חלבונים הם חומרים אורגניים. תרכובות מקרומולקולריות אלו מאופיינות בהרכב מסוים ומתפרקות לחומצות אמינו עם הידרוליזה. מולקולות חלבון מגיעות במגוון רחב של צורות, שרבות מהן מורכבות משרשרות פוליפפטידיות מרובות. מידע על מבנה חלבון מקודד ב-DNA, ותהליך סינתזת החלבון נקרא תרגום.
הרכב כימי של חלבונים
חלבון ממוצע מכיל:
- 52% פחמן;
- 7% מימן;
- 12% חנקן;
- 21% חמצן;
- 3% גופרית.
מולקולות חלבון הן פולימרים. כדי להבין את המבנה שלהם, יש צורך לדעת מה הם המונומרים שלהם, חומצות אמינו.
חומצות אמינו
לרוב הם מחולקים לשתי קטגוריות: מתרחשים כל הזמן ומתרחשים מדי פעם. הראשונים כוללים 18 מונומרים חלבוניים ו-2 אמידים נוספים: חומצות אספרטיות וגלוטמיות. לפעמים יש רק שלוש חומצות.
ניתן לסווג חומצות אלו בדרכים רבות: לפי אופי שרשראות הצדדיות או המטען של הרדיקלים שלהן, ניתן לחלק אותן גם במספר קבוצות CN ו-COOH.
מבנה ראשוני של חלבון
רצף חומצות האמינו בשרשרת חלבון קובערמות הארגון, המאפיינים והתפקודים שלאחר מכן. סוג הקשר העיקרי בין מונומרים הוא פפטיד. הוא נוצר על ידי פיצול מימן מחומצת אמינו אחת וקבוצת OH מקבוצה אחרת.
רמת הארגון הראשונה של מולקולת חלבון היא רצף חומצות האמינו שבה, פשוט שרשרת שקובעת את המבנה של מולקולות חלבון. הוא מורכב מ"שלד" בעל מבנה קבוע. זהו רצף חוזר -NH-CH-CO-. שרשראות צד נפרדות מיוצגות על ידי רדיקלים של חומצות אמינו (R), תכונותיהם קובעות את הרכב המבנה של חלבונים.
גם אם המבנה של מולקולות חלבון זהה, הן יכולות להיות שונות בתכונותיהן רק מהעובדה שלמונומרים שלהן יש רצף שונה בשרשרת. סידור חומצות האמינו בחלבון נקבע על ידי גנים ומכתיב פונקציות ביולוגיות מסוימות לחלבון. רצף המונומרים במולקולות האחראיות לאותה פונקציה קרוב לרוב במינים שונים. מולקולות כאלה - זהות או דומות בארגון ומבצעות את אותן פונקציות בסוגים שונים של אורגניזמים - הן חלבונים הומולוגיים. המבנה, התכונות והתפקודים של מולקולות עתידיות נקבעים כבר בשלב הסינתזה של שרשרת חומצות האמינו.
כמה תכונות נפוצות
מבנה החלבונים נחקר במשך זמן רב, וניתוח המבנה הראשוני שלהם אפשר לנו לעשות כמה הכללות. רוב החלבונים מאופיינים בנוכחות של כל עשרים חומצות האמינו, מהן יש הרבה במיוחד גליצין, אלנין, חומצה אספרטית, גלוטמין ומעט טריפטופן, ארגינין, מתיונין,היסטידין. החריגים היחידים הם קבוצות מסוימות של חלבונים, למשל היסטונים. הם נחוצים לאריזת DNA ומכילים הרבה היסטידין.
הכללה שנייה: בחלבונים כדוריים אין דפוסים כלליים בהחלפת חומצות אמינו. אבל אפילו לפוליפפטידים המרוחקים בפעילות ביולוגית יש שברים קטנים זהים של מולקולות.
מבנה משני
רמת הארגון השנייה של שרשרת הפוליפפטיד היא הסידור המרחבי שלה, הנתמך בקשרי מימן. הקצאת α-helix ו-β-fold. לחלק מהשרשרת אין מבנה מסודר, אזורים כאלה נקראים אמורפיים.
סליל האלפא של כל החלבונים הטבעיים הוא ימני. רדיקלים צדדיים של חומצות אמינו בסליל פונים תמיד החוצה וממוקמים בצדדים מנוגדים של צירו. אם הם לא קוטביים, הם מקובצים בצד אחד של הספירלה, וכתוצאה מכך נוצרות קשתות היוצרות תנאים להתכנסות של קטעי ספירלה שונים.
קפלי ביתא - ספירלות מוארכות מאוד - נוטים להיות ממוקמים זה לצד זה במולקולת החלבון ויוצרים שכבות מקבילות β מקבילות ולא מקבילות.
מבנה חלבון שלישוני
רמת הארגון השלישית של מולקולת חלבון היא קיפול של ספירלות, קפלים ומקטעים אמורפיים למבנה קומפקטי. זה נובע מהאינטראקציה של הרדיקלים הצדדיים של המונומרים זה עם זה. קשרים כאלה מחולקים למספר סוגים:
- קשרי מימן נוצרים בין רדיקלים קוטביים;
- הידרופובי– בין קבוצות R לא קוטביות;
- כוחות משיכה אלקטרוסטטיים (קשרים יוניים) – בין קבוצות שהמטענים שלהן מנוגדים;
- דיסולפיד גשרים בין רדיקלי ציסטאין.
סוג הקשר האחרון (–S=S-) הוא אינטראקציה קוולנטית. גשרי דיסולפיד מחזקים חלבונים, המבנה שלהם הופך לעמיד יותר. אבל חיבורים כאלה אינם נדרשים. לדוגמה, ייתכן שיש מעט מאוד ציסטאין בשרשרת הפוליפפטיד, או שהרדיקלים שלו ממוקמים בקרבת מקום ואינם יכולים ליצור "גשר".
הרמה הרביעית של הארגון
לא כל החלבונים יוצרים מבנה רבעוני. מבנה החלבונים ברמה הרביעית נקבע לפי מספר שרשראות הפוליפפטיד (פרוטומרים). הם מחוברים זה לזה באותם קשרים כמו רמת הארגון הקודמת, למעט גשרים דיסולפידים. מולקולה מורכבת מכמה פרוטומרים, שלכל אחד מהם יש מבנה שלישוני מיוחד (או זהה).
כל רמות הארגון קובעות את הפונקציות שהחלבונים המתקבלים יבצעו. מבנה החלבונים ברמת הארגון הראשונה קובע בצורה מדויקת מאוד את תפקידם הבא בתא ובגוף בכללותו.
פונקציות חלבון
קשה אפילו לדמיין כמה חשוב תפקידם של חלבונים בפעילות התא. למעלה, בדקנו את המבנה שלהם. הפונקציות של חלבונים תלויות בו ישירות.
בביצוע פונקציית בנייה (מבנית), הם מהווים את הבסיס לציטופלזמה של כל תא חי. פולימרים אלה הם החומר העיקרי של כל ממברנות התא כאשרמורכבים עם שומנים. זה כולל גם את חלוקת התא לתאים, שלכל אחד מהם יש תגובות משלו. העובדה היא שכל קומפלקס של תהליכים תאיים דורש תנאים משלו, במיוחד ה-pH של המדיום משחק תפקיד חשוב. חלבונים בונים מחיצות דקות המחלקות את התא למה שנקרא תאים. והתופעה עצמה נקראת מידור.
הפונקציה הקטליטית היא לווסת את כל התגובות של התא. כל האנזימים הם חלבונים פשוטים או מורכבים במקור.
כל סוג של תנועה של אורגניזמים (עבודה של שרירים, תנועת פרוטופלזמה בתא, הבהוב של ריסים בפרוטוזואה וכו') מתבצעת על ידי חלבונים. מבנה החלבונים מאפשר להם לנוע, ליצור סיבים וטבעות.
פונקציית ההובלה היא שחומרים רבים מועברים דרך קרום התא על ידי חלבוני נשא מיוחדים.
התפקיד ההורמונלי של פולימרים אלה ברור מיד: מספר הורמונים הם חלבונים במבנה, למשל, אינסולין, אוקסיטוצין.
תפקוד החילוף נקבע על ידי העובדה שחלבונים מסוגלים ליצור משקעים. לדוגמה, ביצה ולגומין, קזאין חלבי, חלבוני זרעים צמחיים - הם אוגרים כמות גדולה של חומרים מזינים.
כל הגידים, מפרקי המפרקים, עצמות השלד, הפרסות נוצרות על ידי חלבונים, מה שמביא אותנו לתפקיד הבא שלהם - תמיכה.
מולקולות חלבון הן קולטנים, המבצעות זיהוי סלקטיבי של חומרים מסוימים. בתפקיד זה ידועים במיוחד גליקופרוטאין ולקטינים.
הכי חשובגורמי חסינות - נוגדנים ומערכת המשלים לפי מקור הם חלבונים. לדוגמה, תהליך קרישת הדם מבוסס על שינויים בחלבון הפיברינוגן. הדפנות הפנימיות של הוושט והקיבה מרופדות בשכבת הגנה של חלבונים ריריים - ליצינים. רעלים הם גם חלבונים במקור. הבסיס של העור המגן על גופם של בעלי חיים הוא קולגן. כל פונקציות החלבון הללו מגנות.
ובכן, הפונקציה האחרונה היא רגולטורית. ישנם חלבונים השולטים על עבודת הגנום. כלומר, הם מסדירים את התמלול והתרגום.
לא משנה כמה חשוב תפקידם של חלבונים, מבנה החלבונים נפרם על ידי מדענים במשך זמן רב. ועכשיו הם מגלים דרכים חדשות להשתמש בידע הזה.
