3.9: חלבונים - מבנה חלבון
- Page ID
- 209944
- סכמו את ארבע הרמות של מבנה החלבון
צורתו של חלבון היא קריטית לתפקודו מכיוון שהיא קובעת אם החלבון יכול לקיים אינטראקציה עם מולקולות אחרות. מבני חלבון מורכבים מאוד, ורק לאחרונה הצליחו החוקרים לקבוע בקלות ובמהירות את מבנה החלבונים השלמים עד לרמה האטומית. (הטכניקות בהן נעשה שימוש מתוארכות לשנות החמישים, אך עד לאחרונה הן היו איטיות ועמלניות מאוד לשימוש, כך שמבני חלבון שלמים היו איטיים מאוד לפתרון.) ביוכימאים מבניים מוקדמים חילקו רעיונית מבני חלבון לארבע "רמות" כדי להקל על ההתמודדות עם המורכבות של המבנים הכוללים. כדי לקבוע כיצד החלבון מקבל את צורתו או הקונפורמציה הסופית שלו, עלינו להבין את ארבע הרמות הללו של מבנה החלבון: ראשוני, משני, שלישוני ורבעוני.
מבנה ראשוני
המבנה העיקרי של חלבון הוא הרצף הייחודי של חומצות אמינו בכל שרשרת פוליפפטיד המרכיבה את החלבון. באמת, זו רק רשימה של אילו חומצות אמינו מופיעות באיזה סדר בשרשרת פוליפפטיד, לא ממש מבנה. אבל, מכיוון שמבנה החלבון הסופי תלוי בסופו של דבר ברצף זה, זה נקרא המבנה העיקרי של שרשרת הפוליפפטיד. לדוגמה, להורמון הלבלב אינסולין יש שתי שרשראות פוליפפטידיות, A ו- B.
הגן, או רצף ה-DNA, קובע בסופו של דבר את הרצף הייחודי של חומצות אמינו בכל שרשרת פפטידים. שינוי ברצף הנוקלאוטידים של אזור הקידוד של הגן עשוי להוביל להוספת חומצת אמינו אחרת לשרשרת הפוליפפטיד הגדלה, ולגרום לשינוי במבנה החלבון ולכן לתפקוד.
חלבון הובלת החמצן המוגלובין מורכב מארבע שרשראות פוליפפטיד, שתי שרשראות α זהות ושתי שרשראות β זהות. באנמיה חרמשית, תחליף אמינו יחיד בשרשרת β המוגלובין גורם לשינוי המבנה של החלבון כולו. כאשר חומצת האמינו גלוטמית מוחלפת בוואלין בשרשרת β, הפוליפפטיד מתקפל לצורה מעט שונה היוצרת חלבון המוגלובין לא מתפקד. לכן, רק החלפת חומצת אמינו אחת יכולה לגרום לשינויים דרמטיים. חלבוני המוגלובין לא מתפקדים אלה, בתנאים דלי חמצן, מתחילים להתחבר זה לזה ויוצרים סיבים ארוכים העשויים ממיליוני המוגלובינים מצטברים המעוותים את כדוריות הדם האדומות לצורות סהר או "מגל", הסותמות עורקים. אנשים שנפגעים מהמחלה חווים לעיתים קרובות קוצר נשימה, סחרחורת, כאבי ראש וכאבי בטן.
מבנה משני
המבנה המשני של חלבון הוא כל המבנים הרגילים הנובעים מאינטראקציות בין חומצות אמינו שכנות או בקרבת מקום כאשר הפוליפפטיד מתחיל להתקפל לצורתו התלת מימדית התפקודית. מבנים משניים נוצרים כאשר נוצרים קשרי H בין קבוצות מקומיות של חומצות אמינו באזור של שרשרת הפוליפפטיד. לעיתים רחוקות משתרע מבנה משני יחיד לאורך שרשרת הפוליפפטיד. זה בדרך כלל רק בחלק מהשרשרת. הצורות הנפוצות ביותר של מבנה משני הן מבני היריעות α-helix ו-β-קפלים והם ממלאים תפקיד מבני חשוב ברוב החלבונים הכדוריים והסיביים.
בשרשרת α-helix נוצר קשר המימן בין אטום החמצן בקבוצת עמוד השדרה של הפוליפפטיד קרבוניל בחומצת אמינו אחת לבין אטום המימן בקבוצת האמינו עמוד השדרה הפוליפפטיד של חומצת אמינו אחרת שנמצאת ארבע חומצות אמינו רחוקות יותר לאורך השרשרת. זה מחזיק את מתיחת חומצות האמינו בסליל ימני. לכל סיבוב סלילי בסליל אלפא יש 3.6 שאריות חומצות אמינו. קבוצות R (שרשראות הצד) של הפוליפפטיד בולטות החוצה משרשרת α-helix ואינן מעורבות בקשרי H השומרים על מבנה α-helix.
ביריעות קפלים β, מתיחות של חומצות אמינו מוחזקות במבנה מורחב כמעט לחלוטין ש"קפלים" או זיג-זגים בשל האופי הלא ליניארי של קשרים קוולנטיים בודדים C-C ו- C-N. יריעות קפלים β לעולם אינן מתרחשות לבד. הם צריכים להחזיק במקומם על ידי יריעות אחרות עם קפלים β. קטעי חומצות האמינו ביריעות מקופלות β מוחזקות במבנה היריעות הקפלים שלהן מכיוון שנוצרים קשרי מימן בין אטום החמצן בקבוצת קרבוניל עמוד שדרה פוליפפטיד של יריעה אחת מקופלת β ואטום המימן בקבוצת אמינו עמוד שדרה פוליפפטיד של גיליון אחר β- קפלים. הסדינים המקופלים β המחזיקים זה את זה יחד מתיישרים במקביל או אנטי מקבילים זה לזה. קבוצות R של חומצות האמינו ביריעה מקופלת β מצביעות בניצב לקשרי המימן המחזיקים את יריעות הקפלים β יחד, ואינן מעורבות בשמירה על מבנה היריעות הקפלים β.
מבנה שלישוני
המבנה השלישוני של שרשרת פוליפפטיד הוא צורתו התלת מימדית הכוללת, לאחר שכל מרכיבי המבנה המשני התקפלו זה לזה. אינטראקציות בין קבוצת R קוטבית, לא קוטבית, חומצית ובסיסית בתוך שרשרת הפוליפפטיד יוצרות את המבנה השלישוני התלת מימדי המורכב של חלבון. כאשר קיפול חלבונים מתרחש בסביבה המימית של הגוף, קבוצות ה- R ההידרופוביות של חומצות אמינו לא קוטביות שוכנות בעיקר בחלק הפנימי של החלבון, בעוד שקבוצות ה- R ההידרופיליות מונחות בעיקר מבחוץ. שרשראות צד של ציסטאין יוצרות קישורי דיסולפיד בנוכחות חמצן, הקשר הקוולנטי היחיד שנוצר במהלך קיפול החלבון. כל האינטראקציות הללו, חלשות וחזקות, קובעות את הצורה התלת מימדית הסופית של החלבון. כאשר חלבון מאבד את צורתו התלת מימדית, הוא כבר לא יהיה פונקציונלי.
מבנה רבעוני
המבנה הרבעוני של חלבון הוא האופן שבו יחידות המשנה שלו מכוונות ומסודרות ביחס זו לזו. כתוצאה מכך, המבנה הרבעוני חל רק על חלבונים מרובי יחידות; כלומר, חלבונים העשויים מיותר משרשרת פוליפפטיד אחת. לחלבונים העשויים מפוליפפטיד בודד לא יהיה מבנה רבעוני.
בחלבונים עם יותר מתת-יחידה אחת, אינטראקציות חלשות בין יחידות המשנה עוזרות לייצב את המבנה הכללי. אנזימים ממלאים לעתים קרובות תפקידי מפתח בקישור יחידות משנה ליצירת החלבון הסופי המתפקד.
לדוגמה, אינסולין הוא חלבון כדורי בצורת כדור המכיל גם קשרי מימן וגם קשרי דיסולפיד המחזיקים את שתי שרשראות הפוליפפטיד שלו יחד. משי הוא חלבון סיבי הנובע מקשר מימן בין שרשראות קפלים β שונות.
נקודות מפתח
- מבנה החלבון תלוי ברצף חומצות האמינו שלו ובקשרים כימיים מקומיים בעלי אנרגיה נמוכה בין אטומים הן בעמוד השדרה הפוליפפטיד והן בשרשראות הצד של חומצות אמינו.
- מבנה החלבון ממלא תפקיד מפתח בתפקודו; אם חלבון מאבד את צורתו ברמה מבנית כלשהי, יתכן שהוא כבר לא מתפקד.
- המבנה העיקרי הוא רצף חומצות האמינו.
- מבנה משני הוא אינטראקציות מקומיות בין מתיחות של שרשרת פוליפפטיד וכולל מבני יריעות α-helix ו-β קפלים.
- מבנה שלישוני הוא הקיפול התלת-ממדי הכולל המונע בעיקר על ידי אינטראקציות בין קבוצות R.
- מבנים רבעוניים הם הכיוון והסידור של יחידות משנה בחלבון רב-יחידות.
מונחי מפתח
- אנטי מקביל: אופי הכיוונים ההפוכים של שני גדילי ה-DNA או שני גדילי בטא המרכיבים את המבנה המשני של חלבון
- קשר דיסולפיד: קשר, המורכב מקשר קוולנטי בין שני אטומי גופרית, שנוצר על ידי תגובה של שתי קבוצות תיול, במיוחד בין קבוצות התיול של שני חלבונים
- יריעה מקופלת β: מבנה משני של חלבונים שבהם קבוצות N-H בעמוד השדרה של גדיל אחד מורחב לחלוטין יוצרות קשרי מימן עם קבוצות C = O בעמוד השדרה של גדיל סמוך מורחב לחלוטין
- α-helix: מבנה משני של חלבונים שבו כל עמוד שדרה N-H יוצר קשר מימן עם קבוצת C = O של חומצת האמינו ארבע שאריות מוקדם יותר באותו סליל.