שאלה 1
א. באיזה מדור בתא ומה המנגנון המולקולרי, בו מיוצרים חלבוני הממברנה?
לחצו לגילוי התשובה
ברשתית האנדו פלזמתית, ריבוזום המחובר כבר לmRNA יחידה קטנה ויחידה גדולה מובל באמצעות חלבון לטרנסלוקטור חלבוני השקוע ברשתית האנדופלזמתית, אותו טרנסלוקטור מזהה את רצף התחל המעבר בשרשרת הפוליפפטידית שנבנית ודרכו עובר החלבון בממברנת הרשתית. כאשר הטרנסלוקטור מזהה רצף הפסק מעבר החלבון ממשיך סינתזה על ידי הריבוזום אבל בצד הציטוזולי של הרשתית. כך הטרנסלוקטור תופר את החלבון בממברנה, כל מעבר של החלבון בממברנה הטרנסלוקטור עוזב אותו עד שנתקל בבא בתור.
ב. מה מאפיין את חלבוני הממברנה מבחינת המבנה הראשוני שלהם? – האם תוכלו לדעת, על סמך הרצף של חומצות האמינו של חלבון כלשהו, אם הוא ממברני?
לחצו לגילוי התשובה
לחלבונים יש רצפים מכוונים בראשיתם- בקצה הN טרמינלי, שבעצם מכוונים לאן הם צריכים להיות, חלבונים שמיועדים לממברנה ולאבורנים בתא יסונתזו על ידי ריבוזומים שנמצאים על הרשתית האנדופלזמתית בעוד חלבונים המיועדים למיטוכונדריה ולכלורופלסט או חלבונים ציטוזולים יסונתזו בריבוזומים חופשיים בציטוזפלזמה. נוכל לדעת האם חלבון הוא חלבון ממברני מכיוון שיהיו לו רצפי התחל והפסק שיסמנו לרשתית האנדופלזמתית היכן וכמה פעמים עליו לעבור בממברנה.
ג. כיצד תוכלו לקבוע, לגבי חלבון ממברני, כמה פעמים הוא חוצה את הממברנה?
לחצו לגילוי התשובה
לפי מספר רצפי ההתחל וההפסק שהם הרצפים שבעצם נשארים בממברנה. התחל אחד הפסק אחד.
ד. ישנם חלבונים ממברניים המייצבים את הממברנה. כיצד הם עושים זאת?
לחצו לגילוי התשובה
חלק משלד התא הוא סיבי אקטין שיוצרים את הקורטקס התאי, הם מעין פיגומים פנימיים לממברנה שמחזקים אותה מבפנים, מערכת דינאמית שנבנית ומתפרקת כל הזמן, סיבים חלבוניים דקים וגמישים, הוא מעין שריר פנימי של הציטופלזמה, מסייע בהתחלקות, זחילה ופאגוציטוזה.
שאלה 2
הכרומוזום האיקריוטי מכיל בעיקר DNA והיסטונים.
א. תארו את סוגי ההיסטונים השונים ואת תפקודם.
לחצו לגילוי התשובה
סוגי ההיסטונים הקיימים בDNA הם H2A H2B H3 H4 כל אחד מופיע בשני עותקים והם מהווים את יחידת הבסיס של הנוקלאוזום. סביבם נכרך הDNA 147 נוקלאוטידים. ישנו היסטון חמישי H1 שהוא מקשר בין שני נוקלאוזומים שכנים ומקרב ביניהם כך שהדחיסה תהיה מירבית.
ב. מהי יחידת המבנה הבסיסית של הכרומוזום? אילו היסטונים משתלבים בה וכיצד? כמה נוקלאוטידים משתלבים באותה יחידה?
לחצו לגילוי התשובה
יחידת המבנה הבסיסית היא ההיסטון שמורכב מ4 תת יחידות שצוינו בסעיף הקודם, סביבם 147 נוקלאוטידים, הם יוצרים מבנה של דיסקית שטוחה שסביבם יש את הנוקלאוטידים שמתלפפים. לכל היסטון יש זנב פפטידי בעליו אפשר לעשות מודיפיקציות כימיות שישפיעו על דחיסות הכרומטין.
ג. כיצד נארזות היחידות הבסיסיות בעת דחיסת הכרומוזום? מה התפקידים השונים שממלאים כל אחד מסוגי ההיסטונים ביצירת המבנה הדחוס של הכרומוזום?
לחצו לגילוי התשובה
האריזה הראשונית היא DNA מלופף סביב הדסקית אריזה הדוקה יותר נעשית בעזרת ההיסטון החמישי שלו יש מבנה כדורי בעל שני זנבות שנקשרים לליבת נוקלאוזום אחד ולשני השכן לו ובאמצעות משיכה שלהם אליו הוא דוחס אותם עוד יותר. דחיסה נוספת נעשית באמצעות זנבות ההיסטונים של הנוקלאוזום שעליהם מתבצעות המדיפיקציות שגורמות לכרומטין להיות עוד יותר דחוס.
ד. אילו שינויים בכרומטין משנים את מידת הדחיסות ו/או את רמת ההשתקה הגנית? תנו שתי דוגמאות לשינויים אפשריים.
לחצו לגילוי התשובה
קומפלקסים חלבוניים שמעצבים מחדש את הכרומטין משתמשים בהידרוליזה של ATP על מנת למקם מחדש את הנוקלאוזומים הוזזה שלהם תביא לפתיחה וחשיפה של גנים לתעתוק ובאותה צורה גם תחסום את התעתוק ותדחוס את הגן. דרך נוספת לשינויים היא זרחון של הזנבות של ההיסטונים ויצירת הטרוכרומטין. בדרך כלל שני המנגנונים עובדים בשיתוף פעולה, זרחון של הזנבות מזמן חלבונים מוכווני הטרוכרומטין ופעולת ההזזה של ההיסטונים מאפשרת היווצרות הטרוכרומטין – DNA דחוס יותר עד שהחלבונים מגיעים לנקודה שמורה להם על הפסקה של היווצרות הטרוכרומטין. חוסר שליטה בהיווצרות הטרוכרומטין ודחיסת יתר של הDNA תגרום להשתקת גנים ולפעמים להשתקת כרומוזום X.
שאלה 3
החלבון הטבעי הגדול ביותר המוכר לנו הוא החלבון טיטין (Titin). משקלו המולקולרי הוא 3 מיליון דלתון. משקלה הממוצע של חומצה אמינית הוא 120 דלתון. קצב התרגום הממוצע של חלבון בתא איקריוטי הוא שתי חומצות אמינו בשנייה. תעתוק RNA מתבצע בקצב של 30 נוקלאוטידים לשנייה.
א. כמה חומצות אמיניות מרכיבות את החלבון?
לחצו לגילוי התשובה
משקלו המולקולרי של חלבון טיטין הוא בערך 3,000,000 דלתון.
המשקל המולקולרי הממוצע של חומצה אמינית אחת הוא בערך 120 דלתון.
כדי לדעת כמה חומצות אמיניות מרכיבות את החלבון, מחלקים:
3,000,000 דלתון חלקי 120 דלתון לחומצה אמינית אחת = 25,000.
כלומר, החלבון טיטין מורכב מכ־25,000 חומצות אמיניות.
ב. כמה זמן עובר מתחילת תרגום החלבון ועד להשלמתו?
לחצו לגילוי התשובה
נחשב שלב-שלב:
מצאנו קודם שטיטין מורכב מ־25,000 חומצות אמיניות.
קצב התרגום הנתון בתא איקריוטי: 2 חומצות אמיניות בשנייה.
זמן התרגום = מספר החומצות האמיניות חלקי קצב התרגום.
25,000 ÷ 2 = 12,500 שניות.
נהפוך ליחידות נוחות יותר:
12,500 שניות ÷ 60 = 208.3 דקות ≈ 3 שעות ו־28 דקות.
כלומר, מרגע תחילת התרגום ועד השלמת חלבון טיטין עוברות בערך 3 שעות וחצי.
ג. כמה נוקלאוטידים (לפחות) מכיל ה-mRNA המקודד לחלבון? הסבירו למה משמשים הנוקלאוטידים הנוספים.
לחצו לגילוי התשובה
מספר החומצות האמיניות בטיטין: מצאנו קודם ≈ 25,000.
מספר הנוקלאוטידים הדרושים לקידוד חלבון: כל חומצה אמינית מקודדת ע"י קודון = 3 נוקלאוטידים.
25,000 חומצות אמיניות × 3 נוקלאוטידים = 75,000 נוקלאוטידים.נוקלאוטידים נוספים ב־mRNA:
יש קודון התחלה (AUG) שנדרש לתחילת התרגום.
יש קודון עצירה (UAA / UAG / UGA) שאינו מקודד חומצה אמינית אלא מסמן סיום.
יש אזורי בקרה לא מקודדים (UTRs):
UTR בקצה 5′ (לפני קודון ההתחלה) – מסייע לריבוזום לזהות ולהיקשר ל־mRNA.
UTR בקצה 3′ (אחרי קודון העצירה) – חשוב לייצוב ה־mRNA, לקישור חלבונים רגולטוריים, ולפוליאדנילציה (זנב poly-A).
כלומר, ה־mRNA המקודד לטיטין חייב להכיל לפחות 75,003 נוקלאוטידים (75,000 עבור 25,000 חומצות אמיניות, ועוד קודון התחלה וקודון עצירה). בפועל הוא ארוך הרבה יותר, כי יש לו גם רצפים לא מקודדים (UTRs), רצף פוליא־A, ואזורים רגולטוריים נוספים שמשמשים לבקרה על התרגום, ייצוב ה־mRNA וזיהויו ע"י הריבוזום.
ד. האם תוכלו לחשב כמה זמן לפחות נמשך תעתוק הגן? חשבו והסבירו מדוע תשובתכם אינה מלאה.
לחצו לגילוי התשובה
כן, ניתן לחשב זמן תעתוק מינימלי אבל התשובה לא תהיה מלאה.
אורך ה־mRNA המקודד:
מצאנו קודם שהחלק המקודד בלבד הוא כ־75,000 נוקלאוטידים (25,000 חומצות אמיניות × 3).
נוסיף קודון התחלה + קודון עצירה → בערך 75,003 נוקלאוטידים.
קצב התעתוק:
נתון: פולימראז מתעתק בקצב של כ־30 נוקלאוטידים בשנייה.
חישוב זמן התעתוק המינימלי:
75,000 ÷ 30 ≈ 2,500 שניות.
זה שווה בערך ל־42 דקות.
למה התשובה לא מלאה?
ה־mRNA בפועל ארוך בהרבה מהחלק המקודד: יש רצפי בקרה, אינטרונים שצריך להסיר בעריכה (splicing), רצפי UTR בקצוות, זנב poly-A, וקאפ 5′.
לכן אורך הגן גדול בהרבה מ־75,000 נוקלאוטידים, מה שמאריך את זמן התעתוק בפועל.
נוסף על כך, תעתוק איננו תהליך רציף וחלק בלבד — יש עצירות, בקרה על קצב, ודרישות עיבוד נוספות.
לסיכום, הזמן המינימלי הדרוש לתעתוק החלק המקודד של טיטין הוא בערך 42 דקות, אך בפועל התהליך אורך יותר זמן, משום שהגן מכיל אינטרונים ורצפי בקרה לא מקודדים, וה־mRNA חייב לעבור עיבוד לפני השימוש בתרגום.
שאלה 4
תאי חיידקים יכולים גם לייבא את חומצת האמינו טריפטופן (Trp) מסביבתם, וגם ליצור טריפטופן ממולקולות קטנות אחרות. רפרסור ה Trp-הוא חלבון בקרת תעתוק אשר מפסיק את תעתוק הגנים המקודדים לאנזימים הדרושים ליצירת טריפטופן.
א. מתי תצפו שהמערכת הביוסינתטית של טריפטופן תפעל, באילו תנאים?
לחצו לגילוי התשובה
מערכת הביוסינתזה של טריפטופן תפעל כאשר ריכוז הטריפטופן בסביבה נמוך, כלומר כשאין מספיק טריפטופן זמין ליבוא. בתנאים אלה הרפרסור אינו פעיל והחיידק מתעתק את הגנים הדרושים לייצור טריפטופן.
ב. מה יקרה לוויסות של אופרון הטריפטופן בתאים המבטאים צורה מוטנטית של רפרסור הטריפטופן:
(1) שאינה יכולה להיקשר ל-DNA
(2) שאינה יכולה לקשור טריפטופן
(3) שנקשרת ל-DNA גם בהיעדר טריפטופן?
לחצו לגילוי התשובה
(1) שאינה יכולה להיקשר ל-DNA > האופרון יתועתק תמיד, ללא קשר לריכוז הטריפטופן.
(2) שאינה יכולה לקשור טריפטופן > האופרון יהיה תמיד מושתק, גם כאשר אין טריפטופן זמין.
(3) שנקשרת ל-DNA גם בהיעדר טריפטופן > האופרון יהיה תמיד מושתק, ללא תלות בריכוז הטריפטופן.
ג. מה יקרה בתרחישים (1), (2) ו-(3) אם התאים, בנוסף, ייצרו רפרסור תקין שיקּודד על ידי גן תקין אחר
לחצו לגילוי התשובה
(1) שאינה יכולה להיקשר ל-DNA > האופרון יתועתק או יושתק בהתאם לריכוז הטריפטופן, כי הרפרסור התקין מהגן האחר ייקשר ל-DNA ויבקר את האופרון בצורה רגילה.
(2) שאינה יכולה לקשור טריפטופן > האופרון יתנהג רגיל, כי הרפרסור התקין יפעיל ויסתור את ההשפעה של המוטנט; האופרון יושתק כאשר טריפטופן זמין ויתועתק כאשר אין טריפטופן.
(3) שנקשרת ל-DNA גם בהיעדר טריפטופן > האופרון יתנהג רגיל, כי הרפרסור התקין יאפשר ויסות תקין בהתאם לריכוז הטריפטופן.
ד. פרטו מערכת אלטרנטיבית לבקרה על המערכת הביוסינתטית של הטריפטופן, שבה חלבון הבקרה הוא חלבון מפעיל (אקטיבטור).
לחצו לגילוי התשובה
מערכת אלטרנטיבית יכולה לכלול חלבון מפעיל (אקטיבטור) שמגיב לרמות נמוכות של טריפטופן או למצב מטבולי כללי. בדוגמה כזו:
חלבון האקטיבטור נקשר ל-DNA רק כאשר יש מחסור בטריפטופן או תנאים מטבוליים המצביעים על צורך בסינתזה.
כאשר האקטיבטור נקשר, הוא מגייס את הריבוזום ופולי־מרות התעתוק → האופרון מתועתק ומיוצרים האנזימים ליצירת טריפטופן.
כאשר יש מספיק טריפטופן, האקטיבטור אינו פעיל או אינו נקשר ל-DNA → האופרון אינו מתועתק, ובכך נמנע ייצור מיותר של אנזימים.
במערכת זו הבקרה היא חיובית: חלבון האקטיבטור מפעיל תעתוק רק כשיש צורך, במקום שהרפרסור יחסום תעתוק כשיש שפע.
ה. במה שונה תפקוד הטריפטופן בשתי מערכות הבקרה השונות?
לחצו לגילוי התשובה
במערכת עם רפרסור, טריפטופן הוא קורטקטור שלילי: הוא נקשר לרפרסור ומאפשר לו להיקשר ל-DNA, ובכך מדכא תעתוק כאשר יש שפע של טריפטופן.
במערכת עם אקטיבטור, טריפטופן (או רמות נמוכות שלו) משמש כאות חיובי/שלילי בהתאם למנגנון: חוסר טריפטופן גורם להפעלת האקטיבטור, שהוא נקשר ל-DNA ומגייס את תעתוק הגנים, ובכך מעודד תעתוק רק כאשר יש צורך בסינתזה.
בקיצור: במערכת רפרסור טריפטופן מדכא תעתוק, ובמערכת אקטיבטור טריפטופן (חוסר בו) מאפשר/מעודד תעתוק.
שאלה 5
א. מה תפקידו של ה-RNA המוביל (tRNA) בתא? מה המבנה שלו? ציירו תרשים של המולקולה וציינו עליה את שני האתרים החשובים ביותר לפעילותה. מה תפקודם של שני אתרים אלה?
לחצו לגילוי התשובה
תפקיד ה-tRNA:
tRNA הוא מולקולה שמתווכת בין קוד הגנים ב-mRNA לבין חומצות האמיניות. היא מביאה את החומצה האמינית המתאימה לכל קודון במהלך התרגום ומאפשרת חיבור מדויק של חומצות האמינו ליצירת חלבון.
מבנה ה-tRNA:
מולקולה קטנה, בדרך כלל כ־70–90 נוקלאוטידים.
מקבלת מבנה תלת־ממדי כמו “L” בשל הקיפול הפנימי.
מבנה דו־ממדי ניתן לייצוג כ“עלה תלת־עלה” (cloverleaf).
שני האתרים החשובים ביותר על המולקולה:
אתר קצה 3′ (amino acid attachment site) – אליו נקשרת חומצת האמינו המתאימה.
אתר אנטיקודון – שלושה נוקלאוטידים שמזהים את הקודון התואם ב-mRNA.
תפקודם של האתרים:
קצה 3′: מאפשר לחומצה האמינית להיות מחוברת ל-tRNA, כך שניתן להעביר אותה לריבוזום ולהוסיף לשרשרת החלבונית המתפתחת.
אנטיקודון: מזהה את הקודון המתאים ב-mRNA ומבטיח שהחומצה האמינית הנכונה תתאים למיקום הנכון בתרגום.
הקצה העליון מחובר לחומצה האמינית.
הלולאה התחתונה מכילה את האנטיקודון המזהה את הקודון ב-mRNA.
ב. לכמה קודונים שונים יש לצפות בקוד הגנטי? הסבירו.
לחצו לגילוי התשובה
בקוד הגנטי יש 64 קודונים שונים.
הסבר:
כל קודון מורכב מ־3 נוקלאוטידים, וכל נוקלאוטיד יכול להיות אחד מתוך ארבעה בסיסים: A, U, G, C. לכן, מספר הקומבינציות האפשריות הוא 4 × 4 × 4 = 64. מתוך 64 הקודונים: 61 מקודדים לחומצות אמינו ו־3 הם קודוני עצירה (stop codons) שאינם מקודדים לחומצה אמינית אלא מסמנים סיום תרגום.
סיכום: בקוד הגנטי יש 64 קודונים שונים, שמכסים את כל אפשרויות הקידוד של 3 נוקלאוטידים, כאשר רובם מקודדים לחומצות אמינו והשלושה הנותרים משמשים לעצירה.
ג. כאשר נתגלו מולקולות הRNA- המוביל, ציפו החוקרים למצוא שמספר מולקולות ה-RNA מוביל השונות יהיה קטן במעט ממספר הקודונים שציינתם בסעיף ב. הסבירו מדוע.
לחצו לגילוי התשובה
כאשר התגלו מולקולות ה-tRNA, ציפו החוקרים שמספר סוגי ה-tRNA יהיה מעט פחות מ־64, כי כל סוג tRNA מזהה קודון אחד או יותר. הסיבה לכך היא הקיום של שפילת וובר (wobble): הבסיס השלישי בקודון יכול ליצור התאמה גמישה עם הבסיס הראשון של האנטיקודון ב-tRNA. לכן tRNA אחד יכול להכיר כמה קודונים שונים שמקודדים לאותה חומצה אמינית. כלומר מספר סוגי ה-tRNA נמוך ממספר הקודונים (64), משום שכל tRNA יכול לזהות מספר קודונים בזכות עקרון ה-wobble.
ד. בפועל נמצא שקיימים הרבה פחות מינים של RNA מוביל משציפו לקבל בהתאם לתשובתכם על סעיף ג. הסבירו את המנגנון המולקולרי המאפשר זאת.
לחצו לגילוי התשובה
בפועל יש הרבה פחות סוגי tRNA מ־61 (מספר הקודונים המקודדים לחומצות אמינו) בגלל עקרון ה־wobble.
מנגנון מולקולרי:
בבסיס השלישי של הקודון (קצה 3′ של mRNA) ובבסיס הראשון של האנטיקודון ב-tRNA יש התאמה גמישה – לא תמיד נדרשת התאמה זוגית מדויקת.
התאמה זו מאפשרת ל־tRNA אחד לזהות כמה קודונים שונים שמקודדים לאותה חומצה אמינית.
כתוצאה מכך, מספר סוגי ה-tRNA בפועל קטן משמעותית ממספר הקודונים, למרות שכל חומצה אמינית יכולה להיות מיוצגת על ידי מספר קודונים שונים.
עקרון ה-wobble מאפשר tRNA אחד לזהות כמה קודונים שונים, ולכן קיימים הרבה פחות מינים של tRNA משציפו על פי מספר הקודונים.