Skip to main content
Global

10.3: هيكل ووظيفة الحمض النووي الريبي

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    194573

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

    أهداف التعلم

    • وصف التركيب البيوكيميائي للريبونوكليوتيدات
    • وصف أوجه التشابه والاختلاف بين الحمض النووي الريبي والحمض النووي
    • وصف وظائف الأنواع الثلاثة الرئيسية من الحمض النووي الريبي المستخدم في تخليق البروتين
    • اشرح كيف يمكن استخدام الحمض النووي الريبي كمعلومات وراثية

    من الناحية الهيكلية، فإن حمض الريبونوكليك (RNA) يشبه إلى حد كبير الحمض النووي. ومع ذلك، في حين أن جزيئات الحمض النووي عادة ما تكون طويلة ومزدوجة الحلقات، فإن جزيئات الحمض النووي الريبي أقصر بكثير وعادة ما تكون مفردة. تؤدي جزيئات الحمض النووي الريبي مجموعة متنوعة من الأدوار في الخلية ولكنها تشارك بشكل أساسي في عملية تخليق البروتين (الترجمة) وتنظيمه.

    هيكل الرنا

    عادةً ما يكون الحمض النووي الريبي أحادي الجديلة ومصنوع من ريبونوكليوتيدات مرتبطة بروابط فوسفوديستر. يحتوي الريبونوكليوتيد في سلسلة RNA على الريبوز (سكر البنتوس) وأحد القواعد النيتروجينية الأربعة (A و U و G و C) ومجموعة الفوسفات. يمنح الاختلاف الهيكلي الدقيق بين السكريات استقرارًا إضافيًا للحمض النووي، مما يجعل الحمض النووي أكثر ملاءمة لتخزين المعلومات الجينية، في حين أن عدم الاستقرار النسبي للحمض النووي الريبي يجعله أكثر ملاءمة لوظائفه قصيرة المدى.

    أ) مخططات الريبوز (في الحمض النووي الريبي) وديوكسيريبوز (في الحمض النووي). كلاهما لهما شكل خماسي مع وجود الأكسجين في أعلى نقطة من البنتاغون. كلاهما له درجة الحموضة في الكربون 1 و 3 و CH2OH في الكربون 4 (هذا الكربون الأخير هو الكربون 5). الفرق هو أن الريبوز يحتوي على درجة حموضة عند الكربون 2 وديوكسيريبوز له درجة H عند الكربون 2. ب) مخططات الثيامين (T في الحمض النووي) واليوراسيل (U في RNA). يحتوي كلاهما على حلقة سداسية واحدة تحتوي على الكربونات والنيتروجين. يحتوي كلاهما على حرف O مزدوج في الجزء العلوي من الكربون، والكربون الأيسر السفلي. الفرق هو أن الكربون الأيمن العلوي يحتوي على H في اليوراسيل و CH3 في الثايمين.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): (أ) تحتوي الريبونوكليوتيدات على ريبوز سكر البنتوس بدلاً من الديوكسيريبوز الموجود في الديوكسي ريبونوكليوتيدات. (ب) يحتوي الحمض النووي الريبي على البيريميدين يوراسيل بدلاً من الثيامين الموجود في الحمض النووي.

    يشكل البيريميدين يوراسيل الخاص بالحمض النووي الريبي زوجًا أساسيًا مكملاً للأدينين ويستخدم بدلاً من الثايمين المستخدم في الحمض النووي. على الرغم من أن الحمض النووي الريبي أحادي الجديلة، فإن معظم أنواع جزيئات الحمض النووي الريبي تُظهر اقترانًا واسعًا داخل القاعدة الجزيئية بين التسلسلات التكميلية داخل خيط الحمض النووي الريبي، مما يخلق هيكلًا ثلاثي الأبعاد يمكن التنبؤ به ضروريًا لوظيفتها (الشكل\(\PageIndex{1}\) والشكل\(\PageIndex{2}\)).

    أ) رسم تخطيطي للحمض النووي والحمض النووي الريبي. يحتوي الحمض النووي على شكل حلزوني مزدوج مع حلزون فوسفات السكر من الخارج والأزواج الأساسية من الداخل. يحتوي الحمض النووي الريبي على حلزون واحد من فوسفات السكر مع قواعد نيتروجينية على طول اللولب. ب) رسم تخطيطي يوضح الحمض النووي الريبي القابل للطي على نفسه. يمكن للقواعد المرتبطة بالعمود الفقري لسكر الفوسفات أن تشكل روابط هيدروجينية إذا كانت هناك امتدادات من القواعد التكميلية على مسافة ما من بعضها البعض على الشريط الطويل. لا تحتوي المناطق الأخرى على هذه الروابط الهيدروجينية.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): (أ) الحمض النووي عادة ما يكون مزدوج السبل، في حين أن الحمض النووي الريبي عادة ما يكون وحيدًا. (ب) على الرغم من أن الحمض النووي الريبي أحادي الجديلة، إلا أنه يمكن أن ينثني على نفسه، مع تثبيت الطيات بمناطق قصيرة من الاقتران القاعدي التكميلي داخل الجزيء، مما يشكل بنية ثلاثية الأبعاد.

    التمارين\(\PageIndex{1}\)

    كيف تختلف بنية الحمض النووي الريبي عن بنية الحمض النووي؟

    وظائف الحمض النووي الريبي في تخليق البروتين

    تصل الخلايا إلى المعلومات المخزنة في الحمض النووي عن طريق إنشاء RNA لتوجيه تخليق البروتينات من خلال عملية الترجمة. للبروتينات داخل الخلية العديد من الوظائف، بما في ذلك بناء الهياكل الخلوية والعمل كمحفزات إنزيمية للتفاعلات الكيميائية الخلوية التي تمنح الخلايا خصائصها المحددة. الأنواع الثلاثة الرئيسية من الحمض النووي الريبي التي تشارك بشكل مباشر في تخليق البروتين هي الحمض النووي الريبي المرسل (mRNA)، والحمض النووي الريبي الريبوزي (RNA)، ونقل الحمض النووي الريبي (trNA).

    في عام 1961، افترض العالمان الفرنسيان فرانسوا جاكوب وجاك مونود وجود وسيط بين الحمض النووي ومنتجاته البروتينية، والتي أطلقوا عليها اسم messenger RNA. 1 تم جمع الأدلة التي تدعم فرضيتهم بعد ذلك بوقت قصير والتي توضح أن المعلومات من الحمض النووي تنتقل إلى الريبوسوم لتخليق البروتين باستخدام mRNA. إذا كان الحمض النووي بمثابة مكتبة كاملة للمعلومات الخلوية، فإن mRNA يعمل كنسخة من المعلومات المحددة المطلوبة في وقت معين والتي تكون بمثابة تعليمات لصنع البروتين.

    يحمل الحمض النووي الريبوزي (mRNA) الرسالة من الحمض النووي، الذي يتحكم في جميع الأنشطة الخلوية في الخلية. إذا كانت الخلية تتطلب تخليق بروتين معين، فسيتم «تشغيل» الجين الخاص بهذا المنتج ويتم تصنيع mRNA من خلال عملية النسخ (انظر نسخ RNA). يتفاعل mRNA بعد ذلك مع الريبوسومات والآلات الخلوية الأخرى (الشكل\(\PageIndex{3}\)) لتوجيه تخليق البروتين الذي يشفره أثناء عملية الترجمة (انظر تخليق البروتين). mRNA غير مستقر نسبيًا وقصير العمر في الخلية، خاصة في الخلايا بدائية النواة، مما يضمن يتم تصنيع هذه البروتينات عند الحاجة فقط.

    رسم تخطيطي يُظهر mRNA كخيط طويل مع مجموعات من 3 أحرف مجمعة؛ على يسار mRNA مُصنَّف بـ 3-prame، بينما يُطلق على اليمين اسم 5-prame. توجد وحدة فرعية صغيرة من الريبوسوم ذات التسمية البيضاوية تحت mRNA وتمتد على 3 من المجموعات المكونة من 3 أحرف. توجد قبة أكبر (تسمى وحدة فرعية كبيرة من الريبوسوم) فوق الرنا المغناطيسي (mRNA) في نفس المنطقة. تحتوي الوحدة الفرعية الكبيرة على 3 فجوات حيث توجد المستطيلات المسماة tRNA. يقع كل من هذه المستطيلات على مجموعة من 3 أحرف على mRNA في أحد طرفيها وتحتوي على حمض أميني على الطرف الآخر. يحتوي الحمض النووي الريبي الموجود على اليسار على حمض أميني واحد. يحتوي الحمض النووي الريبوزي في المنتصف على سلسلة بيببتيد متنامية من العديد من الأحماض الأمينية. الحمض النووي الريبي الموجود على اليمين لا يحتوي على أحماض أمينية ويترك الريبوسوم.
    الشكل\(\PageIndex{3}\): رسم توضيحي عام لكيفية استخدام mRNA و trNA في تخليق البروتين داخل الخلية.

    RRNA و rNA نوعان مستقران من الحمض النووي الريبي. في بدائيات النوى وحقيقيات النوى، يتم ترميز الحمض النووي الريبي الريبي والرنا الريبي في الحمض النووي، ثم يتم نسخه إلى جزيئات RNA الطويلة التي يتم قطعها لإطلاق أجزاء أصغر تحتوي على أنواع الحمض النووي الريبي الفردية الناضجة. في حقيقيات النوى، يحدث تخليق الحمض النووي الريبي وقطعه وتجميعه في ريبوسومات في المنطقة النووية للنواة، ولكن هذه الأنشطة تحدث في السيتوبلازم في بدائيات النواة. لا يحمل أي من هذين النوعين من الحمض النووي الريبي تعليمات لتوجيه تخليق بولي ببتيد، ولكنه يلعب أدوارًا مهمة أخرى في تخليق البروتين.

    تتكون الريبوسومات من الحمض النووي الريبي والبروتين. كما يوحي اسمه، يعتبر الحمض الريبي الريبي مكونًا رئيسيًا للريبوسومات، حيث يتكون من حوالي 60٪ من الريبوسوم بالكتلة ويوفر الموقع الذي يرتبط فيه mRNA. يضمن الرنا الريبوزي المحاذاة الصحيحة لـ mRNA و trNA و الريبوزومات؛ يحتوي الحمض الريبي الريبوسوم أيضًا على نشاط إنزيمي (peptidyl transferase) ويحفز تكوين روابط الببتيد بين اثنين من الأحماض الأمينية المتوافقة أثناء تخليق البروتين. على الرغم من أنه كان يُعتقد منذ فترة طويلة أن الرنا الريبوزي يؤدي دورًا هيكليًا في المقام الأول، فقد تم إثبات دوره التحفيزي داخل الريبوسوم في عام 2000. 2 تمكن العلماء في مختبرات توماس ستيتز (1940—) وبيتر مور (1939—) في جامعة ييل من بلورة بنية الريبوسوم من هالواركولا ماريسمورتوي، وهو أثري هالوفيليك معزول عن البحر الميت. نظرًا لأهمية هذا العمل، تقاسم Steitz جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2009 مع علماء آخرين قدموا مساهمات كبيرة في فهم بنية الريبوسوم.

    الحمض النووي الريبي المنقول هو النوع الرئيسي الثالث من الحمض النووي الريبي وواحد من أصغره، وعادة ما يكون طوله 70-90 نيوكليوتيدات فقط. وهو يحمل الحمض الأميني الصحيح إلى موقع تخليق البروتين في الريبوسوم. إن الاقتران الأساسي بين trNA و mRNA هو الذي يسمح بإدخال الحمض الأميني الصحيح في سلسلة البولي ببتيد التي يتم تصنيعها (الشكل\(\PageIndex{4}\)). يمكن أن تؤدي أي طفرات في الحمض النووي الريبي أو الرنا الريبي إلى مشاكل عالمية للخلية لأن كلاهما ضروري لتخليق البروتين بشكل صحيح (الجدول\(\PageIndex{1}\)).

    رسم تخطيطي لـ tRNA ثنائي الأبعاد وهو عبارة عن خيط طويل واحد من الحمض النووي الريبي مطوي في شكل زائد مع حلقات على الجانبين والأسفل. يتم ربط المناطق التي يتم فيها طي الحمض الريبي النووي الريبي بحيث يكون هناك جزءان من الخيط يشكلان الأجزاء الخطية من الزائد معًا بواسطة روابط هيدروجينية تسمى الاقتران داخل الجزيئات. تحتوي الحلقة الموجودة في الأسفل على مجموعة من 3 أحرف مكملة لـ 3 أحرف على mRNA. يحتوي الجزء العلوي من الإضافة على طرف مجدول واحد في الطرف ثلاثي الأبعاد؛ هذا مرتبط بحمض أميني. ب) يبدو الهيكل ثلاثي الأبعاد وكأنه خيط مفرد مطوي في هيكل مزدوج مجدول مع انحناء في المنتصف.
    الشكل\(\PageIndex{4}\): جزيء tRNA هو جزيء أحادي الجديلة يُظهر تزاوجًا كبيرًا بين القاعدة داخل الخلايا، مما يمنحه شكله المميز ثلاثي الأبعاد.
    الجدول\(\PageIndex{1}\): هيكل ووظيفة الحمض النووي الريبي
      الحمض النووي الريبي الحمض النووي الريبي الحمض النووي الريبي
    الهيكل الحمض النووي الريبي القصير وغير المستقر أحادي الجديلة الذي يستجيب لجين مشفر داخل الحمض النووي تشكل جزيئات الحمض النووي الريبي الأطول والمستقرة 60٪ من كتلة الريبوسوم الحمض النووي الريبي قصير (70-90 نيوكليوتيدات) ومستقر مع اقتران واسع النطاق داخل الجزيئات؛ يحتوي على موقع ربط الأحماض الأمينية وموقع ربط mRNA
    وظيفة يعمل كوسيط بين الحمض النووي والبروتين؛ يستخدمه الريبوسوم للتوليف المباشر للبروتين الذي يشفره يضمن المحاذاة الصحيحة لـ mRNA و trNA و ribosome أثناء تخليق البروتين؛ يحفز تكوين رابطة الببتيد بين الأحماض الأمينية يحمل الحمض الأميني الصحيح إلى موقع تخليق البروتين في الريبوسوم

    التمارين\(\PageIndex{1}\)

    ما هي وظائف الأنواع الثلاثة الرئيسية لجزيئات الحمض النووي الريبي المشاركة في تخليق البروتين؟

    RNA كمعلومات وراثية

    على الرغم من أن الحمض النووي الريبي لا يعمل كمعلومات وراثية في معظم الخلايا، إلا أن الحمض النووي الريبي يحتفظ بهذه الوظيفة للعديد من الفيروسات التي لا تحتوي على الحمض النووي. وبالتالي، من الواضح أن الحمض النووي الريبي لديه القدرة الإضافية للعمل كمعلومات وراثية. على الرغم من أن الحمض النووي الريبي عادة ما يكون وحيدًا داخل الخلايا، إلا أن هناك تنوعًا كبيرًا في الفيروسات. فيروسات الأنف، التي تسبب نزلات البرد؛ وفيروسات الأنفلونزا؛ وفيروس الإيبولا هي فيروسات RNA أحادية الجديلة. تعد فيروسات الروتا، التي تسبب التهاب المعدة والأمعاء الحاد لدى الأطفال وغيرهم من الأفراد الذين يعانون من نقص المناعة، أمثلة على فيروسات الحمض النووي الريبي المزدوج. نظرًا لأن الحمض النووي الريبي المزدوج غير شائع في الخلايا حقيقية النواة، فإن وجوده يعمل كمؤشر للعدوى الفيروسية. تمت مناقشة الآثار المترتبة على الفيروس الذي يحتوي على جينوم RNA بدلاً من جينوم الحمض النووي بمزيد من التفصيل في الفيروسات.

    المفاهيم الأساسية والملخص

    • عادةً ما يكون حمض الريبونوكليك (RNA) أحادي الجديلة ويحتوي على الريبوز كسكر البنتوس والبيريميدين يوراسيل بدلاً من الثايمين. يمكن أن يخضع خيط الحمض النووي الريبي لاقتران كبير بين القاعدة الجزيئية ليأخذ هيكلًا ثلاثي الأبعاد.
    • هناك ثلاثة أنواع رئيسية من الحمض النووي الريبي، وكلها تشارك في تخليق البروتين.
    • يعمل Messenger RNA (mRNA) كوسيط بين الحمض النووي وتوليف منتجات البروتين أثناء الترجمة.
    • RNA الريبوسومي (rRNA) هو نوع من الحمض النووي الريبي المستقر الذي يعد مكونًا رئيسيًا للريبوسومات. إنه يضمن المحاذاة الصحيحة لـ mRNA والريبوسومات أثناء تخليق البروتين ويحفز تكوين روابط الببتيد بين اثنين من الأحماض الأمينية المتوافقة أثناء تخليق البروتين.
    • RNA المنقول (tRNA) هو نوع صغير من الحمض النووي الريبي المستقر الذي يحمل حمضًا أمينيًا إلى الموقع المقابل لتخليق البروتين في الريبوسوم. إن الاقتران الأساسي بين trNA و mRNA هو الذي يسمح بإدخال الحمض الأميني الصحيح في سلسلة البولي ببتيد التي يتم تصنيعها.
    • على الرغم من أن الحمض النووي الريبي لا يستخدم للمعلومات الجينية طويلة المدى في الخلايا، إلا أن العديد من الفيروسات تستخدم الحمض النووي الريبي كمادة وراثية.

    الحواشي

    1. 1 أ. ريتش. «عصر صحوة الحمض النووي الريبي: البيولوجيا الهيكلية للحمض النووي الريبي في السنوات الأولى.» مراجعات ربع سنوية للفيزياء الحيوية 42 رقم 2 (2009): 117—137.
    2. 2 بي. نيسن وآخرون. «الأساس الهيكلي لنشاط الريبوسوم في تخليق رابطة الببتيد.» العلوم 289 رقم 5481 (2000): 920-930.