ביוכימיה - הרצאה (4.3.08)

שיעור #12
אימייל של המרצה: cohency@mail.biu.ac.il

החלק הראשון מוסבר בפרקים 6,7 של הספר והחלק השני מוסבר בפרק 11 בספר.

רמה ראשונה של חלבון – היא המבנה הראשוני של החלבון. יש גם מבנה שניוני, שלישוני ורבעוני של חלבון.
חלבונים מורכבים ממבנים רבים שלעתים חוזרים על עצמם.
במבנה הראשוני הוא רצף חומצות האמינו, והוא מכיל את רוב המידע והאינפורמציה לקיפול החלבון. ישנם מודיפיקציות לאחר סינתזת השרשרת הפפטידית שיכולות להשפיע על המבנה, אך רוב המידע נמצא על המבנה הראשוני.
יש מבנים מאופיינים שחוזרים על עצמם בחלבונים.
מבנה אחד הוא אלפא-הליקס, ומבנה שני הוא משטחי-בטא.
קשרי מימן חשובים כי הם מייצבים את המבנה.

המדען פאולין, החל לעבוד בשנות ה30 על פענוח מבנים. הוא האמין שהמידע שהוא יוכל להשיג מפפטידים יוכל לעזור לו להבין איך חלבון מתקבל ומהו המבנה שלו.
לקח לו כ20 שנה עד שהצליח להגדיר כללים ועקרונות (עקרונות פאולינג, שמתחלקים ל4) שקשורים להתהוות.

המבנה של חלבונים:
1. חלבון גדול בעל מס' גדול של שיירים (100+) - הזוויות והמרחקים בקשרים הפפטידיים במולקולה גדולה כזו צריכים להיות דומים לאלו שבמולקולות קטנות. כלומר, אין שוני גדול במרחקים ובזוויות בין פפטיד קצר ובין חלבון גדול.
2. שני אטומים לא יוכלו להתקרב אחד לשני יותר מאשר הרדיוס של כוחות ונדר-ולס מתירים להם.
3. קבוצת האמיד חייבת להשאר במישור.
4. רוטציה או סיבוב בין ח. האמינו מתאפשרת רק בקשר לפחמן אלפא. (כדאי להסתכל על התמונות בפרק 6 בספר)
5. חייבים קשרים לא קוולנטים כדי ליצב את מבנה החלבון. קשר המימן הוא הנפוץ ביותר במקרה הזה.

הכללים האלו מגבילים מבחינה כימית את המבנה השניוני. אנו יכולים לחלק מבנה שניוני ל2 קבוצות עיקריות: אלפא-הליקס, או משטחי-בטא.
ישנם מבנים אחרים שמקיימים את הכללים בכל זאת. אחד הוא אלפא-3-10, שהוא מבנה דחוס מבחינת הסליל ביחס לאלפא-הליקס. יש גם מבנה אחר, פאי-הליקס שלא נצפה בטבע למרות שמבחינה כימית הוא אפשרי.

אחד הערכים לתיאור מבנה שניוני הוא n. n הוא מספר חומצות האמינו בסיבוב אחד.
במקרה של אלפא-הליקס יש 18 חומצות אמינו ב5 סיבובים.
כלומר, n לא חייב להיות מספר שלם. במקרה הזה הוא 3.6.


יש 2 ערכים נוספים:
H – הפרש הגובה בין שתי חומצות אמינו עוקבות על אותו סליל.
ה PITCH – מסמל את הגובה של סיבוב אחד שלם.

P = n x H

H של אלפא הליקס הוא 0.15 ננומטר, והP הוא 0.54 ננומטר. כלומר האורך של סיבוב אחד הוא 0.54 ננומטר.

לפי מספר האטומים שמפרידים בין חמצן (מס' 1 למימן שאיתו הוא יוצר את קשר המימן) אנו מאפיינים מבנים שניוניים.
הקשר השני הוא 3-10 : 3 = כל סיבוב של הסליל מכיל 3 ח. אמינו. 10 = המימן העשירי בשרשרת שאיתו החמצן יוצר את הקשר.
באותה שרשרת, אותו מימן הוא מספר 13, ולכן דרך נוספת לתאר את האלפא-הליקס היא: מס' ח. אמינו, 13=המספר של אטום המימן.

השרשראות קשורות בצורה לא קוולנטית בינהן ע"י קשרי מימן של אותו חמצן שיכול לפגוש את המימן שממולו, והפוך.
אנו מגדירים 2 סוגים של מבנה של משטחי-בטא:
מקביל (Parallel) ואנטי-פרלל (Anti-Parallel).
במבנה מקביל, השרשראות שיוצרות את המשטח הן בעלות כיווניות זהה.
במשטח האנטי-פרלל, השרשראות שיוצרות את המבנה "רצות" בכיוונים הפוכים.

שני פרמטרים נוספים שניגע בהם בעתיד:
*) הסיבובים של המבנים
*) מבנה Random-Coil – שרשרת פוליפפטידית שאין לה מבנה מוגדר.

ניתן לאפיין קשר פפטידי ע"י זווית:זווית המישור השמאלי= פאיי,וזווית המישור הימני = פסאיי (בדוגמא במצגת).
אי אפשר ששני הקשרים האלו יקבלו ערכים בין 0 ל 180 מעלות, מכיוון שמבחינה כימית יש מבנים אסורים (הפרעה סטרית). שני המישורים מחוברים בעזרת פחמן האלפא.

הכימאי Ramachandran ניסה לצייר מפות של קשר של הזוויות האפשריות בין 2 ח. אמינו. הוא צייר מפה מ0 עד +180 או -180, שבה בדק מהן הזוויות המותרות כדי שהמבנה הזה יהיה אפשרי עבור החלבונים. הוא הגחע למסקנה שאותם מבנים אפשריים בתחום מסויים של זוויות. יש מבנה אפשרי שמכיל את הסליל – הוא הסליל בסיבוב שמאלי.
כשמעתיקים את הנתונים על מפה, מגלים שרוב האטומים נופלים באזורים מותרים.
החומצות האמינו שיוצאות מהכלל הן בעיקר גליצין (שהיא גמישה ואין לה שייר).
ניתן להסיק, שאם פסאיי ופאיי הן באותן זוויות (אך נגדיות) הן נמצאות באותו אזור.
המפה הזו נותנת מושג לגבי המבנה השניוני של פחמן אלפא.

חלבונים
חלבונים מתחלקים ל2 חלקים:
1. חלבונים סיביים (Fibers Proteins)
2. חלבונים גלובולריים
לקבוצה 1 יש מבנה של סיבים (או חוטים). אלו חלבונים חשובים מאוד במבנה התא, הגרעין והציטופלסמה. נמצא אותם בעיקר בעור, בציפורניים, בשיער, ברקמות חיבור וגם במשי.
לעומתם, לחלבונים גלובלריים יש מבנה קומפקטי. הם חשובים מבחינה מטאבולית, אנזימטית ומעבר של מולקולות בתוך התא.

החלבונים הסיביים
חלבונים אלו קשורים ביצירת מבנים או כאשר אנו צריכים חוזק מכני. הם חשובים ברקמות חיבור או יצירת קורי עכביש, למשל. חלבון המשי הוא משטח.
מבנים של קרטין וקולגן לא נמצאים בחלבונים אחרים.

יש 4 משפחות עיקריות:
קרטיניים – אלפא-קרטין קשור לשיער והציפורניים. בטא-קרטין מופיעים בנוצות וקסקסים.
פיברואין – נמצאת במשי ובקורי עכביש.
קולגן – נמצא בעיקר בעצמות ובעור.
אלסטין – נמצא בגידים ובכלי הדם.

כל מונומר מכיל כ300 ח. אמינו, וכל ח. אמינו רביעית או שביעית היא הידרופובית. (בגלל שיש 3.6 חומצות אמינו בסיבוב). הקרטין יוצר צד אחד שהוא יותר בידרופובי לאורך כל הסליל, שמתחבר לצד ההידרופובי של הסליל השני.

קשרים דיסולפידים נמצאים יותר בציפורניים ובשיער מסולסל, לעומת שיער חלק.
בשיער, מבנה האלפא-קרטין הוא שמשפיע על סילסול השיער.

משפחת הפיברואינים:
הם יוצרים את מבנה קורי העכביש. אךו מבנים של משטחי בטא עם הרבה גליצינים -
(Glycin). הם יוצרים מבנה חזק מאוד, וגם גמיש. ישנם אזורים במשטח שמכילים הרבה ואלין או טירוזין, ששוברים את המבנה המישורי של בטא ומפשרים גמישות.
הפברואין נוצר כתוצאה של משטחי בטא אחד על השני.

משפחת הקולגן
המבנה הבסיסי של קולגן (בעצמות, גידים, עור) הוא מבנה של 3 הליקס עם סיבוב שמאלי.
בד"כ גליצין היא חומצה שלישית (נמצאת במרכז הסליל) ומקנה גמישות לסליל, והn שלו 3.3. הפרולין, לעומת זאת, מקשה על הגמישות.
הידרוקסיפרולין קשורים למחלה. הפיכה של פרולין אליו נעשית ע"י אנזים שתלוי בויטמין C. כאשר יש חוסר בויטמין C, אין מספיק הידרוקסיפרולין, ומאחר וקולגן מכיל ריכוז גבוה של הידרוקסיפרולין, חוסר בו, מחליש את המבנה של הקולגן וגורם לדימומים בחניכיים. מחלה זו נקראת Scurby.

משפחת האלסטין
בצינורות כלי דם חשובה הגמישות. אותם חלבונים מאוד גמישים וחזקים. רוב ח. האמינו הן גליצין אלנין, ואלין ולפעמים גם ליזין. האלסטין שונה מהמשפחות הקודמות, בכך שהמבנה שלו פחות מסודר – אין לו מבנה שניוני מוגדר (כמו אלפא הליקס ובטא שיטס). הליזינים הם אלו שיוצרים קשרים בין החלקים של החלבון – קשרים מיוחדים שנקראים דסמוזין, שנוצרים ע"י חיבור של 4 ליזינים שמחוברים ע"י השיירים. הוא שנותן תכונות גמישות לאלסטין.

ביוכימיה - הרצאה (2.3.08)

ביוכימיה – שיעור #11

תהליך התרגום TRANSLATION ומנגנוני תיקון DNA.
מבחינה ביוכימית בP-Site הפפטיד מחובר לtRNA מהסבב הקודם. מתרחשת התקפה ונוצר קשר פפטידי ע"י האנזים. אתר A פנוי מקבל ח. אמינית חדשה.
בריבוזום יש 3 אתרים: A, P וE.
ה tRNA הזקן עובר מP לA, ומA לE, ע"י קפיצה כל 3 נוקליאוטידים.

בפרוקריוטים, יש חלבוני Release Factors שמתחברים לאתר הסיום.
יש RF1 ויש RF2 שמזהים את הרצפים. הם נכנסים לאתר A של הסטופ-קודון.
כל פפטיד שיצרנו שלם, והוא יעשה את פעולתו בתא. לאחר שחרור הפוליפפטיד נכנס פקטור RF3 שמחוברת אליו מולקולת GTP. הRF3 מסלק את RF2 או RF1, ובשלב השני מגיע פקטור RRF – Ribosome Recycle Factor עם EF3+GRP.
כל המבנה משתחרר – tRNA וmRNA וRF יוצאים החוצה.
קיבלנו שתי יחידות של הריבוזום. מבנה הריבוזומים הרבים על הmRNA נקרא פוליריבוזום. אפשר להגיע עד לכ-50 ריבוזומים לmRNA אחד.

באאוקריוטים:
הRNA הריבוזומלי מיוצר בגרעינון שם הוא מורכב ע"י הRNA-פול-1 מ18S, 28S ו5S.
תת היחידה הגדולה היא60S והקטנה 40S, וביחד מקבלים 80S.
בתת יחידה הגדולה יש את ה28S וה5.8S וגם מולקולת 5S שהיא Ribosomal RNA. בפרוקריוטים אין את ה5.8S.
הDNA הריבוזומלי מיצר את rRNA. הציפוי של הrRNA מתורגם בציטופלסמה ונכנס בImport לתוך הגרעין – משם לגרעינון, ומשם מורכבים לתת היחידות של הריבוזום. משם הן עוברות Export כתת יחידות 60S ו40S ומבצעות תרגום בציטופלסמה.
הריבוזומים בציטופלסמה קיימים ב2 מקומות מרכזיים:
או בציטופלסמה בצורה חופשית או בER – Endoplasmic Reticulum,
תלוי בסוג החלבון שהריבוזומים מתרגמים.
חלבונים שצריכים אותם כמסיסים בציטופלסמה מתורגמים בציטופלסמה. חלבונים שיש להעביר דרך הממברנה מתורגמים על גבי הממברנה של הER.
באאוקריוטים אין רצף Shine Dalgarno, שמביא את הריבוזום למקום שבו הtRNA מתחיל לתרגם.
תת היחידה הקטנה מגיעה עם עוד חלבונים, ובtRNA יש בקצה ה5' את הCAP שמגן עליו מדגרדציה, והוא מכוון את הריבוזום לmRNA.
חלבון שנקרא EIF – Eucariotic Initiation Factor מגיע לקצה ה5' של הmRNA וקורא עד שמגיע לרצף הAUG – קודון התחלה.
בנוסף, חלבוני EIF מסוגים שונים גם עושים פעילויות שונות.
הריבוזום מביא את תת היחידה הגדולה כשהוא מגיע לAUG. אותם האתרים קיימים גם באאוקריוטים – P, E, וA.
באאוקריוטים המבנה של הmRNA הוא מעגלי והריבוזומים נעים עליו. הריבוזום הראשון מתיישב עליו ולכל אורך הmRNA יושבים ריבוזומים שונים שיכולים לתרגם בו-זמנית. רק באאוקריוטים הmRNA יכול להיות מעגלי.

הריבוזומים יודעים להקשר לממברנה של הER ולבצע את התרגום של חלבונים מסויימים רק שם (על הממברנה שלו).
דרך אחת היא לסנתז חלבון שיכנס דרך הממברנה ללומן של הER:
בקצה הN-טרמינלי של הפפטיד שנוצר, יש קוד לSignal Sequence – שורה של ח. אמינו שתופסות חלבון SRP, שמתיישב על הרצף הזה של הSignal Peptide, מפסיק את התרגום ומביא את המולקולה לER.
SRP מתחבר לרצפטור על הממברנה של הER. כשהריבוזום והSRP והרצפטור מגיעים לתעלה, SRP הולך והפפטיד שנוצר משתחל פנימה לתעלה. החלבון זורם פנימה ומתורגם ע"י הריבוזום. כשהתרגום מסתיים מתרחשת טרמינציה והחלבון יוצא החוצה.
בדרך השניה, החלבון מגיע באותו האופן לER, אך הוא נשאר מעוגן בחלק החיצוני של הממברנה והופך לחלבון ממברנלי – רצפטור. תעלה שמכניסה גלוקוז לתוך התא היא חלבון מסוג כזה, למשל.

REPLICATION
תהליכים של Proof Reading – כאשר הפולימראז בודק את עצמו, אך עדיין יכולות להיות טעויות. אפשר לגרום לשינוי בבסיסים – וע"י כך למוטציה.
התא יודע להתאבד אם צריך, אך קודם לכן הוא ינסה לסדר את עצמו.

Direct Repair – תיקון ישיר של הנזק שנגרםץ
BER – Base Exision Repair – הוצאת בסיס, והכנסת בסיס אחר במקומו.
Nucleotide Exision Repair – NER – יש החלפה של מקטע שלם שבו יש פגם. האזור הפגוע נשלף החוצה גם אם לא כל הנוקליאוטידים נפגעים.
רקומבינציה – שני הכרומוזומים באים במגע ומשוחלפים, במיוזה למשל. זה קורה גם כתהליך תיקון של DNA.
Mismatch Repair – כאשר הפולימראז מכניס נוקליאוטיד שגוי למשל A מול G, הוא משנה אותו בחזרה לנוקליאוטיד הנכון.

נזק של אור UV לDNA – גורם למוטציות או בעיות בתא. קרן UV מכניסה אנרגיה למבנה הDNA ויכולה ליצור קשרים קוולנטים לא רצויים בין בסיסים.
אפשר לקבל למשל שני בסיסים T המחוברים זה לזה – מוטציה שהתא לא "רגיל" אליה, אך לתא יש דרכים רבות להתמודד עם תופעה זו.
דימרים של T ניתנים לתיקון באופן ישיר (אך לא אצל בני אדם).
כאשר יש לנו בסיסים שעוברים התמרה – חומרים מסויימים יכולים להלביש קבוצה מתילית על G למשל, ומקבלים O-Methyl-Guanine. קשר מימן אחד שירד, גורם ל2 קשרי מימן במקום 3 בין C לG, והתא חושב לשים מול G את הנוקליאוטיד T בזמן ההכפלה, ואחרי שתי הכפלות מתקבלים בסיסים T-A.
מוטציה של רצף G מול C, הופכת בסופו של דבר לA מול T.
אנזים שנקרא אלקיל-טרנספראז עושה טרנספר למתיל, ומחזיר את המתיל-גואנין לגואנין. כך החומר הגנטי לא משתנה ושומר על עצמו.

בBER, הגדילים נפתחים בתהלך ההכפלה, אך משום מה במקום T נכנס נוקליאוטיד U. אנזים שנקרא גליקוזילאז שקוצץ את הבסיס U החוצה – השרשרת של הפוספט והסוכר נשארת שלמה. ואז האנזים אנדונוקליאז מנתק את הקשר בין את הקשר שפוספודיאסטרי בין שני הנוקליאוטידים. DNA-פול-1 עושה NIP-Translation (פולימריזיציה חדשה לDNA). בסוף מגיע ליגאז שסוגר את הNIP ומקבלים בסופו של דבר DNA תקין.

כאשר חומר כלשהו מוריד לC את האמין שלו (דאמינציה) מקבלים Uracil (רק בDNA). התא לא יכול לסבול את זה. כדי לתקן את זה, מתבצע תהליך תיקון BER.
מנגנון נוסף של BER מורכב מתהליכים של חמצון (כדאי לקרוא בספר).
התמרות של חמצן גורמות לבעיות. לתא יש שורה של אנזימים שמטפלים בחמצונים ואוקסידציות.

NER:
התא מחליט לסלק אזור שלם. C שעבר דימריזציה עם T, למשל, מתוקן ע"י מערכת חלבונים שחותכת חתיכה שלמה שמכילה את הטעות (כולל נוקליאוטידים תקינים) וDNA-פול מגיע ומשלים את הנוקליאוטידים שהוצאו.
התא מזהה דימר שגוי על ידי עיוות במבנה הDNA ע"י חלבונים.

בחיידקים, יש חלבוני UVR שסורקים את הDNA עד שמגיעים לתקלה. כשהם מזהים אותה, הם מפילים את הA-ים, וחלבון חדש UVR-C מגיע והB מסמן את גבולות הגזרה שמהם יש לחתוך – נעשים NIP בשני הצדדים וחלבון חדש UVR-D שהוא הליקאז, פותח את הDNA. באחד הגדילים שנוצרו מהפתיחה יש NIPS, וDNA-פולימראז שמגיע יודע לתקן אותו.
בדימרים של טימין ברור אילו דימרים הם הבעייתיים. הגדיל השני מבחינת התא הוא בסדר.
Mismatch Repair – טעות של הDNA-פולימראז: התא צריך להחליט מי מהבסיסים הוא השגוי. זה מתרחש בתהליכי הכפלה או באזורים בעייתיים שבהם הפולימראז משבש את הסדר בגלל חזרות של רצפים, למשל.
הידיעה לגבי נכונות הגדיל מתבצעת לפי מנגנון מתילציה ע"ג הDNA. גדיל האם מגיע עם מתילציה וגדיל האם הוא ללא מתילציה... בזמן שניתן להבדיל מיהו גדיל האם ומיהו גדיל הבת ניתן לזהות את הטעות (בפרוקריוטים).
ע"י חלבוני זיהוי שנקראים MUT זה קורה:
MUT S עושה Looping Out על הDNA, והMISMATCH יושב על הלולאה.
חלבונים מזהים מיהו גדיל האם ומיהו גדיל הבת. אחרי שהם מזהים את הבעיה יש חיתוך, ומגיע הליקאז שפותח את המבנה. יש סילוק של האזור הבעייתי, וDNA-פולימראז מגיע עם ליגאז וסוגר את האזור.
חשבו לציין, שהתהליך הזה קורה מיד אחרי ההכפלה, כי רק אז יש "חלון הזדמנויות" שבו ניתן להבדיל בין הגדילים לפי המתילציה.

שני קצוות של כרומוזום מתנתקים, ויש קצוות חופשיים. מצב זה בעייתי וגורם לחוסר יציבות של הגנום. התא יכול להתאבד אחרי דבר כזה.
אם אין הרבה מקרים כאלו, התא ינסה לתקן זאת ע"י חלבונים שנתפסים על הקצוות השבורים ומחברים אותם בחזרה.
בתהליך ההדבקה ייתכן מצב שבו יש איבוד מידע (כי הם אוכלים חלק מהתא) אך לרוב המידע הזה אינו בעל חשיבות גדולה. תיקונים אלו בד"כ מתרחשים בתאים בוגרים שלא עוברים לדורות הבאים.

רקומבינציה
שחלופים בין הכרומוזומים נותנים תכונות חדשות במיוזה.
תהליכים של רקומבינציה – נוגדים TCELLS, שבהם אזורים בגנום קופצים ממקום אחד לשני כדי ליצור סוגים שונים של חלבונים.
הגוף יודע לפתח נוגדים לECOLI שחודר אליו, למשל, ע"י חיבור חתיכות שונות של חלבונים (רקומבינציה).
טרנספוזומים גם יודעים לעשות רקומבינציה – אלו חתיכות DNA שקופצות ממקום למקום בDNA.
בעיות חריפות בDNA, גורמות לתא להתאבד, או שהתא ינסה לעבור רקומבינציה וכך לתקן את עצמו.



צריך לדעת למבחן:
כל החומר עד סוף תהליך התרגום.DNA REPAIR – רק מה שנאמר בשיעורים.