stanford-oval/wikipedia huggingface dataset:
جين
المخطط العام للتحكم الجيني > الكتل البنائية الأساسية للـ DNA > تنظيم النوويدات لتكوين خيطي DNA مرتبطين برابطة رخوة

ترتبط الأعداد المضاعفة من النوويدات مع بعضها البعض لتكوين الـ DNA بشكل يتناوب فيه حمض الفوسفوريك مع سكر الريبوز منقوص الأكسجين في الخيطين المنفصلين. ويرتبط هذان الخيطان مع بعضهما بروابط رخوة من قاعدتي البيورين والبيريميدين؛ ولكن من الملاحظ أن:
القاعدة البيورينية (أدينين) ترتبط دائما مع القاعدة البيريمدينية (ثيمين).
القاعدة البيورينية (جوانين) ترتبط دائما مع القاعدة البيريميدينة (سيتوزين).
فيكون سياق الأزواج المتتامة للقواعد هو: CG ، CG ، GC ، TA ، GC ، AT ، AT. وترتبط هذه القواعد مع بعضها البعض بروابط هيدروجينية رخوة تمثلها الخطوط المتقطعة الشكل، وتتمكن هذه الخيوط بسبب رخاوة هذه الروابط من الانفصال عن بعضها بسهولة وهي تقوم بذلك مرات عديدة أثناء دورات عملها في الخلية. ولوضع الـ DNA في منظوره الفيزيائي المناسب يتم التقاط نهايتيه وفتلهما بشكل حلزوني؛ حيث توجد عشرة أزواج من النوويدات في كل دورة كاملة من الحلزون في جزيء الـ DNA.
الرمز الجيني genetic code

تنبع أهمية الـ DNA من قابليته على التحكم في تكوين المواد الأخرى في الخلية، ويقوم بذلك عن طريق مايسمى بالترميز الجيني genetic code. فعندما ينفصل خيطا جزيء الـ DNA عن بعضهما تنكشف قاعدتا البيورين والبيريميدين، وتبرز لجهتي كل من الخيطين، وتكوِّن هذه القواعد البارزة الترميز الجيني.
وقد أوضحت دراسات بحثية في الأعوام الأخيرة بأن الترميز الجيني يتكون من سلسلة من ثلاثيات القواعد، أي أن كل ثلاث قواعد متعاقبة تكوِّن كلمة رمزية جينية واحدة تسمى كودون. وتتحكم الثلاثيات المتعاقبة (الكودونات) في تكوين الأحماض الأمينية في جزيء البروتين أثناء تكوينه في الخلية؛ حيث يكون كلاً من خيطي جزيء الـ DNA يحمل رمزه الجيني الخاص به. فمثلاً يحمل الخيط العلوي الرمز الجيني (الذي يقرأ من اليسار إلى اليمين) CTT ،AGA ،GGC، وتكون الثلاثيات مفصولة عن بعضها البعض بالأسهم، وهذه الثلاثيات الخاصة السابقة مسؤولة عن الأحماض الأمينية الثلاثة: حمض البرولين، وحمض السيرين، وحمض الجلوتاميك، في جزيء البروتين.
تركيب الـ RNA

ينفصل خيطا جزيء الـ DNA عن بعضهما مؤقتا أثناء تكوين الـ RNA، ويستعمل أحدهما بعدئذ كمرصاف لتركيب جزيئات الـ RNA، وتؤدي الثلاثيات الرمزية في الـ DNA إلى تكوين ثلاثيات رمزية code triplets تكميلية (تتميمة) تسمى روامز codons في الـ RNA، وتتحكم هذه الروامز بدورها في نسق الأحماض الأمينية في البروتين الذي سيركب بعد ذلك في سيتوبلازم الخلية. وعندما يستعمل أحد خيطي الـ DNA بهذه الطريقة لتكوين الـ RNA يبقى الخيط الآخر معطلاً، وخيط الـ DNA في الصبغي chromosome هو جزيء كبير جدا لدرجة أنه يحمل رموز لحوالي 4000 جين في المعدل.
تركيب الـ RNA > المجموعات البنائية الأساسية للـ RNA

إن المجموعات البنائية الأساسية للـ RNA هي تقريبا نفس تلك التي للـ DNA فيما عدا اختلافين اثنين، أولهما هو أن سكر الريبوز المنقوص الأكسجين لا يستعمل في تكوين الـ RNA ويدخل بدلا منه سكر ثان ذو تركيب مختلف قليلا، والاختلاف الثاني هو حلول بريميدين آخر هو اليوراسيل uracil بدلا من الثيمين في تكوين الـ RNA.
تركيب الـ RNA > تكوين نوويدات الـ RNA

تكون الكتل البنائية القاعدية للـ RNA أولا نوويدات شبيهة بالتي تم وصفها في تركيب الـ DNA. و هنا تستعمل أيضا أربعة نوويدات في تكوين الـ RNA وتحوي هذه النوويدات القواعد النووية الأدينين والجوانيين والسيتوزين واليوراسيل، ومن الملاحظ أنها هي نفس قواعد الـ DNA فيما عدا واحداً منها إذ استعمل اليوراسيل في تركيب الـ RNA عوضا عن الثيمين المستعمل في تكوين الـ DNA.
تركيب الـ RNA > تكوين نوويدات الـ RNA > تنشيط النوويدات

إن الخطوة الثانية في تركيب الـ RNA هي تنشيط النوويدات، ويتم ذلك بإضافة جذرين فوسفاتيين لكل نوويد لتكوين ثلاثيات الفوسفات، ويتحد الفوسفاتان الأخيران مع النوويد بروابط فوسفاتية عالية الطاقة مشتقة من ATP الخلية، وتنتج عن عملية التنشيط هذه كميات كبيرة من الطاقة التي توفر لكل من النوويدات، وتستعمل هذه الطاقة في تحريض التفاعلات الكيميائية التي تؤدي إلى تكوين سلسلة الـ RNA.
تحول رمز الدنا إلى رمز الرنا في عملية الانتساخ

نظرا لأن الدنا كله تقريبا يوجد في نواة الخلية، ونظرا لأن معظم وظائف الخلية تجري في السيتوبلازم، فلابد من وجود وسائل لجينات النواة للتحكم في حدوث العمليات الكيميائية الخلوية في سيتوبلازم الخلية، ويتحقق ذلك بتوسط نوع آخر من الأحماض النووية وهو الحمض الريبي النووي (الرنا) الذي يتحكم الدنا في النواة بتكوينه.
و تتحول الرموز في هذه العملية التي تسمى الانتساخ transcription إلى رنا، ثم ينقل الرنا من النواة إلى منطقة السيتوبلازم حيث يتحكم في تركيب البروتين.
و يتم تجميع جزيء الرنا من النوويدات المنشطة باستعمال أحد خيطي الدنا كمرصاف (قالب) خلال عملية الانتساخ؛ حيث تتم عملية تجميع جزيء الرنا بتأثير إنزيم بوليميراز الرنا؛ وهو إنزيم كبير جدا ذو خواص وظيفية ضرورية لتكوين جزيء الرنا، وهذه الخواص هي:
يوجد في خيط الـ DNA وأمام الجين الأولي مباشرة نسق نوويدات يسمى المحَرِض promoter، ويوجد لبوليميراز الـ RNA بنية تكميلية مناسبة تعرف على هذا المحرض وتلتصق به، وهذه هي خطوة ضرورية لبدء تكوين جزيء الـ RNA.
يتم التفاف حوالي لفتين من حلزون الـ DNA، وتنفصل الأجزاء غير الملتفة من الخيطين.
يتحرك بعد ذلك البوليميراز على طول خيط الـ DNA، ويفك ويفصل خيطي الـ DNA مؤقتا في كل مرحلة من مراحل حركته، وعندما يتحرك متقدما يكوَّن جزيء الـ RNA حسب الخطوات التالية.
يتم أولا توليد روابط هيدروجينية بين قواعد خيط الـ DNA ونوويدات الـ RNA المناسبة لها في داخل نواة الخلية.
ومن ثم يقطع بوليميراز الـ RNA جذرين من جذور الفوسفاتية الثلاثة واحدا كل مرة بعيدا عن كل من هذه النوويدات محررا بذلك كميات كبيرة من الطاقة من الروابط الفوسفاتية عالية الطاقة المقطوعة.
و تستعمل هذه الطاقة لتوليد ارتباط تساهمي covalent linkage للفوسفات الباقية على النوويد مع سكر الريبوز على نهاية جزيء الـ RNA المتنامي.
عندما يصل بوليمراز الـ RNA إلى نهاية جين الـ DNA فإنه يواجه نسقاً جديدا من نوويدات الـ DNA يسمى النسق المنهي للسلسلة chain - terminating sequence، فيسبب بذلك انقطاع البوليميراز بعيدا عن خيط الـ DNA، ومن ثم يتمكن البوليميراز من الالتصاق في محل آخر لاستعماله مرة بعد أخرى لتكوين جزيئات جديدة من الـ RNA.
عندما يتم تكوين خيط جديد من الـ RNA تنقطع روابطه الهيدروجينية مع مرصاف template الـ DNA لأن لخيط الـ DNA التكميلي طاقة ربط أعلى، فترخي خيط الـ RNA الجديد وتعيد ربط خيطي الـ DNA. وبهذه الطريقة يطلق جزيء الـ RNA إلى داخل جبلة النواة.
ومن الضروري معرفة أن هناك أربعة أنواع مختلفة من قواعد الـ DNA، كما أن هناك أربع قواعد نوويدية من الـ RNA، وعلاوة على ذلك تتحد هذه القواعد دائماً مع بعضها البعض باتحادات نوعية، ولذلك ينتقل الراموز الذي يوجد في خيطي الـ DNA بشكل تكاملي إلى جزي الـ RNA.
تتحد قواعد نوويد سكر الريبوز دائما مع قواعد الريبوز منقوص الأكسجين بشكل الاتحادات التالية:
| قاعدة الـ DNA | قاعدة الـ RNA |
| --- | --- |
جوانين: سيتوزين
سيتوزين: جوانين
أدينين: يوراسيل
ثيمين: أدينين
لابد لجزيئات الـ RNA التي تطلق إلى جبلة النواة من أن تعامل ثانية قبل دخولها الهيولي، ويعود سبب ذلك إلى أن الـ RNA المنسوخ حديثا يحوي العديد من نسق جزيئات نوويد الـ RNA غير المرغوب فيها، والتي يقع بعضها عند نهايتي خيط الـ RNA، ولكن البعض الآخر منها يقع في وسط خيط الـ RNA. وتكون هذه المواد غير المرغوب فيها أكثر من 90 بالمئة من مجموع خيط الـ RNA .
كما أن هناك سلسلة من الإنزيمات الموجودة ضمن جبلة النواة لها القدرة على قطع هذه النسق غير المرغوب فيها وتعيد بعد ذلك وصل خيط الـ RNA، وتسمى هذه العملية باسم وصل الـ RNA أو RNA splicing، ويصبح الـ RNA عند ذاك جاهزاً لتكوين البروتينات.
تحول رمز الدنا إلى رمز الرنا في عملية الانتساخ > أنواع الـ RNA الثلاثة

هناك ثلاثة أنواع مختلفة من الـ RNA يقوم كل منها بدور مستقل ومختلف عن النوعين الآخرين في تكوين البروتين وهي:
الـ RNA الرسول messenger RNA ؛ وهو الذي يحمل الرمز الجيني إلى سيتوبلازم الخلية للتحكم في تكوين البروتينات.
الـ RNA الناقل transfer RNA ؛ وهو الذي ينقل الأحماض الأمينية المنشطة إلى الريبوسومات لاستعمالها في تركيب جزيئات البروتين.
الـ RNA الريبوسومي ribosomal RNA ؛ وهو الذي يكون مع حوالي 75 بروتيناً مختلفا الريبوسومات، وهي البنيات الفيزيائية والكيميائية التي تتجمع عليها جزيئات البروتين.
تحول رمز الدنا إلى رمز الرنا في عملية الانتساخ > أنواع الـ RNA الثلاثة > الـ RNA الرسول

تتكون جزيئات الـ RNA الرسول من خيوط طويلة معلقة في سيتوبلازم الخلية، وهي تتكون عادة من عدة مئات إلى عدة آلاف من النوويدات على هيئة خيوط غير مزدوجة، وتحتوي على رموز النوويدات في خيوط غير مزدوجة، وتحتوي على رموز codons تكميلية كاملة للثلاثيات الرمزية للجين.
ويبين الجدول التالي رموز الـ RNA للأحماض الأمينية العشرين المختلفة الشائعة التي توجد في جزيئات البروتين:
| الحمض الأميني | رموز الـ RNA |
| --- | --- |
ألانين: GCU GCC GCA GCG
أرجنين: CGU CGC CGA CGG AGA AGG
أسبارجين: AAU AAC
سيستئين: UGU UGC
حمض الجلوتاميكك: GAA GAG
جلوتامين: CAA CAG
جليسين: GGU GGC GGA GGG
هستيدين: CAU CAC
أيزوليوسين: AUU AUC AUA
ليوسين: CUU CUC CUA GUA GUC UUA UUG
ليزين: AAA AAG
مثيونين: AUG
فينيل ألانين: UUU UUC
برولين: CCU CCC CCA CGG
سيرين: UGU UCC UCA UCG AGCAGU
ثريونين: ACU ACC ACA ACG
تربتوفان: UGG
تيروزين: UAU UAC
فالين: GUU GUC GUA GUG
قاعدة البدء (CI): AUG
قاعدة الانتهاء (CT): AUU UAG UGA
ويلاحظ من الجدول السابق أن معظم الأحماض الأمينية ممثلة بأكثر من رمز codon واحد. كما أن رمز واحد يمثل الإشارة ابدأ تكوين جزيء البروتين، وتمثل ثلاث رموز الإشارة أوقف تكوين جزيء البروتين. ويمثل هذان النوعان من الرموز في الجدول السابق بالرمز CI (من chain - initiating)، وبالرمز CT (من chain - terminating) أي إنهاء السلسلة.
تحول رمز الدنا إلى رمز الرنا في عملية الانتساخ > أنواع الـ RNA الثلاثة > الرنا الناقل

يسمى النوع الآخر من الرنا الذي يقوم بدور مهم في تركيب البروتين الرنا الناقل transfer RNA ، لأنه ينقل جزيئات الحمض الأميني إلى جزيئات البروتين عند تكوينها، وهناك أنواع عديدة مختلفة من الـ RNA الناقل ولكن كل نوع منه يتحد نوعياً بواحد فقط من الأحماض الأمينية العشرين التي تضمن في البروتينات، ثم يعمل الـ RNA الناقل كحامل carrier ينقل نوعه المعين من الحمض الأميني إلى الريبوسومات حيث يكوَن البروتين. ويتعرف كل نوع خاص من الـ RNA الناقل في الريبوسومات على رمز خاص على الـ RNA الرسول؛ وبهذا يوصل الحمض الأميني المناسب إلى موضعه المناسب في سلسلة جزيء البروتين الذي يتكون حديثاً .
و الـ RNA الناقل الذي يحوي تقريباً 80 نوويداً فقط هو مجرد جزيء صغير إذا ما قورن بالـ RNA الرسول . وهو سلسلة مطوية من النوويدات ذات مظهر شبيه بورقة البرسيم . ويوجد في إحدى نهايتي الجزيء دائماً الحمض النووي أدينيليك، وبهذا يتصل الحمض الأميني المنقول ويلتصق بمجموعة الهيدروكسيل في ريبوز حمض الأدينيليك . ويولد هذا الالتصاق إنزيماً نوعياً معيناً لكل نوع من أنواع الـ RNA الرسول . كما يعين هذا الإنزيم نوع الحمض الأميني الذي سيلتصق بكل نوع مناسب من أنواع الـ RNA الناقل.
و لما كانت وظيفة الـ RNA الناقل هي لصق حمض أميني معين بسلسلة بروتين في دور التكوين يصبح من الضروري أن يكون لكل نوع من أنواع الـ RNA الناقل نوعية خاصة برمز خاص في الـ RNA الرسول . والرمز النوعي في الـ RNA الناقل الذي يتمكن من التعرف على رمز معين هو أيضاً مكون من قواعد نووية ثلاثية تسمى مقابلة الرمز anticodon . وتقع هذه في وسط جزيء الـ RNA الناقل تقريباً . وتتحد أثناء تكوين جزيء البروتين قواعد مقابلات الرمز بصورة رخوة بواسطة رابطة الهيدروجين مع قواعد الـ RNA الرسول . وبهذه الطريقة تصطف الأحماض الأمينية المناسبة واحداً بعد الآخر على طول سلسلة الـ RNA الرسول مولدة بذلك نسقاً مناسباً من الأحماض الأمينية في جزيء البروتين .
تحول رمز الدنا إلى رمز الرنا في عملية الانتساخ > أنواع الـ RNA الثلاثة > الـ RNA الريبوسومي

النوع الثالث من RNA الخلية هو الـ RNA الريبوسومي ribosomal RNA الذي يكون حوالي 60% من ريبوسومات الخلية تقريبا، ويتكون القسم الباقي منها من البروتين الذي يحوي حوالي 75 نوعا مختلفا من البروتينات البنيوية والإنزيمية الضرورية لإنتاج جزيئات البروتين، والريبوسومات هي البنيات الفيزيائية في سيتوبلازم الخلية، والتي تتولد عليها جزيئات البروتين ولكنها تعمل دائما بالترافق مع نوعي الـ RNA الآخرين، فينقل الـ RNA النقل الأحماض الأمينية إلى الريبوسومات لتضمينها ضمن جزيئات البروتين المولد بينما يوفر الـ RNA الرسول المعلومات الضرورية لترتيب نسق الأحماض الأمينية بترتيب مناسب لكل نوع معين من أنواع البروتينات المولدة، وتتكون ريبوسومات الخلايا المنواة من وحدتين ثانويتين، وهما الوحدة الثانوية الصغيرة وهي تحوي جزيء واحد من الـ RNA و 33 بروتيناً، والوحدة الثانوية الكبيرة وهي تحوي 3 جزيئات RNA وأكثر من 40 بروتيناً، وبالرغم من أن كيفية آلية صنع البروتين في الريبوسومات محدودة المعرفة، إلا أنه من المعروف أن الـ RNA الرسول والـ RNA الناقل يتحدان أولاً مع الوحدة الثانوية الصغيرة، وتجهز بعد ذلك الوحدة الثانوية الكبيرة معظم الإنزيمات التي تعزز الارتباط الببتيدي بين الأحماض الأمينية المتتالية؛ ولهذا فإن الريبوسوم يعمل كمصنع يتم فيه تصنيع جزيئات البروتين.
تحول رمز الدنا إلى رمز الرنا في عملية الانتساخ > أنواع الـ RNA الثلاثة > الـ RNA الريبوسومي > تكوين الريبوسومات في النوية

توجد جينات الـ DNA الخاصة بتكوين الـ RNA الريبوسومي في هيئة خمسة أزواج صبغية مختلفة في النواة. ويحتوي كل صبغي العديد من النسخ المضاعفة من هذه الجينات بسبب الحاجة الشديدة لكميات كبيرة من الـ RNA الريبوسومي التي تتطلبها الوظائف الخلوية. ويتجمع الـ RNA الريبوسومي عند تكوينه في النُوية nucleolus، وهي بنية خاصة تقع بجوار الصبغيات chromosomes، وعندما يتم صنع كميات كبيرة من الـ RNA الريبوسومي، كما يحدث في الخلايا التي تولد كميات كبيرة من البروتين، فتصبح النوية كبيرة جدا. وعلى العكس من ذلك فإنها تكون صغيرة جدا بحيث لا ترى أبدا في الخلايا التي تصنع كميات صغيرة من البروتين، ويعامل الـ RNA الريبوسومي بصورة خاصة في النوية ويتحد مع البروتينات الريبوسومية ليكون نتاجات حبيبية مكثفة، وهي الوحدات الثانوية البدئية للريبوسومات، ثم تحرر هذه البنيات من النوية وتنقل خلال الثغور الكبيرة لغلاف النواة إلى كل أقسام السيتوبلازم تقريبا. وتجمع هذه الوحدات الثانوية لتكون ريبوسومات وظيفية ناضجة عندما تدخل السيتوبلازم فقط ولذلك لا تتولد البروتينات في النواة لأنها لا تحوي ريبوسومات ناضجة.
تحول رمز الدنا إلى رمز الرنا في عملية الانتساخ > أنواع الـ RNA الثلاثة > تكوين البروتينات على الريبوسومات في عملية الترجمة

عندما يلامس جزيء الـ RNA الرسول ريبوسوم ما فإنه يرتحل على طوله ابتداء من نهاية مسبقة التعيين على جزيء الـ RNA ومعينة حسب نسق مناسب من قواعد الـ RNA، ويتكون جزيء بروتينى أثناء ترحيل الـ RNA الرسول على طول الريبوسوم؛ وتسمى هذه العملية باسم عملية الترجمة translation. وبهذه الطريقة يقرأ الريبوسوم روامز الـ RNA الرسول بنفس الطريقة التي يقرأ بها الشريط عندما يمر خلال رأس جهاز التسجيل، وعندما يمر رمز الإيقاف stop codon (أو رمز إنهاء السلسلة chain - terminating codon) عبر الريبوسوم، تؤشر نهاية جزيء البروتين ويحرر كل الجزيء إلى سيتوبلازم الخلية.
تحول رمز الدنا إلى رمز الرنا في عملية الانتساخ > أنواع الـ RNA الثلاثة > عديدات الريبوسومات

يتمكن جزيء الـ RNA الرسول الواحد من تكوين عدة جزيئات بروتين في عدة ريبوسومات مختلفة وفي وقت واحد ، وذلك بمرور خيط الـ RNA على طول ريبوسوم متعاقب مع آخر بعد ترك الريبوسوم الأولي. كما أن جزيئات البروتين تكون في مراحل تطورية مختلفة في كل ريبوسوم؛ وكنتيجة لذلك غالبا ماتتولد عناقيد من الريبوسومات فتلتصق 3 إلى 10 ريبوسومات ببعضها البعض بواسطة RNA رسول واحد في كل مجموعة منها، وتسمى هذه العناقيد عديدات الريبوسومات polyribosomes. ويتمكن الـ RNA الرسول من تكوين جزيء بروتين في أي ريبوسوم، وليست هناك أية نوعية خاصة لريبوسومات معينة لنوع معين من البروتينات، فالريبوسوم هو ببساطة بنية تتم فيها العمليات الكيميائية.
تحول رمز الدنا إلى رمز الرنا في عملية الانتساخ > أنواع الـ RNA الثلاثة > عديدات الريبوسومات > التصاق عديد الريبوسومات بالشبكة الإندوبلازمية الباطنة

هناك العديد من الريبوسومات التي تلتصق بالشبكة الإندوبلازمية الباطنة، ولايحدث ذلك إلا حينما تبدأ الريبوسومات في تكوين جزيئات البروتين، ومع ذلك فإن هناك بعض النهايات البدئية لبعض أنواع الجزيئات البروتينية تلصق نفسها مباشرة بمواقع على مستقبلات نوعية على الشبكة الإندوبلازمية الباطنة مما يؤدي إلى اختراق هذه الجزيئات للجدار الشبكي ودخولها إلى مطرس الشبكة الإندوبلازمية الباطنة، ويحدث هذا طالما أن الريبوسوم لازال يعمل في توليد جزيء البروتين الذي يسحب الريبوسوم إلى الشبكة الإندوبلازمية الباطنة مما يعطيها مظهرها الحبيبي.
و يتحدد ذلك عن طريق العلاقة الوظيفية للـ RNA الرسول مع الريبوسومات والطريقة التي تلتصق بها الريبوسومات بغلاف الشبكة الإندوبلازمية الباطنة، ومن الملاحظ أن عملية الترجمة هذه تتم في عدة ريبوسومات في نفس الوقت استجابة لنفس خيط RNA الرسول، كما يلاحظ مرور سلاسل عديد الببتيد حديثة التكوين خلال الشبكة الإندوبلازمية الباطنة إلى مطرس الهيولي الداخلي، ومع ذلك يجب الإشارة إلى أنه ماعدا ما يحدث في الخلايا الغدية التي تكون كميات كبيرة من حويصلات إفرازية حاوية للبروتين فإن معظم البروتينات التي تكونها الريبوسومات تحرر مباشرة إلى العصارة الخلوية وهذه هي الإنزيمات وبروتينات البنيات الداخلية للخلية.
تحول رمز الدنا إلى رمز الرنا في عملية الانتساخ > تصنيع المواد في الخلية

تتحكم عدة آلاف من إنزيمات البروتين في كل التفاعلات الكيميائية الأخرى التي تتم في الخلية، وتحفز هذه الإنزيمات تصنيع الدهون والجليكوجين والبيورينات والبيريميدينات والمئات من المواد الأخرى، وتتم بهذه العمليات التصنيعية المختلفة العديد من وظائف الخلية.
التحكم في الوظائف الجينية والأنشطة الكيميائية الحيوية في الخلايا

لكي تتحكم الجينات في أنشطة الخلية فلابد من التحكم في تنشيط الجينات نفسها، وإلا فقد يحدث نمو مفرط في أحد أقسام الخلية أو قد يطغى نشاط بعض هذه التفاعلات الكيميائية إلى أن يؤدي إلى موت الخلية. كما يوجد لكل خلية تلقيم راجع (تغذية راجعة) داخلي قوي يتحكم في الآليات التي تحافظ على كل العمليات الوظيفية المختلفة للخلية متناسقة مع بعضها البعض. وتوجد لكل جين أو لكل مجموعة صغيرة من الجينات (الذي يبلغ مجموعها 100000 جين) آلية تلقيم راجع واحدة على الأقل.
و لقد ساهمت أصغر الفيروسات بشكل كبير في فهم الوظائف الخلوية لأن هذه الكائنات بسيطة جدا تمكن البيولوجيين من دراسة أدق وأكمل التفصيلات تقريبا لكل جزيء فيها وبمستوى أعلى قليلا، ساهمت الجراثيم في تقديم المعلومات القيمة في هذا المجال وخصوصا الإشريكية القولونية Eschcrichia coli التي توجد بكثرة في الأمعاء والغائط، ولكن الخلايا المنواة معقد التركيب جدا عن هذه الأحياء الدنيا فلم يتمكن العلماء إلا حديثا من معرفة بعض آليات التحكم فيها والتي ابتكرتها هذه الأشكال المتطورة من الحياة، ولتوضيح تعقيد الخلايا المنواة (والتي تسمى حقيقيات النواة eukaryotes) فإن هذه الخلايا تحوي ما يبلغ 1000 ضعف من الـ DNA أكثر مما يحويه جرثوم الإشريكية القولونية. وهناك أساسًا طريقتان مختلفتان للتحكم في الأنشطة الكيميائية الحيوية في الخلية، وتسمى إحدى هاتين الطريقتين التنظيم الجيني genetic regulation ؛ حيث يتم التحكم في فعاليات الجينات نفسها، وتسمى الثانية التنظيم الإنزيمي حيث يتم التحكم في أنشطة الإنزيمات داخل الخلية.
التنظيم الجيني

تتحكم النواة في التصنيع الكيميائي الحيوي كوظيفة لها تسمى المحرض الإنزيمي . ويحتاج تصنيع النتاج الكيميائي الحيوي للخلية في العادة إلى سلسلة من التفاعلات، ويحفز كل واحد منها إنزيم بروتيني خاص. ويتحكم في إنتاج كل الإنزيمات التي تحتاجها العمليات التصنيعية نسق من الجينات التي توجد في سلاسل الجينات المتتالية على نفس خط الـ DNA الصبغي . وتسمى هذه المنطقة من خيط الـ DNA باسم المَشغَل operator . وتسمى الجينات المسؤولة عن الإنزيمات الخاصة الجينات البنيوية structural genes . فتقوم الجينات خاصة في المشغل بالتحكم في تكوين ثلاثة إنزيمات خاصة تستعمل في عملية تصنيع نتاج معين داخل الخلايا . كما يوجد قطعة على خيط الـ DNA المحرَض promoter . وهذه هي سلسلة من النوويدات لتي لها ألفة خاصة لبوليميراز الـ RNA . وعلى البوليميراز أن يرتبط مع هذا المشغل قبل أن يتمكن من بدء حلقة على طول خيط الـ DNA ليخلق الـ RNA ؛ ولهذا فإن المحرض هو عامل ضروري في تنشيط المشغل .
التنظيم الجيني > تحكم البروتين الكاظم في المَشغَل

يوجد شريط إضافي للنوويدات موجود في وسط المحرض ؛ وتسمى هذه المنطقة باسم العامل الكاظم repressor operator لأنها تعمل كبروتين تحكمي يمكنه الارتباط هنا فيمنع التصاق بوليميراز الـ RNA بالمحرض مانعاً بذلك حدوث انتساخ الجينات . ويسمى مثل هذا النظام البروتيني باسم البروتين الكاظم repressor protien . وبصورة عامة توجد كل البروتينات المنظمة الكاظمة بشكلين تجسيميين متباينين، يتمكن أحدهما من الارتباط بالعامل operator ويكظم الانتساخ، أما الثاني فإنه لا يرتبط به . وهذا يعني أن أحد الشكلين يتمكن من أن يكَوِن جزيء بروتين مستقيم ويكون الشكل الثاني نفس الجزيء ولكنه محني بزاوية عند وسطه . ويتمكن أحد هذين النوعين فقط من كبت العامل . وبالإضافة إلى ذلك تتمكن مختلف المواد غير البروتينية في الخلية - مثل بعض النتاجات الاستقلابية metabolites الموجودة فيها - من الارتباط مع البروتين الكاظم لتغيير حالة شكلة التجسيمي allosteric state . وتسمى المادة التي تغيره وتؤدي إلى اتحاده مع العامل وتوقَف الانتساخ باسم المادة الكاظمة repressor substance أو مادة مثبطة inhibitor substance . ومن الناحية الأخرى تسمى المادة التي تغير البروتين الكاظم وتحفزه على قطع ارتباطه بالعامل باسم مادة منشطة activator substance أو مادة محرضة inducer substance لأنها تنشط أو تحرض عملية الانتساخ بإزالة البروتين الكاظم .
و كمثال يوضح تحكم البروتين الكاظم بانتساخ الجين ؛ ففي العادة لا يتوفر سكر اللاكتوز كمادة غذائية لخلايا الإشريكية القولونية، ولذلك لا تصنع هذه الجراثيم في العادة الإنزيمات التي يحتاجها التحلل الاستقلابي للاكتوز. ولكن عند توفر اللاكتوز فإنه يولد تغييراً شكلياً مغايراً allosteric في البروتين الكاظم مؤدياً إلى انفصاله عن العامل الكاظم على المشغل الذي ينتسخ الإنزيمات الاستقلابية الضرورية . ولذلك يصبح المشغل مزال الكاظم وتتولد الإنزيمات المناسبة خلال بضعة دقائق في الجرثوم لتحلل اللاكتوز . ومن ثم عندما يبدأ اللاكتوز بالاختفاء من داخل الخلية تقل سرعة تصنيع الإنزيمات أيضاً لتعود إلى المستوى الذي يتطلبه وجود كمية اللاكتوز المتوفر فقط . ويتضح من ذلك منطق وجود مثل هذه الأجهزة التنظيمية في الخلية .
التنظيم الجيني > تحكم البروتين المنشط بالمُشغل

يوجد عامل آخر يسمى العامل المُنشط activator operator الذي يقع بجوار المحرض ولكن إلى الأمام منه . فعندما يرتبط بروتين منظم بهذا العامل فإنه يساعد في جذب بوليميرلز الـ RNA إلى المحرض وينشط بذلك المشغل . ولذلك يسمى البروتين المنظم من هذا النوع بروتيناً منشطاً activator protein . ومن الممكن تنشيط المشغل أو تثبيطه بواسطة العامل المنشط بطرق معاكسة تماماً لتحكم العامل الكاظم .
التنظيم الجيني > تحكم التلقيم الراجع السلبي بالمشغل

يوجد كمية حرجة من نتاج مُصنَع في الخلية يمكنه من أن يسبب تثبيطاً بتلقيم راجع سلبي للمشغل المسؤول عن تصنيعه . وهو يتمكن من القيام بذلك إما بجعل البروتين المنظم الكاظم يرتبط بالعامل الكاظم أو بجعل البروتين المنظم النشط يقطع ارتباطه مع العامل المنشط . وفي الحالتين يتم تثبيط المشغل. ولهذا فمتى توفرت كميات كبيرة كافية من المركب المصنع يخمد المشغل . وعلى العكس من ذلك فمتى ما تضاءلت كمية النتاج المصنع في الخلية وهبط تركيزه فيها ينشط المشغل ثانية . وبهذه الطريقة يتم التحكم في تركيز الناتج أتوماتيكياً .
التنظيم الجيني > آليات أخرى للتحكم في الاستنساخ بواسطة المشغل

لقد اكتشفت خلال السنوات الماضية اختلافات في الآلية الأساسية للتحكم بالمشغل. وفيما يلي بعض هذه الاختلافات:
غالباً ما يتحكم بالمشغل جين منظم regulatory gene يقع في محل آخر في المعقد الجيني للنواة . ويقوم الجين المنظم هذا بتكوين بروتين منظم يقوم بدوره إما كمادة منشطة أو كمادة كاظمة تتحكم بالمشغل .
توجد أحياناً عدة مشاغل مختلفة تتحكم في وقت واحد ببروتين منظم واحد . ويعمل في بعض الأحيان نفس البروتين المنظم منشطاً لأحد المشاغل وكاظماً لمشغل آخر . وعندما تحكم عدة مشاغل في وقت واحد بهذه الطريقة تسمى كل هذه المشاغل التي تعمل سوية الناظمة regulon .
لا تُحكم بعض المشاغل عند نقطة ابتداء الاستنساخ على خيط الـ DNA بل إنها تُحكم عوضاً عن ذلك بعيداً عنها على طول الخيط نفسه . ولا يكون التحكم أحياناً على خيط الـ DNA نفسه ولكنه عوضاً عن ذلك يكون في النواة أثناء صنع جزيئات الـ RNA فيها وقبل إطلاقه إلى الهيولى . ونادراً ما يتم التحكم بمستوى ترجمة الـ RNA بواسطة الريبوسومات.
يتكتل DNA النواة في حقيقيات النواة بوحدات بنائية خاصة تسمى الصبغيات chromosomes . ويلتف الـ DNA في كل صبغي حول بروتينات صغيرة تسمى الهستونات histones التي تتكتل بدورها بإحكام بواسطة بروتينات أخرى. وما دام الـ DNA في هذه الحالة المتكتلة فإنه لا يتمكن من العمل على توليد الـ RNA .
و لكن بدأ الآن اكتشاف العديد من آليات التحكم التي تتمكن من توليد باحات منتقاة تتفكك في الصبغيات إلى أقسام متتالية قسماً واجداً في كل مرة بحيث يمكن أن يتم انتساخ الـ RNA . وتستعمل بذلك أنظمة أعلى مرتبة في حقيقيات النواة لتنظيم وظائف الخلايا فيها . وبالإضافة لذلك تتمكن بعض الإشارات من خارج الخلية - مثل بعض الهرمونات - من تنشيط بعض مناطق الصبغيات فتوفر بذلك آليات كيميائية لبعض الوظائف الخاصة .
و نظراً لوجود ما يصل إلى 100000 جين مختلف في كل خلية بشرية، فليس من المستغرب وجود طرق عديدة ومختلفة للتحكم في الفعاليات الجينية . كما أن هذه الأنظمة التحكمية الجينية مهمة بصورة خاصة في التحكم في تراكيز الأحماض الأمينية ومشتقاتها وفي العديد إن لم يكن في معظم الركائز الوسطية لاستقلاب السكريات والشحوم والبروتينات في داخل الخلية .
تحكم التنظيم الإنزيمي في الوظائف داخل الخلايا

بالإضافة للتحكم في وظائف الخلية بواسطة التنظيم الجيني، من الممكن التحكم مباشرة في بعض الإنزيمات داخل الخلايا نفسها بالمثبطات أو بالمنشطات داخل الخلايا. وهذا التنظيم الإنزيمي يمثل صنفاً ثانياً من الآليات التي يمكن أن تُحكم بها الوظائف الخلوية الكيميائية الحيوية.
تحكم التنظيم الإنزيمي في الوظائف داخل الخلايا > تثبيط الإنزيمات

تمتلك بعض المواد الكيميائية التي تتولد في الخلية تأثيراً تلقيمياً راجعاً مباشراً في تثبيط الأنظمة الإنزيمية الخاصة التي تكونها الخلية . ويعمل النتاج المصنع دائماً تقريباً على الإنزيم الأول في النسق بدلاً من تأثيره على الإنزيمات التالية له . وعادة ما يرتبط هذا النتاج بالإنزيم مباشرة ويولد تغييراً شكلياً مغايراً فيه . ومن الممكن التعرف على أهمية تثبيط الإنزيم الأول فهو يمنع تكوين نتاجات وسيطة من دون أن تستعمل في الخلية .
و عملية تثبيط الإنزيم هذه هي مثل آخر على التحكم بالتلقيم الراجع السلبي ؛ فهي مسؤولة عن التحكم في تراكيز بعض الأحماض الأمينية في داخل الخلية كالبيورينات والبيريميدنات والفيتامينات وبعض المواد الأخرى .