DNA (חומצה דאוקסיריבונוקלאית) הוא אחד המרכיבים החשובים ביותר של חומר חי. באמצעותו מתבצעת שימור והעברת מידע תורשתי מדור לדור עם אפשרות לשונות בגבולות מסוימים. הסינתזה של כל החלבונים הדרושים למערכת חיה תהיה בלתי אפשרית ללא מטריצת DNA. להלן נשקול את המבנה, היווצרות, תפקוד בסיסי ותפקידו של ה-DNA בביוסינתזה של חלבונים.
מבנה מולקולת ה-DNA
חומצה Deoxyribonucleic היא מקרומולקולה המורכבת משני גדילים. למבנה שלו מספר רמות ארגון.
המבנה הראשוני של שרשרת ה-DNA הוא רצף של נוקלאוטידים, שכל אחד מכיל אחד מארבעת הבסיסים החנקניים: אדנין, גואנין, ציטוזין או תימין. שרשראות נוצרות כאשר סוכר הדאוקסיריבוז של נוקלאוטיד אחד מחובר לשאריות הפוספט של אחר. תהליך זה מתבצע בהשתתפות זרז חלבון - DNA ligase
- המבנה המשני של ה-DNA הוא מה שנקרא סליל כפול (ליתר דיוק, בורג כפול). השטחים מסוגליםמתחברים זה לזה באופן הבא: אדנין ותימין יוצרים קשר מימן כפול, וגואנין וציטוזין יוצרים משולש. תכונה זו עומדת בבסיס עיקרון ההשלמה הבסיסית, לפיה שרשראות מחוברות זו לזו. במקרה זה, מתרחש פיתול סליל (לעתים קרובות יותר ימינה) של השרשרת הכפולה.
- מבנה שלישוני הוא מבנה מורכב של מולקולה ענקית המתרחשת דרך קשרי מימן נוספים.
- המבנה הרבעוני נוצר בשילוב עם חלבונים ספציפיים ורנ"א והוא האופן שבו DNA נארז בגרעין התא.
פונקציות DNA
בואו נשקול את התפקיד של DNA במערכות חיות. ביופולימר זה הוא מטריצה המכילה תיעוד של המבנה של חלבונים שונים, RNA הדרוש לגוף, כמו גם סוגים שונים של אתרי ויסות. באופן כללי, כל המרכיבים הללו מרכיבים את התוכנית הגנטית של הגוף.
באמצעות ביו-סינתזה של DNA, התוכנית הגנטית מועברת לדורות הבאים, מה שמבטיח את התורשה של המידע הבסיסי לחיים. הדנ א מסוגל לעבור מוטציה, עקב כך נוצרת השונות של אורגניזמים חיים ממין ביולוגי אחד, וכתוצאה מכך מתאפשר תהליך הברירה הטבעית והתפתחותן של מערכות חיות.
במהלך רבייה מינית, ה-DNA של צאצא של אורגניזם נוצר על ידי שילוב מידע תורשתי אבהי ואימהי. בשילוב, יש וריאציות שונות, מה שתורם גם לשונות.
איך משכפלים את התוכנית הגנטית
בשל המבנה המשלים, מתאפשרת רבייה עצמית של מטריצה של מולקולת ה-DNA. במקרה זה, המידע הכלול בו מועתק. שכפול של מולקולה ליצירת שתי "סלילים כפולים" של בנות נקרא שכפול DNA. זהו תהליך מורכב הכולל מרכיבים רבים. אבל עם פישוט מסוים, זה יכול להיות מיוצג כתרשים.
השכפול מתחיל על ידי קומפלקס מיוחד של אנזימים באזורים מסוימים של DNA. במקביל, השרשרת הכפולה מתפרקת ויוצרת מזלג שכפול, שבו מתרחש תהליך הביוסינתזה של DNA - הצטברות של רצפי נוקלאוטידים משלימים על כל אחת מהשרשרות.
תכונות של קומפלקס השכפול
השכפול ממשיך גם בהשתתפות קבוצה מורכבת של אנזימים - רפליזומים, שבהם ה-DNA פולימראז משחק את התפקיד העיקרי.
אחת השרשראות במהלך הביוסינתזה של DNA היא המובילה והיא נוצרת ללא הרף. היווצרות של גדיל מפגר מתרחשת על ידי הצמדת רצפים קצרים - שברי אוקזאקי. פרגמנטים אלו מקושרים באמצעות DNA ligase. תהליך כזה נקרא חצי רציף. בנוסף, היא מאופיינת כשמרנית למחצה, שכן בכל אחת מהמולקולות החדשות שנוצרו אחת מהשרשרות היא ההורה, והשנייה היא הבת.
שכפול DNA הוא אחד משלבי המפתח בחלוקת תאים. תהליך זה עומד בבסיס העברת המידע התורשתי לדור החדש, כמו גם הצמיחה של האורגניזם.
מהם חלבונים
חלבון הואהמרכיב התפקודי החשוב ביותר בתאים של כל האורגניזמים החיים. הם מבצעים פונקציות קטליטיות, מבניות, רגולטוריות, איתות, הגנה ועוד רבות אחרות.
מולקולת חלבון היא ביו-פולימר שנוצר על ידי רצף של שאריות חומצות אמינו. היא, כמו מולקולות חומצת גרעין, מאופיינת בנוכחות של מספר רמות של ארגון מבני - מהראשוני ועד הרבעוני.
ישנן 20 חומצות אמינו שונות (קנוניות) המשמשות מערכות חיות לבניית מגוון עצום של חלבונים. ככלל, חלבון אינו מסונתז בעצמו. התפקיד המוביל ביצירת מולקולת חלבון מורכבת שייך לחומצות גרעין - DNA ו-RNA.
מהות הקוד הגנטי
אז, DNA הוא מטריצת מידע המאחסנת מידע על החלבונים הדרושים לגוף לגדול ולחיות. חלבונים בנויים מחומצות אמינו, DNA (ו-RNA) מנוקלאוטידים. רצפי נוקלאוטידים מסוימים של מולקולת ה-DNA תואמים לרצפים מסוימים של חומצות אמינו של חלבונים מסוימים.
ישנם 20 סוגים של יחידות מבניות חלבון - חומצות אמינו קנוניות - בתא, ו-4 סוגים של נוקלאוטידים ב-DNA. אז כל חומצת אמינו כתובה על מטריצת ה-DNA כשילוב של שלושה נוקלאוטידים - שלישייה, שמרכיבי המפתח שלה הם בסיסים חנקניים. עקרון התכתבות זה נקרא הקוד הגנטי, ושלישיות הבסיס נקראות קודונים. ג'ין הוארצף של קודונים המכיל רישום של חלבון וכמה שילובי שירותים של בסיסים - קודון התחלה, קודון עצירה ואחרים.
כמה מאפיינים של הקוד הגנטי
הקוד הגנטי הוא כמעט אוניברסלי - למעט יוצאים מן הכלל, הוא זהה בכל האורגניזמים, מחיידקים ועד בני אדם. זה מעיד, ראשית, על מערכת היחסים של כל צורות החיים על פני כדור הארץ, ושנית, על עתיקותו של הקוד עצמו. כנראה, בשלבים המוקדמים של קיומם של חיים פרימיטיביים, גרסאות שונות של הקוד נוצרו די מהר, אבל רק אחת קיבלה יתרון אבולוציוני.
חוץ מזה, זה ספציפי (חד משמעי): חומצות אמינו שונות אינן מקודדות על ידי אותה שלישייה. כמו כן, הקוד הגנטי מאופיין בניוון, או יתירות - מספר קודונים יכולים להתאים לאותה חומצת אמינו.
הרשומה הגנטית נקראת ברציפות; הפונקציות של סימני פיסוק מבוצעות גם על ידי שלישיות של בסיסים. ככלל, אין רשומות חופפות ב"טקסט" הגנטי, אבל גם כאן יש חריגים.
יחידות פונקציונליות של DNA
המכלול של כל החומר הגנטי של אורגניזם נקרא הגנום. לפיכך, ה-DNA הוא הנשא של הגנום. הרכב הגנום כולל לא רק גנים מבניים המקודדים לחלבונים מסוימים. חלק ניכר מה-DNA מכיל אזורים עם מטרות תפקודיות שונות.
אז, DNA מכיל:
- רגולציהרצפים המקודדים RNAs ספציפיים, כגון מתגים גנטיים ומווסתים של ביטוי גנים מבני;
- אלמנטים המווסתים את תהליך השעתוק - השלב הראשוני של ביוסינתזה של חלבון;
- פסאודוגנים הם מעין "גנים מאובנים" שאיבדו את יכולתם לקודד חלבון או להיות מועתקים עקב מוטציות;
- אלמנטים גנטיים ניידים - אזורים שיכולים לנוע בתוך הגנום, כמו טרנספוזונים ("גנים קופצים");
- טלומרים הם אזורים מיוחדים בקצוות הכרומוזומים, שבזכותם ה-DNA בכרומוזומים מוגן מפני התקצרות עם כל אירוע שכפול.
מעורבות של DNA בביוסינתזה של חלבון
DNA מסוגל ליצור מבנה יציב, שמרכיב המפתח שלו הוא התרכובת המשלימה של בסיסים חנקניים. הגדיל הכפול של ה-DNA מספק, ראשית, רבייה מלאה של המולקולה, ושנית, קריאה של קטעים בודדים של DNA במהלך סינתזת חלבון. תהליך זה נקרא תמלול.
במהלך השעתוק, קטע של DNA המכיל גן מסוים אינו מתפתל, ובאחת השרשראות - התבנית אחת - מסונתזת מולקולת RNA כהעתק של השרשרת השנייה, הנקראת זו המקודדת. סינתזה זו מבוססת גם על התכונה של בסיסים ליצור זוגות משלימים. אזורי שירות שאינם מקודדים של DNA והאנזים RNA פולימראז לוקחים חלק בסינתזה. RNA כבר משמש כתבנית לסינתזת חלבון, וה-DNA אינו מעורב בתהליך הנוסף.
תמלול הפוך
במשך זמן רב האמינו שהמטריקסהעתקה של מידע גנטי יכולה ללכת רק בכיוון אחד: DNA → RNA → חלבון. תכנית זו כונתה הדוגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית. עם זאת, במהלך המחקר נמצא שבמקרים מסוימים ניתן להעתיק מ-RNA ל-DNA - מה שנקרא תעתיק הפוך.
היכולת להעביר חומר גנטי מ-RNA ל-DNA אופיינית לרטרו-וירוסים. נציג טיפוסי של וירוסים המכילים RNA כאלה הוא נגיף הכשל החיסוני האנושי. שילוב הגנום הנגיפי ב-DNA של תא נגוע מתרחש בהשתתפות אנזים מיוחד - הפוך טרנסקריפטאז (revertase), הפועל כזרז לביו-סינתזה של DNA על תבנית RNA. Revertase הוא גם חלק מהחלקיק הנגיפי. המולקולה החדשה שנוצרה משולבת ב-DNA התאי, שם היא משמשת לייצור חלקיקים ויראליים חדשים.
מהו ה-DNA האנושי
DNA האנושי, הכלול בגרעין התא, ארוז ב-23 זוגות של כרומוזומים ומכיל כ-3.1 מיליארד נוקלאוטידים מזווגים. בנוסף ל-DNA הגרעיני, תאים אנושיים, כמו אורגניזמים אוקריוטיים אחרים, מכילים DNA מיטוכונדריאלי, גורם בתורשה של אברוני התא המיטוכונדריאלי.
גנים מקודדים של DNA גרעיני (יש בין 20 ל-25 אלף מהם) מהווים רק חלק קטן מהגנום האנושי - כ-1.5%. שאר ה-DNA נקרא בעבר "זבל", אך מחקרים רבים חושפים את התפקיד המשמעותי של אזורים שאינם מקודדים בגנום, שנדונו לעיל. חשוב מאוד גם ללמוד את התהליכיםשעתוק הפוך בדנ"א אנושי.
המדע כבר יצר הבנה ברורה למדי של מהו הדנ א האנושי במונחים מבניים ותפקודיים, אבל עבודה נוספת של מדענים בתחום זה תביא לתגליות חדשות וטכנולוגיות ביו-רפואיות חדשות.
