8 דקות
בואו נתחיל עם משהו שאולי ישתמע מפתיע: כל החלבונים בגוף האדם, עם כל המגוון העצום שלהם, מקודדים על ידי 64 צירופים בלבד של שלושה בסיסים. ויש לנו רק 4 בסיסים שונים ב-DNA. איך זה עובד? ולמה זה מספיק ל-20 חומצות אמינו שונות? בשיעור הזה נעבור את כל הדרך מהמבנה הכימי של ה-DNA ועד לחלבון המוגמר.
נתחיל מהיסוד. מולקולת ה-DNA בנויה משני גדילים הכרוכים יחד בסליל כפול. כל יחידה בגדיל נקראת נוקלאוטיד, וכל נוקלאוטיד מורכב משלושה חלקים: סוכר דאוקסיריבוז, קבוצת זרחה, ובסיס חנקני. השלד החיצוני של כל גדיל בנוי מרצף של סוכר וזרחה לסירוגין, ואילו הבסיסים פונים פנימה ונקשרים זה לזה בקשרי מימן. כאן טמונה נקודת תורפה נפוצה במבחן: לא פעם כותבים שהבסיסים פונים כלפי חוץ, אבל זה הפוך מהאמת. השלד בחוץ, הבסיסים בפנים.
הזיווג בין הבסיסים קבוע ואינו אקראי. אדנין תמיד מול תימין, ביניהם 2 קשרי מימן. ציטוזין תמיד מול גואנין, ביניהם 3 קשרי מימן. מכאן נגזר כלל בסיסי: בכל מולקולת DNA דו-גדילית, כמות האדנין שווה לכמות התימין, וכמות הציטוזין שווה לכמות הגואנין. אין קשר קבוע בין אדנין לציטוזין, ואין קשר קבוע בין תימין לגואנין. היחס ביניהם משתנה בין אורגניזמים שונים.
כדאי לתרגל את הכלל הזה עם דוגמה: אם 22% מהבסיסים במולקולת DNA מסוימת הם גואנין, אז הציטוזין גם הוא 22%. יחד הם 44%. הנותר הוא 56%, ומכיוון שאדנין ותימין שווים ביניהם, כל אחד מהם הוא 28%. הכלל הזה מאפשר לנו לחשב את כל ארבעת הבסיסים כשיודעים רק אחד מהם.
נקודה נוספת שנחזור אליה: אזורים עשירים בציטוזין וגואנין יציבים יותר מבחינה כימית, כי יש ביניהם 3 קשרי מימן לעומת 2 בלבד בין אדנין לתימין. לכן נדרשת טמפרטורה גבוהה יותר כדי להפריד גדילים באזורים כאלה.
לפני כל חלוקת תא, כל ה-DNA חייב להשתכפל. תהליך זה נפתח כאשר אנזים מפריד פותח את שני הגדילים, ואז האנזים DNA פולימראז נע לאורך כל גדיל ומוסיף נוקלאוטידים חופשיים מולו לפי כלל ההשלמה. התוצאה היא שתי מולקולות זהות לחלוטין למקורית. אבל כאן יש פרט מרתק: כל מולקולה חדשה שומרת גדיל ישן שלם אחד לצד גדיל חדש שלם אחד. זו המשמעות של "חצי-שומרני" — לא עירבוב של חצאי גדילים, אלא שמירה של גדיל ישן שלם בכל מולקולה חדשה.
הניסוי הקלאסי שהוכיח את זה הוא ניסוי החנקן הכבד. תאים גדלו בסביבה עם חנקן כבד, 15N, כך שכל ה-DNA שלהם הכיל חנקן כבד. לאחר מכן הועברו לסביבה עם חנקן רגיל, 14N. לאחר דור שכפול אחד, לפי המודל החצי-שומרני, כל מולקולת DNA הייתה צריכה להכיל גדיל אחד עם 15N וגדיל אחד עם 14N, כלומר בינונית בצפיפות. וכך בדיוק קרה.
עכשיו נעבור לשלב הבא: השיעתוק. ה-DNA אינו יוצא מהגרעין. זו טעות נפוצה מאוד וכדאי לסמן אותה בבירור. ה-DNA נשאר בגרעין תמיד. מה שיוצא הוא מולקולת mRNA, שנוצרת בתהליך השיעתוק. האנזים RNA פולימראז נקשר לאזור המקדם של גן ספציפי, ומעתיק גדיל תבנית אחד בלבד לתוך מולקולת mRNA. חשוב להבין: השיעתוק מעתיק גן אחד בכל פעם, לא את כל ה-DNA.
בתהליך הזה יש שינוי אחד מהותי: במקום תימין, ה-mRNA מכיל אוראציל. שאר כללי ההשלמה נשמרים. כלומר, מול אדנין בגדיל התבנית נכנס אוראציל לתוך ה-mRNA. ה-mRNA הבשל יוצא מהגרעין דרך נקבובית ומגיע אל הריבוזום שבציטופלזמה.
מה ההבדלים בין DNA ל-RNA? כל הבדל משקף הגיון תפקודי. הסוכר ב-DNA הוא דאוקסיריבוז, שמעניק לו יציבות גבוהה, ואילו ב-RNA הוא ריבוז. ה-DNA בנוי משני גדילים ואילו ה-mRNA בנוי מגדיל אחד, שקל לריבוזום לקרוא. ה-DNA הוא מולקולה ארוכה ויציבה הנשמרת בגרעין לאורך כל חיי התא, ואילו ה-mRNA הוא עותק עבודה זמני שמפורק לאחר השימוש.
הגענו לתרגום — השלב שבו הרצף ב-mRNA הופך לרצף של חומצות אמינו. הריבוזום נקשר ל-mRNA וקורא אותו בקבוצות של 3 בסיסים. כל קבוצה כזו נקראת קודון. לכל קודון מתאים מולקולת tRNA שבקצה אחד יש לה אנטי-קודון המשלים לקודון, ובקצה השני יש חומצת האמינו המתאימה. הריבוזום יוצר קשר פפטידי בין חומצות האמינו ומתקדם קודון אחד קדימה בכל פעם.
נעצור רגע על הדוגמה הבאה: אם הקודון ב-mRNA הוא GCU בכיוון 5' ל-3', האנטי-קודון של ה-tRNA המתאים יהיה CGА בכיוון 3' ל-5'. זה מבטא את העיקרון של כיוון אנטי-מקביל, שמופיע גם בשני גדילי ה-DNA וגם כאן ביחס בין קודון לאנטי-קודון.
התהליך מתחיל תמיד בקודון הפתיחה AUG, שמקודד למתיונין, ומסתיים באחד משלושה קודוני עצירה: UAA, UAG או UGA. קודוני העצירה האלה אינם מקודדים לשום חומצת אמינו, אלא מסמנים לריבוזום שהשרשרת הסתיימה. לכן, שרשרת פוליפפטידית עם 80 חומצות אמינו תדרוש 81 קודונים ב-mRNA: 80 קודונים מקודדים ועוד קודון עצירה אחד.
ועכשיו חוזרים לשאלה שפתחנו איתה: איך 4 בסיסים מייצרים 64 צירופים? המתמטיקה פשוטה: 4 בסיסים בחזקת 3 מיקומים הם 4 כפול 4 כפול 4, שווה 64 צירופים אפשריים. אבל יש רק 20 חומצות אמינו. אז מה עושים עם 44 הצירופים הנותרים? לרוב חומצות האמינו יש יותר מקודון אחד שמקודד אליהן. למשל, מספר קודונים שונים יכולים להוביל לאותה חומצת אמינו, כשההבדל לרוב נמצא בבסיס השלישי. תכונה זו נקראת סביות הקוד, ויש לה השלכה חשובה: לא כל שינוי בסיס בקוד הגנטי ישנה את החלבון. אם הקודון החדש מקודד לאותה חומצת אמינו, החלבון נשאר זהה. מוטציה כזו נקראת מוטציה שקטה.
הקוד הגנטי גם אוניברסלי: כמעט כל היצורים החיים משתמשים באותו קוד. זה מה שמאפשר הנדסה גנטית — גן אנושי שמוכנס לחיידק יניב את החלבון האנושי, כי שניהם קוראים את אותו קוד.
נסיים עם נקודה שמחברת הכל: שלושה סוגי RNA משתתפים בבניית החלבון. ה-mRNA נושא את המסר מהגרעין. ה-tRNA מוביל את חומצות האמינו. ה-rRNA מרכיב את הריבוזום עצמו. בלי אחד מהם אין חלבון. ולמה זה חשוב? כי רצף חומצות האמינו קובע את הקיפול התלת-ממדי של החלבון, והקיפול קובע את התפקיד. אפילו שינוי של חומצת אמינו בודדת יכול לשנות את הקיפול ולשבש את תפקוד החלבון כולו.