טרנספפטידאז (D-alanyl-D-alanine Peptidase) הוא אנזים חיידקי המעורב בתהליך הסינתזה של דופן התא בחיידקים. הסובסטראט של אנזים זה הוא דופן תא החיידק, הבנויה משרשראות ארוכות של פפטידוגליקן המחוברות זו לזו בקשר פפטידי ליצירת מבנה יציב וקשיח. אנטיביוטיקה מסוג בטא-לקטאם (לדוגמה: פניצילין) מעכבת באופן תחרותי ובלתי הפיך את האנזים, כך שנוצרת דופן פגומה, החיידק אינו עמיד בלחצים אוסמוטיים וכתוצאה מכך התא מתפוצץ והחיידק מת.
מבנה החלבון
גודל האנזים טרנספפטידאז הוא 37.5 קילו דלתון והוא בנוי מ406 חומצות אמינו. בדגם שגובש ומוצג בערך זה יש את 347 חומצות האמינו (בסצנה שלפניכם כל צבע מייצג יותר מחומצה אמינית אחת) המייצגות את החלבון הפעיל (עמדות 32-380) [1]. המקטע שלא גובש כולל שרשרת פפטידית של 31 חומצות אמינו (1-31) בקצה ה-N טרמינלי של החלבון הנחתכת מהחלבון לאחר שהוא מגיע ליעדו בדופן התא, ועוד מקטע של 26 חומצות אמינו (381-406) הנחתך מהחלבון לאחר אקטיבציה[2]. 60% מהחלבון מורכב משרשראות פוליפפטידיות בעלות מבנה שניוני (סלילי אלפא ומשטחי בטא). האתר הפעיל של האנזים נוצר ע"י 4 חומצות אמינו בסיסיות ועוד 4 חומצות אמינו ארומטיות כאשר סרין במיקום 62 היא החומצה האמינית אשר קושרת אליה את הסובסטרט[3].
באתר הפעיל יש 8 חומצות אמינו הנמצאו שמורות אבולוציונית בכל סוגי האנזימים ממשפחת הפפטידאזות. חומצות אמינו אלו ממוקמות בשלושה אזורים שונים באתר הפעיל והן יוצרות את הכיס הקטליטי של האנזים. סרין 62 וליזין 65 אחראיות לתגובה הכימית עם הסובסטראט[4], ושתי הקבוצות: טירוזין159-סרין160-אספרגין161, היסטידין298-תראונין299-גליצין300, הן חלק מאתרי הקישור לסובסטרט.
בנוסף, חלבון זה מכיל 2 חומצות אמינו מסוג ציסטאין, המכילות אטום גופרית בשייר שלהן. בין 2 אטומי גופרית אלו נוצרים קשרי S-S, המכונים גם קשרים דיסולפידים או קשרי גופרית, והם תורמים רבות לייצוב המבנה השלישוני של החלבון[5]. מיקומו של הקשר הדיסולפידי בחלבון מסומן בקו צהוב וניתן לראותו בסצנה המתארת את אתרי הקישור לסובסטרט.
תפקוד החלבון
תמונה מס. 1: מבנה הפפטידוגליקן
האנזים טרנספפטידאז מעורב בבניית הדופן בתאי חיידקים, בזמן חלוקת התא. דופן התא היא מבנה קשיח המצוי מסביב לקרום תא החיידק, ובנוי ממולקולות פפטידוגליקן; פולימרים של רב-סוכר המחוברים בינהם בפפטידים קצרים. הפפטידים בין שכבות הפולימרים הרב-סוכריים נקשרים זה לזה בקשרים צולבים ומקנים לדופן מבנה תלת מימדי, יציב וקשיח. האנזים טרנספפטידאז אחראי על יצירת הקשרים הצולבים בין הפפטידים של שכבות הפפטידוגליקן [6]. תגובה זו מתרחשת באתר הפעיל של האנזים, שבו חומצה אמינית סרין נקשרת לחומצה אמינית אלאנין הנמצאת בקצה הפפטיד בסובסטראט. האנזים מזרז את יצירת הקשר הפפטידי (סוג של קשר קוולנטי הנוצר בין חומצות אמינו) עם חומצת אמינו ליזין (בחיידקים גראם-חיוביים) או עם חומצת אמינו מסוג DAP (קיצור של: Diaminopimelic acid,זוהי חומצה אמינית לא שגרתית והיא נגזרת של החומצה האמינית ליזין בחיידקים גראם-חיוביים) הנמצאות בעמדה השלישית מהסוף בפפטיד המחובר לפולימר הסמוך (תמונה מס. 1). באופן זה נוצרים קשרים צולבים בין שכבות סמוכות בפפטידוגליקן, המקנים לדופן מבנה קשיח ויציב העמיד בפני לחץ אוסמוטי [7].
השפעת אנטיביוטיקה מסוג פניצילין על האנזים טרנספפטידאז
תמונה מס. 2: היעדר מושבות של חיידקים בסביבת הפניציליוםתמונה מס. 3: מבנה טבעת הבטא-לקטאם
פניצילין הוא שם כולל לקבוצת חומרים אנטיביוטיים המעכבים את תהליך יצירת דופן התא על ידי עיכוב האנזים טרנספפטידאז. הפניצילין התגלה על ידי אלכסנדר פלמינג בשנת 1928 (תמונה מס. 2), ובהמשך פותחה הטכנולוגיה המאפשרת להפיק את החומר מפטריית העובש פניציליום. כיום ניתן לייצר גם פניצילינים סינתטיים-למחצה, כאשר המשותף לכל סוגי הפניצילינים הוא קיומה של מבנה טבעת הבטא-לקטם במולקולה; מבנה טבעתי המכיל 3 אטומי פחמן ואטום חנקן אחד (תמונה מס. 3)[8][9].
טבעת הבטא-לקטם דומה במבנה המרחבי ובהרכבה הכימי לצמד חומצות האמינו אלאנין המצויות בקצה הפפטיד בדופן הפפטידוגליקן. דמיון זה מאפשר לטבעת הבטא-לקטם להיקשר לחומצה האמינית סרין הממוקמת באתר הפעיל של האנזים טרנספפטידאז. עם זאת, בניגוד לתגובה המתרחשת בין הפפטיד לטרנספפטידאז המאפשרת את יצירת הקשר הצולב והתנתקות של האנזים לאחר מכן, טבעת הבטא-לקטם נפתחת ויוצרת קשר קוולנטי עם הח"א סרין שבאתר הפעיל, ובכך מעכבת את פעילות האנזים באופן בלתי הפיך. מכיוון שטבעת הבטא-לקטם במולקולת הפניצילין נקשרת לאתר הפעיל באנזים, היא נחשבת למעכב תחרותי המתחרה עם הפפטידוגליקן (הסובסטראט) על הקישור לאתר הפעיל [7].
האנזים טרנספפטידאז פוגע בעיקר בחיידקים הנמצאים בשלב חלוקת התא, במהלכו דופן החיידקים שהתחלקו נבנית מחדש. מסיבה זו, אנטיביוטיקה מסוג פניצילין משפיעה בעיקר על חיידקים מתחלקים, שכן בחיידקים שאינם מתחלקים הדופן כבר בנויה והאנזים טרנספפטידאז כמעט ואינו פעיל. בחשיפה לאנטיביוטיקה מסוג פניצילין לא נוצרים קשרים צולבים בדופן הפפטידוגליקן כתוצאה מעיכוב תחרותי ובלתי הפיך של האנזים טרנספפטידאז, ומבנה הדופן נפגם (תמונה מס. 4). היעדר הדופן הקשיחה גורר מצב שבו בסביבה היפוטונית - בה ריכוז המומסים מחוץ לתא קטן מריכוזם בתא (תמיסה מהולה) - מים יחדרו לתוך תא החיידק ויווצר לחץ על קרום התא עד להתפוצצותו. באופן זה גורמת החשיפה לפניצילין למוות של החיידקים הנמצאים בשלבי חלוקה בזמן החשיפה[6].
