ביוכימיה

ביוכימיה של חלבונים וחומצות גרעין

התא

התא

• התא הוא היחידה הבסיסית של היצורים החיים.
• גודל תא נמדד במיקרונים ונע בין 10-100 מיקרון.
• התא הוא מעין תמיסה הטרוגנית שבה מומסות במים מולקולות שונות.
• אנחנו נתמקד בתאים אאוקריוטים (תאים בעלי גרעין). מאפייניהם:

בעלי גרעין;חסרי דופן תא ובעלי קרום תא;מכילים אברונים עטופי קרום המשמש למידור תוך תאי.

מבנה התא

מה משותף לכל התאים?

• קרום התא - דופן המקיף את התא, בעל חדירות בררנית.
• גרעין - מכיל את החומר התורשתי.
• ציטופלסמה - נוזל צמיג ושקוף שממלא את חלל התא.
• ריבוזומים - אברונים על הרשת האנדופלסמטית בהם נוצרים חלבונים.
• התפקידים היסודיים : קליטת גירויים מהסביבה, חילוף חומרים (נשימה, תזונה, הפרשה), רבייה והתפתחות, התמיינות ועוד.
• שמירה על הומאוסטזיס- היכולת לשמור על סביבה פנימית קבועה בתנאים משתנים.

מחומצות אמיניות לחלבונים

החלבונים בגוף האדם

• החלבונים מהווים 16%-19% ממשקל גופו של אדם מבוגר.
• שמו של החלבון בלועזית protein ,נגזר מיוונית ופירושו ראשוני, חיוני, מקורי, קדום.
• המבנה הכימי של החלבונים הוברר רק בתחילת העשור הראשון של המאה ה-20 .
• כיום ידועים כ- 100,000 חלבונים שונים ותפקידיהם רבים ומגוונים.

החלבונים בגוף האדם

• החלבונים מהווים 16%-19% ממשקל גופו של אדם מבוגר.
• שמו של החלבון בלועזית protein ,נגזר מיוונית ופירושו ראשוני, חיוני, מקורי, קדום.
• המבנה הכימי של החלבונים הוברר רק בתחילת העשור הראשון של המאה ה-20 .
• כיום ידועים כ- 100,000 חלבונים שונים ותפקידיהם רבים ומגוונים.

תפקידי החלבונים בגוף האדם

• הובלה ואחסון - חלבןן המוגלובין על פני תא דם אדום.
• תנועה - חלבוני השריר אקטין ומיוזין

תפקידי החלבונים בגוף האדם

• תמיכה מכנית - שיער, עור, ציפורניים, עצמות, גידים וסחוסים

• פועלים כאנזימים, הורמונים או נוגדנים

(אינסולין, עמילאז)

תפקידי החלבונים בגוף האדם

• משתתפים בתהליכי קרישת דם

אז מה הם החלבונים?

• חלבונים הם ביופולימרים (פוליאמידים), בעלי מולקולות

ארוכות שנוצרות בתגובת דחיסה בין חומצות אמיניות.

• החלבונים השונים נוצרים בתאים על פי הקודים גנטיים המצויים ב-DNA, החומר התורשתי המצוי בגרעיני התאים.
• המגוון הגדול במבנה החלבונים הנו הבסיס לטווח הרחב של תפקידיהם
• אופי ותפקוד החלבון נקבע על פי סוג החומצות האמיניות הבונות אותו, רצף החומצות האמיניות בשרשרת ומספרן.

חומצות אמיניות - אבני הבנין של החלבונים

חומצה אמינית – תרכובת פחמן בעלת שתי קבוצות פונקציונאליות – קבוצה קרבוקסילית –COOH וקבוצה אמינית NH2 -

חומצות אמיניות - אבני הבנין של החלבונים

חומצות אמיניות - מה אתן?

האם החומצות האמיניות הינן חומרים מולקולריים? כיצד ענן האלקטרונים כה נמוך אך טמפרטורת ההיתוך גבוהה יחסית?

מאפייני חומצות אמיניות ברמה המאקרוסקופית:

מאפייני חומצות אמיניות ברמה המיקרוסקופית:

מאפייני חומצות אמיניות ברמה המיקרוסקופית:

מאפייני חומצות אמיניות ברמה המיקרוסקופית:

מיון החומצות האמיניות לפי קבוצת הצד R

מיון החומצות האמיניות לפי קבוצת הצד R

מיון החומצות האמיניות לפי קבוצת הצד R

מיון החומצות האמיניות לפי קבוצת הצד R

מיון החומצות האמיניות לפי קבוצת הצד R

לכל חומצה אמינית יש מטען משלה

קבוע שיווי המשקל של חומצה והקשר בין pH ו-pKa

קבוע שיווי המשקל של חומצה והקשר בין pH ו-pKa

קבוע שיווי המשקל של חומצה והקשר בין pH ו-pKa

קבוע שיווי המשקל של חומצה והקשר בין pH ו-pKa - הקבוצה הקרבוקסלית

-1

כאשר בדיוק 50% מחלקיקי החומצה נמצאים במצב מולקולרי במטען 0 ו - 50% מהם נמצאים במצב מיונן במטען 1-, אז נאמר כי

קבוע שיווי המשקל של חומצה והקשר בין pH ו-pKa - הקבוצה האמינית

+1

כאשר בדיוק 50% מחלקיקי החומצה נמצאים במצב מיונן במטען +1 ו - 50% מהם נמצאים במצב מולקולרי במטען 0, אז נאמר כי

pKa של החומצה האמינית

ערך ה - pH כאשר בדיוק 50% מחלקיקי החומצה נמצאים במצב מיונן ו - 50% מהם נמצאים במצב מולקולרי

לכל חומצה ערך אופייני משלה, כתלות בחוזק החומצה. ככל שהחומצה חזקה יותר, הפרוטון נמסר ב - pH חומצי יותר.

pKa של החומצה האמינית

-1

pKa של החומצה האמינית

+1

מטען הקבוצה הקרבוקסילית והאמינית - סיכום

pKa של החומצה האמינית

המטען החשמלי של חומצות אמיניות ללא קבוצת צד טעונה בתמיסה מימית כתלות ב- pH

המטען החשמלי של חומצות אמיניות ללא קבוצת צד טעונה בתמיסה מימית כתלות ב- pH

המטען החשמלי של חומצות אמיניות בעלות קבוצת צד טעונה קרבוקסילית בתמיסה מימית כתלות ב- pH (חומצה אספרטית)

המטען החשמלי של חומצות אמיניות בעלות קבוצת צד טעונה אמינית בתמיסה מימית כתלות ב- pH (ליזין)

המטען החשמלי של חומצות אמיניות - טבלת מטענים ומטען נטו כתלות ב- pH אלאנין - Ala

המטען החשמלי של חומצות אמיניות - טבלת מטענים ומטען נטו כתלות ב- pH חומצה גלוטמית - Glu

המטען החשמלי של חומצות אמיניות - טבלת מטענים ומטען נטו כתלות ב- pH ליזין - Lys

ה- pH האיזואלקטרי - pI

ה- pH האיזואלקטרי - pI עבור חומצה אמינית ללא קבוצת צד טעונה

ה- pH האיזואלקטרי - pI עבור חומצה אמינית ללא קבוצת צד טעונה

ה- pH האיזואלקטרי - pI עבור חומצה אמינית בעלת קבוצת צד קרבוקסילית טעונה

ה- pH האיזואלקטרי - pI

ה- pH האיזואלקטרי - pI

ה- pH האיזואלקטרי - pI של חומצות אמיניות שונות

באיזה pH או תחום pH נמצאים החלקיקים הבאים?

באיזה pH או תחום pH נמצאים החלקיקים הבאים?

תחילה נרשום את ערכי ה - pKa המתאימים לליזין - Lys

באיזה pH או תחום pH נמצאים החלקיקים הבאים?

באיזה pH או תחום pH נמצאים החלקיקים הבאים?

תחילה נרשום את ערכי ה - pKa המתאימים לארגינין- Arg

באיזה pH או תחום pH נמצאים החלקיקים הבאים?

באיזה pH או תחום pH נמצאים החלקיקים הבאים?

תחילה נרשום את ערכי ה - pKa המתאימים לארגינין- Arg

באיזה pH או תחום pH נמצאים החלקיקים הבאים?

באיזה pH או תחום pH נמצאים החלקיקים הבאים?

תחילה נרשום את ערכי ה - pKa המתאימים לגלוטמין- Gln

אלקטרופורזה

זוהי שיטה להפרדה בין מולקולות נושאות מטען כשהן נודדות באופן שונה בשדה חשמלי. אפשר לנצל שיטה זו להפרדה בין חומצות אמיניות שונות.

אלקטרופורזה

• שמים את דוגמת התערובת על פני נייר, מרטיבים את הנייר בתמיסה בעלת pH נתון ומעבירים דרכה זרם חשמלי.
• כל חלקיק של חומצה אמינית ינוע על פי מטענו לכיוון האלקטרודה החיובית או השלילית.
• מרחק הנדידה תלוי בגודל המטען.
• כאשר החלקיק נמצא ב – pH האיזואלקטרי

שלו, כלומר מטענו נטו הוא אפס, הוא אינו נע בשדה החשמלי באלקטרופורזה.

אלקטרופורזה

המבנה הראשוני של החלבון

• חלבונים / פפטידים הם מאקרומולקולות המורכבות מחומצות אמיניות.
• בעת בניית החלבון, בתהליך דחיסה, נוצר קשר בין קבוצה קרבוקסילית

של חומצה אמינית אחת וקבוצה אמינית של חומצה אמינית שנייה, תוך איבוד מולקולת מים אחת.

• הקשר שנוצר הוא קשר אמידי,

או ספציפית לחלבונים – קשר פפטידי.

המבנה הראשוני של החלבון

• הקשר הפפטידי הנוצר בתהליך הדחיסה הינו קשר קוולנטי בין חומצות אמיניות.
• המבנה הראשוני של החלבון הינו רצף חומצות אמיניות הקשורות ביניהן בקשר קוולנטי - קשר פפטידי.

המבנה הראשוני של החלבון

שתי חומצות אמיניות הקשורות בקשר פפטידי מהוות דיפפטיד, שלש מהוות טריפפטיד וכאשר חומצות אמיניות רבות קשורות בינהן בקשרים פפטידיים המבנה נקרא פוליפפטיד.

המבנה הראשוני של החלבון

עמוד השדרה של השרשרת בנוי מפחמן אלפא ומקבוצות פפטידיות . המבנה הראשוני נקבע לפי סוג, מספר ורצף חומצות האמינו. אלו נקבעים על פי קוד גנטי הנישא במולקולות ה- DNA שבכל תא.

המבנה הראשוני של החלבון

קצה N טרמינלי

קצה C טרמינלי

צורות ייצוג של המבנה הראשוני של החלבון

מאפייני הקשר הפפטידי

לקשר פפטידי שתי תכונות חשובות העוזרות בהבנת המבנה המרחבי של החלבון: א. שני מוקדים ליצירת קשרי מימן – זוג אלקטרונים לא קושר על אטום החמצן המחובר בקשר כפול לאטום הפחמן, ואטום המימן "החשוף" מאלקטרונים שמחובר לאטום החנקן. ב. מבנה מישורי - קשיח ללא סיבוב חופשי של הקשר בין אטום ה-C לאטום ה-N.

מאפייני הקשר הפפטידי

מאפייני הקשר הפפטידי

קביעת מטען הפפטיד ב - pH-ים שונים

קביעת מטען הפפטיד ב - pH-ים שונים

קביעת מטען הפפטיד ב - pH-ים השונים

• ב - pH=7 כל קבוצות הקרבוקסיל והאמין

שעשויות להיות טעונות, הן אכן טעונות.

• כל הקבוצות הקרבוקסיליות (קצה וצד) נמצאות

מעל ה - pK שלהן ולכן טעונות כולן במטען 1-.

• כל הקבוצות האמיניות (קצה וצד) נמצאות מתחת

ל- pK שלהן ולכן טעונות כולן במטען 1+.

קביעת מטען הפפטיד ב - pH-ים שונים

קביעת מטען הפפטיד ב - pH-ים שונים

קביעת מטען הפפטיד ב - pH-ים שונים - דוגמה 2

קביעת מטען הפפטיד ב - pH-ים שונים - דוגמה 3

חישוב הנקודה האיזואלקטרית - pI של פפטיד

רמות הארגון בחלבון

רמות הארגון בחלבון

המבנה השניוני של החלבון

• בניגוד למבנה הראשוני של החלבון המיוצב על ידי קשרים קוולנטיים - קשרים פפטידיים, מיוצב המבנה השניוני על ידי קשרי מימן - קשרים בין מולקולריים.
• המבנה השניוני הינו מבנה מרחבי מחזורי, בו מקטעים שונים חוזרים על עצמם לאורך השרשרת.
• המבנה נוצר כתוצאה מארגון במרחב של השרשרת או קטעי השרשרת הפוליפטידית.

המבנה השניוני של החלבון

קיימים שני מבנים שניוניים נפוצים:א. סליל אלפא ( ά-Helix)ב. משטח קפלים בטא (β- Sheets)קיימים גם מקטעים אמורפיים ללא מבנה קבוע (סיבובים ולולאות).

המבנה השניוני של החלבון - סליל אלפא הליקס

• בסלילי α נוצרים קשרי המימן בין מימן "חשוף מאלקטרונים" הקשור לחנקן של הקשר הפפטידי לבין זוג אלקטרונים בלתי קושר על החמצן בקבוצת קרבוניל (c=o) של החומצה אמינית הרביעית לאחריו.

המבנה השניוני של החלבון - סליל אלפא הליקס

• השרשרת הפוליפפטידית מתפתלת סביב ציר האורך של המולקולה.
• בכל פיתול יש 3.6 שיירים של חומצות אמיניות.
• הקבוצות הצדדיות של החומצות האמיניות מופנות כלפי חוץ.

המבנה השניוני של החלבון - סליל אלפא הליקס

• המבנה המתקבל הוא דמוי מקל שבו השרשרת מפותלת סביב ציר האורך של המולקולה והקבוצות הצדדיות בולטות כלפי חוץ.
• מבני אלפא אינם חלולים, המבנה הנוצר בעל אריזה דחוסה שמונעת ממולקולות מים לחדור פנימה.

באופן זה לא נוצרת תחרות על קשרי המימן עם מולקולות מים בסביבה החיצונית והסליל יציב.

גורמים היוצרים הפרעה להיווצרות סליל אלפא

להרכב החומצות האמיניות בשרשרת יש השפעה על יכולתה ליצור סליל אלפא: א. קבוצות צד טעונות עלולות להפריע ליצירת המבנה המרחבי.

גורמים היוצרים הפרעה להיווצרות סליל אלפא

ב. קבוצות צד נפחיות עלולות להפריע ליצירת המבנה המרחבי. ג. החומצה האמינית פרולין - Pro

גורמים היוצרים הפרעה להיווצרות סליל אלפא

ג. החומצה האמינית פרולין - Pro כשפרולין מהווה חלק מהשרשרת הפוליפפטידית, אטום החנקן הינו נטול מימן ועל כן לא יוכל ליצור קשר מימני עם זוג אלקטרונים לא קושר על אטום חמצן בקבוצת קרבוניל מרוחקת ארבע חומצות אמינו ממנו.

המבנה השניוני של החלבון - משטח קפלים בטא

משטח קפלים בטא נוצר על ידי שתי שרשרות פוליפפטידייות שמונחות זו לצד זו (או לעתים על ידי קטעים שונים של אותה השרשרת שמונחים זה לצד זה) ויוצרים מבנה דמוי משטח זיג זג.

המבנה השניוני של החלבון - משטח קפלים בטא

גם מבנה זה, בדומה לסליל אלפא, מיוצב על ידי קשרי מימן בהם משתתפים אטומים של הקבוצות הפפטידיות שבשלד. אטום מימן "חשוף" מאלקטרונים על חנקן של קבוצה פפטידית משרשרת אחת נמשך חשמלית לזוג אלקטרונים בלתי קושר על אטום חמצן בקבוצה קרבונילית משרשרת שכנה.

המבנה השניוני של החלבון - משטח קפלים בטא

השרשרות יכולות להיות מאורגנות באחת משתי צורות: מקבילות באותו הכיוון או אנטי מקבילות בכיוונים מנוגדים. במבנה המקבילי כיוון השרשרות הצמודות זהה - קצה אמיני של שרשרת אחת לצד קצה אמיני של שרשרת אחרת וקצה קרבוקסילי לצד לקרבוקסילי.

המבנה השניוני של החלבון - משטח קפלים בטא

במבנה האנטי-מקבילי כיוון השרשרות הצמודות הפוך - קצה אמיני של שרשרת אחת לצד לקצה קרבוקסילי של שרשרת אחרת וקצה קרבוקסילי לצד קצה אמיני.

המבנה השניוני של החלבון - משטח קפלים בטא

מקביל אנטי מקביל

המבנה השניוני של החלבון - משטח קפלים בטא

• במשטח קפלים השרשרות אינן מפותלות ומהודקות, כמו בסליל אלפא, אך הן גם לא מתוחות לחלוטין, ונמצאות במבנה של זיגזג.
• מבנה זיגזג מאפשר יצירה טובה של קשרי מימן בין אטום H

מקבוצות NH- לבין זוגות אלקטרונים לא קושרים על אטום החמצןבקבוצות CO- מהשלד של שרשרות סמוכות. בזכות קשרים אלו המבנה יציב מאד.

• הקבוצות הצדדיות של השיירים נמצאים מעל ומתחת למשטח לסירוגין.

מודלים לייצוג המבנים השניוניים

• סליל אלפא – מלבן או גליל
• משטח קפלים בטא –חץ או זיגזג
• אזורים אמורפיים – חוט, לולאה

מודלים לייצוג המבנים השניוניים

קשרים בין מולקולריים - סלילי אלפא ומשטחי בטא

• קשרי המימן המייצבים את סלילי אלפא הם תוך שרשרתיים לעומת קשרי המימן המייצבים משטחי בטא שהינם בין שרשרתיים.
• קשרי המימן נוצרים בין האטומים מקבוצות אמידיות בעמוד השדרה של השרשרת הפוליפפטידית
• קבוצות הצד אינן מעורבות כלל.

המבנה השלישוני של החלבון

השרשרת הפוליפפטידית מקופלת ומפותלת במרחב במבנה אופייני לה, שהוא היציב ביותר מבחינה תרמודינמית. במבנה זה, קבוצות צדדיות של שיירי חומצות אמיניות הנמצאים במרחק זה מזה ברצף, מתקרבות זו לזו וקשורות ביניהן בסוגי קשרים שונים שיפורטו בהמשך.

המבנה השלישוני של החלבון

נפוצים שני סוגים עיקריים של מבנה שלישוני של החלבון:א. חלבונים סיביים - מאורגנים במרחב סביב ציר אורך דמיוני. הקוטר שלהם יחסית לאורך זניח. חלבוני המבנה (שיער, שרירים, גידים, ציפורניים, קרניים) הם בדרך כלל חלבונים סיביים. חלבונים אלו אינם מסיסים במים.

המבנה השלישוני של החלבון

ב. חלבונים כדוריים - מאורגנים ככדור וניתן לתאר אותם על ידי הרדיוס או הקוטר שלהם. חלבוני התפקוד (תאי דם אדומים, אנזימים, הורמונים) הם בדרך כלל חלבונים כדוריים. חלבונים אלו מסיסים במים.

המבנה השלישוני של החלבון

המבנה השלישוני של החלבון

• האינטראקציות נוצרות בין קבוצות צדדיות (R) של שיירי חומצות

אמיניות המרוחקות זו מזו ברצף הקווי.

• המבנה השלישוני מיוצב על ידי כל סוגי האנטראקציות:

כוחות ון דר ולס, הצמדה הידרופובית, קשרי מימן, קשרים יוניים וקשרי דו-גופרית (קשרים קוולנטיים).

• המבנה הראשוני (סוג, מספר ורצף החומצות האמיניות) קובע את המבנה המרחבי.

הקשרים המייצבים את המבנה השלישוני של החלבון

א. אינטראקציות ון-דר-ולסנוצרות בין קבוצות צד R לא קוטביות, הידרופוביות.

הקשרים המייצבים את המבנה השלישוני של החלבון

ב. אפקט הידרופובי / הצמדה הידרופובית קבוצות צד R הידרופוביות נדחקות לשטח הפנימי של חלבון גלובולרי (כדורי) ונצמדות זו לזו, כדי להתרחק ממולקולות המים בסביבת החלבון, כתוצאה מכך נוצרות אינטראקציות חזקות ביניהן. כאשר קבוצות אלו צמודות זו לזו ואינן נחשפות למולקולות המים, הן יוצרות מבנה יציב יותר מבחינה תרמודינמית, בדומה להיצמדותן של טיפות שמן המפוזרות במים.

הקשרים המייצבים את המבנה השלישוני של החלבון

ב. אפקט הידרופובי / הצמדה הידרופובית החלק הפנימי של מולקולת החלבון – הליבה מורכב בעיקר משיירים של חומצות אמיניות בעלות קבוצות צדדיות הידרופוביות. החלק החיצוני של מולקולת החלבון, מורכב בעיקר משיירים של חומצות אמיניות בעלות קבוצות צדדיות הידרופיליות.

קבוצות צדדיות קוטביות (כחול)

קבוצות צדדיות לא קוטביות (ורוד)

מולקולות מים (ירוק)

מבט חיצוני

חתך דרך המולקולה

קיפול ספונטני של שרשרת החלבון למבנה כדורי

הקשרים המייצבים את המבנה השלישוני של החלבון

ג. קשרי מימן בין קבוצות צד R הידרופיליות מתאימות.

הקשרים המייצבים את המבנה השלישוני של החלבון

ד. קשרים יונייםבין חומצות אמיניות בעלות קבוצות צדדיות R טעונות (Lys, Arg, Asp, Glu) בעלות מטענים מנוגדים ב-pH מתאים, יכולים להיווצר כוחות משיכה חשמליים. היווצרות קשרים יוניים תלויה ב- pH ולכן שינויי pH יכולים לגרום לביטול קשרים אלו ולשינוי במבנה המרחבי של החלבון.

הקשרים המייצבים את המבנה השלישוני של החלבון

ה. קשרי דו גופרית (קשרי S-S)נוצרים בין קבוצות צד של חומצה אמינית ציסטאין (Cys). בניגוד לקשרים האחרים המייצבים את המבנה השלישוני, קשרי דו גופרית הם קשרים קוולנטיים ולא קשרים בין מולקולריים.

יצירה ופירוק של קשרי דו גופרית

איך ששיער מסתלסל לו.....

קשרי דו גופרית (קשרי S-S) איך משתמשים בקשרים האלה כדי לעצב את השיער? בשיער קיימת דרך קבע מערכת של קשרים די-סולפידיים השותפים גם הם למראה הטבעי שלו. כדי לשנות את הצורה של השיער לתקופה ארוכה, במטרה ליצור תלתלים או לחלופין להחליק את השיער, צריך קודם לפרק את הקשרים הדי-סולפידיים הקיימים בעזרת תרכובת הנקראת אמוניום תיו-גליקולאט.

איך ששיער מסתלסל לו.....

כעת, כשהשיער השתחרר מהקשרים החזקים שעיצבו אותו קודם, הגיעה השעה לסדר אותו מחדש. למשל אם נרצה ליצור תלתלים, נלפף בשלב הזה את השערות סביב גלילים (רולים). כדי שהשיער יישאר יציב לאורך זמן במבנה שעיצבנו, עלינו לחבר מחדש בין אטומי הגופרית שהופרדו קודם על ידי אטומי מימן. לשם כך נעזרים בחומר מחמצן, בדרך כלל מי חמצן (H2O2), ש"גונב" את אטומי המימן מאטומי הגופרית ומאפשר לשני אטומי גופרית לחזור וליצור ביניהם קשר חזק ויציב.

איך ששיער מסתלסל לו.....

איך ששיער מסתלסל לו.....

סיכום מבני החלבון

דנטורציה של חלבון

דנטורציה של חלבון

דנטורציה של חלבון

רנטורציה של חלבון

רנטורציה של חלבון

רנטורציה תביא להתקפלות מחודשת של החלבון ולחזרה כמעט מלאה של התפקוד הביוכימי, משום שהמידע לגבי ההתקפלות של החלבון נמצא במבנה הראשוני של החלבון, אשר לא מושפע מתהליך הדנטורציה.

המבנה הרביעוני של החלבון

• מבנה המורכב מתת יחידות שונות, כשכל יחידה היא מולקולת

חלבון בפני עצמה.

• למולקולות שהן תת יחידות עצמאיות אין פעילות ביולוגית. רק מבנה

המורכב מכל תת היחידות יחד יהיה בעל תפקוד ופעילות ביולוגית.

• כל הקשרים המייצבים את המבנה השלישוני מייצבים

גם את המבנה הרביעוני.

מבסיסים לחומצות גרעין

חומצות הגרעין - DNA & RNA

• חומצות הגרעין - דנ"א ורנ"א - מהוות את המידע התורשתי של היצורים

החיים.

• לדנ"א שני תפקידים:

- להעביר את המידע התורשתי מתא אם לתא בת - שיכפול - לתת ביטוי למידע התורשתי בתא עצמו - תיעתוק

היכן נמצא הדנ"א?

היכן נמצא הדנ"א?

מבנה הדנ"א - DeoxyriboNucleic Acid - DNA

נוקלאוטידים

שלד - סוכר וזרחה

בסיס חנקני

יחידות המבנה של ה - DNA - נוקלאוטידים

• מולקולת הדנ"א היא פולימר טבעי הבנויה משרשרות ארוכות

המורכבות מיחידות מבנה הנקראות נוקלאוטידים.

• כל נוקלאוטיד מורכב משלוש קבוצות:

קבוצת זרחה – שייר של חומצה זרחתיתפנטוז – דיאוקסיריבוז מולקולת סוכר בעלת חמישה פחמנים.בסיס חנקני – טבעות בעלות אל־איתור במבנה מישורי קשיח.

הסוכר והזרחה - השלד של שרשרת הדנ"א

הבסיסים החנקניים

שלושת מרכיבי הנוקלאטויד

מבנה הדנ"א - DeoxyriboNucleic Acid יחידות חוזרות = נוקלאוטידים

שלד: סוכר (פנטוז) ושייר של חומצה זרחתית (קבוצת זרחה)

בסיסים

מבנה הנוקלאוטיד

קשר N גליקוזידי

קשר פוספואסטרי

?כיצד מתארך גדיל הדנ"א

3' דנ"א גדל מכיוון '5 לכיוון ' OH - הנוקלאוטיד החדש יתחבר לקבוצת ה 3' של אטום פחמן מס

התארכות גדיל הדנ"א

3' דנ"א גדל מכיוון '5 לכיוון '

בחן את עצמך

דנ"א מורכב מ כל נוקלאוטיד מורכב מ הקשר בין הסוכר לבסיס הוא קשר הקשר בין הסוכר לזרחה הוא קשר הבסיסים החנקניים שייכים לשתי קבוצות '

שתי מולקולות של דנ"א מתחברות זו לזו

והתוצאה

הסליל הכפול

הסליל הכפול

זיווגי בסיסים

קשרי מימן בין זוגות בסיסים

הזוגות הם קבועים, הקשרים בין הבסיסים הם קשרי מימן

יצירת קשרי מימן בין בסיסים משלימים בדנ"א

זהו את הבסיסים

מגלי המבנה של הדנ"א – הסליל הכפול

פרנסיס קריק גיימס ווטסון מוריס וולקינס רוזלינד פרנקלין

רנ"א חומצת גרעין נוספת שנמצאת בציטופלסמה

במה היא שונה מהדנ"א?

מה ההבדלים בין דנ"א לרנ"א?

מה ההבדלים בין דנ"א לרנ"א?

מה ההבדלים בין דנ"א לרנ"א?

מה ההבדלים בין דנ"א לרנ"א?

מבנה הרנ"א - RiboNucleic Acid

דומה למולקולת הדנ"א, ומורכבת מרצפים של נוקלאוטידים הקשורים זה לזה בקשרים פוספואסטריים הרנ"א והדנ"א נבדלים זה מזה בשני גורמים מבחינת ההרכב: בפנטוז ובאחד הבסיסים החנקניים

גדיל הרנ"א

תהליך התעתוק

בתהליך זה מועבר המידע התורשתי המצוי במולקולת הדנ"א שבגרעין אל מחוץ לגרעין, בעזרת מולקולה "מתווכת" –חומצת הגרעין רנ"א-שליח mRNA. בתהליך התעתוק נבנית שרשרת של רנ"א על פי רצף של נוקלאוטידים הנמצאים על אחת משתי שרשרות מולקולת הדנ"א.

מיהו רנ"א שליח?

רנ"א שליח הוא פולימר לינארי (לא מסועף) ולא מפותל. רנ"א-שליח נושא על גביו מידע גנטי מהגרעין שמתורגם למולקולת חלבון בציטופלסמה מחוץ לגרעין.

למה נקרא רנ"א שליח?

תהליך התעתוק

בתהליך התעתוק גדילי ה-DNA נפרדים ובעזרת האנזים RNA פולימראז נוצרת מולקולה חד גדילית של RNA שליח (mRNA – (messenger RNA תוך שימוש באחד הגדילים של ה-DNA וזאת לפי כללי ההתקשרות המקובלים בין הנוקלאוטידים (זיווג בסיסים). כלומר: G-C ובמקום A-T יקשרו U-A. רצף הנוקלאוטידים ב-DNA שבגרעין קובע את רצף RNA שליח.

כיוון התארכות רנ"א שליח

גדיל ה-RNA מסונתז, כמקובל בכתיב הגנטי, מקצה ה-'5 ועד לקצה ה-'3. גדיל התבנית של ה-DNA מסודר בצורה הפוכה, מ-'3 ועד ל-'5.

כיוון התארכות רנ"א שליח

גדיל ה-RNA מסונתז, כמקובל בכתיב הגנטי, מקצה ה-'5 ועד לקצה ה-'3. גדיל התבנית של ה-DNA מסודר בצורה הפוכה, מ-'3 ועד ל-'5.

תהליך התרגום

תהליך התרגום מקשר בין מולקולות רנ"א, המאופיינות על ידי 4 סוגי בסיסים לבין מולקולות חלבונים המורכבות מ - 20 חומצות אמיניות ניתן לדמות את תהליך יצירת החלבונים לתרגום של שפה הכוללת 4 אותיות, לשפה אחרת הכוללת 20 אותיות אחרות

תהליך התרגום

• השפה האחת היא שפת הגרעין – DNA ו-RNA הם דומים מאוד, ניתן לכנות אותם "ניבים שונים" של אותה שפה.
• כאשר המידע על גבי mRNA משמש להכנת רצף של חומצות אמינו – הוא החלבון, זהו התרגום.
• זאת, משום שכאן מתרחש תרגום של שפת הגרעין, לשפת הציטופלסמה – מנוקלאוטידים לחומצות אמינו – שהן שונות לחלוטין.

הקוד הגנטי

כדי ליצור פולימר בעל 20 יחידות חוזרות שונות מפולימר בעל 4 יחידות חוזרות שונות יש צורך בקוד. הקוד קרוי הקוד הגנטי

הקוד הגנטי והקודונים

הקוד הגנטי הוא אוסף של שלישיות בסיסים על גבי רנ"א-שליח. כל שלישיית בסיסים קרויה קודון. לכל אחת מ-20 החומצות האמיניות מתאים קודון אחד או יותר. ארבעת הבסיסים : אדנין - A, אורציל - U, ציטוזין - C וגואנין – G, מאפשרים יצירה של שלישיות מרובות (בסיס מסוים יכול להופיע יותר מפעם אחת באותה שלישיה).

הקוד הגנטי הקוד הגנטי מקודונים לחומצות אמיניות

הקוד הגנטי הקוד הגנטי מקודונים לחומצות אמיניות

קודון

מה מייצגות שלוש אותיות הקודון – ACC ?

הן מייצגות 3 נוקלאוטידים סמוכים, שהבסיסים שלהם אדנין, ציטוזין, ציטוזין.את הנוקלאוטידים קוראים מקצה ה – '5 לקצה ה – '3שלד הפולימר קבוע לאורך כל הרנ"א. הסידור של קבוצות הצד (הבסיסים) , שאינו קבוע– הוא המידע הגנטי

המידע הגנטי עובר מן הדנ"א לחלבון – דרך הקוד הגנטי (שנקרא מ – '5 ל – '3)

איך זה עובד?

איך זה עובד?

אם נסתכל על טבלת הקודונים הגנטיים

הפפטיד הנוצר

קטע רנ"א-שליח הכיל 7 קודונים אך על גביו נוצר פפטיד בעל 6 חומצות אמיניות בלבד: Ala Thy Glc Leu Arg Ser לקודון השביעי, UAG, אין חומצה אמינית מתאימה. מה ההסבר לכך? הקודון UAG הוא קודון עצירה - קודון שמסמן את סיום סינתזת החלבון. יש שלושה קודוני עצירה:

קודון הפתיחה - AUG

AUG הקודון משמש כקודון התחלה וכן מקודד לחומצה האמינית מתיונין, כך שהחלבונים מכילים עם היווצרותם את החומצה האמינית מתיונין כחומצה ראשונה. חומצה זו מוסרת מחלק מהחלבונים בהמשך

הסתכלות מחודשת על רנ"א-שליח

רנ"א-שליח זקוק לעזרה - רנ"א מעביר

רנ"א מעביר - המולקולה שראה קריק בדמיונו

מהו המבנה של רנ"א מעביר - מולקולה שיכולה להקשר הן לחומצה אמינית והן לקודון?

לרנ"א-מעביר יש שני אתרים חשובים

אתר קישור לחומצה האמינית

לרנ"א-מעביר יש שני אתרים חשובים

הקשרים בין הקודון לאנטיקודון הם קשרי מימן את הקודון קוראים מכיוון '5 לכיוון '3 את האנטיקודון קוראים מכיוון '3 לכיוון '5

אתר קישור לקודון על רנ"א שליח - שלשת נוקלאוטידים - אנטיקודון

subtitle here

שני אתרי הקישור על רנ"א מעביר זמינים מרחבית

רנ"א מעביר

רנ"א שליח ורנ"א מעביר

עכשיו אפשר לבצע תרגום...

תהליך התרגום מתבצע בריבוזום

הריבוזום הוא אברון שמצוי בציטופלסמה של התא. על גבי הריבוזום מתבצע תהליך התרגום

הריבוזום

הרכב הריבוזום

שלושה אתרים על הריבוזום

בתהליך התרגום שלושה שלבים:

• אתחול
• התארכות
• סיום

שלב האתחול

רנ"א-מעביר טעון בחומצה האמינית מתיונין מתחבר P ליחידה הקטנה של הריבוזום, באתר

שלב האתחול

רנ"א-מעביר נע לאורך הרנ"א השליח עד שהוא מגיע לקודון AUG - קודון ההתחלה

שלב האתחול

תת-היחידה הגדולה של הריבוזום מתחברת אל תת-היחידה הקטנה