חלבון

חלבון (בלועזית: פרוטאין, מיוונית - πρώτειος, פְּרוֹטַאִיוֹס - "ראשוני") הוא תרכובת אורגנית גדולה ומורכבת יחסית, הבנויה משרשרת מקופלת של חומצות אמיניות הקשורות ביניהן בקשרים פפטידיים בין הקבוצה הקרבוקסילית של החומצה האמינית לקבוצה האמינית של החומצה השנייה. בסך הכל יש בין 20 ל-22 חומצות אמינו סטנדרטיות שבונות חלבונים בגוף האדם. החלבונים נמנים עם התרכובות החשובות ביותר המרכיבות את האורגניזם, והם מצויים בכל תא חי. הם יוצרים אינטראקציות עם מולקולות מסוגים שונים, כגון חלבונים אחרים, ליפידים, פחמימות, ו-DNA.
רצף חומצות האמינו בחלבון נקבע על ידי רצף הנוקליאוטידים בגן (מקטעי DNA או RNA) המכיל את המידע להרכבתו. מכלול תכונותיו של האורגניזם נקבע על ידי ההתקשרויות הכימיות של חלבון אחד עם אחר. לחלבונים מבנה תלת-ממדי מורכב ביותר המכתיב את תפקידם ופעילותם בגוף החי.
החלבונים התגלו לראשונה על ידי ינס יאקוב ברצליוס ב-1838 והוא כינה אותם בשמם. אף-על-פי-כן, תפקידם המרכזי של החלבונים באורגניזמים חיים לא הוערך במלואו עד 1926, כאשר ג'יימס סאמנר הראה כי האנזים אוראז הוא חלבון. הרצף הראשון של חלבון שנקבע היה של חלבון האינסולין, על ידי פרדריק סנגר, שזכה בפרס נובל על הישג זה ב-1958. המבנה החלבוני הראשון שפוענח היה של ההמוגלובין והמיוגלובין על ידי מקס פרוץ וג'ון קנדרו, גם כן ב-1958. המבנה התלת-ממדי של שני חלבונים אלו נקבע על ידי אנליזה של שבירת קרני רנטגן.
מבחינה של כתיב כימי, הסיבה לכך שבדרך כלל אין נוסחאות שלד (Structural Formula) דו-ממדיות לחלבונים, היא בשל גודלם הרב יחסית למולקולות שכן נפוץ לתאר כך.
בימים עברו, לפני גילוי ה-DNA, נחשב בטעות החלבון לחומר התורשתי שעובר מההורים לצאצאיהם, ושעל פיו מתפתחים התאים וכל חלקי הגוף.

שינוי קונפורמרי

שינוי מרחבי (קונפורמרי) של מבנה החלבון הוא תהליך טבעי בגוף או כתוצאה מגורם סביבתי מחוץ לגוף, שבו משתנה המבנה המרחבי הטבעי של החלבון. השינוי יכול להיגרם עקב שינויים בסביבה של החלבון, כגון עלייה בטמפרטורה, שינוי ברמת ה-pH (חומציות או בסיסיות), יצירת קשר גופרית, שינוי בריכוזי יונים, היקשרות לליגנד, נוכחות של חומרים שונים (למשל תרופות), וכדומה. השינוי המרחבי מכתיב את התפקוד של החלבון, לפיכך, שינוי המבנה המרחבי של החלבון ישנה את תפקודו.
יצוין, כי אמנם המבנה הראשוני (היינו, רצף חומצות האמינו) של החלבון מכתיב את המבנה שלו (למעט בנוסף ליצירת קשרי גופרית), אך השינוי הקונפורמרי נובע משינויים בגורמים הנ"ל. שינויים אלו הם קטנים יחסית וזמניים, ובעיקר קורים באתרי קישור של החלבון, שם מתרחש עיקר תפקודו של החלבון.
חלבון יכול להיות בכמה מצבי קונפורמציה בזמנים שונים, ובכל אחד מהם יהיה לו תפקוד שונה.
חלק מהתרופות תפקידן להיקשר לאתרי הקישור של החלבון, אך ללא יכולת הנתקות בשונה מליגנד, ואז משתנה מעט מבנה החלבון , והוא אינו פעיל יותר.

יצירת חלבונים

החלבונים נבנים בתוך התאים על ידי הריבוזומים. בתהליך היצירה של חלבונים, הקרוי תרגום, מתורגם המידע התורשתי המקודד ב-mRNA, שהוא בעצמו משועתק מה-DNA. הגנים המרכיבים את ה-DNA הם, לפיכך, "תוכניות בנייה" לחלבונים. ה-DNA מקודד ליצירת חלבונים באמצעות הקוד הגנטי, כך שכל שלושה נוקלאוטידים (אבני הבניין של ה-DNA) מקודדים לחומצה אמינית אחת (שלושה נוקלאוטידים המקודדים לחומצת אמינו מכונים יחדיו בשם קודון).
שרשרת קצרה של חומצות אמינו מכונה פפטיד; שרשרת ארוכה מכונה פוליפפטיד. לאחר שמיוצר הפוליפפטיד בריבוזום, הוא מתקפל למבנה תלת-ממדי מורכב ברשתית התוך-פלזמית.
תהליך היצירה של חלבון מתחיל בגרעין התא. בתחילה מופרדים שני גדילי הסליל הכפול של ה-DNA בעזרת אנזים. על אחד הגדילים נבנה mRNA. לאחר שהלה נוצר במלואו הוא נפלט לציטופלזמה ומוצמד לאחד מהריבוזומים בתא בעזרת rRNA. הריבוזום מתחיל לקרוא את הקוד הגנטי שמכיל ה-mRNA. כאשר הריבוזום מזהה את סוג החומצה האמינית הנחוצה לפי הקוד הגנטי, הוא מושך אליו tRNA הנושא חומצה אמינית מתאימה, ומוסיף אותה לשרשרת חומצות האמינות שכבר נוצרה. כאשר ייווצר הקשר הבא בשרשרת החומצות האמיניות ישוחרר ה-tRNA לציטופלזמה כדי להיצמד לחומצה אמינית חדשה המתאימה לו. כך נבנית השרשרת עד שהחלבון מושלם. לאורך יצירת שרשרת חומצות האמינו משוחררים חלקים מושלמים מהשרשרת לציטופלזמה עד שכל החלבון המושלם משוחרר (לעת עתה במבנה ראשוני בלבד). בקצותיו של ה-RNA השליח נמצאים קטעים שאינם מקודדים חומצות אמינו; תפקידם הוא לסמן את תחילתו וסופו של החלבון.
חומצות האמינו מסתדרות בדרכים שונות במבנה שניוני. לאחר מכן מתבצע תהליך של קיפול למבנה שלישוני. מבנה זה בנוי ממתחמים. לבסוף, מבשיל החלבון ומקבל את צורתו הסופית שהיא המבנה הרביעוני. לעיתים הבשלת החלבון כוללת גם קטיעה של מקטעים מסוימים שלו, הוספה של קבוצות כימיות כסוכרים, זרחה, קבוצות גופרית ושומנים. כמו כן, לעיתים החלבון חובר לחלבונים אחרים, רצועות RNA או ליונים ליצירת קומפלקס חלבוני פעיל. בעשורים האחרונים חלה התקדמות כבירה בהבנת המבנה המרחבי של חלבונים על ידי שיטות של גיבוש חלבונים והדמיית תהודה מגנטית במסגרת תחום מחקר הקרוי ביולוגיה מבנית. המדע העוסק בחקר החלבונים, בפעילותם ובקשרי הגומלין ביניהם נקרא ביוכימיה.

זיהוי חלבונים בתמיסה והפרדתם

שיטות רבות ושונות משמשות לזיהוי נוכחות של חלבונים בתמיסה. מכיוון שרוב החלבונים מסיסים במים, על מנת לזהות את נוכחותם בתמיסה יש לרוב צורך בריאגנט כימי (למשל ריאגנט ברדפורד) או ביולוגי (למשל נוגדנים) הנקשר אל מולקולות החלבון בתמיסה. שיטה נוספת לזיהוי חלבונים בתמיסה היא ספקטרוסקופיית UV, המסתמכת על העובדה ששיירים בעלי טבעות ארומטיות בולעים קרינה אלקטרומגנטית בתחום האולטרה-סגול. שיטות כאלו מאפשרות את זיהוי החלבון בתמיסה ואף מאפשרות קביעה מדויקת למדי של כמות החלבון בתמיסה; ואולם, תמיסות ממקור ביולוגי מכילות לרוב תערובת של סוגים שונים של חלבונים, ולכן קיימות שיטות רבות אף יותר להפרדת החלבונים השונים הקיימים בתמיסה.
המכנה המשותף לרוב השיטות הללו הוא שהן מתמקדות על מאפיין אחד של החלבון - למשל הנקודה האיזואלקטרית שלו, ומפרידות בין החלבונים על סמך מאפיין זה. על בסיס זה קיימות שיטות רבות ושונות כמו למשל כרומטוגרפיה לסוגיה (לצורך זה משמשים מכשירי ה-FPLC וה-HPLC), הפרדה באמצעות ג'ל (שיטות כגון SDS-PAGE, ג'ל פילטרציה וג'ל דו ממדי), שיקוע באמצעות מלחים קלי-תמס (כמו למשל אמוניום סולפט) ועוד רבות ושונות.
קיימות כיום שיטות מתקדמות יותר המאפשרות גילוי ובידוד של חלבון ספציפי, בהתבסס על שיטות אימונולוגיות. שיטות אלו, אשר המשותף להם הוא השימוש בנוגדנים בעל ספציפיות לחלבון המבוקש, מאפשרות זיהוי פשוט ומהיר של החלבון המבוקש ברמת דיוק גבוהה; ואולם, חסרונן של שיטות אלו הוא עלותן הגבוהה (עקב העלות הדרושה להפקת נוגדנים) וכן העובדה שקשה להשתמש בהן על מנת להפריד את החלבון מהתמיסה. בנוסף, התקדמויות בתחום ההנדסה הגנטית מאפשרות ליצור חלבון בעל אזורים מסוימים שיכולים לסייע בהפרדתו מהתמיסה (למשל הוספת 'תגיות' היסטידין אשר מאפשרות הפרדה באמצעות קולונת ניקל).

ריצוף וקביעת מבנה

על מנת לאפיין לחלוטין חלבון, יש צורך לדעת מהו רצף חומצות האמינו שמרכיבות אותו, וכן מהו המבנה התלת-ממדי (מבנה שלישוני או רביעוני) שלו.
את רצף החלבון מגלים לרוב בשיטות גנטיות, מכיוון שהחלבון מיוצר בתאים על ידי תרגום ולכן פשוט יותר לקבוע את רצף הרנ"א השליח המקודד לו. השיטה הרווחת ביותר לקביעת רצף החלבון מבוססת על חיתוך החלבון למקטעים קצרים (פפטידים), הפרדתם באמצעות תמיסה ולבסוף מדידת משקלם הגולמי באמצעות ספקטרומטר מסה. ניתן לחזות את רצף חומצות האמינו של כל פפטיד ומסתו מראש על פי רצף הDNA או הRNA שעל פיו יוצר החלבון.
את המבנה מגלים לרוב בשיטות של קריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן או תהודה מגנטית גרעינית; שיטות אלו מאפשרות ליצור תמונה תלת ממדית של מבנה החלבון, באמצעות מיקום האטומים הבודדים המרכיבים אותו (תמונות אלו זמינות לקהל הרחב בפורמט PDB, ראשי תיבות של Protein Data Base, או מאגר המידע החלבוני).

מחסור בחלבון

כמות החלבונים הנדרשת בדיאטה משתנה לפי גיל, מין, משקל, רמת פעילות הגופנית, והמצב הבריאותי. ההמלצה היומית (RDA) היא צריכה של 0.8 גרם חלבון ליום לכל קילוגרם משקל גוף. לאנשים העוסקים בספורט ובפיתוח גוף מומלצת צריכה גבוהה יותר של חלבונים, בין 1.2 ל-1.7 גרם. לתינוקות מומלץ לצרוך 2.2 גרם לכל קילוגרם
דיאטה מערבית טיפוסית רוויה בחלבון מן החי. גם הצמחונים והטבעונים צורכים כמויות סבירות של חלבון מן הצומח בעולם המפותח. כתוצאה מזה סכנת במחסור בחלבון איננה קיימת כמעט בעולם המערבי למעט מצבי מחלה כמו אנורקסיה. מחסור בחלבון מזוהה יותר עם רעב וקיים בעיקר בארצות העולם השלישי.
חסרים בחלבונים יכולים להוביל לתחושת עייפות, לפגיעה בקצב ההתפתחות הפיזית והמנטלית, לעמידות לאינסולין, לנשירת שיער, לאיבוד הפיגמנטים של השיער, לאיבוד ממסת השריר, לירידה בכושר שחלוף רקמות חלבוניות, לטמפרטורת גוף ירודה, לצמצום בייצור אנזימים והורמונים, לאי-סדירות הורמונלית, לאיבוד אלסטיות העור, לפגיעה במערכת החיסונית ובפוריות. חוסר חמור יותר בחלבונים, כמו זה המתבטא בעת רעב המוני, הוא קטלני (כמו בתסמונת הקוושירקור).
תסמונת קוושירקור מתפתחת לרוב אצל תינוקות כתוצאה ממחסור בחלבון לאחר ההיגמלות מההנקה. אם המחלה לא מטופלת, גוף האדם אינו מסוגל לטפל בזיהומים וכתוצאה מכך עשוי להידרדר מצבו ואף להגיע למוות.