مترجم الحمض النووي إلى بروتين - محوّل الكودونات والأحماض الأمينية
ترجم تسلسل DNA أو RNA إلى تسلسل أحماض أمينية باستخدام الشيفرة الوراثية القياسية. اختر إطار قراءة وشاهد ترجمة كل كودون.
مترجم الحمض النووي إلى بروتين
أدخل تسلسل حمض نووي DNA أو RNA. استخدم القواعد A وC وG وT. تُقرأ U على أنها T. تُتجاهل المسافات وفواصل الأسطر والأرقام. تستخدم الترجمة الشيفرة الوراثية القياسية (جدول NCBI رقم 1).
بدء الترجمة عند أول ATG في إطار القراءة هذا، بالطريقة نفسها التي يبدأ بها الريبوسوم قراءة إطار قراءة مفتوح، بدلًا من بداية الإطار نفسه.
التوثيق
مترجم من DNA إلى بروتين
يحوّل مترجم DNA إلى بروتين تسلسل DNA أو RNA إلى تسلسل البروتين الذي يشفّر له. ويقرأ التسلسل في مجموعات من ثلاثة أحرف تُسمّى كودونات، ثم يحوّل كل كودون إلى حمض أميني واحد باستخدام الشفرة الجينية القياسية.
ما ترجمة DNA؟
تخزّن الخلية التعليمات الوراثية في DNA. ولِبناء بروتين، تنسخ الخلية أولًا جينًا إلى RNA رسول (mRNA). وتُسمّى هذه الخطوة النسخ. ثم تقرأ الريبوسومات RNA الرسول وتربط الأحماض الأمينية معًا بالترتيب الذي يحدده RNA الرسول. وتُسمّى هذه الخطوة الترجمة. وتطوي سلسلة الأحماض الأمينية المكتملة نفسها لتصبح بروتينًا عاملًا.
يختلف RNA عن DNA في طريقة واحدة ذات صلة: يستخدم RNA قاعدة اليوراسيل (U) حيث يستخدم DNA الثايمين (T). ولذلك يمكن ترجمة تسلسل DNA باستخدام جدول الكودونات نفسه المستخدم لتسلسل RNA، شرط أن تُقرأ كل U أولًا على أنها T.
كيفية ترجمة DNA إلى بروتين
يحوّل المترجم تسلسل الإدخال إلى تسلسل بروتين في أربع خطوات.
- تنظيف التسلسل. تُحوَّل الأحرف إلى أحرف كبيرة، وتُغيَّر كل U إلى T. وتُزال المسافات وفواصل الأسطر والأرقام وعلامات الترقيم المستخدمة في تسلسلات FASTA الملصقة (
>و-و*). وإذا لم يتبقَّ شيء بعد التنظيف، يُبلغ المترجم بأن الإدخال فارغ. - التحقق من القواعد. يجب أن تكون كل محارف التسلسل المتبقية A أو C أو G أو T. ويوقف أي محرف آخر العملية ويُنتج رسالة خطأ تسرد المحارف غير الصالحة.
- التقسيم إلى كودونات. بدءًا من إطار القراءة المختار، يُقسَّم التسلسل إلى مجموعات غير متداخلة، تتكون كل منها من ثلاث قواعد.
- ترجمة كل كودون. تُطابَق كل كودونة مع حمض أميني واحد باستخدام جدول الشفرة الجينية أدناه. وتتوقف الترجمة عند أول كودون توقف (TAA أو TAG أو TGA). ولا يُضاف كودون التوقف نفسه إلى تسلسل البروتين.
إذا بقيت أقل من ثلاث قواعد بعد آخر كودون مكتمل، فلا يمكن ترجمة تلك القواعد، ويُبلغ المترجم بأنها قواعد متبقية. ولا تُحسب القواعد الواقعة بعد كودون توقف كقواعد متبقية، لأن الترجمة تكون قد انتهت.
أطر القراءة
إطار القراءة هو نقطة البدء المستخدمة لتقسيم التسلسل إلى كودونات. وبما أن طول كل كودون ثلاث قواعد، يمكن تقسيم التسلسل بدءًا من قاعدته الأولى أو الثانية أو الثالثة. وتُسمّى هذه أطر القراءة 1 و2 و3. وينتج كل إطار عادةً تسلسل بروتين مختلفًا. وفي الجين الحقيقي، ينتج إطار قراءة واحد فقط البروتين الصحيح. أما الإطاران الآخران فكثيرًا ما يصادفان كودون توقف بسرعة وينتجان تسلسلًا قصيرًا بلا معنى.
البدء عند أول ATG
تبدأ معظم الجينات بالكودون ATG. وهو يشفّر للميثيونين ويحدد الموضع الذي يبدأ فيه البروتين. ويتضمن المترجم خيارًا يُسمّى «المسح حتى أول كودون بدء (ATG)». عند تفعيل هذا الخيار، يتقدم المترجم عبر الإطار المختار حتى يصل إلى كودون يساوي ATG تمامًا، ثم يبدأ الترجمة من هناك. ويُتجاهل ما يسبق ATG من قواعد. وعند إيقاف الخيار، تبدأ الترجمة من القاعدة الأولى في الإطار.
لا يقبل المسح إلا ATG الواقع عند حد كودون في إطار القراءة المختار. خذ التسلسل CATGGCCTAA. يقسمه الإطار 1 إلى CAT GGC CTA، لذلك لا تصطف الأحرف ATG لتكوّن كودونًا، ويُبلغ المترجم بعدم العثور على كودون بدء في هذا الإطار. أما الإطار 2 فيبدأ من القاعدة الثانية ويعطي ATG GCC TAA، ولذلك تبدأ الترجمة مباشرة وتنتج MA.
الشفرة الجينية
تُسنِد الشفرة الجينية القياسية كل كودون من الكودونات الممكنة وعددها 64 إلى واحد من 20 حمضًا أمينيًا أو إلى إشارة توقف. وتستخدم هذه الشفرة معظم الجينات في معظم الكائنات الحية، بما فيها الإنسان.
| الحمض الأميني | الكودونات |
|---|---|
| ألانين (A) | GCT، GCC، GCA، GCG |
| أرجينين (R) | CGT، CGC، CGA، CGG، AGA، AGG |
| أسباراجين (N) | AAT، AAC |
| حمض الأسبارتيك (D) | GAT، GAC |
| سيستين (C) | TGT، TGC |
| حمض الغلوتاميك (E) | GAA، GAG |
| غلوتامين (Q) | CAA، CAG |
| غليسين (G) | GGT، GGC، GGA، GGG |
| هستيدين (H) | CAT، CAC |
| إيزوليوسين (I) | ATT، ATC، ATA |
| ليوسين (L) | TTA، TTG، CTT، CTC، CTA، CTG |
| ليسين (K) | AAA، AAG |
| ميثيونين (M) | ATG |
| فينيل ألانين (F) | TTT، TTC |
| برولين (P) | CCT، CCC، CCA، CCG |
| سيرين (S) | TCT، TCC، TCA، TCG، AGT، AGC |
| ثريونين (T) | ACT، ACC، ACA، ACG |
| تربتوفان (W) | TGG |
| تيروزين (Y) | TAT، TAC |
| فالين (V) | GTT، GTC، GTA، GTG |
| توقف | TAA، TAG، TGA |
يشفّر ATG للميثيونين. وهو أيضًا الكودون الذي تستخدمه معظم الجينات لتحديد بداية التسلسل المشفِّر.
مثال: ترجمة تسلسل DNA
خذ التسلسل ATGGCCATTGTAATGGGCCGCTGAAAGGGTGCCCGATAG في إطار القراءة 1.
التقسيم إلى كودونات: ATG GCC ATT GTA ATG GGC CGC TGA AAG GGT GCC CGA TAG
ترجمة كل كودون: ATG → M، GCC → A، ATT → I، GTA → V، ATG → M، GGC → G، CGC → R، TGA → توقف.
الكودون الثامن، TGA، هو كودون توقف، ولذلك تنتهي الترجمة عنده. وتسلسل البروتين هو MAIVMGR، ويتكون من سبعة أحماض أمينية. ولا تُترجم القواعد الواقعة بعد كودون التوقف.
مثال: تسلسل مشفِّر بلا كودون توقف
خذ التسلسل ATGAAGTACGCCTACATCGCCAAGCAGCGCCAG في إطار القراءة 1. ويتكون من 33 قاعدة، أي من 11 كودونًا بالضبط.
التقسيم إلى كودونات: ATG AAG TAC GCC TAC ATC GCC AAG CAG CGC CAG
ترجمة كل كودون: M، K، Y، A، Y، I، A، K، Q، R، Q.
لا يظهر أي كودون توقف، لذلك تُترجم الكودونات وعددها 11 كلها. وتسلسل البروتين هو MKYAYIAKQRQ، من دون قواعد متبقية.
مثال: كيف يغير إطار القراءة النتيجة
يوضح التسلسل القصير ATGCATGCA سبب أهمية إطار القراءة.
- الإطار 1 (البدء عند القاعدة 1): ATG CAT GCA → M، H، A. البروتين: MHA.
- الإطار 2 (البدء عند القاعدة 2): TGC ATG CA → C، M، مع بقاء 2 من القواعد لا يمكن أن تكوّن كودونًا.
- الإطار 3 (البدء عند القاعدة 3): GCA TGC A → A، C، مع بقاء 1 قاعدة واحدة.
تعطي نقاط البدء الثلاث المختلفة ثلاثة تسلسلات بروتين مختلفة من القواعد التسع نفسها.
استخدامات ترجمة DNA إلى بروتين
يترجم الباحثون تسلسلات DNA للتنبؤ بالبروتين الذي ينتجه الجين، وللتحقق من بقاء تسلسل مستنسخ في إطار القراءة الصحيح بعد إجراء تعديلات عليه، ولمعرفة كيفية تغيير طفرة لتسلسل الأحماض الأمينية في البروتين. وتترجم مسارات المعلوماتية الحيوية تسلسلات الجينوم تلقائيًا للمساعدة في توصيف الجينات والبحث في قواعد بيانات البروتينات.
لمحة تاريخية موجزة
وصف فرانسيس كريك تدفق المعلومات الوراثية من DNA إلى RNA ثم إلى البروتين في 1958، وأطلق عليه العقيدة المركزية لعلم الأحياء الجزيئي. وفي 1961، أظهر مارشال نيرنبرغ وهاينريش ماثاي أن الكودون UUU يشفّر للحمض الأميني فينيل ألانين، وكان أول كودون تُحدَّد دلالته. وبحلول 1966، كان باحثون، منهم نيرنبرغ وهار غوبيند خورانا، قد حددوا جميع إسنادات الكودونات وعددها 64، مما أتاح الشفرة الجينية التي يستخدمها هذا المترجم اليوم.
الأسئلة الشائعة
ما الفرق بين عملية ترجمة DNA وعملية نسخ DNA؟
ينسخ النسخ تسلسل DNA إلى RNA رسول. وتقرأ الترجمة ذلك RNA الرسول وتبني منه بروتينًا. وتتجاوز هذه الأداة خطوة RNA وتترجم تسلسل DNA مباشرةً، مع تطبيق قواعد الكودونات نفسها.
لماذا يوفر المترجم ثلاثة أطر قراءة؟
يتكون الكودون من ثلاث قواعد، لذلك يمكن تقسيم التسلسل إلى كودونات بدءًا من قاعدته الأولى أو الثانية أو الثالثة. وعادةً ما يطابق أحد هذه الأطر الثلاثة التسلسل المشفِّر الحقيقي للجين، ولذلك يمكن أن يساعد التحقق من الأطر الثلاثة في العثور عليه.
ماذا يحدث إذا لم يكن طول تسلسلي من مضاعفات العدد ثلاثة؟
لا يمكن للقواعد الإضافية في النهاية أن تكوّن كودونًا مكتملًا. ويُبلغ المترجم بعدد القواعد المتبقية، ويترجم كل كودون مكتمل يسبقها.
هل يمكنني لصق تسلسل RNA بدلًا من DNA؟
نعم. تُقرأ كل U في الإدخال تلقائيًا على أنها T قبل الترجمة، ولذلك يعطي تسلسل RNA النتيجة نفسها التي يعطيها نظيره من DNA.
ماذا يفعل كودون التوقف؟
يحدد كودون التوقف (TAA أو TAG أو TGA) نهاية التسلسل المشفِّر. ويتوقف المترجم عنده، ولا يضيف كودون التوقف نفسه أو أي شيء يليه إلى تسلسل البروتين.
ماذا يفعل خيار كودون البدء؟
يطلب هذا الخيار من المترجم التقدم إلى أول ATG في إطار القراءة المختار والبدء من هناك، كما يبدأ الريبوسوم القراءة عند كودون البدء. وعند إيقاف الخيار، تبدأ الترجمة من القاعدة الأولى في الإطار بدلًا من ذلك. وإذا لم يتضمن الإطار ATG واقعًا ضمن الإطار، يصرّح المترجم بذلك بدلًا من التخمين.
هل تستخدم جميع الكائنات الحية الشفرة الجينية نفسها؟
تستخدم جميع الجينات النووية تقريبًا الشفرة القياسية الموضحة أعلاه. وتوجد استثناءات قليلة، مثل DNA الميتوكوندريا البشري، حيث يشفّر الكودون TGA للتربتوفان بدلًا من أن يعمل كإشارة توقف.