האוריגמי המורכב של החלבונים

"עם האמצעים הטכנולוגיים שיש לנו היום, מרגע שבעיה מדעית מנוסחת במדויק זאת רק שאלה של זמן עד שיימצא לה פתרון. למעט הבעיה של קיפול חלבונים" – כך אמר בזמנו  לינוס פאולינג, מגדולי המדענים במאה ה-20, שתרם בעצמו תרומה משמעותית להבנת המבנה של חלבונים. אולם, מהי הבעיה הגדולה בקיפול חלבונים ולמה חשוב לחלבונים להתקפל? כיצד החלבון יודע להתקפל ואיך הוא עושה את זה כל כך מהר?

מהם חלבונים

חלבונים הם קבוצה גדולה מאוד של מולקולות שמבצעות תפקידים רבים בכל ממלכות החי. הם מורכבים מעשרים אבני בניין בשם חומצות אמינו, שיוצרות יחד שרשראות באורכים שונים. בין החלבונים המוכרים אפשר למנות את ההמוגלובין, שאחראי על הובלת חמצן מהריאות לשאר תאי הגוף, והאינסולין המופרש בלבלב ומסייע בפירוק סוכר.

אולם כדי שיוכלו למלא את תפקידם כראוי, החלבונים צריכים להתקפל למבנה מאוד מסוים. למשל, שינוי מבני בהמוגלובין מוביל למחלה "אנמיה חרמשית", ששמה נגזר מהמבני הצר והארוך, דמוי החרמש, של החלבון הפגום.

מקובל לדבר על שלוש רמות של מבנה של חלבונים: המבנה הראשוני הוא רצף חומצות האמינו שמרכיבות חלבון מסוים; מבנה שניוני הוא השילוב הייחודי של חלק מרצף חומצות האמינו בחלבון, שמסתדרות במבנה מסוים. דוגמאות מוכרות הן סליל האלפא ומשטחי הבטא שגילה לינוס פאולינג מבנה שלישוני הוא המבנה התלת-ממדי הכולל של חלבון מסוים.

בשנת 1962 זכו מקס פרוץ (Perutz) וג'ון קנדרו (Kendrew) בפרס נובל בכימיה על עבודתם החלוצית בפענוח המבנה האטומי של חלבונים שלמים. עבודתם הניחה את התשתית לתחום הביולוגיה המבנית, שמתאר מנגנונים ביולוגיים ברמה מולקולרית בעזרת מבנים של חלבונים ומולקולות נוספות. השניים פתרו את מבני החלבונים בעזרת תבנית הפיזור של קרני רנטגן מגבישי חלבונים – שיטה שמשמשת עד היום לפענוח מבנים מורכבים ברמה אטומית, אך לעיתים קשה ליישמה על מערכות גדולות במיוחד.

במשך השנים פותחו שיטות שנעזרו גם בתהודה מגנטית גרעינית (NMR) ובמיקרוסקופיית אלקטרונים כדי לקבל מידע מבני ברמת האטום, ואפשרו לפענח מבנים נוספים. אולם ברגע שהחלו להתברר המבנים הראשונים של חלבונים ברמת פירוט גבוהה, התעוררו שתי שאלות עקרוניות בנוגע להם: מהם הכוחות הפיזיקליים שמובילים שרשרת אקראית של חומצות אמינו (מבנה ראשוני) אל צורתה הסופית, ואיך חלבונים מצליחים להתקפל מהר כל כך?

מקס פרוץ (Perutz) וג'ון קנדרו | ויקיפדיה

כריסטיאן אנפיסן והכוחות הפועלים על חלבונים

בשנת 1961 פרסם כריסטיאן אנפינסן (Anfinsen) מהמכונים הלאומיים לבריאות בארצות הברית, עם מיכאל סלע ממכון ויצמן למדע ואחרים, מאמר שבו טען כי "המידע הנחוץ עבור המבנה השניוני והשלישוני של חלבונים נמצא ברצף חומצות האמינו". בבסיס הקביעה הזאת, שנסביר מיד, עומד החוק השני של התרמודינמיקה, הקובע שכל מערכת שואפת למנוחה.

אפשר לדמות את זה לכדור שמתגלגל על משטח משופע שבמרכזו בור. בגלל כוח המשיכה, הכדור יתגלגל עד שיגיע למקום הנמוך ביותר במשטח, שם ינוח. אולם בחלבונים יש הרבה יותר כוחות שפועלים בין חומצות האמינו ובינן לבין הסביבה שבה החלבון נמצא. בנוסף, בעוד כדור צריך למצוא מקום מנוחה במרחב תלת-ממדי, החלבון מורכב ממאות אטומים שכל אחד מהם יכול לנוע בשלושה ממדים, כך שמבחינה מתמטית זה שקול למרחב עם מאות ממדים. על כן כמעט בלתי אפשרי למצוא מצב מנוחה כשמדובר בחלבון.

למרות כל הקשיים האלה, אחרי יותר מחמישים שנות מחקר אנו מבינים לא מעט את הכוחות המניעים את קיפול החלבונים, וכוללים בין השאר כוחות חשמליים של משיכה ודחייה.

בסוף שנות ה-60 עבד הביוכימאי אריה ורשל, תחת הדרכתו של שניאור ליפסון במכון ויצמן למדע, על פיתוח ביטוי שיכלול את סכום כל הכוחות הפועלים על אטומים מסוגים שונים. הם הבינו שאטום כלשהו, למשל פחמן שנמצא בשרשרת מוארכת, יתנהג תמיד באותה צורה אם יפעל עליו אותו סכום כוחות.

בשנת 1968 הצטרף אליהם מייקל לוויט (Levitt), שהבין כי את העבודה המרשימה של ורשל וליפסון אפשר להחיל גם על חלבונים. הוא כתב תוכנת מחשב, הכניס בה את כל הכוחות הפועלים בין אטומים בחלבונים וחישב איך המיקום של האטומים בחלבון ישתנה לאורך זמן תחת סכום הכוחות הזה.

עבודתם החלוצית של ליפסון, ורשל ולוויט הניחה את התשתיות לביולוגיה החישובית המבנית, שמשתמשת לרוב בסכומי כוחות כדי ללמוד על המבנה של חלבונים שנמצאים בשיווי משקל, ועל המסלול שלהם בדרך אליו. בשנת 2013 חלקו לוויט וורשל, יחד עם מרטין קרפלוס (Karplus), את פרס נובל בכימיה על תרומתם לפיתוח מודלים שמתארים מערכות כימיות מורכבות. ליפסון נפטר יותר מעשור קודם לכן ולא זכה לראות את ההכרה העולמית בעבודתו.

במשך השנים, בעזרת הדמיות של דינמיקה מולקולרית, הצליחו לחזות בהצלחה את המבנה של יותר מעשרה חלבונים קטנים, בגודל של פחות ממאה חומצות אמינו, כך שנראה כי סכומי הכוחות שהשתמשו בהם אכן מתארים לפחות חלקית את הכוחות שמניעים חלבונים להתקפל. אולם, פענוח המבנה של חלבונים מורכבים יותר עדיין אינו מעשי בשיטות האלה, ויש עוד מקום לשפר את ההבנה של הכוחות הפועלים על קיפול חלבונים.

כריסטיאן אנפינסן| ויקיפדיה

מנגנוני קיפול: הפרדוקס של לוינתל

גם אחרי שהכוחות הפיזיקליים התורמים לקיפול חלבונים הובהרו לפחות חלקית, עדיין לא ברור איך חלבונים מתקפלים מהר כל כך. בשנת 1969 העריך הביולוג סיירוס לווינתל (Levinthal) כי אם חלבון באורך 100 חומצות אמינו צריך לעבור בכל הסידורים האפשריים כדי להגיע למבנה הסופי שלו, יידרשו לו כמה מיליוני שנים. בפועל, חלבונים רבים מתקפלים תוך אלפיות שנייה מעטות, ואפילו פחות מכך. אם כן, חייב להיות מנגנון חיפוש יעיל יותר למציאת המבנה הסופי.

העקרון הבסיסי לפתרון הבעיה הוא בהבנה שבדומה לכדור שמחפש את הנקודה הנמוכה ביותר במרחב, כך גם חלבון לא צריך "להסתובב" באקראי במרחב אינסופי.  אפשר לומר כי לכל סידור של חלבון יש אנרגיה מסוימת, המהווה מעין "ניקוד". לרוב הסידורים יש ניקוד גבוה, שהחלבון לא אוהב להיות בהם, ויש מעט מאוד מצבים עם ניקוד נמוך יחסית. התוצאה היא מעין משפך שמקל מאוד את החיפוש אחרי המבנה היציב ביותר. עם זאת, גם ההבנה הזאת לא פותרת את הבעיה לחלוטין, שכן, מהדמיות ממוחשבות עולה שהמשפך האנרגטי אינו חָלָק ולא תמיד ברור מהו המבנה האופטימלי שלו.

אף שאין בידינו עדיין מנגנון כללי שמסביר איך חלבונים מתקפלים, שלב אחר שלב, יש כמה תובנות משמעותיות. נראה למשל שהם מתקפלים ליחידות נפרדות של מבנים שניונים, שיוצרות יחד בהמשך מבנה שלישוני. בנוסף, ייתכן בהחלט שאותו חלבון יכול להגיע לאותו מבנה סופי דרך מבני ביניים שונים.

מייקל לויט | Nobel prize

חלבונים ומחלות פרִיונים

ההתקדמות הרבה בהבנת הכוחות הפועלים על חלבונים ועל מנגנוני קיפול, הביאה גם לתובנה שלפעמים קיפול שגוי של חלבון עלול להיות קטלני. דוגמה מרתקת לתקלות מסוכנות שנובעות מקיפול שגוי היא משפחת המחלות הקרויות "מחלות פריונים" (Prion Disease).

מחלות פריונים הן תהליכים שפוגעים בתאי העצב במוח ומובילות בין השאר לבעיות בזיכרון ובתנועה ובסופו של דבר למוות. דוגמאות מוכרות הן מחלת "הפרה המשוגעת" אצל בעלי חיים והמקבילה האנושית שלה – מחלת קרויצפלד-יעקב.

הדרך העיקרית שבה אפשר להיפגע ממחלת קרויצפלד-יעקב היא לגמרי באקראי – אחד ממיליון בני אדם לוקה במחלה הזאת בלי כל סיבה ידועה. המחלה נגרמת משינוי במבנה של חלבון המכונה "חלבון פְרִיון" (Prion protein), שגורם ליצירת סיבים מוארכים שלו. הסיבים הללו הם מכת מוות לתאי העצב, מכיוון שהמנגנונים בתא שאחראים על פירוק חלבונים אינם מסוגלים לפרק את החלבון בצורתו הסיבית. הכשל הזה מוביל למוות איטי של תאי עצב. רוב הסובלים ממחלות פריון נפטרים תוך שנה מהופעת התסמינים הראשונים. נכון להיום, אין שום טיפול למחלות הללו.

שם המחלה רומז על אופיה הייחודי. המילה "פְרִיון" היא קיצור של צמד המילים "זיהום חלבוני" (Protein infection) – כלומר, בשונה מרוב המחלות, שמועברות על ידי פולשים חיצוניים כמו נגיפים וחיידקים, או נובעות משיבושים בצופן הגנטי של התא עצמו, הזיהום במחלות הפריונים מועבר על ידי חלבון פגום, ואופן העברת המחלה קשור ישירות למבנה שלו.

תפקידם של הפריונים אצל אדם בריא אינו ברור לגמרי, אך לאחרונה החלו להצטבר עדויות לכך שלפחות אצל עכברים הם חיוניים לתפקודה של מערכת העצבים. במבו התקין של החלבון, פריון מורכב מאזור אחד עשיר בסלילי אלפא ואזור אחר חסר מבנה. אולם כשמתפתחת מחלת פריונים, החלבון מאבד את סלילי האלפא שלו, וכך נוצרים הסיבים המאורכים, המורכבים מכמה חלבונים מחוברים זה לזה במקטעים של משטחי בטא.

בשונה מאנמיה חרמשית, שגם בה שינוי במבנה החלבון מוביל למחלה, במחלות פריונים השינוי המבני אינו נובע משינוי ברצף חומצות האמינו של החלבון. אותו חלבון, עם אותו רצף בדיוק, יכול להיות מקופל בצורה תקינה ולא מזיקה, או לעבור למבנה סיבי "חולה" ומסוכן. והבעיה הגדולה היא שכאשר פריון סיבי פוגש פריונים תקינים, הוא "מדביק" אותם והופך אותם לסיביים. כך מחלת הפריונים מתפשטת בין תאי העצב, ועלולה לעבור גם מבעל חיים אחד למשנהו או מאדם לאדם.

ביולוגיה לא מבנית

התפיסה המקובלת שהצגנו עד כה, שלפיה רצף של חומצות אמינו יוצר מבנה שיוצר בתורו תפקוד מוגדר, מציגה למעשה תמונה חלקית בלבד של עולם החלבונים. מתברר שיותר מ-30 אחוז מכלל החלבונים בגוף האדם הם חסרי מבנה לחלוטין, או לפחות מכילים אזורים חסרי מבנה. בשנים האחרונות הולכת וגוברת ההבנה שגם לאזורים חסרי המבנה יש תפקיד.את הסידור המרחבי של החלבונים האלה אי אפשר לפענח בשיטות נפוצות כמו פיזור קרני X או תהודה מגנטית גרעינית ולכן גם אין דרך להציג אותם במודלים מרשימים. למרות זאת ברור שיש להם תפקיד, ורבים סבורים כי דווקא היעדר המבנה מקנה להם גמישות נוספת בתפקוד, ומאפשר להם לתמרן תפקידים שונים בתנאים שונים.

למרות ההבנה ההולכת וגדלה על מבנה, קיפול ותפקוד של חלבונים נותרו עדיין שאלות פתוחות רבות. המנגנון המדויק שמוביל לקיפול חלבונים נותר תעלומה ברובו, ועדיין איננו מבינים לגמרי את הכוחות שמובילים חלבונים למצוא את המבנה הסופי שלהם. אם נוסיף לכך את האתגר שבהבנת חלבונים חסרי מבנה, הרי שדבריו של פאולינג על מורכבותה של בעיית קיפול החלבונים נותרו נכונים מתמיד.