פרדוקס לוינתל

ניתן לדמות את המצב המתואר בפרדוקס לוינתל כמגרש גולף מישורי לחלוטין: האדמה המישורית מייצגת כמות אדירה של מצבי קיפול שגויים ואילו החור מייצג מצב קיפול נכון אחד. בצורה זו אין כמעט סיכוי לחלבון (הכדור) למצוא בקלות את הקיפול הנכון ו"ליפול אליו".

המבנה התלת-ממדי של החלבון מיוגלובין

פרדוקס לוינתל הוא מונח בתחום של דינמיקת קיפול חלבונים (יצירת המבנה התלת ממדי שלהם), המייצג דילמה אשר שררה בתחום עד לשנות ה-80 והיא "כיצד חלבונים מתקפלים כה מהר?". המונח נטבע על ידי הביולוג סיירוס לוינתל ב-1969.

הקדמה

בתא, חלבונים מסונתזים על ידי הריבוזום כשרשראות של חומצות אמינו. לרוב, שרשראות אלו מתקפלות לצורה אחת ספציפית וקומפקטית בה החלבון מתפקד מבחינה ביולוגית. ב-1961 הציע הביוכימאי כריסטיאן אנפינסן שהצורה אליה מתקפל החלבון נקבעת אך ורק על ידי המבנה הראשוני שלו.

הפרדוקס

במאמר שפרסם לוינתל ב-1969 הוצג הפרדוקס:

ניקח חלבון היפותטי קטן, המורכב מכ-300 חומצות אמינו. לכל חומצת אמינו ישנן 3 דרגות חופש (תצורות בהן היא יכולה להסתדר במרחב) (הערה: במציאות בדרך כלל יש יותר דרגות חופש). חישוב קומבינטורי פשוט מראה שישנן כ-3³⁰⁰ (כ-‎10¹⁴³‎) תצורות שונות אפשריות לחלבון. בהנחה שהמעבר מתצורת חלבון אחת (מכונה גם "מיקרו-מצב אנרגטי") לתצורת חלבון אחרת, לוקח כ-‎10×10^-13‎ שניות (במציאות הדבר גוזל יותר זמן), לחלבון המנסה להתקפל על ידי חיפוש התצורה הנכונה באופן אקראי של ניסוי וטעיה, יקח עד יותר מ-‎10×10¹⁰⁰‎ שנים להגיע למצב הרצוי - זמן העולה על גיל היקום. הדבר איננו מתיישב עם תוצאות אמפיריות אשר הראו שזמן הקיפול של חלבונים הוא בין עשרות מילישניות ודקות בודדות.

מאמרים לא מעטים בתחום תקפו את הפרדוקס בטענה שקיפול אקראי הוא לא אפשרי אך למעשה לא היה בכך צורך - גם לוינתל מעולם לא האמין שחלבונים מוצאים את צורת קיפולם באופן אקראי. למעשה, אף חוקר בתחום לא חשב כך - לוינתל פשוט הגדיר את הבעיה העומדת בפני המחקר באופן מיטבי.

פתרון הפרדוקס

משנפתר פרדוקס לוינתל החלו החוקרים בתחום להתייחס לקיפול חלבונים כאל משפך: החלק העליון המייצג את הצורות הלא-מקופלות של החלבון אשר "נופלות" מבחינה אנרגטית אל האזור הנמוך במשפך המייצג את המצב המקופל.

בסוף שנות ה-80 נפתר הפרדוקס על ידי תאוריית מודל המשפך. התאוריה גורסת שישנן תצורות קיפול חלבון מועדפות יותר מבחינה אנרגטית (כלומר, הן במצב של מינימום אנרגיה פוטנציאלית) מתצורות קיפול אחרות, ומספרן של התצורות המועדפות קטן בהרבה ממספרם של התצורות הפחות מועדפות. לפי המודל, סידור כלל התצורות במרחב, כאשר המועדפות יותר נמצאות למטה, יתן צורה של משפך. משפך זה הוא משפך האנרגיה של קיפול החלבון, בו החלבון מתחיל במצבו הלא מקופל למעלה ו"נופל" מבחינה אנרגטית אל מצבו המקופל באופן דטרמיניסטי. ה"שביל" בו עובר החלבון בדרכו למינימום האנרגטי, הוא סדרת מצבי ביניים שכל אחד מהם מועדף אנרגטית על הקודם לו וכך נדחף החלבון הלאה בתהליך הקיפול עד הגעתו למצבו הסופי.

"משפך אנרגטי" כזה תלוי בתנאי הסביבה (טמפרטורה, ריכוזי מלחים, סביבה מימית או הידרופובית וכו'). בתנאים שונים יכול החלבון להגיע לקיפול שונה או לא להתקפל כלל למצב יציב יחיד.

לקריאה נוספת

• Levinthal, C. Are there pathways for protein folding? Journal de Chimie Physique et de Physico-Chimie Biologique 1968, 65, 44.

קישורים חיצוניים

• ”הישג שישנה את חוקי המשחק”: ה-AI של גוגל הגיע ל”גביע הקדוש” של הביולוגיה באתר geek time

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

30238003פרדוקס לוינתל