חלבונים הם אחד המרכיבים האורגניים החשובים של כל תא חי בגוף. הם מבצעים פונקציות רבות: תמיכה, איתות, אנזימטי, תחבורה, מבניים, קולטן וכו'. המבנים הראשוניים, המשניים, השלישוניים והרבעוניים של חלבונים הפכו להסתגלות אבולוציונית חשובה. ממה עשויות המולקולות הללו? מדוע המבנה הנכון של חלבונים בתאי הגוף כל כך חשוב?
רכיבים מבניים של חלבונים
המונומרים של כל שרשרת פוליפפטידית הם חומצות אמינו (AA). תרכובות אורגניות עם משקל מולקולרי נמוך הן נפוצות למדי בטבען ויכולות להתקיים כמולקולות עצמאיות המבצעות את תפקידיהן. ביניהם הובלה של חומרים, קליטה, עיכוב או הפעלה של אנזימים.
יש בערך 200 חומצות אמינו ביוגניות בסך הכל, אבל רק 20 מהן יכולות להיות מונומרים חלבוניים. הם מתמוססים בקלות במים, יש להם מבנה גבישי ורבים טעמם מתוק.
C כימיקלמנקודת המבט של AA, מדובר במולקולות המכילות בהכרח שתי קבוצות פונקציונליות: -COOH ו-NH2. בעזרת קבוצות אלו, חומצות אמינו יוצרות שרשראות, המתחברות זו לזו באמצעות קשר פפטיד.
לכל אחת מ-20 חומצות האמינו הפרוטאוגניות יש רדיקל משלה, בהתאם לתכונות הכימיות המשתנות. על פי הרכבם של רדיקלים כאלה, כל ה-AA מסווגים למספר קבוצות.
- לא קוטבי: איזולאוצין, גליצין, לאוצין, ולין, פרולין, אלנין.
- קוטבי ולא טעון: תראונין, מתיונין, ציסטאין, סרין, גלוטמין, אספרגין.
- ארומטי: טירוזין, פנילאלנין, טריפטופן.
- קוטבי וטעון שלילי: גלוטמט, אספרטאט.
- קוטבי וטעון חיובי: ארגינין, היסטידין, ליזין.
כל רמת ארגון של מבנה החלבון (ראשוני, שניוני, שלישוני, רבעוני) מבוססת על שרשרת פוליפפטיד המורכבת מ-AA. ההבדל היחיד הוא איך הרצף הזה מקופל במרחב ובעזרת אילו קשרים כימיים נשמרת הקונפורמציה הזו.
מבנה ראשוני של חלבון
כל חלבון נוצר על ריבוזומים - אברוני תאים שאינם ממברניים המעורבים בסינתזה של שרשרת הפוליפפטיד. כאן, חומצות אמינו מחוברות זו לזו באמצעות קשר פפטיד חזק, היוצרות מבנה ראשוני. עם זאת, מבנה חלבון ראשוני זה שונה מאוד מהמבנה הרבעוני, ולכן יש צורך בהבשלה נוספת של המולקולה.
חלבונים אוהביםאלסטין, היסטונים, גלוטתיון, כבר עם מבנה כה פשוט, מסוגלים לבצע את תפקידיהם בגוף. עבור הרוב המכריע של החלבונים, השלב הבא הוא היווצרות של קונפורמציה משנית מורכבת יותר.
מבנה חלבון משני
יצירת קשרים פפטידים היא הצעד הראשון בהבשלה של רוב החלבונים. כדי שיוכלו לבצע את תפקידיהם, המבנה המקומי שלהם חייב לעבור כמה שינויים. זה מושג בעזרת קשרי מימן - שבירים, אך במקביל קשרים רבים בין המרכז הבסיסי והחומצי של מולקולות חומצות אמינו.
כך נוצר המבנה המשני של החלבון, השונה מהרבעוני בפשטות ההרכבה שלו ובקונפורמציה המקומית. זה האחרון אומר שלא כל השרשרת נתונה לטרנספורמציה. קשרי מימן יכולים להיווצר במספר אתרים במרחקים שונים זה מזה, וצורתם תלויה גם בסוג חומצות האמינו ובשיטת ההרכבה.
ליזוזים ופפסין הם נציגים של חלבונים בעלי מבנה משני. פפסין מעורב בעיכול, וליזוזים מבצע תפקיד מגן בגוף, הורס את דפנות התא של חיידקים.
תכונות של המבנה המשני
קונפורמציות מקומיות של שרשרת הפפטידים יכולות להיות שונות זו מזו. כמה עשרות כבר נחקרו, ושלושה מהם הם הנפוצים ביותר. ביניהם יש אלפא סליל, שכבות בטא וטוויסט בטא.
ספירלת אלפא –אחת הקונפורמציות הנפוצות ביותר של המבנה המשני של רוב החלבונים. זוהי מסגרת מוט קשיחה עם מהלך של 0.54 ננומטר. רדיקלים של חומצות אמינו מצביעים כלפי חוץ
ספירלות יד ימין הן הנפוצות ביותר, ולעיתים ניתן למצוא מקבילות ביד שמאל. פונקציית העיצוב מתבצעת על ידי קשרי מימן, המייצבים את התלתלים. השרשרת שיוצרת את סליל האלפא מכילה מעט מאוד פרולין וחומצות אמינו טעונות קוטביות.
- סיבוב הבטא מבודד למבנה נפרד, אם כי ניתן לקרוא לו חלק משכבת הבטא. השורה התחתונה היא כיפוף שרשרת הפפטידים, הנתמכת בקשרי מימן. בדרך כלל המקום של העיקול עצמו מורכב מ-4-5 חומצות אמינו, ביניהן נוכחות פרולין היא חובה. AK זה הוא היחיד עם שלד קשיח וקצר, המאפשר לו ליצור סיבוב עצמי.
- שכבת הבטא היא שרשרת של חומצות אמינו שיוצרת כמה כיפופים ומייצבת אותן באמצעות קשרי מימן. מבנה זה דומה מאוד לגיליון נייר מקופל לאקורדיון. לרוב, לחלבונים אגרסיביים יש צורה זו, אך ישנם יוצאי דופן רבים.
הבחנה בין שכבת בטא מקבילה לאנטי-מקבילית. במקרה הראשון, ה-C-ו-N- מסתיימות בכיפופים ובקצות השרשרת חופפים, ובמקרה השני הם לא.
מבנה שלישוני
אריזת חלבון נוספת מובילה להיווצרות מבנה שלישוני. קונפורמציה זו מיוצבת בעזרת קשרים מימן, דיסולפיד, הידרופוביים ויונים. מספרם הגדול מאפשר לסובב את המבנה המשני למבנה מורכב יותר.ליצור ולייצב אותו.
הפרד חלבונים כדוריים ופיברילריים. המולקולה של פפטידים כדוריים היא מבנה כדורי. דוגמאות: אלבומין, גלובולין, היסטונים במבנה שלישוני.
חלבונים פיברילים יוצרים גדילים חזקים, שאורכם חורג מרוחבם. חלבונים כאלה לרוב מבצעים פונקציות מבניות ומעצבות. דוגמאות הן פיברואין, קרטין, קולגן, אלסטין.
מבנה החלבונים במבנה הרבעוני של המולקולה
אם מספר כדוריות מתאחדות למכלול אחד, נוצר מה שנקרא המבנה הרבעוני. מבנה זה אינו אופייני לכל הפפטידים, והוא נוצר כאשר יש צורך לבצע פונקציות חשובות וספציפיות.
כל כדור בחלבון מורכב הוא תחום נפרד או פרוטומר נפרד. ביחד, המבנה של חלבונים במבנה הרבעוני של מולקולה נקרא אוליגומר.
לרוב, לחלבון כזה יש כמה קונפורמציות יציבות שמשנות כל הזמן זה את זה, בין אם בהתאם להשפעה של גורמים חיצוניים כלשהם, או כאשר יש צורך לבצע פונקציות שונות.
הבדל חשוב בין המבנה השלישוני והרבעוני של חלבון הוא קשרים בין-מולקולריים, שאחראים על חיבור מספר כדוריות. במרכז המולקולה כולה, יש לעתים קרובות יון מתכת, המשפיע ישירות על יצירת קשרים בין מולקולריים.
מבני חלבון נוספים
לא תמיד מספיקה שרשרת של חומצות אמינו כדי לבצע את הפונקציות של חלבון. בְּברוב המקרים, חומרים אחרים בעלי אופי אורגני ואי-אורגני מחוברים למולקולות כאלה. מכיוון שתכונה זו אופיינית למספר המכריע של אנזימים, הרכב חלבונים מורכבים מחולק בדרך כלל לשלושה חלקים:
- אפואנזים הוא החלק החלבון של המולקולה, שהוא רצף חומצות אמינו.
- קואנזים אינו חלבון, אלא חלק אורגני. זה יכול לכלול סוגים שונים של שומנים, פחמימות, או אפילו חומצות גרעין. זה כולל נציגים של תרכובות פעילות ביולוגית, ביניהן יש ויטמינים.
- Cofactor - חלק לא אורגני, המיוצג ברוב המוחלט של המקרים על ידי יוני מתכת.
מבנה החלבונים במבנה הרבעוני של מולקולה מחייב השתתפות של מספר מולקולות ממוצא שונה, ולכן לאנזימים רבים יש שלושה מרכיבים בו-זמנית. דוגמה לכך היא פוספוקינאז, אנזים המבטיח העברה של קבוצת פוספט ממולקולת ATP.
היכן נוצר המבנה הרבעוני של מולקולת חלבון?
שרשרת הפוליפפטיד מתחילה להיות מסונתזת על הריבוזומים של התא, אך הבשלה נוספת של החלבון מתרחשת באברונים אחרים. המולקולה החדשה שנוצרה חייבת להיכנס למערכת התחבורה, המורכבת מהממברנה הגרעינית, ER, מנגנון גולגי וליזוזומים.
הסיבוך של המבנה המרחבי של החלבון מתרחש ברטיקולום האנדופלזמי, שבו נוצרים לא רק סוגים שונים של קשרים (מימן, דיסולפיד, הידרופובי, אינטרמולקולרי, יוני), אלא גם קואנזים וקופקטור. זה יוצר רבעונימבנה חלבון.
כשהמולקולה מוכנה לחלוטין לעבודה, היא נכנסת לציטופלזמה של התא או למנגנון Golgi. במקרה האחרון, הפפטידים הללו נארזים לליזוזומים ומועברים לתאים אחרים בתא.
דוגמאות לחלבונים אוליגומרים
מבנה רבעוני הוא המבנה של חלבונים, שנועד לתרום לביצוע פונקציות חיוניות באורגניזם חי. המבנה המורכב של מולקולות אורגניות מאפשר, קודם כל, להשפיע על עבודתם של תהליכים מטבוליים רבים (אנזימים).
חלבונים בעלי חשיבות ביולוגית הם המוגלובין, כלורופיל והמוציאנין. טבעת הפורפירין היא הבסיס של מולקולות אלו, שבמרכזה יון מתכת.
המוגלובין
המבנה הרבעוני של מולקולת חלבון ההמוגלובין מורכב מ-4 כדוריות המחוברות בקשרים בין מולקולריים. במרכז נמצא פורפין עם יון ברזל. החלבון מועבר בציטופלזמה של אריתרוציטים, שם הם תופסים כ-80% מהנפח הכולל של הציטופלזמה.
הבסיס של המולקולה הוא heme, בעל אופי אנאורגני יותר וצבעו אדום. זהו גם תוצר הפירוק העיקרי של המוגלובין בכבד.
כולנו יודעים שהמוגלובין מבצע תפקיד הובלה חשוב - העברת חמצן ופחמן דו חמצני בכל גוף האדם. הקונפורמציה המורכבת של מולקולת החלבון יוצרת מרכזים פעילים מיוחדים, המסוגלים לקשור את הגזים המתאימים להמוגלובין.
כאשר נוצר קומפלקס חלבון-גז, נוצרים מה שנקרא אוקסיהמוגלובין וקרבוהמוגלובין. עם זאת, יש עוד אחדמגוון של אסוציאציות כאלה, שהוא די יציב: carboxyhemoglobin. זהו קומפלקס של חלבון ופחמן חד חמצני, שיציבותו מסבירה את התקפי החנק עם רעילות יתר.
כלורופיל
נציג נוסף של חלבונים בעלי מבנה רבעוני, שקשרי התחום שלהם כבר נתמכים על ידי יון מגנזיום. תפקידה העיקרי של המולקולה כולה הוא השתתפות בתהליכי הפוטוסינתזה בצמחים.
ישנם סוגים שונים של כלורופילים, הנבדלים זה מזה ברדיקלים של טבעת הפורפירין. כל אחד מהזנים הללו מסומן באות נפרדת של האלפבית הלטיני. לדוגמה, צמחי קרקע מאופיינים בנוכחות של כלורופיל a או כלורופיל b, בעוד שאצות מכילות גם סוגים אחרים של חלבון זה.
Hemocyanin
מולקולה זו היא אנלוגי להמוגלובין בבעלי חיים נמוכים רבים (פרוקי רגליים, רכיכות וכו'). ההבדל העיקרי במבנה של חלבון בעל מבנה מולקולרי רבעוני הוא נוכחות של יון אבץ במקום יון ברזל. להמוציאנין יש צבע כחלחל.
לפעמים אנשים תוהים מה היה קורה אילו נחליף המוגלובין אנושי בהמוציאנין. במקרה זה, התוכן הרגיל של חומרים בדם, ובפרט חומצות אמינו, מופרע. המוציאנין גם לא יציב ליצירת קומפלקס עם פחמן דו חמצני, כך של"דם כחול" תהיה נטייה ליצור קרישי דם.
