מבוא
ציטוכרום C הינו חלבון מפתח בשרשרת הולכת האלקטרונים. תהליך זה הינו השלב האחרון בתהליך הנשימה התאית. כזכור את הנשימה התאית ניתן לחלק לשלושה שלבים מרכזיים: גליקוליזה (מתרחשת בציטופלזמה), מעגל קרבס (מתרחש בתוך המרחב הפנימי של המיטוכונדריה) ושרשרת הולכת האלקטרונים המתרחשת על-גבי הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה. בתהליך שרשרת הולכת האלקטרונים מולקולות המחוזרות במעגל קרבס כמו FADH2 ו-NADH נוטות להעביר אלקטרונים למולקולות איתם הם נמצאות במגע. בכך נוצרת שרשרת של חלבונים נושאי אלקטרונים. האלקטרונים נקלטים בסופו של דבר על ידי אטומי חמצן אטמוספירי המתרכבים יחד ליצירת מים מטבוליים. כתוצאה מהולכת האלקטרונים בין הנשאים השונים, מועברים יוני מימן מהמרחב הפנימי של המיטוכונדריה לתוך המרווח הבין קרומי של המיטוכונדריה . באמצעות מפל ריכוזים של יוני המימן נוצרת האנרגיה הפוטנציאלית לייצור ATP על ידי החלבון ATP סינתאז. ATP הינה מולקולה עתירת אנרגיה המאפשרת את פעילותם של אנזימים רבים ושל תהליכים רבים ומגוונים בתא. כדי לשמור על רמה גבוהה של ATP הגוף נדרש לייצר אותו כל העת במיטוכונדריה. לכן, מעבר האלקטרונים ויצירת מפל ריכוזים של יוני מימן הינו תהליך מפתח לקיום תקין של התא.
להלן שלושה סרטונים:
סרטון על תהליך מעבר האלקטרונים במיטוכונדריון.
סרטון המסביר על התהליך בזווית רחבה יותר.
סרטון על על מפלי ריכוזים בדגש על ATP סינטאז.
מבנה המולקולה
ציטוכרום C משתייך למשפחת חלבונים בשם all-α proteins, המאופיינים בליבה העשויה
אלפא הליקס (מקרא צבעים לסצנה מבנה שניוני: Alpha Helices)
. כל חלבון במשפחת-על זו מכיל גם קבוצת הם אחת או יותר.
- קבוצת ההם הינה תרכובת אורגנית המיוצרת במח העצם ובכבד, קבוצה פרוסתטית - תרכובת קטנה המהווה חלק מחלבון. פעולותיה הפיזיולוגיות של קבוצת ההם נובעות מיכולתו של אטום הברזל לקשור מולקולות קטנות (מולקולה דו-אטומית של חמצן, למשל), וכן לחזר ולחמצן תרכובות אחרות (לתרום אלקטרונים ולקבל אלקטרונים, בהתאמה) .
ציטוכרום C אנושי . שתי חומצות אמינו קושרות את אטום הברזל
, שתי חומצות אמינו נקשרות קוולנטית באמצעות אטום גופרית (S) לקבוצת ההם .
נמצא שיש מוטיב של מספר חומצות אמינו השמור מבחינה אבולוציונית. הכולל בתוכו את חומצות האמינו החשובות לקישור אטום הברזל וקבוצת ההם. (ציסטאין,X,X,ציסטאין,היסטדין) כאשר X יכולה להיות כל חומצה אמינית שהיא איננה ציסטאין. ניתן לראות שגם בחלבון ציטוכרום C באדם ישנה את אותה התבנית.
תפקוד
בשרשרת הולכת האלקטרונים ציטוכרום C מעביר אלקטרון בין קומפלקסי הנשימה III ו-IV; קומפלקס III נקרא ציטוכרום bc1 וקומפלקס-IV נקרא ציטוכרום C אוקסידאז. מעבר האלקטרונים מתאפשר עקב מצב חמצון משתנה של אטום הברזל. בתחילה, יון הברזל בקבוצת ההם בציטוכרום C נמצא במצב מופחת, Fe3+; זה מאפשר קליטה של אלקטרון אחד ומחזר את הברזל למצב Fe2+.
בתמונה ניתן לראות את הקומפלקסים השונים בתהליך שרשרת הולכת האלקטרונים. ציטוכרום C חלבון קטן ביחס לקומפלקסים 2,3 ו- 4 ואיננו טראנסממברנלי. החלבון נע על גבי הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה בין קומפלקס 3 לקומפלקס 4. ניתן לראות שלכל חלבוני הולכת האלקטרונים קשורות קבוצות הם.
לציטוכרום C תפקיד נוסף וחשוב בתהליך מוות מבוקר של התא (תהלי המכונה אפופטוזיס). תהליך זה מאפשר התפתחות איברים תקינה בשלב ההתפתחות העוברית, אחראי לסלקציה של תאי דם לבנים, להרג תאים סרטניים או חולים ולהרג של תאים זקנים.
ב סרטון הבא מתואר תהליך המוות המבוקר, ניתן לראות כיצד ציטוכרום C קשור לתהליך.
כאשר ציטוכרום C מתפקד כנשא אלקטרונים הוא מעוגן לממברנה הפנימית של המיטוכונדריה באמצעות קשר הידרופובי לפוסופליפיד קרדיוליפין (מולקולה הידרופובית הבונה את הממברנה של המיטוכונדריה).
תחילת תהליך המוות התאי מאופיינת בעלייה של רדיקלים חופשיים (ROS) במיטוכונדריה. כתוצאה מכך, קרדיוליפין מתחמצן והקומפלקס קרדיוליפין-ציטוכרום C נפרד. ציטוכרום C מנותק מהממברנה הפנימית של המיטוכונדריה ועובר דרך נקבוביות בממברנה החיצונית אל הציטופלזמה. בציטופלזמה ציטוכרום C נקשר לחלבון APAF1 וביחד עם dATP נוצר מכלול- מבנה האפופטוזום, הקושר ומבקע את החלבון פרוקספאז 9 לצורתו הבוגרת והפעילה. בכך מתאפשר חיבור עם קספאזות 3 ו- 7 והפעלתן. פעילות זו מובילה לפגיעה וקיטוע ה DNA המסתיים במוות מכוון של התא.
מניעת אפופטוזיס -
מחקרים מראים שתאים יכולים לשלוט ולבקר על תהליך האפופטוזיס באמצעות מודיפיקציה לאחר תרגום בחלבון. חלבונים, כידוע, הם שרשרות ארוכות של חומצות אמיניות. השלב הראשון בבניית החלבון הוא סינתזת שרשרת החומצות האמיניות; אך על פי רוב, המבנה הראשוני הזה עובר שלבים נוספים של עיבוד, הנקראים מודיפיקציות (התאמות). אחד מסוגי המודיפיקציות הוא זרחון. תהליך הזרחון הינו הוספה של קבוצת זרחה (יון המכיל אטום זרחן אחד וארבעה אטומי חמצן). אנזימי קינאז מוסיפים קבוצות זרחה ואנזימי פוספטאז מסירים אותן. סימון מולקולות באמצעות זרחון משמש לבקרה על מגוון עצום של תהליכים בתאים חיים .בציטוכרום C התגלו מספר חומצות אמינו שמורות מאוד מבחינה אבולוציונית (פוספורלציה) ובכך מקנות לחלבון פעילות מבוקרת המונעת יצירה מוגברת של רדיקלים חופשיים (ROS).
פעילותו כנוגד חמצון (מפחית ROS) נעשית גם באופן ישיר על ידי הסרת סופראוקסיד (O2–) ומי חמצן (H2O2) מהמיטוכונדריה לפי התרשים הבא-
ציטוכרום C הינו חלבון המשחק תפקיד מרכזי בתהליכי יצור האנרגיה בתא וכמו גם שחקן מפתח בתהליכים של מוות תאי מבוקר.
גנטיקה
הגן CYCS המקודד לחלבון ציטוכרום C באדם נמצא בכרומוזום 7 ב DNA בגרעין התא . זאת בשונה מחלבונים אחרים המתפקדים באברון המיטוכונדריה המקודדים מ DNA מיטוכונדריאלי. ביחס ל-DNA הגרעיני, ה-DNA המיטוכונדריאלי הוא זעיר ממש, מורכב מכרומוזום אחד קטן וכולל פחות מ-17 אלף זוגות בסיסים, בהשוואה לכשלושה מיליארד הבסיסים ב-23 זוגות הכרומוזומים בגרעין. עם זאת, בכל תא יש רק גרעין אחד ומיטוכונדריה רבים: בחלק מהתאים מספר אברוני מיטוכונדריה מגיע לאלפים, ולכן יש בהם גם אלפי עותקים של ה-DNA המיטוכונדריאלי. הבדל נוסף בין סוגי ה-DNA הוא שאת ה-DNA המיטוכונדריאלי אנחנו מקבלים מהאם בלבד. בתא הזרע יש מיטוכונדריה, אך הם נמצאים ב"זנב" של התא, שנשאר בחוץ כאשר הוא מתאחד עם הביצית. ה-DNA המיטוכונדריאלי מקודד ל-13 חלבונים החיוניים לתפקוד המיטוכונדריה כ"תחנת הכוח של התא".
בגנום האנושי נמצאו 49 פסאודוגנים לגן CYCS (גנים שאינם עוברים שעתוק ותרגום לחלבונים) . לגן שלושה אקסונים .
כל חלבון נוצר בתא בעקבות תהליך הביטוי של הגן המקודד אותו. המידע הגנטי הטמון בגן בא לידי ביטוי כאשר ה-DNA מתועתק תחילה למולקולת RNA-שליח, ומולקולת ה-RNA-שליח מתורגמת לחלבון. בביטוי גן מעורבים אפוא תהליך התעתוק ותהליך התרגום. לא כל הגנים באורגניזם מתבטאים בו בזמן - כל תא מבטא רק חלק מסוים של המידע הטמון בו. חלק זה הכרחי לקיום התא ולתִפקודו. שאר הגנים, שאינם חיוניים לתִפקודו של התא – מדוכאים.
ביטוי הגן CYCS נמדד לפי כמות RNA שליח ברקמות השונות. ניתן לראות שהביטוי משתנה מרקמה לרקמה.
מחלות
מוטציה בגן CYCS המאופיינת בחילוף חומצה אמינית לחומצה אמינית סרין נמצאה אצל אנשים הלוקים בתסמונת טרומבוציטופניה אוטוזומלית דומיננטית - הפרעה המטולוגית המוגדרת על ידי ירידה במספר הטסיות בדם במחזור הדם, וכתוצאה מכך פוטנציאל לדימום מוגבר וירידה ביכולת הקרישה. נבחן הקשר בין איפיון זה להתפתחות המחלה. במחקרים שנערכו לאחרונה נמצא שמוטציה זו מגבירה את הפעילות הפרו-אפופטוטית על ידי הפעלת קספזה בצורה יעילה יותר מאשר החלבון התקין. מוטציה זו איננה משפיעה על פונקציית החיזור של החלבון.
דף עבודה לתלמיד
[דף עבודה לתלמיד]
Image:נספח FASTA של החלבונים.doc
מקורות מידע
