חלבון

מבנה רבעוני של חלבון קטלאז, המתפקד כאנזים

חלבון (בלועזית: פרוטאין, מיוונית - πρώτειος, פְּרוֹטַ‏‏‏אִיוֹס - "ראשוני") הוא תרכובת אורגנית הבנויה משרשרת מקופלת של חומצות אמיניות הקשורות ביניהן בקשרים פפטידיים בין הקבוצה הקרבוקסילית של החומצה האמינית לקבוצה האמינית של החומצה השנייה. החלבונים נמנים עם התרכובות החשובות ביותר המרכיבות את האורגניזם, והם מצויים בכל תא חי.

רצף חומצות האמינו בחלבון נקבע על ידי רצף הנוקליאוטידים בגן (מקטעי DNA או RNA) המכיל את המידע להרכבתו. מכלול תכונותיו של האורגניזם נקבע על ידי ההתקשרויות הכימיות של חלבון אחד עם אחר. לחלבונים מבנה תלת-ממדי מורכב ביותר המכתיב את תפקידם ופעילותם בגוף החי.

החלבונים התגלו לראשונה על ידי יונס יעקב ברצליוס ב-1838 והוא כינה אותם בשמם. אף-על-פי-כן, תפקידם המרכזי של החלבונים באורגניזמים חיים לא הוערך במלואו עד 1926, כאשר ג'יימס סאמר הראה כי האנזים אוראז הוא חלבון. הרצף הראשון של חלבון שנקבע היה של חלבון האינסולין, על ידי פרדריק סנגר, שזכה בפרס נובל על הישג זה ב-1958. המבנה החלבוני הראשון שפוענח היה של ההמוגלובין והמיוגלובין על ידי מקס פרוץ וג'ון קנדרו, גם כן ב-1958. המבנה התלת-ממדי של שני חלבונים אלו נקבע על ידי אנליזה של שבירת קרני רנטגן.

בימים עברו, לפני גילוי ה-DNA, נחשב בטעות החלבון לחומר התורשתי העובר מההורים לצאצאיהם, ועל פיו מתפתחים התאים וכל חלקי הגוף.

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 טבעי המופיע אצל יונקים.
  • משי (אשר מייצר טוואי המשי) וקורי עכביש שניהם חלבונים טהורים, הבנויים ממשטחי בטא.
• 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 גלוטמאט) וציטוקינים הינם חלבונים שליחים (יוצא דופן מבחינה זו הוא גלוטמאט, שלמעשה הינו חומצת אמינו בודדת, כלומר אחת מאבני הבניין המשמשות להרכבת חלבונים).
  • מכווצים: בעלי יכולת לייצר תנועה. חלבונים אלו, כגון מיוזין ואקטין, מצויים בשרירים.
  • אנזימים: משמשים כזרזים של תגובות כימיות בגוף.

מבנה החלבון

סליל אלפא

היררכיית מבנה החלבון

משטח בטא

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. כמו כן, קיימים גם מתחמים בקיפול חלבון אשר מהווים חלוקה נוספת של החלבונים. אלה הם יחידות פוליפפטידיות המתקפלות באופן עצמאי, ללא קשר לקונטקסט החלבוני בו הן נמצאות. למרבית המתחמים חשיבות פונקציונלית או מבנית לתפקוד החלבון. כמו כן, למתחמים בקיפול חלבון יש חשיבות רבה בתיווך אינטראקציות בין חלבונים. את מבנה החלבון מחלקים לארבע רמות בסיסיות:

• מבנה ראשוני: זהו מבנה קווי פשוט, הבנוי אך ורק מהקשר הפפטידי בין חומצות האמינו. לכל חלבון יש מבנה ראשוני, המוגדר על ידי סדרת הזוויות הדו-מישוריות לאורך השרשרת. הפרעות מרחביות הדדיות בין חומצות אמינו שכנות מאלצות את מרבית הזוויות בחלבון לתחומים זוויתיים מוגבלים, המיוצגים בדיאגרמת ראמהצ'אנדרן.

• 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 אלפא או משטח בטא.
  • סליל אלפא: מבנה זה נוצר כאשר חומצות אמינו יוצרות קשרי מימן עם חומצות אמינו במרחק 3.6 שיירים מהן. קשרים אלו מקפלים את החלבון ב-100 מעלות לכיוון שמאל, רוב החלבונים שנמצאו מקופלים ימינה ( כך יש פחות הפרעה סטרית, ראו גם: סטריאוכימיה, כיראליות) וכך נוצר מבנה ספירלי דחוס שבתוכו אין כמעט חלל פנוי. קבוצות ה-R של החומצות פונות כלפי חוץ בסליל אלפא. בממוצע כשליש מכל חומצות האמינו בחלבונים נמצאות בסלילי אלפא.
  • משטח בטא: מבנה זה נוצר כאשר שתי שרשרות פוליפפטידיות או יותר נצמדות זה לזה באמצעות קשרי מימן, ויוצרות מבנה דמוי משטח. למבנה זה שני אופנים: מקבילי (פרללי) ואנטי-מקבילי (אנטי-פרללי): במבנה מקבילי כיוון השרשרות הפוליפפטידיות זהה בשרשרות השונות - קצה אמיני בסמוך לאמיני וקצה קרבוקסילי בסמוך לקרבוקסילי. במבנה אנטי-מקבילי כיוון השרשרות הצמודות הפוך - קצה אמיני בסמוך לקצה קרבוקסילי וקצה קרבוקסילי בסמוך לאמיני. במבנה האנטי-מקבילי קשרי המימן קצרים יותר ולכן זהו מבנה חזק יותר בהשוואה למקבילי. בממוצע כרבע מכל חומצות האמינו בחלבונים נמצאות במשטח בטא.

קיימים מספר מבנים שניוניים אחרים, אך אלו פחות נפוצים. כמו כן, לעתים מקטעי חלבון אינם מאמצים מבנה שניוני ומאמצים מבנה בלתי מאורגן (Disordered Region).

• 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 ממס (דטרגנט) נקראת דנטורציה. המבנה השלישוני נוצר ממספר סוגים של קשרים כימיים:
  • קשרי גופרית: קשרים קוולנטיים הנוצרים רק בנוכחות חומצת האמינו ציסטאין, המכילה אטום גופרית בקצה קבוצת ה-R. קשרי S-S מכונים קשרים דיסולפידיים (מהמילה Sulphide, "גופרי").
  • 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: מבנה זה הוא תוצאה של אינטראקציה בין לפחות שתי מולקולות חלבון, במצב זה ההתייחסות אל כל מולקולת חלבון היא כתת-יחידה של החלבון המורכב והיא משמשת כחלק מהקומפלקס החלבוני. זהו מבנה מורכב שקיים רק בחלק מהחלבונים. לחלבון במבנה זה יש משקל מולקולרי מאוד גבוה. הקשרים הכימיים היוצרים את המבנה השלישוני עושים זאת גם במבנה הרבעוני. המוגלובין הוא 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 בטא וסלילי אלפא.
  • 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

תרשים מופשט המתאר את מסלול סינתזת החלבונים בתא

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 ברשתית 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 לציטופלזמה 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 לציטופלזמה כדי להצמד לחומצה אמינית חדשה המתאימה לו. כך נבנית השרשרת עד שהחלבון מושלם. לאורך יצירת שרשרת חומצות האמינו משוחררים חלקים מושלמים מהשרשרת לציטופלזמה 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. לעתים הבשלת החלבון כוללת גם קטיעה של מקטעים מסוימים שלו, הוספה של קבוצות כימיות כסוכרים, זרחה, קבוצות גופרית ושומנים. כמו כן, לעתים 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 נקרא ביוכימיה.

תפקידי החלבונים

מבנה תלת ממדי של חלבון הקשור לסליל DNA. החלבון כולל שני סלילי אלפא ומשטח בטא

• 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 המזרזים פירוק או בניה של חומרים אחרים בתאים

זיהוי חלבונים

ערך מורחב – שיטות חלבונים

זיהוי חלבונים בתמיסה והפרדתם

שיטות רבות ושונות משמשות לזיהוי נוכחות של חלבונים בתמיסה. מכיוון שרוב החלבונים מסיסים במים, על מנת לזהות את נוכחותם בתמיסה יש לרוב צורך בריאגנט כימי (למשל ריאגנט ברדפורד) או ביולוגי (למשל נוגדנים) הנקשר אל מולקולות החלבון בתמיסה. שיטה נוספת לזיהוי חלבונים בתמיסה היא ספקטרוסקופיית UV, המסתמכת על העובדה ששיירים בעלי טבעות ארומטיות בולעים קרינה אלקטרומגנטית בתחום האולטרא-סגול. שיטות כאלו מאפשרות את זיהוי החלבון בתמיסה ואף מאפשרות קביעה מדויקת למדי של כמות החלבון בתמיסה; ואולם, תמיסות ממקור ביולוגי מכילות לרוב תערובת של סוגים שונים של חלבונים, ולכן קיימות שיטות רבות אף יותר להפרדת החלבונים השונים הקיימים בתמיסה.

המכנה המשותף לרוב השיטות הללו הוא שהן מתמקדות על מאפיין אחד של החלבון - למשל הנקודה האיזואלקטרית שלו, ומפרידות בין החלבונים על סמך מאפיין זה. על בסיס זה קיימות שיטות רבות ושונות כמו למשל כרומטוגרפיה לסוגיה (לצורך זה משמשים מכשירי ה-FPLC וה-HPLC), הפרדה באמצעות ג'ל (שיטות כגון SDS-PAGE, ג'ל פילטרציה וג'ל דו ממדי), שיקוע באמצעות מלחים קלי-תמס (כמו למשל אמוניום סולפט) ועוד רבות ושונות.

קיימות כיום שיטות מתקדמות יותר המאפשרות גילוי ובידוד של חלבון ספציפי, בהתבסס על שיטות אימונולוגיות. שיטות אלו, אשר המשותף להם הוא השימוש בנוגדנים בעל ספציפיות לחלבון המבוקש, מאפשרות זיהוי פשוט ומהיר של החלבון המבוקש ברמת דיוק גבוהה; ואולם, חסרונן של שיטות אלו הוא עלותן הגבוהה (עקב העלות הדרושה להפקת נוגדנים) וכן העובדה שקשה להשתמש בהן על מנת להפריד את החלבון מהתמיסה. בנוסף, התקדמויות בתחום ההנדסה הגנטית מאפשרות ליצור חלבון בעל אזורים מסוימים שיכולים לסייע בהפרדתו מהתמיסה (למשל הוספת 'תגיות' היסטידין אשר מאפשרות הפרדה באמצעות קולונת ניקל).

ריצוף וקביעת מבנה

על מנת לאפיין לחלוטין חלבון, יש צורך לדעת מהו רצף חומצות האמינו שמרכיבות אותו, וכן מהו המבנה התלת ממדי (מבנה שלישוני או רבעוני) שלו.

את רצף החלבון מגלים לרוב בשיטות גנטיות, מכיוון שהחלבון מיוצר בתאים על ידי תרגום ולכן פשוט יותר לקבוע את רצף הרנ"א השליח המקודד לו.

את המבנה מגלים לרוב בשיטות של קריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן או תהודה מגנטית גרעינית; שיטות אלו מאפשרות ליצור תמונה תלת ממדית של מבנה החלבון, באמצעות מיקום האטומים הבודדים המרכיבים אותו (תמונות אלו זמינות לקהל הרחב בפורמט PDB שהינו ראשי תיבות של Protein Data Base, או מאגר המידע החלבוני).

רפואה

רוב רובן של כ-4,000 המחלות התורשתיות הגנטיות הידועות לרפואה קשורות לתפקוד לקוי או להיעדר 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 בתזונה

החלבון הוא חומר מזין חשוב לבריאות האדם ולרוב בעלי החיים, המספק את צורכי הגוף לחומצות אמינו. צריכה מספקת של חלבון חיונית לתהליכי בנייה, שימור וגדילה אופטימליים של הגוף, ובעיקר השרירים. בעלי החיים ממחלקת היונקים (בהם האדם) לא מסוגלים לסנתז את כל 20 חומצות האמינו הדרושות להם, ולכן נדרשים חלבונים בהרגלי האכילה שלהם כדי לרכוש את החומצות שאין באפשרותם לסנתז - קרי חומצות אמינו חיוניות. מקורות מזון עשירים בחלבון הם בשר, דגים, ביצים, מוצרי חלב, מוצרי סויה וקטניות.

כמות החלבונים הנדרשת בדיאטה משתנה לפי גיל, מין, משקל, רמת פעילות הגופנית, והמצב הבריאותי. מועצת המחקר הלאומית (RDA) ממליצה על צריכה של 0.8 גרם חלבון ליום לכל קילוגרם משקל גוף. לאנשים העוסקים בספורט ובפיתוח גוף מומלצת צריכה גבוהה יותר של חלבונים, בין 1.2 ל-1.7 גרם. לתינוקות מומלץ לצרוך 2.2 גרם לכל קילוגרם.

ישנן עשר חומצות אמינו חיוניות לאדם, לחולדות ולעופות למיניהם:

• איזולאוצין
• היסטידין
• ולין
• לאוצין
• ליזין
• טריפטופן
• מתיונין
• פנילאלנין
• תראונין
• ארגינין

מחסור בחלבון

חסרים בחלבונים יכולים להוביל לתחושת עייפות, לפגיעה בקצב ההתפתחות הפיזית והמנטלית, לעמידות לאינסולין, לנשירת שיער, לאיבוד הפיגמנטים של השיער, לאיבוד ממסת השריר, לירידה בכושר שחלוף רקמות חלבוניות, לטמפרטורת גוף ירודה, לצמצום בייצור אנזימים והורמונים, לאי-סדירות הורמונלית, לאיבוד אלסטיות העור, לפגיעה במערכת החיסונית ובפוריות. חוסר חמור יותר בחלבונים, כמו זה המתבטא בעת רעב המוני, הוא קטלני (כמו בתסמונת הקוושירקור).

תסמונת קוושירקור מתפתחת לרוב אצל תינוקות כתוצאה ממחסור בחלבון לאחר ההיגמלות מההנקה. אם המחלה לא מטופלת, גוף האדם אינו מסוגל לטפל בזיהומים וכתוצאה מכך עשוי להידרדר מצבו ואף להגיע למוות.

סכנות בצריכת יתר

צריכה מוגזמת של חלבונים נקשרה לבעיות הבריאותיות הבאות:

• תגובות מוגזמות במערכת החיסונית.
• תפקוד לקוי של הכליות בשל כמות מוגברת של משקעים רעילים, כגון אמוניה.
• איבוד מצפיפות העצמות - פריכות העצמות נגרמת משום חלחול סידן וגלוטמין מהעצמות ומהשרירים במטרה לאזן את החומציות הנוצרת לאחר פירוק של מזונות עתירים בחלבון (ה-pH של הדם נשמר בסביבות כ-7.4).

חלבונים מסוימים 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 לגלוטן - החלבון בחיטה ובדגנים אחרים.

חלבון הביצה

המושג חלבון בשפה העברית משמש גם לציון החלק השקוף-לבן בביצה (הציטופלזמה), להבדיל מהחלק הצהוב ממנו מתפתח האפרוח (במידה והביצה מופרית) - 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-10.359% תרכובות חלבונים המומסים במים (בעיקר חלבון האלבומין).

קישורים חיצוניים

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