חלבונים - תפקיד בגוף האדם
חלבונים הינם מולקולות אורגניות, אשר בנויות מחומצות אמינו. החלבונים בגוף האדם קיימים במגוון צורות ותפקידים.












© כל הזכויות שמורות לבעלי האתר: ליאור שנהב. אין להעתיק, לשכפל, לפרסם, לצלם או לעשות שימוש כלשהו בתוכן עמוד זה, ללא אישור מראש בכתב מהנהלת האתר. אין להתייחס למידע באתר כאל עצה רפואית , כתחליף לעצה רפואית או כתחליף להתייעצות עם כל בעל מקצוע אחר. התוספים המתוארים אינם תרופות ואינם תחליף לתרופות. כל העושה במידע זה שימוש על מנת לטפל בעצמו או באדם אחר, עושה זאת על דעת עצמו ועל אחריותו בלבד!
חלבונים בגוף האדם משמשים כ:
וויסות ובקרת מטבוליזם – Regulation. חלבונים אשר עוברים תהליך זרחון "מופעלים" ולאחר הפעלתם מבצעים פעולות בתאי הגוף, כגון שפעול גנים או הפעלת חלבונים נוספים.
 
תפקדי מבני – Structure. חלבוני מבנה אשר בונים את מבנה התא או מבנה רקמות, חלבוני רקמת חיבור, קולגן, אלסטין ועוד.
 
תנועה – Movement. חלבונים אשר משמשים לביצוע עבודה מכאנית – אקטין ומיוזין בתאי שריר, כלי דם ועוד.
 
אנזימים – Catalist. אנזימים הינם חלבונים אשר מזרזים או מאפשרים תגובות כימיות בגוף האדם. עיכול המזון אותו אנו אוכלים מתבצע במערכת העיכול ותהליכים כגון גליקוליזה – ניצול גלוקוז לאנרגיה, מבוצעים על ידי אנזימים.
 
הגנה – Defence. נוגדים המופרשים מתאי מערכת החיסון ומשמשים להגנה כנגד פולשים, הינם חלבונים.
 
הובלה – Transport. חלבונים בממברנת התא יכולים לשמש כנשאים המאפשרים כניסת מולקלות אל תוך תאי הגוף. גלוקוז נכנס אל תאי הגוף על ידי נשאים לגלוקוז.
 
איתות – Signaling. חלבונים יכולים לשמש כאמצעי איתות לתאי הגוף. חלק מההורמונים המופרשים בגוף האדם הינם חלבונים, כגון: אינוסלין, גלוקגון, הורמון גדילה – GH ועוד. הורמונים נקשרים לקולטן בתאי המטרה ולאחר קשירתם מתבצע איתות לתא לבצע פעולות שונות.  
מבנה חלבונים
חלבונים בנויים מיחידות בסיסיות – חומצות אמינו. קיימות כ – 20 חומצות אמינו, אשר מהן ניתן לייצר מספר בלתי מוגבל של חלבונים.
חומצות אמינו בעלות שייר הידרופובי

שם
 
סימון על פי אות קיצור שם  
גליצין G Gly Glycine
אלנין A Ala Alanine
ואלין V Val Valine
לאוצין L Leu Leucine
איזולאוצין I Ile Isoleucine
מתיונין M Met Methionine
פנילאלנין F Phe Phenylalanine
טירוזין Y Tyr Tyrosine
טריפטופן W Trp Tryptophan
 
חומצת אמינו – מבנה כללי.
כל חומצת אמינו "סטנדרטית" בנויה מ:פחמן אלפא – Alpha carbon, בעל ארבעה קישורים:
1. קבוצת קרבוקסיל Carboxyl – COOH.
2. קבוצת אמינו – NH2 Amino group -.
3. אטום מימן.
4. שייר – Side chain- R, אשר משתנה מחומצת אמינו אחת לשנייה.
חומצות אמינו בעלות שייר בעל טעון במטען חשמלי
 

שם
 
סימון על פי אות קיצור שם  
מטען חיובי      
ליזין K Lys Lysine
ארגינין R Arg Arginine
היסטידין H His Histidine
       
מטען שלילי
אספרטט D Asp Aspartate
גלוטמט E Glu Glutamate
 
חומצות אמינו בעלות שייר קוטבי
 

שם
 
סימון על פי אות קיצור שם  
סרין S Ser Serine
תראונין T Thr Threonine
ציסטאין C Cys Cysteine
פרולין P Pro Proline
אספרגין N Asn Asparagine
גלוטמין Q Gln Glutamine
 
בניית חלבונים
בניית חלבונים מתבצעת בשלב הראשון על ידי חיבור בין חומצות האמינו. הקשר בין חומצות האמינו נקרא קשר פפטידי Peptide bond והינו נוצר על ידי חיבור בין קבוצת הקרבוקסיל בחומצה אמינית אחת לבין קבוצת האמינו בחומצת האמינו שניה וכך הלאה.
שלב תרגום החלבון
מולקולת הרנ"א שליח - Messenger RNA בנויה מבסיסים חנקניים. רצף של שלושה בסיסים המהווה צופן לחומצת אמינו אחת בתהליך התרגום שבריבוזומים נקרא קודון - Codon. ישנם 64 קודונים ל-20 חומצות אמינו כולל קודון התחלה וקודון סיום.
 
היחידה הקטנה של הריבוזום נצמדת אל רנ"א שליח ולאחר מכן היחידה הגדולה. מולקולות רנ"א מוביל - tRNA  מעבירות חומצות אמינו על פי סדר הקודונים המופיעים על מולקולת הרנ"א שליח.
כאשר חומצות האמינו מסודרות אחת על יד השנייה, הריבוזום מזרז את היווצרותו של הקשר הפפטידי בין חומצות האמינו. כאשר מופיע קודון סיום התרגום נפסק ותתי היחידות של הריבוזום, רנ"א שליח והחלבון מופרדים.
בניית חלבונים מתחילה בתעתוק האינפורמציה הטמונה בקוד הגנטי –  DNA אשר נמצאת בגרעין התא. גנים ב – DNA, מועתקים למקטע RNA. מולקולת ה –  RNA יוצאת מגעין התא אל הציטוזול ו"עוברת" דרך הריבוזום – בית החרושת של התא לייצר חלבונים ומעבירת את המידע לחיבור חומצות אמינו ספציפיות ליצרית שרשרת החלבון הראשונית.
לאחר יצירת שרשרת החלבון הראשונית, מבנה ראשוני - Primary structure, עוברת שרשרת החלבון "קיפול" והמרה למבנה שניוני – Secondary structure, אשר עשוי להיות מבנה סלילי – Alpha Helix או מבנה שטוח  - מבני יותר – Beta pleated sheet.
 
בשלב הבא, נוצר מבנה שלישוני – Tertiary structure, מבנה מפותל אשר מאפשר יצירת מבנים מרחביים מגוונים לחלבונים שונים בגוף האדם.
 
חלבונים רבים קיימים גם במבנה רביעוני - quaternary structure.  לאחר יצירת המבנה השלישוני של החלבון, יחידות של מבנה שלישוני מתחברות ליצירת מבנה רביעוני. 
מבנה חלבונים
המבנה הראשוני - Primary structure

המבנה הראשוני בנוי מרצף חומצות אמינו. מקטעים של מבנה ראשוני עשויים להשתלב במבנה של חלבונים מורכבים ( בעלי מבנה שלישוני ואף רביעוני ), דוגמה: בתרשים הבא מקטעי החלבון במבנה הראשוני צבועים בירוק. 
אינסולין - Insulin 
בנוסף קיימים גם חלבונים אשר בנויים ממבנה ראשוני בעלי פעילות ביולוגית, לדוגמה:
אינסולין - הורמון בעל מבנה ראשוני. 
המבנה השניוני – Secondary structure
רמת הארגון השנייה במבנה החלבונים הינה קיפול שרשרת החלבון הראשונית לשני סוגים עיקריים של מבנים: מבנה סלילי - Alpha helix ומבנה צפוף בעל קפלים - Beta sheet.
חלבונים בעלי רמת ארגון שלישונית עשויים להכיל מקטעי חלבון בעלי מבנה סלילי - Alpha helix - צבועים באדום, אשר קשורים למקטעי חלבון בעלי מבנה - Beta sheet, צבועים בצהוב. 
מבנה Alpha helix
רוב סלילי ה - Alpha helix בנויים מ – 9 עד 37 חומצות אמינו.
בסליל Alpha helix קיימים קשרי מימן בין חומצות אמינו על אותו רצף , אשר גורמים לשרשרת הפוליפפטידית להתארגן כסליל צפוף לאורך ציר דמיוני. כוונו בדרך כלל ימני.
קבוצות ה- R פונות החוצה והמישורים הקשיחים של הקשרים הפפטידיים מתארגנים במקביל לציר האורך.
בסיבוב מלא של הסליל מצויות 3.6 חומצות אמיניות בממוצע ו-18 חומצות אמיניות בחמישה סיבובים של הסליל.
הפרשי הגובה (לאורך הסליל) בין חומצות אמיניות סמוכות  0.15nm . והן מסובבות ב100 -מעלות אחת ביחס לשניה, כאשר המרחק לאורך הסליל הדמיוני בין מרכז סיבוב אחד לשני  0.54 nm.
 
הסליל מחוזק על ידי קשרים מימניים בין כל החמצנים הקרבוניליים לבין כל המימנים האמינים הנמצאים מתחתם במרחק של כארבע חומצות אמינו
היציבות של סליל Alpha helix נובעת בעיקר מקשרי ממימן הנוצרים בין אטום חמצן הקשור לפחמן קרבונילי בחומצת אמינו אחת לבין אטום מימן הקשור לחנקן בחומצת אמינו אחרת בשרשרת החלבון.
היכולת ליצור את המספר המרבי של קשרי מימן, בתוספת קשרי ואן דר וואלס מספקת את הכוח התרמודינמי ליצירת מבנה סלילי ארוז.
 
מבט מלמעלה לאורך הציר שמסביבו נוצר הסליל, קבוצות ה R פונות החוצה . החלל שנוצר במרכז דחוס ומונע כניסת מולקולות מים שהיו מתחרות בקשרי המימן שמייצבים את המבנה.
רבים מסליל Alpha helix  בנויים בעיקר מחומצות אמינו בעלות שיירי  R הידרופוביים בצד אחד של הסליל ומחומצות אמינו בעלות שיירי  R הידרופיליות בצדו השני. מבנה זה מקנה לסליל תכונה אמפיפטית המאפשרת לסלילים אלו לתפקד כתעלות המאפשרות למולקולות קוטביות ספציפיות לעבור דרך ממברנות הידרופוביות.
מבנה משטח בטא - Beta sheet
מבנה של משטחים הנוצר על ידי קשרי מימן בין מקטעים מקביליים של שרשרת החלבון. כל מקטע במשטח בטא נקרא גדיל. רוב משטחי הבטא בנויים מכ – 6 גדילים. משטחי בטא בעלי פחות מ – 4 גדילים אינם בעלי מבנה יציב ולכן יחסית נדירים.
 
מבנה משטח בטא מאופיין כ "פתוח” יותר ממבנה סליל אלפא. מחזוריות חומצות האמינו הינה של nm 0.7-0.65 .. הסלילים של שרשרות החלבון מונחים במרחב זה לצד זה ונראים כמו קפל במשטח.
 
בדומה לסלילי אלפא, מבני משטח בטא שומרים על יציבותם בשל קשרי מימן הנוצרים בין אטום חמצן הקשור לפחמן קרבונילי בחומצת אמינו אחת לבין אטום מימן הקשור לחנקן בחומצת אמינו אחרת בשרשרת החלבון. בשונה מסלילי האלפא קשרי המימן המייצבים את המבנה של המשטח, נוצרים בין  אזורים של אותה שרשרת או בין שרשרות שונות.
קבוצות ה-R בולטות מעל ומתחת למשטחים לסירוגין  בסלילים המונחים זה לצד זה במרחב. השרשרות יכולות להיות מקבילות Parallel או אנטי-מקבילות Antiparallel.
סיבובים Turns and bends ולולאות Loops
המבנה השלישוני של חלבונים מורכב אמנם מסלילי אלפא ומשטחי בטא, אך גם ממקטעים נוספים בעלי מבנה פשוט יותר – סיבובים ולולאות. תפקיד מקטעים אלו הינו לאפשר את שינוי או הפיכת כיוון שרשרת החלבון.
 
לולאות קצרות, מכונות כסיבובים Turns and bends. סיבובים אלו הינם מקטעים קצרים אשר מקשרים בין שני מבנים שניוניים כגון שני משטחי בטא בעלי כיוון מנוגד.

 
המבנה השלישוני Tertiary structure 
המבנה השלישוני של החלבון נוצר לאחר שהחלבון התקפל למבנים שניוניים ואינטראקציות בין קבוצות ה – R בין חומצות האמינו גורמות לקיפול ושינוי מבני נוסף. 
בנוסף קיימות אינטראקציות הידרופוביות והידרופיליות בין חומצות אימינו בחלבון לבין סביבת החלבון המיימית. חומצות אמינו הידרופוביות פונות אל מרכז בחלבון ואילו חומצות אמינו הידרופיליות פונות אל שטח החלבון הקרוב למולקולות המים. 
האינטראקציות בין קבוצות ה – R עשויות להיווצר מקשרי מימן, קשרים יוניים, קשרים דיסולפידיים אשר הינם קשרים קוולנטיים בין שרשראות הצד המכילות גופרית של החומצה האמינית ציסטאין.
 
המבנה הרביעוני  - quaternary structure 
חלבונים עשויים להיות מורכבים ממספר יחידות בעלות מבנה שלישוני. כאשר מספר יחידות בעלות מבנה שלישוני מחוברות יחדיו מתקבל מבנה רביעוני.
דוגמה לחלבון בעל מבנה רביעוני – חלבון ההמוגלובין. מבנה ההמוגלובין מורכב מארבע יחידות חלבון בעלות מבנה שלישוני. בכל יחידה בעלת מבנה שלישוני קיימת מולקולת הם  - Heme, אשר ביכולתה לקשור חמצן.  
חלבון ההמוגלובין
דנטורציה
שינוי במבנה השלישוני הגורם לאיבוד פעילותו הביולוגית של החלבון באופן חלקי או מלא.
הגורמים לדנטורציה פוגעים בקשרים המייצבים את המבנה השלישוני כגון: קשרי מימן, אינטראקציות הידרופוביות  ויוניות.  
 
הגורמים הדנטורטיבים העיקריים הם :
• עליה בטמפרטורה – משפיעה בעיקר על ניתוק קשרי המימן (הבישול גורם לדנטורציה מה שמקל על פירוק החלבון.
• שינוי בpH  -  משפיע על השיירים הטעונים ע"י שינוי המטען וגורם לשינוי בכוחות המשיכה ודחייה בין המטענים
• ממסים אורגניים אוריאה וכהל – אתנול 70% –משפיעים על אינטראקציות הידרופוביות וקשרי מימן.
• מלחים – מתחרים על מולקולות המים ופגעים בקשרי מימן וייצוב פולרי ויוני
• מרקפטואתנול – שובר קשרי S-S
 
רנטורציה – תהליך הפוך בו חלבון שעבר דנטורציה חוזר למבנה השלישוני הנטיבי ומחדש פעילותו
תהליך הרנטורציה יתרחש לאחר סילוק הגורמים הדנטוריטביים ובתנאי שלא נוצרו במהלך הדנטורציה קשרים קוולנטיים שונים מהקשרים שהיו במצב הנטיבי כגון היווצרות קשרי S-S בין שיירי ציסטאין שלא היו במבנה הנטיבי.

דנטורציה אינה פוגעת בערכו התזונתי של החלבון. תהליך הדנטורציה גורם לשינוי במבנה החלבון אך אינו גורם להרס חומצות האמינו המרכיבות את החלבון.
 
חימום מזונות כגון: בשר, עוף, דגים, ביצים, מוצרי חלב וקטניות גורם לדנטורציה ולשינוי מבני הנראה לעין במזונות אלו. יחד עם זאת, שינויים אלו אינם גורמים לפגיעה בערכו התזונתי של המזון, מאחר שבגופנו מזונות מכילי חלבון ממילא עוברים דנטורציה ( על ידי חומצות ואנזימים במערכת העיכול ) ומפורקים לחומצות אמינו בודדות.
סיווג חלבונים
ניתן לסווג חלבונים על פי הקריטריונים הבאים:
•  צורת החלבון.
•  הרכב החלבון.
•  מטען החלבון.
 
סיווג חלבונים על בסיס צורה
• חלבונים בעלי מבנה סיבי - Fibrous protein. חלבונים סיביים כגון קולגן, אקטין, מיוזין וקרטין,  הינם חלבונים אשר נמצאים ברקמות חיבור ( קולגן ואלסטין ), תאי שריר ( אקטין ומיוזין ), ציפורניים ושיער ( קרטין ). חלבונים אלו בעלי מבנה מפותל, אינם מסיסים במים והינם עמידים לאנזימים פרוטאוליטיים,
• חלבונים בעלי מבנה כדורי – חלבונים גלובולריים  - Globular proteins.  חלבונים אלה, שלא כמו חלבונים סיבים מסיסים במים. הם מורכבים מפוליפפטידים המפותלים סביב עצמם ליצירת מולקולות עגלגלות או כדוריות, למשל גלובולינים שונים, אלבומין, אינסולין והורמונים כמו אוקסיטוצין. 
קולגן  - מבנה סכמטי
סיווג חלבונים על פי הרכב
• חלבונים פשוטים: חלבונים אלה מורכבים מחומצות אמינו בלבד. לדוגמה: אלבומין, גלובולין.
• חלבונים מצומדים: מדובר בחלבונים מורכבים אשר קשורה אליהם קבוצה  שאינה חומצה אמינית הנקראת קבוצה פרוסתטית כגון:
מטאלופרוטאינים Metalloprotein. בחלבונים אלו קיימים יוני מתכת הקשורים לחלבון. דוגמאות – חלבוני ציטוכרום P-450 אשר אליהם קשור יון ברזל, סלנופרוטאינים אשר אליהם קשור יון סלניום.
נוקלאופרוטאינים – Nucleoproteins. שילוב של חלבון וחומצה גרעין. דוגמה: הכרומוזומים הם נוקלאופרוטאינים. המורכבים מ-DNA המלופף סביב חלבונים הקרויים היסטונים.
מוקופרוטאינים – Mucoproteins וגליקופרוטאינים - .Glycoproteins. שילוב של חלבונים ופחמימות.
ליפופרוטאינים - .Lipoproteins. שילוב של חלבונים וליפידים. דוגמה  - HDL ו – LDL.
פוספופרוטאינים - .Phosphoprotein. לחבונים אלו קשורה קבוצת פוספט.


 
סיווג חלבונים על פי מטען
חלבונים חומציים: הם קיימים כאניונים ומכילים ריכוז גבוה של חומצות אמינו חומציות.
חלבונים בסיסיים: הם קיימים כקטיונים ומכילים ריכוז גבוה של חומצות אמינו בסיסיות.
שיטות להפרדת חלבונים
חלבונים הינם מולקולות ביולוגיות בעלות תפקידים רבים. תחומי מחקר רבים כגון: רפואה, תזונה, תעשיית המזון והתרופות, נשענים על יכולת זיהוי ובידוד חלבונים שונים.
 
קיימות מספר שיטות להפרדה וזיהוי חלבונים כגון:
שיטות כרומוטגרפיה בעמודה, בניהן הפרדת חלבונים על ידי גודל, הפרדת חלבונים על מטען והפרדת חלבונים על ידי קשירה לליגנד.
 
שיטות נוספות כוללת הפרדת חלבונים על ידי כרומוטוגרפיית גז וכרומוטגרפיית חלבונים בלחץ גבוה - High Performance Liquid Chromatography.
 
 
כרומוטוגרפיות עמודה
כרומטוגרפיות עמודה משמשות להפרדת חלבונים על ידי ספיחה דיפרנציאלית של תרכובות לספיח כאשר התרכובות עוברות בעמודה בשיעורים שונים המאפשרים להפריד אותם למקטעים שונים. 



הפרדת חלבונים על פי מטען, כרומוטוגרפיית חילוף יונים Ion exchange chromatography
כרומטוגרפיה של חילופי יונים היא תהליך המאפשר הפרדה של יונים ומולקולות קוטביות על בסיס הזיקה שלהם למחליף היונים. בשיטה זו ניתן להשתמש על מנת לבודד כל סוג של מולקולה טעונה כולל חלבונים גדולים, נוקלאוטידים קטנים וחומצות אמינו. ניתן להפריד בין קטיונים או אניונים בשיטה זו. העיקרון מבוסס על אינטראקציה אלקטרוסטטית הפיכה של יונים עם מטריצת ההפרדה - ההפרדה מתרחשת על ידי חילופי יונים הפיכים בין היונים שנמצאים בתמיסה לבין אלה שנמצאים בשרף חילופי היונים.

1. חלבונים מוספים לעמודה בה קיימים חלקיקים טעונים חיובית.
2. הפרדת החלבונים מתבצעת בשל העובדה שחלבונים עוברים דרך העמודה בקצב שונה בהתאם למטענם.

 
הפרדת חלבונים על ידי גודל, כרומוטוגרפיית גודל המולקולה - Size exclusion chromatography
כרומוטוגפייה על פי גודל החלבון מכונה גם בשם  - Gel-permeation chromatography.
בשיטה זו משתמשים בחלקיקים בעלי נקבוביות להפרדת מולקולות בגדלים שונים. שיטה זו משמשת להפרדת מולקולות ביולוגיות ולקביעת משקולות מולקולריות והתפלגות משקל מולקולרי של פולימרים.
 
1. חלבונים מוספים לעמודה אשר מכילה חלקיקים בעלי נקבוביות, אשר פועלי כמסננת הלוכדת חלבונים.
2. חלבונים יוצאים מהעמודה בקצב שונה, חלבונים גדולים יותר, ייצאו בשלב מוקדם יותר ואילו חלבונים קטנים יותר, אשר יכולים להיכנס אל הנקבוביות ייצאו בשלב מאוחר יותר. 
הפרדת חלבונים על ידי קשירה לליגנד, כרומטוגרפיית זיקה - Affinity Chromatography.
כרומטוגרפיית זיקה משמשת להפרדת תערובת של חלבונים או חומצות גרעין על ידי אינטראקציות ספציפיות של אותן מולקולות עם מרכיב ליגנד – מולקולה הנקשרת לחלבון. האינטראקציות עשויות להתרחש בין אנזים ומצע, קולטן וליגנד, או נוגדן ואנטיגן. אינטראקציות אלו אינן קוולנטיות וניתנות לשחזור.
 
1. תערובת חלבונים מוספת לעמודה אשר מכילה חלקיקים קשורים לליגנד.
2. חלבוני המטרה נקשרים לליגנד, שאר החלבונים נשטפים מהעמודה.
3. אל העמודה נוסף ליגנד בלבד, אשר שוטף את חלבון המטרה מהעמודה.   
הפרדת חלבונים על ידי כרומטוגרפיית נוזל בלחץ גבוה - High Performance Liquid Chromatography.
 
מאגר מחזיק את הממס – Solvent, משאבה בלחץ גבוה משמשת לייצור ומדידת קצב זרימה מוגדר של הממס בדרך כלל מיליליטר לדקה. מזרק משמש להכנסת הדגימה לממס הזורם ברציפות.
 
העמודה – HPLC column, מכילה את חומר האריזה הכרומטוגרפי הדרוש בכדי לבצע את ההפרדה.
גלאי – Detector, משמש להפרדת רצועות החומרים השונים המופרדות כשהם מתחלפים מעמודת ה -  HPLC.
 
הגלאי מחובר לתחנת הנתונים הממוחשבת, רכיב מערכת HPLC שרושם את האות החשמלי הדרוש ליצירת הכרומטוגרמה בתצוגה שלו ומשמש לזהוי ולכימות ריכוזי מרכיבי הדגימה.

מושגים

חלבונים - Proteins

לפגישת היכרות ללא
התחייבות וללא תשלום