Skip to main content
Global

16.2: تنظيم الجينات بدائية النواة

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    196573

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

    المهارات اللازمة للتطوير

    • وصف الخطوات المتبعة في تنظيم الجينات بدائية النواة
    • شرح أدوار المنشطات والمحفزات والمثبطات في تنظيم الجينات

    يتم تنظيم الحمض النووي لبدائيات النواة في كروموسوم دائري ملفوف في المنطقة النووية من السيتوبلازم الخلوي. يتم ترميز البروتينات اللازمة لوظيفة معينة، أو التي تشارك في نفس المسار البيوكيميائي، معًا في كتل تسمى العوامل. على سبيل المثال، يتم ترميز جميع الجينات اللازمة لاستخدام اللاكتوز كمصدر للطاقة بجانب بعضها البعض في أوبرون اللاكتوز (أو لاك).

    في الخلايا بدائية النواة، هناك ثلاثة أنواع من الجزيئات التنظيمية التي يمكن أن تؤثر على التعبير عن العوامل: الكابتات والمنشطات والمحفزات. المواد المثبطة هي بروتينات تمنع نسخ الجين استجابة لمحفز خارجي، في حين أن المنشطات هي بروتينات تزيد من نسخ الجين استجابة لمحفز خارجي. أخيرًا، المحرضات عبارة عن جزيئات صغيرة تقوم إما بتنشيط النسخ أو قمعه اعتمادًا على احتياجات الخلية وتوافر الركيزة.

    عملية الرحلة: عملية قمع

    تحتاج البكتيريا مثل E. coli إلى الأحماض الأمينية للبقاء على قيد الحياة. التربتوفان هو أحد هذه الأحماض الأمينية التي يمكن أن تتناولها E. coli من البيئة. يمكن للإشريكية القولونية أيضًا تصنيع التربتوفان باستخدام إنزيمات مشفرة بخمسة جينات. هذه الجينات الخمسة بجانب بعضها البعض فيما يسمى بأوبرون التربتوفان (trp) (الشكل\(\PageIndex{1}\)). إذا كان التربتوفان موجودًا في البيئة، فلن تحتاج E. coli إلى تركيبه ويتم إيقاف تشغيل المفتاح الذي يتحكم في تنشيط الجينات في trp operon. ومع ذلك، عندما يكون توافر التربتوفان منخفضًا، يتم تشغيل المفتاح الذي يتحكم في المعامل، ويبدأ النسخ، ويتم التعبير عن الجينات، ويتم تصنيع التربتوفان.

    يحتوي شخص الرحلة على مروج ومشغل وخمسة جينات تسمى trPe و tRpD و tRpC و trPb و trPb و trPa والتي تقع بترتيب تسلسلي على الحمض النووي. يرتبط بوليميراز الحمض النووي الريبي بالمروج. عند وجود التربتوفان، يقوم مثبط التربتوفان بربط المشغل ويمنع بوليميراز الحمض النووي الريبي من تجاوز المشغل؛ لذلك، يتم حظر تخليق الحمض النووي الريبي. في حالة عدم وجود التربتوفان، ينفصل القامع عن المشغل. يمكن الآن تمرير بوليميراز الحمض النووي الريبي عبر المشغل، ويبدأ النسخ.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): توجد الجينات الخمسة اللازمة لتجميع التربتوفان في E. coli بجانب بعضها البعض في trp operon. عندما يكون التربتوفان وفيرًا، يربط جزيئان من التربتوفان البروتين الكابح بتسلسل المشغل. هذا يمنع فعليًا بوليميراز الحمض النووي الريبي من نسخ جينات التربتوفان. عندما يكون التربتوفان غائبًا، لا يرتبط البروتين الكابح بالمشغل ويتم نسخ الجينات.

    يُشار إلى تسلسل الحمض النووي الذي يرمز للبروتينات باسم منطقة الترميز. يتم ترتيب مناطق الترميز الخمس لإنزيمات التخليق الحيوي للتريبتوفان بالتتابع على الكروموسوم في أوبيرون. قبل منطقة الترميز مباشرة يوجد موقع بدء النسخ. هذه هي منطقة الحمض النووي التي يرتبط بها بوليميراز الحمض النووي الريبي لبدء النسخ. تسلسل المروج هو الجزء العلوي من موقع بدء النسخ؛ كل عامل له تسلسل داخل المروج أو بالقرب منه يمكن للبروتينات (المنشطات أو الكابتات) ربط وتنظيم النسخ به.

    يتم ترميز تسلسل DNA يسمى تسلسل المشغل بين منطقة المروج وأول جين ترميز trp. يحتوي هذا المشغل على رمز الحمض النووي الذي يمكن أن يرتبط به البروتين الكابح. عندما يكون التربتوفان موجودًا في الخلية، يرتبط جزيئان من التربتوفان بمثبط التربتوفان، والذي يتغير شكله ليرتبط بمشغل التربتوفان. إن ربط مركب مثبط التربتوفان عند المشغل يمنع فعليًا بوليميراز الحمض النووي الريبي من الارتباط ونسخ الجينات النهائية.

    عندما لا يكون التربتوفان موجودًا في الخلية، لا يرتبط المثبط بحد ذاته بالمشغل؛ لذلك، يكون المعامل نشطًا ويتم تصنيع التربتوفان. نظرًا لأن بروتين الكابح يرتبط بنشاط بالمشغل للحفاظ على إيقاف تشغيل الجينات، فإن عامل الترب يتم تنظيمه بشكل سلبي والبروتينات التي ترتبط بالمشغل لإسكات تعبير الفخ هي منظمات سلبية.

    رابط إلى التعلم

    شاهد هذا الفيديو لمعرفة المزيد عن رحلة operon.

    بروتين منشط الكاتابوليت (CAP): منظم المنشط

    مثلما يتم تنظيم trp operon سلبًا بواسطة جزيئات التربتوفان، هناك بروتينات ترتبط بتسلسلات المشغل التي تعمل كمنظم إيجابي لتشغيل الجينات وتنشيطها. على سبيل المثال، عندما يكون الجلوكوز نادرًا، يمكن أن تتحول بكتيريا E. coli إلى مصادر السكر الأخرى للحصول على الوقود. للقيام بذلك، يجب نسخ الجينات الجديدة لمعالجة هذه الجينات البديلة. عندما تنخفض مستويات الجلوكوز، يبدأ AMP الدوري (CamP) بالتراكم في الخلية. جزيء CaMP هو جزيء إشارة يشارك في استقلاب الجلوكوز والطاقة في E. coli. عندما تنخفض مستويات الجلوكوز في الخلية، فإن تراكم CamP يرتبط بالمنظم الإيجابي لبروتين منشط الكاتابوليت (CAP)، وهو بروتين يرتبط بمحفزات الأوبيرونات التي تتحكم في معالجة السكريات البديلة. عندما يرتبط CamP بـ CAP، يرتبط المركب بالمنطقة المعززة للجينات اللازمة لاستخدام مصادر السكر البديلة (الشكل\(\PageIndex{2}\)). في هذه العمليات، يقع موقع ربط CAP في الجزء العلوي من موقع ربط بوليميراز الحمض النووي الريبي في المروج. هذا يزيد من قدرة ربط بوليميراز الحمض النووي الريبي بمنطقة المروج ونسخ الجينات.

    يتكون lac operon من مروج ومشغل وثلاثة جينات تسمى LaCz و LaCy و LaCa والتي توجد بترتيب تسلسلي على الحمض النووي. في حالة عدم وجود CamP، لا يربط بروتين CAP الحمض النووي. يربط بوليميراز الحمض النووي الريبي المروج، ويحدث النسخ بمعدل بطيء. في وجود CamP، يرتبط مركب Cap—Camp بالمروج ويزيد من نشاط بوليميراز الحمض النووي الريبي. ونتيجة لذلك، يزداد معدل تخليق الحمض النووي الريبي.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): عندما تنخفض مستويات الجلوكوز، قد تستخدم E. coli السكريات الأخرى كوقود ولكن يجب نسخ جينات جديدة للقيام بذلك. عندما تصبح إمدادات الجلوكوز محدودة، تزداد مستويات CamP. يرتبط هذا الكامب ببروتين CAP، وهو منظم إيجابي يرتبط بمنطقة المشغل في أعلى الجينات المطلوبة لاستخدام مصادر السكر الأخرى.

    عملية البلاك: عملية محفزة

    يحدث النوع الثالث من التنظيم الجيني في الخلايا بدائية النواة من خلال الأوبرونات المستحثة، التي تحتوي على بروتينات ترتبط بتنشيط أو قمع النسخ اعتمادًا على البيئة المحلية واحتياجات الخلية. عامل الدانتيل هو شخص نموذجي غير قابل للاستحثاث. كما ذكرنا سابقًا، فإن E. coli قادرة على استخدام السكريات الأخرى كمصادر للطاقة عندما تكون تركيزات الجلوكوز منخفضة. وللقيام بذلك، يعمل مركب بروتين كامب كاب كمنظم إيجابي للحث على النسخ. أحد مصادر السكر هذه هو اللاكتوز. يقوم lac operon بتشفير الجينات اللازمة للحصول على اللاكتوز ومعالجته من البيئة المحلية. يرتبط CAP بتسلسل المشغل في الجزء العلوي من المروج الذي يبدأ نسخ lac operon. ومع ذلك، لكي يتم تنشيط عامل Lac، يجب استيفاء شرطين. أولاً، يجب أن يكون مستوى الجلوكوز منخفضًا جدًا أو غير موجود. ثانيًا، يجب أن يكون اللاكتوز موجودًا. فقط عندما يكون الجلوكوز غائبًا ويوجد اللاكتوز، سيتم نسخ اللاك أوبرون (الشكل\(\PageIndex{3}\)). وهذا أمر منطقي بالنسبة للخلية، لأنه سيكون من الهدر الشديد إنتاج البروتينات لمعالجة اللاكتوز إذا كان الجلوكوز وفيرًا أو لم يكن اللاكتوز متاحًا.

    آرت كونيكشن

    يتكون lac operon من مروج ومشغل وثلاثة جينات تسمى LaCz و LaCy و LaCa. يرتبط بوليميراز الحمض النووي الريبي بالمروج. في حالة عدم وجود اللاكتوز، يرتبط مثبط اللاكتوز بالمشغل ويمنع بوليميراز الحمض النووي الريبي من نسخ الأيبرون. في حالة وجود اللاكتوز، يتم تحرير المثبط من المشغل، ويستمر النسخ بمعدل بطيء. إن ربط مركب CAMP-CAP بالمروج يحفز نشاط بوليميراز الحمض النووي الريبي ويزيد من تخليق الحمض النووي الريبي. ومع ذلك، حتى في وجود مركب Camp—cap، يتم حظر تخليق الحمض النووي الريبي إذا كان المثبط مرتبطًا بالمروج.
    الشكل\(\PageIndex{3}\): يتم تنظيم نسخ lac operon بعناية بحيث لا يحدث التعبير عنه إلا عندما يكون الجلوكوز محدودًا ويكون اللاكتوز موجودًا ليكون بمثابة مصدر وقود بديل.

    في E. coli، يتم تشغيل عملية التريب بشكل افتراضي، بينما يتم إيقاف تشغيل lac operon. لماذا تعتقد أن هذا هو الحال؟

    في حالة عدم وجود الجلوكوز، يمكن لـ CAP الارتباط بتسلسل المشغل لتنشيط النسخ. في حالة عدم وجود اللاكتوز، يرتبط المثبط بالمشغل لمنع النسخ. إذا تم استيفاء أي من هذه المتطلبات، فسيظل النسخ مغلقًا. فقط عندما يتم استيفاء كلا الشرطين يتم نسخ الشخص المتأخر (الجدول\(\PageIndex{1}\)).

    الجدول\(\PageIndex{1}\) 2: الإشارات التي تحفز أو تقمع نسخ Lac Operon
    جلوكوز ربط كاب لاكتوز يربط القامع النسخ
    + - - + لا
    + - + - بعض
    - + - + لا
    - + + - نعم

    رابط إلى التعلم

    شاهد برنامجًا تعليميًا متحركًا حول طريقة عمل lac operon هنا.

    ملخص

    يحدث تنظيم التعبير الجيني في الخلايا بدائية النواة على مستوى النسخ. هناك ثلاث طرق للتحكم في نسخ الشخص: التحكم القمعي والتحكم في المنشط والتحكم المستحث. يستخدم التحكم القمعي، الذي يمثله trp operon، بروتينات مرتبطة بتسلسل المشغل لمنع ارتباط بوليميراز الحمض النووي الريبي فعليًا وتفعيل النسخ. لذلك، إذا لم تكن هناك حاجة إلى التربتوفان، فإن الكامع مرتبط بالمشغل ويظل النسخ مغلقًا. يزيد التحكم في المنشط، الذي يتمثل في عمل CAP، من قدرة ربط بوليميراز الحمض النووي الريبي بالمروج عندما يكون CAP مرتبطًا. في هذه الحالة، تؤدي المستويات المنخفضة من الجلوكوز إلى ربط CamP بـ CAP. ثم يقوم CAP بربط المروج، مما يسمح لبوليميراز الحمض النووي الريبي بالارتباط بالمروج بشكل أفضل. في المثال الأخير - عامل lac - يجب استيفاء شرطين لبدء النسخ. يجب ألا يكون الجلوكوز موجودًا، ويجب أن يكون اللاكتوز متاحًا حتى يتم نسخ اللاك أوبرون. في حالة عدم وجود الجلوكوز، يرتبط CAP بالمشغل. في حالة وجود اللاكتوز، لا يرتبط البروتين الكابح بمشغله. فقط عندما يتم استيفاء كلا الشرطين، سيتم ربط بوليميراز الحمض النووي الريبي بالمروج للحث على النسخ.

    اتصالات فنية

    الشكل\(\PageIndex{3}\): في E. coli، يتم تشغيل معالج الرحلة افتراضيًا، بينما يتم إيقاف تشغيل lac Operon. لماذا تعتقد أن هذا هو الحال؟

    إجابة

    يعتبر التربتوفان من الأحماض الأمينية الأساسية لصنع البروتينات، لذلك تحتاج الخلية دائمًا إلى الحصول على بعضها في متناول اليد. ومع ذلك، في حالة وجود الكثير من التربتوفان، فمن الإسراف في إنتاج المزيد، ويتم قمع التعبير عن مستقبل التربتوفان. لا يتوفر اللاكتوز، وهو سكر موجود في الحليب، دائمًا. ليس من المنطقي صنع الإنزيمات اللازمة لهضم مصدر طاقة غير متوفر، لذلك لا يتم تشغيل lac operon إلا عند وجود اللاكتوز.

    مسرد المصطلحات

    المنشط
    البروتين الذي يرتبط بالعوامل بدائية النواة لزيادة النسخ
    بروتين منشط الكاتابوليت (CAP)
    البروتين الذي يتجمع مع CamP للربط بالتسلسلات المروجة للأوبيرونات التي تتحكم في معالجة السكر عند عدم توفر الجلوكوز
    شخص مغري
    أوبرون يمكن تنشيطه أو قمعه اعتمادًا على الاحتياجات الخلوية والبيئة المحيطة
    بلاك أوبيرون
    أوبيرون في الخلايا بدائية النواة التي تقوم بتشفير الجينات المطلوبة لمعالجة وتناول اللاكتوز
    منظم سلبي
    بروتين يمنع النسخ
    المشغل أو العامل
    منطقة من الحمض النووي خارج منطقة المروج تربط المنشطات أو الكابتات التي تتحكم في التعبير الجيني في الخلايا بدائية النواة
    أوبيرون
    مجموعة من الجينات المشاركة في مسار يتم نسخها معًا كرنا أحادي في الخلايا بدائية النواة
    منظم إيجابي
    البروتين الذي يزيد من النسخ
    القامع
    البروتين الذي يرتبط بمشغل الجينات بدائية النواة لمنع النسخ
    موقع البداية النسخي
    الموقع الذي يبدأ فيه النسخ
    شخص الرحلة
    سلسلة من الجينات اللازمة لتجميع التربتوفان في الخلايا بدائية النواة
    التربتوفان
    الأحماض الأمينية التي يمكن تصنيعها بواسطة الخلايا بدائية النواة عند الضرورة