חלבון הוא הבסיס לחיי התא והגוף. מבצע מספר עצום של פונקציות ברקמות חיות, הוא מיישם את היכולות העיקריות שלו: צמיחה, פעילות חיונית, תנועה ורבייה. במקרה זה, התא עצמו מסנתז חלבון, שהמונומר שלו הוא חומצת אמינו. מיקומו במבנה הראשוני של החלבון מתוכנת על ידי הקוד הגנטי, שעובר בירושה. אפילו העברת גנים מתא אם לתא בת היא רק דוגמה להעברת מידע על מבנה חלבון. זה הופך אותה למולקולה שהיא הבסיס לחיים ביולוגיים.
מאפיינים כלליים של מבנה החלבון
מולקולות חלבון המסונתזות בתא הן פולימרים ביולוגיים.
בחלבון, המונומר הוא תמיד חומצת אמינו, ושילובם מרכיב את השרשרת הראשונית של המולקולה. זה נקרא המבנה הראשוני של מולקולת חלבון, אשר מאוחר יותר באופן ספונטני או תחת פעולת זרזים ביולוגיים משתנה למבנה משני, שלישוני או תחום.
מבנה משני ושלישוני
חלבון משנימבנה הוא שינוי מרחבי של השרשרת הראשונית הקשורה ליצירת קשרי מימן באזורים קוטביים. מסיבה זו, השרשרת מקופלת ללולאות או מסובבת לספירלה, שתופסת פחות מקום. בשלב זה משתנה המטען המקומי של מקטעי המולקולה, מה שמעורר היווצרות של מבנה שלישוני - כדורי. החתכים המכווצים או הסליליים מסובבים לכדורים בעזרת קשרי דיסולפיד.
הכדורים עצמם מאפשרים ליצור מבנה מיוחד הדרוש לביצוע הפונקציות המתוכנתות. חשוב שגם לאחר שינוי כזה, המונומר של החלבון הוא חומצת אמינו. זה גם מאשר שבמהלך היווצרות המבנה המשני, ולאחר מכן המבנה השלישוני והרבעוני של החלבון, רצף חומצות האמינו הראשוני אינו משתנה.
אפיון מונומרים של חלבון
כל החלבונים הם פולימרים, שהמונומרים שלהם הם חומצות אמינו. אלו הן תרכובות אורגניות שאו מסונתזות על ידי תא חי או נכנסות אליו כחומרי הזנה. מתוכם, מולקולת חלבון מסונתזת על הריבוזומים באמצעות מטריצת ה-RNA שליח עם הוצאה עצומה של אנרגיה. חומצות אמינו עצמן הן תרכובות בעלות שתי קבוצות כימיות פעילות: רדיקל קרבוקסיל וקבוצת אמינו הממוקמת באטום פחמן אלפא. המבנה הזה הוא שמאפשר למולקולה להיקרא חומצת אלפא-אמינו המסוגלת ליצור קשרים פפטידים. מונומרים של חלבון הם רק חומצות אמינו אלפא.
יצירת קשר פפטיד
קשר פפטיד הוא קבוצה כימית מולקולרית שנוצרת על ידי אטומי פחמן, חמצן, מימן וחנקן. הוא נוצר בתהליך של פיצול מים מקבוצת הקרבוקסיל של חומצת אלפא-אמינו אחת וקבוצת האמינו של אחרת. במקרה זה, הרדיקל ההידרוקסיל מתפצל מהרדיקל הקרבוקסיל, אשר, בשילוב עם הפרוטון של קבוצת האמינו, יוצר מים. כתוצאה מכך, שתי חומצות אמינו מחוברות בקשר קוטבי קוולנטי CONH.
רק חומצות אלפא-אמינו, מונומרים של חלבונים של אורגניזמים חיים, יכולות ליצור אותו. ניתן לצפות ביצירת קשר פפטיד במעבדה, אם כי קשה לסנתז באופן סלקטיבי מולקולה קטנה בתמיסה. מונומרים חלבונים הם חומצות אמינו, והמבנה שלו מתוכנת על ידי הקוד הגנטי. לכן, חומצות אמינו חייבות להיות מחוברות לפי סדר מוגדר בהחלט. זה בלתי אפשרי בתמיסה בתנאי שיווי משקל כאוטי, ולכן עדיין אי אפשר לסנתז חלבון מורכב באופן מלאכותי. אם יש ציוד המאפשר סדר קפדני של הרכבה של המולקולה, התחזוקה שלה תהיה יקרה למדי.
סינתזת חלבונים בתא חי
בתא חי, המצב הפוך, מכיוון שיש לו מנגנון ביוסינתזה מפותח. כאן, ניתן להרכיב את המונומרים של מולקולות החלבון למולקולות ברצף קפדני. הוא מתוכנת על ידי הקוד הגנטי המאוחסן בכרומוזומים. אם יש צורך לסנתז חלבון או אנזים מבני מסוים, תהליך קריאת קוד ה-DNA ויצירת מטריצה (וRNA) שממנו מסונתז חלבון. המונומר יצטרף בהדרגה לשרשרת הפוליפפטיד ההולכת וגדלה במנגנון הריבוזומלי. עם השלמת תהליך זה, תיווצר שרשרת של שאריות חומצות אמינו, אשר באופן ספונטני או במהלך התהליך האנזימטי יווצרו מבנה משני, שלישוני או תחום.
סדירות של ביוסינתזה
יש להדגיש כמה מאפיינים של ביוסינתזה של חלבון, העברת מידע תורשתי ויישומו. הם טמונים בעובדה ש-DNA ו-RNA הם חומרים הומוגניים המורכבים ממונומרים דומים. כלומר, DNA מורכב מנוקלאוטידים, בדיוק כמו RNA. זה האחרון מוצג בצורה של RNA מידע, תחבורה וריבוזומלי. המשמעות היא שכל המנגנון הסלולרי האחראי על אחסון מידע תורשתי וביוסינתזה של חלבונים הוא שלם אחד. לכן, יש להתייחס לגרעין התא עם הריבוזומים, שהם גם מולקולות RNA תחום, כמנגנון שלם אחד לאחסון גנים והטמעתם.
התכונה השנייה של הביוסינתזה של חלבון, שהמונומר שלו הוא חומצת אמינו אלפא, היא קביעת הסדר הקפדני של ההתקשרות שלהם. כל חומצת אמינו חייבת לתפוס את מקומה במבנה החלבון הראשוני. זה מובטח על ידי המנגנון שתואר לעיל לאחסון והטמעה של מידע תורשתי. עשויות להתרחש בו שגיאות, אך הן יבוטלו על ידי זה. במקרה של הרכבה לא נכונה, המולקולה תושמד, והביוסינתזה תתחיל שוב.
