שתי המולקולות מעבירות מידע גנטי ובנויות מחומצות גרעין. אפילו השמות שלהן דומים. אבל תכונות כימיות אחרות משפיעות מאוד על התפקידים הביולוגיים שהן ממלאות
המידע הגנטי של כל היצורים החיים בכדור הארץ נמצא במולקולות ה-DNA ששוכנות בכל תא מתאיהם. המידע הזה משפיע בין השאר על התכונות של היצור – למשל צבע העיניים של בני אדם או אורך הזנב של חתול – אך באופן כללי יותר אפשר לומר שהוא משמש כספר הוראות מיוחד לפעולותיו של כל תא חי. בכל תא יש מכונות זעירות ומשוכללות, שיודעות לקרוא את המידע שנמצא בספר ההוראות ולפיהן לייצר חלבונים – המולקולות שמבצעות בפועל את רוב הפעילות הביולוגית של התא. החלבון אינסולין, למשל, המיוצר בתאי לבלב, אחראי על ויסות רמת הסוכר בגוף , ואילו ההמוגלובין בתאי הדם האדומים מעביר את החמצן מהריאות לשאר תאי הגוף.
הדרך מ-DNA לחלבון עוברת במתווך חשוב – מולקולה בשם RNA. למרות הדמיון הרב בשם ל-DNA, והעובדה ששתיהן חומצות גרעין, במבט מקרוב נגלה הבדלים דקים אך משמעותיים במבנה הכימי שלהן, שמשפיעים על התפקיד הביולוגי הייעודי של כל מולקולה.
המידע הגנטי של כל היצורים החיים בכדור הארץ נמצא במולקולות ה-DNA ששוכנות בתאיהם. מולקולות ה-DNA, הכרומוזומים, של אדם | Scott Camazine, Science Photo Library
סדר ומבנה
RNA הם ראשי התיבות באנגלית של השם "חומצת גרעין ריבוזית" (RiboNucleic Acid). כל מולקולה כזאת מורכבת משלושה חלקים: מולקולת סוכר עם חמישה אטומי פחמן (ריבוז), קבוצת זרחה המורכבת מאטום זרחן הקשור לארבעה אטומי חמצן, ובסיס חנקני בצורת טבעת, המורכב משילוב של אטומי פחמן, חנקן, חמצן ומימן. בסך הכול יש ארבעה סוגים של בסיסים חנקניים כאלה, וכל חומצת גרעין (נוקלאוטיד) נקראת על שם הבסיס שלה, שכן הסוכר והזרחה זהים אצל כולן. מקובל לציין אותן גם על ידי האות הראשונה בשמן. ארבע החומצות הן: אדנין (Adenin, או A), אורציל (Uracil, או U), גואנין (Guanine, או G) וציטוזין (Cytosine, או C).
ארבע חומצות הגרעין הללו הן אבני הבניין של ה-RNA. מולקולת ה-RNA השלמה היא שרשרת ארוכה מאוד, דמוית מחרוזת, של חומצות גרעין. בנוסף, קשרים כימיים חזקים במיוחד יכולים להיווצר בין הצמדים A-U ו G-C, דבר שיכול להשפיע על המבנה המרחבי של ה-RNA - הוא עשוי להתקפל וליצור קשרים בין חלקים שונים של השרשרת.
גם מולקולת ה-DNA מורכבת משלושה חלקים: סוכר, קבוצת זרחה ובסיס. אולם בעוד הסוכר של ה-RNA הוא ריבוז, הסוכר של מולקולת ה-DNA הוא דאוקסי-ריבוז, כלומר, ריבוז שחסרים בו אטום חמצן ומימן. מכאן גם נגזר שמה של המולקולה: DeoxyriboNucleic Acid, ובראשי תיבות DNA.
הבדל משמעותי נוסף בין DNA ל-RNA הוא באחד מארבעת הבסיסים. במקום אורציל יש ב-DNA תימין (Thymine), המסומן באות T. בהתאם לכך, צמדי הבסיסים ב-DNA הם A-T ו-G-C. בדומה ל-RNA, ארבע אבני הבניין הללו מתחברות זו לזו בשרשרת ארוכה מאוד, כמו חרוזים על חוט.
שתי מולקולות קרובות מאוד, אך יש ביניהן כמה הבדלים משמעותיים. DNA מול RNA | אילוסטרציה: Shutterstock, ShadeDesign
הכול בגלל חמצן קטן
ב-25 באפריל 1953 פרסמו המדענים ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק מאמר בכתב העת Nature, שבו תיארו, על סמך מדידות שעשתה עמיתתם רוזלינד פרנקלין, את המבנה התלת-ממדי של מולקולת ה-DNA. כך למד המדע להכיר את צורת הסליל הכפול המפורסם, המאופיין בכך שצמדי הבסיסים A-T ו-C-G מחברים את שני הגדילים של הסליל הכפול לכל אורכם.
אולם באופן שעשוי להישמע מפתיע, בהתחשב בדמיון הרב בין אבני הבניין שלהן, מולקולת ה-RNA אינה מסתדרת בדרך כלל בסליל כפול, אלא דווקא בסליל בודד. די בתוספת של אטום חמצן יחיד ואטום מימן בסוכר כדי למנוע מהמולקולה להתארגן בצורת זהה ל-DNA. לפעמים שרשרת ה-RNA מתארגנת בצורות גיאומטריות אחרות לגמרי, למשל הגדיל היחיד מתקפל על עצמו במבנה שמזכיר סיכת ראש, ולמבנים האלו יש חשיבות רבה בתפקוד של ה-RNA.
ב-1962 ניתן פרס נובל לווטסון, קריק וווילקינס, ראש המעבדה של פרנקלין, על גילוי ה-DNA. פרנקלין כבר לא הייתה בין החיים. בול שוודי לציון המאורע נושא את תמונת הסליל הכפול, ואת מדידות הרנטגן של פרנקלין שעזרו לפענח את המבנה | Shutterstock, rook76
מידע, שעתוק ותרגום
ההבדל בין RNA ל-DNA אינו מסתכם רק במבנה שלהם, אלא נוגע גם לתפקיד שהם ממלאים. כאמור, ספר ההוראות הגנטי נשמר ב-DNA, והרצף שבו ארבע אבני הבניין מסודרות זו לצד זו לאורך שרשרת ה-DNA יוצר צופן, שהתא צריך לתרגם כדי לייצר חלבונים. ה-RNA, כפי שנראה, ממלא תפקיד אחר, של מתווך.
מולקולות ה-DNA הן ארוכות מאוד, וכוללות עשרות מיליוני בסיסים כל אחת. בשלב הראשון, אנזים בשם RNA פולימראז, כלומר "יצרן RNA", מעתיק מקטע קצר הרבה יותר, לרוב כמה מאות או אלפי בסיסים, מתוך מולקולת ה-DNA הארוכה ויוצר ממנה מולקולת RNA. תהליך ההעתקה הזה, שנקרא "שעתוק", משחזר את רצף הבסיסים ההופכי לזה שמופיע על אחד משני הגדילים של ה-DNA, לפי כללי צימוד הבסיסים שתיארנו למעלה. כל גואנין (G) בגדיל ה-DNA יוחלף בציטוזין (C) ב-RNA, תימין (T) יוחלף באדנין (A), וכיוון שב-RNA אין תימין, אדנין יוחלף באורציל (U).
אחרי השעתוק, מולקולת RNA נשלחת אל המפעל לייצור חלבונים בתוך התא – אברון שנקרא ריבוזום. מכיוון שמולקולת ה-RNA הזאת מתפקדת כשליחה שמעבירה את "הוראות הייצור" מה-DNA לריבוזום, היא קיבלה את השם "RNA שליח" (mRNA). לאחרונה המולקולות הללו עלו לכותרות בזכות החיסונים נגד נגיף הקורונה של החברות פייזר ומודרנה, המבוססים על מולקולות mRNA אשר מורות לתאים של מקבל החיסון לייצר אחד מחלבוני המעטפת של נגיף הקורונה.
בהגיעו לריבוזום, ה-RNA שליח נתקל בשני סוגים נוספים של מולקולות RNA. הראשון הוא "RNA ריבוזומי" (rRNA), שהוא אחד המרכיבים המרכזיים של הריבוזום עצמו. השני נקרא "RNA מעביר" (tRNA), והמבנה התלת-ממדי שלו, המזכיר את צורת האות האנגלית L, מאפשר לו לשחק תפקיד מפתח בתרגום המידע הגנטי שה-RNA שליח הביא וליצור ממנו חלבון. צד אחד שלו נקשר לרצף של שלושה בסיסים ב-RNA שליח, והצד השני נקשר לחומצת אמינו - מולקולה קטנה שהיא אבן הבניין של החלבונים. לכל רצף של שלושה בסיסי RNA יש tRNA שנקשר אליו, ולכל tRNA יש חומצת אמינו מסוימת, המתאימה לאותו רצף בסיסים, שאליה הוא נקשר מצידו השני.. הריבוזום מחבר זו לזו את חומצות האמינו שהוא מקבל ממולקולות ה-tRNA, וכך יוצר שרשרת של חומצות אמינו המבוססת על רצף הבסיסים המדויק שה-RNA שליח העתיק מה-DNA. השרשרת הזאת היא חלבון ספציפי שמיועד למלא תפקיד זה או אחר בתא. התהליך הזה, המתרחש כולו בתוך הריבוזום, נקרא תרגום.
כאן המקום להעיר, כי אטום החמצן הנוסף במולקולת ה RNA לא משפיע רק על המבנה של ה-RNA - הוא מוביל גם לכך שמולקולת ה-RNA עוברת פירוק עצמי הרבה יותר מהר מ-DNA, תהליך שמקובל למדוד אותו בעזרת גודל שנקרא "זמן מחצית החיים". בעוד זמן מחצית החיים של RNA הוא בסדר גודל של כמה דקות, מולקולת DNA יכולה לשרוד אלפי שנים. מבחינת מנגנון העברת המידע מה-DNA אל הריבוזום, זמן מחצית החיים הקצר של mRNA היא תכונה רצויה: טוב "למחוק" הוראות מהזכרון של התא ולפנות מקום להוראות חדשות. אולם, אם רוצים להשתמש במולקולת mRNA כחיסון, זמן מחצית החיים הקצר שלה פירושו שצריך לאחסן את החיסונים בטמפרטורות נמוכות מאוד.
הריבוזום, שנראה בציור ככדור אדום גדול עם חריץ, בונה את החלבון על ידי הוספת חומצות אמינו לשרשרת (הכדורים בחלק העליון). רצף ה-mRNA, שנראה כשרשרת בתוך החריץ, קובע איזו חומצת אמינו תתווסף לשרשרת. ה-tRNA (בירוק) מחבר בין ה-mRNA לחומצת האמינו המתאימה | Gunilla Elam, Science Photo Library
הסוכן הכפול
במשך השנים התגלו גם מולקולות RNA שאינן לוקחות חלק פעיל בתהליך השעתוק והתרגום של המידע הגנטי השמור ב-DNA. יש למשל מולקולות RNA שמעורבות בפעילות של אנזימים – חלבונים שמתמחים בזירוז תגובות כימיות מסוימות. יש אפילו מולקולות RNA שיכולות לזרז תגובות כימיות בכוחות עצמן, ללא סיוע של חלבונים. בשל התפקיד הכפול של מולקולות ה-RNA, שיכולות גם לאגור מידע גנטי כמו ה-DNA, וגם ליזום תגובות כימית כמו חלבונים, יש חוקרים שסבורים כי בראשית החיים בכדור הארץ לא היו בו חלבונים או DNA, אלא רק RNA. את התקופה המשוערת הזאת מכנים "עולם ה-RNA".
RNA ו-DNA הם לפיכך סוגים שונים של חומצות גרעין, שאחראיות על אחסון המידע הגנטי בתא החי וממלאות תפקיד מהותי בתרגום המידע הגנטי הזה לחלבונים, שמבצעים שלל תפקידים. אף על פי שמבחינת ההרכב הכימי שלהן, ההבדל בין שתי המולקולות הללו קטן, הוא מתבטא בהבדל עצום במבנה ובתפקוד שלהם. זוהי דוגמא מצוינת לנפלאות הכימיה: נוכחותו של חמצן בחומצת גרעין או היעדרו יוצרים את המורכבות המולקולרית שבלעדיה לא היו קיימים חיים כפי שאנו מכירים אותם בעולמנו.
סרטון באנגלית, עם כתוביות בעברית, שמראה את תהליך התרגום:
