הודעה בארבע אותיות
ה־DNA שומר את ההוראות שלו כמחרוזת של ארבע אותיות כימיות, A, C, G ו־T. גן הוא קטע אחד של המחרוזת הזאת, לרוב באורך של אלפי אותיות, שמחזיק את המתכון לחלבון אחד. חלבונים עושים את רוב העבודה בתא: הם מעכלים מזון, נושאים חמצן, בונים שיער ומשכפלים את ה־DNA עצמו.
חלבון הוא שרשרת של מולקולות קטנות יותר שנקראות חומצות אמינו, מעשרים סוגים שונים. האותיות של הגן קובעות את הסדר של חומצות האמינו, והסדר קובע מה יהיה החלבון. המעבר מהאחד לשני דורש שני שלבים, ואחר כך השרשרת צריכה להתקפל.
שלב ראשון: העתקת הגן ל־RNA
ה־DNA נשאר במקומו. בתאים כמו שלנו הוא אף פעם לא יוצא מגרעין התא, ולכן התא עובד מעותק. מכונה מולקולרית שנקראת RNA פולימראז מתיישבת על ה־DNA ממש לפני הגן, מפרידה מעט את שני הגדילים ונעה לאורך אחד מהם. תוך כדי כך היא בונה גדיל יחיד של RNA שליח, ומתאימה כל אות בזמן שהגדילים מזדווגים.
לעותק יש אותה הודעה כמו לגן, עם החלפה אחת: ב־RNA יש U (אורציל) במקום שבו ב־DNA יש T. השלב הראשון הזה נקרא שעתוק.
נסו: גררו את בניית החלבון קצת הלאה מהגן ועקבו אחרי הפולימראז. כל אות של RNA נוחתת ישירות מתחת לאות ה־DNA שהיא מעתיקה, וכל T הופכת ל־U.
שלב שני: קריאה של שלוש אותיות בכל פעם
ה־RNA נודד אל ריבוזום, מכונה העשויה מ־RNA ומחלבון, שבונה את השרשרת. הריבוזום מחליק לאורך ה־RNA עד שהוא מוצא את האותיות AUG, סימן ההתחלה, ומשם הוא קורא את ההודעה בקבוצות של שלוש. כל קבוצה כזאת היא קודון, וכל קודון מייצג חומצת אמינו אחת. השלב הזה נקרא תרגום.
ארבע אותיות, בצירופים של שלוש, נותנות שישים וארבעה קודונים. שישים ואחד מהם מציינים חומצת אמינו, ולכן לרוב חומצות האמינו יש כמה קודונים; האות האחרונה של קודון לעיתים קרובות לא משנה דבר. שלושת הקודונים האחרים, UAA, UAG ו־UGA, פירושם עצירה. הטבלה שמקשרת בין קודונים לחומצות אמינו היא הקוד הגנטי, ופרט לכמה חריגים קטנים כל היצורים החיים משתמשים באותה טבלה.
הריבוזום לא יכול לזהות חומצת אמינו בעצמו. לכל קודון מגיעה מולקולת מתאם קטנה שנקראת RNA מעביר (tRNA), ונושאת את חומצת האמינו הנכונה. שלוש אותיות בקצה שלה מזדווגות עם הקודון, ולכן רק ה־tRNA התואם נכנס למקום. הריבוזום מחבר את חומצת האמינו שהיא הביאה לשרשרת ההולכת ומתארכת, ה־tRNA הריק עוזב, והריבוזום מתקדם שלוש אותיות. ריבוזום של חיידק מוסיף כחמש־עשרה חומצות אמינו בשנייה.
שלב שלישי: השרשרת מתקפלת
שרשרת שזה עתה נבנתה היא חוט רפוי, וחוט לא יכול לתפוס, לחתוך או לשאת שום דבר. התפקיד שלה תלוי בצורה שלה. חלק מחומצות האמינו דוחות מים: הן עשויות בעיקר מפחמן וממימן, וכמו שמן במים הן מתרחקות מהמים שסביבן. אחרות אוהבות מים: הן נושאות מטענים חשמליים או קבוצות שמולקולות מים נצמדות אליהן. בזמן שהשרשרת מיטלטלת, דוחות המים נדחסות בסופו של דבר יחד באמצע, ואוהבות המים נשארות על פני השטח.
מכיוון שהסדר של חומצות האמינו דוחות המים ואוהבות המים שונה מחלבון לחלבון, כל חלבון מתקפל לצורה משלו. קיפול אמיתי תלוי גם בקשרי מימן, בקטעים בצורת סליל ובצורת משטח ובעוד פרטים רבים, וחלק מהחלבונים זקוקים לחלבוני עזר כדי להתקפל בכלל, אבל הליבה דוחת המים היא הסיבה העיקרית לכך ששרשרת מתקפלת לכדור ולא נשארת רפויה.
נסו: כשבניית החלבון על החלבון המקופל, הסתכלו על אמצע הקיפול. בחלבון המקורי כל ארבעת המקומות שבמרכז תפוסים בחומצות אמינו דוחות מים, והקשרים המוארים מראים שכנות דוחות מים שנוגעות זו בזו.
אות אחת השתנתה
שינוי באותיות של גן הוא מוטציה. הסוג הפשוט ביותר מחליף, מוסיף או מסיר אות אחת, והניסוי שלמעלה מראה את ארבעת הדברים שיכולים לקרות בעקבות זאת.
- שקטה. הקודון החדש מציין את אותה חומצת אמינו. גם CTG וגם CTA פירושם לאוצין, ולכן החלבון לא משתנה.
- סלף. הקודון החדש מציין חומצת אמינו אחרת. כאן GTG (ואלין, דוחת מים) הופך ל־GAG (גלוטמט, אוהבת מים). חומצת אמינו דוחת מים שישבה בליבה רוצה עכשיו לפנות אל המים, והשרשרת מתקפלת אחרת. הדוגמה מהחיים היא אנמיה חרמשית: אות אחת בגן של חלק מההמוגלובין, נשא החמצן בתאי הדם האדומים, הופכת GAG ל־GTG, ההפך מהשינוי כאן. החלבון עדיין מתקפל, אבל אזור דוחה מים על פני השטח שלו גורם למולקולות להיצמד זו לזו לסיבים נוקשים.
- פסק. הקודון החדש הוא קודון סיום. CAG הופך ל־TAG, והריבוזום משתחרר אחרי שש חומצות אמינו. חלבון שנקטע כל כך מוקדם בדרך כלל לא יכול לתפקד בכלל.
- הסטת מסגרת. אות אחת אובדת, או שאות נוספת נדחקת פנימה. הריבוזום עדיין קורא בשלשות מההתחלה, ולכן כל קודון אחרי השינוי מקובץ לא נכון, חומצות האמינו יוצאות חסרות משמעות, ובדרך כלל קודון סיום מופיע במקרה זמן קצר אחר כך.
נסו: בחרו הסטת מסגרת וצפו בסוגריים של הקודונים מתחת ל־RNA. אחר כך בחרו סלף והשוו את הקיפול החדש לקיפול המקורי הדהוי שלידו.
איבוד של שלוש אותיות יחד שונה מאיבוד של אחת: מסגרת הקריאה נשמרת, ולחלבון פשוט חסרה חומצת אמינו אחת. המוטציה הנפוצה ביותר שגורמת לסיסטיק פיברוזיס היא בדיוק כזאת: שלוש אותיות שאבדו, וחומצת אמינו אחת שנעלמה.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
הגן מומצא וקצר מאוד: ארבע־עשרה חומצות אמינו וקודון סיום, בעוד שלחלבון אנושי טיפוסי יש כמה מאות חומצות אמינו. בתאים כמו שלנו עותק ה־RNA גם נחתך ועובר שחבור לפני שהוא יוצא מהגרעין, וריבוזומים רבים קוראים את אותו RNA בבת אחת. שום דבר מזה לא מוצג.
הקיפול מחושב ולא מצויר ביד, אבל לפי כלל פשוט בכוונה. כל חומצת אמינו נחשבת דוחת מים או אוהבת מים ומוצבת על רשת ריבועית שטוחה, והקיפול המוצג הוא זה שמצמיד זו לזו את המספר הגדול ביותר של זוגות דוחי מים; מבין קיפולים טובים באותה מידה, הצפוף ביותר נבחר. זהו מודל HP, שמדענים משתמשים בו כדי לחקור למה חלבונים מתקפלים. הוא מתאר את הליבה דוחת המים ותו לא. חלבונים אמיתיים מתקפלים בשלושה ממדים, וחיזוי הצורה המדויקת שלהם דורש פיזיקה מפורטת הרבה יותר, או מודלים ממוחשבים שאומנו על אלפי מבנים ידועים.
הגדלים אינם בקנה מידה. ה־RNA פולימראז והריבוזום מצוירים קטנים כדי שהאותיות יישארו קריאות; ריבוזום אמיתי רחב בערך כמו שלושים אותיות של RNA, וחומצות האמינו מצוירות כחרוזים במרווחים שמציבים כל אחת מהן מתחת לקודון שלה.