סיכום חלק מהחומר בביוכימיה

הערה חשובה: אין תאימות מלאה לחומר שלנו

ולכן – לקחת בערבון מוגבל, כדאי גם ללמוד את המצגות

במיוחד מומלץ הפרק על האינזימים והפרק על–אף על פי שהחומר פה הרבה יותר ברור

ההמוגלובין

מבנה חומצה אמינית:

. כל שאר חומצות האמינו מכילות מרכז קירלי. Hבגליצין השייר הצדדי הוא

L-ו Dהם אננטיומרים, תמונות ראי לא חופפות. שני אננטיומרים מסובבים את מישור האור

המקוטב לכיוונים הפוכים. בטבע קיים רק סטריאואיזומר פעיל אחד, כל חומצות האמינו הן

. Lמסוג

אם מציבים את פחמן אלפא והשייר הצדדי– CORNLAWאפשר לזהות אננטיומרים לפי כלל

מעליו, הקבוצה האמינית תהיי בצד ימין.

קב' עיקריות של ח.אמיניות:5יש

: לא פולאריות, אליפתיות.1

ח.אמינית גמישה, יימצא באיזור בו צריך גמישות קונפורמציוניות. –גליצין

שייר עם הכי פחות גמישות, שלושה מתמירים בשייר הצדדי הסוגרים טבעת–פרולין

מחומשת עם השלד.

מותמר במתיל.–אלנין

בזכות אטום הגופרית יכול ליצור קשרים פולאריים.–מתיונין

ופחמןL איזומרים אופטיים. פחמן האלפא הוא 4 שני מרכזים קירליים, –איזולואצין

הבטא יכול להשתנות.

ארומטיות:.2

מכיל טבעת מותמרת בכוהל.–טירוזין

על הטבעת יש פולאריות שנוצרת מרזוננס ולכן נראה אינטראקציות פולאריות עם

הטבעת.

ננוטמטר, שזה באנרגיה נמוכה יותר280טירוזין וטריפתופאן בולעים אורך גל של

משאר החומצות.

מייצבות את מבנה החלבון. שכיחותstackingאינטראקציות פאי-קטיון ואינטראקציות

שיירים אלו נמוכה ואפשר באמצעותם לאפיין את ריכוז החלבון.

stacking – שתי טבעות הנמצאות "אחת מעל השנייה" עם קשרי מימן ואן-דר-ואלס

פולאריות לא טעונות:.3

-( בשייר הצדדי שלה. שתי חומצות אמינו מסוגSHציסטאין מכילה קב' תיאולית )

ציסטאין יוצרות קשר קוונלטי )חזק(, הנקרא גם קשר די-סולפידי.

בעלת שני מרכזים קירליים. –תראונין

נערף ע"י ערן ברקאי –מתוך חומר של בר אילן ואוניברסיטת

ירושליים

שיירים טעונים חיובית: .4

טעונות חיובית. חומצות אלו בחלבוןpH 7חומצות האמינו ליזין, ארגינין והיסטדין ב

יופנו לרוב כלפיי חוץ, עוברות אינטראקציות מחוץ לחלבון עם אניונים או קשרי מים.

, מה שמקנה לה יכולת גם6 שלו הוא PKaבהיסטדין השייר הצדדי הוא אימידזול וה

( והיא גם מתאימה לארומטיות. ליזין וארגינין בעלות7לתת וגם לקבל פרוטון )קרוב ל-

שרשרת פחמנים יחסית ארוכה ולכן הן יכולות גם ליצור קשרים הידרופוביות.

: שיירים טעונים שלילית.5

טעונות שליליות. השייר הצדדי שלהן הואpH 7חומצה אספרטית וחומצה גלוטמית ב

קבוצה קרבוקסילית. חומצות אלו לרוב פונות כלפי חוץ ויוצרות קשרי מימן וקשרים

. םאלקטרוסטטיי

חומצות אמיניות לא סטנדרטיות. 300 חומצות אמינו אלו יש עוד כ-20מלבד

הידרוקסידפרולין.4 –דוגמא לחומצה זו - פרולין מותמר בהידרוקסיד

Zwitterion – -בpH=7חומצות אמיניות נמצאות במצב של צוויטריון – יון טעון חיובית

הצוויטריון הוא אמפוטרי. .0ושלילית. סה"כ המטען החשמלי =

חומר שיכול לתפקד גם בחומצה וגם כבסיס. –אמפוטרי

נותנת את הפרוטון שנמצא על הקב'–* חומצה אמינית יכולה להיחשב כחומצה בי-פרוטית

הקרבוקסילית ולאחר מכן היא נותנת את הפרוטון שנמצא על הקבוצה האמינית.

טיטרציה:

, נגזר ממשוואת הבופר. pKa = pHבנקודת סוף הטיטרציה

עולה כשמעלים את ריכוז יוני ההידרקוסיד. ככל שמעלים את ריכוזPHבטיטרציה רמת ה

בנקודה זו.pH שווה לpk1הבסיס, יותר פרוטונים נקרעים מהקבוצה הקרבוקסילית עד לנקודה

,OH. בשלב השני ממשיכים להעלות את ריכוז הCOO- שווה לריכוז הCOOH ריכוז הpk1 ב

. pk2פרוטונים עתה נקרעים מהקבוצה האמינית עד שמגיעים ל

צורת הגרף של הטיטרציה של גליצין מעידה על כך שגליצין היא

בופר מוצלח. עקומת טיטרציה של בופר צריכה להיות כזו שיש

. תקו מאוד מתון סביב הנקודה האקוויוולנטי

pI –המולקולה נמצאת במצב של מטען נקודה איזואלקטרית -

פורמלי אפס, וכאשר שמים אותה בשדה חשמלי היא לא תנוע לאף צד. נקודה זו קלה לחישוב

. pK 2 ו-1pK הממוצע החשבוני של –

מטען פורמלי שלילי. יהיה מטען פורמלי חיובי ומעל יהיה pI מתחת ל

דומים. pIרוב החומצות האמיניות הסטנדרטיות בעלות ערכי

טיטרציה של חומצת גלוטמית:

חומצה גלוטמית היא בעלת שלושה פרוטונים ולכן עקומת הטיטרציה תהייה מחולקת לשלושה

שלבים. הפרוטון הראשון שעוזב הוא של הקרבוקסיל, הקרבוקסיל של השייר הצדדי ייתן את

הפרוטון השני והקבוצה האמינית תיתן את הפרוטון השלישי. הנקודה האיזואלקטרית תהיה

. מעבר לנקודה זו המטען הפורמאלי יהיה שלילי. ביצענו ממוצעpK2 ו-pK1הממוצע של

הראשונים כדי למצוא את נקודת אמצע של המטען השלילי, שהיאpKחשבוני רק בין שני ה-

"תתקזז" עם המטען החיובי של הקבוצה האמינית.

ל-pkRבמקרה של היסטדין הנקודה האיזואלקטרית תהייה בין

pk2 .

שלהם הוא גבוה, pIהחומצות האמינו עם שייר צדדי חיובי ה

נמוך. pIוהחומצות האמינו שטעונות שלילי בעלות

חומצות אמיניות מתחברות זו לזו בריאקציה דחיסה:

והאמין נותן פרוטון. יוצאת מולקולת מים ונוצר קשר חדש הנקרא קשרOHהקרבוקסיל נותן

. יש שיוויראמידי או קשר פפטידי. ריאקציה זו לא מתרחשת בצורה ספונטאני ודורשת קטליזטו

משקל בין המגיבים לתוצרים, אשר נוטה לתוצרים. צריך לאקטב את הקבוצות הפונקציונאליות

כדי שיגיבו.

שלוש חומצות אמינו ביחד נקראות טרי-פפטיד וכו'.

לרוב מסומן בכחול( והצדN-terminalבפפטיד, הצד השמאלי הוא הקצה האמינו טרמינלי )

לרוב מסומן באדום(. C-terminalהימני הוא הקצה הקרבוקסילי )

כשבונים עקומת טיטרציה לפפטיד מספר הקבוצות המוסרות פרוטון עולה. לכל פפטיד עקומה

משלו, והיא מכתיבה את התכונות שלו.

ניתן לחשב את המשקל המולקולארי בפפטיד לפי חומצות האמיניות המרכיבות אותו. המשקל

פחות מולקולת– 110. בפפטיד צריך להכפיל רק ב-128המשוקלל של החומצות האמיניות הוא

גר' למול(. 18מים )

מבנה חלבונים:חלבונים מורכבים, הבנויים ממאות חומצות אמיניות מתקפלים למבנה ספציפי וקומפקטי.

אם החלבון לא יתקפל בצורה הנכונה, היעילות שלו תרד באופן משמעותי. המבנה התלת ממדי

נקבע ע"י המבנה הראשוני.

רמות ארגון של חלבון:

תלוי בקשרים הגדרת סדר חומצות האמינו בשרשרת והקשרים הדי-סולפידים, – מבנה ראשוני

הנוצרים בין חומצות האמינו. מבנה כזה יכול להתקפל וליצור כמה מבנים. םהקוולנטיי

באזורים שונים של החלבון יש תבניות מבניות בסיסיות החוזרות על עצמן. ישנם– מבנה שניוני

בין החומצות האמינוקשרי מימןשני סוגים בסיסיים של מבנה שניוני, שניהם נקבעים על ידי

(. בנוסף יש מקטעיםBeta Sheet )משטחי בטא( וAlpha Helix )סלילי אלפאהצדדיות. שמם:

(. המבנה השניוני הוא הסדר והגדלים של המבנים הללוRandom coilללא מבנה קבוע )

בחלבון.

האזורים המחברים בין האזורים השניוניים. בתוך לופים אלו יתכן שחומצה אמינית–לופים

אחת תקבל ערכים של פאי ופסאי לפי סיבוב היד השמאלית.

מכיל מספר אלמנטים )למשל בטא, אלפא, בטא( החוזרים על– מבנה "סופר שניוני"

עצמם.

Domain –חלבון המחולק לחלק עליון ותחתון )ראה ציור משמאל(. כל חלק כזה נקרא

domain יש .domain .שיכולים לתפקד לבד

,תלוי בקשרים בין השיירים הצדדיים המבנה הסופי של החלבון כאשר הוא –מבנה שלישוני

כלומר המבנה התלת-ממדי המתקבל לאחר קיפול שרשרת. כאשר יש חלבון עם יותר

משרשרת פופליפפטידית אחת הוא יכול ליצור מבנה רביעוני, תכונה זו תלויה בחלבון.

הרבה חלבונים מורכבים משניים או יותר שרשראות פוליפפטידים הנקראים – מבנה רביעוני

תתי יחידות. האינטראקציה בין תתי היחידות בתוך החלבון יוצרת שינוי במבנה. הם מתאימים

עצמם אחד לשני ויוצרים מבנה משותף.

דוגמא למבנה רביעוני הוא מולקולת ההמוגלובין -

תתי יחידות שכולם בצורת סלילי אלפא )נקראים4ההמוגלובין בנוי מ

2 α 2וβ תפקיד האלפא והבטא הוא ליצור "כיסים" לנשיאת .)heme

)הנושא את החמצן ואחראי לצבעו האדום של כדורית הדם(. כניסת החמצן לתת יחידה

הראשונה היא מסובכת, אך היא משנה את המבנה של שאר החלבון כך שכניסתם של שאר

מולקולות החמצן תהיי קלה יותר.

שינוי של שייר צדדי אחד בחלבון מביא לשינוי החלבון כולו והוא יהיה בעל תכונות

שונות.

חלבונים מתחלקים לשתי מחלקות עיקריות:

חלבונים ספריים, עגולים. –חלבונים גלובולארים

לרוב לא מסיסים, ברוב בע"ח חלבונים אלו הם חצי ממשקל האורגניזם.–חלבונים סיביים

נוצר ע"י ריאקצית דחיסה של שתי חומצות אמיניות,–קשר פפטידי

יוצא מים. בקשר די-פפטידי יש שלושה קשרים קוולנטיים )ראה

)לא אלפא( קצר יותר מקשרC ל-Nתמונה(. גילו שהקשר בין ה-

סטנדרטי. גילו גם שהקשר הקרבונילי ארוך יותר מקשר כפול סטנדרטי.

מכך הסיקו שיש רזוננס:

נמצאים על מישור אחד, ושפחמני האלפא נמצאים מבדיקות מצאו שארבעת האטומים האלו

בטרנס אחד לשני. המסקנה מממצאים אלו היא שהקשר הפפטידי אינו כפול, אלא משהו

הנ"ל מיוצבים ברזוננס. הרזוננס יוצר מטען שלילי עם החמצןםבאמצע. הקשרים הקוולנטיי

ומטען חיובי על החנקן.

באחד מצורות הרזוננס יש מומנט דיפול, הנותן פולאריות לקשר הפפטידי. הקשר הפפטידי אינו

בודד, ולכן אין סיבוב חופשי סביבו.

השרשרת הפוליפפטידי מוגדרת כסדרה של משטחים עם שינויים זוויתיים בניהם.

כשיש יותר משלושה אטומים, יש צורך בקביעת זווית נוספת. זווית זו–זווית דה-הידראלית

. כדי לראות אותו יש לעשות השלכה4מוגדרת כסיבוב הקשר בין האטומים המרכזיים מתוך

דרך האטומים המרכזיים, הזוויות בין שני האטומים הנותרים היא הזווית הדהידראלית )תמיד

אטומים(. 4נקבעת סביב

השלד הפולי-פפטידי מורכב ממשטחים המוגדרים מהקשרים הפפטידים ומהשינוי הזוויתי

בניהם, מאפשר להגדיר את המבנה ע"י הזוויות. שתי הזוויות נקראות פאי

ופסאי, ומגדרות כך:

מגדירה את הזווית בין שני פחמנים. )N-Cα-C-N )ψ –פסאי

מגדירה את הזווית בין שני חנקנים.)C-N-Cα-C )φפאי -

כאשר מישורים סמוכים מוגדרים באותו מישור, זוויות פאי ופסאי שוות אפס.

גרף פאי-פסאי או גרף רמשנדרן:

הרעיון הוא שאם יש שרשרת פוליפפטידית אפשר להגדיר לכל חומצה אמינית את הפאי

. נוצר גרף עם אזוריםψ והציר השני מסמן פסאי φוהפסאי שלה. ציר אחד בגרף מסמן פאי

כהים יותר ופחות. האזורים שאין בהם כתמים בכלל הם אזורים שבהם לא יכולים להיות

מוגדרים זוויות פאי ופסאי כלל. הסיבה לכך היא שהזוויות פסאי ופאי מוגבלות ולא יכולות לקבל

כל ערך.

ברבעון הימני התחתון נוכל למצוא את חומצת האמינו גליצין, שהיא גמישה יותר משאר

חומצות האמיניות. הגרף בסיכומו מתאר את ההתפלגות הגיאומטריות של הקשרים

הפפטידים.

גילו שיש מחזור כלשהו בזוויות, כלומר שיש זוויות החוזרות על עצמן. כך גילו את המבנה

השניוני אלפא הליקס.

אלפא הליקס:

מבנה אלגנטי בו השרשרת הפוליפפטידית מעוגנת בצורה סלילית סביב ציר מרכזי אחד.

3.6 אנגסטרם, סיבוב שלם של אלפא הליקס הוא 5.4המחזוריות של אלפא הליקס הוא

חומצות אמיניות. השיירים הצדדיים פונים כלפי חוץ, והמבנה הוא יציב וחזק כי הוא מיוצב ע"י

וכן4קשרי מימן )בין אטום מימן המחובר לחנקן האמידי של השייר הראשון לבין החמצן מספר

חומצות אמיניות הפרש בין כל קשר מימן. האלפא הליקס שיש4הלאה(. כלומר, יש בערך

הסיבוב הוא לפי כיוון –בחלבונים יהיה לפי סיבוב היד הימנית )מבצעים תנועה זאת

האצבעות(. יש לשים לב כי גרף הרמשנדרן גם מגדיר אלפא הליקס של סיבוב היד השמאלית

בפינה הימנית העליונה.

כאשר יש מספר חומצות אמיניות ברצף הטעונות שלילית או חיובית, הם יפרו את הייצוב של

האלפא הליקס, והיצירה שלו תהייה מעוקבת או שלא תתקיים. גם חומצות גדולות סמוכות

יפריעו למבנה זה.

אם בעמדה אחת יש חומצה אמינית גלוטמית ובחומצה ארבע או שלוש יש ארגינין,

ייצבו את המבנה. כמו כן, שתי חומצות ארומטיות )באותותהאינטראקציות האלקטרוסטאטיו

שהוא גורם מייצב. יש תבניות המייצבות את אלפאstackingמרווח חומצות אמיוניות( יגרמו ל

הליקס ויש תבניות המפרות ייצוב.

המטענים בקצוות האלפא הליקס יכולים להפר את הייצוב. אורך החלבון הוא ביחס ישיר

+ יש בקצהδלמומנט הדיפול - ככל שהאלפא הליקס גדול יותר יש מומנט דיפול גדול יותר.

חומצות האמינו4 בקצה הקרבוקסילי, כאשר לאורך ההליקס יש דיפולים רבים. – δ האמיני ו

הממוקמות בכל קצה אינן משתתפות בקשרי המימן.

יש חומצות אמיניות שנדירות באלפא הליקס ואלו יפריעו ליצירת המבנה. חומצות כאלו הן

גליצין ופרולין. הפרולין מפריע ליצירת קשרי המימן )החנקן אינו פנוי להגיב(. אלפא הליקס עם

פרולין יקבל כיפוף, במקום הכיפוף היא אמור להיות הקשר המימני. לגליצין יש גמישות רבה

מאוד בשביל המבנה.

כאשר חומצות אמיניות טעונות שלילית וחיובית נמצאות בסמיכות הן יפרו את הייצוב של

חומצות אמינו מחומצות3החלבון. חומצות אמיניות טעונות חיובית לרוב יימצאו במרחק של

אמיניות טעונות שלילית.

בצבר של מספר פפטידים החומצות הפונות למרכז החלבון תהיינה הידרופוביות והחומצות

הפונות כלפי התמיסה יהיו פולאריות. כששני צדדים בחלבון בעלי תכונה שונה זה נקרא הליקס

. ת הידרופוביות לעומת להידרופיליו–אמפיפטי, למשל במקרה הזה

משטחי בטא:

מבנה משטחי, חומצות אמיניות פונות כלפי מעלה או מטה. גדילי הבטא עושים

קשרי מימן קרובים,2אינטראקציה עם שיירים הנמצאים בגדיל בטא סמוך. יש

פראלרי ואנטי-פראלרי. אנטי הוא שכיוון החומצות–הפסקה ושוב. שני סוגים של משטחי בטא

האמיניות הוא הפוך.

יש טעות בכיוון

החצים

משטחי הבטא אינם שטוחים לגמרי, יש בהם פיתול מסוים. חלבונים מורכבים ממשטחי בטא

פראלרים ואנטי-פראלרים. בפראלרים קשרי המימן רחוקים יותר מאשר באנטי-פראלרי.

Turnsβ חומצות אמיניות המחברים בין גדילי בטא רק אנטי-פראלרים )בין4 - אזורים עם

מחוזקים ע"י קשרי מימן ונראה שם לרוב חומצותTurnsβפראלרים צריך חיבור יותר ארוך(. ה-

אמיניות גליצין ופרולין. גליצין מתאימה כיוון שהיא גמישה וקטנה והפרולין מתאימה בגלל

ולכן מקבעת את המבנה. Uשהיא סוגרת עם עצמה טבעת ויוצרת צורה של

שרשרת פפטידית לא מבנה שניוני מוגדר, רצף זה מחבר בין מבנים שניוניים. – לופ

פרולין -

ציס הוא מצב לא יציב בגלל התנגשויות ולכן רוב קשרי הפפטידים

יהיו בטרנס. פרולין היא החומצה האמינית היחידה שיכולה להיות

גם בציס וגם ובטרנס. יש לה שני איזומרים הנובעים מסיבוב הקשר

ולכןUבין הפחמן לחנקן. ציס יגרום לכיפוף בשרשרת ולמאין צורת

יהיה רק בלופים.

סיכום גרף הרמשנדרן:

גלובולאריים וסיביים.–כאמור יש שני סוגי חלבונים

החלבונים סיביים הם חלבונים החשובים מאוד

לתפקוד המערכות הביולוגיות. דוגמאות לחלבונים

אלו אלפא כרטין )מוכל בשיער, ציפורניים, שריון

של צב וכו'( וקולגן )נמצא בקרנית העין, מטריצה של העור, כלי הדם(.

חלבונים סיביים אינם מסיסים. דוגמא לכך היא שכשחופפים את השיער הוא אינו נמס. שטח

שמחזקת אתםהפנים הוא הידרופובי והמערכת מחוזקת ברשת סבוכה של קשרים קוולנטיי

המבנה הבסיסי.

אלפא כרטין:

היחידה הבסיסית של אלפא קרטין הוא אלפא הליקס )סיבוב היד הימנית(, ואז יש פיתול של

(. הפיתול המיוחד מסביר אתcoil-coilשני אלפא הליקסים מקבילים אחד סביב השני )נקרא

הקשיחות והיציבות של המבנה. יש שכיחות רבה של החומצות האמיניות ההידפוביות. אלפא

קרטין מכיל כמות אדירה של ציסטאין, היוצרים קשרים די-סולפידים בסביבה מחמצנת.

קשרים אלו מייצבים את המבנה.

יצירת פרמננט בשיער:

בשלב הראשון מחזרים את הקשרים הדי-סולפידים, ואז שמים את השיער בתבנית מסוימת

שגורמת לסידור מחדש של הקשרים. הארגון מחדש של הקשרים ייקבע את הקונפורמציה

החדשה של השיער.

קולגן:

היחידה הבסיסית של הקולגן היא הליקס עם סיבוב היד השמאלית. שלושה סלילים כאלו

מלופפים אחד סביב השני לפי היד הימנית. הקולגן מיוצב בקשר קוולנטי ייחודי הנעשה בין שתי

חומצות אמינו מסוג ליזין. יש שתי חומצות אמינו מיוחדות - הידרקסיפרולין והידרוליזין.

הידרוליזין יוצרת את הקשרים בקולגן. קשר זה גמיש מאוד ולפיכך הקולגן גמיש מאוד.

מוטציות בקולגן:

עיוותים נגרמים ע"י מוטציות בקולגן. יש מחלות גנטיות ולא גנטיות הקשורות לקולגן, למשל

. C וויטמין צפדינה אשר אינה גנטית. מחלת הצפדינה - מחלת הצפדינה היא מחסור חמור ב

התסמינים הראשונים למחלה הם התרופפות השיניים, דימום בחניכיים, היחלשות העור

והעצמות. בשלבים הראשונים של המחלה אפשר לתקן אותה ע"י דיאטה נכונה.

( - שלהידרוקסיל )OH של קולגן תלויה בהידרוקסילציה - הוספת קבוצת תסינתזה נורמאלי

שמבצעים את ההידרוקסילציהאנזימים. שלושה מהרשתית התוך-פלזמתית בליזין ופרולין

)=חומר הדרוש לאנזים בשביל לזרז תגובה כימית(. הויטמיןקו-פקטור בתור Cדורשים ויטמין

C .ןבוויטמיבמקרים של חוסר תורם להם אלקטרונים, ובכך מחזר אותם Cאנזימים אלה לא

יתפקדו ולמעשה ההידרוקסילציה לא תתבצע. כתוצאה מכך, מבנה הסליל המקנה את יציבות

צר והמולקולה תהיה חלשה ולא יציבה, מה שיגרום למחלת הצפדינה.והמולקולה לא י

* בחלבונים הסיביים שפגשנו המוכלים במשי או בקורי עכביש נראה לרוב מבנה שניוני אחד.

משטחי בטא הרבה יותר ארוכים מאלפא הליקס, וסה"כ שניהם ארוכים מדיי כדי להישאר

מימד סביר יותר בתא. –בצורה לינארית. לכן הפפטיד קורס לצורה גלובולארית

חלבונים גלובולארים:

חומצות אמיניות. יש לחלבון זה קבוצה פרוסטטית153 חלבון יחסית קטן, מכיל – מיוגלובין

נמצאת גםheme, והוא זה המעניק את הצבע האדום. קבוצת ה-hemeמסוג

אלפא הליקסים. בחלבון זה גילו לראשונה את8בהמוגלובין. המיוגלובין מורכב מ

מבנה האלפא הליקס.

החומצות האמיניות הצבועות בכחול הן הידרופוביות וכולן פונות כלפי ליבת

החלבון. מעטפת החלבון מכילה שיירים פולאריים, חוץ משניים שפונים פנימה.

מולקולות מים. מולקולות4האריזה של החלבון מאוד הדוקה ובתוך החלון יש רק

המים יוצרות קשרי מימן.

כל הקשרים הפפטידים הם מסוג טרנס ויש מספר פרולינים שכולם נמצאים

באזור של לופ. הטבעת הפרופירינית שבמרכזה הברזל נמצא במעין שקע. אטום הברזל באמצע

אנכיים. קשר אנכי אחד הוא עם אטום החנקן של היסטדין2 קשרים מישוריים ו4הא בעל

והקשר השני פנוי לקשירת חמצן.

המיוגלובין תפקידו בין היתר לאגור חמצן, והוא נמצא הרבה בשרירים.

המגוון של החלבונים הגלובולאריים הינו גדול:

איבוד הקשרים הפפטידים ושינוי המבנה המרחבי של החלבון.–דנטורציה

דנטורציה בלתי הפיכה היא כאשר הקשרים הפפטידים נהרסים לגמרי

והחלבון לא יחזור לתפקד.

אוpHבאמצעות דטרגנטים אפשר לפרק חלבון בצורה הפיכה. למשל ע"י

דטרנגטים מסוימים )למשל אוריאה שמחזרת( שכשנסיר אותם החלבון

. רנטורציהיחזור לתפקד. תהליך זה נקרא

ניסוי:

. אחרי חימוםה מולאר אוריא6 קשרים די-סולפידים הושם ב-4חלבון בעל

ציסטאנים8החלבון נפרם לחלוטין ושמונת הציסטאינים השתחררו.

קשרים די-סולפידים. אחרי הפרימה השיבו את החלבון4נותנים אופציה ל

לתנאים נוחים והחלבון חזר לפעילות מלאה.

המסקנה מהניסוי היא שרצף החומצות האמינו מקודד לקיפול החלבון. לא כל חלבון יכול

–להתקפל בצורה עצמאית, יש מערך חלבונים מיוחד שתפקידו לעזור בעת הקיפול. צ'פרונים

בתהליך הקיפול.םמלווים את החלבונים הבעייתיי

שניות. איך5 מעלות, יתקפל במשך 37 חומצות אמיניות בטמפ' של 100חלבון המורכב מ

החלבון יודע לבצע קריסה זו?

דרגות חופש, כמה אפשרויות קיפול יש? הרבה. 10אם לכל חומצה אמינית יש

כל אפשרות כזאת לוקחת פרק זמן של ויברציה בין אטומים. נכפיל זמן זה במספר האפשרויות

שנה. לפיכך, לא יכול להיות מצב כזה ומספר דרגות החופש73 בחזקה 10ונקבל משהו כמו

. איננו יודעים איך המבנה המרחבי מקודד בתוך הרצף החלבוני. 10הוא הרבה יותר קטן מ-

לאחר סנתוז החלבונים נוצרים מבנים שניונים העוברים– קיפול היררכיתיאוריה אחת היא

קריסה הידרופובית ולאחריה מתקיימת מערכת אנרגטית שבסופה הוא מגיע למינימום

הגלובאלי.

המוגלובין:

תפקידו לשאת את החמצן מהריאות לרקמות ולהחזיר את תוצרי הנשימה מהרקמות לריאות.

שרשראות פוליפפטידיות. יש שתי שרשראות אלפא ושתי בטא. לכל4המוגלובין מורכב מ

ברזל עובר קורדינציה לטבעת פרופירינית. מולקולת– heme שרשרת פפטידית קשורה קבוצה

. כשהם לא מחוברים זה נקראhemeההמוגלובין נקראת כך רק כשהשרשראות מחוברות ל

גלובין. אלפא ובטא היא לא פונקציה של המבנה השניוני, אלא מספור לטיני )יש שוני בניהם(.

מהמיוגלובין, לקח הרבה זמן לפענח את המבנה שלו. ההמוגלובין4מאחר שההמוגלובין גדול פי

אנגסטרם. תת הקבוצות של המולקולות מסודרות55היא מולקולה ספרית עם רדיוס של בערך

4. הסוד של המולקולה זה הסידור המרחבי של hemeבצורה טטראדרלית וכך גם קבוצות ה-

תת היחידות. יש הבדל משמעותי בארגון בין המצב שהוא קושר חמצן לבין המצב שאינו קושר

אוקסי לעומת דה-אוקסי. כאשר משווים את הרצפים של שרשראות האלפא והבטא–חמצן

חומצות אמיניות שמורות זהות בין שלושת27למיוגלובין אפשר למצוא דמיון רב מאוד. יש

השרשראות, כלומר יש עוד הרבה חומצות אמיניות לא זהות בניהם. זה מעיד על קירבה

אבולוציונית בין הפפטידים האלו. למיוגלובין ולשרשרת הבטא יש אותו קיפול, אותם הליקסים,

נמצאת באותו הכיס. הברזל בהמוגלובין, כמו במיוגלובין, עובר קורדינציה עםhemeקבוצת ה

היסטדין וקושר חמצן בצד השני.

מה אפקטיביות ההמוגלובין בנשיאת חמצן?

מיוגלובין לעומת המוגלובין:

הגרף המתאר את המיוגלובין הוא הגרף ההיפרבולי, האפיניות שלו לחמצן

מתרחשת מהר כבר בשלבים הראשונים. הגרף עבור ההמווגלובין שונה באופן

האפיניות שלו בשלבים הראשונים יותר נמוכה. –משמעותי

מיוגלובין אוגר חמצן, המוגלובין משנע את החמצן. להמוגלובין יש זיקה נמוכה

יותר לחמצן מאשר למיוגלובין. אחרי הקישור למולקולת החמצן הראשונה

. הזיקה של שלוש תת היחידות הנותרות עולה500)להמוגלובין(, הזיקה גדלה פי

משמעותית. זיקה זו מלווה בהשקעת אנרגיה.

קשרים יונים מחזקים את האוריינטציה של התת-יחידות. כאשר ההמוגלובין עובר ממצב

מצב– T-formדה-אוקסי לאוקסי הרבה קשרים נשברים ולכן צריך להשקיע אנרגיה.

כרוך בשבירת הרבה מאוד קשרים. זהR לT מצב האוקסי. מעבר מ– R-formהדה-אוקסי,

– חיובית תאחד הסיבות לכך שהקישור של החמצן הראשון הוא כל כך קשה. קואופרטיביו

:Tמתאר מצב בו הזיקה עולה לאחר הקישור של המולקולה הראשונה.

כאשר בדקו את הזיקה של ההמוגלובין לחמצן בתאי הדם כנגד מולקולות המוגלובין מנוקה

שאינה נמצאת בתאי הדם, ראו הבדלים משמעותיים. התברר שהזיקה בתאי הדם נמוכה

(. חיפשו מה הוא הגורם המשפיע על תופעה זו, וגילו מולקולה26בהרבה )יורדת בפקטור של

הטעונה שלילית היא שגורמת לעיכוב של הקישור לחמצן הראשון. היחס ביןBPGבשם

נקשרת לשקע קטן בתוךBPG. מולקולת ה1:1מולקולות ההמוגלובין למולקולה זו היא

ההמוגלובין במצב הד-אוקסי )בלבד( ורוב הקישורים שלה הם יוניים. במעבר למצב האוקסי

והוא יוצא החוצה. מאחר ויש לו קישורים להמוגלובין, הואBPGהבקע נסגר, אין מקום ל-

מעכב את המעבר.

. BPGהסיבה שהזיקה יורדת היא כי צריך גם להשקיע אנרגיה כדי להיפטר מה

למה זה קורה?

מהווה בקרה בגוף והיא דרושה לנו בתור יונקים. עוּברים ברחם בעליBPGמולקולות ה

,BPGהמוגלובין הבנוי משרשראות אלפא וגמא. המוגלובין זה לא יכול לקשור את ה-

לכן החלבון העוברי קושר את החמצן בזיקה גבוה יותר ולכן הוא מקבל את כמות

החמצן הנדרשת בלי עיכובים.

? R לTמה הבסיס המבני לשינויים הקונפורמטיבים בין

אין כמעט שינויים. בין אלפא אחד ובטא אחד יש תנועה של2 ובטא 2באלפא

שרשראות אלפא הן יכולות לקשור4 מעלות. אם מבודדים את 15סגירת מספריים ב

שרשראות בטא נוכל ליצור4חמצן עם אותו הפרופיל של ההמוגלובין. אם ניקח

טטרמר שהוא גם קושר חמצן באתו הפרופיל של המוגלובין. עם זאת, רק השילובים בין אלפא

ובטא יכולים לבצע שינוי קונפורמטיבים.

קישור החמצן: – נקודת ההתחלה

אטום הברזל לא נמצא במישור הטבעת, הוא משוך לכיוון ההיסטדין– hemeקבוצת ה-

אנגסטרם. כשחמצן נקשר הוא מושך את הברזל לתוך מישור הטבעת. ההיסטדין0.4

קשור לאלפא הליקס

מסוים וכאשר החמצן

מושך את ההיסטדין

נמשך גם ההליקס, והתזוזה גרורת לשינוים משמעותיים.

(. הציאניד נקשרC≡Nההמוגלובין יכול לקשור גם פחמן חד חמצני, פחמן דו חמצני וציאניד )

טוב מהחמצן להמוגלובין ולכן הוא גורם למוות מהיר.

. פחמן דו חמצני לא מסיס במים ועל מנתCO2כחלק מתהליך הנשימה, ההמוגלובין מעביר

ולשחרר פרוטון. CO2 + H2O HCO3 –שייספג בדם הוא צריך לעבור ריאקציה בסיסית

יש השפעה חשובה על היכולת שלpH בדם יורד. לpHבריכוז גבוה של פחמן דו חמצני ה

המוגלובין במצב של פרוטונציה נוטה פחות לקשור חמצן. המוגלובין ההמוגלובין לקשור חמצן.

. R והמוגלובין בלי פרוטון נמצא במצב Tבמצב של פרוטונציה מיוצב במצב

נמצא על שרשרת בטא ויוצר קשר מלח עםhis-146 פיזיולוגי. PHהיסטדין לוקח פרוטון ב

שעוברים פרוטונציהhis. קיימים עוד Tחומצה אספרטית. אינטראקציה זו מקבעת את מצב ה-

. אפקט בוהר אפקט זה נקרא Tומקבעים את מצב ה-

- ריכוז גבוה של פרוטונים --< חמיצות --< קיבוע מצב הד-אוקסי )לסיכום

T .)

עולה, ההמוגלובין נוטה לקבל חמצן ולהיות במצב האוקסי. PHבריאות ה

שינוע פחמן דו חמצני -

טרמינלי של כל שרשרת פולי-פפטידית. קישור זהNפחמן דו חמצני נקשר להמוגלובין בקצה ה

פולט פרוטונים ותורם לאפקט בוהר. זוהי ריאקציה אנזימטית בה הקצה האמינו טרמינלי הופך

לקרבואמינו-טרמינלי.

עקב יצירת קשרים יונים בקישור הפחמן הדו חמצני להמוגלובין, המערכת מעדיפה את מצב ה-

T .

מתחיל לטפס, פחמן דו חמצני משתחרר,PHבריאות כאשר מצב הדם הוא רווי בחמצן, ה

הריכוז שלו יורד וההמוגלובין עובר למצב שהוא יכול לקשור חמצן.

? איך מתבצע המעבר?R למצב ה-Tמהי הדינמיקה של השינויים של ההמוגלובין בין מצב ה-

(.R מצב ה-–, ריבוע T מצב –יש שני מודלים עיקריים לקשירת ליגנד: )עיגול

1.concerted )a( MWC – "אם יש טטטרמר של– "הכל או לא כלום

המוגלובין הוא כל הזמן נמצא במצב של מעברים קונפורמרים. כל היחידות

עוברות בין המצבים.

2.sequential )b( – המולקולה יכולה לעבור בתוכה למצב T-ו R,במצב עצמאי

ללא תלות במונומרים האחרים.

הערה: יש מודל שלישי שאנחנו למדנו והם לא

אנמיה חרמשית:

מחלות גנטיות הקשורות בעיוותים של מולקולת ההמוגלובין. חלק מהמחלות300יש יותר מ-

גורמות לאנמיה כרונית במצב סביל, ובחלקן מצב האנמיה הוא קריטי בהרבה.

מחומצה– 6אנמיה חרמשית נגרמת ע"י מוטציה נקודתית אחת בשרשרת בטא בעמדה

גלוטמית לחומצה וליני. החומצה הולינית הינה הידרופובית. על פני שטח

יש שתי נקודות מוטציה. המעבר בין חומצה טעונה לחומצהןההמוגלובי

הידרופובית גורם למולקולות המוגלובין להיקשר אחת לשנייה. המבנה של

והיא קושרת חמצן ביעילות נמוכהSהמולקולה משתנה, נקרא המוגלובין

יותר.

* אם מחלה זו גורמת לעיתים למוות, איך מחלה כזאת נשמרת במהלך

האבולוציה?

אנשים בעלי הגן הפגום עמידים להדבקה במלריה, מצד אחד הם נשאים את האנמיה

החרמשית ומצד שני הם לא מתים במלריה.

אנזימים:

בגוף שלנו מתבצעות אינספור תגובות שמחזיקות את החיות שלנו ורובם לא יתרחשו בצורה

ספונטאנית. תגובות צריכות שפעול כדי שיתרחשו והמולקולות שעוזרות לתגובות אלו להתרחש

הם האנזימים. האנזימים הם חלבונים, קטליזטורים )זרזים( טבעיים ומה שמייחד אותם זה

עם תכונות קטליטיות. RNAהספציפיות. מלבד האנזימים יש גם מולקולות

האנזים מבצע את הריאקציה על סובסטרט, הריאקציה מתבצעת על אתר מסוים באנזים

שנקרא ה"אתר הפעיל". ישנן מספר שיירים קטליטים הלוקחים חלק בריאקציה.

רוב אנזימים משפעלים ריאקציה אחת. אנזים שיכול לשבור קשר פפטידי יכול גם לשבור קשר

אסטרי, ולכן למרות הספציפיות לעיתים הם יכולים לשפעל ריאקציה של מולקולות דומות.

ספציפיות של אנזימים זה דבר משתנה ע"פ הארגון של האתר הפעיל וסביבתו. הספציפיות

תגרום על איזה סובסטרט האנזים יבצע את הריאקציה ובאיזה יעילות. יש אנזימים עם

ספציפיות גדולה מאחרים.

אנזימים הן מולקולות מבוקרות -

בקרת איזון חוזר:

התוצר הסופי של הריאקציה יכול לעקב את פעילות האנזים. כשהתוצר נוצר בעודף, הוא מעכב

את הביו-סינתזה של עצמו. כאשר ריכוז התוצר יורד, ויש דרישה, התוצר עוזב את האנזים

והיצירה שלו מתחילה שוב.

האנזים פוגש את הסובסטרט, אם–ריאקציה אנזימטית בסיסית יכולה להירשם בדרך הבאה

הם מתאימים נוצר קומפלקס אנזים-סובסטרט, אח"כ יש שבירה וקשירה של קשרים כימים

ונוצר קומפלקס אנזים-תוצר. התוצר לא מתאים כל כך לאנזים ולכן הקומפלקס מתפרק

והאנזים מוכן לריאקציה נוספת.

קצב הריאקציה הוא מונח קינטי ואינו קשור לשיווי המשקל. שיווי המשקל הוא ערך

אנרגטי. יתרמו-דינאמ

הריאקציה:תדיאגרמ

אם רמת האנרגיה של התוצר נמוכה יותר, שיווי המשקל של

הריאקציה יטה לכיוון תוצרים. מהסובסטרט לתוצר יש מחסום

אנרגטי וצריך להשקיע אנרגיה כדי לעבור את המחסום. אנרגיה זו

נקראת אנרגית אקטיבציה. אם לא תהיה השקעת אנרגיה התגובה

ללא תתרחש. האנזים תפקידו להוריד את אנרגית האקטיבציה באופן משמעותי, וע"י כך הוא

מחיש את הריאקציה. הוא עושה זאת ע"י יצירת התנאים הכימיים עבור הסובסטרט כדי

שיעבור להיות תוצר.

השלב האיטי, בו מושקעת יותר אנרגיה.– שלב קובע מהירות

האתרים הפעילים של האנזים נמצאים לרוב בבקע כלפי פנים האנזים.

האתר הפעיל מכיל מספר מועט של חומצות אמיניות, הלוקחות חלק בקישור ובריאקציה. כדי

להגיע ליעילות מרבית צריך ששלד המערך יהיה בנוי כך שלא תהיה השקעת אנרגיה מיותרת.

אנזימים התייעלו במהלך האבולוציה.

האתר הפעיל הוא מערך תלת מימדי של שיירים ויש צורך בדיוק גבוה כדי לקבוע את דיוק

האנזים.

פולאריות, יונית, הידרופוביות. כאשר–הסובסטרט נקשר לאנזים באינטראקציות חלשות

הסובסטרטים גדולים שטח הפנים של האתר הפעיל הוא יותר שטוח. כאשר הסובסטרט קטן,

האתר הפעיל יהיה עם בקע עמוק. ספציפיות של אנזימים

–הביאה למודל "מנעול-מפתח"

האנזים בדיוק מתאים לסובסטרט.

המודל הזה החזיק הרבה מאוד שנים, אך התגלה כשגוי.

אם האנזים ייקשר בדיוק לסובסטרט לא תתרחש ריאקציה.

האנזים צריך להתאים למצב המעבר ולא לסובסטרט.

ריאקצית השבירה של הסובסטרט צריכה להיות ברמת

אנרגיה נמוכה. אם הסובסטרט יתאים לאנזים בצורה טובה, האנזים לא יהיה יעיל. כאשר

האנזים יתאים למצב הביניים )הכיפוף( האנזים יוריד את אנרגיית האקטיבציה באופן

משמעותי.

קשה לבודד את מצב המעבר, הוא מצב רגעי בלבד.

שינוי מבנה האנזים–ישנם אנזימים העוברים אדפטציה בהתאם למולקולות שהן קושרות

בהתאם לסובסטרט נקרא התאמה מושרית.

כשריכוז הסובסטרט נמוך קצב הריאקציה הוא ליניארי. כשריכוז הסובסטרט עולה, העקומה

הבאה מגיעה למקסימום מסוים ומפסיקה לעלות מעבר לערך זה.

נתנו הסבר לקשר הזה והגדירו מונחים קינטיים הקשורים לאנזימים ופעולתם.מיכאליס ומנטן

קינטיקה אנזימטית:

משוואת מיכאליס-מנטן קובעת את מהירות הריאקציה ההתחלתית כתלות בפרמטרים

מדידים: ריכוז האנזים הכולל, ריכוז הסובסטרט וקבועי הריאקציות.

הנחות בפיתוח המודל :

. ES הנחת קיום קומפלקס

)ריכוזו לא משתנה( :ESהנחת מצב עמיד עבור

K1>>K2 השלב הראשון מאוד מהיר. השלב השני הוא האיטי ולכן הוא השלב קובע –

V = K2[ES] יקבע כמה תוצר נקבל: K2המהירות. רק

ולכן ניתן להתייחס אליו כקבוע.[E] גדול בהרבה מריכוז האנזים [S]ריכוז הסובסטרט

זניח. הנחה זו נכונה רק K-2כמות התוצר שהופכת חזרה לסובסטרט היא זניחה. כלומר,

.V=V0בתחילת הריאקציה, כאשר

מהסובסטרט הפך 10%כאשר המודל דן במהירות ההתחלתית של הריאקציה בלבד.

.V0לתוצר אנחנו כבר לא במצב של מהירות התחלתית

K-1

K1 K2

E + S ES E + P K-2

1

משוואת מיכאליס-מנטן קובעת את מהירות הריאקציה ההתחלתית כתלות בפרמטרים

מדידים: ריכוז האנזים הכולל, ריכוז הסובסטרט וקבועי הריאקציות.

מהירות הריאקציה:

נגדיר ריכוז אנזים חופשי:)נגזר משימור החומר(

: ESקצב יצירת

:ESקצב פירוק

:ESעל פי הנחת מצב עמיד עבור

:[ES]נבודד את

1

: Km קבוע-מיכאליסנגדיר את

ונציב אותו במשוואה:

Vכעת ניתן להביע את [:SE ביחידות של ]0

ולכן: כזכור:

( מתקבלת כאשר האנזים במצב Vxamמהירות הריאקציה המקסימלית )רוויה כלומר - ( ולכן:

נציב במשוואה ונקבל אתמשוואת מיכאליס-מנטן:

מספר מצבים מיוחדים עבור משוואת מיכאליס מנטן:

כאשר ריכוז הסובסטרט נמוך מאוד וקבוע מיכאליס גדול מאוד מהסובסטרט מתקבלת עקומה

ליניארית.

כאשר ריכוז הסובסטרט גבוה מאוד, מוציאים את קבוע מיכאליס והקצב שווה למקסימלי.

כאשר הסובסטרט וקבוע מיכאליס שווים בערכם קצב הריאקציה הוא מחצית מהמהירות

. תהמקסימאלי

:lineweaver-Burkמשוואת

משואה זו מתארת את ההופכי למשוואת מיכאליס-מנטן, והיא יוצרת תלות ליניארית.

המשתנים הם ריכוז הסובסטרט וקצב הריאקציה.

ריכוז האנזים והסביבה הכימית הם קבועים. החיתוכים

עם הצירים עוזרים לנו לגלות ערכים מסוימים )ראה גרף(.

משמעות הקבועים השונים:

Vmax –כל אתרי האנזימים תפוסים בסובסטרט. כלומר, המהירות המקסימאלית בה אנזים

יכול לפעול.

Km –קבוע מיכאליס מנטן נותן אינדיקציה לגבי יציבות הקומפלקס אנזים-סובסטרט. ערך גדול

של קבוע מיכאליס מעיד על הסתברות נמוכה יותר שהקומפלקס יווצר. ככל שערך זה יותר קטן

יכול להיות קבועKmהאפיניות של האנזים לסובסטרט יותר גבוהה. במצבים מסוימים

דיסוציאציה של ריאקציה.

שהוא קבוע הקצב של שלב קובע מהירות, נקרא גם קבוע ההיפוך.)Kcat )= K2 –יש עוד קבוע

Lineweaver-Burk:

= kcat מתאר את מספר מולקולות הסובסטרט שמתקשרות לאנזים ביחידת זמן.

Vmax/[Et] .

Kcat/Km –טובה לגבי היעילות האנזמטית. ערך גדול של קבועה קבוע סגוליות. נותן אינדיקצי

זה אומר שהאנזים יותר יעיל. ערך יותר גדול מסדר גודל של עשר בשמינית מתקרב לקצב

הדיפוזיה בתא.

מצב מעבר:

קשה לבודד חומר כימי במצב מעבר.

אנזים בשם כימוטריפסין חותך קשר פפטידי בקצה הקרבוקסילי של חומצות האמינו המכילות

שייר ארומטי. מסנתזים מספר סובסטרטים )עם אנזים באותה רמת יעילות( עם שינוי של

הקצה הקרבוקסילי.

, וככל שיש יותר קבוצות ארומטיות, האנזים יותר יעיל. זהKcatרואים שיש הבדלים גדולים ב

נותן אינדיקציה שכדי ליצור מצב מעבר יעיל צריך לפחות עוד חומצה אמינית אחת בקצה.

נוגדנים קטליטיים ומצב מעבר:

היתה גרסה שטענה שאפשר להשתמש בנוגדנים וללמד אותם להיות90בתחילת שנות ה-

אנזימים. הגישה הסתמכה על הנחת יסוד עיקרית: אם אנחנו מסוגלים להבין מהו מצב מעבר,

אפשר לייצר מולקולה שדומה בגיאומטריה שלה למצב המעבר אך יציבה )אנלוג למצב המעבר

אך יציב(. אם נזריק את האנלוג לבע"ח הוא ייצר נוגדנים אשר יצרו מערך תלת מימדי שלא רק

קושר את מצב המעבר אלא גם מזרז את הפעילות של מצב המעבר )למשל שבירה של איזשהו

קשר(. גישה זו עבדה, היה שיפור ביעילות הריאקציה ונוגדנים אלה נקראו נוגדנים קטליטיים.

עוד שימוש של אנלוג מצב המעבר הוא -

מצב המעבר היציב )האנלוג( ייקשר טוב יותר לאנזים מאשר הסובסטרט, ולכן הוא יעכב את

פעילות האנזים. משתמשים בעובדה זו ליצירת תרופות.

מעכבים:

מעכבים בלתי הפיכים ומעכבים הפיכים.–מתחלקים לשתי קבוצות עיקריות

:DIFP מביאים לתמת של המולקולה, לדוגמא –מעכבים בלתי הפיכים

זוהי בקרה קיצונית של אנזים. האנזים לא יכול להשתחרר מהמולקולה הרעילה ולפיכך יוצא

מכלל תפקוד.

מעכבים הפיכים מתאפיינים לעומת זאת בדיסוציאציה מהירה. מתחלקים לכמה סוגים:

מתחרים עם הסובסטרט על אותו אתר פעיל– מעכב תחרותי.1

באנזים ולכן ברמה הכימית הם יהיו דומים מאוד לסובסטרט.

דוגמא לשני חומרים כאלו מאלונאט וסוקסינט.

המעכב התחרותי לא ישפיע על המהירות המקסימאלית של האנזים אך הוא כן ישפיע

על קבוע מיכאליס מנטן. נצטרך כמות גדולה יותר של סובסטרט על מנת לאכלס

מחצית מהאתרים הפעילים של האנזים בסובסטרט ולכן ערכי הקבוע יעלו. את הקשר

LB בין שני המצבים נראה היטב ב-קבוע מיכאליס של תגובה כזו עולה כיון שצריך להדיח מולקולות של מעכב.

לא מתחרה עם הסובסטרט על אותו האתר. נקשר לאנזים באתר– מעכב לא תחרותי.2

שהוא אינו האתר הפעיל וגורם לשינויים קונפורמטיבים כך שהאנזים לא יוכל לבצע

את התגובה האנזמטית באופן רגיל. מעכב לא תחרותי מוריד את

וקבוע מיכאליס מנטן. Vmaxהערכים של

ולסיכום:

הערה: למדנו יותר מעכבים

כימוטריפסין:

serineכימוטריפסין שייך למשפחה שנקראת

proteasesשם המשפחה נקבע לפי האלמנט שחשוב להידרוליזה. הכימוטריפסין הוא חלבון .

גלובולארי, מבנה שניוני שרובו מורכב במשטחי בטא.

פרוטיאז = אנזים המקטלז ביקוע של קשרים פפטידים בריאקצית הידרוליזה, כלומר הוספת

מולקולת מים.

למרות שהידרוליזה של קשר פפטידי היא תהליך מועדף תרמודינמית, זוהי ריאקציה מאוד

שנים(. הסיבה לכך היא שאופי הקשר הפפטידי מקנה לו10איטית בהיעדר קטליזטור )

יציבות קינטית, הפחמן פחות רגיש להתקפה נוקליאופילית. כימוטריפסין שייך לאנזימי

אנזימימערכת העיכול, מיוצר בלבלב ומופרש ממנו למעי הדק, שם הוא עובר אקטיבציה.

שהם פרקורסורים לא-פעילים שהופכים לאנזימיםzymogensהעיכול מיוצרים בלבלב כ

סוג של מחלה היא כאשרפעילים רק כאשר מגיעים לאתר הפעולה שלהם במעי הדק.

כימוטריפסין מופעל כבר בלבלב.

במעי הדק מופרש אנזים שמאקטב את הכימוטריפסין ע"י–האקטיבציה מתרחשת כך

הביקוע הספציפי בשרשרתביקוע ראשוני, אחר כך כימוטריפסין מבקע שוב את עצמו.

גורם לשינוי קונפורמציה שחושף את )הצורה הלא פעילה(הפפטידית של כימוטריפסינוגן

. 195 וסרין 57האתר הפעיל מכיל היסטדין האתר הפעיל של האנזים.

שלוש השרשראות הפפטידיות המרכיבות את האנזים הפעיל מחוברות זו לזו באמצעות

לאחר שני הביקועים האנזים מאוקטב. קבוצה טעונה חיובית קשרים דיסולפידיים.שני

ושלילית יוצרת קשרים יונים, קשר זה מייצב את המבנה הפעיל.

מבקע באופן סלקטיבי את הקשר הפפטידי בקצהכימוטריפסין ה–הסובסטרט

הקרבוקסילי של חומצות אמינו ארומטיות, יש לו העדפה ברורה לביקוע קשר פפטידי

אחרי שייר נפחי הידרופובי. כיס הקישור ההידרופובי אחראי לספציפיות של האנזים

לסובסטרט. כימוטריפסין יכול גם לבקע קשרים אסטרים.

–סובסטרטים אפשריים

מנגנון של ביקוע ניטרו-פניל-אצטט ע"י כימוטריפסין:

בתצפית ראו שהאנזים פועל בשני שלבים. השלב הראשון הוא מאוד מהיר )אצילציה( והשלב

השני הרבה יותר איטי )דה-אצילציה(. בשלב הראשון יש ביקוע של הסובסטרט, הקבוצה

האצילית של הסובסטרט נשארת מקושרת לאנזים בקשר אסטרי. זוהי תגובה קוולנטית בין

אציל-אנזים. בשלב האיטי מתרחשת–האנזים לסובסטרט ליצירה של תוצר ביניים קוולנטי

הידרוליזה של הקשר האסטרי ורגנרציה של האנזים.

.

: p H מנגנון הפעולה של כימוטריפסין כתלות ב-

של כימוטריפסין היא בצורת פעמוןpHאפשר ללמוד הרבה על המנגנון. עקומת ה

. אפשר7.5-8.5 יש ירידה בפעילות. טווח הפעילות העיקרי הוא 8.5. מpH 8שמרכזה ב

להסיק מכך שיש שם שייר שעובר דה-פרוטונציה בטווח זה, הגורם לפעילות האנזים.

שעוברת דה-פרוטונציה כדי שהאנזים יפעל באופן57גילו שזו היסטדין בעמדה

יש קריסה של החלבון, האנזים כבר לא יכול לקשור חלבון כיוון שהקצהpH 9. ביאופטימאל

האמיני של האיזולואצין כבר מסר פרוטון.

מנגנון הפעולה- מפורט:

- אתר הקישור ההידרופובי )כיס( קובע את הספציפיות של כימוטריפסין. סריןשלב האצילציה

הם אלו שמרכיבים את האתר152 ואספרטט בעמדה 57, היסטדין בעמדה 195בעמדה

הפעיל.

שלוש חומצות האמינו מקושרת בקשרי מימן והן נקראות "השלשה הקטליטית". ברגע שנקשר

הסובסטרט לחלבון יש שינוי קונפורמציה שגורם לכך שהאספרטט מתקרב להיסטדין וקוטף

שלו עולה בכמה סדרי גודל. ההיסטדין קוטף פרוטון מהסרין. סרין לאPKaממנו פרוטון. ה

ולכן זה חריג, זה גורם לסרין להיות מאוד ריאקטיבי והוא זהי פיזיולוגpHאמורה להתיינן ב

שישמש כנוקליאופיל חזק באצילציה.

)ובכך מאוקטב( His57מעביר פרוטון ל Ser195הסובסטרט נקשר לאנזים. – שלב ראשון

מתקבל תוצר ביניים ומבצע התקפה נוקליאופילית על הפחמן הקרבונילי של הסובסטרט.

דרלי קצר-חיים שבו יש מטען שלילי על החמצן הקרבונילי של הסובסטרט. מטען זהאטטר

". oxyanion holeמיוצב ע"י קשרי מימן ב “

חוסר יציבות של המטען השלילי על החמצן הקרבונילי מוביל לפירוק תוצר שלב שני

הביניים. יצירה מחדש של הקשר הכפול עם הפחמן מחליפה את הקשר בין הפחמן

קבוצת נוצר אציל-אנזים. ווקבוצת האמינו של הקשר הפפטידי וכך נשבר הקשר הפפטידי

.His57האמינו עוברת פרוטונציה ע"י

.His57מולקולת מים נכנסת דרך קשר מימן עם אמין השתחרר מהאנזים. – שלב שלישי

מקבל פרוטון(. יון ההידרוקסיד תוקף His57מולקולת המים עוברת דה-פרוטונציה ) – שלב רביעי

דרלי. מטען שלילי על חמצןאאת הקשר האסטרי של האציל-אנזים. נוצר תוצר ביניים טטר

". oxyanion holeקרבונילי מיוצב ע"י קשרי מימן ב “

עובר His57משתחרר. Ser195חוסר יציבות מוביל לפירוק תוצר הביניים. – שלב חמישי

. Ser195דה-פרוטונציה ומעביר פרוטון ל

(. EPקומפלקס אנזים-תוצר )נוצר – שלב שישי

( התוצר ישתחרר מהאתר הפעיל כך שהאנזים מוכן שוב לפעולה. 7בשלב הבא )

מנגנון הפעולה של כימוטריפסין מדגים עקרונות קטליטיים המצויים בשימוש ע"י אנזימים

רבים:

האתר הפעיל מכיל קבוצה ריאקטיבית, בד"כ נוקליאופיל חזק, שבמהלך– קטליזה קוולנטית

קוולנטית זמנית. בכימוטריפסין יצירת אציל-אנזים. ההקטליזה עובר מודיפיקצי

מולקולה אחרת ממים מתפקדת כנותנת או מקבלת פרוטונים.– קטליזה חומצה-בסיס כללית

תיפקד כבסיס בשלבים מסוימים וכחומצה בשלבים אחרים במהלך His57בכימוטריפסין -

הריאקציה.

מה תפקידם של הסוכרים?

הסוכר הוא חומר תשמורת שאוצר אנרגיה.

הפחמימות הן מולקולות מהעולם הביולוגי שקיימות בכמות הגדולה ביותר. הפחמימות

משמשות לבניית מערכות ההגנה והקשיחות של צמחים וחיידקים. בגוף האדם יש פחמימות

המשמשות להגנה במפרקים, פחמימות המרכיבות את השלד החוץ תאי, עם תפקיד חשוב

בהכרה הבין תאית. פחמימות מופיעות גם בדנ"א )ריבוז( והן מהוות שם את מירב המרכיב

המשקלי.

הגדרה לסוכרים:

. יםסוכרים הם אלדהידים וקטונים שמכילים הידרוקסיל

סוכרים הם הידראטים של פחמן, כלומר אטומים של פחמן שמחוברות אליהן מולקולות של

. כמו כן יש לזכור שיכולים להיות עודn)H2O( Cnמים. חייב להיות יותר מפחמן אחד -

אטומים בפחמימות מלבד המצוינים לעיל.

. אצטון הוא הקטון הנפוץC=Oהקבוצה הפעילה באלדהידים ובקטונים היא קבוצת הקרבוניל

ביותר, הוא מורכב מקרבוניל עם שני קבוצות מתיל. קטון עם שני הידרוקסילים נקרא

די-הידרוקסי-אצטון והוא הסוכר הקטוני הבסיסי ביותר. הסוכר האלדהידי הבסיסי ביותר הוא

גליצר-אלדהיד והוא מכיל שני קבוצות הידרוקסיל בצד אחד.

פחמנים6שלוש פחמנים, יחידת הסוכר הקטנה ביותר. הסוכר הארוך ביותר הוא עם –טריוז

, נדיר מאוד(. 7)יש גם

שני הסוכרים הקטנים ביותר:

הסוכרים מאוד מסיסים בזכות קשרי המימן שהם יוצרים עם מים. קרבוניל והדירוקסיל הן

פולאריות והן אלו שמעניקות את הפולאריות לסוכר. הממברנה הביולוגית מורכבת בעיקרה

משומן. אם כך איך נכנסים הסוכרים לתוך התאים? הגוף משקיע אנרגיה במעבר של סוכרים

דרך תעלות מיוחדות. נרחיב על כך בהמשך.

לגליצר-אלדהיד יש פחמן קירלי אחד )האמצעי(, לכן יש לו שני סטריאואיזומרים.

לדי-הידרוקסי-אצטון אין פחמן קירלי ולכן יש רק איזומר אחד. זהו הסוכר היחידי ללא מרכז

קירלי ומספיק שנוסיף לו פחמן אחד ויהיה לו מרכז קירלי. אם כך, לרוב הגדול של הסוכרים יש

יותר ממרכז קירלי אחד:

איזומרים אופטיים. הנוסחא16כשיש שישה פחמנים עם ארבע מרכזים קירלים יכולים להיות

הוא מספר המרכזים הקירליים. n, כש2n –לחישוב מספר האיזומרים האופטיים היא

תכונות כימיות של סוכרים:

.מונומרים של סוכרים אינם מסתעפים עם עצמם, הם נמצאים בשרשרת ליניארית

נדיר(.7 פחמנים )6השרשרת הארוכה ביותר של סוכרים מונומרים היא של

יש שתי האיזומרים האופטיים הםD-ו L . הטבע" מזהה רק איזומר אחד והוא"D.

האננטיומר נקבע לפי הפחמן הקירלי האחרון )הרחוק ביותר מהקרבוניל(, אם הכוהל

. אפשר לבחון סוכר גם לפי הדמיון שלL, אם הכוהל מצד שמאל זה Dמצד ימין זה

(.L –, שונה D –הפחמן הקירלי האחרון לגליצר-אלדהיד )זהה

מהמרכזיםאחד שני סטריאואיזומרים ששונים בקונפיגורציה על גבי רק –אפימרים

הקירליים, הם אפימרים אחד של השני.

( הקבוצה הכימית הפעילה של הסוכרים היא הקרבונילC=O .)

אחת הריאקציות הבסיסיות שסוכרים יכולים לעבור היא חמצון. אם הקרבוניל חשוף לחמצון

הוא יכול להתחמצן ע"י מחמצנים חלשים כמו נחושת דו ערכי וברזל תלת ערכי. קטונים פחות

רגישים לחמצון.

עוד ריאקציה חשובה היא התקפה ע"י כהלים. הסוכר יכול להיות מותקף אם התנאים

מתאימים. על מימן ההידרוקסיל יש מטען חלקי חיובי, הכוהל יצור קשר אסטרי. נוצר פחמן

קירלי חדש אשר יכול לתת שתי איזומרים אופטיים. ריאקציה דומה תתרחש עם קטונים.

מולקולות הביניים הן המיאציטל והמיקטאל, תוצרי הסוף הן אציטל וקטאל.

הריאקציות המדוברות מתרחשות גם בתוך הסוכר, ומביאות את הסוכר להיסגר לטבעת. רוב

מהזמן. בעקרון כל אחד99% פחמנים נמצאות בצורתם הטבעתית 6מולקולות הסוכר עם

מההידרוקסילים יכול לתקוף את הפחמן האנומרי )המיאציטל(, אבל הטבעת המשושה תהייה

הכי יציבה.

(. D אלפא ובטא )שניהם מסוג –לטבעות יש שני איזומרים אופטיים

נמצא מימין לפחמן האנומרי.α – OHאלפא

נמצא משמאל לפחמן האנומרי. β – OH בטא

למעלה. OH למטה, בבטא ה-OH –בהשלכת הווארת' באלפא

מוטרוטציה -

ריאקצית סגירת הטבעת היא ספונטאנית ולכן בתמיסה יש מעבר דינאמי בין הצורות השונות.

בטא ופחות מאחוז אחד כל שאר האופציות⅔ אלפא, ⅓ –היחס בין הצורות בתמיסה הוא

)שרשרת פתוחה, מחומשים וכו'(.

השלכות:

הווראת' וכיסא.–יש שני השלכות לטבעות

הווראת' אינו מדמה את הצורה המרחבית של הסוכר והזוויות בהן הפחמנים יושבים. כיסא

מדגים את מיקומם היחסי של הפחמנים ביחס למישור. צורה פחות מעודפת של כיסא היא

(. ככל שסוכר יהיה עם פחמנים יותרsteric hindranceסירה, הסיבה לכך היא הפרעה סטרית )

נפחיים, רוב הזמן הוא יהיה בקונפיגורציה של כיסא.

לשינויים הקונפורמטיבים שסוכרים יכולים לעבור יש משמעות גדולה במבנים בהם סוכרים

משתתפים, למשל מבנה ההליקס של הדנ"א.

פוספט:

הסיבה לכך היא שמירה על מולקולות הסוכרבתאים כל הסוכרים המונומרים נושאים פוספט.

לאגירת אנרגיה. הפוספט מעניק מטען שלילי עצום לסוכר ובכך מונע ממנו יציאה דרך

הממברנה התאית.

חיזור של סוכרים:

בתא לעיתים הסוכרים עוברים חיזור והם חסרי חמצן אחד. בדה-אוקסי-ריבוז יש חמצן אחד

פחות מבריבוז.

* לסוכרים יש שמות מקוצרים של שלוש אותיות, אך השימוש בהם נדיר.

קשר גליקוזידי:– קשר בין סוכרים

כוהל של סוכר אחד יכול לתקוף את הפחמן האנומרי של סוכר אחר. את הריאקציה הזו מזרז

אנזים )כלומר, היא לא מתרחשת באופן ספונטאני( ונוצר דו סוכר. הסוכר הנתקף אינו יכול

לעבור יותר מוטרוטציה, הסוכר התוקף לעומת זאת יכול לעבור מוטרוטציה בתמיסה, לחמצן

ולחזר )נקרא גם הקצה המחזר(.

קשר גליקוזידי בין שני חד-סכרידים. –דו-סכרידים

כאשר פחמן אנומרי תוקף פחמן אנומרי של סוכר אחר, שני הסוכרים איבדו את היכולת לחזר.

דוגמא לסוכר כזה הוא סוכרוז )המורכב מגלוקוז ופרוקטוז(.

)ולכןגלוקוז מולקולות המורכב משתי דו-סוכר - ידוע גם כסוכר לתת( הוא maltoseמלטוז - )

. 1-4 קשרידוע גם כדו-גלוקוז(. מולקולות הגלוקוז מחוברות דרך

הריאקציות שסוכרים משתתפים בהם דורשות אנרגיה. סוכרים לא יגיבו באופן ספונטאני, הן

אינרטיות.

כאשר שני סוכרים מחוברים דרך קבוצת הפוספט, הסוכר הופך לפעיל וריאקציות רבות יכולות

לצאת לפועל. כלומר, צריך להשקיע אנרגיה כדי לשפעל סוכר.

סוכרים במצב חופשי בתמיסה לרוב ימצאו במצב של דו-סוכרים.

הלקטוז הוא הסוכר היחידי הנמצא בחלב אם. סוכרוז )דו-סכריד, סוכר קנה( הוא הסוכר היחיד

סוכר(, הקרוי גם סוכר פירות, הוא Fructoseשבו אנשים משתמשים להמתיק מזון. פרוקטוז )

פחמנים,5 רבים. הפרוקטוז מורכב משרשרת של מזון( שניתן למצאו בסוגי מונוסכרידפשוט )

הצורה הטבעתית היא מחומשת ויש לה שני איזומרים אופטיים.

* המיאציטל יכול להגיב גם עם חומצה אמינית ולקשר הנוצר בניהם יש תכונות דומות לקשר

הגליקוזידי. הקשר יציב ומתפרק בעת חימום והוא משמש ליצירת הדנ"א.

–אוליגו-סוכרים

סוכר בעל פחמן אנומרי חופשי יכול להמשיך להגיב ולהיקשר לעוד סוכרים. יש שרשראות

סוכרים בכל הגדלים, עם זאת בתמיסה הקצוות האנומרים תמיד יהיו מחוברים לחלבונים או

חד-סוכרים. 6 עד 3. אוליגו-סוכרים מורכבים בערך מולא יהיו פנויים להגיבליפידים

–פוליסוכרים

מונומרים מחוברים בקשרים גליקוזידים, ארוכים מאוד. לעומת האוליגו-סוכרים, פולי-סוכרים

כן נמצאים חופשיים כיחידות עצמאיות.

שלוש פונקציות חשובות לפולי-סוכרים:

. התאים יכולים להשתמש רק במונו-סוכרים כדי להפיק אנרגיה, לכןחומרי תשמורת.1

יש צורך לפרק את הפולי-סוכרים. את הפירוק מבצעים אנזימים מיוחדים. דוגמא

לפולי-סוכרים כאלו הם עמילן, תאית וגליקוגן. עמילן נמצא בצמחים וגליקוגן בבע"ח.

הכבד הוא מאגר הגליקוגן הגדול ביותר בגופינו.

כמו כיטין ותאית אצל בע"ח וצמחים. להרכבת מבנים קשיחיםמשמשים .2

חומרי זירוז ודבק בין רקמות. .3

פולימר יכול להיות מסועף או לא. יש גם פולימרים המורכבים מחד סוכר יחיד.

פולימרים אלו יכולים להיות בצפיפות גבוהה ואף מוצקים, לכן הם לא משפיעים על הלחץ

האוסמוטי התוך תאי. הפולימר יוצא מהתמיסה ולכן אינו משפיע על הפרש ריכוזי הסוכר בין

התא ומחוצה לו. אם אותה הכמות של פולימר היתה מומסת כמונומר ונמצאת בתוך התמיסה

התא היה מוציא את המים מתוכו, מתכווץ ומת בגלל הלחץ האוסמוטי.

עמילן:

עמילוז–מורכב מתערובת של שתי פחמימות רב-סוכריות

ועמילופקטין. העמילוז הוא שרשרת ארוכה ולא מסועפת

ולכן כל הזמןα(41המורכבת מגלוקוז אלפא בקשר של )

קיים פחמן אנומרי אחד בקצה שיכול להמשיך להתארך.

האנזים המרכיב את העמילוז הינו ספציפי והוא מחבר תמיד

גלוקוז מסוגי אלפא אחד לשני. עמילופקטין בניגוד לעמילוז, מסועף מאוד וגם הוא מורכב

סוכרים והן קשרים מסוג24-30. נקודות הסיעוף הקורות כל α(41מגלוקוז אלפא בקשר של )

(61)αהעמילוז והעמילופקטין שניהם בעלי משאל מולקולארי גבוה מאוד. עמילוז עם .

עמילופקטין מאורגנים ביחד בהסתעפויות ליצור עמילן. היתרון של מבנה זה הוא שקל לפרק

אותו למונומרים של גלוקוז בגלל מספר הרב של הקצוות החופשיים.

פולימרים כאלו אינם קבועים במספרם, יש ניידות במבנה ובאורך שלהם.

מבנה שניוני של הפולימרים בעמילן הוא - המונוסוכרים תמיד יהיו בקונפיגורציית כיסא. המצב

היציב יותר של הפולימר נוצר כאשר בין כל זוג סוכרים יש כיפוף )תמונה משמאל(. המבנה

הכולל הוא הליקס דחוס מאוד.

תאית -

התאית היא פולי-סכריד סיבי, קשיח, דחוס ולא מסיס במים )שלא כמו עמילן וגליקוגן(. התאית

נמצאת בדופן של צמחים ובמבנים קשיחים בבע"ח. כמו העמילוז, השרשרת המרכזית של

במספר( והיא10,000-15,000-גלוקוז )Dהעמילופקטין והגליקוגן, התאית מורכבת מחד הסוכר

איננה מסועפת.

.1-4 בטא –ההבדל הכימי היחיד בין תאית לעמילן וגליקוגן הוא הקונפיגורציה של הגלוקוז

מהבדל זה נגזרים הבדלים תפקודיים עצומים.

רוב בע"ח לא יכולים להשתמש בתאית כמקור אנרגיה, כי הם אינם יכולים לפרק

אותה. גם אם נפרק את התאית לשרשראות קטנות והן יהיו מסיסות, האנזימים עדיין

לא ידעו לפרק אותן. יש חיידקים שיכולים לפרק תאית, כי הם בעלי האנזים

. 14((βשמקטלז את ההידרוליזה של קשרי

מעלות זה לזה. מבנה זה מאפשר ליצור180בתאית כל שני מונומרים נמצאים ב

קשרי מימן. המבנה השניוני הוא שרשראות ארוכות פלנאריות.

והוא הפולימר השני הנפוץ1-4. מורכב גם כן מקשר בטא כיטין –יש עוד פולימר חשוב

בטבע.

.הטרו-פולימרים"- פולי סוכר המורכב מיחידות של דו-סוכרים"

ישנם גם פולימרים ארוכים מאוד שאינם מתפקדים באופן עצמאי, אלא

מחוברים לחלבונים. לרוב יהיו הסוכרים קשורים לתראונין, סרין ועוד.

.בממברנה יש מעברים חלבוניים אליהם קשורים סוכרים

.סוג הדם נקבע לפי נוכחות של סוכרים מסוימים

סוכר המחובר לשומן. משמש בעיקר להיכרות בין תאית. –גליקוליפיד

שומנים:- כל חומר אורגני שלא מתמוסס במים ומתמוסס בחומרים אורגנים אחרים. הגדרה

.שומנים המשמשים לאחסון אנרגיה הם נגזרות של חומצות שומן

תיתכן שרשרת פחמנים.36 עד 4 חומצה קרבוקסילית בעלת שרשרת פחמימנית באורך מבנה:

במידה וישנם פחמימנית רוויה )ללא קשרים כפולים( או לא רוויה )הכוללת קשרים כפולים(.

ורחוקים אחד מהשני, כמו כן קל לחמצן אותם.cisקשרים כפולים הם לרוב יהיו בקונפיגורציה

הפחמן הקרוב לקרבוקסיל נקרא פחמן אלפא, פחמן לידו בטא נקרא ופחמן האחרון נקרא

אומגה.

נקודת התכה:

אינטראקציות ואן-דר ואלס הן האחראיות למשיכה הקיימת בין השרשראות הפחמימניות של

אינטראקציות אלהככל שהאינטראקציות יותר חזקות נקודת ההתכה עולה. חומצות השומן.

חזקות יותר:

. ככל שהשרשרת ארוכה יותר•

ן ככל שרמת הרוויה של השרשרת עולה יש יותר אינטראקציות בין חומצות השומ•

)פחות קשרים כפולים(.

הקבוצה הקרבוקסילית מאפשרת מסיסות חלקית של חומצות שומן

אולם זו יורדת ככל שהשרשרת הפחמנית ארוכה יותר וככל שרמת

הרוויה עולה.

* שומנים בגוף לא יהיו בצורה חופשית, הם ימצאו בקשר אסטרי או

אמידי.

טריגליצרול:

) חומצות שומן המחוברות בקשר אסטרי למולקולת גליצרול3גליצרולים בנויים מ-אציל-טרי

יכולות להיות שלוש חומצות שומן שונות ותתכן גם.(

שאחת העמדות תהייה פנויה.

ה א-פולריות, הידרופובית ולא-מסיסהמולקולהטריגליצרול היא

במים.

יתרונות טריאצילגליצרולים על פני פוליסכרידים באחסון

אנרגיה:

תרכובות יותר מחוזרות, חמצון יניב יותר אנרגיה.§

מאוחסנים ללא מים, תופסים פחות מקום ושוקלים פחות. §

המוח והעצבים בגופינו יכולים לנצל אנרגיהעם זאת, שומן מפיק אנרגיה יותר מגלוקוז. §

רק מגלוקוז.

–אנקדוטה קלה

טון(. בפני הים השומן הזה נמצא במצב צבירה נוזל.3.5רוב המוח של הלוויתן מורכב משומן )כ

במעמקי הים הטמפ' יורדת והשומן הופך מנוזל למוצק. המשקל הסגולי של הלוויתן עולה וכך

קל לו יותר להישאר בתחתית. כשהלוויתן רוצה לצוף הוא מזרים דם וממיס את השומן. השומן

...םהוא הסיבה לצייד בלווייתני

(.2במעי יש אנזימים בשם ליפאזות שמפרקות טריאצילגליצרידים לחומצות שומן וגליצרול )

חומצות השומן המופרדות עוברות בדיפוזיה לתאי האפיתל של המעי, שם הן מסתדרות

(, נקשרות לחלקיקים קטנים הנקראים3בשורה. משם הן נארזות שוב לטריגליצרידים )

( ומוסעות לתאים. 4כילומיקרונים )

סטרולים:

בבע"ח )לא בצמחים או חיידקים(.רקהסטרול הידוע הוא כולסטרול והוא נמצא

הסטרול הוא חומר אמפיפטי, פלנארי ויחסית נוקשה. הוא יכול להקשיח את הממברנה

בכך שהוא נכנס בין חומצות השומן הבלתי רוויות ולכן הוא כמו בופר של הצמיגות.

הממברנה לא יכולה להיות לגמרי נוזלית ולכן יש חשיבות רבה לסטרולים. הסטרולים

הם חומרי המוצא להורמונים וסטרואידים. הכולסטרול מורכב מראש הידרופילי וגוף

פחמימני רווי הידרופובי.

* חומצות השומן בגוף הן תמיד עם מספר פחמנים זוגי. הסנתוז והפירוק שלהם תמיד יהיה

בזוגות.

glycophorin:והסקלה ההידרופטית

חומצות אמיניות. סקלה הידרופטית מאפשרת לנו למפות את האזורים180חלבון בעל

ההידרופיליים וההידרופוביים של החלבון. את הסקלה הזו מרכיבים לפי האנרגיה החופשית של

חומצות אמינו הידרופוביות, אפשר לחרוץ שהחלבון20חומצות האמינו. אם מוצאים אזור עם

הנ"ל חוצה ממברנה. שיטה זו מתקשה לחזות אילו אזורים יחצו רק חלק מהממברנה. עם זאת,

הסקלה ההידרופטית מסוגלת לחזות מספר אזורים ממברנלים בחלבונים ארוכים ולכן היא

יעילה.

מיםמים הם הרכיב הנפוץ ביותר בביוספרה.

המים הם חומר יוצא דופן מבחינת השכנים הדומים לו, אמנם יש מולקולות דומות למים בעלות דומה ומימדים דומים, אך יש שונות אדירה בין התכונות הפיזיקליות ביןימשקל מולקולאר

המים אליהם. הסיבה לכך היא שלמולקולות המים היא בעלת דיפול מאד חזק.

כל מולקולת יכולה להשתתף בארבע קשרי מימן, ולכן למים יש מבנה והוא מקור התכונות (, הצמיגות של המיםKcal/mol 500יוצאות הדופן כמו טמפ' רתיחה וחום האידוי הגבוה )

בינונית מתח הפנים גבוה מאד, והצפיפות היא אנומלית, מקדם דיאלקטרי גבוה.

השלכות ביולוגית של התכונות הפיזיקליות

מאגרי המים מאזנים את חום כדור הארץ, בגלל החום הסגולי הגבוה, צריך הרבה אנרגיה כדי לחמם את המים, העיבוי משחרר הרבה אנרגיה וגם הקיפאון. בגלל המבנה של קשרי מימן

הצפיפות של הנוזל היא גבוהה יותר מהצפיפות של

הקרח. הענן הוא תוצאה של קירור

אוויר והתעבות של אדים, הפיכה לטיפות משחררת את אנרגית התעבות והוא מוקרן כלפי מטה ולכן ענן

מחמם. לכן מדליקים ממטרות בקרה מעל השדה

כדי לחמם את הקרקע באנרגיה שמשתחררת

מהקיפאון של המים. המים שמתחת לקרח מתחממים,

הקרח מוליך חום גרוע מאד, ולכן נוצר שכבת בידוד ולכן הדגים חיים

מתחת לקרח ולא. המים הם בופר שמייצב את

האקלים.

כל מולקולות מים משתתפת בארבע קשרי מימן, ולכן מים הם בעלי מבנה. בקרח יש משושים שסגורים זווית הקשר היא כמו טטראהדרון, אין צורך בעיוות המולוקולה כדי לייצור את

(aהמבנה, יש חללים. ) בנוזל יש מבנה של מולקולת המים - בכל אחד מהזמנים יש לפחות קשר אחד, יש מבניים

זמניים יש קורלציה בסידור המולקולות אבל זה זמני, בממוצע יש סידור של המים. (cנוצרים תצמידים מהבהבים בנוזל, יש מבנה בנוזל.)

בלחץ גבוה יותר קשרי המימן פחות מסודרים הצמיגות יורדת. פרוטון נקשר– יש חילופי קשרים –יש מוביליות גבוה של פרוטונים והידרוקסילים של המים

בצד אחד ומשתחרר בצד שני, ולכן יש מוליכות גבוהה חשמלית של מים. התנועה הרבה יותרמהירה מדיפוזיה.

המים יוצרים קשרי מימן לכל מומס, לכן המים זה הממס האוניברסלי המים הם בופר לחום הגוף, החום נספג על ידי המים.

מים כממס לחומרים פולארים

חומרים הידרופילים יוצרים קשרי מימן ויש החלפה של קשרי מימן פנימים.

אי מסיסות של חומרים לא מקוטבים

יש הפרעה בסדר מולקולות המים, יש הפרעה ברצף מולקולות המים ולכן יש העדפה של כלוב של מולקולות מים שעוטף את החומר הלא מקוטב, יצירת

אנטרופיה שלילית, מכאן נובע–הכלוב היא יצרת סדר אחת התופעות החשובות ביותר–האפקט ההידרופבי

בביוכימיה, במצב שבו צריך לבנות כלוב זהו כלוב של מולקולות מים בצורה של טטראהדר, המחיר האנטרופי

של בניית כלוב יותר גדול הוא קטן מהמחיר של בניית שני כלובים קטנים, בגלל האופטימזציה של קשרי המימן של המים יווצר צבר. אין כאן משיכה בין דומה לדומה, אלא דחיפה על ידי האינטרס של מולקולת המים ליצור כלוב

אחד גדול.

1 חומרים אמפיפטיים

חלק מקוטב וחלק לא מקוטב, בחומר זה יש סדר, החלק המקוטב נמצא במגע עם המים,והחלק הלא מקוטב לא במגע עם המים, ונוצר קרום עם שני שכבות.

הצורה שבא יסתדרו פופסוליפידים במים תלוי באופי ההכנה: מיצלות גדולות שיש להם הרבה שכבות של פופסוליפידים, על ידי ערבוב חזק–ליפוזומים

ומהיר, גודל הליפוזום תלוי בעוצמת הטלטול. דו שכבה אחת סגורה ככדור המכילה בתוכה מים, ערבוב עדין, אמצעי להעברת–זקיקים

מטענים לתוך התא. ר, מתקבלות על ידי הצפה על משטח של מים פוספוליפידיםאיומ שכבות לנג–שכבות דקות

ולאט לאט דוחפים אותם אל אזור דחוס, שכבות אלו מהוות כלי בניסויים שונים.

מסיסות חלבונים

כל המקרומולקולות להוציא ליפידים, הם בעלי מטען חשמלי, החומצות האמיניות יש להם שרשראות צדדיות הטעונות חיובי או שלילי, הם חומצות חלשות או בסיסים חלשים, ולכן זה

ריכוז הפרוטונים בתמיסה, בריכוז גבוה בסביבה חומצית, יהיה לנו מטען חיובי, כיPHתלוי ב

1 9.12.03

.תהאמינים יהיו בעלי מטען חיובי, ולכן יהיה מסיסות של החלבון כי יהיה דחייה אלקטרוסטאטי.0. הנדידה באלקטרופורזה תהיה מינימליתמסיסותה ולכן 0 איזואלקטרי יהיה מטען נטו PHב

הוא פונקציה של הממס, ולכן בנקודה האיזואלקטרית ישטמכיוון שהמטען של פולי אלקטרולי משיכה של המטענים על פני המולקולה ולכן המסיסות תהיה מינימלית. על ידי שימוש של

הנקודה האיזואלקטרית על ידי שימוש בגרדיאנט של בופרים כל חלבון יעצר בנקודה שלהאיזואלקטרי שלו.

כאשר פוליאלקטרוליט נמצא בתוך תמיסת אלקטרוליט, המסיסות תלויה במידת המיסוך, אלקטרוליט שלילי יגרום להמצאות סביבה חיובית מסביבו מעבר לממוצע של התמיסה. ולכן

האינטראקציה בין שני הפוליאלקטרוליטי בריכוז נמוך של מלח חזקה, אך כאשר יש ריכוז שלמלח האינטראקציה תהיה חלשה בגלל המיסוך המוגבר של המצאות יון נגדי מסביבם.

התרמודינאמיק הם ישימים במערכות ביולוגיות משום שהם לא מתבססותהדרכי החשיבה של התרמודינאמיק

עוסקת בהשוואה בין מצבים, כאשר המסלול שלהעל מכניזם אלא על מאזן. התרמודינאמיקהמעבר בין מצבים הוא לא רלוונטי.

החוק הראשון

, לאחר מכן דקרט18מושג השימור הוא מאד חשוב בהתייחסותנו לחומר. המושג החל במאה ה האמין שיש שימור של המומנטום ביקום והתנועה מחליפה את המומנטום בין חלקיקים, ניוטן

, רופא19הכניס את העבודה למסגרת של השימור, מושג האנרגיה לא היה קיים על למאה ה גרמני בשם מאייר הבין שיש שווה ערך בין העבודה המכנית לכימית, והוא הגיע לחוק הראשון

של התרמודינמקה. , העובדה שתהליכים הבחין בהאנרגיה היא מושג שהומצא כדי לענות על הבעיה שמאייר

שונים ניתנים להמרה, ולכן במקום לדבר על עבודה הוכנס מושג האנרגיה שמאחד את סוגי שימור של חום והעבודה–העבודה. ולכן חוק השימור כולל את כל סוגי האנרגיה במערכת

אפשר לעשות מאזן באנרגיה של תהליך כאשר–)כוללת עבודה חשמלית עבודה כימית וכדו'( יש חילופים בצורות של אנרגיה, אך סך האנרגיה נשמר.

ניתן אם כן לדעת כמה עבודה ניתן לקבל מתהליך, מושג השימור הורחב לכל סוגי האנרגיה. ניתן לחשב כמה קלוריות צריך בזמן מאמץ פיזי וכדומה, אבל שימור האנרגיה לא נותן לנו את

כיוון התהליך וכאן יש את המושג של האנתרופיה.

אנתרופיה

העולם שואף למקסימום אנתרופיה. בולצמן נתן הסבר מיקרוסקופי להבנת התהליכים, התנועה הבסיסית היא התנועה האקראית

וצריך להבין את הקשר בין תהליכים לבין האקראיות שלהם. , טמפרטורה היא מהירות תנועה שלKTיש קשר בין מהירות התנועה של החלקיקים לבין

חלקיקים. הדבר הבסיסי ביותר שקובע כיוון של תהליך של נפילת הכדור למטה והגעה למנוחה הוא

ההבדל ממצב מסודר שבו ווקטורי התנועה של כל החלקיקים היה לכיוון אחד, למצב של מנוחה בו כל חלקיק יש לו ווקטור למקום אחר ולכן סה"כ יש מאזן והכדור לא זז, יש שחיקה של הסדר

של המערכת. אנטרופיה מתארת את המידה של הכיווניות של המערכת, ככל שיש לכל החלקיקים כיוון

משותף האנתרופיה נמוכה, כאשר יש יותר אקראיות יש אנתרופיה גבוהה. מצב שאין כבר מה– היא מערכת בשווי משקל תמערכת במצב של אקראיות מקסימאלי

היקום של הליכה לכיוון של מוות בצורהרלשנות במערכת. ההשלכות הפילוסופיות של תיאוספונטנית הוא אדיר.

הדנא הוא האנטרופיה השלילית של המין, כמו שספר הוא אנתרופיה שלילית של אותיות. בחלקיקים במיכל התהליך הספונטי הוא פיזור מלא של חלקיקים במיכל. מה ההבדל בין שני–בשיקולים תרמודינמים אנו לא מתעניינים במכניזים השיקול הוא המאזן

המצבים ולמה המצב הסופי עדיף על התחלתי. המאזן הוא השינוי של הכיווניות. ההסתברות שהכדור יעלה בחזרה היא נמוכה מאד, יכול להיות מצב שבמקרה יהיו כולם באותו

כיוון, אך ההסתברות שזה יקרה היא נמוכה מאד. החוק השני נותן לנו את כיוון התהליך, על ידי המושג אנתרופיה )שינוי מבפנים(.

דוגמאות לאנתרופיה:תהליך חמצון גלוקוז

מעבר משבע מולקולות לשתים עשרה מולקולות ולכן זה יהיה הכיוון הספונטני. האנתרופיה– הפרדה של מימן וחזרה של מימן באופן אקראי, לאחד משני מצבים –רצמיזציה

עולה. קריטריון הכיווניות–עלית האנטרופיה

החום הוא מדד לכמות התנועה האקראית, כאשר מוסיפים למערכת חום מגדילים את התנועה למערכת. ולכן האנתרופיה היא שינוי החום בתהליך חלקי מידת האי-סדר הקיימת במערכת

)ביחס לאפס המוחלט(. אפשר לקיים במערכת–צריך להתייחס לסך כל השינוי באנתרופיה גם בסביבה וגם במערכת

תהליכים של אנטרופיה שלילית אם יהיה צימוד לתהליך של אנתרופיה חיובית. אנו מורידים זהו התהליך שמאפשר את–את האנטרופיה בגופנו ומעלים את האנתרופיה של הסביבה.

התהליך. החיים תלוים בדעיכת השמש.

אנרגיה חופשית

איך נדע כמה סוכר צריך לאכול כדי לקיים את עליית האנתרופיה?הקשר בין חוק ראשון לחוק השני, הקשר בין השימור לכיווניות.

הוא משלב את החוק הראשון לחוק השני, גם מאזן העבודה שמקבלים וגם–אנרגיה חופשית את הכיווניות. ההפרש שבין הפוטנציאל של העבודה למה שצריך כדי שהתהליך יהיה ספונטי,

האנרגיה הזמינה לתהליכים - וזה האנרגיה החופשית. אנרגיה חופשית מאפשר לדעת גם אתמאזן וגם את הכיווניות.

זה מה שאנו פולטים אל הסביבה, האנטרופיה של המערכת נותנת אתהחום הריאקציהכיווניות המאזן הכולל מאפשר אנתרופיה שלילית.

תהליך יכול לקרות רק אם יש אנתרופיה חיובית ולכן התהליכים יהיו תמיד לא יעילים כי אין אפשרות להמיר את התהליך רק לעבודה כי אז יהיה רק אנתרופיה חיובית והתהליך לא יקרה,

לכן חלק מהעבודה יהיה לשחרר אנתרופיה לסביבה. ולכן תמיד הגוף מייצר חום. הקרטריון לריאקציה ספונטית הוא אנרגיה חופשית שלילית.

דוגמא של מים-

)שינוי אנתרופיה מוכלפלאנתרופיה תרומה של הכאשר אנו באפס מעלות האנתלפיה והשווים ולכן יהיה שווי משקל ולא יהיה תזוזה של המערכת לשום כיוון. בטמפ'(

62 פרק –מבנה מרחבי של חלבונים

מרכיב מרכזי בפתרון של בעיית החיים הוא–שאלת הבניה העצמית שילוב של זיכרון כימי ובניה עצמית.

יש פלא עצום כיצד מבנה של מיוגלובין בעל חמישים אלף אטומים נבנהללא נוכחות של אף מהנדס, כמעט ללא טעויות.

מספר המבנים האפשריים למולקולה זו הוא ענק והפלא הגדול הואשרק מבנה אחד נעשה פעיל.

במאה הקודמות לא האמינו שהחלבונים הם מולקולות, לא עלה על דעתם שיש מולקולה מסודרת כל כך גדולה. במחצית הראשונה של

המאה הקודמת תיאודור שברברג פיתח שיטה של הוכחת קיומו של החלבון כמולקולה, פיתח , חלקיקים קטנים אינם מושפעים מהגרביטציה של כדור הארץ כיהאת האולטרא צנטריפוג

התנועה הבולצמאנית יותר חזקה ולכל מולקולה יש שדה גרביטציוני משלה. הוכיח שהחלבונים הם לא צבר אלא מולקולה מעצם העובדה שהם נעים יחד, אם הם היו צבר כל חלקיק היה נע

בנפרד ולא היינו מקבלים את המשקע של המולקולה.

2 28.12.03

קיבל גביש מסודר של סדר מושלם של חלבון, וזה ניתן רק–הוכחה נוספת הייתה על ידי סמנר על ידי חלקיקים זהים.

קיבל ברנל תמונת דיפרקציה של גבישי כמוטריפסין, אך לא הייתה שיטה איך לפתור1936ב תמונת דיפרקציה של גביש.

השאלה שהעסיקה רבים הייתה מהו אם כן המבנה? החיפוש היה סביב השאלה מה קובע אתהמבנה.

בכל הביולוגיה הסדר נוצר על ידי הטלת מגבלות, מה הם המגבלות שישנם בשרשרת פפטידית את המבנה המסודר. הנטייה הייתה לחפש אחידות במבנה משום שלכל החלבוניםתשמייצבו

הקשר הפפטידי, טבעי היה לחשוב לחפש תכונה משותף–יש מבנה משותף של השלד הראשי לכל החלבונים.

מקס פרוץ היה מחלוצי פענוח המבנה בעזרת שיטות קרני רנטגן. קרטין ניתן למתוח שיער ועל ידי קרן רנטגן לראותαצמר ושיער שניהם עשויים חלבון

, זוהי מחזוריותÅ7 בין חלק לחלק יש Å5דיפרקציה. המתיחה הראתה שבמקום מרחק של קבועה.

התצפית מהמודלים הפשוטים הייתה שאורך הקשר פחמן חנקן הוא קצר מהצפוי וגם אורך יש כאן קשר שונה.–הקשר של הקרבוניל קטן מהצפוי

ההסבר של פאולי היה שישנם צורות רזוננס בין שתי צורות

ולכן הקשר פחמן- חנקן, בקשר הפפטידי, הוא פלאנרי ולכן

היאN והCהזווית אומגה בין ה לא בעלת חופש סיבוב. אך עדיין יש שתי זווית בעלות

חופש סיבוב, פאי ופסאי, בין. αחנקן לפחמן

התנאי כדי לייצב מבנה הוא מכיוון שהם אינטראקציה דיפול דיפול,םמקסימום של קשרי מימן, קשרי מימן הם לינאריי

והלינאריות נותן חוזק גדול יותר. ומכאן הגיע פאולינג למסקנה, על ידי שימוש במודל מקרטון, . הראו שאכן מודל זה מתאים לקרטין שלαשניתן לסדר את המודלים ולהגיע למצב של סליל

שער, כל קשרי המימן הם לאורך ציר הסליל והשרשראות הצדדיות פונות החוצה. פאולינג מצא אם כן שמספר החומצות לכל סיבוב היה תוצאה ולא סיבה הוא בנה על מספר

האינטראקציות החלשות. האנתרופיה של השרשרת הנובעת משתי זוויות בעלי חופש סיבוב היא מספיק נמוכה כדי

שקשרי מימן יאזנו אותה.

α מאפיני מבנה של סליל

השרשרת הראשית בפנים, השרשאות הצדדיות פונות כלפי חוץ.כל קרבוניל יוצר קשר מימן עם האמיד שנמצא במרחק ארבע יחידות ממנו.

שכיחות

בטבע נמצא בדרך כלל סליל ימני למרות שאין מניעה לסליל שמאלי, כנראה בגלל העדפה של, תערובות רצמית לא נותנת סליל.Lחומצות

קטעים שונים של חלבון יכולים ליצור סליל, השרשרת הראשית נבנית מהשלד הפפטדי

אך הראו שיש חומצות מסוימות שבהם השרשרת הצדדית מונעת אפשרות של יצירת

סליל. , אךPH 7אלנין הכי מייצב ליזין במצב של

כאשר אין איזון יש דחייה אלקטרוסטטיתשיכולה לגרום למבנה אקראי.

פרולין לא יכול ליצור קשרי מימן ולכן פולי. αפרולין יכול ליצור שבירה של סליל

β משטחי

המבנה השני שהוצע על ידי פאולינג הוא . מבנה זה הרבה יותר פרוס ובו קשריβמבנה

המימן הם ליטארלים בין השרשראות, בין שתי שאריות שכנות ולא בתוך אותה

ששרשרת.

ס לילים נוספים

הוא310 כמו סליל αשהם פחות יציבים מסליל סלילים נוספים אין–שהחלל הפנימי בתוך הסליל איננו צפוף פחות יציב משום

וואלס. מרחקי ואן דר להיות יציב בעזרת סולבנט בתוך הסליל, אך עלול סליל

בחלבונים. עדיין לא התגלה מאופיינת לפי פרמטרים של מספר היחידות צורת הסליל

לסיבוב.

ייצוב המבנה המרחבי

המבנה המרחבי של החלבון מיוצב על ידי הגבלת על חופש הסיבוב של קשרי השרשרתהראשית.

ההגבלות הם:פלנאריות בקשר הפפטידי

טרנס מועדף

קשרי מימן

הגבלות מרחביות

הגבלות מרחביות

מבחינת מרחב יש הפרעה אסטרית שהופכת חלק מהמבנים לבלתי

אפשריים. איפה שיש– ramachandranהגבלת

דחייה סטרית המבנה הינו בלתי אפשרי, לפי נתון זה בנה מפה של כל המבנים

75%האפשריים, האזורים הלבנים הם אזורים שמשקולי התנגשות פשוטים אין הגבלה. כבר מהמבנים בגלל ההפרעה המרחבית לא אפשריים.

הגרף מראה שיש מספר גדול מאד ממרחב הזווית האפשריות של פסאי ופאי שאסור משקולים מרחבים. אך עדיין נשאר מרחב מספיק גדול שמאפשר אין סוף של מבנים אפשריים. ממוצע

של חלבון הוא מאה חומצות אמינו וממאה חומצות אלו ניתן לבנות הרבה חלבונים שונים.

אכן רוב הנקודות נמצאות בזווית באזור המותר, אך יש כאלה שחורגים, יש הרבהBTPIבחלבון פרמטרים ומכיוון שיש כוחות נוספים יכולים להתגבר על דחייה סטרית. רוב החריגות הם של

ולא פחמן. H מכיוון שיש שם βשאריות של גליצין כי שם אין הפרעה מרחבית של פחמן

מיון מבני של חלבונים

מבנים שניוניים, לכל אחת מהשאריות יש אותם צירופים של פסאי או פאי.–מבנים מחזורים אין להם מבנה מחזורי פשוט אלא מבנה מורכב. –חלבונים גלובלארים

מסופחים לקרומים. –חלבוני הקרום

סוגי חלבונים סיביים

. α בעיקר מבנה –קרטינים .β בנוי בעיקר ממשטחי –משי וסיבי חרקים

.triple helix החלבון הנפוץ ביותר בעולם החי, מבנה של סליל משולש –קולגן

קשר בין מבנה לתכונות

שבירת קשרי המימן של הסליל ופתיחת–הצמר הוא גמיש משום שניתן לפתוח את הסליל השרשרת למקסימום וכשמשחררים יש חזרה למצב המיוצב של קשרי מימן.

הציסטאין גורם לסלסול של שער או צמר משום שמייצב את המבנה על ידי קשר דיסולפידי. תהליך הבנייה העצמית בקרטין -המולקולות מסתדרות בסדר אחת ליד השנייה, - יש ראש

גלובולראי בקצה הסליל שהוא נותן את האורינטציה של מפגש היחידות האלה, שנותנים אתהכיוון.

כלומר הוא כבר מתוח. n= 2 הרבה פחות גמיש מכיוון שהוא כבר ב βמשי - ה השרשרת כמעט מתוחה, המשטחים נוצרים מכיוון שהם מקבילים אחד לשני קשרי המימן הם

לטראלים, כאשר יש התנגדות לתנועה בין המשטחים יהיה סיב שיש לו–בין השרשראות התנגדות למתיחה.

את השרשרת כמעט אי אפשר למתוח, השרשראות

הצדדיות פונות למעלה ולמטה, נוצר מעין שילוב –אצבעות בין המשטחים יוצר התנגדות למשיכה

והפרדה בין המשטחים, יש אינטראקציות ואן דר וואלס

משתי שרשראות צדדיות של שתי משטחים, ולכן הוא נותן

סיב חזק יותר. הרבה אינטראקציות חלשות נותן

חוזק. יש התאמה מדויקת בין

השכבות של המשי, הנותן חוזק גדול. ניתן לכופף את

המשטח, ולכן המשי גמיש לכיפוף אבל מתנגד למתיחה. הוריאציות בין סוגי המשי ואיכות המשי, הוא לפי ריבוי השרשראות הצדדיות שאינן אלנין או

גליצין.

קולגן

הקולגן הוא החלבון הנפוץ ביותר בבעלי החיים, הגידים עשויים קולגן, כל המתח שמחזיק משקל של פיל הוא על סיבי הקולגן המבנה בדרגות השונות שלו, הבסיס הוא סליל משולש

כאשר יש רצף מיוחד, פרולין גליצין ואלנין, הגליצין חשובה משום שהיא מאפשרת את האריזה כל אחד.Å650המיוחדת, הסיבים מסודרים בחפיפה חלקית, באורך של

תכונות מבניות של קולגן

אי אפשר לגבש קולגן ולכן לא ניתן לדעת בצורה מדויקת את המבנה, הראו שהמבנה הבסיסי-glyדומה לפוליפרולין שבין הסיבים יש קשרי מימן, הרצף המיוחד הוא גליצין-חומצה-פרולין )

x-proוכך ניתן לקבל את הסליל המיוחד. הרבה מחלות של שלד וגידים נוצרות בגלל מוטציות ) בקולגון, שלא מאפשרות את המבנה.

את החלבונים הסיביים הצליחו לגלות את המבנה לפי מודלים ולפי דיפרקציה של סיבים.

המבנה של החלבונים הגלובלריים

פוענח, הציעו מודל שהוא לא תוצאה ניסיונית אלא מבוסס על תמונותDNAמבנה ה . המבנה הוא מחזורי. DNAדיפרקציה של

המבנים הגלובלרים, הפענוח של דיפרקציה היה לפי התוצאה המצופה לפי המודל ולבדוק האם זה מתאים לתמונה. אבל כשיש מספר קטן של מודלים קל לבנות מודל, אבל בחלבון לא ניתן

ולכן היה בעיה.

דיפרקציה

סידור המולקולות בגביש, ואז ניתן לדעת את הסדר של המולקולות בגביש. לכן ניתן למצוא משטחים, אור הפוגע במשטח הוא מוחזר, בגלל שנתקל בענן אלקטרונים, אם ישנם שני

משטחים שמחזירים והם קרובים זה לזה באורך הגל נוצרת התאבכות הורסת ובונה, בין השדותהאלקטרומגנטים, ואז יהיו נקודות של אור ונקודות של חושך. זוהי תכונה גלית של אור.

הזווית שבה נקבל התאבכות בונה תלויה באורך הגל ובמרחק בין שני משטחים, בודקים לפי הזווית מהקרן המקורית, ועל ידי חישוב עם אורך הגל ניתן לחשב את המרחק בתוך הגביש. וזהו

יש מרחק הופכי ככל שהזווית גדולה יותר המרחק קטן יותר בתוך–המרחק בתוך המולקולה הגביש.

מסובבים את הגביש בכיוונים שונים ונקבל את ההתאבכות מהרבה משטחים של המולקולה.אך יש לנו בעיית פאזות כי אין לנו נקודת יחוס.

עבודתו של מקס פרוץ - חוזק ההחזרה תלוי בצפיפות האלקטרונים במשטח. כדי לגלות את נקודות הייחוס שביחס אליהם נסדר את כל המרחקים. ניקח אטום כבד הרבה יותר מכל

מהאטומים של החלבון, כמו כספית בעל משקל אטומי גדול הוא ייתן פיזור חזק, נספיג את הגביש במלח של כספית, בהנחה שכל מולקולה מעגנת את האטום הזה באותו מקום בדיוק

ובלי לשנות מבנה, נקבל עכשיו פיזור עם תוספת של פיזור של הכספית אך יש לנו נקודת אחיזה, ומהם ניתן להתחיל לבנות את המודל. מדידת הפיזור של קרני הרנטגן פעמים פעם אחת בלי האטום ופעם אחת עם. התהליך הוא מתמטי והתוצאה היא שמקבלים מפה של

צפיפות אלקטרונים של מישורים שונים ולקבל מודל. וכך בונים מודל שנותן תמונת פיזורמתאימה לניסוי.

בשנות החמישים הופיעו המחשבים, מידת הרזולוציה הלכה והתפתחה. זה היה שינוי הכיווןבביוכימיה כולה.

מיוגלובין

פענוח המבנה המרחבי של מיוגלובין מראה את הקשר בין המבנה הגנטי, המרחבי, ותפקודהחלבון. הקשר בין גן-מבנה-תפקוד.

דורש זרם קבוע של אנתרופיה שלילית וייצור אנטרופיה חיוביתתקיום החיים בסביבה פיזיקאליבתהליכים בלתי הפיכים.

.18המעבר לחיים אירוביים הגדיל את תפוקת אנרגיה חופשית מתהליכי המטאבוליזים פי המגבלה הגדולה ביותר בשימוש במזון וחמצן, היא הובלה באורגניזם הרב תאי, הדיפוזיה יעילה

רק במימדים קטנים של תא בודד. מערכת זרימה, הגברת המסיסות של החמצן בדם. החמצן בדרך כלל–הפתרון על ידי יצירת

הוא לא פולרי. דגי הברכות בקיץ מתים הרבה פעמים מחוסר חמצן כי–לא מסיס במים המסיסות יורדת בגלל הטמפטורה.

מ"ל מים.100 מ"ל חמצן ל0.3בדם המסיסות קטנה ומוגבלת ולא מספיקה, מעלה את קיבולת הדם לחמצן, צריך גם בופר, מאחסן שיצבור זמנית–קישור החמצן לנשא

את החמצן כדי שיהיה אפשר להגיב באופן מקומי ומידי לרקמות, אפשרות תגובה למצביםמשתנים. המבנה של הזוג נשא ומאחסן אחיד בכל האורגניזם המפותחים.

פיתוח נשאים

לקלוט את החמצן בראות להעביר אותו אל המאחסן והמאחסן למיטוכנדריה. –צריך להוריד את כמות האנתרופיה החיובית, הנשא צריך להיות מסוגל לשחרר את הפסולת.

זרמים הפוכים.

תכונות נדרשות

המוביל צריך להיות מסוגל לטעון ולפרוק. אדם שעולה במדרגות צריך יותר חמצן.–יכולת אדפטציה לסביבה.

וויסות הריכוזים בתוך הרקמה. הפתרון נעשה על בסיס שני המבנים האלה, ההימוגלובין בדם מאפשר לעלות את כמות החמצן

מל פלסמה.100 מל חמצן ל25בדם עד ל

פיתוח יכולות פענוח דיפרקציה

תוך כדי התפתחות המחשבים גם הרזולוציה של התמונה, משום שהביולוגיה היא המדע שלאינפורמציה, המחשב הוא המכונה לעיבוד אינפורמציה.

זהו מודל שנבנה על בסיס מפות של צפיפות אלקטרונים, זאת לא תמונה אלא מודל שנבנה כדילהתאים את תמונת הדיפרקציה לתמונה מחושבת.

היכולות להגיע למספר רב של נקודות, נובע על ידי - הדיוק של הגביש- המושלמות של הגביש. המאקרו-מולקולות הביולוגיות אינם כמו מלח אלא יש הרבה גמישות של המולקולות, יש התפלגות של מבנים יש תנועה של המבנה, בגביש הוא כלוא בתוך אחד המצבים יש כמה

מבנים שאפשר לגבש על ידי כמה סוגי גבישים. להבדיל ממלח - הגבישים המינרלים, הגבישים הוא מים ולכן יש70%של המאקרו מולקולות הם סידור של מולקולות זו ליד זו עם הרבה נוזל,

הרבה מאד תנועה בתוך הגביש, כתוצאה מזה הנקודות שמקבלים על מסך הצילום אינם חדות, הטשטוש אינו פגם אלא מראה שיש גמישות בחלבון. ולכן יש מגבלה של הרזולוציה,

, התנועה היא חלק מהחיים, ולכן טשטוש שלתהמולקולות של החיים הם בהגדרה דינאמיו של מולקולה. ההנקודות הוא אינפורמציה על מידת הדינאמיק

מבנה המולקולה - מיוגלובין

שבתוכה ישHeme, יש קבוצה הנקראת α עשויה מסליל 75% אטום של ברזל הנותן את הצבע האדום לדם, יש שמונה סלילים

. a-hהמסומנים מ קבוצות המחוברות לחלבון שאינם חלק–הקבוצה הפרוסטטית

מהחלבון המאפשרות את הכימיה לחלבון. החלבון הזה הוא המאחסן, החמצן נקשר לאטום הברזל הנמצא

המחסן של החמצן בתוך התאים–בתוך השריר בתוך התאים בשריר.

אין סימטריה, המבנה קומפקטי ללא חללים, אריזה מאד הדוקה, אופטימיזציה של–פנים החלבון באריזה מאד מדויקת

האינטראקציות הואן דר וואלס, הקופסא כולה היא בסדר גודל שלnm 5 יש קבוצה של פרולין, שלא יכול להשתתף בסליל α.בקצה ,

פרידיקציה של וולטר קאוצמן - סביר להניח שפנים החלבון יכלול האפקט ההידורפבי.–קבוצות שאינם פולריות והמעטפת החיצונית את המולקולות הפולריות

התמונה אישרה את הפרידקציה הזו. ניתן למצוא קבוצות פולריות בתוך החלבון אך תוך כדי ניטרול הדדי שמפצה על האיבוד קשר

עם המים.

מבנה הקבוצה הפרוסטטית

הפרוטופורפירן – ארבע טבעות של פירול שיוצרות מסגרת –פורפירן

ארבע קורדינאציות של אטום ברזל, ניתן לקשור אטום ברזל בתוך הטבעת הזו, ויש עוד שני קורדינאטות

פנוית.

, יש שתי קבוצות קרבוקסיליות ושתיהם אחת לידHeme שיוצר את ה9יש רק איזומר אחד השנייה, ולכן נוצר צד אחד פולרי וצד לא פולרי.

מבנה לא חלבוני הנקשר לחלבון כדי לבצע עליו את הכימיה,–זאת קבוצה פרוסטטית המשמש בתורHeme יש בהם אותו Cבכלורפיל למשל משתמש בקבוצה מאד דומה ציטוכרום

קבוצה פרוסטטית. הפונקציות שונות אך אותה קבוצה מבצעת כימיה שונה. במיוגלובין קישור זה קישור של אלקטרון, הספציפיות היא בחלבון. השילוב של חלבון עםCשל חמצן בציטוכרום

קבוצה לא חלבונית לקבלת תפקוד מסוים, החלבון מספק את הספציפיות והקבוצה הפרוסטטיתאת הכימיה.

אטום הברזל

הברזל יכול ליצור שישה קשרים, ארבע קשריםיוצר עם הטבעת.

, היסטידןHemeיש שתי היסטידין ליד קבוצת ה קרוב יותר פרוקסימלי, ההיסטידין הדיסטלי לא

קושר את הברזל, ושם יש מקום לקישור החמצן.

הקשר בין מבנה לתפקוד

הכלל הראשוני הוא שמבנה המולקולה נועד נוצר בצורהHemeלמילוי פונקציה, הקישור של ה

אקראית, מבנה החלבון מהווה יצירת סידור מכוון מתוך תנועה אקראית על ידי תכנון צורת שמרופד בקבוצות לא פולריות המולקולה. הטבעת מכוונות לתוך הכיס

והידרופוביות, שתי הקבוצות נקשרת באינטראקציות ואן דר ואלס נותן כיוונית–קשרי מימן עם מים הקרבוקסילות פונות החוצה, ויוצרות

שבמולקולה. בתוך הכיסHemeלצורת הקישור של ה הספציפית של החלבון - קישור של המבנה מאפשר את הפעילות

היא גמישה,Hemeקבוצת ה חמצן. אטום הברזל איננו במישור, לתוך הטבעת,סגדול מדי מלהיכנ בהעדר חמצן אטום הברזל הוא בקוטר

להיסטידין. כאשר מגיע חמצן ולכן יש עיוות של הטבעת הברזל נמשך הברזל מקבל ירידה בקוטר ויכול אטום6לסביבה הוא יוצר קורדינציאה

, ישÅ0.3המצבים הוא בליטה של להיכנס לטבעת. ההבדל בין שני נקשר. לתזוזה קטנה זו יש מערכת של שווי משקל כאשר החמצן

משמעות רבה יותר.

תפקיד הקבוצה הפרוטיסטית

כימיה של יצירת קומפלקס של חמצן הנקשר באתר הפעיל.

תפקידי השרשרת הפולי פפטידית

בתוך הדםHeme במים מתחמצנת מיד, אי אפשר לשים את Heme, קבוצת בעיית החמצון ולהוביל חמצן, תפקיד החלבון הוא למנוע חמצון עם המים. ההיסטידין הדיסטלי מיקומו

ישHeme לHemeהמדויק על פי הפיגום של חלבון מונע את היכולת לבצע אינטראקציה בין , מניעת שלב הביניים של דימר. Fe+2שימור של המצב

שהוא רעל, מבחינה מרחבית איןCO יש מולקולה דומה למולקולת החמצן – בעיית הספציפיות , ולכן ישHeme הוא תוצר טבעי של פירוק הCO לתוך הכיס, הCOמניעה שבמקום חמצן יכנס

מאשר הזיקה של החמצן, לכן25000 לברזל היא פי CO, הזיקה של הCOריכוז ברקמות של צריךCO ואז לא ייקשר חמצן ויהיה חנק, הפתרון הוא הזווית, ה COמספיק ריכוז נמוך של

מונע את האפשרותE7להיקשר בזווית ישרה והחמצן יכול להקשר בזווית, ההיסטדין הדיסטלי באופן מרחבי שהחמצן

ייקשר בצורה ישרה, ויוצר כיפוף, מוריד את הזיקה של

CO אחוז אחד200 ל פי . ממולקולות המיוגלובין

באופןCOמורעלות על ידי מתמיד. נוצר על ידי

המסגרת התבנית של החלבון, מבנה גדול יציב

המכוון. הקבוצה הזו משמשת גם

לחלבונים אחרים, ההבדל בתבנית של–הוא בקופסה

החלבון. כדי לקיים את הכימיה צריך

, הםלהרחיק את המים יגרמו לחמצון, ולכן המבנה

של האתר הפעיל שהוא מרופד בקובצות לא פולריות, יוצר סביבה אל-מימית בתוך המים. בתוך הכיס אין מקום למולקולות המים מכיוון שאינם יכולות ליצור קשרי מימן בתוך הכיס, ולכן הכיס

פנוי לקבוצה הפרוסטטית הנדחפת לשם על ידי המים. ]הריכוז של החמצן בתוך התמיסה הוא נמוך, אבל הוא לא מתרוקן על ידי הקישור מכיוון

שמובל חמצן נוסף על ידי המוביל.[ הרבה יותרם, המטענים האלקטרוסטאטיימקדם דיאלקטרי נמוךיצירת סביבה של

, המקדם של המים הוא גבוה והמקדם של כל שדה מוחלש פי שמונים, בסביבהםאפקטיביי . אתרים פעילים של חלבוניםםאל-מימית המקדם נמוך ולכן המטענים הרבה יותר אפקטיביי

םבהם יש סביבה אל מימית הרבה יותר פעילים אלקטרוסטאטיי המאפשר את המבנה המדויק הוא תהליך אקראי של דיפוזיה המקבל כיוון רקהפיגוםיצירת

לפי הקישור. ניתן ליצור חלק פעיל גם בלי חלק מהחלבון, אך כדי לבנות את האתר הפעיל –בבניה עצמית, יש צורך בפיגומים, בחלבון הפיגום נשאר. יש חלבונים בהם הפיגום יורד

אינסולין, אך כאן הפיגום נשאר. הם בלתיקטסטרופותהחיים לא יכולים להתקיים כאשר המבנים הם גבוליים, משום שה

נמנעות בגלל האקראיות של מערכות פיזיקליות. ולכן מולקולות החלבון תמיד גדולות יותר ממהשצריך כדי להתכונן לקטסטרופות.

. מיוגלובין אין להאינטראקציה עם מולקולות נוספותתפקיד נוסף של החלבון הוא לקיים את העניין עם מולקולות נוספות אך ההמוגלובין הוא טטראמר ויש ראקציה עם מולוקולות אחרות.

הומולוגיה

שימור–יש הומולוגיה במבנה של מיוגלובין והמוגלובין בין היצורים החיים, יש אתרי מפתח מלא של האתרים הללו.

בכל הגנים של המיוגלובין ביצורים השונים יש אתרים שנשמרים, יש שינויים אקראיים בגנום מה שמשומר זה לא הרצף אלא המבנה, השימור הביולוגי הוא ברמת המבנה ולא ברמת

היסטוריה,–האינפורמציה. הומולוגיה היא מקבילות של רצפים. מההשוואה הזו ניתן ללמוד השינויים שנעשים הם אקראיים ואפשר לראות היכן נעשו שינויים וקרבה אבולוציונית, וניתן

ללמוד על המבנה.

קישור החמצן

יש ריאקצית קישור בין מיוגלובין לחמצן.משקל . ריאקציה זו נמצאת בשווי

יש קבוע שווי משקל -

– מספר האתרים הקשורים לעומת כלל האתרים –יש פרמטר של מידת הרוויה

על פי פיתוח המשוואה ניתן לקבל את ריכוז החמצן כאשר

–יש לי חצי רוויה

עקום הקישור

והם מתמלאים בהדרגה, עד שמגיעים לנקודה בה יש רוויון םבהתחלה הרבה אתרים ריקי

3המוגלובין הנשא של החמצן

מאפשר תפקודי כיצד מנגנון מולקולאר–המוגלובין מהווה דוגמא לקשר בין מבנה לתפקוד משוכלל.

תכונות הנשא לעומת המאחסן

אספקת החמצן נעשית על ידי זוג של נשא ומאחסן, המוגלובין הוא טטראמר המורכב מארבע פולימר המורכב ממספר קטן–יחידות הדומות למיוגלובין. מה היתרון של המבנה האוליגומרי

של מספר הגנים, אלאתשל מנומרים, המורכבות של אורגניזם מפותח איננה תוצאה ליניארי של האינטראקציות בין המרכיבים השונים.תתוצאה לא ליניארי

DNAתהליכי החיים מרכיבים קומפלקסים של הרבה תת יחידות כמו קומפלקס השכפול של ה הריבוזום שמזרז את הפעולות של ביוסינתזה של חלבונים המורכב ממספר רב של חלבונים,

הפעולות המורכבות מבוצעות על ידי קומפלקסים. הפעולה הפשוטה של אחסון נעשית על ידי מונומר, אין בעיה פיזיולוגית יש שווי משקל כימי לפי ריכוז החמצן יש רוויה של מיוגלובין. לעומתו ההמוגלובין מבצע הרבה פעולות: קשירה,

ושחרור, פעולות אלו הרבה יותר מורכבות משווי משקלCO2שחרור, קשירת תוצרי הפסולת כימי. יש כאן תפקוד בשתי סביבות שונות ריאה ושריר, הפעולות המורכבות יותר באורגניזם

מערכות מורכבות יותר.–מתבצעות על ידי קומפלקסים של חלבונים הידרוליזה של פוליפפטידים, לכאורה זוהו חזרה למצב הטבעי אך עדיין יש מערכת–פרוטאזות

מורכבת כדי לבצע את הפעולה הפשוטה משום שפעולה זו בעצם מורכבת. יש עוד מערכות של פירוק חלבונים, יש עיכול טוטלי של חלבוני המזון על ידי אנזימים מהלבלב, נעשה על ידי מונומרים מספר קטן של אנזימים, אך הפעולה בתוך התא היא פעולה מורכבת משום שהיא

צריכה להיות מבוקרת. הפעולות המורכבות בהם יש צורך בתגובה לסביבה ולסיגנל צריךמערכות מורכבות, הביוכימיה פתרה את הבעיה על ידי בניית אוליגומרים. מדוע לומדיםתההמוגלובין הוא דוגמא פשוטה יחסית לקומפלקס. ישנם שני סיבות עיקריו

ממנו על שאר המערכות:.ת המערכת הראשונה שהתגלתה כמערכת רב מולקולארי–סיבה היסטורית

יותר קל לראות את הכללים במערכת פשוטה ומשם לצאת למערכת מורכבת.–סיבה שנייה

תכונות

התלות של אחוז הרוויה של הקישור של החמצן למיוגלובין– של קישור החמצן התרמודינאמיק עד שמגיעיםת בהתחלה יש ריכוז שבו התלות ליניארי–הוא היפרבולי, עקום קישור רגיל

לריכוזים גבוהים בו יש רוויה שהריכוז משפיע פחות. S מזכיר את האות –ההבדל הוא בטרנספורטר שם עקום הקישור הוא בצורה סיגמואידית

באזור של חמצן נמוך הקישור הוא חלש, באזור של חמצן בינוני הוא חזק ובחמצן גבוה הואחזק.

3 6.1.2004

בריכוזים של הריאות יש קישור ברמה גבוהה, באזור של השריר הזיקה של הנשא היא נמוכה בעוד שהזיקה של המאחסן היא גבוהה ולכן יש ההעדפה של קישור החמצן למאחסן וגורם

לזרימה דיפוזיונית בין התאים האדומים לשריר. כל מולקולה שעוברת לשריר נתפסת על ידי מיוגלובין מפל הריכוזים נשמר כך שמשתחרר עוד חמצן מהדם אל תא השריר ויש זרימה.

הזרימה הזאת נוצרת בגלל ההפרש בזיקה בקישור בין המאחסן לנשא, הזרימה הזאת יעילה רק במימדים של תא ולכן צפיפות הנימות בתוך הרקמה היא חיונית לקיומה, יש מספר תאים

מצומצם בין הנימות. הסיבה לכך שניתן להבין את התופעה שיש חוסר אחידות בזיקה לחמצן, היא במבנה. מהו

המאפשר זאת?יהמנגנון המולקולאר הרקמה אמנם צורכת חמצן, אך ריכוז החמצן ברקמה יכול להיות גם יותר גבוה, אפשר להגיע

בתאןלרוויה של ריכוז חמצן בקלות רבה משום שהוא לא מסיס במים, אם לא היה מיוגלובי מעלה את מפל הריכוזים פיןהיה רוויה של ריכוז החמצן ולא היה נוצר מפל ריכוזים, מיוגלובי

עשר.

שינויים ברמת זיקת הקישור של המוגלובין לחמצן

יש סוגים שונים של המוגלובין: בעובר בבטן אמו תתי-היחידות הם אפסילון ופסי, והוא שונה , בעובר הזיקה לקישורα ו βמההמוגלובין של הילוד עם הרכב של גמא ורק הבוגר יש לו הרכב

חמצן יותר גבוה ולכן נוצר מפל ריכוזים בין כלי הדם של האם לעובר וכך האם מזינה אתהעובר, כאשר הוא נולד הוא מחליף את ההמוגלובין לאחר בעל זיקה רגילה.

אפקט בור, בסביבה חומצית הזיקה של ההמוגלובין יורדת,–תלות חזקה בריכוז הפרוטונים מתבטא בכך שצריך ריכוז גבוה יותר של חמצן כדי להגיע לרוויה, השריר הוא סביבה חומצית ולכן יש ירידה בזיקה

המגבירה את שחרור החמצן. מרכיב של המטבוליזם, תוצר–חומצה די-פוספו-גליצרידית

ביניים של פירוק הסוכר בשלב הגליקולזה. תוצר מטבוליזם גורם לירידה בזיקה של ההמוגלובין, יש יתרון בכך שיש הגברה

של שחרור החמצן במקום שיש מטבוליזם. רואים אם כן שיש סיגנלים סביבתיים שגורמים לשחרור מוגבר

. תשל החמצן, אדפטציה ברמה המולקולארי

הומולוגיה ומבנה

תצפית שעשה פליקס הורביץ - כאשר הוא גיבש המוגלובין מצא שהצבע היה סגול ולא אדום, אך הצבע השתנה לאדום כשפתח את המבחנה וצורת הגביש עבר לצורה של מחטים.

האינפורמציה היא שאם יש שינוי במבנה הגביש יש שינוי במולקולות שעברו למבנה חדש ויש משהו שהשתנה בסביבה של הברזל, חיידקים שהיו במקרר צרכו את החמצן והיו במצב של

דאוקסי, כשפתח את המבחנה נכנס החמצן למבחנה בדיפוזיה ושינה את המצב של הברזל ולכןאת מבנה המולקולה ולכן הגביש התפרק.

מקס פרוץ: יש שתי צורות של המולקולה במצב של חמצן ובמצב של דאוקסי בלי חמצן קשור, . Å6השינויים במבנה הם בולטים. יש תזוזות בסדר גודל של עד

כיצד הסיגנלים הסביבתיים מאפשרים את השינוי?

תמקדם היל מדד לקואופרטיביו

, הציע לשרטט אתתמקדם היל מדד לקואופרטיביו מקדם השיפוע, מקבלים גרף ישר שהשיפוע שלו

- מקדם היל. אם הזיקה היא קבועה יש קוnהוא ישר, אם השיפוע הוא אחד כלומר אין

- יש אינטראקציה בין אתרי הקישור. בריכוזים2.8קואופרטיביות. ההמוגלובין יש שיפוע של , אךןנמוכים אין קואופרטיביות הזיקה לא משתנה, בריכוזים גבוהים הקו הוא גם כמו מיוגלובי

באמצע יש קטע שבו יש קפיצה, הזיקה למולקולת חמצן הבאה יותר גבוהה יש אינטראקציהבין אתרי הקישור.

תלות בזיקת הקישור בין האתרים השונים

ההשערה הייתה שצריך לצפות שאתרי הקישור יהיו קרובים זה לזה ויהיה אינטראקציה אך אם כן מהו הבסיס לתופעתÅ40 רחוקות זו מזו, Hemeגילה מקס פרוץ כי קבוצות ה

הקואופרטיביות?

הבדלים בין מבנה דאוקסי למבנה אוקסי

ההבדלים בין המבנה במצב מחומצן לבין הלא מחומצן. כמעט לאβ1 ל α1ישנם ארבע תת יחידות יש משטחי מגע בין תתי-היחידות, משטח בין

משתנה. ישנם קשרי מלח ביןβ2 ל α1 זזים כשני דימרים, משטח המגע בין –משתנה היסטידין תפוס בשתי צורות אינטראקציהβ2הקבוצות, הקצה הקרבוקסילי של

, הקצה הקרבוקסילי תפוס משני94 לליזין, ועם הקרבוקסיל של אספרטיתתאלקטרוסטאטי הקצה– 97 שקשור בקשר מימן עם טראונין 145הכיוונים יש עוד אחיזה של טירוזין

הקרבוקסילי תפוס בשלוש אינטראקציות. צורה זו אין לה הרבה גמישות, הצורה הזו שלהמולקולה היא מאד קשיחה, יש קשר הדוק בין תתי היחידות.

כאשר המצב משתנה החיבורים האלו משתחררים ויש תזוזה של תתי-היחידות. ויש שינוי שלהחלל הפנימי בין תתי-היחידות.

שתי הצורות מיוצבות, הצורה של המשטח "זנב יונה" מאפשר הקפצה בין הצורות, בתכנון של המולקולה יש שתי מצבים יציבים צריך רק שינוי אנרגיה כדי לקפוץ ממצב למצב. ההבדל

באנרגיה בין שני המצבים הוא לא גדול אבל שניהם יכולים להיות יציבים, ההבדל קטן ולכן יש הפיכות הפעולה של המולקולה הזו היא מחזורית ולא חד כיוונית ולכן חשוב שהבדלי האנרגיה

.םבין המצבים לא יהיו גדולים, אך צריך ייצוב בין המצבים, יש ייצוב של מצבים אלטרנטיביימהו האות לחילוף המצבים?

מנגנון פרוץ: הכול מתחיל באתר הקישור של מולקולת החמצן, כיצד מתבצע העברת האינפורמציה מן אתר

? יאחד לשני כאשר הם רחוקים אחד מהשני, כיצד מתבצע הממסר המולקולאר הברזל הוא מחוץ למישור של הפורפירין, זהו ממצא

מדידה של התגובה של החומר לאור, הוכח–ספקטרוסקופי שאכן הברזל לא נמצא במישור אך קשור להיסטדין

הפרוקסימלי ולכן כאשר חמצן נקשר יש תזוזה של ההיסטידין מעלות לאפס5ואם הוא זז כל השרשרת זזה, מזווית של

ישנה שקשור להיסטידין.fמעלות, מושך את כל הסליל שרשרת צדדית של ואלין שהיא חומצה אליפטית מסועפת

שלא מאפשרת את תזוזת הסליל במצב רגיל, במצב דאוקסי הוא לא יכול לרדת בגלל שיש אינטראקציה של דחייה מרחבית,

אך לאחר ההזזה הזו יש התקרבות. הסליל איננו בפני עצמו אלא קשור להמשך המולקולה

לא יכולHוכתוצאה מזה קשר המימן בין הקצה של סליל להתקיים, ולכן אחד משלושת הקשרים שתפסו את תת

היחידות משתחרר ואז הקשר רופף, ועל ידי התנועות התרמיות קצת התרווחה. Hemeהמולקולה נפתחת, הזיקה שלה לחמצן משתנה מכיוון שהסביבה של ה

שינוי מבנה על ידי סיגנל סביבתי. הקואופרטיביות מתבטאת בכך שיש התניה בין הסביבה.תבאמצעות האינטראקציות האלקטרוסטאטי

החמצן נע באקראיות, ככל שהסביבה בחלבון רפויה יותר הדיפוזיה מהירה יותר, ההתנגדות שלהשרשראות הצדדיות לתנועת החמצן נמוכה יותר.

של אטום הברזל כדי ליצור את השינויÅ0.3כך רואים כיצד מספיק שינוי קטן של הזזה של לתופעות הביולוגיות, כיצד המקרויבאינטראקציות החלשות. זהו הבסיס הכימי פיזיקאל

מולקולות פעולות כמכונות שמאפשרות את הביולוגיה. יש קישור ושחרור של חמצן באקראיות, כאשר יש ריכוז גבוה יש יותר קישור אך בסביבת

הרקמה יש פחות חמצן מהריאות ולכן יש שחרור גם של החמצן, העובר דרך הקרום לתוךהתא שבתוך התא יש קישור בזיקה גבוהה למיוגלובין.

4קואופרטיביות

הקשר בין המבנה והתפקוד של מכונות מולקולאריות מוצג על ידי הדוגמא של המוגלובין. כמות כוח שצריך להפעיל כדי לפתוח את תת היחידה הראשונה במבנה הוא גדול יותר ולכן

הזיקה אליו היא נמוכה, משום שהשינוי המבני גורם לזיקה של החמצן.

שני מודלים של הקואופרטיביות בזיקה לחמצן של המוגלובין

KNF ז'אק מונו )במאה הקודמת( הציע מודל תרמודינאמי, המעבר מהמצב - T למצב R בארבעת תתי היחידות נעשה בו זמנית, אם נקשר חמצן לאחת מתתי היחידות כל הארבע

משתנים ובמצב של זיקה גבוהה.

MWC

- מודל נוסף הציע כי יש מודל הדרגתי, יכול להיות מצב בו שלוש תת יחידות יהיו במצב

R אך תת יחידה אחת תהיהTהזיקה עולה , ביחד עם ההדרגתיות.

השפעות שונות על הזיקה של המוגלובין לחמצן

סיגנלים סביבתיים גורמים לשינויי מבנה ושינויי פעילות וזהו היסוד של הבקרה הביולוגית.

PH אפקט בור - תלות ב

CO2השפעת

ויש מיד הידרולוזיה לקבלת חומצהCO2משפיע בשתי צורות - במטבוליזם אירובי יש ייצור של , הפרוטון שמשתחרר בתהליך נקשר על ידי המוגלובין.פחמתית

4 19.1.2004

בנוסף גם החומצה הפחמתית נקשרת בצורה של קרבמט, מסתבר שהקרבמט מייצב את הצורהT ולכן קישור CO2מוריד את הזיקה לחמצן, מכיוון שהמטען השלילי שנוצר על הקצה האמיני

.β ו αמייצב בגשר מלח את שתי תתי היחידות

השפעת סביבה חומצית על הזיקה לחמצן

ההשערה היא שעל מנת שיהיה קישור של פרוטון הדבר מחייב העלאת זיקה לפרוטון, כלומר בתחום הסביבה הטבעית הםPKa של החומצה הקושרת, החומצות שיש להם PKaהעלאת ה

ההיסטידין והקצה האמיני של השרשרת האפקט האינדוקטיבי מעלה–הראשית

146 שלו. ולכן ההיסטידין PKaאת ה הם המעומדים לקישור הפרוטון.αוהקצוות של שרשראות

ישR קשור בקשרי מלח לשני חומצות ובקשר מימן לקבוצה נוספת, בצורה 146ההיסטדין של כל קבוצהת אפשר לעשות מודולציה של תכונות פיזיקאליו–פחות קשר ולכן הוא משוחרר

שהיא, אין שינוי כימי אלא רק שינוי בהפעלת כוחות. הצורה הטעונה של ההיסטידין היא כאשר הטבעת האמידזול יכולה לקשר פרוטון. האם

הפרוטון יקשר תלוי בזיקה, המצב בו הפרוטון קשור כאשר יש בסביבה מטען שלילי וייווצר לי זוג מטענים יציב זהו מצב יותר יציב ולכן יש העדפה תרמודינאמית כי הם מייצבים זה את זה.

עולה כיPKaולכן אם יש בסביבה מטען שלילי יש זיקה מוגברת והעדפה של קשירת פרוטון, ה ההסתברות לקשור פרוטון עולה. כאשר ההיסטידין מקובע יש איזון של קשירת פרוטון, המטען

החיובי מיוצב על ידי החומצה האספרטית השכנה, אך במצב המשוחרר אין איזון של קשירת הפרוטון. נוכחות מוגברת של פרוטונים מעלה את הריכוז של אימזדול קשור וגורמת לאספרטי

עקרון ההפיכות המיקרוסקופית יש אפשרות לשני התהליכים להתבצע בצורה–להיקשר הפוכה, כמו שאפשר לקשור פרוטון על ידי קירוב מטענים ניתן לקרב מטענים על ידי העלאת

ריכוז הפרוטון. מייצב את ההמוגלובין, ומשחרר את החמצן. כמוD94 ו H146בדאוקסי הקרבה בין שני

שקישור של החמצן גורם לפתיחה של הקשר ביניהם.

תכנון ניסוי שיבחן את ההשערה

ראו שגם הקואפרטיביות יורדת– HIS 146 הורדת שארית הקצה –מודיפקציה כימית וההשפעה של הפרוטונים נעלמת.

חסימה של הקצוות האמינים של שרשרת–קרבמילציה של קצה אמיני של שרשרת אלפא תומך בהשערה–אלפא, וראו כי היכולת של ההמוגולובין לקשור את דו תחמוצת הפחמן יורדת

היא דרך הקצה האמיני. CO2 כי הובלה של ה

DPG אפקט

- חומצה די פוספו גליצרית, תוצר ראשוני של פירוק הגלוקוז. מולDPGאפקט נוסף הוא של נקשר לטטראמר ברווח המרכזי של המולקולה בשישה קשריםDPGאחד של

ומוריד את הזיקה לחמצן. T –אלקטרוסטאטיים ומייצב את המצב המוגדל

מוטציות

מכיוון שהמנגנון המקרו-מולקולארי הוא עדין ומדויק, שינויים ומוטציות ברצף חומצות האמינו החלפה של–יכולים לגרום לשינוי בתפקוד, ישנם הרבה מחלות גנטיות הקשורות במוטציות

לפחות חומצת אמינו אחת בחלבון גורמת לפגיעה תפקודית. לדוגמא כאשר יש החלפה של חומצת אמינו אחת האונקוגנים גורמים לנזק מכיוון שהבקרה על

הגידול נפסקת והיא פגומה. מוטציות בבני אדם חיים, המוטציה מתגלה כאשר יש קשיים350גם בהמוגלובין ידועים

בהסתגלות למצב של חוסר חמצן.ישנם מספר סוגי מוטציות בהמוגלובין:

מבטלות את פעילות ההמוגלובין.–מוטציות באתר הפעיל פגיעה בהעברת החמצן–מוטציה במעטפת של המולקולה פוגע בקאופרטיביות

מוטציה בסביבה של האתר הפעיל אינה משפיעה על האתר אך פוגעת ביכולות ליצור אתהקיפול המתאים לאתר הפעיל.

כמו ממשק בין תת היחידות. תמוטציה בנקודות ספציפיות של הקואופרטיביומוטציות אדישות.

שונות בגנים בתוך–הביולוגיה היא מאד עמידה, יש חלבונים בהם מוכר פולימורפיזם האוכלוסייה, אם ניקח דגימת דם בכמה בני אדם ונבדוק את רצף חומצות האמינו נמצא שיש

25% ולכן המאקרו מולקולות גדולות יותר, ניתן להגיע לתשונות, הביולוגיה בנויה לקטסטרופובמקום חשוב לתפקוד אז יש בעיה. החלפות בלי לפגוע בתפקוד, אבל אם ההחלפה היא

אנמיה חרמשית

יצירת צורה של חרמש של תאי דם–הדוגמא הראשונה שהתגלתה היא האנמיה החרמשית אדומים. המחלה נפוצה באוכלוסיה בעיקר באפריקה, ההטרוזיגוטים סובלים מקוצר נשימה

וההמוזיגוטים לא שורדים, תא הדם נתקע בתוך הנימות ומונע זרם דם. את הגורם לאנמיה הצליחו לגלות בעזרת אלקטרופורזה של הפרדה דו ממדית, היה ברור שיש

הבדל בנדידה בין המוגלובין של תא דם רגיל לחולה. ההבדל נובע ממטענים, בהפרדה דו שבירה לפפטידים, האלקטרופורזה נותן–ממדית שמים את ההמוגלובין אחרי טיפול בטרפסין

סדרה של נקודות, ובמימד הנגדי על בסיס אחר, וראו כי יש כתם אחד שזז בצורה אחרת - באלקטרופרזה זז פחות כלומר חסר מטען שלילי, וראו שההבדל הוא בין חומצה גלוטמית

בבריא שהוחלפה לואלין בחולה.

הוואלין הוא קבוצה לא פולרית ולא יוצר קשרי מימן עם המים, ולכן–התא החרמשי נוצר כאשר יש מגע בין הוואלין למשטח לא מימי הוא מצב מועדף, ונוצר פולימר, ונוצרים סיבים

ארוכים המותחים את התא עד שהוא נעשה חרמשי.

הקשר בין האינפורמציה הגנטית לבין המבנה המרחבי

קיום זכרון כימי, צריך גם לדעת–הקשר בין האינפורמציה הגנטית לבין המבנה המרחבי . התהליך של שעתוק ותרגום מתקבל רצף של פולי פפטיד ואז מגיע תהליךןלתרגם את הזיכרו

של יצירת מבנה מרחבי מדויק, כיצד נוצר אם כן הקפיצה ממימד אחד למערכתיספונטאנ והזמן.תארבע ממדית, יש שלוש קואורדינאטו

שם–הניסוי הראשון על ידי כריסטיאן אנפינסן, לקח אנזים ריבונוקלאז וגרם לו לאובדן המבנה

המבנה נעלם, חיזר גם את קשרי–אותו בתוך תמיסה של אוריאה, הפעילות נעלמת

הדיסולפיד. ראה כי אם מחזירים בסדר של קודם החזרת הקשרי הדיסולפידים ואחר כך חיזור

יש רנטורציה. כלומר המסקנה העיקרית היא שהמבנה של החלבון וכל המבנים הביולוגים הוא

. המצב המקופל הואתמוכתב אך ורק על ידי סדר החומצות האמינו, הבנייה היא ספונטאני

בתנאים פיזיולוגיםת ולכן מגיעים לכך בצורה ספונטאנייהמצב היציב תרמו דינאמ

מה תפקיד הקשרים הדיסולפידים

יצירה של זוגות של דיסולפיד בחלבון היא יצירה של קישור צולב שמוריד את האנתרופיה של המערכת, הוא לא מכוון את המבנה של החלבון, אפשר לקבל את המבנה גם בלי הקשרים

הדיסולפידים. תפקידם ליצור קישור צולב ולהוריד את האנתרופיה של השרשרת במצב הפרוס ובכך מייצב את המצב הנטיבי. הפרש האנרגיה מוקטן על ידי כך שהאנתרופיה של המצב הלא

פעיל היא נמוכה יותר, מקטין את האנרגיה החופשית ומעלה את ההסתברות של המצב הפעיל. להוריד את האנרגיה של המצב הנטיבי או לקרב את האנרגיה של–אפשר לייצב בשתי דרכים

המצב הפרוס ולהקטין את הפער האנטרופי בין שני המצבים. כאשר השרשרת חופשית לגמרי מספר האפשרויות גדול כל קישור צולב יוצר הגבלה על מבחר האפשרויות, הקשרים

הדיסולפידים מצמצמים את האפשרויות ולכן החיפוש של המצב הפעיל הוא קטן יותר ומהיר יותר. הבעיה היא יותר פשוטה המרחב של האפשרויות מצומצם באופן דרסטי, ההכוונה של

המבנה מקבלים על ידי כלל האינטראקציות החלשות ולא על ידי קשרים די סולפידים.

בעית הקיפול בתוך התא

קיפולי פירסם ביוכמיאי ג'ון אליס, שהוא מוצא שיש בתוך התא חלבונים שהם סייענ77בשנת GroEL-ES צ'פרון )השושבין של הכלה בדרך לחופה( אחד הצ'פרונים הנחקרים ביותר היא –

כל חלבון יכול לקבל את המבנה הנטיבי שלו בלי הסייענים תפקידם הוא למנוע תאונות, ומספר התאונות שיכולות להיות לחלבון הוא גדול.תהסביבה התאית היא מאד לא אידיאלי

בשלב של עקה בתאים, חיידקים, שמרים יש ביטוי מוגבר של הצ'פרונים, ולכן קראו להם בהתחלה חלבוני עקה. הקשר הוא ברור - בזמן של עקה החלבונים מאבדים את המבנה וצריך למנוע זאת, ולכן ישנם הקופסאות שבתוכה יכול החלבון להיות מבודד מהסביבה ולחזור חזרה

למבנה הנטיבי בלי להסתבך בתוך המשקע של שאר החלבונים. צריך את הקופסאות האלה כדי לבודד את החלבון הפרוס חלקית מן הסביבה שיכולה לסבך אותו ולאפשר לו תנאים אידיאלים

לקיפול. לא כל חלבון נכנס לקופסא, לא כל חלבון הוא מספיק קטן כדי להיכנס לקופסא.

יש שתי טבעות כל טבעת עשויה משבע תת יחידות ויש גם חלון ועוד חלבון מכסה, כשהמכונה הזו פעילה יש לה שני מצבים, מצב בו נחשפות קבוצות הידרופוביות לצד הפנימי ושלב בו

, כאשרATPקבוצות הידרופיליות נחשפות לצד הפנימי. שינוי מבנה זה מצומד לפירוק של

ATPהופך את הכיוון של המשטח הפנימי למשטח הידרופילי החלבון יוצא החוצה כי הוא לא קשור. החלבון משתחרר בצורה מקופלת אחרי שתים שלוש מחזורים. הסייענים לא מקפלים

חלבונים אלא נחוצים לשמור על החלבונים המתקפלים מפני ההסתבכויות בתוך הסביבההצפופה של התא או בזמן של עקה לא להסתבך עם חלבונים דנטורטיבים אחרים.

בהתחלה נוצר אינטראקציות הידרופוביות עם הטבעת והחלבון הלא מקופל, ואז יש סגירה אקראית של הקופסה, החלבון מתקפל בצורה אקראית, ואז קורה תהליך של הידרוליזה של ה

ATPוחשיפה של המשטח היותר הידרופילי כתוצאה מכך הקישור של מכסה נעשה חלש יותר והוא משתחרר, החלבון כבר לא נקשר ומשתחרר בחזרה, ושוב יש חשיפה של משטח

הידרופובי. הקופסא הזו היא לא ספציפית, כל חלבון שמתאים בגודלו ולא מקופל יכול להיכנס. יש עשרות

של צ'פרונים שונים במבנה שלהם ובגודלם בתאים. בעיה נוספת של קיפול היא מחלת האלצהיימר הנגרמת על ידי קיפול אלטרנטיבי של חלבונים

בראש. ויגרמו לסיבים היוצרים כתמים על פני התאים בתוך המוח והורג אותם, החלבונים מתקפלים בצורה לא נכונה. מה גורם לחלבונים להתקפל בצורה אלטרנטיבית מחלת

האלצהיימר הופכת להיות המעמסה הכלכלית הגדולה ביותר ולכן חוקרים את הנושא. יש קיפול אלטרנטיבי בטבע ולא נגרם על ידי ווירוס זה קורה בחלבונים בריאים שיכולים להתקפל

בצורה אלטרנטיבית.

5קיפול אלטרנטיבי

לחלוטין, הופכים בזמן כלשהו למבנה שונה הגורם למותם שליםכיצד קורה שחלבונים נורמאליתאים. תופעה זו לא מוגבלת רק במוח אלא קיימת גם באיברים נוספים כמו הכליות.

גורמים לבעיה, לדוגמא חקרוםבהתחלה הייתה סברה שתוצרי הפירוק של חלבונים דפקטיביי חומצות אמינו שלא יודעים את תפקודו, אך רואים760במחלת אלצהיימר חלבון שיש בו

בתהליך המיחזור שלו שנוצר פפטיד בעל ארבעים חומצות אמינו המסיס במים, וישנם אנזים משקעים – חומצות שאינו מסיס ויוצר את הסיבים 42מוטנטי שהחיתוך שלו יוצר פפטיד של

plunqes. המשותף לכל החלבונים שיוצרים משקעים אמילואידים הוא בעיקר המבנה של החלבון

שהציר המרכזי שלהם הוא מאונך לציר הסיב. βהמורכב ממשטחי כיצד חלבון גלובולרי, כמו ריבונוקלאז שיש בו ארבע קשרים צולבים, או אינסולין עם שלושה

?βקשרים צולבים, יכול להשתנות וליצור משטחי גם בתעשייה ישנה את אותה בעיה - אחת האפשרויות של ביוטכנולוגיה לייצר אינסולין

סינתטי, אך חלק מהייצור של האינסולין שוקע ויוצר משקעים אמילואידים. 5 23.1.2004

ראו כי יש קטעים קצרים של ארבע או שש חומצות אמינו שיכולות ליצור את המשקעים המחקר רק בהתחלה.–האמילוואידים

התופעה היא לא מוגבלת למספר חלבונים, האפשרות ליצור קיפול אלטרנטיבי קיימת תמיד כחלק מהתהליך של קיפול החלבון, הבחירה של הקיפול הפעיל היא עדינה, יש מאזן עדין, ולכן

ניתן ללכוד את החלבון בקיפול הלא פעיל. באמילואידים הקיפול הזה גורם למשקעים, אך ישנם חלבונים שלא יוצר משקעים ולכן ההפיכות מאפשרת לחזור למבנה הפעיל, אם אין מלכודת

של סיבים אמילואידים הוא יחזור למבנה הנטיבי.

גישת ההשחלה - הומולוגיה

הדמיון בין הרצפים, רצפים דומים יתנו מבנים דומים. נשתמש במבנה–שיטה של הומולוגיה ידוע כבסיס של מבנה חדש. ניקח רצף שהמבנה שלו לא ידוע, ננסה להלביש אותו על מבנים

ידועים וננסה לראות איזה תבנית ייתן יותר אינטראקציות שיאזנו את האנתרופיה. והפיזיקה שלןשיטה זו שימושית, אך לא פותרת את הבעיה המדעית - להבין את ההיגיו

המולקולה כדי לדעת את רוחב ההתפלגות של המבנים.

האפקט ההידרופובי הסולבנט, אין בין–יצירת קשר אינטראקציה קרבה בין חלקיקים בהשפעה של גורם שלישי

החלקיקים שום אינטראקציה ספציפית ביניהם הסולבנט גורם להם להיות בקרבה. שינוי הקישור משמעו אנטרופיה שלילית. כאשר במים נוצרים תצמידים,תבמערכת נורמאלי

יש תופעות מיוחדות שנובעות מהעובדה שיש מבנה מסודר למים, ולכן נמצא תמיד שילוב של תצמידים של קשרי מימן ומולקולות בודדות של מים. קיומו של החומר שמכניסים למים

משפיע על הסדר של מולקולות המים. קיבול החום הוא תכונה שקשורה לאינטראקציה של המים, כשמכניסים פנימה חומר זר יש שינוי בקיבול החום.מולקולת

הקיום של התצמיד נוצר משום שחומר זר שנכנס למים מחייב יצירה של מבנה מסודר של הקלטרט ויוצר אנטרופיה שלילית ולכן יש מאזן שלילי נגד יצירת הקלטרט, לכן התגובה

הטבעית היא שהחומר לא יתמוסס במים. אם אנו מכריחים את החומר להיכנס למים, ככל שמספר החלקיקים של החומר הזר גדול יותר הקלטרט יהיה גדול יותר, מספר מולקולות המים המעורבות ביצירת סדר של הקלטרט הגדול קטן יותר ממספר המולקולות של מים ליצירת שני

קלטרטים קטנים יותר, ולכן הכיוון יהיה יצירת קלטרטים גדולים יותר בתוך המים ]יחס של נפח ושטח פנים[. תופעה זו מהווה גורם מספר אחד ביצירת תצמידים, הבאת חלקיקים לידי מגע.

האנטרופיה היא של הסולבנט ולא של החומר. מלבד השפעת האנתרופיה של המים ישנם עוד גורמים המשפעים על קיפול החלבון במים.

מכיוון שישנם אינטראקציות ואן דר וואלס בין החלקיקים בינם לבין עצמים, בינם לבין המים,ובין מולקולות המים. לכן המאזן הכולל צריך לקחת בחשבון גם את האינטראקציות הללו. ולכן המאזן של האפקט כולל את האינטראקציות הלא פולריות בין הקבוצות הלא פולריות, בינם לבין עצמם, ובינם לבין המים )חום ההמסה(, אינטראקציות אנטלפיות בין קבוצות לא

פולריות, אינטאראקציות בן המים לבין עצמם, ואנתרופיה של הסולבנט. שווי המשקל של השרשרת בתוך הסולבנט, כולל אנטלפיה של השרשרת ושל הסולבנט,

ואנתרופיה של הסולבנט ושל השרשרת.

השפעת הטמפרטורה על האפקט ההידרופובי

העלאת הטמפרטורה מחזקת את האפקט ההידרופובי. משום שהתרומה האנטרופית היא תמיד לפי המכפלה של הטמפרטורה כפול האנתרופיה, אך מצד שני התרומה האנטלפית היא

פחות שלילית בטמפרטורה גבוהה. האנטרופיה של הסולבנט עולה כתוצאת מהקטנת הקלטרט כתוצאה מקיפול והקטנת

הפולימר. החום מבטל את האינטראקציות ואן דר וואלס בגלל שיש יותר התנגשויות.

בכל מערכת יש אופטימום והוא האיזון בין הנטייה לחיזוק על ידי האנטרופיה והחלשה בגלל האנטלפיה. ולכן צורת התלות של היציבות של המבנה של מאקרו מולקולת ביולוגית

בטמפרטורה תהיה בצורה של אופטימום. כל חלבון בטמפרטורה נמוכה יעבור פריסה, בדרך כלל בטמפרטורה מתחת לאפס, מכיוון שבטמפרטורה נמוכה הערך האנרגיה החופשית השלילי יורד, זאת משום שהתרומה של

האנטרופיה של הסולבנט יורדת, ולכן האנרגיה החופשית יורדת, ויש מגע חזק יותר בין מולקולות המים למולקולות החומר אפילו

שהוא לא פולרי, הסולבנט עוטף את פריסה–המולקולה וההמסה גורמת לפריסה

קרה. שינוי מבנה שגורם לשינוי–דנטורציה

פעילות לא בהכרח גורם לפריסה. לכן האפקט ההידרופיבי חשוב ביצירת

מבנים של חלבונים.

דנטורט

הדנטורט פועל על הסולבנט ולא על החלבון, הסדר של המים בנוכחות ריכוז גבוה של דנטורט הוא שונה משום שהם יוצרים אינטראקציה עם המים, ולכן לא נוצרים תצמידים מהבהבים של

המים ולא קלטרטים של המים, ובנוסף יש עוד אינטראקציה בין הדנטורט לבין החלבון.הדנטרונטים מבטלים את האפקט ההידרופובי.

רקטליזאטו אינו משתנה לאחר הריאקציה.–זרז

הזרזים הביולוגים, לא רק חלבונים, בניגוד לזרזים של הכימאים האורגנים הקטליזה הביולוגיתהיא מבוקרת ויש ספציפיות גבוהה מאד.

קלווין מותנה בקיום של קטליזה. 310קיום החיים בטמפרטורה של סדרי גודל.20 משנה את גודל מידת האצה עד רהקטליזאטו

, תגובה תמיד תהיה ביןה לא משנה ריאקצי– ההקטליזה לא משפיעה על התרמודינאמיק מצבים כאשר מה שקובע זה ההפרש של האנרגיה בין המצב ההתחלתי למצב הסופי, האנזים

משנה רק את הזמן. אין שינוי בכיוון הריאקציה, כל זירוז קורה בשני הכיוונים באותה מידה. האנזים שמזרז את ההידרוליזה של החלבון יכול לזרז גם סינתזה של חלבון. האנזים רק משנה

את המכשולים הגורמים להאטה של התהליך. ולכן אנזים איננו מבצע ריאקציה רק מזרזריאקציה.

יש שיטות לסינתזה של חלבונים במעבדה בעזרת זרזי הידרוליזה.

אנרגיית שפעול

הפרש בין שני מצבים, התחלה וסוף )הכימיה–כיוון הריאקציה נקבע לפי התרמודינאמיקה קובעת מצבי קצה(. אנו לא יודעים את מהירות הריאקציה, משום שהיא נקבעת לפי מספר

גורמים:תדירות המפגשים.-

פוריות המפגשים.-

תדירות המפגשים

H∆

∆S

T

∆G-

תדירות המפגשים היא בעצם כמה פעמים תהיה התנגשות בכיוון נכון שיאפשר קשר. התדירות המונעת על פי התנועה האקראית המואטת על ידי מקדם–נקבעת לפי מהירות הדיפוזיה

החיכוך. ולכן בצמיגות גבוהה מספר ההתנגשויות נעשה קטן יותר. התא שהוא צפוף יש בו הרבה מבנים, הצמיגות גבוהה ולכן קצב התנועה בתוך התא יחסית

איטית.

הפוריות של המפגשים - תיאורית מצב המעבר

פוריות המפגש תלויה ביצירת קומפלקס משופעל ממנו ניתן להגיע לשני הכיוונים.

יצירת הקומפלקס דורשת אנרגיה חופשית,שהיא גבוהה יותר משני המצבים.

האנרגיה החופשית כוללת שני מרכיבים מרכיב אנטלפי ומרכיב אנתרופי, האנתלפי כולל את מתיחת הקשר עיוות הקשר סיבוב הקשר

האלקטרוסטטיקה של הסביבה של הקשר. האנתרופי כולל את הקרבה והאוריינטציה. כדילעבור ממצב אחד למצב שני צריך להשקיע עבודה החוזרת אחר כך.

מולקולה במצב המשופעל תהיה שם לזמן קצר מאד ואחוז נמוך יהיה במצב המשופעל. ההסתברות לפלוקטואציות מספיק חזקות כדי להגיע למצב המעבר היא נמוכה יותר. מולקולה שנמצאת במצב מעבר יכולה לעבור באופן אקראי לשני הכיוונים, כיוון הריאקציה נקבע בגלל

שההסתברות לעבור מחסום שפעול גדול יותר הוא קטן יותר, במצב היותר יציב יש פחותהסתברות שיהיה פלוקטואציה שתצליח להעלות את המולקולה למצב המעבר.

אם אנו מניחים כי הריאקציה נמצאת במצב שווי משקל, נוכל להשתמש במשוואה , כאשר שווי המשקל שלנו הוא בין ריכוז החומר במצב רגיל לריכוז החומר

. מכיוון שמולקולההנמצא במצב מעבר נוכל לבטא זאת במשוואה - הנמצאת במצב מעבר יכולה לעבור לשני הכיוונים באותה מידה יש מקדם סטטיסטי

Qהמתייחס לתדירות של המולקולות העוברות לצד של התוצרים ממצב המעבר, ונבטא זאת . האנרגיה החופשית מורכבת מרכיב אנתלפי ומרכיבבמשוואת שווי משקל -

, ניתן גםאנתרופי ולכן ניתן לבטא את המשוואה בעזרת מרכיבים אלו להכניס את האנתרופיה של המהירות לתוך המקדם הסטטיסטי ואז נקבל

, לפי משוואת ארניוס ניתן לקבל את,ומכאן נגיע למשוואת אורניוס -

האנתלפיה של מצב המעבר. ניתן גם לבטא משוואה זו בגרף של קו ישר.

ההפיכות המיקרוסקופית

קבוע שווי משקל של הריאקציה הוא היחס בין שתי המהירויות, המהירות של מעבר ממצב מעבר למגיב והמהירות של המעבר ממצב המעבר לתוצר. כאשר מחלקים אותם מגעים בחזרה

הםהלמשוואה של התרמודינאמקיה הרגילה. רואים אם כן כי הקינטיקה והתרמודינאמיק תולדה של אותם נתונים

של המערכת.

מהו היעד של הזרז

זרז מצמצם את האנרגיה החופשית של מצב המעבר, מקטין את המחסום הקינטי, אנרגייתהשפעול, ולכן יותר מולקולות יכולות לעבור את המחסום.

הזרז לא משנה את האנרגיה החופשית של המערכת לא את שווי המשקל ולא את הכיוון, רקמשנה את מימד הזמן.

המכאניזם המאפשר להקטין את אנרגית השפעול

האנתרופיה והאנתלפיה, על ידי קישור אפשר לקבל עבודה שמשנה–האנזים יש לו שני יעדים את המתיחה העיוות של המולקולה. הסוד של האנזים הוא יצירת תבניות שבתוכם מיוצב מצב המעבר על ידי האינטראקציות עם האנזים, אנרגיית הקישור של האנזים מפחיתה את אנרגיית

האקטיבציה. האנזים בנוי לקשור את מצב המעבר, מיועד לאופטימום כאשר יש מצב מעבר,ייצוב מצב המעבר מזרז את התהליך.

יצירת מצב ביניים שהוא באנרגיה פחותה ממצב ההתחלה אך גבוה מהמצב הסופי, מחלק אתהבעיה לשתי בעיות, יוצר שתי אנרגיות שפעול קטנות יותר, ולכן המהירות גדלה.

האנטרופיה של השפעול

מרבית המפגשים הם לא פוריים, נחוצה אוריינטציה של המגיבים. האנטרופיה של השפעול היא שלילית, הוא מכוון את המגיבים בצורה נכונה לצורך הריאקציה, יצירת קומפלקס עם

המגיבים. הקישור הוא ספציפי ומכוון לפי הקשר שצריך להשתנות, ולכן המעבר בין המצב שלשני מגיבים לבין התוצר הוא קטן יותר. הורדת אנטרופית השפעול על ידי קישור ספציפי.

שלב ראשון בכל התהליכים האנזימתים הוא יצירת הקומפלקס אנזים סובסטרט, זהו שלב ביניים. יש אומנם אנרגיית אקטיבציה לייצור מצב בינים זה, אך ההתקרבות של הסובסטרט

לאתר הפעיל היא על ידי שדה חשמלי, ולכן יש שדה שגורם לכיוון של הדיפוזיה, ההתנגשות תהיה גבוהה יותר ומכוונת. יש אנזימים שהאתר הפעיל אחרי ההתנגשות מתלבש על

הסובסטרט. הספציפיות של האנזים הוסברה על ידי אמיל פישר לפני מאה שנה. שטען כי ההישג של

האנזים הוא הורדת האנתרופיה על ידי תבנית, משל המפתח והמנעול, יש ספציפיות בין אנזיםלסובסטרט.

היום יודעים שהמולקולה היא דינאמית, ההתאמה של האנזים היא למצב של המעבר ולאלמצב המוצא.

במצב המעבר התנועה משתנה על ידי הטלטול התרמי שמביא באקראי לצורה של האנזיםשמתאים למצב המעבר של הסובסטרט.

הריכוז האפקטיבי - על ידי יצירת השכנות בין שני הסובסטרטים על האתר הפעיל אנו מקבליםהגברה של המהירות על ידי הגדלת ההסתברות שהאוריינטציה תהיה מתאימה.

מנגנונים

יצירת קרבה-

שיכולים להשפיע על ידי משיכת\מסירת אלקטורון\םקבוצות אמינו שמהוות ריאגנטי-

פרוטון.

לא רק שיש קרבה, יש גם השתתפות פעילה של הקבוצות של האנזים, למשל בקטליזה של הידרוליזה של חלבון יש קומפלקס ביניים עם קישור קוולנטי לסירין. על ידי קבוצות של חומצות

בסיס באתר הפעיל ניתן למסור\לקבל פרוטון. בקבוצת האמיזדול ]שייר של היסטידין[, יש פרוטון שניתן למסור ולקבל אותו. אותו מרכיב יכול לקבל פרוטון בצד אחד ולמסור אותו בצד

השני.

שלב מקדים - יצירת קומפלקס

ברוב הריאקציות האנזימתיות יש מספר מצבי ביניים ולכן התיאור של הקינטיקה של התהליךהוא מסובך מאד.

תיאור זה צריך לכלול לפחות שלושה מצבי ביניים, קישור של הסובסטרט, מצב של קומפלקס משופעל, קישור לתוצר. מבחינת הקטליזה שני הכיוונים הם סימטריים ולכן סובסטרט יכול גם

להיות תוצר של תהליך הפוך.

דוגמא של מנגנונים אנזימתים - TIM האנזים

TIMהוא אנזים המזרז איזומריזציה של ביקוע מולקולת גלוקוז בתהליך גליקולוזיה. הזירוז הוא על ידי ייצוב מצב

דרך מצב בינייםDHAP ל GP3הביניים. יש מעבר מ שהוא מיוצב על ידי האנזים.enediolשל

האנזים בנוי משתים עשרה רצועות ביתא כשהאתר הפעיל נמצא למעלה, באתר הפעיל יש קבוצות פעילות המשמשות בריאקציה. צורת החבית

של משטחי ביתא הוא נפוץ ביותר בקרב אנזימים, חמש עשרה אחוז מהאנזימים נמצאיםבמבנה כזה, מכיוון שזהו מבנה יציב.

החשיבות של האתר הפעיל הוא שהקבוצות שמסביב הם באוריינטציה נכונה ומדויקת. יש הרבה מטענים סביב הסובסטרט, על הסובסטרט יש שתי קבוצות סובסטרט בעל מטען שלילי, ולכן יש קבוצת ליזין שמייצבת את המיקום שלו, החומצה הגלוטמית לוקחת פרוטון וההיסטידין

מספק את הפרוטון בחזרה למקום אחר.

בדיקת המנגנון

שסוגרת את האתר הפעיל לאחר כניסת הסובסטרט,LIDיצרית כלוב סגור על ידי לולאת קיצור הגן, התוצאה הייתה שתוצר–חשיבות הלולאה נבדקה על ידי מוטציה בביטול הלולאה

הביניים לא מיוצב ונוצר תוצר אחר - סגירת האתר הפעיל מרחיקה את המים ומאפשרת קיום ריאקציה ספציפית. אם נעשה את הריאקציה במבחנה ניתן לקבל תוצרים שונים, אך התבנית

של האתר הפעיל לא רק מזרזת ריאקציה אלא גם מקטינה את ההסתברות של ריאקציות

צדדיות. הריאקציה האחרת קורת בלי קטליזה ולכן הקטליזה של הריאקציה הרצויה מהווהבקרה.

תפקוד חומצה גלוטמית - אם מחליפים את החומצה הגלוטמית בחומצה אספרטית שגם לה יש קרבוקסיל רק במרחק שונה מהחומצה הגלוטמית, יש תאוטה פי אלף, הסתברות להעברת

הפרוטון יורדת כי עוצמת השדה יורדת. אנתלפיה. – אנתרופי, השתתפות הקבוצות הפעילות – עצם הקישור –יש שני תרומות

אנזים–המנגנון הקינטי הפשטני לא מספיק אם כן וצריך לתאר לפחות שלושה מצבי ביניים סובסטרט, טרנספורמציה )שינוי מבנה(, אנזים תוצר, ההבדל העיקרי בקטליזה הוא בייצוב

מצב המעבר.

”serine proteases“ מנגנון

המשותף לכל האנזימים המזרזים תהליך זה–מנגנון זה הוא של הידרוליזה של קשר פפטידי הוא שיש קבוצה של סירין באתר הפעיל. האנזים מבצע הידרוליזה בקצה הקרבוקסילי, כאשר

לכל אנזים נקבעת ספציפיות לסוג של חומצות אמינו בשרשרת.ישנם מספר סוגי אנזימים כאלו לדוגמא: כימוטרפסין, טריפסין.

המנגנון המשותף

כיס הספציפיות, יש כיס כשיש בקצהו מטען שלילי ומתאים לארגנין או– הספציפיותמרכיב ליזין לעומת כיס שמתאים לקבוצה ארומטית ללא מטען. כיס זה יוצר את הקומפלקס הראשון

אנזים סובסטרט. יש שלישה קטליטית סירין היסטידין אספרטית שנמצאים במקומות שונים– הידרוליזהה

בשרשרת אך המבנה מרחבי מביא אותם למקום אחד. של ההיסטידין נמוך מאד בגללPKaהאתר הפעיל שונה בסביבה שלו מהסביבה המימית, ה

המטען החיובי של ההיסטידין ולכן הוא נוקלאופילי, נוצר מצב ביניים קוולנטי, המטען החיובי של ההיסטידין מיוצב על ידי מטען שלילי של האספרטי, ולכן הסירין מקבל מטען שלילי ותוקף את הפחמן הקרבונילי, הפרוטון נודד הלאה אל האמין הפפטידי, החלק הקרבוקסילי משתחרר,

מולקולת המים מחזירה את הפרוטון למקום.

מנגנון זה הוא דוגמה של קטליזה בסיסית ויצירת קשר קוולנטי זמני של האנזים עם שברהסובסטרט לצורך הורדת אנרגית השפעול של מצב המעבר.

המפתח להבנת המנגנון של פעולת פרוטאזות הסרין:. היכולות של אנזים על ידי השרשראות הצדדיות לקבל קטליזה

.יציבות מצב הביניים

הייצוב נעשה על ידי קבוצות נוספות, אחד מהניסיונות לתאר את מצב הביניים על ידי

קרסטילוגרפיה מראה שיש קשר מימן עם השרשרת הראשית, כך שמצב הביניים

מיוצב יותר.

.תפקיד האמדיזול כמקבל ותרום פרוטונוים נפוץ בעוד אנזימים

תיאור קינטי

התהליך מורכב ולכן תיאור קינטי מלא דורש משוואות מאד מסובכות עם הרבה קבועים. יש שאיפה ליצירת מודל יותר פשוט, על ידי קירובים.

קירוב מאפשר לפתור בעיה אך מאבד אינפורמציה, ולכן צריך לזכור תמיד שפתרנו מודל מקורבולא את המודל של הטבע.

הקירוב הראשון הוא להתייחס למצב ביניים אחד בלבד, מכיוון שבדרך כלל יש שלב אחדשקובע מהירות בעל אנרגיית אקטיבציה גבוהה יותר, ולכן נראה שלב קינטי אחד.

קירוב שני מזניח את הכיוון הסימטרי, נניח שהכיוון של קישור סובסטרט לתוצר הוא זניח, אם נמדוד את המהירות של הריאקציה בהתחלה הריכוז ההתחלתי של התוצר הוא אפס ייקח זמן

עד שייוצר מספיק תוצר כדי שההנחה תהיה לא נכונה, ולכן אנו בודקים ריכוזים התחלתיים. במצב זה התוצר הוא סדר ראשון בריכוז הקומפלקס קובע המהירות. אנו לא יכולים לדעת את

ריכוז הקומפלקס, ולכן יש פיתוח מתמטי. [ ולכןESבגלל קירוב זה נוכל להניח כי מהירות הראקציה תלויה במהירות יצירת הקומפלקס ]

נוכל לקבוע את משוואת הקצב של יצירת הקומפלקס כ - אין לנו אפשרות לקבוע את ריכוז הקומפלקס אבל ניתן למדוד את הריכוזים ההתחלתיים של

האנזים והסובסטרט, אנו יודעים שריכוז התוצר הוא אפס, ולפי חוק השימור סך האנזים הקיים הוא גם החופשי וגם הקומפלקס

. מצב שבו ריכוז– קירוב מצב עמיד –קירוב השלישי

הקומפלקס הוא קבוע, קירוב זה מוצדק במהירות התחלתית כשיש ריכוז גבוה מאד של סובסטרט

לעומת האנזים, ולכן ריכוז הקומפלקס נשאר קבוע כי יש הרבה סובסטרט, כל אנזים שמשחרר תוצר ייקשר

אנזים אחר לסובסטרט.

משוואת מיכאליס מנתן

בתנאים אלו יש לנו שלושה קבועים, פיתוח ביטוי לקצב הראקציה המזורזת על בסיס שלושת הקירוביםביטוי פשוט ומשמעותי לניתוח מנגנון פעולה ראשית. על פי המצב העמיד יוצא שפירוק הקומפקלס ויצירתו

–שווים

–אם נסדר משוואה זו מחדש על ידי העברת אגפים ופירוק לגורמים נקבל

–כדי לפשט את הביטוי נגדיר את קבוע מיכאליס כ

–אם נסדר על פי זה את המשוואה מחדש נקבל

– ריכוז האנזים החופשי בעזרת חוק השימור שראינו קודם ונקבל –[ Eנבטא את ]

–[ ES נבודד את ]–נסדר את המשוואה מחדש על ידי העברת אגפים

– ונקבל נכניס משוואה זו לתוך משוואת המהירות -

זניחה ולכן נקבלKMבמקרה שיש לנו ריכוז של סובסטרט מאד גבוה השפעתו של הערך של – ולכן ניתן לכתוב את משוואת מיכאליס מנתן שהמהירות המקסימלית שווה -

קבלנו ביטוי פשוט הניתן למדידה, של ריכוזים ומהירות של הופעת תוצר. התלות של מהירות הריאקציה בריכוז הסובסטרט,

כאשר הריכוז עולה המהירות עולה עד שמגיעה לרוויה KMשל מהירות מקסימלית, כאשר ריכוז התוצר שווה ל

אנו מגיעים לחצי המהירות. יש כאן מנגנון של קישור, מבטא אתKMמנגנון שבו יש קישור של הסובסרט,

הזיקה שבין הסובסטרט ובין האנזים. השיטות לבדיקתריכוזי אנזים הם שיטות קינטיות.

כאשר מורידים את הקירוב שהתוצר הוא אפס, נקבלביטוי שכולל את שתי הראקציות, ונקבל ביטוי סימטרי.

בשלב של שווי משקל שני הכיוונים הם אותו דבר ואז נוכל לקבל את הקשר בין קבוע שווי משקל לבין

הקבועים הקינטיים. הקשר בין קבוע מיכאליס לקבועשווי משקל - היחס של המהירות לעומת זיקה של הסובסטרט.

יעילות קטליטית - הביטוי החשוב הוא היחס בין קבוע המהירות חלקי קבוע מיכאליס, הארכתיעילות אינזימטית.

6משמעות קבועי מיכאליס

על ידי שלשת הקירובים )ראה לעיל( ניתן לקבל ביטוי פשוט בעל שתי קבועים הנותנים.Vmax ו Kmפרמטרים לפעילות אנזים

Km המשמעות שלו הוא שיש דמוי שווי משקל, אם נאמר כי קצב העברה– - קבוע מיכאליס של הקומפלקס לשלב הבא )תוצר( הוא איטי ביחס לקצב היצירה אז ניתן לומר שקבוע

-Km = kמיכאליס נותן את היחס בין קבלת הקומפלקס לבין פירוקו לאנזים חופשי וסובסטרט

1/k1. מחשב את היחס בין המפגשים הפוריים לקצב הפירוק של הקומפלקס, מאפיין זהKMכלומר

גדולKm של האנזים. אנזים בעל תמהווה מדד לריכוז הסובסטרט שצריך לפעילות מקסימאלי קטן יותר ] אבלKmיותר צריך ריכוז סובסטרט גדול יותר כדי להגיע למהירות של אנזים בעל

[.Kcatבעלי אותו , אךVmax = k2]E[t תלויה בקבוע של השלב קובע מהירות ת המהירות המקסימאלי– יעילות

מכיוון שיש לפחות שנים שלושה קומפלקסים בכל ריאקציה, אנו מודדים את השפעתו של שלב הקבוע– Kcat, תקובע מהירות. המהירות ההתחלתית היא פונקציה של המהירות המקסימאלי

הקטליטי של השלב קובע מהירות."turn over" מספר– - מספר מולקולות סובסטרט המגיבות למולקולות אנזים בשנייה

המעגלים של מולקולה אחת. הקבוע הקטליטי מודד בעצם כמה מולקולות של סובסטרט"נהפכו" על ידי אנזים בשנייה.

יש הבדלים בין אנזימים שונים ביעילות הקטליטית, הדבר משקף את מספר שלבי הבינייםשצריך על מנת להוריד את אנרגיית השפעול והזיקה לקומפלקס.

Kcat/Km הקבוע הקטליטי נותן לי את המהירות המקסימאלית של האנזים וקבוע מיכאליס - נותן לי את הריכוז של הסובסטרט הנחוץ לכך, ולכן היחס ביניהם זהו המדד ליעילות אנזים. וזה

הגודל הנכון להערכת היעילות של האנזים. –בתנאים של ריכוז סובסטרט נמוך משוואת מיכאליס תהיה

6 25.01.2004

V )kcat/KM(]E[]S[

בריכוזים נמוכים שלתתלות זו היא לפי משוואת קצב מסדר שני. קיימת תלות ליניארי סובסטארט. בתנאים אלו ההשוואה של היעילות היא טובה, כי היעילות היא הגורם של

הספציפיות, יש אנזימים שיפעלו על סובסטרטים שונים במידה שונה, ככל שהיעילות גדולהיותר הספציפיות גבוהה יותר.

אפשר להשוות ולראות אם נשווה יעילות של אנזים לסובסטרטים שונים, זה יהיה המדד לספציפיות ככל שהיחס גדול יותר כך יש יותר ספציפיות לסובסטרט הראשון. ניתן כך למדוד

את הספציפיות של האנזים לפי יחסי היעלות לגבי סובסטרטים שונים. הכימוטרפסין תפקידו הוא פרוטאוליזה, אך הוא גם מזרז הידרוליזה של אסטר מכיוון שגם הוא

יכול ליצור את שלב הביניים. רואים כי יש הבדל כמעט פי מליון בין פרוטאוליזה של גליצין לעומת פנילאלנין, ולכן ניתן לומר שהכימוטריפסין יש לו ספציפיות לארומטית. ההבדל ביניהם

יש זיקה נמוכה יותר ליצירת הקומפלקס, כי לא– משום שהקישור של הגליצין נמוך kmהוא נקשר בכיס הספציפיות.

מאפיינים של כימוטריפסין בסוגים שונים של סובסטרטים.–טבלה

בתנאים של ריכוז נמוך, הריאקציה היא סדר שני ולכן היא יכולה להיות מוגבלת דיפוזיה או מוגבלת שיפעול - מספר המפגשים הפוריים. בריאקציה שבה אחוז הפוריות של המפגשים הוא

גבוה ניתן להגיע לקצב מקסימאלי ויהיה תלוי במקדם הדיפוזיה של הסובסטרט. יש אנזימים אנרגיית השפעול בריאקציה נמוכה מאד, כל מפגש–שמגיעים למהירות קרובה למקסימום.

הוא מפגש פורה, ולכן גם היעילות גבוהה. דומה מאד כי יש כאן פתרון אופטימלי של מבנה שנותןTIMבכל האורגניזם המבנה של ה

יעילות קטליטית גבוהה מאד. כאשר בוחנים התיאוריה של פאולינג לגבי יעילות האנזים, אפשר להראות שאכן בהתאם

לתיאוריה היחס בין קבוע המהירות הקטלטי לקבוע המהירות של הראקציה הלא מקוטלזת, מתאים ליחסי קבוע הקישור של הסובסטרט המשופעל ללא משופעל. הפעולה של האנזים

היא על ידי שינוי המבנה לאחר יצירת הקומפלקס ליצירת מבנה חדש של הקומפלקס המשופעל השונה מהקומפלקס של האנזים סובסטרט הראשוני. ולכן יש הבדל בין קבוע

הקישור המשותף המשופעל ללא משופעל. מאחר וקשה למדוד ישירות את קבועי הקישור של הקומפקלס המשוער ניתן על פי יחסי

המהירות לדעת את הגודל של קבוע הקישור. יש כאן זיקה אדירה, והיא בעיקר לקומפלקס וזהו הסוד הגדול1010המשופעל. הזיקה של האנזים לסובסטרט לפני השפעול יותר נמוכה בפי

של האנזימולוגיה וכאן ההישג העצום של הקטליזה הביולוגית, הכימאים לא מסוגלים לייצרקטליזה כזו.

השלכות מעשיות

התרומה האנטרופית והאנטלפית זהו סוד האנזים. האנזים מתוכנן למבנה שלא קיים בתמיסה אלא לאחר הקישור הראשוני, שיש שינוי מבנה בעל זיקה יותר גבוהה בין הסובסטרט לאנזים

במצב המשופעל. יש לכך שתי השלכות מעשיות: בביוטכנולוגיה המודרנית הייתה אשליה שניתן על ידי שיטות חישוביות יכולת לפתח תרופות

יעילות יותר ובהשקעה יותר קטנה, עד היום התרופות פותחו על ידי ניסוי ותהיה. רוב התרופות מיועדות לפגוע באתרי מטרה של חלבונים, אם ניתן ליגאנד שייקשר וישפיע נקבל תרופה

יעילה, ניתן לקחת את המבנה ולחפש מבנה שיתאים, אך המבנה שאותו צריך להכין הוא לא המבנה שייקשר לאנזים החופשי אלא למבנה המשופעל. צריך לדעת להכין מבנה שיתאיםלמבנה המשופעל הלא קיים במאגר המידע. צריך לפתח אנאלוגים לסובסטרט המשופעל.

כדי לפתח אנזימים מלאכותיים צריך לייצר מולקולות קושרות, אם נחסן בעל חיים באנאלוג יציב של מצב משופעל נקבל מולקולה קושרת מצב משופעל. קבועי הקישור של נוגדנים הם

כלומר אם נפתח נוגדן שהוכן כנגד אנאלוג של המצב המשופעל ונקשור107בסדרי גודל של ניתן לקבל נוגדנים קטליטים. –לסובסטרט הלא משופעל נקבל שפעול

תגובות מרובות סובסטרטים

התגובות בדרך כלל הם מרובות סובסטרטים לפחות שנים, במקרה זה צריך להתאים אתהמודל. יש כמה מנגנונים

שני המסלולים אפשריים, כל אחד מהסובסטרטים יכול להיקשר ראשון, בשני–קישור אקראי המקרים יכול לקשור את שניהם, יש בדרך כלל העדפה לאחד המסלולים.

יש סדר, קודם כל קישור של הסובסטרט הראשון ואחר כך השני. לדוגמא–קישור מסודר אלה הם קבוצות נמוך מלוקלוריות )משקל מולקולרי נמוך(–אנזים שפועל באמצעות קופקטור

קבוצות אלו נחוצות לצורך הכימיה של האנזים.

הקופקטור הם הויטמינים, כל הויטמינים כולל המתכות, הם קו אנזימים הם סובסטרט הראשון

משמש העברה לאלקטרון או מימן, קיים בריאקציותNADHבראקציות של אנזימים. לדוגמא בחמצון חיזור. רוב הויטמינים פועלים במנגנון של קישור מסודר.

קישור סובסטרט ושחרורו יצירת אנזים שעבר שינוי–מנגנון ה"פינג-פונג", יש שתי שלבים והאנזים שעבר שינוי קושר את הסובסטרט השני ומבצע את הריאקציה. ריאקציה דו שלבית

עם מצב ביניים קוולנטי.

למשל הפרוטאליזה של הכימוטריפסין, קודם יצירת אציל-אנזים ואחר כך הידרוליזה של המים.

קינטיקה מהירה

במנגנונים יותר מורכבים מאשר הקירובים אנו צריכים להתמודד עם השאלה איך למצוא את–קבועי המהירות של השלבים המרובים. כמו למשל בכימוטריפסין שקיים לי עוד שלב

–ולכן המשוואה של מיכאליס מנתן תהייה

–האנזים יהיה לפי כללי הקינטיקה של מיכאליס מנתן אבל הקבועים עכשיו ישתנו

ניתן למדוד זאת בעזרת קינטיקה מהירה לפני מצב עמיד, מכיוון שאז קיים לי התפרצות של היווצרות

הקומפלקס אנזים- סובסטרט ונוכל למדוד את הקבוע.K1הראשון

השלב הבא הוא לבצע ריאקציה ולמדוד קינטיקה מהירה, על ידי שיטת הפסק זרימה, יש ערבוב של

אנזים וסובסטרט בעזרת לחץ, ויש הפסקת הזרימה על ידי לחץ נגדי ובנקודת החיבור יש מדידה. ולכן ניתן

לקחת ריכוז נמוך של סובסטרט, ולראות את קצב ואז לא צריך אתK3 –הדעיכה של הקומפלקס

.םהקירובים ואפשר למדוד קבועים ספציפייכל זה בשילוב של המדידה של המצב העמיד.

בקרה של תהליכים

בעיה חשובה ביותר בקיום החיים היא הבקרה, אם תעלה יונית תופעל בצורה רציפה נקבל את התופעה של גז עצבים, מעכב אצטיל-כולין-אסטרז משאיר את הגירוי ללא הפסקה ויש כיווץ

שרירים מתמיד. צריך שליטה על הפעילות, שליטה זו על ידי זירוז ולא על ידי עיכוב. הבקרה תהיה על ידי זירוז

או מניעת זירוז. מודולציה של מהירות הזירוז. –כאשר ריכוז האנזים קבוע נחוץ מנגנון להורדת הזירוז

כמות המולקולות או אפנון המולקולות.–יש שתי אפשרויות של בקרה מנגון הבקרה יכול להיות הפיך או בלתי הפיך. האנזים הוא מכונה הפועלת בהתאם לריכוז

הסובסטרט. יש מכאנזים של עיכוב פעולת האנזים.צורת הבקרה נעשית בכמה תופעות ידועות:

חיסול- או פעילות להגדלת להביא יכול השרשרת של שבירה פרוטאוליטי חיתוך

פעילות.

ויש- בזמן הנכון כדי לא לגרום לצרות שמירה של אנזים מוכן לפעולה ושחרור רק

בקרות בלתי הפיכות, יש הרבה אנזימים שהם חד–מקרים שבהם צריך לבטל פעילות.

פעמיים מילישניות בלבד לכאורה מאד בזבזני אך זה משתלם

– הלוסטרית –מגיבים שנקשרים לאתרים שונים במולקולה ויכולים לשפעל או לעכב -

פעולה במרחב אחר. כמו הימוגלובין קישור של חמצן בתת יחידה אחת משפעל תת

יחידה אחרת.

דוגמאות

אנזימי עיכול

אנזימים פרוטאליטים מסונתזים בלבלב, אם הוא יהיה בלבלב הוא יעכל את הלבלב, האנזימים הפרוטאליטים מסונתזים בצורה של שרשרת ארוכה יותר מאשר השרשרת הפעילה. על ידי

ביקוע פרוטואליטי ניתן לקבל הפעלה. הכימוטריפסין עובר הפעלה על ידי ביקוע של שתי מולקולה אחת משפעלת את השנייה.–מקומות הטיריפסין עובר שפעול קטלטי על ידי

הביקועים בכימוטרפסין נעשים בשני מקומות שהופכים אותה למולקולה פעילה.

בקרה בלתי הפיכה עד שיעלם על ידי עיכול עצמי, במהלך המעבר בטריסריון כמות–האנזימים יורדת עד שלא נשאר כלום. אם האיזון לא טוב יש עיכול עצמי של המעיים.

תכנון רגולציה אלוסטרית מעכבת ומזרזת

האורגניזים צריך להתמודד בסביבה של תחרות, מי שיבצע את התהליך בפחות אנרגיה ינצח. לכן יש צורך לכוון פעילות אנזימים בתוך מטבולים. יש כאן מטרה של יעילות, מסלול מטבולי

מניעת–שבו התוצר מיותר כי ריכוזו גבוה כדי למנוע את המסלול ולעכב את השלב הראשון קטליזה של השלב. זהו שלב נפוץ במטבוליזים, יכול להיות מצב של מחסור ואז רצוי להפעיל.

צריך מכונות המסוגלות לקבל סיגנלים חיצונים שאינם הסובסטרט. לכן נחוץ קישור של הסיגנל במקום אחר. –באתר אחר. יבוצע על ידי רגולציה אלוסטרית

מדובר באנזימים שיש להם שני מצבים של תת-היחידה הפעילה. בנוסף לתת היחידה הפעילה האתר השני יכול להיות תת יחידה של בקרה. יהיה מצב של פעילות נמוכה בריכוזים נמוכים

ומצב של פעילות גבוהה בריכוזים גבוהים, ולכן נקבל גרף סיגמואידי.יש השפעת האקטיבטור ואינהיבטור, חומר אחר מפעיל ולא הסובטרט,יש כאן מערכת משוב.

דוגמא בולטת, אנזים המזרז ראקציה בביוסינטזה של הפירמינידינים, מגיב להבדלי בריכוז הדנא ולפי המחסור מגביר את הפעילות. יש שש תת יחידות קטליטיות ושש תת יחידות המווסתות.

יש בקרה של הפעילות הפיכה לחלוטין.

עיכוב הפיך

קבוע הקישור של המעכב, המעכב יכול להקשר כמו סובסטרט יש לנו שיקולים דומיםלמיכאליס מנתן

עיכוב בלתי הפיך

המעכב יוצר קומפלקס קוולנטי עם האנזים ומוציא אותו מכלל פעילות.

עיכוב תחרותי

המעכב נקשר באתר של הסובטרט ויוצר תחרות עם הסובסטרט. המעכב דומה לסובסטרט אךלא עובר תהליך של קטליזה. יש תחרות בין שני קומפלקסים.

עולה. KMהתוצאה של העיכוב ייתן גרף מיכאלי שונה ה