تخليق البروتين

تُعدّ عملية تخليق البروتين ، أو عملية تصنيع البروتين ، عملية بيولوجية أساسية تحدث داخل الخلايا ، حيث تُوازن بين فقدان البروتينات الخلوية (عن طريق التحلل أو التصدير ) وإنتاج بروتينات جديدة. تؤدي البروتينات عددًا من الوظائف الحيوية كإنزيمات ، وبروتينات هيكلية، وهرمونات . تتشابه عملية تصنيع البروتين إلى حد كبير في كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى ، ولكن توجد بعض الاختلافات الواضحة. ^{[ 1 ]}

يمكن تقسيم عملية تخليق البروتين بشكل عام إلى مرحلتين: النسخ والترجمة . خلال مرحلة النسخ، يُحوّل جزء من الحمض النووي (DNA) الذي يُشفّر بروتينًا، ويُعرف بالجين ، إلى جزيء يُسمى الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA). تتم هذه العملية بواسطة إنزيمات تُعرف باسم بوليميراز الحمض النووي الريبوزي ، في نواة الخلية . ^{[ 2 ]} في حقيقيات النوى، يُنتج هذا الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) مبدئيًا في صورة غير ناضجة ( pre-mRNA )، والتي تخضع لتعديلات ما بعد النسخ لإنتاج الحمض النووي الريبوزي الرسول الناضج (mRNA ). يُصدّر الحمض النووي الريبوزي الرسول الناضج من نواة الخلية عبر المسام النووية إلى سيتوبلازم الخلية ليحدث الترجمة. خلال مرحلة الترجمة، تقرأ الريبوسومات الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) مستخدمةً تسلسل النيوكليوتيدات لتحديد تسلسل الأحماض الأمينية . تحفز الريبوسومات تكوين روابط ببتيدية تساهمية بين الأحماض الأمينية المُشفّرة لتكوين سلسلة عديد الببتيد . ^{[ 3 ]}

بعد الترجمة، يجب أن تنطوي سلسلة الببتيد لتشكيل بروتين وظيفي؛ فعلى سبيل المثال، لكي تعمل كإنزيم، يجب أن تنطوي سلسلة الببتيد بشكل صحيح لتكوين موقع نشط وظيفي . ولاتباع شكل ثلاثي الأبعاد وظيفي، يجب أن تُشكّل سلسلة الببتيد أولًا سلسلة من البنى الأساسية الأصغر تُسمى البنى الثانوية . ثم تنطوي سلسلة الببتيد في هذه البنى الثانوية لتكوين البنية الثالثية ثلاثية الأبعاد الكلية . وبمجرد انطوائها بشكل صحيح، يمكن للبروتين أن يخضع لمزيد من النضج من خلال تعديلات ما بعد الترجمة المختلفة ، والتي يمكن أن تُغيّر قدرة البروتين على العمل، وموقعه داخل الخلية (مثل السيتوبلازم أو النواة)، وقدرته على التفاعل مع البروتينات الأخرى . ^{[ 4 ]}

يلعب تخليق البروتين دورًا محوريًا في الأمراض، إذ غالبًا ما تكون التغيرات والأخطاء في هذه العملية، من خلال طفرات الحمض النووي أو سوء طي البروتين ، هي الأسباب الكامنة وراء المرض. تُغير طفرات الحمض النووي تسلسل الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) اللاحق، مما يُغير بدوره تسلسل الأحماض الأمينية المُشفّرة في mRNA. قد تُؤدي الطفرات إلى تقصير سلسلة الببتيد عن طريق توليد تسلسل توقف يُسبب إنهاءً مبكرًا للترجمة. بدلاً من ذلك، تُغير طفرة في تسلسل mRNA الحمض الأميني المُشفّر في ذلك الموضع من سلسلة الببتيد. يُمكن أن يُؤثر هذا التغيير في الحمض الأميني على قدرة البروتين على أداء وظيفته أو طيه بشكل صحيح. ^{[ 5 ]} تميل البروتينات المطوية بشكل خاطئ إلى تكوين تجمعات بروتينية كثيفة ، والتي غالبًا ما تُشارك في الأمراض، وخاصة الاضطرابات العصبية بما في ذلك مرض الزهايمر ومرض باركنسون . ^{[ 6 ]}

تحدث عملية النسخ في النواة باستخدام الحمض النووي (DNA) كقالب لإنتاج الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) . في حقيقيات النوى ، يُعرف جزيء mRNA هذا باسم ما قبل mRNA ، حيث يخضع لتعديلات ما بعد النسخ في النواة لإنتاج جزيء mRNA ناضج. أما في بدائيات النوى، فلا حاجة لتعديلات ما بعد النسخ، لذا يُنتج جزيء mRNA الناضج مباشرةً عن طريق النسخ. ^{[ 1 ]}

يوضح الشكل بنية النيوكليوتيد مع تسمية ذرات الكربون الخمس، مما يدل على طبيعة مجموعة الفوسفات في الموقع 5' وطبيعة مجموعة الهيدروكسيل في الموقع 3' اللازمة لتكوين روابط الفوسفودايستر الرابطة.

يوضح الشكل الاتجاهية الجوهرية لجزيء الحمض النووي، حيث يمتد الشريط المشفر من 5' إلى 3'، بينما يمتد الشريط القالب المكمل من 3' إلى 5'.

في البداية، يعمل إنزيم يُعرف باسم الهيليكاز على جزيء الحمض النووي DNA. يتميز الحمض النووي DNA ببنية حلزونية مزدوجة متوازية عكسيًا ، تتكون من سلسلتين متكاملتين من عديدات النوكليوتيدات ، مرتبطتين معًا بروابط هيدروجينية بين أزواج القواعد. يُفكك الهيليكاز هذه الروابط الهيدروجينية، مما يؤدي إلى فك التفاف منطقة من الحمض النووي DNA - التي تُمثل جينًا - وفصل سلسلتي الحمض النووي DNA، وكشف سلسلة من القواعد. على الرغم من أن الحمض النووي DNA جزيء مزدوج السلاسل، إلا أن إحدى السلسلتين فقط تعمل كقالب لتخليق ما قبل mRNA؛ تُعرف هذه السلسلة باسم سلسلة القالب. أما سلسلة الحمض النووي DNA الأخرى (المكملة لسلسلة القالب) فتُعرف باسم سلسلة الترميز. ^{[ 7 ]}  

يتمتع كل من الحمض النووي DNA والحمض النووي الريبي RNA باتجاهية ذاتية ، أي أن لجزيئهما طرفين متميزين. تعود هذه الخاصية إلى عدم تناظر الوحدات الفرعية النيوكليوتيدية، حيث توجد مجموعة فوسفات على أحد طرفي سكر البنتوز وقاعدة على الطرف الآخر. تُرقّم ذرات الكربون الخمس في سكر البنتوز من 1' (حيث ' تعني علامة الفتحة) إلى 5'. بالتالي، تتكون روابط الفوسفودايستر التي تربط النيوكليوتيدات من خلال ربط مجموعة الهيدروكسيل على ذرة الكربون 3' في نيوكليوتيد بمجموعة الفوسفات على ذرة الكربون 5' في نيوكليوتيد آخر. ومن ثم، يمتد شريط الحمض النووي DNA المشفر من 5' إلى 3'، بينما يمتد شريط الحمض النووي DNA المكمل، وهو القالب، في الاتجاه المعاكس من 3' إلى 5'. ^{[ 1 ]}

يرتبط إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA polymerase) بالشريط القالب المكشوف ويقرأ من الجين في الاتجاه من 3' إلى 5'. في الوقت نفسه، يُصنّع بوليميراز الحمض النووي الريبي شريطًا واحدًا من الحمض النووي الريبي الرسول الأولي (pre-mRNA) في الاتجاه من 5' إلى 3' عن طريق تحفيز تكوين روابط فوسفاتية ثنائية الإستر بين النيوكليوتيدات النشطة (الحرة في النواة) القادرة على تكوين أزواج قواعد مكملة مع الشريط القالب. خلف بوليميراز الحمض النووي الريبي المتحرك، يلتحم شريطا الحمض النووي (DNA) مجددًا، بحيث لا يُكشف سوى 12 زوجًا من قواعد الحمض النووي في كل مرة. ^{[ 7 ]} يبني بوليميراز الحمض النووي الريبي جزيء الحمض النووي الريبي الرسول الأولي بمعدل 20 نيوكليوتيدًا في الثانية، مما يُمكّن من إنتاج آلاف جزيئات الحمض النووي الريبي الرسول الأولي من الجين نفسه في الساعة. على الرغم من سرعة التخليق، يحتوي إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي على آلية تدقيق خاصة به. تسمح آليات التدقيق اللغوي لإنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي (RNA polymerase) بإزالة النيوكليوتيدات غير الصحيحة (غير المكملة لسلسلة الحمض النووي DNA) من جزيء ما قبل mRNA المتنامي من خلال تفاعل استئصال. ^{[ 1 ]} عندما يصل إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي إلى تسلسل DNA محدد ينهي عملية النسخ، ينفصل إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي وتكتمل عملية تخليق ما قبل mRNA. ^{[ 7 ]}

جزيء ما قبل mRNA المُصنّع مُكمّل لسلسلة DNA القالبية، ويشترك معها في نفس تسلسل النيوكليوتيدات. مع ذلك، ثمة فرق جوهري في تركيب النيوكليوتيدات بين جزيئات DNA وmRNA. يتكون DNA من القواعد النيتروجينية: الجوانين ، والسيتوزين ، والأدينين، والثايمين ( G، C، A، T). أما RNA فيتكون أيضًا من أربع قواعد: الجوانين، والسيتوزين، والأدينين، واليوراسيل . في جزيئات RNA، تُستبدل قاعدة الثايمين في DNA باليوراسيل، القادر على تكوين أزواج قاعدية مع الأدينين. لذا، في جزيء ما قبل mRNA، تُستبدل جميع القواعد المُكمّلة، التي كانت ستكون ثايمين في سلسلة DNA المُشفّرة، باليوراسيل. ^{[ 8 ]}

التعديلات اللاحقة للنسخ

بمجرد اكتمال عملية النسخ، يخضع جزيء ما قبل mRNA لتعديلات ما بعد النسخ لإنتاج جزيء mRNA ناضج. ^{[ 9 ]}

هناك 3 خطوات رئيسية ضمن التعديلات ما بعد النسخ: ^{[ 10 ]}

1. إضافة غطاء 5' إلى الطرف 5' لجزيء ما قبل mRNA
2. تتم إضافة ذيل بولي (أ) 3' إلى جزيء ما قبل mRNA الطرفي 3'
3. إزالة الإنترونات عبر عملية ربط الحمض النووي الريبوزي

تُضاف القبعة 5' إلى الطرف 5' لجزيء ما قبل mRNA، وهي تتكون من نيوكليوتيد غوانين مُعدَّل بالمثيلة . تتمثل وظيفة القبعة 5' في منع تحلل جزيئات mRNA الناضجة قبل الترجمة، كما تُسهِّل ارتباط الريبوسوم بجزيء mRNA لبدء عملية الترجمة ^{[ 11 ]} ، وتُمكِّن من تمييز mRNA عن أنواع RNA الأخرى في الخلية. ^{[ 1 ]} في المقابل، يُضاف ذيل بولي (A) 3' إلى الطرف 3' لجزيء mRNA، ويتكون من 100-200 قاعدة أدينين. ^{[ 11 ]} تُمكِّن هذه التعديلات المميزة في mRNA الخلية من اكتشاف سلامة رسالة mRNA الكاملة في حال وجود كلٍّ من القبعة 5' والذيل 3'. ^{[ 1 ]}

تخضع جزيئة ما قبل mRNA المعدلة هذه لعملية التضفير. تتكون الجينات من سلسلة من الإنترونات والإكسونات ؛ الإنترونات هي تسلسلات نيوكليوتيدية لا تُشفّر بروتينًا، بينما الإكسونات هي تسلسلات نيوكليوتيدية تُشفّر بروتينًا بشكل مباشر. توجد الإنترونات والإكسونات في كل من تسلسل الحمض النووي DNA الأساسي وجزيئة ما قبل mRNA، لذا، لإنتاج جزيئة mRNA ناضجة تُشفّر بروتينًا، يجب أن تحدث عملية التضفير. ^{[ 7 ]} أثناء التضفير، تُزال الإنترونات المتداخلة من جزيئة ما قبل mRNA بواسطة مُركّب بروتيني مُتعدد يُعرف باسم الجسيم التضفيري (يتكون من أكثر من 150 بروتينًا وRNA). ^{[ 12 ]} ثم تُصدّر جزيئة mRNA الناضجة هذه إلى السيتوبلازم عبر المسام النووية في غلاف النواة.

أثناء عملية الترجمة، تقوم الريبوسومات بتخليق سلاسل عديد الببتيد من جزيئات mRNA القالبية. في حقيقيات النوى، تحدث الترجمة في سيتوبلازم الخلية، حيث تتواجد الريبوسومات إما حرة الحركة أو مرتبطة بالشبكة الإندوبلازمية الخشنة . أما في بدائيات النوى، التي تفتقر إلى النواة، فتحدث عمليتا النسخ والترجمة في السيتوبلازم. ^{[ 13 ]}

الريبوسومات آلات جزيئية معقدة ، تتكون من مزيج من البروتين والحمض النووي الريبوزي الريبوسومي (RNA )، مرتبة في وحدتين فرعيتين (وحدة فرعية كبيرة ووحدة فرعية صغيرة)، تحيطان بجزيء الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA). يقرأ الريبوسوم جزيء mRNA في اتجاه 5'-3' ويستخدمه كقالب لتحديد ترتيب الأحماض الأمينية في سلسلة الببتيد. ^{[ 14 ]} لترجمة جزيء mRNA، يستخدم الريبوسوم جزيئات صغيرة تُعرف باسم الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA)، لنقل الأحماض الأمينية الصحيحة إلى الريبوسوم. يتكون كل جزيء tRNA من 70-80 نيوكليوتيدًا، ويتخذ بنية مميزة تشبه ورقة البرسيم نتيجة لتكوين روابط هيدروجينية بين النيوكليوتيدات داخل الجزيء. يوجد حوالي 60 نوعًا مختلفًا من tRNA، يرتبط كل جزيء tRNA بتسلسل محدد من ثلاثة نيوكليوتيدات (ثلاثيات تُعرف باسم الكودونات ) داخل جزيء mRNA، وينقل حمضًا أمينيًا محددًا. ^{[ 15 ]}

يرتبط الريبوسوم مبدئيًا بجزيء mRNA عند كودون البدء (AUG) ويبدأ بترجمة الجزيء. تُقرأ سلسلة نيوكليوتيدات mRNA على شكل كودونات (ثلاثة نيوكليوتيدات متجاورة في جزيء mRNA تُقابل كودونًا واحدًا). ​​يحتوي كل جزيء tRNA على تسلسل مكشوف من ثلاثة نيوكليوتيدات، يُعرف باسم الكودون المضاد، وهو مكمل في تسلسله لكودون محدد قد يكون موجودًا في mRNA. على سبيل المثال، الكودون الأول الذي يُصادف هو كودون البدء المكون من النيوكليوتيدات AUG. يرتبط جزيء tRNA الصحيح الذي يحمل الكودون المضاد (تسلسل النيوكليوتيدات الثلاثة المكمل UAC) بجزيء mRNA باستخدام الريبوسوم. يُوصل هذا الجزيء الحمض الأميني الصحيح المُقابل لكودون mRNA، وهو في حالة كودون البدء، الحمض الأميني ميثيونين. ثم يرتبط الكودون التالي (المجاور لكودون البدء) بجزيء tRNA الصحيح الذي يحمل الكودون المضاد المكمل، مُوصلًا الحمض الأميني التالي إلى الريبوسوم. ثم يستخدم الريبوسوم نشاطه الإنزيمي كناقل ببتيديل لتحفيز تكوين الرابطة الببتيدية التساهمية بين الحمضين الأمينيين المتجاورين. ^{[ 7 ]}

ثم يتحرك الريبوسوم على طول جزيء mRNA حتى يصل إلى الكودون الثالث. بعد ذلك، يُحرر الريبوسوم جزيء tRNA الأول، إذ لا يستطيع الريبوسوم الواحد جمع أكثر من جزيئين من tRNA في الوقت نفسه. ثم يُختار جزيء tRNA المُكمِّل التالي الذي يحمل الكودون المضاد الصحيح المُكمِّل للكودون الثالث، ليُوصل الحمض الأميني التالي إلى الريبوسوم الذي يرتبط تساهميًا بسلسلة الببتيد المتنامية. تستمر هذه العملية مع تحرك الريبوسوم على طول جزيء mRNA، مُضيفًا ما يصل إلى 15 حمضًا أمينيًا في الثانية إلى سلسلة الببتيد. خلف الريبوسوم الأول، يمكن لما يصل إلى 50 ريبوسومًا إضافيًا الارتباط بجزيء mRNA مُشكِّلةً مُتعدد الريبوسومات ، مما يُتيح التخليق المُتزامن لسلاسل ببتيد مُتماثلة مُتعددة. ^{[ 7 ]} يتوقف نمو سلسلة الببتيد عندما يُصادف الريبوسوم كودون توقف (UAA أو UAG أو UGA) في جزيء mRNA. عند حدوث ذلك، لا يستطيع أي جزيء tRNA التعرف عليه، ويحفز عامل الإطلاق إطلاق سلسلة الببتيد الكاملة من الريبوسوم. ^{[ 15 ]}

بمجرد اكتمال عملية تصنيع سلسلة الببتيد، تنطوي هذه السلسلة لتتخذ بنية محددة تمكّن البروتين من أداء وظائفه. يُعرف الشكل الأساسي لبنية البروتين بالبنية الأولية ، وهي ببساطة سلسلة الببتيد، أي تسلسل الأحماض الأمينية المرتبطة بروابط تساهمية. تُشفّر البنية الأولية للبروتين بواسطة جين. لذا، فإن أي تغيير في تسلسل الجين قد يُغيّر البنية الأولية للبروتين وجميع مستويات بنيته اللاحقة، مما يُغيّر في النهاية بنيته ووظيفته بشكل عام.

يمكن للبنية الأولية للبروتين (سلسلة الببتيد) أن تنطوي أو تلتف لتشكل البنية الثانوية. ومن أكثر أنواع البنية الثانوية شيوعًا الحلزون ألفا والصفيحة بيتا ، وهما بنيتان صغيرتان تتكونان من روابط هيدروجينية داخل سلسلة الببتيد. ثم تنطوي هذه البنية الثانوية لتشكل البنية الثالثية للبروتين. البنية الثالثية هي البنية ثلاثية الأبعاد الكلية للبروتين، وتتكون من بنيات ثانوية مختلفة تنطوي معًا. في البنية الثالثية، تنطوي وتتشكل السمات الرئيسية للبروتين، مثل الموقع النشط، مما يُمكّنه من أداء وظيفته. أخيرًا، قد تتخذ بعض البروتينات بنية رابعية معقدة . تتكون معظم البروتينات من سلسلة ببتيد واحدة، بينما تتكون بعض البروتينات من سلاسل ببتيد متعددة (تُعرف بالوحدات الفرعية) تنطوي وتتفاعل لتشكل البنية الرابعة. وبالتالي، فإن البروتين الكلي هو مُركب متعدد الوحدات الفرعية يتكون من وحدات فرعية متعددة من سلاسل الببتيد المطوية، مثل الهيموجلوبين . ^{[ 16 ]}

عند اكتمال طي البروتين إلى حالته ثلاثية الأبعاد الناضجة والوظيفية، ينفصل عن الريبوسوم، لكن هذا لا يعني بالضرورة نهاية مسار نضج البروتين. إذ يمكن للبروتين المطوي أن يخضع لمزيد من المعالجة من خلال التعديلات ما بعد الترجمة . وبحلول عام 2023، كان هناك أكثر من 650 نوعًا معروفًا من هذه التعديلات. ^{[ 17 ]} يمكن لهذه التعديلات أن تُغير نشاط البروتين، وقدرته على التفاعل مع بروتينات أخرى، وموقعه داخل الخلية، مثلاً في نواة الخلية أو السيتوبلازم. ^{[ 18 ]} وبفضل التعديلات ما بعد الترجمة، يتسع نطاق تنوع البروتينات المشفرة في الجينوم بمقدار يتراوح بين ضعفين إلى ثلاثة أضعاف . ^{[ 19 ]}

هناك أربع فئات رئيسية من التعديلات اللاحقة للترجمة: ^{[ 4 ]}

1. انشقاق الصدر
2. إضافة المجموعات الكيميائية
3. إضافة جزيئات معقدة
4. تكوين الروابط داخل الجزيء

انشقاق الصدر

يُعدّ انشطار البروتينات تعديلًا لا رجعة فيه بعد الترجمة، تقوم به إنزيمات تُعرف باسم البروتيازات . تتميز هذه البروتيازات عادةً بتخصصها العالي، حيث تُسبب تحلل عدد محدود من الروابط الببتيدية داخل البروتين المستهدف. ينتج عن ذلك بروتين مُختصر ذو سلسلة ببتيدية مُعدّلة، تحتوي على أحماض أمينية مختلفة في بدايتها ونهايتها. غالبًا ما يُغيّر هذا التعديل اللاحق للترجمة وظيفة البروتين، إذ يُمكن تعطيله أو تنشيطه، وقد يُظهر أنشطة بيولوجية جديدة. ^{[ 20 ]}

إضافة المجموعات الكيميائية

بعد عملية الترجمة، يمكن إضافة مجموعات كيميائية صغيرة إلى الأحماض الأمينية ضمن بنية البروتين الناضج. ^{[ 21 ]} ومن أمثلة العمليات التي تضيف مجموعات كيميائية إلى البروتين المستهدف: المثيلة، والأسيتلة ، والفسفرة . ^{[ 22 ]}

المَثْيَلَة هي إضافة عكسية لمجموعة ميثيل إلى حمض أميني، تُحفَّز بواسطة إنزيمات ناقلة الميثيل . تحدث المَثْيَلَة على 9 أحماض أمينية على الأقل من أصل 20 حمضًا أمينيًا شائعًا، ولكنها تحدث بشكل رئيسي على الليسين والأرجينين . ومن الأمثلة على البروتينات التي تخضع للمَثْيَلَة بشكل شائع الهيستونات . الهيستونات هي بروتينات موجودة في نواة الخلية. يلتف الحمض النووي (DNA) بإحكام حول الهيستونات، ويُثبَّت في مكانه بواسطة بروتينات أخرى وتفاعلات بين الشحنات السالبة في الحمض النووي والشحنات الموجبة على الهيستون. يُستخدم نمط محدد للغاية من مَثْيَلَة الأحماض الأمينية على بروتينات الهيستون لتحديد مناطق الحمض النووي الملتفة بإحكام وغير القابلة للنسخ، والمناطق الملتفة بشكل غير محكم والقابلة للنسخ. ^{[ 23 ]}

تتأثر عملية تنظيم نسخ الحمض النووي (DNA) بواسطة الهيستونات بعملية الأسيتلة. الأسيتلة هي إضافة تساهمية عكسية لمجموعة أسيتيل إلى حمض أميني الليسين بواسطة إنزيم أسيتيل ترانسفيراز . تُزال مجموعة الأسيتيل من جزيء مانح يُعرف باسم أسيتيل مرافق الإنزيم أ ، ثم تُنقل إلى البروتين المستهدف. ^{[ 24 ]} تخضع الهيستونات لعملية الأسيتلة على بقايا الليسين الخاصة بها بواسطة إنزيمات تُعرف باسم أسيتيل ترانسفيراز الهيستون . يتمثل تأثير الأسيتلة في إضعاف التفاعلات الشحنية بين الهيستون والحمض النووي، مما يجعل المزيد من الجينات في الحمض النووي متاحة للنسخ. ^{[ 25 ]}

يُعدّ الفسفرة التعديل الكيميائي الأخير والأكثر شيوعًا بعد الترجمة. وهي إضافة تساهمية قابلة للعكس لمجموعة فوسفات إلى أحماض أمينية محددة ( سيرين ، ثريونين، وتيروسين ) داخل البروتين. تُزال مجموعة الفوسفات من جزيء ATP المانح بواسطة بروتين كيناز ، وتُنقل إلى مجموعة الهيدروكسيل في الحمض الأميني المستهدف، مما ينتج عنه أدينوسين ثنائي الفوسفات كناتج ثانوي. يمكن عكس هذه العملية وإزالة مجموعة الفوسفات بواسطة إنزيم فوسفاتاز البروتين . تُتيح الفسفرة إنشاء موقع ارتباط على البروتين المُفسفر، مما يُمكّنه من التفاعل مع بروتينات أخرى وتكوين مُركبات بروتينية كبيرة متعددة. كما تُغيّر الفسفرة مستوى نشاط البروتين عن طريق تعديل قدرته على الارتباط بركيزته. ^{[ 1 ]}

إضافة جزيئات معقدة

يمكن للتعديلات اللاحقة للترجمة أن تُدمج جزيئات أكبر وأكثر تعقيدًا في بنية البروتين المطوية. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك عملية الغلكزة ، وهي إضافة جزيء عديد السكاريد، والتي تُعتبر على نطاق واسع أكثر التعديلات اللاحقة للترجمة شيوعًا. ^{[ 19 ]}

في عملية الغلكزة، تُضاف جزيئات عديد السكاريد (المعروفة باسم الغليكان ) تساهميًا إلى البروتين المستهدف بواسطة إنزيمات غليكوزيل ترانسفيراز، وتُعدَّل بواسطة إنزيمات غليكوزيداز في الشبكة الإندوبلازمية وجهاز غولجي . تلعب الغلكزة دورًا حاسمًا في تحديد البنية ثلاثية الأبعاد النهائية للبروتين المستهدف. في بعض الحالات، تكون الغلكزة ضرورية للطي الصحيح. تعزز الغلكزة المرتبطة بالنيتروجين طي البروتين عن طريق زيادة ذوبانيته ، وتتوسط ارتباط البروتين بالبروتينات المرافقة . البروتينات المرافقة هي بروتينات مسؤولة عن طي البروتينات الأخرى والحفاظ على بنيتها. ^{[ 1 ]}

يوجد نوعان رئيسيان من الغلكزة: الغلكزة المرتبطة بالنيتروجين (N-linked glycosylation) والغلكزة المرتبطة بالأكسجين (O-linked glycosylation ). تبدأ الغلكزة المرتبطة بالنيتروجين في الشبكة الإندوبلازمية بإضافة جزيء غليكان أولي. يُعدَّل هذا الجزيء في جهاز غولجي لإنتاج غليكان معقد مرتبط تساهميًا بذرة النيتروجين في حمض الأسباراجين الأميني . في المقابل، تتمثل الغلكزة المرتبطة بالأكسجين في الإضافة التساهمية المتسلسلة لسكريات منفردة إلى ذرة الأكسجين في حمضي السيرين والثريونين الأمينيين ضمن بنية البروتين الناضج. ^{[ 1 ]}

تكوين الروابط التساهمية

تُفرز العديد من البروتينات المُنتَجة داخل الخلية إلى خارجها لتؤدي وظائفها كبروتينات خارج خلوية . وتتعرض هذه البروتينات لظروف متنوعة. ولتثبيت البنية ثلاثية الأبعاد للبروتين، تتشكل روابط تساهمية إما داخل البروتين نفسه أو بين سلاسل الببتيد المختلفة في بنيته الرباعية. وأكثر أنواع هذه الروابط شيوعًا هو رابطة ثنائي الكبريتيد (المعروفة أيضًا بجسر ثنائي الكبريتيد). تتشكل رابطة ثنائي الكبريتيد بين حمضين أمينيين من السيستين باستخدام مجموعاتهما الكيميائية الجانبية التي تحتوي على ذرة كبريت، وتُعرف هذه المجموعات بمجموعات الثيول الوظيفية . تعمل روابط ثنائي الكبريتيد على تثبيت البنية الموجودة مسبقًا للبروتين. تتشكل هذه الروابط في تفاعل أكسدة بين مجموعتي ثيول، ولذلك فهي تحتاج إلى بيئة مؤكسدة للتفاعل. ونتيجة لذلك، تتشكل روابط ثنائي الكبريتيد عادةً في بيئة الشبكة الإندوبلازمية المؤكسدة، ويحفزها إنزيمات تُسمى إيزوميرازات ثنائي كبريتيد البروتين. نادراً ما تتشكل روابط ثنائي الكبريتيد في السيتوبلازم لأنه بيئة مختزلة. ^{[ 1 ]}

تنتج العديد من الأمراض عن طفرات في الجينات، وذلك بسبب الارتباط المباشر بين تسلسل النيوكليوتيدات في الحمض النووي وتسلسل الأحماض الأمينية للبروتين المُشفَّر. ويمكن أن تؤدي التغيرات في البنية الأولية للبروتين إلى طيه بشكل خاطئ أو خلل في وظيفته. وقد تم تحديد الطفرات داخل جين واحد كسبب للعديد من الأمراض، بما في ذلك مرض فقر الدم المنجلي ، المعروف باسم اضطرابات الجين الواحد. ^{[ 26 ]}

داء الكريات المنجلية

مرض فقر الدم المنجلي هو مجموعة من الأمراض الناتجة عن طفرة في إحدى وحدات الهيموجلوبين، وهو بروتين موجود في خلايا الدم الحمراء مسؤول عن نقل الأكسجين. يُعد فقر الدم المنجلي أخطر أنواع فقر الدم المنجلي. وهو أكثر اضطرابات الجينات المتنحية المتماثلة شيوعًا ، ما يعني أن الشخص المصاب يجب أن يحمل طفرة في نسختي الجين المصاب (واحدة موروثة من كل والد) ليُصاب بالمرض. يتميز الهيموجلوبين ببنية رباعية معقدة، ويتكون من أربع وحدات ببتيدية فرعية : وحدتان فرعيتان من النوع A ووحدتان فرعيتان من النوع B. ^{[ 27 ]} يُعاني مرضى فقر الدم المنجلي من طفرة استبدال أو طفرة خاطئة في الجين المسؤول عن ترميز سلسلة الببتيد للوحدة الفرعية B من الهيموجلوبين. تعني الطفرة الخاطئة أن طفرة النيوكليوتيد تُغير ثلاثية الكودون، بحيث يُقترن حمض أميني مختلف بالكودون الجديد. في حالة فقر الدم المنجلي، فإن الطفرة الأكثر شيوعًا هي طفرة نيوكليوتيدية واحدة من الثايمين إلى الأدينين في جين الوحدة الفرعية B للهيموجلوبين. ^{[ 28 ]} يؤدي هذا إلى تغيير الكودون 6 من ترميز حمض الجلوتاميك الأميني إلى ترميز الفالين. ^{[ 27 ]} 

يُؤدي هذا التغيير في البنية الأساسية لسلسلة عديد الببتيد للوحدة الفرعية B من الهيموجلوبين إلى تغيير وظيفة مُركب الهيموجلوبين متعدد الوحدات الفرعية في ظروف نقص الأكسجين. فعندما تُفرغ خلايا الدم الحمراء الأكسجين في أنسجة الجسم، يبدأ بروتين الهيموجلوبين المُتحوّر بالالتصاق ببعضه مُشكلاً بنية شبه صلبة داخل خلية الدم الحمراء. يُشوّه هذا شكل خلية الدم الحمراء، مُؤدياً إلى شكلها المُميز "المنجلي"، ويُقلل من مرونتها. يُمكن أن تتراكم خلية الدم الحمراء الصلبة والمُشوّهة هذه في الأوعية الدموية مُسببةً انسداداً. يمنع هذا الانسداد تدفق الدم إلى الأنسجة، وقد يُؤدي إلى موت الأنسجة ، مما يُسبب ألماً شديداً للفرد. ^{[ 29 ]}

سرطان

تتشكل الأورام السرطانية نتيجةً لطفرات جينية وخلل في ترجمة البروتينات. فبالإضافة إلى تكاثر الخلايا السرطانية بشكل غير طبيعي، فإنها تثبط التعبير عن الجينات أو البروتينات المضادة للاستماتة أو المحفزة لها. وتُظهر معظم الخلايا السرطانية طفرة في بروتين الإشارة Ras، الذي يعمل كناقل إشارة ثنائي الحالة (تشغيل/إيقاف) داخل الخلايا. في الخلايا السرطانية، يصبح بروتين RAS نشطًا باستمرار، مما يعزز تكاثر الخلية نتيجةً لغياب أي تنظيم. ^{[ 30 ]} علاوة على ذلك، تحمل معظم الخلايا السرطانية نسختين متحورتين من جين p53 المنظم، الذي يعمل كحارس للجينات التالفة ويحفز الاستماتة في الخلايا الخبيثة. في غيابه، لا تستطيع الخلية بدء الاستماتة أو إرسال إشارة للخلايا الأخرى لتدميرها. ^{[ 31 ]}

مع تكاثر الخلايا السرطانية، إما أن تبقى محصورة في منطقة واحدة وتُسمى حميدة، أو تتحول إلى خلايا خبيثة تنتقل إلى مناطق أخرى من الجسم. في كثير من الأحيان، تفرز هذه الخلايا الخبيثة إنزيمات البروتياز التي تُحلل المادة الخلوية خارج الخلايا في الأنسجة. وهذا بدوره يسمح للسرطان بالدخول في مرحلته النهائية المسماة بالانتقال، حيث تدخل الخلايا إلى مجرى الدم أو الجهاز اللمفاوي لتنتقل إلى جزء جديد من الجسم. ^{[ 30 ]}

• العقيدة المركزية لعلم الأحياء الجزيئي
• الشفرة الوراثية

• فيديو أكثر تقدماً يشرح بالتفصيل الأنواع المختلفة للتعديلات اللاحقة للترجمة وبنيتها الكيميائية
• فيديو مفيد يوضح عملية تحويل الحمض النووي إلى بروتين عبر النسخ والترجمة
• فيديو يوضح عملية طي البروتين من البنية الأولية غير الوظيفية إلى بنية بروتينية ثلاثية الأبعاد ناضجة ومطوية، مع الإشارة إلى دور الطفرات وسوء طي البروتين في الأمراض.