فيديو الدرس: عملية النسخ الأحياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سنناقش عملية النسخ حيث يتحول الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ إلى الحمض النووي الريبوزي الرسول ‪(mRNA)‬‏. سنتحدث عن الإنزيم الرئيسي في هذه العملية، وهو إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي، وسنرى كيف يمكنه نسخ تتابع جزيء ‪DNA‬‏ وتحويله إلى تتابع جزيء ‪mRNA‬‏. وأخيرًا، سنناقش تعديلات ما بعد النسخ، مثل تشذيب الحمض النووي الريبوزي ‪(RNA)‬‏ وإضافة ذيل عديد الأدينين.

تحتوي جميع خلايا الجسم تقريبًا على ‪DNA‬‏. الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ هو لولب مزدوج الشريط، وترتب داخله جينات تحتوي على تعليمات لبناء البروتينات المختلفة اللازمة للحياة. وإذا قربنا الصورة قليلًا، فسنرى أن تتابع ‪DNA‬‏ هو سلسلة من الأحرف ‪G‬‏ و‪C‬‏ و‪A‬‏ و‪T‬‏ التي تسمى «النيوكليوتيدات». هذه النيوكليوتيدات، التي تسمى أحيانًا القواعد، تتضمن الجوانين، ورمزه المختصر ‪G‬‏، والسيتوزين والأدينين والثايمين. يمكن أن تزدوج قواعد النيوكليوتيدات على أحد شريطي ‪DNA‬‏ مع قواعد النيوكليوتيدات في الشريط المقابل له. فيمكن أن تقترن قاعدة الجوانين أو تكون روابط هيدروجينية مع القاعدة المكملة لها، وهي السيتوزين، ويمكن أن تقترن قاعدة الأدينين مع قاعدة الثايمين.

يمكن تحويل تتابع النيوكليوتيدات التي تشكل الجين إلى بروتين. وتحدث هذه العملية على عدة خطوات. تسمى الخطوة الأولى «عملية النسخ»، وتتضمن نسخ تتابع الجين وتحويله إلى نسخة أو جزيء ‪mRNA‬‏. بعد ذلك يمكن أن يتحول التتابع في النسخة إلى أحماض أمينية يمكنها أن تطوى وتكون البروتينات. وفي هذا الفيديو، سنصف عملية النسخ. في الخلايا الحقيقية النوى التي تحتوي على نواة، مثل الموضحة هنا، تحدث عملية النسخ في النواة، أما في الخلايا البدائية النوى التي تفتقر إلى نواة فتحدث عملية النسخ فعليًّا في السيتوبلازم.

ويسمى الإنزيم الرئيسي في عملية النسخ إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي. وهذا الإنزيم، الممثل هنا بهذا الخط الخارجي الزهري المرتبط بجزيء ‪DNA‬‏، يمكنه نسخ تتابع ‪DNA‬‏ في جين ما، مثلًا، وتحويله إلى تتابع ‪mRNA‬‏ أثناء عملية النسخ. إليكم مثالًا لجزيء ‪DNA‬‏ لندرسه. لاحظوا أن هناك تتابعًا علويا وتتابعًا سفليا. وهما يشيران إلى التتابعين على كلا الشريطين. لعلنا نتذكر أن جزيء ‪DNA‬‏ له اتجاهية، وتتابعه العلوي مكتوب في الاتجاه خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة، والتتابع السفلي مكتوب في الاتجاه ثلاثة شرطة إلى خمسة شرطة. أثناء عملية النسخ، فإن إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي يفك اللولب المزدوج. ويمكنك أن ترى هذا هنا على اليمين وهنا على اليسار أيضًا.

والآن، بعد أن انفصل الشريطان، يمكن أن يستخدم إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي أحد الشريطين؛ ليكون قالبًا للبدء في تكوين نسخة ‪mRNA‬‏. ويستخدم الشريط المتجه من ثلاثة شرطة إلى خمسة شرطة قالبًا، وتضاف القواعد وفقًا لأسس تزاوج القواعد المتكاملة، ومن ثم يقترن ‪C‬‏ مع ‪G‬‏. في جزيء ‪DNA‬‏، عادة ما تقترن قاعدة الثايمين مع قاعدة الأدينين. ولكن، في جزيء ‪RNA‬‏، لا يستخدم الثايمين، ويحل اليوراسيل محله. ويقترن ‪G‬‏ مع ‪C‬‏ ويقترن ‪T‬‏ مع ‪A‬‏. ها هو باقي التتابع، وقد رسمنا هذا الخط الأزرق لتوضيح أن هذا شريط من جزيء ‪mRNA‬‏. الآن دعونا نوضح هذه المعلومات على الشكل على اليمين. لقد أضفنا جزيء ‪mRNA‬‏ هنا؛ ليتوافق مع ما لدينا على اليسار.

الآن، يمكن أن يتحرك إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي إلى الأمام، ويفك اللولب الذي أمامه للوصول إلى القطعة التالية من تتابع ‪DNA‬‏. بينما يحدث هذا، تطوى مرة أخرى قطعة من تتابع جزيء ‪DNA‬‏ الموجودة خلفه، ويبدأ تحرير القطعة المقابلة من جزيء ‪mRNA‬‏. الآن بعد أن لاحظنا هذا على اليمين، دعونا نوجه اهتمامنا إلى اليسار، ونلاحظ كيف يبدو هذا هنا. مرة أخرى، تتحرك عملية النسخ وإنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي في الاتجاه خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة. لذا، تنفتح أولًا قطعة صغيرة من اللولب، وتنغلق قطعة صغيرة خلفها، ويبدأ جزء من جزيء ‪mRNA‬‏ في التحرر. تتكرر العملية، وبذلك يكون قد تم استنساخ هذا المقطع من جزيء ‪DNA‬‏. لماذا لا توقفون الفيديو مؤقتًا لتروا إذا ما كان يمكنكم إيجاد التتابع المناظر من جزيء ‪mRNA‬‏؟

يقترن الثايمين مع الأدينين ويقترن السيتوزين مع الجوانين، ونظرًا لعدم وجود الثايمين في جزيء ‪RNA‬‏ يقترن الأدينين مع اليوراسيل. يمكننا أيضًا تكملة هذا على اليمين. تكرر هذه العملية نفسها حتى يتم الوصول إلى تتابع خاص بإنهاء عملية النسخ، وينفصل إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي عن جزيء ‪DNA‬‏ ويحرر نسخة جزيء ‪mRNA‬‏. في الخلايا الحقيقية النوى، تحدث عملية النسخ في النواة؛ لذا يحرر جزيء ‪mRNA‬‏ في النواة كما هو موضح هنا. أما إذا كانت هذه الخلايا بدائية النوى ولا توجد نواة، فإن عملية النسخ ستحدث في السيتوبلازم. وذلك حيث نجد جزيء ‪mRNA‬‏ هذا. الآن، دعونا نغلق التتابع الموجود على اليمين حتى يمكننا رؤية النسخة النهائية.

لاحظوا أن هذه نسخة صغيرة غير واقعية تتكون من تسع نيوكليوتيدات فقط. أما في الحياة الواقعية، فيمكن أن تكون النسخ أكبر بكثير. الديستروفين البشري هو بروتين موجود في أنسجة العضلات، وطول جينه 2.3 مليون من أزواج القواعد. ويحتاج إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي حوالي 16 ساعة لنسخ هذا الجين. وهذا يعني أنه ينسخ حوالي 40 نيوكليوتيدة كل ثانية، وهو رقم كبير جدًّا حتى بالنسبة إلى الفرد المفتول العضلات. على أية حال، بالعودة إلى جزيء ‪mRNA‬‏ الصغير لدينا، لاحظنا أنه تم تجميع تتابع جزيء ‪mRNA‬‏ هذا باستخدام الشريط في الاتجاه ثلاثة شرطة إلى خمسة شرطة بمثابة قالب. وهذا لأن إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي هو المسئول عن تخليق جزيء ‪mRNA‬‏ في الاتجاه خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة.

نلاحظ أن تتابع جزيء ‪mRNA‬‏ هذا متطابق مع التتابع المناظر في جزيء ‪DNA‬‏ في الشريط الذي اتجاهه خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة، باستثناء اليوراسيل بالطبع. ولهذا السبب، يطلق أحيانًا على شريط ‪DNA‬‏ في الاتجاه خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة اسم «الشريط المطابق للشفرة»؛ لأنه يطابق تتابع جزيء ‪mRNA‬‏، ويطلق أحيانًا على شريط جزيء ‪DNA‬‏ في الاتجاه ثلاثة شرطة إلى خمسة شرطة اسم «الشريط المعاكس للشفرة»؛ نظرًا لأنه يكون مكملًا لتتابع جزيء ‪mRNA‬‏.

هناك نوع محدد من عيش الغراب، يسمى عيش غراب «قبعة الموت» يمكنه تثبيط عملية النسخ. ويفعل هذا من خلال إنتاج بروتين يسمى «ألفا أمانيتين»، الذي يرتبط بقوة مع إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي. هذا البروتين يمكنه تقييد حركة إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي وإبطاء عملية النسخ بدرجة كبيرة. عادة، فإن إنزيم بلمرة ‪RNA‬‏ ينتج جزيء ‪mRNA‬‏ بمعدل آلاف النيوكليوتيدات كل دقيقة. لكن يمكن أن يبطئ بروتين ألفا أمانيتين هذه العملية إلى عدد قليل من النيوكليوتيدات في الدقيقة. ولأن الخلية لا يمكنها القيام بعملية النسخ بكفاءة، ينخفض معدل إنتاج البروتين ولا يمكن الوفاء بحاجة الخلية؛ ولذا تموت الخلايا. لهذا السبب يعد ألفا أمانيتين سمًّا قاتلًا، ولذلك لا يوصى بتناول أنواع برية غير معروفة من عيش الغراب.

الآن، بعد أن لاحظنا أن عملية النسخ لدينا يمكنها أن تنتج جزيء ‪mRNA‬‏، ففي الواقع لم تكتمل نسخة جزيء ‪mRNA‬‏ هذه تمامًا بعد. فهي لا تزال بحاجة إلى معالجتها بواسطة تعديلات ما بعد عملية النسخ. وقبل أن نبدأ في ذلك، سنعيد جزيء ‪DNA‬‏ هذا داخل النواة الخاصة به. يبدو هذا أفضل. الآن، دعونا نركز اهتمامنا على جزيء ‪mRNA‬‏ هذا الموضح هنا باللون الأزرق. يسمى جزيء ‪mRNA‬‏ هذا في هذه المرحلة النسخة الأولية للحمض النووي الريبوزي الرسول ‪(pre-mRNA)‬‏، وهو يحتاج إلى المعالجة بواسطة تعديلات ما بعد النسخ. سنتناول اثنين من هذه التعديلات. التعديل الأول الذي سنتناوله يسمى تشذيب ‪RNA‬‏. يتكون معظم ‪DNA‬‏ فعليًّا من مناطق غير مشفرة أو مناطق لا تشفر البروتينات.

وفي جزيء ‪pre-mRNA‬‏، يجب إزالة هذه المناطق غير المشفرة والموضحة هنا باللون البرتقالي. تسمى هذه المناطق غير المشفرة «الإنترونات»، وتسمى المناطق المشفرة «الإكسونات»، ويجب أن ترتبط معًا. أثناء تشذيب جزيء ‪RNA‬‏، تزال هذه الإنترونات، في حين ترتبط الإكسونات معًا، ويمكن تكرار هذه العملية في الطرف الآخر. بعد ذلك، يمكن أن يخضع جزيء ‪RNA‬‏ المشذب بإكسوناته المرتبطة معًا لتعديل آخر من تعديلات ما بعد عملية النسخ. أثناء إضافة ذيل عديد الأدينين، يضاف العديد من نيوكليوتيدات الأدينين إلى الطرف ثلاثة شرطة من جزيء ‪mRNA‬‏. وهذا يحسن استقرار جزيء ‪mRNA‬‏، ويمكن أن يساعد في نقله من النواة.

يمكن أن يحدث تعديل آخر من تعديلات ما بعد عملية النسخ على الطرف خمسة شرطة من جزيء ‪mRNA‬‏؛ حيث تضاف نيوكليوتيدة محددة. وتسمى قبعة خمسة شرطة. بعد تعديلات ما بعد عملية النسخ، يصبح لدينا جزيء ناضج من ‪mRNA‬‏. في الخلايا الحقيقية النوى، يمكن أن يخرج الآن جزيء ‪mRNA‬‏ الناضج من النواة ويدخل السيتوبلازم. هنا، يمكنه أن يترجم بعد ذلك لتكوين البروتين للجين المناظر.

الآن بعد أن فهمنا عملية النسخ بمزيد من التفصيل، دعونا نتناول سؤالًا تدريبيًّا.

يخضع شريط مفرد من الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ للنسخ يقرأ ثلاثة شرطة ‪AATCCGATCG‬‏ خمسة شرطة. ما التتابع الموجود على الشريط المكمل من الحمض النووي الريبوزي الرسول ‪(mRNA)‬‏ في اتجاه خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة؟ (أ) ‪TTCGGATCGA‬‏، أو (ب) ‪GGAUUCGAUC‬‏، أو (ج) ‪UUAGGCUAGC‬‏، أو (د) ‪AATCCGATCG‬‏، أو (هـ) ‪TTAGGCTAGC‬‏.

المطلوب في هذا السؤال هو نسخ تتابع من الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ إلى الحمض النووي الريبوزي الرسول ‪(mRNA)‬‏. لعلنا نتذكر أنه عندما يتطلب الأمر التعبير عن جين على شكل بروتين، يجب أولًا نسخه أو نقله إلى جزيء ‪mRNA‬‏. وتعرف هذه العملية باسم النسخ. بعد ذلك، يمكن تحويل هذه النسخة من جزيء ‪mRNA‬‏ إلى تتابع من الأحماض الأمينية في سلسلة عديد الببتيد. وتعرف هذه العملية باسم الترجمة، وبعد تكون عديد الببتيد، يمكن أن يطوى على شكل بروتين يؤدي وظيفة معينة. يسمى الإنزيم المسئول عن تحويل جزيء ‪DNA‬‏ إلى جزيء ‪mRNA‬‏ باسم إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي، ويتصل باللولب المزدوج لجزيء ‪DNA‬‏ على النحو الموضح هنا. بمجرد اتصاله، يمكن لإنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي أن يفك اللولب، ويبدأ نسخ أحد شريطي جزيء ‪DNA‬‏ لتكوين نسخة من ‪mRNA‬‏ للجين.

يتحرك إنزيم بلمرة ‪RNA‬‏ على طول جزيء ‪DNA‬‏ حتى يصل إلى نهاية الجين وتتحرر نسخة جزيء ‪mRNA‬‏. دعونا نتناول عملية النسخ هذه بمزيد من التفصيل لنرى كيف يبدو هذا في تتابع الحمض النووي. التتابع الذي سنستخدمه هو التتابع الوارد في السؤال. يمكننا هنا أن نرى شريطي جزيء ‪DNA‬‏. نتذكر أن ‪DNA‬‏ له اتجاهية. لذا، يكون أحد الشريطين في الاتجاه خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة، ويكون الشريط المقابل في الاتجاه ثلاثة شرطة إلى خمسة شرطة. التتابع الوارد في هذا السؤال هو للشريط الذي اتجاهه ثلاثة شرطة إلى خمسة شرطة. وفي الواقع، الشريط الذي في الاتجاه ثلاثة شرطة إلى خمسة شرطة هو ما يستخدم قالبًا أثناء عملية النسخ. لذا، بمجرد أن يرتبط إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي باللولب ويفكه، كما هو موضح هنا، يمكن أن يبدأ إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي في إضافة نيوكليوتيدات لبناء جزيء ‪mRNA‬‏.

نظرًا لأن الشريط في الاتجاه ثلاثة شرطة إلى خمسة شرطة يستخدم قالبًا، يتم تجميع جزيء ‪mRNA‬‏ المناظر، الممثل هنا بهذا السهم الأخضر، في الاتجاه خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة. ويخلق ‪mRNA‬‏ باستخدام أسس تزاوج القواعد المتكاملة المستخدمة في جزيء ‪DNA‬‏. في ‪DNA‬‏، يقترن الجوانين أو ‪G‬‏ مع السيتوزين من خلال تكوين روابط هيدروجينية، تمثلها هنا هذه النقاط السوداء، ويقترن الأدينين مع الثايمين. هناك استثناء واحد. في جزيء ‪RNA‬‏، الثايمين غير موجود، ويحل محل الثايمين فعليًّا نيوكليوتيدة أخرى هي اليوراسيل أو ‪U‬‏.

الآن دعونا نبدأ كتابة تتابع جزيء ‪mRNA‬‏ بإضافة القواعد المتكاملة. عادة ما يقترن الأدينين بالثايمين، لكن نظرًا لأننا نكون ‪mRNA‬‏، ولا يوجد به ثايمين، فإن اليوراسيل يحل محله. ويقترن الثايمين الموجود في جزيء ‪DNA‬‏ مع الأدينين الموجود في جزيء ‪mRNA‬‏، ويقترن السيتوزين في جزيء ‪DNA‬‏ مع الجوانين في جزيء ‪mRNA‬‏، ويقترن الجوانين مع السيتوزين. لم لا توقفون الفيديو مؤقتًا وتتحققون مما إذا كان بإمكانكم تكملة باقي التتابع؟

حسنًا، نحن جاهزون الآن لملء هذا التتابع. إذن، فإن تتابع جزيء ‪mRNA‬‏ الذي يقرأ في اتجاه خمسة شرطة إلى ثلاثة شرطة هو ‪UUAGGCUAGC‬‏.

الآن دعونا نلق نظرة على بعض النقاط الأساسية التي تناولناها في هذا الفيديو. تتدفق المعلومات الوراثية من جزيء ‪DNA‬‏ إلى جزيء ‪mRNA‬‏ ثم إلى البروتين. عملية النسخ هي عملية تحويل جزيء ‪DNA‬‏ إلى جزيء ‪mRNA‬‏. الإنزيم الذي يلعب دورًا رئيسيًّا في عملية النسخ هو إنزيم بلمرة الحمض النووي الريبوزي. في الخلايا الحقيقية النوى تحدث عملية النسخ في النواة، وفي الخلايا البدائية النوى تحدث عملية النسخ في السيتوبلازم. وأخيرًا، يمكن أن يخضع ‪mRNA‬‏ لتعديلات ما بعد عملية النسخ، مثل تشذيب جزيء ‪RNA‬‏ وإضافة ذيل عديد الأدينين.