קיפול חלבונים

קיפול חלבונים (באנגלית: Protein Folding) הוא תהליך שבו נוצר מבנה תלת-ממדי בחלבון, לאחר תהליך התרגום. כאשר חלבון מסונתז בתא על ידי הריבוזום, הוא נמצא במבנהו הראשוני, כלומר כשרשרת ארוכה של חומצות אמינו ללא מבנה מוגדר. במצב זה החלבון אינו פעיל וכדי למלא את ייעודו עליו להתקפל, כלומר ליצור מבנה תלת-ממדי. בסיום הקיפול, החלבון נמצא במבנה המכונה מבנה נטיבי (Native state), והוא בעל מבנה שלישוני או רביעוני, מקופל במבנה תלת־ממדי.

העובדה שתהליך הקיפול הוא ספונטני ומועדף אנרגטית התגלתה על ידי כריסטיאן אנפינסן בניסוי בו הראה שחלבונים שעברו דנטורציה על ידי אוראה (Urea) ואיבדו את מבנם הטבעי ותפקודם, מסוגלים לחזור ספונטנית לתפקוד כאשר שוטפים את האוראה (לעבור רנטורציה). למעשה, הניסוי הוכיח שכל המידע הנחוץ לקיפולו של החלבון מצוי ברצף חומצות האמינו שלו. בשנת 1972 זכה אנפיסן בפרס נובל לכימיה על התגלית. כיום מוכרים גם חלבונים חסרי קיפול יציב יחיד ונמצאים בתנועה מתמדת בין מספר רב של מצבי קיפול שונים ואף חלבונים מתפקדים שאינם מקופלים כלל.

הכוח הכימי העיקרי הפועל במהלך תהליך הקיפול הוא אינטראקציות הידרופוביות והידרופיליות. בסביבה מימית (הידרופילית) - חומצות האמינו ההידרופוביות (שאינן מסיסות במים) נוטות להתכנס יחד ופנימה וחומצות האמינו ההידרופיליות (המסיסות במים) נמשכות לסביבה המימית ולכן נחשפות החוצה. מכאן נובע שהסביבה בה פועל החלבון משפיעה באופן ישיר על המצב האנרגטי המועדף של הקיפול ולכן התא מקדיש מאמצים לשמר את התנאים הכימיים השוררים בו. הפרה של תנאים אלו תגרום לקיפול לא נכון של חלבונים ולאבדן תפקודם. כתוצאה מכך, אפילו מוטציה שקטה, אשר אינה פוגעת ברצף חומצות האמינו בחלבון, עשויה לפגוע בתהליך קיפולו ובתפקודו של החלבון. זאת כתוצאה מזמינות שונה של ה-tRNA בתא, במהלך סינתזת החלבון בריבוזום, אשר גורמת לפגמים בקיפולו.

מלבד ויסות של התנאים הכימיים, ישנם בתא שני מנגנונים נוספים המבטיחים קיפול נכון של חלבון. הראשון הוא השפרונים (Chaperones) - חלבונים המסונתזים לרוב במצבי עקה כמו חום, ומאפשרים תנאים כימיים נוחים יותר לקיפול החלבון. מנגנון שני הוא מערכת הדגרדציה של התא - חלבונים שקיימת בעיה בקיפולם מסומנים באמצעות החלבון יוביקויטין ונשלחים לפירוק.

על אף שברמה הכללית נוטה החלבון להתקפל על פי כוחות הידרופוביים והידרופיליים, קיימים שני מבנים שניוניים שמהווים בסיס למבנם של מרבית החלבונים: סליל אלפא ומשטח בטא. המבנים השניוניים מתקפלים בעיקר על פי קשרי המימן הנוצרים בין חומצות האמינו המרכיבות את החלבון. אינטראקציות נוצרות בין מבנים שניוניים שכנים וכך נוצר המבנה השלישוני של החלבון.

ניתן לחלק את המחלות הקשורות לקיפול שגוי של חלבונים לשלוש:

1. פגמים בתפקוד - חלק מתסמונות גנטיות ידועות כמו אנמיה חרמשית נגרמות ממוטציה נקודתית שגורמת קיפול שגוי של החלבון המסונתז ולאובדן תפקודו. המוטציה עשויה לגרום לקיפול לא נכון על ידי שינוי המצב האנרגטי בסביבה מסוימת ועשויה להיות בעלת השפעה מקומית (באזור המרחבי) או השפעה כללית כך שכל החלבון מתקפל בצורה שגויה. לעיתים הקיפול השגוי כתוצאה מהמוטציה נגרם רק תחת תנאי חום גבוהים ולא מתרחש בטמפרטורה נמוכה, ואז המוטציה מכונה מוטציה מותנית. מוטציות כאלו משמשות כלי חשוב בגנטיקה.
2. אגרגציה - לעיתים קיפול שגוי של החלבון אינו יוצר כשלעצמו בעיה, אלא ההצטברות של חלבונים בקיפול שגוי ללא יכולת לעבור דגרדציה גורם להרס התא. במספר מחלות נוירו-דגנרטיביות כמו מחלת אלצהיימר או מחלת הנטינגטון, הצטברות של חלבונים בקיפול שגוי גורם להרס התא. הנזק מתחיל להופיע רק לאחר שנים ולכן התסמינים מופיעים בגיל מבוגר בדרך-כלל.
3. פריונים - במקרה של פריונים, כמו במחלת הפרה המשוגעת, חלבון בקיפול שגוי "משכנע" חלבון במבנה טבעי להתקפל בקיפול שגוי בתגובת שרשרת.

ערך מורחב – דנטורציה

דנטורציה היא תהליך בו חלבון בעל מבנה טבעי חוזר למבנה ראשוני. תהליך הדנטורציה יכול להגרם מסיבות כימיות ופיזיקליות רבות, ובהן חום, רמת pH, ונוכחות דטרגנטים. תהליך הדנטורציה יכול להיות הפיך, אך לעיתים החלבון יוצר אגרגטים בעלי יציבות אנרגטית גבוהה מאוד שאינם מאפשרים קיפול מחדש למבנה הטבעי. דוגמה מחיי היום יום לדנטורציה לא הפיכה היא הכנת ביצה קשה - כתוצאה מהחום, חלבוני הביצה נמצאים במצב לא יציב הכולל חשיפה של אזורים הידרופוביים לסביבה המימית. האינטראקציות בין שני אזורים הידרופובים של שני חלבונים יוצרת תצמיד יציב ביניהם, וכשעוד ועוד חלבונים מצטרפים ויוצרים תצמידים כאלו מתרחשת אגרגציה מלאה, שלא מאפשרת חזרה למבנה הטבעי.

חיזוי המבנה השלישוני של החלבון על פי רצף חומצות האמינו הוא בלתי אפשרי ברוב המקרים, כתוצאה מריבוי הכוחות הפועלים והאפשריות. קיימות מספר שיטות לקביעת המבנה המרחבי לרוב לאחר הקיפול:

1. תרשים ראמהצ'אנדרן - שיטה לקביעת המבנים השניוניים על פי האפשריות של כל חומצת אמינו להימצא במגוון זוויות מסוים הנובע מהמבנה הכימי.
2. השוואת תחומים או דומיינים (Domains) - תחום הוא אזור הנוטה להתקפל בצורה עצמית ללא תלות בשאר החלבון. כאשר נתקלים בחלבון בעל מבנה לא ידוע ניתן לעיתים על ידי השוואת רצפים לפתור חלקים במבנה על ידי השוואה למבנים ידועים.
3. קריסטלוגרפיה - על פי דפוס ההתאבכות של קרני X, החולפות דרך החלבון, ניתן לפענח את המבנה המרחבי של החלבון ברמה גבוהה של דיוק. המגבלה העיקרית בשיטה היא הכנת גביש מהחלבון, תהליך שהוא לעיתים בלתי אפשרי, כמו במקרה של חלבונים ממברנליים רבים.
4. תהודה מגנטית גרעינית (NMR) - שיטה הבוחנת את המבנה המולקולרי של החומר על ידי מדידת הקרינה הנפלטת מגרעיני האטומים בו תחת שדה מגנטי רב עצמה.
5. מיקרוסקופיה אלקטרונית - מתאימה בעיקר לקומפלקסים חלבונים ולא למבנה שלישוני.

• פרדוקס לוינתל
• Folding funnel

• על עבודתו של אנפיסן מתוך האתר הרשמי של פרס נובל (אנגלית).

מדיה וקבצים בנושא קיפול חלבונים בוויקישיתוף

• FoldIt משחק לקיפול חלבונים
• ”הישג שישנה את חוקי המשחק”: ה-AI של גוגל הגיע ל”גביע הקדוש” של הביולוגיה באתר geek time
• קיפול חלבונים, דף שער בספרייה הלאומית