חלבונים מבניים: פונקציות, דוגמאות ומאפיינים - ביולוגיה - 2025

החלבונים המבניים הם חלבונים מרכזיים המצויים בכול תאים איקריוטיים, תאים כלומר הם חיים וצומח. אלה הם חלק ממבנים ביולוגיים מגוונים במיוחד כמו עור, שיער, רשת עכביש, משי, רקמת חיבור, קירות תאים צמחיים וכו '.

למרות שבדרך כלל משתמשים במונח "חלבון מבני" להתייחס לחלבונים כמו קולגן, קרטין ואלסטין, ישנם גם חלבונים מבניים תאיים חשובים התורמים לשמירה על המבנה הפנימי של התאים.

תצלום של סיבי קולגן מסוג I, סוג של חלבון מבני (מקור: לואיזה הווארד באמצעות ויקימדיה Commons)

חלבונים אלו, השייכים לשלד הציטוס, שולטים גם הם על המיקום התת-תאי של האברונים ומספקים את מכונות ההובלה והתקשורת ביניהם.

כמה חלבונים מבניים נחקרו בפירוט רב ואפשרו הבנה רבה יותר של מבנה החלבון הכללי. דוגמאות לכך הן פיברוי משי, קולגן ואחרים.

ממחקר של פיברואין משי, למשל, תואר מבנה החלבון המשני של היריעות המקופלות ב- β, ומהמחקרים הראשונים שבוצעו עם קולגן, הוסכם המבנה המשני של סליל משולש.

לפיכך, חלבונים מבניים חיוניים הן בתאים בודדים והן ברקמות שהם מרכיבים.

מאפיינים

תפקידיהם של חלבונים מבניים הם מגוונים למדי, ותלויים יותר מכל בסוג החלבון המדובר. עם זאת ניתן לומר שתפקידו העיקרי הוא לשמור על שלמותם המבנית של תאים, ובמובן רחב יותר, על מבנה הגוף.

בכל הנוגע לחלבונים מבניים בגוף, לקרטין, למשל, יש תפקידים בהגנה ובכיסוי, בהגנה, בתנועה, בין היתר.

לאפידרמיס בעור של יונקים ובעלי חיים אחרים יש מספר גדול של חוטים המורכבים מקרטין. לשכבה זו תפקידים בהגנה על הגוף מפני סוגים שונים של גורמי לחץ או גורמים מזיקים.

לקוצים ולמנורות, כמו גם קרניים ומקור, טפרים ומסמרים, שהם רקמות קרטיניות, יש תפקידים להגנה ולהגנה על הגוף כאחד.

מבחינה תעשייתית, צמר ושיער של בעלי חיים רבים מנוצלים לייצור בגדים וסוגים אחרים של בגדים, שלגביהם יש חשיבות נוספת, באופן אנתרופוצנטרי.

חלבונים מבניים תאיים

מנקודת המבט התאית, לחלבונים מבניים יש פונקציות טרנסצנדנטיות, מכיוון שהם מהווים את המסגרת הפנימית המעניקה לכל תא את צורתו האופיינית: הציטוס שלד.

כחלק מתאי הציטוס, חלבונים מבניים כמו אקטין, טובולין, מיוזין ואחרים משתתפים גם בפונקציות תחבורה ותקשורת פנימית, כמו גם באירועי ניידות סלולרית (בתאים המסוגלים לתנועה).

קיומם של ציצית והפללה, למשל, תלוי מאוד בחלבונים מבניים המרכיבים את החוטים העבים והדקים, המורכבים מאקטין וטובולין.

דוגמאות לחלבונים מבניים ותכונותיהם

מכיוון שיש מגוון גדול של חלבונים מבניים, להלן רק דוגמאות לחשובות והשופעות ביותר בקרב אורגניזמים אוקיארוטים.

חיידקים ופרוקריוטים אחרים, יחד עם נגיפים, מחזיקים גם הם בחלבונים מבניים חשובים בגופם התא, עם זאת, עיקר תשומת הלב ממוקדת בתאים אוקריוטיים.

-אקטין

אקטין הוא חלבון היוצר חוטים (חוטי אקטין) המכונים מיקרופילמנטים. מיקרו-פילמנטים אלה חשובים מאוד בציטלטון של כל התאים האוקריוטים.

חוטי אקטין הם פולימרים סליליים דו-שרשרתיים. מבנים גמישים אלה בקוטר של 5 עד 9 ננומטר ומאורגנים כקורות ליניאריות, רשתות דו מימדיות או ג'לים תלת מימדיים.

אקטין מופץ ברחבי התא, עם זאת, הוא מרוכז במיוחד בשכבה או בקליפת המוח המחוברת לפנים הפנימיים של קרום הפלזמה שכן זהו חלק מהותי של שלד הציטוס.

קולגן

קולגן הוא חלבון הקיים בבעלי חיים ושופע במיוחד ביונקים, שיש להם לפחות 20 גנים שונים המקודדים את הצורות השונות של חלבון זה שניתן למצוא ברקמותיהם.

הוא נמצא בעיקר בעצמות, בגידים ובעור, שם הוא מהווה יותר מ 20% מכל מסת החלבון של יונקים (גבוה יותר מאחוז כל חלבון אחר).

ברקמות החיבור בהן הוא נמצא, קולגן מהווה חלק חשוב מהחלק הסיבי במטריקס החוץ תאי (המורכב גם מחומר בסיסי), שם הוא יוצר סיבים אלסטיים התומכים בכוחות מתיחה גדולים.

מבנה סיבי קולגן

סיבי קולגן מורכבים מיחידות משנה אחידות של מולקולות טרופוקולגן, שאורכן 280 ננומטר וקוטרן 1.5 ננומטר. כל מולקולת טרופוקולגן מורכבת משלוש שרשראות פוליפפטיד המכונות שרשראות אלפא, שמתחברות זו לזו כמו סליל משולש.

בכל אחת משרשראות האלפא יש בערך 1000 שאריות חומצות אמיניות, בהן גליקין, פרולין, הידרוקסיפרולין והידרוקסיליצין נמצאים בשפע מאוד (וזה נכון גם לגבי חלבונים מבניים אחרים כמו קרטין).

בהתאם לסוג סיבי הקולגן הנחשבים, הם נמצאים במקומות שונים ובעלי תכונות ופונקציות שונות. חלקם ספציפיים לעצם ודנטין, בעוד שאחרים הם חלק מסחוס וכן הלאה.

-קרטין

קרטין הוא החלבון המבני החשוב ביותר של קרטינוציטים, אחד מסוגי התאים השופעים ביותר באפידרמיס. זהו חלבון סיבי בלתי מסיס שנמצא גם בתאים ובאינטגמים של בעלי חיים רבים.

לאחר קולגן, קרטין הוא החלבון השני בשפע בגוף היונקים. בנוסף להיותו חלק ניכר מהשכבה החיצונית ביותר של העור, זהו החלבון המבני העיקרי של שיער וצמר, ציפורניים, טפרים ופרסות, נוצות וקרניים.

בטבע ישנם סוגים שונים של קרטינים (מקבילים לסוגים שונים של קולגן), בעלי תפקידים שונים. קרטינים אלפא ובטא הם הידועים ביותר. הראשונים יוצרים ציפורניים, קרניים, טווחים ואפידרמיס של יונקים, ואילו האחרונים שופעים במקורים, קשקשים ונוצות של זוחלים וציפורים.

-אלסטין

אלסטין, חלבון נוסף שמקורו מן החי, הוא מרכיב מרכזי במטריקס החוץ תאי ויש לו תפקידים חשובים באלסטיות וחוסן של רקמות רבות אצל בעלי חוליות.

רקמות אלה כוללות את העורקים, הריאות, הרצועות והגידים, העור והסחוס האלסטי.

האלסטין מהווה יותר מ 80% מהסיבים האלסטיים שנמצאים במטריקס החוץ תאי ומוקף במיקרו-פיברילים המורכבים ממקרומולקולות שונות. מבנה המטריצות המורכבות מסיבים אלה משתנה בין רקמות שונות.

בעורקים, הסיבים האלסטיים הללו מארגנים את עצמם בטבעות קונצנטריות סביב לומן העורקים; בריאות, סיבי האלסטין יוצרים רשת דקה בכל האיבר ומתרכזים באזורים כמו פתחי האלוויאולי.

בגידים סיבי אלסטין מכוונים במקביל לארגון הרקמות, ובסחוס אלסטי הם מסודרים בתצורה תלת מימדית הדומה לחלת דבש.

הארכות

קירות תא צמחיים מורכבים בעיקר מתאית, עם זאת, לחלק מהחלבונים הקשורים למבנה זה יש גם רלוונטיות תפקודית ומבנית.

אקסטנסינס הם אחד מחלבוני הקיר הידועים ביותר ומאופיינים ברצף המחומש החוזר Ser- (Hyp) 4. הם עשירים בשאריות בסיסיות כמו ליזין, התורם לאינטראקציה שלהם עם שאר המרכיבים בדופן התא.

תפקידו קשור להתקשות או לחיזוק הקירות. בדומה לחלבונים מבניים אחרים בבעלי חיים, בצמחים ישנם סוגים שונים של extensins אשר באים לידי ביטוי על ידי סוגים שונים של תאים (לא כל התאים מייצרים extensins).

אצל פולי סויה, למשל, מייצרים extensins על ידי תאי סקלרנציה, בעוד שבצמחי טבק הוכח כי בשורשים הרוחביים יש שתי שכבות של תאים המבטאים חלבונים אלה.

-דַף

באברונים התאיים יש גם חלבונים מבניים משלהם, האחראים על שמירת צורתם, תנועתם ותהליכים פיזיולוגיים ומטבוליים רבים אחרים הטמונים בהם.

האזור הפנימי של הממברנה הגרעינית קשור למבנה המכונה למינה הגרעינית, ולשניהם הרכב חלבונים מיוחד מאוד. בין החלבונים המרכיבים את הלמינה הגרעינית ישנם חלבונים הנקראים למינאיות.

המאמינים שייכים לקבוצת חוטי ביניים מסוג V וישנם כמה סוגים, הידועים ביותר הם A ו- B. חלבונים אלה יכולים לתקשר זה עם זה או עם אלמנטים פנימיים אחרים בגרעין כמו חלבוני מטריקס, הכרומטין והקרום הגרעיני הפנימי.

הפניות

1. אלברטס, ב., דניס, ב., הופקין, ק., ג'ונסון, א., לואיס, ג'., רף, מ., … וולטר, פ. (2004). ביולוגיה תאי חיונית. אבינגדון: גרלנד מדע, טיילור ופרנסיס גרופ.
2. גרטנר, ל., והייט, ג'. (2002). טקסט אטלס של היסטולוגיה (מהדורה שנייה). מקסיקו DF: מקגרו-היל אינטרמריקנה עורך.
3. גרוננבאום, י., וילסון, קל, הראל, א., גולדברג, מ. וכהן, מ. (2000). סקירה: למינים גרעיניים - חלבונים מבניים עם תפקודים בסיסיים. Journal of Structural Biology, 129, 313–323.
4. קלר, ב '(1993). חלבוני קיר תאים מבניים. פיזיולוגיה של הצומח, 101, 1127-1130.
5. Mithieux, BSM, & Weiss, AS (2006). אלסטין. התקדמות בכימיה של חלבונים, 70, 437-461.
6. Sun, T., Shih, C., & Green, H. (1979). ציטוס שלדי קרטין בתאי אפיתל של איברים פנימיים. פרוק. נטל. אקד. מדע, 76 (6), 2813–2817.
7. Wang, B., Yang, W., McKittrick, J., & Meyers, MA (2016). קרטין: מבנה, תכונות מכניות, התרחשות באורגניזמים ביולוגיים ומאמצים להזרמת ביו. התקדמות במדע החומרים.