DNA

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
מודל מולקולרי של סליל הדי.אן. איי. הכפול. אפור - אטום פחמן, תכלת - אטום חנקן, לבן - אטום מימן, אדום - אטום חמצן, כתום - אטום זרחן.
מודל DNA אנושי

DNA (ראשי תיבות באנגלית של Deoxyribonucleic Acid, חומצה דאוקסיריבונוקלאית; לעתים בתעתוק לעברית: דנ"א או די־אן־איי) היא מולקולת ענק של חומצת גרעין המורכבת ממיליוני זוגות נוקליאוטידים היוצרים סליל כפול, המכילה את כל המידע התורשתי לבנייתם של כל החלבונים בתא, אצל כל האורגניזמים הידועים, החל מחיידקים ועד לבני אדם, ואף בחלק מהנגיפים. ה-DNA מושווה לעתים תכופות למערכת תוכניות, מרשם או קוד מכיוון שהוא כולל את ההוראות הנחוצות לבניית רכיבי התא כמו חלבון או מולקולת RNA. כל מקטע משמעותי ב-DNA המכיל מידע לבניית חלבון או הוראות בקרה נקרא גן. רצף הבסיסים המרכיב את מולקולת ה-DNA מקודד גנים שונים.

ה-DNA מורכב מארבע אבני בניין בסיסיות, תת-יחידות של בסיסים חנקניים (נוקלאוטידים), המחולקים לשני זוגות קבועים, כל אחד מהם מורכב מפורין ופירימידין, היוצרים ביניהם קשרי מימן. אדנין (A) וגואנין (G) הם פורינים, ואילו תימין (T) וציטוזין (C) הם פירימידינים. היחס בין הזוגות הללו הוא לפיכך תמיד 1:1, והוא חלק מכללי צ'ארגאף. אלפים עד מיליארדים של זוגות בסיסים כאלה [1] מרכיבים את ה-DNA ויוצרים סליל כפול. הסליל הכפול ארוז בצורה קומפקטית ודחוסה ביותר, במבנה של מארזים המכונים כרומוזומים.

גילוי מבנה ה-DNA נזקף לזכות המדענים ג'יימס ווטסון האמריקאי ופרנסיס קריק הבריטי בשנת 1953, אשר זכו בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה, לשנת 1962, על גילויים, יחד עם מוריס וילקינס. בדיעבד התברר שעבודתם התבססה, במידה רבה, על עבודתה של המדענית רוזלינד פרנקלין, עמיתתו של וילקינס, שנפטרה לפני קבלת הפרס.

מבנה ה-DNA[עריכת קוד מקור | עריכה]

דגם ה-DNA של ווטסון וקריק. עיגול מסמל שייר פוספט, מחומש-דאוקסיריבוז, מרובע-פורין ומלבן-פירימידין.

מולקולת ה-DNA היא פולימר סלילי הבנוי מיחידה חוזרת. רוחבו של הסליל ואורכה של היחידה החוזרת קבוע. המולקולה היא שרשרת ארוכה, שחוליותיה הם נוקליאוטידים מארבעה טיפוסים, כל נוקליאוטיד מכיל יחידה של סוכר מסוג דאוקסיריבוז, פוספט ובסיס חנקני. ארבעה סוגי בסיסים קובעים את ארבעת טיפוסי הנוקליאוטידים. מספר יחידות אדנין במולקולה זו שווה תמיד לזה של תימין, וזה של גואנין שווה תמיד לזה של ציטוזין.

על פי המודל של ווטסון וקריק, מולקולת ה-DNA היא מבנה דמוי סולם. שני מוטות האורך בסולם בנויים כל אחד כשרשרת של שני מרכיבים המתחלפים ביניהם: סוכר – פוספט – סוכר – פוספט וכן הלאה. אל צידו של כל סוכר קשור בסיס חנקני. כאשר שתי השרשראות ניצבות זו מול זו פונים הבסיסים החנקניים שבשרשרת האחת לעבר הבסיסים שבשרשרת האחרת. קישור בין בסיסים משתי השרשרות יוצר זוגות של בסיסים המהווים את שלבי הסולם. במצב הטיפוסי שלה - המכונה מבנה מסוג B. המרחק שבין כל מדרגה בסולם הוא 3.4 אנגסטרם והעובי הכולל של מולקולת ה-DNA הוא 20 אנגסטרם (2 ננומטר).

בכל זוג בסיסים שיוצר קשר משתתף בסיס אחד קטן ובסיס אחד גדול. לא כל צירוף של בסיסים אפשרי מבחינה כימית, למעשה מורכבים שלבי הסולם משני סוגים בלבד של צירופי בסיסים חנקניים: אדנין יחד עם תימין, וגואנין עם ציטוזין. כאמור, אדנין וגואנין שייכים למשפחת הפורינים, הם הבסיסים הגדולים, ותימין וציטוזין שייכים למשפחת הפירימידינים - הבסיסים הקטנים. בין כל שני בסיסים קיימים קשרים כימיים חלשים, קשרי מימן.

בין אדנין ותימין נוצרים שני קשרי מימן ובין גואנין וציטוזין נוצרים שלושה קשרי מימן, ולפיכך, הקשר בין גואנין לציטוזין הינו, יחסית, חזק יותר. משמעות הבדל זה היא שזוג נתון פחות לשיבושים העלולים להיגרם מהסביבה, כמו מוטציות או התמרה סרטנית. למרות זאת שני הסוגים של זוגות הבסיסים דומים בגודלם, עובדה המבטיחה שמירה על רוחב סולם קבוע. משמעות החוקיות בזיווג זה של הבסיסים היא כי סדר הבסיסים בגדיל אחד של DNA קובע את סדר הבסיסים בגדיל שמולו, המכונה "גדיל משלים". כמו כן, המבנה הדו-גדילי של מולקולת ה-DNA מיוצב על ידי אינטראקציות חלשות בין הבסיסים החנקניים לאורך שרשרת ה-DNA, מסוג "אינטראקציות פאי ארומטיות".

ארגונה של מולקולת DNA במבנה עם השלמה עצמית מהווה את הבסיס לשכפולה מדור לדור ולהבאת המידע הגנטי, הנמצא בה, לידי ביטוי. שני גדילי ה-DNA מתפתלים זה סביב זה ויוצרים מולקולה לוליינית המכונה סליל כפול. צימוד משלים זה של שני גדילי DNA מכונה זיווג ווטסון-קריק (ע"ש צמד המדענים שתיארו אותה לראשונה), כאשר גדיל אחד מכונה ווטסון בעוד השני מכונה קריק.

תפקוד ה-DNA[עריכת קוד מקור | עריכה]

סכימה של סליל DNA ופתיחתו לצורך הכפלה
DNA עם בסיסיו החנקניים מימין, ו-RNA משמאל

תהליך ייצור החלבונים על בסיס המידע המוצפן בדנ"א מתרחש בשני שלבים עיקריים: א. שעתוק למולקולות RNA; ב. תרגום לחלבונים.

שעתוק או תעתוק (Transcription)[עריכת קוד מקור | עריכה]

תהליך השעתוק הוא בניית מולקולת RNA המבוססת על תבנית ה-DNA. ה-DNA עצמו לא מקודד חלבונים באופן ישיר. במקום זאת הוא מקודד את מולקולות ה-RNA שממנה מיוצרים כל החלבונים, באמצעותם מתפקד התא. ה-RNA הוא מולקולה דומה למולקולת ה-DNA, אך יחידות הסוכר של מולקולת ה-RNA הן ריבוז במקום דיאוקסי ריבוז.

התחלת התהליך היא כאשר הסליל הכפול של ה-DNA נפתח ואחד הצדדים משמש כמקור לסינתוז ה-RNA. האנזים שאחראי על התהליך נקרא RNA פולימראז (RNA polymerase). אנזים זה נקשר לאזור מיוחד ב-DNA הנקרא קָדָם (פרומוטר, promoter).

שלב השעתוק הוא מהחשובים בתא, משום שבאמצעות השליטה בו נקבע אילו חלבונים יווצרו בתא באותו הזמן. כך נוצרת השונות בין התאים השונים והשלבים השונים בחיים של התא. לדוגמה: החלבון שנותן את הצבע לעיניים יווצר רק בתאים של הקשתית.

תרגום (Translation)[עריכת קוד מקור | עריכה]

בשלב התרגום נעשית בניית החלבון על-פי ה-RNA. כל שלשת בסיסים ברצף ה-RNA (ולפניו ב-DNA) מתורגמת לחומצה אמינית אחת ברצף החלבון. רצף הבסיסים הראשוני ב-DNA קובע על כן, את רצף חומצות האמינו בחלבון, ועקב כך את מבנהו ותפקודו.

מיקום וסידור[עריכת קוד מקור | עריכה]

באורגניזמים פרוקריוטיים חסרי גרעין נמצא ה-DNA בציטופלזמה, הנוזל התוך תאי, והוא מעגלי ורציף; רוב החומר התורשתי ביצורים אלו שוכן על גבי מולקולת DNA טבעתית אחת.

באורגניזמים אוקריוטיים, שתאיהם בעלי גרעין, ה-DNA מסודר בגרעין התא. שם הוא נמצא בצורת כרומטין - סליל ה-DNA מלופף סביב חלבונים הנקראים היסטונים. החלבונים האלה מאפשרים לו להיות ארוז בצורה יעילה ומקטינים את הנפח שהוא תופס.

גילויים חשובים בחקר ה-DNA[עריכת קוד מקור | עריכה]

פענוח המבנה[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – גילוי מבנה ה-DNA

עד לתחילת שנות החמישים, ידעו מדענים על קיומם של גנים, המעבירים תכונות תורשתיות, אך סברו כי החלבונים, שהם מולקולות מורכבות ביותר, הם אלה הנושאים את המידע התורשתי. ה-DNA היה נחשב לחומר פשוט ומשעמם המשמש כמרכיב מבני של הכרומוזומים וזאת מפני שטעו לחשוב שארבע האותיות של ה-DNA מופיעות בו בסדר מחזורי קבוע. הבקטריולוג א.ת. אוורי ממכון רוקפלר בניו יורק הראה כי אפשר להעביר תכונות מתא אחד לשני באמצעות DNA. ניסויו של אוורי רמזו על כך שהגנים מורכבים מ-DNA.

התפנית הייתה כאשר רוזלינד פרנקלין הצליחה ליצור הדמיה דו-ממדית של סליל ה-DNA על ידי שימוש בקרני רנטגן. התמונה הטובה ביותר שלה נקראה "תצלום 51". ווטסון וקריק השיגו את התצלום בלא ידיעתה, בעזרתו של מוריס וילקינס, עמיתהּ של פרנקלין בקינס קולג' והצליחו בעזרתו לפענח את המבנה התלת-ממדי של מולקולת ה-DNA. הם הבינו שמדובר במבנה סלילי, חישבו את מספר הבסיסים בכל סיבוב של הסליל ובנו דגם תלת ממדי של ה-DNA מלוחות מתכת.

פענוח המבנה הפריך את ההנחה בדבר סדר מחזורי של בסיסים במולקולת ה-DNA. האותיות יכולות להופיע בכל סדר שהוא בתוך הסליל הכפול, בלי שהמבנה עצמו יושפע כלל (כל עוד עיקרון זיווג האותיות של שתי השרשרות נשמר). בעקבות זאת, ניתן היה מיד להציע כי סדר האותיות בכל מולקולת DNA הוא למעשה המידע התורשתי. גדולתו של דגם המבנה של ה-DNA שהוצג על ידי ווטסון וקריק היא בכך שמבנה זה מתאים את המולקולה למילוי תפקידה כמולקולת התורשה, הוא מציע הסבר למנגנון השכפול העצמי של המולקולה, לאופן שבו המידע הגנטי אצור בה ואף לדרך שבה שינויים במידע מועברים בתורשה.

פענוח הקוד הגנטי[עריכת קוד מקור | עריכה]

בשנת 1961 ערכו פרנסיס קריק וסידני ברנר סדרת ניסויים ובהם הפעילו על DNA ממקור נגיפי חומר הגורם לסילוק זוגות בסיסים מה-DNA ועקב כך לשינויים תורשתיים. סדרת ניסויים זו, הובילה להבנת תהליך התרגום. אובדן זוג בסיסים, או שני זוגות בסיסים מהרצף, הוא למעשה החסרת חלק ממילה בקידוד ה-DNA, ובנוסף לזה גורם להזזת מסגרת הקריאה של שלשות הבסיסים בדי-אן-איי. רצף הבסיסים משנה עקב כך את משמעותו ומתורגם לרצף חלבון שונה. לעומת זאת, אובדן של שלושה זוגות בסיסים גורם להחסרת חומצת אמינו אחת, אך יתר החלבון נשאר תקין.

בתוך חמש שנים נתגלתה המשמעות של כל 64 הצרופים האפשריים לרצף של שלושה זוגות בסיסים. כמה מ-64 הצרופים האלה מקודדים לאותה חומצת אמינו, ויש גם שלשות שמשמעותן קידוד ל"התחלה" ו"סיום". צרופים אלו, של שלשות בסיסי חומצות גרעין, מכונים קודונים. תגליות מאוחרות יותר הראו שגן אחד יכול להיות מקוטע, כשבין חלקי הגן ישנם אזורים שאינם מקודדים לחלבון, אך הקוד הבסיסי נותר כפי שנתגלה לפני שנים. כיום יודעים שהקוד הזה זהה בכל היצורים החיים ובנגיפים [2].

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

לקריאה נוספת[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • ג'יימס ווטסון, הסליל הכפול, ידיעות ספרים, 2003
  • עדי מרקוזה-הס, ביולוגיה עכשיו, בהוצאת ספרי תל אביב

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ הכמות תלויה במורכבותו ובגודלו של האורגניזם
  2. ^ למיטוכונדריה ולכלורופלסט יש קוד גנטי שונה אולם הם לא יצורים עצמאיים אלא אברונים. כמו כן ישנם חיידקים שכאשר יש בחלל התא שלהם סלניום מתיונין, אחד מקודוני הסיום שלהם הופך לקודון עבורה.