אז מה זה בעצם "קיפול חלבון"?

מגיפת COVID-19 הנוכחית יצרה בעיות רבות שהאקרים שמחו לתקוף. ממגני פנים מודפסים בתלת מימד ומסכות רפואיות תוצרת בית ועד החלפת מאוורר מכני מלא, זרימת הרעיונות הייתה מעוררת השראה ומחממת לב. במקביל, היו ניסיונות להתקדם בתחום אחר: במחקר שמטרתו להילחם בנגיף עצמו.

ככל הנראה, הפוטנציאל הגדול ביותר לעצור את המגיפה הנוכחית ולעקוף את כל המגיפה שלאחר מכן טמון בגישה המנסה לרדת לשורש הבעיה. גישת "דע את האויב שלך" זו ננקטת על ידי פרויקט המחשוב Folding@Home. מיליוני אנשים נרשמו לפרויקט ותורמים חלק מכוח העיבוד של המעבדים וה-GPUs שלהם, ובכך יוצרים את מחשב העל [מבוזר] הגדול בהיסטוריה.

אבל למה בדיוק משמשים כל האקספלופים האלה? למה יש צורך לזרוק כוח מחשוב כזה? קיפול חלבון? איזה סוג של ביוכימיה פועלת כאן, למה חלבונים צריכים להתקפל בכלל? הנה סקירה מהירה של קיפול חלבון: מה זה, איך זה קורה ולמה זה חשוב.

ראשית, הדבר החשוב ביותר: למה צריך חלבונים?

חלבונים הם מבנים חיוניים. הם לא רק מספקים חומר בניין לתאים, אלא גם משמשים כזרזי אנזים כמעט לכל התגובות הביוכימיות. סנאים, יהיו הם מִבנִי או אנזימטי, הן שרשראות ארוכות חומצות אמינו, ממוקם ברצף מסוים. תפקידם של חלבונים נקבע לפי אילו חומצות אמינו ממוקמות במקומות מסוימים על החלבון. אם, למשל, חלבון צריך להיקשר למולקולה בעלת מטען חיובי, יש למלא את אתר הקישור בחומצות אמינו טעונות שלילי.

כדי להבין כיצד חלבונים רוכשים את המבנה הקובע את תפקידם, עלינו לעבור על יסודות הביולוגיה המולקולרית וזרימת המידע בתא.

הפקה, או ביטוי חלבונים מתחילים בתהליך תמלולים. במהלך התעתיק, הסליל הכפול של ה-DNA, המכיל את המידע הגנטי של התא, מתפרק חלקית, ומאפשר לבסיסי חנקן ב-DNA להפוך לזמינים לאנזים הנקרא RNA פולימראז. תפקידו של RNA פולימראז הוא ליצור עותק RNA, או שעתוק, של גן. העותק הזה של גן שנקרא RNA שליח (mRNA), היא מולקולה יחידה אידיאלית לשליטה במפעלי חלבון תוך תאיים, ריבוזומיםהעוסקים בייצור, או מִשׁדָר חלבונים.

ריבוזומים פועלים כמו מכונות הרכבה - הם לוקחים את תבנית ה-mRNA ומתאימים אותה לחתיכות קטנות אחרות של RNA, להעביר RNA (tRNA). לכל tRNA יש שני אזורים פעילים - קטע של שלושה בסיסים הנקראים אנטיקודון, שחייב להתאים לקודונים המתאימים של ה-mRNA, ואתר לקשירת חומצת אמינו ספציפית לכך קודון. במהלך התרגום, מולקולות tRNA בריבוזום מנסות באופן אקראי להיקשר ל-mRNA באמצעות אנטיקודונים. אם מצליחה, מולקולת ה-tRNA מחברת את חומצת האמינו שלה לקודמת, ויוצרת את החוליה הבאה בשרשרת חומצות האמינו המקודדות על ידי mRNA.

רצף זה של חומצות אמינו הוא הרמה הראשונה של ההיררכיה מבנית החלבון, וזו הסיבה שהוא נקרא מבנה ראשוני. כל המבנה התלת מימדי של חלבון ותפקודיו נגזרים ישירות מהמבנה הראשוני, ותלויים בתכונות השונות של כל אחת מחומצות האמינו ובאינטראקציות ביניהן. ללא תכונות כימיות אלה ואינטראקציות חומצות אמינו, פוליפפטידים הם יישארו רצפים ליניאריים ללא מבנה תלת מימדי. אפשר לראות את זה בכל פעם שמבשלים אוכל - בתהליך הזה יש תרמיות דנטורציה מבנה תלת מימדי של חלבונים.

קשרים ארוכי טווח של חלקי חלבון

הרמה הבאה של המבנה התלת מימדי, מעבר לרמה העיקרית, קיבלה שם חכם מבנה משני. הוא כולל קשרי מימן בין חומצות אמינו בעלות פעולה קרובה יחסית. המהות העיקרית של האינטראקציות המייצבות הללו מסתכמת בשני דברים: סלילי אלפא и רשימת בטא. סליל האלפא יוצר את האזור המפותל בחוזקה של הפוליפפטיד, בעוד שגיליון הבטא יוצר את האזור החלק והרחב. לשתי התצורות יש גם תכונות מבניות וגם פונקציונליות, בהתאם למאפייני חומצות האמינו המרכיבות אותן. לדוגמה, אם סליל האלפא מורכב בעיקר מחומצות אמינו הידרופיליות, כמו ארגינין או ליזין, אז סביר להניח שהוא ישתתף בתגובות מימיות.

סלילי אלפא ודפי בטא בחלבונים. קשרי מימן נוצרים במהלך ביטוי חלבון.

שני המבנים הללו והשילובים שלהם יוצרים את הרמה הבאה של מבנה חלבון - מבנה שלישוני. בניגוד לשברים פשוטים של מבנה משני, המבנה השלישוני מושפע בעיקר מהידרופוביות. המרכזים של רוב החלבונים מכילים חומצות אמינו הידרופוביות ביותר, כגון אלנין או מתיונין, ומים מודרים משם בגלל האופי ה"שומני" של הרדיקלים. מבנים אלה מופיעים לעתים קרובות בחלבונים טרנסממברניים המוטבעים בקרום הדו-שכבתי השומני המקיף את התאים. האזורים ההידרופוביים של החלבונים נשארים יציבים מבחינה תרמודינמית בתוך החלק השומני של הממברנה, בעוד שהאזורים ההידרופיליים של החלבון חשופים לסביבה המימית משני הצדדים.

כמו כן, היציבות של מבנים שלישוניים מובטחת על ידי קשרים ארוכי טווח בין חומצות אמינו. דוגמה קלאסית לחיבורים כאלה היא גשר דיסולפיד, המתרחש לעתים קרובות בין שני רדיקלי ציסטאין. אם הרחתם משהו קצת כמו ביצים רקובות במספרה במהלך הליך סלסול על שיער של לקוח, אז זה היה דנטורציה חלקית של המבנה השלישוני של הקרטין הכלול בשיער, המתרחשת באמצעות הפחתת קשרי דיסולפיד עם עזרה של מכיל גופרית תיול תערובות.

המבנה השלישוני מיוצב על ידי אינטראקציות ארוכות טווח כגון הידרופוביות או קשרי דיסולפיד

קשרי דיסולפיד יכולים להתרחש ביניהם ציסטאין רדיקלים באותה שרשרת פוליפפטידית, או בין ציסטינים משרשרות שלמות שונות. נוצרות אינטראקציות בין שרשראות שונות רבעוני רמת מבנה החלבון. דוגמה מצוינת למבנה רבעוני היא הֵמוֹגלוֹבִּין זה בדם שלך. כל מולקולת המוגלובין מורכבת מארבעה גלובינים זהים, חלקי חלבון, שכל אחד מהם מוחזק במיקום מסוים בתוך הפוליפפטיד על ידי גשרים דיסולפידים, והוא קשור גם למולקולת heme המכילה ברזל. כל ארבעת הגלובינים מחוברים על ידי גשרים דיסולפידים בין מולקולריים, והמולקולה כולה נקשרת למספר מולקולות אוויר בבת אחת, עד ארבע, ומסוגלת לשחרר אותן לפי הצורך.

דוגמנות מבנים בחיפוש אחר תרופה למחלה

שרשראות פוליפפטיד מתחילות להתקפל לצורתן הסופית במהלך התרגום, כשהשרשרת הגדלה יוצאת מהריבוזום, בדומה לחתיכת חוט מסגסוגת זיכרון יכולה לקבל צורות מורכבות כאשר היא מחוממת. עם זאת, כמו תמיד בביולוגיה, הדברים אינם כה פשוטים.

בתאים רבים, גנים מתומללים עוברים עריכה מקיפה לפני התרגום, מה שמשנה משמעותית את המבנה הבסיסי של החלבון בהשוואה לרצף הבסיס הטהור של הגן. במקרה זה, מנגנוני תרגום נעזרים לרוב בצ'פרונים מולקולריים, חלבונים הנקשרים באופן זמני לשרשרת הפוליפפטיד המתהווה ומונעים ממנה ללבוש כל צורת ביניים, שממנה לא יוכלו לעבור לאחר מכן לזו הסופית.

כל זה אומר שחיזוי הצורה הסופית של חלבון אינה משימה טריוויאלית. במשך עשרות שנים, הדרך היחידה לחקור את מבנה החלבונים הייתה באמצעות שיטות פיזיקליות כגון קריסטלוגרפיה של קרני רנטגן. רק בסוף שנות ה-1960 החלו כימאים ביו-פיזיקליים לבנות מודלים חישוביים של קיפול חלבונים, כשהם מתרכזים בעיקר במודלים של מבנה משני. שיטות אלו וצאצאיהן דורשות כמויות אדירות של נתוני קלט בנוסף למבנה הראשוני - למשל, טבלאות של זוויות קשר של חומצות אמינו, רשימות הידרופוביות, מצבים טעונים ואפילו שימור של מבנה ותפקוד על פני לוחות זמנים אבולוציוניים - הכל כדי נחשו מה יקרה נראה כמו החלבון הסופי.

השיטות החישוביות של היום לחיזוי מבנה משני, כמו אלו הפועלות ברשת Folding@Home, עובדות עם דיוק של כ-80% - וזה די טוב בהתחשב במורכבות הבעיה. נתונים שנוצרו על ידי מודלים חזויים על חלבונים כמו חלבון ספייק SARS-CoV-2 יושוו לנתונים ממחקרים פיזיים של הנגיף. כתוצאה מכך, ניתן יהיה לקבל את המבנה המדויק של החלבון ואולי להבין כיצד הנגיף נצמד לקולטנים אנזים הממיר אנגיוטנסין 2 אדם הממוקם בדרכי הנשימה המובילות לגוף. אם נוכל להבין את המבנה הזה, אולי נוכל למצוא תרופות שחוסמות את הקישור ומונעות זיהום.

מחקר קיפול חלבון הוא לב ליבה של ההבנה שלנו לגבי כל כך הרבה מחלות וזיהומים, שאפילו כאשר אנו משתמשים ברשת Folding@Home כדי להבין כיצד להביס את COVID-19, שראינו מתפוצץ בצמיחה לאחרונה, הרשת תצליח לא להיות בטל לאורך זמן. עבודה. זהו כלי מחקר המתאים היטב לחקר דפוסי החלבון העומדים בבסיס עשרות מחלות של אי קיפול חלבון, כמו מחלת אלצהיימר או מחלת קרויצפלד-יעקב, המכונה לעתים קרובות בטעות מחלת הפרה המשוגעת. וכאשר יופיע בהכרח וירוס אחר, נהיה מוכנים להתחיל להילחם בו שוב.

מקור: www.habr.com