مفهوم الشيفرة الوراثية:

 

الكود الجيني تسلسل النيوكليوتيدات في الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA)، والحمض النووي الريبي (RNA) الذي يحدد تسلسل الأحماض الأمينية للبروتينات، وعلى الرغم من أن التسلسل الخطي للنيوكليوتيدات في الحمض النووي يحتوي على معلومات عن تسلسل البروتين، فإن البروتينات لا تُصنع مباشرة من الحمض النووي.

 

وبدلاً من ذلك يتم تصنيع جزيء الحمض النووي الريبي المرسال (mRNA) من الحمض النووي ويوجه تكوين البروتين، حيث يتكون الحمض النووي الريبي من أربعة نيوكليوتيدات: الأدينين (A)، الجوانين (G)، السيتوزين (C)، اليوراسيل (U)، إذ تشكل ثلاثة نيوكليوتيدات متجاورة وحدة تعرف باسم الكودون والتي ترمز إلى حمض أميني.

 

على سبيل المثال تسلسل AUG هو كودون يحدد ميثيونين الأحماض الأمينية، حيث أن هناك 64 كودونًا محتملاً ثلاثة منها لا ترمز للأحماض الأمينية ولكنها تشير إلى نهاية البروتين، كما تحدد الكودونات الـ 61 المتبقية الأحماض الأمينية العشرين التي تتكون منها البروتينات، وتم العثور على كودون AUG بالإضافة إلى ترميز الميثيونين في بداية كل (mRNA) ويشير إلى بداية البروتين.

 

الميثيونين والتريبتوفان هما الأحماض الأمينية الوحيدة التي تم ترميزها بواسطة كودون واحد فقط (AUG و UGG) على التوالي)، والأحماض الأمينية الـ 18 الأخرى مشفرة بـ 2-6 كودونات، حيث نظرًا لأن معظم الأحماض الأمينية العشرين مشفرة بأكثر من كودون واحد فإن الكود يسمى متدهور.

 

تم اكتشاف أن الشفرة الجينية التي كان يُعتقد أنها متطابقة في جميع أشكال الحياة تتباعد قليلاً في بعض الكائنات الحية وفي الميتوكوندريا لبعض حقيقيات النوى ومع ذلك، فإن هذه الاختلافات نادرة والشفرة الجينية متطابقة في جميع الأنواع تقريبًا مع نفس الكودونات التي تحدد نفس الأحماض الأمينية، وتم فك شفرة الشفرة الجينية بواسطة علماء الكيمياء الحيوية الأمريكيين مارشال دبليو نيرنبرغ وروبرت دبليو هولي وهار جوبيند خورانا في أوائل الستينيات.

 

مفهوم الجينات:

 

الجين وحدة المعلومات الوراثية التي تحتل موقعًا ثابتًا (موضع) على الكروموسوم، حيث تحقق الجينات آثارها من خلال توجيه تخليق البروتينات، في حقيقيات النوى (مثل الحيوانات والنباتات والفطريات) توجد الجينات داخل نواة الخلية، إذ تحتوي الميتوكوندريا (في الحيوانات) والبلاستيدات الخضراء (في النباتات) أيضًا على مجموعات فرعية صغيرة من الجينات المتميزة عن الجينات الموجودة في النواة.

 

في بدائيات النوى (الكائنات الحية التي تفتقر إلى نواة متميزة مثل البكتيريا)، حيث توجد الجينات في كروموسوم واحد يطفو بحرية في سيتوبلازم الخلية، وتحتوي العديد من البكتيريا أيضًا على بلازميدات – عناصر وراثية خارج الصبغية مع عدد قليل من الجينات.

 

يختلف عدد الجينات في جينوم الكائن الحي (المجموعة الكاملة من الكروموسومات) اختلافًا كبيرًا بين الأنواع، وعلى سبيل المثال بينما يحتوي الجينوم البشري على ما يقدر بـ 20.000 إلى 25.000 جين، فإن جينوم بكتيريا Escherichia coli O157): H7 ) يضم على وجه التحديد 5416 جينًا.

 

(Arabidopsis thaliana ) أول نبات تم اكتشاف تسلسل جينومي كامل له، حيث يحتوي على ما يقرب من 25500 جين، جينومها هو واحد من أصغر الجينات المعروفة للنباتات، ومن بين الكائنات الحية التي تتكاثر بشكل مستقل تحتوي بكتيريا (Mycoplasma genitalium) على أقل عدد من الجينات 517 فقط.

 

التركيب الكيميائي للجينات:

 

تتكون الجينات من الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA) باستثناء بعض الفيروسات، التي تحتوي على جينات تتكون من مركب وثيق الصلة يسمى حمض الريبونوكلييك (RNA)، ويتكون جزيء الحمض النووي من سلسلتين من النيوكليوتيدات تلتف حول بعضها البعض لتشبه سلمًا ملتويًا.

 

تتكون جوانب السلم من السكريات والفوسفات وتتكون الدرجات من أزواج مترابطة من القواعد النيتروجينية، وهذه القواعد هي الأدينين (A) والجوانين (G) والسيتوزين (C) والثايمين (T)، حيث يرتبط A على سلسلة واحدة بـ T على الآخر (وبالتالي تشكل درجة سلم A-T) وبالمثل فإن a C على سلسلة ترتبط بـ G على الأخرى.

 

إذا تم كسر الروابط بين القواعد فإن السلسلتين تنفصلان وتلتصق النيوكليوتيدات الحرة داخل الخلية بالقواعد المكشوفة للسلاسل المنفصلة الآن، إذ تصطف النيوكليوتيدات الحرة على طول كل سلسلة وفقًا لقاعدة اقتران القاعدة – الروابط مع روابط T و C إلى G، وتؤدي هذه العملية إلى تكوين جزيئين متطابقين من الحمض النووي من أصل واحد، وهي الطريقة التي يتم بها تمرير المعلومات الوراثية من جيل واحد من الخلايا إلى الجيل التالي.

 

النسخ الجيني والترجمة:

 

يحدد تسلسل القواعد على طول خيط من الحمض النووي الكود الجيني، وعندما تكون هناك حاجة لمنتج جين معين فإن جزء جزيء الحمض النووي الذي يحتوي على هذا الجين سينقسم من خلال عملية النسخ، حيث يتم إنشاء خيط من (RNA) بقواعد مكملة لتلك الموجودة في الجين من النيوكليوتيدات الحرة في الخلية.

 

يحتوي (RNA) على (uracil) الأساسي [U] بدلاً من الثايمين، لذا فإن A و U يشكلان أزواج قاعدية أثناء تخليق (RNA) هذه السلسلة المفردة من (RNA)، وتسمى (messenger RNA (mRNA))، ثم تنتقل إلى العضيات المسماة (ribosomes)، حيث الترجمة أو تخليق البروتين، وأثناء الترجمة هناك نوع ثانٍ من الحمض النووي الريبي وهو نقل الحمض النووي الريبي (الحمض النووي الريبي) ويطابق النيوكليوتيدات في (RNA) المرسال مع الأحماض الأمينية المحددة.

 

كل مجموعة من ثلاثة أكواد نيوكليوتيدات لحمض أميني واحد، إذ تشكل سلسلة الأحماض الأمينية المبنية وفقًا لتسلسل النيوكليوتيدات سلسلة متعددة الببتيد جميع البروتينات مصنوعة من سلسلة واحدة أو أكثر من سلاسل البولي ببتيد المرتبطة، كما أشارت التجارب التي أجريت في الأربعينيات من القرن الماضي إلى أن جينًا واحدًا مسؤولاً عن تجميع إنزيم واحد أو سلسلة بولي ببتيد واحدة، حيث يُعرف هذا بفرضية الجين الواحد – الإنزيم الواحد ومع ذلك منذ هذا الاكتشاف، تم إدراك أنه لا تقوم جميع الجينات بتشفير إنزيم وأن بعض الإنزيمات تتكون من عدة ببتيدات قصيرة مشفرة بواسطة جينين أو أكثر.

 

تنظيم الجينات:

 

أظهرت التجارب أن العديد من الجينات داخل خلايا الكائنات الحية غير نشطة كثيرًا أو حتى طوال الوقت وهكذا في أي وقت في كل من حقيقيات النوى وبدائيات النوى، يبدو أنه يمكن تشغيل أو إيقاف الجين، كما يختلف تنظيم الجينات بين حقيقيات النوى وبدائيات النوى من نواحٍ مهمة.

 

تتميز العملية التي يتم من خلالها تنشيط الجينات وتعطيلها في البكتيريا بشكل جيد للبكتيريا ثلاثة أنواع من الجينات: الجينات الهيكلية والمشغلة والمنظمة، ورمز الجينات الهيكلية لتخليق عديد الببتيدات المحددة تحتوي جينات المشغل على الكود الضروري لبدء عملية نسخ رسالة (DNA) لواحد أو أكثر من الجينات الهيكلية إلى (mRNA)، وهكذا ترتبط الجينات الهيكلية بجين المشغل في وحدة وظيفية تسمى أوبرون.

 

في النهاية يتم التحكم في نشاط الأوبرون بواسطة جين منظم إذ ينتج جزيء بروتين صغير يسمى الكابت، ويرتبط المثبط بجين المشغل ويمنعه من بدء تخليق البروتين الذي دعا إليه المشغل، إن وجود أو عدم وجود جزيئات مُثبِّطة معينة يحدد ما إذا كان الأوبون متوقفًا عن التشغيل أم لا، حيث ينطبق هذا النموذج على البكتيريا.

 

كما يتم تنظيم جينات حقيقيات النوى التي لا تحتوي على أوبرا بشكل مستقل، حيث تتضمن سلسلة الأحداث المرتبطة بالتعبير الجيني في الكائنات الحية الأعلى مستويات متعددة من التنظيم، وغالبًا ما تتأثر بوجود أو عدم وجود جزيئات تسمى عوامل النسخ، وتؤثر هذه العوامل على المستوى الأساسي للتحكم الجيني وهو معدل النسخ وقد تعمل كمنشطات أو معززات.

 

تنظم عوامل النسخ المحددة إنتاج الحمض النووي الريبي من الجينات في أوقات معينة وفي أنواع معينة من الخلايا، وغالبًا ما ترتبط عوامل النسخ بالمحفز أو المنطقة التنظيمية الموجودة في جينات الكائنات الحية الأعلى، بعد النسخ يتم استئصال الإنترونات (متواليات النيوكليوتيدات غير المشفرة) من النسخة الأولية من خلال عمليات تعرف باسم التحرير والتضفير، حيث نتيجة هذه العمليات هي خيط وظيفي من الرنا المرسال. بالنسبة لمعظم الجينات ، تعد هذه خطوة روتينية في إنتاج (mRNA) ولكن في بعض الجينات توجد طرق متعددة لربط النسخة الأولية مما يؤدي إلى اختلاف (mRNAs)، مما يؤدي بدوره إلى بروتينات مختلفة، ويتم أيضًا التحكم في بعض الجينات على المستويين متعدية وما بعد الترجمة.

 

الطفرات الجينية:

 

تحدث الطفرات عندما يتم تعطيل عدد أو ترتيب القواعد في الجين، حيث يمكن حذف النيوكليوتيدات أو مضاعفتها أو إعادة ترتيبها أو استبدالها كما يكون لكل تعديل تأثير معين، وعادةً ما يكون للطفرة تأثير ضئيل أو معدوم ولكن عندما يغير الكائن الحي قد يكون التغيير مميتًا أو يسبب المرض، وسترتفع الطفرة المفيدة في التردد داخل مجموعة سكانية حتى تصبح القاعدة، كما إن المرض الوراثي البشري هو أي من الأمراض والاضطرابات التي تسببها طفرات في جين واحد أو أكثر.

 

مع تزايد القدرة على السيطرة على الأمراض المعدية والتغذوية في البلدان المتقدمة أصبح هناك إدراك بأن الأمراض الوراثية هي سبب رئيسي للإعاقة والوفاة والمأساة الإنسانية، ونادرًا ما تكون الأسرة خالية تمامًا من أي اضطراب وراثي معروف، كما تم التعرف على عدة آلاف من الاضطرابات الوراثية المختلفة ذات الأعراض السريرية المحددة.