الشفرة الوراثية: الاكتشاف والتعريف وعدد ‏النيوكليوتيدات ‏

ما هي قصة اكتشاف الشفرة الوراثية؟

بدأت الجهود لفهم كيفية تشفير البروتينات بعد اكتشاف بنية الحمض النووي في عام 1953. وافترض المكتشفان الرئيسيان، عالم الفيزياء الحيوية الإنجليزي فرانسيس كريك وعالم الأحياء الأمريكي جيمس واتسون، اللذان يعملان معًا في جامعة كامبريدج. أن المعلومات تتدفق من الحمض النووي. وأن هناك صلة بين الحمض النووي والبروتينات. كان الفيزيائي الأمريكي السوفييتي جورج جامو أول من قدم مخططًا عمليًا لتخليق البروتين من الحمض النووي. وافترض أنه يجب استخدام مجموعات من ثلاث قواعد (ثلاثية) لتشفير 20 من الأحماض الأمينية القياسية التي تستخدمها الخلايا الحية لبناء البروتينات. والتي من شأنها أن تسمح بحد أقصى 43 = 64 من الأحماض الأمينية. وقد أطلق على هذا التفاعل بين الحمض النووي والبروتين (الشفرة الجينية الأصلية) اسم "الشفرة الماسية".

في عام 1954، أنشأ جامو منظمة علمية غير رسمية تسمى لنادي رابطة الحمض النووي الريبوزي RNA Tie Club، بناءا على اقتراح واتسون، والذي يقضي بتجميع العلماء المهتمين بفهم كيفية تخلبق البروتينات من الجينات. ومع ذلك، يمكن أن يضم النادي 20 عضوًا دائمًا فقط لتمثيل كل من الأحماض الأمينية العشرين. وأربعة أعضاء فخريين إضافيين لتمثيل النيوكليوتيدات الأربعة للحمض النووي.

أول مساهمة علمية للنادي، كانت ورقة بحثية كتبها كريك تحت عنوان مكتوبة بعنوان "حول القوالب المتحللة وفرضية المحول: ملاحظة لنادي رابطة الحمض النووي الريبوزي ـRNA Tie Club". وقد سُجلت هذه الورقة فيما بعد على أنها "واحدة من أهم المقالات غير المنشورة في تاريخ العلوم. و أنها "أشهر الأبحاث التي لم تنشر في حوليات البيولوجيا الجزيئية". وقد قدمها كريك إلى أعضاء النادي في يناير 1955. وقد عيرت هذه الورقة تمامًا الطريقة التي كان ينفكر بها أعضاء النادي عن  تخليق البروتين". وكا يتذكر واتسون، تنص الفرضية على أن الكود الثلاثي لم يتم تمريره إلى الأحماض الأمينية كما اعتقد جامو، ولكن تم نقله بواسطة جزيء مختلف، وهو محول، يتفاعل مع الأحماض الأمينية. تم التعرف على المحول لاحقًا على أنه  t-RNA.

ما هو تعريف الشفرة الوراثية؟

الشفرة الوراثية هي مجموعة القواعد التي تستخدمها الخلايا الحية لترجمة المعلومات المشفرة داخل المادة الوراثية (تسلسلات الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي ثلاثية النوكليوتيدات، أو الكودونات) إلى بروتينات. تتم الترجمة بواسطة الريبوسوم. الذي يربط الأحماض الأمينية البروتينية بترتيب محدد بواسطة )messenger RNA)، باستخدام جزيئات RNA الناقلة (tRNA) التي تحمل الأحماض الأمينية. وتقرأ نيوكليوتيدات mRNA الثلاثية مع كل حامضي أميني تحمله. إن الشفرة الوراثية متشابهة إلى حد كبير بين جميع الكائنات الحية ويمكن التعبير عنها في جدول بسيط يحتوي على 64 مدخلاً.

تحدد الكودونات أي حمض أميني سيتم إضافته بعد ذلك أثناء عملية التخليق الحيوي للبروتين. مع بعض الاستثناءات، يحدد كودون ثلاثي النوكليوتيدات في تسلسل الحمض النووي حمضًا أمينيًا واحدًا. يتم تشفير الغالبية العظمى من الجينات بمخطط واحد (انظر جدول كودون الحمض النووي الريبي). يُشار إلى هذا المخطط غالبًا بالشفرة الجينية الأساسية أو القياسية، أو ببساطة بالشفرة الجينية، على الرغم من وجود رموز مختلفة (كما هو الحال في الميتوكوندريا).

اين تتم ترجمة الشفرة الوراثية؟

ينتقل mRNA إلى الريبوسوم حيث يترجم إلى تتابع للأحماض الأمينية في سلسلة عديد الببتيد الذى يكون بروتينا معينا.

ما هو عدد النيكليوتيدات المسئولة عن اختيار جزيئاتt RNA الخاصة بكل حامض أميني؟

‏عدد الأحماض الامينية 20 نوعا.

‏عدد النيوكليوتيدات التي تدخل في بناء‏DNA ,RNA ‎‏ هما 4 أنواع: A, T (U), G, C .

اللغة الوراثية تحتوي على أربعة أحرف فقط. وهذه الحروف الأربعة من النيوكليوتيدات يجب أن تشكل 20 كلمة،  تدل كل منها على حامض أميني معين.

هل الشفرة الوراثية أحادية أم ثنائية أم ثلاثية؟

إذا اعتبرنا أن الشفرة الوراثية أحادية. هذا يعني أن كل نيوكليوتيدة تمثل شفرة حمض أمينى معين فتكون عدد الشفرات 4. وبالتالى ‏فهى تشكل 4 أحماض أمينية فقط (وهذا لا يصلح)‏.

وإذا اعتبرنا أن الشفرة الوراثية ثنائية. فهذا يعني أن كل نيوكليوتيدين تمثل شفرة حمض أميني معين فتكون عدد الشفرات ²4= 16 ‏شفرة. وبالتالي فهي تشكل 16 حمض أميني فقط ( وهذا لا يصلح )‏

وإذا اعتبرنا أن الشفرة الوراثية ثلاثية. فهذا يعني أن كل ثلاث نيوكليوتيدات تمثل شفرة حمض أميني معين فتكون عدد الشفرات ‏‏34= 64 شفرة. وبالتالي يصبح لكل حمض أميني أكثر من شفرة (ما عدا الميثيونين ) ‏‏(وهذا يصلح)‏.

في عام 1960، توفرت أدلة  قوية على أن الشفرة ثلاثية.

في 1965، تم الوصول إلى الشفرة الثلاثية لكل حامض أميني. تلك الشفرة والتي يطلق عليها اسم الكودونات. توجد هذه الكودونات  في الجدول (رقم 1).

الكودونات التي توجد في الجدول (رقم 1)، هي الكودونات التي توجد في mRNA.

ثلاثية شفرة DNA هي النيوكليويدات التي تتكامل قواعدها مع تلك الموجودة في الجدول.

يوضح الجدول (رقم 1) أن هناك أكثر من شفرة  لكل حامض أميني. وأن هناك كودونات لبدء تخليق البروتين (AUG). وثلاث كودونات  لوقف تخليق البروتين (UGA, UAA, UAG).

الشفرة الوراثية عالمية؛ لان نفس الكودونات تمثل شفرات لنفس الاحماض الامينية في جميع أنواع الكائنات الحية (الفيروسات -البكتريا -الفطريات –النباتات-الحيوانات).

تدل عالمية الشفرة الوراثية على أن جميع الكائنات الحية الموجودة على سطح الأرض نشأت عن أسلاف مشتركة. وأن الشفرة الوراثية قد تكونت بعد فترة قصيرة من بدء الحياة واستمرت بدون تغير تقريبا لمئات السنين.