علم البيولوجيا الجزيئية

علم الأحياء الجزيئي
يقوم علم الأحياء الجزيئي أو البيولوجيا الجزيئية (بالإنجليزية

: Molecular biology) بدراسة الأحياء على المستوى الجزيئي ، لذلك فهو يتداخل مع كلا من علم الأحياء و الكيمياء في
عدة فروع و يتقاطع مع الكيمياء الحيوية و علم الوراثة في عدة مناطق و تخصصات . تهتم البيولوجيا الجزيئية بدراسة مختلف العلاقات المتبادلة بين كافة الأنظمة الخلوية و بخاصة العلاقات بين الدنا و الرنا و عملية الاصطناع البروتيني إضافة إلى آليات تنظيم هذه العملية و كافة العمليات الحيوية .

يصف وليم أستبوري علم الاحياء الجزيئي في مقالة له في مجلة نيتشر :

" ... بأنه ليس تقنية بل هو مقاربة، مقاربة من وجهة نظر ما يدعى بالعلوم الأساسية مع فكرة موجهة للبحث ضمن الحقائق و الخطوط العريضة لعلم الأحياء عن خطة جزيئية موافقة . إنه علم يهتم أساسا بأشكال الجزيئات الحيوية و ... بشكل أكثر تحديدا على البنى الثلاثية الأبعاد و التشكيلات البنيوية بحيث لا تقتصر فقط على الدراسة الشكلية morphology بل تتعداها لتدرس التشكل genesis و الوظيفة . "

العلاقة بعلوم الأحياء الأخرى على المستوى الجزيئي

الأحياء الأخرى على المستوى الجزيئي

رسم توضيحي للعلاقة لبن الكيمياء الحيوية، وعلم الوراثة، وعلم الأحياء الجزيئي.

الباحثون في الأحياء الجزيئية استخدموا تقنيات محددة منشؤها علم الأحياء الجزيئي, ولكن مع تزايد الجمع بين هذه الأفكار من تقنيات و علم الوراثه وعلم الكيمياء الحيويه و الفيزياء الحيويه مع انه ليس هناك ترابط بين هذه المجالات كما كان من قبل. الشكل التالي يمثل مخطط علاقه بين بعض تلك المجالات

الكيمياء الحيوية: هي دراسة المواد الكيميائية والعمليات الحيوية اللذان يحدثان في الكائنات الحيَّة.
علم الوراثة: هو دراسة تأثيرِ الإختلافات الوراثيةِ على الكائنات الحية.

كثيرا ما يمكننا هذا من الاستدلال علي غيابِ مكوّن طبيعي (ومثال على ذلك: - جين واحد).

دراسه "المسوخ" الكائنات التي تفتقر الي واحد او اكثر من العناصر الفنية فيما يتعلق بما يسمي " بالنوعِ البرّيِ " أَو نمط ظاهري طبيعي. التفاعلات الوراثية مثل epistasis يمكن أَن تفند تفسيرات بسيطة في أغلب الأحيان مثل هذه الدراسات "القاضية".

علم الأحياء الجزيئي : دراسه الاسس الجزيئيه من عمليه النسخ والاستنساخ والترجمه الجينيه. العقيدة المركزية لعِلْمِ الأحياء الجزيئيِ حيث أنَّ مادّة وراثية نُسِختْ إلى آر إن أي وبعد ذلك ترجمتْ إلى البروتينِ، على الرغم مِنْ أنْ هناكَ صورةَ مُبَالَغة في تبسيط علم الأحياء الجزيئي ، ولا يزال يوفر نقطه انطلاق جيده لفهم الميدان. بيد ان هذه الصوره يجري تنقيحها في ضوء الادوار الجديده الناشئه للرنا .

مُعظم العملِ في علم الأحياء الجزيئي كمي ، تم انجاز الكثير من العمل المشترك في البيولوجيا الجزيئيه وعلوم الحاسوب والمعلوماتية الحيوية وعلم الأحياء الحسابي . اعتبارا من مطلع العشرين ، ودراسه بنية الجينات وعلم الوراثه الجزيئية كان الحقلِ الثانويِ الأبرزِ لعلم الأحياء الجزيئي.

تركز على نحو متزايد العديد من الحقلِ الأخرى لعلمِ الأحياء على الجزيئات ، إما دراسة مباشرة لتفاعلاتهم في أماكن تواجدهم مثل في علم الأحياء الخلوي وعلمِ الأحياء التطوريِ ، أَو بشكل غير مباشر ، حيث تقنيات علمِ الأحياء الجزيئيِ تستعمل لإستنتاج الخواص التأريخية من السكان أَو النوع، كما في مجالات علم الأحياء المتطورة مثل علمِ وراثة السكان و علم الوراثة العرقي phylogenetics . وهناك ايضا تقاليد عريقه دراسه الجزيئات البيولوجية "من الصفر" في الفيزياء الحيوية .

تقنيات الأحياء الجزئية

منذ أواخر خمسينات وأوائل الستّينات ، تعلم علماء الاحياء الجزيئي كيفية تمييز وعزل ومعالجة المكونات الجزيئية للخلايا والكائنات الحية. تتضمّن هذه المكوّنات الدنا (DNA) مستودع المعلومات الوراثية ؛ الرنا (RNA) الشبيه بالدي إن أي (DNA) . الذي تَتراوحُ وظائفَها مِنْ العَمَل كالنسخة العاملة المؤقتة ل (DNA) دنا إلى هيكلية فعلية ومهام انزيمية كذلك الوظيفيه والهيكليه من أجهزة النقل. والبروتين هو الهيكل الرئيسي والنوع الانزيمي للجزيئات في الخليه.

الصبغي

مخطط للصبغي وفيه يظهر الصبيغي (الكروماتيد)(1) و القسيم المركزي (السينترومير )(2) و الذراع القصير للصبيغي (3) و الذراع الطويل للصبيغي (4)

الكروموسوم هو تركيب قضيبي الشكل تقع في نواة الخلية وتتكون من بروتينات و حمض نووي ريبي منقوص الأكسجين ويمتلك الأنسان 46 صبغيا في كل خلية جسمية مرتبة على شكل 23 زوجا وكل زوج يتصل ببعضها عند نقطة قرب المركز تسمى السينترومير بينما تحتوي كل خلية جنسية على 23 صبغيا فقط . في كل زوج من الكروموسوم يطلق عادة تسمية كروماتيد على القضيب الواحد الذي يتصل مع القضيب الأخر في الزوج وللسهولة اعتمد على استعمال مصطلح الكروموسوم لوصف الكروماتيدين المتحدين.

كل صبيغي (كروماتيد ) يترتب بشكل حلزوني ويحمل في طياته على عشرات الألاف من المورثات (جمع مورثة) حيث يحمل كل صبغي في طياته مايقارب 60,000 إلى 100,000 مورثة وكل مورثة لها موقع خاص بها على التركيب الحلزوني للصبيغي مشابه بالضبط لموقع نفس المورثة على الصبيغي (الكروماتيد )المقابل. كل مورثة بدورها تتالف من سلسلة من النيوكليوتيدات وتطلق عليها اسم الأليل هذا الأليل يتحد مع اليل اخر في الكروماتيد المقابل فاذن كل مورثة تتكون في حقيقة الأمر من أليلين ، أليل تم وراثته من الأب وأليل تم وراثته من الأم.

اذا كان الأليلين متشابهين بالضبط في تسلسل النيوكليوتيدات فيطلق على هذه الحالة لاقحة مماثلة Homozygote واذا كان الأليلين مختلفين في تسلسل النيوكليوتيدات فيطلق على هذه الحالة لاقحة متباينة Heterozygote .

الكروموسوم كلمة يونانية تعني الجسم الملون ولكل صبيغي ( كروماتيد ) في الصبغي الواحد ذراعان احدهما طويل والأخر قصير تم ملاحظة الصبغي لأول مرة في النباتات من قبل عالم نبات سويسري اسمه كارل ولهيلم Karl Wilhelm في عام 1842 ويختلف الخلايا في الكائنات الحية في عدد الصبغيات الموجودة فيه ففي كل جلية جسمية في الأنسان هناك 46 صبغيا اما في القرد فهناك 48 صبغيا في كل خلية جسمية ولايعتمد عدد الصبغيات على حجم الكائن الحي فالفيل مثلا عنده 56 صبغيا في كل خلية جسمية بينما تمتلك الفراشة 380 صبغيا في كل خلية جسمية

الصبغيات The Chromosomes الصبغيات أجسام عصوية الشكل لا تظهر إلا خلال الإنقسام الخلوي ، وهي تتكون من كروماتين ويمكن صياغتها بسهولة بالأصباغ القاعدية مثل الأورسين OrcienوالجمساGiemsa . ومن الناحية الكيميائية تتكون الصبغيات من حمض دنا ، وهستونات ، وبروتينات غير هستونية. وتحمل الصبغياتالصفات الوراثية ، وهي تتكون من تكثف كروماتين النواة. وتتم دراسة الصبغيات على أفضل وجه خلال الطور الإستوائي والطور الإنعزالي ، وفيهما يبلغ تكثف الكروماتين أقصى مداه. الجنزوري, منير; وآخرون، (الطبعة الأولى) (2004). أساسيات بيولوجيا الخلية. القاهرة، مصر: الدار العربية للكتاب.

ولكل نوع من أنواع الحيوان أو النبات عدد معين من الصبغيات ، ويتباين عدد الصبغيات بشكل واضح في الأنواع المختلفة ، فعلى سبيل المثال فإن خلايا الدودة الإسطوانة "إسكارس ميجالوسيفالا The Nematode Ascaris Megalocephala" تحتوي على صبغيين فقط ، وخلايا حشرة "دروسوفلا Drosophila " بها ثمانية صبغيات ، وتحتوي الخلايا البشرية على 46 صبغيا ، بينما تحتوي بعض الحيوانات الأولية ما يزيد عن 300 صبغي. على أن بعض الكائنات المتباعدة قد تحتوي على العدد نفسه ، فالشمبانزي يحتوي على 48 صبغيا ومثله في ذلك نبات البطاطس وأشجار الخوخ. في النوع الواحد من الكائنات الحية نجد أن للصبغي شكلا مميزا خاصا به خلال الطور الإستوائي من الإنقسام الخلوي ، ويحافظ الصبغي على شكله الثابت في الطور الإستوائي من جيل إلى آخر. ويلاحظ أن صبغي الطور الإستوائي كان قد تمت مضاعفة مادته في المرحلة (S) في المرحلة البينية ، وعلى ذلك يبدو كل صبغي مكونا من شقيقين. ولكل صبغي "خنصرة أولية" أو قطعة مركزية (أيضا يسمى الحيز الحركي (اللب الحركي Kinetochore) ، وعنده يتصل الصبغي بخيوط المغزل ، وقد تقع القطعة المركزية عند مركز الصبغي أو بالقرب منه ، وعندئذ فهي تقسم الصبغي إلى ذراعين. ويمكن تعرف الطرز الأربعة الآتية للصبغيات إعتمادا على موقع القطعة المركزية:

أ‌- صِبْغِيٌّ وَسَطِيُّ القُسَيمِ المَرْكَزِي A-Metacentric: وفيها تقع القطعة المركزية عند مركز الكرموسوم ، ومن ثم يتكون الصبغي فيها من ذراعين متساويين.

ب‌- كروموسومات قرب مركزية السنتروميرB-Metacentric : وفيها تقع القطعة المركزية قرب مركز الصبغي ، ومن ثم يتكون الصبغي فيها من ذراعين غير متساويين.

ج- كروموسومات بعيدة السنترومير C-Metacentric : وفيها تقع القطعة المركزية قرب نهاية الصبغي ، ومن ثم يتكون الصبغي فيها من ذراع واحد.

د- كروموسومات قمية السنترومير D-Metacentric: وفيها تقع القطعة المركزية عند طرف الصبغي ، ومن ثم يتكون الصبغي فهيا من ذراع واحد.

وفي معظم الكائنات ثنائية لشق ، تلعب الصبغيات دورا رئيسيا في تحديد الشق ، ففي بعض المجموعات الحيوانية يعتمد تحديد الشق على ما يعرف بإسم "صبغيات الشق Sex Chromosomes" ، وتعرف بقية الصبغيات بإسم "الصبغيات الجسميةAutosomes ". وفي البشر يرمز لصبغي الشق في الإناث بالحرفين “xx” ، بينما يرمز لصبغي الشق في الذكور بالحرفين “XY”. ويلاحظ أن الصبغي Y – الذي يميز الذكورة – أصغر كثيرا من الصبغي X.

وفي الإنسان نجد كل بويضات المرأة تحمل الصبغي (X) ، ولكن نصف عدد الحيوانات المنوية للرجال يحمل الكروموسوم (X) والنصف الآخر يحمل الصبغي (Y). ويعتمد تحديد الشق في المولود على أي من طرازي الحيوانات المنوية يقوم بإخصاب البويضة. ويمكن إعداد تحضيرات الصبغيات عادة من سحقات نخاع العظم أو من سحبات الدم من مزارع لخلايا الدم البيضاء.

ويستخدم مركب الفيتوهيم أجليوتينين Phytohemagglutnin لتحفير الخلايا على الإنقسام غير المباشر ، وبعد ذلك يستخدم الكولسين Colchicine أو الكولسيميد Colcemid كمثبط يمنع تكوين خيوط المغزل ، مما يوقف عملية الإنقسام الخلوي عند الطور الإستوائي. وتتم صباغة الشرائح بصبغ أسيتو أورسينAcetoorcein . ويتم تعرف البناء الصبغي وتحليله عمليا بإستخدام صور لصبغيات المرحلة الإستوائية ، حيث تقطع صورة كل صبغي على حدة ، ويعاد ترتيب صور الصبغيات حسب الحجم تنازليا وفق نظام معين. وتطبق حاليا طرق معملية حديثة ، للحصول على صباغة شريطية للصبغيات ، مما يسمح بتعرف هوية كل صبغي ، وكذلك أجزاء من الصبغيات ، وتحدديد أية تغيرات تركيبية فيها. وقد أحدثت طرق الصباغة لاشريطية للصبغيات ثورة في علم الوراثة الخلوية Cytogenetic .

بنية البروتين

ثلاث تمثيلات محتملة للبنية ثلاثية الأبعاد للبروتين triose phosphate isomerase. اليسار: تمثيل يـُظهر كل الذرات ملون حسب نوع الذرة. الوسط: تمثيل مبسط يوضح توافق الجزء الأساسي, ملوناً حسب البنية الثانوية. اليمين: تمثيل السطح الذي يمكن للمذيبات الوصول إليه، ملوناً حسب نوع الراسب (الرواسب الحامضية: أحمر، الرواسب القاعدية: أزرق، الرواسب القطبية: أخضر، الرواسب غير القطبية: أبيض).

يتألف البروتين من سلاسل ببتيدية مؤلفة من ترابط حموض نووية تلتف فيما بعد لتشكل بنية ثلاثية الأبعاد فريدة ( يتميز كل بروتين ببنية مختلفة عن البروتينات الأخرى ، تدعى هذه البنية بالحالة الأصلية للبروتين و تتحدد حسب ترتيب الحموض الأمينية في عملية الترابط التي تشكل السلاسل البروتينية .

بنية أولية: تحددها تسلسل الحموض الأمينية
بنية ثانوية: تتألف من بنى ثانوية تتشكل من التفاف السلاسل الببتيدية على بعضها بشكل حلزونات ألفا و صفائح بيتا .
بنية ثالثية: وهي ما يحدد شكل البروتين النهائي ، تتألف من اجتماع البنى الثانوية للبروتين ( لوالب ألفا و صفائح بيتا ) بوساطة قوى فيزيائية غير تكافؤية لتعطي الشكل النهائي للبروتين
بنية رابعية: يستخدم عادة هذا المصطلح للدلالة على البنية التي تكونها اتحاد بروتينين أو أكثر في ما يسمى الوحدة البروتينية .

بنى ر.م.ن. NMR للبروتين cytochrome c في محلول يـُظهر البنية الديناميكية دائمة التحول للبروتين. نسخة أكبر.

البنية البروتينية غير ثابتة اطلاقا بل تتغير لتأدية وظائفها المختلفة و لتحقيق هذا التغيير البنيوي يحدث تغير في ارتباطات البنية الثالثية و الرابعية ، لذلك ندعو هذه البنى الثالثية و الرابعية تشكيلات كيميائية و ما يحدث لها من تغيرات بالتغيرات التشكيلية conformational changes .

السطح الجزيئي للعديد من البروتينات يبين حجمهم النسبي. من الشمال إلى اليمين، هم: immunoglobulin G (IgG, an ضد), هموگلوبين, إنسولين (هرمون), adenylate kinase (إنزيم), وglutamine synthetase (إنزيم).

تحديد البنية

الوظائف

يشارك البروتين تقريبا في جميع العمليات الخلوية بما فيها تنظيم الوظائف الخلوية مثل نقل الإشارات الخلوية و الاستقلاب فعملية تحطيم البروتينات نفسها تجري في الخلية بالإستعانة بأنزيمات ( و هي مركبات بروتينية ) تدعى بروتيازات .

آلية التنظيم البروتيني

يمكن للبروتينات ان تربط بها جزيئات كيماوية متنوعة و شوارد معدنية ضمن تجويفات خاصة في بنيتها تدعى : مواقع الإرتباط Bindingsites ومع ذلك تتميز البروتينات باصطفائية كيميائية عالية تجاه المركبات التي ترتبط بها . تدعى المركبات التي ترتبط بالبروتينات لجينات ligand ، أما شدة الارتباط لجين-بروتين فهي إحدى خصائص موقع الارتباط و تدعى الألفة affinity .
بما أن البروتينات تتدخل في كل عملية تتم ضمن الخلايا الحية ، لذلك فإن التحكم في العمليات الحيوية يمكن ان يتم عن طريق التحكم بفعالية هذه البروتينات . هذا التنظيم لمل البروتينات يمكن أن يتم عن طريق شكل البروتينات أو تركيزها :

تحوير تفارغي Allosteric modulation
تحوير تساهمي Covalent modulation .

ما المركبات الرئيسية التي تسهم في تركيب البروتين

تساهم في عملية تركيب البروتينات في الخلية الحية المركبات الآتية: حمض(DNA)-حمض (RNA)المرسال-حمض(RNA)الناقل-الريباسات
نسخ المادة الوراثية لا تتحول المعلومات الوراثية في المورثات إلى بروتينات مباشرة حيث تقوم المورثة بنسخ ال(RNA)المرسال الخاص بها حاملا إلى الهيولى رسالة المورثة التي يعبر عنها بلغة النوكليوتيدات بالاتجاه(5َ إلى 3َ)على ال(RNA) المرسال لذلك تدعى سلسة(DNA) المورثة السلسلة الناسخة أو المشفرة.

التغذية

البروتين في التغذية

معظم عضية دقيقة microorganisms والنباتات باستطاعتها تخليق كل العشرين حامض أميني القياسيين, بينما الحيوانات, (بما فيهم البشر) يتوجب عليهم الحصول على بعض الأحماض الأمينية من غذائهم.^[1] الإنزيمات الأساسية في سبيل التخليق الحيوي biosynthetic pathways التي تحلّق أحماض أمينية معينة - مثل أسپارتوكيناز aspartokinase, التي تساعد في الخطوة الأولى لتخليق ليسين lysine, مثيونين methionine, وثريونين threonine من الأسپارتات aspartate - لا يتواجدول في الحيوانات. والأحماض الأمينية التي لا تستطيع التخليق بنفسها يشار إليها باسم الأحماض الأمينية الأساسية. وإذا تواجدت أحماض أمينية في البيئة, فالعضيات الدقيقة بإمكانها توفير الطاقة بأخذ الأحماض الأمينية من محيط تلك العضيات و downregulating سبلهم للتخليق الحيوي.

وفي الحيوان، فإن الأحماض الأمينية يتم الحصول عليها من خلال استهلاك الأطعمة المحتوية على البروتين. البروتينات المأكولة يتم تكسيرها من خلال الهضم، الذي عادة ما يتضمن denaturation البروتين عبر تعريضه للحمض و hydrolysis بواسطة إنزيمات تسمى پروتيازات proteases.

Agriculture