שיעור 3 מבנה חומצות אמינו וקשר פפטידי

מבוא

בשיעור זה נעמיק בנושא מבנה חומצות אמינו, הקשר הפפטידי ותכונותיו המיוחדות, זוויות הקונפורמציה φ ו-ψ, גרף Ramachandran, וכן נדון בחשיבות של שמירה אבולוציונית ו-sequence alignment.

ציסטאין (Cysteine) וציסטין (Cystine)

הבחנה בין שתי הצורות

• ציסטאין (Cys, C): חומצת אמינו במצב המחוזר שלה, עם קבוצת $\ce{-SH}$ (thiol) בשרשרת הצד (R).
• ציסטין (Cystine): שתי חומצות ציסטאין במצב מחומצן, המחוברות באמצעות קשר דיסולפידי ($\ce{S-S}$).

ניתן לרכוש את שתי הצורות בנפרד (למשל מחברת Sigma).

הקשר הפפטידי (Peptide Bond)

מאפייני הקשר

הקשר הפפטידי הוא קשר כיווני וייחודי המחבר שתי חומצות אמינו:

• כיוון: תמיד מ-N-terminus (קצה אמיני) ל-C-terminus (קצה קרבוקסילי).
• היווצרות: דרך תקיפת הקצה הקרבוקסילי ($\ce{-COOH}$) את הקצה האמיני ($\ce{-NH2}$) של חומצת האמינו הבאה.
• תהליך קונדנסציה: יוצרת מולקולת $\ce{H2O}$ (מים).

מבנה הפפטיד

בפפטיד יש רק:

• קצה אמיני אחד (N-terminus)
• קצה קרבוקסילי אחד (C-terminus)

חומצות האמינו הפנימיות אינן תורמות לפעילות חומצה/בסיס מהקצוות האמיני והקרבוקסילי שלהן, מכיוון שהם קשורים בקשר פפטידי.

בניגוד לאמור בתרגול, בעת חישוב pI כן יש להתחשב בשיירים שיכולים להיות טעונים לארוך השרשרת הפפטידית (למשל: Asp, Glu, Lys, Arg, His).

שלד פוליפפטידי (Polypeptide Backbone)

הסדר הקבוע של האטומים בשלד:

כאשר:

• $\ce{C_\alpha}$ = פחמן אלפא (כיראלי, עליו מחוברת קבוצת R)
• $\ce{C}$ (carbonyl) = פחמן קרבונילי

רזוננס בקשר הפפטידי

תכונות מיוחדות

הקשר הפפטידי אינו קשר בודד רגיל – יש לו תכונות של קשר כפול חלקי בגלל רזוננס:

• הקרבוניל ($\ce{C=O}$) והחנקן ($\ce{N-H}$) יוצרים מצב רזוננס.
• ענן האלקטרונים (אלקטרוני π) זז בין הקרבוניל לאמין.
• התוצאה: הקשר הפפטידי הוא מישורי (planar) ואינו יכול להסתובב סביב ציר עצמו.

אורך הקשר

• קשר כפול $\ce{C=N}$: ~1.27 Å
• קשר בודד $\ce{C-N}$: ~1.45 Å
• קשר פפטידי: ~1.32 Å (בין השניים)
• קשר בודד בין פחמנים ($\ce{C-C}$): ~1.53 Å

ייצוג גרפי

הקשר הפפטידי מיוצג כמלבן/פלטה שפינותיו הן:

1. החמצן הקרבונילי ($\ce{O}$) של חומצה אחת
2. המימן ($\ce{H}$) של קבוצת האמין של חומצה שנייה 3-4. שני פחמני ה-α של שתי החומצות האמינו

זוויות קונפורמציה: φ (Phi) ו-ψ (Psi)

הגדרות

מכיוון שהקשר הפפטידי מישורי, הגמישות של שרשרת הפפטיד תלויה בסיבובים סביב:

• זווית φ (Phi): זווית הסיבוב סביב הקשר $\ce{N - C_\alpha}$
• זווית ψ (Psi): זווית הסיבוב סביב הקשר $\ce{C_\alpha - C}$ (carbonyl)

נקודת האפס

• φ = 0°, ψ = 0°: מצב תיאורטי שבו שני מישורי קשר פפטידי חופפים (לא מתקיים בפועל).
• הגבלות סטריות: שרשראות הצד (R) יכולות ליצור הפרעות סטריות, ולכן לא כל הזוויות אפשריות.

גרף Ramachandran

מהו?

גרף Ramachandran הוא מפה דו-ממדית המציגה את הזוויות φ ו-ψ האפשריות עבור חומצות אמינו בחלבונים.

• ציר X: זווית φ
• ציר Y: זווית ψ

תוצאות

• רוב חומצות האמינו מתרכזות באזורים ספציפיים על הגרף.
• אזורים אלה מתאימים למבנים שניוניים מסוימים:
  • α-helix (סליל אלפא)
  • β-sheet / β-strand (יריעה בטא)

חומצות אמינו מיוחדות

• גליצין (Gly, G): בעלת גמישות מרבית (R = H), יכולה לקבל כמעט כל זווית.
• פרולין (Pro, P): קשיחה מאוד (R סגור על ה-N-terminus), מוגבלת בזוויות אך יכולה להתקיים בקונפורמציות cis וגם trans (50-50).

שמירה אבולוציונית (Conservation) ו-Sequence Alignment

חשיבות הרצף

• מבנה ראשוני (Primary Structure): רצף חומצות האמינו קובע את המבנה והפונקציה של החלבון.
• חלבונים בעלי פונקציה דומה: יהיו בעלי רצף דומה (הומולוגיה).
• חלבונים פונדמנטליים: רצפים שמורים מאוד לאורך האבולוציה (לעיתים >80% זהות).

סוגי החלפות ברצף

1. החלפה קונסרבטיבית (Conservative substitution): החלפת חומצה אמינו בחומצה בעלת תכונות דומות (למשל: Leu ↔ Ile, שתיהן הידרופוביות).

2. החלפה לא-קונסרבטיבית (Non-conservative substitution): החלפה שמשנה את תכונות החומצה (למשל: חומצה הידרופובית ↔ חומצה טעונה).

Sequence Alignment

• מטרה: להשוות רצפים ממינים שונים ולזהות אזורים שמורים.
• Gaps: מוכנסים כדי למקסם התאמה, אך כרוכים ב-penalty score.
• אזורים שמורים נמצאים בדרך כלל ב:
  • אתרים פעילים (active sites) של אנזימים
  • אתרי קישור לליגנדים
  • אתרי אינטראקציה עם חלבונים אחרים
  • חומצות אמינו ממוטבות פוסט-טרנסלציוניות (phosphorylation, glycosylation, methylation, acetylation)

Signature Sequences

• רצפים ייחודיים לקבוצות אורגניזמים ספציפיות (למשל: חיידקים, ארכיאה, יוקריוטים).
• שימושיים לזיהוי מקור ביולוגי של רצף לא ידוע.

היררכיה מבנית של חלבונים

רמות המבנה

1. מבנה ראשוני (Primary Structure): רצף חומצות האמינו.
2. מבנה שניוני (Secondary Structure): דפוסים מבניים חוזרים (α-helix, β-sheet).
3. מבנה שלישוני (Tertiary Structure): המבנה התלת-ממדי הכולל של שרשרת פוליפפטידית אחת, כולל כל הקשרים בין שרשראות הצד.
4. מבנה רביעוני (Quaternary Structure): קומפלקס של מספר שרשראות פוליפפטידיות (למשל: המוגלובין – 2α + 2β).

קשרים במבנה שלישוני

• קשרי מימן
• אינטראקציות הידרופוביות
• קשרי דיסולפיד ($\ce{S-S}$)
• גשרי מלח (אלקטרוסטטיים)
• כוחות ואן-דר-ואלס

סיכום

• הקשר הפפטידי הוא מישורי עקב רזוננס ובעל תכונות של קשר כפול חלקי.
• זוויות φ ו-ψ מוגבלות על ידי הפרעות סטריות, כפי שמתואר בגרף Ramachandran.
• רצף חומצות האמינו (מבנה ראשוני) קובע את המבנה והפונקציה של החלבון.
• שמירה אבולוציונית ו-sequence alignment הם כלים חשובים להבנת פונקציה, זיהוי אתרים פעילים, ומעקב אחר התפתחות אבולוציונית.
• המידע הרצפי מאפשר תכנון ניסויים (למשל: מוטגנזה ממוקדת) ושימוש במודלים אורגניזמיים פשוטים יותר (שמרים, חיידקים).