חלבונים

נועה גלץ

נוסחה כללית

הנוסחה הכללית של החלבונים היא בעצם הנוסחה של חומצת אמינו שהיא תרכובת אורגנית המהווה את יחידות המבנה הבסיסיות של החלבונים.

בביוכימיה, הכוונה בחומצת אמינו היא לחומצה אלפא אמינית.


חומצה אלפא אמינית מורכבת מאטום פחמן מרכזי שקרוי פחמן-אלפא שקשור קוולנטית לקבוצת אמין (NH2), קבוצת קרבוקסיל (COOCHׂ), לאטום מימן (H) ולקבוצה צדדית משתנה.

הקבוצה הצדדית (שרשרת הצד) של החומצה נקראת גם קבוצת ה-R (באנגלית: residue ובעברית 'שייר' שזה שארית) - ה-R מגיעה ממקור אורגני כלשהו - והיא הגורם המבדיל בין חומצות האמינו השונות. לקבוצות צדדיות שונות יש תכונות כימיות שונות ובעקבות תכונות אלה מיקומן הספציפי של החומצות האמיניות בשרשרת החלבון קובע את מבנה ופעילות החלבון.

הנוסחה הכימית הכללית של חומצת אמינו היא H2NCHRCOOH.

תיאור כימי

כיצד נוצר החלבון?


החלבונים נבנים בתוך התאים על ידי הריבוזומים.

בתהליך היצירה של חלבונים, הקרוי תרגום, מתורגם המידע התורשתי המקודד ב-mRNA, שהוא בעצמו משועתק מה-DNA.

תהליך היצירה של חלבון מתחיל בגרעין התא. בתחילה מופרדים שני גדילי הסליל הכפול של ה-DNA בעזרת אנזים, עליו אחד הגדילים נבנה mRNA. לאחר שנוצר במלואו, הוא נפלט לציטופלזמה ומוצמד לאחד הריבוזומים בתא.

הריבוזום מתחיל לקרוא את הקוד הגנטי כאשר הריבוזום מזהה את סוג החומצה האמינית שנחוצה לפי הקוד הגנטי, הוא מושך אליו אחד מסוגי ה-RNA בכל פעם, ומוסיף אותה לשרשרת חומצות האמינות שכבר נוצרה.

כאשר נוצר הקשר הבא בשרשרת החומצות האמיניות אחד מסוגי ה-RNA נפלט לציטופלזמה כדי להיצמד לחומצה אמינית חדשה שמתאימה 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).

החלבון הבשל מסגל לעצמו את המבנה הסופי. לפעמים הבשלת החלבון כוללת גם קטיעה של קטעים מסוימים שלו, הוספה של קבוצות כימיות כמו סוכרים, זרחה (יון שבנוי מאטום זרחן וארבעה אטומי חמצן), וקבוצות של גופרית ושומנים.



כיצד החלבון מתפרק ומדוע יש צורך בכך?

פירוק החלבונים הוא תהליך סגולי ובררני. החלבונים המיועדים לסילוק נבחרים בקפידה ועוברים תהליך פירוק זהיר ומתואר היטב עם שאר פעילויות התא.

הצורך בפירוק חלבונים:

- חלבונים נוטים להינזק כתוצאה מגורמים סביבתיים

- מחזור חומרים

פירוק של חלבונים מתרחש גם במערכת חיצונית: מעי (מערכת פנימית היא תא).


האוביקוויטין (Ubiquitin) הוא זה שמפרק את החלבון.

האוביקוויטין הוא חלבון קטן, שממלא את התפקיד המרכזי בתהליך חיסול החלבונים.

מערכת פירוק החלבונים היא יעילה ומדויקת ובה משתתפים אנזימים רבים שמתואמים בפעולתם ומתוזמנים היטב. האנזימים של המערכת מסמנים את החלבון שנידון למוות בכך שהם מדביקים אליו את מולקולת האוביקוויטין. אחרי הדבקת "סמן המוות" החלבון המוצמד לאוביקוויטין מפורק על ידי אנזים המזהה רק חלבונים אליהם מוצמד "סמן המוות".



תגובות בהן משתתף החלבון -


בתאים בגופינו מתרחשים אינספור תהליכים מורכבים שתלויים זה בזה, החל אספקת אנרגיה דרך העברת חומרים ועד לפינוי פסולת.

האחראים על התהליכים והתגובות בהן החלבון משתתף הם האנזימים - חלבונים המזרזים תהליכים כימיים ביצורים חיים.

האנזימים נקראים "זָרזים ביולוגיים", משום שהם מזרזים (למעשה, הם מאפשרים) את קיומם של כל התהליכים הכימיים בגוף, כגון: פירוק של מולקולות, שינוי מבנה של מולקולות והרכבה של מולקולות שונות. ללא אנזימים תהליכי החיים לא היו יכולים להתקיים. כדי שהתהליך הביוכימי יתקיים, חייבת להיות התאמה מבנית בין האנזים לבין החומר שהוא פועל עליו ("סובסטָרט"). לרוב משווים את ההתאמה הזאת להתאמה בין מנעול למפתח: התהליך מתבצע רק כשיש התאמה במבנה הייחודי של האנזים לבין הסובסטָרט שלו.

חלבונים בגוף האדם

החלבונים הם מהחומרים החשובים ביותר המרכיבים את היצורים החיים. הם נמצאים בתאיו של כל יצור חי, ללא יוצא מן הכלל, ובתא עצמו נמצאים החלבונים כמעט בכל מבנה ואברון שהוא. הגוף שלנו משתמש בחלבון כחומר עיקרי בבנייה ובתיקון של חלקי הגוף: הדם, השרירים, העצמות, השיניים, העור, השיער, הציפורניים והאיברים הפנימיים.

הם משתתפים בבנייה של איברי הגוף ושל הרקמות שלו הם בונים את האברונים של כל התאים: הגרעין, השלד הפנימי של התא, ועוד. בנוסף, יש תאים שמכילים חלבונים ייחודיים, למשל: תאי השריר מכילים חלבונים ייחודיים - אְקטין ומיוזין - האחראים לתכונותיו הייחודיות של השריר.

קיימים מעל 10,000 חלבונים שונים שנמצאים ונצרכים בגופנו על מנת לשמור על החיים.

מכלול התכונות של האורגניזם (יצור חי) - כגון צבע עיניים, פעילות מערכת החיסון, רגישות לחומרים מסוימים ועוד - הינו תוצאה ישירה של פעילות חלבונים.

מלבד כך שהחלבונים נמצאים בכל אחד מהתאים, הם מהווים חלק חשוב בגוף:

תפקידי החלבון:

  • הובלת המזון והחמצן בדם, אל התאים ומהם.
  • בניית חלקים שונים בגוף: בניית תאי העור (מורכב מ 75% חלבון), השיער, הציפורניים, העצמות, השרירים ועוד.
  • בניית מערכת החיסון: נוגדנים, כדוריות דם לבנות ועוד.
  • בניית הורמונים, אנזימים, ומוליכים עצביים.
  • ויסות מאזן המים, החומצות והבסיסים בגוף, ותהליכי חילוף החומרים.


קיימים שני סוגים של חלבונים בגופינו - חלבוני מבנה וחלבוני פעולה:

חלבוני מבנה -
תאים של רקמות החיבור (עור, גידים, עצמות וסחוס) מכילים את החלבון קולגן, והוא זה שמקנה להם חוזק. החלבונים שבונים את גופם של היצורים החיים נקראים חלבוני מבנה.
חלבוני פעולה -

חוץ מחלבוני המבנה, שמשמשים לבנייה של התאים והרקמות, יש בגוף חלבוני פעולה שמשתתפים בתהליכים חשובים. כאלה הם האנזימים, הנוגדנים, ההורמונים, ועוד.


סוגי חלבוני הפעולה המצויים בגופנו:

  • האנזימים הם חלבונים שמצויים בתאיהם של כל היצורים - חלבונים המזרזים פירוק או בניה של חומרים אחרים בתאים. ללא אנזימים מרבית התגובות היו מתרחשות לאט לאט ואולי לא היו מתרחשות כלל. האנזימים פועלים כזרזים ביולוגים של התגובות הכימיות שעליהן מבוססים החיים.
  • הנוגדנים הם חלק ממערכת החיסון של הגוף - חלבונים ש"תוקפים" חומרים זרים. נוגדנים הם חלבוני פעולה, שנקשרים לגופים זרים שפולשים לגוף ומסייעים לנטרל אותם.
  • חלבון המוגלובין נמצא בכדוריות הדם האדומות . זהו חלבון פעולה: הוא קושר אליו את החמצן ונושא אותו אל כל תאי הגוף.
  • ההורמונים החלבוניים הם חלק מן ההורמונים שגופנו מייצר - חלבונים שמעבירים מסרים בגוף (מתא לתא). הורמונים אלה הם חלבונים שמתפקדים כחלבוני פעולה. למשל, הורמון הגדילה משפיע על גדילת הגוף, והאינסולין משפיע על יכולתם של התאים לקלוט גלוקוז מהדם.

שימושים בתעשייה

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 שעלול להיגרם לגוף בעקבות חוסר התפקוד של חלבון בודד. הדבר מראה שלמרות שבגוף האדם פועלים עשרות אלפי חלבונים שונים, לכל אחד מהם תפקיד ספציפי ביותר והחלבונים האחרים לא מסוגלים בדרך-כלל לחפות על חוסר תפקודו של חלבון מסוים.

בנוסף לחשיבותו של כל אחד מהחלבונים לתפקוד הגוף, קיימת גם חשיבות עליונה לכל חומצת אמינו בודדת בשרשרת שמרכיבה את החלבון. החלפה או העדר של חומצה אחת בודדת, אפילו בחלבונים שמורכבים ממיליון חומצות אמינו בסך-הכל, יכולה לשבש לחלוטין את תפקוד החלבון.


בין המחלות התורשתיות שנגרמות בעקבות חלבונים פגומים ניתן למנות:


  • אנמיה חרמשית: מחלת דם תורשתית שגורמת להמוגלובין- שמצוי בתאי הדם האדומים ונושא חמצן לכל תאי הגוף - להיווצר בצורה לקויה.
  • סיסטיק פיברוזיס: מחלה תורשתית קשה המופיעה בעיקר בקרב בנים שמשפיעה על הריאות, הלבלב, בלוטות הזיעה, מערכת העיכול ומערכת המין.
  • עיוורון צבעים: קושי רב או חוסר יכולת של אדם להבחין בין צבעים שונים.
  • לבקנות: מחלה תורשתית דומיננטית שגורמת לחוסר פגמנטציה בעור, שיער ועיניים.
  • פנילקטונוריה: מחלה תורשתית שגורמת לפיגור שכלי, אפילפסיה ולפעמים גם לאוטיזם.
  • וכד'.


בעשורים האחרונים התגלו חלבונים פגומים שמסוגלים לגרום לחלבונים אחרים להפוך גם לפגומים. החלבונים האלה - שנקראים פריונים (Prionׂׂ) - גורמים למחלות מוח קשות שבסופו של דבר הן תמיד מובילות למוות.

המחלות שנוצרות בעקבות הפריונים מתפרצות גם בקרב בעלי חיים (יונקים) וגם בקרב בני אדם.

כל מחלות הפריונים גורמות בסופו של דבר למוות, והן חשוכות מרפא.

כל מחלות הפריונים נדירות, ואלה שבאדם הן נדירות מאוד.

המחלות שנמנות בקרב בעלי חיים הן: מחלת הפרה המשוגעת, סקרייפי (Scrapie). מחלות פריוניות נדירות יותר התגלו ב-85 מינים שונים של בעלי חיים.

המחלות שנמנות בקרב האדם הן: חוסר שינה תורשתי קטלני, קורו (המחלה נעלמה מעולם לאחר שנבעה מאכילת מוח אנושי), ומחלת קרויצפלד-יעקב (אותם תסמינים כמו הפרה המשוגעת).


אחד המנגנונים החשובים שמשרתים את הגוף בהגנה מפני מחלת הסרטן הם קבוצה של חלבונים שנקראים "דכאני סרטן". החלבונים האלה רגישים לשינוי שחל בחומר הגנטי של התא, השינוי הופך את התא לסרטני (התמרה סרטנית), וגורמים למות התא - וכך נמנעת התפתחות סרטן. אם נפגעים החלבונים האלה, הרגישות להתמרה הסרטנית נפגעת, התאים הפגועים לא מחוסלים ועלול להתפתח גידול סרטני.

Proteins