العقيدة المركزية: الحمض النووي (DNA) يشفر الحمض النووي الريبي (RNA)؛ الحمض النووي الريبي (RNA) يشفر البروتين

يُوَصَف تدفق المعلومات الوراثية في الخلايا من الحمض النووي (DNA) إلى الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) إلى البروتين بواسطة العقيدة المركزية (شكل 9.14)، والتي تنص على أن الجينات تحدد تتابعات الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA)، والتي بدورها تحدد تتابعات البروتينات.

شكل 9.14 تنص العقيدة المركزية على أن الحمض النووي (DNA) يشفر الحمض النووي الريبي (RNA)، والذي بدوره يشفر البروتين.

إن نسخ الحمض النووي (DNA) إلى الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) مباشر نسبيًا، حيث يتم إضافة نيوكليوتيد واحد إلى شريط الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) لكل نيوكليوتيد مكمل يُقرأ في شريط الحمض النووي (DNA). أما الترجمة إلى بروتين فهي أكثر تعقيدًا لأن مجموعات من ثلاثة نيوكليوتيدات من الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) تتوافق مع حمض أميني واحد من تسلسل البروتين. ومع ذلك، كما سنرى في الجزء التالي، فإن الترجمة إلى بروتين لا تزال منهجية، بحيث تتوافق النيوكليوتيدات من 1 إلى 3 مع الحمض الأميني 1، والنيوكليوتيدات من 4 إلى 6 تتوافق مع الحمض الأميني 2، وهكذا.

النسخ: من الحمض النووي (DNA) إلى الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA)

تؤدي كل من بدائيات النواة وحقيقيات النواة نفس عملية النسخ بشكل أساسي، مع اختلاف مهم يتمثل في وجود النواة المحاطة بغشاء في حقيقيات النواة. مع وجود الجينات محصورة في النواة، يحدث النسخ في نواة الخلية ويجب نقل نسخة الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) إلى السيتوبلازم. تفتقر بدائيات النواة، التي تشمل البكتيريا والعتائق، إلى النوى المحاطة بغشاء والعضيات الأخرى، ويحدث النسخ في سيتوبلازم الخلية. في كل من بدائيات النواة وحقيقيات النواة، يحدث النسخ في ثلاث مراحل رئيسية: البدء، والاستطالة، والإنهاء.

البدء

يتطلب النسخ أن ينفك اللولب المزدوج للحمض النووي (DNA) جزئيًا في منطقة تخليق الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA). تسمى منطقة فك الالتفاف فقاعة النسخ (transcription bubble). يسمى تسلسل الحمض النووي (DNA) الذي ترتبط به البروتينات والإنزيمات المشاركة في النسخ لبدء العملية المحفز (المروّج) (promoter). في معظم الحالات، توجد المحفزات في المنطقة الأمامية للجينات التي تنظمها. يعتبر التسلسل المحدد للمحفز مهمًا جدًا لأنه يحدد ما إذا كان الجين المقابل يُنسخ طوال الوقت، أو بعض الوقت، أو بالكاد على الإطلاق (شكل 9.15).

شكل 9.15 يبدأ بدء النسخ عندما ينفك التواء الحمض النووي (DNA)، مكونًا فقاعة النسخ. ترتبط الإنزيمات والبروتينات الأخرى المشاركة في النسخ بالمحفز.

الاستطالة

يتقدم النسخ دائمًا من أحد شريطي الحمض النووي (DNA)، والذي يسمى الخيط القالب (template strand). يكون ناتج الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) مكملاً للخيط القالب ومطابقًا تقريبًا لشريط الحمض النووي (DNA) الآخر، الذي يسمى الخيط غير القالب (nontemplate strand)، باستثناء أن الحمض النووي الريبي (RNA) يحتوي على اليوراسيل (U) بدلاً من الثايمين (T) الموجود في الحمض النووي (DNA). أثناء الاستطالة، يتقدم إنزيم يسمى بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA polymerase) على طول قالب الحمض النووي (DNA) مضيفًا النيوكليوتيدات عن طريق ازدواج القواعد مع قالب الحمض النووي (DNA) بطريقة مماثلة لتضاعف الحمض النووي (DNA)، مع اختلاف أن شريط الحمض النووي الريبي (RNA) الذي يتم تخليقه لا يبقى مرتبطًا بقالب الحمض النووي (DNA). مع تقدم الاستطالة، يتم فك التواء الحمض النووي (DNA) باستمرار أمام الإنزيم الأساسي وإعادة لفه خلفه (شكل 9.16).

شكل 9.16 أثناء الاستطالة، يتتبع بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA polymerase) قالب الحمض النووي (DNA)، ويُخلّق الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) في الاتجاه من 5' إلى 3'، ويفك ثم يعيد لف الحمض النووي (DNA) أثناء قراءته.

الإنهاء

بمجرد نسخ الجين، يحتاج بوليميراز بدائي النواة إلى تعليمات للانفصال عن قالب الحمض النووي (DNA) وتحرير الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) المصنوع حديثًا. اعتمادًا على الجين الذي يتم نسخه، هناك نوعان من إشارات الإنهاء، ولكن كلاهما يتضمن تتابعات نيوكليوتيدية متكررة في قالب الحمض النووي (DNA) تؤدي إلى توقف بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA polymerase)، ومغادرة قالب الحمض النووي (DNA)، وتحرير نسخة الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA).

عند الإنهاء، تكتمل عملية النسخ. في الخلية بدائية النواة، بحلول وقت حدوث الإنهاء، تكون النسخة قد استُخدمت بالفعل لتخليق جزئي لعدد كبير من نسخ البروتين المشفر لأن هذه العمليات يمكن أن تحدث بالتزامن باستخدام ريبوسومات متعددة (الريبوسومات المتعددة) (شكل 9.17). على النقيض من ذلك، فإن وجود نواة في الخلايا حقيقية النواة يمنع النسخ والترجمة المتزامنين.

شكل 9.17 يمكن لعدة بوليميرازات نسخ جين بكتيري واحد بينما تقوم العديد من الريبوسومات بترجمة نسخ الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) إلى عديدات الببتيد في نفس الوقت. بهذه الطريقة، يمكن لبروتين معين أن يصل بسرعة إلى تركيز عالٍ في الخلية البكتيرية.

معالجة الحمض النووي الريبي (RNA) في حقيقيات النواة

يجب أن تخضع نسخ الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) حقيقية النواة المُنسوخة حديثًا لعدة خطوات معالجة قبل أن يتم نقلها من النواة إلى السيتوبلازم وتُترجم إلى بروتين. تخلق الخطوات الإضافية المتضمنة في نضج الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) حقيقي النواة جزيئًا أكثر استقرارًا بكثير من الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) بدائي النواة. على سبيل المثال، تدوم نسخ الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) حقيقية النواة لعدة ساعات، بينما لا تدوم نسخة الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) بدائية النواة النموذجية أكثر من خمس ثوانٍ.

تُغطى نسخة الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) أولاً ببروتينات تثبيت الحمض النووي الريبي (RNA) لمنعها من التحلل أثناء معالجتها وتصديرها خارج النواة. يحدث هذا بينما لا يزال الحمض النووي الريبي الرسول الأولي (pre-mRNA) يُخلّق عن طريق إضافة "قبعة" نيوكليوتيدية خاصة إلى الطرف 5' للنسخة النامية. بالإضافة إلى منع التحلل، تتعرف العوامل المشاركة في تخليق البروتين على القبعة للمساعدة في بدء الترجمة بواسطة الريبوسومات.

بمجرد اكتمال الاستطالة، يضيف إنزيم بعد ذلك سلسلة من حوالي 200 بقايا أدينين إلى الطرف 3'، تسمى الذيل متعدد الأدينين (poly-A tail). يحمي هذا التعديل الحمض النووي الريبي الرسول الأولي (pre-mRNA) بشكل أكبر من التحلل ويشير إلى العوامل الخلوية أن النسخة تحتاج إلى التصدير إلى السيتوبلازم.

تتكون الجينات حقيقية النواة من تتابعات مشفرة للبروتين تسمى إكسونات (exons) (ex-on تعني أنها expressed) وتتابعات متداخلة (intervening) تسمى إنترونات (introns) (int-ron تشير إلى دورها intervening). تُزال الإنترونات من الحمض النووي الريبي الرسول الأولي (pre-mRNA) أثناء المعالجة. لا تشفر تتابعات الإنترونات في الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) بروتينات وظيفية. من الضروري إزالة جميع إنترونات الحمض النووي الريبي الرسول الأولي (pre-mRNA) بشكل كامل ودقيق قبل تخليق البروتين بحيث تتحد الإكسونات معًا لتشفير الأحماض الأمينية الصحيحة. إذا أخطأت العملية حتى بنيوكليوتيد واحد، فإن تسلسل الإكسونات المعاد ربطها سيتحول، وسيكون البروتين الناتج غير وظيفي. تسمى عملية إزالة الإنترونات وإعادة ربط الإكسونات التضفير (splicing) (شكل 9.18). تُزال الإنترونات وتتحلل بينما لا يزال الحمض النووي الريبي الرسول الأولي (pre-mRNA) في النواة.

شكل 9.18 يحتوي الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) حقيقي النواة على إنترونات يجب أن تُضفّر. كما تُضاف قبعة 5' وذيل 3'.