books genetic regulation

تتحكم النواة في التصنيع الكيميائي الحيوي كوظيفة لها تسمى المحرض الإنزيمي . و يحتاج تصنيع النتاج الكيميائي الحيوي للخلية في العادة إلى سلسلة من التفاعلات، ويحفز كل واحد منها إنزيم بروتيني خاص. و يتحكم 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 . و تسمى 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 . و هذه هي سلسلة من النوويدات لتي لها ألفة خاصة لبوليميراز الـ RNA . و على البوليميراز أن يرتبط مع هذا المشغل قبل أن يتمكن من بدء حلقة على طول خيط الـ DNA ليخلق الـ RNA ؛ و لهذا فإن المحرض هو عامل ضروري في تنشيط المشغل .

تحكم البروتين الكاظم في المَشغَل

يوجد شريط إضافي للنوويدات موجود في وسط المحرض ؛ و تسمى 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 . و يسمى مثل هذا النظام البروتيني باسم البروتين الكاظم repressor protien . و بصورة عامة توجد كل البروتينات المنظمة الكاظمة بشكلين تجسيميين متباينين، يتمكن أحدهما من الارتباط بالعامل operator و يكظم الانتساخ، أما الثاني فإنه لا يرتبط به . و هذا يعني أن أحد الشكلين يتمكن من أن يكَوِن جزيء بروتين مستقيم ويكون الشكل الثاني نفس الجزيء ولكنه محني بزاوية عند وسطه . و يتمكن أحد هذين النوعين فقط من كبت العامل . و بالإضافة 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 . و تسمى المادة التي تغيره وتؤدي إلى اتحاده مع العامل وتوقَف الانتساخ باسم المادة الكاظمة repressor substance أو مادة مثبطة inhibitor substance . و من 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. و لكن 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 . و لذلك يصبح المشغل مزال الكاظم وتتولد الإنزيمات المناسبة خلال بضعة دقائق في الجرثوم لتحلل اللاكتوز . و من ثم عندما يبدأ اللاكتوز بالاختفاء من داخل الخلية تقل سرعة تصنيع الإنزيمات أيضاً لتعود إلى المستوى الذي يتطلبه وجود كمية اللاكتوز المتوفر فقط . و يتضح من ذلك منطق وجود مثل هذه الأجهزة التنظيمة في الخلية .

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 . و لذلك يسمى البروتين المنظم من هذا النوع بروتيناً منشطاً activator protien . و من الممكن تنشيط المشغل أو تثبيطه بواسطة العامل المنشط بطرق معاكسة تماماً لتحكم العامل الكاظم .

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 . و هو يتمكن من القيام بذلك إما بجعل البروتين المنظم الكاظم يرتبط بالعامل الكاظم أو بجعل البروتين المنظم النشط يقطع ارتباطه مع العامل المنشط . و في الحالتين يتم تثبيط المشغل. و لهذا فمتى توفرت كميات كبيرة كافية من المركب المصنع يخمد المشغل . و على العكس من ذلك فمتى ما تضاءلت كمية النتاج المصنع في الخلية وهبط تركيزه فيها ينشط المشغل ثانية . و بهذه الطريقة يتم التحكم في تركيز الناتج أتوماتيكياً .

آليات أخرى للتحكم في الاستنساخ بواسطة المشغل

لقد اكتشفت خلال السنوات الماضية اختلافات في الآلية الأساسية للتحكم بالمشغل. و فيما يلي بعض هذه الاختلافات:

1. غالباً ما يتحكم بالمشغل جين منظم regulatory gene يقع في محل آخر في المعقد الجيني للنواة . و يقوم الجين المنظم هذا بتكوين بروتين منظم يقوم بدوره إما كمادة منشطة أو كمادة كاظمة تتحكم بالمشغل .
2. توجد أحياناً عدة مشاغل مختلفة تتحكم في وقت واحد ببروتين منظم واحد . و يعمل في بعض الأحيان نفس البروتين المنظم منشطاً لأحد المشاغل وكاظماً لمشغل آخر . و عندما تحكم عدة مشاغل في وقت واحد بهذه الطريقة تسمى كل هذه المشاغل التي تعمل سوية الناظمة regulon .
3. لا تُحكم بعض المشاغل عند نقطة ابتداء الاستنساخ على خيط الـ DNA بل إنها تُحكم عوضاً عن ذلك بعيداً عنها على طول الخيط نفسه . و لا 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 . و نادراً ما يتم التحكم بمستوى ترجمة الـ RNA بواسطة الريبوسومات.
4. يتكتل DNA النواة في حقيقيات النواة بوحدات بنائية خاصة تسمى الصبغيات chromosomes . و يلتف الـ DNA في كل صبغي حول بروتينات صغيرة تسمى الهستونات histones التي تتكتل بدورها بإحكام بواسطة بروتينات أخرى. و ما 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 . و تستعمل بذلك أنظمة أعلى مرتبة في حقيقيات النواة لتنظيم وظائف الخلايا فيها . و بالإضافة 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 .