ביוכימיה א שיעורים 1-6

‫שיעור ‪ :01‬הקדמה לביוכימיה – פרק החלבונים‬
‫‪1‬‬
‫שיעור ‪ :01‬הקדמה לביוכימיה – פרק החלבונים‬
‫גופנו בנוי מתאים רבים – כמות התאים היא כ‪ 1014-‬תאים‪ .‬ישנם סוגי תאים שונים ומגוונים‪ ,‬כאשר הם‬
‫נבדלים בגודלם‪ ,‬בתפקידם‪ ,‬בצורתם – יש ‪ 85‬סוגי תאים שונים‪ ,‬כאשר המשותף להם הוא קיומה של‬
‫ממברנה ואברונים העוסקים בתהליכים שונים אך משותפים לכל התאים‪.‬‬
‫•‬
‫ציטופלזמה – התווך המימי של התא‬
‫בו "שוחים" האברונים‪.‬‬
‫•‬
‫גרעין – מכיל את חומצות הגרעין‪.‬‬
‫•‬
‫הרשתית האנדופלזמטית – סינתזה‬
‫של חלבונים‪.‬‬
‫•‬
‫מיטוכונדריה – תהליכי קבלת אנרגיה‬
‫מחומרים‬
‫עשירים‬
‫באנרגיה‬
‫כמו‬
‫סוכרים ושומנים וגם מחלבונים‪.‬‬
‫משקל המים בתא הוא כ‪ 70%-‬ממסת‬
‫התא‪ .‬המפה משמאל היא סכמה המתארת‬
‫תהליכים מטאבוליים בתא – כל קו הוא‬
‫תהליך וכל נקודה היא אנזים‪ ,‬קטליזטור‬
‫היודע לזרז תהליכים במערכות ביולוגיות‪.‬‬
‫זהו נתח קטן מהתמונה כולה ועדיין ניתן‬
‫להבחין במאות חלבונים שונים הנבדלים‬
‫בתפקידם‪ ,‬במבנה שלהם וכדומה‪ .‬כמות‬
‫החלבונים‬
‫בגוף‬
‫היא‬
‫עצומה‬
‫והם‬
‫מאופיינים במבנה התלת מימדי שלהם‪ ,‬הנקבע על פי רצף חומצות האמינו ותגובות החלבון עם הסביבה‬
‫המימית של תוך התא‪ .‬מסיבה זו סביבת התא – הציטופלזמה – חשובה מאוד לתפקוד ולמבנה המרחבי‬
‫של החלבונים הנמצאים בתא‪.‬‬
‫החלבונים מהווים ‪ 15%‬מהמסה של התא‪ ,‬המסה היבשה הגבוהה ביותר; לצורך השוואה‪ ,‬חומצות הגרעין‬
‫מהוות ‪ 7%‬והממברנה והסוכרים מהווים ‪ 3%‬כל אחד‪.‬‬
‫בפרק זה נלמד מספר דברים‪:‬‬
‫•‬
‫מהו חלבון‬
‫•‬
‫איך החלבון נראה‪ ,‬מה המבנה התל מימדי שלו‬
‫•‬
‫התגובה של החלבון עם הסביבה‬
‫•‬
‫תפקידם ומה הם עושים‪ ,‬במיוחד האנזימים‬
‫•‬
‫אינטראקציות בין חלבונים המרכיבות מבנים מורכבים של חלבונים רבים – קומפלקסים חלבוניים‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביוכימיה א' ‪ -‬שיעור‬
‫‪2‬‬
‫היסטוריה‬
‫מאלדר )‪ – 1830 ,(Mulder‬מצא חומר שנשאר בתמיסה לאחר שמוציאים סוכרים‪ ,‬שומנים ומלחים וכך‬
‫גילה שיש עוד חומר חיוני לחיים – החלבון‪ .‬אחריו‪ ,‬ב‪ ,1838-‬ברזליוס )‪ (Berzelius‬העניק לחומר זה את‬
‫השם ‪ ,Protein‬הנשאב מהמילה היוונית שפירושה "הראשון במעלה בחשיבותו"‪.‬‬
‫החלבונים הם פולימרים; כמו רב‪-‬סוכרים שבנויים מסוכרים וחומצות גרעין שבנויות מנוקליאוטידים‪,‬‬
‫החלבון הוא שרשרת פולימרית שעשויה מ‪ 20-‬יחידות שונות של חומצות אמינו‪ .‬בתור שכזה‪ ,‬בהשוואה‬
‫לחומצות הגרעין‪ ,‬הוא הרבה יותר מורכב – בנוי ממגוון רחב יותר של אבני בניין‪ .‬לפני שנעמיק בהכרת‬
‫המבנה של החלבונים וכיצד הוא נקבע‪ ,‬נכיר את אחת המולקולות העיקריות המשפיעות על מבנהו התלת‬
‫המימדי – מולקולת המים‪.‬‬
‫מולקולת המים – תכונות‬
‫מולקולת מים הינה מולקולה פשוטה בעלת מבנה של משולש‬
‫מישורי‪ .‬לאטום החמצן יש ארבעה אורביטלים‪ ,‬שניים מכילים‬
‫זוגות אלקטרונים לא קושרים ושניים יוצרים קשר קוולנטי‬
‫למימנים‪ .‬אורך הקשר בין מימן לחמצן הוא ‪ 0.958‬אנגסטרם‬
‫וזווית הקשר היא ‪ 104.5‬מעלות‪ .‬ההיברידיזציה של החמצן היא‬
‫‪ ,SP3‬היברידיזציה טטראהדרלית‪.‬‬
‫קשרים כימיים בין מולקולות מים ומולקולות אחרות‬
‫הקשר בין החמצן למימנים הוא קשר פולארי‪ .‬לכל אטום יש תכונת אלקטרושליליות‪ ,‬שמסמלת את‬
‫היכולת של האטום להחזיק את האלקטרונים של הקשר הקוולנטי; ככל שהאלקטרושליליות של האטום‬
‫גבוהה‬
‫יותר‪,‬‬
‫הזיקה‬
‫שלו‬
‫גבוהה‬
‫יותר‪.‬‬
‫האלקטרושליליות של החמצן גבוהה מזו של‬
‫המימן‪ ,‬מה שיוצר נטייה של אלקטרוני הקשר בין‬
‫החמצן למימן להימצא בסבירות גבוהה יותר בקירבת‬
‫החמצן – החלוקה של אלקטרוני הקשר אינה שווה‪.‬‬
‫מסיבה זו הקשר הוא פולארי – אטום החמצן נוטה‬
‫להיות שלילי יותר מאשר המימן‪ ,‬כי האלקטרונים‬
‫נמצאים יותר בקירבתו‪.‬‬
‫עקב הפולאריות של הקשר‪ ,‬למולקולות המים היכולת ליצור ארבעה קשרי מימן אל מולקולות פולאריות‬
‫אחרות‪ .‬קשרים אלו נוצרים על ידי שני זוגות האלקטרונים הלא קושרים וכן על ידי המימנים החיוביים‬
‫של המולקולה‪ .‬בקשרי מימן יש שני משתתפים‪ :‬תורם המימן הוא מולקולה שבה יש מימן חיובי – מימן‬
‫שקשור בקשר פולארי מאוד ולכן נוטה להיות חיובי; ומקבל המימן‪ ,‬שמכיל זוג אלקטרונים לא‪-‬קושר‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫שיעור ‪ :01‬הקדמה לביוכימיה – פרק החלבונים‬
‫‪3‬‬
‫קשר מימן הוא קשר ארוך יחסית – אם אורך הקשר‬
‫הקוולנטי הוא ‪ 0.0965‬ננומטר‪ ,‬אורך קשר המימן‬
‫בין מולקולות מים הוא ‪ 0.177‬ננומטר – כמעט פי‬
‫שניים מהקשר הקוולנטי‪ .‬כתוצאה מכך עוצמת‬
‫הקשר חלשה יותר משמעותית )כ‪ 20-‬קילוג'אול‬
‫עוצמתה(‪.‬‬
‫שתי מולקולות מים יכולות ליצור ארבעה קשרי מימן‪,‬‬
‫כאשר באופן כללי אורך קשר מימן בין ליבות‬
‫המולקולות הוא כ‪ 0.29-‬ננומטר‪ .‬בקרח מים אכן‬
‫יוצרים ארבעה קשרים עם מולקולות מים‪ ,‬אולם ככל‬
‫שמעלים את הטמפרטורה כמות הקשרים הנוצרים‬
‫יורדת – בטמפרטורה של ‪ 25‬מעלות כל מולקולה‬
‫יוצרת בממוצע ‪ 3.4‬קשרים‪.‬‬
‫כפי שציינו‪ ,‬קשרי מימן אינם רק קשר בין מים‬
‫למים אלא בין קבוצות‪ .‬מים יכולים ליצור קשר‬
‫לקבוצות של ‪ ,OH‬כמו שקיימות בכהל )ולכן הוא‬
‫מסיס מאוד במים(; ישנה יצירה של קשרי מימן עם‬
‫קרבוניל )'‪ ,(RCOR‬קבוצות קרבוקסיליות )‪ ,(RCOOH‬קבוצות אמיניות )‪ (RNH2‬ועוד‪.‬‬
‫יוניזציה של מים‬
‫אם יש שתי מולקולות מים שמגיבות אחת עם השנייה‬
‫בקשר‬
‫מימן‪ ,‬לרוב הן‬
‫יעברו דיסוציאציה‪:‬‬
‫המולקולות מתקרבות ומתרחקות כל הזמן כתוצאה‬
‫מתנודתן הטבעית‪ ,‬ולעיתים קורה )בתדירות נמוכה(‬
‫שמימן הקשר עוזב את המולקולה התורמת ומתחבר למולקולה המקבלת‪ .‬כעת אנו מקבלים שתי מולקולות‬
‫שונות – הידרוקסיד )‪ (OH-‬והידרוניום )‪ .(H3O+‬התהליך הפורמלי מנוסח בתור התפרקות של המים‬
‫להידרוקסיד ופרוטון )‪.(H+‬‬
‫התהליך ניתן לתיאור תרמודינמי כתהליך שיווי משקל‪ ,‬שיש לו קבוע שיווי משקל‪ .‬קבוע שיווי המשקל‬
‫שווה לריכוז הפרוטונים כפול ריכוז ההידרוקסידים חלקי ריכוז המים‪ .‬מכיוון שריכוז המים הוא קבוע‬
‫)‪ (55M‬ניתן להעביר אותו לאגף של ‪ ,K‬ולקבל את‬
‫קבוע המים )‪ (Kw‬שהוא שווה למכפלת ריכוז‬
‫הפרוטון בהידרוקסיד‪ ,‬שהוא ‪.10-14‬‬
‫במים מזוקקים בלי הכנסת ‪ OH-‬נוסף או פרוטון נוסף‪ ,‬הריכוז של השניים שווה ולכן הריכוז הוא‬
‫‪ 10-7‬וערך הגבה הוא ‪) 7‬לפי ]‪ .(pH=-log10[H+‬אם מוסיפים חומצה עולה ריכוז ה‪ ;OH-‬חומצה חזקה‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביוכימיה א' ‪ -‬שיעור‬
‫‪4‬‬
‫שתנצל את כל הפרוטונים תביא לערך גבה ‪) 0‬בריכוז ‪ ;(1M‬ערך גבה שלילי יכול להתקיים‪ ,‬בריכוזי‬
‫חומצה גבוהים יותר – ערך גבה של )‪ (-1‬ניתן על ידי ריכוז חומצה של ‪ .10M‬באופן הפוך ערך הגבה‬
‫עולה עד ‪ 14‬בהוספת בסיס‪ ,‬ועולה הלאה בריכוזי בסיס חזק שגדולים מ‪.1M-‬‬
‫ערך ה‪ pKa-‬של חומצות חזקות יהיה נמוך יותר משל חומצות חלשות‪.‬‬
‫קו הטיטרציה של חומצה חלשה – משוואת הנדרסון‪-‬הסלבלאך‬
‫בדוגמה הבאה רואים חומצה אצטית בצורתה הלא‪-‬מיוננת‪ ,‬העוברת דיסוציאציה לצורתה המיוננת‪ .‬זוהי‬
‫חומצה חלשה‪ ,‬כך שאם נכניס ‪ 1M‬חומצה למים מזוקקים לא נקבל ריכוז ‪ 1M‬של פרוטונים – כי היא‬
‫עוברת פרוטונציה חלקית‪ .‬משוואת הנדרסון‪-‬הסלבלאך מתאר את הקשר בין ערך הגבה ל‪pKa-‬‬
‫בתוספת איבר נוסף המושפע מהריכוזים של הצורה המיוננת והלא‪-‬מיוננת של החומצה‪.‬‬
‫כאשר ריכוז הפרוטון בחומצה גבוה מאוד מקבלים ‪ pH‬נמוך יחסית; ככל שנעלה באופן מלאכותי את‬
‫ריכוז הצורה הלא‪-‬מיוננת‪ ,‬אנחנו משנים את יחס הריכוזים ועל ידי כך יכולים להעלות את ה‪ pH-‬עד‬
‫לנקודה אופיינית שהיא נקודה הטיטרציה של החומצה‪ .‬בנקודה שבה ריכוזי הצורה המיוננת והלא‬
‫מיוננת שווים‪.pH=pKa ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫שיעור ‪ :01‬הקדמה לביוכימיה – פרק החלבונים‬
‫‪5‬‬
‫קשרים בין מולקולאריים‬
‫בכימיה אנחנו עוסקים במספר סוגים של קשרים בין‪-‬מולקולאריים‪ ,‬שהם קשרים חלשים בהרבה מקשרים‬
‫קוולנטים‪ ,‬והם‪ :‬קשרים יוניים‪ ,‬קשרי דיפול‪ ,‬קשרי מימן והאפקט ההידרופובי‪.1‬‬
‫קשרים יוניים‬
‫בין מטען שלילי וחיובי יש כוחות משיכה‪ ,‬בעוד שבין מטענים שווים יש כוחות דחייה‪ .‬קשר אלקטרוסטטי‬
‫– שנוצר בין שני יונים בעלי סימנים הפוכים – הוא חזק כחוזק המטענים של היונים המגיבים‪ .‬מטען של‬
‫יון הסידן גבוה ממטען של יון כלוריד‪ ,‬למשל‪.‬‬
‫מכפלת המטענים בקבוע ‪ k‬מחולקת במקדם הדיאלקטרי )‪ ,(ε‬שהוא ערך קבוע המאפיין את חוזק הקשר‬
‫בתמיסה – חוזק הקשר בין שני יונים זהים יכול להיות חזק או חלש יותר בהתאם לתמיסה בה הם נמצאים‬
‫– אם בתוך מים לעומת תמיסה אורגנית‪ ,‬למשל‪ ,‬זאת כתוצאה‬
‫ממיסוך מטענים על ידי מים‪ ,‬תופעה המתבטאת באופן חלש יותר‬
‫בתמיסות אורגניות‪ .‬ניתן לראות בטבלה משמאל כי ככל שהתמיסה‬
‫פולארית יותר המקדם הדיאלקטרי גבוה יותר‪.‬‬
‫קשרי דיפול ודיפול מושרה‬
‫קשרים אלקטרוסטטים המערבים מולקולות פולאריות – יונים או דיפול קבוע‪ .‬המרחק בין ליבות‬
‫המולקולות הינו בעל משקל עוד יותר משמעותי – אם בקשר יוני ‪ r‬חושב במעלה ראשונה‪ ,‬בקשר בין שתי‬
‫מולקולות פולאריות ‪ r‬מחושב במעלה שלישית כבר‪.‬‬
‫כאשר הקשרים אינם בין מולקולות‬
‫פולאריות או יונים אלא מערבים גם‬
‫מולקולה בעל דיפול מושרה‪ r ,‬עולה‬
‫במעלה רביעית ואפילו חמישית‪ .‬כמובן‬
‫שככל שמשקלו של ‪ r‬עולה‪ ,‬עוצמת‬
‫הקשר יורדת‪.‬‬
‫‪ 1‬האפקט ההידרופובי אינו קשר כמו שהוא שם לתופעה המתרחשת כאשר מולקולות הידרופוביות – כלומר לא פולאריות –‬
‫נמצאות בסביבה פולארית‪ .‬במצב זה המולקולות מתאחדות יחד ל"גוש" או "טיפה" בתמיסה הפולארית‪ ,‬כל מנת ליצור שטח‬
‫פנים מינימלי הבא באינטראקציה עם הסביבה הפולארית‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביוכימיה א' ‪ -‬שיעור‬
‫‪6‬‬
‫אפקט הידרופובי‬
‫האפקט ההידרופובי נובע מ"אי הרצון" של מולקולות הידרופוביות לבוא באינטראקציה עם מולקולות‬
‫פולאריות כמו מים‪ .‬האפקט נובע מאופיין הלא‪-‬פולארי של המולקולות ההידרופוביות‪ ,‬כמו למשל‬
‫השומנים בעלי האופי הלא‪-‬פולארי שיוצרים את הממברנה הדו‪-‬שכבתית של התאים והאברונים‪.‬‬
‫הבריחה ההידרופובית ממים מתרחשת משום שסידור מולקולות מים סביב המולקולה הלא‪-‬פולארית גורם‬
‫לעלייה בסדר‪ ,‬שמביאה לירידה באנתרופיה‪ .‬מכיוון שתופעה זו אינה רצויה מבחינה אנתרופית‪ ,‬מולקולות‬
‫הידרופוביות יוצרות צבירים הידרופוביים והמולקולות אינן "שוחות" במים באופן דיפוזי‪-‬חופשי‪.‬‬
‫מסיסות‬
‫אם מכניסים לתמיסה גביש מלח‪ ,‬הוא מתפרק ליונים; הסיבה לכך היא שיונים מגיבים חזק מאוד עם‬
‫מים ביצירת קשרי מטען‪-‬דיפול‪ .‬מסיבה זו מלח מתמוסס בקלות במים – כי היונים יוצרים קשרים רבים‬
‫עם מולקולות המים סביב‪ .‬אם לוקחים מלח בישול ומנסים למוסס אותו בתמיסה הידרופובית‪ ,‬המלח לא‬
‫יתמוסס כי הוא לא יכול להגיב עם הסביבה‪ .‬במצב שבו אין תגובה עם הסביבה היונים נשארים‬
‫בצורתם הגבישית הטבעית‪ .‬שימו לב שהסידור הוא לפי מטען‬
‫היון – מול יון שלילי יסתדרו מימנים ומול יון חיובי יסתדרו‬
‫החמצנים של מולקולת המים‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫שיעור ‪ :01‬הקדמה לביוכימיה – פרק החלבונים‬
‫‪7‬‬
‫חמצן לעומת זאת הוא מולקולה ללא דיפול – שני אטומים‬
‫מאותו הסוג חולקים באלקטרונים באופן שווה‪ .‬בתור חומר‬
‫לא פולארי‪ ,‬המסיסות של החמצן נמוכה מאוד‪ .‬אותו הדבר‬
‫ניתן לומר גם בנוגע למולקולות חנקן‪ .‬לעומת זאת‪ ,‬מולקולת‬
‫אמוניה או סולפיד – שהן מולקולות פולאריות – הינן בעלות‬
‫מסיבות הגבוהה בכמה וכמה סדרי גודל‪.‬‬
‫כיצד חמצן מגיע לתאים אם הוא לא מסיס? לשם כך ההמוגלובין מסוגל לקשור את החמצן לליבת הברזל של‬
‫מולקולת ה‪ heme-‬ומאפשר לכדוריות הדם האדומות לשנע את החמצן בגוף למרות המסיסות הנמוכה שלו‪.‬‬
‫תכונות של חומצות האמינו‬
‫חלבונים הם פולימרים שמורכבים מ‪ 20-‬חומצות אמינו שונות;‬
‫חומצת אמינו מורכבת ממבנה כללי של חומצה קרבוקסילית‬
‫)‪ (COOH‬וקבוצת אמינו )‪ .(NH2‬שתי הקבוצות האלו מחוברות‬
‫לפחמן מרכזי‪ ,‬פחמן אלפא‪ ,‬הקושר בקשר קוולנטי את הפחמן של‬
‫החומצה ואת החנקן של האמינו‪ .‬שני הקשרים הקוולנטים‬
‫האחרים של פחמן אלפא הם למימן ולקבוצת ‪ .R‬ההבדלים בין‬
‫‪ 20‬חומצות האמינו השונות נובעים מקבוצות ה‪ R-‬השונות‬
‫המחוברות לפחמן אלפא – כל שאר האלמנטים זהים‪.‬‬
‫סטריאוכימיה של חומצות אמינו – כיראליות‬
‫‪ 19‬מתוך ‪ 20‬חומצות האמינו הן כיראליות – כאשר גליצין היא היחידה שאינה כיראלית שכן קבוצת ‪R‬‬
‫שלה היא מימן‪ .‬כיראליות היא תכונה הנובעת‬
‫מכך שלפחמן המרכזי קשורות ארבע קבוצות‬
‫שונות‪.‬‬
‫מבנה כיראלי של חומצת אמינו ניתן לזהות על‬
‫ידי הצבת הטטראהדר כשהמימן פונה אלינו‪ ,‬ואז‬
‫עוברים לפי הסדר ‪ – CORN‬חומצת האמינו‪R ,‬‬
‫והחנקן‪ .‬המילה ‪ CORN‬מתקבלת אם האיזומר‬
‫הוא איזומר ‪ ,L‬שבו התנועה בהסתכלות זו היא‬
‫עם כיוון השעון‪.‬‬
‫יש להכיר את עשרים חומצות האמינו – במבחן מקבלים את שמות כל החומצות אמינו יחד עם המבנה הכימי‬
‫שלהן‪ ,‬אבל אנחנו צריכים להכיר את התכונות שלהן‪ .‬למשל בגליצין צריך להכיר את העובדה שהוא לא‬
‫כיראלי ולכן אין לו גם תכונה של אופטיות‪ .‬שלושת השמות – באות אחת‪ ,‬שלוש אותיות ושם מלא – יופיעו‬
‫בבחינה‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביוכימיה א' ‪ -‬שיעור‬
‫‪8‬‬
‫חלוקה של חומצות האמינו‬
‫חומצות האמינו נבדלות‪ ,‬כאמור‪ ,‬בקבוצת ‪ .R‬לפיכך‪ ,‬החלוקה נעשית לפי ההבדלים האלה‪ ,‬לפי התכונות‬
‫הכימיות‪-‬פיזיקליות של קבוצת ‪ .R‬החלוקה היא לחמש קבוצות‪:‬‬
‫•‬
‫אליפאטיות – לא פולאריות והידרופוביות‪.‬‬
‫•‬
‫ארומטיות – השייר מכיל טבעת‪/‬טבעות ארומטיות‪ ,‬מולקולות הידרופוביות‪.‬‬
‫•‬
‫פולאריות לא טעונות‪ ,‬הידרופיליות‪.‬‬
‫•‬
‫פולאריות טעונות חיובית‪ ,‬הידרופיליות‪.‬‬
‫•‬
‫פולאריות טעונות שלילית‪ ,‬הידרופיליות‪.‬‬
‫חומצות אמינו אליפאטיות‬
‫שש חומצות אמינו‪ :‬גליצין‪ ,‬אלאנין‪ ,‬וואלין‪ ,‬לאוצין‪ ,‬איזולאוצין ופרולין‪.‬‬
‫גליצין מאופיין בקבוצה הקטנה ביותר – קבוצה של מימן – והיא מיוחדת בחוסר הכיראליות שלה‪ .‬אלאנין‬
‫מכילה קבוצת מתיל‪ ,‬וואלין מכילה איזופרופיל‪ ,‬לאוצין מכילה ניאובוטיל‪ ,‬איזלאוצין מכילה איזובוטיל‬
‫ופרולין מכילה טבעת שנוצרה בין השייר ‪ R‬לחנקן של קבוצת האמינו של החומצה‪ .‬זוהי תכונה מיוחדת‬
‫לפרולין‪ .‬ככל שקבוצת ‪ R‬גדולה יותר ומכילה יותר פחמנים היא יותר הידרופובית‪.‬‬
‫חומצות אמינו ארומטיות‬
‫שלוש‬
‫חומצות‬
‫אמינו‪:‬‬
‫פנילאלאנין‪,‬‬
‫טירוזין‬
‫וטריפטופן‪.‬‬
‫חומצות האמינו האלה מכילות ‪ R‬שמורכב מטבעות‬
‫ארומטיות‪ .‬מביניהן‪ ,‬פנילאלאניל היא היחידה שאינה‬
‫פולארית – בשתי האחרות יש קבוצות צדדיות‬
‫לטבעת שמעניקות לה תכונות פולאריות )‪OH‬‬
‫בטירוזין ו‪ NH-‬בתוך הטבעת של טריפטופן(‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫שיעור ‪ :01‬הקדמה לביוכימיה – פרק החלבונים‬
‫‪9‬‬
‫חומצות אמינו פולאריות לא‪-‬טעונות‬
‫•‬
‫קבוצות פולאריות עם קבוצת הידרוקסיל –‬
‫שתי חומצות אמינו‪ :‬סרין וטריונין‪ .‬שתיהן‬
‫מכילות ‪ R‬שיש לו קבוצה של ‪ .OH‬קבוצת‬
‫ההידרוקסיד היא פולארית ולכן מאפשרת‬
‫מסיסות גבוהה בסביבה הידרופילית‪.‬‬
‫•‬
‫קבוצות פולאריות עם קבוצת אמיד – שתי‬
‫חומצות אמינו‪ :‬אספרגין וגלוטמין‪ .‬הקבוצות‬
‫מכילות קבוצות אמיד – כלומר קרבוניל ו‪-‬‬
‫‪ .NH2‬הקבוצות האלה יכולות ליצור קשרים‬
‫רבים מאוד עם מולקולות מים ולכן הן מאוד‬
‫הידרופיליות‪.‬‬
‫•‬
‫קבוצות פולאריות לא טעונות עם גופרית‬
‫הידרופיליות – שתי חומצות אמינו‪ :‬ציסטאין‪,‬‬
‫מתיונין‪ .‬הן נבדלות בכמות הפחמנים שיש‬
‫בשייר וכן בכך שהשייר מכיל גופרית‪ ,‬עובדה‬
‫המקנה את ייחודיות הקבוצה ואת הפולאריות‬
‫שלה‪ .‬ככל שיש יותר פחמנים כמובן שתכונת‬
‫ההידרופוביות עולה לעומת תכונת הפולאריות‪.‬‬
‫כמות קשרי המימן נמוכה יותר אבל יש אפשרות ליצירת קשרי ‪ S-S‬על ידי חימצון הגופרית של‬
‫ציסטאין‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביוכימיה א' ‪ -‬שיעור‬
‫‪10‬‬
‫שיעור ‪ :02‬הקדמה לביוכימיה – פרק החלבונים – המשך‬
‫דיברנו על חומצות האמינו‪ ,‬שהן מולקולות כיראליות ברובן‪ ,‬בהן יש פחמן מרכזי המחובר לקבוצה‬
‫קרבוקסילית‪ ,‬אמינו‪ ,‬מימן וקבוצת ‪ .R‬חילקנו את חומצות האמינו לקבוצות השונות בהתאם לפולאריות או‬
‫אי‪-‬פולאריות‪ ,‬מטען או חוסר מטען ושיירים ארומטיים‪.‬‬
‫חלוקה של חומצות אמינו – המשך‬
‫•‬
‫לחומצות האמינו בעלות השייר הארומטי )טירוזין‪,‬‬
‫טריפטופן ופניאלאנין( יש תכונה מיוחדת של בליעת‬
‫אור באיזור ‪ 270‬ננומטר‪ .‬תכונה זו מביאה לעלייה של‬
‫אלקטרון לרמה אנרגטית גבוהה יותר )עירור( עקב‬
‫אנרגיה המתקבלת מפוטון אור; הירידה מהמצב המעורר‬
‫מתבצעת תוך שחרור אנרגיית הפוטון בצורת חום‪.‬‬
‫הבליעה החזקה ביותר היא של טריפטופן‪ ,‬אחריו‬
‫טירוזין ולבסוף פנילאלאנין‪ .‬שאר חומצות האמינו אינן‬
‫מגיבות עם האור בתחום זה‪ .‬כאשר בוחנים חלבונים‬
‫עשירים בחומצות האמינו הארומטיות‪ ,‬ניתן לקבוע את‬
‫ריכוז החלבון בתמיסה לפי הבליעה של החלבון בתחום‬
‫‪ 270‬ננומטר ‪.‬‬
‫•‬
‫גופרית היא אינה חומר נפוץ במערכות‬
‫ביולוגיות; יחד עם זאת‪ ,‬שתיים מחומצות‬
‫האמינו מכילות שיירים עם גופרית – ציסטאין‬
‫ומתיונין‪ ,‬כאשר בציסטאין אטום הגופרית‬
‫נמצא בקצה ובמתיונין הוא נמצא בין פחמנים‪.‬‬
‫בין ציסטאינים יכולים להיווצר קשרי ‪S-S‬‬
‫בתהליך חימצון‪ ,‬בו משתחררים המימנים של ה‪-‬‬
‫‪ SH‬ומתחברים לאטום חמצן )נוצרת מולקולת‬
‫מים(‪ ,‬וכך נוצר קשר ‪ .S-S‬קשר זה הוא קשר‬
‫קוולנטי המכונה קשר דיסולפידי והינו בעל‬
‫תפקיד חשוב בייצוב חלבונים ויצירת המבנה שלהם‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫שיעור ‪ :02‬הקדמה לביוכימיה – פרק החלבונים – המשך‬
‫‪11‬‬
‫חומצות אמינו טעונות חיובית‬
‫שלוש חומצות אמינו‪ :‬ליזין‪ ,‬ארגנין והיסטידין‪.‬‬
‫חומצות אמינו אלו מכילות קבוצת אמינו בעלת מטען‬
‫חיובי בערכי ‪ pH‬מסויימים‪ .‬יחד עם זאת‪ ,‬בהתאם‬
‫לקבוע שיווי המשקל‪ ,‬ישנם ערכי ‪ pH‬בהם שלוש‬
‫חומצות האמינו האלו מאבדות את הפרוטון ומופיעות‬
‫בצורה נייטרלית ללא מטען‪.‬‬
‫בהיסטידין‪ ,‬שחרור הפרוטון והמעבר בין הצורות‬
‫הוא תהליך בשיווי משקל‪ ,‬כאשר ‪ .pKa=6.0‬משום‬
‫כך בערכי ‪ pH‬נייטרלים חומצות האמינו יהיו בעיקר‬
‫לא טעונות ורק בערכי גבה חומציים הן תהיינה‬
‫טעונות‪.‬‬
‫לעומת זאת‪ ,‬בליזין וארגנין ערך ‪ pKa‬הוא ‪ 10.5‬ו‪-‬‬
‫‪ 12.5‬בהתאמה‪ .‬משום כך בסביבה נייטרלית הם תמיד‬
‫יהיו במצבם הטעון‪.‬‬
‫חומצות אמינות טעונות שלילית‬
‫שתי חומצות אמינו‪ :‬אספרטאט וגלוטאמאט‪.‬‬
‫ערכי ה‪ pKa-‬שלהן הם ‪ 3.9‬ו‪ 4.1-‬בהתאמה‪,‬‬
‫ולכן בסביבות נייטרליות הצורה שלהן תהיה‬
‫הצורה הטעונה‪.‬‬
‫בצורה זו תיארנו את עשרים השיירים של‬
‫חומצות האמינו; כעת נעבור לתכונה אחרת של‬
‫השיירים והיא ההידרופאטיות שלהם – תכונה‬
‫המתארת את ה"רצון" או היכולת של חומצת‬
‫האמינו להיות בסביבה מימית לעומת‬
‫הידרופובית‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביוכימיה א' ‪ -‬שיעור‬
‫‪12‬‬
‫הידרופאטיות )‪(Hydropathy‬‬
‫הטבלה הבאה מראה שלחומצות אמינו טעונות בעיקר וגם לחלק מחומצות האמינו הפולאריות יש ערכים‬
‫שליליים למדי במדד ההידרופוביות‪ ,‬בעוד שלחומצות האמינו האליפאטיות )לא פולאריות( יש ערכים‬
‫גבוהים יחסית‪.‬‬
‫הערכים האלה נמדדים כאשר מכניסים את החומר בתמיסה שיש בה פאזה אורגנית ופאזה מימית‪ ,‬ומודדים‬
‫את היחס בין החומר הנמצא בפאזה המימית לחומר הנמצא בפאזה האורגנית‪ .‬ככל שהמספר חיובי יותר‬
‫חומצת האמינו בעלת זיקה גבוהה יותר לחומר האורגני; ככל שהוא שלילי יותר הזיקה היא לתמיסה המימית‪.‬‬
‫אמפוליטיות )‪(Amppolytes‬‬
‫חומצות האמינו הן חלק ממולקולות המכונות צביטריונים )‪ ,(Zwitterion‬דו‪-‬פולאריות‪ .‬אמפוליטיות היא‬
‫תכונת הצביטריונים המתייחסת לשינוי שעוברת המולקולה בערכי ‪ pH‬שונים‪ ,‬שינוי הנובע משתי‬
‫הקבוצות הקיימות בכל החומצות אמינו – קבוצה קרבוקסילית וקבוצת אמינו‪.‬‬
‫בערכי גבה נמוכים מ‪) pK1-‬המתייחס ל‪ pK-‬של הקבוצה הקרבוקסילית(‪ ,‬הקבוצה הקרבוקסילית אינה‬
‫מיוננת אבל קבוצת האמינו כן מיוננת‪ .‬זהו המצב ה‪ ,Fully Protonated-‬והמטען של המולקולה הוא‬
‫חיובי‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫שיעור ‪ :02‬הקדמה לביוכימיה – פרק החלבונים – המשך‬
‫‪13‬‬
‫כאשר מעלים את ה‪ ,pH-‬מגיעים לערך ביניים שבין ‪ pK1‬ל‪) pK2-‬ערך ה‪ pK-‬של קבוצת האמינו(‪ ,‬מצב‬
‫שבו ה‪ pH-‬מספיק על מנת לינן את החומצה הקרבוקסילית אולם לא מספיק כדי להסיר את הפרוטון‬
‫מקבוצת האמינו‪ .‬כתוצאה מכך המצב הוא ‪ ,Half Protonated‬והמטען הכללי של המולקולה הוא ‪.0‬‬
‫אם ממשיכים ומעלים את ה‪ pH-‬מעבר לערך ה‪ ,pK2-‬מגיעים למצב ‪ Fully Deprotonated‬ואז שתי‬
‫הקבוצות חסרות פרוטון והמטען הכולל של המולקולה הוא שלילי‪.2‬‬
‫לחומרים מסוג זה ניתן לחשב ‪ – pI‬נקודה איזו‪-‬יונית שבה השדה החשמלי של המולקולה הוא ‪,0‬‬
‫והמולקולה לא מושפעת על ידי שדה חשמלי בו תהיה נתונה‪ .‬ערכו ניתן על פי הנוסחה באיור הבא‪.‬‬
‫נתון זה חשוב בחלבונים‪ ,‬כי לרוב החלבונים יש מטען כולל כלשהו ובשל תכונת הדי‪-‬פולאריות ניתן‬
‫לשנות את ה‪ pH-‬ועל ידי כך להוריד את המטען של החלבון עד ל‪ ,0-‬בנקודת ‪.pI‬‬
‫ככל שיורדים בריכוז הפרוטונים החלבונים מאבדים מטען;‬
‫כאשר אין להם מטען החלבונים מאבדים את הדחייה הטבעית‬
‫אחד מהשני )עקב מטענים שווים( ולכן יכולים להתקרב אחד‬
‫לשני וליצור אגרגטים‪ ,‬אשר שוקעים בתא‪ .‬אגרגטים הם צבירי‬
‫חלבונים שעשויים להיות אפילו טוקסיים אם הם מצטברים‬
‫בתוך התא‪.‬‬
‫כשאנחנו מדברים על חלבון ולא על חומצות אמינו‪ ,‬אנחנו צריכים להתחשב בכך שאנחנו מפסיקים להתייחס‬
‫לתכונות של קבוצה קרבוקסילית וקבוצת אמינו משום שביצירת שלד החלבון נוצר קשר בין הקבוצה‬
‫הקרבוקסילית לקבוצת האמינו והן מאבדות את היכולת לאבד או לקלוט פרוטונים‪ .‬כשאנחנו מדברים על ‪pI‬‬
‫של החלבון אנחנו מתייחסים רק לפרוטונים שנקשרים או מתנתקים מהשיירים הצדדיים‪.‬‬
‫‪ 2‬הערה‪" :‬המטען הכללי" אינו מתייחס למטען שניתן על ידי קבוצה ‪.R‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫‪14‬‬
‫ביוכימיה א' ‪ -‬שיעור‬
‫הטבלה הבאה מראה את ערכי ה‪ pKa-‬של חומצות האמינו השונות‪ .‬חומצות האמינו היחידות שש להן‬
‫ערך ‪ pKa‬הן ציסטאין‪ ,‬ליזין‪ ,‬ארגנין‪ ,‬היסטידין‪ ,‬אספרטאט וגלוטאמאט; בעוד שציסטאין והיסטידין‬
‫פחות מעניינות אותנו כי אין הרבה ציסטאין בתא וכי היסטידין לרוב נייטרלית‪ ,‬שאר חומצות האמינו הן‬
‫כאלה שנמצאות כמעט תמיד במצב המיונן שלהםן ומכילות מטענים שליליים או חיוביים‪ ,‬בהתאם‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫שיעור ‪ :02‬המבנה התלת‪-‬מימדי של החלבון‬
‫‪15‬‬
‫שיעור ‪ :02‬המבנה התלת‪-‬מימדי של החלבון‬
‫החלבונים הם פולימרים של חומצות אמינו; יש להם ארבע רמות ארגוניות‪:‬‬
‫•‬
‫מבנה ראשוני – רצף חומצות האמינו בתוך החלבון‪ .‬אין התייחסות למבנה תלת מימדי‪ ,‬אלא לסדרת‬
‫האותיות או שמות חומצות האמינו הבונות את החלבון‪.‬‬
‫•‬
‫מבנה שניוני – מבנים מחזוריים בתוך החלבון‪ .‬נכיר שלושה מבנים מרכזיים – סליל אלפא‪ ,‬קפל‬
‫בטא וסיבוב צפוף‪.‬‬
‫•‬
‫מבנה שלישוני – מבנה תלת מימדי מוגדר אליו מגיע החלבון בתלות בסביבה שלו – מימית או‬
‫הידרופובית‪.‬‬
‫•‬
‫מבנה רבעוני – חלבונים שונים שמגיבים אחד עם השני ויוצרים מבנים גדולים ומורכבים‪ .‬במבנה זה‬
‫יכולים להשתתף אפילו עשרות חלבונים ליצירת הקומפלקס‪.‬‬
‫המבנה הראשוני – רצף חומצות האמינו‬
‫שלרצף חומצות האמינו יש כיווניות –‬
‫חומצת האמינו הראשונה ברצף היא‬
‫בעלת קבוצת אמינו חופשית וחומצת‬
‫האמינו‬
‫האחרונה‬
‫בעלת‬
‫קבוצה‬
‫קרבוקסילית חופשית‪.‬‬
‫כיווניות זו נובעת מכך שחומצת‬
‫האמינו הראשונה יוצרת קשר אמידי‬
‫בין הקרבוקסיל שלה לאמינו של חומצת האמינו השנייה; חומצת האמינו השנייה יכולה להתחבר‬
‫הלאה רק דרך הקרבוקסיל‪ ,‬ולכן הכיווניות נשמרת‪ .‬חומצת האמינו האחרונה אינה יוצרת קשר עם‬
‫חומצות אמינו אחרות ולכן הקרבוקסיל שלה פנוי; כמו כן חומצת האמינו שמתחילה את הרצף היא‬
‫בעלת אמינו פנוי משום שהיא לא קשורה לחומצת אמינו קודמת‪.‬‬
‫להזכירכם‪ :‬החלבון הוא גדיל פולימר שנוצר על ידי הריבוזום; הסיבה שחומצות האמינו הראשונה‬
‫והאחרונה הינן בעלות קצוות אמינו וקרבוקסיל חופשיים בהתאמה היא כי במהלך סינטזת החלבון ועריכתו הן‬
‫נקבעו כראשונות ואחרונות‪ ,‬ולכן לא באות ולא יבואו חומצות אמינו נוספות לפניהן או אחריהן‪ ,‬בהתאמה‪.‬‬
‫הקשר האמידי נובע מחיבור בין קרבוקסיל של חומצת אמינו אחת לאמינו של חומצת האמינו הבאה אחרי‪.‬‬
‫תהליך יצירת הקשר דורש אנרגיה‪ ,‬הנובעת מהידרוליזה של ‪) ATP‬הנצרך על ידי הריבוזום( – זהו לא‬
‫תהליך ספונטני‪ ,‬כלומר ערבוב של‬
‫חומצות אמינו בפני עצמן לא יוביל‬
‫ליצירה של פפטיד ובטח שלא ליצירה‬
‫של חלבון‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביוכימיה א' ‪ -‬שיעור‬
‫‪16‬‬
‫מבנה רזוננטיבי של הקשר הפפטידי‬
‫הקשר האמידי )פפטידי( מתקיים בין שני פחמני אלפא שביניהם יש‬
‫פחמן קרבונילי וחנקן‪ .‬הקשר הכפול לחמצן יכול לעבור ברזוננס לקשר‬
‫בין הפחמן הקרבונילי לחנקן‪ ,‬עובדה המייצבת את הקשר ומביאה לכך‬
‫שהאלקטרון שייך בו זמנית לשלושת האטומים הקשורים ברזוננס‪.‬‬
‫הטבע הפולארי של קשר פפטידי‬
‫הפחמן הקרבונילי‪ ,‬שיש לו רזוננס לקשר כפול עם החנקן‪ ,‬הינו בעל‬
‫היברידיזציה של ‪ SP2‬ולא ‪ SP3‬ולכן לא ניתן לסובב את המולקולה‬
‫סביב הקשר הזה‪ ,‬כי הוא נחשב לקשר כפול‪ .‬מסיבה זו נוצרת יחידה‬
‫קשיחה ופלאנארית המערבת את שלושת הפחמנים )שני פחמני אלפא‬
‫ופחמן קרבונילי(‪ ,‬החנקן עם המימן הקשור אליו והחמצן‪ .‬המולקולה‬
‫היא פלאנארית‪ ,‬קשיחה ושני פחמני אלפא נמצאים בקונפורמציית‬
‫מבנה טראנס – שניהם פונים לצדדים שונים‪.‬‬
‫לא קיים מבנה ציס בחלבונים‪.‬‬
‫אם מציגים את החלבון כולו‪ ,‬הוא מכיל הרבה‬
‫קשרים פפטידים ומתוקף כך יש הרבה מאוד‬
‫מישורים פפטידיים; בין כל שני מישורים יש פחמן‬
‫אלפא‪ .‬את המישורים בינם לבין עצמם מותר לסובב‬
‫סביב ציר של הקשרים שיוצר פחמן אלפא עם‬
‫הפחמן הקרבונילי מחד והחנקן מאידך‪ .‬יחד עם זאת‬
‫יש לזכור כי את המישור עצמו – בתוכו – אסור‬
‫לסובב‪ .‬הזוויות שנוצרות בין המישור לקשר –‬
‫זוויות פיי וקסיי – מספקות לנו מידע על המבנה‬
‫של החלבון‪ ,‬כי הן מאפשרות לנו לתאר את מבנה‬
‫החלבון כפוקנציה של זוויות פיי וקסיי לאורך כל‬
‫השרשרת הפפטידית‪.‬‬
‫המדען שהמציא את התיאור של החלבון בעזרת‬
‫הזוויות הוא ‪ Ramachandran‬וניתן לקרא על שיטתו‬
‫בספר של לנינג'ר בעמודים ‪.118-119‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫שיעור ‪ :02‬המבנה התלת‪-‬מימדי של החלבון‬
‫‪17‬‬
‫המבנה השניוני – סלילים וקפלים‬
‫הכרנו יחידה פפטידית‪ ,‬מישורית‪ ,‬של מבנה ראשוני‪ .‬היחידה‬
‫מכילה חמצן ומימן )שקשור לחנקן(‪ .‬המבנה השניוני נוצר‬
‫עקב קשרי מימן הנוצרים בין חמצן )מקבל מימן( למימן‬
‫אמידי )חנקן הוא תורם המימן(‪ .‬שימו לב שהקבוצות‬
‫הצדדיות אינן קשורות לייצוב מסוג זה‪.‬‬
‫מבנה שניוני נוצר עקב קשרי מימן שנוצרים בין אטומי‬
‫השלד של החלבון וללא כל השפעה או מעורבות של‬
‫קבוצות צדדיות ‪.R‬‬
‫סליל אלפא‬
‫מבנה זה נמצא על ידי המדענים לינוס פולינג ורוברט קורי )‪ (Linus Pauling & Robert Corey‬ב‪-‬‬
‫‪ .1951‬הסליל משלים סיבוב של ‪ 360°‬מדי אורך של ‪ 5.6‬אנגסטרם‪ .‬הסלילים יכולים להיות בעלי ידניות‬
‫מסויימת – הסלילים של החלבונים עולים נגד כיוון השעון‪ ,‬ידניות יד ימין‪.‬‬
‫הקשרים המייצבים את הסליל כאמור הם קשרי‬
‫מימן בין האטומים של הקשר הפפטידי בלבד‪.‬‬
‫החמצן של חומצת האמינו הראשונה ברצף יוצר‬
‫קשר מימן עם החנקן ששיך לחומצת האמינו‬
‫החמישית ברצף‪ .‬באופן דומה חמצן מחומצת האמינו‬
‫השנייה יוצר קשר עם החנקן מחומצת האמינו‬
‫השישית‪ ,‬וכן הלאה )‪ O‬בעמדה ‪ n‬יוצר קשר עם‬
‫חנקן בעמדה ‪.(n+4‬‬
‫הערה‪ :‬כפי שנראה בהמשך‪ ,‬אומנם הקשרים האלה‬
‫מתקיימים בלי שום תלות בשיירים ‪ R‬אבל לשיירים‬
‫אלו כן יש השפעה מבחינת העדפה לאיזה מבנה‬
‫שניוני ליצור – אם בכלל‪.‬‬
‫קבוצות צדדיות בסליל פונות כלפי חוץ בלבד‪ .‬הקוטר הפנימי של שלד הפפטידים‬
‫של הסליל הוא ‪ 5‬אנגסטרם ויחד עם השיירים זה ‪ 10‬אנגסטרם;‬
‫הסיבה המרכזית והפשוטה לכך שהשיירים פונים החוצה היא שאין שם מקום אפילו‬
‫לדחוס מולקולת מים‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביוכימיה א' ‪ -‬שיעור‬
‫‪18‬‬
‫שיעור ‪ :03‬רמות הארגון של החלבון‬
‫מבנים שניוניים – המשך‬
‫בשיעור שעבר דיברנו על המבנה הראשוני – הרצף הלינארי של חומצות האמינו בשרשרת הפפטידית‪,‬‬
‫המתחילה במספורה מקצה ‪ N‬ועד קצה ‪ .C‬המבנה השניוני‪ ,‬בו התחלנו לעסוק‪ ,‬בנוי ממבנים מחזוריים בתוך‬
‫השרשרת שנובעים מקשרי מימן בין האטומים המרכיבים את השלד ולא מערבים קשרים לשיירים‬
‫צדדיים אלא רק יחידות פפטידיות – מישורים קשיחים של אטומים‪ .‬קשרי המימן הם בין מימן של החנקן‬
‫לחמצן הקרבוקסילי‪.‬‬
‫המבנה הכי נפוץ הוא מבנה סליל אלפא‪ ,‬המיוצב על ידי קשרי מימן בתוך הסליל בין חמצן של חומצת אמינו‬
‫בעמדה ‪ n‬למימן אמיני של חומצת אמינו בעמדה ‪ .n+4‬ארבע חומצות האמינו בהתחלה ובסוף יוצרות רק‬
‫קשר מימן אחד‪ ,‬כל השאר יוצרות שני קשרי מימן‪.‬‬
‫גדילי בטא וקפלי בטא‬
‫שרשרות‬
‫פוליפפטידיות‬
‫יוצרות‬
‫גדילים קשיחים וישרים מאוד; המבנה‬
‫הזה אינו יציב בפני עצמו ולכן יש‬
‫קשרי מימן בין גדילי בטא שונים‪ ,‬כך‬
‫שהם יוצרים קפל בטא )‪.(beta sheet‬‬
‫ההבדל העיקרי בין זה לסליל אלפא הוא שקשרי המימנים הם בין השרשרות ולא בתוך השרשרת‬
‫עצמה וכן שאין בהכרח מרחקים קבועים בין המולקולות המעורבות בקשרים‪.‬‬
‫היות ולרצף הלינארי יש כיווניות‪ ,‬קפלי בטא יכולים להיות בעלי קונפורמציה מקבילה )הגדילים באותה‬
‫כיווניות( או אנטי‪-‬מקבילה )כל שני גדילים סמוכים הם בכיווניות הפוכה(‪ .‬קשרי המימן בקפל אנטי‪-‬‬
‫מקביל הם ישרים‪ ,‬לעומת קשרים בזווית שמתקיימים בקפל המקביל‪ ,‬מה שמחזק את הקשרים‬
‫בקונפורמציה ההאנטי‪-‬מקבילה‪.‬‬
‫כל קבוצת פפטיד בקפל בטא מגיב עם שכניו בשני סוגי קשרים‪ :‬המימנים של הגדיל מגיבים עם החמצן‬
‫של השרשרת שנמצאת מעליו והחמצנים של הגדיל מגיבים עם המימן האמיני של הגדיל שנמצא תחתיו‪.‬‬
‫באופן זה ניתן להוסיף עוד ועוד שרשרות פפטידיות לקפל‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫שיעור ‪ :03‬רמות הארגון של החלבון‬
‫‪19‬‬
‫קפלים מקבילים ואנטי‪-‬מקבילים‬
‫המרחק בין חומצות האמינו בקפל‬
‫האנטי‪-‬מקביל‬
‫)עליון(‬
‫הוא‬
‫‪3.47‬‬
‫אנגסטרם ובין שני גדילים שונים הוא‬
‫‪ 4.6‬אנגסטרם‪ .‬השיירים של חומצות‬
‫האמינו מתחלקים לכאלה שפניהם מעל‬
‫המישור של הקפל וכאלה שפניהם‬
‫תחתיו‪ .‬ההבדל המרכזי בין מערכת‬
‫מקבילה ואנטי‪-‬מקבילה )תחתון( הוא‬
‫חומצות‬
‫שהמרחק‬
‫בין‬
‫במערכת‬
‫המקבילה‬
‫הוא‬
‫האמינו‬
‫‪3.25‬‬
‫אנגסטרם‪ ,‬מה שאומר שהמבנה הזה‬
‫פחות מתוח מהמבנה האנטי‪-‬מקביל‪.‬‬
‫למעט זה אין הבדלים משמעותיים‬
‫אחרים‪.‬‬
‫איפיון מבנה הקפלים‬
‫קפלי בטא הם מבנים מתוחים מאוד‪ ,‬כמעט מישוריים‪ ,‬והרבה פחות קומפקטיים‬
‫מסלילי אלפא‪ .‬משמעות הדבר היא שנכנסות יותר חומצות אמינו במבנה סליל‬
‫אלפא – אותו המרחק שנבנה על ידי עשר חומצות אמינו בקפל בטא מכיל ‪23‬‬
‫חומצות אמינו בסליל אלפא‪ ,‬כפי שרואים באילוסטרציה משמאל‪ .‬קפל בטא יכול‬
‫להכיל כמות רבה של חומצות אמינו בסך גדיליו‪ ,‬אך לרוב הגדילים לא יהיו ארוכים במיוחד‪ .‬ככל שיש‬
‫לקפל בטא יותר גדילים כך הוא מכיל יותר קשרי מימן ועל כן עולה יציבותו‪.‬‬
‫סיבוב צפוף‬
‫אם רוצים לייצר קפלי בטא אנטי‪-‬מקבילים חייבים לסובב את‬
‫השרשרת הפוליפפטידית‪ .‬על מנת לפנות בין גדילים למצב מקביל או‬
‫אנטי‪-‬מקביל השרשרת חייבת לעשות מעין "סיבוב פרסה"‪ .‬הסיבוב‬
‫הזה מכונה ‪) Beta-Turn‬סיבוב צפוף(‪ .‬בצורה זו ניתן להביא את‬
‫הגדיל הבא לאותו המקום כדי שיגיב עם הגדיל הראשון‪.‬‬
‫במערכת של קפל מקביל אנחנו לא יכולים להשתמש בסיבוב צפוף‪ ,‬כי‬
‫הסיבוב הופך את כיוון הגדיל‪ .‬לפיכך נוצר מבנה אחר‪ ,‬גמיש יותר‪ ,‬של‬
‫לולאה‪ ,‬שמוביל את הגדיל מקצה האחד לתחילתו על מנת שיקבילו‪.‬‬
‫המבנה הזה יכול להיות גדול מאוד ולהכיל אפילו מאות חומצות אמינו‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביוכימיה א' ‪ -‬שיעור‬
‫‪20‬‬
‫איפיון הסיבוב הצפוף‬
‫הסיבוב הצפוף מורכב מארבע חומצות אמינו המהוות מבנה שניוני‬
‫בפני עצמן משום שהחמצן של חומצת האמינו הראשונה יוצר קשר‬
‫מימן מהחומצה האמינית בעמדה הרביעית של הסיבוב הצפוף )‪ i‬ו‪-‬‬
‫‪ .(i+3‬זהו מבנה שניוני מכיוון שהוא מקיים את התנאי של קשרי‬
‫מימן בין חומצות אמינו על ידי אלמנטים של הפפטיד ולא על ידי‬
‫שיירים‪ .‬אלו תמיד ‪ 4‬חומצות אמינו בעלות סידור מיוחד‬
‫ומסויים‪.‬‬
‫השיירים והמבנה השניוני‬
‫אנחנו לא עוסקים בתכונות של השיירים הצדדיים במבנה השניוני; יחד עם זאת‪ ,‬יש לציין כי הקבוצות‬
‫הצדדיות של חומצות אמינו שונות גורמות להעדפה למבנה שניוני כזה או אחר‪ ,‬בהתאם לאינטראקציות‬
‫בין חומצות האמינו‪.‬‬
‫כך למשל‪ ,‬חומצת האמינו הראשונה‬
‫של הסיבוב הצפוף תהיה לרוב גליצין‬
‫– בעל שייר קטן ולא נפחי המאפשר‬
‫למולקולה להגיע לזוויות שחומצות‬
‫אמינו אחרות אינן מגיעות אליהן‪,‬‬
‫תודות לגמישותה הגבוהה‪ .‬במבנים‬
‫מחזוריים )אלפא או בטא( יש זוויות‬
‫גדולות במבנה וגליצין משמשת לרוב‬
‫לשבירת הזווית במבנה‪.‬‬
‫בעמדה השנייה של הסיבוב הצפוף‪ ,‬באופן הפוך‪ ,‬לרוב תהיה פרולין כי הטבעת שהיא יוצרת בין קבוצת‬
‫האמינו והשייר שלה מקבעת באופן יעיל את הזווית‪ ,‬כך שהיא מייצבת את מצב סיבוב הפרסה‪.‬‬
‫מסיבה זו ברוב המקרים סיבוב בטא מורכב מגליצין בעמדה הראשונה ופרולין בעמדה השנייה‪.‬‬
‫עובדה זו אינה נכונה רק לפרולין‪ ,‬גליצין והסיבוב הצפוף‪ ,‬אלא לכל המבנים האחרים וחומצות האמינו‬
‫האחרות; הטבלה הבאה מתארת את הזיקה של חומצות האמינו השונות להיות נתונות במבנה שניוני‬
‫מסויים‪ .‬המסומנות בכחול הן חומצות אמינו שכאשר הן במבנה הנתון הן נוטות לשבור אותו‪ ,‬כי הזיקה‬
‫שלהן חלשה מאוד לאותו המבנה‪.‬‬
‫אין צורך לזכור את הזיקות; הגרף רק מדגים‬
‫שלחומצות אמינו שונות עם שיירים שונים יש‬
‫עדיפות למבנה שניוני כזה או אחר‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫שיעור ‪ :03‬רמות הארגון של החלבון‬
‫‪21‬‬
‫הטבלה משמאל מציגה את אותם הנתונים במספרים‬
‫המתארים את הזיקה – ככל שהמספר גבוה יותר כן‬
‫גבוהה הזיקה‪ .‬שימו לה שאין עדיפות ‪ – 0‬כי תמיד‬
‫יש סיכוי למצוא חומצת אמינו נתונה בכל אחד‬
‫ממהמבנים‪ ,‬הזיקה רק משנה את ההסתברות שזה‬
‫יקרה‪.‬‬
‫בתא יש חלבונים רבים; ישנם ביניהם כאלה שרוב‬
‫המבנה השניוני הוא סליל אלפא‪ ,‬אחרים שמורכבים‬
‫ברובם מקפלי בטא‪ .‬אנחנו יכולים לראות בגרף הבא‬
‫חלבונים שונים ואת אחוזי סליל האלפא בחלבון‪.‬‬
‫אלבומין )חלבון דם( או ציטוכרום סי )שרשרת‬
‫הנשימה( עשויים כמעט רק מסליל אלפא; ככל‬
‫שיורדים בגרף האחוז הולך וקטן‪,‬‬
‫ובאופן נגדי אחוזי קפלי בטא עולים‪.‬‬
‫חלבון ממוצע )באיור למטה( מכיל‬
‫לרוב את שני המבנים‪ ,‬ביחסים שונים‪.‬‬
‫חשוב‪ :‬הקשרים של המבנים השניוניים הם קשרים תוך‪-‬מולקולאריים‪ ,‬שהם בתוך אותה השרשרת‪.‬‬
‫יחד עם זאת מה שמאפיין את סליל אלפא הוא שהקשרים הפנימיים מתקיימים בתוך אותו הקטע‬
‫במרווחים קבועים של ארבע חומצות אמינו‪ ,‬בעוד שבקפל בטא הקשר בין שתי חומצות אמינו יכול‬
‫להיות במרחק של ‪ 20‬חומצות אמינו או ‪ 200‬חומצות אמינו‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביוכימיה א' ‪ -‬שיעור‬
‫‪22‬‬
‫מבנה שלישוני – הקיפול המרחבי של החלבון‬
‫ציינו את הרצף הלינארי והמבנים השניוניים של החלבון‪ ,‬הנוצרים על ידי קשרי מימן שלא מערבים את‬
‫השיירים של חומצות האמינו‪ .‬המבנה השלישוני הוא המבנה התלת‪-‬מימדי המוגדר של החלבון‪ ,‬בו אנחנו‬
‫חייבים להתייחס לכל הכוחות – קשרים תוך‪-‬מולקולאריים בתוך החלבון וגם קשרים שהחלבון יוצר עם‬
‫הסביבה‪.‬‬
‫אמרנו שהסביבה היא גורם מרכזי בקביעת מבנה החלבון; אם נעביר חלבון מפאזה מימית לפאזה‬
‫הידרופובית הוא יעבור דה‪-‬נטורציה ושינוי מבני שישנה את התכונות‪ ,‬הקיפול והתפקוד הטבעיים שלו‪.‬‬
‫ההגדרה "סביבה" היא כללית כי חלבון ציטוזולי יוצר קשרים עם סביבה מימית בעוד שחלבון ממברנלי‬
‫יוצר קשרים הידרופוביים עם הסביבה הפנימית של הממברנה‪.‬‬
‫הכוחות הפנימיים‬
‫באיור הבא רואים אילוסטרציה של מבנה חלבון‪ .‬אנחנו יכולים כבר לזהות מבנים שניוניים כמו סליל‬
‫אלפא אבל אנחנו רואים גם מבנים חדשים‪ ,‬למשל הקישור ליון מתכת הנכנס במיקום ספציפי ויוצר‬
‫קשרים אלקטרוסטטיים עם שיירים טעונים או בעלי דיפול במבנה החלבון‪.‬‬
‫בהמשך אנחנו רואים שתי חומצות אמינו סמוכות – וואלין ואיזולאוצין‪ .‬שתי חומצות אלו הן הידרופוביות‬
‫והן מגיבות אחת עם השנייה לפי האפקט ההידרופובי‪ .‬אנחנו יכולים גם להבחין בקשרים די‪-‬סולפידים בין‬
‫שיירים של ציסטאין‪ ,‬קשרי מימן בין שיירים )במקום בין אטומי השלד(‪ ,‬וכוחות משיכה הידרוסטיים בין‬
‫שיירים טעונים במטענים הפוכים‪.‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫מגוון כוחות שונים – קשרי מימן‪ ,‬אלקטרוסטטיים‪ ,‬דיסולפידים וכוחות לא‪-‬פולאריים – פועלים‬
‫בתוך החלבון עצמו לייצוב המבנה השניוני אבל גם קשורים לייצוב המבנה השלישוני שלו‪.‬‬
‫הכוחות האלה משתתפים ביצירת המבנה התלת מימדי השלישוני של החלבון‪.‬‬
‫הפולאריות של הקבוצות הצדדיות חשובה מאוד ליכולת שלהן להשפיע על הקשרים הפנימיים‬
‫המייצרים את המבנה השלישוני שלו‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫שיעור ‪ :03‬רמות הארגון של החלבון‬
‫‪23‬‬
‫הכוחות החיצוניים‬
‫הטבלה הבאה מראה את ערכי ההידרופוביות של השיירים של חומצות האמינו השונות‪.‬‬
‫כשחלבון מתקפל בתמיסה מימית‪,‬‬
‫למשל חלבון המיוגלובין‪ ,3‬הדבר‬
‫משפיע על צורתו המרחבית‪ .‬באיור‬
‫הימני רואים אילוסטרצית חתך עומק‬
‫של החלבון; ניתן לראות את סידור‬
‫חומצות האמינו לפי מד ההידרופוביות‬
‫שלהן‪ :‬כלפי חוץ פונים השיירים‬
‫ההידרופילים‬
‫השיירים‬
‫וכלפי‬
‫פנים‬
‫ההידרופובים‪,‬‬
‫פונים‬
‫היוצרים‬
‫סביבה הידרופובית פנימית‪.‬‬
‫בקיפול חלבון המסיס במים‪ ,‬שיירים צדדים על פני שטח החלבון יהיו בעלי יכולת תגובה עם מים –‬
‫פולאריים ו‪/‬או טעונים‪ .‬השיירים שפונים פנימה הם הידרופוביים ויוצרים פאזה הידרופובית נפרדת‪.‬‬
‫אם היינו זורקים את מיוגלובין לסביבה הידרופובית‪ ,‬הקיפול שלו ייתהפך – השיירים ההידרופובים ייפנו‬
‫כלפי חוץ והשיירים ההידרופילים יידחו על ידי הסביבה וייצרו פאזה הידרופילית כלפי פנים החלבון‪.‬‬
‫דוגמה זו מראה עד כמה התגובות של השיירים עם הסביבה משפיעות על הקיפול שלו‪.‬‬
‫‪ 3‬חלבון אלפא‪-‬סלילי‪ ,‬שהמבנה הדומיננטי שלו הוא סלילי אלפא‪ .‬החלבון הוא חלבון גלובולארי‪ ,‬כדורי‪ ,‬שנושא חמצן בשרירים‬
‫)כמו המוגלובין(‪ .‬יש לו קבוצה פרוסטטית של מתכת שקושרת את החמצן על מנת לשאת אותו‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביוכימיה א' ‪ -‬שיעור‬
‫‪24‬‬
‫החלבון הבא הוא ריבונוקליאז )אנזים שיודע לשבור ‪ .(RNA‬המבנה המרכזי שלו הוא קפלי בטא‪ .‬במבט‬
‫צד ניתן להבחין בחומצות אמינו הידרופיליות על פני השטח‪ ,‬ובחתך העומק רואים שהשיירים‬
‫ההידרופובים פונים כלפי פנים‪.‬‬
‫בצהוב מסומנים קשרים די‪-‬סולפידים‪ ,‬סה"כ ארבעה קשרים המייצבים את החלבון‪ .‬הייצוב שמעניקים‬
‫קשרים אלה הרבה יותר גבוה משל קשרים אחרים מאחר ואלו קשרים קוולנטים‪ .‬הימצאות של קשרים‬
‫רבים כל כך מצביעה על כך שהמבנה של החלבון מיוצב מאוד‪.‬‬
‫משמאל‪ :‬מולקולות המים מסומנות בכחול ומגיבות עם‬
‫השיירים הפולאריים הצדדיים המסומנים בירוק‪ .‬הן‬
‫יוצרות קשרי מימן עם הקבוצות הפולאריות‪ ,‬ויוצרות‬
‫מעין מעטה של מים על החלבון‪.‬‬
‫באיור התחתון מופיע חלבון ממברנלי המורכב‬
‫מארבעה סלילי אלפא שכל אחד מהם עובר בתוך‬
‫הממברנה; ניתן לראות את סידור חומצות האמינו‬
‫של‬
‫הסלילים‬
‫העוברים‬
‫בתווך‬
‫הממברנה ולכן כלפי חוץ פונים דווקא‬
‫השיירים ההידרופוביים וכלפי פנים‬
‫השיירים ההידרופיליים‪.‬‬
‫חלבונים מסוג זה למשל יוצרים תעלות‬
‫המספקות תווך מימי למעבר חומרים‬
‫שהממברנה אינה חדירה להם‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫שיעור ‪ :03‬רמות הארגון של החלבון‬
‫‪25‬‬
‫האיור הבא מדגים חלבון עם מבנה סליל אלפא‬
‫שהשיירים שלו פונים כלפי חוץ; סידור זה‪ ,‬כפי‬
‫שניתן לראות‪ ,‬לא קורה רק באיזורים הלא‪-‬מסודרים‬
‫של שרשרת החלבון אלא גם במבנים השניוניים‪,‬‬
‫אשר גם בהם השיירים מסתדרים בצורה מסויימת –‬
‫השיירים ההידרופילים של סליל האלפא באיור‬
‫פונים מעלה לפאזה המימית והשיירים ההידרופובים‬
‫פונים לתוך החלבון‪.‬‬
‫התכונות הפיזיקליות של קיפול החלבון‬
‫מבנהו השלישוני של החלבון נובע מהשיירים שלו‪ ,‬כלומר ממבנהו הראשוני; לפי הנחה זו‪ ,‬אם החלבון‬
‫מכיל מספר חומצות אמינו בעלות רצף מסויים ואנו נזרוק את השרשרת לתוך מים‪ ,‬היא תתקפל באופן‬
‫מסויים אחד בלבד‪.‬‬
‫תהליך זה אינו קורה בטבע‪ ,‬כי ברגע‬
‫שהחלבון מתחיל להיות מסונטז כבר‬
‫יש מנגנונים שמתחילים לקפל אותו;‬
‫אבל בניסוי ניתן לזרוק שרשרת דה‪-‬‬
‫נטורטיבית לתוך המים ולבדוק זאת‪.‬‬
‫ניסוי זה‪ ,‬כשנעשה על ידי כריסטיאן‬
‫אנפינסן‪ ,‬הראה ששרשרות דה‪-‬נטורטיביות של חלבון מסוגלות להתקפל אפילו ללא כל סיוע חיצוני‬
‫בחזרה לצורתן המקורית כל פעם מחדש‪.‬‬
‫עובדה זו נובעת מהזיקות השונות של שיירים הידרופוביים ושל שיירים הידרופילים למים; רמות שונות‬
‫אלו משמשות כוח מניע לקיפול מלא ונאטיבי של החלבון‪ .‬עובדה זו – שרצף החלבון קובע את קיפולו –‬
‫ברורה לנו היום אבל נקבעה בעקבות ניסוייו המדען האמריקאי כריסטיאן אנפינסן )‪.(Anfinsen‬‬
‫לאנפינסן היה מזל גדול‪ :‬כשזורקים שרשרת פפטיד למים ומשווים בין המבנה הזה למבנה של החלבון שנוצר‬
‫בתא‪ ,‬המבנים לרוב לא יהיו זהים משום שבתא פעילים שאפרונים וגם משום שהקיפול בתא לעולם לא נעשה‬
‫במלואו על כל הרצף‪ 98% .‬מהחלבונים נבדלים בקיפול במובן זה‪ ,‬ואם אנפינסן היה משתמש באחד מהם‬
‫הוא לא היה מגיע למסקנותיו; יחד עם זאת החלבון שבו הוא בחר‪ ,‬ריבונוקליאז‪ ,‬מצליח להתקפל גם כך וגם‬
‫כך באותו האופן‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביוכימיה א' ‪ -‬שיעור‬
‫‪26‬‬
‫הניסוי של אנפינסן בריבונוקלאז‬
‫ריבונוקליאז הוא חלבון שחותך גדילי‬
‫‪ .RNA‬יש לו מבנים של סליל אלפא‬
‫וגם קשרים די‪-‬סולפידים בתוך החלבון‪.‬‬
‫אנפינסון לקח חלבון פעיל ובדק את‬
‫רמת הפעילות שלו; לאחר מכן העביר‬
‫את החלבון לתמיסת אוריאה )‪(urea‬‬
‫עם‬
‫חומר‬
‫מחזר‬
‫)‪mercapto-‬‬
‫‪ ,(ethanol‬שיכול לחזר את הקשרים‬
‫הדי‪-‬סולפידים ועל ידי כך לפתוח אותם‪.‬‬
‫בצורה זו הוא ביצע דה‪-‬נאטורציה של‬
‫החלבון‪ .‬מולקולות האוריאה יוצרות‬
‫קשרי מימן עם החלבון הדה‪-‬נאטיבי‬
‫ועל ידי כך מתחרות בקשרי המימן‬
‫שקיימים בסלילי אלפא‪ ,‬עד לרמה שהן‬
‫מפרקות אותם ופותחות את המבנה‬
‫השניוני‪.‬‬
‫לאחר‬
‫שבירת‬
‫המבנים‬
‫השניוניים‬
‫והקשרים הדי‪-‬סולפידיים של החלבון‪,‬‬
‫מתקבל חלבון פתוח לחלוטין‪ .‬במצב זה‬
‫נמדדה הפעילות והייתה אפסית‪ ,‬כיוון‬
‫שהחלבון לא במבנה הפונקציונאלי‬
‫שלו‪ .‬בשלב זה‪ ,‬אנפינסון סילק את‬
‫האוראה‪ ,‬הניח לחלבון שהות להתקפל‬
‫ואז סילק את החומר המחזר וסיפק‬
‫חמצן‪.‬‬
‫בצורה‬
‫זו‬
‫אנפינסון‬
‫ראה‬
‫שהחלבון חוזר ל‪ 100%-‬פעילות‪.‬‬
‫המסקנה – הקיפול של החלבון הוא‬
‫ספונטני בתמיסה‪ ,‬ולכאורה נקבע על‬
‫ידי רצף חומצות האמינו בלבד‪.‬‬
‫כאשר ניסה להפוך את הסדר – קודם‬
‫כל לסלק את החומר המחזר ורק אז את‬
‫האוראה – לא התקבלה ‪ 100%‬פעילות‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫שיעור ‪ :03‬רמות הארגון של החלבון‬
‫‪27‬‬
‫כי הציסטאינים יצרו קודם כל מיני קשרי די‪-‬סולפיד שונים‪ ,‬וכתוצאה מכך המבנים נוצרים באופן אקראי‬
‫ואינם מגיעים למצב המסודר שיכול להוביל‪ ,‬בסילוק האוראה‪ ,‬לקבלת מבנה מיוצב‪ .‬יצירה של קשרים‬
‫בסדר הלא‪-‬נכון אינה מאפשרת הפקה של חלבון פונקציונאלי‪.‬‬
‫זיכרו‪ :‬אמרנו שתהליך זה אינו קורה בתאים – החלבון המסונטז‬
‫החדש יוצא כזנב קטן מתוך הריבוזום לפאזה המימית וכבר אז‬
‫מתחיל להתקפל‪ .‬כתוצאה מכך שהחלבון מתקפל כבר במהלך‬
‫הסינטזה‪ ,‬הוא מגיע לסידור ספציפי של חומצות אמינו‬
‫הידרופוביות בפנים וחומצות אמינו הידרופיליות בחוץ‪ ,‬וכל‬
‫חומצת אמינו נוספת מצטרפת למבנה הקיים של הזנב‪ .‬מסיבה זו‬
‫רוב החלבונים לא יוכלו להתקפל באופן זהה לקיפולם בתאים‬
‫בניסוי דוגמת זה שערך אנפינסן‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביוכימיה א' ‪ -‬שיעור‬
‫‪28‬‬
‫שיעור ‪ :04‬רמות הארגון של החלבון‬
‫מבנה שלישוני – המשך‬
‫שאפרונים מולקולאריים‬
‫ציינו שהחלבון מתחיל להתקפל לתוך עצמו כבר עם‬
‫היציאה שלו מתוך הריבוזום; יחד עם זאת‪ ,‬הקיפול‬
‫הספונטני של החלבון יכול להיות מעוכב ומווסת על ידי‬
‫חלבונים המכונים שאפרונים מולקולארים‪ .‬באיור‬
‫משמאל ניתן לראות אותו החלבון שמתקפל‪ ,‬במצב‬
‫הראשון‪ ,‬ללא שאפרונים ובמצב השני עם שאפרונים‪.‬‬
‫השאפרונים מתיישבים על החלבון המסונטז ומונעים ממנו‬
‫להתקפל ולהגיע למבנה התלת מימדי הספונטני שלו;‬
‫כתוצאה מכך החלבון שנוצר ללא שאפרונים מורכב רובו‬
‫מסלילי אלפא בעוד שעם השאפרונים מתאפשרת יצירה של קפלי בטא‪.‬‬
‫בעזרת השאפרונים ניתן לכאורה לסנתז את כל השרשרת ולשמור עליה במצב דה‪-‬נאטורטיבי‬
‫ואקראי‪ ,‬וכאשר השאפרונים משתחררים החלבון מתקפל בפאזה המימית כמו שהיה עושה חלבון‬
‫סינטטי‪.‬‬
‫השאפרונים מעכבים את הקיפול ומאפשרים לשרשרת חומצות האמינו להגיע לקיפול הנכון והפעיל של‬
‫החלבון‪ .‬יחד עם זאת‪ ,‬זוהי דוגמה קיצונית; המצבים השכיחים יותר הם אלו בהם החלבון מתחיל להתקפל‬
‫ורק מקטעים מסויימים נותרים לא מקופלים בתיווך השאפרונים‪.‬‬
‫ישנן מחלות רבות שקשורות בשאפרונים – אלצהיימר‪ ,‬פרה משוגעת‪ ,‬כמה סוגי סרטן – אשר גילו בהן קשר‬
‫בין קיפול לא תקין של החלבון לבין המחלות‪ .‬מכאן אנו יכולים להבין את חשיבותו הגבוהה של הקיפול‬
‫הנכון‪.‬‬
‫סוגי המבנה השלישוני של החלבון‬
‫חלבונים יכולים להיות בעלי מספר צורות‪:‬‬
‫•‬
‫גלובולארים – כלפי פנים פונים שיירים‬
‫הידרופובים‪ ,‬כלפי חוץ שיירים פולאריים‪.‬‬
‫חלבונים אלו לרוב מסיסים מאוד במים ומכילים‬
‫הרבה סלילי אלפא‪.‬‬
‫•‬
‫פיברילות – חלבונים בצורת מקל )דוגמת קראטין(‪ ,‬מקבלים צורה מאורכת ואינם מתקפלים לתוך‬
‫עצמם כמו הגלובולארים‪ .‬החלבונים האלה לרוב מתוחים ואינם מתמוססים היטב במים‪.‬‬
‫•‬
‫ממברנליים – חלבונים העוברים דרך הממברנה‪ ,‬כאשר לרוב אם החלבון עובר מצד לצד המקטעים‬
‫חוצי‪-‬הממברנה הם הידרופובים ומאופיינים בצורת סלילי אלפא‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫שיעור ‪ :04‬רמות הארגון של החלבון‬
‫‪29‬‬
‫חלבונים גלובולאריים‬
‫המיוגלובין הוא דוגמה לחלבון גלובולארי‪ ,‬כפי שכבר ראינו; ספציפית‪ ,‬חלבון זה מכיל קבוצה מיוחדת‬
‫המכונה קבוצה פרוסטטית – זוהי קבוצה אינטגרטיבית הקשורה בחוזקה לחלבון אולם היא אינה חומצת‬
‫אמינו‪ .‬במקרה של המיוגלובין‪ ,‬קבוצה זו היא ה‪ heme-‬ותפקידה לקשור חמצן ולהסיע אותו בתוך השריר‪.‬‬
‫החלבון כדורי ומאוד הידרופילי‪.‬‬
‫•‬
‫חלבונים מסיסים במים‪ ,‬צפופים ובעלי צורה כדורית‪.‬‬
‫•‬
‫הפנים של החלבון הידרופובי ופני השטח שלו מכוסים שיירים הידרופילים‪.‬‬
‫•‬
‫בין החלבונים הגלובולארים ניתן למנות אנזימים ונשאים שונים‪.‬‬
‫חלבונים פיבריליים‬
‫השערות שלנו עשויות בעיקר מחלבון הקראטין‪.‬‬
‫קראטין הוא חלבון פיברילי היוצר צינורות ארוכים‬
‫בתוך השערה‪ .‬כתוצאה מכך השיער אינו מסיס במים‪,‬‬
‫חזק מאוד ובהרבה מצבים אינו עובר שינוי או משנה‬
‫את צורתו‪ .‬תפקידו של החלבון הוא מכאני – כאבר‬
‫חוש‪.‬‬
‫•‬
‫חלבונים המספקים תמיכה מכאנית‪ ,‬בלתי מסיסים במים‪.‬‬
‫•‬
‫חלבונים ארוכים‪ ,‬אשר לרוב מתקבצים יחד ליצירת כבלים ארוכים‪.‬‬
‫סלסול קבוע – חלבוני הקראטין קשורים אחד לשני בקשרים דו‪-‬סולפידים המשווים למבנהם יתר חוזק‪.‬‬
‫כאשר הולכים לעשות סלסול אצל ספר‪ ,‬הספר משתמש בחומר מחזר הפותח את קשרי ה‪ S-S-‬ועל ידי כך‬
‫מוריד מהיציבות של השערה; לאחר עיצוב השיער בצורה מסויימת‪ ,‬למשל הסלסול‪ ,‬הספר מחמצן חזרה את‬
‫הקשרים הדו‪-‬סולפידים וכך הצורה החדשה מתייצבת בחיזוק הקשרים הקוולנטים‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביוכימיה א' ‪ -‬שיעור‬
‫‪30‬‬
‫מבנה רבעוני – קומפלקסים אוליגומרים של חלבונים‬
‫אם נחזור לדוגמה הקודמת‪ ,‬אנחנו יכולים לראות שהמיקרופיבריל של הקראטין מורכבת‬
‫למעשה ממבנה רבעוני – שלוש פיברילות של חלבון קראטין נקשרות בקשרים די‪-‬סולפידים‬
‫ליצירת המבנה של המיקרופיבריל‪.‬‬
‫מבנה רבעוני מורכב משתי תת‪-‬יחידות ומעלה – עד אלפי יחידות‪ .‬תת היחידות‬
‫יכולות להיות זהות )הומופולימר( או שונות )הטרופולימר(‪ .‬ישנם מצבים של‬
‫מספר תת יחידות זהות ומספר תת יחידות זהות מסוג אחר‪ ,‬ואז המבנה מכונה‬
‫הומו‪-‬הטרו‪-‬פולימר‪.‬‬
‫הכוחות המחזיקים את החלבונים יחד הם קשרים שבעיקרם אינם קוולנטים –‬
‫הידרופובים‪ ,‬אלקטרוסטטים‪ ,‬קשרי מימן – וגם קשרים די‪-‬סולפידים‪ .‬ראינו‬
‫את המיקרופיבריל העשויה קראטין‪ ,‬ואנו יכולים להשתמש גם בדוגמת‬
‫ההמוגלובין – נשא החמצן של הדם‪ .‬חלבון זה הוא הומוהטרופולימטר‪ ,‬עשוי‬
‫שתי תת יחידות בטא זהות ועוד שתי תת יחידות אלפא זהות‪.‬‬
‫במרכזו נמצאת מולקולת ה‪ heme-‬שקושרת חמצן‪ .‬המיוגלובין‪,‬‬
‫הדומה לו ומצוי בשרירים‪ ,‬אינו נחשב כבעל מבנה רבעוני כי הוא‬
‫חלבון המורכב מיחידה אחת עצמאית בלבד )מונומר(‪.‬‬
‫ייצוב המבנה הרבעוני‬
‫הכוחות המייצבים את המבנה הרבעוני הם‪ ,‬כפי שאמרנו‪ ,‬כל הקשרים הלא‪-‬קוולנטים שציינו בעבר )קשרי‬
‫מימן‪ ,‬אלקטרוסטטיים‪ ,‬די‪-‬סולפידים‪ ,‬דיפול ואפקט הידרופובי(‪ .‬יחד עם זאת‪ ,‬להבדיל מהקשרים שראינו‬
‫במבנים הקודמים‪ ,‬התנאי להיותם קשר של המבנה הרבעוני הוא ששני האלמנטים של הקשר הבין‪-‬‬
‫מולקולארי משתייכים לשני חלבונים נפרדים המהווים תת היחידות של הקומפלקס‪ .‬בקשר מימן למשל‪,‬‬
‫תורם המימן יהיה מחלבון אחד ומקבל המימן ישתייך לחלבון אחר‪.‬‬
‫אלו אותם הכוחות המייצבים את המבנה השלישוני‪ ,‬אולם שם הקשרים הם בתוך החלבוןעצמו ולא‬
‫בין יחידות שונות‪.‬‬
‫סיכום מבנה החלבונים‬
‫•‬
‫המבנה התל מימדי של החלבון נקבע לפי רצף חומצות האמינו של החלבון‪ .‬זוהי מסקנתו של אנפינסן‬
‫– רצף קובע קיפול‪.‬‬
‫•‬
‫השיירים של החלבון מגיבים עם הסביבה – הידרופובית בממברנה או הידרופילית בתוך התא –‬
‫ותגובות אלו משפיעות ומכתיבות את המבנה שייתפוס החלבון‪.‬‬
‫•‬
‫הכוחות החשובים ביותר ליציבות החלבונים הם הכוחות החלשים – קשרי מימן‪ ,‬קשרים יוניים‬
‫וקשרי ון דר‪-‬ואלס‪ .‬גם מבנה רבעוני וגם מבנה שלישוני מיוצבים על ידי קשרים אלו‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫שיעור ‪ :04‬קטליזה במערכות ביולוגיות – אנזימים‬
‫‪31‬‬
‫שיעור ‪ :04‬קטליזה במערכות ביולוגיות – אנזימים‬
‫סיימנו את נושא מבנה החלבונים; כעת נתחיל לעסוק בתפקודים שלהם‪ ,‬כאשר הראשונים בהם יהיו‬
‫האנזימים – הזרזים של הביולוגיה‪ .‬כל תגובה בגוף מזורזת על ידי חלבון אנזימטי המהווה קטליזטור‬
‫של התגובה ומעלה את קצב הריאקציה בתוך התא‪ .‬ישנן תגובות רבות בטבע; ביניהן איטיות‪ ,‬ביניהן‬
‫מהירות )באופן ספונטני(‪ .‬אנזימים מסוגלים לזרז תגובות פי כמה סדרי גודל‪.‬‬
‫מאפייני האנזימים‬
‫•‬
‫מזרזים תהליכים כימיים‪.‬‬
‫•‬
‫השמות של האנזימים בעלי סיומת ‪.ase‬‬
‫•‬
‫הקידומת של השם מרמזת‪ ,‬על פי רוב‪ ,‬על תפקודו או הסובסטרט שלו – למשל פפטידאז הוא אנזים‬
‫שמפרק פפטידים‪.‬‬
‫•‬
‫ניתן לחלק אותם לשש קבוצות לפי סוג התגובה שהם מזרזים )לא לפי גודל או תכונות מסיסות(‪.‬‬
‫סוגי אנזימים‬
‫•‬
‫אוקסידו‪-‬רדוקטאזות )‪ – (Oxidoreductases‬אנזימים שמטפלים בתהליכי חימצון‪/‬חיזור )קבלה‪/‬‬
‫מסירה של אלקטרונים(‪ .‬בדוגמה‪Alcohol ,‬‬
‫‪ Dehysdrogenase‬מחמצן מולקולות אלכוהול‬
‫ליצירת אלדהידים‪.‬‬
‫•‬
‫טראנספראזות )‪– (Transferases‬‬
‫מטפלים בהעברת קבוצות ממולקולה‬
‫אחת לאחרת‪ .‬דוגמה לכך היא‬
‫‪ – Hexokinase‬המעביר פוספט‬
‫ממולקולת ‪ ATP‬לגלוקוז‪.‬‬
‫•‬
‫הידרולאזות )‪– (Hydrolases‬‬
‫מפרק קשרים קוולנטים על ידי‬
‫מים בתהליך הידרוליזה‪ .‬דוגמה‬
‫לכך היא ‪ ,Arginase‬אשר מפרק‬
‫קשר קוולנטי בעזרת מולקולת‬
‫מים וכתוצאה מכך משתחררת‬
‫מהארגנין מולקולת אוראה‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביוכימיה א' ‪ -‬שיעור‬
‫‪32‬‬
‫•‬
‫ליאזות‬
‫)‪(Lyases‬‬
‫–‬
‫מורידה‬
‫קבוצה‬
‫מהמולקולה על מנת להותיר קשר כפול בין‬
‫פחמן לחמצן או מוסיפות קבוצות לקשרים‬
‫כפולים קיימים‪ .‬הדוגמה היא ‪,Citrate Lyase‬‬
‫אשר מפרק קשר בציטראט ליצירת קשר כפול‬
‫לחמצן‪.‬‬
‫•‬
‫איזומראזות‬
‫)‪(Isomerases‬‬
‫–‬
‫אחראים‬
‫לאיזומריזציה של מולקולות – שינוי הסידור‬
‫של‬
‫הפנימי‬
‫הקשרים‬
‫במולקולה‪.‬‬
‫‪ Phosphoglycermutase‬הוא אנזים היודע‬
‫להעביר את קבוצת הפוספט של הפוספוגליצרול‬
‫לחמצנים שונים במולקולה‪ .‬גם בחומצות אמינו יש איזומרים – למשל ליאוצין ואיזוליאוצין – ומי‬
‫שמזרז את שינוי הסידור של שתי חומצות האמינו האלו הן איזומראזות‪.‬‬
‫•‬
‫ליגאזות )‪ – (Ligases‬מחברות יחד שתי מולקולות‪ .‬דוגמה לכך היא ‪,Pyruvate carboxylase‬‬
‫ההופכת פירובאט לאוקסאלואצטאט‪ .‬אפשר גם להשתמש בדוגמת הליגאזות המחברות את מקטעי‬
‫חומצות‬
‫הגרעין‬
‫אחד‬
‫לשני‬
‫)מחברות את מקטעי אוקאזאקי(‪.‬‬
‫אנזימים מטפלים בקשרים קוולנטים!‬
‫הקטליזה של האנזימים‬
‫אין זה משנה באיזו תגובה נמצאים האנזימים‪ ,‬הם עדיין חולקים יחד תכונות רבות‪:‬‬
‫•‬
‫האנזימים הם זרזים ובתור שכאלה אינם משתנים במהלך התגובה – האנזים נכנס ויוצא באותו‬
‫המצב והמבנה‪.‬‬
‫•‬
‫האנזימים מאיצים תגובות‪ ,‬מעלים את קצב הריאקציה בעשרות מונים‪ ,‬אבל הם אינם משנים את‬
‫קבוע שיווי המשקל‪ .‬משמעות הדבר היא שהם יודעים לזרז את התגובה בשני הכיוונים באותה‬
‫המידה‪.‬‬
‫•‬
‫האנזימים מסוגלים להעלות קצב ריאקציה תודות ליכולתם להוריד את אנרגיית האקטיבציה של‬
‫הריאקציה‪.‬‬
‫•‬
‫האנזימים מאוד ספציפיים – אלפי תגובות מתחוללות בתא וכל אנזים מזרז תגובה מסויימת‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫שיעור ‪ :04‬קטליזה במערכות ביולוגיות – אנזימים‬
‫‪33‬‬
‫אנזימים מגבירים את קצב התגובה הכימית‬
‫נניח תגובה בה המגיב ‪ A‬הופך לתוצר ‪ ,B‬ונניח כי‬
‫קיים שיווי משקל במעבר של המגיב ‪ A‬לתוצר ‪,B‬‬
‫כאשר בכל כיוון יש קבוע שיווי משקל מסויים‪.‬‬
‫בדוגמה היחס בין שני קבועי המשקל כאשר‬
‫הריאקציה אינה מזורזת הוא ‪ ,100‬כלומר התגובה‬
‫הראשונה מהירה פי ‪ 100‬מהשנייה‪.‬‬
‫כאשר מוסיפים אנזים‪ ,‬האנזים מעלה את קצב‬
‫הריאקציה ומעלה אותו ב‪ 7-‬סדרי גודל – פי ‪10‬‬
‫מיליון‪ .‬יחד עם זאת‪ ,‬העלייה הזו שווה בשני קבועי‬
‫שיווי המשקל – בשני הכיוונים של הריאקציה‪ .‬עדות‬
‫לכך ניתן לראות בכך שאם נחשב את היחס בין קבועי‬
‫שיווי המשקל‪ ,‬עדיין ייתקבל שהאחד גדול מהשני פי‬
‫‪.100‬‬
‫האנזים מזרז את התגובה בכל כיוון באותו סדר גודל – הוא אינו יכול לזרז לכיוון אחד פי ‪100‬‬
‫ולכיוון השני פי ‪ .1000‬בצורה זו נשמר היחס בין קבועי שיווי המשקל ולכן אנו טוענים שהאנזימים‬
‫אינם משנים את קבוע שיווי המשקל‪.‬‬
‫מדוע הקצב מ‪ A-‬ל‪ B-‬אינו זהה לקצב מ‪ B-‬ל‪ ?A-‬ניתן להבין זאת מתוך גרף האנרגיה החופשית ואנרגיית‬
‫האקטיבציה של התגובה‪ .‬האנרגיה החופשית של הסובסטרט נמצאת במקום מסויים‪ ,‬והתוצר נמצא במקום‬
‫אחר‪ .‬הסיבה שהתגובה ‪ AB‬אינה מתרחשת באופן ספונטני היא שיש אנרגיית אקטיבציה גבוהה‪ .‬האנזים‬
‫מוריד את אנרגיית האקטיבציה של מצב המעבר‪ ,‬ולכן למולקולה קל יותר לבצע את המעבר‪.‬‬
‫יחד עם זאת‪ ,‬במצב שבו ‪ B‬בעל אנרגיה חופשית נמוכה משל ‪ ,A‬המעבר מ‪ B-‬ל‪ A-‬תמיד יהיה בעל אנרגיית‬
‫אקטיבציה גבוהה יותר מאשר המעבר מ‪ A-‬ל‪) B-‬כי ‪ B‬צריכה לגשר גם על הפרש האנרגיות בינה לבין ‪A‬‬
‫וגם על אנרגיית האקטיבציה(‪ .‬מסיבה זו יש הבדל בקצבי הריאקציה ומסיבה זו גם פעולת האנזים אינה משנה‬
‫את קבוע שיווי המשקל של התגובה – כי סדר הגודל יורד במידה שווה לשני הכיוונים‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביוכימיה א' ‪ -‬שיעור‬
‫‪34‬‬
‫נניח שיש לנו סובסטרט שבתגובה שלו צריך להתכופף ועקב הכיפוף שעוברת המולקולה היא יכולה‬
‫להתפרק; התהליך הזה קורה אבל מאוד לאט כי הסיכוי שהוא ייקרה בטמפרטורות פיזיולוגיות נמוך מאוד‪.‬‬
‫אם יהיה חלבון שיוכל לתפוס את הסובסטרט אבל‬
‫לא יכול לקפל אותו‪ ,‬אין פעילות אנזימטית בתגובה;‬
‫לעומת זאת‪ ,‬אם יהיה אנזים שייתפוס‬
‫את הסובסטרט ואז באתר הקטליטי‬
‫שלו הוא יהיה בעל צורה מתאימה‬
‫ויפעיל כוחות שיאפשרו כיפוף של‬
‫הסובסטרט‪ ,‬האנזים למעשה עוזר‬
‫למולקולה להתפרק – ועל ידי כך‬
‫מביא יותר מולקולות סובסטרט למצב‬
‫בו הן יכולות לעבור את התגובה‪,‬‬
‫כלומר מגביר את קצב הריאקציה‪.‬‬
‫האנזימים למעשה מייצבים את מצב המעבר ולכן הרבה יותר מולקולות יכולות להגיע אליו בדרכן‬
‫לתוצר התגובה‪.‬‬
‫סיכום‬
‫•‬
‫אנזימים יכולים להגביר את קצב התגובה‪.‬‬
‫•‬
‫אינם משנים תרמודינמית את התגובה‪ ,‬רק מורידים את אנרגיית האקטיבציה‪.‬‬
‫•‬
‫ישנם אנזימים כה פעילים שמזרזים את הריאקציה ב‪ 16-‬סדרי גודל‪.‬‬
‫•‬
‫כל עלייה בסדר גודל אחד היא ירידה ב‪ 5.7-‬קילו‪-‬ג'אול באנרגיה של מצב המעבר‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫שיעור ‪ :05‬קטליזה במערכות ביולוגיות – המשך‬
‫‪35‬‬
‫שיעור ‪ :05‬קטליזה במערכות ביולוגיות – המשך‬
‫כפי שאמרנו‪ ,‬אנזימים מעלים את קצב הריאקציה פי עשרות מונים על ידי הורדת אנרגיית האקטיבציה של‬
‫התהליך‪ ,‬של מצב הביניים‪ .‬כתוצאה מכך הם גם לא משנים את קבוע שיווי המשקל של התגובה‪ .‬כמו כן‬
‫אנזימים אינם משתנים כתוצאה מהשתתפותם בתגובה – מתוקף היותם זרזים ולא מגיבים‪.‬‬
‫האתר הפעיל‬
‫אנזים הוא מולקולה גדולה בעלת ‪ 300-400‬חומצות אמינו‪ ,‬בעלת משקל מולקולארי שלעיתים מגיע גם‬
‫למיליון דלתון‪ .‬האתר הפעיל‪ ,‬שם מתבצע תהליך הזירוז‪ ,‬הוא אתר קטן ושאר החלבון נועד להחזיק את‬
‫האתר הפעיל בצורה מסויימת‪.‬‬
‫תהליך הפעילות באתר‬
‫בתחילה‪ ,‬האנזים תופס את הסובסטרט ומכניס אותו לאתר הפעיל‪ .‬האתר הפעיל בנוי כך שהוא מייצב את‬
‫מצב המעבר‪ .‬במהלך הכנסת הסובסטרט‪ ,‬ישנה הוצאת של מולקולות המים שמקיפות את הסובסטרט‪ ,‬כי‬
‫האתר הפעיל הוא מרחב צפוף שמספיק בדיוק לסובסטרט – ללא מולקולות המים שהקיפו אותו‪ .‬בשלב‬
‫הבא‪ ,‬חומצות אמינו בעלות שיירים צדדיים מיוחדים באתר הפעיל מגיבות עם הסובסטרט לייצוב מצב‬
‫המעבר‪ .‬אלמנט נוסף שחשוב לזירוז הוא קבוצות פרוסטטיות‬
‫‪4‬‬
‫– שאינן שיירים של חומצות אמינו אבל הן חלק מהחלבון‬
‫וקשורות אליו בקשרים קוולנטים או קשרים אחרים – אשר‬
‫עוזרות לזירוז באתר הפעיל‪.‬‬
‫התגובה בין האתר לסובסטרט‬
‫ברגע שהמולקולה של הסובסטרט נכנסת לאתר הפעיל‪ ,‬כמה מנגנונים יכולים לתאר את התגובה ביניהם‪:‬‬
‫•‬
‫מנעול ומפתח )‪ – (Lock and Key‬הסובסטרט‬
‫מתאים לאתר הפעיל כמו מפתח לחור מנעול‪ ,‬התאמה‬
‫מבנית מאוד טובה וספציפית‪ .‬הצורה של הסובסטרט‬
‫מאוד מתאימה לצורה של האתר הפעיל‪.‬‬
‫ברגע שהסובסטרט נכנס‪ ,‬חומצות אמינו באתר הפעיל‬
‫יוצרות קשרים ומגיבות עם הסובסטרט על מנת לייצב‬
‫את מצב המעבר‪ .‬גם זווית הכניסה של הסובסטרט‬
‫חשובה‪ ,‬כמו זווית ההכנסה של מפתח למנעול‪ ,‬והאנזים‬
‫בוחר מצבים מסויימים של הסובסטרט אשר רק איתם‬
‫הוא יוצר קומפלקס‪.‬‬
‫‪ 4‬לא נמצא בכל האנזימים והחלבונים‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביוכימיה א' ‪ -‬שיעור‬
‫‪36‬‬
‫•‬
‫התאמה מושרית )‪ – (Induced Fit‬מבנה הסובסטרט‬
‫לא תמיד מתאים במדוייק לאתר הפעיל; לכן במקרה זה‬
‫יש יצירת קשר ראשוני של הסובסטרט‪ ,‬פחות חזק‬
‫מאשר במצב המנעול והמפתח‪ ,‬אשר בעצם יצירתו גורם‬
‫לשינוי קונפורמציה של צורת החלבון כך שלאחר השינוי‬
‫האתר הפעיל המתקבל מתאים במדוייק לסובסטרט‪.‬‬
‫משמאל‪ :‬ניתן לראות המחשה להתאמה‬
‫מושרית – כניסת הסובסטרט גלוקוז‬
‫לאתר הפעיל של ההקסוקינאז משנה את‬
‫המבנה שלו מהמבנה הכחול למבנה‬
‫האדום‪ ,‬כאשר למבנה האדום יש אתר‬
‫פעיל שמתאים במדוייק לסובסטרט‪.‬‬
‫תפקיד השיירים באתר הפעיל‬
‫בנושא זה נעסוק באתר הפעיל של‬
‫אנזים ספציפי – ‪ – Carboxypeptidase A‬ונראה מה תפקידם של השיירים בו‪ ,‬כאשר התפקוד הזה‬
‫מקביל גם באנזימים אחרים‪ .‬מבחינת פעילות‪ ,‬האנזים הזה יכול לחתוך שרשרות פפטידים בקצה‬
‫הקרבוקסילי וליצור קרבוקסיל במקום הקשר‪ .‬הייחודיות של הקצה הקרבוקסילי‪ ,‬שלא כמו הקצה האמיני‬
‫או שאר החלבון‪ ,‬היא שיש שם מטען‬
‫שלילי‪.‬‬
‫האנזים פועל במנגנון של התאמה‬
‫מושרית – המבנה שלו משתנה כאשר‬
‫הסובסטרט נכנס לאתר הפעיל; הוא‬
‫מייצב את הקומפלקס עם הסובסטרט‬
‫ביצירת קשרים שונים וכן הוא מכיל‬
‫קבוצה פרוסטטית מטאלית‪.‬‬
‫שימו לב שבמקרה זה גם הסובסטרט וגם‬
‫האנזים הם חלבונים‪.‬‬
‫האנזים הוא חלבון גדול והאתר הפעיל‬
‫הקטן שלו )מסומן אדום( נמצא במרכזו‪.‬‬
‫יש לנו גם קבוצה פרוסטטית של אבץ‬
‫וכן חומצות אמינו נוספות מסומנות‬
‫)ראו באיור הבא(‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫שיעור ‪ :05‬קטליזה במערכות ביולוגיות – המשך‬
‫‪37‬‬
‫כניסה של הסובסטרט לאתר הפעיל‬
‫גורמת לשינוי קונפורמציה – התאמה‬
‫מושרית‪ -‬שמקרבת את חומצות האמינו‬
‫המסומנות‪ ,‬החשובות לזירוז‪ ,‬אל האתר‬
‫הפעיל‪.‬‬
‫האיור הבא מציג אילוסטרציה של‬
‫האתר‬
‫הפעיל‬
‫והסובסטרט‬
‫יחד‪.‬‬
‫הסובסטרט הוא הקצה הקרבוקסילי של‬
‫שרשרת פפטידית כלשהי הנכנסת‬
‫לאתר הפעיל‪ .‬הקבוצות המסומנות‬
‫באנזים הן קבוצות שנמצאו כחשובות‬
‫מאוד ושהחלפתן עקב מוטציות או‬
‫במעבדה גורמת לאובדן הפונקציה של‬
‫החלבון‪.‬‬
‫הקבוצה הקרבוקסילית נושאת מטען‬
‫שלילי;‬
‫הארגנין‬
‫יוצר‬
‫קשר‬
‫אלקטרוסטטי עם המטען השלילי‪ ,‬שכן‬
‫החנקן של הארגנין הינו בעל מטען‬
‫חיובי‪ .‬הקשר בין טירוזין לחנקן של‬
‫השלד הפפטידי הוא קשר מימן‪ ,‬והקשרים בין החומצה הגלוטמיט‪,‬‬
‫הארגנין בעמדה ‪ 127‬והאבץ הוא קשרי מטען‪-‬דיפול‪.‬‬
‫האבץ הוא יון בעלת דרגת ערכיות ‪ .+2‬בקבוצה הפרוסטטית‪ ,‬הוא‬
‫יוצר ארבעה קשרים עם חומצות האמינו שסביבו – חומצה גלוטמית‬
‫בעמדה ‪ ,72‬היסטידין בעמדה ‪ 196‬והיסדטידין בעמדה ‪ .69‬הקשרים‬
‫האלה מקובעים מאוד והקבוצה קשורה לחלבון באופן חזק מאוד‪.‬‬
‫הקבוצה חשובה לזירוז ואם נרחיק אותה מהחלבון הוא יאבד‬
‫פעילות‪.‬‬
‫ארגנין ‪ 145‬וטירוזין ‪ 248‬יוצרות קשר יחיד כל אחת לסובסטרט‪ ,‬הן מייצבות את מצב המעבר אבל אינן‬
‫קשורות לתהליך הזירוז – תפקידן לקשור את הסובסטרט ולייצבו בלבד‪ .‬השיירים אינם משתתפים‬
‫בתהליך הזירוז עצמו‪.‬‬
‫שלושת האלמנטים האחרים – חומצה גלוטמית ‪ ,270‬ארגנין ‪ 127‬ואבץ – מייצבים את הקומפלקס וגם‬
‫שותפים בתהליך הזירוז‪ .‬שלושת קבוצות אלו יוצרות קשרים עם פחמן הקרבוניל )והחמצן שלו( של‬
‫חומצת האמינו האחרונה‪ .‬כמו כן יש מולקולת מים קרובה לפחמן הקרבונילי‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביוכימיה א' ‪ -‬שיעור‬
‫‪38‬‬
‫הארגנין והאבץ מושכים בחוזקה את האלקטרון של הקשר בין הפחמן לחמצן‪ ,‬ויחד עם הקשר ההפוך בין‬
‫החומצה הגלוטאמית לפחמן המטען של האלקטרון הקשר נמרח בין חומצות האמינו‪ .‬כתוצאה מכך הקשר‬
‫נחלש‪ ,‬ואנו מעלים את האנרגיה החופשית קרוב יותר למצב המעבר‪ .‬המולקולה אינה יציבה‪ ,‬ובשלב זה‬
‫נכנסת מולקולת המים – אשר תוקפת את הקשר הפטטידי ושוברת אותו‪.‬‬
‫אם היינו מחליפים את חומצת האמינו‬
‫ארגנין ‪ 145‬בחומצת אמינו חיובית‬
‫)מתוך הנחה שזה לא גורם לשינוי‬
‫סטרוקטורלי משמעותי(‪ ,‬לא היה קורה‬
‫כלום; אם היינו מחליפים לגליצין‬
‫למשל‪ ,‬האפיניות של האתר הפעיל‬
‫הייתה יורדת – כי גליצין לא יכולה‬
‫לייצב את הסובסטרט‪ .‬לעומת זאת אם‬
‫נחליף את ארגנין ‪ 127‬בליזין אנחנו‬
‫נאבד פעילות – כי הארגנין הזה קשור‬
‫גם לתהליך הזירוז ובלעדיו ספציפית‬
‫התהליך לא יתקיים‪.‬‬
‫ספציפיות של משפחת האנזימים ‪Ser-Protease‬‬
‫ישנן מגוון משפחות של פרוטאזות‪,‬‬
‫אנזימים שחותכים חלבונים; עד כה‬
‫דיברנו על קרבוקסי‪-‬פפטידאז‪ .‬אנזימים‬
‫ממשפחת סר‪-‬פרוטאז חותכים את‬
‫החלבון‬
‫במרכזו‬
‫ולא‬
‫בקצה‬
‫הקרבוקסילי‪.‬‬
‫הטריפסין חותך את הקשר הפפטידי‬
‫במקום בו יש ליזין או ארגנין –‬
‫חומצות אמינו עם שיירים ארוכים בעלי‬
‫מטען חיובי‪ .‬המבנה של השייר הצדדי הוא ארוך וטעון חיובית‪ ,‬והכיס של האתר הפעיל הוא עמוק –‬
‫מתאים לכניסה של הליזין – ובתחתית הכיס יש קבוצה קרבוקסילית טעונה שלילית ששייכת לחומצה‬
‫אספרטית באתר הפעיל‪ ,‬היוצרת קשר מטען‪-‬מטען עם המטען החיובי של הליזין‪.‬‬
‫טריפסין מאפשר כניסה של שיירים ארוכים עם מטען חיובי בקצה‪ .‬הספציפיות של האנזים גבוהה‬
‫מאוד‪ :‬אם הייתה נכנסת חומצת אמינו עם שייר קצר הוא לא היה מגיע לקצה‪ ,‬ואם לא היה מטען‬
‫חיובי לא היה נוצר הקשר שמייצב את הסובסטרט‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫שיעור ‪ :05‬קטליזה במערכות ביולוגיות – המשך‬
‫‪39‬‬
‫כימוטריפסין יוצר קשר עם שיירים ארומטיים‪ .‬זהו כיס פחות עמוק מהקודם אבל עדיין עמוק‪ .‬בתחתיתו‬
‫הוא לא פולרי ויש לו אפשרות ליצור קשרי טבעת לטבעת‪ .‬מתאים לטריפטופן‪ ,‬פנילאלאנין וטירוזין‪.‬‬
‫שימו לב‪ :‬חומצות אמינו אחרות בעלות שייר הידרופובי אולי גם עשויות להיחתך על ידי אתר פעיל זה‪ ,‬אבל‬
‫האפיניות שלהן מאוד נמוכה ולכן זה לא סביר‪ .‬באנזימים האחרים בדוגמה יש ספציפיות הרבה יותר גבוהה‪,‬‬
‫לעומת זאת‪ ,‬ולכן אין כמעט סבירות כלל שהאנזים יחתוך במקום שאינו אמור‪.‬‬
‫אלאסטאז חותך קשר פפטידי במקומות של אלאנין וגליצין – שהם בעלי השייר הצדדי הקטן ביותר‬
‫שיש‪ .‬הכיס מאוד לא עמוק‪ ,‬כך שאם היו מנסות להתחבר קבוצות עם שייר צדדי גדול הוא פשוט לא היה‬
‫מסוגל להיכנס לכיס‪.‬‬
‫הספציפיות נובעת מטבע הכיס של האתר הפעיל והקבוצות המעורבות ביצירת הקומפלקס‪.‬‬
‫קינטיקה אנזימטית‬
‫בתגובה כימית קיים סדר ריאקציה‪ :‬סדר‬
‫הריאקציה קובע את מספר החומרים שריכוזם‬
‫משפיע על קצב הריאקציה‪ .‬איננו מתייחסים‬
‫בדיון זה לחומרים ששותפים לתהליך אך‬
‫ריכוזם אינו משפיע על הקצב‪.‬‬
‫•‬
‫סדר אפס – אף ריכוז אינו משפיע‪ ,‬רק קבוע הקצב‪.‬‬
‫•‬
‫סדר ראשון – חומר אחד משפיע מבחינת ריכוזו‪.‬‬
‫•‬
‫סדר שני – שני חומרים משפיעים מבחינת ריכוזם‬
‫וכן הלאה‪.‬‬
‫בכימיה‪ ,‬אין יצירה של קומפלקס בין המגיבים ‪ A‬ו‪ ,B-‬ולכן יש תלות לינארית של מהירות התגובה‬
‫בריכוזים של ‪ A‬ו‪) B-‬בהנחה שזה סדר שני(‪ .‬לעומת זאת‪ ,‬באנזימים‪ ,‬יש יצירה של קומפלקס בין האנזים‬
‫לסובסטרט‪ .‬בתוך האתר הפעיל הסובסטרט משתנה והופך לתוצר)ים( ועוזב את האתר‪ .‬זהו ההבדל בין‬
‫תגובות כימיות וביולוגיות – יצירת קומפלקס בין אנזים לסובסטרט‪.‬‬
‫עובדה זו בעלת השפעה על כי לתגובה האנזימטית יש כבר‬
‫שלושה קבועי קצב ריאקציה‪ :‬אחד של יצירת קומפלקס‬
‫הסובסטרט‪-‬אנזים )‪ ,(k1‬אחד של התפרקות הקומפלקס )‪,(k-1‬‬
‫ואחד של יצירת התוצר )‪. (k2‬‬
‫קבוצות המייצבות את הקומפלקס משפיעות על הטייה לכיוון ‪ ES‬לעומת ‪.E+S‬‬
‫הקבוצות הפעילות באתר הפעיל משפיעות על מהירות המעבר מ‪ ES-‬אל ‪.E+P‬‬
‫התלות של מהירות הריאקציה בריכוז הסובסטרט אינה לינארית כי אם פרבולית –‬
‫עקום רוויה‪ .‬ככל שנעלה את ריכוז הסובסטרט אנחנו נעלה את קצב הריאקציה אבל בשלב מסויים לא‬
‫יהיה שינוי בקצב מכיוון שכל האנזימים יהיו תפוסים על ידי סובסטרט והקיבולת שלהם תגיע לשיא‪.5‬‬
‫‪ 5‬שימו לב‪ :‬אנו מניחים שהאנזים קיים וריכוזו קבוע; תלות התגובה בריכוז האנזים היא לינארית‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביוכימיה א' ‪ -‬שיעור‬
‫‪40‬‬
‫אנזימים מזרזים תגובה לשני כיוונים‪ ,‬ולכן שתי‬
‫התגובות – יצירת הקומפלקס עם הסובסטרט ויצירת‬
‫התוצר – הן תגובות הפיכות של שווי משקל‪ ,‬כך שיש שני צדדים לריאקציה‪.‬‬
‫קינטיקה אנזימטית – משוואות מכאליס‪-‬מנטן‬
‫כשאנחנו מדברים על קינטיקה אנזימטית על ידי משוואות מיכאליס‪-‬מנטן‪ ,‬יש לשים לב למספר הנחות‬
‫החשובות לתיאור הזה‪:‬‬
‫•‬
‫התאור נובע מיצירת הקומפלקס ‪ ES‬בין האנזים לסובסטרט‪.‬‬
‫•‬
‫תאור הקצב בתלות בריכוז האנזים לסובסטרט‪ ,‬מתחיל ממצב התחלתי אפס – שבו אין עדיין תוצר‪,‬‬
‫כשרק שמנו את האנזים והסובסטרט יחד ולכן התגובה בכיוון ההפוך – ‪ – k-2‬אינה קיימת‪.‬‬
‫•‬
‫ריכוז האנזים הרבה יותר נמוך מריכוז הסובסטרט – בכמה סדרי גודל – ובכל נקודות המדידה שלנו‪.‬‬
‫כתוצא מכך אנחנו יכולים לטעון שריכוז הסובסטרט יחסית קבוע ‪.‬‬
‫•‬
‫קיים מצב יציב ‪ steady state‬במצב הקומפלקס‪ .‬זהו אינו שיווי משקל שכן קיימת תגובה דינאמית‪.‬‬
‫בתחילת התגובה אין קומפלקס ויש אנזימים חופשיים וסובסטרט; עם הזמן יורד ריכוז האנזים‬
‫החופשי עד למינימום מסויים ועולה ריכוז הקומפלקס‪ ,‬עד למצב יציב כלשהו ויחס קבוע בין‬
‫הריכוזים‪ .‬היחס הזה אינו משתנה‬
‫למרות עלייה בכמות התוצר –‬
‫כאשר לאחר הגעה למצב היציב‬
‫הקצב של יצירת התוצר הופך‬
‫לינארי‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫שיעור ‪ :06‬קינטיקה אנזימטית‬
‫‪41‬‬
‫שיעור ‪ :06‬קינטיקה אנזימטית‬
‫ההבדל המרכזי בין זירוז אנזימטי ליצירת הקומפלקס הוא קבוע ‪ K1‬שאומר עד כמה יעיל תהליך יצירת‬
‫הקומפלקס‪ .‬כאשר האנזים מגיע למצב שהוא הופך מאנזים חופשי לאנזים בקומפלקס הוא עובר בין‬
‫מצבים‪ ,‬וריכוז האנזים הכולל שווה לריכוז האנזים החופשי ועוד ריכוז הקומפלקס‪ ,‬המכיל את האנזים‪.‬‬
‫משוואת מיכאליס‪-‬מנטן‬
‫התיאור הפורמלי של משוואת מיכאליס מנטן כולל כמה הנחות‪:‬‬
‫•‬
‫התהליך מתחיל מריכוז התחלתי אפסי )‪ (0‬של התוצר‪.‬‬
‫•‬
‫ריכוז האנזים בכל המצבים נמוך משמעותית מהסובסטרט‪.‬‬
‫•‬
‫המערכת במצב יציב – שיווי משקל כך שריכוז ‪ ES‬אינו משתנה במהלך התגובה‪.‬‬
‫אנחנו רוצים להציג את תלות המהירות או קצב הריאקציה בסובסטרט‪ .‬יש את שלושת קבועי שיווי‬
‫המשקל – ‪ -1 ,1‬ו‪ – 2-‬שמאפיינים את התהליכים‪ .‬קצב התגובה ניתן מהמשוואה הבאה‪:‬‬
‫)‪ ,V0=k2[ES]=(k2[Et][S])/([S]+Km‬כאשר ‪,Km=(k-1+k2)/k1‬‬
‫והוא קבוע מיכאליס מנטן‪ .‬מהירות התגובה המקסימלית מתרחשת‬
‫כאשר תנאי מיכאליס מנטן מתקיימים ואין יותר אנזים חופשי ואז‬
‫המהירות שווה‪.Vmax=k2[Et] :‬‬
‫בצורה כזו מגיעים למשוואת מיכאליס‪-‬מנטן המופיעה משמאל‪:‬‬
‫משוואת מיכאליס מנטן מתארת את התלות של המהירות ‪ V‬בריכוזו של הסובסטרט ]‪.[S‬‬
‫הגרף הבא מתאר את תלות המהירות בריכוז הסובסטרט‪.‬‬
‫•‬
‫בריכוזים מאוד נמוכים‪ ,‬יותר נמוכים מ‪ ,Km-‬ניתן להשמיט את ]‪ [S‬מהמכנה של המשוואה ולכן‬
‫המשוואה מקבלת תלות לינארית בין המהירות לריכוז הסובסטרט‪.‬‬
‫•‬
‫בריכוזים מאוד גבוהים המהירות כבר אינה תלויה בריכוז כי מגיעים לרווייה של האנזימים הזמינים‪,‬‬
‫ולכן המהירות שווה לקבוע שהוא המהירות המקסימלית‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביוכימיה א' ‪ -‬שיעור‬
‫‪42‬‬
‫כאשר המהירות שווה למחצית המהירות המירבית אנחנו מפתחים את המשוואה ומגיעים למצב בו‬
‫]‪ .Km=[S‬משמעות הדבר היא שכאשר הריאקציה מתרחשת במהירות שערכה מחצית מ‪Vmax-‬‬
‫אנחנו נמצאים בנקודה שבה ריכוז הסובסטרט שווה לקבוע מיכאליס מנטן‪.‬‬
‫הבנת ‪Km‬‬
‫מה זה אומר לנו על האנזים? אם ‪ Km‬נמוך‪ ,‬זה אומר שהאנזים מגיע למחצית מהמהירות המירבית שלו‬
‫בריכוזים נמוכים יחסית‪ .‬משמעות הדבר היא שהאפיניות של האנזים גבוהה יותר לסובסטרט מאשר‬
‫אנזים בעל ‪ Km‬גבוה יותר‪.‬‬
‫קבוע מיכאליס מנטן ‪ Km‬הוא קבוע ביחידות מולאריות שערכו הוא ריכוז הסובסטרט במחצית‬
‫המהירות המקסימלית‪ .‬ככל שהוא נמוך יותר הזיקה של האנזים לסובסטרט גבוהה יותר‪.‬‬
‫ישנם אנזימים מהירים ואיטיים – כאשר המהירים מזרזים תגובה באופן יעיל יותר מאיטיים‪ ,‬ולאנזימים‬
‫כאלה יש ‪ k2‬גבוה יותר מלאנזימים איטיים‪ .‬אם מדובר באנזים מאוד איטי‪ ,‬אפשר לבטל את האלמנט‬
‫של ‪ k2‬מהמשוואה של ‪ Km‬ואז הערך הוא יחס ‪ .k-1/k1‬זוהי למעשה ההגדרה של קבוע שיווי‬
‫המשקל של יצירת הקומפלקס‪ ,‬ולכן ‪.Km=Ks‬‬
‫לעומת זאת‪ ,‬באנזימים מאוד מהירים שבהם ‪ ,k2>>k-1‬אנחנו יכולים לדעת שה‪ Km-‬יהיה הרבה יותר‬
‫גבוה מקבוע שיווי המשקל אבל איננו יודעים בכמה‪.‬‬
‫הבנת ‪Vmax‬‬
‫זהו קצב הריאקציה המקסימלי‪ ,‬והוא שווה לקבוע שיווי המשקל כפול ריכוז האנזים הכולל‪ .‬פרמטר‬
‫זה לינארי בתלות בריכוז האנזים הכולל‪ Vmax .‬מתאר לנו את האקטיביות של הזירוז עצמו – כמה‬
‫פעמים אנזים אחד יודע להפוך את הסובסטרט לתוצר בשנייה‪ .‬זהו קבוע קטליטי שלא מעיד על זיקה‬
‫או אפיניות אלא רק על היעילות של הזירוז‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫שיעור ‪ :06‬קינטיקה אנזימטית‬
‫‪43‬‬
‫בקרבוקסיפפטידאז‪ ,‬למשל‪ ,‬המהירות הזו תתאר כמה מהר המים תוקפים את הקשר הפפטידי ומפרקים אותו‪.‬‬
‫רוויה באתר הפעיל‬
‫‪ Km‬אם כן‪ ,‬מתאר את האפיניות; ‪ k2‬מתאר את קצב‬
‫יצירת התוצר ולכן היעילות של האנזים‪ .‬אם ריכוז‬
‫הסובסטרט הרבה יותר נמוך מ‪ Km-‬רוב המולקולות‬
‫של האנזים אינן קשורות בסובסטרט ואז המהירות‬
‫תלויה לינארית בריכוז הסובסטרט‪.‬‬
‫כאשר שני אלמנטים אלו שווים המהירות היא‬
‫מחצית מ‪ ;Vmax-‬כאשר ריכוז הסובסטרט מאוד‬
‫גבוה‪ ,‬כל מולקולות האנזים מכילות סובסטרט וקצב‬
‫הריאקציה שווה לקצב המקסימלי ונמצאים ברווייה‪.‬‬
‫פיתוח לינוויבר‪-‬ברק‬
‫נניח שאנו מודדים את קצב הריאקציה בריכוזי סובסטרט שונים;‬
‫נמדוד את ‪ Vmax‬ואת ‪ .Km‬מכיוון שקשה לעשות אנליזה טובה של‬
‫הפרבולה שתראה מהו ה‪ Km-‬המדוייק‪ ,‬יש שיטה אחרת להפיכת קו‬
‫הפרבולה לקו לינארי – פיתוח לינוויבר‪-‬ברק )‪Lineweaver-‬‬
‫‪ .(Burk Equation‬הפיתוח‬
‫מתקבל כאשר הופכים את‬
‫משוואת‬
‫מיכאליס‬
‫מנטן‬
‫כאשר אנו מציבים את התלות‬
‫של ‪ 1/V‬בזו של ]‪.1/[S‬‬
‫הישר המתקבל ממשוואת לינוויבר‪-‬ברק‬
‫חותך את ציר ‪ X‬בנקודה בה ‪1/V=0‬‬
‫ובעזרת פיתוח אנחנו יכולים לקבל שערכה‬
‫של הנקודה שווה ל‪ .-1/Km-‬בחיתוך עם‬
‫ציר ‪ Y‬מתקבל כי ‪ .1/V=1/Vmax‬בעזרת‬
‫ערכים אלו של הקו הלינארי אנחנו יכולים‬
‫לחלץ את הערכים של ‪ Vmax‬ושל ‪.Km‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביוכימיה א' ‪ -‬שיעור‬
‫‪44‬‬
‫סיכום – מיכאליס מנטן‬
‫הנתונים שלמדנו לחלץ מהמשוואות‪:‬‬
‫•‬
‫קבוע קטליטי המציין כמה מולקולות תוצר מייצר האנזים‬
‫בשנייה‪.‬‬
‫•‬
‫‪ – Km‬שווה לקבוע שיווי המשקל כאשר ‪ k2<<<k-1‬בלבד‪.‬‬
‫האנזים הממוצע הינו בעל קבוע קטיליטי של כ‪ 50-‬מולקולות תוצר‬
‫בשנייה ו‪ Km‬של ‪ 10-4‬מולאר‪.‬‬
‫• ‪ Vmax‬שווה למכפלת קבוע יצירת התוצר בכמות האנזים‬
‫הכוללת‪.‬‬
‫•‬
‫משוואת לינוויבר‪-‬ברק מספקת צורה אנאליזה נוחה‪.‬‬
‫אנחנו עובבדים במצב עמיד‪ ,‬שבו יש שיווי משקל בין צורת האנזים‬
‫החופשי והאנזים בקומפלקס‪ .‬בתלות בריכוז הסובסטרט‪ ,‬היחס בין שני‬
‫אלה שונה‪ :‬אם יש יותר סובסטרט נוטים לכיוון הקומפלקס‪ ,‬וההפך‪.‬‬
‫הזירוז נעשה רק בקומפלקס‪ ,‬ולכך כאשר ריכוז הסובסטרט שווה ל‪-‬‬
‫‪ ,Km‬שמבטא את היחס בין שני תהליכי היצירה והפירוק של האנזים‪,‬‬
‫הריכוזים של האנזים החופשי ושל האנזים בקומפלקס שווים ולכן קצב‬
‫הריאקציה‪ ,‬שהוא ערך קטיליטי‪ ,‬שווה רק מחצית מערכו המירבי‪.‬‬
‫עיכוב אנזימטי‬
‫מעכבים יכולים לעכב את התגובות המזורזות של האנזים ועל ידי כך הם מורידים את קצב הריאקציה‬
‫המזורזת‪ .‬הם נדרשים למשל למיתון אברונים שמבצעים תגובות שמפיקות הרבה יותר מדי אנרגיה‪ ,‬כי אם‬
‫לא כן הדבר עלול להוביל לשריפה של התא; לכל אנזים יש מעכבים ותהליך זה חשוב מאוד כחלק מנגנון‬
‫הרגולציות של התא‪.‬‬
‫יש שני סוגים של עיכוב‪:‬‬
‫•‬
‫מעכבים תחרותיים – מתחרים עם הסובסטרט על כניסה לאתר‬
‫הפעיל‪ .‬האתר הפעיל יכול לקשור סובסטרט או מעכב ולכן אם האנזים‬
‫תפס מעכב במקום סובסטרט‪ ,‬האנזים מנוטרל – הוא לא יכול לשנות‬
‫את המעכב ולכן הוא "סתום" מבחינת הסובסטרט‪.‬‬
‫•‬
‫מעכבים לא תחרותיים – באנזים יש שני אתרים‪ ,‬אחד לאתר הפעיל‬
‫שמטפל בסובסטרט ואחד הוא אתר של המעכב )אתר אלוסטרי(‪.‬‬
‫כשנוצר קשר בין האנזים למעכב הוא מאבד את הפעילות האנזימטית‪.‬‬
‫האתרים אינם תלויים‪ ,‬ולכן האנזים יכול תמיד לקשור גם סובסטרט‬
‫וגם מעכב – הם לא משנים את הזיקה של האנזים לחומר השני – אולם‬
‫עצם הקשירה של המעכב מונעת פעילות אנזימטית ולכן הסובסטרט‬
‫הנקשר לא יכול להפוך לתוצר‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫שיעור ‪ :06‬קינטיקה אנזימטית‬
‫‪45‬‬
‫אנחנו מדברים רק על מעכבים הפיכים‪ .‬יש מעכבים לא‪-‬הפיכים‪ ,‬שיוצרים קשר קוולנטי עם האנזים ונשארים‬
‫שם תמיד‪ .‬המעכבים שהזכרנו יוצרים קשרים חלשים דוגמת קשרי מימן‪ ,‬לכן הם מעכבים הפיכים שניתן‬
‫לשחרר מהאנזים‪.‬‬
‫במעכבים תחרותיים‪ ,‬החומר המעכב יוצר קשר עם אותו אתר פעיל של הסובסטרט ולכן המעכב יהיה‬
‫מאוד דומה במבנה שלו לסובסטרט‪ .‬מעכב של קרבוקסיפפטידאז‪ ,‬למשל‪ ,‬צריך להיות בעל מבנה דומה‬
‫לקצה של הפפטיד – כאשר הוא נכנס לאתר הפעיל הוא סותם את האנזים אבל הוא גם יכול לצאת החוצה‬
‫כי הוא מעכב תחרותי הפיך‪ .‬היציאה‬
‫שלו היא בשיווי משקל עם הכניסה‪,‬‬
‫מכיוון שזו תגובה הפיכה‪.‬‬
‫המעכב לרוב יצור קשרים דומים‬
‫לקשרים שיוצר הסובסטרט באתר‬
‫הפעיל‪.‬‬
‫יחד עם זאת‪ ,‬להבדיל מהסובסטרט‪,‬‬
‫האנזים אינו יודע לשנות את המעכב‬
‫ולכן המעכב נכנס ויוצא באותה‬
‫הצורה‪.‬‬
‫סיכום‬
‫•‬
‫המעכב הלא‪-‬תחרותי אינו משפיע על תכונות של האתר הפעיל לסובסטרט‪ ,‬ולכן אינו משפיע על קצב‬
‫יצירת קומפלקס עם הסובסטרט אבל הוא משפיע על קצב יצירת התוצר‪.‬‬
‫•‬
‫המעכב התחרותי משפיע על קצב הכניסה של הסובסטרט ליצירת הקומפלקס‪ ,‬אולם מרגע‬
‫שהסובסטרט נכנס אין הפרעה ליצירת תוצר ולכן אין השפעה על ‪.k2‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫‪46‬‬
‫ביוכימיה א' ‪ -‬שיעור‬
‫הגרפים מראים מה קורה בנוכחות מעכב תחרותי ולא תחרותי מבחינת המשוואות של מיכאליס‪-‬מנטן‬
‫ולינוויבר‪-‬ברק‪.‬‬
‫במעכב תחרותי ‪ Km‬משתנה אבל המהירות המקסימלית אינה משתנה – אנחנו מגיעים לאותו קצב סופי‬
‫פשוט בריכוזי סובסטרט יותר גבוהים‪ .‬לעומת זאת במעכב לא תחרותי ה‪ Km-‬אינו משתנה‪ ,‬אולם‬
‫המהירות המקסימלית המתקבלת נמוכה יותר‪.‬‬
‫הסיבה שהוא לא משפיע על ‪ Km‬היא שתפיסת המעכב את האנזים אינה משפיעה על האפיניות‬
‫לסובסטרט‪ ,‬אלא רק גורמת לאיבוד הפעילות של האנזים ולכן מוציאה אנזימים מכלל פעולה ומורידה את‬
‫כמות האנזימים הפעילים הכוללת‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫שיעור ‪ :06‬קינטיקה אנזימטית‬
‫‪47‬‬
‫קומפלקסים אנזימטיים ‪ -‬אוליגומרים‬
‫עד כה עסקנו באנזים שעשוי ממונומר‪ ,‬אין לו מבנה של קומפלקס אנזימטי ויש לו אתר פעיל אחד; במצב‬
‫של קומפלקס אנזימטי ישנם מספר אתרים פעילים‪ .‬אולם‪ ,‬גם זה יכול לבוא בכמה מצבים‪ .‬השיתופיות‬
‫מתחילה כאשר יש אוליגומרים או לפחות דימרים‪,‬‬
‫כאשר לשיתופיות כמה רמות‪:‬‬
‫•‬
‫אין שיתופיות – אין תקשורת בין המונומרים‬
‫של האוליגומר ולכן קבועי שיווי המשקל זהים‬
‫תמיד‪.‬‬
‫•‬
‫שיתופיות חיובית – לאתר הפעיל אין אפיניות‬
‫גבוהה לסובסטרט‪ ,‬אבל בריכוזים גבוהים‬
‫הסובסטרט נכנס בכל זאת‪ .‬עם כניסתו הוא גורם‬
‫לשינוי‬
‫מבני‬
‫של כל האתרים הפעילים‬
‫באוליגומר‪ .‬בצורה זו כל האתרים הפעילים‬
‫מקבלים אפיניות גבוהה יותר מאשר היו בתחילה‬
‫ולכן כל קבועי שיווי המשקל הבאים קטנים יותר‬
‫מקבוע שיווי המשקל הראשון‪.‬‬
‫•‬
‫שיתופיות שלילית – כאשר הסובסטרט נקשר‬
‫לאחד האתרים הפעילים הוא גורם לשינוי מבני‬
‫באתרים האחרים אולם הפעם השינוי מביא‬
‫להקטנת האפיניות לסובסטרט‪ ,‬דבר המקטין את‬
‫היכולת שלהם לקשור סובסטרט‪ .‬מסיבה זו‬
‫קבועי שיווי המשקל הבאים גבוהים משל קבוע‬
‫שיווי המשקל הראשון‪.‬‬
‫הגרף מתאר את מספר האתרים התפוסים על ידי הסובסטרט כתלות בריכוז הסובסטרט‪.‬‬
‫•‬
‫כשאין שיתופיות אנחנו רואים קו פראבולי שמגיע בסוף לרווייה‪.‬‬
‫•‬
‫בשיתופיות חיובית יש קו זיגמואידלי כי צריך ריכוז התחלתי גבוה‪ ,‬אבל ברגע שנכנס סובסטרט אחד‬
‫השערים האחרים נפתחים‪.‬‬
‫•‬
‫בשיתופיות שלילית המולקולה הראשונה נכנסת‬
‫באופן תקין אבל מורידהשל האפיניות וכך עוצרת‬
‫את הכניסה כבר באתר הראשון‪.‬‬
‫על מנגנון השיתופיות ניתן לקרא בספר של לנינג'ר‬
‫בעמודים ‪ 162-172‬במהדורה הרביעית‪ .‬על‬
‫אנזימים עם כמה תת יחידות שניתן לעשות‬
‫רגולציה בין היחידות – אלוסטרים – יש לקרא בעמודים ‪.225-228‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2011 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬