية بـ C1 (الكربون أنوميري) للسكر.
• رابطة بيتا-N-جليكوسيدية.

DNA الطبيعي - الحلزون المزدوج

• الحقبة الحديثة من علم الوراثة بدأت في عام 1953 با اقتراح العالمان جيمس د. واتسون وفرنسيس إتش سي كريك أن تركيب DNA مزدوج حلزوني.
• كشفت دراسات إروين تشارجاف وزملائه أن النسبة المئوية لـ A تساوي دائمًا النسبة المئوية لـ T ، والنسبة المئوية لـ G تساوي النسبة المئوية لـ C ، في جميع الكائنات الحية.
• يتكون الحمض النووي من شريطين مرتبطين من متعدد النوكليوتيدات يلتفان معًا لتشكيل حلزون مزدوج، واتجاه الشريطين معاكس لبعضهما البعض ، أي أن اتجاهاتهم من 5 إلى 3 متعاكسة.
• تُحفظ الأشرطة في ترتيب دقيق من خلال تكوين أزواج القاعدة بين الشريطين: تقترن A بـ T من خلال رابطتين هيدروجينيتين؛ تقترن G بـ C من خلال ثلاث روابط هيدروجينية.

نموذج DNA

• تم اقتراح نموذج DNA من قبل واتسون وكريك في عام 1953.
• يشكل شريطان من عديد النوكليوتيدات تركيب حلزوني مزدوج مثل اللولب.
• تربط الروابط الهيدروجينية القواعد المزدوجة: الأدينين-الثايمين (AT) والجوانين-السيتوزين (GC).
• العمود الفقري لسكر الفوسفات محب للماء ويبقى في الخارج (القواعد كارهة للماء).

التفاعلات

• التفاعلات الكارهة للماء وتفاعلات فان دير فالز بين أزواج القاعدة المجاورة المكدسة تزيد من استقرار التركيب الحلزوني المزدوج.
• في الحمض النووي الطبيعي، يرتبط A دائمًا بالهيدروجين مع T و G مع C ، لتشكيل أزواج قاعدة AAT و GC.
• تسمى هذه الارتباطات، دائمًا بين البيورين الأكبر (A ، G) والبيريميدين الأصغر (C ، T ، U) ، بأزواج قواعد Watson-Crick (تقول هذه الأزواج القاعدية أنها متكاملة).
• تتباعد القواعد المكدسة بانتظام 0.34 نانومتر على طول محور اللولب.
• تصنع اللولب دورة كاملة كل 3.4 إلى 3.6 نانومتر ، لذلك يوجد حوالي من 10 إلى 10.5 في إجمالي دورة كل زوج قاعدة.

أشكال الحمض النووي

• يُشار إلى هذا الشكل الحلزوني باسم الشكل B للحمض النووي، وهو الشكل الطبيعي الموجود في معظم تمتد الحمض النووي في الخلايا.
• على الجزء الخارجي من اللولب، تشكل المسافات الفاصلة بين الأشرطة المتشابكة أخدودين حلزونيين بعرضين مختلفين، ويُعرفان بالأخدود الرئيسي والأخدود الثانوي.

الحمض النووي RNA

• لماذا تطور الحمض النووي، بدلاً من الحمض النووي الريبي، ليكون ناقل المعلومات الوراثية في الخلايا؟
• إن الهيدروجين في الموضع 2 في ديوكسيريبوز DNA يجعله جزيئًا أكثر استقرارًا من RNA ، والذي يحتوي بدلاً من ذلك على مجموعة هيدروكسيل في الموضع 2 من الريبوز.
• تشارك مجموعات الهيدروكسيل 2 في RNA في التحليل المائي البطيء لـ - OH-.
• الروابط ثنائية الفوسفات عند درجة الحموضة المحايدة.
• يمنع غياب مجموعات 2'-هيدروكسيل في DNA هذه العملية.
• لذلك، فإن وجود ديوكسيريبوز في DNA يجعله جزيئًا أكثر استقرارًا - وهي سمة ضرورية لوظيفته في التخزين طويل الأجل للمعلومات الوراثية.

DNA

• أثناء تضاعف ونسخ الحمض النووي، يجب أن تنفصل أشرطة الحلزون المزدوج ثم تعيد الارتباط بأشرطة DNA جديدة.
• يمكن إحداث فك والتلوين الأشرطة بشكل تجريبي عن طريق زيادة درجة حرارة محلول DNA.
• تعمل الطاقة الحرارية المرتفعة على كسر الروابط الهيدروجينية والقوى الأخرى التي تعمل على تثبيت الحلزون المزدوج.
• تعتمد درجة حرارة الانصهار (Tm) التي تنفصل عندها أشرطة الحمض النووي على عدة عوامل - تطلب الجزيئات التي تحتوي على قدر أكبر من أزواج GC درجات حرارة أعلى للتغيير لأن الروابط الهيدروجينية الثلاثة في ازواج GC تجعل هذه القاعدة أكثر استقرارًا من أزواج AT ، التي لها رابطتان هيدروجينيتان فقط.
• أخيرًا، تؤدي درجات الحموضة المرتفعة إلى تمسخ الحمض النووي في درجات الحرارة المنخفضة.

أنواع الحمض النووي الريبي

• تعرض الأنواع المختلفة من RNA تشكيلات متنوعة متعلقة بوظائفها.
• يحمل الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA)، المادة الوراثية، معلومات لتحديد تسلسلات الأحماض الأمينية للبروتينات.
• يتم نسخه إلى عدة أنواع من الحمض النووي الريبوزي (RNA) ، بما في ذلك الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) ، والحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) ، والحمض النووي الريبوزي الريبوزومي (rRNA) ، وكلها تعمل في تخليق بروتين.
• مثل الحمض النووي (DNA) ، فإن الحمض النووي الريبي (RNA) عبارة عن متعدد نيوكليوتيدات طويل يمكن أن يكون مزدوجًا أو مفردًا، خطيًا أو دائريًا.

التركيب الأهم للأحماض

• سكر الريبوز (سكر خماسي الكربون).
• فوسفات.
• أربع عُصَاس نَيْتروجينيّة مختلفة.
• أدينين (A).
• يوراسيل (U) بدلاً من (T).
• سيتوزين (C).
• جوانين (G).

تكوين سلاسل الحمض النووي الريبي

• تكوين تسلسل RNA من أجزاء الحمض النووي.

أنواع الحمض

• الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA).
• الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA).
• الحمض النووي الريبوزي الريبوزومي (rRNA).

الحمض النووي الريبي الخلوي

• الحمض النووي الريبي الخلوي هو بوليمرات أحادية الشريط، وبعضها يشكل هياكل ثانوية وثلاثية محددة جيدًا.
• بعض الأحماض النووية الريبية، تسمى ريبوزيمات، لها نشاط تحفيزي.

أنواع الحمض النووي الريبي الرئيسية

• يوجد ثلاثة أنواع رئيسية من الحمض النووي الريبي ووظائفها:
  • الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA)- يحمل معلومات من النواة إلى باقي الخلية.
  • الحمض النووي الريبي الناقل (tRNA)- ينقل الأحماض الأمينية إلى الريبوسومات أثناء تخليق البروتين.
  • الحمض النووي الريبي الريبوزومي (rRNA)- يشكل جزءًا كبيرًا من الريبوسومات.

وظيفة الحمض النووي

• يقوم الحمض النووي بتخزين المعلومات الوراثية التي تستخدم لتخليص البروتينات.
• ينقل المعلومات الوراثية (السمة) إلى الأجيال القادمة (الأبناء).

وظيفة الحمض النووي الريبي

• يحول الحمض النووي الريبي (RNA) المعلومات المخزنة في الحمض النووي (DNA) إلى شكل يمكن للخلية قراءته من خلال عملية النسخ.
• يساعد في تخليق البروتين.