تنقسم البروتينات المرتبطة بالبنية الثالثية القياسية إلى ثلاثة أقسام غير رسمية، وهي بروتينات كروية وبروتينات صلبة وبروتينات غشائية، وسنقوم الآن بالتعرف على كل منها.
البروتينات
- تعرف البروتينات بشكل عام بأنها جزيئات حيوية ضخمة، تتكون من سلسلة أو سلاسل متعددة من الأحماض الأمينية، وتقوم البروتينات بأداء العديد من الوظائف المتنوعة داخل أجسام الكائنات.
- من الوظائف التي يمكن أن تقوم بها البروتينات هي: تستجيب الخلايا للمحفزات وتوفر البنية الأساسية لها، كما تحفز التفاعلات الحيوية التي تحدث في الجسم وتنقل الجزيئات من مكان إلى آخر.
- تتفاوت البروتينات بشكل كبير حسب ترتيب الأحماض الأمينية الخاصة بها، والتي تحدد تسلسل الجينات المشفرة لها على أساسه.
- يساعد على ترتيب الأحماض الأمينية، وهذا هو الذي يحدد تطوير البروتينات إلى هياكل ثلاثية الأبعاد خاصة، وتقوم هذه الهياكل بعد ذلك بتحديد النشاط الفريد لكل بروتين.
تكوين البروتينات
- البروتين هو مركب عضوي يحتوي على وزن جزيئي عال، يتكون من مجموعة من الأحماض الأمينية المرتبطة معا عن طريق رابطة ببتيدية.
- حيث تتكون سلسلة متتابعة من تلك الأحماض الأمينية، وتسمى عديد الببتيد، حيث يحتوي البروتين على ما لا يقل عن جزء واحد طويل من عديد الببتيد، وهناك نوع آخر يسمى عديد الببتيد القصير.
- والذي هو يحتوي على أقل من 20: نادرا ما تعتبر البروتينات، المعروفة أيضا باسم الببتيدات أو قليلا الببتيد، تحتوي على 30 حمضا أمينيا، وهي التي تحدد شفرة الجين بواسطة 20 حمضا أمينيا لإنتاج البروتين.
الشفرة الجينية
- في كثير من الأحيان، يحتوي الجينوم لبعض الكائنات على مادة السيلينوسيستين، وفي بعض الحالات تحتوي على البيروليسين، وقد يحدث ذلك أثناء عملية تخليق البروتين الحيوي أو بعده بوقت قصير.
- بعد عملية التخليق، يتم تغيير الأحماض الأمينية المكونة له بشكل كيميائي. يحدث ذلك من خلال التعديلات التي تحدث بعد ترجمة الشفرة، والتي تؤدي إلى تغيير الخصائص الكيميائية والفيزيائية.
- توجد مجموعات غير ببتيدية تترافق مع بعض البروتينات بشكل متكرر، وتعرف هذه المجموعات بالمجموعات المرافقة أو العوامل المرافقة، حيث يمكن لمجموعة من جزيئات البروتين أن تتفاعل معها.
- تكون هذه العمليات مساعدة في تحقيق وظيفة معينة، وعادة ما تترابط مع بعضها البعض لتكوين مركبات بروتينية مستقرة. لا يمكن للبروتينات البقاء بعد تكوينها إلا لفترة محدودة، ومن ثم يتم إعادة تدويرها مرة أخرى.
- حيث يتم إعادة تدوير تلك البروتينات مرة أخرى عن طريق آلية الخلية من خلال عملية تسمى دورة البروتين، حيث يتم قياس عمر البروتينات استنادا إلى عمرها النصفي، ويشمل ذلك مجالا واسعا.
- يتراوح متوسط عمر البروتينات في خلايا الثدييات من يوم إلى يومين، حيث تتحلل البروتينات المشوهة بشكل خاطئ بسرعة أكبر بسبب استهدافها لتدمير هذه الخلايا أو لعدم استقرارها.
الشفرة الجينية وعلاقتها بالبروتينات
- هناك العديد من البروتينات التي تعتبر جزيئات هامة، مثل الجزيئات الكبيرة الأخرى مثل الكربوهيدرات والأحماض النووية في الكائنات، حيث تسهم في معظم العمليات التي تحدث داخل الخلايا.
- كذلك، العديد من البروتينات هي إنزيمات تحفز الخلايا الكيميائية الحيوية وتلعب دورا أساسيا في الأيض، وتحتوي البروتينات على وظائف بنائية وحركية مثل الميوسين والأكتين.
- وتوجد الاكتين والميوسين في البروتينات والعضلات الموجودة في الهيكل الخلوي، والتي تقوم بتكوين نظام يحافظ على شكل الخلية، وبعض البروتينات الهامة الأخرى.
- تساعد بعض البروتينات الهامة الأخرى في نقل واستقبال إشارات الخلايا، والتصاق الخلايا، ودورة الخلية، والاستجابات المناعية، ويكون وجود البروتينات ضروريا في غذاء الإنسان والحيوانات.
- عندما تتواجد في الغذاء، توفر الأحماض الأمينية الأساسية التي لا يمكن تصنيعها، حيث يمكن لعملية الأيض أن تقوم بتفكيك البروتينات لاستخدامها في عمليات الأيض.
- يتم تنقية البروتينات من المكونات الخلوية الأخرى باستخدام تقنيات متعددة مثل الطرد المركزي التبايني أو الترسيب أو الاستشراب المعروف أيضا بالرجلان الكهربائي.
- يمكن للتعديل الوراثي أن يساعد في تسهيل عملية تنقية البروتينات عن طريق استخدام تقنيات محددة، ومن بين الطرق المعتادة في دراسة البروتينات، يتم ذلك بواسطة تنفيذ العديد من العمليات.
طرق الهندسة الوراثية في تنقية البروتينات
- يمكن استخدام أكثر من طريقة لتنقية البروتينات، بما في ذلك الكيمياء النسيجية المناعية، أو تقنية الكريستال السيني، أو التصوير بالرنين المغناطيسي النووي، والتغيرات الجينية الموقعية، وتحليل الكتلة.
- معظم البروتينات تتكون من سلاسل خطية مكونة من مجموعة تصل إلى 20 حمض أميني مختلف، وجميع الأحماض الأمينية المشكلة للبروتين تمتلك سمات بنائية مشتركة.
- واحدة من الميزات المشتركة التي تتميز بها هي الكربون، والذي يرتبط به مجموعة أمينية ومجموعة سلاسل جانبية ومجموعة كربوكسيلية متغيرة، ولا يختلف كثيرا عن هذه البنية الأساسية إلا بعنصر البرولين.
- يحتوي البرولين على حلقة غير اعتيادية في نهاية الأمين الخاصة به، وهذه الحلقة تجبر جزء الأميد على اتخاذ بنية ثابتة، حيث تمتلك السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية القياسية، وهي مفصلة في القائمة.
- وتلك الأحماض تكون مفصلة في قائمة الأحماض الأمينية القياسية، تتمتع بتنوع كبير جدا في الخصائص والبنية الكيميائية، حيث يمكن تحديد البنية الثالثية والتفاعل الكيميائي في النهاية.
- نظرا لأن تحديد الهيكل الثلاثي والتفاعل الكيميائي يتم عن طريق تركيبة تؤثر في السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية في البروتين، وترتبط بسلاسل ببتيدية لعديد من الببتيدات.
- تسمى الحمض الأميني الفردي وحدة بناء عندما يتم ترابطه في سلسلة البروتين، وتعرف باعتبارها سلاسلا مكونة من ذرات الكربون والأكسجين والنيتروجين المرتبطة بالعمود الفقري للبروتين.
- الرنين يتكون من نوعين مختلفين من الروابط الببتيدية، وتقوم هاتان الروابط بالمساهمة في بعض الخصائص المميزة للرابطة المضاعفة، حيث تحولان دورانها حول محورها وتشكلان الذرات المتصلة بالكربون ألفا.
- يتكون على نفس المستوى تقريبا، كما يعمل على تحديد الزوجيتين الأخريين في الرابطة الببتيدية، وهي الموجودة في العمود الفقري للبروتين.
- يتم تعريف النهاية التي تحتوي على المجموعة الأمينية الحرة بالنهاية الأمينية المعروفة أيضا بالنهاية N، حيث يسمى الجزء الأخير من البروتين الذي يحتوي على مجموعة كربوكسيلية حرة بالنهاية الكربوكسيلية المعروفة أيضا بالنهاية C.
طرق عمل الوفرة داخل الخلايا
- يمكن تقدير أن البكتيريا المتوسطة الحجم قد تحتوي على حوالي مليوني بروتين في الخلية الواحدة، مثل الإشريكية القولونية أو المكورة العنقودية الذهبية، وتكون في البكتيريا الصغيرة، مثل الملتوية أو المفتورة.
- إنها تحتوي على عدد أقل من البروتين، يتراوح بين 50 ألفا إلى مليون، في مقارنة مع الخلايا ذات النوى الحقيقية التي تكون أكبر حجما وتحتوي على مزيد من البروتينات.
- تتضمن هذه البروتينات خلايا الخميرة، والتي تحتوي على حوالي 50 مليون بروتين، بينما يحتوي جسم الإنسان على مليار إلى ثلاثة مليارات بروتين.
- تتراوح تركيز البروتينات الفردية في العديد من الجزيئات لكل خلية بحوالي 20 مليون بروتين، ولا يتم تعبير تلك الجينات المشفرة للبروتين في معظم الخلايا.
- بناء على نوع المحفز الخارجي ونوع الخلية، يتغير عدد البروتين. على سبيل المثال، يكون هناك حوالي ستة آلاف بروتين مشفر في الأوردة الليمفاوية من بين 20 ألف بروتين مشفر بواسطة الجينات البشرية.
- يتناسب عدد البروتينات التي يتم تشفيرها عن طريق الجينوم مع واقع النوى البكتيرية والفيروسات، حيث تحتوي البكتيريا على 15145 بروتينا، والفيروسات التي تحتوي على 3200 بروتينا، و2358 بروتينا، و42 بروتينا على التوالي، يتم تشفيرها في جينوماتها.
كيف تتم عملية التخليق الحيوي
1- الخطوة الأولى
- تتشكل البروتينات من الأحماض الأمينية باستخدام المعلومات المشفرة الموجودة في الجينات، وهناك تسلسل فريد لكل بروتين من تلك الأحماض الأمينية.
- يمكن تحديد ذلك من خلال تسلسل النوكليوتيدات المشفرة للجين البروتيني نفسه، حيث يتكون الشفرة الجينية من ثلاث مجموعات نوكليوتيدات تعرف بالكودونات، وبالتالي يتم تركيب النوكليوتيدات.
- يتم تكوين كودون الحمض النووي الريبوزي (RNA) من ثلاثة نوكليوتيدات، ويتم تمثيلها بأحماض أمينية، فمثلا: AUG (أدينين، يوراسيل، جوانين)، ويمثل حمض الميثيونين، وبسبب وجود أربع نوكليوتيدات في الحمض النووي الريبوزي، فإن هناك 64 كودونا محتملا.
- حيث يكون هذا العدد أعلى بكثير من عدد الأحماض الأمينية، يتم إعطاء بعض الأحماض الأمينية رمزا متعدد الأكواد، ويتم استنساخ الجينات المشفرة في الحمض النووي
إلى رنا، باستخدام البروتينات مثل البوليميراز الرنا.
2- الخطوة الثانية
- يتم تعديل الرنا بعد الترجمة بطرق مختلفة، ليتم تكوين رسول الرنا الناضج، والذي يستخدم كقالب لتركيب البروتين عن طريق الريبوسوم، ويحدث ذلك في الكائنات النووية الأولية.
- في بعض الأحيان يتم استخدام الرنا الرسول مباشرة بعد إنتاجه، وفي بعض الأحيان يتم استخدامه بعد ربطه بالريبوسوم والابتعاد عن الغشاء النووي.
- بالمقابل، يتم إنتاج حقائق النواة لرنا الرسول في نواة الخلية بشكل حقيقي، ثم يتم نقلها عبر الغشاء النووي إلى السيتوبلازم، حيث يتم فيها عملية تصنيع البروتين.
- تكون معدل تخليق البروتين مرتفعا في البدائيات النووية بنسبة أكبر من ذلك في النوى الحقيقية، وبإمكانها أيضا أن تصل إلى عدد كبير يبلغ عشرون حمض أميني في الثانية الواحدة.
معلومات عن عملية تخليق البروتين بواسطة الرنا المرسول
- يمكن معرفة عملية تصنيع البروتين من خلال الرنا المرسل وعملية الترجمة، حيث يتم ربط الرنا المرسل بالريبوسوم، ثم يتم قراءة ثلاثة نوكليوتيدات منه في كل مرة.
- ثم يتم مطابقة كل كودون مع كودونه المقابل، والذي يوجد في جزء الرنا الرسول المنقول، والذي يحمل معه الأحماض الأمينية الموافقة للكودون المعترف به.
- ثم يقوم الإنزيم المسؤول عن إنتاج أمينواسيل الرنا الناقل بتحميل الرنا الناقل بالأحماض الأمينية الصحيحة وسلسلة الببتيد الناشئة، والتي غالبا ما تعرف بالسلسلة الناشئة أو الوليدة.
- يتم قياس طول البروتين المخلق بواسطة كمية الأحماض الأمينية وعددها، والتي تشكل الكتلة المولية الكلية، ويمكن قياسها بواسطة الدالتون، وتعتبر الكتلة المولية وحدة لقياس الكتل الذرية.
- يتم قياس إحدى تعقيدات البروتين المعروفة باسم كيلودلتون كمؤشر، حيث يزداد طول البروتين المتوسط من الأشكال المعقدة إلى الأشكال الحقيقية للنوى وصولا إلى البكتيريا، وتأتي هذه التعقيدات على التوالي بسبب تعدد النطاقات البروتينية.
- التي يتكون منها البروتينات في الكائنات العقدية، ومثال على ذلك: متوسط طول البروتين في الخميرة هو 466 حمض أميني، ويبلغ وزنه الجزيئي 53
وطول 27 ألف حمض أميني.
كيفية القيام بعملية التخليق الكيميائي
- تتم عملية تخليق البروتينات الكيميائية القصيرة عن طريق مجموعة من الأساليب، وتعتمد على تقنيات التخليق العضوي مثل الربط الكيميائي، والتي يتم إنتاجها بكميات كبيرة.
- حيث يسمح بالتخليق الكيميائي عن طريق إدراج الأحماض الأمينية غير الطبيعية في سلاسل الببتيد المتعددة، مثل ربط المسايير الفلورية بواسطة سلاسل الأحماض الأمينية الجانبية.
- يتم استخدام هذه الأساليب في الكيمياء الحيوية المخبرية، وعمليات التخليق الكيميائي، وعلم الأحياء الخلوية، ولا تستخدم للأغراض التجارية، وتكون عمليات التخليق الكيميائي غير ناجحة في حالات عديدة من الببتيدات.
- يعود عدم نجاح التخليق الكيميائي للببتيدات، التي تتجاوز 300 حمض أميني، والبروتينات التي يتم تخليقها، إلى صعوبة تشكيل هياكلها الثلاثية الأبعاد الطبيعية.
- عادة ما تبدأ معظم طرق التخليق الكيميائي من النهاية C وتتجه نحو النهاية N، وهذا يكون عكس اتجاه التفاعل الحيوي الطبيعي.
البنيات ثلاثية الأبعاد
1- التعريف الأول
- تنقسم معظم البروتينات إلى هياكل ثلاثية الأبعاد فريدة، حيث يتم تحديد الشكل الذي يتبناه البروتين بشكل طبيعي
بالحالة المتوطنة. - ومن الممكن أن تحدث عملية الانقسام للعديد من البروتينات بدون أدنى مساعدة، ويحدث ذلك بفضل الخصائص الكيميائية للأحماض الأمينية، ولكنها تحتاج إلى بروتينات أخرى تساعدها.
- تحتوي على شابرونات مساعدة جزئية للانطواء واستعادة حالتها الطبيعية، وتتكون من أربع بنيات بروتينية، وهي: البنية الأولية، وتتمثل في تسلسل الأحماض الأمينية المرتبطة برابط ببتيد في سلسلة الببتيد.
- تتكون الهياكل الثانوية من مجموعة متكررة من الهياكل الصغيرة المحلية، التي تتكون وتثبت بانتظام بفضل الرابطات الهيدروجينية، وتشمل الهياكل الألفا والبيتا واللفات.
- بينما تكون الهياكل الثانوية موجودة محليا ويمكن أن توجد في مناطق مختلفة ذات هياكل ثانوية متباينة، والتي عادة ما تختلف في نفس الجزيء البروتيني.
2- التعريف الثاني
- البنية الثالثية هي الشكل العام الذي يتبناه جزيء البروتين، وتعتمد على العلاقة الفراغية بين البنيات الثانوية المكونة للبروتين. وعادة، تستقر البنيات الثالثية بتأثيرات غير محلية.
- تكون من أشهر تلك التأثيرات الغير محلية: تؤثر كرة الماء والجسر الملحي، وكذلك التعديلات التي تطرأ بعد الترجمة، على البنية الثالثية للبروتين، والتي تلعب عادة دورا أساسيا في وظيفته.
- البروتينات ليست هياكل صلبة، حيث يمكن للبروتينات أن تتحول بين عدة هياكل ذات صلة وثيقة، ويمكن أن يحدث ذلك أثناء قيامها بوظائفها، وتسمى هذه التغيرات.
- وتعتبر هذه التغييرات في التركيب نتيجة لأداء الوظائف سواء كانت ثلاثية أو رباعية، وتسمى هذه التغييرات تشكيلات، ويطلق على التحول بينها اسم التغييرات التشكيلية، وتحدث هذه التغييرات بسبب ارتباط جزيء الأساس بالموقع النشط للإنزيم.
- أو بسبب وجود بروتين في المنطقة المساهم في التحفيز الكيميائي، وفي المحاليل التي تتعرض فيها البروتينات لعمليات التغيير الهيكلي، وكذلك نتيجة التذبذبات الحرارية وتداخلها مع الجزيئات الأخرى.
3- التعريف الثالث
- يمكن تقسيم البروتينات إلى عدة أقسام تتعلق بالهياكل الثلاثية القياسية، بشكل غير رسمي، حيث تنقسم إلى ثلاثة أنواع هي البروتينات الكروية، والبروتينات الصلبة، والبروتينات الغشائية.
- غالبية البروتينات الكروية قابلة للذوبان في المحاليل، ويكون الكثير منها إنزيمات، أما البروتينات الصلبة فهي ذات طبيعة هيكلية مثل الكولاجين وبروتين الأنسجة الضامة.
- بما أن البروتين هو إحدى العوامل الأساسية والمكونة للنسيج الضام والكيراتين، فإن البروتين هو المسؤول عن تكوين الأظافر والشعر، حيث تعمل البروتينات الغشائية كمستقبلات.
- تعمل هذه المستقبلات على توفير القنوات المسئولة عن الجزيئات القطبية أو المشحونة من خلال الغشاء الخلوي، وتوجد حالة خاصة من الروابط الهيدروجينية داخل كل جزيء في البروتينات.
- وبالتالي يمكننا أن نقول إن معظم الكائنات الدقيقة والنباتات، وأيضا الإنسان، يمكنها إنتاج العديد من الأحماض الأمينية الأساسية التي يجب أن تكون متوفرة في الغذاء.
في نهاية رحلتنا في عالم البروتينات وتصنيفاتها، يعد البروتين مسؤولا عن نعومة الجلد وتعزيز نمو الشعر وتكوين الجلد، كما يساهم في تقليل المشاكل الجلدية والحفاظ على صحة الجسم بشكل عام.
