DNA

מבנה ה-DNA

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, בין גואנין וציטוזין קשר 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

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

שעתוק או תעתוק (Transcription)

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 שבאמצעותן מיוצרים כל החלבונים הנחוצים לתפקוד התא. ה-RNA הוא מולקולה חד-גדילית הדומה במבנה למבנה גדיל יחיד של מולקולת ה-DNA והנבדלת ממנה בכך שיחידות הסוכר בנוקלאוטידים שלה הן ריבוז במקום דיאוקסי ריבוז.
התחלת התהליך היא כאשר קטע מתאים בסליל הכפול של ה-DNA נפתח, ואחד הגדילים בו משמש כתבנית לסינתוז ה-RNA. האנזים האחראי 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. באמצעות שליטה מבוקרת בהפעלת השעתוק של קטעי DNA שונים, כל אחד בעיתו, נוצרת השונות בין התאים השונים ונקבעים השלבים השונים בחיי התא. לדוגמה: באמצעות בקרה מתאימה ייווצר החלבון שנותן את הצבע לעיניים רק בתאים של הקשתית, בעוד בתאים שאינם תאי קשתית מושתק השעתוק של קטע ה-DNA המכיל את הגן לצבע העיניים.

תרגום (Translation)

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

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.

פענוח הקוד הגנטי

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: 63 מצירופי השלשות השונים מקודדים ל-20 חומצות האמינו השונות המרכיבות את החלבונים בתא (מספר צירופים שונים עשויים לקודד לאותה חומצת אמינו), ובנוסף שלשה אחת שאינה מקודדת לחומצת אמינו אלא משמשת כאות סיום. צירופים אלו, של שלשות בסיסי חומצות גרעין, מכונים קודונים. תגליות מאוחרות יותר הראו שכאשר יש רצף ארוך שמשותף לשני גנים, אחד הגנים יהיה בחפיפה לשני ואז יקטע וההמשך שלו יהיה אחרי אזור שלא משתתף בקידוד. במצב כזה הגן הראשון יקודד ברציפות וכאשר מתבצע שימוש בקידוד של הגן המקוטע, רצף הדי אן איי יתפתל ללולאה שמסתירה את המקטע שלא צריך להשתתף ביצירת החלבון. כיום יודעים שהקוד הזה אוניברסלי לכל היצורים החיים ולנגיפים.