9.3: النسخ

Last updated

Nov 1, 2022
Page ID
191568
Save as PDF
- 9.2: تكرار الحمض النووي
- 9.4: الترجمة

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$

في كل من بدائيات النواة وحقيقيات النوى، تتمثل الوظيفة الثانية للحمض النووي (الأولى كانت النسخ المتماثل) في توفير المعلومات اللازمة لبناء البروتينات اللازمة حتى تتمكن الخلية من أداء جميع وظائفها. للقيام بذلك، يتم «قراءة» الحمض النووي أو نسخه إلى جزيء mRNA. ثم يوفر mRNA الكود لتكوين بروتين من خلال عملية تسمى الترجمة. من خلال عمليات النسخ والترجمة، يتم بناء البروتين بتسلسل محدد من الأحماض الأمينية التي تم ترميزها في الأصل في الحمض النووي. تناقش هذه الوحدة تفاصيل النسخ.

العقيدة المركزية: الحمض النووي يشفر الحمض النووي الريبي؛ الحمض النووي الريبي يشفر البروتين

يتم وصف تدفق المعلومات الجينية في الخلايا من الحمض النووي إلى mRNA إلى البروتين من خلال العقيدة المركزية (الشكل $\PageIndex{1}$ )، والتي تنص على أن الجينات تحدد تسلسل mRNAs، والتي بدورها تحدد تسلسل البروتينات.

يُظهر مخطط التدفق الحمض النووي، مع سهم إلى الحمض النووي الريبي، الذي يحتوي على سهم للبروتين. — **الشكل $\PageIndex{1}$ :** تنص العقيدة المركزية على أن الحمض النووي يشفر الحمض النووي الريبي، والذي بدوره يقوم بتشفير البروتين.

يعد نسخ الحمض النووي إلى mRNA أمرًا بسيطًا نسبيًا، حيث تتم إضافة نيوكليوتيد واحد إلى خيط mRNA لكل نيوكليوتيد تكميلي يُقرأ في خيط الحمض النووي. تعتبر الترجمة إلى البروتين أكثر تعقيدًا لأن مجموعات من ثلاثة نيوكليوتيدات mRNA تتوافق مع حمض أميني واحد من تسلسل البروتين. ومع ذلك، كما سنرى في الوحدة التالية، لا تزال الترجمة إلى البروتين منهجية، بحيث تتوافق النيوكليوتيدات من 1 إلى 3 مع الأحماض الأمينية 1، والنيوكليوتيدات من 4 إلى 6 تتوافق مع الأحماض الأمينية 2، وما إلى ذلك.

النسخ: من الحمض النووي إلى mRNA

تؤدي كل من بدائيات النواة وحقيقيات النوى بشكل أساسي نفس عملية النسخ، مع الاختلاف المهم للنواة المرتبطة بالغشاء في حقيقيات النوى. مع ارتباط الجينات في النواة، يحدث النسخ في نواة الخلية ويجب نقل نسخة mRNA إلى السيتوبلازم. تفتقر بدائيات النواة، التي تشمل البكتيريا والعتيقة، إلى النواة المرتبطة بالغشاء والعضيات الأخرى، ويحدث النسخ في السيتوبلازم في الخلية. في كل من بدائيات النواة وحقيقيات النوى، يحدث النسخ في ثلاث مراحل رئيسية: البدء والاستطالة والإنهاء.

المبادرة

يتطلب النسخ حلزون الحمض النووي المزدوج للاسترخاء جزئيًا في منطقة تخليق mRNA. تسمى منطقة الفك بفقاعة النسخ. يُطلق على تسلسل الحمض النووي الذي ترتبط به البروتينات والإنزيمات المشاركة في النسخ لبدء العملية اسم المروج. 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 بالكاد على الإطلاق (الشكل $\PageIndex{2}$ ).

يُظهر الرسم التوضيحي خيطًا للقالب وحبلا غير نمطي من الحمض النووي، مع قسم المروج باللون الأحمر على شريط القالب. في الجزء السفلي من المروج هو بوليميراز الحمض النووي الريبي حيث يتم تصنيع الحمض النووي الريبي. — **الشكل $\PageIndex{2}$ :** يبدأ بدء النسخ عندما يتم فك الحمض النووي، مما يشكل فقاعة نسخ. ترتبط الإنزيمات والبروتينات الأخرى المشاركة في النسخ بالمروج.

الاستطالة

يبدأ النسخ دائمًا من أحد خيوطي الحمض النووي، وهو ما يسمى خيط القالب. يُعد منتج mRNA مكملاً لخيط القالب ويتطابق تقريبًا مع خيط الحمض النووي الآخر، والذي يُطلق عليه اسم الخصلة غير النمطية، باستثناء أن الحمض النووي الريبي يحتوي على اليوراسيل (U) بدلاً من الثايمين (T) الموجود في الحمض النووي. أثناء الاستطالة، يستمر إنزيم يسمى بوليميراز الحمض النووي الريبي على طول قالب الحمض النووي مضيفًا النيوكليوتيدات عن طريق الاقتران الأساسي مع قالب الحمض النووي بطريقة مشابهة لتكرار الحمض النووي، مع اختلاف أنه يتم تصنيع خيط الحمض النووي الريبي الذي لا يظل مرتبطًا بقالب الحمض النووي. مع استمرار الاستطالة، يتم فك الحمض النووي باستمرار قبل الإنزيم الأساسي وإعادة لفه خلفه (الشكل $\PageIndex{3}$ ).

يوضح الرسم التوضيحي تخليق RNA بواسطة بوليميراز RNA. يتم تصنيع خيط الحمض النووي الريبي في اتجاه 5 إلى 3 بوصات. — **الشكل $\PageIndex{3}$ :** أثناء الاستطالة، يتتبع بوليميراز الحمض النووي الريبي على طول قالب الحمض النووي، ويقوم بتجميع mRNA في اتجاه 5 إلى 3 بوصات، ثم يقوم بفك الحمض النووي ثم إرجاعه أثناء قراءته.

الإنهاء

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، ولكن كلاهما يتضمن تسلسلات نيوكليوتيد متكررة في قالب الحمض النووي مما يؤدي إلى توقف بوليميراز الحمض النووي الريبي، وترك قالب الحمض النووي، وتحرير نسخة mRNA.

عند الإنهاء، تكتمل عملية النسخ. في الخلية بدائية النواة، بحلول الوقت الذي يحدث فيه الإنهاء، سيكون النص قد تم استخدامه بالفعل لتجميع نسخ عديدة من البروتين المشفر جزئيًا لأن هذه العمليات يمكن أن تحدث بشكل متزامن باستخدام ريبوسومات متعددة (بوليريبوسومات) (الشكل $\PageIndex{4}$ ). في المقابل، يمنع وجود نواة في الخلايا حقيقية النواة النسخ والترجمة المتزامنة.

يُظهر الرسم التوضيحي نسخ العديد من mRNAs من جين واحد. تلتصق الريبوسومات بـ mRNA قبل الانتهاء من النسخ والبدء في صنع البروتين. — **الشكل $\PageIndex{4}$ :** 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.

معالجة الحمض النووي الريبي حقيقي النواة

يجب أن تخضع MRNAs حقيقية النواة التي تم نسخها حديثًا لعدة خطوات معالجة قبل أن يتم نقلها من النواة إلى السيتوبلازم وترجمتها إلى بروتين. تؤدي الخطوات الإضافية التي ينطوي عليها نضج mRNA حقيقي النواة إلى إنشاء جزيء أكثر استقرارًا من mRNA بدائية النواة. على سبيل المثال، يستمر الحمض النووي الريبوزي أحادي النواة الحقيقي النواة لعدة ساعات، في حين لا يستمر الحمض النووي الريبوزي أحادي النواة النموذجي لأكثر من خمس ثوانٍ.

يتم طلاء نسخة mRNA أولاً ببروتينات تثبيت الحمض النووي الريبي لمنعها من التحلل أثناء معالجتها وتصديرها من النواة. يحدث هذا أثناء استمرار تصنيع الحمض النووي الريبوزي قبل mRNA عن طريق إضافة «غطاء» خاص للنيوكليوتيد إلى الطرف الخامس من النص المتنامي. بالإضافة إلى منع التدهور، تتعرف العوامل المشاركة في تخليق البروتين على الغطاء للمساعدة في بدء الترجمة بواسطة الريبوسومات.

بمجرد اكتمال الاستطالة، يضيف الإنزيم بعد ذلك سلسلة من بقايا الأدينين التي تبلغ 200 تقريبًا إلى الطرف 3 أقدام، تسمى ذيل Poly-a. يحمي هذا التعديل أيضًا الحمض النووي الريبي المسبق من التدهور والإشارات إلى العوامل الخلوية التي تحتاج إلى تصدير النص إلى السيتوبلازم.

تتكون الجينات حقيقية النواة من تسلسلات ترميز البروتين تسمى إكسونات (يشير النوع الثاني إلى أنها مضغوطة مسبقًا) وتسلسلات داخلية تسمى النيترونات (يشير إن-رون إلى دورها في المساء). تتم إزالة الإنترونات من قبل mRNA أثناء المعالجة. لا تقوم تسلسلات الإنترون في mRNA بترميز البروتينات الوظيفية. من الضروري إزالة جميع إنترونات ما قبل mRNA بشكل كامل ودقيق قبل تخليق البروتين بحيث تتحد الإكسونات معًا لترميز الأحماض الأمينية الصحيحة. إذا أخطأت العملية حتى بنيوكليوتيد واحد، فسيتم تغيير تسلسل الإكسونات الملتصقة، وسيكون البروتين الناتج غير فعال. تسمى عملية إزالة الإنترونات وإعادة توصيل الإكسونات بالربط (الشكل $\PageIndex{5}$ ). تتم إزالة الإنترونات وتحللها بينما لا يزال الحمض النووي الريبي المسبق في النواة.

يُظهر الرسم التوضيحي نسخة أولية من الحمض النووي الريبي تحتوي على ثلاثة إكسونات واثنين من الإنترون. في النص المقسّم، تتم إزالة الإنترونات ويتم دمج الإكسونات معًا. كما تمت إضافة قبعة بطول 5 بوصات وذيل بولي أ. — **الشكل $\PageIndex{5}$ :** يحتوي mRNA حقيقي النواة على نيترونات يجب تقطيعها. تمت إضافة غطاء بطول 5 بوصات وذيل 3 بوصات أيضًا.

ملخص

في بدائيات النواة، يبدأ تخليق mRNA بتسلسل مروجي على قالب الحمض النووي. الاستطالة تصنع mRNA الجديد. يؤدي الإنهاء إلى تحرير الحمض النووي الريبي (mRNA) ويحدث عن طريق الآليات التي تعطل بوليميراز الحمض النووي الريبي وتتسبب في سقوطه من قالب الحمض النووي. يتم تعديل MRNAs حقيقية النواة المنسوخة حديثًا بغطاء وذيل بولي A. تحمي هذه الهياكل الحمض النووي الريبوزي الناضج من التحلل وتساعد على تصديره من النواة. يخضع mRNAs حقيقية النواة أيضًا لعملية الربط، حيث تتم إزالة الإنترونات وإعادة توصيل الإكسونات بدقة أحادية النوكليوتيد. يتم تصدير mRNAs الجاهزة فقط من النواة إلى السيتوبلازم.

مسرد المصطلحات

إكسون: تسلسل موجود في mRNA بترميز البروتين بعد الانتهاء من الربط قبل mRNA

إنترون: تسلسلات متداخلة غير مشفرة للبروتين يتم فصلها عن mRNA أثناء المعالجة

الحمض النووي الريبي: Messenger RNA؛ شكل من أشكال الحمض النووي الريبي يحمل رمز تسلسل النيوكليوتيد لتسلسل البروتين الذي يتم ترجمته إلى تسلسل متعدد الببتيد

حبلا غير قالب: خيط الحمض النووي الذي لا يستخدم لنسخ الحمض النووي الريبي؛ هذا الشريط مطابق لـ mRNA باستثناء أن نيوكليوتيدات T في الحمض النووي يتم استبدالها بنيوكليوتيدات U في mRNA

المروج: تسلسل على الحمض النووي يرتبط به بوليميراز الحمض النووي الريبي والعوامل المرتبطة به ويبدأ النسخ

بوليميراز رنا: إنزيم يقوم بتجميع خيط الحمض النووي الريبي من خيط قالب الحمض النووي

الربط: عملية إزالة المكترونات وإعادة توصيل الإكسونات في جهاز mRNA المسبق

حبلا القالب: خيط الحمض النووي الذي يحدد جزيء mRNA التكميلي

فقاعة النسخ: منطقة الحمض النووي غير المجروح محليًا والتي تسمح بنسخ mRNA

المساهمون والصفات

Template:ContribOpenStaxConcepts