كيف تبني خلايانا البروتين؟

تُعَد البروتينات من الجزيئات الكبيرة الأكثر تنوعاً في الأنظمة الحية حيث تقوم بأداء وظائف بيولوجية على نطاق واسع ويعكس ذلك تنوعها التركيبي.

تتكون البروتينات بصورة أساسية من (الكاربون، الهيدروجين، النيتروجين، الأكسجين، والكبريت)، بالإضافة إلى بعض العناصر الأخرى التي توجد في بروتينات متخصصة محددة مثل عنصر الحديد في بروتين الهيموغلوبين وعنصر الفسفور في بروتين الكازين.

تتكون جميع البروتينات من وحدات بناء تُعرف بالأحماض الأمينية والتي ترتبط مع بعضها بأواصر تسمى الأواصر الببتيدية، جدير بالذكر أنه يُوجد في بروتينات الكائنات الحية 22 حمضاً أمينياً مختلفاً.

تعتمد عملية بناء البروتين على الريبوسومات جنباً إلى جنب مع الأحماض النووية، والتي تتضمن نوعين:

الأول: الحمض النووي الرايبوزي منقوص الأكسجين (دنا DNA)

والثاني: الحمض النووي الرايبوزي (رنا RNA) بأنواعه (الرنا الرسول mRNA والرنا الناقل tRNA، والرنا الريبوسومي rRNA الذي يعتبر الوحدة الوظيفية للرايبوسوم).

تتكون عملية بناء البروتينات في الخلية من خطوتين رئيسيتين:

1- عملية النسخ

2- عملية الترجمة

عملية النسخ: وهي عملية يتم من خلالها نسخ جزيء الرنا الرسول mRNA من جين معين موجود على الدنا DNA عبر سلسلة من الخطوات تبدأ بارتباط إنزيم يُسمى إنزيم بلمرة الرنا RNA polymerase على موقع موجود على الدنا DNA يُسمى بموقع الابتداء، بعد ذلك تنفصل سلسلتي الدنا ليبدأ الإنزيم بإضافة النيوكليوتيدات (وهي وحدات البناء في الأحماض النووية) الخاصة بالرنا الرسول (مع استبدال القاعدة النيتروجينية ثايمين بالقاعدة النيتروجينية يوراسيل) من أحد سلسلتي الدنا، وحينما يصل إنزيم البلمرة إلى إشارة الانتهاء (وهي منطقة معينة على الدنا DNA مكونة من تسلسل معين من النيوكليوتيدات المحددة لنهاية الجين) يتم تحرير الرنا الرسول الناتج وتعود سلسلتا الدنا DNA إلى الالتفاف من جديد.

تُسمى كل ثلاث نيوكليوتيدات متجاورة على الرنا الرسول بالكودون (وهوعبارة عن شفرة من ثلاث قواعد نيتروجينية من أصل أربع قواعد: الأدنين، الغوانين، السايتوسين، اليوراسيل)، ويبلغ عدد الكودونات إجمالاً 64 كودوناً، منها 61 مخصصة لتشفير 20 حمض أميني، أما الثلاث المتبقية لا تُشفر أي حمض أميني.

أما عن عملية الترجمة فهي تتكون من ثلاث خطوات:

البدء، الاستطالة، والإنهاء

تنطلق خطوة البدء بارتباط الوحدتين البنائيتين للريبوسوم مع الرنا الرسول mRNA والرنا الناقل tRNA، ثم يبدأ الرنا الرسول بالمرور بين وحدتي الريبوسوم حتى يتم ترجمة الكودونات إلى أحماض أمينية بواسطة الكودون المضاد الموجود على الرنا الناقل tRNA، فتبدأ الترجمة بكودون البدء (AUG) على الرنا الرسولmRNA والذي يشفر للحمض الأميني ميثيونين (لايمكن أن تبدأ الترجمة بدون كودون البدء AUG).

بعد ذلك يأتى دور خطوة الاستطالة، حيث ينفصل الرنا الناقل الأول ويترك حمضه الأميني (الميثيونين) خلفه، ويدخل رنا ناقل جديد إلى الريبوسوم حاملا حمضاً أمينياً للكودون التالي على الرنا الرسول، وتستمر هذه العملية حتى يصل الريبوسوم إلى كودون الإيقاف الموجود على الرنا الرسول (وهو الكودون الذي لا يتوفر له كودون مضاد على الرنا الناقل وبالتالي لا يشفر إلى حمض أميني).

وفي النهاية يأتي دور خطوة الإنهاء حيث يصل الريبوسوم إلى أحد كودونات الإيقاف ( UAG – UAA – UGA) حينها يغادر آخر رنا ناقل الريبوسوم وتنفصل الوحدتان البنائيتان للرايبوسوم عن بعضهما ويبتعد الريبوسوم عن الرنا الرسول، ويتحرر البروتين الناتج إلى السايتوبلازم.

(يمكن لعدة ريبوسومات أن تترجم نفس النسخة من الرنا الرسول).

ويُطلق على هذه السلسلة من الأحداث البيولوجية التي تؤدي إلى بناء البروتين تعابير أخرى مثل المبدأ المركزي، أو التعبير الجيني، أو بناء البروتين.

يمكن أن تختلف عملية بناء البروتينات في الخلايا الحقيقية النواة عن تلك البدائية النواة، فمثلاً: عملية النسخ تحدث داخل أنوية الخلايا الحقيقية النواة وبعد الانتهاء منها تبدأ عملية الترجمة أما بالنسبة للخلايا بدائية النواة فنظراً لعدم احتوائها على نواة فإن عملية النسخ تحدث في السيتوبلازم لوجود الدنا في السايتوبلازم وبالتالي يمكن أن تبدأ عملية الترجمة قبل انتهاء عملية النسخ وتسمى هذه العملية باقتران النسخ والترجمة.

وفضلاً عن ذلك، فإن الرنا الرسول في الخلية الحقيقية النواة أحادي السسترون أي أنه يُشفر لعديد ببتيد (بروتين) واحد، أما الرنا الرسول في الخلية البدائية النواة فهو متعدد السسترون أي أنه يشفر لأكثر من عديد ببتيد.

بالإضافة إلى اختلاف وحدتي الريبوسوم في الخلية الحقيقية النواة عن تلك الموجودة في الخلية بدائية النواة، ففي الكائنات حقيقية النواة تميز الريبوسومات الرنا الرسول بواسطة الارتباط بقلنسوته عند النهايه 5 لجزئية الرنا الرسول ثم يبدأ الريبوسوم بفحص دقيق للرنا الرسول من النهايه 5 لحين الوصول الى شفرة البدأ.

إن عملية الترجمة في الخلايا حقيقية النواة تكون أكثر تعقيداً مما عليه في بدائية النواة وتتطلب عوامل بدأ ترجمة أكثر من مثيلاتها في بدائية النواة.

لكن هل يمكن لنفس الرنا الرسول أن يبني بروتينًا في كلا الخليتين الحقيقية والبدائية النواة ؟!

لمعرفة الجواب، تابعونا في الجزء القادم قريباً.

فيديو يوضح عملية بناء البروتين: