חלבונים פשוטים ומורכבים. מבנה, פונקציה, מאפיינים, מאפיינים, דוגמאות לחלבונים מורכבים

אחת ההגדרות של החיים היא כדלקמןדרך: "החיים הם דרך קיום של גופי חלבון." על הפלנטה שלנו, כל האורגניזמים, ללא יוצא מן הכלל, מכילים חומרים אורגניים כמו חלבונים. מאמר זה יתאר חלבונים פשוטים ומורכבים, יקבע את ההבדלים במבנה המולקולרי, ויבחן גם את תפקידיהם בתא.

מהם חלבונים

מנקודת מבט הביוכימיה, מדובר במשקל מולקולרי גבוהפולימרים אורגניים, המונומרים שלהם הם 20 סוגים של חומצות אמינו שונות. הם קשורים זה לזה על ידי קשרים כימיים קוולנטיים, הנקראים אחרת קשרי פפטיד. מכיוון שמונומרים חלבוניים הם תרכובות אמפוטריות, הם מכילים גם קבוצת אמינו וגם קבוצה פונקציונלית של קרבוקסיל. הקשר הכימי CO-NH נוצר ביניהם.

אם הפוליפפטיד מורכב משאריותחומצות אמינו מקשר, הוא יוצר חלבון פשוט. מולקולות פולימריות המכילות בנוסף יונים מתכתיים, ויטמינים, נוקלאוטידים, פחמימות הם חלבונים מורכבים. לאחר מכן, נשקול את המבנה המרחבי של פוליפפטידים.

רמות ארגוניות של מולקולות חלבון

הם מוצגים בארבעה שוניםתצורות. המבנה הראשון הוא ליניארי, הוא הפשוט ביותר ונראה כמו שרשרת פוליפפטיד; במהלך הספירליזציה שלו נוצרים קשרי מימן נוספים. הם מייצבים את הספירלה, המכונה המבנה המשני. ברמת הארגון השלישי יש חלבונים פשוטים ומורכבים, מרבית התאים הצמחיים ובעלי החיים. התצורה האחרונה היא תצורה רביעית, הנובעת מאינטראקציה של כמה מולקולות של המבנה המקומי, המאוחדות על ידי אנזימים; זהו מבנה של חלבונים מורכבים המבצעים פונקציות שונות בגוף.

מגוון חלבונים פשוטים

קבוצה זו של פוליפפטידים אינה רבה.המולקולות שלהם מורכבות רק משאריות של חומצות אמיניות. חלבונים כוללים, למשל, היסטונים וגלובולינים. הראשונים מוצגים במבנה הגרעין ומשולבים עם מולקולות DNA. הקבוצה השנייה - גלובולינים - נחשבת למרכיבים העיקריים בפלסמת הדם. חלבון כגון גמא גלובולין משמש כהגנה על המערכת החיסונית והוא נוגדן. תרכובות אלו יכולות ליצור קומפלקסים הכוללים פחמימות מורכבות וחלבונים. חלבונים פשוטים פיבריליים כמו קולגן ואלסטין נמצאים ברקמות חיבור, סחוס, גידים ועור. הפונקציות העיקריות שלהם הן בנייה ותמיכה.

החלבון טובולין הוא חלק מהמיקרובוביות,שהם מרכיבים של סיליה ופלאגלה של אורגניזמים חד תאיים כמו סיליאטים, אאוגלינה, דגים טפיליים. אותו חלבון הוא חלק מאורגניזמים רב תאיים (דגל זרע, סופת ביצה, אפיתל מסולסל של המעי הדק).

לחלבון האלבומין פונקציית אחסון(למשל, חלבון ביצה עוף). באנדוספרם של זרעי צמחי דגנים - שיפון, אורז, חיטה - מולקולות חלבון מצטברות. הם נקראים תכלילים סלולריים. חומרים אלה משמשים את עובר הזרעים בתחילת התפתחותו. בנוסף, תכולת החלבון הגבוהה של גרעיני החיטה מהווה אינדיקטור חשוב מאוד לאיכות הקמח. לחם העשוי מקמח עשיר בגלוטן הוא בעל טעם גבוה יותר ובריא יותר. מה שמכונה חיטת דורום מכילה גלוטן. פלזמת הדם של דגי ים עמוק מכילה חלבונים המונעים מהם למות מקור. יש להם תכונות נגד הקפאה, המונעות את מותו של הגוף בטמפרטורות מים נמוכות. מאידך, דופן התא של חיידקים תרמופיליים החיים במעיינות גיאותרמיים מכיל חלבונים המסוגלים לשמור על תצורתם הטבעית (מבנה שלישוני או רביעי) ואינם דנטורציה בטמפרטורה שבין +50 ל + 90 מעלות צלזיוס.

חלבונים

אלה חלבונים מורכבים, המאופיינים בגדולמגוון בשל הפונקציות השונות המבוצעות על ידם. כפי שצוין קודם לכן, קבוצה זו של פוליפפטידים, בנוסף לחלק החלבון, מכילה קבוצה של תותבת. בהשפעת גורמים שונים, כגון טמפרטורה גבוהה, מלחי מתכות כבדות, אלקליות מרוכזות וחומצות, חלבונים מורכבים יכולים לשנות את צורתם המרחבית ולפשט אותה. תופעה זו נקראת דנטורציה. מבנה החלבונים המורכבים מופרע, קשרי מימן נשברים והמולקולות מאבדות מתכונותיהן ותפקודן. ככלל, דנטורציה היא בלתי הפיכה. אך בחלק מהפוליפפטידים המבצעים פונקציות קטליטיות, מוטוריות ואיתותיים, ניתן לבצע שינוי טבעי - שחזור המבנה הטבעי של הפרוטאיד.

אם ההשפעה של גורם יציבמתרחשת במשך זמן רב, מולקולת החלבון נהרסת לחלוטין. זה מוביל לקרע של קשרי הפפטיד של המבנה הראשוני. לא ניתן עוד לשחזר את החלבון ואת תפקידיו. תופעה זו נקראת הרס. דוגמה לכך היא בישול של ביצי עוף: חלבון נוזלי - אלבומין, שנמצא במבנה השלישוני, נהרס לחלוטין.

ביוסינתזה של חלבון

בואו ניזכר שוב שהרכב הפוליפפטידים של החייםאורגניזמים כוללים 20 חומצות אמינו, חלקן בלתי ניתנות להחלפה. אלה ליזין, מתיונין, פנילאלנין וכו '. הם נכנסים לזרם הדם מהמעי הדק לאחר פירוק מוצרי החלבון בו. כדי לסנתז חומצות אמינו לא חשובות (אלנין, פרולין, סרין), פטריות ובעלי חיים משתמשים בתרכובות המכילות חנקן. צמחים, שהם אוטוטרופים, יוצרים באופן עצמאי את כל המונומרים התרכובת הדרושים, שהם חלבונים מורכבים. לשם כך הם משתמשים בחנקות, אמוניה או חנקן חופשי בתגובות הטמעה. במיקרואורגניזמים, מינים מסוימים מספקים לעצמם מערכת חומצות אמינו מלאה, בעוד שבאחרים רק כמה מונומרים מסונתזים. שלבי הביוסינתזה של החלבון מתרחשים בתאים של כל האורגניזמים החיים. תעתיק מתרחש בגרעין, ותרגום מתרחש בציטופלזמה של התא.

השלב הראשון הוא סינתזה של קודמת ה- mRNAמתרחשת בהשתתפות האנזים RNA פולימראז. הוא שובר קשרי מימן בין גדילי DNA, ועל אחד מהם, על פי עקרון ההשלמה, אוסף מולקולת טרום mRNA. הוא עובר חיתוך, כלומר הוא מתבגר ואז משאיר את הגרעין לציטופלזמה ויוצר חומצה ריבונוקלאית תבנית.

לצורך יישום השלב השני, יש צורך בכךנוכחות של אברונים מיוחדים - ריבוזומים, כמו גם מולקולות של חומצות ריבונוקלאיות אינפורמטיביות ותחבורתיות. תנאי חשוב נוסף הוא נוכחותן של מולקולות ATP, מכיוון שתגובות חילופי הפלסטיק, אליהן שייך הביוסינתזה של חלבונים, מתרחשות עם ספיגת האנרגיה.

אנזימים, המבנה והתפקוד שלהם

זו קבוצה גדולה של חלבונים (בערך 2000),פועלים כחומרים המשפיעים על קצב התגובות הביוכימיות בתאים. הם יכולים להיות פשוטים (טרפסין, פפסין) או מורכבים. חלבונים מורכבים מורכבים מקואנזים ואפואנזים. הספציפיות של החלבון עצמו ביחס לתרכובות שעליו הוא פועל נקבעת על ידי הקואנזים, ופעילות הפרוטאידים נצפית רק כאשר רכיב החלבון קשור לאפואנזים. הפעילות הקטליטית של אנזים אינה תלויה במולקולה כולה, אלא רק באתר הפעיל. המבנה שלו תואם את המבנה הכימי של החומר המזרז על פי עקרון "נעילת המקשים", ולכן פעולת האנזימים היא ספציפית לחלוטין. הפונקציות של חלבונים מורכבים הן בהשתתפות בתהליכים מטבוליים והן בשימוש בהם כקולטנים.

מחלקות חלבונים מורכבים

הם פותחו על ידי ביוכימאים על בסיס 3קריטריונים: מאפיינים פיזיקוכימיים, מאפיינים פונקציונליים וספציפיות של המאפיינים המבניים של חלבונים. הקבוצה הראשונה כוללת פוליפפטידים הנבדלים בתכונות אלקטרוכימיות. הם מחולקים לבסיסיים, ניטרליים וחומציים. ביחס למים, חלבונים יכולים להיות הידרופיליים, אמפפיליים והידרופובים. הקבוצה השנייה כוללת אנזימים עליהם דנו קודם. הקבוצה השלישית כוללת פוליפפטידים הנבדלים בהרכב הכימי של קבוצות תותבות (אלה כרומופרוטאינים, נוקלאופרוטאינים, מטאלופרוטאינים).

בואו ניקח בחשבון את התכונות של חלבונים מורכבים ביתר פירוט.כך, למשל, החלבון החומצי, המהווה חלק מהריבוזומים, מכיל 120 חומצות אמינו והוא אוניברסלי. הוא נמצא בחלבונים המסנתזים אברונים, הן תאים פרוקריוטים והן תאים אוקריוטים. נציג אחר של קבוצה זו, חלבון S-100, מורכב משתי שרשראות המקושרות על ידי יון סידן. זה חלק מנוירונים ונוירוגלייה - הרקמה התומכת של מערכת העצבים. מאפיין משותף של כל החלבונים החומציים הוא תכולה גבוהה של חומצות קרבוקסיליות דו-בסיסיות: גלוטמי ואספרטי. חלבונים אלקליין כוללים היסטונים - חלבונים המרכיבים חומצות גרעין DNA ו- RNA. מאפיין של ההרכב הכימי שלהם הוא כמות גדולה של ליזין וארגינין. היסטונים, יחד עם הכרומטין של הגרעין, יוצרים כרומוזומים - המבנים החשובים ביותר בתורשת התאים. חלבונים אלה מעורבים בתהליכי תעתיק ותרגום. חלבונים אמפפיליים קיימים באופן נרחב בקרומי התאים ויוצרים שכבה דו-שכבתית של ליפופרוטאין. לפיכך, לאחר שבחנו את הקבוצות הנ"ל של חלבונים מורכבים, היינו משוכנעים כי תכונותיהם הפיזיקו-כימיות נובעות ממבנה מרכיב החלבון וקבוצות התותבות.

כמה חלבונים מורכבים של ממברנות התאיםמסוגלים לזהות ולהגיב לתרכובות כימיות שונות, כגון אנטיגנים. זוהי פונקציית איתות של חלבונים, היא חשובה מאוד לתהליכי ספיגה סלקטיבית של חומרים המגיעים מהסביבה החיצונית ולהגנתם.

גליקופרוטאינים ופרוטאוגליקנים

הם חלבונים מורכבים הנבדלים זה מזהבינם לבין עצמם על ידי ההרכב הביוכימי של קבוצות תותבות. אם הקשרים הכימיים בין מרכיב החלבון לחלק הפחמימות הם קוולנטיים-גליקוזידיים, חומרים כאלה נקראים גליקופרוטאינים. האפואנזים שלהם מיוצג על ידי מולקולות של מונו וסוכרים, דוגמאות לחלבונים כאלה הם פרוטרומבין, פיברינוגן (חלבונים המעורבים בקרישת דם). הורמונים קורטיקוטרופיים וגונדוטרופיים, אינטרפרונים, אנזימי קרום הם גם גליקופרוטאינים. במולקולות פרוטאוגליקן, חלק החלבון הוא 5% בלבד, השאר נופל על הקבוצה התותבת (הטרופוליסכריד). שני החלקים מקושרים על ידי קשר גליקוזידי בין קבוצות OH-threonine ו- arginine לבין קבוצות NH₂-glutamine ו- lysine. מולקולות פרוטאוגליקאן ממלאות תפקיד חשוב מאוד במטבוליזם של מלח מים בתא. להלן טבלה של החלבונים המורכבים שחקרנו.

מטאלופרוטאידים

חומרים אלה מכילים במולקולות שלהםיונים ממתכת אחת או יותר. הבה נבחן דוגמאות לחלבונים מורכבים השייכים לקבוצה הנ"ל. אלה בעיקר אנזימים כגון ציטוכרום אוקסידאז. הוא ממוקם על הכריסטה המיטוכונדריה ומפעיל את הסינתזה של ATP. פרין וטרנספרין הם פרוטאידים המכילים יוני ברזל. הראשון מפקיד אותם בתאים, והשני הוא חלבון הובלה בדם. מטאלופרוטאין נוסף - אלפאמלז, הוא מכיל יוני סידן, הוא חלק ממיץ רוק ולבלב, המשתתף בפירוק העמילן. המוגלובין הוא גם מטאלופרוטאין וגם כרומופרוטאין. זה משמש כחלבון תחבורה להובלת חמצן. כתוצאה מכך נוצר התרכובת אוקסיהמוגלובין. כאשר שואפים פחמן חד חמצני, הנקרא אחרת פחמן חד חמצני, המולקולות שלו יוצרות תרכובת יציבה מאוד עם ההמוגלובין של אריתרוציטים. זה מתפשט במהירות לאיברים ורקמות, גורם להרעלת תאים. כתוצאה מכך, עם שאיפה ממושכת של פחמן חד-חמצני, מתרחש מוות מחנק. המוגלובין נושא חלקית גם פחמן דו חמצני שנוצר בתהליכים של קטבוליזם. עם זרם הדם, פחמן דו חמצני חודר לריאות ולכליות, ומהן לסביבה החיצונית. בחלק מסרטני הים ורכיכות, המוציאנין הוא חלבון התחבורה הנושא חמצן. במקום ברזל הוא מכיל יוני נחושת, כך שדם בעלי החיים אינו אדום, אלא כחול.

פונקציות כלורופיל

כפי שהזכרנו קודם, חלבונים מורכבים יכוליםיוצרים קומפלקסים עם פיגמנטים - חומרים אורגניים צבעוניים. צבעם תלוי בקבוצות כרומופורמים, הקולטות באופן ספציפי ספקטרום אור שמש. תאי הצמח מכילים פלסטידים ירוקים - כלורופלסטים, המכילים את הפיגמנט כלורופיל. הוא מכיל אטומי מגנזיום ופיטול אלכוהול פולי-הידרתי. הם קשורים למולקולות חלבון, והכלורופלסטים עצמם מכילים תילאקואידים (צלחות), או ממברנות, המחוברים בערימות - גרנה. הם מכילים פיגמנטים פוטוסינתטיים - כלורופילים - וקרוטנואידים נוספים. כל האנזימים המשמשים לתגובות פוטוסינתטיות נמצאים גם כאן. לפיכך, כרומופרוטאינים, הכוללים כלורופיל, מבצעים את הפונקציות החשובות ביותר בחילוף החומרים, כלומר בתגובות של הטמעה והפרדה.

חלבונים נגיפיים

הם כלולים על ידי נציגי צורות חיים שאינן תאיות,נכנסים לממלכת ורה. לנגיפים אין מנגנון סינתזת חלבונים משלהם. חומצות גרעין, DNA או RNA יכולות לגרום לסינתזה של החלקיקים שלהם על ידי התא עצמו, נגוע בנגיף. נגיפים פשוטים מורכבים רק ממולקולות חלבון, המורכבות באופן קומפקטי למבנים בעלי צורה ספירלית או רבת פנים, כמו למשל נגיף הפסיפס של הטבק. לנגיפים מורכבים יש קרום נוסף המהווה חלק מקרום הפלזמה של התא המארח. זה עשוי לכלול גליקופרוטאינים (נגיף הפטיטיס B, וירוס אבעבועות שחורות). התפקיד העיקרי של הגליקופרוטאינים הוא זיהוי קולטנים ספציפיים בקרום התא המארח. המעטפות הוויראליות הנוספות כוללות גם חלבוני אנזים המספקים שכפול DNA או תעתיק RNA. על סמך האמור לעיל, ניתן להסיק את המסקנה הבאה: לחלבוני מעטפות החלקיקים הנגיפיים יש מבנה ספציפי שתלוי בחלבוני הממברנה של התא המארח.

במאמר זה, אפינו חלבונים מורכבים, חקרנו את המבנה והתפקודים שלהם בתאים של אורגניזמים חיים שונים.