חלבונים, שתפקידם הביולוגי ייחשב היום, הם תרכובות מקרו-מולקולריות הבנויות מחומצות אמינו. בין כל התרכובות האורגניות האחרות, הן מהמורכבות ביותר במבנה שלהן. לפי הרכב היסודות, חלבונים שונים משומנים ופחמימות: בנוסף לחמצן, מימן ופחמן, הם מכילים גם חנקן. בנוסף, גופרית היא מרכיב הכרחי מהחלבונים החשובים ביותר, וחלקם מכילים יוד, ברזל וזרחן.
התפקיד הביולוגי של החלבון גבוה מאוד. תרכובות אלו הן המרכיבות את עיקר מסת הפרוטופלזמה, כמו גם את גרעיני התאים החיים. חלבונים נמצאים בכל יצורי החי והצומח.
פונקציה אחת או יותר
התפקיד הביולוגי והתפקודים של התרכובות השונות שלהם שונים. כחומר בעל מבנה כימי ספציפי, כל חלבון מבצע תפקיד מיוחד ביותר. רק במקרים מסוימים הוא יכול לבצע כמה מחוברים בבת אחת. למשל, אדרנלין, המיוצר במדולהבלוטות יותרת הכליה, הנכנסות לזרם הדם, מגבירים את לחץ הדם וצריכת החמצן, סוכר בדם. בנוסף, הוא ממריץ את חילוף החומרים, ובבעלי חיים בעלי דם קר הוא גם מתווך של מערכת העצבים. כפי שאתה יכול לראות, הוא מבצע פונקציות רבות בו-זמנית.
פונקציה אנזימטית (קטליטית)
תגובות ביוכימיות מגוונות המתרחשות באורגניזמים חיים מתבצעות בתנאים קלים, שבהם הטמפרטורה קרובה ל-40 מעלות צלזיוס, וערכי ה-pH כמעט ניטרליים. בתנאים אלה, קצבי הזרימה של רבים מהם זניחים. לכן, כדי שיתממשו יש צורך באנזימים - זרזים ביולוגיים מיוחדים. כמעט כל התגובות, פרט לפוטוליזה של מים, מזורזות באורגניזמים חיים על ידי אנזימים. יסודות אלו הם חלבונים או קומפלקסים של חלבונים עם קו-פקטור (מולקולה אורגנית או יון מתכת). אנזימים פועלים באופן סלקטיבי מאוד, ומתחילים את התהליך הדרוש. אז, התפקוד הקטליטי שנדון לעיל הוא אחד מאלה שמבצעים חלבונים. התפקיד הביולוגי של תרכובות אלו, לעומת זאת, אינו מוגבל ליישום שלה. ישנן תכונות רבות נוספות שנבחן בהמשך.
פונקציית תחבורה
למען קיומו של תא יש צורך שייכנסו לתוכו חומרים רבים, המספקים לו אנרגיה וחומרי בניין. כל הממברנות הביולוגיות בנויות במשותףעִקָרוֹן. זוהי שכבה כפולה של שומנים, חלבונים טבולים בתוכה. במקביל, אזורים הידרופיליים של מקרומולקולות מרוכזים על פני הממברנות, ו"זנבות" הידרופוביים מרוכזים בעובי שלהם. מבנה זה נשאר אטום למרכיבים חשובים: חומצות אמינו, סוכרים, יוני מתכת אלקלית. חדירתם של יסודות אלו לתא מתרחשת בעזרת חלבוני הובלה המשובצים בקרום התא. לחיידקים, למשל, יש חלבון מיוחד שמעביר לקטוז (סוכר חלב) על פני הממברנה החיצונית.
לאורגניזמים רב-תאיים יש מערכת להעברת חומרים שונים מאיבר אחד לאחר. אנחנו מדברים בעיקר על המוגלובין (בתמונה למעלה). בנוסף, אלבומין בסרום (חלבון תחבורה) נמצא כל הזמן בפלסמת הדם. יש לו את היכולת ליצור קומפלקסים חזקים עם חומצות שומן הנוצרות במהלך עיכול שומנים, כמו גם עם מספר חומצות אמינו הידרופוביות (למשל, עם טריפטופן) ועם תרופות רבות (חלק מהפניצילינים, סולפנאמידים, אספירין). טרנספרין, המתווך הובלה של יוני ברזל בגוף, הוא דוגמה נוספת. ניתן גם להזכיר את ceruplasmin, הנושא יוני נחושת. אז שקלנו את פונקציית ההובלה שמבצעים חלבונים. גם תפקידם הביולוגי משמעותי מאוד מנקודת מבט זו.
פונקציית קולטן
לחלבונים קולטן יש חשיבות רבה, במיוחד לתמיכת החיים של אורגניזמים רב-תאיים. הם מובניםלתוך קרום תא הפלזמה ומשמשים לתפיסה והפיכה נוספת של האותות הנכנסים לתא. במקרה זה, האותות יכולים להיות גם מתאים אחרים וגם מהסביבה. קולטני אצטילכולין הם כיום הנחקרים ביותר. הם ממוקמים במספר מגעים פנימיים על גבי קרום התא, כולל בצמתים עצביים-שריריים, בקליפת המוח. חלבונים אלה מקיימים אינטראקציה עם אצטילכולין ומשדרים אות לתוך התא.
יש להסיר את הנוירוטרנסמיטר לקליטת האות ולהמירו כדי שתהיה לתא הזדמנות להתכונן לתפיסה של אותות נוספים. לשם כך משתמשים באצטילכולין אסטראז - אנזים מיוחד המזרז את ההידרוליזה של אצטילכולין לכולין ולאצטט. האין זה נכון שגם לתפקוד הקולטן שמבצעים חלבונים יש חשיבות רבה? התפקיד הביולוגי של התפקוד הבא, המגן על הגוף, הוא עצום. אי אפשר פשוט לא להסכים עם זה.
פונקציית הגנה
בגוף, מערכת החיסון מגיבה להופעת חלקיקים זרים בו על ידי ייצור מספר רב של לימפוציטים. הם מסוגלים לפגוע באלמנטים באופן סלקטיבי. חלקיקים זרים כאלה יכולים להיות תאים סרטניים, חיידקים פתוגניים, חלקיקים על-מולקולריים (מקרומולקולות, וירוסים וכו'). לימפוציטים מסוג B הם קבוצה של לימפוציטים המייצרים חלבונים מיוחדים. חלבונים אלו משתחררים למערכת הדם. הם מזהים חלקיקים זרים, תוך יצירת קומפלקס ספציפי מאוד בשלב ההרס. חלבונים אלו נקראים אימונוגלובולינים. חומרים זרים נקראים אנטיגנים.שמפעילים תגובה של מערכת החיסון.
פונקציה מבנית
מלבד חלבונים שמבצעים פונקציות מיוחדות מאוד, יש גם כאלה שמשמעותם היא בעיקר מבנית. הודות להם, חוזק מכני מסופק, כמו גם תכונות אחרות של רקמות של אורגניזמים חיים. חלבונים אלה כוללים, קודם כל, קולגן. קולגן (בתמונה למטה) ביונקים מהווה כרבע ממסת החלבונים. הוא מסונתז בתאים העיקריים המרכיבים רקמת חיבור (הנקראים פיברובלסטים).
בתחילה, קולגן נוצר כפרוקולגן - המבשר שלו, עובר עיבוד כימי בפיברובלסטים. לאחר מכן הוא נוצר בצורה של שלוש שרשראות פוליפפטידים מעוותות לספירלה. הם מתחברים כבר מחוץ לפיברובלסטים לסיבים של קולגן בקוטר של כמה מאות ננומטרים. האחרונים יוצרים חוטי קולגן, שכבר ניתן לראותם במיקרוסקופ. ברקמות אלסטיות (דפנות הריאות, כלי דם, עור), המטריצה החוץ תאית מכילה בנוסף לקולגן גם את החלבון אלסטין. הוא יכול להימתח על טווח רחב למדי ואז לחזור למצבו המקורי. דוגמה נוספת לחלבון מבני שניתן לתת כאן היא פיברואין משי. הוא מבודד במהלך היווצרות הגולם של זחל תולעי המשי. זהו המרכיב העיקרי של חוטי משי. בואו נעבור לתיאור של חלבונים מוטוריים.
חלבונים מוטוריים
וביישום של תהליכים מוטוריים, התפקיד הביולוגי של חלבונים הוא גדול.בואו נדבר בקצרה על הפונקציה הזו. התכווצות שרירים היא התהליך שבמהלכו אנרגיה כימית מומרת לעבודה מכנית. המשתתפים הישירים בו הם שני חלבונים - מיוזין ואקטין. למיוזין מבנה מאוד יוצא דופן. הוא נוצר משני ראשים כדוריים וזנב (חלק חוטי ארוך). בערך 1600 ננומטר הוא אורכה של מולקולה אחת. הראשים עומדים על כ-200 ננומטר.
אקטין (בתמונה למעלה) הוא חלבון כדורי עם משקל מולקולרי של 42,000. הוא יכול לבצע פילמור ליצירת מבנה ארוך ולקיים אינטראקציה בצורה זו עם ראש המיוזין. מאפיין חשוב של תהליך זה הוא התלות שלו בנוכחות ATP. אם הריכוז שלו גבוה מספיק, הקומפלקס שנוצר על ידי מיוזין ואקטין נהרס, ואז הוא משוחזר שוב לאחר שמתרחשת הידרוליזה של ATP כתוצאה מפעולת מיוזין ATPase. ניתן לראות תהליך זה, למשל, בתמיסה שבה נמצאים שני החלבונים. הוא הופך לצמיג כתוצאה מהיווצרות קומפלקס במשקל מולקולרי גבוה בהיעדר ATP. עם הוספתו, הצמיגות יורדת בחדות עקב הרס הקומפלקס שנוצר, ולאחר מכן הוא מתחיל להתאושש בהדרגה כתוצאה מהידרוליזה של ATP. בתהליך התכווצות השרירים, לאינטראקציות אלו תפקיד חשוב מאוד.
אנטיביוטיקה
אנחנו ממשיכים לחשוף את הנושא "התפקיד הביולוגי של החלבון בגוף." קבוצה מאוד גדולה וחשובה מאודתרכובות טבעיות מרכיבות חומרים הנקראים אנטיביוטיקה. הם ממקור חיידקי. חומרים אלו מופרשים על ידי סוגים מיוחדים של מיקרואורגניזמים. אין עוררין על התפקיד הביולוגי של חומצות אמינו וחלבונים, אבל האנטיביוטיקה ממלאת תפקיד מיוחד וחשוב מאוד. הם מעכבים את הצמיחה של מיקרואורגניזמים שמתחרים בהם. בשנות ה-40, הגילוי והשימוש באנטיביוטיקה חוללו מהפכה בטיפול במחלות זיהומיות הנגרמות על ידי חיידקים. יש לציין שברוב המקרים, אנטיביוטיקה אינה פועלת על וירוסים, ולכן השימוש בהן כתרופות אנטי-ויראליות אינו יעיל.
דוגמאות לאנטיביוטיקה
קבוצת הפניצילין הייתה הראשונה שהופעלה. דוגמאות לקבוצה זו הן אמפיצילין ובנזילפניצילין. אנטיביוטיקה מגוונת במנגנון הפעולה שלהן ובאופיה הכימי. חלק מאלה שנמצאים בשימוש נרחב כיום מקיימים אינטראקציה עם ריבוזומים אנושיים, בעוד שסינתזת חלבון מעוכבת בריבוזומים חיידקיים. יחד עם זאת, הם כמעט לא מקיימים אינטראקציה עם ריבוזומים אוקריוטיים. לכן, הם הרסניים עבור תאי חיידקים, ומעט רעילים עבור בעלי חיים ובני אדם. אנטיביוטיקה זו כוללת סטרפטומיצין ולבומיציטין (כלורמפניקול).
התפקיד הביולוגי של ביו-סינתזה של חלבון חשוב מאוד, ולתהליך זה עצמו יש כמה שלבים. נדבר על זה רק במונחים כלליים.
התהליך והתפקיד הביולוגי של ביוסינתזה של חלבון
תהליך זה הוא רב-שלבי ומורכב מאוד. זה קורה בריבוזומים -אברונים מיוחדים. התא מכיל ריבוזומים רבים. לאי קולי, למשל, יש כ-20 אלף כאלה.
"תאר את תהליך הביוסינתזה של חלבונים ותפקידו הביולוגי" - משימה כזו רבים מאיתנו קיבלו בבית הספר. ולרבים זה היה קשה. ובכן, בואו ננסה להבין את זה ביחד.
מולקולות חלבון הן שרשראות פוליפפטידים. הם מורכבים, כפי שאתה כבר יודע, מחומצות אמינו בודדות. עם זאת, האחרונים אינם פעילים מספיק. על מנת לשלב וליצור מולקולת חלבון, הם דורשים הפעלה. זה מתרחש כתוצאה מפעולה של אנזימים מיוחדים. לכל חומצת אמינו יש אנזים משלה המותאם במיוחד אליו. מקור האנרגיה לתהליך זה הוא ATP (אדנוזין טריפוספט). כתוצאה מההפעלה חומצת האמינו הופכת לאבילית יותר ונקשרת בפעולת האנזים הזה ל-t-RNA שמעביר אותו לריבוזום (בגלל זה RNA זה נקרא טרנספורט). לפיכך, חומצות אמינו משופעלות הקשורות ל-tRNA נכנסות לריבוזום. הריבוזום הוא מעין מסוע להרכבת שרשראות חלבון מחומצות אמינו נכנסות.
קשה להעריך יתר על המידה את תפקיד סינתזת החלבון, מכיוון שהתרכובות המסונתזות מבצעות פונקציות חשובות מאוד. כמעט כל המבנים הסלולריים מורכבים מהם.
לכן, תיארנו במונחים כלליים את תהליך הביוסינתזה של חלבון ותפקידו הביולוגי. זה מסיים את המבוא שלנו לחלבונים. אנו מקווים שיש לך את הרצון להמשיך את זה.
