Skip to main content
Global

8.10: הפיכת פוליפפטידים לחלבונים

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    208428

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    מבנה החלבון מוצג בדרך כלל בצורה היררכית. אמנם מדובר בפישוט יתר, אך זהו מקום טוב להתחיל בו. כאשר אנו חושבים כיצד פוליפפטיד מתקפל, עלינו לחשוב על הסביבה בה הוא יאכלס, כיצד הוא מתקשר עם עצמו ועם פוליפפטידים אחרים. בחלבון המורכב מפוליפפטידים מרובים, עלינו לשקול כיצד הוא מגיע לאינטראקציה עם אותם פוליפפטידים אחרים (המכונים לעתים קרובות יחידות משנה). כאשר אנו חושבים על מבנה פוליפפטיד מקובל לראות את המונחים מבנה ראשוני, משני, שלישוני ורבעוני. המבנה העיקרי של פוליפפטיד הוא רצף חומצות האמינו לאורך שרשרת הפוליפפטיד, שנכתב מקצה ה-N או האמינו שלו ועד לקצה ה-C או הקרבוקסיל שלו. כפי שנראה להלן, המבנה המשני של פוליפפטיד מורכב ממוטיבים מתקפלים מקומיים: α-Heiix, ה-β-sheet ותחומים מחברים. המבנה השלישוני של פוליפפטיד הוא הצורה התלת מימדית הכוללת שפוליפפטיד תופס בחלל (כמו גם כיצד מכוונות שרשראות ה- R שלו). מבנה רבעוני מתייחס לאופן שבו הפוליפפטידים והגורמים המשותפים השונים משתלבים ומסודרים ליצירת חלבון פונקציונלי. בחלבון המורכב מפוליפפטיד בודד וללא גורמים משותפים, מבנים שלישוניים ורבעוניים זהים. כמורכבות סופית, פוליפפטיד מסוים יכול להיות חלק ממספר חלבונים שונים. זוהי דרך אחת שבה גן יכול למלא תפקיד במספר תהליכים שונים ולהיות מעורב ביצירת מספר פנוטיפים שונים.

    246. אם הפוליפפטיד הוא חלק מחלבון רב-תת-יחידות, עליו גם "למצוא" את הפוליפפטידים של השותף הנכון שלו, וזה שוב תהליך סטוכסטי. אם הפוליפפטיד אינו מתקפל כראוי, הוא לא יתפקד כראוי ואף עלול לפגוע בתא או באורגניזם. מספר הפרעות נוירולוגיות ניווניות נובעות, לפחות בחלקן, מהצטברות של פוליפפטידים מקופלים בצורה לא נכונה (ראה להלן).

    אנו יכולים לחשוב על תהליך הקיפול כהליכה "שיכורה" על פני נוף אנרגטי, עם תנועות המונעות על ידי אינטראקציות בין-מולקולריות והתנגשויות עם מולקולות אחרות. המטרה המוצלחת של תהליך זה היא למצוא את הנקודה הנמוכה ביותר בנוף, מינימום האנרגיה של המערכת. בדרך כלל מניחים שזהו המצב המקורי או התפקודי של הפוליפפטיד. עם זאת, מצב יליד זה אינו בהכרח סטטי, שכן הפוליפפטיד המקופל (והחלבון הסופי) יהיה נתון לתנודות תרמיות; יתכן שהוא יעבור בין מצבים שונים בעלי יציבות דומה, אך לא זהה. האתגר לחישוב המצב המקופל הסופי של פוליפפטיד הוא שמדובר בבעיה מורכבת ביותר. בדרך כלל ננקטות שתי גישות לאפיון המבנה של חלבון פונקציונלי. בראשון מבנה החלבון נקבע ישירות על ידי קריסטלוגרפיה של קרני רנטגן או ספקטרוסקופיה של תהודה מגנטית גרעינית. בשני, אם המבנה של חלבון הומולוגי ידוע (ונשקול חלבונים הומולוגיים בהמשך), ניתן להשתמש בו כמסגרת למודל המבנה של חלבון שלא נפתר בעבר.

    ישנם מספר אילוצים המשפיעים על קיפול פוליפפטיד. הראשון הוא הקשר הפפטיד עצמו. כל הפוליפפטידים מכילים מחרוזת של קשרי פפטיד. לכן אין זה מפתיע שיש דפוסים נפוצים בקיפול פוליפפטיד. הראשון מבין הדפוסים הנפוצים הללו שהוכרו, α-Heiix, התגלה על ידי לינוס פאולינג ורוברט קורי בשנת 1951. לאחר מכן הגיע זמן קצר לאחר מכן תיאורם של גיליון β. הכוחות המניעים את היווצרות ה-α-helix וה-β-sheet יהיו מוכרים. הם אותם כוחות העומדים בבסיס מבנה המים.

    ב-α-helix ו-β-sheet, כל קשרי ה-H האפשריים הכוללים את קבוצות התורם והמקבל של קשר הפפטיד (—N—H: O=C— עם ":" המציין קשר H) נוצרים בתוך הפוליפפטיד. ב-α-helix אינטראקציות קשר H אלה פועלות במקביל לשרשרת הפוליפפטיד. ב-β-sheet הם מתרחשים בין שרשראות פוליפפטידים. הגדילים המקיימים אינטראקציה בתוך גיליון β יכולים לפעול במקביל או אנטי מקבילים זה לזה, ויכולים להתרחש בתוך שרשרת פוליפפטיד אחת או בין שרשראות פוליפפטיד שונות. בסליל α, קבוצות R מצביעות החוצה מציר הסליל. בגליונות β קבוצות ה- R מצביעות באופן מתחלף מעל או מתחת לגיליון. בעוד שכל חומצות האמינו יכולות לקחת חלק במבני α-helix או ב-β-sheet, חומצת האימינו פרולין לא יכולה - לקבוצת ה-N היורדת מה-α-פחמן אין H, כך שנוכחותה בשרשרת פוליפפטיד מובילה לשבירה בתבנית של קשרי H תוך-שרשרת. ראוי לציין שחלק מהפוליפפטידים יכולים לאמץ מבנים שונים מבחינה תפקודית: למשל בצורה אחת (PrPc) חלבון הפריון מכיל רמה גבוהה של α-helix (42%) ובעצם ללא β-sheet (3%), בעוד צורה חלופית (PrPSc), הקשורה למחלה מגרדת רמות גבוהות של β-sheet (43%) ו -30% α-helix (ראה להלן) 247.

    סיבוב קשר פפטיד ופרולין: למרות שהוא נמשך כקשר יחיד, הקשר הפפטיד מתנהג יותר כמו קשר כפול, או ליתר דיוק כמו קשר וחצי. במקרה של קשר בודד, יש סיבוב חופשי סביב ציר הקשר בתגובה להתנגשויות מולקולריות. לעומת זאת, סיבוב סביב קשר פפטיד דורש יותר אנרגיה כדי לעבור מהטרנס לתצורת cis ובחזרה, כלומר, קשה יותר להסתובב סביב הקשר הפפטיד מכיוון שהוא כרוך בשבירה חלקית של הקשר. בנוסף, בתצורת cis קבוצות R של חומצות אמינו סמוכות נמצאות באותו צד של שרשרת הפוליפפטיד. אם קבוצות R אלה הן גדולות הן יכולות להיתקל זו בזו. אם הם יתקרבו מדי הם ידחו זה את זה. התוצאה היא שבדרך כלל שרשרת הפוליפפטיד תהיה בסידור הטרנס. הן בתצורות α-helix והן ב-β-sheet, קשרי הפפטיד נמצאים בתצורת הטרנס מכיוון שתצורת cis משבשת את הארגון הרגיל שלהם.

    לקשרי פפטיד הכוללים שאריות פרולין יש בעיה אחרת. קבוצת האמינו "נעולה" לצורה מסוימת על ידי הטבעת ולכן מטבעה מערערת יציבות הן מבני α-helix והן מבני β-sheet (ראה לעיל). בנוסף, קשרי פפטידים הכוללים פרולינים נמצאים בתצורת cis ~ פי 100 מאלה שבין חומצות אמינו אחרות. תצורת cis זו מובילה לעיקול או קינק בשרשרת הפוליפפטיד. האנרגיה הכרוכה בסיבוב סביב קשר פפטיד הכולל פרולין גבוהה בהרבה מזו של קשר פפטיד סטנדרטי; כל כך גבוה, למעשה, שיש זרזי חלבון, איזומראזות פפטידיל פרולין, שמקלות על סיבוב cis-trans.

    קבוצות R הידרופוביות: פוליפפטידים וחלבונים רבים קיימים בעיקר בסביבה מימית (על בסיס מים). עם זאת, מספר מקבוצות ה- R של חומצות האמינו שלהן הן הידרופוביות. המשמעות היא שהאינטראקציות שלהם עם מים יפחיתו את האנטרופיה של המערכת, על ידי הובלת ארגון מולקולות מים סביב הקבוצה ההידרופובית, מצב שלילי מבחינה תרמודינמית. זה דומה מאוד לתהליך שמניע את הרכבת השומנים למיצלות ולדו-שכבות. פוליפפטיד טיפוסי, עם קבוצות R הידרופוביות לאורכו, בתמיסה מימית, נוטה להתמוטט על עצמו כדי למזער (אם כי לא תמיד לבטל לחלוטין) את האינטראקציות של שאריות ההידרופוביות שלו עם מים. בפועל זה אומר שהשלב הראשון בקיפול של פוליפפטיד מסונתז לאחרונה הוא, בדרך כלל קריסת הפוליפפטיד כך שרוב קבוצות ה- R ההידרופוביות שלו ממוקמות באופן פנימי, מחוץ למגע עם מים. לעומת זאת, כאשר אין (או מעט) קבוצות R הידרופוביות בפוליפפטיד, הפוליפפטיד יטה לאמץ תצורה מורחבת. מצד שני, אם חלבון מגיע להיות מוטבע בתוך ממברנה (נשקול כיצד זה מתרחש בהמשך), אז קבוצות ה- R ההידרופוביות נוטות להיות ממוקמות על פני הפוליפפטיד המקופל המקיים אינטראקציה עם הפנים ההידרופובי של דו שכבת השומנים. אני מקווה שזה הגיוני לך, תרמודינמית.

    הדרך למצב הילידים (כלומר היציב ביותר, הפונקציונלי ביותר) אינה בהכרח חלקה או קבועה מראש. הפוליפפטיד המתקפל יכול "להיתקע" במינימום אנרגיה מקומי; יתכן שלא תהיה מספיק אנרגיה (הנגזרת מהתנגשויות תרמיות) כדי שהיא תצא שוב. אם פוליפפטיד נתקע, מבחינה מבנית, ישנם מנגנונים פעילים לפרוש אותו ולתת לתהליך המוביל למצב הילידים להמשיך שוב. תהליך זה של התפתחות חלקית מתבצע על ידי חלבונים המכונים מלווים. נקודה חשובה להכיר; מלווים אינם קובעים את מצב הילידים של פוליפפטיד. ישנם סוגים רבים של מלווי חלבון; חלקם מקיימים אינטראקציה עם פוליפפטידים ספציפיים כשהם מסונתזים ומנסים למנוע מהם להסתבך, כלומר להתקפל בצורה לא פרודוקטיבית. אחרים יכולים לזהות פוליפפטידים מקופלים בצורה לא הולמת, ובאמצעות צימוד להידרוליזה של ATP, לזרז את התפתחות הפוליפפטיד, ולאפשר לפוליפפטיד הזדמנות שנייה (או שלישית או...) להתקפל בצורה נכונה. באאוקריוט "הפשוט", השמרים Saccharomyces cerevisiae, ישנם לפחות 63 מלווים מולקולריים מובחנים 248.

    עד עכשיו אתה אולי שואל את עצמך, איך מלווים מזהים חלבונים לא מקופלים או מקופלים בצורה לא תקינה? חלבונים שנפרשו היטב נוטים לחשוף שרשראות צד של חומצות אמינו הידרופוביות על פני השטח שלהם. בגלל זה הם גם נוטים להצטבר. מלווים מזהים ומקיימים אינטראקציה עם אזורים הידרופוביים על פני השטח.

    קבוצות R חומציות ובסיסיות: חלק מקבוצות R של חומצות אמינו מכילות חומצה קרבוקסילית או קבוצות אמינו ולכן פועלות כחומצות ובסיסים חלשים. בהתאם ל-pH של סביבתם קבוצות אלו עשויות להיות נטענות, טעונות חיוביות או טעונות שלילי. בין אם קבוצה טעונה או לא טעונה יכולה להיות השפעה דרמטית על המבנה, ולכן הפעילות, של חלבון. על ידי ויסות ה- pH, אורגניזם יכול לווסת את פעילותם של חלבונים ספציפיים. ישנם, למעשה, תאים בתוך תאים אוקריוטיים הנשמרים ב- pH נמוך בחלקם כדי לווסת את מבנה החלבון ופעילותו. בפרט, מקובל שהאזורים הפנימיים של שלפוחיות הקשורות לאנדוציטוזיס הופכים לחומציים (באמצעות שאיבה תלויה ATP של H+ על פני הממברנה שלהם), אשר בתורו מפעיל מספר אנזימים (הממוקמים בתוך השלפוחית) המעורבים בהידרוליזה של חלבונים וחומצות גרעין.

    יחידות משנה וקבוצות תותבות: כעת אתה עלול למצוא את עצמך שואל את עצמך, אם רוב החלבונים מורכבים ממספר פוליפפטידים, אך פוליפפטידים מסונתזים בנפרד, כיצד מורכבים חלבונים בציטופלזמה עמוסים בחלבונים ומולקולות אחרות? זהו תהליך שלעתים קרובות כרוך בחלבוני מלווה ספציפיים הנקשרים לפוליפפטיד מסונתז חדש או מייצב את הקיפול שלו, או מחזיקים אותו עד שהוא מתקשר עם הפוליפפטידים האחרים ליצירת החלבון הסופי והתפקודי. היעדר מלווים מתאימים יכול להקשות על הרכבת חלבונים מרובי יחידות לחלבונים פונקציונליים בַּמַבחֵנָה.

    חלבונים פונקציונליים רבים מכילים גם רכיבים שאינם מבוססי חומצות אמינו, הידועים באופן כללי כגורמים משותפים. חלבון מינוס הקופקטורים שלו ידוע בשם אפופרוטאין. יחד עם הקופקטורים שלו, הוא ידוע כהולופרוטאין. באופן כללי, ללא הקופקטורים שלו, חלבון אינו פעיל ולעתים קרובות לא יציב. קופקטורים יכולים לנוע במורכבותם בין יון מתכת יחיד למולקולות מורכבות למדי, כגון ויטמין B12. קבוצת הרשתית של בקטריורודופסין וקבוצת ההם (עם יון הברזל המרכזי שלה) הם גורמים משותפים. באופן כללי, גורמים משותפים מסונתזים על ידי מסלולים אנבוליים שונים, ולכן הם מייצגים את הפעילות של מספר גנים. אז חלבון פונקציונלי יכול להיות תוצר ישיר של גן בודד, גנים רבים, או (בעקיפין) מסלולים מטבוליים שלמים. יחד עם זאת, היווצרות חלבון יכולה להיות תלויה במלווים, שהם בעצמם פרויקטים של גנים אחרים.

    תורמים וייחוסים