בוחן אמצע ומבוא

שלום לכולם, אני מבין שאתם נפגשים אחרי החופש ויש הרבה התרגשות. היום יתקיים גם בוחן אמצע ואני רוצה להרגיע את מי שמוטרד מכך - הבוחן הזה נועד רק להכניס אתכם לעניינים. זהו ציון מגן שלא יכול לקלקל. הוא מכסה את החומר הקל מתחילת הסמסטר, ואני מקווה שאחרי שתיגשו ל-14 השאלות האלה במתכונת מבחן אמריקאי, זה יכניס אתכם קצת לעניינים.

חשוב לציין שגם הבוחן הסופי וכל המבחנים שלכם לאורך כל השנים הבאות יהיו במתכונת הזאת של מבחן אמריקאי, ולכן חשוב ללמוד להתמודד איתה. בהצלחה לכולם!

אנחנו ממשיכים במתכונת שכבר התחלנו איתה - בימי שני יש הפסקה באמצע. נזכיר שלא יהיו עוד הרבה תרגילי צופרים. היום נמשיך במצגת של הרצאה 4 על חלבונים. החומר הזה כבר לא יהיה בבוחן היום כמובן, אבל כל החומר על חלבונים הוא קריטי להמשך הקורס.

קשרים דיסולפידיים בחלבונים

דיברנו בעבר על קשרים דיסולפידיים, והצגנו את הנושא דרך המקרה הפרטי של אינסולין. זהו נושא חשוב גם מהבחינה הכללית של קשרים המחזיקים את המבנה התלת-ממדי של חלבונים.

כפי שדיברנו, רוב הקשרים שמקיימים את המבנה התלת-ממדי של חלבונים אינם קוולנטיים, והאפקט שלהם מצטבר. אולם, קשרים דיסולפידיים הם יוצאים מן הכלל המעידים על הכלל - אלו קשרים קוולנטיים.

הקשר הדיסולפידי נוצר בין שתי שרשראות צדדיות של חומצת האמינו ציסטאין. ניתן לראות בתרשים את הפחמן אלפא בשרשרת הפוליפפטידית, כאשר בקצה השרשרת הצדדית נמצאת קבוצת SH. בקבוצה זו יש שני אלקטרונים שזמינים ליצירת קשר.

\[\text{R-SH + HS-R} \rightleftharpoons \text{R-S-S-R + 2H}^+ \text{ + 2e}^-\]

קשר דיסולפידי תלוי במצב החמצון-חיזור של הסביבה. קשר כזה יכול להיווצר בין שתי שרשראות פוליפפטידיות שונות או בתוך אותה שרשרת, ובכך מייצב את המבנה התלת-ממדי של החלבון.

כפי שציינו במצגת קודמת, ישנם מבנים שונים של חלבונים:

  • מבנה ראשוני (רצף חומצות האמינו)
  • מבנה שניוני (מבנים כמו $\alpha$-סליל ו-$\beta$-גליון)
  • מבנה שלישוני (הקיפול המרחבי של השרשרת)
  • מבנה רביעוני (מספר שרשראות פוליפפטידיות המרכיבות קומפלקס)

הקשרים הדיסולפידיים יכולים לייצב את המבנה השלישוני או הרביעוני.

סביבת חמצון-חיזור והשפעתה על קשרים דיסולפידיים

חשוב להבין שהמעבר בין שני מצבי הקשר הדיסולפידי הוא תהליך חמצון-חיזור. בסביבה מחזרת לא ייווצרו קשרים כאלה. הציטופלזמה של תאים היא בדרך כלל סביבה מחזרת שאינה מעודדת יצירה של קשרים דיסולפידיים.

לעומת זאת, חלבונים המופרשים החוצה מתאים, כמו הורמון האינסולין, או חלבונים הממוקמים בממברנה החיצונית של התא ופונים החוצה, נמצאים בסביבה מחמצנת. בסביבה זו הקשרים הדיסולפידיים מאוד תורמים ליציבות המבנה. דוגמה נוספת הם נוגדנים, שהמבנה שלהם מיוצב על ידי קשרים דיסולפידיים.

דוגמת האינסולין

אינסולין הוא דוגמה מצוינת לחלבון קטן (51 חומצות אמינו באדם) המיוצב על ידי קשרים דיסולפידיים. תחילה הוא מיוצר כפוליפפטיד ארוך, והחלק האפור במצגת צריך להיות מסולק בתהליך ההבשלה לצורה הפעילה של ההורמון.

במבנה הסופי ישנם שלושה קשרים דיסולפידיים: אחד בתוך שרשרת ושניים בין השרשראות. כדי להגיע למבנה הסופי נדרשת עזרה של גורמי assembly (מסומנים כמספריים בתרשים) - אלו הם פרוטאזות, חלבונים שיודעים לחתוך ברצף ספציפי של חומצות אמינו. זהו חלק מתהליך רב-שלבי הדרוש להבשלה של אינסולין לצורה הפעילה שלו.

היכן נוצרים הקשרים הדיסולפידיים?

כפי שציינו, בציטופלזמה הסביבה היא מחזרת ולכן קשרים דיסולפידיים לא יכולים להיווצר שם. קשרים אלה נוצרים בתוך האנדופלסמטיק רטיקולום (ER), בחלל המימי (הלומן) שלכוד בממברנות ה-ER ומופרד מהציטופלזמה.

זוהי דוגמה ראשונה לעיקרון חשוב שילווה אותנו בהמשך הקורס: איך חלבונים מגיעים לצורתם הבשלה והפעילה בתאים אאוקריוטים. תאים אלה מחולקים למדורים שונים, רובם מוקפים בממברנה, וזה חלק מתהליך ההבשלה של החלבון.

חשוב לציין שאם נחשוף אינסולין בשל לסביבה מחזרת (כמו בציטופלזמה או במבחנה), הקשרים הדיסולפידיים יתפרקו. מה שחשוב יותר - החלבון לא ידע ליצור מחדש את הקשרים בצורה הנכונה.

כלומר, אפילו שאינסולין הוא חלבון קטן, המבנה התלת-ממדי הסופי שלו תלוי ביצירה הנכונה של הקשרים הדיסולפידיים ובפעילות החיצונית של גורמי ה-assembly. זאת בניגוד לחלבונים אחרים שיודעים להרכיב את עצמם ללא עזרה חיצונית.

אתרי קישור ומבנה תלת-ממדי

הפעילות הביולוגית של חלבונים תלויה בהיכרות מולקולרית ספציפית, והיכרות זו היא תלת-ממדית. זהו עיקרון מרכזי בביולוגיה: המבנה התלת-ממדי של חלבונים קובע את פעולתם.

התאמה מדויקת במרחב

העיקרון המרכזי הוא של “Precise Fit” - התאמה מושלמת תלת-ממדית, כמו יד המותאמת לכפפה המתאימה (ימנית או שמאלית) או כמו מפתח המותאם למנעול ספציפי.

כאשר מדברים על אתרי קישור, מדובר במקומות ספציפיים בחלבון שמאפשרים אינטראקציה עם מולקולות אחרות. בחלבונים מורכבים, אתרי הקישור הייחודיים מאפשרים את הבנייה של קומפלקסים חלבוניים.

לפעמים כל האינפורמציה לבניית המבנה הנכון כבר קיימת בתוך רצף החלבון, והקיפול נוצר בזכות התאמה תלת-ממדית כמו חלקי פאזל.

ליגנדים ורצפטורים

כאשר מדברים על אינטראקציות בין חלבונים למולקולות אחרות, משתמשים במונחים כמו “ליגנד” ו”רצפטור”. ליגנד מוגדר כמולקולה קטנה יחסית שנקשרת לחלבון. לדוגמה, אינסולין (חלבון קטן של 51 חומצות אמינו) יכול להיחשב כליגנד כאשר הוא נקשר לרצפטור שלו.

אתר הקישור בחלבון בנוי תלת-ממדית על ידי שיירים של חומצות אמינו הנמצאים במקומות שונים במבנה. כך למשל, אתר קישור של אנזים, הקישור של נוגדן לאנטיגן, או הקישור של הורמון לרצפטור שלו - כולם מבוססים על אותו עיקרון.

דוגמה: Cyclic AMP והחלבון הקושר אותו

הדוגמה במצגת מראה חלבון המכיר את המולקולה Cyclic AMP (cAMP). זהו שליח משני חשוב בתא, המשמש להעברת סיגנלים. החלבון יוצר כיס תלת-ממדי שבו המולקולה (הליגנד) נקשרת מכל הצדדים.

ניתן לראות בתרשים את חומצות האמינו השונות היוצרות קשרים עם המולקולה. חומצות אמינו אלו יכולות להיות במקומות שונים לחלוטין ברצף הראשוני של החלבון, אך הקיפול התלת-ממדי מביא אותן לקרבה שמאפשרת את הקישור.

מבנה מולקולת ה-cAMP כולל:

  • בסיס חנקני (אדנין)
  • סוכר ריבוז
  • קבוצת פוספט הקשורה לפחמן במיקום 5’ וגם לפחמן במיקום 3’ (יוצרת מבנה מעגלי)

השפעת מוטציות על פעילות החלבון

אם תתרחש מוטציה באחת מחומצות האמינו המעורבות באתר הקישור, זה עלול לפגוע משמעותית בפעילות החלבון. לדוגמה, אם תתחלף חומצת אמינו חיובית בשלילית (או להיפך), עלולה להיווצר דחייה אלקטרוסטטית שתפריע לאינטראקציה.

לא תמיד ניתן לחזות בדיוק איך שינוי של חומצת אמינו אחת ישפיע על פעילות החלבון, אך השלב הראשון בניתוח הוא הפעלת תוכנות לסימולציה תלת-ממדית של המבנה. לאחר מכן נדרשים ניסויים לבדיקת הפרדיקציה.

אנזימים ופעילותם

ליזוזים - דוגמה לאנזים

ליזוזים הוא האנזים הראשון שהמבנה התלת-ממדי שלו נפתר (בשנות השישים של המאה ה-20). זהו אנזים קטן וקל להפקה מחלבון ביצה או ממקורות אחרים.

האנזים הזה הוא חלק ממערכת ההגנה שלנו מפני חיידקים. הוא מסוגל לחתוך שרשראות של פפטידוגליקן, מרכיב עיקרי בדופן של קבוצה גדולה של חיידקים. פפטידוגליקן הוא רב-סוכר, שרשרת ארוכה מאוד של יחידות חוזרות, והוא חלק חשוב מההגנה של חיידקים מהסביבה שלהם.

הליזוזים נמצא בחלבון ביצה, ברוק, בדמעות ובמוקוזה (הפרשות רירית). בכל המקומות האלה, תאי אפיתל מפרישים את האנזים כחלק ממנגנון ההגנה מפני חיידקים. האנזים חותך את שרשרת הפפטידוגליקן וגורם לחיידקים לעבור ליזיס (התפוצצות).

מנגנון פעולה אנזימטי

האנזים ליזוזים פועל באופן הבא:

  1. הסובסטרט (שרשרת הרב-סוכר) נכנס לשקע (cleft) בחלבון המותאם בדיוק למבנה המולקולה
  2. האנזים מכריח את הסוכר במקום החיתוך להסתובב, יוצר “strain” (מתח)
  3. זהו האופן שבו האנזים מתגבר על המחסום האנרגטי של הריאקציה
  4. במהלך הריאקציה נוצר קשר קוולנטי זמני (transient) בין האנזים לסובסטרט
  5. חומצת אמינו ספציפית באנזים קריטית לפעילות זו

הריאקציה היא הידרוליזה (פירוק כימי בעזרת מים), שהיא מועדפת אנרגטית. הסיבה שהיא לא מתרחשת ספונטנית במים היא בגלל המחסום האנרגטי. האנזים מזרז את הריאקציה בכ-6 סדרי גודל (פי מיליון).

זו רק דוגמה ספציפית למנגנון אנזימטי, אך היא ממחישה את העיקרון הכללי שאנזימים פועלים דרך התאמה מרחבית מדויקת לסובסטרט שלהם ומזרזים ריאקציות כימיות בשיעור ניכר.

מנגנון פעולה אנזימטי - המשך

השאלה מקודם הייתה מדוע יש חומצות אמינו מסוימות שהן לגמרי קריטיות לפעילות האנזים. במקרה של ליזוזים, חומצות אמינו אלה חשובות לא רק לקישור הסובסטרט אלא גם לריאקציה עצמה. במהלך הריאקציה נוצר קשר ביניים זמני, וזהו מצב שבניסויים מיוחדים אפשר אולי לבודד. במציאות התהליך קורה מהר מאוד והמצב הזמני מתפרק והריאקציה ממשיכה הלאה.

בשלב הבא, חומצת האמינו שנמצאת מעל מקום החיתוך נכנסת לפעולה. היא הייתה שם כל הזמן, אבל עכשיו היא פעילה. נכנסת מולקולת מים שעוברת פולריזציה - כלומר, האלקטרונים שלה מאורגנים בגיאומטריה מדויקת שמאפשרת את ההתקפה הנוקלאופילית. כל התהליך מתרחש במהירות רבה.

מה שקורה הוא שמצב הביניים הזמני (transient) נשבר, והאנזים חוזר למצבו המקורי. מולקולת המים התחלקה בין שני הצדדים של הקשר שנחתך, ונוצרים שני תוצרים שעדיין נמצאים בכיס של האנזים ומיד ישתחררו ממנו.

הפואנטה החשובה היא שנוצר מצב ביניים שבו יש קשר קוולנטי קצר-חיים מאוד, שמאפשר את הכניסה לפעולה של חומצת אמינו נוספת. זו דוחפת את מולקולת המים בדיוק למקום הנכון ומאפשרת את שבירת הקשר. כל הריאקציה הזאת היא הידרוליזה (פירוק כימי באמצעות מים) שמועדפת אנרגטית, אבל לא הייתה מתרחשת ללא האתר הפעיל המתאים של האנזים.

האנזים בסופו של דבר משתחרר, משחרר את שני התוצרים, ונוצר חתך אחד בשרשרת ענקית של הפפטידוגליקן. התהליך יכול לחזור על עצמו פעמים רבות.

בתמצית, המנגנון פועל כך:

  1. חומצת אמינו מסוימת יוצרת קשר עם אחד הצדדים של הקשר הסוכרי שאותו הולכים לשבור, יוצרת קשר קוולנטי זמני
  2. חומצת אמינו אחרת דוחפת מולקולת מים למקום המתאים, מה שמאפשר את שבירת הקשר הקוולנטי הזמני
  3. שני חלקי השרשרת משתחררים והאנזים חוזר למצבו המקורי

אף שבקורס הביוכימיה לא בהכרח תישאלו שאלות ספציפיות על הריאקציה הזו, חשוב להבין את העיקרון הכללי של פעולת אנזימים. כל הסרטון שראינו נועד להדגים מקרה של התאמה תלת-ממדית מורכבת למולקולה ארוכה, ואת העובדה שהאנזים פועל בשלבים מהירים ומשתחרר ללא שינוי.

חשוב להבין שהפירוק לשניים של השרשרת הסוכרית הוא פעולה אחת של האנזים - חיתוך אחד. האנזים יכול לבצע חיתוכים רבים כאלה, תופס מקומות שונים בשרשרת או בשרשראות סמוכות. האנזים מבצע חיתוכים רבים במולקולות המגנות על החיידק, עד שמגיע שלב שהחיידק אינו יכול לעמוד בנזק ומתפוצץ (עובר ליזיס). למעשה, זה מקור השם של האנזים - ליזוזים, על שם פעולת הליזיס שהוא גורם לחיידקים.

חלבוני G - מתגים מולקולריים

נסתכל עכשיו על דוגמה נוספת לחלבון בעל פעילות מיוחדת. זהו חלבון שקושר מולקולה קטנה, שוב נוקלאוטיד - במקרה זה GTP (גואנוזין תלת-פוספט). ה-G הוא הבסיס של DNA או RNA, עם ריבוז ושלושה פוספטים.

מה שמעניין הוא שיש משפחה שלמה של חלבונים כאלה שניתן להגדירם כאנזימים, כי הם מבצעים פעולה - הם מפרקים GTP ל-GDP ופוספט. מה שייחודי הוא שהחלבון עובר בין שני מצבים: במצב אחד הוא קושר GTP, ובמצב השני הוא קושר GDP לאחר שחרור הפוספט.

חלבונים ממשפחה זו משמשים כמתגים מולקולריים (molecular switches). מתג יעיל הוא כזה שקל להעביר אותו בין מצבים - “הפעלה” (on) ו”כיבוי” (off). המצב עם GTP הוא “הפעלה”, והמצב עם GDP הוא “כיבוי”.

כאשר החלבון במצב “הפעלה” (כשהוא קושר GTP), הוא מפעיל שרשרת שלמה של חלבונים אחרים, בדומה לאפקט דומינו. מעבר זה בין מצבים אינו ספונטני - החלבונים הללו הם אנזימים חלשים יחסית, והם פועלים היטב רק בעזרת חלבוני עזר נוספים.

דוגמה: חלבון RAS

אחד החלבונים המפורסמים במשפחה זו הוא RAS. אם אתם מכירים מקרים של חולי סרטן, סביר להניח שיש להם מוטציה ב-RAS. ב-50% מהגידולים האנושיים יש מוטציה ב-RAS (אם כי זו לא בהכרח המוטציה שהתחילה את התהליך הסרטני).

כשמסתכלים על המבנה של RAS, רואים חלבון קטן עם מספר אלפא-הליקסים ומספר ביטא-שיטים, וכן אתר קישור למולקולת GTP. הפוספטים מסומנים כשלושה כדורים כחולים בתרשים.

מה שחשוב הוא המעבר ממצב “הפעלה” ל”כיבוי” - כלומר, ממצב עם שלושה פוספטים למצב עם שניים. ההידרוליזה של GTP ל-GDP גורמת לשינוי במבנה התלת-ממדי של החלבון. ישנם אזורים מסוימים בחלבון (הנקראים “switch helix”) שמשתנים במיוחד.

החשיבות הביולוגית והרפואית היא במה שקורה “במורד הזרם”. כאשר החלבון במצב “הפעלה” (קושר GTP), הוא מפעיל חלבונים אחרים. במקרה של RAS, הוא דוחף בחוזקה לחלוקות תא. לכן, מוטציה ב-RAS שגורמת לו להישאר תקוע במצב “הפעלה” תגרום לחלוקות תאים בלתי מבוקרות - מאפיין מרכזי של סרטן.

היסטורית, ניסו לפתח תרופות שיפריעו לפעילות של RAS, אך הבעיה היא שתרופות כאלה משפיעות גם על תהליכים טבעיים רבים. זוהי דוגמה לחלבון קטן שעובר בין שני מצבים, ואפשר להגדירו גם כאנזים כי המעבר בין המצבים דורש את ההידרוליזה של GTP.

חשוב לציין שטעינה מחדש של החלבון ב-GTP דורשת אנרגיה. זוהי דוגמה לעיקרון שתאים חיים מכל הסוגים משקיעים אנרגיה רבה בשמירה על מצב מסודר ומאורגן - הדברים אינם קורים מעצמם.

מערכת האוביקוויטין ופירוק חלבונים

בסיום פרק החלבונים, חשוב להזכיר את אברהם הרשקו ואהרון צ’חנובר, שקיבלו פרס נובל בשנת 2004 על גילוי מערכת האוביקוויטין ופירוק חלבונים.

אוביקוויטין הוא חלבון קטן (76 חומצות אמינו), וקיימת מערכת שלמה שמחברת אוביקוויטין לחלבונים אחרים. אם אנחנו חוזרים לדוגמה המרכזית של הביולוגיה, שבה רצף DNA קובע רצף של חלבון, צריך לקחת בחשבון שיכולות להיות תוספות לרצף הבסיסי של החלבון.

האוביקוויטין נקשר לחלבונים דרך הקצה שלו, שיוצר קשר עם קבוצת צד של חומצת האמינו ליזין (אחת מהחומצות עם מטען חיובי). הקשר הזה נקרא “isopeptide bond” (קשר איזופפטידי) והוא שונה מהקשר הפפטידי הרגיל בשרשרת החלבון.

כפי שמנסים לתאר בתרשים, אוביקוויטין נראה כמו “כפפת אגרוף” אדומה. יכול להיות אוביקוויטין אחד, יכולים להיות כמה, ויכולה להיות שרשרת של מולקולות אוביקוויטין - הכל תלוי באתר החיבור. זהו מעין “קוד” שמתווסף לחלבון מעבר לרצף הבסיסי של חומצות האמינו.

ל”קוד” הזה יש פעילויות ביולוגיות שונות, כמו סימון חלבונים לתיקון פגמים ב-DNA. אך מה שהוביל לפרס נובל היה הגילוי שהמערכת הזו אחראית על פירוק חלבונים (degradation). בדיוק כשם שתאים מסנתזים חלבונים, לכל חלבון יש אורך חיים אופייני, ותאים יודעים לסמן חלבונים פגומים או שהגיע זמנם לעבור פירוק.

זו הייתה תגלית גדולה שפתחה תחום שלם בביולוגיה, וזיכתה את החוקרים הישראלים בפרס נובל.

מבוא לעקרונות בסיסיים בגנטיקה

בהרצאה הבאה תפגשו את ד”ר שי בלומנפלד, שיתן סדרת הרצאות. נתחלף בינינו, וההרצאה הראשונה שלו תהיה על מבנה הממברנה ואחר כך על חלבוני ממברנה השקועים בממברנה.

עכשיו נעבור למצגת קצרה העוסקת בעקרונות של תורשה, גנטיקה, וקצת על חלוקת תא. כמו רבות מההרצאות בחלק הראשון של הקורס, זהו בסך הכל מבוא ומפגש ראשוני עם מושגי יסוד.

גנטיקה היא קורס שיילמד בסמסטר הבא (סמסטר ראשון של שנה ב’), אך ישנם דברים שכבר מגיעים לתחום זה. תמיד יש פער בין מי שלמד גנטיקה בתיכון ובין מי שלא. מושגי היסוד שנסקור הם כמו סיור כללי, אך הם יידרשו לבחינה הסופית ויתחברו להרבה נושאים בהמשך הקורס.

הנזיר מנדל והתחלת הגנטיקה המודרנית

בתרשים רואים את הנזיר גרגור מנדל, שעסק בגנטיקה של צמחי אפון. בתיכון עדיין מלמדים גנטיקה בסיסית מנדלית, שהתחילה ממנו.

הגרסה הקומית של תולדות הגנטיקה מציגה את התפתחות התחום מימי קדם ועד ימינו. בשנים האחרונות מדברים על “תינוקות מעוצבים” (designer babies) ועל יישומים נוספים של הנדסה גנטית.

במשך מאות ואלפי שנים, מרגע שביתו בעלי חיים וצמחים, בני אדם ניסו להשביח זנים של בעלי חיים וצמחים. הם נאבקו עם העקרונות של תורשה מבלי להבין אותם לעומק. היו משקיעים עשרות שנים בניסיונות השבחה, וזה לא תמיד הצליח לפי התכנון.

שלושה ענקי מדע שהניחו את היסודות לגנטיקה המודרנית

במחצית השנייה של המאה ה-19 התרחשו כמה אירועים דרמטיים בתחום. שלושה מדענים בולטים במיוחד הניחו את היסודות לגנטיקה וביולוגיה מודרנית:

צ’רלס דרווין

דרווין, שרבים שמעו עליו, יצא למסע בספינה “ביגל” בשנות ה-30 של המאה ה-19. עבר זמן רב עד שפרסם את הספר המפורסם שלו על תורת האבולוציה. האבולוציה היא כל הזמן ברקע של כל הקורסים הביולוגיים.

דרווין היה אדם מאמין, ותובנותיו התבססו בין השאר על התצפיות שערך באיי גלפגוס. הוא חקר את המינים השונים של ציפורים (הפרושים) והתאמת המקור שלהן לסביבה. עקרון הברירה הטבעית שהציע מדגים כיצד תכונות יעילות יותר נוטות להישמר באוכלוסייה לאורך דורות.

הבעיה הגדולה של דרווין הייתה שאף שהבין שקיימת שונות באוכלוסיות טבעיות והבין שהשונות הזו גנטית, לא היה לו מושג בגנטיקה. הוא לא ידע כלל על העבודה של מנדל, שהתבצעה באותן שנים.

גרגור מנדל

מנדל עבד בגינת המנזר, ועקב אחרי שבע תכונות ברורות מאוד של צמחי אפון. היתרון שלו היה שעבד עם זנים טהורים - היה לו מבחר גדול של זנים שבמשך דורות רבים הציגו תכונה אחת בלבד (למשל, פרח בצבע סגול או פרח בצבע לבן). ההכלאות שלו היו מסודרות, והוא נקט בגישה כמותית, מדעית.

למרות שלעתים רואים את מנדל כאדם פשוט, הוא היה מדען של ממש, פעל באגודות מדעיות, ואף למד אצל המדען המפורסם דופלר (מתחום הפיזיקה). גישתו הכמותית היא שאפשרה את פריצת הדרך.

מנדל גילה שני חוקים חשובים:

  1. החוק הראשון של מנדל: שני החברים בזוג של כל גן נפרדים אחד מהשני בעת יצירת הגמטות (תאי המין).
  2. החוק השני של מנדל: כאשר מסתכלים על גנים שונים, כל צמד מתנהג בצורה בלתי תלויה.

לרוע המזל, התגליות של מנדל נותרו לא ידועות במשך כ-30 שנה, עד שהתגלו מחדש בסוף המאה ה-19.

ואלטר פלמינג

פלמינג, מדען גרמני שכתב את עבודותיו בגרמנית, עשה תצפיות מיקרוסקופיות חשובות. הוא ראה וצייר (כי לא ניתן היה לצלם דרך מיקרוסקופ באותם ימים) תמונות מפורטות של תאים מתחלקים.

הוא טבע את המונח “אומני תא מתא” (Omnis cellula e cellula), כלומר, כל תא מקורו בתא קודם. הוא גם זיהה וכינה את הכרומטין, הכרומוזומים, והמיטוזה (חלוקת תא). ציוריו מראים פרטים מדהימים, כמו העובדה שכל כרומוזום שנכנס למיטוזה מוכפל ויש לו שתי זרועות.

שלושת המדענים הללו יצרו פריצות דרך שמהוות את הבסיס לידע שלנו עד היום.

ספרות מומלצת לגנטיקה

הספר של הקורס הנוכחי מצוין, אך פרק הגנטיקה בו אינו מספק. ספר מומלץ לנושא הוא “Genetics” של Brooker, שתכירו בסמסטר הבא. ישנן כמה מהדורות בספרייה, ואין עליהן לחץ בסמסטר הנוכחי. כמו הספר של הקורס, ניתן למצוא גרסת PDF של המהדורה באינטרנט.

מושגי יסוד בגנטיקה

נסקור כעת כמה מושגי יסוד בגנטיקה שנדרשים להמשך הקורס:

  • גונדות: בלוטות המין (שחלות אצל נקבות, אשכים אצל זכרים)
  • גמטות: תאי המין (ביציות וזרעונים)
  • זיגוטה: הביצית המופרית, התא הראשון של האורגניזם החדש
  • תאים סומטיים: כל תאי הגוף שאינם תאי מין

בעלי חיים, הגונדות הן בלוטות המין שמייצרות את הגמטות. יש להן תפקיד כפול - כמייצרות תאי מין וכבלוטות המפרישות הורמונים.

הגמטות הן תאים מיוחדים המותאמים למפגש ולאיחוי ביניהם. באדם, ההבדל בגודל בין ביצית לזרעון הוא בסדר גודל של פי 100,000. האיחוי בין הגמטות יוצר את הזיגוטה או הביצית המופרית - התא הראשון של הדור הבא.

חשוב לציין שלפני שמגיעים לאיחוי הגמטות, מתרחשת שכפול DNA (DNA replication). עיקרון העברת המידע הגנטי בצורה מדויקת מתא לתא ומדור לדור קשור ישירות לגילוי המבנה הכפול של ה-DNA על ידי ווטסון וקריק, שמאפשר פתיחה וסינתזה על תבנית קיימת.

הדגם שאנו רואים בהרצאה הוא של רבייה מינית, הקיימת בבעלי חיים ובצמחים. נמוך יותר בעץ החיים אפשר למצוא יצורים שיש להם גם מחזור מיני וגם מחזור לא-מיני.

גמטות והחוקים של מנדל

היצירה של הגמטות והפרדת הזוגות של כל גן הם תהליכים שמנדל הצליח להבין, אבל הקישור ביניהם הוא הסיפור של הביולוגיה המודרנית.

חשוב לציין שהתינוק, או בעצם כל מה שמתפתח מהזיגוטה, כבר כולל חלוקות שאינן חלוקות מיניות. החלוקה שיוצרת את הגמטות מתרחשת בגונדות (בלוטות המין), והיא חלוקה מיוחדת שמפחיתה את המטען הגנטי. נדבר על זה בהרחבה בהמשך, כי זהו עיקרון שחייבים להבין כבר בשנה זו, ולא ניתן לדחות את ההבנה שלו לשנה הבאה.

מושגי יסוד נוספים

תאי גוף הם תאים סומטיים. כשדיברנו קודם על מוטציות ב-RAS, אלו מוטציות סומטיות - הן מתרחשות בתאי גוף במקום מסוים ואחר כך בגידול שמתחיל להשתולל, אך זה לא משהו שעובר בתורשה.

יש הבדל חשוב בין רבייה מינית לרבייה לא מינית:

  • הרבייה הלא מינית היא זו שיוצרת את התאים הסומטיים של הגוף
  • הרבייה המינית מתרחשת רק בגונדות ויוצרת את הגמטות

המושג “סומא” מתייחס לכל מה שאינו שייך לקו הנבט (germline). הקו הנבט כולל את הגונדות והגמטות. בגונדות מתרחשת חלוקה מיוחדת שמבצעת את ההפרדה לפי החוקים של מנדל.

עוד מושג חשוב הוא “אלל” - אחד משני העותקים של זוגות הגנים. הגדרה זו היא בסיסית ותורחב בהמשך.

דוגמאות לתורשה מנדלית

בואו נסתכל בגרסת הקומיקס שהוצגה. קשה לעקוב אחרי הכתב, לכן הבאתי מתוך הספר אחת מהתמונות הראשונות המדגימה את ההכלאות המסודרות של מנדל.

מנדל ניגש לעבודתו בצורה מאוד מסודרת (אולי אפילו היה לו מעט OCD). הוא עבד עם צמחי אפון שבהם איברי מין משני הסוגים נמצאים באותו פרח - אבקנים (זכריים) וצלקת/שחלה (נקביים). לכן, הפרחים הללו יכולים לעבור גם הפריה עצמית.

בצורה מסודרת, מנדל לקח זן סגול (שהחליט שיהיה ה”אבא”) וזן לבן. הוא לקח את האבקנים מהזן הסגול והעביר אותם לפרחים מהזן הלבן, שבהם חתך מראש את האבקנים. ההכלאה הייתה מסודרת ומבוקרת.

כתוצאה מהכלאה זו נוצר תרמיל עם אפונים. כאשר זרעו את האפונים הללו, גדלו מהם צמחים שהיוו את הדור הבא. מנדל עקב אחר שלושה דורות - דור הורים, דור צאצאים ראשון ודור צאצאים שני. הניסויים התקדמו מהר יחסית, ונזירים נוספים במנזר עזרו לספור את הצאצאים.

דומיננטיות ורצסיביות

התכונה של צבע עלי כותרת סגולים נמצאה כדומיננטית על התכונה של צבע לבן. כיצד ידענו זאת? כי בדור הראשון קיבלנו רק פרחים סגולים. אבל האלל הלבן לא נעלם - זהו חלק מהחוקים של מנדל. יש פקטורים (גנים) שניתן לבודד, והם אינם מתערבבים. בדור הצאצאים השני הם הופיעו מחדש.

זו הייתה פריצת הדרך של מנדל. הוא קרא לתכונות הללו “פקטורים”, ומאוחר יותר המדע הכיר אותם כ”גנים”, כאשר לכל גן יש שני אללים.

היחס בין הצאצאים בדור השני היה 3:1 - שלושה צמחים עם פרחים סגולים לכל צמח עם פרחים לבנים.

האם דומיננטי = חזק/טבעי ורצסיבי = חלש/פגום?

נוטים לחשוב שתכונה דומיננטית היא “חזקה יותר” ותכונה רצסיבית היא “חלשה יותר”. האם זה באמת כך?

התכונה הדומיננטית היא זו שנראית חיצונית - זה מה שנקרא “פנוטיפ”. אבל ה”גנוטיפ” כולל גם את האלל הדומיננטי וגם את הרצסיבי, תלוי במה שיש בפרט הספציפי.

יש נטייה אנושית לחשוב שדומיננטי זה חזק, ולכן זה “זן הבר” (wild type). האם זה נכון שתכונה רצסיבית מבטאת משהו חלש יותר או פגום? לא בהכרח!

לדוגמה, עיניים כחולות הן תכונה רצסיבית, אך אין זה אומר שהן “פגומות” או “חלשות”.

במקרה של צבע פרח, קל לדמיין שהגן ששולט בתכונה זו מקודד לאנזים המייצר פיגמנט. כאשר הפרח לבן, ייתכן שהאנזים אינו פעיל - אולי בגלל שינוי בחומצה אמינית באתר הפעיל. אך זה לא בהכרח המצב בכל המקרים.

דוגמה מעניינת: ארבע מהתכונות שמנדל בדק הן רצסיביות, והן הנפוצות ביותר בטבע! כלומר, אם מסתכלים על צמחי אפון בכל העולם, התכונות שבני אדם השביחו הן דווקא אלו הרצסיביות: פרח לבן, צבע תרמיל ירוק, קליפה מקומטת וקומה נמוכה.

מסקנה: חשוב לא להניח שדומיננטי הוא בהכרח המצב הטבעי ורצסיבי הוא בהכרח מצב פגום, אף שיש מקרים כאלה.

דוגמה למלאנין והקשר בין גנטיקה וביולוגיה מולקולרית

הדוגמה שניקח מהספר מחברת בין הנושאים שלמדנו בשבועות האחרונים - הדוגמה המרכזית של הביולוגיה (DNA → RNA → חלבון) וגנטיקה קלסית.

הדוגמה עוסקת ביצירת מלאנין, שהוא פיגמנט בעור, בעיניים ובשיער. בתרשים ניתן לראות גרעין של מלנוציט (תא עור המייצר פיגמנט). הגנוטיפ כאן הוא שני עותקים של האלל הדומיננטי A.

בתרשים רואים את הדוגמה המרכזית:

  • יש שני עותקי DNA זהים בגרעין
  • מתבצע תעתוק (transcription) ל-RNA משני האללים
  • נוצרות שרשראות של חומצות אמינו (פוליפפטידים)
  • הפוליפפטיד מתקפל לאנזים שיש לו אתר פעיל
  • האנזים (טירוזינאז) מזהה את הסובסטרט (חומצת אמינו טירוזין) ומייצר מלאנין (הפיגמנט)

מה יקרה אם יהיה פגם באחד מהגנים, באלל אחד בלבד? בהרבה מקרים, האנזים ימשיך לעבוד - אולי יהיה קצת פחות מלאנין, אך אולי אפילו לא יהיה הבדל ניכר. במצב של הטרוזיגוטיות (אלל דומיננטי ואלל רצסיבי) יש לעתים כמות ביניים של התוצר, אך במקרה זה אפילו לא.

בדוגמה שלנו, יש מוטציה - שינוי של נוקלאוטיד אחד שמשנה חומצה אמינית אחת במקום מסוים, והמקום הזה מפריע לאתר הפעיל של האנזים. כתוצאה מכך יש אנזים לא פעיל. אך עדיין יש ייצור של מלאנין, כי העותק השני של הגן תקין.

רק כאשר בשני הכרומוזומים, בשני העותקים של הגן, יש מוטציה - רק אז לא נוצר אנזים פעיל כלל, טירוזין נשאר בתאים, אך מלאנין לא נוצר. התאים הם חסרי פיגמנט.

זוהי הדוגמה של אלבינזם. האם זו “מחלה”? ייתכן שבשמש הקופחת של אפריקה התשובה היא כן, אך אנשים אלבינים הם אנשים נורמלים לחלוטין. זו דוגמה שבה האלל המוטנטי הוא רצסיבי, וזהו מקרה של חוסר פעילות של האנזים (loss of function). האם זה “פגום”? זה כבר נתון לדיון.

חלוקת תא - מיטוזה ומיוזה

עכשיו נדבר על חלוקות תא - מיניות ואל-מיניות. ראינו כבר את הדוגמה של החיידק שמתחלק לשניים, שזו חלוקה לא מינית המייצרת שני תאי בת שהם עותקים מושלמים אחד של השני. חלוקה זו היא חלוקה סומטית.

אך קיימת גם חלוקה מינית, והיא הבסיס לחוקי מנדל. כאן חשוב להכיר מושגים שילוו אותנו לאורך הקורס:

  • הפלואידי: כמו “half sufficiency” - חצי מנה - כל הגנים בגנום, אך באותק אחד
  • דיפלואידי: שתי מנות - כל גן מופיע בשני עותקים

החלוקה המינית, הנקראת מיוזה, מתרחשת בגונדות ויוצרת תאים מיוחדים המותאמים לרבייה מינית - תאי זרע או ביציות. לכל אחד מהם יש “חצי מנה” (הפלואידי).

לאחר האיחוי של גרעין תא הזרע עם גרעין הביצית, נוצרת הזיגוטה וחוזרים למצב דיפלואידי של שתי מנות.

מיטוזה - חלוקה לא מינית

מיטוזה היא חלוקה לא מינית. בדוגמה הפשוטה שלנו, $n = 2$ (יש ארבעה כרומוזומים בתאי הגוף). יש כרומוזומים אדומים וכחולים, המייצגים את העותקים מאבא ומאמא.

בתהליך החלוקה, הכרומוזומים מסתדרים על מישור משווה במרכז התא ואחר כך מופרדים לצדדים. יש להדגיש שזו אינה הפרדה לפי חוקי מנדל, כי כל כרומוזום כבר הוכפל קודם לכן בתהליך שכפול ה-DNA (DNA replication).

כל כרומוזום נכנס לחלוקה עם שתי זרועות הנקראות “כרומטידות אחיות”. המדע המודרני גילה שכל כרומטידה היא למעשה מולקולה אחת של DNA, מקצה עד קצה, המכילה לעתים מאות מיליוני נוקלאוטידים. המולקולה מקופלת על עצמה פעמים רבות.

איך נוצרות שתי כרומטידות? כל מולקולת DNA נפתחה לכל אורכה, ועל הגדיל הקיים סונתז גדיל משלים - בדיוק אותה אינפורמציה גנטית. אין כאן (למעט טעויות בהעתקה) מוטציות או שונות גנטית - החלוקה הזאת נועדה לשמר את הקיים.

ההפרדה (segregation) של שתי הכרומטידות האחיות בכרומוזום המוכפל אינה כוללת ערבוב של תכונות. מטרת המיטוזה היא לשמר את המצב הקיים ולחלק לשני תאי בת שכוללים מידע גנטי זהה ואת כל האוסף של המקרומולקולות והעברונים שדיברנו עליהם.

מיוזה - חלוקה מינית

מיוזה היא למעשה שתי חלוקות הצמודות זו לזו. אחרי החלוקה הראשונה, עוברים לחלוקה שנייה ללא שכפול DNA נוסף.

במיוזה מתרחשים שני תהליכים חשובים:

  1. הפחתה במטען הגנטי - מדיפלואידי להפלואידי
  2. יצירת שונות גנטית

בתהליך המיוזה, שני הכרומוזומים ההומולוגיים (מאבא ומאמא) נצמדים זה לזה. בשלב זה יכול להתרחש תהליך של “קרוסינג אובר” (crossing over) או “שחלוף” בעברית. בתהליך זה, חלקים של הכרומוזומים מוחלפים זה בזה.

כפי שניתן לראות בתמונה, כרומוזום אחד חודר לטריטוריה של השני. אם הכרומוזום ארוך, יכולים להיות כמה מקומות שבהם יש חיתוך וחיבור מחדש, מה שיוצר ערבוב גנטי.

כך, אם יש לנו מצב של $A$ גדול ו-$a$ קטן (שני אללים של אותו גן) על שני כרומוזומים הומולוגיים, הם יופרדו זה מזה בהתאם לחוק הראשון של מנדל. בנוסף, אם יש לנו גן שני, נניח $B$ גדול ו-$b$ קטן, שני הגנים יכולים להתנהג באופן בלתי תלוי זה בזה (החוק השני של מנדל).

כתוצאה מכך, בגמטה אחת נקבל $A$ גדול ו-$B$ קטן, בגמטה אחרת $A$ קטן ו-$B$ גדול, ובגמטה שלישית $A$ גדול ו-$B$ גדול, וכן הלאה.

לרוב, השחלוף מתרחש בין גנים שונים (ולא בתוך גן), כי הכרומוזום הוא ענק. במיקרוסקופ ניתן לראות כמה נקודות שבהן מתרחש השחלוף על אותו כרומוזום.

מבחינה מולקולרית, יש כאן מנגנון של “חיפוש והצלה” (search and rescue) - מנגנון שמזהה רצפים דומים, מצמיד אותם ואז בצורה מדויקת חותך ומאפשר חיבור מחדש. זהו מנגנון מורכב מאוד, אך הוא עומד בבסיס השונות הגנטית שדרווין לא הבין ושמנדל רק התחיל להבין את עקרונותיה.

סיכום

לחלוקה המינית (מיוזה) יש שתי מטרות עיקריות:

  1. הפחתה במטען הגנטי - מדיפלואידי להפלואידי
  2. יצירת שונות גנטית רבה

זוהי הסיבה שמשביחי זנים ראו שכאשר הם מחליפים בין תכונות שונות, הם מקבלים צאצאים עם שילובים שלא בדיוק ציפו להם. כאשר מסתכלים על הרבה גנים יחד, התמונה נעשית מורכבת מאוד.

דור פסקל
צפה בשיעור הקודם
קרא סיכומים נוספים בביולוגיה