فيديو الدرس: استخدام إنزيمات القطع الأحياء

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نفسر وظيفة إنزيمات القطع، ونلخص دور «النهايات اللاصقة».

١٩:٠٤

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على إنزيمات القطع، وهي مجموعة من الإنزيمات المتخصصة التي تلعب دورًا في قطع الحمض النووي ‪(DNA)‬‏. وسنتعرف أيضًا على كيفية استهدافها للحمض النووي ‪(DNA)‬‏ والتتابعات المحددة التي تتعرف عليها، والمقصود بالتناظر تحديدًا. وبعد قطع الحمض النووي ‪(DNA)‬‏، يمكن أن تترك إنزيمات القطع وراءها ما يسمى بالنهايات اللاصقة، وسنرى ما الذي يجعل هذه النهايات مهمة للغاية. حسنًا، لندخل في صلب الموضوع ونبدأ هذا الدرس.

إنزيمات القطع، التي تسمى أيضًا إنزيمات القطع الداخلي، هي مجموعة خاصة من البروتينات المعروفة بالإنزيمات. والإنزيم بروتين يؤدي وظيفة العامل الحفاز الحيوي، مما يعني أنه قادر على تسريع التفاعل الكيميائي. كل إنزيم له ركيزة محددة يتفاعل معها. تستطيع الركيزة أن ترتبط بالإنزيم بشكل دقيق للغاية. وعندما يحدث ذلك، يستطيع الإنزيم أن يؤثر على الركيزة لتسريع تفاعل كيميائي معين، مثل انقسام الركيزة، كما هو موضح هنا. يمكن أن تنفصل هذه النواتج عن الإنزيم، ويصبح الإنزيم حرًّا الآن لقبول ركيزة أخرى.

إنزيم القطع هو نوع خاص من الإنزيمات يحفز قطع الحمض النووي ‪(DNA)‬‏، وهو ركيزته، عند تتابعات تعرف محددة في الحمض النووي. بطريقة ما، يشبه هذا الإنزيم مقصًّا جزيئيًّا يستطيع قطع الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ عند تتابعات محددة. يمكن أن ينتج عن ذلك مقاطع ذات أطوال مختلفة، كما هو موضح هنا. إذن، كيف يمكن لإنزيم القطع أن يقطع الحمض النووي ‪(DNA)‬‏؟ لننظر عن قرب إلى هذا الجزء هنا ونستعرض تركيب الحمض النووي ‪(DNA)‬‏.

الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ هو شريط مزدوج. وعلى سبيل التبسيط، سنلقي نظرة على هذا الشريط المفرد فقط. يتكون الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ من وحدات فرعية متكررة تسمى النيوكليوتيدات. وهذه الوحدات تتضمن مجموعة فوسفات، وسكر ريبوز منقوص الأكسجين، وقاعدة نيتروجينية. في الحمض النووي ‪(DNA)‬‏، توجد أربع قواعد: الأدينين والجوانين والسيتوزين والثايمين. يظهر هنا باللون الأسود الهيكل المعروف باسم هيكل السكر والفوسفات. وهذا هو الموضع الذي تتصل فيه النيوكليوتيدات من خلال روابط فوسفاتية ثنائية الإستر. وبمقدور إنزيمات القطع أن تقطع هذه الرابطة الفوسفاتية الثنائية الإستر. وهذا يؤدي إلى وجود فجوة في هيكل السكر والفوسفات، وهو ما يمكننا رؤيته هنا. يمكن أيضًا أن يقسم إنزيم القطع الرابطة الفوسفاتية الثنائية الإستر في الشريط الآخر، كما هو موضح هنا، وهذه هي الطريقة التي يتمكن بها إنزيم القطع من قطع الحمض النووي ‪(DNA)‬‏.

ربما تتساءل: ما دور إنزيمات القطع؟ ولماذا توجد من الأساس؟ اكتشفت هذه الإنزيمات في البكتيريا في خمسينيات القرن العشرين، حين أوضحت الأبحاث أن بعض أنواع البكتيريا أكثر مقاومة للعدوى بالفيروسات مقارنة بالأنواع الأخرى. فيروس البكتيريوفاج هو نوع من الفيروسات التي تصيب البكتيريا. وداخل رأسه يوجد حمض نووي ‪(DNA)‬‏ فيروسي. يمكن أن يلتصق فيروس البكتيريوفاج هذا بسطح البكتيريا ويحقن حمضه النووي في السيتوبلازم. وبمجرد أن يحقن الحمض النووي الفيروسي، يمكنه أن يستخدم الموارد البكتيرية لتكوين مكونات فيروسية جديدة. بعد ذلك، يمكن تجميع هذه المكونات لتكوين فيروسات بكتيريوفاج جديدة.

تتكرر هذه العملية، وتصبح الخلية البكتيرية مملوءة بالفيروسات إلى أن تنفجر الخلية في نهاية المطاف وتطلق جميع الفيروسات لإصابة خلايا أخرى. هذه البكتيريا معرضة للعدوى الفيروسية. ومع ذلك، تبين أن بعض أنواع البكتيريا تقاوم العدوى بفيروسات البكتيريوفاج. تحتوي هذه البكتيريا على إنزيمات قطع، وهذه الإنزيمات من شأنها أن تقطع الحمض النووي الفيروسي إلى أجزاء. لا يمكن استخدام هذه الأجزاء لتكوين مكونات فيروسية جديدة، ومن ثم يعجز الفيروس عن إصابة الخلية.

ومن ثم، فإن إنزيمات القطع هي بالأساس آلية طورتها البكتيريا للدفاع عن نفسها ضد العدوى الفيروسية. لاحظ أن البكتيريا يمكنها أن تحمي الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ الخاص بها من القطع من خلال إضافة مجموعات ميثيل خاصة إلى حمضها النووي. وهذا يمكن أن يمنع إنزيمات القطع من التعرف على هذه التتابعات. والآن، لنلق نظرة على كيفية ارتباط إنزيمات القطع بتتابعات التعرف.

تتابع التعرف هو تتابع من الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ يرتبط به إنزيم القطع ويقسمه. ويسمى أحيانًا موقع القطع. وفيما يأتي بعض الأمثلة على إنزيمات القطع وتتابعات التعرف الخاصة بها. يتعرف كل إنزيم قطع على تتابع محدد ويقطع التتابع بين قواعد محددة. وهكذا، في حالة الإنزيم ‪Eco RI‬‏، فإن التتابع المتعرف عليه هو ‪G/AATTC‬‏ ويقطع الإنزيم بين الجوانين والأدينين، كما هو موضح هنا. ثمة شيء خاص تتسم به مواقع التعرف هذه سنناقشه فيما بعد. لكن أولًا، دعونا نراجع الاتجاهات في الحمض النووي ‪(DNA)‬‏.

نرى هنا مقطعًا من أحد جزيئات الحمض النووي ‪(DNA)‬‏. ستلاحظ أن هناك شريطين. يذهب أحد هذين الشريطين في هذا الاتجاه، في حين يذهب الشريط المقابل في هذا الاتجاه. لنكبر هذا المقطع من الجزيء حتى يمكننا رؤيته بقدر أكبر من التفصيل. الشريط على اليسار يتجه إلى الأسفل، في حين يتجه الشريط على اليمين إلى الأعلى. ويتعلق هذا الاتجاه بالطريقة التي تضاف بها النيوكليوتيدات أثناء تخليق الحمض النووي ‪(DNA)‬‏.

لا تضاف النيوكليوتيدات إلا في الاتجاه من خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة، وهو ما يشير إلى ترقيم ذرات الكربون في النيوكليوتيدة. ويشار إلى هذه الأرقام هنا. لاحظ أن خمسة شرطة تقع أعلى ثلاثة شرطة. لذا، يشار أحيانًا إلى هذا الشريط باسم الشريط خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة. يمكنك ملاحظة ذلك هنا. بينما في الشريط الآخر، تقع خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة في الاتجاه المعاكس، وهو ما يمكن رؤيته هنا.

والآن، لنلق نظرة على تتابع التعرف لإنزيم القطع ‪Eco RI‬‏ على كلا الشريطين. ها هو تتابع التعرف ‪GAATTC‬‏، الذي يكتب عادة في الاتجاه خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة. ونرى هنا التتابع الذي يقع على الشريط ثلاثة شرطة إلى خمسة شرطة المقابل. هل تلاحظ أي شيء متشابه في هذين التتابعين؟ إذا قرأت التتابع الموجود على الشريط العلوي، ‪GAATTC‬‏، فستجد أنه نفس التتابع الموجود على الشريط السفلي عندما يقرأ في الاتجاه المعاكس، ‪GGATCC‬‏‬‏. وهذا في الواقع مثال على التناظر، وهو كلمة أو عبارة تقرأ بالشكل نفسه عند البدء من اليمين أو اليسار. مثال على ذلك كلمة ‪racecar‬‏، التي تقرأ بنفس الشكل سواء عند البدء من اليمين أو اليسار. ويعد التتابع المتناظر سمة للعديد من تتابعات التعرف في الواقع.

لنلق نظرة على مثال آخر، وهو إنزيم القطع ‪Bam HI‬‏. في الشريط العلوي، يقرأ إنزيم ‪Bam HI‬‏ التتابع ‪GGATCC‬‏، وهو نفس التتابع الموجود على الشريط السفلي عندما يقرأ في الاتجاه المعاكس، ‪GGATCC‬‏‬‏. ومن ثم، فهذا التتابع متناظر أيضًا. الآن، لنلق نظرة على أنماط القطع المختلفة التي يمكن تكوينها عن طريق إنزيمات القطع.

النمط الأول الذي سنتناوله يسمى بقطع النهايات اللاصقة. تتابع التعرف وموقع القطع للإنزيم ‪Eco RI‬‏ موضحان هنا. دعونا نكتب ذلك لكلا الشريطين لنتمكن من معرفة كيفية القطع. معظم إنزيمات القطع تحدث قطعين، واحدًا على كل شريط، وهو ما يمكن توضيحه بهذا الشكل. سوف ينتج ذلك مقطعين. أحدهما موضح هنا، والآخر هنا. لاحظ أن هذين المقطعين بهما أطراف مكونة من قواعد غير مزدوجة. ويمكن تسمية هذين المقطعين بالنهايتين اللاصقتين لأن هذه القواعد مكملة وينجذب بعضها إلى بعض.

النوع الثاني من نمط القطع الذي تحدثه إنزيمات القطع يسمى النهايات الحادة. الإنزيم ‪SmaI‬‏ هو مثال لإنزيمات القطع التي تحدث قطعًا ذا نهاية حادة. وينتج عن عملية القطع التي يقوم بها الإنزيم ‪SmaI‬‏ جزء بهذا الشكل، وجزء آخر بهذا الشكل. تسمى هذه الأجزاء «النهايات الحادة»، ونظرًا لأنها لا تحتوي على أي قواعد غير مزدوجة فهي ليست لاصقة. والآن، لنلق نظرة على النهايات اللاصقة بمزيد من التفصيل ونتحدث عما يجعلها شديدة الأهمية.

ظاهرة النهايات اللاصقة لها تطبيق مثير للاهتمام. لنفترض أن لدينا قطعتين من الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ ونريد لصقهما معًا. لنجعل هذا الأمر طريفًا. لنفترض أن لدينا سمكة أليفة ونريد أن نجعلها تتوهج في الظلام. حسنًا، نحن نعرف نوعًا من قناديل البحر يتوهج في الظلام. يرجع ذلك إلى وجود بروتين يسمى ‪GFP‬‏، أو البروتين الفلوري الأخضر. إذن، هل من الممكن عزل الجين ‪GFP‬‏ من الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ لقنديل البحر وإدخاله في الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ للسمكة؟ هذا ممكن بالطبع، باستخدام النهايات اللاصقة.

لحسن الحظ، يوجد اثنان من تتابعات التعرف للإنزيم ‪Eco RI‬‏ يحدان الجين ‪GFP‬‏ في الحمض النووي لقنديل البحر. ويوجد أيضًا موقع تعرف للإنزيم ‪Eco RI‬‏ في الحمض النووي للسمكة. إذن، كل ما علينا فعله هو قطع الجين ‪GFP‬‏ باستخدام الإنزيم ‪Eco RI‬‏، ووضعه في موقع التعرف الخاص بالإنزيم ‪Eco RI‬‏ في الحمض النووي للسمكة. لنلق نظرة عن كثب ونر كيف يحدث ذلك. نرى هنا الجين ‪GFP‬‏ مع تتابعي تعرف للإنزيم ‪Eco RI‬‏ عند كلتا النهايتين. وهنا نظرة أقرب للحمض النووي للسمكة مع موقع التعرف المفرد الخاص بالإنزيم ‪Eco RI‬‏.

والآن، نضيف إنزيم ‪Eco RI‬‏ إلى الحمض النووي لقنديل البحر، وهو يقطع بهذا الشكل، وينتج هذا المقطع الذي به الجين ‪GFP‬‏ المعزول. ونقطع أيضًا الحمض النووي للسمكة باستخدام الإنزيم ‪Eco RI‬‏، الذي يقطع بهذا الشكل. والآن نضيف الحمض النووي المقطوع للجين ‪GFP‬‏ إلى الحمض النووي المقطوع للسمكة. ولأن هاتين النهايتين مكملتان، يمكننا إدخال الجين ‪GFP‬‏ في الحمض النووي للسمكة. هذا الجين ‪GFP‬‏ الجديد يعطي السمكة مظهرًا جديدًا تمامًا.

دعونا الآن نطبق ما تعلمناه من خلال سؤال تدريبي.

أخذت عينة من الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ من كائنين، وخلطت مع إنزيم القطع ‪Bam HI‬‏. يقطع إنزيم القطع الحمض النووي للكائن الحي (أ) إلى ثلاثة مقاطع، ولكنه يقطع الحمض النووي للكائن الحي (ب) إلى مقطعين فقط. ما الذي يشير إليه ذلك فيما يتعلق بالحمض النووي للكائنين؟ يحتوي الحمض النووي للكائن الحي (أ) على تتابعات تعرف لإنزيم القطع ‪Bam HI‬‏ أقل من الكائن الحي (ب). يحتوي الحمض النووي للكائن الحي (أ) على تتابعات تعرف لإنزيم القطع ‪Bam HI‬‏ أكثر من الكائن الحي (ب). الحمض النووي للكائن الحي (ب) أطول من الحمض النووي للكائن الحي (أ). لم تختلط العينة المأخوذة من الكائن الحي (ب) بما يكفي من إنزيمات القطع.

يتناول هذا السؤال إنزيمات القطع وكيف يمكنها قطع الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ بطريقة مختلفة بين كائنين حيين. لنوضح بعض المصطلحات الرئيسية في هذا السؤال. دعونا إذن نمسح خيارات الإجابة لنحصل على مساحة أكبر للحل. إنزيم القطع هو نوع خاص من الإنزيمات. لعلك تتذكر أن الإنزيم هو بروتين يؤدي وظيفة العامل الحفاز الحيوي. وهذا يعني أنه قادر على تسريع التفاعل الكيميائي. ويمكنه فعل ذلك من خلال الارتباط بركيزته المحددة، ومن ثم يوفر الظروف اللازمة لحدوث التفاعل الكيميائي بسرعة أكبر كثيرًا، مثل انقسام الركيزة إلى جزأين كما هو موضح هنا.

إنزيمات القطع هي إنزيمات تحفز قطع الحمض النووي ‪(DNA)‬‏. وتشبه إنزيمات القطع المقص الجزيئي، ويمكنها أن تقطع الحمض النووي، الذي يعد ركيزتها، عند تتابعات معينة للحمض النووي تستطيع التعرف عليها. تتابعات الحمض النووي المحددة هذه تسمى تتابعات التعرف، ولكل إنزيم قطع تتابع تعرف مميز يرتبط به ويقطعه.

إنزيم القطع ‪Bam HI‬‏ في هذا السؤال له تتابع تعرف وهو ‪GGATCC‬‏. إذن، إذا كان إنزيم القطع الذي يقطع هذا الحمض النووي هو ‪Bam HI‬‏، فإن هذين القطعين يمثلان هذا التتابع. بعبارة أخرى، هذا الحمض النووي له تتابعا تعرف للإنزيم ‪Bam HI‬‏. بعد قطع الحمض النووي، ستنتج أجزاء أو مقاطع منه. إذن، في هذا المثال الذي به تتابعا تعرف لإنزيم القطع ‪Bam HI‬‏ في هذه الركيزة الخطية للحمض النووي، تكونت ثلاثة مقاطع.

والآن لنلق نظرة على السؤال مرة أخرى. ينص السؤال على أن إنزيم ‪Bam HI‬‏ يقطع الحمض النووي للكائن الحي (أ) إلى ثلاثة مقاطع، ولكنه يقطع الحمض النووي للكائن الحي (ب) إلى مقطعين فقط. الآن، دعونا نفترض أن الحمض النووي خطي ونباشر الحل. إنزيم القطع ‪Bam HI‬‏ يقطع الحمض النووي للكائن الحي (أ) وينتج ثلاثة أجزاء. وهذا يعني أنه لا بد من وجود تتابعا تعرف للإنزيم ‪Bam HI‬‏، في حين أنه في الكائن الحي (ب)، أنتج جزآن فقط. وهذا يعني أنه لا يوجد سوى تتابع تعرف واحد فقط للإنزيم ‪Bam HI‬‏. إذن، عندما يكون الحمض النووي خطيًّا، فهذا يشير إلى وجود تتابعات تعرف أكثر في الكائن الحي (أ) مقارنة بالكائن الحي (ب).

لكن ماذا إذا كان الحمض النووي حلقيًّا؟ تمتلك البكتيريا بوجه عام حمضًا نوويًّا حلقيًّا. حسنًا، لننظر إلى هذا الموقف قبل اختيار الإجابة. لقد قطع الحمض النووي للكائن الحي (أ) إلى ثلاثة مقاطع. ولإنتاج هذا الجزء، لا بد من قطع الحمض النووي الحلقي هنا وهنا. ولإنتاج الجزأين المتبقيين، سنحتاج إلى قطع إضافي هنا. إذن، لدينا إجمالي ثلاث تتابعات تعرف للإنزيم ‪Bam HI‬‏ في الكائن الحي (أ). لدينا هنا الجزآن الناتجان في الكائن الحي (ب). ولإنتاج هذين الجزأين، سنحتاج إلى قطعين، أحدهما هنا والآخر هنا. إذن، الكائن الحي (ب) لديه تتابعا تعرف فقط للإنزيم ‪Bam HI‬‏.

إذن، عندما يكون الحمض النووي حلقيًّا، يكون لدى الكائن الحي (أ) تتابعات تعرف أكثر من الكائن الحي (ب). وهذه هي النتيجة نفسها التي توصلنا إليها مع الحمض النووي الخطي. وعليه، فإن الإجابة الصحيحة هي أن الحمض النووي للكائن الحي (أ) يحتوي على تتابعات تعرف لإنزيم القطع ‪Bam HI‬‏ أكثر من الكائن الحي (ب).

والآن، لنستعرض بعض النقاط الرئيسية التي تناولناها في هذا الفيديو. إنزيمات القطع هي إنزيمات تحفز قطع الحمض النووي ‪(DNA)‬‏. ويحدث ذلك من خلال الارتباط بتتابعات محددة للحمض النووي ‪(DNA)‬‏ تعرف بتتابعات التعرف، مما يعني أنه عند قراءة التتابع على أحد الشريطين سنجد أنه نفس التتابع الموجود على الشريط الآخر عندما يقرأ في الاتجاه المعاكس. يمكن أن تقطع إنزيمات القطع جزيء الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ لإنتاج نوعين من النهايات، النهايات الحادة أو النهايات اللاصقة. ويمكن استخدام النهايات اللاصقة لربط الحمض النووي من مصدرين ولها العديد من التطبيقات في مجال التكنولوجيا الحيوية.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.