נניח כי לפנינו גנום ויראלי פשוט וקטן במיוחד, אשר מכיל 5,000 נוקלאוטידים (5kb). כל שלושה נוקלאוטידים מקודדים לחומצה אמינית אחת, ולכן גנום זה מסוגל לקודד כ-1666 חומצות אמינו, אם הגנום נקרא ברציפות מתחילתו ועד סופו. בתצורתו הדחוסה ביותר, גנום זה יתפוס צורה כדורית בקוטר 90Å. הגנום הויראלי איננו צף חופשי במרחב, אלא הוא מוגן במעטפת חלבונית אשר נקראת קפסיד. עובי ממוצע של קפסיד עומד על כ-30Å. על מנת ליצור מעטפת חלבונית בעובי שכזה, שתוכל גם להכיל את הגנום הויראלי המדובר, יש צורך בכ-25,000 חומצות אמינו!
כיצד ניתן להשתמש ב-1666 חומצות אמינו, על מנת לייצר מעטפת המורכבת מ-25,000 חומצות אמינו? בעיה זו נפתרת באופן חלקי על ידי שימוש ביחידות חוזרניות באופן רפטטיבי, לרוב כ-60 יחידות חוזרניות. לכן זה לא מפתיע כי מרבית הקפסידים הם סימטריים.
עם הזמן, וירוסים פיתחו מנגנוני אריזה משוכללים ומפתיעים במיוחד. מנגנונים אלו כוללים גם פעילויות הקשורות למבנה הקפסיד, אך גם לקומפקטיות גדילי ה-DNA או ה-RNA של אותו ויריון (הכוונה ויריון היא וירוס בוגר אשר מסוגל להדביק). ישנם אף וירוסים בהם המטען הגנטי דחוס באופן דומה לקריסטלים אשר מיוצרים באופן סינתטי במעבדה.
הַדּוֹגְמָה הַמֶּרְכָּזִית.
שכפול.
כאמור, כל המידע הגנטי שמור ב-DNA. על מנת שמידע זה יועבר לדורות הבאים, יש להפיק העתקים של מידע זה. לאחר שכפול ה-DNA, עותק אחד יוותר מאחור, ואילו עותק חדש יועבר הלאה לדור הבא.
החלבון המרכזי אשר אחראי על ביצוע השכפול נקרא DNA פולימראז. חלבון זה הוא מכונה מולקולרית מורכבת, אשר מורכבת ממספר תת-יחידות. קומפלקס זה פועל על גבי DNA חד-גדילי, אשר על פיו נוצר הגדיל המשלים. תוך כדי השכפול, הגדיל המשלים נקשר לגדיל התבנית, וכך מתקבל DNA דו-גדילי.
ל-DNA פולימראז ישנה מגבלה חריפה, והיא היעדר יכולת סינתזה דה-נובו (סינתזה יש מאין). פעולתו של החלבון היא למעשה הארכת גדיל DNA חד-גדילי. לכן, מלבד DNA חד-גדילי אשר מהווה כתבנית, על מנת שיתבצע שכפול יש לצרף למערכת גם רצפים קצרים של DNA, או RNA, אותם ה-DNA פולימראז יוכל להאריך לכדי הגדיל המשלים. רצפים קצרים אלו, אותם DNA פולימראז מאריך, נקראים פריימרים (או בעברית - תחלים).
במילים אחרות, שכפול DNA על ידי DNA פולימראז תלוי בגדיל תבנית (Template strand) ארוך, ובגדיל פריימר קצר (Primer strand). חלבון הפולימראז מאריך את גדיל הפריימר בהתאם לגדיל התבנית.
מכיוון ש-DNA הוא מבנה דו-גדילי, כיצד נוצרים הגדילים החד-גדיליים עליהם DNA פולימראז מסוגל לפעול?
ראשית כל, גדיל התבנית נוצר על ידי פעילותם של שני חלבונים:
חלבוני האיניציאציה מבצעים את ההפרדה הראשונית שבין שני גדילי ה-DNA. דוגמאות לחלבונים ממשפחה זו כוללים את הפרוקריוטי, ואת ה- האאוקריוטי. מבנים אלו מפרידים את שני גדילי ה-DNA באזור מוגדר.
לאחר מכן ההליקאז מתחבר לאחד הגדילים, ותפקידו הוא לשבור את קשרי המימן אשר מרכיבים את ההליקס הדו-גדילי. בחירת הגדיל עליו ההליקאז נטען תלויה באורגניזם. פעילותו של DNA פולימראז מצומדת לפעילותו של ההליקאז.
לעומת גדיל התבנית, גדילי הפריימר נוצרים על ידי חלבון נפרד אשר נקרא פרימאז. חלבון זה מייצר מקטעים חד-גדיליים קצרים, אותם הפולימראז מאריך. באופן מפתיע, אותם פריימרים מורכבים מ-RNA, ולא מ-DNA. בהמשך פריימרים אלו יחתכו ויוחלפו לכדי מקטעי DNA.
כפי שניתן להבין, מדובר בתהליך מורכב להפליא, אשר תיארנו רק חלק קטן מתוכו. חלבונים נוספים אשר לוקחים חלק בביצוע השכפול הם: טופואיזומראז, , ליגאז ועוד רבים. מכלול החלבונים אשר פועלים יחדיו לשכפול ה-DNA נקראים ה"".
מודל הטרומבון.
כפי שצוין לפני כן, ה-DNA הוא מבנה דו-גדילי, כאשר כל גדיל הוא רצף של נוקלאוטידים המחוברים זה לזה בקשרים קוולנטיים פוספודיאסטריים. שני הגדילים מזווגים באמצעות בקשרי מימן, בחוקיות שנקראת כיום 'קשרי ווטסון-קריק'. הקשרים הפוספודיאסטריים הם בעלי כיווניות, מכיוון שתהליך היצירה של קשר מסוג זה מחייב אינטראקציה בין ההידרוקסיד בפחמן C'3, לבין קבוצת הפוספט בעמדה אלפא של פחמן C'5 על גבי הנוקלאוטיד הבא. לכן, בכל גדיל בודד של DNA, קצה אחד יציג קצה C'5, ואילו הקצה השני יציג קצה C'3. הכיווניות הזו נקראת 5' ל-3'. הקצה ה-5' נחשב במעלה הזרם, או Upstream, ואילו הקצה ה-3' נחשב במורד הזרם, או Downstream.
בעת השכפול, ה-DNA פולימראז קורא במקביל את שני הגדילים בו זמנית, אף על פי שהם ממוקמים באוריינטציה הפוכה זו לזו. אחד הגדילים נקרא על ידי הפולימראז מ-5' ל-3', ואילו הגדיל השני נקרא מ-3' ל-5'. גדילי הבת שנוצרים מסוגלים להיווצר אך ורק בכיווניות 5' ל-3'. איך אם כן מסנתז הפולימראז גדילי DNA מ-3' ל-5'?
שאלה זו תעתעה בחוקרים רבים בתחום הביולוגיה המולקולרית במשך זמן ממושך. מסתבר אפוא כי הגדיל אשר נקרא מ-5' ל-3' (שמהווה בתורו תבנית לגדיל מ-3' ל-5' - אך מבנה זה איננו אפשרי) מתקפל על עצמו, ויוצר לולאה. גדיל הבת אשר מסונתז, גדל לתוך הלולאה. נוסף על כך, גדיל זה מסונתז במקטעים, אשר נקראים מקטעי אוקאזקי. כאשר מקטע אוקאזקי מסונתז בשלמותו, הלולאה מתכווצת, ומתחילה הסינתזה של המקטע הבא. השינוי המחזורי בגודל הלולאה קיבל את השם האל-מותי "מודל הטרומבו". כך מסונתזים שני הגדילים בו זמנית, ובאותו הכיוון.
הגדיל הנקרא מ-3' ל-5' מאפשר סינתזה של גדיל בת מ-5' ל-3', ולכן מסונתז באופן המשכי, ללא מקטעי אוקאזקי. גדיל זה נקרא 'הגדיל המתמשך' (Leading strand), ואילו הגדיל השני, המסונתז באופן מקוטע, נקרא 'הגדיל המפגר' (Lagging Strand).
שעתוק.
ביצורים רב תאיים, כל התאים מכילים את אותו הגנום - DNA. מה, אם כן, מבדיל בין תא השייך לעין, או ללב, לכבד, או לשחלה? יתרה מכך, כיצד תאים, גם במיקרואורגניזמים, מגיבים לתנאי סביבה משתנים?
אף על פי שה-DNA מכיל גנים רבים, על פי רוב רק מקצת מן הגנים מגיעים לידי ביטוי חלבוני. תאים שונים, גם אם הם מכילים את אותו הגנום, מבטאים גנים שונים. זוהי סוגיה מרכזית ומהותית המובילה להבדלים בין התאים השונים בגוף. תא בודד עשוי להגיב לגירוי חיצוני באמצעות שינוי פרופיל הגנים אשר בא לידי ביטוי.
ביטוי גנים, או בלועזית - gene expression - הוא מכלול של פעולות, אשר בסופן נוצרת מולקולה פעילה על בסיס DNA, אך שהיא איננה DNA בעצמה. על פי רוב, הכוונה במונח זה היא ביטוי ברמת חלבון, אך ישנם גנים רבים אשר מייצרים מולקולות RNA אפקטוריות. על מנת שגנים יתבטאו, ראשית יש צורך ביצירת מולקולת RNA על בסיס מולקולת ה-DNA. תהליך זה נקרא שעתוק, או transcription. מקצת מן ה-RNA, אשר לו תכונות ייחודיות, מאפשר לייצר חלבונים על סמך רצף הנוקלאוטידים שלו. ל-RNA אשר מהווה תבנית ליצירת חלבון אנו קוראים mRNA, ולתהליך ההמרה משפת הנוקלאוטידים, לשפת חומצות האמינו - אנו קוראים תרגום (translation).
בדומה לשכפול, החלבון המרכזי אשר מבצע את השעתוק הוא פולימראז, אך הפעם מדובר בקומפלקס חלבוני בשם RNA פולימראז. בפרוקריוטים ישנו, לרוב, RNA פולימראז בודד, ואילו באאוקריוטים ישנם שלושה סוגים שונים. החלבון RNA פולימראז II מהווה הפולימראז המרכזי, והוא גם זה שאחראי על יצירת mRNA.
מכיוון שתעתיקי ה-RNA מהווים את חלק הארי של ביטוי גנים, ישנו תהליך בקרה הדוק, מורכב ומגוון על השעתוק בכללותו. הנקודה הרגישה ביותר בתהליך הבקרה היא תחילת השעתוק. על מנת שקומפלקס ה-RNA פולימראז יקשור את ה-DNA ויחל בסינתזת RNA, יש צורך בחלבונים מתווכים. באאוקריוטים, חלבונים אלה נקראים פקטורי שעתוק, ואילו בפרוקריוטים הם נקראים גם פקטור סיגמא (σ factor). פקטורי השעתוק קושרים מצד אחד את הפולימראז, ומן הצד השני את ה-DNA. אתר הקישור של פקטורי השעתוק ל-DNA נקרא פרומוטר (promoter). על פי רוב הפרומוטר ממוקם במעלה הזרם (5') לגן, אם כי ישנם גם פרומוטורים הממוקמים במורד הזרם לגן, אך במקרה כזה נוצרות לולאות ב-DNA.
לעיתים קרובות, פקטורי השעתוק ממתינים בסביבת התא במצב בלתי-פעיל, אך בעת קבלת הסיגנל המתאים - ישופעלו כך שיאפשרו שעתוק של גנים ספציפיים.
תרגום.
בעוד שבשכפול DNA, ובשעתוק RNA, הרכיבים הקטליטיים החשובים ביותר הם חלבונים - בתרגום חלבונים, הרכיב הקטליטי החשוב ביותר הוא הריבוזום. הריבוזום הוא גופיף RNA המורכב משתי תת-יחידות, אחת קטנה ואחת גדולה. ישנם גם חלבונים המסייעים לפעילות הריבוזום, אך אלו חלבונים לא-קטליטיים.
תהליך השעתוק מייצר מולקולות רבות של RNA, וביניהן rRNA (אשר מרכיב את הריבוזום), tRNA (אשר קושר חומצות אמינו), RNAi (שמווסת ביטוי גנים), tmRNA (שמחלץ ריבוזום שנתקע במהלך התרגום) ועוד רבים. נוסף על כל אלו, ישנה מולקולת RNA ייחודית בשם (mRNA (messenger RNA. מולקולה זו מסוגלת להיקשר לתת-היחידה הקטנה של הריבוזום, ועל פיה יתרחש תהליך התרגום. לאחר האינטראקציה בין ה-mRNA לתת-היחידה הקטנה, תתחבר גם התת-היחידה הגדולה. במילים אחרות, הריבוזום מושלם במלואו רק לאחר קליטת ה-mRNA.
תפקידה של התת-היחידה הקטנה הוא לקלוט את ה-mRNA, ולקרוא אותו. לעומתה, התת-היחידה הגדולה אחראית לבניית החלבון. התת-היחידה הגדולה מבצעת את תפקידה על ידי קישור tRNA, מולקולות RNA אשר נושאות חומצות אמינו.
עד כה תיארנו אינטראקציה בין:
כיצד הריבוזום מתווך נכונה קישור בין tRNA מתאים לכל נקודה ונקודה ב-mRNA?