דנטורציה

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

דנטורציה (denaturation - שינוי בתכונות) היא תהליך שבו משתנה המבנה המרחבי הטבעי והפעיל של תרכובת אורגנית גדולה, כשהמושג מתייחס בדרך כלל לחלבונים. הדבר יכול להיגרם עקב עקת חום או חומציות, או מנוכחותם של חומרים שונים בקרבת החלבון. שינוי המבנה המרחבי פוגע בתפקוד החלבון ומוציא אותו מכלל פעולה.

דנטורציה המתקיימת במלואה בתנאים תאיים היא בלתי הפיכה בדרך כלל, והחלבון לא יחזור למבנה הפעיל לאחריה. אך אם הדנטורציה לא התרחשה במלואה, או שהתרחשה בתנאי מעבדה, יכול להתקיים התהליך ההפוך - רנטורציה, והחלבון ישוב לתפקד לאחר זמן מה.

תוכן עניינים

[עריכה] הקדמה - המבנה המרחבי של החלבון

המבנה המרחבי של החלבון קטלאז
הגדל
המבנה המרחבי של החלבון קטלאז
ערך מורחב – חלבון

החלבון הוא מולקולה גדולה במיוחד הבנויה מיחידות של חומצות אמיניות. בחלבון ממוצע תהיינה בדרך כלל למעלה ממאה חומצות אמיניות הקשורות זו לזו בקשר פפטידי, שהוא קשר קוולנטי בין חומצות האמינו הסמוכות. קיימות בטבע 20 חומצות אמיניות סטנדרטיות שונות הנבדלות זו מזו בקבוצה הצדדית שלהם (המכונה גם קבוצת ה-R). הבדל זה גורם לשוני בסוג ובטיב האינטראקציות שבהן יכולה להשתתף החומצה האמינית. אינטראקציות אלה הם קשרים לא קוולנטיים, חלשים, בין חומצה אמינית לחברתה, או בין חומצה אמינית לחומר אחר. אינטראקציות אלה קובעות את המבנה המרחבי (הקונפורמציה) של החלבון. בין האינטראקציות החשובות נמנה קשר המימן: חומצות אמיניות בעלות קבוצה צדדית קוטבית עשויות ליצור קשרי מימן עם חומרים הידרופילים המצויים בסביבתם. קשרי מימן נוצרים בין חומצות אמינו באזורים שונים בחלבון וגורמות לקיפולים בשרשרת הפוליפפטידית (שרשרת חומצות האמינו). המים גם הם יוצרים קשרי מימן. לכן, קבוצות קוטביות ימצאו לעיתים קרובות על פני החלבון, חשופים לסביבה המימית.

כוחות של משיכה ודחייה חשמלית עשויים גם הם להיווצר בין קבוצות צדדיות מסוימות הנושאות מטען. הם ירחיקו או יקרבו קטעי חלבון זה לזה וכך יתרמו לייצוב המבנה המרחבי. קשר חשוב נוסף הוא הקשר הדיסולפידי: קשר בין אטומי גופרית של הקבוצות הצדדיות של החומצה האמינית ציסטאין. פעולתו דומה לפעולת האינטראקציות הקודמות, אך כיוון שזהו קשר קוולנטי הוא חזק מהן.

המבנה המקופל הנוצר בעקבות אינטראקציות אלה הוא המבנה בעל הרמה האנרגטית הנמוכה ביותר מבין אינסוף המבנים האפשריים, ולכן זהו המבנה היציב ביותר של החלבון.

[עריכה] הגורמים לדנטורציה

מכיוון שמבנה החלבון מיוצב על ידי קשרים חלשים רבים, היוצרים מבנה מורכב ומסובך להפליא, שינוי בתנאי הסביבה של החלבון עשוי לפגוע באינטראקציות שבין החומצות האמיניות. פגיעה זו מעוותת את מבנה החלבון. כיוון שמבנה החלבון הוא המאפשר את תפקודו, בעקבות דנטורציה יפגע תפקוד החלבון.

קיימים מספר גורמים לדנטורציה:

  • טמפרטורה גבוהה.
  • שינוי pH הטבעי המתאים לחלבון.
  • כוח מכני.
  • חומרים שונים המשמשים בעיקר למחקר ביוכימי.

[עריכה] טמפרטורה

ביצה שחלבוניה עברו דנטורציה
הגדל
ביצה שחלבוניה עברו דנטורציה

כשמעלים את הטמפרטורה של גוף מסוים הדבר מתבטא בהגברת מהירות החלקיקים שמהם הוא מורכב. כשמחממים חלבונים מוגבר למעשה קצב תנודות האטומים בחלבון. הדבר גורם לכך שאותן אינטראקציות חלשות בין חומצות האמינו המרכיבות את החלבון תתפרקנה והמבנה הטבעי יתערער. התוצאה היא שרשרת אקראית חסרת מבנה מוגדר. תהליך זה מתרחש גם בעת בישול (או טיגון) ביצה. בלובן הביצה מצוי חלבון ששמו אלבומין. האלבומין מתחמם והקשרים הלא-קוולנטיים שבו מתפרקים וגורמים להיחלשות המבנה. בטמפרטורה מסוימת המבנה קורס בבת אחת למבנה אקראי, והאלבומין הופך למשקע לבן. מכאן ניתן לומר שתהליך הדנטורציה איננו הדרגתי: מיד לאחר שהיחלשות האינטראקציות עוברת סף מסוים, קורס המבנה בבת אחת. סף זה מצוי ברוב החלבונים מתחת ל-70 מעלות צלזיוס. חלבוני חיידקים תרמופיליים, החיים בטמפרטורות הקרובות ל-100 מעלות, בקרבת מבועים ומעיינות חמים, הם היוצאים מהכלל.

הטמפרטורה האידאלית לחלבוני גוף האדם היא בין 36 ל-38 מעלות צלזיוס. בטמפרטורות אלה עוד לא מתרחשת דנטורציה, אך הן מספיק גבוהות כדי שפעילות החלבון תהיה יעילה.

[עריכה] שינוי ה-pH

שינוי בחומציותה של תמיסת החלבון גורמת גם היא לדנטורציה. ככל שתמיסה חומצית יותר, יש בה למעשה יותר יוני מימן (+H, או ליתר דיוק H3O+). העלאה או הורדה בריכוזם של יוני המימן גורם ליינונן של קבוצות צדדיות של חומצות אמיניות מסוימות, וטעינתן במטען חשמלי. המטען החשמלי גורם למשיכה או לדחייה חשמלית שלא הייתה קיימת קודם לכן בין קטעי חלבון שונים. אלו הן אינטראקציות חדשות בין חומצות האמינו, שלא היו קיימות לפני כן. הדבר מערער את המבנה הטבעי של החלבון וגורם לפתיחה חלקית שלו. פתיחה זו חושפת לסביבה החומצית או הבסיסית קבוצות צדדיות שלא היו חשופות עד כה ומיינן גם אותן, מה שגורם לקריסתו הסופית של החלבון לשרשרת אקראית חסרת מבנה.

לכל חלבון טווח pH שבו הוא נותר במצבו הטבעי והפעיל, על אף שינוי ריכוז יוני המימן. חלק נכבד מהחלבונים לא יכולים לחרוג בהרבה מה-pH הפיזיולוגי, בין 6 ל-8 pH. אך ישנם חלבונים רבים היוצאים מכלל זה, כגון האנזימים הפועלים בקיבה, ומסייעים בעיכולם של חלבונים אחרים. במיצי הקיבה מצויה חומצת מימן כלורי (HCl), שהיא חומצה חזקה. הסביבה החומצית גורמת לדנטורציה בחלבונים שבמזון, ובכך מסייעת לאנזימי העיכול (שהם כאמור סוג של חלבון) לפרק את הקשרים הפפטידיים שבין החומצות האמיניות.

[עריכה] חומרים דנטורטיביים

מולקולת הדטרגנט SDS
הגדל
מולקולת הדטרגנט SDS

דנטורציה עשויה להתרחש גם בעקבות נוכחות חומרים אחדים בתמיסת החלבון, הפוגעים במבנהו. חלק מחומרים אלה משמש בעיקר למחקרים ביוכימיים שונים הדורשים התרה של המבנה המרחבי של החלבון למבנה ראשוני פשוט.

  • דטרגנטים: הדטרגנטים הם חומרים אורגניים בעלי "זנב" הידרופובי ("שונא מים") ו"ראש" הידרופילי ("אוהב מים") הנושא לעיתים קרובות מטען חשמלי. כשמולקולת דטרגנט פוגשת בחלבון, זנבה ההידרופובי חודר למעמקי החלבון ויוצר אינטראקציות מתחרות עם הקבוצות הצדדיות של החומצות האמיניות ההידרופוביות. איטראקציות אלה מחלישות את האינטראקציות הקיימות בחלבון הטבעי. באופן דומה, הראש ההידרופילי מגיב עם הקבוצות ההידרופיליות שעל פני החלבון ומחליש את האינטראקציות ביניהן. כשריכוז הדטרגנט גבוה מספיק, תתרחש דנטורציה ומבנה החלבון יקרוס למבנה אקראי.
  • ממסים אורגניים: חומרים אורגניים המסיסים במים כגון כוהל, עשויים להתחרות גם הם על האינטראקציות ההידרופוביות בפנים החלבון ולהחליש אותן כמו הזנבות ההידרופוביים של הדטרגנט. לכן בריכוז גבוה מספיק גם הם מתפקדים כחומרים דנטורטיביים, הגורמים להרס מבנה החלבון.
  • ריאגנטים סולפהידריליים: חומרים שונים, כגון ביתא-מרקפטואתנול, עשויים לחזר את הגופרית שבקשרים הדיסולפידיים (S-S) לקבוצות סולפהידריל (SH-). תהליך זה מפרק את הקשר הסולפידי ובכך פוגע במבנה החלבון. עם זאת, לא ניתן להסתפק בחומרים אלה בלבד כדי לגרום לדנטורציה כיוון שהקשרים הדיסולפידים מהווים בדרך כלל חלק קטן מכלל הקשרים המייצבים את החלבון. תהליך חיזור הגופרית באמצעות ריאגנטים סולפהידריליים נפוץ במעבדות מחקר.
  • שינן וגואנידין הידרוכלוריד: אלו הם שני חומרים הנפוצים מאוד במעבדות ביוכימיה ומשמשים לניסויים רבים הדורשים דנטורציה. אך למרות זאת, דרך תפקודם כחומרים דנטורטיביים עודנה שנויה במחלוקת. בעבר סברו שהם מתחרים על יצירת קשרי מימן עם החומצות האמיניות ובכך מחלישים את קשרי המימן המייצבים את המבנה הטבעי. אך מבדיקה של חומרים אלה נמצא שהשפעתם בדרך זו לא גדולה מהשפעתם של המים. כיוון שהחלבון נמצא כל העת בסביבה מימית ואינו ניזוק, נותר להסיק שזוהי איננה דרכם של השינן וגואנידין הידרוכלוריד. הסברה הנחקרת כיום היא שמולקולות אלה חושפות בדרך כלשהי את הקבוצות ההידרופוביות והלא קוטביות לסביבה המימית והקוטבית ובכך מחלישים את מבנה החלבון.

לרבים מהחומרים הללו שימושים נוספים במחקר הביוכימי, מלבד דנטורציה, בהם מעוניינים דווקא לשמור על מבנה החלבון. למשל, ממסים אורגנים משמשים לעיתים קרובות בתהליכי ניקוי חלבונים. כדי שלא תתרחש דנטורציה מקיימים תהליכים אלה בטמפרטורות נמוכות, המאטות את קצב תנודתם של אטומי החלבון. ההאטה הזו, כפי שנותח לעיל, מפסיקה ברוב החלבונים את הדנטורציה. מכאן שהשפעתם של החומרים הדנטורטיביים איננה מוחלטת, אלא תלויה בתנאי הסביבה.

[עריכה] דנטורציה חלקית ורנטורציה

תהליך הדנטורציה יכול להתרחש במספר רמות. הוא יכול להתרחש כדנטורציה מלאה, המביאה את החלבון לידי קריסה כללית כפי שתואר קודם לכן. אולם יכול להתרחש גם תהליך מתון יותר - דנטורציה חלקית. בדנטורציה חלקית התנאים אינם כה קיצוניים בכדי להביא לקריסת המבנה במלואו, אבל הם כן גורמים לשינוי מבני כלשהו עקב היחלשות האינטראקציות הטבעיות. שינוי קטן זה פוגם גם הוא בפעילות החלבון. כאשר מתקיימת דנטורציה חלקית בתנאים תאיים (in vivo), אנו מוצאים כי בתוך דקות ספורות מרגע התרחשות הדנטורציה, החלבון חוזר לתפקודו התקין. מתרחש אפוא התהליך ההפוך - רנטורציה (או התקפלות מחדש, renaturation). הרנטורציה מתרחשת משום שהמבנה הטבעי של החלבון הוא המבנה היציב ביותר, ולכן הוא נוצר ספונטנית. דנטורציה מלאה גוררת היווצרות אינטראקציות חדשות ואקראיות רבות בין שיירי חומצות האמינו אשר לא מאפשרות רנטורציה בתנאים פיזיולוגיים. למרות זאת, תחת תנאי מעבדה (in vitro), ניתן לגרום לדנטורציה קיצונית על ידי החומרים הדנטורטיביים שהוזכרו לעיל, שלאחריה החלבון חוזר למבנה ותפקוד תקינים.