מבוא מאד מזורז לביולוגיה (חלק א)

[1,300 מילים]

רשומה זאת היא חלק מסדרת המבוא לביולוגיה אבולוציונית. לחצו כאן לתוכן העניינים של הסדרה.

כדי להבין את הביולוגיה האבולוציונית כתחום מדעי, צריך להבין מגוון ביולוגי. כדי להבין מגוון ביולוגי, צריך להכיר מונחים בסיסיים בביולוגיה. הביולוגיה של התא היא מקום מצוין להתחיל בו. זאת המטרה של החלק הנוכחי והבא אחריו. החלקים האלו אולי משעממים, אבל הכרחיים.

התא החי, בקטנה

במונחים כימיים, התא החי הוא מעין שקית של שומנים שמבדילה בין חלל פנימי – פנים התא, וחלל חיצוני – חוץ התא. בתא יש אסופה דחוסה של שפע סוגי חלבונים, חומצות גרעין ומולקולות אחרות. יחסי הגומלין בינן הם ה-דבר שנחקר על ידי ביוכימאים וביולוגים מולקולריים.

התא הוא יחידה בסיסית של חיים. כלומר, הוא דבר שממנו יצורים חיים מורכבים. יש יצורים חד-תאיים, שעשויים כולם מתא אחד. חיידקים ואצות מסוימות הן דוגמא ליצורים חד-תאיים. יצורים אחרים הם רב-תאיים, מורכבים מקבוצה של תאים ש"עובדים" בהרמוניה. לדוגמא, אנחנו בני האדם יצורים רב-תאיים.

תאים חיים מסוגלים להתרבות. בשלב הראשון של חלוקת התא, הגנום של התא משוכפל (תרשים 1א). לאחר מכן, עותק של הגנום ושל אסופת החלבונים שבתוך התא מחולק בין שני צדי התא. "שקית" השומנים שמקיפה את התא מתחילה להתכווץ באמצע עד שני חלקי התא מחוברים על ידי "צוואר" דק (תרשים 1ב). לבסוף, ה"צוואר" הזה נחתך כך שנוצרים שני תאים, כל אחד מהם עם עותק של הגנום של התא המקורי (תרשים 1ג). אומרים שצמד התאים החדש הם צאצאיו של התא המקורי. עוד אומרים שהם ירשו מהתא המקורי עותק של הגנום שלו ולתופעה עצמה קוראים תורשה.

אולי התיאור הזה נשמע לכם די מסתורי. הוא מכיל הרבה מונחים שלא באמת הסברתי. מהו גנום? ממה הוא עשוי? מה הם חלבונים? ממה הם עשויים? איך הם נוצרים? על השאלות האלו אענה בחלק הנוכחי ובחלק הבא. התשובות יהיו חלקיות, אבל אני מקווה שהן יספקו אתכם. אחרי שתקראו את צמד החלקים האלו, נסו לקרוא מחדש את התיאור שנתתי כאן. כך תוכלו לבדוק אם אתם אכן מבינים אותו יותר טוב.

המבנה של DNA ו-RNA

יש שני סוגים של חומצות גרעין מאד חשובות בביולוגיה, DNA ו-RNA. גנום אופייני עשוי מ-DNA וכפי שנראה בחלק הבא, ל-RNA יש תפקיד מאד מרכזי בביולוגיה של התא. לכן, כדי להבין קצת יותר את הביולוגיה של התא, צריך להכיר את המבנה של חומצות הגרעין הללו. כדי להכיר לכם אותו, איעזר באנלוגיה.

דמיינו קבוצת ילדים שעומדים בשורה, כתף אל כתף, כולם מסתכלים באותו כיוון. כל ילד אוחז בידו השמאלית בכתפו של הילד משמאלו. לחלק מהילדים יש יד ימנית מאד קצרה, 10 סנטימטר, בעוד שלאחרים יש יד ימנית מאד ארוכה, 50 סנטימטר. בשני המקרים, היד הימנית מושטת קדימה והילדים מסתכלים לכיוון זה.

עכשיו דמיינו את אותה שורת ילדים כשבמקביל לה עומדת שורת ילדים נוספת הפונה לכיוון ההפוך, במרחק 60 סנטימטר בדיוק. גם בשורה המקבילה, כל ילד אוחז בכתפו של הילד שמשמאלו. שוב, לחלק מהילדים יש ידיים ימניות מאד ארוכות, ולאחרים יש ידיים ימניות מאד קצרות. גם הם מושיטים את ידם הימנית קדימה, אל הכיוון אליו הם מביטים. במקרה הזה, הם מביטים בשורת הילדים הראשונה.

האם צמד ילדים שעומדים אחד מול השני יוכלו להחזיק ידיים, כף יד אל כף יד, מבלי לכופף את המרפק? תלוי באורך הידיים שלהם. אם לשניהם יש יד ימנית קצרה, הם לא יגיעו אחד לשני. אם לשניהם יש יד ארוכה, הם יעקפו אחד את כף היד של השני. רק אם לאחד יש יד קצרה ולשני יש יד ארוכה, הם יוכלו לאחוז אחד בידו של השני.

רחמי נכמרו על הילדים המוזרים שבראתי בפסקאות הקודמות, אבל היי, זאת רק אנלוגיה שנועדה לעזור לי להסביר את המבנה של DNA ו-RNA. אולי הגוזמה שבמשל תעזור לכם לזכור את הנמשל. מולקולות RNA ו-DNA הן שרשראות של מולקולות קטנות יותר. לכל אחת מהמולקולות הקטנות הללו יש כיווניות, בדומה לכיווניות של הידיים שלנו – "שמאל" ו"ימין". במקרה הזה, הכיווניות מוגדרת על ידי המבנה הכימי של המולקולות הללו. כל אחת מהן מחוברת למולקולה שנמצאת מ"שמאל" לה בשרשרת. כל אחת מהמולקולות הזאת מפנה מעין "יד" קדימה, יד עם תכונות כימיות מאד ספציפיות (תרשים 2א).

כל אחת מהמולקולות הקטנות שמרכיבות את ה-DNA וה-RNA נקראת נוקלאוטיד (nucleotide). ארבעה סוגים של נוקלאוטידים מרכיבים את שרשרת ה-DNA: אַדֶנִין (A), צִיטוֹזִין (C), גוּאַנִין (G) ותִימִין (T). ארבעה סוגים של נוקלאוטידים מרכיבים את שרשרת ה-RNA: אדנין (A), ציטוזין (C), גואנין (G) ואוּרַצִיל (U). למרות השמות הזהים שלהם, אדנין (A), ציטוזין (C) וגואנין (G) ב-DNA דומות במבנה הכימי שלהן לאלו שב-RNA, אך גם שונות.

במקרים רבים, מולקולות DNA ו-RNA לא מתקיימות בתא חי כשרשרת יחידה, אלא כשתי שרשראות מקבילות. שרשרת בודדת של DNA או RNA מכונה גדיל. מבנה של שתי שרשראות מקבילות בהן הנוקלאוטידים מכל שרשרת "מחזיקים ידיים" עם השרשרת המקבילה מכונה דו-גדיל. כדי שצמד נוקלאוטידים מקבילים ב-DNA דו-גדילי יוכל "להחזיק ידיים", הצמד חייב להיות אחד משניים: אדנין (A) ותימין (T), או ציטוזין (C) וגואנין (G). המצב דומה ב-RNA. שם הצמדים שמסוגלים "להחזיק ידיים" הם אדנין (A) ואורציל (U), או ציטוזין (C) וגואנין (G). ההתאמה הזאת נובעת מהמבנה הכימי של הנוקלאוטידים השונים. תרשים 2ב מציג מבנה מופשט של המבנה של DNA דו-גדילי.

לסיום, אוסיף עוד מושג חשוב שילווה אותנו בעתיד. שרשרת DNA או RNA מכונה לעתים קרובות רצף של DNA או RNA או פשוט רצף. קל להבין למה – היא מורכבת מרצף של נוקלאוטידים. מקובל לייצג רצף DNA או RNA על ידי האותיות הלועזיות שמתאימות לכל נוקלאוטיד (אלו שבסוגריים). כדי לדעת את הרצף המלא של DNA או RNA דו-גדיליים, מספיק לדעת את הרצף של אחד הגדילים. נוכל להסיק ממנו את הרצף של הגדיל המקביל לו, אם נשתמש במידע על הצמדים שמסוגלים "להחזיק ידיים". כתרגיל, תוכלו להשלים את הגדיל בתרשים 2א. בדקו את התשובה שלכם עם הרצף השלם בתרשים 2ב.

מבנה החלבונים

חלבונים מאד חשובים בביולוגיה. חלקם משמשים כמלט והבטון של התא. לדוגמא, חלבונים רבים משמשים כשלד לתא, שלד שמקנה לו את המבנה המרחבי שלו. חלקם משמשים כמכונות העבודה של התא. לדוגמא, יש חלבונים שממשתתפים ביצירת חלבונים אחרים.

ראינו למעלה ששרשראות של DNA ו-RNA הן מולקולות קוויות. כלומר, הן עשויות מרצף של אבני בניין בסיסיות, נוקלאוטידים. בדומה להן, גם חלבונים הן שרשראות של אבני בניין יסודיות. אבני הבניין הבסיסיות של חלבונים הן חומצות אמינו (amino acids). עשרים סוגים שונים של חומצות אמינו משמשות כאבני הבניין הבסיסיות של חלבונים והן נקראות חומצות אמיניות סטנדרטיות. בדומה לנוקלאוטידים שראינו בחלק הקודם, גם לחומצות אמינו יש "ידיים". יש להן שלוש "ידיים". ה"יד" ה"ימנית" אוחזת ב"יד" ה"שמאלית" של החומצה האמינית הבאה בשרשרת, וה"יד" ה"שמאלית" אוחזת ב"ידה" ה"ימנית" של החומצה האמינית הקודמת לה.

סוגים שונים של חומצות אמיניות סטנדרטיות זהות במבנה הכימי שלהן בכל, מלבד במבנה של ה"יד" השלישית. היא זאת שמקנה לכל חומצה אמינית סטנדרטית את היחודיות שלה. בחלק מהן, ה"יד" הזאת טעונה במטען חשמלי, חיובי או שלילי, ובאחרות היא חסרת מטען. לפעמים היא מאד ארוכה, ולפעמים היא מאד קצרה. ויש עוד כל מיני הבדלים כימיים אחרים בין ה"ידיים" השלישיות.

להבדלים האלו ב"יד" השלישית יש שפע תפקידים חשובים. אחד מהם הוא בקביעת המבנה התלת-ממדי של החלבון. בדרך כלל, שרשרת של חומצות אמינו לא פשוט יושבת בתא כשרשרת חסרת צורה מוגדרת. היא מקופלת סביב עצמה, כמו מעין כדור צמר מולקולרי. הצורה של ה"כדור" תלויה בעיקר ברצף חומצות האמינו של החלבון. לדוגמא, דמיינו שבקצה אחד של החלבון יש חומצה אמינית טעונה באופן חיובי ובקצה האחר יש חומצה אמינית טעונה באופן שלילי. מטענים הפוכים נמשכים אחד לשני. המשיכה בין שתי חומצות האמינו הללו תקנה מבנה מרחבי מסוים לחלבון.

לשם ההמחשה, תרשים 3 מציג הפשטה של המבנה המרחבי של חלבון אמתי. נסו לזהות בו את קצוות השרשרת של חומצות האמינו שממנה החלבון עשוי.

המבנה המרחבי של חלבונים יכול להיות קצת יותר מורכב מזה. חלבונים יכולים ליצור קומפלקס של חלבונים, קבוצה של שרשראות שונות של חומצות אמינו שמחוברות אחת לשניה ועובדות יחד כיחידה אחת. במצב כזה, כל חלבון בקומפלקס מכונה תת-יחידה של הקומפלקס. תת-יחידות של קומפלקס לא חייבות להיות חלבון. לדוגמא, הריבוזום (ribosome), המכונה המולקולרית שאחראית על יצירת חלבונים, הוא קומפלקס בעל תת-יחידות של חלבונים ו-RNA.

בחלק הבא

בחלק הזה, עשיתי לכם היכרות עם התא והמולקולות הביולוגיות החשובות בו. ראינו את המבנה של DNA ו-RNA, את האופן בו נוקלאוטידים יוצרים שרשראות ואת המבנה של חלבונים. בחלק הבא נלמד על מבנה הגנום ועל האופן בו נוצרים חלבונים.

כל מה שנתתי לכם כאן הוא היכרות שטחית מאד. היא לא תופסת את מלוא התמונה. בהמשך הסדרה ארחיב עליה עוד מכיוונים שונים, אבל מי שמעוניין להיכנס לעובי הקורה מוזמן לעיין ברשימת המקורות והקריאה להרחבה שבתחתית הרשומה.

מקורות וקריאה להרחבה

שום דבר שאמרתי בחלק הזה לא חורג מהחומר של קורסי מבוא לביולוגיה של התא ומבוא לביוכימיה. יש אינספור ספרי לימוד על כל אחד מהתחומים האלו. הרשימה הבאה מייצגת את ההעדפות שלי והניסיון שלי עם הספרות בנושא.

מבנה ה-DNA וה-RNA מתואר בפירוט מתיש בפרק 8 של Lehninger Principles of Biochemistry של Nelson ו-Cox, מהדורה רביעית (היחידה שיש לי איתה ניסיון כלשהו). כל מה שתיארתי כאן והרבה יותר מזה מפורט שם, מינוס הפישוטים שעשיתי.

מבנה החלבונים מתואר בפירוט מתיש בפרקים 3 ו-4 של Lehninger Principles of Biochemistry של Nelson ו-Cox, מהדורה רביעית (היחידה שיש לי איתה ניסיון כלשהו). כל מה שתיארתי כאן והרבה יותר מזה מפורט שם, מינוס הפישוטים שעשיתי.

תרשים 1 מבוסס על איורים שנלקחו מויקימדיה. התרשים המקורי פורסם תחת רישיון Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.

ברוח הריאליזם הביולוגי שמנחה את הסדרה, תרשים 2 מציג רצף אמיתי מכרומוזום 12 האנושי.

תרשים 3 מבוסס על המבנה המרחבי המפוענח של החלבון יוביקוויטין (ubiquitin). הנתונים הגולמיים זמינים ב-PDB 1UBI. הפקתי את התמונה בעזרת pymol.