מבוא והיכרות עם הקורס

הקורס “ביולוגיה של התא” הוא הקורס הביולוגי הראשון והיחיד לסטודנטים לרפואה בשנה הראשונה. הקרוס מתחיל מרמה בסיסית מאוד של מושגי יסוד, בהתחשב בכך שיש הבדלים משמעותיים בין הסטודנטים - חלק למדו ביולוגיה בתיכון וחלק לא (כמוני).

מידע אדמיניסטרטיבי מפורט

הקורס מחולק בין שלושה מרצים:

  1. פרופ׳ אמנון הראל
  2. ד״ר שי בל
  3. פרופ׳ מיכאל בלנק

נוכחות בקורס נבדקת ברבע השעה הראשונה של כל שיעור. פרטי התקשורת של המרצים נמצאים בסילבוס ובאתר הפקולטה, כאשר שאלות כלליות עדיף להפנות דרך נציגי המחזור. השיעורים מוקלטים, ובמידת הצורך יתקיימו תגבורים.

מבחינת הערכה, בוחן אמצע יתקיים מיד אחרי פסח, ביום הראשון שחוזרים ללימודים, ויכסה את החומר של שלושת השבועות הראשונים בלבד. הבוחן הוא ציון מגן שאינו יכול לפגוע בציון הסופי, ומטרתו לעזור לסטודנטים להתרגל לסגנון המבחנים הרב-ברירתיים שילוו אותם עד השלב הקליני.

ספר הקורס

Image

ספר הקורס משמש גם לקורס ביולוגיה מולקולרית. בספרייה קיימים עותקים של מהדורות 6 ו-7, אך קיימת גם גרסת PDF. העטיפה הירוקה מייצגת את הספרים בספרייה, ואילו העטיפה הסגולה היא גרסת ה-PDF הנפוצה.

חשוב לציין שהבחינה לא תכלול נושאים שמופיעים רק בספר ולא נדונו בהרצאות, אך עדיין מומלץ לעיין בספר לצד הלימוד בכיתה (בדיעבד - הופיעו בבחינה תרשימים מתוך הספר - מומלץ לעיין בו).

מבנה השיעורים והסילבוס

מצגות הקורס מסודרות לפי הרצאות, אם כי הן לא בהכרח תואמות בדיוק לשיעורים. מומלץ לעבור על הסיכום לפני ההגעה לשיעור הבא.

למרות שזהו קורס בביולוגיה של התא, במידה רבה הוא מהווה קורס מבוא לביולוגיה בכללותה. יש חמישה קורסים נוספים בשנה הבאה שהם המשך ישיר של הקורס הזה. בשנים קודמות הקורס בכימיה אורגנית התקיים קודם ונתן בסיס מסוים, אך כעת אין את היתרון הזה, ולכן הקורס מתחיל ממושגי יסוד בסיסיים.

מושגי יסוד בביולוגיה התאית

ציטוט פותח וחשיבות התא

“המפתח לכל בעיה ביולוגית בסופו של דבר צריך לחפש אותו ברמת התא הבודד.”

  • א.בי. ווילסון
Image

התמונה ההיסטורית הזו מציגה חלוקת תאים משנת 1900, שבה ניתן לראות כרומוזומים, את גרעין התא וסטרוקטורות תאיות נוספות.

יסודות הכימיה של DNA ו-RNA

מבנה מפורט של נוקלאוטיד

Image

מבנה הנוקלאוטיד נראה בתחילה כמו קוביות לגו - זאת הצגה פשטנית שמקלה על ההבנה הבסיסית. בפרק 2 בספר ניתן למצוא הסבר מפורט יותר (ה״פנלים״).

nucliotide

נוקלאוטיד מורכב משלושה מרכיבים עיקריים:

  1. פוספט:
    • מכיל מטענים שליליים ויכול להכיל אחד, שניים או שלושה פוספטים.
    \[\begin{array}{c} \textcolor{orange}{\ce{O}} \\ || \\ \textcolor{orange}{\ce{O^--P}}\ce{-O} \\ | \\ \textcolor{orange}{\ce{O-}} \end{array}\]
  2. סוכר:
    • מורכב מחמישה פחמנים, כאשר הפחמן החמישי מחובר לפוספט. הסוכר יוצר מבנה מעגלי עם חמצן שסוגר בין הפחמנים.
    \[\begin{array}{ccccc} & 5'\textcolor{aqua}{\ce{C}} & & & \\ & | & \textcolor{aqua}{\ce{O}} & & \\ & | / & & \backslash & \\ & 4'\textcolor{aqua}{\ce{C}} & & 1'\textcolor{aqua}{\ce{C}} & \\ & \backslash & & / &\\ & 3'\textcolor{aqua}{\ce{C}} & - & 2'\textcolor{aqua}{\ce{C}} & \\ & | & & | & \\ & \ce{OH} & & \ce{OH} & \\ \end{array}\]
  3. בסיס חנקני:
    • כולל טבעות עם קשרים כפולים ומולקולות חנקן. חשיבותו העליונה היא בקשרים הכימיים שהוא מסוגל ליצור, המהווים את הבסיס לכל הביולוגיה.
    \[\begin{array}{cccc} & \textcolor{green}{\ce{NH2}} & & \\ & | & & \\ / & & \text{\\\\}\textcolor{green}{\ce{N}} & \\ || & & | & \\ \backslash & & / \backslash\backslash & \\ & \textcolor{green}{\ce{N}} & & \textcolor{green}{\ce{O}} \\ \end{array}\]

מעניין לציין שלפני חודשיים התפרסמה ידיעה חדשותית על גששית שחזרה מהחלל ב-2020 עם דגימה מאסטרואיד. הממצא המדהים היה שהדגימה הכילה מולקולות המהוות בסיס ליצירת המולקולות האורגניות שכל החיים על פני כדור הארץ משתמשים באותו מנגנון.

בסיסים חנקניים

חמישה בסיסים חנקניים מהווים את אבני הבניין של ה- DNA וה-RNA. ב-DNA נמצא את התימין (T), ואילו ב-RNA נמצא את האורציל (U) שמחליף את התימין.

בסיסים חנקניים

חמשת הבסיסים החנקניים הם:

  1. אדנין (A) - פורין 
    N—C—N
‖   ‖
C   C—N
|   |
N═C—N
  2. גואנין (G) - פורין 
    O
‖
C—N
‖   \
N—C   N
|   ‖
C═N—C
|
NH₂
  3. ציטוזין (C) - פירימידין 
    NH₂
|
N═C
|   \
O═C   N
    |
    H
  4. תימין (T) - פירימידין (ב-DNA) 
    CH₃
|
C═C
|   \
O═C   N
  \   |
   N—H
   |
   O
  5. אורציל (U) - פירימידין (ב-RNA) 
    H
|
C═C
|   \
O═C   N
  \   |
   N—H
   |
   O

צוין כי אין צורך לזכור את כל השמות והמבנים המדויקים בעל פה, ושבמבחנים תמיד תינתן טבלה עם המידע הרלוונטי. העיקר הוא להבין את העקרונות הבסיסיים. בדיעבד - מוצע לשנן ככל הניתן.

נומנקלטורה של נוקלאוטידים

להלן טבלת נומנקלטורה שמסכמת את המונחים השונים:

בסיס נוקלאוזיד נוקלאוטיד (עם פוספט)
אדנין (A) אדנוזין אדנוזין מונופוספט (AMP)
גואנין (G) גואנוזין גואנוזין מונופוספט (GMP)
ציטוזין (C) ציטידין ציטידין מונופוספט (CMP)
תימין (T) תימידין תימידין מונופוספט (TMP)
אורציל (U) אורידין אורידין מונופוספט (UMP)

חשוב להבין את ההבחנה הבסיסית:

  • נוקלאוזיד: בסיס חנקני המחובר לסוכר בלבד
  • נוקלאוטיד: בסיס חנקני, סוכר ופוספט יחד

מניסיון, אפילו חוקרים ביולוגיים בכירים לא תמיד זוכרים את ההבדל המדויק בין גואנין לגואנוזין, אך את העיקרון הם מבינים היטב.

הבדלים בין DNA ל-RNA

קיימים שני הבדלים עיקריים בין DNA ל-RNA:

  1. בסוכר:
    • ב-RNA הסוכר הוא ריבוז
    • ב-DNA הסוכר הוא דיאוקסיריבוז (חסר חמצן בעמדה 2’)
    • מכאן נגזרים השמות: DNA - דיאוקסיריבונוקלאיק אסיד, RNA - ריבונוקלאיק אסיד
  2. בבסיסים החנקניים:
    • ב-DNA: A, G, C, T
    • ב-RNA: A, G, C, U (אורציל במקום תימין)

פולימריזציה של נוקלאוטידים

יצירת שרשראות פולינוקלאוטידים

עיקרון מאוד בסיסי בביולוגיה הוא היכולת לחבר נוקלאוטידים זה לזה בשרשרת. התפתחות המנגנון הזה הייתה קריטית להיווצרות החיים על פני כדור הארץ.

בתהליך חיבור הנוקלאוטידים מתרחשת התקפה נוקלאופילית, שבה נוצר קשר פוספודיאסטרי בין עמדה 3’ של נוקלאוטיד אחד לעמדה 5’ של הנוקלאוטיד הבא. קשרים אלו הם שבונים את השרשרת הנוקלאוטידית.

התגובה הכימית נראית כך:

5'                      5'
|                       |
-O-P=O                  -O-P=O
   |                       |
   O                       O
   |                       |
   CH₂                     CH₂
   |                       |
   O   בסיס₁               O   בסיס₁
  / \                     / \
 |   |                   |   |
 |   |                   |   |
 O   O       +           O   O
     |                       |
     CH₂                     CH₂
     |                       |
     O   בסיס₂               O   בסיס₂
    / \                     / \
   |   |     →             |   |
   |   |                   |   |
   O   O                   O   O
       |                       |
       H                       P=O
                               |
                               O
                               |
                               CH₂
                               |
                               O   בסיס₃
                              / \
                             |   |
                             |   |
                             O   O
                                 |
                                 H
                                 |
                                3'

כיווניות השרשרת

עיקרון יסודי בביולוגיה הוא שהחיבור של נוקלאוטידים תמיד מתבצע בכיוון 5’ אל 3’. כתוצאה מכך, השרשרת מתאפיינת בקצה 5’ חופשי בצד אחד וקצה 3’ חופשי בצד השני.

אורך השרשראות בגוף האדם הוא עצום. מולקולת DNA יכולה להגיע לאורך של מיליונים, עשרות מיליונים ואף מאות מיליונים של נוקלאוטידים. האורך מוגבל רק על ידי אורך הכרומוזום, שכן כל כרומוזום מכיל מולקולה אחת של DNA. מולקולות RNA בדרך כלל קצרות יותר - אלפים, עשרות אלפים, ובמקרים מסוימים גם מאות אלפים של נוקלאוטידים.

מבנה ה-DNA הדו-גדילי

הסליל הכפול (Double Helix)

מבנה ה-DNA מתאפיין בשני גדילים המגיבים ביניהם ונשמרים במרחק קבוע אחד מהשני באמצעות קשרי מימן. החיבור בין הבסיס החנקני לסוכר מתבצע תמיד על פחמן מספר אחד של הסוכר.

סוד היכולת להעברת מידע גנטי טמון בכך שגדיל אחד של DNA מכתיב את הרצף בגדיל השני. האפשרות להעביר את המידע הזה מבוססת על העובדה שגדיל אחד משלים את הגדיל השני.

מבחינה מספרית, תמיד מספר הנוקלאוטידים עם A בכל גדיל יהיה שווה למספר הנוקלאוטידים עם T, ומספר ה-G יהיה שווה למספר ה-C. זאת בשל זיווג הבסיסים הקבוע: G תמיד מזווג עם C ו-A עם T.

במונחים מתמטיים:

  • $A = T$
  • $G = C$
  • $A + G = T + C$
  • $\frac{A + T}{G + C}$ = יחס ייחודי לכל מין

שכפול ה-DNA (רפליקציה)

כל התאים החיים, מהפשוטים ביותר ועד לתאי גוף האדם, משכפלים את המידע הגנטי שלהם בתהליך המכונה “templated polymerization” - פולימריזציה לפי תבנית קיימת.

כאשר שני גדילי ה-DNA נפרדים, כל גדיל יכול לשמש כתבנית לבניית גדיל חדש ומשלים.

תהליך זה מכונה רפליקציה סמי-קונסרבטיבית (חצי-שמרנית), שכן הוא שומר על גדיל אחד בדיוק כפי שהוא ומשלים את החסר עם גדיל חדש.

בתנאי מעבדה, ניתן להפריד את שני גדילי ה-DNA על ידי חימום לטמפרטורה קרובה להרתחה, מבלי לפגוע בקשרים הקובלנטיים. אם מאפשרים לתמיסה להתקרר, הגדילים ימצאו בחזרה זה את זה וייצרו שוב את הסליל הכפול.

DNA מקורי:
5'-ATGCTAGCTAGCT-3'
3'-TACGATCGATCGA-5'

לאחר הפרדה:
5'-ATGCTAGCTAGCT-3'
                    +
3'-TACGATCGATCGA-5'

לאחר רפליקציה:
5'-ATGCTAGCTAGCT-3'    (גדיל מקורי)
3'-TACGATCGATCGA-5'    (גדיל חדש שסונתז)

5'-ATGCTAGCTAGCT-3'    (גדיל חדש שסונתז)
3'-TACGATCGATCGA-5'    (גדיל מקורי)

מזלג רפליקציה

בתהליך הרפליקציה בתאים חיים נוצר מה שמכונה “מזלג רפליקציה”. תהליך זה מתחיל כאשר אנזים מסוג הליקאז פותח את הסליל הכפול של ה-DNA.

באחד הגדילים, האנזים DNA פולימראז יכול לפעול ברציפות, ואילו בגדיל השני הוא פועל בקטעים קצרים המכונים קטעי אוקזקי, כיוון שגדיל זה נחשף רק כאשר מזלג הרפליקציה נפתח בהדרגה.

תהליך זה מתרחש באופן קבוע בכל תאי הגוף שמתחלקים. לפני חלוקת תא, חייבת להתבצע הכפלה של המידע הגנטי כדי לוודא ששני תאי הבת יקבלו בדיוק את אותו מידע.

5' --------------------------> 3'
   |  |  |  |  |  |  |  |  |
   A--T  G--C  C--G  T--A  G--C
   |  |  |  |  |  |  |  |  |
3' <-------------------------- 5'
                ↓
                ↓ (הליקאז פותח את הסליל הכפול)
                ↓
5' -----------------> 3'
   |  |  |  |  |  |
   A--T  G--C  C--G
   |     |     |
   |     |     |
3' <----------------- 5'

                ↓
                ↓ (DNA פולימראז מוסיף נוקלאוטידים)
                ↓

5' -----------------> 3'
   |  |  |  |  |  |
   A--T  G--C  C--G
   |  |  |  |  |  |
   T  A  C  G  G  C
   |  |  |  |  |  |
3' <----------------- 5'

הדוגמה המרכזית של הביולוגיה

הדוגמה המרכזית של הביולוגיה היא מושג יסודי המתאר את זרימת המידע הגנטי בתאים חיים. זהו עיקרון מכונן בביולוגיה המולקולרית - הכל מתחיל ונגמר בזרימת המידע מ-DNA ל-RNA לחלבונים.

שלושת השלבים של הדוגמה המרכזית

  1. DNA → DNA (רפליקציה):
    • שכפול ה-DNA, שבו מתרחשת הפרדת הגדילים ובנייה של גדילים חדשים ומשלימים.
  2. DNA → RNA (טרנסקריפציה):
    • תהליך השיעתוק (או תיעתוק), שבו אנזים קורא את ה-DNA הדו-גדילי ויודע באיזה גדיל להשתמש כתבנית.
  3. RNA → Protein (טרנסלציה):
    • תהליך התרגום, שבו המידע מה-RNA עובר לחלבון. חלבון הוא גם כן פולימר - שרשרת ארוכה עם כיווניות.
                שכפול (רפליקציה)
                  ↗        ↘
                DNA -------→ DNA
                 |
                 | שעתוק (טרנסקריפציה)
                 ↓
                RNA
                 |
                 | תרגום (טרנסלציה)
                 ↓
              חלבון

יוצאים מן הכלל לדוגמה המרכזית

ישנם יוצאים מן הכלל לדוגמה המרכזית. דוגמה בולטת היא וירוס ה-HIV-1, שיש לו מעטפות שונות ובתוכן קפסיד (כספת פנימית). בתוך הקפסיד, הגנום של הווירוס הוא בצורה של RNA. בנוסף, יש בתוכו עותקים של אנזים מיוחד המקודד על ידי הווירוס, הנקרא “reverse transcriptase” (רברס טרנסקריפטאז). אנזים זה פועל בכיוון ההפוך לדוגמה המרכזית - הוא יוצר DNA מ-RNA.

השאלה האם וירוס הוא יצור חי היא שאלה מורכבת שנדונה בקורסים מתקדמים יותר כמו מיקרוביולוגיה. וירוסים מנצלים את המערכות התאיות של התא המארח אליו הם פולשים.

זרימה רגילה:      DNA → RNA → חלבון

יוצא מן הכלל (HIV):   RNA → DNA → RNA → חלבון
                        ↑
                    רברס טרנסקריפטאז

היסטוריה של גילוי התא

התא התגלה לראשונה על ידי רוברט הוק באנגליה, במאה ה-17. ניתן למצוא את ספרו המקורי בפורמט PDF באינטרנט, כתוב באנגלית עתיקה.

המיקרוסקופ ששימש את הוק היה פשוט יחסית - עם מנורה ומכל מים להגדלה, שהשיג הגדלה מקסימלית של פי חמישים. הוק היה הראשון שזיהה תאים וקרא להם בשם זה.

הוק קיבל מינוי ממלך אנגליה, וספרו הפך לרב מכר. האצולה האנגלית התעניינה מאוד בתצפיותיו ובאה לצפות במיקרוסקופ שלו בדגימות שונות, כולל קרציות ותאים שהוא הצליח להגדיל.

דור פסקל
חזור לעמוד הבית
המשך לסיכום הבא