פעילותם של החלבונים – המכונות הזעירות שאחראיות לתפקודי התאים – נובעת מיכולתם להתקפל לצורה הנכונה. איך חלבונים מתקפלים, ומה קורה כשהקיפול משתבש?
הזרוע המבצעת של התאים שמהם מורכב גופנו, ושל כל שאר היצורים החיים, היא עשרות אלפי מולקולות שנקראות חלבונים. החלבונים הם מעין מכונות מולקולריות זעירות שמבצעות תפקידים רבים ומגוונים: הם מעבירים חומרים ממקום למקום, משתלבים במבנה התא, מזרזים תהליכים כימיים ואפילו מעורבים בהתמודדות של התא עם חיידקים ונגיפים.
מגיל צעיר מחנכים אותנו להקפיד לצרוך חלבונים בתזונה שלנו. הסיבה לכך היא שהם מתפרקים במערכת העיכול לאבני היסוד שלהם ונספגים בגוף, ומאבני היסוד הללו נוצרים חלבונים חדשים, שממלאים תפקידים חיוניים בתהליכים רבים בגופנו.
אבני היסוד הללו נקראות חומצות אמיניות, או חומצות אמינו. הן בנויות כך שבצידן האחד יש חומצה ובצד הנגדי יש אזור שנקרא "קבוצה אמינית" ומכיל תמיד אטום חנקן. לחומצה האמינית יש מעין זנב שנקרא שייר, והמבנה הייחודי שלו הוא מה שמבחין בין סוגי החומצות האמיניות. בסך הכול יש בטבע עשרים חומצות אמיניות שונות. לכל שייר יש תכונות כימיות ייחודיות: למשל חלקם טעונים במטען חשמלי חיובי, אחרים במטען שלילי, ויש גם שיירים שאינם טעונים כלל. חלק מחומצות האמינו הן הידרופיליות, כלומר נמשכות למולקולות של מים, ואחרות הן הידרופוביות, כלומר דוחות מים.
בצד ימין חומצה, בצד שמאל קבוצה אמינית. ה-R מציין את השייר, שהוא שונה בכל חומצת אמינו. מבנה כללי של חומצות אמינו | ויקיפדיה, YassineMrabet
מה קובע את המבנה?
החומצות האמיניות נקשרות זו לזו ויוצרות שרשרת ארוכה המזכירה מחרוזת. כל שרשרת כזאת היא חלבון נפרד, עם רצף חומצות אמיניות ייחודי משלו. כבר במהלך בניית החלבון, וגם לאחר מכן, פועלים כוחות פיזיקליים וכימיים בין החומצות האמיניות. הכוחות האלה גורמים לחלק מאבני הבניין הללו להימשך לחומצת אמיניות אחרות שנמצאות הרחק מהן לאורך השרשרת. בעקבות זאת השרשרת מתקפלת למבנה תלת-ממדי. בתהליך הזה, חומצות אמיניות הידרופוביות יתכנסו בדרך כלל לתוך עצמן, אל לב החלבון, שם לא יבואו במגע עם הנוזל התוך תאי המורכב ברובו ממים. לעומת זאת, חומצות אמיניות הידרופיליות יידחקו אל פני החלבון.
כבר בסוף שנות החמישים של המאה הקודמת הצליחו הכימאים מקס פרוץ (Perutz) וג'ון קנדרו (Kendrew) לפענח לראשונה את המבנה התלת-ממדי של חלבון, כלומר להבין איפה נמצאת כל חומצת אמינו ביחס לשאר. הם נעזרו לשם כך בקריסטלוגרפיה בקרני רנטגן, שיטה שמאפשרת לגלות את המבנה המולקולרי של גביש על פי התבניות שיוצרות קרני רנטגן שעברו דרכו. על כך הם זכו בפרס נובל לכימיה בשנת 1962. כיום יש שיטות נוספות לפענוח המבנה של חלבונים, כגון NMR או cryo-EM. לאחרונה אף נכנס לשימוש כלי חישובי המבוסס על בינה מלאכותית בשם AlphaFold2, שמאפשר לנבא את המבנה התלת-ממדי שלהם בסבירות גבוהה במיוחד.
המבנה התלת-ממדי של חלבונים מתחלק לארבע רמות של מורכבות. המבנה הראשוני מגדיר את רצף החומצות האמיניות, כלומר כמה חרוזים יש בשרשרת ואיפה נמצא כל אחד מהם; המבנה השניוני מתייחס למקבץ של מבנים מקומיים שנוצרים על ידי קשרי מימן, סוג נפוץ של קשר כימי, בין חומצות אמיניות סמוכות. המבנים השניוניים הנפוצים ביותר נקראים סלילי אלפא (α-Helix) ומשטחי בטא (β-sheets); המבנה השלישוני של החלבון הוא הצורה התלת-ממדית הסופית שלו, שנובעת מאינטראקציות כימיות בין חומצות אמיניות רחוקות; ולבסוף, כשנוצרות אינטראקציות בין שני חלבונים או יותר, המבנה הכולל שלהם נחשב מבנה רביעוני.
המבנה התלת-ממדי של חלבונים מתחלק לארבע רמות של מורכבות. תרשים המראה את הרמות הללו, מהמבנה הראשוני ועד לרבעוני | Shutterstock, Designua
גלגולו של חלבון
בתחילת שנות ה-60 פיתח הביוכימאי כריסטיאן אנפינסן (Anfinsen) את השערת התרמודינמיקה, שהסבירה לראשונה איך חלבונים מתקפלים דווקא למבנה סופי מסוים ולא לאחר. על כך ניתן לו פרס נובל לכימיה בשנת 1972. אנפינסן הראה במחקרו שהמבנה הראשוני של החלבון, רצף החומצות האמיניות שלו, הוא זה שקובע מה יהיה המבנה התלת-ממדי הסופי שלו. לפי התיאוריה, החלבונים מתקפלים באופן ספונטני, ומה שמכתיב את צורת הקיפול שלהם הם עקרונות כימיים ופיזיקליים בלבד. אנפינסן שיער כי חלבונים מקבלים את המבנה שמכיל הכי מעט אנרגיה, ועל כן הוא גם המבנה היציב ביותר עבור הרכב החומצות האמיניות שלהם.
כשהחלבון מתחיל להתקפל יש מספר רב של מבנים שונים שאליהם הוא יכול להגיע באקראי, מכיוון שכל אחת מהחומצות האמיניות שבו יכולה להתארגן בכמה צורות שונות במרחב. לדוגמה, אם נניח שלכל חומצה אמינית יש עשר תצורות התארגנות שונות במרחב, אזי לחלבון קצר שאורכו מאה חומצות אמיניות יהיו 10100 מבנים פוטנציאליים להגיע אליהם. זהו מספר עצום של מבנים, ובחירה אקראית ביניהם תימשך נצח. בפועל, הזמן הדרוש לחלבון כדי להתקפל נע בין כמה מאיות השנייה לדקות ספורות.
לפיכך, בסוף שנות ה-60 קבע הביולוג סיירוס לווינתל (Levinthal) שלא ייתכן שחלבון יעבור באקראי דרך מספר רב מאוד של מבנים אפשריים. בניסוי מחשבתי, שקרוי כיום פרדוקס לווינתל, הוא הראה שתהליך הקיפול חייב להיעשות במסלול קבוע ומוגדר מראש.
לפי התיאור המקובל כיום, כשהחלבון מתחיל להתקפל הוא אכן עובר דרך מבנים שונים שלכל אחד מהם אנרגיה אחרת. אך מכיוון שהמבנה המועדף יהיה בעל האנרגיה הנמוכה ביותר, החלבון יעבור במהלך הקיפול רק דרך מבנים בעלי אנרגיה נמוכה, עד שיגיע לאותו מבנה מועדף. תהליך הקיפול מזכיר כדור שמתגלגל בשטח של גבעות ועמקים. כשנשחרר את הכדור בנקודה גבוהה, הוא לא ינוע במרחב כולו, אלא יתגלגל למטה עד שיגיע לנקודה הנמוכה ביותר.
סרטון של אוניברסיטת סטוני ברוק בארצות הברית, המראה את הירידה ברמות האנרגיה ככל שהחלבון מתקפל:
קיפול תקין – פעילות תקינה
קיים קשר הדוק בין המבנה הסופי של החלבון לבין התפקוד שלו. החלבון הוא מעין מכונה שמותאמת לבצע תפקיד מסוים. הוא מסוגל לעשות את מלאכתו כיוון שהצורה התלת-ממדית שלו מתאימה לכך – כמו מפתח שצורתו מתאימה למנעול שאותו הוא אמור לפתוח. אם חלבון לא מתקפל למבנה הנכון שלו, התפקוד שלו נפגע.
לפעמים השינוי הזה אינו משמעותי, אך במקרים אחרים עלולות להתפתח מחלות, בעיקר בגיל זיקנה. חלקן נובעות ישירות מכך שהחלבון חדל למלא את תפקידו, או אף החל לבצע פעילות אחרת שמזיקה לתא. תוצאה אחרת עלולה להיות הצטברות של משקעי חלבונים רעילים לתא, שנקראים אגרגטים או עמילואידים.
אחת המחלות המוכרות ביותר שקשורה באופן ישיר או עקיף לקיפול לא תקין של חלבונים היא מחלת אלצהיימר. במהלך המחלה הסביבה החוץ תאית הסמוכה לתאי העצב במוח מתמלאת בצברים של החלבון עמילואיד בטא, ואילו בתוך תאי העצב נוצרים צברים של חלבון שנקרא טאו. חוקרים רבים משערים שהצברים הללו פוגעים בתאי המוח וביכולת שלהם לתקשר זה עם זה, ובתוך כך וגורמים פגיעה גדלה והולכת בזיכרון ובכישורים מנטליים אחרים.
גם במחלת פרקינסון רואים הצטברות של חלבונים פגומים במוח. במקרה הזה מדובר בצברי החלבון אלפא-סינוקלאין, המכונים "גופיפי לואי". כשהם מצטברים באזור במוח הקרוי "החומר השחור" (substantia nigra), שאחראי בין השאר על ויסות תנועת השרירים, פעילות תאי העצב שם נפגעת ולבסוף הם מתים. התוצאה היא קשיי תנועה, ובמקרים רבים גם רעד בלתי נשלט, במיוחד במנוחה.
במהלך מחלת אלצהיימר, הסביבה החוץ תאית הסמוכה לתאי העצב במוח מתמלאת בצברים של החלבון עמילואיד בטא. אילוסטרציה של החלבונים - בוורוד - מצטברים על תאי העצב | Artur Plawgo / Science Photo Library
המלאכים השומרים של החלבונים
אף שהתקפלות החלבונים נבחנת בעיקר במעבדה, במציאות התהליך מתרחש בתוך התאים, בתנאים הרבה יותר מורכבים. זוהי סביבה דינמית וצפופה, שהתנאים בה, כמו הטמפרטורה, החומציות, ריכוז המלחים ומולקולות אחרות בקרבת החלבון, משפיעים על תהליך הקיפול. עקב התנאים המורכבים הללו, חלבונים עלולים לאבד את המבנה התקין שלהם, או לא להצליח להתקפל אליו. אם נחזור לדימוי הכדור המתגלגל, הרי זה כאילו הוא נתקע במהמורה ולא הגיע אל קרקעית העמק.
כיוון ששינויים בסביבה התוך-תאית עשויים לשבש את קיפול החלבונים, יש מנגנונים שפועלים כדי להגן על החלבון מפניהם ולאפשר לו להתקפל כראוי. במהלך האבולוציה התפתחה מערכת תאית שנועדה לסייע בקיפול חלבונים, לשמור על הקיפול התקין ואפילו לשלוח חלבונים שלא קופלו כראוי לפירוק ומיחזור מחדש.
אחד המרכיבים החשובים במערכת הזאת הם החלבונים הסוככים, שנקראים גם שפרונים (Molecular chaperones), כלומר מלווים. השפרונים הם חלבונים שמסייעים לחלבונים אחרים להתקפל, עוזרים למנוע היווצרות של צברי חלבונים ומפרקים צברים שכבר נוצרו. השפרונים מזהים אזורים לא מקופלים בחלבונים ונקשרים אליהם, ועל ידי כך מונעים מהחלבונים הלא מקופלים ליצור אינטראקציות לא רצויות עם מולקולות שכנות שעלולות לשבש את המשך הקיפול. במקרה של קיפול לא נכון, הם מאפשרים לחלבון להיפתח באופן חלקי וכך מעניקים לו הזדמנות נוספת להתקפל למבנה התקין שלו – כאילו הרימו את הכדור בחזרה לנקודה גבוהה יותר וגלגלו אותו למטה מחדש, בתקווה שהפעם יגיע לקרקעית.
אצל בני אדם, השפרונים מהווים כעשרה אחוזים מכלל המסה של החלבונים בתא. הם מתחלקים לכמה משפחות שנבדלות זו מזו במבנה ובפעילות. חלק מהשפרונים מופעלים בתגובה לשיבושים בתפקוד התא (מצבי עקה), אך רובם פועלים ברציפות מכיוון שפעילותם חיונית להמשך תפקודו התקין של התא. השפרונים השונים פועלים אלה לצד אלה ויוצרים מערכת שלמה שמסייעת לקיפול תקין של חלבונים. וכך הם מגינים על החלבונים ושומרים את גופנו בריא ומתפקד.
