تخليق البروتين: المراحل وخصائصها - مادة الاحياء - 2026

يعد تخليق البروتين حدثًا بيولوجيًا يحدث في جميع الكائنات الحية تقريبًا. تأخذ الخلايا باستمرار المعلومات المخزنة في الحمض النووي ، وبفضل وجود آلات متخصصة عالية التعقيد ، تحولها إلى جزيئات بروتينية.

ومع ذلك ، فإن الشفرة المكونة من 4 أحرف المشفرة في الحمض النووي لا تتم ترجمتها مباشرة إلى بروتينات. يشارك جزيء RNA الذي يعمل كوسيط ، يسمى messenger RNA ، في هذه العملية.

تخليق البروتين.

المصدر:

عندما تحتاج الخلايا إلى بروتين معين ، يتم نسخ تسلسل النوكليوتيدات لجزء مناسب من الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي - في عملية تسمى النسخ - وهذا بدوره يترجم إلى البروتين المعني.

تدفق المعلومات الموصوف (DNA إلى messenger RNA ورسالة RNA إلى البروتينات) يحدث من كائنات بسيطة جدًا مثل البكتيريا إلى البشر. وقد أُطلق على سلسلة الخطوات هذه اسم "العقيدة" المركزية في علم الأحياء.

الآلية المسؤولة عن تخليق البروتين هي الريبوسومات. تم العثور على هذه الهياكل الخلوية الصغيرة إلى حد كبير في السيتوبلازم ومثبتة في الشبكة الإندوبلازمية.

ما هي البروتينات؟

البروتينات هي جزيئات ضخمة تتكون من الأحماض الأمينية. تشكل هذه ما يقرب من 80 ٪ من البروتوبلازم لخلية مجففة بأكملها. جميع البروتينات التي يتكون منها الكائن الحي تسمى "بروتينية".

وظائفه متعددة ومتنوعة ، من الأدوار الهيكلية (الكولاجين) لنقل (الهيموجلوبين) ، محفزات للتفاعلات الكيميائية الحيوية (الإنزيمات) ، الدفاع ضد مسببات الأمراض (الأجسام المضادة) ، من بين أمور أخرى.

هناك 20 نوعًا من الأحماض الأمينية الطبيعية التي يتم دمجها بواسطة روابط الببتيد لتكوين البروتينات. يتميز كل حمض أميني بوجود مجموعة معينة تمنحه خصائص كيميائية وفيزيائية معينة.

المراحل والخصائص

تحدث الطريقة التي تدير بها الخلية في تفسير رسالة الحمض النووي من خلال حدثين أساسيين: النسخ والترجمة. العديد من نسخ الحمض النووي الريبي ، التي تم نسخها من نفس الجين ، قادرة على تخليق عدد كبير من جزيئات البروتين المتطابقة.

يتم نسخ كل جين وترجمته بشكل مختلف ، مما يسمح للخلية بإنتاج كميات متفاوتة من مجموعة متنوعة من البروتينات. تتضمن هذه العملية مسارات تنظيمية خلوية مختلفة ، والتي تشمل بشكل عام التحكم في إنتاج الحمض النووي الريبي.

الخطوة الأولى التي يجب على الخلية القيام بها لبدء إنتاج البروتين هي قراءة الرسالة المكتوبة على جزيء الحمض النووي. هذا الجزيء عالمي ويحتوي على جميع المعلومات اللازمة لبناء وتطوير الكائنات العضوية.

بعد ذلك سنصف كيفية حدوث تخليق البروتين ، ونبدأ عملية "قراءة" المادة الجينية وتنتهي بإنتاج البروتينات في حد ذاتها.

النسخ: من DNA إلى messenger RNA

تتم كتابة الرسالة الموجودة على الحلزون المزدوج للحمض النووي في رمز مكون من أربعة أحرف يتوافق مع قواعد الأدينين (A) ، والجوانين (G) ، والسيتوزين (C) ، والثايمين (T).

يعمل هذا التسلسل من رسائل DNA كقالب لبناء جزيء RNA مكافئ.

كل من DNA و RNA عبارة عن بوليمرات خطية تتكون من نيوكليوتيدات. ومع ذلك ، فإنها تختلف كيميائيًا في ناحيتين أساسيتين: النيوكليوتيدات في الحمض النووي الريبي هي ريبونوكليوتيدات وبدلاً من قاعدة الثايمين ، يحتوي الحمض النووي الريبي على اليوراسيل (U) ، الذي يتزاوج مع الأدينين.

تبدأ عملية النسخ بفتح اللولب المزدوج في منطقة معينة. تعمل إحدى السلسلتين "كقالب" أو قالب لتوليف الحمض النووي الريبي. ستتم إضافة النيوكليوتيدات باتباع قواعد الاقتران الأساسية ، C مع G و A مع U.

الإنزيم الرئيسي المتورط في النسخ هو بوليميريز RNA. وهي مسؤولة عن تحفيز تكوين روابط الفوسفوديستر التي تنضم إلى نيوكليوتيدات السلسلة. تمتد السلسلة في الاتجاه من 5 إلى 3.

يتضمن نمو الجزيء بروتينات مختلفة تعرف باسم "عوامل الاستطالة" المسؤولة عن الحفاظ على ارتباط البوليميراز حتى نهاية العملية.

الربط من رسول RNA

المصدر: بواسطة BCSteve ، من ويكيميديا ​​كومنز في حقيقيات النوى ، الجينات لها بنية محددة. تتم مقاطعة التسلسل بواسطة عناصر ليست جزءًا من البروتين ، تسمى الإنترونات. يتعارض المصطلح مع exon ، والذي يتضمن أجزاء الجين التي سيتم ترجمتها إلى بروتينات.

الربط هو حدث أساسي يتكون من القضاء على إنترونات جزيء المرسال ، لإلقاء جزيء مبني حصريًا بواسطة exons. المنتج النهائي هو رسول ناضج RNA. فيزيائيًا ، يحدث ذلك في ال spliceosome ، وهي آلية معقدة وديناميكية.

بالإضافة إلى الربط ، يخضع الرنا الرسول لترميزات إضافية قبل ترجمته. تمت إضافة "غطاء محرك السيارة" الذي تكون طبيعته الكيميائية عبارة عن نيوكليوتيد جوانين معدل ، وفي الطرف الخامس وذيل العديد من الأدينينات في الطرف الآخر.

أنواع الحمض النووي الريبي

يتم إنتاج أنواع مختلفة من الحمض النووي الريبي في الخلية. تنتج بعض الجينات في الخلية جزيء RNA مرسال وهذا يترجم إلى بروتين - كما سنرى لاحقًا. ومع ذلك ، هناك جينات منتجها النهائي هو جزيء RNA نفسه.

على سبيل المثال ، في جينوم الخميرة ، تحتوي حوالي 10٪ من جينات الخميرة على جزيئات الحمض النووي الريبي كمنتج نهائي لها. من المهم ذكرها ، لأن هذه الجزيئات تلعب دورًا أساسيًا عندما يتعلق الأمر بتخليق البروتين.

- RNA الريبوسوم: RNA الريبوسوم هو جزء من قلب الريبوسومات ، الهياكل الرئيسية لتخليق البروتينات.

المصدر: جين ريتشاردسون (Dcrjsr) ، من ويكيميديا ​​كومنز ، تحدث معالجة الحمض النووي الريبي الريبوزومي وتجميعها اللاحق في الريبوسومات في بنية واضحة جدًا للنواة - على الرغم من أنها غير محدودة بغشاء - تسمى النواة.

- نقل الحمض النووي الريبي (Transfer RNA): يعمل كمحول يختار حمضًا أمينيًا معينًا ويدمج مع الريبوسوم بقايا الأحماض الأمينية في البروتين. يرتبط كل حمض أميني بجزيء نقل الحمض النووي الريبي.

في حقيقيات النوى ، هناك ثلاثة أنواع من البوليميرات التي ، على الرغم من تشابهها الشديد مع بعضها البعض من الناحية الهيكلية ، فإنها تلعب أدوارًا مختلفة.

يقوم بوليميراز الحمض النووي الريبي الأول والثالث بنسخ الجينات التي ترمز لنقل الحمض النووي الريبي ، والحمض النووي الريبي ، وبعض الرنا الصغير. يستهدف RNA polymerase II ترجمة الجينات التي ترمز للبروتينات.

- RNAs الصغيرة المتعلقة بالتنظيم: تشارك RNAs الأخرى قصيرة الطول في تنظيم التعبير الجيني. وتشمل هذه microRNAs و RNAs صغيرة متداخلة.

تنظم MicroRNAs التعبير عن طريق حظر رسالة معينة ، بينما تقوم تلك الصغيرة المتداخلة بإغلاق التعبير من خلال التدهور المباشر للرسول. وبالمثل ، هناك رنا نووي صغير يشارك في عملية تضفير الرنا المرسال.

الترجمة: من رسول RNA إلى البروتينات

بمجرد أن ينضج الرنا المرسال خلال عملية التضفير والانتقال من النواة إلى سيتوبلازم الخلية ، يبدأ تخليق البروتين. يتم التوسط في هذا التصدير بواسطة مجمع المسام النووي - سلسلة من القنوات المائية الموجودة في غشاء النواة التي تربط السيتوبلازم بالنواة مباشرة.

في الحياة اليومية ، نستخدم مصطلح "ترجمة" للإشارة إلى تحويل الكلمات من لغة إلى أخرى.

على سبيل المثال ، يمكننا ترجمة كتاب من الإنجليزية إلى الإسبانية. على المستوى الجزيئي ، تتضمن الترجمة التغيير من اللغة إلى RNA إلى البروتين. لنكون أكثر دقة ، هو التغيير من النيوكليوتيدات إلى الأحماض الأمينية. لكن كيف يحدث هذا التغيير في اللهجة؟

الكود الجيني

يمكن تحويل تسلسل النوكليوتيدات للجين إلى بروتينات باتباع القواعد التي تحددها الشفرة الجينية. تم فك هذا في أوائل الستينيات.

كما يمكن للقارئ أن يستنتج ، لا يمكن أن تكون الترجمة واحدة أو واحدة ، حيث لا يوجد سوى 4 نيوكليوتيدات و 20 حمضًا أمينيًا. المنطق كما يلي: يُعرف اتحاد ثلاثة نيوكليوتيدات باسم "ثلاثة توائم" وهي مرتبطة بحمض أميني معين.

نظرًا لأنه يمكن أن يكون هناك 64 ثلاثيًا محتملًا (4 × 4 × 4 = 64) ، فإن الشفرة الجينية زائدة عن الحاجة. أي أن الحمض الأميني نفسه مشفر بأكثر من ثلاثة توائم.

إن وجود الشفرة الوراثية عالمي وتستخدمه جميع الكائنات الحية التي تعيش على الأرض اليوم. هذا الاستخدام الواسع هو أحد أكثر التناظرات الجزيئية إثارة في الطبيعة.

اقتران الأحماض الأمينية لنقل الحمض النووي الريبي

لا تملك الكودونات أو الثلاثية الموجودة في جزيء الرنا المرسال القدرة على التعرف المباشر على الأحماض الأمينية. في المقابل ، تعتمد ترجمة الرنا المرسال على جزيء يمكنه التعرف على الكودون والحمض الأميني وربطهما. هذا الجزيء هو نقل الحمض النووي الريبي.

يمكن أن ينثني نقل الحمض النووي الريبي إلى بنية معقدة ثلاثية الأبعاد تشبه البرسيم. يوجد في هذا الجزيء منطقة تسمى "anticodon" ، تتكون من ثلاثة نيوكليوتيدات متتالية تتزاوج مع النيوكليوتيدات التكميلية المتتالية لسلسلة RNA المرسال.

كما ذكرنا في القسم السابق ، فإن الشفرة الوراثية زائدة عن الحاجة ، لذلك تحتوي بعض الأحماض الأمينية على أكثر من RNA ناقل.

إن اكتشاف ودمج الحمض الأميني الصحيح لنقل الحمض النووي الريبي هو عملية يتوسط فيها إنزيم يسمى aminoacyl-tRNA synthetase. هذا الإنزيم مسؤول عن اقتران كلا الجزيئين من خلال رابطة تساهمية.

يتم فك تشفير رسالة RNA بواسطة الريبوسومات

لتكوين بروتين ، ترتبط الأحماض الأمينية ببعضها البعض من خلال روابط الببتيد. تحدث عملية قراءة الرنا المرسال وربط أحماض أمينية معينة في الريبوسومات.

الريبوسومات

الريبوسومات عبارة عن مجمعات تحفيزية تتكون من أكثر من 50 جزيء بروتين وأنواع مختلفة من RNA الريبوسوم. في الكائنات حقيقية النواة ، تحتوي الخلية المتوسطة في المتوسط ​​على ملايين الريبوسومات في البيئة السيتوبلازمية.

من الناحية الهيكلية ، يتكون الريبوسوم من وحدة فرعية كبيرة وصغيرة. يتمثل دور الجزء الصغير في ضمان اقتران RNA الناقل بشكل صحيح مع الحمض النووي الريبي المرسال ، بينما تحفز الوحدة الفرعية الكبيرة تكوين رابطة الببتيد بين الأحماض الأمينية.

عندما لا تكون عملية التوليف نشطة ، يتم فصل الوحدتين الفرعيتين اللتين تشكلان الريبوسومات. في بداية التوليف ، ينضم الرسول RNA إلى كلتا الوحدتين الفرعيتين ، بشكل عام بالقرب من النهاية 5 '.

في هذه العملية ، يحدث استطالة سلسلة عديد الببتيد عن طريق إضافة بقايا حمض أميني جديد في الخطوات التالية: ربط RNA الناقل ، وتشكيل رابطة الببتيد ، وانتقال الوحدات الفرعية. نتيجة هذه الخطوة الأخيرة هي حركة الريبوسوم بأكمله وتبدأ دورة جديدة.

استطالة سلسلة البولي ببتيد

في الريبوسومات ، يتم تمييز ثلاثة مواقع: الموقع E و P و A (انظر الصورة الرئيسية). تبدأ عملية الاستطالة عندما يتم بالفعل ربط بعض الأحماض الأمينية تساهميًا ويكون هناك نقل جزيء RNA في موقع P.

يرتبط نقل الحمض النووي الريبي الذي يحتوي على الحمض الأميني التالي المراد دمجه بالموقع أ عن طريق الاقتران الأساسي مع الحمض النووي الريبي المرسال. ثم يتم تحرير جزء الكربوكسيل الطرفي من الببتيد من نقل الحمض النووي الريبي في موقع P ، عن طريق كسر رابطة عالية الطاقة بين RNA الناقل والحمض الأميني الذي يحمله.

يرتبط الحمض الأميني الحر بالسلسلة ، ويتم تكوين رابطة ببتيدية جديدة. يتم التوسط في التفاعل المركزي في هذه العملية بأكملها بواسطة إنزيم peptidyl transferase ، الموجود في الوحدة الفرعية الكبيرة من الريبوسومات. وهكذا ، ينتقل الريبوسوم عبر الرنا المرسال ، ويترجم اللهجة من الأحماض الأمينية إلى البروتينات.

كما هو الحال في النسخ ، تشارك عوامل الاستطالة أيضًا أثناء ترجمة البروتين. هذه العناصر تزيد من سرعة وكفاءة العملية.

استكمال الترجمة

تنتهي عملية الترجمة عندما يواجه الريبوسوم رموز التوقف: UAA أو UAG أو UGA. لا يتم التعرف على هذه بواسطة أي نقل RNA ولا تربط أي أحماض أمينية.

في هذا الوقت ، ترتبط البروتينات المعروفة باسم عوامل الإطلاق بالريبوسوم وتتسبب في تحفيز جزيء الماء وليس الحمض الأميني. يطلق هذا التفاعل نهاية الكربوكسيل الطرفية. أخيرًا ، يتم إطلاق سلسلة الببتيد في سيتوبلازم الخلية.

المراجع

1. بيرج جي إم ، تيموكزكو جي إل ، سترير إل (2002). الكيمياء الحيوية. الطبعة الخامسة. نيويورك: WH Freeman.
2. كورتيس ، هـ ، وشنيك ، أ. (2006). دعوة إلى علم الأحياء. عموم أمريكا الطبية Ed.
3. دارنيل ، جي ، لوديش ، إتش إف ، وبالتيمور ، د. (1990). بيولوجيا الخلية الجزيئية. نيويورك: كتب Scientific American.
4. هول ، جي إي (2015). كتاب جايتون وهال للكتاب الإلكتروني لعلم وظائف الأعضاء الطبي. العلوم الصحية Elsevier.
5. لوين ، ب. (1993). الجينات المجلد 1. العودة.
6. لوديش ، هـ. (2005). البيولوجيا الخلوية والجزيئية. عموم أمريكا الطبية Ed.
7. راماكريشنان ، ف. (2002). هيكل الريبوسوم وآلية الترجمة. الخلية ، 108 (4) ، 557-572.
8. Tortora، GJ، Funke، BR، & Case، CL (2007). مقدمة في علم الأحياء الدقيقة. عموم أمريكا الطبية Ed.
9. ويلسون ، دي إن ، وكيت ، جيه إتش دي (2012). هيكل ووظيفة الريبوسوم حقيقيات النواة. وجهات نظر كولد سبرينج هاربور في علم الأحياء ، 4 (5) ، a011536.