تضاعف DNA والتعبير الجيني.

تضاعف DNA والتعبير الجيني
 DNA  R e p l i c a t i o n  a n d  G e n e  E x p r e s s i o n

تضاعف DNA Replication DNA

- درسْتُ سابقًا أنَّ الخلية تمرُّ بطور التضاعف في أثناء المرحلة البينية من دورة الخلية.

- وفي هذا الطور تحدث عملية تضاعف DNA Replication DNA ، وهي عملية تُنظِّمها إنزيمات عِدَّة.

* ماذا ينتج من تضاعف جزيء DNA؟

- تنتج من تضاعف جزيء DNA نسختان مُتماثِلتان، تتكوَّن كلٌّ منهما من سلسلتين؛ إحداهما من DNA الأصل (أيْ سلسلة أصلية)، والأُخرى جديدة ومُكمِّلة لها، تحمل التعليمات الوراثية كاملة.

- يُطلَق على عملية تضاعف DNA اسم التضاعف شبه المُحافِظ Semiconservative Replication ؛ لأنَّ إحدى السلسلتين محفوظة، والأُخرى جديدة، انظر الشكل الآتي.

- اقترح العالِمان مِسلسون وستال Meselson and Stahl نموذجًا لكيفية تضاعف DNA ، استنادًا إلى اكتشاف تركيب DNA على أيدي العالِمين واتسون وكريك، والنتائج العملية التي توصَّل إليها علماء آخرون في هذا المجال.

أتحقَّق: أيُّ أطوار الخلية يحدث فيه تضاعف DNA؟

- في طور تضاعف DNA (S)

 

آليَّة تضاعف Mechanism of DNA Replication DNA

1- تبدأ عملية تضاعف جزيء DNA بانفصال سلسلتيه المُتقابِلتين؛ إذ تتحطَّم الروابط الهيدروجينية بين النيوكليوتيدات المُتقابِلة في السلسلتين بفعل إنزيم الهيليكيز Helicase الذي يحتاج إلى طاقة ATP لإتمام هذه العملية، انظر الشكل الآتي.

- ينتج من هذا الانفصال سلسلتان مفردتان، ترتبط كلٌّ منهما ببروتينات خاصة تُسمّى البروتينات المُرتبِطة بالسلاسل المفردة Single Strand Binding
Proteins (SSBP) ، وهي تمنع عودة ارتباط السلسلتين إحداهما بالأُخرى.

- علمًا بأنَّ كل سلسلة مفردة تُمثِّل قالَبًا لبناء سلسلة جديدة.

- ولمّا كانت الإنزيمات المسؤولة عن تضاعف DNA غير قادرة على بَدْء هذه العملية، فإنَّ إنزيم بادئ RNA primase) RNA) يضيف قطعة صغيرة من RNA
(تتكوَّن من (5- 10) نيوكليوتيدات، وتُسمّى سلسلة البَدْء primer) إلى كل سلسلة من سلسلتي DNA المُكمِّلتين؛ لتوفير نهاية ' 3 حُرَّة.

- ثم يبدأ إنزيم آخر يُسمّى إنزيم بلمرة DNA polymerase) DNA) بإضافة نيوكليوتيدات مُكمِّلة لنيوكليوتيدات السلسلة القالب.

- يكون بناء سلسلة DNA المُكمِّلة (الجديدة) مُتَّجِهًا دائمًا من ׳ 5 إلى ׳ 3، فتنتج سلسلة مُتَّصِلة تُسمّى السلسلة الرائدة Leading Strand ، وتكون مُكمِّلة
لإحدى سلسلتي القالَب، انظر الشكل الآتي.

- لا يستطيع إنزيم بلمرة DNA بناء سلسلة في اتجاه معاكس (أيْ من׳ 3 إلى ׳ 5)؛ لذا فإنَّ بناء السلسلة المُكمِّلة للسلسلة القالَب الأُخرى يكون مختلفًا؛ إذ يكون على هيئة قطع غير مُتَّصِلة تُسمّى قطع أوكازاكي Okazaki Fragments (نسبةً إلى العالِم الذي اكتشفها)، وتُسمّى هذه السلسلة المُكمِّلة السلسلة المُتأخِّرة Lagging Strand ، انظر الشكل أعلاه.

- تحتاج عملية بناء السلسلة المُتأخِّرة إلى أكثر من سلسلة بَدْء؛ إذ تُضاف سلسلة بَدْء جديدة في كل مَرَّة يفصل فيها إنزيم الهيليكيز جزءًا من سلسلتي
DNA الأصليتين إحداهما عن الأُخرى، ليستأنف إنزيم بلمرة DNA عملية بناء قطع أوكازاكي من ׳ 5 إلى ׳ 3.

- بعد ذلك تُزال سلاسل البَدْء، وتوضَع نيوكليوتيدات DNA مكانها، ثم تُربَط قطع أوكازاكي باستعمال إنزيم ربط DNA Ligase) DNA) الذي يربط قطعًا بأُخرى مجاورة عن طريق تكوين روابط فوسفاتية ثنائية الإستر.

- بعد انتهاء بناء السلسلة الرائدة والسلسلة المُتأخِّرة، ينتج جزيئا DNA مُتماثِلان، يتكوَّن كلٌّ منهما من سلسلة أصلية، وأُخرى جديدة مُكمِّلة لها.

 

أفكّر: ما النتائج المُتوقَّعة من حدوث طفرة في البروتينات المُرتبِطة بالسلاسل لمفردة تمنعها من الارتباط بسلسلة DNA المفردة؟

- عدم ارتباط (SSBP) في السلسلتين المفردتين لجزيء DNA وبالتالي عودة ارتباط السلسلتين إحداهما بالأخرى بعد فصلهما بوساطة إنزيم الهيليكييز .

 

أتحقَّق: ما دور إنزيم الهيليكيز في عملية تضاعف DNA؟

- يعمل على فصل سلاسل DNA المتقابلة عن طريق تحطيم الروابط الهيدروجينية بينهما.

 

أتحقَّق: لماذا تُبْنى إحدى سلسلتي DNA على شكل قطع غير مُتَّصِلة؟

- لأن إنزيم بلمرة DNA لا يستطيع البناء من 3’ إلى 5’ ، وبالتالي يحتاج إلى إضافة سلسلة بدء في كل مرة يفصل فيها إنزيم الهيليكيز جزء من سلسلة DNA ويبقى اتجاه البناء ثابتًا من 5’ إلى 3’.

 

تصحيح اختلالات DNA Damage Repair DNA

- توجد آليّات عديدة تعمل على تصحيح اختلالات DNA الناجمة عن تلف جزء من سلسلة DNA ؛ نتيجة تعرُّض الكائن الحيِّ لعوامل كيميائية ضارَّة، مثل:
سموم بعض الفطريات، والتبغ، أو تعرُّضه لعوامل فيزيائية، مثل:

* الأشعة السينية (X)

* والأشعة فوق البنفسجية (UV).

- عندئذٍ، يُقطَع الجزء التالف من سلسلة DNA عن طريق إنزيم النيوكلييز Nuclease ، ثم تُسَدُّ الفجوة الناتجة من عملية القطع بنيوكليوتيدات مُكمِّلة للسلسلة المُقابِلة غير التالفة باستعمال إنزيم بلمرة DNA ، وإنزيم ربط DNA.

- يُطلَق على آليَّة التصحيح هذه اسم تصحيح استئصال النيوكليوتيد Nucleotide Excision Repair ، انظر الشكل الآتي.

- تجدر الإشارة إلى وجود آليّات تستخدمها الخلية في تصحيح اختلالات تضاعف DNA.

 

اختلالات DNA ، وآليّات تصحيحها.
اختلالات DNA
تلف جزء من سلسلة DNA ؛ نتيجة التعرُّض لعوامل فيزيائية، أو لعوامل كيميائية.	أخطاء تضاعف DNA
تصحيح استئصال النيوكليوتيد Nucleotide Excision Repair	التنقيح Proofreading تصحيح الأخطاء في أثناء التضاعف مباشرةً باستعمال إنزيم بلمرة DNA الذي يعمل - في حال ارتباط نيوكليوتيد غير مُناسِب للنيوكليوتيد في السلسلة القالَب- على نزع النيوكليوتيد الخطأ ووضع النيوكليوتيد الصحيح، ثم تُستأنَف عملية التضاعف.	تصحيح عدم التطابق Mismatch Repair تصحيح أخطاء تضاعف DNA التي لم تُصحَّح في أثناء عملية التضاعف باستعمال إنزيم بلمرة DNA.

 

أتحقَّق: ما الإنزيمات التي تعمل على سَدِّ الفجوات الناجمة عن قطع الجزء التالف من سلسلة DNA؟

- إنزيم بلمرة DNA وإنزيم ربط DNA.

 

تصنيع البروتينات Protein Synthesis

- يُنظِّم DNA أنشطة الخلية والعمليات الحيوية التي تحدث فيها؛ ذلك أنَّه يحمل التعليمات اللازمة لتصنيع البروتينات في صورة نيوكليوتيدات وَفق تسلسل مُعيَّن، وتُسمّى هذه التعليمات الشيفرة الوراثية.

- تؤدّي البروتينات أدوارًا مُهِمَّةً في أجسام الكائنات الحيَّة، وفي الخلايا المُكوِّنة لها، إضافةً إلى دورها في تنظيم دورة الخلية.

- تمرُّ عملية تصنيع البروتينات بمرحلتين رئيستين، هما: النسخ ،Transcription والترجمة Translation ، وتوجد بينهما مرحلة يُعالَج فيها الحمض النووي ،RNA
انظر الشكل الآتـي.

 

- يُذكَر أنَّ عملية النسخ ضرورية أيضًا لإنتاج جميع أنواع الحمض النووي RNA ، والتي تختلف بطرائق معالجتها. إلا أنَّ الحمض النووي mRNA هو من تحدث له عملية الترجمة لتصنيع البروتينات.

النسخ Transcription

-يُطلَق على عملية إنتاج جزيء RNA مُكمِّل لجزء من إحدى سلسلتي DNA باستعمال إنزيمات بلمرة RNA اسم النسخ Transcription.

- تحدث هذه العملية في النواة، وتتألَّف من ثلاث خطوات، هي:

1- بَدْء عملية النسخ.

2- واستطالة RNA.

3- وانتهاء عملية النسخ.

 

1- بَدْء عملية النسخ Initiation of Transcription
- تبدأ عملية النسخ عند تعرُّف بروتينات مُعيَّنة (تُسمّى عوامل النسخ Transcription Factors) تسلسلا مُعيَّنًا من النيوكليوتيدات في DNA. - وهو تسلسل يوجد قبل نقطة بَدْء النسخ. - ومن الأمثلة عليه في الخلايا حقيقية النوى: الصندوق كات (CAAT BOX)، والصندوق تاتا (TATA BOX). - وتُعْزى تسمية كلٍّ منهما إلى النيوكليوتيدات المُكوِّنة لهما، انظر الشكل المجاور.
- يرتبط إنزيم بلمرة RNA بموقعه المُناسِب، وترتبط به عوامل نسخ أُخرى. - ما يؤدّي إلى تكوُّن مُعقَّد بَدْء النسخ. - بعد ذلك يبدأ إنزيم بلمرة RNA بفكِّ التفاف سلسلتي DNA، وتبدأ عملية نسخ mRNA الأوَّلي من نقطة بدء النسخ على السلسلة القالَب، انظر الشكل المجاور.

 

أفكّر: ماذا سيحدث لعملية النسخ في حال عدم توافر أحد عوامل النسخ؟

- ستتوقف العملية كاملة ولن يحدث نسخ.

 

2- استطالة Elongation of RNA RNA
- يبدأ إنزيم بلمرة RNA بالتحرُّك مُتَّجِهًا من ׳ 3 إلى ׳ 5 على سلسلة DNA القالَب. - ثم يضيف نيوكليوتيدات جديدة إلى النهاية ׳ 3 في جزيء RNA، انظر الشكل المجاور. - تحتوي النيوكليوتيدات المضافة إلى سلسلة RNA على قواعد نيتروجينية مُكمِّلة للقواعد النيتروجينية في سلسلة DNA. - غير أنَّ القاعدة النيتروجينية المُكمِّلة للأدنين تكون اليوراسيل في RNA وذلك عوضًا عن الثايمين.

 

أتحقَّق: أُوضِّح مراحل عملية النسخ، ثم أكتب سلسلة RNA الناتجة من نسخ سلسلة DNA الآتية.

- بدء عملية النسخ واستطالة RNA وانتهاء عملية النسخ.

 

3- انتهاء عملية النسخ Termination of Transcription

- عند انتهاء عملية النسخ المطلوبة يتوقَّف إنزيم بلمرة RNA عن العمل، ويبتعد RNA المنسوخ عن سلسلة DNA القالَب، ويُطلَق على RNA الناتج اسم mRNA الأوَّلي.

 

معالجة RNA Processing RNA

معالجة  RNA

- يخضع جزيء mRNA الأوَّلي لعملية معالجة في النواة قبل أنْ يصبح جزيء mRNA ناضجًا يُمكِن ترجمته. - تتضمَّن عملية المعالجة إزالة قطع من mRNA، تُسمّى كلٌّ منها الإنترون Intron ، وهي أجزاء غير فاعلة في تصنيع البروتين المطلوب. - ما يعني بقاء الأجزاء الفاعلة فقط في تصنيع البروتين المطلوب، التي يُعرَف كلٌّ منها باسم الإكسون Exon. - بعد ذلك تُربَط قطع الإكسون المُتبقِّية بعضها ببعض، فينتج جزيء mRNA ناضج يخرج من النواة إلى السيتوبلازم عن طريق الثقوب النووية الموجودة في الغلاف النووي؛ تمهيدًا لبَدْء عملية الترجمة، انظر الشكل المجاور.

الترجمة Translation

- يُطلَق على العملية التي تُستخدَم فيها المعلومات الوراثية التي يحملها mRNA لتصنيع سلسلة عديد الببتيد اسم الترجمة Translation،

- ويُطلَق على كل ثلاثة نيوكليوتيدات مُتتابِعة في mRNA يُمكِن أنْ تُترجَم إلى حمض أميني أو إشارة وقف (Stop) اسم الكودون Codon ، انظر الشكل الآتي:

أتحقَّق: أين تحدث عملية ترجمة mRNA؟

- عن طريق الرايبوسوم في السيتوسول.

 

RNA الناقل (tRNA): تشتمل أنواع RNA على نوع يُسمّى RNA الناقل tRNA ، وهو المُترجِم في هذه العملية، انظر الشكل المجاور الذي يُبيِّن تركيب tRNA. - لاحظ منطقة ارتباط الحمض الأميني ومنطقة الكودون المضاد.

 

الحمض النووي الرايبوسومي (rRNA):  - تحدث عملية الترجمة بمساعدة الرايبوسومات؛ وهي تراكيب تتكوَّن من البروتينات، والحمض النووي الرايبوسومي rRNA. - ويتألَّف كل رايبوسوم من وحدتين؛ إحداهما كبيرة، والأُخرى صغيرة، وهما تجتمعان عند بَدْء عملية الترجمة، انظر الشكل المجاور.

 

مواقع ارتباط جزيئات tRNA في الرايبوسوم: - يحتوي الرايبوسوم الواحد على ثلاثة مواقع مُخصَّصة لارتباط جزيئات tRNA ، انظر الشكل المجاور. 1- ويُسمّى أحدها الموقع (P) ،Peptidyl -tRNA وهو يرتبط ب tRNA الحامل لسلسلة عديد الببتيد التي تتكوَّن في أثناء عملية الترجمة. 2- في حين يُسمّى آخر الموقع (A)Aminoacyl - tRNA Site، وهو يرتبط ب tRNA الذي يحمل الحمض الأميني الذي سيضاف إلى سلسلة عديد الببتيد. 3- أمَّا الموقع الثالث فيُسمّى الموقع (E)Exit site ، وهو موقع خروج جزيء tRNA الذي يغادر الرايبوسوم فارغًا بعد أنْ يوصِل الحمض الأميني.

 

تمرُّ عملية الترجمة بثلاث مراحل رئيسة، هي:

1- مرحلة بَدْء الترجمة.

2- ومرحلة استطالة سلسلة عديد الببتيد.

3- ومرحلة انتهاء الترجمة.

 

1- مرحلة بَدْء الترجمة Initiation of Translation

- يرتبط جزيء mRNA وجزيء tRNA البادئ (الذي يُمثِّل تسلسل النيوكليوتيدات في موقع الكودون المضاد فيه UAC، ويحمل الحمض الأميني الميثيونين) بالوحدة البنائية الصغيرة. - فتتكوَّن روابط هيدروجينية بين كودون البَدْء (AUG) في mRNA والكودون (UAC) المضاد في tRNA. - يلي ذلك ارتباط الوحدة البنائية الكبيرة للرايبوسوم. - يُذكَر أنَّ هذه العملية تحتاج إلى عوامل مساعدة، وإلى الطاقة المُخزَّنة في جزيئات غوانوسين ثلاثي الفوسفات GTP ، انظر الشكل الآتي.

 

2- مرحلة استطالة سلسلة عديد الببتيد Polypeptide Elongation:

2- مرحلة استطالة سلسلة عديد الببتيد
- يستطيع الكودون المضاد في أحد جزيئات tRNA أنْ يتعرَّف الكودون المُكمِّل له في جزيء mRNA الموجود في الموقع (A). - عندئذٍ، يستقبل الموقع (A) في الرايبوسوم جزيء tRNA الذي يحوي الكودون المضاد المُكمِّل للكودون الثاني في جزيء mRNA، ويحمل الحمض الأميني الثاني. - فتتكوَّن رابطة ببتيدية بين مجموعة الكربوكسيل في الحمض الأميني الموجود في الموقع (P) ومجموعة الأمين في الحمض الأميني الذي يحمله جزيء tRNA الموجود في الموقع (A). - وبذلك يكون الموقع (A) في هذه اللحظة مشغولا ب tRNA حاملا حمضين أمينيين، في حين لا يحمل جزيء tRNA الموجود في الموقع (P) أيَّ حمض أميني، انظر الشكل المجاور(بدء مرحلة الاستطالة-أ).
- يتحرَّك الرايبوسوم إلى الداخل على سلسلة mRNA بمقدار كودون واحد من النهاية ׳ 5 إلى النهاية ׳ 3؛ ما يؤدّي إلى انتقال جزيء tRNA الموجود في الموقع (P) إلى الموقع (E) خارجًا من الرايبوسوم. - وينتقل جزيء tRNA الموجود في الموقع (A) إلى الموقع (P)، فيصبح الموقع (A)فارغًا وجاهزًا لاستقبال جزيء tRNA جديد يحمل كودونًا مضادًّا للكودون التالي في جزيء mRNA ، انظر الشكل المجاور(بدء مرحلة الاستطالة -ب)

 

- تتكرَّر الخطوات السابقة لإضافة الحموض الأمينية واحدًا تلو الآخر. وتحتاج مرحلة استطالة سلسلة عديد الببتيد عند إضافة كل حمض أميني إلى الطاقة المُخزَّنة في جزيئات GTP ؛ لكي يتمكَّن الكودون المضاد في جزيء tRNA من تعرُّف الكودون في جزي mRNA، وتحريك الرايبوسوم بعد تكوُّن الرابطة الببتيدية، انظر الشكل الآتي.

أتحقَّق: ما الكودون المضاد في جزيء tRNA البادئ؟

- UAC.

 

3- مرحلة انتهاء الترجمة Termination of Translation.

3- مرحلة انتهاء الترجمة

- عند وصول الرايبوسوم إلى أحد كودونات الوقف: (UAA)، أو (UAG)، أو (UGA)في جزيء mRNA، فإنَّ الموقع (A) في الرايبوسوم يستقبل عامل الإطلاق Release factor عوضًا عن جزيء tRNA. - فيعمل هذا العامل على تحلُّل الرابطة بين سلسلة عديد الببتيد المُتكوِّنة وجزيء tRNA الموجود في الموقع (P)؛ ما يؤدّي إلى تحرُّر سلسلة عديد الببتيد من الرايبوسوم، ثم انفصال الوحدة البنائية الكبيرة للرايبوسوم، وانفصال بقية المُكوِّنات باستهلاك جزيئين من GTP انظر الشكل الآتي.

 

أتحقَّق: ما مبدأ العمل الذي يعتمد عليه عامل الإطلاق؟

- تحلل الرابطة بين سلسلة عديد الببتيد المتكونة وجزيء tRNA الموجود في الموقع (P) في الرايبوسوم، مما يؤدي إلى تحرر سلسلة عديد الببتيد.

 

التعبير الجيني Gene Expression

- تستطيع الخلية تصنيع آلاف البروتينات المختلفة التي تؤدّي كلٌّ منها وظيفة خاصة بها.

- غير أنَّ الخلية لا تحتاج إلى هذه البروتينات كلها في الوقت نفسه؛ لذا تَعْمَد إلى تنظيم عملية تصنيع البروتينات، لا سيَّما وقت التصنيع، والكمِّية التي تَلزمها، في عملية تُسمّى التعبير الجيني Gene Expression.

- التعبير الجيني: عملية تستخدم فيها الخلية المعلومات الوراثية التي يحملها الجين لبناء جزيء RNA، أو تصنيع بروتين يؤدّي وظيفة مُحدَّدة في الخلية.

- صحيحٌ أنَّ خلايا الكائن الحيِّ عديد الخلايا تحوي كروموسومات تحمل الجينات نفسها، لكنَّ تفعيل التعبير الجيني لجينات مُعيَّنة دون غيرها يُسبِّب اختلاف البروتينات التي تصنعها خلية ما عن تلك التي تصنعها أُخرى، استنادًا إلى الوظيفة التي تؤدّيها كل خلية في الكائن الحيِّ.

- يُؤثِّر التعبير الجيني في تمايز الخلايا Cell Differentiation.

- ويُعرَّف التمايز بأنَّه عملية تتحوَّل فيها الخلايا غير المُتخصِّصة إلى خلايا مُتخصِّصة.

- فمثلا، في مراحل تكوُّن جنين الإنسان تتمايز الخلايا الناتجة من انقسام الزيجوت إلى خلايا مختلفة الأنواع، منها: خلايا الكبد، والخلايا العصبية، انظر الشكل الآتي.

- تتطلَّب عملية التمايز هذه تغيير نمط التعبير الجيني في الخلية، فيصبح للخلية نمط مُحدَّد للتعبير الجيني، لا يتغيَّر غالبًا طوال مدَّة حياة الخلية المُتخصِّصة.

- يتأثَّر التعبير الجيني في الخلايا بعوامل داخلية (من جسم الكائن الحيِّ نفسه) مثل الهرمونات.

   وعوامل خارجية (من البيئة المحيطة بالكائن الحيِّ) مثل بعض المواد الكيميائية، وعوامل فيزيائية.

 

أتحقَّق: ما العوامل المُؤثِّرة في عملية التعبير الجيني؟

- عوامل داخلية مثل الهرمونات والعوامل الخارجية مثل المواد الكيميائية والعوامل الفيزيائية.