מבנה שלישוני

מבנה שלישוני הוא מושג בביוכימיה המתאר את המבנה המרחבי (תלת-ממדי) של מקרומולקולות ביולוגיות, ובראשן חלבונים. המבנה השלישוני (להבדיל ממבנה רביעוני) מתייחס למבנה המרחבי של מקרומולקולה אחת המתקפלת במרחב. קיפול המקרומולקולה למבנה השלישוני הטבעי הכרחי לצורך פעילותם. בהתאם לדּוֹגמה של אנפינסן, המבנה המרחבי הנטיבי של חלבונים נקבע על ידי רצף חומצות האמינו המרכיבות את החלבון (המבנה הראשוני). כלומר, לכל רצף חומצות אמינו קיים קיפול מרחבי ייחודי אשר נוצר באופן ספונטני. המבנה השלישוני מיוצב לרוב על ידי אינטראקציות לא קוולנטיות הנוצרות בין קבוצות השייר של חומצות אמינו המרוחקות אחת מהשנייה ברצף השרשרת הפוליפפטידית, אם כי קיימים חלבונים שבהם גם קשרים דיסולפידיים מקבעים את המבנה. האינטראקציה העיקרית המכתיבה את הקיפול המרחבי היא האפקט ההידרופובי. לסיכום, האינטראקציות המייצבות את המבנה השלישוני הן: קשרים יוניים (מכונים גם גשרי מלח) - קשרים אלקטרוסטטיים בין מטענים שלמים. קשרי מימן - בעיקר בין קבוצות השייר של חומצות האמינו. קשרי ואן דר ואלס. קשרים דיסולפידיים - קשרים קוולנטיים בין שתי קבוצות שייר סמוכות של ציסטאין. אינטראקציות הידרופוביות - הכוח העיקרי המכתיב את המבנה השלישוני של חלבונים מסיסים. נובע מנטייתן של חומצות אמינו בעלות שיירים הידרופובים להתרחק ממולקולות הממס (בדרך כלל, מים), בניגוד למולקולות הידרופיליות, ולכן הן תעדפנה להיות בלב החלבון. מקובל להתייחס ליצירת גרעין קיפול הידרופובי ככוח המניע העיקרי המכתיב את הקיפול כולו. לעומת זאת, חומצות אמינו בעלות שיירים צדדיים קוטביים והידרופיליים ייטו להימצא בסביבת מולקולות מים, ולכן יימצאו על פני שטח חלבונים מסיסים. פעילות ביולוגית. קרבה מרחבית בין חומצות אמינו המרוחקות ברצף החלבון. קיום מתחמים - מתחם הוא אזור אשר קיפולו קומפקטי, וניתן להבחנה משאר החלבון. לעיתים תכופות, מתחמים מבניים משויכים גם לפעילות ספציפית ומשייכים את החלבונים למשפחה אחת (בהתאם לפעילות של המתחם). לכל חלבון (במצבו הטבעי) יש מבנה מרחבי מוגדר המכונה הקונפורמציה הנטיבית. זהו הארגון המרחבי (התלת-ממדי) של הקבוצות השונות במקרומולקולה הפעילה. היכולת של חלבונים שונים לבצע פעילות ספציפית מיוחסת לקיום המבנים השלישוניים שלהם, כך שאיבוד המבנה השלישוני (בתהליך הקרוי דנטורציה) גורם לאובדן הפעילות הביולוגית. לדוגמה, התאמה מושרית הוא מודל ביוכימי הקובע כי קישור של חלבונים למולקולות אחרות מאופיין בשינויי קונפורמציה מקומיים של אתר הקישור. ישנם חלבונים ששינויי הקונפורמציה בהם גדולים (ללא שבירה של קשרים קוולנטים) ומשפיעים על המבנה המרחבי של החלבון ועל פעילותו. לחלבונים אלוסטריים אלה יש אפשרות לעבור בין מספר קונפורמציות מרחביות המאופיינות בפעילויות ביולוגיות שונות. החלבון המוגלובין הוא דוגמה טובה לחלבון שפעילותו מוסברת באמצעות שיווי משקל בין מבנים שונים בעלי מצבי זיקה (אפיניות) שונים לחמצן. זימוגנים הם דוגמה נוספת לאנזימים אשר אינם בעלי פעילות קטליטית, אך שפעולם (באמצעות שינוי קוולנטי המכונה שפעול פרוטואליטי) מביא לשינוי מבני של החלבון ולשיפעולו. לדוגמה, החלבון כימוטריפסינוגן הוא זימוגן חסר פעילות קטליטית. שבירה של קשר קוולנטי יחיד בחלבון זה מביאה לשינויי קונפורמציה קטנים, אך משמעותיים לפעילות הקטליטית של החלבון. גם לזרחון חלבונים על ידי פרוטאין קינאזות קיים פוטנציאל לשנות את פעילות החלבון המזורחן (בדרך כלל לשפעל או לדכא את הפעילות הקיימת) באמצעות שינוי שיווי המשקל בין קונפורמציות שונות. הפרעה או פגם בקיפול החלבון למבנה הנטיבי תפגום בפעולתו התקינה של החלבון. המחלות ספגת המוח ומחלת אלצהיימר הן מחלות המאופיינות על ידי פגיעה בקיפול התקין של חלבונים למבנה השלישוני הפעיל. בחלבונים גלובולריים, השרשרת הפוליפפטידית של החלבונים מקופלת בצפיפות בצורה כדורית וקומפקטית. רוב החלבונים מסוג זה מסיסים במים, כיוון שהשרשרת הפוליפפטידית שלהם מקופלת כך שהשיירים ההידרופיליים נמצאים על פני שטח החלבון (במגע עם המים), והשיירים ההידרופוביים מצויים בפנים החלבון בתוך מתחמים שבהם קיימות מיקרוסביבות חסרות מולקולות מים. חלבונים גלובולריים הם בעלי תפקידים מרכזיים בתא, כגון אנזימים, הורמונים נוגדנים וכדומה. כאשר החלבונים הגלובולריים בעלי יותר משרשרת פוליפפטידית אחת (אוליגומרים), הם יכולים ליצור מבנה ארגוני חדש, הנקרא המבנה הרביעוני. חלבונים סיביים בנויים משרשראות פוליפפטידיות המסודרות במקביל לאורך ציר יחיד, וכך יוצרות מעטפות או סיבים ארוכים. החלבונים הללו לרוב אינם מסיסים במים משום היותם עשירים בחומצות אמינו בעלות שיירים הידרופוביים, הנמצאים על פני השטח של החלבון. החלבונים הסיביים מחולקים לשתי קבוצות עיקריות: קולגנים - אלו הם חלבונים המהווים את המבנה העיקרי של רקמות החיבור ביצורים חיים. קרטינים - חלבונים בעלי תפקידי חיפוי והגנה. אלו מחולקים לשתי קבוצות: אלפא קרטינים, הבנויים בעיקר מסליל אלפא. מצויים בעיקר בשיער, בציפורניים ובחלבוני העור. בטא קרטינים בנויים ממשטחי בטא, מצויים בעיקר במקור העופות, בקורי עכביש וכדומה. קביעת המבנה המרחבי של מרבית החלבונים הידועים כיום נעשתה על ידי שתי שיטות עיקריות: קריסטלוגרפיה בקרני רנטגן, המשתמשת בגבישים של חלבון כדי לקבוע את מיקום האטומים במרחב, ותהודה מגנטית גרעינית (Nuclear magnetic resonance; NMR), שיטה המגלה מבנה אטומי או מולקולרי בתמיסה. כיום קיים מידע רב יותר על החלבונים הגלובולריים מאשר על חלבוני הממברנה, וזאת מכיוון שיש קושי רב בביצוע שיטות ניבוי אלה לקביעת המבנה השלישוני בחלבונים הממברנה, בין היתר בשל הקושי לגבשם בנוכחות דטרגנטים. החלבון הראשון שמבנהו נקבע באופן מרחבי על ידי קריסטלוגרפיה היה מיוגלובין על ידי ג'ון קנדרו בשנת 1958. בעקבות הגילוי זכה קנדרו בפרס נובל לכימיה בשנת 1962, יחד עם מקס פרוץ. עד היום טרם נמצאה דרך טובה לחזות מבנה שלישוני של חלבון על פי ריצפו, אם כי קיימות מספר שיטות בתחום הביואינפורמטיקה המאפשרות חיזוי של מבנים בעיקר על פי דמיון ברצף לחלבונים שמבנם ידוע. הקושי בניבוי המבנה השלישוני נובע ממספר אפשרויות הקיפול העצום של כל חלבון. קושי זה בא לידי ביטוי בפרדוקס לוינתל המציין כי אם ניקח חלבון לא גדול במיוחד המורכב מכ-300 חומצות אמינו ולכל חומצת אמינו ישנן שלוש דרגות חופש, חישוב פשוט מראה שיש לחלבון זה כ-3300 אפשרויות קיפול שונות. לחלבון המנסה להתקפל על ידי חיפוש התצורה הנכונה באופן אקראי של ניסוי וטעייה, ייקח זמן העולה על גיל היקום כדי להגיע לקיפול הנכון. אך, למרות זאת, קיפול חלבונים בתוך התא לקונפורמציה הנכונה לוקח אך שניות מעטות. פרדוקס זה מדגיש את הקושי בניבוי מבנה החלבון, לאור הריבוי העצום של המבנים התאורטיים האפשריים. הניבוי הראשון של המבנה המרחבי של חלבון גלובולרי היה על ידי דורותי ורינץ', בשנת 1930, אולם במהרה התברר כי המודל שהוצע אינו תואם לתוצאות הניסויים שנערכו. כיום ניתן לנבא מבנים שלישוניים, באופן מוגבל, על ידי שיטות ביואינפורמטיות המנסות לחזות מבנים באמצעות שיקולי אנרגיה ובאמצעות הומולוגיה לחלבונים אשר מבנם ידוע. העיקרון המנחה של שיטות ביואינפורמטיות אלו הוא שדמיון רצפי גבוה (מעל 30 אחוז) בין החלבון שמבנהו אינו ידוע לחלבון בעל מבנה ידוע מאפשר להשתמש במבנה הקיים כבסיס למבנה החלבון הלא ידוע. פונקציות אנרגיה משמשות להתאמת מבנה זה לרצף של החלבון המבוקש. למרות הזיקה בין המונח "מבנה שלישוני" לבין "מבנים מרחביים של שרשראות פוליפפטידיות", ניתן לציין גם את חשיבות המבנה המרחבי של מקרומולקולות ביולוגיות נוספות. דוגמה בולטת לכך הם המבנים המאפיינים מולקולות RNA. מבנים אלה נמצאו כחשובים בבקרת השעתוק והתרגום ובפעילות הקטליטית של מולקולות RNA מסוימות המסוגלות, בדומה לפעילות אנזימים, לזרז תגובות כימיות. מבנה ראשוני מבנה שניוני מבנה רביעוני קיפול חלבון מדיה וקבצים בנושא מבנה שלישוני בוויקישיתוף