חלבונים הם אחד המרכיבים האורגניים החשוביםכל תא חי בגוף. הם מבצעים פונקציות רבות: תמיכה, איתות, אנזימטי, תחבורה, מבניים, קולטן וכו'. מבנים ראשוניים, שניוניים, שלישוניים ורבעוניים של חלבונים הפכו להסתגלות אבולוציונית חשובה. ממה מורכבות המולקולות הללו? מדוע המבנה הנכון של חלבונים בתאי הגוף כה חשוב?
מרכיבים מבניים של חלבונים
מונומרים של כל שרשרת פוליפפטידים הםחומצות אמינו (AA). תרכובות אורגניות עם משקל מולקולרי נמוך הן נפוצות למדי בטבען ויכולות להתקיים כמולקולות עצמאיות המבצעות את תפקידיהן המובנים. ביניהם, הובלה של חומרים, קליטה, עיכוב או הפעלה של אנזימים.
בסך הכל, ישנם כ-200 ביוגניםחומצות אמינו, לעומת זאת, רק 20 מהן יכולות להיות מונומרים חלבוניים. הם מתמוססים בקלות במים, בעלי מבנה גבישי ורבים מהם מתוקים בטעמם.
מנקודת מבט כימית, AKs הן מולקולות בשמכילות בהכרח שתי קבוצות פונקציונליות: -COOH ו-NH2. בעזרת קבוצות אלו, חומצות אמינו יוצרות שרשראות, המתחברות זו לזו באמצעות קשר פפטיד.
לכל אחת מ-20 חומצות האמינו הפרוטאוגניות יש רדיקל משלה, תלוי באילו תכונות כימיות שונות. על פי הרכבם של רדיקלים כאלה, כל ה-AA מסווגים למספר קבוצות.
- לא קוטבי: איזולאוצין, גליצין, לאוצין, ולין, פרולין, אלנין.
- קוטביים ולא טעונים: תראונין, מתיונין, ציסטאין, סרין, גלוטמין, אספרגין.
- ארומטי: טירוזין, פנילאלנין, טריפטופן.
- קוטבי וטעון שלילי: גלוטמט, אספרטאט.
- קוטבי ומטען חיובי: ארגינין, היסטידין, ליזין.
כל רמה של ארגון מבנה חלבון(ראשי, שניוני, שלישוני, רבעוני) מבוסס על שרשרת פוליפפטיד המורכבת מ-AA. ההבדל היחיד הוא איך הרצף הזה נוצר במרחב ובעזרת אילו קשרים כימיים נשמרת קונפורמציה כזו.
מבנה חלבונים ראשוני
כל חלבון נוצר על ריבוזומים -אברוני תאים שאינם ממברניים המעורבים בסינתזה של שרשרת הפוליפפטיד. כאן, חומצות אמינו מקושרות זו לזו באמצעות קשר פפטיד חזק, היוצרות מבנה ראשוני. עם זאת, מבנה ראשוני זה של החלבון שונה מאוד מהרבעוני, ולכן יש צורך בהתבגרות נוספת של המולקולה.
חלבונים כגון אלסטין, היסטונים, גלוטתיון כבר נמצאיםעם מבנה כה פשוט, הם מסוגלים לבצע את תפקידיהם בגוף. עבור הרוב המכריע של החלבונים, השלב הבא הוא היווצרות של קונפורמציה משנית מורכבת יותר.
מבנה חלבון משני
יצירת קשרים פפטידים היא השלב הראשוןהתבגרות של רוב החלבונים. כדי שיוכלו לבצע את תפקידיהם, המבנה המקומי שלהם חייב לעבור כמה שינויים. זה מושג בעזרת קשרי מימן - שבירים, אך במקביל קשרים רבים בין המרכז הבסיסי והחומצי של מולקולות חומצות אמינו.
כך נוצר המבנה המשני של החלבון, מרבעוני מאופיין בפשטות הרכבה וקונפורמציה מקומית. זה האחרון אומר שלא כל השרשרת עוברת טרנספורמציה. קשרי מימן יכולים להיווצר במספר אתרים במרחקים שונים זה מזה, וצורתם תלויה גם בסוג חומצות האמינו ובשיטת ההרכבה.
ליזוזים ופפסין הם נציגים של חלבונים,בעל מבנה משני. פפסין מעורב בתהליכי עיכול, וליזוזים מבצע תפקיד מגן בגוף, הורס את דפנות התא של חיידקים.
תכונות של המבנה המשני
קונפורמציות מקומיות של שרשרת הפפטידים יכולותלְהִשְׁתַנוֹת. כמה עשרות מהם כבר נחקרו, ושלושה מהם הם הנפוצים ביותר. אלה כוללים ספירלת אלפא, שכבות בטא וסיבוב בטא.
- סליל האלפא הוא אחד מתצורות המבנה המשני הנפוצות ביותר ברוב החלבונים. זוהי מסגרת מוט קשיחה עם מהלך של 0.54 ננומטר. רדיקלים של חומצות אמינו מופנים החוצה.
הנפוצות ביותר הן ספירלות יד ימין,ולפעמים ניתן למצוא עמיתים שמאליים. הפונקציה של יצירת הצורה מתבצעת על ידי קשרי מימן, המייצבים את התלתלים. השרשרת שיוצרת את סליל האלפא מכילה מעט מאוד פרולין וחומצות אמינו טעונות קוטביות.
- סיבוב הבטא מבודד למבנה נפרד,למרות שניתן לקרוא לזה חלק משכבת הבטא. המהות טמונה בעיקול שרשרת הפפטידים, הנתמכת בקשרי מימן. בדרך כלל המקום של העיקול עצמו מורכב מ-4-5 חומצות אמינו, ביניהן נדרשת נוכחות של פרולין. AK זה הוא היחיד עם שלד קשיח וקצר, המאפשר ליצור את התור עצמו.
- שכבת הבטא היא שרשרת של חומצות אמינומה שיוצר כמה עיקולים ומייצב אותם בקשרי מימן. מבנה זה דומה מאוד לגיליון נייר מקופל לאקורדיון. לרוב, לחלבונים אגרסיביים יש צורה זו, אך ישנם חריגים רבים.
הבחנה בין שכבת בטא מקבילה לאנטי-מקבילה. במקרה הראשון, קצוות C ו-N בנקודות הכיפוף ובקצות השרשרת חופפים, ובמקרה השני הם לא.
מבנה שלישוני
אריזה נוספת של החלבון מובילה להיווצרותמבנה שלישוני. קונפורמציה זו מיוצבת על ידי קשרים מימן, דיסולפיד, הידרופוביים ויונים. מספרם הגדול מאפשר לעקם את המבנה המשני לצורה מורכבת יותר ולייצב אותו.
הפרד חלבונים כדוריים ופיברילריים. המולקולה של פפטידים כדוריים היא מבנה כדורי. דוגמאות: אלבומין, גלובולין, היסטונים במבנה שלישוני.
חלבונים פיברילרים יוצרים מיתרים חזקים, אורךשעולה על רוחבם. חלבונים כאלה לרוב מבצעים פונקציות מבניות ויוצרות צורה. דוגמאות הן פיברואין, קרטין, קולגן, אלסטין.
מבנה החלבונים במבנה הרבעוני של המולקולה
אם מספר כדוריות משולבות לאחתמורכב, מה שנקרא המבנה הרבעוני נוצר. מבנה זה אינו אופייני לכל הפפטידים, והוא נוצר כאשר יש צורך לבצע פונקציות חשובות וספציפיות.
כל כדור בחלבון מורכב הוא תחום נפרד או פרוטומר. ביחד, מבנה החלבונים של המבנה הרבעוני של המולקולה נקרא אוליגומר.
בדרך כלל, לחלבון כזה יש כמה יציביםקונפורמציות המחליפות זו את זו ללא הרף, בין אם בהתאם להשפעה של גורמים חיצוניים כלשהם, או כאשר יש צורך לבצע פונקציות שונות.
הבדל חשוב בין המבנה השלישוני של חלבון לביןרבעוני הם קשרים בין-מולקולריים, האחראים לחיבור של מספר כדוריות. במרכז המולקולה כולה, ממוקם לעתים קרובות יון מתכת, המשפיע ישירות על היווצרות קשרים בין מולקולריים.
מבני חלבון נוספים
שרשרת של חומצות אמינו לא תמיד מספיקה עבורביצוע תפקידים של חלבון. ברוב המקרים, חומרים אחרים בעלי אופי אורגני ואי-אורגני מחוברים למולקולות כאלה. מכיוון שתכונה זו אופיינית למספר המכריע של אנזימים, ההרכב של חלבונים מורכבים מחולק בדרך כלל לשלושה חלקים:
- אפואנזים הוא חלק חלבוני של מולקולה שהוא רצף חומצות אמינו.
- קואנזים אינו חלבון, אלא חלק אורגני.זה יכול לכלול סוגים שונים של שומנים, פחמימות, או אפילו חומצות גרעין. זה כולל נציגים של תרכובות פעילות ביולוגית, ביניהם יש ויטמינים.
- קו-פקטור הוא חלק אנאורגני, המיוצג ברוב המכריע של המקרים על ידי יוני מתכת.
מבנה החלבונים במבנה רבעונימולקולה דורשת השתתפות של מספר מולקולות ממקורות שונים, ולכן לאנזימים רבים יש שלושה מרכיבים בבת אחת. דוגמה לכך היא פוספוקינאז, אנזים המעביר קבוצת פוספט ממולקולת ATP.
היכן נוצר המבנה הרבעוני של מולקולת חלבון?
שרשרת הפוליפפטיד מתחילה לסנתז בשעהריבוזומים של התא, עם זאת, התבגרות נוספת של החלבון מתרחשת כבר באברונים אחרים. המולקולה החדשה שנוצרה חייבת להיכנס למערכת התחבורה, המורכבת מממברנה גרעינית, EPS, מנגנון גולגי וליזוזומים.
סיבוך של המבנה המרחבי של החלבוןמתרחש ברטיקולום האנדופלזמי, שבו נוצרים לא רק סוגים שונים של קשרים (מימן, דיסולפיד, הידרופובי, אינטרמולקולרי, יוני), אלא מחוברים גם קו-אנזים וקו-פקטור. כך נוצר המבנה הרבעוני של החלבון.
כאשר המולקולה מוכנה לחלוטין לעבודה, היאנכנס לציטופלזמה של התא או למנגנון גולגי. במקרה האחרון, פפטידים אלה נארזים לליזוזומים ומועברים לתאים אחרים.
דוגמאות לחלבונים אוליגומרים
מבנה רבעוני הוא המבנה של חלבונים,אשר נועד להקל על ביצוע פונקציות חיוניות באורגניזם חי. המבנה המורכב של מולקולות אורגניות מאפשר, קודם כל, להשפיע על עבודתם של תהליכים מטבוליים רבים (אנזימים).
חלבונים בעלי חשיבות ביולוגית הם המוגלובין, כלורופיל והמוציאנין. טבעת הפורפירין היא הבסיס למולקולות אלו, שבמרכזה נמצא יון מתכת.
המוגלובין
מבנה רבעוני של מולקולת חלבון המוגלוביןמייצג 4 כדוריות המחוברות בקשרים בין מולקולריים. במרכז - פורפין עם יון ברזל. החלבון מועבר בציטופלזמה של אריתרוציטים, שם הוא תופס כ-80% מהנפח הכולל של הציטופלזמה.
הבסיס של המולקולה הוא heme, שהוא יותר אנאורגני בטבעו וצבעו אדום. זהו גם תוצר הפירוק העיקרי של המוגלובין בכבד.
כולנו יודעים שההמוגלובין מבצע תפקיד חשובתפקוד תחבורה - העברת חמצן ופחמן דו חמצני דרך גוף האדם. המבנה המורכב של מולקולת החלבון יוצרת מרכזים פעילים מיוחדים, המסוגלים לקשור את הגזים המתאימים להמוגלובין.
כאשר נוצר קומפלקס גז חלבון,נוצרים מה שנקרא אוקסיהמוגלובין וקרבוהמוגלובין. עם זאת, יש סוג נוסף של אסוציאציות כאלה שהוא די יציב: קרבוקסיהמוגלובין. זהו קומפלקס של חלבון ופחמן חד חמצני, שיציבותו מסבירה את התקפי החנק עם רעילות יתר.
כלורופיל
נציג נוסף של חלבונים בעלי מבנה רבעוני, שהקשרים של התחומים שלהם כבר נתמכים על ידי יון המגנזיום. תפקידה העיקרי של המולקולה כולה הוא להשתתף בתהליכי הפוטוסינתזה בצמחים.
ישנם סוגים שונים של כלורופיליםנבדלים זה מזה על ידי הרדיקלים של טבעת הפורפירין. כל אחד מהזנים הללו מסומן באות נפרדת של האלפבית הלטיני. לדוגמה, צמחים יבשתיים מאופיינים בנוכחות של כלורופיל a או כלורופיל b, בעוד שסוגים אחרים של חלבון זה נמצאים באצות.
המוציאנין
מולקולה זו היא אנלוגי של המוגלובין בהרבה תחתוניםבעלי חיים (פרוקי רגליים, רכיכות וכו'). ההבדל העיקרי במבנה של חלבון בעל מבנה מולקולרי רבעוני הוא נוכחות של יון אבץ במקום יון ברזל. המוציאנין בצבע כחלחל.
לפעמים אנשים תוהים מה זה יהיהאם תחליף המוגלובין אנושי בהמוציאנין. במקרה זה, התוכן הרגיל של חומרים בדם מופרע, במיוחד חומצות אמינו. המוציאנין גם יוצר קומפלקס עם פחמן דו חמצני בצורה בלתי יציבה, כך של"דם כחול" תהיה נטייה ליצור קרישי דם.
