تمثيل البروتينات

تمثيل البروتينات
مقدمة
أن الخصائص الكيموحيوية للحياة وتطور الكائنات يعتمد فى المقام الأول على كيمياء الاحماض النووية معبرا عنها من خلال البروتينات حيث ان للبروتينات دورا عظيما للكائن الحى حيث انها ذات نشاط وظيفى حيث تدخل فى تركيب الانزيمات وهى اداة عمل الخلية كما تدخل فى بناء بعض الهرمونات والكروموسومات . فضلا على دورها التركيبى فالبروتينات هى المكون الاساسى للخلية حيث تكون البروتوبلازم وهو مادة الحياة للانسجة كما انها مصدر طاقة للكائن الحى عندما تنضب موارده من الطاقة " عند نقص الكربوهيدرات وهى المصدر الرئيسى للطاقة -+" تجود البروتينات باحماضها الكيتونية بعد نزع مجموعات الامين من عليها لتحرق فى افران الطاقة بالخلية " الميتاكوندريا " فتمد النبات بالطاقة اللازمة لاستمرار حياته

التغذية النيتروجينية
بالرغم من وجود النيتروجين بكمية كبيرة داخل النبات وحاجة النبات له كبيرة الا ان النيتروجين غير ميسر فى الطبيعة للنبات حيث لا يوجد فى صورة معدنية ولكن يوجد النيتروجين كغاز بالهواء والتى تصل نسبته الى 78% من مكونات الهواء ولكن النبات لا يستطيع تثبيت النيتروجين وتقوم الكائنات الدقيقة نيابة عنه بذلك الدور وقد يدخل النيتروجين للتربة عن طريق آخر كأسيد النيتروجين ناتج من الشحنات الكهربية للبرق
يمتص النبات النيتروجين اما فى صورة نترات NO3- او فى صورة امونيوم NH4+ الا ان النبات لا يستطيع استخدام النترات لذلك لزم اختزال النترات داخل النبات لتكوين الامونيا لكى يستطيع النبات استخدامها فى تكوين الاحماض الامينية بتفاعل الامونيا مع الاحماض الكيتونية الناتجة من تمثيل الكربوهيدرات المتكونة اثناء التمثيل الضوئى وهو ما ثبت عندما لوحظ انه تحت ظروف الاختزال الشديد للنترات وتمثيلها فى الظلام فان مستوى الكربوهيدرات فى النبات يقل بدرجة كبيرة الا ان النقص سرعان ما يعوض فى الضوء من نواتج عملية التمثيل الضوئى

النيتروجين العضوى
لعديد من النباتات قادرة على استخدام النيتروجين العضوى لمصدر للنيتروجين اللازم للنمو فالعديد من الاحماض الامينية والاميدات واليوريا توجد
فى التربة نتيجة تحلل نفايات المزرعة من سيقان النباتات المتبقية بعد الحصاد للمحصول السابق والاوراق الساقطة لبلوغ الاوراق الى عمر الشيخوخة او الساقطة لمواجهه الظروف البيئية غير المناسبة او جذور النباتات المتبقية فى التربة . ونتيجة اضافة السماد العضوى والدبال المتحلل . وعند تأكسد الاحماض الامينية فى تلك المواد العضوية ينتج عنها الامونيا التى تتأكسد بدورها الى النترات والتى يمتصها النبات وتعتبر مصدر هام للحصول على احتياجاتها من النيتروجين . ,قد ثبت ان رش اليوريا على الاوراق فعال فى تغذية البنات بالنيتروجين حيث تتحلل بواسطة انزيم urease لينتج الامونيا وثانى أكسيد الكربون وهناك طريق آخر مباشر
لاستخدام اليوريا داخل النبات عن طريق اندماج اليوريا مع الحمض الامينى الاورنيثين لتكوين الحمض الامينى الارجنيين

تثبيت النيتروجين تكافليا Symbiotic Nitrogen Fixation
تحصل كثير من النباتات البقولية على النيتروجين المثبت عن طريق البكتريا التى تعيش تكافليا على جذورها مسببتا لها العقد الجذرية ومثبتة للنيتروجين من اجل الحصول على الغذاء الكربوهيدراى من النبات العائل والبكتريا التكافلية من جنس Rhizobium اما نبات الحور فيتكافل مع جنس Actinomyces وجد عند تمزيق العقد الجذرية صبغة حمراء تسبة الهيموجلوبين تسمى البقلوهيموجلوبين وهى المسئولة عن حمل الاوكسجين اللازم لسلسلة الانتقال الالكترونى للمستعمرة الريزومية فى العقد البكتيرية للعائل ليقوم انزيم النيتروجينيز Nitogenase باستخدام بأختزال النيتروجين الجوى الموجود فى حيز التربة ثم فى خلايا العائل ليكون الامونيا ويمر الالكترونات التى مصدرها الايدروجين الناتج من عمليات الاكسدة والاختزال الناتجة من تنفس البكتريا التكافلية ويقوم تيار الالمترونات بقزف الاوكسجين المحمل على صبغة البقلوهيموجلوبين ليتكون الماء فى عملية تشبة عملية التأكسد الطرفى التى سوف يأتى التحدث عنها بالتفصيل عند مناقشة موضوع التنفس فى النبات . زهناك بعض العناصر الغذائية المهمة فى تلك العملية مثل الحديد والنحاس والكوبلت والمولبدنيم . اما الحديد لانة يدخل فى تركيب الصبغة المسئولة عن النقل الالكترونى وايضا النحاس لانة يدخل فى بناء جزيئ البقلهيموجلبين , اما الكوبلت فى جزء من تركيب فيتامين ب12 وهو يدخل ايضا فى تركيب البقلهيموجلوبين اما وظيفة المولبيدنيم فهو تبادل الالكترونات كمكتسب للالكترون ومانح له فى اختزال النيتروجين الىامونيا ويتم ذلك على عدة خطوات حيث يختزل النيتروجين N₂ الى ثنائى الاميد HN=NH ثم الى الهيدرازين NH₂-NH₂ ثم الى الأمونيا NH₃

التحولات النيتروجينية بالتربة
تختزل بكتريا Azotobacter الازوت الجوى بساعدة الطاقة المنطلقة من اكسدة المواد العضوية اثناء التنفس وبعد موتها تتحلل تلك البكتريا كما تتحلل المركبات العضوية المضافة للتربة وينتج من التحلل الازوت وهو فى حالة امونيا وتعرف تلك العملية بالنشدرة .
ثم تحدث اكسدة للامونيا لتتحول الى نترات بتاثير بكتريا تسمى ببكتريا التأزت Nitrifying bacteria ويتم ذلك علىبببب خطوتين الاولى يحدث اكسدة للامونيا فتتحول الى النيتريت ويؤديها بكتريا Nitrosomonas, Nitrococcus والخطوة الثانية هى اكسدة النيتريت الى نترات ويؤديها بكتريا Nitrobacter وتلك البكتريا ذاتية التغذية Atrophic وتحتاج فقط الى المواد الغير عضوية لنوها

دورة الأزوت فى الطبيعة The Nitrogen Cycle
يتم تثبيت الأزوت الجوى كما سبق الاشارة لذلك ليقوم النبات بامتصاص النترات والامونيا والبتريت وكذلك المركبات الازوتية العضوية ويحولها الى احماض امينية وبروتيات حيث تشكل الهيكل الرئيسى فى بناء انسجتة الحية ويقوم الحيوان بالتغذية على النبات وعند موت النبات والحيوان تقوم البكتريا بتحللهما الى نشادر ويتحول النشادر الى نيتريت ثم الى نترات

يحدث ايضا تحول النترات الى اكسيد النيتروز N2O وغاز النيتروجين من خلال وساطة كائنات التربة الدقيقة فى عملية Denitification عكس النترتة والتى تنتهى بخروج غاز النيتروجين الى الغلاف الجوى لتكتمل الدورة المعقدة للنتروجين فى الطبيعة , كما كمية صغيرة من النيتروجين تدخل التربة من خلال الامطار الرعدية

الاحماض الأمينية Amino acids
كما يستدل من اسمها هى مركبات تجمع خصائص الاحماض والامينات فهى تحتوى على مجموعة كربوكسيل COOH ومجموعة امين NH2 او اكثر وتعتبر الاحماض الامينية مشتقات للاحماض الدهنية باستبدال الهيدروجين بمجموعة امين . والاحماض الدهنية المحتوية على اكثر من ذرة كربون ينتج عنها عدة احماض امينية متشابة فى وضع مجموعة الامين فأن كانت مجموعة الامين على ذرة الكربون الاولى المجاورة لمجموعة الكربوكسيل سمى الحمض الامينى الفا وان كانت مجموعة الامين على ذرة الكربون الثانية سمى الحمض الامينى بيتا وان كانت مجموعة الامين على ذرة الكربون الثالثة سمى الحمض الامينى جاما

والاحماض الامينية الكترولينات امفوتيرية Amphataric بالنسبة لاحتواءها على مجاميع امينو قاعديه ومجموعه كربوكسيل حامضية وتكون الاحماض الامينية احادية الكربوكسيل احاديه الامينو فى الماء محاليل ثنائية القطب تحمل شحنتين احدهما سالبة والاخرى موجبه نتيجه انتقال بروتون H+ مجموعة الكربوكسيل الى مجموعة الامينو ونظرا لوجود شحنه موجبه على مجموعه الامينو وسالبة على مجموعة الكربوكسيل يكون الجزى متعادل كهربائيا والاحماض الامينية تعمل لحامض او كقاعدة فعند وجود وسط متعادل كهربائيا isoelectric point فتكون الشحنات الموجبة والسالبة للحمض متساوية ولا تتحرك تلك الاحماض اذا وضعت تحت تاثير الفصل الكهربى Electrophoresis , اما اذا كان الوسط قاعدى ( pH مرتفع) فأن الحمض يسلك سلوك الأنيون بسبب سيادة NH2/COO- كمجموعات عمل فعالة وعلى النقيض ان كان الحمض فى وسط حامضى ( pH منخفض) فأنة يسلك سلوك الكاتيون بسبب سيادة NH3+ / COOH كمجموعات عمل فعالة وهذا هو دور البروتينات المنظم Buffering ومن امثلة الاحماض الامينية :
الجليسين : يتركب الجليسين من استبدال ذرة هيدروجين من مجموعة الالكيل بحمض الخليك بمجموعة امين

الألانين والجلوتاميك والاسبارتيك: تتكون تلك الاحماض بعملية نقل مجموعة الامين الى الاحماض الكيتونية المناظرة فيتكون الألانين من حمض البيروفيك والجلوتاميك من حمض الالفا كيتو جلوتاريك والاسبارتيك من حمض الاكسالوخليك على التوالى والاحماض الكيتونية سالفة الذكر تنتج من التحولات الكربوهيدراتية خلال دورة حمض الستريك " اثناء التنفس او أكسدة السكر "
التيروزين : يتكون انتقال مجموعة الامين من حمض الجلوتاميك الى الحمض الكيتونى فينايل بيروفيك فيتكون حمض الفينايل الألانين الذى يتحد مع مجموعة ايدوكسيل لينتج حمض التيروزين
السستيتن والسستئين : تتكون من اتحاد كبريتيد الايدروجين مع البيروفات ليتكون السستين ثم السستئين
التربتوفان : يتكون عن طريق تكثيف الاندول مع الحمض الامينى السيرين او تكوين الاندول من حمض الانثرانيليك

البروتينات :
البروتينات نوعان احدهما ذائب فى عصير الخلية والآخر غير قابل للذوبان وهى البروتينات المكونة للاغشية الخلوية , كما توجد البروتينات فى صورة شبة صلبة غروية فى البروتوبلازم او فى صورة صلبة فى البذور
تحتوى البروتينات على الكربون بنسبة 50 – 54 % والايدروجين بنسبة 7 % والنيتروجين بنسبة 16 – 18 % والاوكسجين بنسبة 20 –25 % من وزنها ويشترك الكبريت بسبة 2 % كما يشترك الفسفور فى بعض البروتينات الهامة
يتميز جزئ البروتين بكبر وزنها الجزيئ فانه يكون محاليلا غروية ينتج عنها ضغطا اسموزيا ضعيف بالاضافة الى عدم قدرته على المرور خلال الاغشية شبة المنفذة وبذلك فهو يعمل على تنظيم مرور السوائل الحيوية خلال الأغشية
تتكمون البروتينات من وحدات متكررة من الاحماض الامينية ترتبط مع بعضها بروابط ببتيدية وهى التى بين مجموعة الكربوكسيل لأحد الاحماض الامينية مع مجموعة امين لحمض امينى آخر ويخرج الماء نتيجة هذا الاتحاد لذلك يسمى اتحاد حمضيين اميينين باسم المركب ثنائى الببتيد وسلسلة البروتين المتكونة من عديد من الاحماض الامينية باسم عديد الببتيد Polypeptide .

وتقسم البروتينات تبعا لنقائها بمعنى بنائها من الوحدات الاساسية اى الاحماض الامينية فقط أو دخول مركبات أخرى غير بروتينية فى تركيبها لذلك تقسم الى :
1- البروتينات البسيطة : وهى التى تتحلل الى احماض امينية فقط وتقسم تلك البروتينات حسب درجة ذوبانها الى :
أ‌- الالبيومينات Albumins تذوب فى الماء والمحاليل المخففة للأملاح المتعادلة وتتجمع بالتسخين وتوجد فى البذور وألاوراق
ب‌- الجلوبيولينات Globulins لا تذوب فى الماء وتذوب فى المحاليل المخففة للاملاح المتعادلة وتوجد فى البذور وألاوراق
ت‌- الجلوتيلينات glutelins تذوب فى الاحماض والقواعد المخففة وتوجد فى بذور النجيليات
ث‌- البرولامينات Prolamins تذوب فى كحول الايثانول 50% وتوجد فى بذور النجيليات
2- البروتينات المرتبطة : وهى بروتينات ترتبط بمواد غير بروتينية وتقسم الى
أ‌- البروتينات النووية : وهى البروتينات المرتبطة بالاحماض النووية
ب‌- البروتينات الفسفورية : وهى البروتينات المرتبطة بحمض الفسفوريك وتوجد فى كازين اللبن
ت‌- البروتينات الملونة : وهى البروتينات المرتبطة بصبغات النبات مثل الفيتوكروم والبروتينات الكاروتينية والبروتينات الكلوروفيلية
ث‌- بروتينات الليسيثين : وهى البروتينات المرتبطة بالليسيثين وهى احدى مكونات البروتوبلازم
ج‌- البروتينات الدهنية : وهى البروتينات المرتبطة بالاحماض الدهنية وتوجد فى الاغشية الحيوية
تركيب البروتين
يتركب البروتين من الاحماض الالفا امينية مرتبطة ببعضها بروابط ببتيدية فى سلسلة طويلة تحتوى على عدد قليل جدا من مجموعات أمينية او كربوكسيلية منفردة وهى التى تمثل اطراف سلسلتها الببتيدية وتختلف البروتينات فى بنائها الكيميائى تبعا لعدة اعتبارات كالتالى
* عدد ونوع الاحماض الامينية المكونة لسلاسلها الببتيدية
* ترتيب تتابع الاحماض الامينية بالنسبة لبعضها فى السلسلة الببتيدية
* التوزيع الفراغى للذرات والمجموعات ( R ) بالنسبة لبعضها البعض فى السلسلة الببتيدية وهذا يتوقف لحد كبير على درجة الالتفاف او الالتواء على طول السلسلة والذى يؤدى الى شكل حلزونى Helix
* الشكل والتكوين المجسم ثلاثى الابعاد لجزئ البروتين
* التصاق جزيئات ببعضها مكونة تجمعات ذات وزن جزئ مرتفع
* ارتباط البروتينات مع مواد غير بروتينية مكونة أنواع من البروتينات
المرتبطة
لذلك يتركب البروتين تبعا لعدة مستويات

* التركيب الاولى : Primary structure هو تكوين البروتين على اكثر من سلسلة من عديد البروتين Polypeptide chain ويتم الربط بينهم بروابط غير ببتيدية مثل الرابطة ثنائية الكبريتيد ( - S-S- ) بين اثنين من الاحماض الامينية من نوع السستين او بين السستين والسستئين
* التركيب الثانوى : Secondary structure تتنظم السلاسل الببتيدية فى شكل لولبى Helical او فى شكل صفائح مطوية Pleated sheet او يشكل عشوائى Random ويساعد على تنظيم البروتينات بتلك الاشكال روابط هيدروجينية او بالروابط الملحية او الربط بقوى فان درفالز
* التركيب الثالث : tertiary structure يحدث انطوائات واثناءاتاضافية لتعطى التركيب الثالث وهو الخاص بخواص الانزيم بمعنى عند هدم ذلك التركيب يفقد البروتين والانزيم خواصة وتلك الخواص غير انعكاسية irreversible lost وهذا الفقد فى النشاط يحدث بتعرض البروتين للحرارة العالية اوبتغير رقم الحموضة pH او بالتعرض للأشعة فوق البنفسحية
* التركيب الرابع : Quaternary structure يحدث بأشتراك سلسلتين او اكثر وتأخذ الشكل ثلاثى الابعاد ويتم الربط بالروابط الهيدروةجينية والروابط الكارهة للماء
الروابط التى تثبيت سلسلة جزئ البروتين فى اوضاعه

اهم الروابط التى تعمل على تثبيت اوضاع السلسلة الببتيدية هى
1- رابطة ثتائى الكبرتيد The disulphide (-s-s-) bond تتكون نتيجة وجود الحمض الامينى السستين او السستئين فى مواضع مختلفة من السلسلة الببتيدية تحت ظروف الأكسدة عن ذرتى الكبريت مكونة تركيب سستين بة رابطة ثنائى الكبرتيد
2- تجاذب اطراف متأينة مختلفة الشحنة الكهربائية Electrostatic interaction يحدث هذا بين مجموعات مختلفة من السلسلة وعلى حالة ايونات مرتبطة مثل تجاذب مجموعة كربوكسيل متأنية ذات الشحنة السالبة مع مجموعة أمين ذات الشحنة الموجبة
3- الرابطة الايدروجينية Hydrogen bond هى نوع من الارتباط الغير اسهامى ينتج من التداخل الكهربائى الاستاتيكى بين جزيئات غير متأينة وفيها يحدث تجاذب لذرة ايدروجين بواسطة ذرتين سالبتين الشحنة كل منها تعمل على جذبها فتتردد بينهما
4- التجاذب بقوى فان درفالز Van der vaals interaction هذه الرابطة تعمل بها تكافؤات ثانوية ضعيفة وتحدث بين الذرات او المجموعات التى بها توزيع الالكترونات فى الجزئ غير مستقر فلا يوجد بها حالة استقطاب دائم وتبدو متعادلة كهربائيا الا ان حركة الالكترونات فى مسار غير منتظم حول النواة يؤدى الى حالة عدم تناسق مؤقت للتوزيع الالكترونى أثناء دوران الالكتر ونات فى حركنها حول النواة فان الذرة او المجموعة تكتسب نوع من الاستقطاب المؤقت بالنسبة لما يجاورها مما يؤدى الى تجاذب مع ما يغيرها من المجموعات التى تحمل شحنة نسبية مختلفة عنها فى النوع . وفى اللحظات التى يحدث اثنائها اتزان وسرعة حدوثة يخلق نوع من قوى التجاذب الضعيف وتسمى قى فان درفالز وهذا النوع من الارتباط يحدث بين مجموعتى ميثايل او مجموعتين كحول أول قريبة من بعضها فى مواضع مختلفة من السلسلة الببتيدية
5- التصاق المجموعات غير القطبية نتيجة تنافرها مع المذيب مثل الذى يحدث بين مجموعتى فينايل أو أيزوبروبايل نتيجة تنافر كل منها مع الماء

بناء البروتينات بالنبات
يتم بناء البروتينات على عدة خطوات كالتالى :
* امتصاص النترات واختزالها داخل النبات
* بناء الاحماض ألامينية
* نقل المجموعة الامينية
* بناء البروتين
اولأ : اختزال النترات Nitrate reduction
يقوم النبات بامتصاص النيتروجين على صورة نترات كما سبق الاشارة اليه ولا يكن استعماله الا بعد اختزالة الى الامونيا قبل اتحادها لتكوين المركبات النيتروجينية
اول خطوات اختزال النترات هو تحويلها الى النيتريت NO2- تحت تأثير انزيم nitrate reductase ثم يتحول النيتريت الى الهيبو امين HNO والذى يتحول الى الهيدروكسيل امين NH2OH يتحول اخيرا الى النترات

وقد وجد ان عنصر المولبيدنيم عامل معاون CO-factor ضرورى لهذا الانزيم وان القرين الانزيمى NAD (Nictanoamide Adenine Dinucleotide)المانح للاليكترون الرئيسى له والذى ينقلة بدورة الى قرين انزيمى هو FAD (Flavin Adenine Dinucleotide) ثم ينقل الألكترون منه الى المولبيدنيم فينقلة الى الاوكسجين بجزيئ النترات ليمكنة من الاتحاد مع الايدروجين والذى منحة من قبل المعون الانزيمى NAD ليكون الماء فيختزل جزيئ النترات الى النيتريت كما هو موضح فى الشكل التالى

العوامل المؤثرة على أختزال النترات
يعتبر وجود عوامل مثل الضوء وثانى اكسيد الكربون والكالسيوم من العوامل الهامة لاختزال النترات فقد وجد Beevers واخرين أن تخليق أنزيم اختزال النترات يزداد بزيادة الكثافة الضوئية وأن الحاجة للضوء ترجع الى الاحتياجات للنشاط الضوئى التمثيلى فى تخليق هذا الأنزيم . اما Paulsen and Harper فقد وجدا أن الكالسيوم يؤدى الى تراكم النيتريت وهو ما يؤدى الى تثبيت تمثيل انزيم اختزال النترات لذا اقترحا أن تراكم النيتريت لا يرجع الى تأثير نقص الكالسيوم على انزيم الاختزال بل ان التأثير يرجع الى أن نقص الكالسيوم يعيق انتقال النيتريت عبر الاغشية التى تعانى م ذلك النقص حيث أن الكالسيوم من العوامل المكملة لوظيفة الاغشية
النحاس والحديد او كليهما معا بالاضافة الى ATP تشارك فى نشاط انزيم اختزال النيتريت . كما وجد أن البروتين الفلافينى FAD والمولبيدنيم هامان لأختنزال النترات حيث يعملا كحاملان للالكترون من NADH₂ الى أوكسجين - NO₃
ثانيا : بناء الاحماض الامينية Amino acids synthesis

يبدو أن الاحماض الامينية تبنى فى الميتاكوندريا لتوفر الاحماض الكيتونية الناتجة من دورة كربي لاستخدامها فى بناء الاحماض الامينية الا أنه وجد ان النباء يمكن أن يحدث ايضا فى البلاستيدات الخضراء
يتم البناء باندماج النشادر باحماض عضوية كيتونية مثل تفاعل حمض الالفاكيتو جلوتاريك مع النشادر مكونا الحمض الامينى الجلوتاميك , وينشط هذا التفاعل أنزيم glutamic acid dehydrogenase فى وجود قرين الانزيم NAD أو NADP
ويعتبر هذا التفاعل اهم التفاعلات على الاطلاق حيث انه التفاعل الذى يتم فيه نقل النشادر الى الحمض الكيتونى بل يعتبر المنفذ الرئيسى والوحيد لنظام التحول الغذائى للنتروجين الغير عضوى . لكن اثير كثير من الشكوك فى كون ان التفاعل السابق هو الوحيد لادخال النشادر الى التمثل البروتينى فقد اشارت الابحاث الى احتمال اخال النشادر مباشرا الى الاوكسال خلات والبيروفات لتكوين حمض الاسبارتيك والالانين على التوالى وبذلك يكون هناك اربع طرق لادخال الامونيا الى الاحماض الكيتونية لتكوين الاحماض الامينية

ثالثا : النقل الامينى Transamination

يستطيع حمض الجلوتاميك المتكون بالطريقة السابقة اعطاء مجموعة الامين الى حمض القا كيتونى آخر لتكوين احماض امينية آخرى وينشط عملية نقل المجموعة الامينية من حمض امينى الى حمض كيتونى مجموعة من الانزيمات تعرف بأنزيمات النقل الامينى Transaminase ويحدد تسميتها مادة التفاعل وناتج التفاعل فمثلا الأنزيم الذى ينشك نقل مجموعة أمين من حمض الجلوتاميك ( مادة تفاعل ) الى مجموعة الكربونيل لحمض الأكسالو خليك ليتكون حمض الاسبارتيك ( ناتج التفاعل ) يسمى glutamate aspartic transaminase وقد توصل العلماء الى ان النقل الأمينى يتم بمساعدة المرافقات الانزيمية مثل فوسفات البيريدوكسال Pyridoxal phosphate أو فوسفات البيرودوكس امين Pyridoxamine phosphate

رابعا : بناء البروتين Protein synthesis

تبنى البروتينات على الريبوسومات بأتحاد الأحماض الأمينية أو تكثيفها معا برابطة ببتيدية بين مجموعة الكربوكسيل فى احداهما مع مجموعة الأمين فى الآخرى وبذلك تعد الريبوسومات بمثابة أنوال لتصنيع السلاسل الببتيدية ولكن السؤال الذى يجب ان نعرف الأجابة علية هو آى الأحماض الأمينية تختار وبأى ترتيب ؟ نجد الأجابة وافبة فى الجزء التالى والذى سنعرض فية كيف تتحكم الجينات فى بناء البروتينات

اين تحتوى الخلية على مخزون المعلومات الوراثية اللازم لتأدية عملها ؟
• تحتوى الخلية على مخزون من المعلومات والخطط اللازمة لتأدية عملها داخل النواة والبعض الآخر خارج النواة فى احدى عضيواتها وهو ما يسمى بالميتاكوندريا وهو بيت الطاقة فى الخلية حيث انة المسئول عن أكسدة السكر وانتاج الطاقة اللازمة للخلية فى تسير عملها .
• تحمل التعليمات داخل وحدات صغيرة تسمى بالجينات والتى تتراص معا داخل حافظة تسمى الكروموسومات ومجموعة الجينات داخل الحوافظ جميعها تسمى بالجينوم وهى المسئولة عن صفات الكائن التى تميزه والجينوم يعد مكتبة مرتبة دون قراءة
• يتكون الكروموسوم كيميائيا من حمض يسمى الحمض النووى والذى يرمز له بالدنا او DNA حيث يتكون من عدد هائل من الوحدات الصغيرة مرتبطة فى شكل سلسله وكل جزئ كامل من DNA يتركب من سلسلتين تلتفان كجديلتي حبل لتأخذ شكل اللولب المزدوج والوحدات الأساسية لهذه السلسة هى اربع نيكلوتيدات تسمى

• الادينوزين A
• السيتوزين C
• الثياميدين T
• الجواندين G
• هناك الفة كيميائية فيزيقية بين الادينوزين والثياميدين وبين كل من السيتوزين والجواندين تسبب نزوع كل قاعدة الى الالتصاق بمن تتألف معها فأذا ما انفصلت السلسلتين سريعا ما تعود الى التركيب الأصلي وإذا ما انفصلتا السلسلتين كالسوستة سرعان ما اختارت كل سلسلة ما يكملها او تجمع كل سلسلة القواعد التى تتألف معها ليتم بينها التحام لتكون سلسلة مكملة وبذلك يتم التضاعف عند انقسام الخلية وبذلك تتكون السلسلة بنفس الترتيب وبدقة بالغة .

تتكون كل نيكلوتيدة من ثلاثة اجزاء اثنان منها تكونان قوائم السلم الحلزونى وهما السكر الخماسي الريبوزى فى صورة الديسوكسى ( اى سكر الريبوز منزوع ذرة الأكسيجين من على ذرة الكربون رقم 2 ) حمض الفوسفوريك وتتحد النيوكلتيدات معا برابطة ثنائية الأستر حيث تتحد احدى النيوكليتيدات مع التى تسبقها فى السلسلة برابطة استر بين مجموعة الايدروكسيل على ذرة الكربون رقم 3 وحمض الفوسفوريك للنيوكليتيدة السابقة , وبين مجموعة الايدروكسيل على ذرة الكربون رقم 5 وحمض الفوسفوريك للنيوكليتيدة التالية والجزء الثالث من النيوكليتيدة عبارة عن احدى القواعد الاربعة والتى تكون بالاتحاد مع ما يناظرها درجات السلم الحلزونى

فيتم الاتحاد بين قاعدة الادينين فى نيوكليتيدة الادينوزين A مع قاعدة الثيامين فى نيوكليتيدة الثياميدين T برابطة ثنائية الايدروجين , وبين قاعدة السيتوزين فى نيوكليتيدة السيتوزين C وقاعدة الجوانين بنيوكلتيدة الجواندين G برابطة ثلاثية الايدروجين

تركيب الجين وتنظيم عملة
تبعا لنموذج Jacob&Monod فقد قسمت الجينات الى ثلاث أنواع وهى :
1- Regulator Genes وهى الجينات المنظمة لعمل عديد من الجينات الأخرى والتي يطلق عليها اسم الجينات العاملة
2- Operator Genes وهى الجينات العاملة التي تقوم بدور عامل التليفون وهى التي تتحكم في فتح وغلق عدد كبير من الجينات الأخرى التي يطلق عليها Structural Genes
3- Structural Genes وهى الجينات المسئولة عن التركيب الخاص بالبر وتينات أو ببروتين الإنزيم
ولقد افترض تنظيم نشاط الجين يكون عن طريق Regulator Genes حيث يتحكم في فتح او قفل عدد من Structural Genes المسئولة عن إنتاج أنزيمات معينة تؤدى تفاعلات بيوكميائية في سلسلة ينتج عنها في النهاية ظاهرة فسيولوجية معينة . ويتم ذلك بأن يقوم ال Regulator Gene بإفراز مثبط لعمل Operator Genes ويطلق على هذا المثبط اسم القامع او الكابح وقد اقترح Gelbert 1967 أن Repressor عبارة عن بروتينيات تقوم بمنع الجين العامل من اتاحة الفرصة لانزيم بلمرة الرنا من ان يعمل وبالتالي لا تؤدى وظيفتها واقترح ان ذلك يتم بوسيلتين

الاولى ان الكابح ينتج دون قدرة على الكبح الا فى وجود منشط Effector عند وجودة يقوم بالالتصلق بمنطقة Operator فيمنع انزيم بلمرة الرنا من نسخ DNA وبالتالى عدم تكوين الرسالة
كما اقترح Jacob & Monod أن الالية الثانية للكابح تتم عن طريق تثبيطه بمادة ذات وزن جزيء منخفض Effector والتي تلغى قدرة الكابح على العمل وبالتالي يصبح Operator Genes حر تاركا ال Structural Genes قادرة على العمل من خلال إصدارها الأوامر الخاصة بتكوين البروتين وهى m RNA وبالتالى لانتاج إنزيمات متخصصة لاتمام تفاعلات معينة وظهور ظاهرة فسيولوجية أو صفة أو تميز خلوي أو تكشف خلايا أو أنسجة معينة
وهناك نظرية تفترض أن البروتين القاعدي المعروف بالهستون والذي يحتوي على نسبة كبيرة في تركيبه على الحمض الأميني الأرجنين والليسين" والموجود بالكروموسومات يعمل كمادة مثبطة لفصل المادة الوراثية إذا ما اتحد بها وبذلك ينظم فعلها من المراحل الجنينية وحتى الموت. ييسبق منطقة العامل او Operator منطقة تسمى بمنطقة المستبدى او المحفز Promoter هى التى تحدد لانزيم بلمرة mRNA من اين يبدأ العمل
نسخ ر نا او الرسالة RNA Synthesis
يتم نسخ رنا اى الرسالة التى ترسلها النواة الى الخلية بدرجة انتقائية حيث يحدث نسخ جزئي فقط لتتابعات معينة من دنا الجين لانتاجmRNA بقاء نسبة صغيرة فقط من هذة التتابعات المنسوخة يتم عليها عمليات تجهيز و تعديل و حذف لتتابعات من ر ن ا النووى قبل خروجها النهائى الى السيتوبلازم

وتنتقى النواة جينات معينة لنسخها لتقوم بوظائف محددة تبعا لنوع الخلية ومكانتها ووظيفتها فى النسيج او العضو لذلك فأنزيمات بلمرة ر ن ا لابد لها من التعرف على منطقة المستبدئ او المحفز الموجودة فى الجين و المعروفة Promoter عن طريق ارتباط بروتينات نوعية مع تتبعات معينة من د ن ا القالب لتنشيط المحفز يطلق على تلك البروتينات النوعية اسم عوامل النسخ وهى بمثابة مفتاح التشغيل لبدء التناسخ تبحث عوامل النسخ على تتابع معين يعرف بصندوق TATA يتم التعرف علية بأستخدام أصابع الزنك فى عامل النسخ ويكون عادة على بعد 250 قاعدة من موقع بدء النسخ فيؤدى عامل النسخ على تحفير النشاط النسخى لأنزيمات بلمرة ر ن ا وينتج سلسلة ر ن ا من عدد من الوحدات يتراوح عددها بين 8000-20000 نيكلوتيدة وهى أطول كثيرا من طول mRNA الذى يكون البروتين ( 1200 نيكلوتيدة تشفر لحوالى 400 حمض امينى ليكون سلسلة البروتين )والسؤال الان كيف تنشط الجينات لكى تعمل ؟
وجد انه لكى ينشط الجين لا بد لعدد من البروتينيات تعرف بعوامل النسخ Transcription factors من ان ترتبط بقسم من الجين يدعى المنشط او المعزز Promoter ليتمكن باقى الجين من التعبير عن نفسه فى بدء عمل نسخة ال mRNA المسئولة عن إنتاج الأنزيم الذى يقوم بإتمام التفاعل الحيوى واظهار الصفة المحددة وعلية فأن عامل النسخ هذا هو بمثابة مفتاح التشغيل On gene للجين .
ولا يزال العلماء يفكرون فى الوسيلة التى يهتدى بها عامل النسخ هذا للوصول الى الجزء المنشط او المعزز للجين حتى أمكنهم من فك اللغز عندما وجدوا ان أحد عوامل النسخ يحتوى على نتوءات عرفت فيما بعد بأسم أصابع الزنك Zinc fingers والتى وجد انها مهيئة للتعرف على الجزء الخاص من الجين والمسئول عن تنشيطه .
وأصابع الزنك اكتشفها كلاك عام 1985 ووجد انها متواليات من أحماض أمينية تستطيع الانطواء حول أيون الزنك ولقد اكتشفت أصابع الزنك عندما حللت تتابعات الأحماض الأمينية فى إحدى عوامل النسخ ووجد ان هناك ترتيب خاص لتتابع الأحماض الأمينية فى تسع تتابعات او قطع متعاقبة او وحدات متتالية مرقمة من 1-9 بينهما تشابهات مهمة حيث تتشابه او تتطابق وجود زوج من الأحماض السيستيئينية ( C ) وزوجا من الأحماض الهيستيدينية ( H ) وان زوجى السيستيئين والهيستيدين فى كل وحدة بنائية ينضمان الى أيون الزنك جاعلين الأحماض الأمينية الموجودة بينهما تتحلق على النحو المبين بالشكل

كما وجد من الدراسات المكثفة سنة 1991 باستخدام الرنين المغنطيسى ان أصابع الزنك لكى تتصل بجزىء DNA لا بد لها من استعمال إصبعين على الأقل لكى يتعلق البروتين DNA بصندوق TATA بقوة كافية وتعتبر أصابع الزنك رؤؤس قارئة Reading heads تتصل ببعضها بوصلات مرنة , كما وجد ان حمض امينى معين (E,G,A ) يتصل مع قاعدة نيتروجينية واحدة من الزوج القاعدى على DNA بالمجموعات الفوسفاتية فى سلاسل السكر والفوسفات التى تكون جانبى سلم DNA .
نظرا لان الجين فى مميزة النواة لا يتكون من تتابعات شفرية مستمرة بل تتخلله تتابعات غير شفرية طويلة بعكس جينات بدائية النواة فتسمى التتابعات التى تمثل باسم الاكسونات وتسمى التتابعات التى تحزف باسم الانترونات ثم توصل الاكسونات ببعضا RNA splicing حيث تنبعج الانترونات للخار ج فى شكل عروات قبل استبعادها

تأتى مرحلة تعديل وتجهيز نسخة ر نا حيث تعرف جزيئات ر نا الغير متجانسة باسم nhRNA فيتم اضافة قلنسوة الجوانين المميثلة G-methylated nucleotide حيث ان للقلنسوة دور فى بناء البروتين عندما ينتقل الى الربيوسومات كما يبدو انها تقوم بحماية النسخة النامية من ر ن ا من عملية التحلل والهدم , ويضاف لجزئ nhRNA زيل عديد الادنيين Poly A Tail ( 100- 200 قاعدة الادينوزين ) يقوم بها أنزيم خاص يسمىPoly A Polymerase ويبدو ان الذيل لة وظيفة تسهيل خروج mRNA من النواة الى السيتوبلازم ويؤخر هدمة فى السيتوبلازم ليتيح الدخول فى اكثر من دورة من دورات الترجمة

الشفرة الوراثية للجينات
• الجين Geneإذن هو جزء من DNA وهى بمثابة الحبات فى المسبحة وللجينات لغة تخاطب بها الخلية حيث تنقل اليها رسائل تقرئها الخلية فتنفذ ما فيها من تعليمات وأوامر فى منتهى الدقة , لغة الجينات تتآلف من أربع حروف هى A,C,T,G السابق ذكرها اما كلماتها فتتألف من ثلاث حروف فقط من تلك الحروف الأربعة ولتلك اللغة شفرات لكى تفهمها الخلية كعلامات الترقيم والفواصل بمعنى ابدأ من هنا , توقف هنا , بعض الشفرات تعمل كأقواس بين الجمل ليست لها أهمية تسمى انترونات . بعض أجزاء من DNA تعمل كمنظم لعمل الجين تعرف بالجينات المنظمة

تلك هى السيمفونية الربانية التى تعزفها الخلية لتقوم بوظائفها التى حددها الله فى صورة هذا التسلسل والتتابع الدقيق للنيوكليتيدات فى ما يعرف بالدنا ترسل الخلية رسالة الى الخلية تسمى رسالة ال ر ن ا ليتم ترجمتها على المصنع الصغير المسمى بالريبوسوم فيكون بذلك بروتينا معينا هذا البروتين يتكون من تتابع للاحماض الامينية حيث تتباين كيميائيا تباينا واسعا نتيجة تكونها من عشرين حمض امينى يجعل هذا التباين ممكنا ويتم بناء هذا العدد الهائل من البرتينات داخل الخلية باوامرها التى ترسلها مع الرسول وبذلك يتكون الحمض الامينى المضبوط فى المكان المضبوط لينتهى بصناعة البروتين الذى يكون بعضة بنائى فى الخلية والبعض الاخر تنظيمى اى يقوم بتنظيم سير التفاعلات الحيوية داخل الخلية فالبروتينات هى التى تحدد شكل الخلية ووظيفتها ومصير البروتينات الى اين تتجه ايضا حيث تتكون نوع من البروتينات تكون بمثابة بطاقة حقائب السفر حيث تنجذب الى تلك البروتينات بروتينات اخرى لتتوجة الى المكان الصحيح وبذلك تشبة سير حقائب السفر على السير المتحرك الى الوجهه المحددة , والبروتينات هى المكونة للأنزيمات والتى تشبة الكماشة حيث تستطيع تشبيك الاشياء ( المركبات الكيميائية ) معا او تجدلها معا او تفككها من بعضها ويتم ذلك بدقة متناهية , والبروتينات هى التى تصنع الغشاء المحيط بالخلية كما تصنع الابواب التى تسمح بدخول المركبات اليها او خروجها منها بل ان الانزيمات هى التى تسمح بذلك حيث تتحد مع المركبات الداخلة او الخاجة وتحور فيها حتى يمكنها الدخول او الخروج حتى الكائنات الممرضة كالبكتريا فأن اسنانها هى الانزيمات التى تقوم بتمزيق مكونات الخلية وتحليلها الى مواد ابسط لامتصاصها والتغذية عليها .

عرفت الشفرة الوراثية على انها ترتيب النيوكليوتيدات في جزئ mRNA الذي يذهب الي الريبوسوم حيث يترجم الي تتابع للأحماض الأمينية في سلسلة عديد الببتيد الذي يكون بروتينيا ما . في بداية تفكير العلماء عن الشفرة الوراثية كان معروف أن عدد الأحماض الأمينية الموجودة في الطبيعة عشرون حمضا وعدد القواعد النيتروجينيه الداخلة في تركيب جميع النيوكليوتيدات أربعة هم (A,G,C,T) و للحصول علي لغة وراثية سليمة لابد من أن تشكل حروف هذه اللغة ( القواعد النيتروجينية الأربعة ) عشرين كلمة ( الأحماض الأمينية ) وبالتالي الكلمة الوراثية (الحمض الأميني ) آما آن يتكون من حرف أو حرفين أو ثلاثة حروف آو اكثر ومنطقي استحالة تكون الكلمة الوراثية من حرف واحد ( قاعدة نيتروجينيه واحدة ) لان معنى ذلك آن عدد الأحماض الامينيه هو أربعه فقط وهذا منافى للواقع حيث آن عددهم هو عشرون ولو كانت اللغة ثنائية الحروف 4 2=16 حمض أميني وهو اقل من العدد المطلوب أذن الشفرة الوراثية تتكون من ثلاثة حروف 4 3 =64 حمض أميني أي اكثر من العدد الموجود فعلا من الأحماض الأمينية و بالرغم من ذلك فان هذا العدد رغم انه يزيد عن العدد الفعلي للأحماض الأمينية آلا أنة يعتبر أصغر مجال نظري لكلمة شفرة . ففي عام 1965 م عندما تم الوصول الي الشفرة الخاصة بكل حمض أميني و التي يطلق عليها اسم كودونات ( Codes ) تأكد بعد ذلك أن هناك أكثر من شفرة لكن حمض امينى . أيضا هناك كودونات توقف آلية بناء البروتين . كما أن هناك كودون بداية , أي يعطي الإشارة للنقطة التي يبدأ عندها بداية آلية جديدة لصنع بروتين جديد .
و مما أظهرته الدراسات علي الشفرة الوراثية أنها عامة أو كونية بمعني أن الأحماض الأمينية في الكائنات المختلفة لها نفس الشفرة فمثلا الحمض الأميني الجليسين في جميع الكائنات الحية يتواجد بشفرته المعروفة GGU,GGC,GGA) ) . ويتم توزيع الجينات علي الكروموسوم بشكل مقنن و ليس عشوائي و هذا التحديد يتم بواسطة المسافات الفاصلة بين الجينات علي الكر وموسوم .

بناء البروتين
تحتوى الخلية على مجموعة من ر ن ا الناقل و هى عبارة عن جزيئات من الأحماض النووية الريبوزومية صغيرة الطول ( 70- 90 ) نيوكلتيدة يسمح بتركيب جزئ tRNA بوجود موقعين نوعيين يمكن لاحدهما ان يتعرف على و يرتبط بالحمض الامينى بمساعدة أنزيم نوعى يسمى tRNA synthetase فى حين يقوم الموقع الآخر و هو المحتوى على الكودون المضاد و الذى يحتوى على ثلاث قواعد يتعرف على الكودون الموجود فى تتابع جزئ mRNA مما يسمح للأحماض الأمينية ان تصطف طبقا لهذا التتابع النيوكليتدى ويوجد لكل حمض أميني tRNA او اكثر وهى بمثابة عربة لنقل لأحماض الأمينية من السيتوبلازم الى الربيوسوم حيث يتحد الحمض الامينى المعين مع احدى نهايتى الحمض النووى الربيوزمى فى حين يتم التزاوج الصحيح بين الكودون و مضاد الكودون بالروابط الهيدروجينية و علية يقوم tRNA بدور أساسي كوسيط فى عملية الترجمة او يقوم بتحويل تتابع النيوكلتيدات الى تتابع من الأحماض الأمينية فى نفس الوقت يتم تكوين رابطة ذات طاقة عالية عند النهاية الكربوكسيلية لهذا الحمض بحيث يمكنها ان تتفاعل مع المجموعة الأمينية للحامض الامينى التالى

و السؤال الان كيف يتسنى لأنزيم Aminoacyl-tRNA synthetase الذى يؤدى الى ربط tRNA بالحمض الامينى المعين) التوفيق بين الحمض الامينى الصحيح وبين tRNA النوعى الخاص و خاصة للاحماض الامينية المتشابة التركيب حيث يقوم الانزيم بالتفرقة بين الاحماض الامينية تبعا للمراكز النشطة لة و كذلك التفاتة حول tRNA الملائم
يدخل فى بناء البروتين الربيوسومات و هى بماثبة انوال يتكون عليها البروتين و يتكون جسم الربيوسوم الذى يظهر كحبيبات على الشبكة الاندوبلازمية و يتكون من ر ن ا الريبوسومى و يتكون الريبوسوم من تحت وحدتين احدهما كبير والاخر اصغر يبدأ تخليق البروتين عندما ترتبط تحت وحدة ربيوسوم بجزئmRNA الذى يكون لة اول كودون AUG وهو كودون او شفرة البدا للترجمة وتكوين سلسلة عديد الببتيد او البروتين التى ستبنى ثم ترتبط تحت وحدة ريبوسوم كبيرة بالمركب السابق وعندئذ تبدا تفاعلات بناء البروتين .
يوجد على الريبوسوم موقعان يمكن ان ترتبط بها جزيئات tRNA احدهما يطلق علية موقع الببتيديل P والثانى يطلق علية الموقع امينو اسيل A و تبدا سلسلة عديد الببتيد فى الاستطالة فى دورة تتكون من ثلاث خطوات يرتبط مضاد الكودون tRNA بالكودون التالى على جزئ mRNA و بالتالى يصبح الحمض الامينى الذى يحملة tRNA الحمض الامينى التالى فى السلسلة عديد الببتيد . حدوث تفاعل نقل الببتيديل الذى ينتج عنة رابطة ببتيدية بعدة يكون tRNA الاول فارغا و يترك الريبوسوم اما tRNA الثانى فيحمل الحمض الامينى لة مع الحمض الامينى الاول ( المثيونين )
يتحرك الريبوسوم على امتداد mRNA فينتقل tRNA حاملا الحمض الحمضين الامينين الى الموقع P ويدخل الى الموقع A كودون جديد وهو التالى ثم تبدأ الدورة مرة اخرى جالبا الحمض الامينى الثالث وهكذا يتكرر الامر وتقف عملية البناء عندما يصل الريبوسوم الى كودون وقف البناء على mRNA وهناك بروتين يرتبط بكودون الايقاف يسمى عامل الاطلاق Release factor حيث يحرر الريبوسوم من ر ن ا الرسالة
ان تسلسل الأحماض الأمينية يمكن ان يقود الى بروتينات ذات اشكال متشابهة ولقد وضعت حديثا مجموعة دولية من علماء البيولوجيا البنيوية Structural biologists برنامجا عرف بمبادرة بنية البروتين Protein Structure Initiative ليحل شكل البروتينات اما من خلال صنع بلورات نقية جدا من بروتين ما ومن ثم قذف هذة البلورات بالأشعة السينية او من خلال دراسة البروتين بتحليل طيف الرنين المغنطيسى النووى Nuclear magnetic resonance وعند استعمال المعلومات عن البناء ذات الصلة من اجل جمع البروتينات فى عائلات تتشارك على الأرجح فى السمات الهندسية المعمارية ثم استهداف بروتينات ممثلة لكل عائلة لدراستها بالتقنيات الفيزيائية المجهدة Painstaking physical techniques وقد يكونوا قادرين فى المستقبل القريب الى وضع نماذج البروتين المدروسة فى اجهزة الحاسب الالى من اجل عمل برنامج حاسوبى من اجل نمذجة البروتين وابتكار اشكال لطى البروتينات , ويتصور العلماء وجود 1000 صورة أساسية لطريقة طى البروتين وسف يطرح عندئذ السؤال القائل هل تتشارك الكائنات الحية كلها فى مجموعة من البروتينات ؟ وما العمليات الكيميائية الحيوية المطلوبة للحياة ؟

شكرا لك

بورك فيك خيرا

شكررا لك