تخليق البروتين
تخليق البروتين (أو تخليق البروتين ) هو عملية بيولوجية أساسية تحدث داخل الخلايا ، وتوازن فقدان البروتينات الخلوية (عن طريق التحلل أو التصدير ) من خلال إنتاج بروتينات جديدة. تؤدي البروتينات عددًا من الوظائف المهمة مثل الإنزيمات أو البروتينات البنيوية أو الهرمونات . تخليق البروتين هو عملية متشابهة جدًا لكل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى ولكن هناك بعض الاختلافات المميزة. [1]
يمكن تقسيم تخليق البروتين بشكل عام إلى مرحلتين: النسخ والترجمة . أثناء النسخ، يتم تحويل جزء من الحمض النووي الذي يشفر بروتينًا، يُعرف باسم الجين ، إلى جزيء قالب يسمى الرنا الرسول (mRNA). يتم إجراء هذا التحويل بواسطة إنزيمات، تُعرف باسم بوليميرات الرنا ، في نواة الخلية . [2] في حقيقيات النوى، يتم إنتاج هذا الرنا الرسول في البداية في شكل سابق لأوانه ( ما قبل الرنا الرسول ) والذي يخضع لتعديلات ما بعد النسخ لإنتاج الرنا الرسول الناضج . يتم تصدير الرنا الرسول الناضج من نواة الخلية عبر المسام النووية إلى سيتوبلازم الخلية لحدوث الترجمة. أثناء الترجمة، تتم قراءة الرنا الرسول بواسطة الريبوسومات التي تستخدم تسلسل النوكليوتيدات في الرنا الرسول لتحديد تسلسل الأحماض الأمينية . تحفز الريبوسومات تكوين روابط ببتيدية تساهمية بين الأحماض الأمينية المشفرة لتكوين سلسلة بولي ببتيد . [ بحاجة لمصدر ]
بعد الترجمة يجب أن تطوى سلسلة البولي ببتيد لتكوين بروتين وظيفي؛ على سبيل المثال، لتعمل كإنزيم يجب أن تطوى سلسلة البولي ببتيد بشكل صحيح لإنتاج موقع نشط وظيفي . لتبني شكل ثلاثي الأبعاد وظيفي، يجب أن تشكل سلسلة البولي ببتيد أولاً سلسلة من الهياكل الأساسية الأصغر تسمى الهياكل الثانوية . ثم تطوى سلسلة البولي ببتيد في هذه الهياكل الثانوية لإنتاج الهيكل الثلاثي الأبعاد الكلي . بمجرد طيه بشكل صحيح، يمكن للبروتين أن يخضع لمزيد من النضج من خلال تعديلات ما بعد الترجمة المختلفة ، والتي يمكن أن تغير قدرة البروتين على العمل وموقعه داخل الخلية (مثل السيتوبلازم أو النواة) وقدرته على التفاعل مع البروتينات الأخرى . [3]
يلعب تخليق البروتين دورًا رئيسيًا في المرض حيث أن التغييرات والأخطاء في هذه العملية، من خلال طفرات الحمض النووي الأساسية أو طي البروتين بشكل خاطئ ، غالبًا ما تكون الأسباب الكامنة وراء المرض. تغير طفرات الحمض النووي تسلسل mRNA اللاحق، والذي يغير بعد ذلك تسلسل الأحماض الأمينية المشفرة بواسطة mRNA. يمكن أن تتسبب الطفرات في أن تكون سلسلة البوليببتيد أقصر من خلال توليد تسلسل توقف يتسبب في إنهاء مبكر للترجمة. بدلاً من ذلك، تغير طفرة في تسلسل mRNA الحمض الأميني المحدد المشفر في هذا الموضع في سلسلة البوليببتيد. يمكن أن يؤثر تغيير الأحماض الأمينية هذا على قدرة البروتين على العمل أو الطي بشكل صحيح. [4] تميل البروتينات المطوية بشكل خاطئ إلى تكوين كتل بروتينية كثيفة ، والتي غالبًا ما تكون متورطة في الأمراض، وخاصة الاضطرابات العصبية بما في ذلك مرض الزهايمر ومرض باركنسون . [5]
النسخ
تحدث عملية النسخ في النواة باستخدام الحمض النووي كقالب لإنتاج mRNA . في حقيقيات النوى ، يُعرف جزيء mRNA هذا باسم pre-mRNA لأنه يخضع لتعديلات ما بعد النسخ في النواة لإنتاج جزيء mRNA ناضج. ومع ذلك، في بدائيات النوى لا تكون هناك حاجة لتعديلات ما بعد النسخ، لذلك يتم إنتاج جزيء mRNA الناضج على الفور عن طريق النسخ. [1]
في البداية، يعمل إنزيم يُعرف باسم الهيليكاز على جزيء الحمض النووي. يحتوي الحمض النووي على بنية حلزونية مزدوجة متعاكسة تتكون من سلسلتين متكاملتين من البولينيوكليوتيدات ، متماسكتين معًا بروابط هيدروجينية بين أزواج القواعد. يعطل الهيليكاز الروابط الهيدروجينية مما يتسبب في فك منطقة من الحمض النووي - تتوافق مع الجين - مما يؤدي إلى فصل سلسلتي الحمض النووي وكشف سلسلة من القواعد. على الرغم من أن الحمض النووي عبارة عن جزيء مزدوج السلسلة، إلا أن أحد السلسلتين فقط يعمل كقالب لتخليق ما قبل الحمض النووي الريبي المرسال؛ يُعرف هذا الخيط باسم خيط القالب. يُعرف خيط الحمض النووي الآخر (المكمل لخيط القالب ) باسم خيط الترميز. [6]
يتمتع كل من الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) والحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (RNA) باتجاهية جوهرية ، مما يعني وجود طرفين متميزين للجزيء. ترجع خاصية الاتجاهية هذه إلى وحدات النوكليوتيدات الفرعية غير المتماثلة الأساسية، مع وجود مجموعة فوسفات على أحد جانبي سكر البنتوز وقاعدة على الجانب الآخر. يتم ترقيم ذرات الكربون الخمس في سكر البنتوز من 1' (حيث تعني ' أولي) إلى 5'. لذلك، تتشكل روابط الفوسفودايستر التي تربط النوكليوتيدات عن طريق ربط مجموعة الهيدروكسيل على ذرة الكربون 3' لنيوكليوتيد واحد بمجموعة الفوسفات على ذرة الكربون 5' لنيوكليوتيد آخر. وبالتالي، يعمل الشريط المشفر للحمض النووي في اتجاه 5' إلى 3' ويعمل الشريط المكمل للحمض النووي في الاتجاه المعاكس من 3' إلى 5'. [1]
يرتبط إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي بشريط القالب المكشوف ويقرأ من الجين في الاتجاه من 3' إلى 5'. وفي الوقت نفسه، يقوم بوليميراز الحمض النووي الريبي بتخليق شريط واحد من ما قبل الرنا المرسال في الاتجاه من 5' إلى 3' عن طريق تحفيز تكوين روابط فوسفوديستر بين النيوكليوتيدات المنشطة (الحرة في النواة) القادرة على الاقتران القاعدي التكميلي مع شريط القالب. خلف بوليميراز الحمض النووي الريبي المتحرك، ينضم شريطا الحمض النووي مرة أخرى، لذلك يتم تعريض 12 زوجًا قاعديًا فقط من الحمض النووي في وقت واحد. [6] يبني بوليميراز الحمض النووي الريبي جزيء ما قبل الرنا المرسال بمعدل 20 نوكليوتيدًا في الثانية مما يتيح إنتاج آلاف جزيئات ما قبل الرنا المرسال من نفس الجين في ساعة واحدة. وعلى الرغم من معدل التخليق السريع، فإن إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي يحتوي على آلية تدقيق خاصة به. تسمح آليات التدقيق لبوليميراز الحمض النووي الريبي بإزالة النوكليوتيدات غير الصحيحة (والتي لا تكمل خيط القالب من الحمض النووي) من جزيء ما قبل الحمض النووي الريبي المرسال النامي من خلال تفاعل الاستئصال. [1] عندما تصل بوليميرازات الحمض النووي الريبي إلى تسلسل الحمض النووي المحدد الذي ينهي النسخ، تنفصل بوليميرازات الحمض النووي الريبي ويكتمل تخليق ما قبل الحمض النووي الريبي المرسال. [6]
الجزيء ما قبل mRNA الذي تم تصنيعه مكمل لشريط DNA القالب ويشارك في نفس تسلسل النوكليوتيدات مثل شريط DNA المشفر. ومع ذلك، هناك فرق حاسم واحد في تكوين النوكليوتيدات لجزيئات DNA وmRNA. يتكون DNA من القواعد: الجوانين والسيتوزين والأدينين والثايمين (G وC وA وT). يتكون RNA أيضًا من أربع قواعد: الجوانين والسيتوزين والأدينين واليوراسيل . في جزيئات RNA، يتم استبدال قاعدة DNA الثايمين باليوراسيل القادر على الاقتران القاعدي مع الأدينين. لذلك، في جزيء ما قبل mRNA، يتم استبدال جميع القواعد التكميلية التي ستكون ثايمين في شريط DNA المشفر باليوراسيل. [7]
التعديلات بعد النسخ
بمجرد اكتمال النسخ، يخضع جزيء ما قبل mRNA لتعديلات ما بعد النسخ لإنتاج جزيء mRNA ناضج.
هناك ثلاث خطوات رئيسية في التعديلات ما بعد النسخ: [ بحاجة لمصدر ]
- إضافة غطاء 5' إلى الطرف 5' لجزيء ما قبل mRNA
- تتم إضافة ذيل بولي (أ) 3' إلى جزيء ما قبل mRNA في الطرف 3'
- إزالة الإنترونات عن طريق ربط الحمض النووي الريبي
يُضاف الغطاء 5' إلى الطرف 5' لجزيء ما قبل mRNA ويتكون من نوكليوتيد جوانين معدَّل من خلال الميثلة . الغرض من الغطاء 5' هو منع تحلل جزيئات mRNA الناضجة قبل الترجمة، كما يساعد الغطاء أيضًا على ربط الريبوسوم بـ mRNA لبدء الترجمة [8] ويمكِّن mRNA من التمايز عن الحمض النووي الريبي الآخر في الخلية. [1] على النقيض من ذلك، يُضاف ذيل Poly(A) 3' إلى الطرف 3' لجزيء mRNA ويتكون من 100-200 قاعدة أدينين. [8] تمكن تعديلات mRNA المميزة هذه الخلية من اكتشاف أن رسالة mRNA الكاملة سليمة إذا كان كل من الغطاء 5' والذيل 3' موجودين. [1]
يخضع جزيء ما قبل mRNA المعدل بعد ذلك لعملية ربط الحمض النووي الريبي. تتكون الجينات من سلسلة من الإنترونات والإكسونات ، والإنترونات هي تسلسلات نيوكليوتيدات لا تشفر بروتينًا، بينما الإكسونات هي تسلسلات نيوكليوتيدات تشفر بروتينًا بشكل مباشر. توجد الإنترونات والإكسونات في كل من تسلسل الحمض النووي الأساسي وجزيء ما قبل mRNA، وبالتالي، لإنتاج جزيء mRNA ناضج يشفر بروتينًا، يجب أن يحدث الربط. [6] أثناء الربط، تتم إزالة الإنترونات المتداخلة من جزيء ما قبل mRNA بواسطة مجمع متعدد البروتينات يُعرف باسم الوصل (يتكون من أكثر من 150 بروتينًا وRNA). [9] ثم يتم تصدير جزيء mRNA الناضج هذا إلى السيتوبلازم من خلال المسام النووية في غلاف النواة.
ترجمة
أثناء الترجمة، تقوم الريبوسومات بتخليق سلاسل البولي ببتيد من جزيئات قالب mRNA. في حقيقيات النوى، تحدث الترجمة في سيتوبلازم الخلية، حيث توجد الريبوسومات إما عائمة بحرية أو متصلة بالشبكة الإندوبلازمية . في بدائيات النوى، التي تفتقر إلى نواة، تحدث عمليات النسخ والترجمة في السيتوبلازم. [10]
الريبوسومات هي آلات جزيئية معقدة ، مصنوعة من مزيج من البروتين و RNA الريبوسومي ، مرتبة في وحدتين فرعيتين (وحدة فرعية كبيرة ووحدة فرعية صغيرة)، تحيط بجزيء mRNA. يقرأ الريبوسوم جزيء mRNA في اتجاه 5'-3' ويستخدمه كقالب لتحديد ترتيب الأحماض الأمينية في سلسلة البوليببتيد. [11] لترجمة جزيء mRNA، يستخدم الريبوسوم جزيئات صغيرة، تُعرف باسم RNA الناقل (tRNA)، لتوصيل الأحماض الأمينية الصحيحة إلى الريبوسوم. يتكون كل tRNA من 70-80 نيوكليوتيدًا ويعتمد بنية ورقة البرسيم المميزة بسبب تكوين الروابط الهيدروجينية بين النيوكليوتيدات داخل الجزيء. يوجد حوالي 60 نوعًا مختلفًا من tRNA، يرتبط كل tRNA بتسلسل محدد من ثلاثة نيوكليوتيدات (يُعرف باسم الكودون ) داخل جزيء mRNA ويسلم حمضًا أمينيًا محددًا. [12]
يرتبط الريبوسوم في البداية بالرنا المرسال عند كودون البداية (AUG) ويبدأ في ترجمة الجزيء. تتم قراءة تسلسل نوكليوتيدات الرنا المرسال في ثلاثيات ؛ تتوافق ثلاث نوكليوتيدات متجاورة في جزيء الرنا المرسال مع كودون واحد. يحتوي كل tRNA على تسلسل مكشوف من ثلاث نوكليوتيدات، تُعرف باسم الكودون المضاد، وهي مكملة في التسلسل لكودون محدد قد يكون موجودًا في الرنا المرسال. على سبيل المثال، الكودون الأول الذي يتم مواجهته هو كودون البداية المكون من النيوكليوتيدات AUG. يرتبط الرنا المرسال الصحيح مع الكودون المضاد (تسلسل النوكليوتيدات التكميلية الثلاثة UAC) بالرنا المرسال باستخدام الريبوسوم. ينقل هذا الرنا المرسال الحمض الأميني الصحيح المقابل لكودون الرنا المرسال، وفي حالة كودون البداية، يكون هذا الحمض الأميني هو الميثيونين. يرتبط الكودون التالي (المجاور لكودون البداية) بعد ذلك بالرنا المرسال الصحيح مع الكودون المضاد المكمل، مما ينقل الحمض الأميني التالي إلى الريبوسوم. ثم يستخدم الريبوسوم نشاطه الأنزيمي ببتيديل ترانسفيراز لتحفيز تكوين الرابطة الببتيدية التساهمية بين الحمضين الأمينيين المتجاورين. [6]
ثم يتحرك الريبوسوم على طول جزيء mRNA إلى الكودون الثالث. ثم يطلق الريبوسوم أول جزيء tRNA، حيث لا يمكن جمع سوى جزيئين tRNA معًا بواسطة ريبوسوم واحد في وقت واحد. يتم اختيار tRNA التكميلي التالي مع الكودون المضاد الصحيح المكمل للكودون الثالث، مما يؤدي إلى توصيل الحمض الأميني التالي إلى الريبوسوم الذي يرتبط تساهميًا بسلسلة البولي ببتيد المتنامية. تستمر هذه العملية مع تحرك الريبوسوم على طول جزيء mRNA مضيفًا ما يصل إلى 15 حمضًا أمينيًا في الثانية إلى سلسلة البولي ببتيد. خلف الريبوسوم الأول، يمكن أن يرتبط ما يصل إلى 50 ريبوسومًا إضافيًا بجزيء mRNA مكونًا بولي سوم ، وهذا يتيح التوليف المتزامن لسلاسل بولي ببتيد متطابقة متعددة. [6] يحدث إنهاء سلسلة البولي ببتيد المتنامية عندما يواجه الريبوسوم كودون توقف (UAA أو UAG أو UGA) في جزيء mRNA. عندما يحدث هذا، لا يمكن لأي tRNA التعرف عليه ويحفز عامل الإطلاق إطلاق سلسلة البوليببتيد الكاملة من الريبوسوم. [12] قام الدكتور هار جوبيند كورانا ، وهو عالم من أصل هندي، بفك تشفير تسلسلات الحمض النووي الريبي لحوالي 20 حمضًا أمينيًا. [ بحاجة لمصدر ] وقد حصل على جائزة نوبل في عام 1968، إلى جانب عالمين آخرين، لعمله.
طي البروتين
بمجرد اكتمال تخليق سلسلة البولي ببتيد، تطوى سلسلة البولي ببتيد لتتبنى بنية محددة تمكن البروتين من أداء وظائفه. يُعرف الشكل الأساسي لبنية البروتين بالبنية الأولية ، وهي ببساطة سلسلة البولي ببتيد أي تسلسل من الأحماض الأمينية المرتبطة تساهميًا. يتم ترميز البنية الأولية للبروتين بواسطة جين. لذلك، فإن أي تغييرات في تسلسل الجين يمكن أن تغير البنية الأولية للبروتين وجميع المستويات اللاحقة لبنية البروتين، مما يؤدي في النهاية إلى تغيير البنية والوظيفة الإجمالية. [ بحاجة لمصدر ]
يمكن بعد ذلك أن تطوى البنية الأساسية للبروتين (سلسلة البولي ببتيد) أو تتجعد لتكوين البنية الثانوية للبروتين. تُعرف أكثر أنواع البنية الثانوية شيوعًا باسم حلزون ألفا أو صفائح بيتا ، وهي هياكل صغيرة تنتجها روابط هيدروجينية تتشكل داخل سلسلة البولي ببتيد. ثم تطوى هذه البنية الثانوية لإنتاج البنية الثلاثية للبروتين. البنية الثلاثية هي البنية الثلاثية الأبعاد الكلية للبروتين والتي تتكون من هياكل ثانوية مختلفة تطوى معًا. في البنية الثلاثية، يتم طي وتشكيل ميزات البروتين الرئيسية مثل الموقع النشط، مما يمكن البروتين من العمل. أخيرًا، قد تتبنى بعض البروتينات بنية رباعية معقدة . تتكون معظم البروتينات من سلسلة بولي ببتيد واحدة، ومع ذلك، تتكون بعض البروتينات من سلاسل بولي ببتيد متعددة (تُعرف باسم الوحدات الفرعية) والتي تطوى وتتفاعل لتكوين البنية الرباعية. وبالتالي، فإن البروتين الكلي عبارة عن مجمع متعدد الوحدات الفرعية يتكون من وحدات فرعية متعددة مطوية من سلسلة البولي ببتيد مثل الهيموجلوبين . [13]
أحداث ما بعد الترجمة
هناك أحداث تتبع عملية تخليق البروتين مثل التحلل البروتيني [14] وطي البروتين. يشير التحلل البروتيني إلى انقسام البروتينات بواسطة البروتياز وتحلل البروتينات إلى أحماض أمينية بواسطة عمل الإنزيمات.
التعديلات بعد الترجمة
عندما يكتمل طي البروتين إلى الحالة الوظيفية الناضجة ثلاثية الأبعاد، فهذا لا يعني بالضرورة نهاية مسار نضج البروتين. لا يزال بإمكان البروتين المطوي الخضوع لمزيد من المعالجة من خلال التعديلات بعد الترجمة. هناك أكثر من 200 نوع معروف من التعديلات بعد الترجمة، ويمكن لهذه التعديلات أن تغير نشاط البروتين، وقدرة البروتين على التفاعل مع البروتينات الأخرى ومكان وجود البروتين داخل الخلية مثل نواة الخلية أو السيتوبلازم. [15] من خلال التعديلات بعد الترجمة، يتم توسيع تنوع البروتينات المشفرة بواسطة الجينوم بمقدار 2 إلى 3 مرات من حيث الحجم . [16]
هناك أربع فئات رئيسية للتعديل بعد الترجمة: [3]
- انقسام
- إضافة المجموعات الكيميائية
- إضافة الجزيئات المعقدة
- تكوين الروابط داخل الجزيئات
انقسام
انقسام البروتينات هو تعديل غير قابل للعكس بعد الترجمة يتم بواسطة إنزيمات تعرف باسم البروتياز . غالبًا ما تكون هذه البروتيازات عالية التخصص وتسبب تحللًا مائيًا لعدد محدود من الروابط الببتيدية داخل البروتين المستهدف. يحتوي البروتين المختصر الناتج على سلسلة بولي ببتيدية معدلة مع أحماض أمينية مختلفة في بداية ونهاية السلسلة. غالبًا ما يغير هذا التعديل بعد الترجمة وظيفة البروتينات، ويمكن تعطيل البروتين أو تنشيطه عن طريق الانقسام ويمكنه إظهار أنشطة بيولوجية جديدة. [17]
إضافة المجموعات الكيميائية
بعد الترجمة، يمكن إضافة مجموعات كيميائية صغيرة إلى الأحماض الأمينية داخل بنية البروتين الناضج. [18] تشمل أمثلة العمليات التي تضيف مجموعات كيميائية إلى البروتين المستهدف الميثيل والأستلة والفسفرة .
الميثيل هو الإضافة العكسية لمجموعة ميثيل إلى حمض أميني يحفزه إنزيمات ميثيل ترانسفيراز . تحدث الميثيل على 9 على الأقل من الأحماض الأمينية العشرين الشائعة، ومع ذلك، تحدث بشكل أساسي على الأحماض الأمينية ليسين وأرجينين . أحد الأمثلة على البروتين الذي يتم ميثيلته بشكل شائع هو الهيستون . الهستونات هي بروتينات موجودة في نواة الخلية. يلتف الحمض النووي بإحكام حول الهستونات ويتم تثبيته في مكانه بواسطة بروتينات أخرى وتفاعلات بين الشحنات السالبة في الحمض النووي والشحنات الموجبة على الهيستون. يتم استخدام نمط محدد للغاية من مثيلة الأحماض الأمينية على بروتينات الهيستون لتحديد المناطق من الحمض النووي الملتفة بإحكام وغير القادرة على النسخ والمناطق الملتفة بشكل فضفاض والقادرة على النسخ. [19]
كما يتم تعديل تنظيم نسخ الحمض النووي القائم على الهيستون عن طريق الأستلة. الأستلة هي الإضافة التساهمية العكسية لمجموعة الأسيتيل على حمض أميني ليسين بواسطة إنزيم أسيتيل ترانسفيراز . تتم إزالة مجموعة الأسيتيل من جزيء مانح يُعرف باسم أسيتيل أنزيم أ ونقلها إلى البروتين المستهدف. [20] تخضع الهستونات للأستلة على بقايا اللايسين الخاصة بها بواسطة إنزيمات تُعرف باسم أسيتيل ترانسفيراز الهيستون . يتمثل تأثير الأستلة في إضعاف تفاعلات الشحنة بين الهيستون والحمض النووي، وبالتالي جعل المزيد من الجينات في الحمض النووي متاحة للنسخ. [21]
التعديل الكيميائي الأخير السائد بعد الترجمة هو الفسفرة . الفسفرة هي الإضافة العكسية التساهمية لمجموعة فوسفات إلى أحماض أمينية محددة ( سيرين وثريونين وتيروسين ) داخل البروتين. تتم إزالة مجموعة الفوسفات من جزيء ATP المانح بواسطة بروتين كيناز ونقلها إلى مجموعة الهيدروكسيل للحمض الأميني المستهدف، وهذا ينتج عنه ثنائي فوسفات الأدينوزين كمنتج ثانوي. يمكن عكس هذه العملية وإزالة مجموعة الفوسفات بواسطة إنزيم بروتين فوسفاتيز . يمكن أن تخلق الفسفرة موقع ارتباط على البروتين المفسفر مما يمكنه من التفاعل مع البروتينات الأخرى وتوليد مجمعات كبيرة متعددة البروتينات. بدلاً من ذلك، يمكن أن تغير الفسفرة مستوى نشاط البروتين عن طريق تغيير قدرة البروتين على ربط ركيزته. [1]
إضافة الجزيئات المعقدة
يمكن للتعديلات بعد الترجمة أن تتضمن جزيئات أكبر وأكثر تعقيدًا في بنية البروتين المطوية. أحد الأمثلة الشائعة على ذلك هو إضافة جزيء متعدد السكاريد، والذي يُعتبر على نطاق واسع التعديل الأكثر شيوعًا بعد الترجمة. [ 16]
في عملية الجليكوزيل، يتم إضافة جزيء عديد السكاريد (يُعرف باسم الجليكان ) تساهميًا إلى البروتين المستهدف بواسطة إنزيمات جليكوزيل ترانسفيراز ويتم تعديله بواسطة جليكوسيدازات في الشبكة الإندوبلازمية وجهاز جولجي . يمكن أن يكون لعملية الجليكوزيل دورًا حاسمًا في تحديد البنية النهائية المطوية ثلاثية الأبعاد للبروتين المستهدف. في بعض الحالات، يكون الجليكوزيل ضروريًا للطي الصحيح. يعزز الجليكوزيل المرتبط بالنيتروجين طي البروتين عن طريق زيادة قابلية الذوبان ويتوسط ارتباط البروتين ببروتينات المرافقين . البروتينات المرافقة هي بروتينات مسؤولة عن طي والحفاظ على بنية البروتينات الأخرى. [1]
هناك نوعان رئيسيان من عملية الجليكوزيل، الجليكوزيل المرتبط بالنيتروجين والجليكوزيل المرتبط بالأكسجين . يبدأ الجليكوزيل المرتبط بالنيتروجين في الشبكة الإندوبلازمية بإضافة جليكان أولي. يتم تعديل الجليكان الأولي في جهاز جولجي لإنتاج جليكان معقد مرتبط تساهميًا بالنيتروجين في حمض أميني أسباراجيني . على النقيض من ذلك، فإن الجليكوزيل المرتبط بالأكسجين هو الإضافة التساهمية المتسلسلة للسكريات الفردية على الأكسجين في الأحماض الأمينية السيرين والثريونين داخل بنية البروتين الناضج. [1]
تكوين الروابط التساهمية
يتم إفراز العديد من البروتينات المنتجة داخل الخلية خارج الخلية لتعمل كبروتينات خارج الخلية . تتعرض البروتينات خارج الخلية لمجموعة متنوعة من الظروف. لتثبيت بنية البروتين ثلاثي الأبعاد، تتشكل روابط تساهمية إما داخل البروتين أو بين سلاسل البوليببتيد المختلفة في البنية الرباعية. النوع الأكثر شيوعًا هو الرابطة ثنائية الكبريتيد (المعروفة أيضًا باسم جسر ثنائي الكبريتيد). تتشكل رابطة ثنائية الكبريتيد بين حمضين أمينيين من السيستين باستخدام مجموعاتهما الكيميائية في السلسلة الجانبية التي تحتوي على ذرة كبريت، تُعرف هذه المجموعات الكيميائية باسم المجموعات الوظيفية للثيول . تعمل روابط ثنائي الكبريتيد على تثبيت البنية الموجودة مسبقًا للبروتين. تتشكل روابط ثنائي الكبريتيد في تفاعل أكسدة بين مجموعتين من الثيول، وبالتالي، تحتاج إلى بيئة مؤكسدة للتفاعل. نتيجة لذلك، تتشكل روابط ثنائي الكبريتيد عادةً في البيئة المؤكسدة للشبكة الإندوبلازمية المحفزة بواسطة إنزيمات تسمى إيزوميرازات ثنائي كبريتيد البروتين. نادرًا ما تتكون روابط ثاني كبريتيد في السيتوبلازم لأنه بيئة مختزلة. [1]
دور تخليق البروتين في المرض
تنتج العديد من الأمراض عن طفرات في الجينات، وذلك بسبب الارتباط المباشر بين تسلسل نوكليوتيدات الحمض النووي وتسلسل الأحماض الأمينية للبروتين المشفر. ويمكن أن تؤدي التغييرات في البنية الأساسية للبروتين إلى طي البروتين بشكل خاطئ أو خلل في وظائفه. وقد تم تحديد الطفرات داخل جين واحد كسبب لأمراض متعددة، بما في ذلك مرض فقر الدم المنجلي ، المعروف باسم اضطرابات الجين الواحد.
داء الكريات المنجلية
مرض فقر الدم المنجلي هو مجموعة من الأمراض التي تسببها طفرة في وحدة فرعية من الهيموجلوبين، وهو بروتين موجود في خلايا الدم الحمراء مسؤول عن نقل الأكسجين. يُعرف أخطر أمراض فقر الدم المنجلي باسم فقر الدم المنجلي. فقر الدم المنجلي هو اضطراب الجين الواحد المتماثل المتنحي الأكثر شيوعًا ، مما يعني أن الفرد المصاب يجب أن يحمل طفرة في كلتا نسختي الجين المصاب (واحدة موروثة من كل والد) لتجربة المرض. يحتوي الهيموجلوبين على بنية رباعية معقدة ويتكون من أربع وحدات فرعية من البولي ببتيد - وحدتان فرعيتان من النوع أ ووحدتان فرعيتان من النوع ب. [22] يعاني مرضى فقر الدم المنجلي من طفرة مغلوطة أو استبدال في الجين الذي يشفر سلسلة البولي ببتيد لوحدة الهيموجلوبين ب. تعني الطفرة المغلوطة أن طفرة النوكليوتيد تغير ثلاثية الكودون الكلية بحيث يقترن حمض أميني مختلف بالكودون الجديد. في حالة فقر الدم المنجلي، فإن الطفرة غير المقصودة الأكثر شيوعًا هي طفرة نوكليوتيدية واحدة من الثايمين إلى الأدينين في جين الوحدة الفرعية للهيموجلوبين ب. [23] يؤدي هذا إلى تغيير الكودون 6 من ترميز حمض الجلوتاميك الأميني إلى ترميز الفالين. [22]
يؤدي هذا التغيير في البنية الأساسية لسلسلة البوليببتيد الفرعية للهيموجلوبين ب إلى تغيير وظيفة مجمع وحدات الهيموجلوبين المتعددة في ظروف نقص الأكسجين. عندما تفرغ خلايا الدم الحمراء الأكسجين في أنسجة الجسم، يبدأ بروتين الهيموجلوبين المتحور في الالتصاق معًا لتشكيل بنية شبه صلبة داخل خلايا الدم الحمراء. يؤدي هذا إلى تشويه شكل خلايا الدم الحمراء، مما يؤدي إلى الشكل "المنجلي" المميز، ويقلل من مرونة الخلايا. يمكن أن تتراكم خلايا الدم الحمراء الصلبة المشوهة هذه في الأوعية الدموية مما يؤدي إلى انسداد. يمنع الانسداد تدفق الدم إلى الأنسجة ويمكن أن يؤدي إلى موت الأنسجة مما يسبب ألمًا كبيرًا للفرد. [24]
سرطان
تتكون الأورام السرطانية نتيجة لطفرة جينية وكذلك ترجمة بروتينية غير سليمة. بالإضافة إلى تكاثر الخلايا السرطانية بشكل غير طبيعي، فإنها تقمع التعبير عن الجينات أو البروتينات المضادة للموت الخلوي المبرمج أو المؤيدة للموت الخلوي المبرمج. ترى معظم الخلايا السرطانية طفرة في بروتين الإشارة Ras، الذي يعمل كمحول إشارة تشغيل/إيقاف في الخلايا. في الخلايا السرطانية، يصبح بروتين RAS نشطًا بشكل مستمر، وبالتالي يعزز تكاثر الخلية بسبب غياب أي تنظيم. [25] بالإضافة إلى ذلك، تحمل معظم الخلايا السرطانية نسختين متحولتين من الجين المنظم p53، والذي يعمل كبوابة للجينات التالفة ويبدأ موت الخلايا المبرمج في الخلايا الخبيثة. في غيابه، لا يمكن للخلية أن تبدأ موت الخلايا المبرمج أو إرسال إشارة إلى خلايا أخرى لتدميرها. [26]
مع تكاثر الخلايا السرطانية، إما أن تظل محصورة في منطقة واحدة وتسمى حميدة، أو تتحول إلى خلايا خبيثة تهاجر إلى مناطق أخرى من الجسم. وفي كثير من الأحيان، تفرز هذه الخلايا الخبيثة البروتينات التي تفكك المصفوفة خارج الخلية للأنسجة. وهذا يسمح للسرطان بالدخول إلى مرحلته النهائية المسماة النقائل، حيث تدخل الخلايا إلى مجرى الدم أو الجهاز الليمفاوي للسفر إلى جزء جديد من الجسم. [25]
انظر أيضا
مراجع
- ^ abcdefghij Alberts B (2015). Molecular biology of the cell (Sixth ed.). Abingdon, UK: Garland Science, Taylor and Francis Group. ISBN 978-0815344643.
- ^ O'Connor C (2010). Essentials of Cell Biology. NPG Education: Cambridge, MA . تم الاسترجاع في 3 مارس 2020 .
- ^ ab Wang YC, Peterson SE, Loring JF (فبراير 2014). "تعديلات ما بعد الترجمة البروتينية وتنظيم تعدد القدرات في الخلايا الجذعية البشرية". Cell Research . 24 (2): 143–160. doi : 10.1038 /cr.2013.151 . PMC 3915910. PMID 24217768.
- ^ Scheper GC, van der Knaap MS, Proud CG (سبتمبر 2007). "الترجمة مهمة: عيوب تخليق البروتين في الأمراض الوراثية". مراجعات الطبيعة. علم الوراثة . 8 (9): 711–723. doi :10.1038/nrg2142. PMID 17680008. S2CID 12153982.
- ^ Berg JM, Tymoczko JL, Gatto Jr GJ, Stryer L (2015). Biochemistry (الطبعة الثامنة). الولايات المتحدة: WH Freeman and Company. ISBN 9781464126109.
- ^ abcdef Toole G, Toole S (2015). AQA biology A level. Student book (Second ed.). Great Clarendon Street, Oxford, OX2 6DP, UK: Oxford University Press. ISBN 9780198351771.
{{cite book}}:CS1 maint: الموقع ( الرابط ) - ^ Berk A, Lodish H, Darnell JE (2000). علم الأحياء الخلوي الجزيئي (الطبعة الرابعة). نيويورك: WH Freeman. ISBN 9780716737063.
- ^ ab "معالجة ما قبل الرنا المرسال في حقيقيات النوى". أكاديمية خان . تم الاسترجاع في 9 مارس 2020 .
- ^ جو بي إس، تشوي إس إس (ديسمبر 2015). "الإنترونات: الفوائد الوظيفية للإنترونات في الجينومات". علم الجينوم والمعلوماتية . 13 (4): 112-118. doi :10.5808/GI.2015.13.4.112. PMC 4742320. PMID 26865841 .
- ^ "مراحل الترجمة (مقال)". أكاديمية خان . تم الاسترجاع في 10 مارس 2020 .
- ^ "النواة والرايبوسومات (مقال)". أكاديمية خان . تم الاسترجاع في 10 مارس 2020 .
- ^ ab Cooper GM (2000). الخلية: نهج جزيئي (الطبعة الثانية). سندرلاند (ماساتشوستس): Sinauer Associates. ISBN 9780878931064.
- ^ "بنية البروتين: الأولية والثانوية والثالثية والرباعية (مقالة)". أكاديمية خان . تم الاسترجاع في 11 مارس 2020 .
- ^ "التحلل البروتيني | الكيمياء | الموسوعة البريطانية". تم الاسترجاع في 17 مايو 2022 .
- ^ Duan G, Walther D (فبراير 2015). "أدوار التعديلات بعد الترجمة في سياق شبكات تفاعل البروتين". PLOS Computational Biology . 11 (2): e1004049. Bibcode :2015PLSCB..11E4049D. doi : 10.1371/journal.pcbi.1004049 . PMC 4333291. PMID 25692714 .
- ^ ab Schubert M, Walczak MJ, Aebi M, Wider G (يونيو 2015). "التعديلات بعد الترجمة للبروتينات السليمة التي تم اكتشافها بواسطة مطيافية الرنين المغناطيسي النووي: التطبيق على الجليكوزيلات". Angewandte Chemie . 54 (24): 7096–7100. doi : 10.1002/anie.201502093 . PMID 25924827.
- ^ Ciechanover A (يناير 2005). "التحلل البروتيني: من الليزوزوم إلى اليوبيكويتين والبروتوزوم". مراجعات الطبيعة. علم الأحياء الخلوي الجزيئي . 6 (1): 79-87. doi :10.1038/nrm1552. PMID 15688069. S2CID 8953615.
- ^ برينر س، ميلر جيه إتش (2001). موسوعة علم الوراثة . إلسيفير ساينس إنك. ص 2800. رقم ISBN 978-0-12-227080-2.
- ^ Murn J, Shi Y (أغسطس 2017). "المسار المتعرج لأبحاث مثيلة البروتين: المعالم والآفاق الجديدة". مراجعات الطبيعة. علم الأحياء الخلوي الجزيئي . 18 (8): 517-527. doi :10.1038/nrm.2017.35. PMID 28512349. S2CID 3917753.
- ^ Drazic A, Myklebust LM, Ree R, Arnesen T (أكتوبر 2016). "عالم أستلة البروتين". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - البروتينات والبروتينات . 1864 (10): 1372–1401. doi : 10.1016/j.bbapap.2016.06.007 . PMID 27296530.
- ^ Bannister AJ, Kouzarides T (مارس 2011). "تنظيم الكروماتين عن طريق تعديلات الهيستون". Cell Research . 21 (3): 381–395. doi : 10.1038/cr.2011.22 . PMC 3193420. PMID 21321607 .
- ^ ab Habara A, Steinberg MH (أبريل 2016). "Minireview: Genetic basis of heterogeneity and density in sincle cell disease". Experimental Biology and Medicine . 241 (7): 689–696. doi :10.1177/1535370216636726. PMC 4950383. PMID 26936084 .
- ^ مانجلا ، أ. احسان، م.؛ أغاروال، ن.؛ ماروفادا، س. (2020). “فقر الدم المنجلي”. ستات بيرلز . ستاتبيرلز للنشر. بميد 29489205 . تم الاسترجاع في 12 مارس 2020 .
- ^ Ilesanmi OO (يناير 2010). "الأساس المرضي للأعراض والأزمات في اضطراب خلايا الدم المنجلية: الآثار المترتبة على الاستشارة والعلاج النفسي". تقارير أمراض الدم . 2 (1): e2. doi : 10.4081/hr.2010.e2 . PMC 3222266. PMID 22184515 .
- ^ ab "انقسام الخلية، السرطان | تعلم العلوم في Scitable". Nature . تم الاسترجاع في 30 نوفمبر 2021 .
- ^ "ص53، السرطان | تعلم العلوم في Scitable". Nature . تم الاسترجاع في 30 نوفمبر 2021 .
روابط خارجية
- فيديو أكثر تقدمًا يوضح بالتفصيل الأنواع المختلفة للتعديلات ما بعد الترجمة وبنيتها الكيميائية
- فيديو مفيد يوضح عملية تحويل الحمض النووي إلى بروتين عن طريق النسخ والترجمة
- فيديو يوضح عملية طي البروتين من البنية الأساسية غير الوظيفية إلى بنية بروتينية ثلاثية الأبعاد ناضجة مطوية مع الإشارة إلى دور الطفرات وطي البروتين الخاطئ في المرض
