חלבון

חלבונים הם קבוצה של תרכובות אורגניות. החלבונים הם החשובים ביותר מכל החומרים המרכיבים את היצורים החיים; הם נמצאים בתאיו של כל יצור חי, ללא יוצא מן הכלל, ובתא עצמו נמצאים החלבונים כמעט בכל מבנה ואברון שהוא. מכלול תכונותיו של האורגניזם (הפנוטיפ) - כגון צבע עיניים, פעילות מערכת החיסון, רגישות לחומרים מסוימים - הינו תוצאה ישירה של פעילות חלבונים.

בלועזית נקרא החלבון פרוטאין, הנובע מהמילה היוונית פרוטו ("ראשוני"); בימים עברו, לפני גילוי ה-DNA, נחשב בטעות החלבון כחומר התורשתי העובר מההורים לצאצאיהם, וממנו מתפתחים התאים וכל חלקי הגוף.

חלבון הוא מולקולה אורגנית בעלת משקל מולקולרי גבוה. יחידת המבנה הבסיסית שלו היא חומצת אמינו. חלבון סטנדרטי בנוי ממאות עד עשרות אלפי חומצות אמינו. לחלבונים מבנה תלת-ממדי מורכב ביותר המכתיב את תפקידם ופעילותם בגוף החי.

סוגי חלבונים

רוב החלבונים משתייכים לאחת משתי קבוצות עיקריות:

מבניים: אלו הם החלבונים שמרכיבים את התא, אברוניו, וחלק ממבני הגוף, לדוגמה:
- העור מורכב ברובו (כ-75%) מהחלבון קולגן.
- הפרווה והשיער מורכבים ברובם מקרטין, חלבון טבעיים המופיעים אצל יונקים.
- משי (אשר מייצרות תולעי המשי) וקורי עכביש שניהם חלבונים טהורים.
תפקודיים: אלו הם החלבונים שממלאים את כל התפקידים בגוף, ומתחלקים לתתי-קבוצות:
- מגנים: חלבונים אלו מהווים את הנוגדנים של מערכת החיסון.
- שליחים: משמשים להעברת אותות מתא לתא; הורמונים (כגון אינסולין), מוליכים עצביים (נוירוטרנסמיטרים, כגון אצטילכולין) וציטוקינים הינם חלבונים שליחים.
- מכווצים: בעלי יכולת לייצר תנועה. חלבונים אלו, כגון מיוזין ואקטין, מצויים בשרירים.
אנזימים: משמשים כזרזים של תגובות כימיות בגוף.

מבנה החלבון

AlphaHelixProtein.jpg | BetaPleatedSheetProtein.png

Er_a_3.JPG תפקוד החלבון תלוי בצורה חזקה במבנה שלו, ומבנה זה מתקבל על ידי המערך המדויק של חומצות האמינו המרכיבות אותו. כל חלבון מתקפל במרחב לצורה תלת-ממדית, כתוצאה מקשרים כימיים בין חומצות האמינו השונות. למבנה החלבון ארבע רמות:

מבנה ראשוני: זהו מבנה קווי פשוט, הבנוי אך ורק מהקשר הפפטידי בין חומצות האמינו. לכל חלבון יש מבנה ראשוני.

מבנה שניוני: במבנה מיוחד זה נוצרים קשרי מימן בין חומצות אמינו מסוימות (רק חלק מחומצות האמינו מאפשרות מבנה שניוני) הגורמים לשינוי מרחבי המקפל את החלבון לאחת משתי צורות עיקריות: סליל α (אלפא) או משטח β (ביתא).
- סליל α: צורה זו נוצרת כאשר חומצות אמינו יוצרות קשרי מימן עם חומצות אמינו במרחק 3.4 שיירים מהן. קשרים אלו מקפלים את החלבון ב-100 מעלות לכיוון שמאל, רוב החלבונים שנמצאו מקופלים ימינה ( כך יש פחות הפרעה סטרית ) (ראו איזומר אופטי) וכך נוצר מבנה ספירלי דחוס שבתוכו אין כמעט חלל פנוי. קבוצות ה-R של החומצות פונות כלפי חוץ בסליל α. בממוצע כשליש מכל חומצות האמינו בחלבונים נמצאות בסלילי α.
- משטח β (מעטפת קפלים β): צורה זו נוצרת כאשר שתי שכבות או יותר של חומצות אמינו נצמדות אחת לשנייה על-ידי קשרי מימן, ויוצרות מבנה משטחי רך. למבנה זה שני מערכים: מקבילי (פרללי) ואנטי-מקבילי (אנטי-פרללי): במבנה מקבילי כיוון שכבת חומצות אמינו זהה לכיוון השכבה שמתחתיה - קצה אמיני מתחת לאמיני וקצה קרבוקסילי מתחת לקרבוקסילי. במבנה אנטי-מקבילי כיוון שכבת חומצות האמינו הפוך לכיוון השכבה שמתחתיה - קצה אמיני מתחת לקצה קרבוקסילי וקצה קרבוקסילי מתחת לאמיני. במבנה האנטי-מקבילי קשרי המימן קצרים יותר ולכן זהו מבנה חזק יותר בהשוואה למקבילי. בממוצע כרבע מכל חומצות האמינו בחלבונים נמצאות במשטחי β.

קיימים מספר מבנים שניוניים אחרים, אך אלו פחות נפוצים. רק לחלק מהחלבונים יש מבנה שניוני.

מבנה שלישוני: זהו המבנה התלת ממדי הכולל שמקנה לחלבון את היכולת לבצע תפקיד ספציפי בתא. הפרעה או פגם ביצירת מבנה זה תפגום בהכרח בפעולת החלבון. פגיעה בפעילות חלבון על-ידי חשיפתו לגורם ממיס (דטרגנט) נקראת דנטורציה. המבנה השלישוני נוצר ממספר סוגים של קשרים כימיים:
- קשרי גופרית: קשרים קוולנטים הנוצרים רק בנוכחות חומצת האמינו ציסטאין, המכילה אטום גופרית בקצה קבוצת ה-R. קשרי S-S (מהמילה Sulphide, "גופרי") מכונים קשרים דיסולפידיים.
קשרי מימן: קשרי מימן בין קבוצות ה-R של חומצות האמינו.
קשרים יוניים: אלו הם קשרים בין יונים בעלי מטענים הפוכים זה מזה; מכונים גם גשרי מלח.
- אפקט הידרופובי: חומצות אמינו שלהן קבוצת R הידרופובית (נדחית ממים) עשויות להיצמד יחדיו מתוך דחייה מהמים. זה אינו קשר כימי אלא דחייה משותפת מאותו גורם.

מבנה רבעוני: זהו מבנה מורכב שקיים רק בחלק מהחלבונים. ייחודו בכך שהוא מורכב למעשה מתתי-יחידות, שכל יחידה היא חלבון בפני עצמו. מבנה רבעוני מכיל לפחות 4 תתי-יחידות, ואין גבול עליון למספר תתי-היחידות. לחלבון במבנה זה יש משקל מולקולרי מאוד גבוה. הקשרים הכימיים היוצרים את המבנה השלישוני עושים זאת גם במבנה הרבעוני. המוגלובין הינו חלבון מוכר הבנוי במבנה רבעוני ולו 4 תתי-יחידות. חלבונים במבנה הרבעוני מסתדרים במרחב בשתי צורות עיקריות:
- כדוריים (גלובולאריים): צורתם מעוגלת והם מסיסים לרוב בתמיסות מימיות. הם בדרך כלל חלבונים תפקודיים - אנזימים, חלבוני הובלה ועוד. חלבונים אלו מורכבים ממספר מבנים שונים, משטחי β וסלילי α.
- סיביים: משמשים בעיקר כחלבוני מבנה בתאים, ובניגוד לכדוריים אינם מסיסים במים. רובם בעלי מבנה יחיד. שערה לדוגמה בנויה מחלבון סיבי, שמורכב מיחידות של חומצת האמינו ציסטאין.

יצירת חלבונים

החלבונים נבנים בתוך התאים על-ידי הריבוזומים. בתהליך היצירה של חלבונים, הקרוי תרגום, מתורגם המידע התורשתי המקודד ב-mRNA- או RNA שליח, שהוא בעצמו משועתק מה-DNA. הגנים המרכיבים את ה-DNA, הינם, לפיכך "תוכניות בנייה" לחלבונים. ה-DNA מקודד ליצירת חלבונים באמצעות הקוד הגנטי, כך שכל שלושה נוקלאוטידים (אבני הבניין של ה-DNA), מקודדים לחומצה אמינית אחת (שלושה נוקלאוטידים המקודדים לחומצת אמינו מכונים יחדיו בשם קודון).

שרשרת קצרה של חומצות אמינו מכונה פפטיד; שרשרת ארוכה מכונה פוליפפטיד. לאחר שמיוצר הפוליפפטיד בריבוזום, הוא מתקפל למבנה תלת-ממדי מורכב ב-רשתית התוך פלסמית.

תהליך היצירה של חלבון מתחיל בגרעין התא. בתחילה מופרדים שני גדילי הסליל הכפול של ה-DNA בעזרת אנזים, עליו אחד הגדילים נבנה mRNA. לאחר שהלה נוצר במלואו הוא נפלט לציטופלסמה ומוצמד לאחד מהריבוזומים בתא בעזרת rRNA. הריבוזום מתחיל לקרוא את הקוד הגנטי שמכיל ה-mRNA. כאשר הריבוזום מזהה את סוג החומצה האמינית הנחוצה לפי הקוד הגנטי, הוא מושך אליו tRNA הנושא חומצה אמינית מתאימה, ומוסיף אותה לשרשרת חומצות האמינות שכבר נוצרה. כאשר יווצר הקשר הבא בשרשרת החומצות האמיניות ישוחרר ה-tRNA לציטופלסמה בכדי להצמד לחומצה אמינית חדשה המתאימה לו. כך נבנית השרשרת עד שהחלבון מושלם. לאורך יצירת שרשרת חומצות האמינו משוחררים חלקים מושלמים מהשרשרת לציטופלסמה עד שכל החלבון המושלם משוחרר (לעת עתה במבנה ראשוני בלבד). בקצותיו של ה-RNA השליח נמצאים קטעים שאינם מקודדים חומצות אמינו; תפקידם הוא לסמן את תחילתו וסופו של החלבון.

החלבון הבשל מסגל לעצמו את המבנה הסופי. לעיתים הבשלת החלבון כוללת גם קטיעה של מקטעים מסוימים שלו, הוספה של קבוצות כימיות כסוכרים, זרחה, קבוצות גופרית ושומנים. כמו כן, לעיתים החלבון חובר לחלבונים אחרים, רצועות RNA או ליונים ליצירת קומפלקס חלבוני פעיל. בעשורים האחרונים חלה התקדמות כבירה בהבנת המבנה המרחבי של חלבונים על-ידי שיטות של גיבוש חלבונים והדמיית תהודה מגנטית במסגרת תחום מחקר הקרוי ביולוגיה מבנית. המדע העוסק בחקר החלבונים, בפעילותם ובקשרי הגומלין ביניהם הינו הביוכימיה.

תפקידי חלבונים

חלבוני ממברנה- "תעלות", "משאבות"
חלבוני מבנה- דוג': קרטין, קולגן (בונה סחוס)
חלבונים מתכווצים- בונים תאי שריר
חלק מההורמונים- חלבונים שמעבירים מסרים בגוף (מתא לתא)
נוגדנים- חלבונים ש"תוקפים" חומרים זרים
אנזימים- חלבונים שמפרקים או מרכיבים חומרים אחרים בתאים

זיהוי חלבונים

ProteinStructures.gif

אינדיקטור לזיהוי חלבון הוא ביורט. אם מערבבים חומר המכיל חלבון עם ביורט משתנה צבעו לסגול. אמצעי להפרדת חלבונים הוא מכשיר ה-FPLC שלתוכו מזרימים קבוצות חלבונים, המופרדות לאחר-מכן על-פי מטען חשמלי או גודל.

רפואה

רוב רובן של כ-4,000 המחלות התורשתיות הגנטיות הידועות לנו קשורות לתפקוד לקוי או להעדר של חלבון מסוים בגוף. חשיבותם העצומה של החלבונים לחיים מודגשת באופן מצער באמצעות הנזק הרב העלול להיגרם לגוף עקב חוסר תפקודו של חלבון בודד; הדבר מראה כי למרות שבגוף פועלים עשרות אלפי חלבונים שונים, לכל אחד מהם תפקיד ספציפי ביותר והחלבונים האחרים אינם מסוגלים בדרך-כלל לחפות על חוסר תפקודו של חלבון מסוים.

במחלות גנטיות קיים פגם - מוטציה - ברצף הנוקלאוטידים שב-DNA. הפגם עשוי לגרום:

לייצור חומצת אמינו שגויה,
להשמטת חומצת אמינו מהשרשרת החלבונית,
להפסקת קידוד הגן במקום בו התרחשה המוטציה, ועקב כך לייצור חלבון חלקי, קצר מהרגיל.

עובדה זו מראה שבנוסף לחשיבותו של כל חלבון לתפקוד הגוף, קיימת גם חשיבות עליונה לכל חומצת אמינו בודדת בשרשרת המרכיבה את החלבון. החלפה או העדר של חומצה בודדת, אפילו בחלבונים המורכבים ממיליון חומצות אמינו בסך-הכל, יכולה לשבש לחלוטין את תפקוד החלבון. כפי שהוסבר לעיל, הקיפול השלישוני של החלבונים, אשר מכתיב ברובו את תפקוד החלבון, תלוי בקשרים כימיים בין החומצות השונות; כשאחת החומצות המשתתפות בקשרים אלו לא קיימת, המבנה התלת-ממדי של החלבון נפגם, ועמו התפקוד.

בין המחלות התורשתיות הנגרמות עקב חלבונים פגומים ניתן למנות את אנמיה חרמשית, סיסטיק פיברוזיס, עיוורון צבעים, לבקנות, פנילקטונוריה ועוד.

בעשורים האחרונים התגלו חלבונים פגומים המסוגלים לגרום לחלבונים אחרים להפוך לפגומים. חלבונים אלו, הקרויים פריונים, גורמים לכמה מחלות מוח קשות, שסופן תמיד מוות.

החלבון בדיאטה

החלבון הוא חומר מזין חשוב לחיי האדם ולרוב בעלי החיים, המספק את צרכי הגוף לחומצות אמינו. בעלי החיים ממחלקת היונקים (בהם האדם) לא מסוגלים לסנתז את כל 20 חומצות האמינו הדרושות להם, ולכן נדרשים חלבונים בהרגלי האכילה שלהם בכדי לרכוש את החומצות שאין באפשרותם לסנתז - קרי חומצות אמינו חיוניות. כמות החלבונים הנדרשת בדיאטה משתנה לפי גיל, מין, רמת הפעילות הגופנית, והמצב הבריאותי.

חסרים בחלבונים יכולים להוביל לתחושת עייפות, עמידות לאינסולין, נשירת שיער, איבוד של הפגמנטים של השיער, איבוד ממסת השריר, טמפרטורת גוף ירודה, אי-סדירות הורמונלית, ואיבוד אלסטיות העור. חוסר חמור יותר בחלבונים, כמו זה המתבטא בעת רעב המוני, הוא קטלני (כמו בתסמונת הקוושירקור).

ישנן 9 חומצות אמינו חיוניות לאדם:

סכנות הצריכה המוגברת

צריכה מוגברת של חלבונים נקשרה לבעיות הבריאותיות הבאות:

תגובות מוגזמות במערכת החיסונית
תפקוד לקוי של הכבד משום כמות מוגברת של משקעים רעילים
איבוד מצפיפות העצמות - פריכות העצמות נגרמת משום חלחול סידן וגלוטמין מהעצמות ומהשרירים במטרה לאזן את החומציות המתקבלת בתזונה (ה-pH של הדם נשמר בסביבות כ-7.4).

החלבונים יכולים לגרום לאלרגיות ולהוביל לתגובות אלרגטיות לסוגים מסוימים של מזונות. זאת משום שהמבנה של כל סוג חלבון שונה, כאשר חלק עשויים לעורר אלרגיות והשאר יתקבלו בלי בעיות. כך למשל אנשים רבים אלרגיים לקזיאין - החלבון שבחלב, או לגלוטן - החלבון בחיטה ובדגנים אחרים.

חלבון הביצה

המושג חלבון בשפה העברית משמש גם לציון החלק השקוף-לבן בביצה (הציטופלסמה), להבדיל מהחלק הצהוב ממנו מתפתח האפרוח - הלא הוא החלמון. דבר זה גורם לעתים לבלבול במושגים. מטרתו של החלבון בביצה להגן על הגרעין, ולספק חומרים מזינים להתפתחותו של העובר - שהרי חלבון הביצה עשיר בכ-10% תרכובות חלבונים המומסים במים (בעיקר חלבון האלבומין).

קישורים חיצוניים

מקור יציבות החלבונים - קשרים כימיים ומבנים של חלבונים, באתר אניברסיטת ברקבק (באנגלית)
חלבונים - באתר "ספר הכימיה הוירטואלי" של מכללת אלמהרסט (באנגלית)

ביוכימיה | חלבונים

Gourt Home::Gourt :: חלבון