الشيفرة الوراثية

الشيفرة الوراثية هي تسلسل قواعد النوكليوتيد في الأحماض النووية (الحمض النووي والحمض النووي الريبي) التي ترمز إلى سلاسل الأحماض الأمينية في البروتينات. يتألف الحمض النووي من أربع قواعد نوكليوتيد: الأدينين (A)، الجوانين (G)، السيتوزين (C) والثيمين (T). أما الحمض النووي الريبي، فيحتوي على الأدينين والجوانين والسيتوزين واليوراسيل (U). عندما تتوالى ثلاث قواعد نوكليوتيد بشكل متسلسل، فإنها ترمز إلى حمض أميني أو تشير إلى بداية أو نهاية تكوين البروتين. تسمى هذه المجموعة بالكودون، وتوفر هذه المجموعات الثلاثية توجيهات لإنتاج الأحماض الأمينية. تترابط الأحماض الأمينية معا لتشكيل البروتين .

ما هي الشيفرة الوراثية (الكودون)

الشيفرة الوراثية أو الكودون هي تسلسل النيوكليوتيدات في حمض النوكليوتيدات (DNA) وحمض الريبونك (RNA) الذي يحدد تسلسل الحمض الأميني للبروتينات. وعلى الرغم من أن التسلسل الخطي للنيوكليوتيدات في الحمض النووي يحتوي على معلومات عن متواليات البروتين، إلا أن البروتينات لا يتم تصنيعها مباشرة من الحمض النووي. وبدلا من ذلك، يتم تصنيع جزيء من الحمض النووي يسمى mRNA، ثم يتم تكوين البروتين .

ويتكون الحمض النووي الريبي من أربعة نيوكليوتيدات : الأدينين (A) ، والجوانين (G) ، والسيتوزين (C) ، واليوراسيل (U) ، تكون ثلاثة نيوكليوتيدات متجاورة. تعرف هذه الوحدة بالكودون الذي يرمز للحمض الأميني. على سبيل المثال، تسلسل AUG هو رمز يحدد حمض أميني ميثيونين. هناك 64 شيفرة، ثلاثة منها لا ترمز للأحماض الأمينية وتشير إلى نهاية البروتين. تحدد الـ 61 رمزا المتبقيا الـ 20 من الأحماض الأمينية التي تشكل البروتينات. يوجد كود AUG في بداية كل mRNA، ويشير إلى بداية البروتين. الميثيونين والتربتوفان هما الأحماض الأمينية الوحيدتين التي يتم ترميزهما من خلال كودون واحد فقط (AUG و UGG، على التوالي). يتم ترميز الـ 18 من الأحماض الأمينية الأخرى برموز اثنين إلى ستة. ونظرا لأن معظم الأحماض الأمينية العشرين مشفرة بأكثر من كودون واحد، فإن الكود يسمى التدهور degenerat  .

اكتشاف الشيفرة الوراثية

لتحليل الشيفرة الوراثية، يحتاج الباحثون إلى فهم كيف يمكن لتسلسل النيوكليوتيدات في جزيء الحمض النووي DNA أو RNA أن يشفر تسلسل الأحماض الأمينية في الببتيد (البروتين) .

لماذا كانت هذه مشكلة صعبة؟ في سياق بسيط، قد يتوافق كل نكليوتيد في جزيء الحمض النووي (DNA) أو الحمض النووي الريبي (RNA) مع حمض أميني واحد في سلسلة الببتيدات. ومع ذلك، لا يمكن أن يعمل هذا النظام فعليا، لأن هناك 20 حمض أميني شائع في البروتينات، بينما تحتوي الأحماض النووية فقط على 4 قواعد نوكليوتيدية. وبالتالي، أدرك الباحثون أن النظام يجب أن يكون أكثر تعقيدا من مجرد تطابق فردي بين النوكليوتيدات والحموض الأمينية .

الفرضية الثلاثية

في منتصف الخمسينيات من القرن العشرين ، قام عالم الفيزياء جورج جامو بتوسيع هذا التفكير لعمل اختبار يثبت أن الكود الوراثي من المحتمل أن يتكون من ثلاثة أضعاف النيوكليوتيدات ، وهذا هو ، اقترح أن مجموعة من 3 نيوكليوتيدات المتعاقبة في الجين قد ترمز لحمض أميني واحد في بولي ببتيد .

كان المنطق المعتمد في جامو هو أن الكود الثنائي (مكون من حمضي أميني) لن يكون كافيا، لأنه سيكون له فقط 16 ترتيبا ممكنا من النيوكليوتيدات (4 مكونات مربعة)، وهو عدد قليل جدا لتغطية الأحماض الأمينية القياسية الـ20 التي تستخدم في بناء البروتينات. ومع ذلك، يبدو أن الكود المستند إلى ثلاثة أضعاف النيوكليوتيدات واعد، حيث سيوفر 64 تسلسلا فريدا من النيوكليوتيدات (4 مكونات مكعبة)، وهو ما سيكون كافيا بشكل أكبر لتغطية الأحماض الأمينية الـ20 .

التعبير الجيني والشيفرة الوراثية

تتم عملية التعبير عن الجينات التي توفر تعليمات حول البروتينات في خطوتين، وهي كما يلي:

في النسخ أو الوراثة، يتم إعادة كتابة تسلسل الحمض النووي للجين باستخدام نيوكليوتيدات RNA، وفي النوى، يجب أن يمر RNA خلال خطوات معالجة إضافية ليصبح حمض نووي ريبوزي رسول أو mRNA .

في عملية الترجمة، يتم تحويل تسلسل النيوكليوتيدات في الحمض النووي الريبوزي المرسول إلى سلسلة من الأحماض الأمينية في الببتيد (البروتين أو الوحدة الفرعية للبروتين)، وتقوم الخلايا بفك تشفير الرسول المرسل من خلال قراءة النيوكليوتيدات الخاصة بها بمجموعات مكونة من ثلاثة، وتسمى هذه المجموعات الكودونات، ويحدد كل كودون حمض أميني معين، أو في حالات أخرى، يوفر إشارة `توقف` لإنهاء الترجمة، وبالإضافة إلى ذلك، فإن الكودون AUG له دور خاص، حيث يعتبر كود البدء لبدء الترجمة، وتعرف المجموعة الكاملة من المراسلات بين الكودونات والأحماض الأمينية (أو إشارات التوقف) بالشفرة الوراثية .

خصائص الشيفرة الوراثية

الطبيعة ثلاثية

يمكن للرمز الثلاثي أن يولد مجموعة وراثية مختلفة تتألف من 64 شيفرة وراثية (4 × 4 × 4)، ويحمل الكثير من المعلومات في الحمض النووي لتحديد مواقع الأحماض الأمينية العشرين. وخلال تجارب كسر الشيفرة الوراثية، تم اكتشاف الشيفرة الثلاثية وتسمى هذه الشيفرة بأسماء النوكليوتيدات الثلاثة (AUG، AAA، إلخ) وتعرف باسم الكودون .

الانحلال أو التدهور

يعتبر الكود متعدد الحلول، حيث يمكن ترجمة نفس الحمض الأميني باستخدام أكثر من رمز ثلاثي، على سبيل المثال، تحتوي كل من الحمض الأميني الأرجينين والألانين والولوسين على ستة رموز مشفرة .

 غير متداخلة

تتميز الشيفرة الوراثية بأنها غير متداخلة، أي أن الكودونات المتجاورة لا تتداخل، وبمعنى آخر، يتم استخدام حروف مختلفة في كل كودون ولا يمكن لنفس الحرف المشاركة في تشكيل أكثر من كودون واحد .

غير غامضة

وحيث أن كل شيفرة لنفس الحمض الأميني لها نفس الكود دائما، فبينما يمكن ترميز الحمض الأميني نفسه بأكثر من كودون واحد (الرمز المنشط)، يجب ألا يتم ترميز الشيفرة نفسها إلى اثنين أو أكثر من الأحماض الأمينية المختلفة (غير واضحة) .

كلية أو عامة

على الرغم من أن الكود يستند إلى عمل تم إجراؤه على بكتيريا الإشريكية القولونية ولكنه صالح للكائنات الحية الأخرى ، وتسمى هذه الخاصية الهامة للشيفرة الوراثي عاميتها ، وهذا يعني أن نفس التسلسل من 3 قواعد يشفر الأحماض الأمينية نفسها في جميع أشكال الحياة من الكائنات الحية الدقيقة البسيطة إلى الكائنات المعقدة متعددة الخلايا مثل البش .

قطبية

تحتوي الشفرة الوراثية على قطبية ، مما يعني أن الكود يتم قراءته دائمًا في اتجاه واحد ، وهو في الاتجاه من 5` إلى 3` .

سلسلة كودونات البدء

تلعب الثلاثيات AUG و GUG أدوارًا مزدوجة في E. coli، حيث ترمز عندما تحدث بين طرفي السيسترون (الوضع المتوسط) إلى الأحماض الأمينية الميثيونين والألانين على التوالي في وضع وسيط في جزيء البروتين .

شفرات إنهاء السلسلة

الأوائل الثلاثة من التوائم UAA، UAG، UGA ليست شيفرة لأي حمض أميني، وقد تم وصفها في الأصل على أنها شيفرة غير حساسة مقارنة بالكودونات الـ 61 المتبقية والتي تطلق عليها شيفرة الترميز .