מבוא

הקשר בין מבנה לתפקוד נשען על היררכיית ארגון: מבנים שניוניים (α-helix, β-sheet, β-turns), מבנה שלישוני ודומיינים, ומבנים רביעוניים (קומפלקסים של תת־יחידות).

בהרצאה הודגשו: זיהוי מבנים שניוניים במפת ראמאצ’נדרן, חריג הקולגן, קריאת ייצוג “קרטון”, ספקטרוסקופיית CD לתכולת מבנה שניוני, דומיינים ו-“Beads-on-a-String”, דוגמאות קלאסיות למבנה רביעוני (נוגדנים, המוגלובין, תעלות יונים, וירוסים), חלבונים דיסאורדרדיים (IDPs) עם דוגמת p53, הומאוסטזיס של חלבונים (Proteostasis), דנטורציה ורנטורציה (חום, כאוטרופים, מחזרים), ניסוי אנפינסן ופרדוקס לוינטל, ומשפך הקיפול, וכן מיספולדינג ← אגרגציה/אמילואידים ומחלות (אלצהיימר, פרקינסון, הנטינגטון, פריונים, ו-“Sickle Cell”).

מבנים שניוניים – אלפא, בטא, ופניות

β-turns: Type I ו־Type II

  • בכל β-turn משתתפים 4 שיירים וקיים קשר מימן בין שייר 1 לשייר 4.
  • Type I: אופייני פרולין בעמדה 2; הפרולין כופה זוויות ($\phi$/$\psi$) המתירות כיפוף חד של השרשרת (כמעט 90°), ומאפשרת “סיבוב פרסה” חד.
  • Type II: אופייני גליצין בעמדה 3; הגודל הקטן והגמישות של גליצין מאפשרים את הזוויות הדרושות ללא התנגשויות סטריות.

דוגמה מילולית: לולאה קצרה בת ארבעה שיירים; ב-Type I שייר 2 הוא פרולין; ב-Type II שייר 3 הוא גליצין; הקשר המימני נסגר בין 1↔4.

Beta conformation

β-sheets ו־β-strands

  • היריעה מורכבת מסטרנדים (חיצים בייצוג “קרטון”) המחוברים בקשרי מימן בין־סטרנדיים.
  • ההרצאה הדגישה anti-parallel β-sheets באמצעות דוגמה: סטרנד מתקדם, מבצע U-turn (פניית β), ושב בכיוון מנוגד – כך מזהים אנטי־פרלליות לפי כיווני החיצים.
  • ייצוג “קרטון” מציג מבנים שניוניים (חיצים ל־β, סלילים ל־α) אך לא מציג אטומים יחידים.
Anti parallel Parallel

α-helices – הערה בהקשר ההרצאה

  • הופיעו הליקסים קצרים בדוגמת החלבון שנידונה; נראות באזור “Right-handed helix” במפת ראמאצ’נדרן. לא נידון פירוט מעבר לכך.

חריג מרכזי: קולגן (Collagen)

  • Triple Helix: שלושה סלילים מלופפים כ”חוט טלפון ישן”.
  • כל אחת מהשרשראות הבודדות ממוקמת באזור חריג במפת ראמאצ’נדרן (שונה מאזורי α/β הרגילים). החריג צוּיּן בהרצאה, ללא הרחבה נוספת.

מפת ראמאצ’נדרן – מה רואים ולמה זה חשוב

  • אזורי β: פסאי ( $\psi$ ) בערכים $~(60–80^\circ)$ (כפי שנאמר במפורש) ושילובים מתאימים של ( $\phi$ ) (צוין כללית: $(0)$ ועד $(−180^\circ)$ עבור $(\phi)$ באזורים הרלוונטיים).
  • Right-handed α-helix: אזור מובחן;
  • Left-handed α-helix: אזור קטן ונדיר (נראו מעט נקודות – לא מצביע על הליקס ממש אלא על שייר בודד שקיבל זוויות מתאימות בתוך loop/Random coil).
  • אזורים אסורים: “לבן” – צוין שיכולים להופיע “חריגים” (תלוי גם באיכות הדאטה המבנית), אך אלה נדירים.

יישום בהרצאה: השוואת חלבונים “עשירים בבטא” מול “עשירים באלפא” לפי פיזור הנקודות במפה.

Ramachandran plot

זיהוי תכולת מבנים שניוניים – ספקטרוסקופיית CD

בשיטת Circular Dichroism (CD) נמדד שינוי מישור הקיטוב של האור בתמיסה:

  • α-helix: שתי נקודות מינימום ב־208 וב־222 nm (צוין במפורש).
  • β-sheet: מינימום יחיד סביב ~215–216 nm.
  • Random coil / ללא מבנים שניוניים: אות קרוב ל־אפס; מינימום ~195–196 nm. הדגשה בהרצאה: לא צריך לדעת את הפיזיקה לעומק, אלא להכיר את טביעות האצבע הספקטרליות של α/β/Random.
CD

מבנה שלישוני ודומיינים

הגדרה וארגון

  • מבנה שלישוני: סידור מרחבי של אותה שרשרת פוליפפטידית אחת לאחר שקיבלה אלמנטים שניוניים.
  • דומיין: יחידת קיפול עצמאית; לעיתים גם יחידה פונקציונלית.
  • חלבונים יכולים להיות חד־דומייניים או רב־דומייניים המחוברים באמצעות Linkers קצרים.
  • דימוי ההוראה: “Beads-on-a-String” – “חרוזים” (דומיינים) המחוברים בשריכות גמישה.
Teritany

הֶקְסוקינאז (Hexokinase) – דוגמה

  • נקשר לגלוקוז ולפוספט באתר הפעיל; בדיאגרמה הוצג תוצר עם קבוצת פוספט שלילית ($\ce{O-}$).
  • החלבון נראה כבעל שני דומיינים הומולוגיים (אירוע דופליקציה), דומיין צהוב ודומיין כחול – חלבון שרשרת אחת ובעל כיס פעיל ברור.

6) מבנים רביוניים – דוגמאות שהוצגו

נוגדנים (IgG)

  • ארבע שרשרות: שתי “כבדות” (Heavy) ושתי “קלות” (Light), מאורגנות ל־Y.
  • כל שרשרת מחולקת לדומיינים (ריבועים בתרשים); בקצות הזרועות – אזור וריאבילי לקישור אנטיגן (ואפיטופ).
  • חלקי הנוגדן: FAB (הזרועות) ו־FC (הגזע, קבוע).
  • הדומיינים הם β-sandwich (שתי יריעות β עם ליבה הידרופובית).
  • ישנם קשרי SS בין־שרשרתיים המייצבים את המבנה.
IgG

המוגלובין (Hemoglobin)

  • הטרו-טטרמר: ($\alpha_2\beta_2$).
  • מכיל קבוצה פרוסטטית Heme חיונית לקשירת חמצן; בהרצאה צוין במפורש שה-Heme אינו חלבון אלא קבוצה לא־חלבונית קבועה במבנה.
Hemoglobin

תעלת אשלגן ($\ce{K+}$ Channel)

  • הומו-טטרמר (ארבע תת־יחידות מקודדות מאותו גן).
  • Selectivity Filter מבחין בין $\ce{K+}$ ל־$\ce{Na+}$ ברמת דיוק גבוהה מאוד (על כל ~1,000 $\ce{K+}$ עובר $\ce{Na+}$ יחיד).
  • ההרכבה נשענת על אינטראקציות חלשות (ללא SS בין־שרשרתיים).
  • צוין כי על גילוי מנגנון הסלקטיביות הוענק פרס נובל (2003).

וירוסים (דוגמת “וירוס הצינון העונתי”)

  • הקפסיד מורכב מארבעה חלבונים (VP1–VP4) החוזרים 60 פעמים (סימטריה מוגדרת) ליצירת המעטפת החלבונית הסוגרת RNA.
  • ההרצאה הדגישה את סדר הבנייה הסימטרי מרבבות עותקים זהים.
Viruses

7) חלבונים דיסאורדרדיים (IDPs)

IDP example
  • קיימים הרבה חלבונים/אזורים ללא מבנה שניוני/שלישוני קבוע; הם דינמיים ומשנים קונפורמציה בזמן, בהתאם לשותפי קישור ותנאים תאִיים.
  • מאפיין רצפי שנאמר במפורש: מועטים שיירים הידרופוביים, ורבים פולריים/טעונים ← אין “ליבה” הידרופובית יציבה.
  • דוגמה: p53 – דומיין קישור DNA מקופל, בעוד ש־הזנבות N/C-טרמינליים דיסאורדרד (ציוני PONDR גבוהים); הזנבות מתקשחים זמנית בקישור לשותפים שונים.
IDP

8) הומאוסטזיס של חלבונים (Proteostasis)

  • התא מתרגם חלבונים, מקפל (ספונטני או בסיוע Chaperones / HSPs, דוגמת Heat Shock) וממחזרם.
  • בתנאים קשים (חום, מלחים, קצב תרגום לקוי) חלבונים עלולים לעבור Misfolding.
  • שני גורלות מרכזיים שנאמרו: דגרדציה (פירוק) או אגרגציה (קומפלקסים גדולים לא־ספציפיים ולעיתים עטופים ומסולקים).

9) דנטורציה ורנטורציה

דנטורציה תרמית

  • חימום פותח קשרי מימן ומפר את יציבות המבנה ← חשיפת ליבות הידרופוביות ← אגרגציה.
  • דוגמה יומיומית: “לבן הביצה” – חלבוני אלבומין שעברו דנטורציה ואגרגציה ← עכירות.
  • לכל חלבון טמפרטורת המסה ($T_m$) משלו; IDPs לעיתים ללא $T_m$ חד.

כאוטרופים ומחזרים

  • Urea ו־Guanidinium (6–8 M): מפירים מבנים שניוניים;
  • β-mercaptoethanol: מחזר קשרי SS (פותח אותם).
  • לפעמים (לא תמיד) רנטורציה אפשרית בהסרה מדורגת של הכימיקלים; תלוי חלבון ותנאים.

10) הקיפול – ניסוי אנפינסן, פרדוקס לוינטל, ומשפך הקיפול

ניסוי אנפינסן (RNase A)

  • דנטורציה עם Urea + β-mercaptoethanol ← חלבון לא מקופל;
  • הסרה מבוקרת ← חזרה לפעילות (קיפול נכון).
  • מסקנה כפי שנאמרה: המידע לקיפול מצוי ברצף.

פרדוקס לוינטל

  • חיפוש רנדומלי של כל הקונפורמציות היה נמשך “זמן אסטרונומי”, אך בפועל קיפול מהיר ← הקיפול אינו מקרי.

מסלולי קיפול ומשפך

  • הקיפול מתרחש דרך Intermediates (למשל היווצרות מוקדמת של α/β מקומיים);
  • אילוצים ממבנים שניוניים ולינקרים מצמצמים את המרחב הקונפורמטיבי;
  • Chaperones מסייעים על־ידי מניעת אגרגציה ויצירת תנאי קיפול מתאימים – לא “קיפול בכוח”.

11) מיספולדינג, אגרגציה ואמילואידים – והמחלות שהוזכרו

  • שיווי משקל תמידי בין מצב נטיבי למצב Misfolded.
  • הצטברות misfolded מקדמת אגרגציה; במקרים רבים האגרגטים מסתדרים ל־סיבים אמילואידיים עשירים ב־β-sheet (הודגשה יציבות גבוהה וקושי לחזור לנטיבי).

  • דוגמאות שהופיעו:

    • Alzheimer’s (Aβ וטאו – “פילמנטים” שנצפים במיקרוסקופ אלקטרונים);
    • Parkinson’s, Huntington’s;
    • Prion diseases (CJD/“הפרה המשוגעת”) – הדגשה שה”מדבקות” הן חלבוניות (חלבון misfolded מעודד misfolding בחלבון אחר);
    • Sickle Cell Anemia – מוטציה בודדת ב־המוגלובין הגורמת אגרגציה בתנאים מתאימים.
  • צוין במפורש: במעבר מנטיבי ל־β-sheet אמילואידי, שיירים הידרופוביים (למשל Phe) יכולים “לינעל” בתוך ליבת β ולמנוע חזרה.

12) הערות נקודתיות שנאמרו

  • מולקולר דיינמיקס: עבור IDPs תועדה דינמיקה מהירה והחלפת קונפורמציות בסקאלת מילישניות.
  • קואופרטיביות במעברי דנטורציה: כאשר “קורה משהו” (לדוגמה גרעין אגרגציה), השיפוע בעקומת המעבר “קופץ” והמעבר נעשה חד – Cooperative.
  • איכות דאטה מבנית יכולה להסביר “חריגים” במפת ראמאצ’נדרן.
  • תעלות: ההרכבה הרביעונית יציבה ללא קשרי SS בין־שרשרתיים (הודגש).
  • וירוסים: לא פירטו על סוג הסימטריה אלא רק על 60 עותקים של הקומפלקס VP1–VP4 הסוגרים RNA.

13) תקציר (Bullet Points)

  • β-turn Type I/II: פרולין בעמדה 2; גליצין בעמדה 3; קשר H בין 1↔4; כיפוף ~90°.
  • ראמאצ’נדרן: אזורי β, α ימין; α שמאל נדיר; חריג קולגן; חריגים תלויי איכות דאטה.
  • CD: α – מינימות 208/222; β – מינימום ~215; Random – מינימום ~195 ואות נמוך.
  • דומיינים: Beads-on-a-String עם לינקרים; דוגמה – Hexokinase (שני דומיינים, כיס פעיל).
  • רביעוני: IgG (β-sandwich, FAB/FC, SS בין־שרשרתיים); $\text{Hb} \, α_2 β_2 \, \text{Heme}$ ; $\ce{K+} \, \text{channel}$ (הומו-טטרמר, Selectivity Filter, נובל 2003); וירוסים (VP1–VP4 × 60).
  • IDPs: פולריים/טעונים, דינמיים; p53 – דומיין קישור DNA יציב, זנבות דיסאורדרד (PONDR גבוה).
  • Proteostasis: קיפול ספונטני/Chaperones; Misfolding ← דגרדציה/אגרגציה.
  • דנטורציה: חום, Urea/Guanidinium; β-mercaptoethanol פותח SS; לעיתים Renaturation.
  • אנפינסן: המידע לקיפול ברצף. לוינטל: הקיפול אינו רנדומלי; Intermediates ו”משפך”.
  • מיספולדינג←מחלה: אלצהיימר/טאו, פרקינסון, הנטינגטון, פריונים, Sickle Cell.
דור פסקל
חזור לשיעור הקודם