קריסטלוגרפיה (crystallography) היא ענף במדע המנסה לגלות ולקבוע כיצד מוצקים גבישיים בנויים ברמה האטומית (סידור האטומים במרחב). המיוחד בגבישים הוא שיש להם יחידות בסיס ("תא יחידה") החוזרות על עצמן במרחב.
המידע המתקבל בקריסטלוגרפיה נותן לנו את הקונפיגורציה (מיקום ויחס) של יחידות הבסיס = "תא יחידה", כלומר את המרחק בין היחידות ואת זווית הקשר ביניהן.
דוגמא ל"תא יחידה" קובייתי החוזר על עצמו במרחב (כל נקודה מסמלת אטום או מולקולה). התמונה עובדה מויקיפדיה.
המילה קריסטלוגרפיה מקורה מיוונית והיא הלחם (חיבור) של 2 מילים: crystallon - שפירושה המילולי היא "טיפה קפואה" או "גביש" אך ההגדרה מורחבת למעשה לכל מוצק בעל רמת שקיפות כלשהיא - ו-graphein שפירושו כתיבה.
הקריסטלוגרפיה מבוססת על חקירת תבניות העקיפה (diffraction) של קרינה העוברת דרך המוצק הנמצא בבדיקה.
בכדי להבין מה הכוונה בעקיפה נקדים ונסביר מעט על הנושא.
כאשר גל (שהוא הפרעה המתפשטת במרחב, בתווך במקרה זה) פוגע במכשול קטן יחסית, החזית שלו עוברת עיוות והגל עוקף בחלקו את המכשול.
כאשר מספר רב של גלים פוגעים במכשול נוצרת התאבכות (interference) בין חזיתות הגלים היוצרת חזית גל חדשה שהיא סכום חזיתות הגלים באותה נקודה במרחב.
להבנת נושא ההתאבכות ראה תשובה בשאלה קודמת: לחצו כאן
עקיפה של גלים בים את שובר הגלים (מכשול קטן יחסית לחזית הגל).
כפי שרואים בתמונה העקיפה מתרחשת בגלים באשר הם בין אם הם מאקרוסקופיים (גלי ים) ובין אם הם מיקרוסקופיים (קרינת אור נראה, נויטרונים, אלקטרונים וכו').
בקריסטלוגרפיה משתמשים בעיקר בקרינת X (קרינת רנטגן) קוהרנטית.
קרינת רנטגן היא קרינה אלקטרומגנטית מייננת באורכי של בערך 0.01 ועד 10 ננומטר.
קרינה אלקטרומגנטית קוהרנטית פירושה שכל הגלים מצויים באותו מופע (פאזה) (ראה תמונה).
לייזר הוא דוגמא לקרינה קוהרנטית. לשאלה קודמת על לייזר: לחצו כאן
גלים קוהרנטיים מצויים כולם באותו מופע (פאזה). התמונה עובדה מויקיפדיה.
קרינת ה-X יוצרת אינטראקציה עם האלקטרונים בקליפה החיצונית (רמת ערכיות, אורביטל) החיצונית של האטום.
להסבר על האורביטלים באטום: לחצו כאן.
אם נתייחס רגע לאופיה החלקיקי של הקרינה האלקטרומגנטית, הפוטונים של קרינת ה-X עוקפים את האלקטרונים בקליפה החיצונית.
במידה והיה מדובר על פוטון אחד הרי שהאות היה חלש וחסר משמעות אך כאן יש לנו כמות אדירה של פוטונים שמגיעים באותו מופע (פאזה) ומאותו כיוון. בין הפוטונים נוצרת התאבכות בונה והורסת וכך נוצרת תבנית עקיפה ברת הבחנה.
הנקודות בהן תיווצר התאבכות בונה מתוארות על פי חוק בראג (Bragg’s law):
כאשר:
d הוא המרחק בין המישורים בסריג גבישי.
θ היא זווית הפגיעה של הקרינה.
n הנו מספר שלם המוגדר על פי סדר העקיפה.
λ הוא אורך הגל הפוגע.
מכיוון שכפי שהזכרנו לגביש יש מבנה מחזורי במרחב ניתן לנתח מתוך תבנית העקיפה את מבנה הגביש.
בתמונה - מולקולות מים. קריסטלוגרפיה יכולה למשל לחשוף את מיקום וזווית הקשרים בין מולקולות המים בגביש קרח (ויקיפדיה).
הבעיה היא שמבנים רבים המעניינים אותנו אינם גבישים בצורתם הטבעית, ולמעשה רוב החומרים בביולוגיה אינם גבישים. דוגמא אחת היא חלבונים.
לכן דוגמאות ביולוגיות עוברות תהליכים שונים הגורמים להם להתגבש.
כלת פרס נובל לכימיה לשנת 2009, פרופסור עדה יונת מהמחלקה לביולוגיה מבנית בפקולטה לכימיה של מכון וויצמן למדע, עסקה במחקר קריסטלוגרפי של מבנה הריבוזום.
הריבוזום כינו קומפלקס חלבוני המצוי בתא, גודלו מספר ננומטרים (בערך 20) והוא מכיל מאות אלפי אטומים, הוא מורכב מ-2 תת יחידות 50s ו 30s.
תפקידו של הריבוזום הוא "לתרגם" את המידע המגיע ע"י ה RNA שליח ולהפוך אותו לחלבון המורכב מחומצות אמינו.
מבנה הריבוזום. תת היחידה 30s (כחול) ו 50s (אדום). תמונה נלקחה מויקיפדיה.
תת היחידה 30s (ימין) ו 50s (שמאל) בתלת מימד (ויקיפדיה).
פרופסור עדה יונת ממכון וויצמן, פרופסור ווונקטרמן רמאקרישנן (Venkatraman Ramakrishnan) מאוניברסיטת קיימברידג'’ בבריטניה ופרופסור תומס שטייץ (Thomas A. Steitz) מאוניברסיטת ייל בארצות הברית זכו בפרס נובל לכימיה בזכות תרומתם החשובה להבנת הדרך בה חלבונים בונים את התא.
מחקרים הראו שגם ללא החלבונים המבניים (כלומר רק עם rRNA) הריבוזום מסוגל לבצע את תפקידו אך במצב זה הוא איטי מאוד ולא יעיל.
סיפור גילויו ומציאת מבנהו של הריבוזום רצוף בפרסי נובל.
הריבוזום התגלה בשנות ה 50 של המאה ה 20 ע"י רופא ממוצא רומני בשם גאורג פאלאדה (George Palade). ע"י מיקרוסקופ אלקטרוני (כלי די חדש בתקופה זו) הוא זיהה בתא אזורים מגורגרים שהתגלו בהמשך כריבוזומים. בשנת 1974 הוא זכה על כך בפרס הנובל לרפואה.
מסוף שנות ה 60 ועד תחילת המאה ה 21 נעשו ניסיונות רבים למצוא את המבנה המדויק של הריבוזום.
זהו נושא חשוב מאוד מחד (עצירת יצירת חלבונים בתא יכולה לעזור במלחמה במחלות כאיידס ולוקמייה) אך קשה ואף הוגדר ע"י חלק מהחוקרים כבלתי אפשרי מאידך.
בין החוקרים המובילים בתחום הייתה פרופסור עדה יונת מהמחלקה לביולוגיה מבנית בפקולטה לכימיה של מכון וויצמן למדע. פרופסור יונת עסקה במחקר קריסטלוגרפי של הריבוזום במטרה לפצח את מבנהו.
קריסטלוגרפיה (crystallography) היא ענף במדע המנסה לגלות ולקבוע כיצד מוצקים גבישיים בנויים ברמה האטומית (סידור האטומים במרחב). על שיטת הקריסטלוגרפיה ניתן לקרוא בתשובה לשאלה הבאה: לחץ כאן
הבעיה היא שמבנים ביולוגים רבים המעניינים אותנו, כמו חלבונים באופן כללי והריבוזום באופן פרטני, אינם גבישים בצורתם הטבעית. לכן על מנת לחקור את הריבוזום יש להעביר אותו תהליכים שונים על מנת שיתגבש.
כאן מתעוררת בעיה נוספת, קרינת קרני ה X בה עושים שימוש בקריסטלוגרפיה פירקה את הגביש של הריבוזום באופן מהיר מאוד על בעיה זו התגברה עדה יונת במספר דרכים: טבילה של הדוגמאות בחומר צמיגי דמוי שמן שהחליף את המים והגן על הריבוזומים מנזק בזמן ההקפאה והקפאתם בהקפאה עמוקה (185 מעלות מתחת לאפס) ובנוסף שימוש בריבוזומים מחיידקים שונים החיים בתנאים קיצוניים מכיוון שההנחה היא (הנחה שהתגלתה כנכונה) שריבוזומים של יצורים כאלו יהיו הרבה יותר עמידים.
בשנת 1995 כבר הציגה פרופסור יונת ממצאים בכנס קריסטלוגרפי ובשנים 1999 ו2000 התפרסמו מספר מאמרים פרי עטה שסיפקו את פרטי מבנה הריבוזום ותת יחידותיו ברזולוציה גבוה המיוחד.
פרופסור עדה יונת ממכון וויצמן, פרופסור ווונקטרמן רמאקרישנן (Venkatraman Ramakrishnan) מאוניברסיטת קיימברידג'’ בבריטניה ופרופסור תומס שטייץ (Thomas A. Steitz) מאוניברסיטת ייל בארצות הברית זכו בפרס נובל לכימיה שנת 2009 בזכות תרומתם החשובה להבנת הדרך בה חלבונים בונים את התא.
מאת: ד"ר מאיר ברק
המחלקה לביולוגיה מבנית
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
