CALM/arwiki huggingface dataset:
كما أن هناك سلسلة من الإنزيمات الموجودة ضمن جبلة النواة لها القدرة على قطع هذه النسق غير المرغوب فيها وتعيد بعد ذلك وصل خيط الـ RNA، وتسمى هذه العملية باسم وصل الـ RNA أو RNA splicing، ويصبح الـ RNA عند ذاك جاهزاً لتكوين البروتينات.
أنواع الـ RNA الثلاثة.
هناك ثلاثة أنواع مختلفة من الـ RNA يقوم كل منها بدور مستقل ومختلف عن النوعين الآخرين في تكوين البروتين وهي:
الـ RNA الرسول.
تتكون جزيئات الـ RNA الرسول من خيوط طويلة معلقة في سيتوبلازم الخلية، وهي تتكون عادة من عدة مئات إلى عدة آلاف من النوويدات على هيئة خيوط غير مزدوجة، وتحتوي على رموز النوويدات في خيوط غير مزدوجة، وتحتوي على رموز codons تكميلية كاملة للثلاثيات الرمزية للجين.
ويبين الجدول التالي رموز الـ RNA للأحماض الأمينية العشرين المختلفة الشائعة التي توجد في جزيئات البروتين:
ويلاحظ من الجدول السابق أن معظم الأحماض الأمينية ممثلة بأكثر من رمز codon واحد. كما أن رمز واحد يمثل الإشارة إبدأ تكوين جزيء البروتين، و تمثل ثلاث رموز الإشارة أوقف تكوين جزيء البروتين. ويمثل هذان النوعان من الرموز في الجدول السابق بالرمز CI ( من chain - initiating ) ، وبالرمز CT ( من chain - terminating ) أي إنهاء السلسلة.
الرنا الناقل.
يسمى النوع الآخر من الرنا الذي يقوم بدور مهم في تركيب البروتين الرنا الناقل transfer RNA ، لأنه ينقل جزيئات الحمض الأميني إلى جزيئات البروتين عند تكوينها، وهناك أنواع عديدة مختلفة من الـ RNA الناقل ولكن كل نوع منه يتحد نوعياً بواحد فقط من الأحماض الأمينية العشرين التي تضمن في البروتينات، ثم يعمل الـ RNA الناقل كحامل carrier ينقل نوعه المعين من الحمض الأميني إلى الريبوسومات حيث يكوَن البروتين. و يتعرف كل نوع خاص من الـ RNA الناقل في الريبوسومات على رمز خاص على الـ RNA الرسول ؛ و بهذا يوصل الحمض الأميني المناسب إلى موضعه المناسب في سلسلة جزيء البروتين الذي يتكون حديثاً .
و الـ RNA الناقل الذي يحوي تقريباً 80 نوويداً فقط هو مجرد جزيء صغير إذا ما قورن بالـ RNA الرسول . و هو سلسلة مطوية من النوويدات ذات مظهر شبيه بورقة البرسيم . و يوجد في إحدى نهايتي الجزيء دائماً الحمض النووي أدينيليك، وبهذا يتصل الحمض الأميني المنقول ويلتصق بمجموعة الهيدروكسيل في ريبوز حمض الأدينيليك . و يولد هذا الالتصاق إنزيماً نوعياً معيناً لكل نوع من أنواع الـ RNA الرسول . كما يعين هذا الإنزيم نوع الحمض الأميني الذي سيلتصق بكل نوع مناسب من أنواع الـ RNA الناقل.
و لما كانت وظيفة الـ RNA الناقل هي لصق حمض أميني معين بسلسلة بروتين في دور التكوين يصبح من الضروري أن يكون لكل نوع من أنواع الـ RNA الناقل نوعية خاصة برمز خاص في الـ RNA الرسول . و الرمز النوعي في الـ RNA الناقل الذي يتمكن من التعرف على رمز معين هو أيضاً مكون من قواعد نووية ثلاثية تسمى مقابلة الرمز anticodon . و تقع هذه في وسط جزيء الـ RNA الناقل تقريباً . و تتحد أثناء تكوين جزيء البروتين قواعد مقابلات الرمز بصورة رخوة بواسطة رابطة الهيدروجين مع قواعد الـ RNA الرسول . و بهذه الطريقة تصطف الأحماض الأمينية المناسبة واحداً بعد الآخر على طول سلسلة الـ RNA الرسول مولدة بذلك نسقاً مناسباً من الأحماض الأمينية في جزيء البروتين .
الـ RNA الريبوسومي.
النوع الثالث من RNA الخلية هو الـ RNA الريبوسومي ribosomal RNA الذي يكون حوالي 60% من ريبوسومات الخلية تقريبا، ويتكون القسم الباقي منها من البروتين الذي يحوي حوالي 75 نوعا مختلفا من البروتينات البنيوية والإنزيمية الضرورية لإنتاج جزيئات البروتين، والريبوسومات هي البنيات الفيزيائية في سيتوبلازم الخلية، والتي تتولد عليها جزيئات البروتين ولكنها تعمل دائما بالترافق مع نوعي الـ RNA الآخرين، فينقل الـ RNA النقل الأحماض الأمينية إلى الريبوسومات لتضمينها ضمن جزيئات البروتين المولد بينما يوفر الـ RNA الرسول المعلومات الضرورية لترتيب نسق الأحماض الأمينية بترتيب مناسب لكل نوع معين من أنواع البروتينات المولدة، وتتكون ريبوسومات الخلايا المنواة من وحدتين ثانويتين، وهما الوحدة الثانوية الصغيرة وهي تحوي جزيء واحد من الـ RNA و 33 بروتيناً، والوحدة الثانوية الكبيرة وهي تحوي 3 جزيئات RNA وأكثر من 40 بروتيناً، وبالرغم من أن كيفية آلية صنع البروتين في الريبوسومات محدودة المعرفة، إلا أنه من المعروف أن الـ RNA الرسول والـ RNA الناقل يتحدان أولاً مع الوحدة الثانوية الصغيرة، وتجهز بعد ذلك الوحدة الثانوية الكبيرة معظم الإنزيمات التي تعزز الارتباط الببتيدي بين الأحماض الأمينية المتتالية؛ ولهذا فإن الريبوسوم يعمل كمصنع يتم فيه تصنيع جزيئات البروتين.
تكوين الريبوسومات في النوية.
توجد جينات الـ DNA الخاصة بتكوين الـ RNA الريبوسومي في هيئة خمسة أزواج صبغية مختلفة في النواة. ويحتوي كل صبغي العديد من النسخ المضاعفة من هذه الجينات بسبب الحاجة الشديدة لكميات كبيرة من الـ RNA الريبوسومي التي تتطلبها الوظائف الخلوية. ويتجمع الـ RNA الريبوسومي عند تكوينه في النُوية nucleolus، وهي بنية خاصة تقع بجوار الصبغيات chromosomes، وعندما يتم صنع كميات كبيرة من الـ RNA الريبوسومي، كما يحدث في الخلايا التي تولد كميات كبيرة من البروتين، فتصبح النوية كبيرة جدا. وعلى العكس من ذلك فإنها تكون صغيرة جدا بحيث لا ترى أبدا في الخلايا التي تصنع كميات صغيرة من البروتين، ويعامل الـ RNA الريبوسومي بصورة خاصة في النوية ويتحد مع البروتينات الريبوسومية ليكون نتاجات حبيبية مكثفة، وهي الوحدات الثانوية البدئية للريبوسومات، ثم تحرر هذه البنيات من النوية وتنقل خلال الثغور الكبيرة لغلاف النواة إلى كل أقسام السيتوبلازم تقريبا. وتجمع هذه الوحدات الثانوية لتكون ريبوسومات وظيفية ناضجة عندما تدخل السيتوبلازم فقط ولذلك لا تتولد البروتينات في النواة لأنها لا تحوي ريبوسومات ناضجة.
تكوين البروتينات على الريبوسومات في عملية الترجمة.
عندما يلامس جزيء الـ RNA الرسول ريبوسوم ما فإنه يرتحل على طوله ابتداء من نهاية مسبقة التعيين على جزيء الـ RNA ومعينة حسب نسق مناسب من قواعد الـ RNA، ويتكون جزيء بروتينى أثناء ترحيل الـ RNA الرسول على طول الريبوسوم؛ وتسمى هذه العملية باسم عملية الترجمة translation. وبهذه الطريقة يقرأ الريبوسوم روامز الـ RNA الرسول بنفس الطريقة التي يقرأ بها الشريط عندما يمر خلال رأس جهاز التسجيل، وعندما يمر رمز الإيقاف stop codon ( أو رمز إنهاء السلسلة chain - terminating codon ) عبر الريبوسوم، تؤشر نهاية جزيء البروتين ويحرر كل الجزيء إلى سيتوبلازم الخلية.
عديدات الريبوسومات.
يتمكن جزيء الـ RNA الرسول الواحد من تكوين عدة جزيئات بروتين في عدة ريبوسومات مختلفة وفي وقت واحد ،وذلك بمرور خيط الـ RNA على طول ريبوسوم متعاقب مع آخر بعد ترك الريبوسوم الأولي. كما أن جزيئات البروتين تكون في مراحل تطورية مختلفة في كل ريبوسوم ؛ وكنتيجة لذلك غالبا ماتتولد عناقيد من الريبوسومات فتلتصق 3 إلى 10 ريبوسومات ببعضها البعض بواسطة RNA رسول واحد في كل مجموعة منها، وتسمى هذه العناقيد عديدات الريبوسومات polyribosomes. ويتمكن الـ RNA الرسول من تكوين جزيء بروتين في أي ريبوسوم، وليست هناك أية نوعية خاصة لريبوسومات معينة لنوع معين من البروتينات، فالريبوسوم هو ببساطة بنية تتم فيها العمليات الكيميائية.
التصاق عديد الريبوسومات بالشبكة الإندوبلازمية الباطنة.
هناك العديد من الريبوسومات التي تلتصق بالشبكة الإندوبلازمية الباطنة، ولايحدث ذلك إلا حينما تبدأ الريبوسومات في تكوين جزيئات البروتين، ومع ذلك فإن هناك بعض النهايات البدئية لبعض أنواع الجزيئات البروتينية تلصق نفسها مباشرة بمواقع على مستقبلات نوعية على الشبكة الإندوبلازمية الباطنة مما يؤدي إلى اختراق هذه الجزيئات للجدار الشبكي ودخولها إلى مطرس الشبكة الإندوبلازمية الباطنة، ويحدث هذا طالما أن الريبوسوم لازال يعمل في توليد جزيء البروتين الذي يسحب الريبوسوم إلى الشبكة الإندوبلازمية الباطنة مما يعطيها مظهرها الحبيبي.
و يتحدد ذلك عن طريق العلاقة الوظيفية للـ RNA الرسول مع الريبوسومات والطريقة التي تلتصق بها الريبوسومات بغلاف الشبكة الإندوبلازمية الباطنة، ومن الملاحظ أن عملية الترجمة هذه تتم في عدة ريبوسومات في نفس الوقت استجابة لنفس خيط RNA الرسول، كما يلاحظ مرور سلاسل عديد الببتيد حديثة التكوين خلال الشبكة الإندوبلازمية الباطنة إلى مطرس الهيولي الداخلي، ومع ذلك يجب الإشارة إلى أنه ماعدا ما يحدث في الخلايا الغدية التي تكون كميات كبيرة من حويصلات إفرازية حاوية للبروتين فإن معظم البروتينات التي تكونها الريبوسومات تحرر مباشرة إلى العصارة الخلوية وهذه هي الإنزيمات وبروتينات البنيات الداخلية للخلية.
تصنيع المواد في الخلية.
تتحكم عدة آلاف من إنزيمات البروتين في كل التفاعلات الكيميائية الأخرى التي تتم في الخلية، وتحفز هذه الإنزيمات تصنيع الدهون والجليكوجين والبيورينات والبيريميدينات والمئات من المواد الأخرى، وتتم بهذه العمليات التصنيعية المختلفة العديد من وظائف الخلية.
التحكم في الوظائف الجينية والأنشطة الكيميائية الحيوية في الخلايا.
لكي تتحكم الجينات في أنشطة الخلية فلابد من التحكم في تنشيط الجينات نفسها، وإلا فقد يحدث نمو مفرط في أحد أقسام الخلية أو قد يطغى نشاط بعض هذه التفاعلات الكيميائية إلى أن يؤدي إلى موت الخلية. كما يوجد لكل خلية تلقيم راجع (تغذية راجعة) داخلي قوي يتحكم في الآليات التي تحافظ على كل العمليات الوظيفية المختلفة للخلية متناسقة مع بعضها البعض. وتوجد لكل جين أو لكل مجموعة صغيرة من الجينات (الذي يبلغ مجموعها 100000 جين) آلية تلقيم راجع واحدة على الأقل.
و لقد ساهمت أصغر الفيروسات بشكل كبير في فهم الوظائف الخلوية لأن هذه الكائنات بسيطة جدا تمكن البيولوجيين من دراسة أدق وأكمل التفصيلات تقريبا لكل جزيء فيها وبمستوى أعلى قليلا، ساهمت الجراثيم في تقديم المعلومات القيمة في هذا المجال وخصوصا الإشريكية القولونية Eschcrichia coli التي توجد بكثرة في الأمعاء والغائط، ولكن الخلايا المنواة معقد التركيب جدا عن هذه الأحياء الدنيا فلم يتمكن العلماء إلا حديثا من معرفة بعض آليات التحكم فيها والتي ابتكرتها هذه الأشكال المتطورة من الحياة، ولتوضيح تعقيد الخلايا المنواة (والتي تسمى حقيقيات النواة eukaryotes) فإن هذه الخلايا تحوي مايبلغ 1000 ضعف من الـ DNA أكثر مما يحويه جرثوم الإشريكية القولونية. و هناك أساسًا طريقتان مختلفتان للتحكم في الأنشطة الكيميائية الحيوية في الخلية، وتسمى إحدى هاتين الطريقتين التنظيم الجيني genetic regulation ؛ حيث يتم التحكم في فعاليات الجينات نفسها، وتسمى الثانية التنظيم الإنزيمي حيث يتم التحكم في أنشطة الإنزيمات داخل الخلية.
التنظيم الجيني.
تتحكم النواة في التصنيع الكيميائي الحيوي كوظيفة لها تسمى المحرض الإنزيمي . و يحتاج تصنيع النتاج الكيميائي الحيوي للخلية في العادة إلى سلسلة من التفاعلات، ويحفز كل واحد منها إنزيم بروتيني خاص. و يتحكم في إنتاج كل الإنزيمات التي تحتاجها العمليات التصنيعية نسق من الجينات التي توجد في سلاسل الجينات المتتالية على نفس خط الـ DNA الصبغي . وتسمى هذه المنطقة من خيط الـ DNA باسم المَشغَل operator . و تسمى الجينات المسؤولة عن الإنزيمات الخاصة الجينات البنيوية structural genes . فتقوم الجينات خاصة في المشغل بالتحكم في تكوين ثلاثة إنزيمات خاصة تستعمل في عملية تصنيع نتاج معين داخل الخلايا . كما يوجد قطعة على خيط الـ DNA المحرَض promoter . و هذه هي سلسلة من النوويدات لتي لها ألفة خاصة لبوليميراز الـ RNA . و على البوليميراز أن يرتبط مع هذا المشغل قبل أن يتمكن من بدء حلقة على طول خيط الـ DNA ليخلق الـ RNA ؛ و لهذا فإن المحرض هو عامل ضروري في تنشيط المشغل .
تحكم البروتين الكاظم في المَشغَل.
يوجد شريط إضافي للنوويدات موجود في وسط المحرض ؛ و تسمى هذه المنطقة باسم العامل الكاظم repressor operator لأنها تعمل كبروتين تحكمي يمكنه الارتباط هنا فيمنع التصاق بوليميراز الـ RNA بالمحرض مانعاً بذلك حدوث انتساخ الجينات . و يسمى مثل هذا النظام البروتيني باسم البروتين الكاظم repressor protien . و بصورة عامة توجد كل البروتينات المنظمة الكاظمة بشكلين تجسيميين متباينين، يتمكن أحدهما من الارتباط بالعامل operator و يكظم الانتساخ، أما الثاني فإنه لا يرتبط به . و هذا يعني أن أحد الشكلين يتمكن من أن يكَوِن جزيء بروتين مستقيم ويكون الشكل الثاني نفس الجزيء ولكنه محني بزاوية عند وسطه . و يتمكن أحد هذين النوعين فقط من كبت العامل . و بالإضافة إلى ذلك تتمكن مختلف المواد غير البروتينية في الخلية - مثل بعض النتاجات الاستقلابية metabolites الموجودة فيها - من الارتباط مع البروتين الكاظم لتغيير حالة شكلة التجسيمي allosteric state . و تسمى المادة التي تغيره وتؤدي إلى اتحاده مع العامل وتوقَف الانتساخ باسم المادة الكاظمة repressor substance أو مادة مثبطة inhibitor substance . و من الناحية الأخرى تسمى المادة التي تغير البروتين الكاظم وتحفزه على قطع ارتباطه بالعامل باسم مادة منشطة activator substance أو مادة محرضة inducer substance لأنها تنشط أو تحرض عملية الانتساخ بإزالة البروتين الكاظم .
و كمثال يوضح تحكم البروتين الكاظم بانتساخ الجين ؛ ففي العادة لا يتوفر سكر اللاكتوز كمادة غذائية لخلايا الإشريكية القولونية، ولذلك لا تصنع هذه الجراثيم في العادة الإنزيمات التي يحتاجها التحلل الاستقلابي للاكتوز. و لكن عند توفر اللاكتوز فإنه يولد تغييراً شكلياً مغايراً allosteric في البروتين الكاظم مؤدياً إلى انفصاله عن العامل الكاظم على المشغل الذي ينتسخ الإنزيمات الاستقلابية الضرورية . و لذلك يصبح المشغل مزال الكاظم وتتولد الإنزيمات المناسبة خلال بضعة دقائق في الجرثوم لتحلل اللاكتوز . و من ثم عندما يبدأ اللاكتوز بالاختفاء من داخل الخلية تقل سرعة تصنيع الإنزيمات أيضاً لتعود إلى المستوى الذي يتطلبه وجود كمية اللاكتوز المتوفر فقط . و يتضح من ذلك منطق وجود مثل هذه الأجهزة التنظيمة في الخلية .
تحكم البروتين المنشط بالمُشغل.
يوجد عامل آخر يسمى العامل المُنشط activator operator الذي يقع بجوار المحرض ولكن إلى الأمام منه . فعندما يرتبط بروتين منظم بهذا العامل فإنه يساعد في جذب بوليميرلز الـ RNA إلى المحرض وينشط بذلك المشغل . و لذلك يسمى البروتين المنظم من هذا النوع بروتيناً منشطاً activator protein . و من الممكن تنشيط المشغل أو تثبيطه بواسطة العامل المنشط بطرق معاكسة تماماً لتحكم العامل الكاظم .
تحكم التلقيم الراجع السلبي بالمشغل.
يوجد كمية حرجة من نتاج مُصنَع في الخلية يمكنه من أن يسبب تثبيطاً بتلقيم راجع سلبي للمشغل المسؤول عن تصنيعه . و هو يتمكن من القيام بذلك إما بجعل البروتين المنظم الكاظم يرتبط بالعامل الكاظم أو بجعل البروتين المنظم النشط يقطع ارتباطه مع العامل المنشط . و في الحالتين يتم تثبيط المشغل. و لهذا فمتى توفرت كميات كبيرة كافية من المركب المصنع يخمد المشغل . و على العكس من ذلك فمتى ما تضاءلت كمية النتاج المصنع في الخلية وهبط تركيزه فيها ينشط المشغل ثانية . و بهذه الطريقة يتم التحكم في تركيز الناتج أتوماتيكياً .
آليات أخرى للتحكم في الاستنساخ بواسطة المشغل.
لقد اكتشفت خلال السنوات الماضية اختلافات في الآلية الأساسية للتحكم بالمشغل. و فيما يلي بعض هذه الاختلافات:
و لكن بدأ الآن اكتشاف العديد من آليات التحكم التي تتمكن من توليد باحات منتقاة تتفكك في الصبغيات إلى أقسام متتالية قسماً واجداً في كل مرة بحيث يمكن أن يتم انتساخ الـ RNA . و تستعمل بذلك أنظمة أعلى مرتبة في حقيقيات النواة لتنظيم وظائف الخلايا فيها . و بالإضافة لذلك تتمكن بعض الإشارات من خارج الخلية - مثل بعض الهرمونات - من تنشيط بعض مناطق الصبغيات فتوفر بذلك آليات كيميائية لبعض الوظائف الخاصة .
و نظراً لوجود ما يصل إلى 100000 جين مختلف في كل خلية بشرية، فليس من المستغرب وجود طرق عديدة ومختلفة للتحكم في الفعاليات الجينية . كما أن هذه الأنظمة التحكمية الجينية مهمة بصورة خاصة في التحكم في تراكيز الأحماض الأمينية ومشتقاتها وفي العديد إن لم يكن في معظم الركائز الوسطية لاستقلاب السكريات والشحوم والبروتينات في داخل الخلية .
تحكم التنظيم الإنزيمي في الوظائف داخل الخلايا.
بالإضافة للتحكم في وظائف الخلية بواسطة التنظيم الجيني، من الممكن التحكم مباشرة في بعض الإنزيمات داخل الخلايا نفسها بالمثبطات أو بالمنشطات داخل الخلايا. و هذا التنظيم الإنزيمي يمثل صنفاً ثانياً من الآليات التي يمكن أن تُحكم بها الوظائف الخلوية الكيميائية الحيوية.
تثبيط الإنزيمات.
تمتلك بعض المواد الكيميائية التي تتولد في الخلية تأثيراً تلقيمياً راجعاً مباشراً في تثبيط الأنظمة الإنزيمية الخاصة التي تكونها الخلية . و يعمل النتاج المصنع دائماً تقريباً على الإنزيم الأول في النسق بدلاً من تأثيره على الإنزيمات التالية له . و عادة ما يرتبط هذا النتاج بالإنزيم مباشرة ويولد تغييراً شكلياً مغايراً فيه . و من الممكن التعرف على أهمية تثبيط الإنزيم الأول فهو يمنع تكوين نتاجات وسيطة من دون أن تستعمل في الخلية .
و عملية تثبيط الإنزيم هذه هي مثل آخر على التحكم بالتلقيم الراجع السلبي ؛ فهي مسؤولة عن التحكم في تراكيز بعض الأحماض الأمينية في داخل الخلية كالبيورينات والبيريميدنات والفيتامينات وبعض المواد الأخرى .
تنشيط الإنزيمات.
يمكن في الغالب تنشيط الإنزيمات غير الفعالة أو تلك التي أخمد نشاطها ببعض المواد المثبطة . و أحد الأمثلة على ذلك هو عمل أحادي فوسفات الأدينوزين الحلقي cAMP عند شطر جزيء الجليكوجين وإطلاق جزيئات الجلوكوز منه لتكوين الـ ATP المركب عالي الطاقة . فعندما ينفد معظم ثلاثي فوسفات الأدينوزين من الخلية يبدأ تكون كميات كبيرة من cAMP كنتاج تحليلي لـ ATP . و يدل وجود cAMP على هبوط الاحتياطات الخلوية من الـ ATP إلى مستوى قليل جداً . و مع ذلك فإن cAMP ينشط مباشرة إنزيم شطر الجليكوجين الفسفوريلاز محرراً جزيئات جلوكوز سرعان ما تستعمل لسد نقص مخزونات ATP . و هكذا يعمل الـ cAMP كمنشط إنزيمي لإنزيم الفسفوريلاز، ويساعد بذلك في التحكم بتركيز ATP داخل الخلية.
و تخحدث حالة مهمة أخرى لتثبيط الإنزيم وتنشيطه عند تكوين البيورينات والبيريمدينات، حيث تحتاج الخلية الحية المنواة لهذه المواد بكميات متساوية تقريباً لتكوين الـ DNA و الـ RNA فعندما تولَد البيورينات تثبط الإنزيمات الضرورية لتكوين كميات إضافية منها، ولكن تنشط الإنزيمات اللزمة لتكوين البيريمدينات . و على العكس من ذلك فإن البيريمدينات تثبط إنزيماتها ولكنها تنشط إنزيمات البيورين . و بهذه الطريقة يوجد تلقيم راجع عابر ومستمر بين أنظمة التصنيع لهاتين المادتين يؤدي إلى الحفاظ على كميات متساوية نقريباً منهما في كل الأوقات .
الخلاصة :
و باختصار توجد طريقتان رئيسيتان تتحكم الخلايا الحية بهما في الحفاظ على نسب وكميات متناسبة لمختلف المكونات الخلوية ؛ و هما :
فمن الممكن تنشيط الجينات أو تثبيطها وكذلك من الممكن تنشيط الإنزيمات أو تثبيطها ؛ و غالباً ما تعمل هذه الآليات التنظيمية كأنظمة تحكم بالتلقيم الراجع الذي يراقب باستمرار مكونات تركيب الخلية الكيميائي الحيوي ويصلحه عند الحاجة إلى ذلك . و لكن تقوم أحياناً بعض المواد من خارج الخلية - و خاصة بعض الهرمونات - بالتحكم في التفاعلات الكيميائية الحيوية في داخل الخلية بتنشيط واحد أو أكثر من أنظمة التحكم داخل الخلايا الحية.
العلاج بالجينات.
يتسبب أي خلل في المورثات أحيانا في إصابة الإنسان بأحد الإعاقات أو الأمراض. فقد يؤدي خطأ واحد في جين من بين 3 مليارات مورثة (وهي الحصيلة الكلية من مورثات الإنسان) قد يتسبب هذا الخطأ الواحد في الإصابة بالعمى أو بضعف في مناعة الإنسان أو في عدم استطاعة كرات الدم الحمراء تخزين كمية كافية من الأكسجين.
هنا قد يساعد العلاج بالمورثات في التغلب على أسباب المعاناة. يستخلص الأخصائيون مورثة سليمة من أحد الفيروسات ويزرعونها مكان المورثة البشرية الغير سليمة. وقد بينت الفحوص الأولية التي أجريت خلال التسعينيات من القرن الماضي نجاحات في هذا السبيل، إلا أن تلك النجاحات كانت مقترنة أيضا ببعض الأعراض الجانبية الجسيمة. فقد أصيب بعض المعالجين بهذه الطريقة بمرض السرطان الخبيث.
وتتابعت حاليا نجاحات في الآونة الأخيرة (2014) . فقد تمكن الباحثون في الولايات المتحدة من معالجة حالة العمى لدى مريض وتحسنت حالته. وتمكن فريق من الأطباء الفرنسيين من معالجة توأمين وأوقفوا مرضا عصبيا فيهم كان سيؤدي بحياتهم خلال فترة قصيرة. كما استطاع أخصائيون في ألمانيا معاجة طفل من حالة ضعف شديد في مناعته.
يستخدم الباحثون ما يسمى ناقل من المورثات (أجزاء من المورثات) ويستقطعونها من فيروس "أليف" غير ضار ويدخلونها في مورثات المريض في عدة من خلاياه. وتحتوي نواقل المورثات على عناصر تعمل على تنشيط المورثات البشرية بحيث تقوم الخلايا بإنتاج البروتينات الصحيحة بالكمية المطلوبة للشفاء. ويعكف الباحثون على دراسة نواقل المورثات المستخلصة من الفيروسات بحيث لا يكون لها أعراضا جانبية على الإنسان، حيث اتضح أن ما يتم من تجارب على الحيوان بنجاح لا ينجح دائما عند تطبيقه على الإنسان. يلجأ الباحثون في هذا المضمار على اختيار أجزاء من الفيروس التي تصلح الخطأ في المورثات البشرية من دون أن تتسبب في نفس الوقت في أعراض جانبية غير مرغوبة.
تجرى في كثير من مختبرات المورثات بالتعاون مع المستشفيات في دول كثيرة في أنحاء العالم بغرض تجميع معلومات كافية عن صلاحية بعض الجينات وللابتعاد عن تلك الجينات التي لم تحقق نتائج إيجابية. ويأمل الباحثون عن طريق زيادة معلوماتهم في هذا الإطار التوصل إلى مساعدة المرضى من دون تعريضهم إلى أعراض جانبية. ومن معضلات ذلك أيضا تعلم كيفية إصلاح الخلل في عدد كبير من خلايا الإنسان بحيث تكفي لعلاجه. ويسعى العلاج بالمورثات إلى معالجة مسببات الأمراض الناتجة عن خلل في الجينات وتطوير استراجيات علاجية لعلاج ليس فقط اختلال في المورثات بل أيضا في مكافحة أمرض السرطان وأمراض الجهاز العصبي.
المورثة FOXP2.
اهتم عدد من العلماء في الفترة الأخيرة بالمورثة FOXP2 حيث يبدو أنها الخاصة بالقدرة على الكلام عند الإنسان . وقد بدأت قصة هذا الجين حيث وجدت في إنجلترا عائلة واحدة لها صعوبة في الكلام عبر ثلاث أجيال متعاقبة . فكان من الصعب عليهم تكوين جمل وتحريك ألسنتهم . وقام العلماء بتحليل جيناتهم ووجدوا حرفا واحدا مختلفا في أحد الجينات وهو FOXP2 على الكروموسوم 17 . وقد تفقد العلماء الجين FOXP2 في عدد كبير من الثدييات ووجدوا انه مستقر ولا يتغير ، إلا انهم وجدوه في حالة الإنسان وفيه تغييرين اثنين مما جعل العلماء يعتقدون أن هذا الجين له علاقة بقدرة الإنسان على الكلام .
التليف الكيسي هو مرض وراثي، أي يتسبب فيه خلل في الجينات الموروثة عن الأم والأب. يصيب الرئة والبنكرياس وأعضاء أخرى. كان الأطفال المصابين به لا يعمرون أكثر من عشرة سنوات. وخلال السبعينيات من القرن الماضي تحسنت طرق العلاج بالعقارات المختلفة وأصبح في مقدور المريض منهم العيش حتى دخول المدرسة وانهاء تعليمه الجامعي، بل والزواج . إلا أن العلماء كانوا يعرفون أن سبب المرض وراثي ولكن لم تكن في استطاعتهم العثور على المواقع الجينية التي تحدث هذا المرض.
كل ما كان العلماء يعرفونه عن هذا المرض الوراثي أن خللا في أحد الجينات يأتي من الأم وخلل بنفس الطريقة يأتي من الأب ، ولا يحدث المرض إلى إذا اجتمع جين الأم المختل مع الجين المختل من الأب . فإذا كان جين الأم مختلا مثلا واجتمع مع جين من الأب سليما فلا يظهر المرض.
ويقص عالم المورثات الكبير فرانسيس كولينز - الذي أشرف على مشروع الجينوم البشري - كيف توصل العلماء في الثمانينيات من القرن الماضي إلى العثور على التغيرات في الكروموسوم رقم 7 المتسببة لمرض التليف الكيسي .
في البدء كان العلماء يعرفون أن مسبب مرض التليف الكيسي هو تغير حرف واحد على الأقل في منظومة من نحو 3 مليارات من حروف الدنا. فكانت العملية مضنية للبحث عنه. وكان كل ما يعرفه العلماء عن هذا المرض أنه يظهر على الأطفال الذي يجتمع فيهم الجين المختل من الأب مع الجين المختل من الأم . ولا يظهر على الأطفال التي يجتمع فيهم جين مختل من الأب مع جين طبيعي من الأم . وبناء على ذلك بدأ العلماء في البحث عن توائم من الأطفال ، تظهر في أحد التوأمين أعراض المرض ولا تظهر في التوأم الآخر . وبمقارنة تتابع الأزواج القاعدية في الدنا للتوأمين يمكن التعرف على الحرف أو الحروف التي تغيرت وتسبب المرض.
واشتركت معامل بحثية كثيرة في الولايات المتحدة خلال الثمانينيات من القرن الماضي في قراءة كروموسومات هؤلاء التوائم . فكانوا يبحثون عن خطأ واحد أو عدة أخطاء في حروف الدنا المكونة من أكثر من 3 مليارات زوج قاعدي .
وفي عام 1985 عرف العلماء أن موقع أو مواقع معينة على الكروموسوم رقم 7 هي التي تسبب المرض. ولكن أين يقع هذا الخطأ وما نوعه فكان عليهم مواصلة البحث.
واستخدم العلماء طريقة القفز على الكروموسوم7 في تتبع الأزواج القاعدية على الكروموسوم 7 لاختصار الوقت بدلا من أن يفحصوه حرفا حرفا . وفي عام 1989 منيت مجهوداتهم في البحث والتنقيب بالنجاح الابتدائي ، إذ وجدوا ثلاثة حروف مفقودة في الدنا - وهي بالتحديد الحروف CCT على أحد الجينات التي تنتج بروتين.
ويقول فرانسيس كولينز في كتابه "The Lahguage of God" أن العمل كان مضنيا وتكلف نحو 50 مليون دولار أمريكي ولكنهم توصلوا إلى معرفة أسباب أمراض متعلقة بمرض التليف الكيسي ، وواصلوا البحث للتوصل إلى طرق في معالجتها عن طريق إصلاح الجينات - وتصحيح الخلل.
قص الجينات.
بعدما تمت عمليات بنجاح في قص الجينات في الصين و الولايات المتحدة قام باحثون من بريطانيا بقص مورثات بأجنة بشرية بواسطة "مقص الجينات" كريسبر/ كاس9 وغيروا بعضها . أراد الباحثون من معهد فرانسيس كريك في لندن بهذه الطريقة استكشاف التطور المبدئي الذي يحدث في الأجنة وفهمها بطريقة أفضل ؛ بحيث يتوصلون إلى نسبة نجاح أفضل عند القيام بالتخصيب الاصطناعي . يعتبر هذا تدخل من الإنسان في تغيير الخلق ، ولهذا فإن العلماء لم يزرعوا خلاياهم التي قاموا بتغييرات فيها في أرحمام نساء ، وإنما أهلكوها. هناك مناقشات كثيرة تجري بين الأطباء والباحثين والسياسيين والقانونيين والمفكرين في شأن بحوث مثل تلك على الإنسان ؛ في ألمانيا تلك الأبحاث ممنوعة.
ترث الكائنات الحية جيناتها من أبويها، فتحصل اللاجنسية منها ببساطة على نسخة كاملة من جينوم الكائن الأصل الواحد، بينما تمتلك الكائنات الحية الجنسية نسختين من كل صبغي لأنها ترث مجموعة مكتملة واحدة من كل من الأبوين.
الوراثة المندلية.
حسب الوراثة المندلية، تعود اختلافات الأنماط الظاهرية للكائنات الحية (أي الصفات الجسدية والسلوكية المُشاهدة) جزئياً لاختلاف أنماطها الجينية (مجموعة معينة من الجينات)، إذ يميّز كل جين صفة معينة بتتالٍ مختلف من الألائل، ما يؤدي لنشوء أنماط ظاهرية مختلفة، وتمتلك معظم الكائنات الحية حقيقية النوى (مثل نبات البازلاء الذي عمل عليه مندل) أليلين لكل صفة، يورث كل واحد منهما من أحد الأبوين.
وقد تكون الألائل في موقع جيني ما راجحة أو متنحية، فتؤدي الأولى لنشوء أنماط ظاهرية موافقة لها عندما تقترن مع أي أليل آخر للصفة ذاتها، بينما لا يُعبّر الأليل المتنحي عن نمطه الظاهري الموافق إلّا عندما يقترن بنسخة أخرى من ذاته، وبمعرفة الأنماط الجينية للكائنات الحية، يمكن تحديد أي من الألائل يكون راجحاً أو متنحياً، فعلى سبيل المثال، إذا كان الأليل المحدد للساق الطويلة لدى نبات البازلاء راجحاً على أليل الساق القصيرة، ستمتلك نباتات البازلاء التي ترث أليلاً طويلاً من أحد الأبوين وقصيراً من الآخر سوقاً طويلة أيضاً.
فوضّحت أبحاث مندل أن الألائل تُفرز بشكل مستقل أثناء إنتاج الأعراس، أو الخلايا الجنسية، ما يضمن التنوّع في الجيل التالي، ورغم أن الوراثة المندلية لا تزال نموذجاً جيداً للعديد من الصفات التي تحددها جينات مفردة (بما يتضمن عدداً من الاضطرابات الوراثية المشهورة)، فإنها لا تشمل العمليات الفيزيائية لتضاعف الـ(DNA) وانقسام الخلية.
تضاعف الـ(DNA) وانقسام الخلية.
يعتمد كل من نمو الكائنات الحية، وتطورها وتكاثرها على الانقسام الخلوي، وهي العملية التي تنقسم فيها الخلية لخليتين بنتين متطابقتين عادة، ويتطلب ذلك اصطناع نسخة مضاعفة من كل جين في الجينوم أولاً، من خلال عملية تُدعى بتضاعف الـ(DNA)، وذلك بواسطة إنزيمات متخصصة تُعرف بإنزيمات بوليميراز الـ(DNA)، والتي (تقرأ) أحد طاقي الـ(DNA) الحلزوني المزدوج، ويُعرف بالطاق المرصاف، ومن ثم تصطنع طاقاً جديداً مكملاً له.
ونظراً لأن البنية الحلزونية المزدوجة للـ(DNA) تتماسك بفضل ازدواج الأسس الآزوتية، يُحدد تتالي أحد الطاقين تتالي مكمله بشكل كلّي، وبالتالي يكفي أن يقرأ الإنزيم أحدهما فقط ليُنتج نسخة موثوقة، وتكون عملية تضاعف الـ(DNA) نصف محافظة، ما يعني أن نسحة الجينوم التي ترثها كل من الخليتين البنتين تحتوي على طاق (DNA) أصلي واحد وآخر مُصنع حديثاً.
قيس معدل تضاعف الـ(DNA) في الخلايا الحية لأول مرة كمعدل استطالة (DNA) الفيروس العاثي T4 لدى إشريكية قولونية معديّة به، ولوحظ أنه سريع بشكل مبهر،[57] فخلال مدة التزايد الأسي للـ(DNA) عند درجة حرارة 37°م بلغ معدل الاستطالة 749 نيكلويتيداً في الثانية.