معلومة

المحاضرة 20: النسخ (تابع) - علم الأحياء

المحاضرة 20: النسخ (تابع) - علم الأحياء



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

النسخ: من DNA إلى RNA

أ نظرة عامة موجزة عن النسخ

النسخ هو عملية إنشاء نسخة من الحمض النووي الريبي (RNA) لجزء من الحمض النووي. نظرًا لأن هذا ملف معالجة، نريد تطبيق نموذج تقييم قصة الطاقة لتطوير فهم وظيفي للنسخ. كيف يبدو نظام الجزيئات قبل بدء النسخ؟ كيف تبدو في النهاية؟ ما هي تحولات المادة ونقل الطاقة التي تحدث أثناء النسخ وماذا ، إن وجد ، يحفز العملية؟ نريد أيضًا التفكير في العملية من وجهة نظر تحدي التصميم. إذا كانت المهمة البيولوجية هي إنشاء نسخة من الحمض النووي في اللغة الكيميائية للحمض النووي الريبي ، فما هي التحديات التي يمكن أن نفترضها أو نتوقعها بشكل معقول ، بالنظر إلى معرفتنا بعمليات بوليمر النوكليوتيدات الأخرى ، التي يجب التغلب عليها؟ هل هناك دليل على أن الطبيعة حلت هذه المشاكل بطرق مختلفة؟ ما هي معايير نجاح النسخ؟ انت وجدت الفكرة.

سرد بعض المتطلبات الأساسية للنسخ

دعونا أولاً نفكر في المهام المطروحة من خلال استخدام بعض معرفتنا التأسيسية وتخيل ما قد يلزم حدوثه أثناء النسخ إذا كان الهدف هو عمل نسخة RNA من قطعة من خيط واحد من جزيء DNA مزدوج الشريطة. سنرى أن استخدام بعض المنطق الأساسي يسمح لنا باستنتاج العديد من الأسئلة والأشياء المهمة التي نحتاج إلى معرفتها من أجل وصف العملية بشكل صحيح.

لنتخيل أننا نريد تصميم آلة نانوية / روبوت نانوي لإجراء النسخ. يمكننا استخدام بعض التفكير في تحدي التصميم لتحديد المشكلات والمشكلات الفرعية التي يجب حلها بواسطة الروبوت الصغير الخاص بنا.

• أين يجب أن تبدأ الآلة؟ على طول الملايين إلى المليارات من أزواج القواعد ، أين يجب توجيه الآلة؟
• أين يجب أن تتوقف الآلة؟
• إذا كان لدينا مواقع بدء وإيقاف ، فسنحتاج إلى طرق لتشفير تلك المعلومات حتى يتمكن جهاز (أجهزتنا) من قراءة هذه المعلومات - كيف سيتم تحقيق ذلك؟
• كم عدد نسخ الحمض النووي الريبي (DNA) التي سنحتاجها؟
• ما هي السرعة اللازمة لعمل نسخ RNA؟
• ما مدى دقة النسخ المطلوبة؟
• ما مقدار الطاقة التي ستستغرقها العملية ومن أين ستأتي الطاقة؟

هذه ، بالطبع ، ليست سوى بعض الأسئلة الأساسية. يمكن للمرء أن يحفر أعمق إذا رغب في ذلك. ومع ذلك ، فهذه بالفعل جيدة بما يكفي لبدء الشعور الجيد بهذه العملية. لاحظ أيضًا أن العديد من هذه الأسئلة تشبه بشكل ملحوظ تلك التي استنتجناها قد تكون ضرورية لفهم تكرار الحمض النووي.

اللبنات الأساسية للنسخ

اللبنات الأساسية لـ RNA

تذكر من مناقشتنا حول بنية النيوكليوتيدات أن اللبنات الأساسية للحمض النووي الريبي تشبه إلى حد بعيد تلك الموجودة في الحمض النووي. في الحمض النووي الريبي ، تتكون اللبنات الأساسية من نوكليوتيد ثلاثي الفوسفات الذي يتكون من سكر الريبوز ، وقاعدة نيتروجينية ، وثلاث مجموعات فوسفاتية. الاختلافات الرئيسية بين اللبنات الأساسية للحمض النووي وتلك الخاصة بالحمض النووي الريبي هي أن جزيئات الحمض النووي الريبي تتكون من نيوكليوتيدات مع سكريات ريبوز (على عكس سكريات ديوكسيريبوز) وتستخدم يوريدين ، وهو اليوراسيل الذي يحتوي على نوكليوتيد (على عكس ثيميدين في الحمض النووي). لاحظ أدناه أن اليوراسيل والثيمين متشابهان جدًا من الناحية الهيكلية - يفتقر اليوراسيل فقط إلى الميثيل (CH3) مجموعة وظيفية مقارنة مع الثايمين.

شكل 1. المكونات الكيميائية الأساسية للنيوكليوتيدات.
الإسناد: Marc T. Facciotti (العمل الأصلي)

بدء النسخ

المروجين

يجب أن تكون البروتينات المسؤولة عن إنشاء نسخة RNA لقطعة معينة من DNA (النسخ) قادرة أولاً على التعرف على بداية العنصر المراد نسخه. أ المروجين هو تسلسل الحمض النووي الذي ترتبط فيه البروتينات المختلفة ، والمعروفة مجتمعة باسم آلية النسخ ، وتبدأ النسخ. في معظم الحالات ، يوجد المروجون المنبع (5 'إلى منطقة الترميز) للجينات التي ينظمونها. يعد التسلسل المحدد للمحفز مهمًا للغاية لأنه يحدد ما إذا كان جزء الترميز المقابل من الجين يتم نسخه طوال الوقت ، أو في بعض الأحيان ، أو بشكل غير متكرر. على الرغم من اختلاف المروجين بين الأنواع ، إلا أنه يتم حفظ بعض العناصر ذات التسلسل المتشابه في بعض الأحيان. في -10 و -35 منطقة المنبع من موقع البدء ، هناك نوعان من المروجين إجماع التسلسلات ، أو المناطق المتشابهة عبر العديد من المروجين وعبر الأنواع المختلفة. سيكون لدى بعض المروجين تسلسل مشابه جدًا لتسلسل الإجماع (التسلسل الذي يحتوي على عناصر التسلسل الأكثر شيوعًا) ، وسيبدو البعض الآخر مختلفًا تمامًا. تؤثر هذه الاختلافات في التسلسل على القوة التي يمكن أن ترتبط بها آلية النسخ بالمحفز لبدء النسخ. يساعد هذا في التحكم في عدد النصوص التي يتم إجراؤها وعدد مرات إجرائها.

الشكل 2. (أ) رسم تخطيطي عام للجين. يتضمن الجين تسلسل المحفز ومنطقة غير مترجمة (UTR) وتسلسل الترميز. (ب) قائمة بالعديد من متواليات محفز الإشريكية القولونية القوية. المربع -35 والمربع -10 عبارة عن تسلسلات محفوظة بشكل كبير في جميع أنحاء قائمة المروج القوية. سيكون لدى المروجين الأضعف اختلافات أكثر في الأزواج الأساسية عند مقارنتها بهذه التسلسلات.
المصدر: http: //www.discoveryandinnovation.co...lecture12.html

ملاحظة: مناقشة ممكنة

ما أنواع التفاعلات التي تتغير بين آلية النسخ والحمض النووي عندما يتغير تسلسل النوكليوتيدات للمحفز؟ لماذا تخلق بعض التسلسلات معززًا "قويًا" ولماذا يخلق البعض الآخر مروجًا "ضعيفًا"؟

المحفزات البكتيرية مقابل حقيقية النواة

في الخلايا البكتيرية ، يكون تسلسل الإجماع -10 ، المسمى المنطقة -10 ، غنيًا بـ AT ، وغالبًا ما يكون TATAAT. يتم التعرف على التسلسل -35 ، TTGACA ، وربطه بالبروتين σ. بمجرد إجراء هذا التفاعل بين البروتين والحمض النووي ، ترتبط الوحدات الفرعية لبوليميراز الحمض النووي الريبي بالموقع. نظرًا للاستقرار المنخفض نسبيًا لرابطات AT ، تسهل منطقة AT-rich -10 فك قالب الحمض النووي ، ويتم تصنيع العديد من روابط الفوسفوديستر.

محفزات حقيقيات النوى أكبر بكثير وأكثر تعقيدًا من المحفزات بدائية النواة ، لكن كلاهما يحتوي على منطقة غنية بـ AT - في حقيقيات النوى ، يطلق عليه عادةً صندوق TATA. على سبيل المثال ، في جين الفأر thymidine kinase ، يقع صندوق TATA عند -30 تقريبًا. بالنسبة لهذا الجين ، فإن تسلسل مربع TATA الدقيق هو TATAAAA ، كما هو مقروء في اتجاه 5 'إلى 3' على الشريط غير المصقول. هذا التسلسل لا يتطابق مع بكتريا قولونية -10 ، لكن كلاهما يشتركان في جودة كونه عنصرًا غنيًا بـ AT.

بدلاً من بوليميراز بكتيري واحد ، تشفر جينومات معظم حقيقيات النوى ثلاثة أنواع مختلفة من بوليميراز الحمض النووي الريبي ، يتكون كل منها من عشر وحدات بروتينية فرعية أو أكثر. يتطلب كل بوليميراز حقيقي النواة أيضًا مجموعة مميزة من البروتينات المعروفة باسم عوامل النسخ لتجنيده لمروج. بالإضافة إلى ذلك ، فإن جيشًا من عوامل النسخ الأخرى ، والبروتينات المعروفة باسم المعززات ، وكواتم الصوت تساعد على تنظيم تخليق الحمض النووي الريبي من كل محفز. تؤثر المعززات وكواتم الصوت على كفاءة النسخ ولكنها ليست ضرورية لبدء النسخ أو مسيرته. تعتبر عوامل النسخ القاعدية حاسمة في تكوين أ مجمع preinitiation على قالب الحمض النووي الذي يجند فيما بعد بوليميراز الحمض النووي الريبي لبدء النسخ.

يبدأ بدء النسخ بربط بوليميريز الحمض النووي الريبي بـ المروجين. يتطلب النسخ حل الحلزون المزدوج للحمض النووي للفك جزئيًا بحيث يمكن استخدام خيط واحد كقالب لتخليق الحمض النووي الريبي. تسمى منطقة الفك أ فقاعة النسخ.

الشكل 3. أثناء الاستطالة ، يتتبع بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA) على طول قالب الحمض النووي ، ويصنع mRNA في اتجاه 5 'إلى 3' ، ثم يزيل اللف ، ثم يعيد لف الحمض النووي أثناء قراءته.

استطالة

دائمًا ما يتم النسخ من ملف ستراند قالب، أحد خيطي الحمض النووي المزدوج الشريطة. يُعد منتج الحمض النووي الريبي مكملاً لخيط القالب وهو مطابق تقريبًا للخيط غير القوالب ، والذي يُطلق عليه حبلا الترميز، باستثناء أن الحمض النووي الريبي يحتوي على اليوراسيل (U) بدلاً من الثايمين (T) الموجود في الحمض النووي. أثناء الاستطالة ، يسمى الإنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي يستمر على طول قالب الحمض النووي ، مضيفًا النيوكليوتيدات عن طريق الاقتران الأساسي مع قالب الحمض النووي بطريقة مشابهة لتكرار الحمض النووي ، مع كون الاختلاف هو خيط الحمض النووي الريبي المركب لا يظل مرتبطًا بقالب الحمض النووي. مع استمرار الاستطالة ، يتم فك الحمض النووي باستمرار قبل الإنزيم الأساسي ويعود خلفه. لاحظ أن اتجاه التوليف مطابق لاتجاه التخليق في الحمض النووي - 5 'إلى 3'.

الشكل 4. أثناء الاستطالة ، يتتبع بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA) على طول قالب الحمض النووي ، ويصنع mRNA في اتجاه 5 'إلى 3' ، ويفكك ثم يعيد لف الحمض النووي أثناء قراءته.

الشكل 5. تشبه إضافة النيوكليوتيدات أثناء عملية النسخ إلى حد كبير إضافة النيوكليوتيدات في تكرار الحمض النووي. يتم بلمرة الحمض النووي الريبي من 5 'إلى 3' ، ومع كل إضافة نيوكليوتيد ، يتم تحلل رابطة فسفوانهيدريد بواسطة الإنزيم ، مما ينتج عنه بوليمر أطول وإطلاق اثنين من الفوسفات غير العضوي.
المصدر: http://utminers.utep.edu/rwebb/html/...longation.html

ملاحظة: مناقشة ممكنة

قارن وقارن بين قصة الطاقة لإضافة نيوكليوتيد في تكرار الحمض النووي إلى إضافة نيوكليوتيد في النسخ.

الاستطالة البكتيرية مقابل حقيقية النواة

في البكتيريا ، يبدأ الاستطالة بإطلاق σ الوحدة الفرعية من البوليميراز. تفكك σ يسمح للإنزيم الأساسي بالمضي قدمًا على طول قالب الحمض النووي ، وتوليف mRNA في اتجاه 5 'إلى 3' بمعدل 40 نيوكليوتيد تقريبًا في الثانية. الاقتران الأساسي بين DNA و RNA ليس مستقرًا بدرجة كافية للحفاظ على استقرار مكونات تخليق mRNA. بدلاً من ذلك ، يعمل بوليميراز الحمض النووي الريبي كحلقة وصل مستقرة بين قالب الحمض النووي وخيوط الحمض النووي الريبي الوليدة لضمان عدم انقطاع الاستطالة قبل الأوان.

في حقيقيات النوى ، بعد تكوين مركب preinitiation ، يتم تحرير البوليميراز من عوامل النسخ الأخرى ، ويسمح للاستطالة بالاستمرار كما تفعل في بدائيات النوى مع توليف البوليميراز pre-mRNA في اتجاه 5 'إلى 3'. كما تمت مناقشته سابقًا ، يقوم RNA polymerase II بنسخ الحصة الرئيسية من الجينات حقيقية النواة ، لذلك سيركز هذا القسم على كيفية تحقيق هذا البوليميراز للاستطالة والإنهاء.

نهاية

في البكتيريا

بمجرد نسخ الجين ، يجب توجيه البوليميراز البكتيري إلى الفصل عن قالب الحمض النووي وتحرير mRNA المصنوع حديثًا. اعتمادًا على الجين الذي يتم نسخه ، هناك نوعان من إشارات الإنهاء. أحدهما يعتمد على البروتين والآخر يعتمد على الحمض النووي الريبي. الإنهاء المعتمد على Rho يتحكم فيه بروتين rho ، الذي يتتبع على طول خلف البوليميراز في سلسلة mRNA المتنامية. بالقرب من نهاية الجين ، يصادف البوليميراز سلسلة من النيوكليوتيدات G على قالب الحمض النووي ويتوقف. نتيجة لذلك ، يصطدم بروتين rho بالبوليميراز. يؤدي التفاعل مع rho إلى إطلاق mRNA من فقاعة النسخ.

إنهاء Rho المستقل يتم التحكم فيه بواسطة تسلسلات محددة في حبلا قالب الحمض النووي. عندما يقترب البوليميراز من نهاية الجين الذي يتم نسخه ، فإنه يواجه منطقة غنية بالنيوكليوتيدات CG. ينثني mRNA مرة أخرى على نفسه ، وترتبط نيوكليوتيدات CG التكميلية معًا. والنتيجة مستقرة دبوس الشعر الذي يتسبب في توقف البوليميراز بمجرد أن يبدأ في نسخ منطقة غنية بالنيوكليوتيدات AT. لا تشكل منطقة UA التكميلية لنسخة mRNA سوى تفاعل ضعيف مع قالب DNA. هذا ، إلى جانب البوليميراز المتوقف ، يؤدي إلى عدم استقرار كافٍ للإنزيم الأساسي للانفصال وتحرير نسخة الرنا المرسال الجديدة.

في حقيقيات النوى

يختلف إنهاء النسخ باختلاف البوليميرات. على عكس بدائيات النوى ، فإن الاستطالة بواسطة بوليميريز RNA في حقيقيات النوى تحدث 1000-2000 نيوكليوتيد بعد نهاية الجين الذي يتم نسخه. تتم إزالة هذا الذيل pre-mRNA لاحقًا عن طريق الانقسام أثناء معالجة mRNA. من ناحية أخرى ، تتطلب بوليمرات الرنا الأول والثالث إشارات إنهاء. تحتوي الجينات التي تم نسخها بواسطة RNA polymerase I على تسلسل محدد من 18 نيوكليوتيد يتم التعرف عليه بواسطة بروتين إنهاء. تتضمن عملية الإنهاء في RNA polymerase III دبوس شعر mRNA مشابه لإنهاء النسخ المستقل عن rho في بدائيات النوى.

في العتائق

إن إنهاء النسخ في العتائق أقل بكثير من الدراسة في المجالين الآخرين من الحياة ولا يزال غير مفهوم جيدًا. بينما من المحتمل أن تشبه التفاصيل الوظيفية الآليات التي شوهدت في مجالات الحياة الأخرى ، فإن التفاصيل خارج نطاق هذه الدورة.

الموقع الخلوي

في البكتيريا والعتائق

في البكتيريا والعتائق ، يحدث النسخ في السيتوبلازم ، حيث يوجد الحمض النووي. نظرًا لأن موقع الحمض النووي ، وبالتالي عملية النسخ ، لا يتم فصلهما ماديًا عن باقي الخلية ، فغالبًا ما تبدأ الترجمة قبل انتهاء النسخ. وهذا يعني أنه يتم استخدام mRNA في البكتيريا والعتائق كقالب للبروتين قبل إنتاج الحمض النووي الريبي بأكمله. يعني عدم وجود الفصل المكاني أيضًا أن هناك القليل جدًا من الفصل الزمني لهذه العمليات. يوضح الشكل 6 عمليات النسخ والترجمة التي تحدث في وقت واحد.

الشكل 6. تشبه إضافة النيوكليوتيدات أثناء عملية النسخ إلى حد كبير إضافة النيوكليوتيدات في تكرار الحمض النووي.
المصدر: Marc T. Facciotti (عمل خاص)

في حقيقيات النوى ....

في حقيقيات النوى ، يتم فصل عملية النسخ فعليًا عن بقية الخلية ، ويتم عزلها داخل النواة. ينتج عن هذا شيئين: تكتمل mRNA قبل أن تبدأ الترجمة ، وهناك وقت "لضبط" أو "تحرير" mRNA قبل بدء الترجمة. يمنح الفصل المادي لهذه العمليات حقيقيات النوى فرصة لتغيير الرنا المرسال بطريقة تطيل عمر الرنا المرسال أو حتى تغيير منتج البروتين الذي سيتم إنتاجه من الرنا المرسال.

معالجة مرنا

5 'G-cap و 3' poly-A tail

عندما يتم نسخ جين حقيقي النواة ، تتم معالجة النسخة الأولية في النواة بعدة طرق. يتم تعديل mRNAs حقيقية النواة في الطرف 3 عن طريق إضافة ذيل poly-A. تتم إضافة هذا الشوط من البقايا A بواسطة إنزيم لا يستخدم الحمض النووي الجيني كقالب. بالإضافة إلى ذلك ، فإن mRNAs لها تعديل كيميائي للطرف 5 ، يسمى 5'-cap. تشير البيانات إلى أن هذه التعديلات تساعد على زيادة عمر الرنا المرسال (منع تدهوره المبكر في السيتوبلازم) وكذلك مساعدة الرنا المرسال على بدء الترجمة.

الشكل 7. تتم معالجة pre-mRNAs في سلسلة من الخطوات. تتم إزالة الإنترونات ، ويضاف غطاء 5 بوصات وذيل بولي-أ.
المصدر: http: //www.discoveryandinnovation.co...lecture12.html

الربط البديل

يحدث التضفير في معظم جزيئات الرنا المرسال حقيقية النواة حيث يتم إزالة الإنترونات من تسلسل الرنا المرسال ويتم ربط الإكسونات معًا. هذا يمكن أن يخلق mRNA أقصر بكثير مما تم نسخه في البداية. يسمح الربط للخلايا بخلط ومطابقة exons التي تم دمجها في منتج mRNA النهائي. كما هو موضح في الشكل أدناه ، يمكن أن يؤدي ذلك إلى ترميز بروتينات متعددة بواسطة جين واحد.

الشكل 8. المعلومات المخزنة في الحمض النووي محدودة. في بعض الحالات ، يمكن للكائنات الحية خلط هذه المعلومات ومطابقتها لإنشاء منتجات نهائية مختلفة. في حقيقيات النوى ، يسمح التضفير البديل بإنشاء منتجات مختلفة من الرنا المرسال ، والتي بدورها تُستخدم في الترجمة لإنشاء تسلسلات بروتينية مختلفة. يؤدي هذا في النهاية إلى إنتاج أشكال بروتينية مختلفة ، وبالتالي وظائف بروتينية مختلفة.
المصدر: http: //www.discoveryandinnovation.co...lecture12.html


شاهد الفيديو: المحاضرة 3. الانسجة الحيوانية-النسيج الظهاري البسيط. الفصل الثاني (أغسطس 2022).