الهندسة الوراثية - كتاب الأحياء - الصف 11 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

📚 الهندسة الوراثية

المفاهيم الأساسية

الهندسة الوراثية (Genetic Engineering): تقنية تتضمن التحكم في جزيء DNA لأحد المخلوقات الحية، وذلك بإضافة جين خارجي (DNA من مخلوق حي آخر).

بروتين الإضاءة الخضراء: مادة موجودة طبيعياً في قناديل البحر، تسمح ضوءاً أخضر عند تعرضها لضوء بنفسجي. يستخدم كعلامة مرئية في التجارب الوراثية.

خريطة المفاهيم

```markmap

الوراثة الجزيئية

١٠-٣: DNA، RNA، والبروتين

الشفرة الوراثية (الكودون)

#### اكتشاف الشفرة

#### تركيب الشفرة

#### خصائص الكودونات

الترجمة (Translation)

#### مكان العملية

#### دور tRNA

#### دور الريبوسوم

#### نهاية الترجمة

عمليتا النسخ والترجمة

#### النسخ (في النواة)

#### الترجمة (في السيتوبلازم)

مختبر تحليل البيانات 10-1

تأثير الريفامبين على النسخ

نتائج الرسم البياني

١٠-٤: التنظيم الجيني والطفرة

الفكرة الرئيسية

• يتم تنظيم التعبير الجيني داخل الخلية
• يمكن أن تؤثر الطفرات في هذا التعبير

التنظيم الجيني في بدائيات النوى

• المنطقة الفعالة (Operon) تتحكم في نسخ الجينات
• مثال: استجابة بكتيريا E. coli للتريبتوفان واللاكتوز

التنظيم الجيني في حقيقيات النوى

• أكثر تعقيداً من بدائيات النوى
• يتطلب محفزاً واحداً لمجموعة من الجينات

#### التحكم في عملية النسخ

##### عوامل النسخ

• تضمن التوقيت والكمية الصحيحة للبروتينات
• مجموعتان رئيسيتان:

- عوامل تنظم إنزيم بلمرة RNA وتوجه ارتباطه

- بروتينات منظمة تتحكم بسرعة النسخ

• أمثلة:

- البروتينات النشطة: تطوي DNA لتقريب المحفزات وزيادة سرعة النسخ

- البروتينات المثبطة: ترتبط بمواقع على DNA لتمنع ارتباط المحفزات

##### دور تركيب DNA

• DNA ملتف حول الهستونات (جسيمات نووية)
• يوفر هذا التركيب بعض التثبيط للنسخ
• يمكن للبروتينات المنظمة وإنزيم بلمرة RNA تنشيط جينات محددة رغم الطي

#### تداخل RNA (RNA interference)

##### الآلية

• تُقطع قطع صغيرة من RNA ثنائي السلسلة في السيتوبلازم بواسطة إنزيم "المقطع"
• الناتج: جزيئات RNA المتداخلة الصغيرة (ثنائية السلسلة)
• يرتبط جزيء RNA المتداخل الصغير مع معقد بروتيني
• يقوم المعقد بتكسير سلسلة واحدة من RNA
• ترتبط السلسلة المفردة الناتجة مع المعقد البروتيني بـ mRNA محدد في السيتوبلازم

##### النتيجة

• يتم تقطيع mRNA المستهدف
• يتم منع ترجمة mRNA إلى بروتين

الطفرة

#### تعريف الطفرة

• تغير دائم في DNA الخلية
• نادر الحدوث، وللخلية آليات إصلاح
• تغير في الجين → تغير في البروتين المصنع (مثال: إنزيم غير نشيط)

#### أسباب الطفرة

##### الطفرات التلقائية

• تحدث أثناء تضاعف DNA
• يضيف إنزيم بلمرة DNA القاعدة الخطأ أحياناً
• نسبة الخطأ بعد التصحيح: 1 لكل بليون

##### العوامل المسببة للطفرات (Mutagens)

• مواد كيميائية تتلف الـ DNA أو تغير تركيب القواعد
• تؤدي إلى عدم ارتباط القواعد في أزواج أو ارتباطها بقاعدة أخرى خطأ
• بعضها له تركيب شبيه بالنيوكليوتيدات ويمكن أن يحل محلها في الـ DNA، مما يعيق التضاعف الصحيح
• ذات أهمية طبية (مثل: الإيدز والأمراض الفيروسية الأخرى)

#### أنواع الطفرات

##### الطفرات النقطية (الجينية)

• تغير كيميائي في زوج واحد من القواعد

###### الاستبدال (Substitution)

• استبدال زوج قواعد بآخر
• يؤدي إلى إنتاج بروتين غير فاعل
• أنواعه:

- الطفرات الحساسة (Missense): تغير الشفرة لحمض أميني آخر

- الطفرات غير الحساسة (Nonsense): تغير الكودون لكودون توقف (توقف مبكر للترجمة)

###### الإضافة

• إضافة نيوكليوتيد إلى تسلسل DNA

###### الحذف

• فقدان نيوكليوتيد من تسلسل DNA
• طفرات الإضافة والحذف تؤدي إلى طفرات الإزاحة (تغير ترتيب الأحماض الأمينية)

##### طفرات الكروموسومات

• حذف قطع كبيرة من الكروموسومات

#### ارتباط الطفرات بالأمراض

• مثال: مرض الكابتون يوريا

- طفرة في DNA المسؤول عن إنزيم هضم الفينيل ألانين

- تؤدي إلى تراكم حمض الهوموجنتيسيك (يغير لون البول)

- مرتبط بنسبة عالية من طفرات الإزاحة والطفرات الحساسة

• أمثلة أخرى:

- عدم نمو الغضروف (طفرة حذف): تؤدي إلى قزامة.

- ضمور العضلات (طفرة حساسة): خلل عضلي شديد يزداد مع تقدم السن.

- التليف الكيسي (طفرة غير حساسة): مخاط غير طبيعي كثيف في الرئتين والأمعاء.

- مرض كرون (طفرة حذف إزاحة): التهاب حاد في الجهاز الهضمي.

- مرض شاركوت – ماري – توث (طفرة إضافة إزاحة): تلف الأعصاب الطرفية.

- مرض هنتنجتون (طفرة تضاعف): مرض دماغي شديد يزداد مع تقدم السن.

- متلازمة الكروموسوم X الهش (توسع الطفرة): تكرارات متتابعة لكودونات CGG تسبب اختلالات عقلية.

#### تأثير الإشعاع على DNA

• الأشعة عالية الطاقة (مثل X وجاما): عوامل قوية مسببة للطفرات.

- تمتص إلكترونات DNA طاقة الأشعة وتهرب من ذراتها، تاركةً جذوراً حرة.

- الجذور الحرة تتفاعل بعنف مع جزيئات أخرى، منها DNA.

• الأشعة فوق البنفسجية (UV):

- طاقتها أقل ولا تسبب تحرير الإلكترونات.

- تربط قواعد الثايمين المتجاورة معاً، متلفة تركيب DNA.

- تسبب "انحناء" جزء DNA وتمنع انفصاله.

#### طفرة الخلايا الجسدية والجنسية

##### طفرة الخلايا الجسدية

• تحدث في الخلايا غير التناسلية.
• إذا لم تُصلح، تصبح جزءاً من الترتيب الوراثي في الخلية والخلايا الجديدة الناتجة عنها.
• لا تنتقل إلى الجيل التالي.
• آثارها:

- قد تكون طفرات متعادلة (لا تغير الكودون أو لا تستعمل في الخلية البالغة).

- قد تؤدي إلى بروتين غير طبيعي، فتموت الخلية أو تفقد وظيفتها.

- قد تؤدي إلى السرطان إذا جعلت دورة الخلية غير منضبطة.

- تبقى الآثار داخل خلايا المخلوق الحي طالما الخلايا الجسدية هي المتأثرة.

##### طفرة الخلايا الجنسية (التكاثرية)

• تحدث في الخلايا التناسلية (الجاميتات).
• تنتقل إلى أبناء المخلوق الحي، وتوجد في كل خلية من خلايا الأبناء.
• آثارها:

- قد لا تؤثر في وظيفة خلايا الأب.

- قد تؤثر في الأبناء بشكل مأساوي.

مختبر تحليل البيانات 10-2

بناء على بيانات حقيقية

فسر الرسم البياني

#### الرسم البياني: عوامل محتملة لسبب الطفرات

• المحور السيني (X): كمية المركب لكل طبق (µg)
• المحور الصادي (Y): مستعمرات تحوي طفرات راجعة
• يوضح العلاقة بين كمية المركب وعدد الطفرات الراجعة
• يظهر أربعة مركبات (A, B, C, D) بخطوط مختلفة

التفكير الناقد

• كيف نحدد إذا كان المركب عاملاً مسبباً للطفرة؟ (باستخدام اختبار أيمز)
• صف العلاقة بين كمية المركب والطفرة.
• حلل، أي المركبات يعد أقوى مسبب للطفرة؟

الهندسة الوراثية

الخلفية

• حوالي عام 1970م: اكتشاف تركيب DNA والمبدأ الأساسي لانتقال المعلومات (DNA → RNA → بروتين).
• كان الفهم محدوداً لعمل الجينات منفردة.

المفهوم والتطبيق

• التحكم في DNA بإضافة جين خارجي من مخلوق حي آخر.
• مثال تطبيقي: جين بروتين الإضاءة الخضراء من قنديل البحر.

#### استخدام بروتين الإضاءة الخضراء

• علامة مرئية: المخلوقات المعدلة وراثياً تضيء بلون أخضر تحت ضوء بنفسجي.
• مثال: يرقات البعوض في الشكل 18-10.
• الاستخدامات:

- دراسة التعبير عن جين محدد.

- دراسة عمليات خلوية.

- دراسة تطور مرض معين.

- اختيار صفات ذات فائدة للبشر.

الأدوات والعمليات

• تستعمل أدوات فاصلة (كما في الجدول 4-10).
• العمليات الأساسية في التجارب:

- القطع.

- عزل إنزيمات القطع.

- تحديد التسلسل.

```

نقاط مهمة

• بدأت الهندسة الوراثية في تغيير فهم العلماء لعمل الجينات المنفردة بعد اكتشاف تركيب DNA.
• بروتين الإضاءة الخضراء هو مثال عملي على كيفية استخدام جين من كائن حي (قنديل البحر) في كائن حي آخر (البعوض) ليكون علامة مرئية.
• الهدف من الهندسة الوراثية يتضمن دراسة العمليات الخلوية والأمراض واختيار الصفات المفيدة.

الهندسة الوراثية

بحول عام 1970م ، اكتشف العلماء تركيب جزيء DNA، واستطاعوا تحديد المبدأ الأساسي الذي تنتقل فيه المعلومات من DNA إلى RNA، ومن RNA إلى البروتين. وعلى الرغم من ذلك لم يعرف العلماء الكثير عن عمل الجينات منفردة.

تغير الوضع عندما بدأ العلماء يستعملون الهندسة الوراثية genetic engineering، وهي تقنية تتضمن التحكم في جزيء DNA لأحد المخلوقات الحية، وذلك بإضافة جين خارجي، أي DNA من مخلوق حي آخر. فعلى سبيل المثال حقن الباحثون جين بروتين الإضاءة الحيوية يسمى بروتين الإضاءة الخضراء في مخلوقات حية مختلفة، يسمع بروتين الإضاءة الخضراء - وهو مادة موجودة طبيعياً في قناديل البحر التي تعيش في شمال المحيط الهادئ - ضوءاً أخضر عندما تتعرض لضوء بنفسجي. فالمخلوقات الحية التي عدلت وراثياً لكي تحتوي DNA المسؤول عن تكوين بروتين الإضاءة الخضراء، ومنها يرقات البعوضة المبينة في الشكل 18-10، يمكن تمييزها بسهولة في وجود ضوء بنفسجي. يربط DNA الخاص بيروتين الإضاءة المعدلة وراثياً تستعمل في عمليات مختلفة، ومنها دراسة التعبير عن جين محدد، ودراسة عمليات خلوية، ودراسة تطور مرض معين، واختيار صفات قد تكون ذات فائدة للبشر.

تستعمل الهندسة الوراثية أدوات فاصلة، كما في الجدول 4-10، لدراسة DNA وتعديله. وعلى الرغم من أن الباحثين يبحثون في العديد من المشكلات المختلفة فإن تجاربهم تتضمن غالباً القطع، وعزل إنزيمات القطع، وتحديد التسلسل.

الشكل 18-10 أدخل جين بروتين الإضاءة الخضراء في يرقات البعوض، وبذلك تحقق الباحثون من أن DNA الخارجي قد ارتبط مع المادة الوراثية للبعوض.

يرقات بعوض معدلة وراثياً

وزارة التعليم Ministry of Education 2025 - 1447

--- SECTION: الهندسة الوراثية --- الهندسة الوراثية بحول عام 1970م ، اكتشف العلماء تركيب جزيء DNA، واستطاعوا تحديد المبدأ الأساسي الذي تنتقل فيه المعلومات من DNA إلى RNA، ومن RNA إلى البروتين. وعلى الرغم من ذلك لم يعرف العلماء الكثير عن عمل الجينات منفردة. تغير الوضع عندما بدأ العلماء يستعملون الهندسة الوراثية genetic engineering، وهي تقنية تتضمن التحكم في جزيء DNA لأحد المخلوقات الحية، وذلك بإضافة جين خارجي، أي DNA من مخلوق حي آخر. فعلى سبيل المثال حقن الباحثون جين بروتين الإضاءة الحيوية يسمى بروتين الإضاءة الخضراء في مخلوقات حية مختلفة، يسمع بروتين الإضاءة الخضراء - وهو مادة موجودة طبيعياً في قناديل البحر التي تعيش في شمال المحيط الهادئ - ضوءاً أخضر عندما تتعرض لضوء بنفسجي. فالمخلوقات الحية التي عدلت وراثياً لكي تحتوي DNA المسؤول عن تكوين بروتين الإضاءة الخضراء، ومنها يرقات البعوضة المبينة في الشكل 18-10، يمكن تمييزها بسهولة في وجود ضوء بنفسجي. يربط DNA الخاص بيروتين الإضاءة المعدلة وراثياً تستعمل في عمليات مختلفة، ومنها دراسة التعبير عن جين محدد، ودراسة عمليات خلوية، ودراسة تطور مرض معين، واختيار صفات قد تكون ذات فائدة للبشر. تستعمل الهندسة الوراثية أدوات فاصلة، كما في الجدول 4-10، لدراسة DNA وتعديله. وعلى الرغم من أن الباحثين يبحثون في العديد من المشكلات المختلفة فإن تجاربهم تتضمن غالباً القطع، وعزل إنزيمات القطع، وتحديد التسلسل. --- SECTION: الشكل 18-10 --- الشكل 18-10 أدخل جين بروتين الإضاءة الخضراء في يرقات البعوض، وبذلك تحقق الباحثون من أن DNA الخارجي قد ارتبط مع المادة الوراثية للبعوض. يرقات بعوض معدلة وراثياً وزارة التعليم Ministry of Education 2025 - 1447 --- VISUAL CONTEXT --- **IMAGE**: Untitled Description: صورة ليرقات بعوض معدلة وراثياً تظهر بلون أخضر فسفوري تحت ضوء بنفسجي، مما يدل على وجود بروتين الإضاءة الخضراء. Context: يوضح هذا الشكل نتيجة إدخال جين بروتين الإضاءة الخضراء في يرقات البعوض، حيث تظهر اليرقات متوهجة باللون الأخضر تحت ضوء معين، مما يثبت نجاح عملية التعديل الوراثي وربط المادة الوراثية الخارجية بالبعوض.