חלבון סוכך

חלבון סוכך (שפרון, Chaperone) הוא חלבון המסייע למגוון רחב של חלבונים אחרים להתקפל למבנה מרחבי (מבנה שניוני ומבנה שלישוני) תקין, כאשר הוא עצמו אינו חלק מהמבנה הסופי שלהם. לא מקובל להתייחס לחלבון סוכך כאל אנזים על אף שהוא זרז של פעולת קיפול החלבונים. חלבון סוכך מכונה גם חלבון לוויה או חלבון מלווה.

היסטוריה

חלבוני הסוכך התגלו לראשונה בזבובי פירות, כמונעי התאגדות של חלבונים שעברו דנטורציה, לאחר עקת חום בזבובים.

מקור השם

מקור השם "Chaperone" הוא בכינוי לאישה מבוגרת שמלווה בחורה צעירה לאירועים חברתיים כדי לוודא שהיא מתחברת רק עם הבחורים הנכונים. בהשאלה לעולם החלבונים, החלבון הסוכך מסייע ליצירת הקשרים התוך-חלבוניים המביאים ליצירת המבנה המרחבי התפקודי של החלבון.

סוגי חלבונים סוככים

רבים מהחלבונים הסוככים הם חלבוני עקה ובמיוחד חלבוני עקת חום. חלבוני עקה הם חלבונים שהתא מגביר את ייצורם כדי להתגבר על מצב מעיק, למשל טמפרטורה גבוהה או חומציות גבוהה. המיוחד למצבי עקה הוא שהם מגבירים את הקצב בו חלבונים יוצאים ממצבם המרחבי הנכון ומפסיקים לתפקד. במצב עקה חלבונים חדשים רבים עשויים גם לא להתקפל נכון מלכתחילה. החלבונים הסוככים מגינים על החלבון המתקפל מפני עיוותים מבניים שעלולים לחול בו עקב מצב עקה. 
מעבר לכך, ישנם חלבונים שיצירתם דורשת תמיד חלבון סוכך כדי למנוע התקפלות מוקדמת מדי של השרשרת הפוליפפטידית. לחלבונים סוככים המגנים על הייצור הראשוני של החלבונים קוראים חלבנים סוככים גרעיניים. את החלבונים הסוככים המסייעים בהתקפלות הראשונית של הפוליפפטיד למבנה שניוני ניתן למצוא בסביבת הריבוזומים. הסוגים הנוספים של חלבונים סוככים נמצאים באזורים אחרים בתא ומגנים על החלבונים בו מפני מצבי עקה. בין הסוגים האחרים של חלבונים סוככים יש המעורבים בהובלת חלבונים דרך קרומים תוך-תאיים (טרנספורט) למשל דרך המיטוכונדריה והרשתית התוך פלסמית (ER). כשחלבון עובר דרך קרום הוא נפרש ומתקפל חזרה למצבו המרחבי הנכון. תפקודים אחרים של חלבונים סוככים מוסיפים להתגלות כגון: עזרה בפירוק חלבונים בתגובה למחלות הנגרמות מאגרגציית חלבונים.
מקובל לחלק את החלבונים הסוככים גם לפי גודלם. חלבונים סוככים קטנים במיוחד קרויים "שפרונינים".

תולדות המחקר בתחום

ארט הורביץ לא טבע את המושג "חלבון סוכך", אולם הוא היה המדען הראשון שהשתמש בו עבור חלבון התואם את ההגדרה. ג'ורג' לורימר היה הראשון שהצליח למדוד כמות של חלבונים סוככים אין ויטרו. אולריך הרטל היה הראשון שעשה מחקרי אין ויוו על חלבונים סוככים. הוא עשה זאת במיקרואורגניזמים. סוזן לינקוויסט מצאה קשר בין פעילות לא תקינה של חלבונים סוככים למחלות תלכידים ופריונים.

מנגנון ביולוגי

החלבונים בנויים משרשרת מקופלת של חומצות אמיניות. סדר חומצות האמיניות בשרשרת מכונה מבנה ראשוני. המבנה הראשוני מוחזק בקשרים פפטידיים. האופן בו אזורים בשרשרת מקופלים ליצירת מבנים תלת־ממדיים פשוטים מכונה מבנה שניוני. האופן בו כלל השרשרת מקופלת בתלת-ממד קרוי מבנה שלישוני. המבנה השניוני מוחזק בעיקר על ידי קשרי מימן והמבנה השלישוני על ידי קשרים בין־מולקולריים שונים. בחלבונים שאינם קרומיים קשרים אלה הם בעיקר משיכת שומן לשומן בעקבות הדחייה מהמים של נוזל התוך־תאי. בחלבונים לא קרומיים, החלקים השמנוניים של החלבון מתכנסים לתוכו והחלקים ההידרופיליים שלו בולטים החוצה. מסיבה זו, סביבה שמנונית פורסת את החלבון וסביבה הידרופילית מקפלת אותו. ישנם שני סוגים של מערכות חלבונים סוככים: 1. מערכות המספקות סביבה שומנית לחלבון שמקופל לא נכון ולהחליף סביבה זו בהשקעת אנרגיה בסביבה הידרופילית חזקה וכך לדחוף את החלבון לקיפול נכון. 2. מערכות שמספקות סביבה הידרופילית לחלק של חלבון ומחליפות אותה בהשקעת אנרגיה בסביבה שומנית כדי לפרוש את החלבון. פרישה זו מאפשרת לחלבון לעבור דרך קרום תוך תאי, להתקפל חזרה למבנה השלישוני הנכון שלו באופן ספונטני או להתקפל חזרה למבנה שלישוני נכון בעזרת מערכות חלבונים סוככים מהסוג הראשון. 
ישנם חלבונים להם מבנה רביעוני, כלומר הם מורכבים מצירוף בעל סדר מוגדר של כמה שרשראות שלכל אחת מהן יש מבנה שלישוני משלה. כך למשל, החלבון המוגלובין מורכב מארבע שרשראות משני סוגים שונים. ישנם גם חלבונים שעובדים בקבוצות, למשל, האקטין והמיוזין שבתאי השריר מושכים זה את זה כדי ליצור כיווץ של התא. במערכות החלבונים הסוככים מהסוג הראשון יש על פי רוב חלבונים עם מבנה רביעוני שעובדים בקבוצות. בקבוצה יש לפחות שני חלבונים, אחד בעל צורה של סיר ואחד בעל צורה של מכסה (ראו תמונה). החלבונים המקולקלים נכנסים לסביבה המעודדת תיקון מבנה המצויה "בתוך הסיר", מכוסים על ידי "המכסה" ובהשקעת אנרגיה על ידי הפיכה של ATP ל־ADP הסביבה השומנית הפנימית הופכת להידרופילית חזקה. השפרונים עצמם אינם נוטים להיפגע בעקת חום. חלק מהם נותר במבנה תקין אפילו ב־49 מעלות צלזיוס.

אבולוציה

מצב בו הרבה חלבונים מיוצרים בו זמנית בתא הוא מצב עקה, משום שהרבה מהחלבונים האלה יכולים להימשך זה אל זה וליצור גוש שרשראות חלבון במקום חלבונים תקינים. מצב כזה יכול להיווצר בעקבות ניצול מרבי של מערכת ייצור החלבונים של התא על ידי נגיף. לכן נגיפים שונים מכילים חלבונים סוככים וחומר תורשתי המקודד לחלבונים סוככים שמייצרת מערכת ייצור החלבונים של התא. חלבונים סוככים אלה עוזרים לחלבונים הנגיפיים להיווצר. חוקרי האבולוציה המולקולרית מצביעים על כך שגם רבים מהחלבונים הסוככים של תאים שאינם נושאים נגיף הם בעלי מבנה של חלבונים נגיפיים. לחלבונים אלה הם בעלי מבנה רביעוני המורכב מתצמיד של תתי-יחידות חלבוניות קצרות וזהות. מבנה כזה מאפשר לגן המקודד לחלבון סוכך להיות קצר פי כמה מגן המקודד לחלבון רגיל טיפוסי. זאת משום שהוא מקודד רק לשרשרת המרכיבה יחידה אחת בתצמיד ולא למבנה השלם (במקרה של GroES שבתמונה הגן מקודד ל־1/7 מהחלבון השלם). חיסכון קידודי זה אופייני לחומר תורשתי נגיפי. מלבד זאת, אם חלבון סוכך יוצא אל הנוזל הבין־תאי, הוא מפעיל תגובה חיסונית חזקה כמו חלבון נגיפי.]
חוקרי האבולוציה מסיקים שרבים מהחלבונים הסוככים הגיעו אל היצורים הרב־תאיים השונים בעקבות הדבקות במחלות נגיפיות או בעקבות סימביוזה עם נגיפים.] לא מן הנמנע שתהליכים של רכישת חלבונים סוככים מנגיפים ממשיכים להתרחש כל הזמן בתדירות נמוכה. ייתכן גם שנגיפים שונים חוזרים ורוכשים חלבונים סוככים מתאי מאכסן. אבולוציונית, מדובר במצב מאוד יוצא דופן שבו התפתחות של גן אחד אינה חופפת את ההתפתחות של שאר הגנים בגנום. יש כאן מעין מצב התפתחותי של "קיפוץ מענף לענף" בעץ האבולוציוני. חוקרי האבולוציה מכנים סוג התפתחות זה בשם אבולוציה אופקית.
האבולוציה של השפרונינים (חלבונים סוככים קטנים) יוצאת דופן אף היא. השפרונינים, בניגוד לחלבונים הסוככים האחרים עברו אבולוציה רגילה אך מהירה. הם מצויים בכל סוגי התאים ולכן יש להסיק שהם נוצרו לפני שממלכות העל של החי התפצלו לאאוקריוטיים, בקטריה וארכאה אולם בשל האבולוציה המהירה שלהם, יש שוני קיצוני בחלקים מהמבנה שלהם בין מינים טקסונומיים קרובים,.