نظرة على الكيمياء
يمكن وضع البروتينات أولاً في "العالم البيولوجي" لأنه ، نظراً لوظائفها العديدة ، لن تكون هناك حياة بدونها.
يعطي التحليل العنصري للبروتين قيم المتوسط التالية: 55٪ كربون ، 7٪ هيدروجين و 16٪ نيتروجين. من الواضح أن البروتينات تختلف عن بعضها البعض ، ولكن متوسط مكوناتها يختلف عن القيم المذكورة أعلاه.
إن البروتينات هي عبارة عن جزيئات ضخمة مكونة من الأحماض الأمينية ألفا الطبيعية. يتم الجمع بين الأحماض الأمينية من خلال رابطة الأميد التي يتم تأسيسها عن طريق التفاعل بين مجموعة أمين من الأحماض الأمينية والكربوكسيل من حمض أميني آخر. يسمى هذا الرابط (-CO-NH-) أيضًا ببتيد الرابطة لأنه يربط الببتيدات (الأحماض الأمينية في توليفة):
هو الذي يحصل عليه هو ثنائي الببتيد لأنه يتكون من اثنين من الأحماض الأمينية. بما أن ثنائي الببتيد يحتوي على مجموعة أمينية حرة في أحد طرفيه (NH2) ومجموعة كربوكسيل في المجموعة الأخرى (COOH) ، فإنه يمكن أن يتفاعل مع واحد أو أكثر من الأحماض الأمينية ويطيل السلسلة من كل من اليمين واليسار ، مع نفس التفاعل المرئي أعلاه.
يمكن أن يستمر تسلسل التفاعلات (الذي ، في الواقع ، ليس بهذه البساطة) إلى أجل غير مسمى: وصولاً إلى وجود بوليمر يدعى polypeptide أو بروتين . ويرتبط الفرق بين الببتيدات والبروتينات بالوزن الجزيئي: عادة للأوزان الجزيئية فوق 10.000 فإننا نتحدث عن البروتينات.
تعد عملية الربط بين الأحماض الأمينية مع بعضها للحصول على البروتينات الصغيرة الحجم مهمة صعبة ، على الرغم من أنه تم تطوير طريقة تلقائية لإنتاج بروتينات من الأحماض الأمينية التي تعطي نتائج ممتازة.
وبالتالي ، فإن أبسط البروتين يتكون من 2 من الأحماض الأمينية: بموجب الاتفاقية الدولية ، يبدأ ترقيم الأحماض الأمينية في بنية بروتينية من الحمض الأميني مع مجموعة الأمينو الحرة.
هيكل البروتين
يتم تشكيل جزيئات البروتين بحيث تكون قادرة على إلقاء نظرة على أربع منظمات متميزة: فهي متميزة بشكل عام ، وهيكل أساسي ، وهيكل ثانوي ثانوي وثالث رابع.
البنية الأساسية والثانوية ضرورية للبروتينات ، في حين أن التعليم الثانوي والرباعي هما "ملحق" (بمعنى أنه لا يمكن تجهيز جميع البروتينات).
يتحدد الهيكل الأساسي بعدد ونوع وتسلسل الأحماض الأمينية في سلسلة البروتين ؛ لذا من الضروري تحديد التسلسل المرتقب للأحماض الأمينية المكونة للبروتين (مع العلم أن هذا يعني معرفة التسلسل الدقيق لقواعد الدنا التي ترمز إلى هذا البروتين) والتي لا تواجه صعوبات كيميائية لا تذكر.
كان من الممكن تحديد التسلسل المرتب للأحماض الأمينية بإهانة إدمان: يتفاعل البروتين مع isotocyanate فينيل (FITC) ؛ في البداية ، يهاجم ضعف النتروجين الأمونيو ألفا isothiocyanate فينيل تشكيل مشتق ثيوكرباميل. في وقت لاحق ، يتم الحصول على cyclized المنتج الذي يعطي مشتق phenylthioidantoin وهو الفلورسنت.
ابتكر إدمان آلة تسمى جهاز التسلسل الذي ينظم تلقائياً المعلمات (الوقت ، الكواشف ، الرقم الهيدروجيني ، إلخ) للتدهور ويوفر البنية الأساسية للبروتينات (لهذا حصل على جائزة نوبل).
البنية الأساسية ليست كافية لتفسير خصائص جزيئات البروتين بشكل كامل. ويعتقد أن هذه الخصائص تعتمد ، بشكل أساسي ، على التكوين المكاني الذي تميل إليه جزيئات البروتينات ، وهي الانحناء بطرق مختلفة: أي بافتراض ما تم تعريفه على أنه البنية الثانوية للبروتينات. البنية الثانوية للبروتينات قابلة للارتجاف ، أي أنها تميل للتخلص من التسخين. ثم يتم تغيير طبيعة البروتينات بفقد العديد من خصائصها المميزة. بالإضافة إلى التسخين فوق 70 درجة مئوية ، يمكن أيضًا أن يحدث التشويه بسبب التشعيع أو عن طريق عمل الكواشف (من الأحماض القوية ، على سبيل المثال).
لوحظ تشويه البروتينات عن طريق التأثير الحراري ، على سبيل المثال ، عن طريق تسخين بياض البيض من البويضة: حيث يُفقد مظهره الهلامي ويتحول إلى مادة بيضاء غير قابلة للذوبان. ومع ذلك ، فإن تمسخ البروتينات يؤدي إلى تدمير هيكلها الثانوي ، ولكنه يترك البنية الأولية دون تغيير (سلسلة من الأحماض الأمينية المختلفة).
وتتحمل البروتينات البنية الثلاثية عندما تكون سلسلتها ، رغم أنها لا تزال مرنة على الرغم من انحناء الهيكل الثانوي ، تطوى بطريقة تؤدي إلى تكوين ترتيب ثلاثي الأبعاد مجدول في شكل جسم صلب. المسئولية عن البنية الثلاثية هي ، قبل كل شيء ، روابط الكبريتيد التي يمكن أن تنشأ بين السيستين -SH المنتشرة على طول الجزيء.
من ناحية أخرى ، تتنافس البنية الرباعية فقط مع البروتينات التي تتكون من وحدتين أو أكثر. الهيموغلوبين ، على سبيل المثال ، يتألف من زوجين من البروتينات (أي في جميع سلاسل البروتين الأربعة) الموجودة في الجزء العلوي من رباعي الأسطح من أجل خلق بنية الشكل الكروي. تقام سلاسل البروتين الأربعة معًا بواسطة قوى الأيونية وليس بواسطة الروابط التساهمية.
مثال آخر للهيكل الرباعي هو الأنسولين ، الذي يبدو أنه يتكون من ست وحدات فرعية من البروتين مرتبة في أزواج في أعلى مثلث في مركز يقع فيه ذرتان من الزنك.
بروتينات الألياف: هي بروتينات ذات صلابة معينة ولها محور أطول بكثير من الأخرى. البروتين الليفي الموجود بكمية أكبر في الطبيعة هو الكولاجين (أو الكولاجين).
يمكن للبروتين الليفي أن يأخذ على عدة بنى ثانوية: α-helix ، β-leaflet ، وفي حالة الكولاجين ، الحلزون الثلاثي. يعد α-helix هو الهيكل الأكثر استقرارًا ، يليه β-sheet ، بينما الأقل استقرارًا من الثلاثة هو اللولب الثلاثي.
α حلزون
يقال إن المروحة تكون في حالة اليد اليمنى ، في حالة ما بعد الهيكل العظمي الرئيسي (الموجه من الأسفل إلى الأعلى) ، يتم إجراء حركة مشابهة لشد المسمار الأيمن. في حين أن المروحة أعسر إذا كانت الحركة مشابهة لشد المسمار الأيسر. في α-helices ، فإن بدائل -R للأحماض الأمينية تكون متعامدة مع المحور الرئيسي للبروتين ويتم تحويلها للخارج ، بينما في اللوالب اليسرى يتم تحويل بدائل -R إلى الداخل. تكون العيّنات ذات اليد اليمنى أكثر استقرارًا من تلك الموجودة في اليد اليسرى ، نظرًا لتناقص التفاعل وتراكم كمية أقل بين الخلايا -R. جميع الحلزون ألفا الموجود في البروتينات يمين.
يتم تثبيت بنية اللولب ألفا بواسطة الروابط الهيدروجينية (جسور الهيدروجين) التي تتشكل بين مجموعة الكربوكسيل (-C = O) لكل حمض أميني ومجموعة الأمينو (-NH) التي يتم العثور عليها أربعة بقايا لاحقًا في تسلسل خطي.
مثال على بروتين له بنية حلزون ألفا هو كيراتين الشعر.
β ورقة
في هيكل الصفائح it من الممكن تكوين روابط هيدروجينية بين الأحماض الأمينية التي تنتمي إلى سلاسل متعددة البيبتيد ولكن متوازية مع بعضها البعض أو بين أحماض أمينية من نفس البروتين أيضا بعيدة بعضيا عن بعضها البعض ولكنها تتدفق في اتجاهات مضادة للطرق. ومع ذلك ، فإن الروابط الهيدروجينية أضعف من تلك التي تثبت شكل الحلزون ألفا.
مثال على هيكل ورقة is هو الفيبرين الحرير (هناك أيضا في شبكات العنكبوت).
توسيع بنية اللولب ألفا ، يتم الانتقال من اللولب ألفا إلى ورقة out ؛ كما تسمح الحرارة أو الإجهاد الميكانيكي بالمرور من بنية اللولب ألفا إلى تلك الصفيحة.
عادة ، في البروتين ، تكون تراكيب β-leaflet قريبة من بعضها البعض لأن الروابط بين الهيدروجين يمكن أن تنشأ بين أجزاء البروتين نفسه.
في البروتينات الليفية ، يتم تنظيم معظم بنية البروتين إلى α-helix أو β-sheet.
البروتينات العالمية: لها بنية مكانية كروية تقريبًا (بسبب التغيرات العديدة في اتجاه سلسلة البولي ببتيد) ؛ يمكن إرجاع بعض أجزاء الوجود إلى بنية α-helix أو β-sheet ، ومع ذلك لا تُعزى أجزاء أخرى إلى مثل هذه الأشكال: الترتيب ليس عشوائيًا ولكنه منظم ومتكرر.
والبروتينات المشار إليها حتى الآن ، هي مواد ذات دستور متجانس بالكامل: وهي أيضًا متواليات من الأحماض الأمينية المركبة. تسمى هذه البروتينات بسيطة ؛ هناك بروتينات تتكون من جزء بروتيني وجزء غير بروتيني (مجموعة بروستاتية) تسمى بروتينات مترافقة .
الكولاجين
وهو البروتين الأكثر وفرة في الطبيعة: فهو موجود في العظام ، وفي الأظافر ، وفي القرنية وفي العين البلورية ، بين المساحات الخلاليّة لبعض الأعضاء (مثل الكبد) وهكذا دواليك.
هيكلها يعطيها قدرات ميكانيكية خاصة ؛ لديه مقاومة ميكانيكية كبيرة مرتبطة بمرونة عالية (على سبيل المثال في الأوتار) أو صلابة عالية (على سبيل المثال في العظام) اعتمادًا على الوظيفة المراد تنفيذها.
واحدة من أكثر الخواص الفضولية للكولاجين هي بساطتها التأسيسية: فهي تشكل حوالي 30٪ من البرولين وحوالي 30٪ من الجلايسين ؛ الأحماض الأمينية الـ18 الأخرى يجب أن تشارك فقط الـ 40٪ المتبقية من بنية البروتين. إن تسلسل الأحماض الأمينية للكولاجين منتظم بشكل ملحوظ: كل ثلاث بقايا ، والثالث هو الجليسين.
البرولين هو حمض أميني دوري حيث ترتبط مجموعة R بالنتروجين الأميني وهذا يعطي بعض الصلابة.
الهيكل النهائي هو سلسلة متكررة لها شكل الحلزون ؛ داخل سلسلة الكولاجين ، لا توجد روابط الهيدروجين. يعتبر الكولاجين عبارة عن حلزون لليد الأيسر مع خطوة (الطول المقابل لدورة واحدة من الحلزون) أكبر من الحلزون ؛ حلزون الكولاجين فضفاض جدا بحيث أن ثلاث سلاسل من البروتين قادرة على الالتفاف حول بعضها البعض لتشكيل حبل واحد: هيكل ثلاثي الحلزون.
ومع ذلك ، فإن الحلزون الثلاثي للكولاجين يكون أقل ثباتًا من كلا من حلزون α-helix و β-sheet.
دعونا ننظر الآن إلى الآلية التي يتم بها إنتاج الكولاجين . النظر ، على سبيل المثال ، تمزق الأوعية الدموية: هذا التمزق يرافقه عدد لا يحصى من الإشارات من أجل إغلاق الوعاء ، ثم تشكل الجلطة. التخثر يتطلب ما لا يقل عن ثلاثين من الإنزيمات المتخصصة. بعد التخثر ، يجب إصلاح الأنسجة ؛ الخلايا القريبة من الجرح تنتج أيضا الكولاجين. للقيام بذلك ، يتم أولاً حث التعبير عن الجين ، أي أن الكائنات الحية تبدأ في العمل من معلومات الجين ، فهي قادرة على إنتاج البروتين (يتم نسخ المعلومات الجينية على mRNA الذي يخرج من النواة وتصل إلى الريبوسومات في السيتوبلازم حيث يتم ترجمة المعلومات الجينية إلى البروتين). لذلك ، يتم تصنيع الكولاجين في الريبوسومات (يظهر كحلول حلزوني جهة اليسار تتألف من حوالي 1200 من الأحماض الأمينية ويبلغ وزنها الجزيئي حوالي 150000 د) ثم تتراكم في لومن حيث تصبح ركيزة للإنزيمات القادرة على إجراء تعديلات على البريد -ترجمة (تعديلات اللغة المترجمة من مرنا) ؛ في الكولاجين ، تتكون هذه التعديلات في أكسدة بعض السلاسل الجانبية ، خاصة البرولين واللايسين.
يؤدي فشل الإنزيمات التي تؤدي إلى هذه التغيرات إلى حدوث داء الأسقربوط: فهو مرض يتسبب في البداية في كسر الأوعية الدموية وكسر الأسنان التي يمكن أن يتبعها نزيف بين الأمعاء والموت. يمكن أن يكون سببه الاستخدام المستمر للطعام طويل العمر.
لاحقا ، بسبب عمل الانزيمات الأخرى ، تحدث تغيرات أخرى تتكون من glycosidation لمجموعات الهيدروكسيل من البرولين واللايسين (لأكسجين OH مرتبط بالسكر) ؛ تم العثور على هذه الانزيمات في مناطق أخرى غير التجويف ، في حين أن البروتين يخضع لتعديلات ، فإنه يهاجر داخل الشبكة الإندوبلازمية لينتهي الأمر في الحويصلات (الحويصلات) التي تقترب من نفسها وتخرج من الشبكة: داخلها مونومر الغليكوزيد الموالية الكولاجين. يصل الأخير إلى جهاز Golولجي حيث تتعرف إنزيمات معينة على السيستين الموجود في الجزء الكربوكسي الطرفي من الغليكوزيدات المرافقة للكولاجين وتتسبب في تقارب السلاسل المختلفة بعضها مع بعضها وتكوين جسور الكبريتيد: وبالتالي الحصول على ثلاثة يرتبط الكولاجين بالجليكوسيد معًا وهذه هي نقطة البداية التي تؤدي بها السلاسل الثلاث ، المتداخلة ، ثم تلقائيًا ، إلى الحلزون الثلاثي. السلاسل الثلاث لجليوكسيد الموالية للكولاجين مرتبطة ببعضها البعض ، ثم حويصلة تخترق نفسها من جهاز جولجي الذي ينقل السلاسل الثلاث نحو محيط الخلية حيث ، من خلال الاندماج مع غشاء البلازما ، يتم إخراج الانتهازي من الخلية.
في الفضاء الخلوي ، هناك إنزيمات معينة ، الببتيداز المؤيد للكولاجين ، والتي تزيل من الأنواع المقذوفة من الخلية ، وثلاث شظايا (واحد لكل حلزون) من 300 أحماض أمينية لكل منهما ، من جزء كربوكسي الطرفي وثلاث شظايا (واحد لكل الحلزون) من حوالي 100 من الأحماض الأمينية لكل منهما ، على الجانب aminoterminal: لا يزال الحلزون الثلاثي يتكون من حوالي 800 aminoacid للحلزون المعروف باسم tropocollagene .
tropocollagen لديه مظهر عصا جامدة إلى حد ما. ترتبط القطع المختلفة بالروابط التساهمية لإعطاء هياكل أكبر: الميكروفايبر . في الميكروفايبرس ، يتم ترتيب مختلف المراتب بطريقة نازحة ؛ العديد من microfibrils تشكل حزم tropocollagen.
في العظام ، بين ألياف الكولاجين ، توجد مساحات خلوية يتم فيها ترسيب الكبريتات والفوسفات من الكالسيوم والمغنيسيوم: هذه الأملاح تغطي أيضًا كل الألياف. هذا يجعل العظام قاسية.
في الأوتار ، تكون المساحات البينية أقل غنى بالبلورات من العظام ، في حين أن هناك بروتينات أصغر من التيوبوكولاجين: وهذا يعطي مرونة للأوتار.
هشاشة العظام هو مرض ناجم عن نقص الكالسيوم والمغنيسيوم مما يجعل من المستحيل إصلاح الأملاح في المناطق الخلالية من ألياف التروبوكولاجين.
