חומצו ת אמי ניו ת ו חלבו נ ים

Transcript

1 חומצו ת אמי ניו ת ו חלבו נ ים Proteins ביוונית - מהמעלה הראשונה Proteios 1

2 החלבונים פועלים בתחומים רבים ומגוונים: קטליזה אנזימתית (זירוז לפחות פי מליון). העברת חומרים ואחסונם (למשל חמצן). תאי דם אדומים מכילים המוגלובין חלבון אור נוצר על ידי הגחלילית באמצעות תגובה אנזימתית 2 נושא חמצן

3 תנועה (שרירים, כרומוזומים, תאי זרע...). תמיכה מכאנית (קולגן, קרטין). הגנה חיסונית (הבחנה בין עצמי וזר). יצירת אותות עצביים והעברתם. בקרה על גדילה התמיינות וביטוי גנטי. קרני הקרנף מכילות את החלבון המבני קרטין 3

4 4 החלבונים מהווים כ- 50% ממשקלו היבש של התא. לחלבונים מבנה מורכב. לכל ח לבון מבנה ותפקיד ייחודי ושונה מזה של חלבונים אחרים. מה מייחד את החלבונים משאר חומרי הטבע? מדוע הם כלולים בקבוצה אחת? מה קובע את המבנה והתפקיד המיוחדים לכל ח ל בון?

5 המבנה המרחבי של החלבון מתאים לתפקידו ונקבע על פי רצף החומצות האמיניות המרכיבות אותו. רצף החומצות האמיניות נקבע על פי האינפורמציה הנמצאת ב-.DNA 5

6 6 חומצות אמיניות: אבני הבניין של הח לבונים

7 7 באורגניזמים חיים מצויות חומצות אמיניות בקונפיגורציה L, פרט למספר מקרים נדירים (דפנות תאי חיידקים).

8 8

9 מקור תכונותיהן של ה חומצות האמיניות: א. בחלקים המשו תפים לכ ל החומצ ות האמיניות. ב. בקבוצה הצדדית לחומצה. (R), השונה מחומצה 9

10 קיימות 20 קבוצות צדדיות נפוצות השונות זו מזו בגודל, בצורה, במטען, ביכולת ליצור קשרי מימן וביכולת להגיב כימית. כל החלבונים, בכל היצורים החיים, מורכבים מאותן 20 חומצות אמיניות. טווח הפעילות העצום של החלבונים נובע מהשונות של 20 אבני הבניין (ה-א"ב של החלבונים). 10

11 11

12 12

13 13

14 14

15 15

16 16

17 17

18 18

19 ph=1 ph=7 ph=11 19

20 20

21 בסביבה נייטרלית חומצות אמיניות נמצאות בדרך כלל בצורה הדו-יונית (צוויטריון), המאפשרת מסיסות טובה במים ואינטראקציות אלקטרוסטטיות בין חומצות אמינו. 21

22 בתמיסה ניטרלית לחומצה אמינית שני מטענים. לכל קבוצה שעוברת יוניזציה, ערך pka אופייני לה. pka) הוא ה- ph בו מחצית המולקולות מיוננות). של הקבוצה הקרבוקסילית. של הקבוצה האמינית. של הקבוצה הצדדית. pka1 pka2 pka3 נקודה איזו אלקטרית: בה סכום המטענים על החומצה האמינית שווה לאפס. 22

23 פ פ טי דים / חלבונ ים ניתן לח בר חומצות אמיניות זו לזו. פפטיד: מעט חומצות אמיניות מחוברות זו לזו. חלבון: הרבה חומצות אמיניות מחוברות זו לזו. הקשר ה מחבר חומצות אמיניות זו לזו נקר א קשר פפ טידי..1.2 קשר פפ טידי נוצר על ידי חיבור קבוצה קרבוקסילית של חומצה א מינית אחת לקבוצה אמינית של חומצ ה אמיני ת אחרת, בתהליך בו יוצאת מולקולה של מי ם..3 23

24 יצירת ק שר פפטיד י 24

25 לפפטיד י ם ולחלבונים יש כיווניות SGYAL LAYGS 25

26 Main chain קבוצות צדדיות שייר Residue 26

27 27 הקשר הפפטידי הוא בעל אופי של קשר כפול חלקי. המבנה האלקטרוני הנוצר מקנה קשיחות לקשר הפפטידי. הוא מישורי ואינו מאפשר חופש תנועה סביבו.

28 28

29 29

30 30 קשר צילוב דיסולפידי: קשר קוולנטי נוסף שיכול להתקיים ב שרשרת פוליפפטידית. נוצר בין שני שיירי ציסטאין באותה שרשרת או בשתי שרשרות שונות.

31 31 סכום: ח ומצות אמיניות ו הקשר ה פפטידי. חומצות אמיניות הן אבני הבניין של החלבונים. לכל החו מצות האמיניות אותו חלק עיקרי, המכיל קצה אמיני, קצה קרבוקסילי וביניהם פחמן α, אליו קשורה הקבוצה הצדדית. הקבוצה הצדדית שונה בכל חומצה אמינית, ומקנה לה תכונות אופייניות. הקשר בין החומצות האמיניות בחלבון הוא קשר פפטידי ויש לו אופי חלקי של קשר כפול (מישורי). בין חומצות אמיניות באותו פפטיד או בפפטידים שונים, יכולים להיווצר גם קשרי מימן, קשרים דיסולפידיים, ואינטראקציות הידרופוביות.

32 מבנה של ח לב וני ם לכל חלבון מבנה מרח בי אשר בו מותנית פעילותו. כיצד נוצר מבנה ז ה? במה שונות מולקולות של חלבון אחד מאלה של משנהו? 32

33 מבנה של חלבונים - עקרונות מרכזיים -מבנה החלבון נובע מרצף החומצות האמיניות ה בונות אותו. רצף זה נקרא המבנה ה ראשוני. - תפ קוד החלבון תלוי במבנה התל ת מימדי (קונפורמציה = ארגון מ רחבי). - חלבון מצוי בד"כ במספר קטן (אחת או יותר) של קונפורמציות, היציבות ביותר, למרות שתיאורטית יכול להיות במספר עצום של קונפורמציות. 33

34 - הכוחות המ ייצבים את הקונפורמציה הם בעיקרם אינטראקציות לא קוולנטיות. מקסימום אינטראקציות מאפ שר מקסימום יציבות. למרות שיש מספר עצום של חלבונים שונים (ייחודיים), קיימות מספר תבניות מבנה בסיסיות משותפות. 34

35 מבנה מרחב י של חלבונים ניתן לחלק חלבונים על פי המבנה (שלישוני / רביעוני) המרחבי שלהם לשתי קבוצות:.1 חלבונים סיביים.Fibrous Proteins בעלי מבנה צר וארוך..2 חלבונים כדוריים.Globular Proteins חלבונים אלו מאורגנים ככדור (פקעת). 35 חלבוני המבנה הם בדרך כלל חלבונים סיביים ובנויים לרוב מסוג אחד של מבנה שניוני. חלבוני הפונקציה (אנזימים, נוגדנים והורמונים) הם חלבונים גלובולריים.

36 שני סוגי החלבונים הם בעלי מבנה גמיש, היכול להשתנות, אך נוטה לחזור למצבו היציב ביותר. איך נוצרים מבנים מרחביים שונים? מה הקשר בין המבנה המרחבי לבין התפקיד? מבחינים בשתי צורות מבנה שניוני בחלבונים: סליל α, ומעטפת קפלים β. עיקריות 36

37 37 סליל (α-helix) α בעל מבנה דמוי קנה. השרשרת הפוליפפטידית העיקרית נמצאת בחלק הפנימי והקבוצות הצדדיות פונות כלפי חוץ.

38 38

39 39

40 40 קשרי מימן בסליל α

41 סליל α במבט מהצד סליל α במבט מלמעלה. הקבוצות הצדדיות בסגול (מודל כדורים ומקלות). 41 (מודל ממלא מרחב).

42 42

43 α סליל ימני ושמאלי 43

44 חלבונים סיביים בעלי מבנה סליל α מאד גמישים. נמתחים עד פי 2 מאורכם. α קרטינים: משמשים לחיפוי ומגן (שיער, ציפורניים, שכבה חיצונית של העור, צמר, נוצות, קרניים). מיוזין - חלבון השריר. פיברינוגן - ממלא תפקיד בתהליך קרישת הדם. מבנה סופר הליקס המורכב משני סלילי α. 44

45 45 מבנה שניוני ושלישוני של α -קרטינים

46 46 מבנה השערה

47 47

48 48

49 49

50 50 סליל - סיכום α 1. סליל α הוא סוג של מבנה שניוני. 2. השרשרת הפוליפפטידית מתארגנת כסליל צפוף לאורך ציר דמיוני. כוונו בדרך כלל ימני. 3. הקבוצות הצדדיות פונות החוצה והמישורים הקשיחים של הקשרים הפפטידיים מתארגנים במקביל לציר האורך. 4. בסיבוב מלא של הסליל מצויות 3.6 חומצות אמיניות בממוצע. 5. מבנה הסליל מחוזק על ידי קשרי מימן בין כל חמצן קרבונילי של הקשר הפפטידי לבין כל מימן אמיני של קשר פפטידי המרוחק ממנו בממוצע ארבע חומצות אמיניות.

51 גורמים המשפיע ים על א רגון שר שרת פוליפפ טידית כסליל α 1. המטען החשמלי של הקבוצות הצדדיות (מידת היוניזציה תלויה ב- ph ). 2. נפח הקבוצות צדדיות. 3. האינטראקציות של הקבוצות הצדדיות המרוחקות 3-4 מקומות ברצף הליניארי..4 נוכחות.Proline 51

52 Ferritin חלבון מאחסן ברזל, מורכב מצרור של סלילי α. 52

53 53 משטח קפלים (β pleated sheet) β מבנה מתוח יחסית, מיוצב על ידי קשרי מימן. השרשרת הפוליפפטידית נמצאת במבנה זיגזג, המאפשר יצירת קשרי מימן בין קבוצות קרבוניליות לבין קבוצות אמיניות הנמצאות בשרשרות סמוכות. הקבוצות הצדדיות נמצאות מעל ומתחת למישור הקפלים.

54 משטח קפלים β קשרי מימן בין קבוצות ה- C=O וקבוצות ה- N-H שבשלד. 54

55 שתי צורות אפשריות לארגון השרשרות במשטח קפלים β: מקביל: כל השרשרות נמתחות באותו כיוון. אנטי-מקביל: שרשרות סמוכות נמתחות בכיוונים מנוגדים. מקביל אנטי-מקבי ל 55

56 56

57 57

58 מאפיינים של מבנה β. 1. מבנה משטח β "פתוח" יותר ממבנה סליל α. 2. השרשרות הפוליפפטידיות מונחות במרחב זו לצד זו ונראות כמו קפל במשטח. 3. הקשרים המימניים המייצבים את המבנה של המשטח, נוצרים בין אזורים מרוחקים של אותה שרשרת או בין שרשרות שונות. 4. הקבוצות הצדדיות בולטות מעל ומתחת למשטחים. 5. השרשרות יכולות להיות מקבילות (כיווניות זהה) או אנטי-מקבילות (כיווניות הפוכה). במבנה β בו השרשרות קרובות יש שכיחות גדולה של חומצות אמיניות בעלות קבוצה צדדית קטנה כמו Gly ו- Ala..6 58

59 59

60 מבנה Fibroin (ה חלבון המרכיב את סיבי המשי) 60

61 אלמנט מבני נוסף: כיפוף β. נוצר על ידי קשר מימן בין קבוצת CO בשייר i לקבוצת NH בשייר 3+i. הקיפול מאפשר היפוך כיוון השרשרת ומבנה קומפקטי יותר. 61

62 62

63 63 בחלבונים קיימים מ בני β, α, אזורי קיפול המקשרים ביניהם ואזורים של סליל אקראי.

64 סליל הק ולג ן ה סליל המ שולש חלבון מבני שכיח (כ 1/3 מהחלבונים בגוף) המצוי ברקמות חיבור, בעור, בעצמות ובשרירים. מאופיין בקשיות ועמידה בפני מתיחה. למולקולת הקולגן צורה דמוית קנ ה בעלת סליל השונה מסליל α. כמעט כל שייר שלישי הוא גליצין. 64 מורכבת מ- 3 גדילים הנכרכים זה סביב זה לסופר הליקס. שלושת הגדילים קשורים ביניהם בקשרי מימן, בין קבוצת NH של גליצין לבין קבוצות CO של שיירים בשרשרות אחרות. מספר שרשרות משולשות יוצרות יחד סיב חזק.

65 מבנה מ רחבי של חלבונים גלובולריים 65 חלבונים דמויי פקעת, שהשרשרת הפוליפפטידית שלהם מקופלת במבנה דחוס. הנפח הפנוי קטן, יכולות להימצא בו מעט מולקולות מים. קבוצות צדדיות פולאריות נמצאות בשטח החיצוני. קבוצות צדדיות לא פולאריות נמצאות בחלק הפנימי. המבנה מעורב: סליל α, מבנה קפלים β ומבנה אחר.

66 66 לחלבונים גלובולריים מגוון עצום של מבנים שלישוניים

67 במיוגלובין ובהמוגלובין רוב השרשרת היא בעלת מבנה של סליל α. בין קט עי סליל α מצויים ק טעי ביניי ם בעלי מבנה קבוע ואו פייני, שאי נו מבנה ס לילי. מבנה תלת מימדי של מיוגלובין 67

68 החלבון Cro של בקט ריופאג' λ מורכב משתי תת יחי דות זהות 68

69 החלבון,CD4 המצוי בפני שטח תאים מסוימים במערכת החיסון, מורכב מארבע תת יחידות דומות 69

70 70 דנטורציה denaturation תהליך בו חלים שינויים במבנה החלבון כת וצאה מחימום או משינוי ph או מטיפול בממסים אורגניים או בדטרגנטים או באוריאה. דנטורציה גורמת לאובדן הפעילות הביולוגית. דנטורציה הפיכה- תהליך מתון המאפשר חזרת החלבון למבנה המרחבי האופייני עם החזרת התנאים לקדמותם. חזרת החלבון למבנהו נקראת רה-נטורציה.

71 חיזור ודנטורציה של ריב ו נוקלאז שינוי בתנאים --> דה נטורציה --> אובדן פעילות 71

72 כוחות ה מייצב ים מבנה של חלבונ ים גלובו לרי י ם קשרי מימן בין קבוצות CO ו- NH. קשרי מימן בין קבוצות צדדיות. אינטרקציות הידרופוביות בין קבוצות צדדיות. קשרים יוניים בין קבוצות צדדיות טעונות. קשרי מולקולת החלבון עם התווך בו היא נמצאת תרומתם של הקשרים ההידרופוביים היא הגדולה ביותר. רוב החלבונים מכילים 30-50% חומצו ת אמינ יות לא פולאריות, שמרביתן נמצאות בתוך החלבון. 72

73 ארבע רמות אר גון בחלבונים 73

74 סיכום 74 חלבונים הם בעלי תפקידי מפתח ברוב התהליכים הביולוגיים: כמעט כל הזרזים במערכות ביולוגיות הם אנזימים. משמשים כמתווכים גם בהעברה ואחסון, תנועה, תמ יכה מכאנית, הגנה ח יסונית, ה עברת אותות עצביים, אינטגרציה של מטבוליזם ובקרה של תהליכי גדילה והתמיינות. יחידת המבנה הבסיסית חו מצות אמי ניות. כל החלבונים מורכבים מאותן 20 חומצו ת אמינ יות. חומצות א מיניות נק שרות בקשרים פפטידיים ויוצ רות שרשרת פוליפפטידית.

75 לכל חלבון רצף חומצות אמי ניו ת ייחודי, הנקבע ב- DNA. הגורם החשוב לפעילות הביולוגית הוא המבנה המרחבי של החלבון, הנ קבע על ידי רצף החומצות האמיניו ת. מוכרים שני מבנים שניוניים עיקריים של שרשרות פוליפפטידיות: סליל α, ומשטח קפלים β. 75 מבנה החלבון מיוצב על ידי קשרי מימן, ק שרי ואן-דר- ואלס ואי נ טראקציות הידרופוביות. החלבונים הם קבוצה מיוחדת של מקרומולקולות שיכולה לזהות באופן ספציפי ולהגיב עם מולקולות שונות.