סינתטאז - מי אתה? ראשית נדבר על העברת המידע הגנטי : מד.נ.א לחלבון tRNA
כידוע, בגופנו יש עשרות אלפי חלבונים שונים, הבנויים משרשראות חומצות אמינו ,חלקן בנות אלפי יחידות, למרות המורכבות והשונות הגדולה בין חלבון לחלבון מתרחשות מעט מאוד טעויות בעת בנייתם.
ובכל זאת, מדי פעם, מסתננת פיסת חומר זר לתוך קו היצור שמתווך בין החומר התורשתי ליצירת חלבונים, טעות שכזאת עלולה להתבטא בתכונות לא רצויות או חלבון לא תקין.
בנקודה רגישה זאת,התווך שבין החומר התורשתי לחלבון, בא לידי ביטוי חלבון tRNA סינטטאז.
לרוב, ביטוי החומר התורשתי נעשה במסלול שלפניכם:
תהליך התרגום בשלמותו
מסלול דו שלבי- שעתוק ותרגום-באנגלית
transcription & translation
התרגום הוא השלב בסינתזת חלבון שעוקב לתהליך השעתוק ומתרחש בריבוזום. בתהליך התרגום מולקולת חלבון מסונתזת לפי מידע המצוי במולקולת RNA שליח (mRNA) על-פי חוקי הקוד הגנטי.
הסרטון הבא ממחיש זאת - מאתר סנטרל דוגמא csi.
תרגום חלבונים בתא
בהתחשב בעובדה שבגופנו יש עשרות אלפי חלבונים שונים, הבנויים משרשראות חומצות אמינו בנות אלפי יחידות, אפשר להגיד ששיעור הטעויות נמוך מאוד. ובכל זאת, מדי פעם, ישנן טעויות בקו הייצור של החלבונים בריבוזום. טעויות אלו יכולות להגרם משיבוש של הקוד הגנטי המתורגם (מוטציות) או משיבוש תהליך התרגום גם כאשר לא קיימות מוטציות ברצף המקודד. מאחר שרצף חומצות האמינו קובע את צורתו התלת-ממדית המקופלת ואת תפקודו, הרי שלעיתים די בחוליה משובשת בודדת כדי לגרום אסון.
בתהליך התרגום (שהוא שלב בסינתזת חלבון שעוקב לתהליך השעתוק) החלבונים נבנים בריבוזום שהוא בית החרושת התאי ליצור חלבונים. הריבוזום משתמש בשני מרכיבים עיקריים בתהליך בניית החלבון:
ה-mRNA ("השליח"), המכיל את המידע הנחוץ לבניית החלבון, ו- RNA ) tRNA מעביר) הנושא את חומצות האמינו – חומרי הגלם הדרושים לבניית החלבון.
תהליך תרגום החלבון מתבסס על קריאת רצף קודונים על גבי ה mRNA
להלן טבלת הקודונים:
מהו קודון
קודון הוא רצף של 3 נוקלאוטידים שקיים ב-DNA וב-mRNA, המקודד לחומצת אמינו מסוימת או לתהליך סיום התרגום. החומר התורשתי נקרא בשלשות נוקלאוטידים הנקראות קודונים, לפי כללי הקוד הגנטי.
לכל קודון ישנם רצפי אנטי קודון תואמים גבי מולקולות ה tRNA. חיבור נכון בין הקודונים לרצפי האנטי-קודונים מאפשר קריאה נכונה של הקוד הגנטי ותרגום תקין של חלבונים.
[1]
השלב הראשון של תהליך התרגום
השלב הראשון של תהליך התרגום הינו התאמה בין הקוד המקודד בחומצות גרעין לשפה של חומצות אמינו. שלב זה הינו שלב מרכזי בתהליך המורכב של ייצור חלבונים. כמו כן בשלב זה מתבצעת "בקרת איכות" במטרה לוודא, כי תרגום החלבון הסופי אכן יעשה בדיוק לפי ההוראות המצויות ב mRNA. הדבר נעשה בשיתוף פעולה בין מולקולת RNA מעביר הקרויה tRNA, לבין אנזים מסוים (אמינו אציל RNA-סינתטאז). אם נדמה את הRNA-מעביר ל"משאית" שמובילה את יחידות חומצות האמינו לקו הייצור בריבוזום, האנזים הוא "סבל" שמעמיס את חומצות האמינו על המשאיות. כל "סבל-אינזים" מכיר חומצת אמינו אחת, ואותה הוא תופס ומעמיס. חלק מהסבלים הם בעלי אחריות נוספת: מאחר שחלק מחומצות האמינו דומות אחת לשנייה, ועשויות לגרום בלבול, הסבלים מתפקדים גם כבקרי איכות, אשר בודקים פעם נוספת את הסחורה לפני המשלוח.
ולכן אנו רואים חשיבות גדולה בלמידת התפקוד של מהשפחה זו ובחרנו להתמקד בואלין tRNA סינתטאז (אחד מעשרים ) ממשפחת אמינואציל-tRNA אשר מחבר את חומצת האמינו ואלין ל tRNA
משפחת האמינואציל tRNA
תפקיד האנזים:
הפונקציה המרכזית של האנזים אלו הינה לזרז את הראקציה בה כל tRNA נטען בחומצה אמינית המתאימה. ראקציה זו דורשת את האקצטיבציה של חומצה האמינית ע"י ATP ליצירת aminoacyl adenylate, ולאחר מכן חומצות האמיניות שעברו שפעול יכולות להתחבר לקצה ההידרוקסילי ה 3' של ה tRNA . רוב האורגניזמים החיים מכילים 20 (aaRSs) Aminoacyl-tRNA synthetase כאשר כל אחד מהחלבונים מזהה ח. אמינו ספציפית ואת ה tRNA המתאימים על מנת לבצע ראקציה ספציפית.
הדיוק והיעילות של אנזימים אלה קריטיים- דיוק תהליך סינתזת החלבונים בריבוזום חשובה לאיכותו של החלבון העתידי ובכך הדבר מסייע למבנה ותפקוד תקין של החלבונים בתא ולמניעת מחלות.
מוטציות באנזימים אלו מקושרות למחלות נירולוגיות והתפתחותיות
מבנה האנזים:
לכל האמינואציל tRNA סינתטאז ישנם שני אזורים מרכזיים.
האזור (דומיין) הראשון הינו האזור הקטליטי אשר מזהה ATP, ח. אמינו ספציפית את הקצה ה 3' של ה tRNA. .
האזור (דומיין) השני אחראי על זיהוי ספציפי של ה tRNA המתאים דרך האנטיקודון (אזור קושר אנטיקודון). אזור זה יוצר קשרים ספציפיים עם האנטיקטדון על מנת להבטיח את הספציפיות של הראקציה.
האנזים אמינו אציל- סינתטאז ( בירוק ) מזהה מולקולת tRNA( חום ) ומחבר אליה ח' אמינית.
זיהוי נכון של המולקולה נעשה על פי האזורים המופיעים באדום.
ואלין tRNA סינתטאז
על מנת להבין את פעולת האנזים בחרנו להתמקד במבנה של ואלין tRNA סינתטאז (1GAX).
במבנה זה גובש דימר (שתי תתי יחידות) של האנזים מ Thermus thermophilus כולל שתי מולקולות tRNA ואלין קשורות ואנלוג של Valyl-adenilate.
דף עבודה לתלמיד
References
- ↑
השלד התוך תאי - המחלקה להוראת המדעים מכון ויצמן
סצנות מבניות
מבנה החלבון השלם של ואלין tRNA סינתטאז (),
הינו דימר של אמינואציל tRNA ואלין עם שתי מולקולות tRNA מחוברות אליו. בסצנה זו תת יחידה אחת של החלבון צבועה בירוק והשנייה בתכלת. ה tRNA צבוע באדום וכחול על מנת להדגיש את מורכבות המבנה. בנוסף, מוצג מבנה מלא סטטי () בו ניתן לראות את המבנה כולל הפניות (חיצים) למרכיביו השונים.
על מנת להציג את החלבון וה RNA בצורה ברורה משלב זה הסצנות מוצגות כמונומר.
חלבונים הם מולקולות פולימריות המורכבות משרשרת של ח. אמינו.החלבונים מורכבים מצירופים שונים של 20 סוגי חומצות אמינו הנקשרות זו לזו בקשרים פפטידיים ליצירת החלבון.לכל חלבון רצף ייחודי של ח' אמינו המתקפלות למבנה ייחודי. במקרים רבים כאשר מגבשים אנזים יש לעשות זאת עם מולקולות נוספות המתחברות אליהם. במקרה ספציפי זה ניתן לראות כי המבנה שגובש מכיל הן חלבון המורכב מח. אמינו תצוגת ח' אמינו (כחול) והן tRNA המורכב מחומצות געין (חום) ()
משפחת האנזימים אמינואציל tRNA סינתטאז קושרות בנוסף גם ח. אמינית על מנת לבצע את פעילותו האנזימתית (קישורית לתפקיד האנזים). לכן אתר חשוב במבנה זה הינו
אתר קישור ואלין בעמדה 81.(). בסצנה זו ניתן לראות את האנזים בצבע כחול ואת מולקולת ה tRNA בירוק. ניתן לראות בנוסף את אתר הקישור של ואלין (עמדה 81) מסומנת האדום.
ישנם מבנים של חלבונים שיש בהם מוטיבים אשר חוזרים על עצמם פעמים רבות במבנה החלבון. אחד משני המוטיבים מרכזיים הינו מבנה שניוני אלפא הליקס () במבנה החלבון ניתן לראות את האנזים בצבע כחול ואת מולקולת ה tRNA בירוק. מבנים שניוניים אשר מקופלים ל Alpha helix צבועים באדום. מוטיב מרכזי נוסף הינו מבנה שניוני בטא שיט(). כאן ניתן לראות ניתן לראות את האנזים בצבע כחול ואת מולקולת ה tRNA בירוק. מבנים שניוניים אשר מקופלים ל Beta sheet צבועים באדום.
בנוסף למבנה החלבון, מבנה ה tRNA גם כן הינו ייחודי .מולקולת tRNA בצבע סגול. ניתן לראות את הבסיסים החנקניים (פורינים ופרימידינים) המרכיבים כל RNA בתא. ניתן לראות זאת ב מבט על רנא () בה האנזים בצבע כחול ואת מולקולת ה tRNA סגול.
אנזימים רבים זקוקים למולקולת ATP על מנת לבצע את פעולתם. אנזימי האמינואציל tRNA סינתטאז מתבססים גם הם על הידרוליזה של ATP (ראה תפקיד האינזים). באנזים יש ATP אתר קישור (). בסצנה זו ניתן לראות את האנזים בצבע חום ואת מולקולת ה tRNA בירוק. בנוסף ניתן לראות את אתר קישור ה ATP בסגול ומחובר לאתר הקישור שלו באנזים.
