שיעור #14
הערה: המבחן לשתי הקבוצות (ביוטכנולוגיה וביולוגיה) יהיה משותף!
נושא ההרצאה: המשך המבנה הראשונ, השניוני והשלישוני.
כיצד ניתן לחזות איך החלבון שמקודד לDNA נראה?
את המבנה השלישוני קשה לקבוע.
משתמשים באלגוריתמים כדי לקבוע את המבנים. למבנה שניוני יש סקלות שעוזרות לנבא מה הם הסיכויים שח. אמינו אחת תהיה מבנה א' ולא מבנה ב'. אם אף אחת משלושת האפשרויות (אלפא-הליקס, משטח-בטא, או TURN) לא מתקיימת...
אנו קובעים ציון כלשהו לכל מבנה (למשל גליצין וואלין) ומשתמשים בטבלה להצגת הציונים של כל מבנה באזור ספציפי של החלבון.
אם הציון של אלפא-הליקס גבוה יותר, למשל, אז אנו מניחים שזה יהיה המבנה עבור האזור הספציפי שאליו התיחסנו. זה נקרא ניבוי, או Prediction.
עבור BPTI, הצליחו לנבא את המבנה השניוני בעזרת אלגוריתמים. אם משווים את הניבוי למבנה האמיתי, רואים שהם דומים מאוד.
כדי לנבא את המבנה השלישוני, משתמשים במבנים דומים (ברצף) שכבר נפתרו.
יש הרבה קבוצות שבונות תוכנות מחשב שמנסות לפענח מבנים של חלבונים לפי מודלים שכבר נפתרו והאלגוריתם שלהם נשמר בסוד.
סיכום פרק 6
ידוע שיש כמה רמות מבנה. הרמה הראשונית היא רצף ח. האמינו.
רצף המבנה השניוני הוא אלפא-הליקס או משטחי-בטא. המבנה השלישוני הוא התארגנות השרשרת הפוליפפטידית במרחב.
המבנה הרבעוני הוא התארגנות של תתי יחידות (בפרק הבא).
מבחינת מבנה שניוני, יש מס' קטן של מבנים מותרים מבחינה סטרית, והם מיוצבים על ידי קשרי מימן.
לחלבונים גלובולריים יש פנים הידרופובי וחוץ הידרופילי.
התרמודינמיקה של הקיפול שלהם תלוי בדינמיקה והאנטרופיה של המערכתץ חלבונים קטנים נוטים להתקפל לבד וחלבונים גדולים צריכים עזרה מצ'אפרונים – חלבונים שעוזרים לחלבונים אחרים להתקפל בתא ומונעים דנטורציה ואגרגציה שלהם.
דנטורציה של חלבונים יכולה להגרם על ידי עליה בטמפרטורה או שינוי בPH.
הסיכוי לניבוי של מבנה שלישוני של חלבון גדול יותר אם מתבססים על מבנה ידוע של חלבון קיים, אך הוא עדיין לא ודאי (נכון להיום).
גלובינים
אורניזמים רבים בטבע זקוקים לחמצן במטבוליזם שלהם. יש אורגניזמים פשוטים שלא צריכים העברה אקטיבית של חמצן (חרקים, למשל). אורגניזמים גדולים ומורכבים יותר צריכים להעביר חמצן לכל חלקי גופם בהעברה אקטיבית.
תפקיד החלבונים ממשפחת הגלובינים (מיוגלובין והמוגלובין) הוא לקשור חמצן.
המיוגלובין (נמצא ברקמות) אוגר חמצן לעת צרה.
ההמוגלובין מעביר החמצן מהריאות לרקמות.
המבנה
המבנה של המיוגלובין ושל ההמוגלובין דומים. הם בנויים מ8 אלפא-הליקס (כל אחד). הסלילים שלהם נקראים A, B, C... H.
70% מהשרשרת הפוליפפטידית היא במבני אלפא-הליקס. אין מבנה הרבעוני של מיוגלובין. לעומת זאת, המבנה הרבעוני של ההמוגלובין הוא של 4 תת יחידות, ש2 מהן הן תת יחידות שלפא, ו2 הן תתי יחידות בטא.
התתי יחידות דומות בינהן, וגם דומות למבנה המיוגלובין.
ההמוגלובין גודלו כ150 ח. אמינו לכל תת-יחידה (כ600 ח. אמינו סה"כ) כאשר כל תת יחידה יכולה לקשור רק מולקולת חמצן אחת (O2).
קבוצת הHEME (קבוצה פרוסטטית) היא קבוצה כימית שאינה מהווה חלק מהחלבון אך נמצאת בחלבון. הקבוצה הזו בנויה
יש משפחה גדולה של תרכובות שנקראות פורפירינים. אחד החלבונים במשפחה זו נקרא פורפין. כאשר מבצעים שינויים בטבעת כלשהי, החלבון הופך לפרוטופורפרין-9. אם מורידים 2H ומוסיפים ברזל, מקבל פרופרוטופורפרין (או קבוצת ההם = HEME). המבנה הזה הוא בעל צבע, וכאשר הוא מתחבר לברזל צבעו אדום. עם מגנזיום צבעו יהיה ירוק (בכלורופיל). עם נחושת הוא יהיה כחול.
הברזל יכול ליצור 6 קשרים: 4 נוצרים עם הטבעת הפרוטופורפירינית, קשר נוסף נוצר עם ההיסטידין שנמצא בהליקס F8 או היסטידין 93. החמצן לא קשור בצורה קוולנטית בגלל הקונפיגורציה. הוא מיוצב על ידי טבעת הN והברזל.
היסטדין נוסף מייצב את החמצן בצד השני והוא נקרא E7 או היסטדין 64.
להיסטדין הקרוב יותר (היסטדין 93) לטבעת הN קוראים PROXIMAL.
להיסטדין הרחוק יותר קוראים DISTAL.
כאשר החמצן צריך להשתחרר הוא עובר ממקום למקום בתוך הסביבה של טבעת הn וההליקסים – זהו תהליך דינמי שבו החמצן עובר ממקום למקום (ב"קפיצות") עד שהוא יוצא.
תהליך הקשירה של החמצן למיוגלובין (MB)
Mb + O2 --> MbO2
מגדירים את הערך [טטא]: שיעור תפוסת המיוגלובין על ידי החמצן.
טטא הוא מספר האתרים התפוסים (SITES OCCUPIED) חלקי סה"כ האתרים האפשריים (TOTAL AVAILABLE SITES).
[להעתיק משוואות מהמצגת]
נושא ההרצאה: המשך המבנה הראשונ, השניוני והשלישוני.
כיצד ניתן לחזות איך החלבון שמקודד לDNA נראה?
את המבנה השלישוני קשה לקבוע.
משתמשים באלגוריתמים כדי לקבוע את המבנים. למבנה שניוני יש סקלות שעוזרות לנבא מה הם הסיכויים שח. אמינו אחת תהיה מבנה א' ולא מבנה ב'. אם אף אחת משלושת האפשרויות (אלפא-הליקס, משטח-בטא, או TURN) לא מתקיימת...
אנו קובעים ציון כלשהו לכל מבנה (למשל גליצין וואלין) ומשתמשים בטבלה להצגת הציונים של כל מבנה באזור ספציפי של החלבון.
אם הציון של אלפא-הליקס גבוה יותר, למשל, אז אנו מניחים שזה יהיה המבנה עבור האזור הספציפי שאליו התיחסנו. זה נקרא ניבוי, או Prediction.
עבור BPTI, הצליחו לנבא את המבנה השניוני בעזרת אלגוריתמים. אם משווים את הניבוי למבנה האמיתי, רואים שהם דומים מאוד.
כדי לנבא את המבנה השלישוני, משתמשים במבנים דומים (ברצף) שכבר נפתרו.
יש הרבה קבוצות שבונות תוכנות מחשב שמנסות לפענח מבנים של חלבונים לפי מודלים שכבר נפתרו והאלגוריתם שלהם נשמר בסוד.
סיכום פרק 6
ידוע שיש כמה רמות מבנה. הרמה הראשונית היא רצף ח. האמינו.
רצף המבנה השניוני הוא אלפא-הליקס או משטחי-בטא. המבנה השלישוני הוא התארגנות השרשרת הפוליפפטידית במרחב.
המבנה הרבעוני הוא התארגנות של תתי יחידות (בפרק הבא).
מבחינת מבנה שניוני, יש מס' קטן של מבנים מותרים מבחינה סטרית, והם מיוצבים על ידי קשרי מימן.
לחלבונים גלובולריים יש פנים הידרופובי וחוץ הידרופילי.
התרמודינמיקה של הקיפול שלהם תלוי בדינמיקה והאנטרופיה של המערכתץ חלבונים קטנים נוטים להתקפל לבד וחלבונים גדולים צריכים עזרה מצ'אפרונים – חלבונים שעוזרים לחלבונים אחרים להתקפל בתא ומונעים דנטורציה ואגרגציה שלהם.
דנטורציה של חלבונים יכולה להגרם על ידי עליה בטמפרטורה או שינוי בPH.
הסיכוי לניבוי של מבנה שלישוני של חלבון גדול יותר אם מתבססים על מבנה ידוע של חלבון קיים, אך הוא עדיין לא ודאי (נכון להיום).
גלובינים
אורניזמים רבים בטבע זקוקים לחמצן במטבוליזם שלהם. יש אורגניזמים פשוטים שלא צריכים העברה אקטיבית של חמצן (חרקים, למשל). אורגניזמים גדולים ומורכבים יותר צריכים להעביר חמצן לכל חלקי גופם בהעברה אקטיבית.
תפקיד החלבונים ממשפחת הגלובינים (מיוגלובין והמוגלובין) הוא לקשור חמצן.
המיוגלובין (נמצא ברקמות) אוגר חמצן לעת צרה.
ההמוגלובין מעביר החמצן מהריאות לרקמות.
המבנה
המבנה של המיוגלובין ושל ההמוגלובין דומים. הם בנויים מ8 אלפא-הליקס (כל אחד). הסלילים שלהם נקראים A, B, C... H.
70% מהשרשרת הפוליפפטידית היא במבני אלפא-הליקס. אין מבנה הרבעוני של מיוגלובין. לעומת זאת, המבנה הרבעוני של ההמוגלובין הוא של 4 תת יחידות, ש2 מהן הן תת יחידות שלפא, ו2 הן תתי יחידות בטא.
התתי יחידות דומות בינהן, וגם דומות למבנה המיוגלובין.
ההמוגלובין גודלו כ150 ח. אמינו לכל תת-יחידה (כ600 ח. אמינו סה"כ) כאשר כל תת יחידה יכולה לקשור רק מולקולת חמצן אחת (O2).
קבוצת הHEME (קבוצה פרוסטטית) היא קבוצה כימית שאינה מהווה חלק מהחלבון אך נמצאת בחלבון. הקבוצה הזו בנויה
יש משפחה גדולה של תרכובות שנקראות פורפירינים. אחד החלבונים במשפחה זו נקרא פורפין. כאשר מבצעים שינויים בטבעת כלשהי, החלבון הופך לפרוטופורפרין-9. אם מורידים 2H ומוסיפים ברזל, מקבל פרופרוטופורפרין (או קבוצת ההם = HEME). המבנה הזה הוא בעל צבע, וכאשר הוא מתחבר לברזל צבעו אדום. עם מגנזיום צבעו יהיה ירוק (בכלורופיל). עם נחושת הוא יהיה כחול.
הברזל יכול ליצור 6 קשרים: 4 נוצרים עם הטבעת הפרוטופורפירינית, קשר נוסף נוצר עם ההיסטידין שנמצא בהליקס F8 או היסטידין 93. החמצן לא קשור בצורה קוולנטית בגלל הקונפיגורציה. הוא מיוצב על ידי טבעת הN והברזל.
היסטדין נוסף מייצב את החמצן בצד השני והוא נקרא E7 או היסטדין 64.
להיסטדין הקרוב יותר (היסטדין 93) לטבעת הN קוראים PROXIMAL.
להיסטדין הרחוק יותר קוראים DISTAL.
כאשר החמצן צריך להשתחרר הוא עובר ממקום למקום בתוך הסביבה של טבעת הn וההליקסים – זהו תהליך דינמי שבו החמצן עובר ממקום למקום (ב"קפיצות") עד שהוא יוצא.
תהליך הקשירה של החמצן למיוגלובין (MB)
Mb + O2 --> MbO2
מגדירים את הערך [טטא]: שיעור תפוסת המיוגלובין על ידי החמצן.
טטא הוא מספר האתרים התפוסים (SITES OCCUPIED) חלקי סה"כ האתרים האפשריים (TOTAL AVAILABLE SITES).
[להעתיק משוואות מהמצגת]
חוק הנרי: הריכוז של גז מסויים שמומס בתוך נוזל הוא פרופורציונאלי לריכוז אותו גז שנמצא מעל הנוזל.
לכן, אפשר להגדיר את טטא כלחץ החמצן חלקיי לחץ חלקי של חמצן שגורם ל50% מהמיוגלובין להיות תפוס + לחץ חלקי של המערכת.
תהליך הקשירה צריך להיות יעיל (בגלל שיש צורך לאגור את החמצן).
כפי שניתן לראות בגרף, כבר בריכוזים נמוכים של החמצן המיוגלובין תופס אותו חזק (תפוסה גבוהה).
[להעתיק גרף מהמצגת]
להמוגלובין יש 4 תתי-יחידות.
אם מסתכלים על גרף של קשירה חזקה שלו לחמצן, נוכל לשחרר רק חלק קטן ממנו (כ10% מכלל שיעור ההמוגלובין התפוס) וזה תהליך לא יעיל.
אם הקשירה תהיה חלשה, ההמוגלובין יוכל לשחרר חמצן בקלות ברקמות אבל בריאות הוא ישחרר רק כ50%-60% ולכן גם אז זה לא יהיה יעיל.
הפתרון הוא קשירה חזקה בריאות וקשירה חלשה ברקמות.
העקומה, שמתעקמת בצורה סיגמואידלית (שצורתה S), מגדירה מושג שנקרא קואופרטיביות – אינטראקציה קואופרטיבית.
בתתי היחידות כל אחת עוזרת לשכנתה להבין מהי הצריכה של קישור החמצן באותו הרגע.
הקואופרטיביות אומרת שתתי היחידות ירצו לקשור חמצן (אם אחת משחררת חמצן, האחרות גם ישאפו לשחרור חמצן).
התנהגות קואופרטיבית היא חלק מאפקט רחב יותר בביוכימיה שנקרא האפקט האלוסטרי (שאומר שקישור של ליגנד לחלבון משפיע על האפיניות של שאר תתי היחידות או אתרי הקישור במולקולה).
עקומת היל – Hill Plot
בקישור ההמוגלובין לחמצן, בציר הX יש LOG של הלחץ החלקי של החמצן.
בציר הY יש טטא חלקיי 1 חלקיי טטא.
הטטא בהמוגלובין נתונה על ידי לחץ חלקי של חמצן בחזקת n חלקיי לחץ ב50% בחזקת n + לחץ חלקי בחזקת n.
ניתן להפוך את המשוואה הזו למשוואה עם LOG.
[משוואות מהמצגת]
הn הוא השיפוע של גרף היל. בהמוגלובין הוא שווה ל1.
במקרה של המוגלובין הn משתנה לאורך לחצים שונים של חמצן. משמעות שינוי השיפוע היא הזיקה לחמצן.
קישור החמצן הראשון מתנהג כשיפוע של 1. השיפוע משתנה ויכול לעלות עד כ3.5 .
במצב הזה, קישור לחמצן השני והשלישי מתבצע בזיקה חזקה יותר מאשר הקישור של החמצן הראשון.
למולקולה של 3 חמצנים יש אתר קישור אחד שנותר, ובמצב כזה השיפוע גם יהיה 1.
למצב שבו השיפוע הכי חזק, כ3.5, קוראים מצב מעבר.
המצב ההתחלתי שבו השיפוע 1 נקרא מצב קישור חלש.
המצב האחרון שבו השיפוע גם 1 נקרא מצב קישור חזק.
לכן, אפשר להגדיר את טטא כלחץ החמצן חלקיי לחץ חלקי של חמצן שגורם ל50% מהמיוגלובין להיות תפוס + לחץ חלקי של המערכת.
תהליך הקשירה צריך להיות יעיל (בגלל שיש צורך לאגור את החמצן).
כפי שניתן לראות בגרף, כבר בריכוזים נמוכים של החמצן המיוגלובין תופס אותו חזק (תפוסה גבוהה).
[להעתיק גרף מהמצגת]
להמוגלובין יש 4 תתי-יחידות.
אם מסתכלים על גרף של קשירה חזקה שלו לחמצן, נוכל לשחרר רק חלק קטן ממנו (כ10% מכלל שיעור ההמוגלובין התפוס) וזה תהליך לא יעיל.
אם הקשירה תהיה חלשה, ההמוגלובין יוכל לשחרר חמצן בקלות ברקמות אבל בריאות הוא ישחרר רק כ50%-60% ולכן גם אז זה לא יהיה יעיל.
הפתרון הוא קשירה חזקה בריאות וקשירה חלשה ברקמות.
העקומה, שמתעקמת בצורה סיגמואידלית (שצורתה S), מגדירה מושג שנקרא קואופרטיביות – אינטראקציה קואופרטיבית.
בתתי היחידות כל אחת עוזרת לשכנתה להבין מהי הצריכה של קישור החמצן באותו הרגע.
הקואופרטיביות אומרת שתתי היחידות ירצו לקשור חמצן (אם אחת משחררת חמצן, האחרות גם ישאפו לשחרור חמצן).
התנהגות קואופרטיבית היא חלק מאפקט רחב יותר בביוכימיה שנקרא האפקט האלוסטרי (שאומר שקישור של ליגנד לחלבון משפיע על האפיניות של שאר תתי היחידות או אתרי הקישור במולקולה).
עקומת היל – Hill Plot
בקישור ההמוגלובין לחמצן, בציר הX יש LOG של הלחץ החלקי של החמצן.
בציר הY יש טטא חלקיי 1 חלקיי טטא.
הטטא בהמוגלובין נתונה על ידי לחץ חלקי של חמצן בחזקת n חלקיי לחץ ב50% בחזקת n + לחץ חלקי בחזקת n.
ניתן להפוך את המשוואה הזו למשוואה עם LOG.
[משוואות מהמצגת]
הn הוא השיפוע של גרף היל. בהמוגלובין הוא שווה ל1.
במקרה של המוגלובין הn משתנה לאורך לחצים שונים של חמצן. משמעות שינוי השיפוע היא הזיקה לחמצן.
קישור החמצן הראשון מתנהג כשיפוע של 1. השיפוע משתנה ויכול לעלות עד כ3.5 .
במצב הזה, קישור לחמצן השני והשלישי מתבצע בזיקה חזקה יותר מאשר הקישור של החמצן הראשון.
למולקולה של 3 חמצנים יש אתר קישור אחד שנותר, ובמצב כזה השיפוע גם יהיה 1.
למצב שבו השיפוע הכי חזק, כ3.5, קוראים מצב מעבר.
המצב ההתחלתי שבו השיפוע 1 נקרא מצב קישור חלש.
המצב האחרון שבו השיפוע גם 1 נקרא מצב קישור חזק.
אין תגובות:
הוסף רשומת תגובה