Skip to main content
Global

15.2: النسخ الأولي

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    196632

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    المهارات اللازمة للتطوير

    • ضع قائمة بالخطوات المختلفة في النسخ الأولي
    • ناقش دور المروجين في النسخ الأولي
    • وصف كيفية ووقت إنهاء النسخ

    إن بدائيات النواة، التي تشمل البكتيريا والعتيقة، هي في الغالب كائنات أحادية الخلية تفتقر، بحكم تعريفها، إلى النواة المرتبطة بالغشاء والعضيات الأخرى. الكروموسوم البكتيري عبارة عن دائرة مغلقة تساهميًا، على عكس الكروموسومات حقيقية النواة، غير منظمة حول بروتينات الهستون. تسمى المنطقة المركزية من الخلية التي يوجد فيها الحمض النووي الأولي بالنوكليويد. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما تحتوي بدائيات النواة على بلازميدات وفيرة، وهي جزيئات DNA دائرية أقصر قد تحتوي فقط على جين واحد أو عدة جينات. يمكن نقل البلازميدات بشكل مستقل عن الكروموسوم البكتيري أثناء انقسام الخلايا وغالبًا ما تحمل سمات مثل مقاومة المضادات الحيوية.

    يتطلب النسخ في بدائيات النواة (وفي حقيقيات النوى) حلزون الحمض النووي المزدوج للاسترخاء جزئيًا في منطقة تخليق mRNA. تسمى منطقة الفك بفقاعة النسخ. يبدأ النسخ دائمًا من نفس خيط الحمض النووي لكل جين، وهو ما يسمى خيط القالب. يعد منتج mRNA مكملاً لخيط القالب وهو مطابق تقريبًا لخيط الحمض النووي الآخر، والذي يُطلق عليه اسم الخصلة غير النمطية. والفرق الوحيد هو أنه في mRNA، يتم استبدال جميع نيوكليوتيدات T بنيوكليوتيدات U. في اللولب المزدوج للحمض النووي الريبي، يمكن لـ A ربط U عبر رابطتين هيدروجينيتين، تمامًا كما هو الحال في الاقتران A-T في حلزون DNA مزدوج.

    يُطلق على زوج النوكليوتيد في اللولب المزدوج للحمض النووي الذي يتوافق مع الموقع الذي نُسخ منه أول نيوكليوتيد mRNA مقاس 5 بوصات اسم موقع +1، أو موقع البدء. تُعطى النيوكليوتيدات التي تسبق موقع البدء أرقامًا سالبة ويتم تحديدها في المنبع. وعلى العكس من ذلك، يُشار إلى النيوكليوتيدات التي تتبع موقع البدء بترقيم «+» وتسمى النيوكليوتيدات النهائية.

    بدء النسخ في بدائيات النواة

    لا تحتوي بدائيات النواة على نوى مغلقة بالغشاء. لذلك، يمكن أن تحدث جميع عمليات النسخ والترجمة وتدهور mRNA في وقت واحد. يمكن تضخيم المستوى داخل الخلايا للبروتين البكتيري بسرعة من خلال أحداث النسخ والترجمة المتعددة التي تحدث بشكل متزامن على نفس قالب الحمض النووي. غالبًا ما يغطي النسخ الأولي للنواة أكثر من جين وينتج mRNAs متعدد الكيستروني الذي يحدد أكثر من بروتين واحد.

    سوف تمثل مناقشتنا هنا النسخ من خلال وصف هذه العملية في Escherichia coli، وهو نوع بكتيري مدروس جيدًا. على الرغم من وجود بعض الاختلافات بين النسخ في E. coli والنسخ في الأركيا، يمكن تطبيق فهم نسخ E. coli على جميع الأنواع البكتيرية تقريبًا.

    بوليميراز الحمض النووي الريبي بدائية النواة

    تستخدم بدائيات النواة نفس بوليميراز الحمض النووي الريبي لنسخ جميع جيناتها. في E. coli، يتكون البوليميراز من خمس وحدات فرعية متعددة الببتيد، اثنتان منها متطابقتان. وتشكل أربعة من هذه الوحدات الفرعية، التي تشير إلى ألفا وألفا وبيتا وبيتا، إنزيم البوليميراز الأساسي. تتجمع هذه الوحدات الفرعية في كل مرة يتم فيها نسخ الجين، ويتم تفكيكها بمجرد اكتمال النسخ. كل وحدة فرعية لها دور فريد؛ الوحدتان الفرعيتان ألفا ضروريتان لتجميع البوليميراز على الحمض النووي؛ ترتبط الوحدة الفرعية β بـ ثلاثي فوسفات الريبونوكليوزيد الذي سيصبح جزءًا من جزيء mRNA الناشئ «المولود حديثًا»؛ وتربط beta شريط قالب الحمض النووي. الوحدة الفرعية الخامسة،، تشارك فقط في بدء النسخ. إنه يمنح خصوصية النسخ بحيث يبدأ البوليميراز في تخليق mRNA من موقع بدء مناسب. بدون، سينسخ الإنزيم الأساسي من مواقع عشوائية وسينتج جزيئات mRNA التي تحدد هراء البروتين. يُطلق على البوليميراز المكون من جميع الوحدات الفرعية الخمس اسم الإنزيم الهولوي.

    محفزات بدائية النواة

    المروج هو تسلسل الحمض النووي الذي ترتبط به آلية النسخ وتبدأ النسخ. في معظم الحالات، يوجد المروجين في مقدمة الجينات التي ينظمونها. يعتبر التسلسل المحدد للمروج مهمًا جدًا لأنه يحدد ما إذا كان الجين المقابل يتم نسخه طوال الوقت أو في بعض الأحيان أو بشكل غير منتظم. على الرغم من أن المحفزات تختلف بين جينومات بدائية النواة، إلا أنه يتم حفظ بعض العناصر. في المناطق -10 و -35 في أعلى موقع البدء، يوجد تسلسلان إجماعيان للمروجين، أو مناطق متشابهة عبر جميع المروجين وعبر الأنواع البكتيرية المختلفة (الشكل\(\PageIndex{1}\)). تسلسل الإجماع -10، المسمى منطقة -10، هو TATAAT. يتم التعرف على التسلسل -35، TTGACA، ويتم ربطه بـ. بمجرد إجراء هذا التفاعل، ترتبط الوحدات الفرعية للإنزيم الأساسي بالموقع. تسهل منطقة A-T الغنية -10 فك قالب الحمض النووي، ويتم إنشاء العديد من روابط الفسفوديستر. تنتهي مرحلة بدء النسخ بإنتاج نصوص فاشلة، وهي بوليمرات تحتوي على حوالي 10 نيوكليوتيدات يتم تصنيعها وإطلاقها.

    يُظهر الرسم التوضيحي الوحدة الفرعية من بوليميراز الحمض النووي الريبي المرتبطة بتسلسلين إجماعيين هما 10 و 35 قاعدة في أعلى موقع بدء النسخ. بوليميراز الحمض النووي الريبي مرتبط بـ.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): تتعرف الوحدة الفرعية من بوليميراز الحمض النووي الريبي بدائية النواة على التسلسلات الإجماعية الموجودة في منطقة المروج في الجزء العلوي من مشهد بدء النسخ. تنفصل الوحدة الفرعية عن البوليميراز بعد بدء النسخ.

    رابط إلى التعلم

    شاهد هذه الرسوم المتحركة لـ MolecularMovies لمشاهدة الجزء الأول من النسخ وتكرار التسلسل الأساسي لمربع TATA.

    الاستطالة والإنهاء في بدائيات النواة

    تبدأ مرحلة استطالة النسخ بإطلاق الوحدة الفرعية من البوليميراز. يسمح تفكك للإنزيم الأساسي بالمضي قدمًا على طول قالب الحمض النووي، حيث يقوم بتجميع mRNA في اتجاه 5 إلى 3 بوصات بمعدل حوالي 40 نيوكليوتيدات في الثانية. مع استمرار الاستطالة، يتم فك الحمض النووي باستمرار قبل الإنزيم الأساسي وإعادة لفه خلفه (الشكل\(\PageIndex{2}\)). الاقتران الأساسي بين DNA و RNA ليس مستقرًا بدرجة كافية للحفاظ على استقرار مكونات تخليق mRNA. بدلاً من ذلك، يعمل بوليميراز الحمض النووي الريبي كرابط ثابت بين قالب الحمض النووي وخيوط الحمض النووي الريبي الناشئة لضمان عدم انقطاع الاستطالة قبل الأوان.

    يوضح الرسم التوضيحي تخليق RNA بواسطة بوليميراز RNA. يتم تصنيع خيط الحمض النووي الريبي في اتجاه 5 إلى 3 بوصات.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): أثناء الاستطالة، يتتبع بوليميراز الحمض النووي الريبي بدائية النواة على طول قالب الحمض النووي، ويقوم بتجميع mRNA في اتجاه 5 إلى 3 بوصات، ويقوم بفك الحمض النووي وإعادته أثناء قراءته.

    إشارات إنهاء بدائية النواة

    بمجرد نسخ الجين، يجب توجيه بوليميراز بدائية النواة للانفصال عن قالب الحمض النووي وتحرير mRNA المصنوع حديثًا. اعتمادًا على الجين الذي يتم نسخه، هناك نوعان من إشارات الإنهاء. أحدهما يعتمد على البروتين والآخر يعتمد على الحمض النووي الريبي. يتم التحكم في الإنهاء المعتمد على Rho بواسطة بروتين rho، الذي يتتبع البوليميراز في سلسلة mRNA المتنامية. بالقرب من نهاية الجين، يصادف البوليميراز مجموعة من النيوكليوتيدات G على قالب الحمض النووي ويتوقف. ونتيجة لذلك، يصطدم بروتين رو مع البوليميراز. يؤدي التفاعل مع rho إلى إطلاق mRNA من فقاعة النسخ.

    يتم التحكم في الإنهاء المستقل عن RHO من خلال تسلسلات محددة في شريط قالب الحمض النووي. عندما يقترب البوليميراز من نهاية الجين الذي يتم نسخه، فإنه يواجه منطقة غنية بنيوكليوتيدات C-G. يعود الحمض النووي الريبوزي المغناطيسي إلى نفسه، وترتبط نيوكليوتيدات C-G التكميلية معًا. والنتيجة هي دبوس شعر مستقر يتسبب في توقف البوليميراز بمجرد أن يبدأ في نسخ منطقة غنية بنيوكليوتيدات A-T. تشكل منطقة U-A التكميلية من نسخة mRNA تفاعلًا ضعيفًا فقط مع قالب DNA. يؤدي هذا، إلى جانب البوليميراز المتوقف، إلى عدم استقرار كافٍ للإنزيم الأساسي لكسر وتحرير نسخة mRNA الجديدة.

    عند الإنهاء، تكتمل عملية النسخ. بحلول الوقت الذي يحدث فيه الإنهاء، سيكون النص الأولي قد استخدم بالفعل لبدء تخليق نسخ عديدة من البروتين المشفر لأن هذه العمليات يمكن أن تحدث بشكل متزامن. من الممكن توحيد النسخ والترجمة وحتى تدهور mRNA لأن كل هذه العمليات تحدث في نفس الاتجاه من 5 إلى 3 بوصات، ولأنه لا يوجد تقسيم غشائي في الخلية بدائية النواة (الشكل\(\PageIndex{3}\)). في المقابل، فإن وجود نواة في الخلايا حقيقية النواة يمنع النسخ والترجمة في وقت واحد.

    يُظهر الرسم التوضيحي العديد من mRNAs المنسوخة من جين واحد. تلتصق الريبوسومات بـ mRNA قبل اكتمال النسخ والبدء في إنتاج البروتين.
    الشكل\(\PageIndex{3}\): يمكن للبوليميرات المتعددة نسخ جين بكتيري واحد بينما تقوم العديد من الريبوسومات بترجمة نصوص mRNA بشكل متزامن إلى بولي ببتيدات. بهذه الطريقة، يمكن أن يصل بروتين معين بسرعة إلى تركيز عالٍ في الخلية البكتيرية.

    رابط إلى التعلم

    قم بزيارة الرسوم المتحركة لـ BioStudio لمشاهدة عملية النسخ الأولي.

    ملخص

    في بدائيات النواة، يبدأ تخليق mRNA بتسلسل محفز على قالب الحمض النووي الذي يتكون من تسلسلين إجماعيين يجندون بوليميراز الحمض النووي الريبي. يتكون البوليميراز الأولي من إنزيم أساسي من أربع وحدات بروتينية فرعية وبروتين يساعد فقط في البدء. تقوم الاستطالة بتجميع mRNA في اتجاه 5 إلى 3 بوصات بمعدل 40 نيوكليوتيدات في الثانية. يؤدي الإنهاء إلى تحرير الحمض النووي الريبوزي (mRNA) ويحدث إما عن طريق تفاعل بروتين rHo أو عن طريق تكوين دبوس شعر mRNA.

    مسرد المصطلحات

    إجماع
    تسلسل الحمض النووي الذي تستخدمه العديد من الأنواع لأداء نفس الوظائف أو وظائف مماثلة
    إنزيم أساسي
    بوليميراز الحمض النووي الريبي الأولي الذي يتكون من ألفا، ألفا، بيتا، وبيتا ولكنه مفقود؛ يقوم هذا المركب بالاستطالة
    المصب
    النيوكليوتيدات التي تتبع موقع البدء في اتجاه نسخ mRNA؛ بشكل عام، التسلسلات التي تقترب من الطرف الثالث بالنسبة لموقع على mRNA
    دبوس الشعر
    هيكل الحمض النووي الريبي عندما يعود إلى نفسه ويشكل روابط هيدروجينية داخل الجزيئات بين النيوكليوتيدات التكميلية
    إنزيم ثلاثي الأبعاد
    بوليميراز الحمض النووي الريبي الأولي يتكون من ألفا، ألفا، بيتا، بيتا، و؛ هذا المجمع مسؤول عن بدء النسخ
    موقع البدء
    النيوكليوتيد الذي ينطلق منه تخليق mRNA في اتجاه 5 إلى 3؛ يُشار إليه بـ «+1"
    خيط غير قالب
    خيط من الحمض النووي لا يستخدم لنسخ الحمض النووي الريبي؛ هذا الشريط مطابق لـ mRNA باستثناء أن نيوكليوتيدات T في الحمض النووي يتم استبدالها بنيوكليوتيدات U في mRNA
    البلازميد
    جزيء الحمض النووي الدائري خارج الكروموسومات والمغلق تساهميًا والذي قد يحتوي فقط على جين واحد أو عدة جينات؛ شائع في بدائيات النوى
    المروج
    تسلسل الحمض النووي الذي يرتبط به بوليميراز الحمض النووي الريبي والعوامل المرتبطة به ويبدأ النسخ
    الإنهاء المعتمد على RHOO
    في بدائيات النواة، يتم إنهاء النسخ عن طريق التفاعل بين بوليميراز الحمض النووي الريبي وبروتين رو عند سلسلة من النيوكليوتيدات G على قالب الحمض النووي
    مستقل عن RHO
    الإنهاء: الإنهاء المعتمد على التسلسل لتخليق الحمض النووي الريبوزي أحادي النواة؛ بسبب تكوين دبوس الشعر في الحمض النووي الريبوزي (mRNA) الذي يوقف البوليميراز
    صندوق تاتا
    تسلسل المروج المحفوظ في حقيقيات النوى وبدائيات النواة التي تساعد على إنشاء موقع البدء للنسخ
    حبلا القالب
    خيط من الحمض النووي يحدد جزيء mRNA التكميلي
    فقاعة النسخ
    منطقة من الحمض النووي غير المجروح محليًا والتي تسمح بنسخ mRNA
    المنبع
    النيوكليوتيدات التي تسبق موقع البدء؛ بشكل عام، التسلسلات باتجاه الطرف الخامس بالنسبة إلى موقع على mRNA