الفصل السادس : الوراثة الجزيئية

الفصل السادس :الوراثة الجزيئية

الدرس (1) المادة الوراثية : DNA

إكتشاف المادة الوراثية

أهم مكوّنين من مكوّنات الكروموسومات هما DNA والبروتين.

حاول العلماء معرفة أي هذين الجزئين الكبيرين DNA أو البروتين هو مصدر المعلومات الوراثية

العالم جريفيث  درس سُلالتين من بكتيريا المكورات السبحية الرئوية ( تسبب التهاب الرئة )  

                            وجد أن إحدى السلالات يمكنها أن تتحول، أو تتغير، إلى شكل آخر.

تجربة جريفيث

  مشاهدة جريفيت : العامل المسبب للمرض انتقل من البكتيريا الميتة (S) إلى الحية (R)

إستنتاج جريفيت : هناك تحول من البكتيريا الحية (R)الى البكتيريا الميتة (S)

                                       

                                                           

أفرى :  تعرّف أفري وزملاؤه على الجزيء الذي حوّل البكتيريا من السلالة R إلى السلالة S

1) عزل جزيئات كبيرة مختلفة من خلايا البكتيريا الميتة (S)           مثل :  ( DNA - وبروتين - ودهون )

2) عرض الخلايا البكتيرية الحية (R) لهذه الجزيئات الكبيرة بشكل منفصل

3) الإستنتاج : تغير خلايا (R) إلى خلايا (S) بسبب انتقال الـDNA من (S) إلى (R)

هيرشى وتشيس

vتجاربهما وفرت الدليل الدامغ على أن DNA هو عامل التحول

v تضمنت تجاربهم الفيروس الآكل البكتيريا

س / ما العاملان اللذين جعلا تجربة هيرشي وتشيس ملائمة لإثبات أن DNA هو المادة الوراثية ؟

1- الفيروس المستعمل مكون من DNA  وبروتين فقط

2- الفيروسات لا تستطيع ان تتضاعف بنفسها ابداً

v ميزا المكونين بالمواد المشعة 

الإستنتاج : ان الـ DNA وليس البروتين هو المادة الوراثية  التي يمكن ان تنتقل من جيل الى جيل في الفيروسات 

تركيب DNA 

                    النيوكليوتيدات هي وحدات بنائية للأحماض النووية

أنواعها : RNA & DNA

تتكون من :  

س/ فرقي بين تركيب الـ DNA و الـRNA

تشارجاف

•حلّل كمية الأدينين والجوانين والثايمين والسايتوسين في DNA لأنواع مختلفة من المخلوقات الحية

• وجد أن كمية الجوانين تساوي كمية السايتوسين تقريبًا، وأن كمية الأدينين تساوي كمية الثايمين تقريبًا في النوع الواحد.
•سُمّي هذا الاكتشاف قاعدة تشارجاف : C = G و T = A

تشتت الأشعة السينية 

استخدم ويلكنز تقنية تُسمى تشتت الأشعة السينية

بروزالند فرانكلين التقطت الصورة رقم 51 المشهورة الآن

استخدمها بعد ذلك واطسون وكريك.

أهمية الصورة :أشارت إلى أن DNA هو جزيء مزدوج أو على شكل سلّم ملتو، مكوّن من سلسلتين من النيوكليوتيدات ملتفتين إحداهما حول الآخرى

واطسون وكريك   استخدما بيانات فرانكلين وبيانات تشارجاف 

اهم خصائص نموذج الــDNA لواتسون وكريك :

1- سلسلتين خارجيتين يتكونان من سكر الرايبوز المنقوص الأكسجين وفوسفات بشكل متبادل

2- يرتبط السايتوسين والجوانين معاً بثلاث روابط هيدروجينية

3- يرتبط الثايمين والأدينين معاً برابطتين هيدروجينيتين    

تركيب DNA 

يحاكي جزيء DNA على الأغلب السّلم الملتوي حيث يمثل:

 حاجز الحماية ( الدرابزين) للسلم:  السكرَ المنقوص الأكسجين والفوسفات بشكل متبادل.

درجات هذا السلّم تشكل : أزواج القواعد النيتروجينية (السايتوسين – الجوانين أو الثايمين – الأدينين)

س / ما أهمية إرتباط البيريمدينات دائمًا بالبيورينات؟

 تحافظ بذلك على البعد الثابت لحاجزي الحماية - سلسلتي –DNA في السلم.

الإتجاه : 
التوازي المتعاكس : تترتب السلسلة من 5 إلى 3 بينما تترتب السلسلة الأخرى الموازية في الإتجاه المعاكس  من 3 إلى 5

التركيب البنائي للكروموسوم 

 جزيء الـDNA  يلتف حول  الهستونات : وهي مجموعة من البروتينات تشبه الخرز يلتف حولها جزيء الـDNA

عللي / تنجذب جزيئات الـ DNA   الى بروتينات الهستون

بسبب الشحنة السالبة على مجموعة الفوسفات في الـ DNA والشحنة الموجبة لجزيئات الهستونات

س / ما هو الجسيم النووي(النيوكليوسوم) ؟ عبارة عن DNA مرتبط بالهستون

س / ما هي الألياف الكروماتينية ؟  تجمع من النيوكليوسومات

س / ماذا ينتج عن تجمع الالياف الكروماتينية ؟ الكروموسوم

الدرس (2): تضاعف DNA

تضاعف DNA شبه المحافظ إنفصال سلاسل  DNA الأصلية وبدأ عملية التضاعف فينتج جزيء DNA  مكون من سلسلة أصلية وأخرى جديدة   

سـ / من الذي اقترح هذه الطريقة لتضاعف الــ DNA؟ واتسون وكريك  

سـ / في أي اطوار دورة الخلية يحدث هذا التضاعف يحدث في الطور البيني للإنقسام المتساوي أو المنصف
سـ / عددي مراحل عملية تضاعف الـ DNA
فك الإلتواء – ارتباط القواعد في أزواج – إعادة ربط السلاسل 

1- فك الألتواء

إنزيم فك الالتواء ( هيليكيز ) : الإنزيم المسؤول عن فك الالتواء وفصل جزيء  DNA الحلزوني المزدوج 

1) تنفصل سلاسل الحلزون المزدوج 2) تتكسر الروابط الهيدروجينية بين القواعد 3) تتكوّن سلاسل DNA منفردة

4) تقوم بروتينات تُسمى البروتينات المرتبطة مع السلاسل المنفردة، بالارتباط بجزيء DNA  <<< عللي

لضمان بقاء السلاسل منفصلة بعضها عن بعض خلال عملية التضاعف

انزيم RNA  البادئ : يقوم بإضافة قطعة صغيرة (RNA  الأولية ) إلى كل سلسلة من سلاسل DNA

2- ارتباط القواعد فى أزواج

  تضاف  النيوكليوتيدات إلى النهاية    3 في السلسلة الجديدة

 كل قاعدة نيتروجينينة ترتبط بالقاعدة النيتروجينينة المتممة لها فقط :

                                             T   <------>   A      

                                             C  <------>   G 

      سـ / عللي : تضاعف الـ DNA يسمى شبه المتقطع او شبه المحافظ

       لأن إحدى السلاسل تصنع بشكل متواصل والأخرى بشكل غير متواصل 

سـ / فرقي بين السلسلة الرئيسية وبين السلسلة الثانوية اثناء تضاعف الـ DNA 

 3- إعادة ربط السلسلة
تضاعف DNA في الخلايا الحقيقية النوى يبدأ عادة في عدة مناطق على طول الكروموسوم

vعندما يصل  إنزيم بلمرة  DNA  إلى RNA   البادئ  فإنه يزيله

v يستبدل بـ RNA   نيوكليوتيدات  DNA

v ثم يقوم  إنزيم ربط  DNA   بربط الجزأين 

الدرس (3) DNA و RNA  والبروتين  

المبدأ الأساسي

سـ / كيف يستخدم الـ DNA شفرة وراثية ضرورية في بناء البروتين؟

تنسخ شفرات الـ DNA إلى RNA الذي يوجه عملية بناء البروتينات
أهمية البروتينات : 1- وحدات بنائية للخلايا 2- إنزيمات

سـ / أين تحدث هذه العملية ؟  في جميع المخلوقات الحية بدءاً من البكتيريا حتى الإنسان

جزئ RNA 

- جزئ الـ RNA    يشبه جزئ الـ DNA

- يتكون RNA   من : سكر ريبوز – قاعدة نيتروجينية – مجموعة فوسفات

س / ما الفرق بينه وبين الـ DNA ؟

1) القاعدة النيتروجينية في RNA اليوراسيل     بدلاً من الثايمين الموجودة في DNA
2) عادة يكون شريط منفرد
3) سكر الرايبوز منقوص الأكسجين في الـ DNA

-أنواع الــ   : RNA

1- mRNA  ( الرسول )    2- rRNA  (الريبوسومي )             3- tRNA   (الناقل)

سـ / قارني بين أنواع RNA    من حيث الوظيفة

عملية النسخ    تنتقل خلالها شفرة DNA  إلى  mRNA  في النواة

 إنزيم بلمرة RNA :  وهو إنزيم يوجه بناء  RNA ، بارتباطه في منطقة محددة؛ حيث تبدأ عملية بناء mRNA ..

خطوات عملية النسخ 

1) ينفك التواء DNA جزئياً  ويرتبط به أنزيم بلمرة (RNA Polymerase)

2) تبدأ عملية بناء mRNA

3) يتحرك  (انزيم بلمرة RNA ) على طول سلسلة DNA  (الأساسية)  في الإتجاه من  3 إلى 5

4) يصنع mRNA  في الإتجاه من 5  إلى 3

5) ينفصل أنزيم بلمرة RNA عن DNA

6) يتحرك mRNA  الجديد من النواة الى السيتوبلازم عبر الثقوب النووية

معالجة RNA 

RNA الأولي (غير المعالج ): 1- له نفس طول       DNA - 2 يحوي شفرة DNA كلها

RNA النهائي (المعالج قبل خروجه من النواه):

1- يتم التخلص من الأنترونات : المناطق الغير مشفرة والموجودة على DNA تبقى عليه الإكسونات : المناطق المشفرة وهي القطع الفعالة

2- إضافة غلاف واقي على النهاية 5 من mRNA
3- إضافة ذيل مكون من نيوكليوتيدات الأدنين على النهاية 3 من mRNA

بعد معالجة mRNA يغادر النواه ويدخل السيتوبلازم 

      الشفرة

vتعليمات بناء البروتين توجد على الــ DNA

v الشفرة الوراثية (الكودونcodon): هي الشفرة الثلاثية القواعد النيتروجينية في DNA أو mRNA

الترجمة: قراءة الشفرة وترجمتها لبناء بروتين

tRNA  في عملية الترجمة 

- تعمل جزيئات tRNA عمل المفسرات (ترتيب الكودونات على mRNA)  - ينطوي tRNA  على شكل ورقة برسيم
 - يتم تنشيطه بانزيم يعمل على ربط حمض أميني محدد على النهاية 3`
-الكودون المضاد : ترتيب مكون من 3 قواعد نيتروجينية     يوجد في منتصف الشريط المطوي لــ tRNA  وهو متمم للكودون الذي على mRNA

دور الرايبوسوم

-يتكون الرايبوسوم من وحدتين بنائيتين لا تكون مرتبطة معًا عندما لا تدخل ضمن عملية ترجمة البروتين.

-وعندما يترك mRNA النواة تجتمع وحدتا الرايبوسوم معًا وترتبطان بــmRNA  لإنتاج الرايبوسوم الفعال.

-فيتحرك tRNA بالكودون المضاد (CAU) الذي يحمل حمض اميني ليرتبط مع كودون البدء (AUG) على mRNA 

- ثم يتحرك tRNA نحو الموقع P على الشق في الرايبوسوم - ثم يتحرك tRNA  آخر نحو الموقع A

-يتم ربط الحمضين الأمينيين في الموقعين  AوP ( بمساعدة جزء من الرايبوسوم الذي يعمل عمل انزيم محفز )

- يتحرر tRNA في الموقع P إلى الموقع الثالث Eحيث يغادر الرايبوسوم

- يدخل tRNA جديد الموقع A متمماً الكودون الجديد التالي على mRNA عن طريق تحرك الرايبوسوم

س/ ما الذي يحدد تتابع الأحماض الأمينية ؟ يحددها mRNA

س/ إلى ماذا يشير كود الانتهاء ؟ يشير إلى نهاية تصنيع البروتين

 س/ هل يوجد لكودون الإنتهاء كودون مضاد على tRNA ؟ لا يوجد له كودون مضاد

س/ ما أهمية عوامل الإطلاق (عوامل فك الإرتباط)

تحرر mRNAمن آخر tRNA تم ترجمت-  تفكك وحدات بناء الرايبوسوم  لتنهي بناء البروتين 

الدرس (4) التنظيم الجينى والطفرة  

التنظيم الجينى فى الخلايا البدائية النوى

التنظيم الجيني :  قدرة المخلوق الحي على التحكم في اختيار أي الجينات تنسخ استجابة للبيئة  

المنطقة الفعالة : هي قطعة من الـ DNA  تحتوي على جينات تشفر بروتينات ضرورية لعملية أيض محددة

عملها / اهميتها : تتحكم في نسخ الجينات استجابة للتغيرات البيئية

أجزاء المنطقة الفعالة :

1- المشغل : قطعة من الـ DNAتعمل كمفتاح لبدء النسخ وإيقافه

2- المحفز :قطعة من الــ DNA تقع حيث يرتبط انزيم بلمرة RNA مع بداية جزئ الـDNA

3- الجين المنظم

4- الجينات التي تشفر البروتينات

مثال :  بكتيريا E.coli

تستجيب الى: 1- الحمض الأميني (التربتوفان)   2- سكر اللاكتوز

من خلال منطقتين فعالتين : 1- منطقة تربتوفان   2- منطقة اللاكتوز

التنظيم الجينى فى الخلايا الحقيقية النوى§الخلايا حقيقية النوى أكثر تعقيداً تتطلب نظام تحكم اكثر تعقيداً

التحكم فى عملية النسخ 

عوامل النسخ : هي بروتينات من خلالها تتحكم الخلايا الحقيقية النوى بالتعبير الجيني

الأهمية / الوظيفة  : 1- تضمن استعمال الجين في الوقت المناسب 2- انتاج البروتينات بالكميات الصحيحة

المجموعتان الرئيسيتان لعوامل النسخ :

ا) عوامل النسخ التي تكون مركبات معقدة   تنظم انزيم بلمرة RNA وتوجه ارتباطه بالمنظم

ب) بروتينات منظمة تساعد على التحكم بسرعة النسخمثل : 

البروتينات النشطة : تطوي جزئ الـDNA لتجعل مواقع المحفزات قريبة من المركب المعقد فتزيد سرعة نسخ الجين

البروتينات المثبطة : ترتبط مع مواقع محددة على DNA لتمنع ارتباط المحفزات

تداخل RNA 

طريقة أُخرى لتنظيم جينات الخلايا الحقيقية النوى

جزيئات RNA المتداخلة الصغيرة : هي القطع ثنائية السلسلة الناتجة من تقطيع الـ RNA  الى قطع صغيرة 

ترتبط (جزيئات RNAالمتداخلة الصغيرة ) ببروتين معقد

ترتبط  مع مقاطع محددة ومتسلسلة على  mRNA في السيتوبلازم >> يؤدي الى تقطيع mRNA   فتمنع ترجمته 

الطفرات    تغير دائم في DNA الخلية 

أنواع الطفرات 

أولاَ:     الطفرات النقطية (الجينية) : تغيرًا كيميائيًّا في زوج واحد من القواعد، مما قد يكون كافيًا لإحداث خلل وراثي

           الاستبدال:  هي الطفرة النقطية التي يستبدل فيها زوج قواعد بآخر

طفرات حساسة (مؤثرة)    تتغير فيها الشفرة الوراثية فتصبح لحمض أميني آخر 

طفرات غير حساسة : يتغير كودون الحمض الأميني إلى كودون توقف

تؤدي الطفرات غير الحساسة  إلى : 1- توقف الترجمة مبكرًا.            2- إلى بروتينات لا تعمل بشكل طبيعي

ثانياً :    طفرات الإزاحة :تتضمن كسب نيوكليوتيد واحد أو خسارته ضمن تسلسل القواعد النيتروجينية على الـDNA  

طفرات الإضافة : إضافة نيوكليوتيد إلى تسلسل القواعد النيتروجينية على الـ DNA   

طفرات الحذف: فقدان نيوكليوتيد من تسلسل القواعد النيتروجينية

تؤدي الى : تغير ترتيب الأحماض الأمينية

مثال : مرض الكابتونيوريا

ثالثاً:  اشتراك أجزاء كبيرة من الـDNA  في طفرة بحذف قطعة من الكروموسوم  تحتوي جيناً واحداً أو أكثر

أو تنتقل إلى موقع مختلف على الكروموسوم . أو إلى كروموسوم آخر

تؤدي غالباً إلى : تأثيرات شديدة في التعبير عن هذه الجينات

مثال : متلازمة الكروموسوم X الهش وتسبب اختلالات سلوكية وعقلية 

أسباب الطفرة 

1) قد تحدث بصورة تلقائية     إذ يضيف إنزيم بلمرة DNA  خلال التضاعف، القاعدة الخطأ

2) العوامل المسببة للطفرات 
 المواد الكيميائية :  تؤثر على الـ DNAعن طريق : •تغيير التركيب الكيميائي للقواعد

• تحل بعض المطفرات الكميائية محل النيوكليوتيدات لان لها تراكيب كيميائية شبيهة بها وتؤدي لعدم التضاعف بصورة صحيحة

س/ كيف استخدمت هذه الطريقة في مكافحة فيروس الإيدز ؟
استخدمت ادوية تركيبها يشبه تركيب نيوكليوتيدات الفيروس فلايمكن لـ DNA نسخ نفسه 

الأشعة:

1- الأشعة العالية الطاقة : مثل أشعة (X)  و جاما

عللي / تعد الأشعة العالية الطاقة، مثل أشعةX  وجاما عوامل قوية مسببة للطفرات

لأنه عندما تصل الأشعة إلى  DNA تمتص الإلكترونات طاقة هذه الأشعة.

ويمكن للإلكترونات أن تهرب من ذراتها تاركةً خلفها جذورًا حرة

سـ / ماهي الجذور الحرة ؟

الجذور الحرة free radicals:  هي ذرات مشحونة بإلكترونات منفردة تتفاعل بعنف مع الجزيئات الأخرى ومنها DNA 

2- أشعة الشمس فوق البنفسجية

طفرة الخلايا الجسمية والجنسية

أولاً في الخلايا الجسمية ستصبح من التركيب الوراثي في الخلية وفي الخلايا الجديدة

الطفرات المتعادلة :تحدث في الخلايا الجسمية  ولا تنتقل  إلى الجيل التالي. وقد لا تسبب مشكلات في الخلية

ثانياً في الخلايا الجنسية (التكاثرية) تنتقل هذه الطفرات إلى أبناء المخلوق الحي، وستوجد في كل خلية من خلايا أبنائه

الهندسة الوراثية

هي تقنية تتضمن التحكم في جزيء DNA لأحد المخلوقات الحية بواسطة إضافة   DNA خارجي (من مخلوق حي آخر)

مثال : حقن جين بروتين للإضاءة الحيوية (الموجود طبيعياً في قناديل البحر )في بعض المخلوقات الحية ومنها يرقات البعوضة

استعمال المخلوقات المعدلة وراثياً (أهميتها)

1- في الأبحاث – النواحي الطبية – الزراعية  2- دراسة التعبير عن جين محدد   3- دراسة العمليات خلوية

4- دراسة تطور مرض معين     5- اختيار صفات قد تكون ذات فائدة للبشر    

 سـ / ماذا تتضمن غالبًا تجارب علماء الهندسة الوراثية ؟

قَطع الـ  DNA بواسطة إنزيمات القطع

عزل القطع

ربطها مع جزيئات DNA  خارجية

تحديد التسلسل.

التقنيات الحيوية    هي إستعمال الهندسة الوراثية لإيجاد حلول لمشكلات محددة 

المخلوقات المعدّلة وراثيًّا : هي المخلوقات المعدلة وراثيا بواسطة إدخال جين من مخلوق حي آخر(الحيوانات والنباتات والبكتيريا)

الحيوانات المعدلة وراثيا 

سـ / لماذا ينتج العلماء الحيوانات المعدلة وراثياَ؟   من أجل الأبحاث

س/ اين ينتج العلماء معظم الحيوانات المعدّلة وراثيًّا؟   في المختبرات

أمثلة: الفئران - ذبابة الفاكهة - الدودة الأسطوانية

الأهمية :  دراسة الامراض - تطوير طرق علاجها - تحسين مصادرالغذاء - تحسين معيشة البشر- استخراج الادوية 

النباتات المعدلة وراثيا 

أنتج العديد من النباتات المعدلة وراثيًّا لكي : تكون أكثر مقاومة للحشرات والآفات الفيروسية ومقاومة لمبيدات الأعشاب والحشرات

أمثلة : الذرة - فول الصويا - القطن.

البكتيريا المعدلة وراثيا يمكن للبكتيريا المعدّلة وراثيًّا:

• إنتاج الأنسولين، وهرمونات النمو ومواد تذيب خثرات الدم . •تبطئ تكون بلورات الثلج في بعض المحاصيل

•تزيل بقع النفط •تحلل القمامة

 مشروع الجينيوم البشري

الجينوم:  هو المعلومات الوراثية الكاملة في الخلية

هدف هذا المشروع هو تحديد تسلسل وترتيب ثلاثة مليارات نيوكليوتيد تقريبًا تشكل DNA  البشري

الأهمية :تساعد هذه التقنيات على تعرف وظائف الجينات البشرية