שרשרת שמקפלת את עצמה
חלבון הוא שרשרת של חומצות אמינו, לרוב באורך של כמה מאות, המחוברות זו לזו בסדר שקובע גן. איך התא קורא את הסדר הזה מתוך ה־DNA ומשרשר את השרשרת מסופר במאמר מ־DNA לחלבון. המאמר הזה ממשיך מהמקום שבו ההוא נעצר: שרשרת גמורה שצפה במים שבתוך התא.
לבדה שרשרת לא עושה שום דבר מועיל. חלבון עובד בזכות הצורה שלו: כיס שמחזיק סוכר בזמן שהוא נחתך, חריץ שאוחז ב־DNA, תעלה רחבה בדיוק כדי להעביר סוג אחד של יון. בתוך שבריר שנייה מרגע שנבנתה, רוב השרשראות מתקפלות לצורה הזאת בכוחות עצמן, וכל עותק של אותה שרשרת מתקפל לאותה צורה בדיוק. איש אינו אומר לשרשרת איך. ההוראות נמצאות ברצף שלה עצמה.
שמן ומים
לכל חומצות האמינו יש אותו שלד, החלק שמתחבר לשרשרת, ושרשרת צד שבולטת ממנו. יש עשרים סוגים של שרשראות צד. חלקן דוחות מים: הן עשויות בעיקר פחמן ומימן, כמו המולקולות של שמן בישול. אחרות אוהבות מים: הן נושאות מטען חשמלי, או אטומי חמצן וחנקן שהמים יכולים ליצור איתם קשרי מימן.
מולקולות מים נאחזות זו בזו בקשרי מימן, ושוברות אותם ויוצרות חדשים בלי הפסקה. שרשרת צד דוחה מים לא יכולה להצטרף. המים שלידה צריכים לסדר את עצמם סביבה בכלוב מסודר, וזה גוזל מהם חלק מהחופש להתהפך. כששרשראות צד דוחות מים מצטופפות יחד, מחוץ לדרכם של המים, הכלובים האלה משתחררים, אי־הסדר של המים גדל, והמערכת כולה יורדת במדרון. המשיכה הזאת נקראת האפקט ההידרופובי, והיא אותו דבר שאוסף את טיפות השמן שעל המרק לטיפות גדולות יותר. זה הכוח העיקרי שמקפל חלבון.
לכן הדבר הראשון ששרשרת טרייה עושה הוא לקרוס. בתוך מיליוניות שנייה היא מתקמטת לכדור רופף שרוב שרשראות הצד הדוחות מים שלו בפנים, מצב שנקרא כדור מותך. הוא דחוס, אבל עדיין לא מסודר.
נסו: הזיזו את קיפול השרשרת אל שרשרת טרייה. חרוזים כתומים וכחולים מעורבבים לכל אורך השרשרת הרופפת. עכשיו קדמו אותו לאט לעבר שרשרת שהתייצבה וצפו בחרוזים הכתומים מתאספים במרכז, בזמן שהכחולים נשארים בחוץ, במים.
סלילים ומשטחים
בתוך הכדור שקרס יש לשלד בעיה. לכל חומצת אמינו שבו יש קבוצת N–H וקבוצת C=O, שיצרו קשרי מימן עם המים כל עוד השרשרת הייתה רופפת. כשהן קבורות בפנים, הן חייבות למצוא בנות זוג בתוך השרשרת עצמה, ויש שתי דרכים מסודרות לזווג את כולן.
בסליל אלפא השלד מתפתל לספירלה עם 3.6 חומצות אמינו בכל סיבוב, וכל C=O נקשר ל־N–H שנמצא ארבעה מקומות הלאה. במשטח בטא קטעים של השרשרת שוכבים זה לצד זה, עולים ויורדים, ונקשרים לשכניהם כמו שלבים של סולם. את שניהם חזו לינוס פאולינג ועמיתיו ב־1951 מתוך צורות הקשרים, עוד לפני שמישהו ראה את המבנה של חלבון.
לחלבון שבסצנה יש סליל אחד שמונח לרוחב משטח של ארבעה גדילים. לאורך הסליל שרשראות הצד הדוחות מים יוצרות פס בצד שפונה אל המשטח, ובמשטח כל שרשרת צד שנייה מצביעה אל הסליל, כך שהדוחות מים משני הצדדים נפגשות בליבה צפופה ביניהם. חלבונים אמיתיים מראים את הדפוס הזה שוב ושוב: חומצות אמינו דוחות מים ואוהבות מים מתחלפות לאורך גדיל, וחוזרות כל שלוש או ארבע לאורך סליל.
נסו: עצרו את קיפול השרשרת בערך בשלושה רבעים מהדרך. הסליל האדום־אלמוג והגדילים הסגולים מקבלים צורה, וקשרי המימן המנוקדים מופיעים בין הגדילים ולאורך הסליל.
מרווח צר
חלבון מקופל אינו מוחזק בחוזקה רבה. הקיפול מנצח כי הטמנת השמן משחררת את המים והשרשרת יוצרת קשרים חלשים רבים, אבל הוא מוותר על החופש של שרשרת רופפת להתפתל לאינספור צורות. השניים כמעט מקזזים זה את זה. חלבון קטן טיפוסי יציב בכמה עשרות קילו־ג’אול למול, בערך כמו קומץ קשרי מימן, מתוך מאות קילו־ג’אול בכל אחד מצדי המאזניים.
חום מטה את המאזניים. ככל שהמים חמים יותר, אי־הסדר של שרשרת רופפת שוקל יותר, עד שבטמפרטורת ההיתוך מחצית מהמולקולות מקופלות ומחציתן פרושות. מכיוון שחלבון קטן מתקפל ונפרש כיחידה אחת, השינוי חד: עשר מעלות לכל צד, וכמעט כולן מקופלות או כמעט כולן פרושות. התרשים מראה את עקומת ההיתוך של החלבון שבסצנה, שנפרש ב־60 °C.
נסו: כשקיפול השרשרת על שרשרת שהתייצבה, גררו את טמפרטורה כלפי מעלה מגוף. כמעט שום דבר לא משתנה עד כ־50 °C. אז הסליל והמשטח מתרופפים, וב־70 °C השרשרת היא חוט רופף ומתפתל, ושרשראות הצד הדוחות מים שלה בחוץ, במים.
פרישת חלבון נקראת דנטורציה. אנזים שנפרש מפסיק לעבוד, ולכן המאמר אנזימים מוצא שיא בפעילות שלהם קצת מעל חום הגוף. בתמונה הזאת של מבחנה, קירור מאפשר לשרשרת להתקפל מחדש: בסביבות 1960 פרש כריסטיאן אנפינסן את האנזים ריבונוקלאז בעזרת כימיקלים, נתן לו להתאושש, ומצא שהוא התקפל בחזרה לאנזים פעיל. הניסוי הזה הראה שהרצף לבדו מחזיק את הצורה.
בישול הוא סיפור אחר. כשמחממים חלבון ביצה, החלבונים שבו נפרשים, ושרשראות הצד הדוחות מים שנחשפו נדבקות לאלה של שרשראות פרושות אחרות. החלבונים מסתבכים לרשת שהופכת את החלבון השקוף למוצק ולבן. זה נקרא צבירה, וקירור לא יכול לבטל אותה.
שינוי אחד, או בית חם יותר
כיוון שהמרווח צר, שינוי קטן יכול להשפיע. בחרו מוטנט תחת חלבון: חומצת אמינו דוחה מים אחת באמצע הליבה הוחלפה בחומצת אמינו טעונה, המסומנת בטבעת אדומה. מטען שקבור הרחק מהמים עולה ביוקר, ולכן הקיפול חלש יותר ונפרש ב־45 °C. בחום הגוף בערך מולקולה אחת מכל עשר פרושה בכל רגע, וחום גבוה משאיר רבע מהן פרושות. מחלות תורשתיות רבות פועלות כך: החלבון נבנה, אבל הוא לא יציב מספיק כדי להישאר מקופל, והתא מפנה אותו.
לחיידקים שחיים במעיינות חמים יש את הבעיה ההפוכה. בחרו אוהב חום: הגרסה הזאת שומרת על אותו קיפול, אבל על פניה יש זוגות של מטענים הפוכים, שנקראים גשרי מלח, שמהדקים חלקים של השרשרת זה לזה. היא נפרשת ב־90 °C. לחלבונים של חיידקים אוהבי חום יש באמת יותר גשרי מלח, ליבות צפופות יותר ולולאות קצרות יותר משיש לשלנו; אחד מהם, אנזים ההעתקה של החיידק Thermus aquaticus שחי במעיינות חמים, משמש ב־PCR, שיטת המעבדה להעתקת DNA, כי הוא שורד חימום כמעט עד רתיחה שוב ושוב.
נסו: בחרו אוהב חום וגררו את טמפרטורה ל־80 °C. החלבון הטבעי היה נפרש הרבה לפני כן; זה עדיין מקופל, והוא נכנע רק ליד רתיחה. השוו את העקומות בתרשים: אותו קיפול שורד שלושים מעלות חום נוספות.
למצוא את הצורה בזמן
שרשרת של מאה חומצות אמינו יכולה לקבל מספר אסטרונומי של צורות. לנסות אותן אחת אחת, אפילו טריליון בכל שנייה, היה לוקח הרבה יותר מגיל היקום, ובכל זאת חלבונים אמיתיים מתקפלים בתוך מיליוניות שנייה עד שניות. החידה הזאת נקראת הפרדוקס של לוינתל. הפתרון הוא שקיפול אינו חיפוש עיוור. כל צעד שמטמין עוד קצת שמן או יוצר עוד קשר מימן הוא צעד במורד, ולכן השרשרת מחליקה במורד משפך של צורות טובות יותר ויותר, אל זו שבתחתיתו.
לא כל שרשרת מצליחה לבדה. בתאים יש חלבוני עזר שנקראים חלבונים סוככים (שפרונים), שנותנים לשרשרת מקום מוגן להתקפל ומפרידים שרשראות שמתחילות להתגבש לגושים. כשהקיפול משתבש בכל זאת, חלבונים שהתקפלו לא נכון יכולים להיערם לסיבים נוקשים שנקראים עמילואיד, שמצטברים במוח במחלת אלצהיימר. חיזוי הצורה של חלבון מתוך הרצף שלו היה אחת הבעיות הגדולות הלא פתורות של הביולוגיה, עד שבסביבות 2020 תוכנות מחשב שאומנו על מבנים ידועים למדו לעשות זאת לרוב החלבונים.
מה המודל הזה משמיט
החלבון מומצא, עם סליל אחד וארבעה גדילים שבנויים מצורות אידיאליות, אף שהקיפול שלו נפוץ בטבע. כל שרשרת צד מצוירת כחרוז אחד על מקל, דוחה מים או אוהבת מים, בעוד ששרשראות צד אמיתיות הן אשכולות של אטומים בעשרים צורות וגדלים שונים, והשלד מצויר כסרט במקום כאטומים. המים מוצגים כפיזור דליל של מולקולות, ובמציאות הם ממלאים כל רווח.
הסצנה מציירת מולקולה אחת, אבל ליד טמפרטורת ההיתוך חלבון אמיתי קופץ בין מקופל לגמרי לפרוש לגמרי, ומבלה יותר או פחות זמן בכל מצב. הסצנה מציגה את התערובת הזאת כשרשרת שקרסה למחצה; התרשים נותן את החלק האמיתי. מסלול הקיפול, מפקעת רופפת דרך כדור שקרס ועד לצורה המקופלת, הוא מסלול טיפוסי אחד; שרשראות אמיתיות יורדות במשפך בדרכים רבות. עקומות ההיתוך באות ממודל סטנדרטי של שני מצבים עם ערכים אופייניים לחלבון קטן, לא ממדידות של חלבון אמיתי. יש חלבונים שנפרשים גם בקור, הרבה מתחת ל־0 °C, והמודל משמיט זאת.