אחת ההגדרות לחיים היא כדלקמן: "החיים הם דרך קיום של גופי חלבון." על הפלנטה שלנו, ללא יוצא מן הכלל, כל האורגניזמים מכילים חומרים אורגניים כמו חלבונים. מאמר זה יתאר חלבונים פשוטים ומורכבים, יזהה הבדלים במבנה המולקולרי, וישקול גם את תפקידיהם בתא.
מהם חלבונים
מנקודת מבט של ביוכימיה, מדובר בפולימרים אורגניים בעלי מולקולריות גבוהה, שהמונומרים שלהם הם 20 סוגים של חומצות אמינו שונות. הם מחוברים ביניהם על ידי קשרים כימיים קוולנטיים, הנקראים אחרת קשרים פפטידים. מכיוון שמונומרים של חלבון הם תרכובות אמפוטריות, הם מכילים גם קבוצת אמינו וגם קבוצה פונקציונלית קרבוקסיל. נוצר ביניהם קשר כימי CO-NH.
אם פוליפפטיד מורכב משאריות חומצות אמינו, הוא יוצר חלבון פשוט. מולקולות פולימרים המכילות בנוסף יוני מתכת, ויטמינים, נוקלאוטידים, פחמימות הם חלבונים מורכבים. הבא אנחנושקול את המבנה המרחבי של פוליפפטידים.
רמות הארגון של מולקולות חלבון
הם מגיעים בארבע תצורות שונות. המבנה הראשון הוא ליניארי, הוא הפשוט ביותר ובעל צורה של שרשרת פוליפפטידית; במהלך הספירליזציה שלו נוצרים קשרי מימן נוספים. הם מייצבים את הסליל, אשר נקרא המבנה המשני. ברמת הארגון השלישונית יש חלבונים פשוטים ומורכבים, רוב תאי הצומח והחי. התצורה האחרונה, הרבעונית, נובעת מאינטראקציה של מספר מולקולות של המבנה המקומי, המאוחדות על ידי קו-אנזימים, זהו המבנה של חלבונים מורכבים המבצעים פונקציות שונות בגוף.
מגוון של חלבונים פשוטים
קבוצת הפוליפפטידים הזו אינה מרובת. המולקולות שלהם מורכבות רק משאריות חומצות אמינו. חלבונים כוללים, למשל, היסטונים וגלובולינים. הראשונים מוצגים במבנה הגרעין ומשולבים עם מולקולות DNA. הקבוצה השנייה - גלובולינים - נחשבים למרכיבים העיקריים של פלזמת הדם. חלבון כמו גמא גלובולין מבצע את תפקידי ההגנה החיסונית והוא נוגדן. תרכובות אלו יכולות ליצור קומפלקסים הכוללים פחמימות מורכבות וחלבונים. חלבונים פשוטים פיברילרים כגון קולגן ואלסטין הם חלק מרקמת החיבור, הסחוס, הגידים והעור. התפקידים העיקריים שלהם הם בנייה ותמיכה.
טובולין חלבון הוא חלק ממיקרו-צינוריות, שהם מרכיבים של ריסים ודגלים של אורגניזמים חד-תאיים כמו ריסים, אוגלנה, טפיליות טפיליות.אותו חלבון נמצא באורגניזמים רב-תאיים (דגלית זרע, ריסת ביצה, אפיתל ריסי של המעי הדק).
חלבון אלבומין מבצע פונקציית אחסון (לדוגמה, חלבון ביצה). באנדוספרם של זרעים של צמחי דגנים - שיפון, אורז, חיטה - מצטברות מולקולות חלבון. הם נקראים תכלילים סלולריים. חומרים אלו משמשים את נבט הזרע בתחילת התפתחותו. בנוסף, תכולת החלבון הגבוהה בגרגרי חיטה היא אינדיקטור חשוב מאוד לאיכות הקמח. ללחם שנאפה מקמח עשיר בגלוטן יש טעם גבוה ובריא יותר. גלוטן כלול במה שנקרא זני חיטה דורום. פלזמת הדם של דגי ים עמוק מכילה חלבונים המונעים מהם למות מהקור. יש להם תכונות נוגדות הקפאה, המונעות את מוות הגוף בטמפרטורות מים נמוכות. מצד שני, דופן התא של חיידקים תרמופיליים החיים במעיינות גיאותרמיים מכילה חלבונים שיכולים לשמור על תצורתם הטבעית (מבנה שלישוני או רבעוני) ולא לדנטורציה בטווח הטמפרטורות שבין +50 ל +90 °С.
Proteids
אלו חלבונים מורכבים, המתאפיינים בגיוון רב בשל התפקודים השונים שהם מבצעים. כפי שצוין קודם לכן, קבוצה זו של פוליפפטידים, בנוסף לחלק החלבון, מכילה קבוצה תותבת. בהשפעת גורמים שונים, כגון טמפרטורה גבוהה, מלחים של מתכות כבדות, אלקליות מרוכזות וחומצות, חלבונים מורכבים יכולים לשנות אתצורה מרחבית, מפשטת אותה. תופעה זו נקראת דנטורציה. המבנה של חלבונים מורכבים נשבר, קשרי מימן נשברים ומולקולות מאבדות את התכונות והתפקודים שלהן. ככלל, דנטורציה היא בלתי הפיכה. אבל עבור חלק מהפוליפפטידים המבצעים פונקציות קטליטיות, מוטוריות ואותות, חידוש טבעי אפשרי - שיקום המבנה הטבעי של החלבון.
אם פעולת הגורם מערער היציבות מתרחשת במשך זמן רב, מולקולת החלבון נהרסת לחלוטין. זה מוביל לביקוע של קשרי הפפטידים של המבנה הראשוני. לא ניתן עוד לשחזר את החלבון ואת תפקידיו. תופעה זו נקראת הרס. דוגמה לכך היא הרתחה של ביצי תרנגולת: חלבון נוזלי - אלבומין, שנמצא במבנה השלישוני, נהרס לחלוטין.
ביוסינתזה של חלבונים
נזכיר שוב שהרכב הפוליפפטידים של אורגניזמים חיים כולל 20 חומצות אמינו, ביניהן חיוניות. אלו ליזין, מתיונין, פנילאלנין וכו' הם נכנסים לזרם הדם מהמעי הדק לאחר פירוק מוצרי חלבון בו. כדי לסנתז חומצות אמינו לא חיוניות (אלנין, פרולין, סרין), פטריות ובעלי חיים משתמשים בתרכובות המכילות חנקן. צמחים, בהיותם אוטוטרופים, יוצרים באופן עצמאי את כל המונומרים המורכבים הדרושים, המייצגים חלבונים מורכבים. לשם כך הם משתמשים בחנקות, אמוניה או חנקן חופשי בתגובות ההטמעה שלהם. במיקרואורגניזמים, מינים מסוימים מספקים לעצמם סט שלם של חומצות אמינו, בעוד שבאחרים רק חלק מהמונומרים מסונתזים. שלביםביוסינתזה של חלבון מתרחשת בתאים של כל היצורים החיים. שעתוק מתרחש בגרעין, ותרגום מתרחש בציטופלזמה של התא.
השלב הראשון - סינתזה של מבשר ה-mRNA מתרחשת בהשתתפות האנזים RNA פולימראז. הוא שובר קשרי מימן בין גדילי DNA, ועל אחד מהם, לפי עקרון ההשלמה, הוא מרכיב מולקולת פרה-mRNA. הוא עובר חיתוך, כלומר מתבגר, ואז יוצא מהגרעין לתוך הציטופלזמה, ויוצר חומצה ריבונוקלאית מטריקס.
ליישום השלב השני, יש צורך באברונים מיוחדים - ריבוזומים, כמו גם מולקולות של חומצות ריבונוקלאיות אינפורמטיביות ותחבורה. תנאי חשוב נוסף הוא נוכחות של מולקולות ATP, שכן תגובות חילוף פלסטיות, הכוללות ביוסינתזה של חלבון, מתרחשות עם ספיגת אנרגיה.
אנזימים, המבנה והתפקודים שלהם
זוהי קבוצה גדולה של חלבונים (בערך 2000) הפועלים כחומרים המשפיעים על קצב התגובות הביוכימיות בתאים. הם יכולים להיות פשוטים (טרפסין, פפסין) או מורכבים. חלבונים מורכבים מורכבים מקו-אנזים ואפואנזים. הספציפיות של החלבון עצמו ביחס לתרכובות שהוא פועל עליהן קובעת את הקו-אנזים, ופעילות החלבונים נצפית רק כאשר מרכיב החלבון קשור לאפואנזים. הפעילות הקטליטית של אנזים אינה תלויה במולקולה כולה, אלא רק באתר הפעיל. המבנה שלו מתאים למבנה הכימי של החומר המזוזז לפי העיקרון"נעילת מפתח", כך שהפעולה של אנזימים היא ספציפית בהחלט. הפונקציות של חלבונים מורכבים הם גם השתתפות בתהליכים מטבוליים וגם השימוש בהם כמקבלים.
חוגים של חלבונים מורכבים
הם פותחו על ידי ביוכימאים על סמך 3 קריטריונים: תכונות פיזיקליות וכימיות, תכונות פונקציונליות ותכונות מבניות ספציפיות של חלבונים. הקבוצה הראשונה כוללת פוליפפטידים הנבדלים בתכונות אלקטרוכימיות. הם מחולקים לבסיס, ניטרלי וחומצי. ביחס למים, חלבונים יכולים להיות הידרופיליים, אמפיפיליים והידרופוביים. הקבוצה השנייה כוללת אנזימים, שנחשבו על ידינו קודם לכן. הקבוצה השלישית כוללת פוליפפטידים הנבדלים בהרכב הכימי של קבוצות תותבות (אלה הם כרומופרוטאינים, נוקלאופרוטאין, מטלופרוטאינים).
בואו נשקול את התכונות של חלבונים מורכבים ביתר פירוט. לדוגמה, חלבון חומצי שהוא חלק מהריבוזומים מכיל 120 חומצות אמינו והוא אוניברסלי. הוא נמצא באברונים המסנתזים חלבון של תאים פרוקריוטיים ואיקריוטים כאחד. נציג נוסף של קבוצה זו, חלבון S-100, מורכב משתי שרשראות המקושרות על ידי יון סידן. הוא חלק מהנוירונים והנוירוגליה - הרקמה התומכת של מערכת העצבים. תכונה משותפת של כל החלבונים החומציים היא תכולה גבוהה של חומצות קרבוקסיליות די-בסיסיות: גלוטמית ואספרטית. חלבונים אלקליים כוללים היסטונים - חלבונים שהם חלק מחומצות הגרעין של DNA ו-RNA. תכונה של ההרכב הכימי שלהם הוא כמות גדולה של ליזין וארגינין.היסטונים, יחד עם הכרומטין של הגרעין, יוצרים כרומוזומים - המבנים החשובים ביותר של תורשת התא. חלבונים אלו מעורבים בתהליכי שעתוק ותרגום. חלבונים אמפיפיליים נמצאים באופן נרחב בממברנות התא, ויוצרים דו-שכבה ליפופרוטאין. לפיכך, לאחר שלמדנו את קבוצות החלבונים המורכבים שנחשבו לעיל, היינו משוכנעים שהתכונות הפיזיקליות-כימיות שלהם נקבעות על ידי המבנה של רכיב החלבון וקבוצות התותבות.
כמה חלבוני קרום תא מורכבים מסוגלים לזהות ולהגיב לתרכובות כימיות שונות, כגון אנטיגנים. זוהי פונקציית איתות של חלבונים, היא חשובה מאוד לתהליכי ספיגה סלקטיבית של חומרים המגיעים מהסביבה החיצונית ולהגנה עליה.
גליקופרוטאינים ופרוטאוגליקנים
הם חלבונים מורכבים הנבדלים זה מזה בהרכב הביוכימי של קבוצות התותבות. אם הקשרים הכימיים בין מרכיב החלבון לחלק הפחמימתי הם קוולנטיים-גליקוזידים, חומרים כאלה נקראים גליקופרוטאין. האפואנזים שלהם מיוצג על ידי מולקולות של מונו-אוליגוסכרידים, דוגמאות לחלבונים כאלה הם פרוטרומבין, פיברינוגן (חלבונים המעורבים בקרישה דם). הורמונים קורטיקו וגונדוטרופיים, אינטרפרונים, אנזימי ממברנה הם גם גליקופרוטאין. במולקולות פרוטאוגליקן, חלק החלבון הוא רק 5%, השאר נופל על הקבוצה התותבת (הטרופוליסכריד). שני החלקים מחוברים על ידי קשר גליקוזידי של קבוצות OH-threonine ו-arginine וקבוצות NH₂-גלוטמין וליזין. למולקולות פרוטאוגליקן תפקיד חשוב מאוד במטבוליזם של מים-מלח של התא. לְהַלָןמציג טבלה של חלבונים מורכבים שנלמדו על ידינו.
| Glycoproteins | Proteoglycans |
| מרכיבים מבניים של קבוצות תותבות | |
| 1. חד סוכרים (גלוקוז, גלקטוז, מנוז) | 1. חומצה היאלורונית |
| 2. אוליגוסכרידים (מלטוזה, לקטוז, סוכרוז) | 2. חומצה כונדרויטית. |
| 3. נגזרות אמינו אצטיליות של חד-סוכרים | 3. הפרין |
| 4. דיאוקסיסכרידים | |
| 5. חומצות נוירמיות וסיאליות | |
Metalloproteins
חומרים אלה מכילים יונים של מתכת אחת או יותר במולקולות שלהם. שקול דוגמאות של חלבונים מורכבים השייכים לקבוצה לעיל. אלו הם בעיקר אנזימים כגון ציטוכרום אוקסידאז. הוא ממוקם על גבי הקרסטה של המיטוכונדריה ומפעיל סינתזת ATP. פרין וטרנספרין הם חלבונים המכילים יוני ברזל. הראשון מפקיד אותם בתאים, והשני הוא חלבון תחבורה בדם. מטלופרוטאין נוסף הוא אלפא-אמלאז, הוא מכיל יוני סידן, הוא חלק מרוק ומיץ לבלב, משתתף בפירוק העמילן. המוגלובין הוא גם מטלופרוטאינים וגם כרומופרוטאינים. הוא מבצע את הפונקציות של חלבון הובלה, נושא חמצן. כתוצאה מכך נוצרת התרכובת אוקסיהמוגלובין. כאשר פחמן חד חמצני, הנקרא אחרת פחמן חד חמצני, נשאף, המולקולות שלו יוצרות תרכובת יציבה מאוד עם המוגלובין אריתרוציטים. זה מתפשט במהירות דרך איברים ורקמות, וגורם להרעלה.תאים. כתוצאה מכך, בשאיפה ממושכת של פחמן חד חמצני, מוות מתרחש מחנק. המוגלובין גם מעביר חלקית פחמן דו חמצני הנוצר בתהליכי קטבוליזם. עם זרימת הדם, פחמן דו חמצני נכנס לריאות ולכליות, ומהם - לסביבה החיצונית. בכמה סרטנים ורכיכות, המוציאנין הוא החלבון נושא החמצן. במקום ברזל, הוא מכיל יוני נחושת, ולכן הדם של בעלי חיים אינו אדום, אלא כחול.
פונקציות כלורופיל
כפי שהזכרנו קודם לכן, חלבונים מורכבים יכולים ליצור קומפלקסים עם פיגמנטים - חומרים אורגניים צבעוניים. צבעם תלוי בקבוצות כרומופורמיות שסופגות באופן סלקטיבי ספקטרום מסויים של אור השמש. בתאי הצמח יש פלסטידים ירוקים - כלורופלסטים המכילים את הפיגמנט כלורופיל. הוא מורכב מאטומי מגנזיום ופיטול אלכוהול רב-הידרי. הם קשורים למולקולות חלבון, והכלורופלסטים עצמם מכילים thylakoids (צלחות), או ממברנות המחוברות בערימות - גרנה. הם מכילים פיגמנטים פוטוסינתטיים - כלורופילים - וקרוטנואידים נוספים. להלן כל האנזימים המשמשים בתגובות פוטוסינתטיות. לפיכך, כרומופרוטאינים, הכוללים כלורופיל, מבצעים את התפקידים החשובים ביותר בחילוף החומרים, כלומר בתגובות של הטמעה והתפזרות.
חלבונים ויראליים
הם נשמרים על ידי נציגים של צורות חיים לא תאיות שהן חלק מתחום הווירה. לווירוסים אין מנגנון משלהם לסינתזה של חלבונים. חומצות גרעין, DNA או RNA, יכולות לגרום לסינתזהחלקיקים משלו על ידי התא עצמו הנגוע בנגיף. וירוסים פשוטים מורכבים רק ממולקולות חלבון המורכבות בצורה קומפקטית למבנים סליליים או פולי-הדרליים, כגון נגיף פסיפס הטבק. לנגיפים מורכבים יש קרום נוסף המהווה חלק מממברנת הפלזמה של התא המארח. זה עשוי לכלול גליקופרוטאין (נגיף הפטיטיס B, וירוס אבעבועות שחורות). תפקידם העיקרי של גליקופרוטאין הוא זיהוי של קולטנים ספציפיים על קרום התא המארח. מעטפות ויראליות נוספות כוללות גם חלבוני אנזים המבטיחים שכפול DNA או שעתוק RNA. בהתבסס על האמור לעיל, ניתן להסיק את המסקנה הבאה: לחלבוני המעטפת של חלקיקים ויראליים יש מבנה ספציפי התלוי בחלבוני הממברנה של התא המארח.
במאמר זה, אפיינו חלבונים מורכבים, חקרנו את המבנה והתפקודים שלהם בתאים של אורגניזמים חיים שונים.
