نسخ الحمض النووي: عملية في حقيقيات النوى وبدائيات النوى - مادة الاحياء - 2026

إن نسخ الحمض النووي هو العملية التي يتم من خلالها نسخ المعلومات الموجودة في الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين كجزيء مماثل ، RNA ، إما كخطوة لتخليق البروتين أو لتشكيل جزيئات RNA المشاركة في عمليات خلوية متعددة ذات أهمية كبيرة (تنظيم التعبير الجيني ، الإشارات ، إلخ).

على الرغم من أنه ليس صحيحًا أن جميع جينات الكائن الحي ترمز للبروتينات ، فمن الصحيح أن جميع بروتينات الخلية ، سواء كانت حقيقية النواة أو بدائية النواة ، يتم ترميزها بواسطة جين واحد أو أكثر ، حيث يتم تمثيل كل حمض أميني بواسطة مجموعة من ثلاث قواعد DNA (كودون).

معالجة الجينات حقيقية النواة (المصدر: Leonid 2 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) عبر ويكيميديا ​​كومنز)

يحدث تخليق سلسلة البولي ببتيد التي تنتمي إلى أي بروتين خلوي بفضل عمليتين أساسيتين: النسخ والترجمة ؛ كلاهما منظم للغاية ، حيث أنهما عمليتان ذات أهمية كبيرة لعمل أي كائن حي.

ما هو نسخ الحمض النووي؟

يتضمن النسخ تكوين "قالب" لجزيء RNA يُعرف باسم "messenger RNA" (mRNA) من التسلسل "الرئيسي" المشفر في منطقة الحمض النووي المقابلة للجين المراد نسخه.

يتم تنفيذ هذه العملية بواسطة إنزيم يسمى RNA polymerase ، والذي يتعرف على أماكن خاصة في تسلسل الحمض النووي ، ويرتبط بها ، ويفتح حبلا DNA ويصنع جزيء RNA باستخدام أحد خيوط DNA التكميلية هذه كقالب أو نمط ، حتى عندما يواجه تسلسل توقف خاص آخر.

الترجمة ، من ناحية أخرى ، هي العملية التي يحدث من خلالها تخليق البروتين. وهو يتألف من "قراءة" المعلومات الواردة في الرنا المرسال التي تم نسخها من الجين ، و "ترجمة" أكواد الدنا إلى أحماض أمينية وتشكيل سلسلة متعددة الببتيد.

يتم تنفيذ ترجمة تسلسل النوكليوتيدات في الرنا المرسال بواسطة إنزيمات تُعرف باسم تركيبات aminoacyl-tRNA ، وذلك بفضل مشاركة جزيئات RNA الأخرى المعروفة باسم "نقل الحمض النووي الريبي" (tRNA) ، وهي مضادات كودونات من الكودونات الموجودة في MRNA ، وهي نسخة مخلصة من تسلسل الحمض النووي للجين.

النسخ في حقيقيات النوى (عملية)

أثناء النسخ في حقيقيات النوى ، يتم استخدام الحمض النووي كقالب لإنشاء خيط من RNA الرسول بمساعدة إنزيم RNA polymerase.

في الخلايا حقيقية النواة ، تحدث عملية النسخ داخل النواة ، وهي العضية الرئيسية داخل الخلايا حيث يوجد الحمض النووي في شكل كروموسومات. يبدأ بـ "نسخة" من منطقة ترميز الجين التي يتم نسخها إلى جزيء نطاق أحادي يعرف باسم messenger RNA (mRNA).

نظرًا لأن الحمض النووي محصور في العضية المذكورة ، فإن جزيئات الرنا المرسال تعمل كوسطاء أو ناقلات في نقل الرسالة الجينية من النواة إلى العصارة الخلوية ، حيث تحدث ترجمة الحمض النووي الريبي (RNA) وآلية التخليق الحيوي بالكامل لتخليق البروتين (ال الريبوسومات).

- ما هي الجينات حقيقية النواة مثل؟

يتكون الجين من تسلسل الحمض النووي الذي تحدد خصائصه وظيفته ، لأن ترتيب النيوكليوتيدات في التسلسل المذكور هو ما يحدد نسخها والترجمة اللاحقة (في حالة تلك التي ترمز للبروتينات).

عندما يتم نسخ الجين ، أي عندما يتم نسخ معلوماته في شكل RNA ، يمكن أن تكون النتيجة RNA غير مشفر (cRNA) ، والتي لها وظائف مباشرة في تنظيم التعبير الجيني ، في إشارات الخلية ، إلخ. أو يمكن أن يكون مرسال RNA (mRNA) ، والذي سيتم ترجمته بعد ذلك إلى تسلسل الأحماض الأمينية في الببتيد.

تمثيل بنية جين حقيقي النواة (المصدر: Thomas Shafee / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) عبر Wikimedia Commons)

يعتمد ما إذا كان الجين يحتوي على منتج وظيفي على شكل RNA أو بروتين على عناصر أو مناطق معينة موجودة في تسلسلها.

تمتلك الجينات ، حقيقية النواة أو بدائية النواة ، شريطين من الحمض النووي ، أحدهما يعرف باسم "الحس" والآخر "المضاد للحساسية". الإنزيمات المسؤولة عن نسخ هذه التسلسلات "تقرأ" واحدًا فقط من الخيطين ، وعادةً ما يكون الخيط "المعنى" أو "الترميز" ، والذي له "اتجاه" 5'-3 '.

كل جين له تسلسلات تنظيمية في نهاياته:

- إذا كانت التسلسلات قبل منطقة التشفير (المنطقة التي سيتم نسخها) فإنها تُعرف باسم "المروجين"

- إذا تم فصلهم بعدد كبير من قواعد الكيلوبس ، فيمكنهم "إسكات" أو "تعزيز"

- تلك التسلسلات الأقرب إلى منطقة 3 من الجينات عادة ما تكون متواليات نهائية ، والتي تخبر البوليميراز أنه يجب أن يتوقف وينهي النسخ (أو النسخ المتماثل ، حسب الحالة)

تنقسم منطقة المروج إلى منطقة بعيدة وقريبة ، وفقًا لقربها من منطقة الترميز. إنه في الطرف الخامس من الجين وهو الموقع الذي يتعرف عليه إنزيم بوليميريز RNA والبروتينات الأخرى لبدء النسخ من DNA إلى RNA.

في الجزء القريب من منطقة المروج ، يمكن لعوامل النسخ الارتباط ، والتي لديها القدرة على تعديل ألفة الإنزيم بالتسلسل المراد نسخه ، وبالتالي فهي مسؤولة عن تنظيم نسخ الجينات بشكل إيجابي أو سلبي.

تعتبر مناطق المحسن والإسكات أيضًا مسؤولة عن تنظيم نسخ الجينات عن طريق تعديل "نشاط" مناطق المحفز من خلال ارتباطها بعناصر المنشط أو المثبط "المنبع" لتسلسل الترميز للجين.

يقال أن الجينات حقيقية النواة يتم "إيقاف تشغيلها" أو "قمعها" دائمًا بشكل افتراضي ، لذا فهي بحاجة إلى تنشيطها بواسطة عناصر المحفز من أجل التعبير عنها (نسخها).

- من المسؤول عن النسخ؟

أيا كان الكائن الحي ، يتم إجراء النسخ بواسطة مجموعة من الإنزيمات تسمى RNA polymerases ، والتي تشبه الإنزيمات المسؤولة عن تكرار الحمض النووي عندما تكون الخلية على وشك الانقسام ، وتتخصص في تخليق سلسلة RNA من أحد خيوط الحمض النووي للجين الذي يتم نسخه.

بوليميراز RNA عبارة عن مجمعات إنزيمية كبيرة تتكون من العديد من الوحدات الفرعية. هناك أنواع مختلفة:

- RNA polymerase I (Pol I): يقوم بنسخ الجينات التي تكوّد الوحدة الفرعية الريبوسومية "الكبيرة".

- RNA polymerase II (Pol II): يقوم بنسخ الجينات المشفرة للبروتينات وإنتاج جزيئات RNAs.

- RNA polymerase III (Pol III): الذي ينتج نقل RNAs المستخدم أثناء الترجمة وأيضًا RNA المقابل للوحدة الفرعية الصغيرة للريبوسوم.

- RNA polymerase IV و V (Pol IV و Pol V): هذه نموذجية للنباتات وهي مسؤولة عن نسخ الحمض النووي الريبي الصغير المتداخل.

- ما هي العملية؟

نسخ الجينات حقيقية النواة (المصدر: Erinp.5000 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) عبر ويكيميديا ​​كومنز)

النسخ الجيني هو عملية يمكن دراستها على أنها مقسمة إلى ثلاث مراحل: البدء والاستطالة والإنهاء.

المبادرة

أثناء بدء منطقة المروج ، تعمل منطقة المروج للجين كموقع للتعرف على بوليميريز الحمض النووي الريبي. هذا هو المكان الذي يتم فيه التحكم في معظم التعبير الجيني

يرتبط RNA polymerase (دعنا نقول RNA polymerase II) بتسلسل منطقة المحفز ، والذي يتكون من 6-10 زوج قاعدي ممتد في نهاية 5 'من الجين ، وعادة ما يكون على بعد حوالي 35 زوجًا أساسيًا من موقع بدء النسخ.

يؤدي اتحاد بوليميراز الحمض النووي الريبي إلى "فتح" الحلزون المزدوج للحمض النووي ، الذي يفصل بين الخيوط التكميلية. يبدأ تخليق الحمض النووي الريبي في الموقع المعروف باسم "موقع البدء" ويحدث في الاتجاه 5'-3 ، أي "المصب" أو من اليسار إلى اليمين (حسب الاتفاقية).

يعتمد بدء النسخ بوساطة بوليميرات الحمض النووي الريبي على الوجود المصاحب لعوامل نسخ البروتين المعروفة باسم عوامل النسخ العامة ، والتي تساهم في "موقع" الإنزيم في منطقة المروج.

بعد أن يبدأ الإنزيم في البلمرة ، فإنه "يتساقط" من كل من تسلسل المحفز وعوامل النسخ العامة.

استطالة

أثناء الاستطالة ، ينزلق بوليميراز الحمض النووي الريبي إلى أسفل السلسلة التي تعمل كقالب

يحدث عندما "يتحرك" بوليميراز الحمض النووي الريبي على طول تسلسل الحمض النووي ويضيف ريبونوكليوتيدات مكملة لخيط الدنا الذي يعمل بمثابة "قالب" للحمض النووي الريبي المتنامي. عندما "يمر" بوليميراز الحمض النووي الريبي عبر خيط الدنا ، فإنه ينضم مجددًا إلى خيطه المضاد للتعبير.

تتكون البلمرة التي يقوم بها RNA polymerase من هجمات محبة للنووية للأكسجين في الموضع 3 'من سلسلة RNA المتنامية إلى فوسفات "ألفا" من سلائف النوكليوتيد التالية المراد إضافتها ، مع ما يترتب على ذلك من تكوين روابط phosphodiester وإطلاق a جزيء بيروفوسفات (PPi).

تُعرف المجموعة المكونة من خيط DNA و RNA polymerase و RNA الناشئة باسم فقاعة النسخ أو المركب.

نهاية

عندما يصل RNA polymerase إلى المنطقة النهائية من الجين ، يكون رسول النسخ RNA قد اكتمل. ثم ينفصل RNA polymerase و DNA strand ورسول النسخ RNA

يحدث الإنهاء عندما يصل البوليميراز إلى تسلسل الإنهاء ، والذي يقع منطقيًا "في اتجاه التيار" من موقع بدء النسخ. عندما يحدث هذا ، يصبح كل من الإنزيم والحمض النووي الريبي المركب "منفصلين" عن تسلسل الحمض النووي الذي يتم نسخه.

تتكون منطقة الإنهاء عادة من تسلسل DNA قادر على "الطي" على نفسه ، وتشكيل بنية نمطية "حلقة دبوس الشعر".

بعد الإنهاء ، يُعرف حبلا الحمض النووي الريبي المركب بالنسخة الأولية ، والتي يتم تحريرها من مجمع النسخ ، وبعد ذلك قد تتم معالجتها أو لا تتم معالجتها بعد النسخ (قبل ترجمتها إلى بروتين ، إن أمكن) من خلال عملية تسمى "القطع والربط".

النسخ في بدائيات النوى (عملية)

نظرًا لأن الخلايا بدائية النواة لا تحتوي على نواة محاطة بغشاء ، يحدث النسخ في العصارة الخلوية ، وتحديدًا في المنطقة "النووية" ، حيث يتركز الحمض النووي الكروموسومي (البكتيريا لها كروموسوم دائري).

وبهذه الطريقة ، تكون الزيادة في تركيز العصارة الخلوية لبروتين معين أسرع بشكل كبير في بدائيات النوى منها في حقيقيات النوى ، لأن عمليات النسخ والترجمة تحدث في نفس الحيز.

- ما هي الجينات بدائية النواة مثل؟

الكائنات بدائية النواة لها جينات شبيهة جدًا بحقيقيات النوى: تستفيد الأولى أيضًا من المحفز والمناطق التنظيمية لنسخها ، على الرغم من أن هناك فرقًا مهمًا يتعلق بحقيقة أن منطقة المحفز غالبًا ما تكون كافية لتحقيق تعبير "قوي" عن الجينات.

بهذا المعنى ، من المهم أن نذكر ، بشكل عام ، أن الجينات بدائية النواة تكون دائمًا "قيد التشغيل" افتراضيًا.

ترتبط منطقة المروج بمنطقة أخرى ، عادة "المنبع" ، والتي تنظمها جزيئات الكابح وتعرف باسم "منطقة المشغل".

تمثيل بنية جين بدائية النواة (المصدر: Thomas Shafee / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0) عبر Wikimedia Commons)

يتمثل الاختلاف في النسخ بين بدائيات النوى وحقيقيات النوى في أن الحمض النووي الريبي المرسال لحقيقيات النوى يكون عادةً أحاديًا ، أي أن كل واحد يحتوي على المعلومات اللازمة لتخليق بروتين واحد ، بينما في بدائيات النوى يمكن أن تكون أحادية أو متعددة السلاسل ، حيث يكون واحدًا فقط يمكن أن تحتوي MRNA على المعلومات الخاصة ببروتينين أو أكثر.

وهكذا ، فمن المعروف أن الجينات بدائية النواة التي تشفر البروتينات ذات الوظائف الأيضية المتشابهة ، على سبيل المثال ، توجد في مجموعات تعرف باسم الأوبراونات ، والتي يتم نسخها في وقت واحد إلى شكل جزيء واحد من الرنا المرسال.

جينات بدائية النواة معبأة بكثافة ، بدون العديد من المناطق غير المشفرة فيما بينها ، لذلك بمجرد نسخها إلى جزيئات RNA الرسول الخطي ، يمكن ترجمتها إلى بروتين على الفور (تحتاج mRNAs حقيقية النواة غالبًا إلى مزيد من المعالجة).

- كيف هو بوليميريز الحمض النووي الريبي بدائية النواة؟

الكائنات بدائية النواة مثل البكتيريا ، على سبيل المثال ، تستخدم نفس إنزيم بوليميريز RNA لنسخ جميع جيناتها ، أي تلك التي ترمز للوحدات الفرعية الريبوسومية وتلك التي ترمز لبروتينات خلوية مختلفة.

في بكتيريا E. coli ، يتكون RNA polymerase من 5 وحدات فرعية متعددة الببتيد ، اثنتان منها متطابقتان. تشكل الوحدات الفرعية α و α و β و الجزء المركزي من الإنزيم وتتجمع وتفكك أثناء كل حدث نسخ.

الوحدات الفرعية α هي تلك التي تسمح بالاتحاد بين الحمض النووي والإنزيم ؛ ترتبط الوحدة الفرعية بثلاثي الفوسفات ريبونوكليوتيدات التي سيتم بلمرتها وفقًا لقالب الحمض النووي في جزيء الرنا المرسال الناشئ وترتبط الوحدة الفرعية to بشريط الحمض النووي المذكور.

الوحيدات الخامسة، والمعروفة باسم سيجما تشارك في بدء النسخ وهو الذي يضفي خصوصية على البلمرة.

- ما هي العملية؟

يشبه النسخ في بدائيات النوى إلى حد كبير نسخ حقيقيات النوى (ينقسم أيضًا إلى بدء واستطالة وإنهاء) ، مع بعض الاختلافات في هوية مناطق المحفز وعوامل النسخ الضرورية لبوليميراز الحمض النووي الريبي ممارسة وظائفهم.

على الرغم من أن مناطق المحفز يمكن أن تختلف بين الأنواع بدائية النواة المختلفة ، إلا أن هناك تسلسلين "توافقين" محفوظين يمكن تحديدهما بسهولة في منطقة -10 (TATAAT) وفي المنطقة -35 (TTGACA) المنبع لتسلسل الترميز.

المبادرة

يعتمد على الوحدة الفرعية σ لبوليميراز الحمض النووي الريبي ، حيث يتوسط التفاعل بين الحمض النووي والإنزيم ، مما يجعله قادرًا على التعرف على تسلسل المحفز. تنتهي البداية عندما يتم إنتاج بعض النسخ المجهضة لحوالي 10 نيوكليوتيدات يتم إطلاقها.

استطالة

عندما تنفصل الوحدة الفرعية from عن الإنزيم ، تبدأ مرحلة الاستطالة ، والتي تتكون من تخليق جزيء mRNA في اتجاه 5'-3 '(حوالي 40 نيوكليوتيد في الثانية).

نهاية

يعتمد الإنهاء في بدائيات النوى على نوعين مختلفين من الإشارات ، يمكن أن تكون معتمدة على Rho ومستقلة عن Rh.

يتم التحكم في البروتين المعتمد على Rh عن طريق هذا البروتين الذي "يتبع" البوليميراز أثناء تقدمه في تخليق RNA حتى يحقق الأخير تسلسلًا غنيًا بالجوانين (G) ، ويبطئ ويتلامس مع بروتين Rho. الانفصال عن DNA و mRNA.

يتم التحكم في الإنهاء المستقل عن عامل Rh من خلال تسلسلات محددة من الجين ، وعادة ما تكون غنية بتكرارات الجوانين والسيتوزين (GC).

المراجع

1. ألبرتس ، ب ، جونسون ، أ ، لويس ، جيه ، راف ، إم ، روبرتس ، ك ، والتر ، ب. (2007). البيولوجيا الجزيئية للخلية. علوم جارلاند. نيويورك ، 1392.
2. Griffiths، AJ، Wessler، SR، Lewontin، RC، Gelbart، WM، Suzuki، DT، & Miller، JH (2005). مقدمة في التحليل الجيني. ماكميلان.
3. لوديش ، هـ. ، بيرك ، أ. ، كايزر ، كاليفورنيا ، كريجر ، إم ، سكوت ، إم بي ، بريتشر ، أ. ،… وماتسودايرا ، ب. (2008). بيولوجيا الخلية الجزيئية. ماكميلان.
4. نيلسون ، DL ، Lehninger ، AL ، & Cox ، MM (2008). مبادئ Lehninger للكيمياء الحيوية. ماكميلان.
5. Rosenberg، LE، & Rosenberg، DD (2012). الجينات البشرية والجينوم: العلوم. الصحة ، المجتمع ، 317-338.
6. شافي ، ت. ، ولوي ، ر. (2017). بنية الجينات حقيقية النواة وبدائية النواة. مجلة ويكي الطبية ، 4 (1) ، 2.
7. الرسوم المتحركة McGraw-Hill ، youtube.com. نسخ وترجمة الحمض النووي.