השפעת שינוי חומציות הסביבה על מבנה תלת מימדי של חלבון

הקדמה

פעילותו של חלבון בתא תלויה במבנהו השלישוני. חלבוני מבנה הם חלבונים סביים בדרך כלל, וחלבוני התפקוד הם כדוריים בדרך כלל. המבנה השלישוני מקנה לחלבון יציבות בסביבה פיזיולוגית בו הוא נמצא והתאמה לתפקיד.בין היתר מאפשר יצירת אתרי קישור מיוחדים על פני החלבון כמו אתר פעיל של אנזימים או אתר קישור של חלבוני נשא בקרום התא. חלבונים כדוריים מתאימים לנוע בסביבה מימית ומשמשים בתפקיד אנזימים, נוגדנים, נשאים, הורמונים ועוד. חלבונים סיביים לוקחים חלק בתמיכה מכנית של אברי הגוף. אם מבנה השלישוני נפגע, מולקולת החלבון עוברת תהליך הנקראה דנטורציה - תהליך בו מתרחש שינוי במבנה המרחבי של המולקולה והחלבון מאבד את פעילותו.

הגורמים המשפיעים

גורמים שונים משפיעים על קצב התגובה של חלבונים, בהם, טמפרטורה , pH , ריכוז אנזים, ריכוז, מצע ונוכחות של חומרים שונים המגבירים או מעכבים את פעילות החלבון.

השפעת שינוי pH

שינוי ב-pH מובילים לשינויים במטען החומצה האמינית בחלבון. שינויים כאלה בחומצות הממוקמות באתר הפעל יוביל לאיבוד הפעילות האנזימטית. ריכוז יוני מימן גבוה מדי או נמוך מדי יכול להשפיע .

חלבונים (ובניהם אנזימים) מורכבים משרשראות של חומצות אמיניות. לחלק מחומצות אמיניות אלה מחוברות קבוצות (R) הנושאות מטען בהתאם ל pH של הסביבה. על מנת שיוכלו לבצע את תפקידם בצורה תקינה, לחלבונים מבנה מרחבי ייחודי המוחזק על ידי קשרים קוולנטיים (קשרי דו גופרית), קשרים יוניים (בין הקבוצות הטעונות של חומצות אמיניות מסוימות) וקשרי מימן.

פרוטונים, +H, עלולים להשפיע לרעה על קשרים אלה. למשל, הם יכולים להתערב בין שני אטומי גופרית בקשר גופרית ולהפריד בניהם. קבוצת R בסיסית מסוימת יכולה להגיב עם עודף פרוטונים, +H , ולהפוך לניטרלית ובצורה כזו נהרס קשר יוני שבו היא הייתה מעורבת. קבוצת R שהפכה לנייטרלית עשויה ליצור קשרי מימן עם קבוצת R אחרת. קשרים אלו נוצרים במקום אחר בחלבון, ועשויים לשנות את המבנה התלת מימדי של החלבון. מצב הפוך נוצר כאשר יש מחסור בפרוטונים, +H. יתכן שייווצרו קשרים שלא אמורים להיווצר או שלא ייווצרו קשרי מימן נחוצים והשרשרת תתקפל בצורה שונה מהמבנה המאפשר את תפקודה התקין.

חשיפה של חלבונים לחומציות גבוהה מאוד גורמת לא רק לדנטורציה של החלבונים (העשויה להיות הפיכה) אלא לפירוקם לחומצות אמיניות.

נמצא במחקר שנעשה על חלבון המיועד לנטרל חומרים כימיים המשמשים ללוחמה כימית שיש השפעה לחומציות הסביבה על מבנה החלבון ועל המיקום של שיירי חומצות האמינו באתר הפעיל. במהלך המחקר נעשו בדיקות קריסטלוגרפיה של חלבון זה בשני דרגות pH.

דוגמאות להשפעת שינוי pH

חלבון PON1 לטיפול בלוחמה כימית

חלבוני PON1 נמצאו מתאימים לטיפול בלוחמה כימית ובאופן תאורטי מתאימים גם ללוחמה ביולוגית. חלבונים אלו מנטרלים נוירוטוקסינים – שהם חומרים הפוגעים במערכת העצבים. החלבון נמצא עדיין בשלבי מחקר עד להבאתו ליכולת טיפול במגוון סוגי חומרים המוכרים בלוחמה כימי.

במסגרת המחקר על חלבוני PON1 נמצאו שני מבנים עבור החלבון , האחד סביבה לא פיזיולוגית, והמבנה השני שהוא pH פיזיולוגי. לשני המבנים צורה מרחבית דומה מאוד, אך ישנם . לאחר קריסטלוגרפיה של מבנה החלבון ב pH פיזיולוגי, 6.5, נמצא שהקבוצה הצדדית , V346 (ואלין במקום 346 ברצף) , קבוצות הצד של חומצות האמינו F347 (פניל אלנין במקום 347 ברצף) ושל H348 (היסטדין במקום 348 ברצף), נמצאים בזווית אחרת במרחב, יחסית למבנה ב pH=4.5 . ב pH=6.5 נוצרת לולאה בצד החלבון שבולטת החוצה, לולאה זו איננה קיימת ב pH=4.5 . כמו כן קצה השרשרת משתנה בשני המבנים.

ב pH=6.5 נוצרת לולאה בצד החלבון שבולטת החוצה, לולאה זו איננה קיימת ב pH=4.5 . כמו כן קצה השרשרת משתנה בשני המבנים.

חלבון אינפלואנזה המגלוטינין

ווירוס האינפלואנזה – וירוס שפעת, בנוי משלושה חלבונים, תוך כדי התפתחות הווירוס החלבונים נפרדים ונשארים שני חלבונים HA1 ו HA2 . חלבון HA1 גורם ל pH סביב הוירוס והתא שאותו הוא תוקף להשתנות, ולהפוך לחומצי יותר. לאחר שינוי ה pH החלבון השני, HA2, משנה את צורתו ובכך נצמד טוב יותר לדופן התא הנתקף. תוך כדי הצמדות זו, הוירוס מעביר את ה RNA שלו לתוך התא הנתקף.

סליל חלקי בסביבה פיזיולוגית

החלבון נקשר אל דופן התא הנתקף בקצה C שלו, ואולם בקצה N קיים רצף של עשר חומצות אמינו הידרופוביות.

סליל מלא בסביבה חומצית

השינוי ב pH גורם לחלבון השני HA2 ,ליצור סליל אלפא ארוך מאוד ב pH חומצי (הארוך ביותר בכל החלבונים המוכרים עד כה). סליל זה הוא חשוף ב pH חומצי , וסליל זה הוא שנצמד לדופן התא הנתקף, ומאפשר מעבר של RNA .

רשימת מקורות וקישורים

1) ד"ר מירי ברק, אלישבע גבע, רולי אינטרטור, 2008, ביוכימיה הכימיה של חלבונים וחומצות גרעין

2) ויקיפדיה ערכים: מבנה שלישוני, דנטורציה

3) פרוטאופדיה ערכים: Influenza hemagglutinin , Journal:JMB:2

4) PDBj (Protein Data Bank Japan)