הרצאה 2 — מגן לחלבון, ואברוני התא

הקלטה של ארבע שעות ושלושת רבעי, מתוכן כשלוש וחצי שעות של הרצאה. שעתוק, הקוד הגנטי ותרגום, פרוקריוטים ואאוקריוטים, הגרעין, מערכת הממברנות, מיטוכונדריה וכלורופלסט.

הבחינה

מה שנאמר בתחילת ההרצאה. הפרטים המחייבים נמצאים במודל ובמייל מהקורס.

במערכת הבחינה אי אפשר לעשות שום דבר אחר במחשב בזמן הבחינה. כדאי לסדר מקום שקט, לבד, לכל הזמן.

למה "שעתוק" ולמה "תרגום"

לפעמים כותבים "תעתוק". זו אותה מילה.

שעתוק

1. פתיחה. אנזים בשם RNA פולימראז נקשר ל-DNA בנקודת תחילת השעתוק של גן, ופותח שם את הסליל הכפול, כמו רוכסן. רק קטע קטן נפתח: בועית שעתוק
2. הארכה. נוקלאוטידים מגיעים באופן אקראי. אם יש זיווג בסיסים עם הנוקלאוטיד בגדיל ה-DNA, הפולימראז מחבר אותו לשרשרת ה-RNA שמתארכת, ומתקדם הלאה. מאחוריו ה-DNA נסגר שוב, כי זיווג בסיסים יציב יותר
3. סיום. בנקודת סיום השעתוק משהו ברצף גורם לפולימראז ליפול מה-DNA, ושרשרת ה-RNA משתחררת

את הנוקלאוטידים התא בונה בעצמו, במסלולים אנזימטיים, ממולקולות פשוטות יותר.

גדיל התבנית

בכל גן, רק אחד משני הגדילים משמש תבנית (template), ותמיד אותו גדיל. אם השעתוק היה פעם מגדיל אחד ופעם מהשני, היו מתקבלים שני רצפים שונים. בגן אחר לאורך ה-DNA התבנית יכולה להיות דווקא הגדיל השני. גם לכיוון יש חשיבות: לגן יש נקודת התחלה ונקודת סיום, והשעתוק תמיד מתקדם מאחת לשנייה.

פס ייצור

בצילום במיקרוסקופ אלקטרונים של גן שמשועתק רואים את ה-DNA כחוט, ועליו הרבה שרשראות RNA. ליד נקודת ההתחלה השרשראות קצרות, וככל שמתקדמים הן ארוכות יותר. על אותו גן רצים הרבה RNA פולימראזים, אחד אחרי השני. ברגע שמתפנה מקום בנקודת ההתחלה, נקשר הבא.

גנים, ומה שביניהם

• רק חלק מה-DNA הוא גנים. בין הגנים יש אזורים שלא משועתקים
• בחיידקים, שיש להם מעט DNA, הרווחים קטנים. אצלנו יש יותר DNA שאינו גנים מאשר גנים
• פעם קראו לזה "DNA זבל". היום חושבים שלחלק מהאזורים האלה יש תפקיד: בקרה על ביטוי של גנים סמוכים, או מבנה, למשל בקצוות של שרשראות ה-DNA
• ה-DNA של תא אחד, אם פורסים אותו, מגיע לאורך של כשני מטרים. הוא דחוס בתוך הגרעין
• יש גנים שמשועתקים כל הזמן, כי הם מקודדים לחלבונים שהתא צריך תמיד. ויש גנים שנדלקים ונכבים. מה מדליק אותם, בסוף הקורס

הקוד הגנטי

קודון הוא שלשה של נוקלאוטידים ב-RNA. כל קודון מתאים לחומצה אמינית אחת.

• קודון ההתחלה: AUG. הוא מקודד למתיונין, ולכן רוב החלבונים מתחילים במתיונין. מערכת התרגום מתקדמת לאורך ה-RNA עד ה-AUG הראשון, ומשם קוראת שלשות
• שלושה קודוני עצירה (stop). אין חומצה אמינית שמתאימה להם. שם התרגום נגמר
• לפני קודון ההתחלה ואחרי קודון העצירה יש ב-RNA קטעים שלא מתורגמים (UTR)
• את טבלת הקוד הגנטי לא צריך לזכור בעל פה

למה דווקא שלשות

61 קודונים מקודדים לחומצות אמינו, ו-3 הם קודוני עצירה.

איפה זה תופס אתכם. הכיוון חשוב: - לחומצה אמינית אחת יכולים להיות כמה קודונים. לארגינין יש כמה, ולמתיונין רק אחד. - אבל לקודון אחד יש תמיד חומצה אמינית אחת בלבד, ואין קודון שמתורגם פעם לזו ופעם לאחרת.

תרגום

כל סוגי ה-RNA נבנים בשעתוק לפי ה-DNA. רק ה-mRNA עובר תרגום.

הריבוזום הוא קומפלקס ענקי של הרבה חלבונים ומולקולות rRNA, ובו מתרחש התרגום. הוא יוצר את הסביבה שבה tRNA יכול להיצמד לקודון, ומזרז את יצירת הקשר הפפטידי.

צעד אחרי צעד

1. הריבוזום נקשר ל-mRNA ומתקדם עד ה-AUG הראשון
2. מגיע ה-tRNA שהאנטי-קודון שלו משלים ל-AUG, ועליו מתיונין
3. מגיע ה-tRNA המתאים לקודון הבא, למשל עם סרין
4. הריבוזום יוצר קשר פפטידי בין המתיונין לסרין. המתיונין משתחרר מה-tRNA שלו ונשאר מחובר לסרין
5. ה-tRNA הריק משתחרר, והריבוזום מתקדם קודון אחד
6. וחוזר חלילה, עד קודון עצירה: אין tRNA שמתאים לו, הריבוזום נופל, והשרשרת משתחררת

השרשרת מתארכת רק בקצה, חומצה אמינית אחר חומצה אמינית, לפי סדר הקודונים. זה מה שהוזכר בהרצאה 1 כשנאמר שאי אפשר להכניס חומצה אמינית באמצע השרשרת.

איך ה-tRNA "יודע". הכל אקראי: מולקולות tRNA נכנסות ויוצאות כל הזמן. tRNA שהאנטי-קודון שלו לא משלים לקודון לא נשאר שם מספיק זמן כדי שהקשר ייווצר. tRNA שהתרוקן פוגש אנזים שמטעין עליו שוב את החומצה האמינית שלו, ורק אותה. לכל tRNA יש אנזים משלו.

הרבה ריבוזומים, הגברה

• גם בתרגום זה פס ייצור: הרבה ריבוזומים יושבים על אותו mRNA, וממנו "מתנפנפות" שרשראות באורכים שונים
• הגברה בכל שלב: עותק אחד של הגן ← הרבה מולקולות mRNA ← מכל אחת הרבה מולקולות חלבון. כשאומרים "האנזים" ביחיד, יש בתא הרבה מולקולות שלו
• mRNA אינו יציב. הוא מחזיק דקות עד שעות ומתפרק, בניגוד ל-DNA שנשאר כל חיי התא. גם חלבונים מתפרקים בסוף. לכן כמות החלבון תלויה בכמה משעתקים כרגע את הגן
• רוב הבקרה בשלב השעתוק, כי בניית RNA דורשת הרבה אנרגיה, וחבל להשקיע אותה ב-RNA שלא יתורגם
• במעבדה, כדי לדעת אם טיפול שינה ביטוי של גן, מודדים את כמות ה-RNA שלו, או ישירות את כמות החלבון

מבנה הריבוזום פוענח בעבודה של שנים. על כך קיבלה עדה יונת את פרס נובל לכימיה לשנת 2009, יחד עם שני חוקרים נוספים.

טעות בשעתוק מול מוטציה

שעתוק פחות מדויק מהכפלת DNA, ואין בו כמעט בדיקה ותיקון. זה פחות חמור, כי כל טעות פוגעת רק בעותק אחד.

מה מוטציה נקודתית יכולה לעשות: - להחליף קודון בקודון של חומצה אמינית אחרת. אם התכונות הכימיות שונות, זה יכול לשבש את הקיפול (כמו באנמיה חרמשית, הרצאה 1) - להפוך קודון של חומצה אמינית לקודון עצירה באמצע הגן. אז התרגום נעצר מוקדם, והשרשרת הקצרה מתפרקת: אין חלבון בכלל

מה משותף לכל התאים

גם בחיידק, גם באורנגוטן, גם באמבה וגם בחרצית:

• חומר תורשתי: DNA
• RNA: המידע לבניית חלבונים
• ריבוזומים, שמתרגמים RNA לחלבון
• חלבונים: אנזימים, חלבוני הובלה, חלבונים מבניים
• רב-סוכרים ושומנים
• קרום תא של פוספוליפידים בשכבה כפולה
• ATP כמקור אנרגיה
• ציטופלזמה, התווך שבתוך התא

כשמחפשים חיים על מאדים מחפשים את העקרונות האלה: משהו שנושא הוראות, ומשהו שמפריד בין פנים לחוץ, גם אם הכימיה שם שונה.

פרוקריוטים ואאוקריוטים

קריון ביוונית: גרעין.

כל היצורים החיים שייכים לשלוש על-ממלכות: בקטריה, ארכיאה ואאוקריוטה.

איפה זה תופס אתכם. שמר וחיידק שניהם חד-תאיים, ובצילום הם יכולים להיות באותו גודל. אבל השמר אאוקריוטי. אנחנו והשמר קרובים זה לזה הרבה יותר משהשמר קרוב לחיידק. ההבדל בין פרוקריוט לאאוקריוט עקרוני, והוא לא רק הגרעין.

פרוקריוטים

• ארכיאה: חיות בסביבות קיצוניות, כמו מעיינות חמים וריכוזי מלח גבוהים מאוד. נדירות
• בקטריה: כל החיידקים שאנחנו מכירים. אלה שבמעיים, אלה שבהכנת מזון, ואלה שגורמים למחלות
• מגוון עצום: הם מפרקים חומרים שאף אאוקריוט לא יודע לנצל, כמו נפט ועץ
• הכי נפוצים: רוב היצורים על פני כדור הארץ הם פרוקריוטים
• כל הביוספרה תלויה בהם. דוגמה: קיבוע חנקן. בחומצות אמינו ובנוקלאוטידים יש חנקן. באוויר יש הרבה חנקן (כ-78%), אבל רק חיידקים יודעים לקלוט אותו ולהפוך אותו לחומר שאפשר לבנות ממנו. אנחנו מקבלים אותו מהם, ישירות או דרך צמחים

מבנה התא הפרוקריוטי: - ממברנת התא: מקיפה אותו ומאפשרת מעבר מבוקר של חומרים - ציטופלזמה: ציטוזול (החלק הנוזלי) ועוד חלקיקים, כמו ריבוזומים - נוקלאואיד: האזור שבו מרוכז ה-DNA

גם התא הפשוט ביותר מורכב יותר מכל מכונה שבני אדם בנו, ולא יכול להיווצר מעצמו מחומר דומם (פסטר, הרצאה 1).

הציטופלזמה אינה ג'לי שקט

בסרטון שהוצג, הדמיה של תוך התא: הוא צפוף מאוד במולקולות, והן נעות ומתנגשות כל הזמן. כל הסרטון מייצג שתי מיקרו-שניות. כך מולקולות "מוצאות" זו את זו: אנזים את המגיב שלו, tRNA את הריבוזום. אם נוצרת התאמה, משהו קורה.

התא האאוקריוטי: אברונים

אברון (אורגנלה) הוא מדור בתא שמוקף ממברנה, עם מבנה ותפקיד משלו.

• ציטופלזמה היא כל מה שבתוך התא: הציטוזול והאברונים
• ציטוזול הוא התווך עצמו: בעיקר מים, וצפוף במולקולות
• מאברון אחד יכולים להיות בתא כמה עותקים. גרעין יש לרוב אחד, אבל מיטוכונדריות יכולות להיות עשרות ומאות

הגרעין

• מכיל את ה-DNA, ולכן השעתוק מתרחש בגרעין
• כ-5 מיקרון. לרוב האברון הבולט ביותר בתא
• מעטפת הגרעין: ממברנה כפולה, כמו בלון פחוס שמקופל על עצמו
• נקבוביות (nuclear pores) במעטפת מאפשרות מעבר מבוקר:
• החוצה: RNA, אל הריבוזומים שבציטופלזמה.
• פנימה: חלבונים שנבנו בחוץ, למשל ה-RNA פולימראז עצמו.
• לחלבון שצריך להגיע לגרעין יש ברצף שלו קטע שמכוון אותו לשם. אם מוסיפים את הקטע הזה בהנדסה גנטית לחלבון אחר, גם הוא יגיע לגרעין
• הגרעינון (nucleolus), לפי המצגת, הוא אזור בגרעין שבו נוצרים הריבוזומים. הוא לא מוקף ממברנה
• את הכרומוזומים רואים רק כשהתא מתחלק (מהמצגת)

מערכת הממברנות התוך-תאיות

ארבעה אברונים שקשורים זה לזה בתפקוד (endomembrane system):

1. ה-ER המחוספס
2. ה-ER החלק
3. הגולג'י
4. הליזוזומים

ביניהם עוברות בועיות (וזיקולות): בועה קטנה של ממברנה, שיכולה להכיל כל מיני דברים.

הרשתית האנדופלזמטית (ER)

רשת מסועפת של ממברנות, המשכית לממברנה של הגרעין. היא יוצרת שקים וצינורות עם חלל פנימי רציף. לפי המצגת, היא יכולה לתפוס עד עשירית מנפח התא. בחתך נראה שיש בה חללים נפרדים, אבל הם מחוברים מעל או מתחת למישור החתך.

ב-ER החלק: - בניית פוספוליפידים וטריגליצרידים - הורמונים סטרואידים מכולסטרול: טסטוסטרון, קורטיזול, אסטרוגן. הם שומניים, ולכן אפשר, למשל, למרוח אסטרוגן על העור והוא נספג - מאגר של יוני סידן, בעיקר בתאי שריר ובתאי עצב, שבהם הסידן חשוב לפעילות החשמלית - לפי המצגת, גם שינוי של מולקולות קטנות שנכנסו לתא, כמו תרופות, ופירוק גליקוגן בתאי בעלי חיים

דרכו של חלבון מופרש

1. בגרעין: הגן משועתק ל-mRNA, שיוצא דרך הנקבוביות
2. בציטוזול: ריבוזום מתחיל לתרגם
3. אם בתחילת השרשרת יש רצף מסוים, הוא נקשר לחלבונים על הממברנה של ה-ER. הריבוזום, ה-mRNA והשרשרת מתעגנים לממברנה
4. השרשרת ממשיכה להתארך לתוך החלל של ה-ER. בסוף התרגום הריבוזום משתחרר, והחלבון נמצא בתוך ה-ER
5. בועית נצבטת מה-ER עם הרבה מולקולות חלבון, ומתאחה עם הגולג'י
6. בגולג'י החלבון מבשיל: מוסיפים לו סוכרים ועושים בו שינויים כימיים
7. מהצד הרחוק של הגולג'י נצבטת בועית שמגיעה לממברנת התא, מתאחה איתה, והחלבון מופרש החוצה

חלבון ממברנה, כמו קולטן או תעלה, עובר את אותה דרך. בשלב האחרון הוא נשאר תקוע בממברנה במקום לצאת.

חלבון שאין לו את הרצף בהתחלה מתורגם כולו בציטוזול, ונשאר בו.

איפה זה תופס אתכם. הריבוזומים על ה-ER המחוספס הם אותם ריבוזומים כמו בציטוזול. הם לא "שייכים" ל-ER. ריבוזום מתעגן אליו רק כשהחלבון שהוא מתרגם מתחיל ברצף המתאים, ומשתחרר בסוף.

הגולג'י

על שם החוקר האיטלקי קמילו גולג'י, שזיהה את האברון בסוף המאה ה-19.

• ערימה של שקים פחוסים, כמו פיתות, לא מחוברים זה לזה
• צד אחד פונה ל-ER וקולט ממנו בועיות. הצד השני שולח בועיות ליעדים
• שלושה תפקידים:
• עיבוד: שינויים כימיים בחלבונים, כמו הוספת סוכרים.
• מיון ואריזה.
• משלוח ליעד: ממברנת התא, הפרשה החוצה או ליזוזומים. זה נקרא protein trafficking.
• הדימוי של ההרצאה: ה-ER הוא בית החרושת, והגולג'י הוא מערך ההפצה. השינויים בגולג'י הם כמו כתובת על מעטפה

ליזוזומים

• בועיות שנצבטות מהגולג'י ונשארות בתוך התא
• מלאות אנזימי עיכול, וחומציות מאוד (pH נמוך). כמו קיבה בקטן: מערכת העיכול של התא
• מה הם מפרקים:
• חלקיקים שהתא הכניס מבחוץ: מזון, או חיידק שנבלע.
• אברונים שהזדקנו, למשל מיטוכונדריה פגומה.
• מה יוצא מהפירוק: חומצות אמינו, חומצות שומן וסוכרים, שמשתחררים לציטוזול ומשמשים את התא כאבני בניין או כמקור אנרגיה. כך גם ממחזרים את מה שהיה באברון
• חשוב שהאנזימים יישארו סגורים בפנים. הם לא מבחינים בין חלבון של חיידק לחלבון של התא עצמו

בסרטון שהוצג, תא בולע חיידק שסומן בחלבון זוהר בירוק. אחרי זמן קצר הירוק נעלם: החלבון עבר דנטורציה ופורק בתוך הליזוזום.

כניסה ויציאה דרך בועיות

בסרטון: אמבה בולעת שתי סנדליות ומעכלת אותן.

הממברנות של הבועיות ושל התא הן כולן פוספוליפידים, ולכן הן יכולות להתאחות זו עם זו ולהיפרד.

אנרגיה: מיטוכונדריה

אנרגיה לא נוצרת יש מאין. התא רק הופך אנרגיה מצורה אחת לצורה אחרת, שזמינה יותר לשימוש.

מה המיטוכונדריה עושה

• מפרקת את מולקולות הדלק, סוכרים ושומנים, ובאנרגיה שהופקה בונה ATP
• בתהליך נצרך חמצן ומשתחרר פחמן דו-חמצני. לכן הוא נקרא נשימה תאית. הנשימה שלנו קיימת בשבילה: הריאות וההמוגלובין מביאים חמצן לתאים, והדם מפנה את ה-CO2
• כמות המיטוכונדריות בתא תלויה בצורך שלו באנרגיה
• בתוכה ממברנה מקופלת. בתא היא נראית לרוב כמו נקניקיות מוארכות, ולא כאליפסה מהספר

לפי המצגת: - השלב הראשון בפירוק גלוקוז, גליקוליזה, מתרחש בציטופלזמה. - השלב השני מתרחש במיטוכונדריה, דורש חמצן ומשחרר CO2. - בשני השלבים נוצר ATP, אבל הרבה יותר בשלב המיטוכונדריאלי. - גם שומנים מחומצנים במיטוכונדריה, ומהם מתקבל יותר ATP.

ATP הוא "מטבע האנרגיה" של התא. הדימוי מההרצאה: אי אפשר לשלם בסופר בשיעור בביולוגיה. ממירים את מה שיש לנו בכסף, ובכסף אפשר לקנות הכל. ככה האנרגיה של הסוכר והשומן מומרת ל-ATP, וה-ATP משתתף במגוון עצום של תגובות שדורשות אנרגיה.

מאיפה באה המיטוכונדריה

למיטוכונדריה יש תכונות של תא חיידקי:

• DNA משלה, שמקודד לחלק קטן מהחלבונים שלה (באדם 13), ולמולקולות RNA שהיא צריכה
• ריבוזומים משלה, שמתרגמים את החלבונים האלה
• היא מתחלקת בעצמה, בלי קשר לחלוקת התא
• הגודל שלה כמה מיקרונים, כמו חיידק

ההשערה (אנדוסימביוזה): - מה קרה: לפני כשני מיליארד שנה, תא אאוקריוטי קדום בלע חיידק, כדרך להשיג מזון, אבל לא פירק אותו. - למה זה החזיק: נוצרה סימביוזה. ייתכן שבזכות החיידק התא הפיק הרבה יותר אנרגיה מהמזון. - מה יצא מזה: לאורך האבולוציה החיידק איבד חלק מהיכולות שלו והפך לאברון. - אירוע אחד: לפי השוואות של DNA, זה קרה פעם אחת. ל-DNA של המיטוכונדריה יש דמיון למשפחה מסוימת של חיידקים שחיים היום. - מי בלע את מי: המיטוכונדריה מקורה בבקטריה. ההערכה היום היא שהתא שבלע אותה היה קרוב לארכיאה.

כלורופלסט

• רק בצמחים ובאצות. מכיל כלורופיל, פיגמנט ירוק
• פוטוסינתזה: הפיכת אנרגיית האור לאנרגיה כימית, כדי לבנות סוכר מ-CO2. אחר כך התא של הצמח מפיק מהסוכר ATP במיטוכונדריות שלו
• כמעט כל המסה של עץ באה מה-CO2 שבאוויר. מהשורשים הוא מקבל בעיקר מים ומעט מינרלים
• אנחנו הטרוטרופים: אנחנו צריכים לאכול מולקולות אחרות כמקור אנרגיה
• כמו המיטוכונדריה: ממברנה כפולה, DNA וריבוזומים משלו, ומתחלק בעצמו. גם הוא מקורו בחיידק פוטוסינתטי שנבלע, לפני כמיליארד וחצי שנה, בתא אאוקריוטי שכבר היו בו מיטוכונדריות. לכן לכל האאוקריוטים יש מיטוכונדריה, ורק לצמחים יש כלורופלסט. גם זה היה אירוע חד-פעמי, הרבה לפני שהיו צמחים

מה לא נלמד בהרצאה הזו

• שלד התא (שקפים 63 עד 75: מיקרופילמנטים, סיבי ביניים, מיקרוטובולים). המרצה אמרה שיילמד בהרצאה הבאה
• הקטע שאחרי ההפסקה השנייה: מ-3:46 ועד 4:00 אין בהקלטה דיבור. ההרצאה ממשיכה אחרי זה מאותה נקודה בדיוק, באמצע ההסבר על ליזוזומים

בדיקה עצמית

1. מה ההבדל בין שעתוק לתרגום, ולמה לכל אחד מהם יש את השם שלו?
2. כמה צירופים יש לקודונים של שני נוקלאוטידים, ולמה זה לא מספיק?
3. מוטציה נקודתית הפכה קודון באמצע גן לקודון עצירה. מה יקרה לחלבון?
4. במה שונה טעות בשעתוק ממוטציה ב-DNA, מבחינת הנזק?
5. שמר וחיידק E. coli הם חד-תאיים ובערך באותו גודל. במה הם שונים ביסודם?
6. תא בלבלב מפריש כמויות גדולות של אנזימי עיכול, שהם חלבונים. איזה אברון תצפו למצוא בו בשפע, ולמה?
7. אילו שלוש תכונות של המיטוכונדריה מרמזות שמקורה בחיידק?

תשובות.

1: שעתוק: בניית RNA לפי DNA. נשארים בשפה של נוקלאוטידים, כמו העתקה. תרגום: בניית חלבון לפי RNA. עוברים משפה של נוקלאוטידים לשפה של חומצות אמינו.

2: 16. יש 20 חומצות אמינו, ו-16 צירופים לא יכולים להבחין ביניהן. עם שלשות יש 64.

3: התרגום ייעצר באמצע. תתקבל שרשרת קצרה שמתפרקת, ולא יהיה חלבון תקין.

4: טעות בשעתוק פוגעת במולקולת RNA אחת, ושאר העותקים תקינים. מוטציה פוגעת בגן עצמו, ולכן בכל העותקים שנוצרים ממנו, והיא עוברת לתאי הבת.

5: השמר אאוקריוטי: יש לו גרעין ואברונים מוקפי ממברנה. החיידק פרוקריוטי: ה-DNA בנוקלאואיד, בלי ממברנה, ואין לו אברונים.

6: ER מחוספס (ואחריו גולג'י). חלבונים מופרשים נבנים על ריבוזומים שמעוגנים ל-ER המחוספס, משם עוברים לגולג'י ומופרשים בבועיות.

7: יש לה DNA משלה, ריבוזומים משלה, והיא מתחלקת בעצמה. גם הגודל שלה כגודל חיידק.