חלבונים- מבנה, תפקיד והקשר ביניהם החלבונים הם תרכובות אורגניות, המהווים מרכיב מרכזי הן במבנים תוך תאיים והן בתפקודים מגוונים: זירוז תגובות כימיות, ויסות מעבר חומרים, בקרה על תהליכים ועוד

חומצה אמינית היא אבן הבניין של חלבון החלבונים הם שרשרות ארוכות של חומצות אמיניות חומצה אמינית– אל אותו אטום פחמן קשורות: קבוצה אמיניתNH2 או NH3+ קבוצה קרבוקסילית COOH או COO- קבוצה צדדית האופיינית לכל חומצה אמינית ( R) אטום מימן.

מבנה החומצות האמיניות הייחודיות של חומצות האמינו- הקבוצות הצדדיות ׁ(R) שונות בהרכבן, במבנן, בגודלן ובמטענן החשמלי. בטבע ידועים חלבונים רבים, אולם כל החלבונים מורכבים מצרופים שונים של עשרים חומצות אמינו בלבד

מבנה ראשוני של חלבון בחלבון החומצות אמיניות קשורות ביניהן בקשר פפטידי הקשר הפפטידי נוצר ע"י ניתוק קבוצת OH- מהקצה הקרבוקסילי של חומצה אמינית אחת, ו H+ מהקצה האמיני של חומצה אמינית שנייה. שתי החומצות האמיניות נקשרות ביניהן בקשר פפטידי. היונים OH- ו H+ יוצרים מולקולת מים

מולקולות חלבון מורכבות מעשרות בודדות ועד יותר מעשרות אלפים חומצות אמיניות, הקשורות זו לזו בקשרים פפטידיים. לכל חלבון רצף חומצות אמיניות המרכיבות אותו, רצף שמשפיע על האופן שבו שרשרת החומצות מאורגנת במרחב. מספרן, אילו הן מה הסדר שהן קשורות הסידור המרחבי של קטעים בשרשרת הארגון המרחבי של כל השרשרת קיים רק בחלבונים המורכבים מכמה שרשרות

פונות לכיוונים מנוגדים מבנה ראשוני של חלבון Rקבוצות ה- פונות לכיוונים מנוגדים

פפטיד – מס' קטן של חומצות אמיניות קשורות זו לזו

קשרי המימן מפתלים את המולקולה לצורת סליל קשרי המימן מפתלים את המולקולה לצורת סליל

מבנה שניוני – אלפה הליכס

מבנה ראשוני שניוני ושלישוני של חלבון

צורה נוספת של תיאור ארגון סכימתי של מבנה החלבון

המידע לקיפול החלבון מבוסס על רצף ח. האמינו קשר די סולפידי – יצירת מבנה שלישוני יציב המידע לקיפול החלבון מבוסס על רצף ח. האמינו

מבנה אינסולין שלד מבני של שתי שרשרות סגול וירוק קשרים די- סולפידיים

דנטורציה- הרס המבנה המרחבי הטבעי של המולקולה הגורמים הסביבתיים המשפיעים על המבנה המרחבי טמפרטורה PH ריכוז של מלחים ניתן לפרק את קשרי המימן ע"י חימום, ערכי PH קיצוניים, וחומרים דטרגנטים מידת ההשפעה שונה מחלבון לחלבון דנטורציה- הרס המבנה המרחבי הטבעי של המולקולה נפגע המבנה השניוני, שלישוני ורבעוני (קשרים חלשים) לא נפגעו קשרים פפטידים

מרבית התהליכים הביולוגים בהם מעורבים חלבונים מחייבים התאמה מרחבית ייחודית האם דנטורציה תאפשר המשך פעילות? האם בכל תנאי סביבה בתא חלבון יכול לפעול?

אנזימים חלבונים המזרזים אלפי תגובות כימיות

מהו אנזים? האנזימים הם החלבונים החשובים ביותר. אנזימים קיימים בכל תא. אנזימים מעורבים בכל תהליכי פירוק והרכבה בחילוף החומרים בתא. פועלים כזרזים ביולוגים של התגובות הכימיות שעליהן מבוססים החיים. מזרזים תגובה מבלי להשתנות באופן קבוע ומבלי לשנות את כמותם. ללא אנזימים מרבית התגובות היו מתרחשות לאט לאט ואולי לא היו מתרחשות כלל במעבדה- ניתן לזרז תגובה ע"י העלאת הטמפ' ותוספת מגיבים בתא- האם ניתן להעלות טמפ'? האם ריכוזי המגיבים משתנים משמעותית?

איך מזרזים תהליך? זירוז תהליך כימי יכול להיעשות על ידי העלאת הטמפרטורה, המאיצה את תנועת החלקיקים. הבעיה – מערכות ביולוגיות רגישות מאוד לשינוי בטמפרטורה. אנזים יכול להאיץ בתהליך מבלי לשנות את הטמפרטורה שלו. האנזימים מורידים את "אנרגיית השפעול" (האנרגיה הדרושה כדי שתגובה מסוימת תתקיים) של התהליך. במילים אחרות : בנוכחות האנזים סף האנרגיה הדרוש כדי שהתגובה תצא לפועל נמוך בהרבה מהסף הדרוש לכך בהיעדר האנזים. הדגמה:

ללא אנזים גלוקוז + גלקטוז לקטוז אנרגיית שפעול ללא אנזים עם אנזים לקטוז http://www.biology.usu.edu/courses/biol1010-podgorski/Sp%2005/PowerPoints%2005/Energetics%20and%20Enzymes.ppt#10 עם אנזים לקטוז גלוקוז + גלקטוז אנרגיית שפעול עם אנזים

דוגמא: פירוק גלוקוז ניתן לפרק גלוקוז בנוכחות חמצן ב – 2 דרכים: ניתן לפרק גלוקוז בנוכחות חמצן ב – 2 דרכים: ללא אנזים- בתהליך שריפה– במקרה זה סף האנרגיה שיש לעבור גבוה 100oC. בנוכחות אנזימים(נשימה תאית) –במקרה זה סף האנרגיה הדרוש על מנת שתגובה מסוימת תצא לפועל נמוך בהרבה – 37oC

המולקולה שעליה פועל האנזים נקראת מצע (סובסטראט) כל אנזים פועל על מצע ייחודי לו בתגובה ייחודית. האנזים יכול לפעול על המצע בצורות שונות: חיתוך מולקולה, חיבור של מספר מולקולות או שינוי  של מולקולת המצע. האנזים עצמו משתחרר בסיום התגובה בלי שחל בו שינוי, ולכן הוא מסוגל לזרז תגובה מסוימת מספר רב של פעמים. "מפתח ומנעול" לקריאת מאמר בנושא-לחץ כאן. למשל המצע שעליו פועל העמילאז הנו העמילן. אנזים עמילאז הנמצא ברוק, משתתף בתהליך שבירת שרשרות העמילן שמקורן מהמזון.

האתר הפעיל של האנזים הרצף ותבנית הקיפול של כל אנזים מציבים חומצות אמינו מסוימות באתר שבו מבוצעת התגובה של האנזים. אתר זה קרוי האתר הפעיל. לכל אנזים יש אתר פעיל אחד או יותר, אליו נקשרים המגיבים ובו מתרחשת התגובה הכימית.

האתר הפעיל של כל אנזים מותאם ספציפית למצע שעליו הוא פועל, הן בצורה והן במטען החשמלי של חומצות האמינו המצויות באתר. ההתאמה יכולה להתקיים באופן קבוע, או שהיא נוצרת במהלך החיבור בין האנזים למצע.

התאמה בין אנזים למצע לכל אנזים יש אתר פעיל. קיימת התאמה מרחבית מדויקת בין האתר הפעיל למצע,בדומה ל"מפתח ומנעול". ההתאמה והסביבה הכימית בין האתר הפעיל למצע, היא זו המאפשרת את התהליך האנזימתי. ההתאמה המרחבית מאפשרת "קיצור דרך" לתהליך. האנזים הוא כמו שדכן – במקום מפגש אקראי בין מולקולות מביא אותן זו מול זו בזווית הנכונה ומאפשר את התהליך. בתמונה אנזים (כחול) והמצע – גלוקוז (צהוב).

פעולת האנזים - כצד האנזים משנה את המולקולה עליה פעל?

מודל של תגובה אנזימתית שינויי מבנה המולקולה על ידי פעולת אנזים מודל של תגובה אנזימתית שינויי מבנה המולקולה על ידי פעולת אנזים המצע נקשר לאנזים באתר הפעיל. נוצר קומפלקס אנזים מצע. פעולת הזירוז יוצרת תוצר, כאשר התוצר משתחרר והאנזים חופשי לפעול מחדש. מולקולה S המצע קומפלקס אנזים - מצע אנזים - תוצר מולקולה P תוצר אנזים אתר פעיל זירוז

מודל של תגובה אנזימתית- קישור בין מולקולות קישור שתי מולקולות של חד-סוכר ליצירת מולקולה של דו-סוכר (למשל יצירת מולקולה של סוכר החלב, לקטוז, ממולקולות של גלוקוז וגלקטוז):

כדי שמולקולות החד-סוכר יתחברו, הן צריכות לפגוש זו את זו בתמיסה בדיוק בכיווניות הנכונה. בהעדר אנזים, המולקולות נעות בתמיסה ומתנגשות זו בזו באופן אקראי. כשהן נפגשות בדיוק בכיוון הנכון, יכול להיווצר ביניהן קישור. בנוכחות אנזים, כל מולקולות המצע נקשרות למקום מסוים באנזים  וכך הן מצויות בכיוון ובמרחק המאפשרים את יצירת הקשר ביניהן:

מודל של תגובה אנזימתית- פרוק מולקולת המצע הסובסטרט (מצע) נקשר אל האתר הפעיל של האנזים. הקישור מחליש את הקשר בין חלקי הסובסטרט באזור מסוים. מולקולת הסובסטרט מתפרקת לשתי מולקולות תוצר.

מודל פעולת האנזים – פרוק המצע לעיתים פועל האנזים על ידי שינוי הצורה של המצע, דבר הגורם להתרחשות התגובה: האתר הפעיל קישור ES תוך שינוי צורת המצע

פעילות האנזים כימוטריפסין הפועל על ידי שינוי צורה של המצע פעילות האנזים כימוטריפסין הפועל על ידי שינוי צורה של המצע האנזים כמוטריפסין שרשרת ח' אמינו השרשרת נקשרת לאתר הפעיל של האנזים שינוי הצורה מחליש את הקשר בין ח' האמינו וחושף אותו למולקולת המים הקשר בין ח' האמינו נשבר, המולקולה התפרקה ל -2 ,האנזים חזר לצורתו המקורית

אנזימים, סובסטרטים ואתר פעיל לכל תגובה כימית נדרשת אנרגית הפעלה. האנזים הינו זרז. מקטין את אנרגית ההפעלה התאמה בין בליטה בסובסטרט לבין שקע באתר הפעיל של האנזים דרושה התאמה מבנית מדויקת ביניהם כדי שתתרחש תגובה כימית בתנאים השוררים בגוף

אנזים וסובסטרט – מנעול ומפתח? התאמה מבנית- מפתח פותח מנעול רק אם הבליטות והשקעים מתאימים (מפתח גנבים? מסטר?) תפקיד – האנזים "פותח" את הסובסטרט. הוא מפעיל אותו והופך אותו לחומר בעל פוטנציאל להשתנות מגבלות ההשוואה שקע מול בליטה כנגד זיקה כימית או הנטייה להתחבר מנעול ומפתח אינם משנים את צורתם בהתאם לתנאי סביבה. צורת אנזימים משתנה בהתאם לתנאי סביבה.

שיעור פעילות האנזים ניתן למדוד את פעילות האנזים (קצב הריאקציה). פעילות האנזים נקבעת על ידי כמות התוצר P הנוצר, או כמות המצע S הנעלמת בפרק זמן קבוע. P S ES E E

גורמים המשפיעים על פעילות ה E הגורמים המשפיעים על פעילות האנזים: טמפרטורה pH ריכוז אנזים E ריכוז מצע S מעכבים

השפעת הטמפרטורה על פעילות האנזים העקומה מתארת את הקשר בין הטמפרטורה ובין הפעילות של אנזים מסוים בגוף האדם.   א - כשמחממים, מגדילים את אנרגיית התנועה של המולקולות, וכך עולה הסיכוי למפגש בין אנזים למצע. בהתאם לכך מהירות פעילות האנזימים עולה. ב - מעל לטמפ' 40 מעלות צלזיוס רוב האנזימים עוברים דנטורציה(המבנה המרחבי שלהם משתנה והם מאבדים את פעילותם) ומפסיקים לחלוטין את הפעילות המזרזת.

השפעת הטמפרטורה על פעילות האנזים טמפרטורה/ °C פעילות האנזים 10 20 30 40 50 האצה דנטורציה © 2007 Paul Billiet ODWS

השפעתpH על פעילות ה E pH - רמת החומציות משפיעה על פעילות האנזים -זהו גורם המשפיע על האתר הפעיל . לכל אנזים pH מיטבי לפעילותו – לאנזימים שונים pH מיטבי שונה. תנאי pH קיצוניים גורמים לדנטורציה של רוב האנזימים פעילות האנזים pH אופטימאלי פפסין טריפסין pH אופטימאלי pH אופטימאלי pH אופטימאלי פעילות האנזים פעילות האנזים טריפסין טריפסין טריפסין טריפסין פפסין פפסין פפסין פפסין

 ב- pH המיטבי, יינון הקבוצות השונות שבאתר הפעיל מאפשר מבנה מרחבי המתאים בצורה אופטימלית למולקולת המצע. בערכי pH שמחוץ לתחום המיטבי, משתנה יינון הקבוצות השונות וכתוצאה מכך נגרמים שינויים במבנה האתר הפעיל של האנזים וכך נפגעת ההתאמה האופטימלית בין האנזים למצע וחלה ירידה בפעילות האנזים. 

השפעת ריכוז ה E על פעילותו ככל שעולה ריכוז ה E כך עולה פעילותו (עולה הסיכוי למפגש E-S – ולכן עולה קצב הריאקציה). נקודה - X נקודת הרוויה,שממנה ואילך למרות עליה בריכוז ה E פעילותו קבועה - כמות ה S מהווה גורם מגביל. הגורמים הקבועים: ריכוז ה S , זמן, טמפרטורה, pH . קצב הפעילות האנזימתית X ריכוז האנזים (E) הדגמה

הדגמה: השפעת ריכוז ה E על פעילותו כמות המצע S מהווה גורם מגביל S P

השפעת ריכוז ה Sעל פעילות ה E ככל שעולה ריכוז ה Sכך עולה פעילות ה E (עולה הסיכוי למפגש ES – ולכן עולה קצב הריאקציה). נקודה - X נקודת הרוויה,שממנה ואילך למרות עליה בריכוז ה S פעילותו של ה E קבועה - כמות ה E מהווה גורם מגביל. הגורמים הקבועים: ריכוז ה E, זמן, טמפרטורה, pH . קצב הפעילות האנזימתית X ריכוז המצע (S) הדגמה

השפעת ריכוז ה S על פעילות ה E P כמות ה S גורם מגביל כמות ה E גורם מגביל

סיכום הגורמים המשפיעים על פעילות אנזימים: לפניכם 4 גרפים, שכל אחד מהם מתאר את השפעתו של גורם אחר על קצב התגובה של אנזים. התאימו לציר X של כל גרף את הגורם המתאים, על-פי צורת הגרף.

מילון מושגים חלבון- תרכובת אורגנית בנויה מחומצות אמיניות. מבנה ראשוני, שניוני, שלישוני- לכל חלבון רצף חומצות אמיניות המרכיבות אותו, רצף שמשפיע על האופן שבו שרשרת החומצות מאורגנת במרחב. אנזים- חלבון. זרז ביולוגי המזרז הפיכת סובסטראט לתוצר אתר פעיל-איזור באנזים המתקשר בעת פעילות אנזימתית לסובסטראט. סובסטראט- החומר (או החומרים) שעליו פועל אנזים.

מעכבים מעכבים – מולקולות המעכבות את פעילות האנזים: מעכב לא תחרותי – נקשר לאנזים במקום שאינו האתר הפעיל ומונע את פעילות האנזים. מעכב תחרותי – מתחרה עם המצע על האתר הפעיל.

מעכב תחרותי מעכב תחרותי – למעכבים תחרותיים בד"כ יש מבנה מרחבי דומה למבנה הסובסטרט מעכב תחרותי נקשר לאנזים באתר הפעיל ומונע את התקשרות האנזים לסובסטרט - המעכב התחרותי מתחרה עם הסובסטרט על האתר הפעיל של האנזים. http://www.3dscience.com/img/Products/Images/clip_art/enzyme_inhibitor_web.jpg

מעכב לא תחרותי נקשר אל האנזים באזור שמחוץ לאתר הפעיל, ומשנה את מבנה האתר הפעיל. מאפשר את קישור המצע לאנזים אך מעכב את פעילות האנזים. מונע את קישור המצע לאנזים ומונע את פעילות האנזים.

תגובה אנזימטית הבאה בשרשרת היצירה של תוצר ביולוגי דורשת לעיתים מעורבות של מספר אנזימים. מצע חומר ביניים A חומר ביניים B תוצר

פעילות אנזימתית בשרשרת אנימציה:

בקרה על תוצר המסלול משוב - בקרה על תוצר המסלול . חומר מוצא משוב - בקרה על תוצר המסלול . משוב שלילי – תוצר המסלול מעכב את התהליך. משוב חיובי – תוצר המסלול מזרז את התהליך. תוצר סופי אנזים 1 חומר ביניים A אנזים 2 חומר בינייםB אנזים 3 תוצר עיכוב ע"י התוצר הסופי

התוצר פועל על האנזים -משוב כיצד נעשית הבקרה? המצע הופך לתוצר עיכוב על ידי התוצר: הבקרה נעשית במשוב שלילי – על ידי התוצר. התוצר נקשר לאנזים וכתוצאה מקישור זה משתנה צורת האתר הפעיל ופעילות האנזים נפסקת. תוצר התוצר פועל על האנזים -משוב שינוי צורה

אנזימים ולוחמה כימית לוחמה כימית(מעובד מתוך "מדע" לד 1990) הרעלה מגז עצבים מתבטאת בהגברת ההפרשה מבלוטות והתכווצויות שרירים, עד לשיתוק עוויתי. בהתקשרות גז עצבים לרצפטורים במוח נגרמות תופעות כגון סחרחורות, פחד ובחילה ודיכוי כללי של המערכות ובעיקר באזור מרכז הנשימה. אתרי פעילותם של גזי העצבים למיניהם הן הסינפסות - נקודות המפגש בין סיבי העצב, דרכן עובר הדחף העצבי. מעבר הדחף העצבי דרך הסינפסה כרוך בהפרשת חומרים הנקראים מתווכים עצביים=(נוירוטרנסמיטורים). אחד מאלה הוא האצטיל כולין המשמש להעברת פקודות עצביות לשרירים. זמן קצר לאחר הפרשתו של האצטיל כולין בסינפסה הוא מתפרק ובכך נמנע ריכוזו לכמות בלתי רצויה. האנזים המפרק אותו הוא אצטיל כולין אסטרז . גזי עצבים נקשרים באופן בלתי הפיך לאנזים ומעכבים את פעילותו. ההרעלה מגז עצבים נובעת מהצטברות של אצטיל כולין בסינפסה ומגירוי בלתי פוסק של האתרים. ההרעלה מתבטאת בהגברת ההפרשה מבלוטות והתכווצויות שרירים, עד לשיתוק עוויתי.

1. רשום מהו תפקידו הביולוגי של האנזים המתואר בקטע שקראת? 2. השימוש בגז עצבים הוא ניצול של מידע ביולוגי לצרכי מלחמה. א. כיצד ניצול זה בא ליידי ביטוי בקטע שקראת? ב. חשוב והצע דרכים בהם ניתן לנטרל את גז העצבים.