ד"ר מירי ברק המחלקה להוראת הטכנולוגיה והמדעים, טכניון

1. ב.1. החלבונים בגוף האדם פרק ב. מחומצות אמיניות לחלבונים ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון ד"ר מירי ברק המחלקה להוראת הטכנולוגיה והמדעים, טכניון

2. ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים • החלבונים מהווים 16%-19% ממשקל גופו של אדם מבוגר. • חוקר הולנדי בשם מולדר(Mulder 1802-1880) היה הראשון שהראה כי בכל החומרים הללו מצוי "רדיקל" C40H62N10O2. • ל"רדיקל" קרא בשם Protein מהמילה היוונית Proteios– ראשוני. ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

3. תפקידי החלבונים 1. הובלה ואחסון 2. תנועה סדנא למורים בכימיה

4. 3. תמיכה מכנית 4. משתתפים במנגנוני הגנה 5. יצירת דחפים עצביים והעברתם

5. 6. בקרה, גדילה והתמיינות 7. משתתפים בתהליכי קרישת דם 8. משתתפים בבניית תאים ורקמות 9. פועלים כאנזימים, הורמונים או נוגדנים 10. פועלים לזירוז ולוויסות פעילויות כימיות

6. ב.2. חומצות אמיניות: אבני הבניין של החלבונים ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים חומצה קרבוקסילית ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות  ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות חומצה אמינית ב.5. המבנה המרחבי של החלבון 

7.  המאפיינים של החומצות האמיניות: • חומצות אמיניות טבעיות מתאפיינות בהיותן: • גבישיות, נקודת ההיתוך שלהן גבוהה (מעל c2000). • מסיסות במים ובממיסים קוטביים אחרים, יותר מאשר בממיסים שאינם קוטביים • פעילות מבחינה אופטית קיומו של פחמן אסימטרי (כיראלי) מאפשר תופעה של סיבוב אור מקוטב מישורית לכיוון מסוים

8. איזומריה אופטית • ברוב חומצות האמיניות, אטום הפחמן המרכזי (פחמן ) קשור לארבעה מתמירים שונים = פחמן אסימטרי • הקבוצות הקשורות לאטום הפחמן המרכזי, יכולות להסתדר בשני מבנים מרחביים שונים, כך שהאחד הוא דמות ראי של השני. • לשתי המולקולות המתקבלות יש תכונות כימיות שונות והן מסומנות באותיות L ו-D, על פי כיוון שבירת קרני האור. • תופעה זו נקראת איזומריה מרחבית או איזומריה אופטית. • ניתן להפוך מולקולה אחת לשנייה רק על ידי ניתוק הקשרים הקוולנטים ויצירת קשרים חדשים.

9. תרגיל בנושא איזומריה אופטית • השתמשו בחמישה כדורים מפלסטלינה בצבעים שונים וארבעה מקלוני עץ (קיסמים) כדי לבנות שני איזומרים אופטיים. דמו שהכדור האמצעי משמש מודל לאטום פחמן. • השתמשו במודלים מסוג כדור-מקל, מסגרת ו/או ממלא מרחב ובנו איזומרים אופטיים של החומצה האמינית אלנין

10. עשרים חומצות אמיניותמרכיבות את החלבונים. • נקודת ההיתוך הגבוהה יחסית והמסיסות הגדולה מאוד במים של החומצות האמיניות, לימדו, כי הן מצויות בתמיסה מימית בצורת דו-יונים (צוויטריוניםZwitterions). • הקבוצה הקרבוקסילית מוסרת פרוטון והיא בעלת מטען שלילי COO- • הקבוצה האמינית קושרת פרוטון והיא בעלת מטען חיובי NH3+

11. מה שונה ומה משותף לחומצות האמיניות הבאות? מי יוצא דופן ומדוע? גליצין (Gly/G) איזולואיצין (Ile/I) ולין (Val/V) אלאנין (Ala/A) לואיצין (Leu/L) חומצות אמיניות בעלות קבוצה צדדית בלתי קוטבית

12. מה שונה ומה משותף לחומצות האמיניות הבאות? מי יוצא דופן ומדוע? חומצות אמיניות בעלות קבוצה צדדית בלתי קוטבית מורכבת פנילאלאנין (Phe/F) טריפטופן (Trp/W) פרולין (Pro/P) מתיונין (Met/M)

13. מה שונה ומה משותף לחומצות האמיניות הבאות? מי יוצא דופן ומדוע? תראונין (Thr/T) טירוזין (Tyr/Y) סרין (Ser/S) ציסטאין (Cys/C) אספרגין (Asn/N) גלוטמין (Gln/Q) חומצות אמיניות בעלות קבוצה צדדית קוטבית לא טעונה

14. מה שונה ומה משותף לחומצות האמיניות הבאות? מי יוצא דופן ומדוע? חומצות אמיניות בעלות קבוצה צדדית קוטבית טעונה היסטידין (His/H) ארגינין (Arg/R) ליזין (Lys/K) חומצה גלוטמית (Glu/E) חומצה אספרטית (Asp/D)

15. ב.3. תכונות חומצה-בסיס של חומצות אמיניות ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים • בתמיסה ניטרלית(pH=7), נמצאות רוב מולקולות החומצה האמינית בצורת דו-יון (Zwitterions). • בתמיסה בסיסית, נמצאות רוב מולקולות החומצה האמינית בצורת אניון. • בתמיסה חומצית, נמצאות רוב מולקולות החומצה האמינית בצורת קטיון. • מטענה הכולל של החומצה האמינית תלוי בקבוצה הצדדית (R) העשויה להיות בעלת אופי חומצי או בסיסי. ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

16. קבוע שיווי המשקל של חומצה והקשר בין pH ו-pKa ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים • קבוע שיווי משקל של חומצה מסומן כ- Ka. • בחומצות האמיניות, הקבוצה ה--קרבוקסילית (-COOH) והקבוצה ה--אמינית )במצבה המיונן (-NH3+, מוגדרות כחומצות חלשות, מכיוון שהן עוברות יינון חלקי בלבד בתמיסות מימיות. • מסיבה זו, קבוע החומצה של החומצות האמיניות יהיה קטן מאחד (Ka<1). • לעומתן, חומצות חזקות, HCl(aq) או HNO3(aq), עוברות פירוק מלא ליונים ובעלות Ka>>1. ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

17. ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים • בדומה למדד ה-pH של תמיסה, שהינו מדד של ריכוז יוני ההידרוניום: ה-pKa של חומצה (בתמיסה מימית) מוגדר כ: ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

18. ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים • ניתן לגזור את הנוסחה הבאה: • מהביטוי: ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות • אם נפעיל פעולת -log על כל אחד ממרכיבי הנוסחה נקבל: ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון • על פי ההגדרה של pH ו- pKa נוכל להציבם בנוסחה ולקבל:

19. משוואת הנדרסון-הסלבך(Henderson-Hasselbalch) ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים • מאפשרת לחשב את ה-pH של תמיסה, אם ידועים הריכוזים המולריים של החומצה (HA), הבסיס הצמוד לה (A-)וה- pKa שלה. • באופן הפוך, ניתן לחשב את ה-pKa של חומצה. ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

20. ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים • ה- pH יהיה שווה ל-pKa כאשר הריכוזים של החומצה והבסיס הצמוד לה יהיו שווים. כאשר הריכוזים שווים, היחס בין ריכוז החומצה (HA) וריכוז הבסיס הצמוד לה (A-) הוא 1. ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

21. pKa של חומצות אמיניות ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים • לכל קבוצה מתייננת (האמינית והקרבוקסילית), יש ערך pKa אופייני (טבלה עמ' 31). • ל-pKa של הקבוצה ה- קרבוקסילית (-COOH) מייחסים את הערךpKa1 או pKacarboxy, נע בין 1.80 ל- 2.46. • ל- pKaשל הקבוצה ה- אמינית (-NH3+) מייחסים את הערך pKa2או pKaamino, נע בין 8.72 ל - 10.70. • קבוצות צדדיות היכולות להתפרק ליונים. לכל קבוצה צדדית הנושאות מטען, נייחס את הערך pKaR,הנע בין 3.90 ל - 12.48. ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

22. חישוב מטענן של חומצות אמיניות(עמ' 32) ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

23. ב.1. החלבונים בגוף האדם עקומת טיטרציה של החומצה האמינית אלאנין ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות צורת אניון ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות pH ב.5. המבנה המרחבי של החלבון צורת דו-יון צורת קטיון מולים של NaOH

24. ה- pHהאיזואלקטרי (או ה- pI) ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים • ב-pH השווה ל-pKa1, מחצית מכמות החומצה האמינית מצוי בצורה של יון חיובי (קטיון) ומחצית בצורה של דו-יון (מצב 2). • ב-pH השווה ל-pKa2, מחצית מכמות החומצה האמינית מצוי בצורה של יון שלילי (אניון) ומחצית בצורה של דו-יון (מצב 4). • הנקודה שבה כל החומצה נמצאת במצב של דו-יון, נקראת ה- pHהאיזואלקטרי (או ה- pI) של חומצות האמיניות. ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

25. מטען חשמלי של חומצות אמיניות הנקודה האיזואלקטריתה- pH שבו המטען החשמלי נטו מתאפס

26. ה- pHהאיזואלקטרי (או ה- pI) ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים • ה- pI מוגדר כ- pHשבו סכום המטענים שעל החומצה האמינית (במקרה זה: 1+, 1-) שווה לאפס. • כאשר נשים חומצה אמינית בתמיסה בה ערך ה- pHשונה מה-pIשלה ונפעיל עליה שדה חשמלי, היא תנוע לקוטב החיובי או השלילי, בהתאם למטען שעליה. • לעומת זאת, חומצה אשר תימצא בתמיסה בה ערך ה- pH שווה ל- pI לא תנוע בשדה החשמלי. תהליך הנדידה בשדה חשמלי נקרא אלקטרופורזה ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

27. ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים • ניתן לחשב את ה- pI של חומצה אמינית שאין לה קבוצה צדדית מתייננת: • חשבו את ה- PI של אלנין וגליצין. ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

28. מה לגבי אותן חומצות אמיניות בעלות קבוצה צדדית קוטבית שעוברת יינון במים? ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים • לחומצה אמינית בעלת קבוצה צדדית מתייננת קיימים שלושה ערכים: pKa1, pKa2 ו- pKaR • בחומצה דיקרבוקסילית כגון ח' גלוטמית או אספרטית, ה- pI יימצא בערך pH בין ערכי pKa1 ו- pKaR. • בחומצה דיאמינית כגון ליזין או ארגינין, ה- pI יימצא בערך pH בין ערכי pKa2 ו- pKaR. ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

29. מה לגבי אותן חומצות אמיניות בעלות קבוצה צדדית קוטבית שעוברת יינון במים? ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

30. ב.1. החלבונים בגוף האדם "סתירות" שיש ליישב 1. חומצות אמיניות הן מוצקים, בעלי נק' היתוך גבוהה (200 מעלות צלזיוס). חומצות האמיניות נמסות במים. אם זאת, יש חומצות אמיניות המוגדרות כהידרופוביות ואחרות כהידרופיליות - הכיצד? 2. כל אחת מהחומצות האמיניות מתנהגת הן כחומצה והן כבסיס, תכונה הידועה כ"אמפוטריות", למרות זאת, יש חומצת אמיניות המוגדרות כחומציות ואחרות כבסיסיות - הכיצד? ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

31. ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות הקשר הפפטידי (אמידי) קצה אמיני N - terminus קצה קרבוקסילי C - terminus קשר פפטידי

32. הקשר הפפטידי: יחידה מישורית קשיחה הקשר הפפטידי הוא כמעט מישורי כלומר האטומים C,O,N,H וה-Cשל החומצה האמינית הבאה נמצאים כמעט באותו מישור. קשר פפטידי דבר זה יוצר מישורים קשיחים יחסית בשרשרת הפפטידית:

33. הקשר הפפטידי: תופעת האל-איתור (רזוננס)

34. המבנה הראשוני: שרשרת פוליפפטידית Ala-Cys-Gly-His-Val-Glu-Lys-Met-Cys-Gly-Val-Pro-Asn-Asp-Val-His-… האטומים סביב הקשרים N - C ו - C - C סובבים חופשי הקשר C - N קשיח האטומים בשרשרת הפוליפפטידית יסתדרו סביב הקשר הפפטידי בקונפורמציית טרנס ולא ציס

35. קשרי דו-גופרית S S במידה ובחלבון יש שיירים של חומצות אמיניות מסוג ציסטאין, הקבוצות הצדדיות תיצורנה קשרי דו גופרית (קשרים קוולנטיים) שמייצבים את המבנה הראשוני של החלבונים.

36. ב.5. המבנה המרחבי של החלבון ב.1. החלבונים בגוף האדם ב.2. חומצות אמיניות אבני הבניין של החלבונים ב.3. תכונות חומצה- בסיס של חומצות אמיניות קשרים וכוחות בין מולקולריים: אינטראקציות הידרופוביות אינטראקציות יוניות קשרי מימן קשרי ון-דר-ולס ב.4. יצירת חלבון מחומצות אמיניות ב.5. המבנה המרחבי של החלבון

37. d+ d- H H H O H H H O H N – C – C – N – C – C – N – C – C – N – C – C – N – C – C - H R1 0 R2 H R3 O R4 H R5 O המבנה השניוני סלילי α בסלילי αקשרי המימן נוצרים בין מימן הקשור לחנקן של הקשר הפפטידי וקבוצת קרבוניל של החומצה אמיניתהרביעית לאחריו

38. סלילי α השרשרת סובבת לכיוון ימין הקבוצות הצדדיות פונות החוצה

39. סיבוב שלם 5.4 Ao בכל סיבוב שלם 3.6חומצות אמיניות לא ימצאו חומצות אמינו עם מטען מנוגד או זהה בעמדות שיכולות לעוות את ה – a helix לא ימצאו (כמעט) חומצות אמינו גדולות ( (bulky לא ימצאו חומצות אמינו Proline , Glycine Proline Glycine סלילי α Ao (angstrom) = 0.1nm

40. COOH NH2 מקביל אנטי-מקביל COOH NH2 COOH NH2 COOH NH2 COOH NH2 COOH NH2 משטחי 

41. משטחי  בחלבונים יופיעו שני משטחי  או יותר. משטחי  מורכבים מחומצות אמיניות עם קבוצה צדדית קטנה יחסית. כל משטח ירוק מסמל רצף אחד של חומצות אמיניות.

42. סיבובים ולולאות מקטעים ללא מבנה קבוע היוצרים חיבור בין סלילי  ומשטחי 

43. מבנה שלישוני 1. חלבונים כדוריים Globular Proteins מאורגנים ככדור וניתן לתאר אותם על ידי הרדיוס או הקוטר שלהם. 2. חלבונים סיביים Fibrous Proteins מאורגנים במרחב סביב ציר אורך דמיוני. הקוטר שלהם יחסית לאורך זניח. חלבוני המבנה (שיער, שרירים, גידים, ציפורניים) הם בדרך כלל חלבונים סיביים. חלבוני הפונקציה (כדוריות דם, אנזימים, הורמונים) הם בדרך כללחלבונים כדוריים.

44. מבנה שלישוני דוגמאות לחלבונים כדוריים:

45. מבנה שלישוני של החלבון ריבונוקלאזRibonuclease חתך דרך המולקולה מבט חיצוני מולקולות מים (ירוק) קבוצות צדדיות לא קוטביות (ורוד) קבוצות צדדיות קוטביות (כחול)

46. מבנה השיער -keratin מבנה שלישוני: סיבי מבנה שניוני: סלילי  מבנה ראשוני: קשרי דו-גופרית

47. מבנה רביעוני מספר שרשרות פוליפפטיד סמוכות זו לזו המוגלובין ארבע שרשרות של החלבון גלובין. כל אחת מכילה קבוצת הם חלבון גלובין קבוצת הם: תצמיד של ארבעה פירולים ויון ברזל Fe++

48. סיכום המבנה המרחבי של החלבון

49. הכוחות והקשרים המייצבים את המבנה של החלבון האנרגיה הדרושה לפירוק בקשרים Kcal/mol תרומה ליציבות המבנה של החלבון אינטראקציות הידרופוביות 1-2 3-7 10 50 +++ +++ + + קשרי מימן אינטראקציות יוניות קשרי דו-גופרית

50. דנטורציה של חלבונים דנטורציה – שינוי מרחבי של מבנה המולקולה ואובדן תכונותיה ותפקודה כתוצאה מטיפול כימי או פיסיקלי. 1. חום – משפיע על אינטראקציות חלשות כמו קשרי מימן 2. pH קיצוני 3. שימוש בממסים כגון Urea או Guanidine hydrochloride 4. ראגנטים מחזרים לשבירת קשרי S-S. דנטורציה רנטורציה דנטורציה ורנטורציה של האנזים ריבונוקלאז ע"י חיזור קשרי דו-גופרית וחמצון מחדש