מבנה ה-DNA
2 מטר של הוראות דחוסים בגרעין זעיר - איך זה עובד?
DNA - ספר ההוראות של החיים
מבנה הסליל הכפול
סליל כפול - סולם מפותל
ה-DNA בנוי כמו סולם שפותל לצורת סליל. זהו אחד המבנים האלגנטיים ביותר בטבע.
מעקות הסולם: שרשרות של סוכר (דאוקסיריבוז) וזרחן (פוספט) - השלד של המולקולה. המעקות 'רצות' בכיוונים מנוגדים (אנטי-פרלליות).
שלבי הסולם: זוגות בסיסים חנקניים שמחוברים זה לזה בקשרי מימן. ארבעה סוגי בסיסים:
- A (אדנין) - פורין
- T (תימין) - פירמידין
- G (גואנין) - פורין
- C (ציטוזין) - פירמידין
חוקיות זיווג (Complementary Base Pairing):
- A תמיד מזדווג עם T (שני קשרי מימן)
- G תמיד מזדווג עם C (שלושה קשרי מימן)
פורין (גדול) תמיד מזדווג עם פירמידין (קטן) - כך רוחב הסולם אחיד לכל אורכו.
A = T (2 קשרי מימן)
G = C (3 קשרי מימן)
הסדר (רצף) של הבסיסים לאורך ה-DNA הוא המידע הגנטי - ספר ההוראות של החיים.
A - אדנין
מזדווג עם T
שני קשרי מימן
פורין (מבנה גדול, שני טבעות)
T - תימין
מזדווג עם A
שני קשרי מימן
פירמידין (מבנה קטן, טבעת אחת)
G - גואנין
מזדווג עם C
שלושה קשרי מימן
פורין (מבנה גדול, שני טבעות)
C - ציטוזין
מזדווג עם G
שלושה קשרי מימן
פירמידין (מבנה קטן, טבעת אחת)
טריקים לזכירת חוקיות הזיווג
יש כמה דרכים לזכור מי מזדווג עם מי:
- A-T: האות הראשונה והאחרונה באלפבית. או: Always with Together
- G-C: שתי אותיות באמצע. או: Good Combination
- כלל הגדול-קטן: פורין (גדול) תמיד עם פירמידין (קטן)
- שלושה ← G-C (שני G ושני C יש שלושה קשרים). שניים ← A-T
הנוקליאוטיד - לבנת הבניין
הנוקליאוטיד - יחידת המבנה של DNA
כמו שקיר בנוי מלבנים, ה-DNA בנוי מיחידות חוזרות הנקראות נוקליאוטידים.
כל נוקליאוטיד מורכב משלושה חלקים:
1. סוכר דאוקסיריבוז - סוכר עם 5 פחמנים. נותן ל-DNA את שמו (Deoxyribo). הוא ה'בסיס' שעליו מורכבים שני החלקים האחרים.
2. קבוצת זרחה (פוספט) - מחברת בין הנוקליאוטידים בשרשרת. הסוכר של נוקליאוטיד אחד מתחבר לפוספט של הבא - כך נוצרת השרשרת.
3. בסיס חנקני - אחד מארבעת הבסיסים (A, T, G, C). זהו החלק שנושא את המידע.
הנוקליאוטידים מתחברים בשרשרת ארוכה. הסוכר והזרחה יוצרים את השלד (מעקה הסולם) - הוא זהה בכל מקום. הבסיסים בולטים פנימה ויוצרים את שלבי הסולם - הם משתנים ונושאים את המידע.
DNA = שרשרת ארוכה של נוקליאוטידים. ההבדל בין נוקליאוטיד לנוקליאוטיד הוא רק בבסיס החנקני.
שלושת מרכיבי הנוקליאוטיד
סוכר דאוקסיריבוז
סוכר בן 5 פחמנים. מהווה את 'עמוד השדרה' של כל נוקליאוטיד. נותן ל-DNA את שמו.
קבוצת זרחה (פוספט)
מחברת בין נוקליאוטיד לנוקליאוטיד. יוצרת את 'עמוד השדרה' של ה-DNA.
בסיס חנקני
A, T, G, או C. זה החלק שנושא את המידע. סדר הבסיסים = הקוד הגנטי.
הרצף הוא המידע
בדיוק כמו שסדר האותיות בספר יוצר מילים ומשפטים, סדר הבסיסים לאורך ה-DNA יוצר את ההוראות. רצף ATCGGA שונה מ-GCCATA - כל שינוי ברצף משנה את ההוראה. ב-4 בסיסים בלבד, אפשר לכתוב ספר בן 3.2 מיליארד אותיות שמכיל את כל ההוראות ליצור חי!
למה דווקא 4 אותיות מספיקות?
כל 3 בסיסים (קודון) מקודדים לחומצה אמינית אחת. עם 4 בסיסים ו-3 מיקומים יש 4x4x4 = 64 שילובים - יותר ממספיק עבור 20 חומצות האמינו! זה כמו קוד מורס שמשתמש רק בנקודה וקו אבל יכול לייצג כל אות.
DNA במספרים
| נתון | ערך | משמעות |
|---|---|---|
| אורך DNA בתא אחד | כ-2 מטר | ארוך מאוד אבל דק (2 ננומטר רוחב) |
| מספר זוגות בסיסים באדם | כ-3.2 מיליארד | כמות עצומה של מידע גנטי |
| מספר גנים באדם | כ-20,000-25,000 | רק 1-2% מה-DNA מקודד לחלבונים |
| דמיון בין בני אדם | 99.9% | ההבדל הוא רק 0.1% - אבל זה מיליוני בסיסים |
| דמיון אדם-שימפנזה | כ-98.7% | DNA דומה מאוד למרות הבדלים גדולים במראה |
| דמיון אדם-בננה | כ-60% | גם עם בננה יש DNA משותף - כי לחיים יש מקור משותף |
* כמות ה-DNA זהה בכל תאי הגוף (חוץ מתאי רבייה וכדוריות דם אדומות)
שאלה לחשיבה
כל בני האדם חולקים 99.9% מה-DNA. אם כך, כיצד כל אדם ייחודי?
ה-0.1% הנותרים מכילים כ-3.2 מיליון הבדלים ברצף הבסיסים! זה מספיק כדי ליצור שונות עצומה בצבע עיניים, גובה, צורת פנים ועוד. בנוסף, לא רק הרצף חשוב - גם אילו גנים מבוטאים (פעילים) ובאיזו עוצמה - וזה משתנה בין אנשים.
שכפול DNA - להעתיק 3.2 מיליארד אותיות בלי טעויות
כיצד DNA מעתיק את עצמו?
לפני שתא מתחלק, הוא חייב להעתיק את כל ה-DNA כדי שכל תא בת יקבל עותק מלא ומדויק.
שלב 1 - פתיחה:
ה-DNA נפתח - שני הגדילים נפרדים (כמו רוכסן שנפתח). אנזים בשם הליקאז מפריד את הגדילים ע"י שבירת קשרי המימן.
שלב 2 - בנייה:
אנזים DNA פולימראז קורא כל גדיל ובונה גדיל משלים חדש לפי חוקיות הזיווג:
- מול A נבנה T
- מול T נבנה A
- מול G נבנה C
- מול C נבנה G
שלב 3 - תוצאה:
שתי מולקולות DNA זהות, כל אחת עם גדיל 'ישן' וגדיל 'חדש'. זה נקרא שכפול חצי-שמרני (Semi-conservative).
מהירות מדהימה: ב-E. coli (חיידק), ה-DNA כולו (4.6 מיליון בסיסים) מועתק תוך 40 דקות! באדם, השכפול מתרחש ב-אלפי נקודות במקביל כדי לסיים בזמן.
חוקיות הזיווג מאפשרת העתקה מדויקת. כל גדיל משמש כתבנית לבניית הגדיל המשלים.
←←
למה 'חצי-שמרני'?
כי בכל מולקולת DNA חדשה, חצי מהחומר הוא ישן (גדיל מקורי שנשמר) וחצי חדש (גדיל שנבנה). לכן: חצי 'נשמר' (שמרני), חצי חדש. זהו מנגנון גאוני כי הגדיל הישן משמש כתבנית ומבטיח דיוק.
בדיקת הבנה - חוקיות זיווג
שאלה לחשיבה
אם יודעים שבגדיל אחד של DNA הרצף הוא AATGCC, מהו הרצף בגדיל המשלים?
לפי חוקיות הזיווג: A מזדווג עם T, T עם A, G עם C, C עם G. לכן מול AATGCC בגדיל המשלים יהיה: TTACGG. כל בסיס בגדיל אחד קובע בדיוק את הבסיס המשלים בגדיל השני.
שאלה לחשיבה
בדגימת DNA נמצא ש-30% מהבסיסים הם A (אדנין). מהו אחוז כל אחד משאר הבסיסים?
לפי חוקיות הזיווג, A=T ו-G=C (כלל צ'רגאף). אם A=30%, אז גם T=30%. סה"כ A+T=60%. נותרו 40% ל-G+C. כיוון ש-G=C, כל אחד מהם הוא 20%. התשובה: A=30%, T=30%, G=20%, C=20%. זה עובד תמיד!
שאלה לחשיבה
חוקר מצא שבדגימת DNA מסוימת, אחוז ה-A שונה מאחוז ה-T. מה ייתכן שקרה?
ב-DNA דו-גדילי תקין, A תמיד שווה ל-T ו-G תמיד שווה ל-C. אם A שונה מ-T, זה יכול להצביע על: (1) הדגימה מכילה RNA (שהוא חד-גדילי ומכיל U במקום T), (2) שגיאת מדידה, או (3) הדגימה מכילה DNA חד-גדילי (נדיר, קיים בוירוסים מסוימים).
אנלוגיות להבנת DNA
DNA כספר
4 אותיות (A,T,G,C) כותבות מילים (קודונים), שמרכיבות משפטים (גנים), שמרכיבות פרקים (כרומוזומים), שמרכיבות ספר (גנום).
DNA כתוכנה
DNA הוא קוד המקור (Source Code) של החיים. כל 3 בסיסים = פקודה אחת. הריבוזום = המעבד. החלבון = התוצאה.
DNA כמתכון
כמו ספר בישול: המתכון (גן) מכיל הוראות ליצירת מנה (חלבון). לא כל המתכונים פתוחים בכל רגע.
DNA כרוכסן
שכפול DNA = כמו לפתוח רוכסן ולבנות חצי חדש לכל צד. כל צד משמש תבנית.
הגילוי של מבנה ה-DNA הוא סיפור מרתק, אבל גם עצוב. רוזלינד פרנקלין (1920-1958) הייתה כימאית מבריקה שצילמה תמונות רנטגן של DNA - בעיקר 'תמונה 51' המפורסמת, שחשפה בבירור את המבנה הסלילי.
מוריס וילקינס, עמיתה למעבדה, הראה את תמונה 51 לווטסון וקריק ללא ידיעתה. הם השתמשו בנתונים שלה כדי לבנות את מודל הסליל הכפול ב-1953. ווטסון, קריק ווילקינס קיבלו פרס נובל ב-1962.
פרנקלין נפטרה מסרטן השחלה ב-1958 בגיל 37 בלבד, ולא זכתה בפרס. כיום היא מוכרת כדמות מרכזית בגילוי, ושמה ניתן למשגר חלל של סוכנות החלל האירופית. הסיפור שלה מעלה שאלות חשובות על צדק מדעי ועל מקומן של נשים במדע.
כלל צ'רגאף
עוד לפני ווטסון וקריק, המדען ארווין צ'רגאף גילה כלל חשוב: בכל דגימת DNA, כמות ה-A שווה לכמות ה-T, וכמות ה-G שווה לכמות ה-C. זה היה רמז מכריע לחוקיות הזיווג ולמבנה הסליל הכפול.
כיום, DNA משמש ככלי מרכזי בחקירות פליליות. כל אדם (חוץ מתאומים זהים) יש לו רצף DNA ייחודי, ולכן דגימה קטנה של דם, שיער, או רוק מספיקה לזיהוי.
איך זה עובד? בודקים אזורים מסוימים ב-DNA שבהם יש רצפים חוזרים (STR - Short Tandem Repeats). מספר החזרות שונה בין אנשים. בדיקת 13-20 אזורים כאלה מספיקה לזיהוי חד-משמעי.
בזכות טכנולוגיה זו, אנשים רבים שנכלאו בטעות שוחררו לאחר עשרות שנים כשבדיקת DNA הוכיחה את חפותם. זו דוגמה מדהימה ליישום מדע בחברה.
מדוע DNA ולא חלבון? הניסוי שהכריע
ניסוי אוורי - DNA הוא החומר התורשתי
עד שנות ה-40, רוב המדענים האמינו שחלבונים הם החומר התורשתי - הם מורכבים יותר (20 חומצות אמינו) לעומת DNA (4 בסיסים בלבד). ניסוי מפורסם שינה הכול.
ב-1944, אוורי, מקלאוד ומקארטי הוכיחו ש-DNA הוא החומר התורשתי:
הם לקחו חיידקי פנאומוקוקוס לא מסוכנים (זן R) וחשפו אותם ל-DNA מחיידקים מסוכנים (זן S, שהומתו).
התוצאה: חלק מחיידקי R הפכו למסוכנים! הם 'קלטו' את ה-DNA וקיבלו תכונות חדשות.
כדי לוודא, הם הרסו חלבונים - הטרנספורמציה עדיין עבדה. הרסו DNA - הטרנספורמציה נעצרה.
מסקנה: DNA, ולא חלבון, הוא החומר שמעביר מידע תורשתי.
הניסוי הזה היה נקודת מפנה - מאז, המאמצים להבין את מבנה ה-DNA הואצו, עד הגילוי של ווטסון וקריק ב-1953.
סיכום מבנה DNA:
1. סליל כפול - שני גדילים מפותלים
2. שלד מסוכר-זרחה (מעקות הסולם)
3. בסיסים A-T ו-G-C (שלבי הסולם)
4. חוקיות זיווג - פורין תמיד עם פירמידין
5. רצף הבסיסים = המידע הגנטי
6. שכפול חצי-שמרני מאפשר העתקה מדויקת
שאלה לחשיבה
מדוע חוקיות הזיווג חשובה כל כך לחיים?
חוקיות הזיווג חשובה משלוש סיבות: (1) שכפול מדויק - כל גדיל משמש תבנית לבניית הגדיל המשלים, כך שכל תא בת מקבל עותק מדויק של ה-DNA. (2) תעתוק - מאפשרת העתקת מידע מ-DNA ל-RNA ליצירת חלבונים. (3) תיקון שגיאות - אם נגרם נזק לגדיל אחד, אפשר לתקן אותו לפי הגדיל המשלים (כמו גיבוי). ללא חוקיות הזיווג, לא היו חיים כפי שאנחנו מכירים.