الكيمياء الحيوية/بنية البروتينات ووظيفتها

مقدمة

البروتينات هي الجزيئات العاملة في الخلية،التي يُنفّذُ برنامجَ النشاطاتِ المشفرة بوساطة بالجيناتِ. يَتطلّبُ هذا البرنامجِ جُهدَا مُنسّقَا العديد مِنْ الأنواعِ المختلفةِ للبروتينِ، التي تَطوّرتْ أولاً كجزيئات أولية التي سهّلتْ عددا محدودا من التفاعلات الكيمياوية. بشكل تدريجي، العديد مِنْ هذه البروتينِات البدائيِة تَطوّرَ إلى مجموعة مرتبة واسعة من الإنزيماتِ قادرة على تَحفيز مدى مدهشَ مِنْ التفاعلات الكيمياوية ضمن الخليةِ وخارج الخليةِ، بسرعة واصطفائية يستحيلُ تقريباً إنجازها في أنبوبة اختبار. بمرورِ الوقتِ، اكتسبَ البروتينَ قدراتَ مُتَخَصّصةَ أخرى و يُمْكِنُ أَنْ يُقسم إلى عِدّة أصناف وظيفية واسعة: البروتين الهيكلي، الذي يُزوّدُ الصلابةَ الهيكليةَ إلى الخليةِ؛ بروتين ناقلِ، الذي يُسيطرُ على تدفقِ الموادِ عبر أغشيةِ خلويةِ؛ البروتين التنظيمي، الذي يَفْعلُ كالمحسّساتِ والمفاتيحِ للسَيْطَرَة على فعالية وعمل الجينات؛ البروتينات المرسال التي تعمل كإشارات تنظيمية ، بما في ذلك مُستقبِلاتِ الخليةِ السطحيّةِ وبروتينِات آخرِى تنقل إشاراتِ خارجيةِ إلى داخلِ الخليةَ؛ وبروتينات محرّكة، التي يُسبّبُ الحركةَ. مفتاح فَهْم التصميمِ الوظيفيِ للبروتينِ هو ان ندرك أن الكثيرِ منهم يملكون أجزاءُ "مؤثّرةُ" وقادرة على نفل القوى والطاقةِ المُخْتَلِفةِ في أنماط منظّمةِ. على أية حال، فإن العديد من العمليات الخلوية المعقدة ( اصطناع الحموض النووية و البروتينات ، نقل الإشارات ، و الإصطناع الضوئي ) تتم بوساطة تجمعات جزيئية كبيرةِ أحياناً مدعوَّة باسم الآلات الجزيئيةِ. الهدف أساسي لعلماء البيولوجيا الجزيئية أَنْ يَفْهمَوا كَيفَ تُنفّذُ الخلايا العملياتَ المُخْتَلِفةَ الضروريةَ مدى الحياة. الإسهام الساسي نحو إنْجاز هذا الهدفِ هو التعرف على كُلّ بروتينِ موجود ضمن العضويات الحية بما في ذلك قائمة الأجزاءِ التي تَشكل الآلات الخلويةَ. تجميع مثل هذه القوائمِ أَصْبَحتْ ممكنة في السَنَوات الأخيرة مع الحصول على التسلسل الكامل لمجموعاتِ مورّثاتِ الجينية أكثر فأكثر كائنات حية. مِنْ تحليل الحاسوبِ لسلاسل المورّثات، يُمْكِنُ للباحثين أَنْ يَستنتجوا العددَ والتركيبَ الأساسيَ للبروتينِ المُشَفَّرِ . تمت صياغة التعبير proteome بروتيوم للإشارة إلى مشروع تحديد كامل بروتينات الكائن الحي. على سبيل المثال، proteome لخميرةِ Saccharomyces cerevisiae يَشْملُه حوالي 6000 بروتينَ مختلفَ؛ في حين الإنسانَي proteome لم يشَمْل سوى 32,000 بروتينَ مختلفَ. بمُقَارَنَة السلاسلِ وتراكيبِ البروتينِات ، علماء يُمْكِنُ أَنْ يُصنّفوا العديد مِنْ البروتينِ في proteome كائن حي ويَستنتجُ وظائفَهم عن طريق المماثلة homology ببروتينِ ذو وظيفةِ معروفةِ. بالرغم من أن التراكيبِ الثلاثية الأبعادِ نسبياً معروفة لبِضْعَة بروتينِ، يمكن مع ذلك وظيفة استنتاج وظيفة البروتين التي لَمْ يحدد تركيبه بعد في أغلب الأحيان مِنْ تفاعلاتِه بالبروتينِ الآخرِ، أو مِنْ نتيجةِ التأثيراتَ

البنية الهيكلية للبروتينات

بالرغم من أن البروتينات مَبْنية فقط مِن قِبل ترابط حوالي 20 حمض أميني مختلفِ فقط لتشكيل السلاسلِ الببتيديةِ، فإن ُالبروتينَ يقوم بمجموعة مدهشَة مِنْ المهامِ المتنوّعةِ. تنطوي سلسلة البروتينِ بشكل فريد يتم تثبتيه عن طريق القوى الكيميائية غيرِ التكافؤية بين مناطق مختلفة في السلسلةِ الخطيّةِ للأحماض الأمينية. هذه التنظيم الفراغي للبروتين بروتين المتشكلة في فضاء ثلاثي الأبعاد a هي مفتاح فَهْم وظيفة البروتينات. فالبروتين لا يكون قادرا على إنجاز وظائفه ما لم يكن ذو بنية ثلاثية الأبعاد أو التشكيل الفراغي المناسب .

إن أحد المفاهيم الأساسية لفهم عمل البروتينات هو ادراك ان بنيته الفراغية هي التي تحدد وظيفته ، بالمقابل تتحدد بنيته الثلاثية الأبعاد عن طريق تسلسل حموضه الأمنية . يمكن دراسة البنية الأساسية للبروتين عن طريق اعتبار أربع مستويات تنظيمية بدءا من الوحدات البنائية الأساسية أي الحموض الأمينية حتى الوصول إلى البروتين النهائي . البنية الأولية للبروتين تتحدد عن طريق تسلسل الحموض الأمينية في سلاسله : تقوم الحموض الأمينية بالارتباط ببعضها البعض عن طريق روابط ندعوها ببتيدية و هي عبارة عن روابط أميدية أي : ، عند الننتهاء بناء السلسلة الببتيدية سنلاحظ أنها تمتلك توجيها معينا directionality حيث نلاحظ أن ذرات النيتروجين جميعها تقع في جهة واحدة بالنسبة لسلسلة الكربون ، ناحية أخرى : السلسة الببتيدية تمتلك دائما نهايتين حرتين ( غير مرتبطتين ) أحدهما أمنية ( قاعدية )( تدهى النهاية النتروجينية (the N-terminus) ) ، و الأخرى حمضية ( النهاية الكربوكسيلية (the C-terminus) ) . تكتب عادة تسلسل السلسلة الببتيدية بدءا من النهاية النتروجينية إلى اليسار إلى النهاية الكربونية على اليمين .