Skip to main content
Global

11.3: نسخ الرنا

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    194673

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

    أهداف التعلم

    • اشرح كيف يتم تصنيع الحمض النووي الريبي باستخدام الحمض النووي كقالب
    • ميّز بين النسخ في بدائيات النواة وحقيقيات النواة

    أثناء عملية النسخ، يتم نسخ المعلومات المشفرة داخل تسلسل الحمض النووي لجين واحد أو أكثر إلى خيط من الحمض النووي الريبي، ويسمى أيضًا نسخة RNA. يعمل جزيء الحمض النووي الريبي أحادي الجديلة الناتج، والذي يتكون من ريبونوكليوتيدات تحتوي على قواعد الأدينين (A) والسيتوزين (C) والجوانين (G) واليوراسيل (U)، كنسخة جزيئية متنقلة من تسلسل الحمض النووي الأصلي. يتطلب النسخ في بدائيات النواة وفي حقيقيات النوى حلزون الحمض النووي المزدوج للاسترخاء جزئيًا في منطقة تخليق الحمض النووي الريبي. تسمى المنطقة غير الملفوفة بفقاعة النسخ. دائمًا ما يتم نسخ جين معين من أحد خيوطي الحمض النووي اللذين يعملان كقالب، وهو ما يسمى بالحبل المضاد للحس. يعتبر منتج الحمض النووي الريبي مكملاً لخيط قالب الحمض النووي وهو مطابق تقريبًا لخيط الحمض النووي غير النمطي أو خيط الإحساس. والفرق الوحيد هو أنه في الحمض النووي الريبي، يتم استبدال جميع نيوكليوتيدات T بنيوكليوتيدات U؛ أثناء تخليق الحمض النووي الريبي، يتم دمج U عندما يكون هناك A في خيط مضاد الإحساس التكميلي.

    النسخ في البكتيريا

    تستخدم البكتيريا نفس بوليميراز الحمض النووي الريبي لنسخ جميع جيناتها. مثل بوليميراز الحمض النووي، يضيف بوليميراز الحمض النووي الريبي النيوكليوتيدات واحدة تلو الأخرى إلى مجموعة 3'-OH من سلسلة النيوكليوتيد المتنامية. يتمثل أحد الاختلافات الحاسمة في النشاط بين بوليميراز الحمض النووي وبلمرة الحمض النووي الريبي في الحاجة إلى 3'-OH لإضافة النيوكليوتيدات إليه: يتطلب بوليميراز الحمض النووي مثل هذه المجموعة 3'-OH، مما يتطلب وجود مادة أولية، في حين أن بوليميراز الحمض النووي الريبي لا يتطلب ذلك. أثناء النسخ، تتم إضافة ريبونوكليوتيد مكمل لخيوط قالب الحمض النووي إلى خيط الحمض النووي الريبي المتنامي وتتشكل رابطة فوسفوديستر تساهمية عن طريق تخليق الجفاف بين النوكليوتيد الجديد والمضاف الأخير. في E. coli، يتكون بوليميراز الحمض النووي الريبي من ست وحدات فرعية متعددة الببتيد، خمسة منها تشكل إنزيم البوليميراز الأساسي المسؤول عن إضافة نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبي إلى خيط النمو. تُعرف الوحدة الفرعية السادسة باسم sigma (). يمكّن عامل بوليميراز الحمض النووي الريبي من الارتباط بمروج معين، مما يسمح بنسخ الجينات المختلفة. هناك العديد من العوامل التي تسمح بنسخ الجينات المختلفة.

    المبادرة

    يبدأ بدء النسخ عند المروج، وهو تسلسل الحمض النووي الذي ترتبط به آلية النسخ وتبدأ النسخ. زوج النوكليوتيد في اللولب المزدوج للحمض النووي الذي يتوافق مع الموقع الذي يتم منه نسخ أول نيوكليوتيد RNA مقاس 5 بوصات هو موقع البدء. تُسمى النيوكليوتيدات التي تسبق موقع البدء بـ «المنبع»، بينما تسمى النيوكليوتيدات التي تلي موقع البدء النيوكليوتيدات «النهائية». في معظم الحالات، يقع المروجين مباشرة في الجزء العلوي من الجينات التي ينظمونها. على الرغم من أن التسلسلات المروجة تختلف بين الجينومات البكتيرية، إلا أنه يتم حفظ بعض العناصر. في المواضع —10 و —35 داخل الحمض النووي قبل موقع البدء (المعين +1)، يوجد تسلسلان إجماعيان للمروجين، أو مناطق متشابهة عبر جميع المروجين وعبر الأنواع البكتيرية المختلفة. تسلسل الإجماع —10، المسمى صندوق TATA، هو TATAAT. يتم التعرف على المتتابعة —35 وربطها بـ.

    الاستطالة

    تبدأ الاستطالة في مرحلة النسخ عندما تنفصل الوحدة الفرعية عن البوليميراز، مما يسمح للإنزيم الأساسي بتجميع الحمض النووي الريبي المكمل لقالب الحمض النووي في اتجاه من 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\(\PageIndex{1}\)).

    رسم تخطيطي للنسخ. تحتوي قطعة مزدوجة من الحمض النووي على بوليميراز الحمض النووي الريبي البيضاوي الكبير الموجود عليها مباشرة بعد منطقة تحمل علامة المروج. تم فصل الحمض النووي في بوليميراز الحمض النووي الريبي ويحتوي خيط الحمض النووي السفلي (المسمى خيط القالب) على خيط RNA مكون حديثًا متصل به. يتم بناء خيط الحمض النووي الريبي من 5 إلى 3 بوصات. الخيط الآخر من الحمض النووي هو الخصلة غير النمطية ولا يحتوي على الحمض النووي الريبي قيد البناء.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): أثناء الاستطالة، يتتبع بوليميراز الحمض النووي الريبي البكتيري على طول قالب الحمض النووي، ويقوم بتجميع mRNA في اتجاه 5 إلى 3 بوصات، ويقوم بفك الحمض النووي وإعادته أثناء قراءته.

    الإنهاء

    بمجرد نسخ الجين، يجب أن ينفصل البوليميراز البكتيري عن قالب الحمض النووي ويحرر الحمض النووي الريبي المصنوع حديثًا. يشار إلى هذا بإنهاء النسخ. يتضمن قالب الحمض النووي تسلسلات النوكليوتيدات المتكررة التي تعمل كإشارات إنهاء، مما يتسبب في توقف بوليميراز الحمض النووي الريبي وإطلاقه من قالب الحمض النووي، مما يؤدي إلى تحرير نسخة الحمض النووي الريبي.

    التمارين\(\PageIndex{1}\)

    1. أين يربط عامل لبوليميراز الحمض النووي الريبي الحمض النووي لبدء النسخ؟
    2. ما الذي يحدث لبدء نشاط التبلمر لبوليميراز الحمض النووي الريبي؟
    3. من أين تأتي إشارة إنهاء النسخ؟

    النسخ في حقيقيات النوى

    تؤدي بدائيات النواة وحقيقيات النوى بشكل أساسي نفس عملية النسخ، مع بعض الاختلافات المهمة (انظر الجدول\(\PageIndex{1}\)). تستخدم حقيقيات النوى ثلاثة بوليميرات مختلفة، بوليميراز الحمض النووي الريبي الأول والثاني والثالث، وكلها متميزة هيكليًا عن بوليميراز الحمض النووي الريبي البكتيري. كل منها ينسخ مجموعة فرعية مختلفة من الجينات. ومن المثير للاهتمام أن الأركيا تحتوي على بوليميراز RNA واحد يرتبط ارتباطًا وثيقًا ببوليميراز الحمض النووي الريبي الثاني حقيقي النواة مقارنة بنظيره البكتيري. عادةً ما يكون الحمض النووي الريبوزي أحادي النواة أحادي النواة أيضًا، مما يعني أن كل منها يقوم بتشفير بولي ببتيد واحد فقط، في حين أن الرنا بالرنين المغناطيسي بدائية النواة للبكتيريا والعرايا عادة ما تكون متعددة الكيسترونية، مما يعني أنها تقوم بترميز العديد من الببتيدات المتعددة.

    الفرق الأكثر أهمية بين بدائيات النواة وحقيقيات النوى هو نواة الأخيرة المرتبطة بالغشاء، والتي تؤثر على سهولة استخدام جزيئات الحمض النووي الريبي لتخليق البروتين. مع ارتباط الجينات في النواة، يجب على الخلية حقيقية النواة نقل جزيئات الحمض النووي الريبي المشفرة للبروتين إلى السيتوبلازم ليتم ترجمتها. يجب أن تخضع النصوص الأولية لترميز البروتين، وهي جزيئات الحمض النووي الريبي التي يتم تصنيعها مباشرة بواسطة بوليميراز الحمض النووي الريبي، لعدة خطوات معالجة لحماية جزيئات الحمض النووي الريبي هذه من التحلل خلال الوقت الذي يتم فيه نقلها من النواة إلى السيتوبلازم وترجمتها إلى بروتين. على سبيل المثال، قد يستمر الحمض النووي الريبوزي أحادي النواة الحقيقي النواة لعدة ساعات، في حين أن الحمض النووي الريبوزي أحادي النواة النموذجي لا يدوم أكثر من 5 ثوانٍ.

    يتم طلاء النسخة الأولية (وتسمى أيضًا قبل mRNA) أولاً ببروتينات تثبيت الحمض النووي الريبي لحمايتها من التحلل أثناء معالجتها وتصديرها من النواة. يبدأ النوع الأول من المعالجة بينما لا يزال النص الأساسي قيد التصنيع؛ تتم إضافة نيوكليوتيد خاص بـ 7 ميثيل جوانوزين، يسمى الغطاء 5 بوصات، إلى الطرف الخامس من النص المتنامي. بالإضافة إلى منع التدهور، فإن العوامل المشاركة في تخليق البروتين اللاحق تتعرف على الغطاء، مما يساعد على بدء الترجمة بواسطة الريبوسومات. بمجرد اكتمال الاستطالة، يضيف إنزيم معالجة آخر سلسلة من حوالي 200 نيوكليوتيدات أدينية إلى الطرف الثالث، 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 التي تقوم بتشفير الببتيدات المتعددة من تسلسلات ترميز تسمى إكسونات (يشير ex -on إلى أنها مضغوطة مسبقًا) وتسلسلات متداخلة تسمى النترونات (تشير int -ron إلى دورها في الظهور). لا تقوم تسلسلات الحمض النووي الريبي المنسوخة المقابلة للإنترونات بتشفير مناطق البولي ببتيد الوظيفي وتتم إزالتها من قبل mRNA أثناء المعالجة. من الضروري أن تتم إزالة جميع تسلسلات الحمض النووي الريبي المشفرة داخليًا بشكل كامل ودقيق من الحمض النووي الريبي المسبق قبل تخليق البروتين بحيث يتم ربط تسلسلات الحمض النووي الريبي المشفرة خارجيًا معًا بشكل صحيح لترميز بولي ببتيد وظيفي. إذا حدث خطأ في العملية حتى بمقدار نيوكليوتيد واحد، فسيتم تغيير تسلسلات الإكسونات الملتصقة، وسيكون البولي ببتيد الناتج غير فعال. تُسمى عملية إزالة تسلسلات الحمض النووي الريبي المشفرة داخليًا وإعادة توصيل تلك المشفرة بواسطة إكسونات بربط الحمض النووي الريبي ويتم تسهيلها من خلال عمل وصلة تحتوي على بروتينات ريبونوكليو نووية صغيرة (SNRNPs). تتم إزالة تسلسلات RNA المشفرة داخليًا من قبل mRNA أثناء وجودها في النواة. على الرغم من عدم ترجمتها، يبدو أن للإنترونات وظائف مختلفة، بما في ذلك تنظيم الجينات ونقل mRNA. عند الانتهاء من هذه التعديلات، يتم نقل النص الناضج، وهو mRNA الذي يقوم بترميز متعدد الببتيد، من النواة، إلى السيتوبلازم للترجمة. يمكن فصل النترونات بشكل مختلف، مما يؤدي إلى تضمين أو استبعاد العديد من الإكسونات من منتج mRNA النهائي. تُعرف هذه العملية بالربط البديل. تتمثل ميزة الربط البديل في إمكانية إنشاء أنواع مختلفة من نصوص mRNA، وكلها مشتقة من نفس تسلسل الحمض النووي. في السنوات الأخيرة، ثبت أن بعض الأركيا لديها أيضًا القدرة على لصق ما قبل mRNA.

    الجدول\(\PageIndex{1}\): مقارنة النسخ في البكتيريا مقابل حقيقيات النواة
    الملكية بكتيريا حقيقيات النوى
    عدد الببتيدات المتعددة المشفرة لكل mRNA أحادي الكيسترونية أو متعدد الكيسترونية أحادي السترونية حصريًا
    استطالة ستراند النواة + = إنزيم هولوانزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي الأول أو الثاني أو الثالث
    إضافة غطاء بطول 5 بوصة لا نعم
    إضافة ذيل بولي إيه بطول 3 إنش لا نعم
    ربط ما قبل الحمض النووي الريبي لا نعم
    رابط إلى التعلم

    تخيل كيف يحدث ربط mRNA من خلال مشاهدة العملية قيد التنفيذ في هذا الفيديو. شاهد كيف تتم إزالة النترونات أثناء ربط الحمض النووي الريبي هنا.

    التمارين\(\PageIndex{2}\)

    1. في الخلايا حقيقية النواة، كيف يتم تعديل نسخة الحمض النووي الريبي من جين للبروتين بعد نسخه؟
    2. هل تحتوي الإكسونات أو النترونات على معلومات عن تسلسلات البروتين؟

    التركيز السريري: الجزء 2

    في قسم الطوارئ، أخبرت إحدى الممرضات مارك أنه اتخذ قرارًا جيدًا بالقدوم إلى المستشفى لأن أعراضه تشير إلى عدوى خرجت عن نطاق السيطرة. تطورت أعراض مارك، مع زيادة منطقة الجلد المصابة وزيادة كمية التورم. داخل المنطقة المصابة، بدأ الطفح الجلدي، وتشكلت تقرحات وجيوب غازية صغيرة تحت الطبقة الخارجية من الجلد، وأصبح بعض الجلد رماديًا. استنادًا إلى الرائحة الكريهة للقيح الذي يخرج من إحدى البثور، والتقدم السريع للعدوى، والمظهر المرئي للجلد المصاب، بدأ الطبيب على الفور في علاج التهاب اللفافة الناخر. أمر طبيب مارك بزراعة السائل الذي يتم تصريفه من البثرة وأمر أيضًا بفحص الدم، بما في ذلك تعداد خلايا الدم البيضاء.

    تم إدخال مارك إلى وحدة العناية المركزة وبدأ في الحقن الوريدي لمضادات حيوية واسعة الطيف لمحاولة تقليل انتشار العدوى. على الرغم من العلاج بالمضادات الحيوية، تدهورت حالة مارك بسرعة. أصيب مارك بالارتباك والدوار. في غضون ساعات قليلة من دخوله المستشفى، انخفض ضغط دمه بشكل كبير وأصبح تنفسه أكثر ضحالة وسرعة. بالإضافة إلى ذلك، زادت البثور، مع اشتداد لون البثور إلى اللون الأسود الأرجواني، ويبدو أن الجرح نفسه يتقدم بسرعة حتى ساق مارك.

    التمارين\(\PageIndex{3}\)

    1. ما هي العوامل المسببة المحتملة لالتهاب اللفافة الناخر لمارك؟
    2. ما هي بعض التفسيرات المحتملة لسبب عدم نجاح العلاج بالمضادات الحيوية؟

    المفاهيم الأساسية والملخص

    • أثناء النسخ، يتم استخدام المعلومات المشفرة في الحمض النووي لصنع RNA.
    • يقوم بوليميراز الحمض النووي الريبي بتجميع الحمض النووي الريبي باستخدام الخيط المضاد للحمض النووي كنموذج عن طريق إضافة نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبي التكميلية إلى الطرف الثالث من الخصلة النامية.
    • يرتبط بوليميراز الحمض النووي الريبي بالحمض النووي بتسلسل يسمى المروج أثناء بدء النسخ.
    • غالبًا ما يتم نسخ الجينات التي تقوم بترميز البروتينات ذات الوظائف ذات الصلة تحت سيطرة محفز واحد في بدائيات النواة، مما يؤدي إلى تكوين جزيء mRNA متعدد الكيستروني الذي يقوم بتشفير العديد من الببتيدات المتعددة.
    • على عكس بوليميراز الحمض النووي، لا يتطلب بوليميراز الحمض النووي الريبي مجموعة 3'-OH لإضافة النيوكليوتيدات، لذلك لا يلزم استخدام البرايمر أثناء البدء.
    • يحدث إنهاء النسخ في البكتيريا عندما يواجه بوليميراز الحمض النووي الريبي تسلسلات محددة من الحمض النووي تؤدي إلى توقف البوليميراز. ينتج عن ذلك إطلاق بوليميراز الحمض النووي الريبي من خيط قالب الحمض النووي، مما يؤدي إلى تحرير نسخة الحمض النووي الريبي.
    • تحتوي حقيقيات النوى على ثلاثة بوليميرات مختلفة من الحمض النووي الريبي. تحتوي حقيقيات النوى أيضًا على mRNA أحادي السترونية، كل منها يشفر بولي ببتيد واحد فقط.
    • تتم معالجة النصوص الأولية حقيقية النواة بعدة طرق، بما في ذلك إضافة غطاء بطول 5 بوصات وذيل 3′- بولي أ، بالإضافة إلى الربط، لتوليد جزيء mRNA ناضج يمكن نقله خارج النواة ومحمي من التحلل.