التعبير الجيني في بدائيات النوى

بدائيات النوى هي كائنات حية صغيرة وحيدة الخلية. هما أحد نوعين شائعين من الخلايا: بدائية النواة و حقيقيات النوى.

حيث خلايا بدائية النواة ليس لديك نواة أو عضيات ، يحدث التعبير الجيني في العراء السيتوبلازم ويمكن أن تحدث جميع المراحل في وقت واحد. على الرغم من أن بدائيات النوى أبسط من حقيقيات النوى ، إلا أن التحكم في التعبير الجيني لا يزال مهمًا لسلوكها الخلوي.

مجالا بدائيات النوى هما بكتيريا و العتيقة. كلاهما يفتقر إلى نواة محددة ، لكن لا يزال لديهم رمز وراثي وأحماض نووية. على الرغم من عدم وجود كروموسومات معقدة مثل تلك التي قد تراها في الخلايا حقيقية النواة ، إلا أن بدائيات النوى تحتوي على قطع دائرية من حمض الديوكسي ريبونوكلييك (الحمض النووي) الموجود في النواة.

ومع ذلك ، لا يوجد غشاء حول المادة الوراثية. بشكل عام ، تحتوي بدائيات النوى على عدد أقل من التسلسلات غير المشفرة في حمضها النووي مقارنةً بحقيقيات النوى. قد يكون هذا بسبب أن الخلايا بدائية النواة تكون أصغر حجمًا ولديها مساحة أقل لجزيء الحمض النووي.

ال نووي هي ببساطة المنطقة التي يعيش فيها الحمض النووي في الخلية بدائية النواة. لها شكل غير منتظم ويمكن أن تختلف في الحجم. بالإضافة إلى ذلك ، يتم توصيل النوكليويد بغشاء الخلية.

يمكن أن تحتوي بدائيات النوى أيضًا على دنا دائري يسمى البلازميدات. من الممكن أن يكون لديهم واحد أو أكثر من البلازميدات في الخلية. أثناء الانقسام الخلوي ، يمكن أن تمر بدائيات النوى من خلال تخليق الحمض النووي وفصل البلازميدات.

بالمقارنة مع الكروموسومات الموجودة في حقيقيات النوى ، تميل البلازميدات إلى أن تكون أصغر حجمًا وتحتوي على عدد أقل من الحمض النووي. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تتكاثر البلازميدات من تلقاء نفسها بدون الحمض النووي الخلوي الآخر. تحمل بعض البلازميدات رموز الجينات غير الأساسية ، مثل تلك التي تعطي البكتيريا مقاومتها للمضادات الحيوية.

في بعض الحالات ، تستطيع البلازميدات أيضًا الانتقال من خلية إلى أخرى ومشاركة المعلومات مثل مقاومة المضادات الحيوية.

التعبير الجيني هو العملية التي تقوم الخلية من خلالها بترجمة الشفرة الوراثية إلى أحماض أمينية لإنتاج البروتين. على عكس حقيقيات النوى ، يمكن أن تحدث المرحلتان الرئيسيتان ، وهما النسخ والترجمة ، في نفس الوقت في بدائيات النوى.

أثناء النسخ ، تقوم الخلية بترجمة الحمض النووي إلى ملف رسول RNA (مرنا) مركب. أثناء الترجمة ، تصنع الخلية الأحماض الأمينية من الرنا المرسال. تشكل الأحماض الأمينية البروتينات.

كلاهما النسخ و ترجمة يحدث في بدائيات النوى السيتوبلازم. من خلال حدوث كلتا العمليتين في نفس الوقت ، يمكن للخلية أن تصنع كمية كبيرة من البروتين من نفس قالب الحمض النووي. إذا لم تعد الخلية بحاجة إلى البروتين ، فيمكن أن يتوقف النسخ.

الهدف من النسخ هو إنشاء مكمل حمض النووي الريبي (RNA) حبلا من قالب DNA. تتكون العملية من ثلاثة أجزاء: البدء واستطالة السلسلة والإنهاء.

من أجل حدوث مرحلة البدء ، يجب على الحمض النووي أن ينفصل أولاً والمنطقة التي يحدث فيها هذا هي فقاعة النسخ.

في البكتيريا ، ستجد نفس بوليميريز RNA المسؤول عن كل النسخ. يحتوي هذا الإنزيم على أربع وحدات فرعية. على عكس حقيقيات النوى ، لا تحتوي بدائيات النوى على عوامل نسخ.

يبدأ النسخ عندما يفك الحمض النووي ويرتبط بوليميراز الحمض النووي الريبي بـ a المروجين. المحفز هو تسلسل DNA خاص موجود في بداية جين معين.

في البكتيريا ، يكون للمُحفز تسلسلين: -10 و -35 عنصرًا. العنصر -10 هو المكان الذي ينفك فيه الحمض النووي عادةً ، ويقع 10 نيوكليوتيدات من موقع البدء. العنصر -35 هو 35 نيوكليوتيد من الموقع.

يعتمد بوليميراز الحمض النووي الريبي على خيط واحد من الحمض النووي ليكون القالب لأنه يبني خيطًا جديدًا من الحمض النووي الريبي يسمى نسخة الحمض النووي الريبي. تكون خيوط الحمض النووي الريبي الناتجة أو النسخة الأولية هي نفسها تقريبًا مثل خيط الحمض النووي غير النموذجي أو المشفر. والفرق الوحيد هو أن جميع قواعد الثايمين (T) هي قواعد اليوراسيل (U) في الحمض النووي الريبي.

خلال مرحلة الاستطالة المتسلسلة للنسخ ، يتحرك بوليميراز الحمض النووي الريبي على طول حبلا قالب الحمض النووي ويصنع جزيء مرنا. يصبح خيط الرنا أطول أكثر من ذلك النيوكليوتيدات تم اضافتهم.

بشكل أساسي ، يسير بوليميراز الحمض النووي الريبي على طول حامل الحمض النووي في اتجاه 3 إلى 5 لإنجاز ذلك. من المهم ملاحظة أن البكتيريا يمكن أن تخلق مرناس متعدد الكيسات هذا رمز لبروتينات متعددة.

•••علم

أثناء مرحلة إنهاء النسخ ، تتوقف العملية. هناك نوعان من مراحل الإنهاء في بدائيات النوى: الإنهاء المعتمد على Rh ، والإنهاء المستقل عن Rho.

في الإنهاء المعتمد على Rho، عامل بروتين خاص يسمى Rho يقاطع النسخ وينهيها. يرتبط عامل بروتين Rho بخيط RNA في موقع ارتباط محدد. بعد ذلك ، يتحرك على طول الشريط للوصول إلى بوليميراز الحمض النووي الريبي في فقاعة النسخ.

بعد ذلك ، يفكك Rho خيط RNA الجديد وقالب DNA ، لذلك ينتهي النسخ. يتوقف RNA polymerase عن الحركة لأنه يصل إلى تسلسل تشفير يمثل نقطة توقف النسخ.

في إنهاء Rho المستقل، جزيء RNA يصنع حلقة ويفصل. يصل بوليميراز الحمض النووي الريبي إلى تسلسل الحمض النووي على شريط القالب الذي هو المنهي ويحتوي على العديد من نيوكليوتيدات السيتوزين (C) والجوانين (G). تبدأ خيوط الحمض النووي الريبي الجديدة في الانطواء إلى شكل دبوس الشعر. ترتبط نيوكليوتيداتها C و G. هذه العملية توقف RNA polymerase من الحركة.

الترجمة يخلق a جزيء البروتين أو عديد ببتيد على أساس قالب الحمض النووي الريبي الذي تم إنشاؤه أثناء النسخ. في البكتيريا ، يمكن أن تحدث الترجمة على الفور ، وفي بعض الأحيان تبدأ أثناء النسخ. هذا ممكن لأن بدائيات النوى لا تحتوي على أي أغشية نووية أو أي عضيات لفصل العمليات.

في حقيقيات النوى ، تختلف الأشياء لأن النسخ يحدث في النواة ، وتكون الترجمة في العصارة الخلوية، أو السائل داخل الخلايا ، من الخلية. تستخدم حقيقيات النوى أيضًا mRNA الناضج ، والذي تتم معالجته قبل الترجمة.

سبب آخر لحدوث الترجمة والنسخ في نفس الوقت في البكتيريا هو أن الحمض النووي الريبي لا يحتاج إلى المعالجة الخاصة التي نراها في حقيقيات النوى. الرنا البكتيري جاهز للترجمة على الفور.

يحتوي خيط الرنا المرسال على مجموعات من النيوكليوتيدات تسمى الكودونات. يحتوي كل كودون على ثلاثة نيوكليوتيدات ورموز لتسلسل حمض أميني معين. على الرغم من وجود 20 حمضًا أمينيًا فقط ، إلا أن الخلايا تحتوي على 61 كودونًا للأحماض الأمينية وثلاثة أكواد توقف. AUG هو كود البداية ويبدأ الترجمة. كما أنه يرمز إلى ميثيونين الأحماض الأمينية.

أثناء الترجمة ، يعمل خيط الرنا المرسال كقالب لصنع الأحماض الأمينية التي تصبح بروتينات. تقوم الخلية بفك تشفير mRNA لإنجاز ذلك.

يتطلب البدء نقل الحمض النووي الريبي (الحمض النووي الريبي)، الريبوسوم و mRNA. كل جزيء tRNA له أنتيكودون لحمض أميني. إن anticodon مكمل للكودون. في البكتيريا ، تبدأ العملية عندما تتصل وحدة ريبوزومية صغيرة بـ mRNA عند a تسلسل Shine-Dalgarno.

تسلسل Shine-Dalgarno هو منطقة ارتباط ريبوزومية خاصة في كل من البكتيريا والعتائق. عادة ما تراه حوالي ثمانية نيوكليوتيدات من كودون البداية AUG.

نظرًا لأن الجينات البكتيرية يمكن أن يكون لها نسخ يحدث في مجموعات ، فقد يرمز mRNA واحد للعديد من الجينات. يسهل تسلسل Shine-Dalgarno العثور على كودون البداية.

أثناء الاستطالة ، تصبح سلسلة الأحماض الأمينية أطول. تضيف الحمض النووي الريبي الأحماض الأمينية لصنع سلسلة البولي ببتيد. يبدأ الحمض الريبي النووي النقال (tRNA) العمل في ملف موقع P.، وهو الجزء الأوسط من الريبوسوم.

بجانب موقع P يوجد ملف موقع. يمكن أن ينتقل الحمض النووي الريبي (tRNA) الذي يطابق الكودون إلى الموقع A. بعد ذلك ، يمكن أن تتكون رابطة الببتيد بين الأحماض الأمينية. يتحرك الريبوسوم على طول الرنا المرسال ، وتشكل الأحماض الأمينية سلسلة.

يحدث الإنهاء بسبب رمز الإيقاف. عندما يدخل كودون الإيقاف الموقع A ، تتوقف عملية الترجمة لأن كودون الإيقاف لا يحتوي على الحمض الريبي النووي النقال التكميلي. تسمى البروتينات عوامل الافراج التي تتلاءم مع موقع P يمكن أن تتعرف على أكواد الإيقاف وتمنع تكوين روابط الببتيد.

يحدث هذا لأن عوامل الإطلاق يمكن أن تصنعها الانزيمات إضافة جزيء ماء ، مما يجعل السلسلة منفصلة عن الحمض الريبي النووي النقال.

عندما تتناول بعض المضادات الحيوية لعلاج عدوى ، فقد تعمل عن طريق تعطيل عملية الترجمة في البكتيريا. الهدف من المضادات الحيوية هو قتل البكتيريا ومنعها من التكاثر.

إحدى الطرق لتحقيق ذلك هي التأثير على الريبوسومات في الخلايا البكتيرية. يمكن أن تتداخل الأدوية مع ترجمة mRNA أو تمنع قدرة الخلية على تكوين روابط ببتيدية. يمكن أن ترتبط المضادات الحيوية بالريبوسومات.

على سبيل المثال ، يمكن لنوع واحد من المضادات الحيوية يسمى التتراسيكلين أن يدخل الخلية البكتيرية عن طريق عبور غشاء البلازما والتراكم داخل السيتوبلازم. بعد ذلك ، يمكن للمضاد الحيوي أن يرتبط بالريبوسوم ويمنع الترجمة.

يؤثر مضاد حيوي آخر يسمى سيبروفلوكساسين على الخلية البكتيرية عن طريق استهداف إنزيم مسؤول عن فك الحمض النووي للسماح بالتكاثر. في كلتا الحالتين ، يتم الحفاظ على الخلايا البشرية ، مما يسمح للناس باستخدام المضادات الحيوية دون قتل خلاياهم.

موضوع ذو صلة:الكائنات متعددة الخلايا

بعد انتهاء الترجمة ، تستمر بعض الخلايا في معالجة البروتينات. تعديلات ما بعد الترجمة (PTMs) من البروتينات تسمح للبكتيريا بالتكيف مع بيئتها والتحكم في السلوك الخلوي.

بشكل عام ، تكون PTM أقل شيوعًا في بدائيات النوى من حقيقيات النوى ، ولكن بعض الكائنات الحية تمتلكها. يمكن للبكتيريا تعديل البروتينات وعكس العمليات أيضًا. هذا يمنحهم المزيد من التنوع ويسمح لهم باستخدام تعديل البروتين للتنظيم.

فسفرة البروتين هو تعديل شائع في البكتيريا. تتضمن هذه العملية إضافة مجموعة فوسفات إلى البروتين ، والتي تحتوي على ذرات الفوسفور والأكسجين. الفسفرة ضرورية لوظيفة البروتين.

ومع ذلك ، يمكن أن تكون الفسفرة مؤقتة لأنها قابلة للعكس. يمكن لبعض البكتيريا استخدام الفسفرة كجزء من العملية لإصابة الكائنات الحية الأخرى.

تسمى الفسفرة التي تحدث في السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية سيرين وثريونين وتيروسين فسفرة Ser / Thr / Tyr.

بالإضافة إلى البروتينات المفسفرة ، يمكن أن تحتوي البكتيريا أسيتيل و جليكوزيلاتد البروتينات. قد يكون لديهم أيضًا مثيلة وكربوكسيل وتعديلات أخرى. تلعب هذه التعديلات دورًا مهمًا في إشارات الخلايا والتنظيم والعمليات الأخرى في البكتيريا.

على سبيل المثال ، تساعد فسفرة Ser / Thr / Tyr البكتيريا على الاستجابة للتغيرات في بيئتها وزيادة فرص البقاء على قيد الحياة.

تظهر الأبحاث أن التغيرات الأيضية في الخلية مرتبطة بفسفرة Ser / Thr / Tyr ، مما يشير إلى أن البكتيريا يمكن أن تستجيب لبيئتها عن طريق تغيير عملياتها الخلوية. علاوة على ذلك ، تساعد التعديلات اللاحقة للترجمة على الاستجابة بسرعة وكفاءة. توفر القدرة على عكس أي تغييرات أيضًا تحكمًا كبيرًا.

تستخدم العتائق آليات التعبير الجيني التي تشبه إلى حد كبير حقيقيات النوى. على الرغم من أن البدائيات بدائيات النوى ، إلا أنها تشترك في بعض الأشياء مع حقيقيات النوى ، مثل التعبير الجيني وتنظيم الجينات. عمليات النسخ والترجمة في العتائق لها أيضًا بعض أوجه التشابه مع البكتيريا.

على سبيل المثال ، تحتوي كل من العتائق والبكتيريا على الميثيونين كأول حمض أميني و AUG ككودون البدء. من ناحية أخرى ، فإن كلا من البدئيات وحقيقيات النوى لهما صندوق تاتا، وهو تسلسل الحمض النووي في منطقة المروج الذي يوضح مكان فك تشفير الحمض النووي.

تشبه الترجمة في العتائق العملية التي تظهر في البكتيريا. يحتوي كلا النوعين من الكائنات الحية على ريبوسومات تتكون من وحدتين: الوحدات الفرعية 30S و 50S. بالإضافة إلى ذلك ، كلاهما يحتويان على تسلسلات mRNAs و Shine-Dalgarno.

هناك العديد من أوجه التشابه والاختلاف بين البكتيريا والعتائق وحقيقيات النوى. ومع ذلك ، كلهم ​​يعتمدون على التعبير الجيني وتنظيم الجينات من أجل البقاء.