نسخ الحمض النووي: كيف يعمل؟

بغض النظر عما إذا كنت قادمًا جديدًا في علم الأحياء أو من عشاق علم الأحياء منذ فترة طويلة ، فإن الفرص ممتازة في ذلك افتراضيًا ، تنظر إلى الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA) على أنه ربما المفهوم الوحيد الذي لا غنى عنه في جميع مراحل الحياة علم. كحد أدنى ، من المحتمل أنك تدرك أن الحمض النووي هو ما يجعلك فريدًا من بين مليارات الأشخاص في العالم الكوكب ، مما يمنحه دورًا في عالم العدالة الجنائية بالإضافة إلى مركز الصدارة في علم الأحياء الجزيئي محاضرات. من المؤكد أنك علمت أن الحمض النووي مسؤول عن منحك أي سمات ورثتها من والديك ، وأن حمضك النووي هو إرثك المباشر للأجيال القادمة الأطفال.

ما قد لا تعرفه كثيرًا هو المسار الذي يربط الحمض النووي في خلاياك بالسمات الجسدية التي تظهرها ، سواء كانت علنية أو مخفية ، وسلسلة الخطوات على طول هذا المسار. أنتج علماء الأحياء الجزيئية مفهوم "العقيدة المركزية" في مجالهم ، والذي يمكن تلخيصه ببساطة على أنه "DNA إلى RNA إلى بروتين". يُعرف الجزء الأول من هذه العملية - توليد الحمض النووي الريبي أو الحمض النووي الريبي من الحمض النووي - باسم النسخ، وهذه السلسلة المدروسة جيدًا والمنسقة من الجمباز الكيميائي الحيوي أنيقة بقدر ما هي عميقة علميًا.

DNA و RNA أحماض نووية. كلاهما أساسي في الحياة كلها ؛ ترتبط هذه الجزيئات ارتباطًا وثيقًا للغاية ، ولكن وظائفها ، على الرغم من تشابكها بشكل رائع ، شديدة الاختلاف والتخصص.

الحمض النووي عبارة عن بوليمر ، مما يعني أنه يتكون من عدد كبير من الوحدات الفرعية المتكررة. هذه الوحدات الفرعية ليست متطابقة تمامًا ، لكنها متطابقة في الشكل. ضع في اعتبارك سلسلة طويلة من الخرزات تتكون من مكعبات تأتي بأربعة ألوان وتتنوع بشكل طفيف في الحجم ، وستحصل على إحساس أساسي بكيفية ترتيب الحمض النووي والحمض النووي الريبي.

تُعرف المونومرات (الوحدات الفرعية) للأحماض النووية باسم النيوكليوتيدات. تتكون النيوكليوتيدات نفسها من ثلاثيات من ثلاثة جزيئات متميزة: مجموعة (أو مجموعات) الفوسفات ، أ سكر خماسي الكربون وقاعدة غنية بالنيتروجين ("القاعدة" ليست بمعنى "الأساس" ، ولكنها تعني "أيون الهيدروجين قابل "). تحتوي النيوكليوتيدات التي تتكون منها الأحماض النووية على مجموعة فوسفات واحدة ، لكن بعضها يحتوي على اثنين أو حتى ثلاثة فوسفات متصلة على التوالي. جزيئات الأدينوزين ثنائي الفوسفات (ADP) والأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) هي نيوكليوتيدات ذات أهمية غير عادية في استقلاب الطاقة الخلوية.

يختلف DNA و RNA بعدة طرق مهمة. واحد ، بينما يشتمل كل من هذه الجزيئات على أربع قواعد نيتروجينية مختلفة ، فإن الحمض النووي يشمل الأدينين (A) والسيتوزين (C) و guanine (G) و thymine (T) ، بينما يتضمن RNA الثلاثة الأولى من هؤلاء ، ولكنه يحل محل uracil (U) لـ ت. ثانيًا ، السكر الموجود في الحمض النووي هو الديوكسيريبوز ، بينما السكر الموجود في الحمض النووي الريبي هو الريبوز. وثالثًا ، الحمض النووي مزدوج الشريطة في أكثر صوره استقرارًا من حيث الطاقة ، في حين أن الحمض النووي الريبي هو أحادي الشريطة. هذه الاختلافات لها أهمية كبيرة في كل من النسخ على وجه التحديد ووظيفة هذه الأحماض النووية بشكل عام.

تسمى القواعد A و G بورينات ، بينما يتم تصنيف C و T و U على أنها بيريميدين. بشكل حاسم ، يرتبط A كيميائيًا بـ T (إذا كان DNA) أو U (إذا كان RNA) ؛ يرتبط C بـ G. إن خيطي جزيء الحمض النووي مكملان ، مما يعني أن القواعد الموجودة في كل خيط تتطابق في كل نقطة مع القاعدة "الشريكة" الفريدة في الخيط المقابل. وبالتالي فإن AACTGCGTATG مكمل لـ TTGACGCATAC (أو UUGACGCAUAC).

قبل الخوض في آليات نسخ الحمض النووي ، يجدر بنا أن نتوقف لحظة لمراجعة المصطلحات مرتبط بـ DNA و RNA ، لأنه مع وجود العديد من الكلمات المتشابهة في المزيج ، يمكن أن يكون من السهل الخلط معهم.

تكرار هو فعل عمل نسخة متطابقة من شيء ما. عندما تقوم بعمل نسخة من مستند مكتوب (المدرسة القديمة) أو تستخدم وظيفة النسخ واللصق على جهاز كمبيوتر (مدرسة جديدة) ، فأنت تقوم بنسخ المحتوى في كلتا الحالتين.

يخضع الحمض النووي للتكاثر ، لكن الحمض النووي الريبي ، بقدر ما يستطيع العلم الحديث التأكد منه ، لا يفعل ذلك ؛ ينشأ فقط من النسخ _._ من الجذر اللاتيني الذي يعني "كتابة عبر" ، النسخ هو ترميز رسالة معينة في نسخة من المصدر الأصلي. ربما تكون قد سمعت عن خبراء النسخ الطبيين ، الذين تتمثل مهمتهم في كتابة الملاحظات الطبية المكتوبة كتسجيل صوتي. من الناحية المثالية ، ستكون الكلمات ، وبالتالي الرسالة ، هي نفسها تمامًا على الرغم من التغيير في الوسيط. في الخلايا ، يتضمن النسخ نسخ رسالة DNA جينية ، مكتوبة بلغة متواليات القاعدة النيتروجينية ، في شكل RNA - وخاصةً messenger RNA (mRNA). يحدث تخليق الحمض النووي الريبي هذا في نواة الخلايا حقيقية النواة ، وبعد ذلك يترك الرنا المرسال النواة والرؤوس ليخضع لهيكل يسمى الريبوسوم ترجمة.

في حين أن النسخ هو التشفير المادي البسيط لرسالة ما في وسيط مختلف ، فإن الترجمة ، من الناحية البيولوجية ، هي تحويل تلك الرسالة إلى عمل هادف. طول الحمض النووي أو رسالة الحمض النووي المفردة ، تسمى أ الجين، يؤدي في النهاية إلى تصنيع الخلايا لمنتج بروتيني فريد. ينقل الحمض النووي هذه الرسالة في شكل mRNA ، والتي تنقل الرسالة بعد ذلك إلى الريبوسوم لترجمتها إلى بروتين. في هذا العرض ، يشبه mRNA مخططًا أو مجموعة من التعليمات لتجميع قطعة أثاث.

نأمل أن يزيل ذلك أي ألغاز لديك حول ما تفعله الأحماض النووية. لكن ماذا عن النسخ على وجه الخصوص؟

الحمض النووي ، وهو مشهور إلى حد ما ، منسوج في حلزون مزدوج الشريطة. لكن في هذا الشكل ، سيكون من الصعب فعليًا بناء أي شيء منه. لذلك ، في المبادرة مرحلة (أو خطوة) النسخ ، يتم فك جزيء الحمض النووي بواسطة إنزيمات تسمى الهليكازات. يتم استخدام واحد فقط من اثنين من خيوط الحمض النووي الناتجة لتخليق الحمض النووي الريبي في المرة الواحدة. يشار إلى هذا الخيط باسم غير مشفر حبلا ، لأنه بفضل قواعد الاقتران بين قواعد الحمض النووي والحمض النووي الريبي ، فإن خيط الدنا الآخر له نفس تسلسل القواعد النيتروجينية مثل الرنا المرسال المراد تصنيعه ، مما يجعل هذا الشريط هو الترميز ساحل. استنادًا إلى النقاط التي تم ذكرها سابقًا ، يمكنك استنتاج أن خيطًا من الحمض النووي و mRNA المسؤول عن تصنيعهما مكملان.

مع استعداد الخصلة الآن للعمل ، يشير جزء من الحمض النووي يسمى تسلسل المحفز إلى مكان بدء النسخ على طول الشريط. يصل إنزيم بوليميراز RNA إلى هذا الموقع ويصبح جزءًا من معقد المروج. كل هذا للتأكد من أن تخليق الرنا المرسال يبدأ بالضبط حيث من المفترض أن يكون على جزيء الحمض النووي ، وهذا يولد خيطًا من الحمض النووي الريبي يحمل الرسالة المشفرة المطلوبة.

بعد ذلك ، في استطالة المرحلة ، RNA polymerase "يقرأ" حبلا DNA ، بدءًا من تسلسل المحفز ويتحرك على طول حبلا DNA ، مثل يصعد المعلم صفًا من الطلاب ويوزع الاختبارات ، مضيفًا النيوكليوتيدات إلى النهاية المتزايدة للحمض النووي الريبي المتشكل حديثًا مركب.

تسمى الروابط التي تم إنشاؤها بين مجموعات الفوسفات لنيوكليوتيد واحد ومجموعة الريبوز أو مجموعة الديوكسيريبوز على النيوكليوتيدات التالية روابط phosphodiester. لاحظ أن جزيء الحمض النووي له ما يسمى نهاية 3 '("ثلاثة أعداد أساسية") في أحد طرفيه ونهاية 5' ("خمسة أعداد أساسية") في الطرف الآخر ، مع هذه الأرقام تأتي من مواضع ذرة الكربون الطرفية في "حلقات" الريبوز الطرفية. بينما ينمو جزيء الحمض النووي الريبي نفسه في الاتجاه 3 ، فإنه يتحرك على طول شريط الحمض النووي في 5 اتجاه. يجب أن تفحص مخططًا لتؤكد لنفسك أنك تفهم تمامًا آليات تخليق الرنا المرسال.

إضافة النيوكليوتيدات - على وجه التحديد ، نوكليوزيد ثلاثي الفوسفات (ATP و CTP و GTP و UTP ؛ ATP هو أدينوسين ثلاثي الفوسفات ، CTP هو سيتيدين ثلاثي الفوسفات وما إلى ذلك) - يتطلب حبلا مرنا الممدود طاقة. يتم توفير هذا ، مثل العديد من العمليات البيولوجية ، من خلال روابط الفوسفات في ثلاثي الفوسفات النيوكليوزيد نفسه. عندما يتم كسر رابطة الفوسفات والفوسفات عالية الطاقة ، فإن النوكليوتيدات الناتجة (AMP و CMP و GMP و UMP ؛ في هذه النيوكليوتيدات ، يُضاف "MP" إلى "أحادي الفوسفات") إلى mRNA ، وزوج من جزيئات الفوسفات غير العضوية ، عادةً ما يُكتب PP_أنا، تقع بعيدا.

عندما يحدث النسخ ، فإنه يفعل ذلك ، كما هو مذكور ، على طول خيط واحد من الحمض النووي. كن على علم ، مع ذلك ، أن جزيء الحمض النووي بأكمله لا ينفصل وينفصل إلى خيوط تكميلية ؛ هذا يحدث فقط في الجوار المباشر للنسخ. نتيجة لذلك ، يمكنك تصور "فقاعة نسخ" تتحرك على طول جزيء الحمض النووي. هذا مثل كائن يتحرك على طول سحاب يتم فك ضغطه أمام الكائن مباشرةً بواسطة آلية واحدة بينما تقوم آلية مختلفة بإعادة ضغط السوستة في أعقاب الكائن.

أخيرًا ، عندما يصل mRNA إلى الطول والشكل المطلوبين ، فإن نهاية تبدأ المرحلة. مثل البدء ، يتم تمكين هذه المرحلة من خلال تسلسلات DNA محددة تعمل كعلامات توقف لـ RNA polymerase.

في البكتيريا ، يمكن أن يحدث هذا بطريقتين عامتين. في واحدة من هذه ، يتم نسخ تسلسل الإنهاء ، مما ينتج عنه طول mRNA الذي يطوي مرة أخرى على نفسه وبالتالي "يتجمع" بينما يستمر بوليميراز RNA في أداء وظيفته. غالبًا ما يشار إلى هذه المقاطع المطوية من الرنا المرسال على أنها خيوط دبوس الشعر ، وهي تتضمن اقترانًا تكميليًا للقاعدة داخل جزيء الرنا المرسال أحادي الخيط ولكن الملتوي. المصب من قسم دبوس الشعر هذا هو امتداد مطول لقواعد U ، أو المخلفات. تجبر هذه الأحداث بوليميراز الحمض النووي الريبي على التوقف عن إضافة النيوكليوتيدات والانفصال عن الحمض النووي ، وإنهاء النسخ. يشار إلى هذا باسم الإنهاء المستقل عن rho لأنه لا يعتمد على بروتين يعرف باسم عامل rho.

في الإنهاء المعتمد على rho ، يكون الموقف أبسط ، ولا يلزم وجود مقاطع mRNA أو مخلفات U. بدلاً من ذلك ، يرتبط عامل rho بالنقطة المطلوبة على mRNA ويسحب mRNA فعليًا بعيدًا عن بوليميريز RNA. يعتمد حدوث الإنهاء المستقل عن rho أو المعتمد على rho على الإصدار الدقيق من بوليميريز RNA الذي يعمل على DNA و mRNA (توجد مجموعة متنوعة من الأنواع الفرعية) وكذلك البروتينات وعوامل أخرى في الخلية الخلوية المباشرة بيئة.

تؤدي كلتا سلسلتي الأحداث في النهاية إلى تحرر الرنا المرسال من الحمض النووي في فقاعة النسخ.

توجد اختلافات عديدة بين النسخ في بدائيات النوى (وجميعها تقريبًا بكتيريا) وحقيقيات النوى (كائنات متعددة الخلايا مثل الحيوانات والنباتات والفطريات). على سبيل المثال ، عادةً ما يتضمن البدء في بدائيات النوى ترتيب قاعدة الحمض النووي المعروف باسم صندوق Pribnow ، مع يقع التسلسل الأساسي TATAAT على بعد 10 أزواج أساسية تقريبًا بعيدًا عن مكان بدء النسخ نفسه. ومع ذلك ، فإن حقيقيات النوى لها تسلسلات مُحسِنة موضوعة على مسافة كبيرة من موقع البدء ، مثل وكذلك البروتينات المنشطة التي تساعد على تشويه جزيء الحمض النووي بطريقة تجعله أكثر سهولة في الوصول إلى الحمض النووي الريبي بوليميراز.

بالإضافة إلى ذلك ، يحدث الاستطالة أسرع مرتين في البكتيريا (حوالي 42 إلى 54 زوجًا قاعديًا في الدقيقة ، بحدود واحدة في الثانية) كما هو الحال في حقيقيات النوى (حوالي 22 إلى 25 زوجًا قاعديًا في الدقيقة). أخيرًا ، بينما تم وصف آليات الإنهاء البكتيرية أعلاه ، في حقيقيات النوى ، تتضمن هذه المرحلة عوامل إنهاء محددة ، بالإضافة إلى خيط من الحمض النووي الريبي يسمى بولي- A (كما هو الحال في العديد من قواعد الأدينين على التوالي) "الذيل". لم يتضح بعد ما إذا كان توقف الاستطالة يؤدي إلى انقسام الرنا المرسال من الفقاعة أو ما إذا كان الانقسام نفسه ينهي الاستطالة فجأة عملية.