معلومة

2.3: التركيب والوظيفة - البروتينات 1 - علم الأحياء


يحدث تخليق البروتينات في الريبوسومات ويستمر من خلال ربط الطرف الكربوكسيل للحمض الأميني الأول بالنهاية الأمينية للحمض التالي (الشكل 2.19). يشار إلى نهاية البروتين الذي يحتوي على مجموعة α-amino الحرة باسم المحطة الأمينية أو N-terminus. يسمى الطرف الآخر طرف الكربوكسيل أو الطرف C ، لأنه يحتوي على مجموعة α-carboxyl المجانية الوحيدة. ترتبط جميع مجموعات α-amino الأخرى ومجموعات α-carboxyl بتشكيل الببتيد. الشكل 2.19 ربط الأحماض الأمينية من خلال روابط تكوين رابطة الببتيد التي تنضم إلى الأحماض الأمينية المجاورة معًا. يتم تصنيع البروتينات بدءًا من النهاية الأمينية وتنتهي عند نهاية الكربوكسيل.

من الناحية التخطيطية ، في الشكل 2.18 ، يمكننا أن نرى كيف يتم ترتيب مجموعات R المتسلسلة من البروتين في اتجاه بديل على جانبي سلسلة البولي ببتيد. تنظيم مجموعات R بهذه الطريقة ليس عشوائيًا. يمكن أن يحدث العائق المجسم عندما يتم توجيه مجموعات R المتتالية على نفس الجانب من العمود الفقري للببتيد (الشكل 2.20)

الهيكل الأساسي

الهيكل الأساسي هو المحدد النهائي للتشكيل العام للبروتين. وصل الهيكل الأساسي لأي بروتين إلى حالته الحالية نتيجة للطفرة والاختيار عبر الزمن التطوري. الهيكل الأساسي للبروتينات مُفوض من خلال تسلسل ترميز الحمض النووي له في الجينوم. تُعرف مناطق البروتينات التي تحدد الحمض النووي باسم مناطق الترميز (أو الجينات).

تحدد التسلسلات الأساسية لهذه المناطق بشكل مباشر تسلسل الأحماض الأمينية في البروتينات ، مع تطابق واحد لواحد بين الكودونات (مجموعات من ثلاث قواعد متتالية) في الحمض النووي والأحماض الأمينية في البروتين المشفر. يحدد تسلسل الكودونات في الحمض النووي ، المنسوخ إلى الرنا المرسال ، سلسلة من الأحماض الأمينية في البروتين. (الشكل 2.21).

يبدأ الترتيب الذي يتم فيه ضم الأحماض الأمينية معًا في تخليق البروتين في تحديد مجموعة من التفاعلات بين الأحماض الأمينية حتى أثناء حدوث التوليف. وهذا يعني أن البولي ببتيد يمكن أن يطوى حتى أثناء صنعه. يعتبر ترتيب هياكل المجموعة R والتفاعلات الناتجة في غاية الأهمية لأن التفاعلات المبكرة تؤثر على التفاعلات اللاحقة. وذلك لأن التفاعلات تبدأ في إنشاء الهياكل - الثانوية والثالثية. إذا بدأ هيكل حلزوني (بنية ثانوية) ، على سبيل المثال ، في التكون ، فقد تختلف احتمالات تفاعل مجموعة Rgroup لحمض أميني معين عما إذا لم يتشكل اللولب (الشكل 2.22). يمكن أن تتسبب تفاعلات المجموعة R أيضًا في حدوث انحناءات في تسلسل متعدد الببتيد (بنية ثلاثية) ويمكن أن تخلق هذه الانحناءات (في بعض الحالات) فرصًا للتفاعلات التي لم تكن ممكنة بدون الانحناء أو منع (في حالات أخرى) احتمالات تفاعل مماثلة.

الهيكل الثانوي

مع تقدم تخليق البروتين ، تبدأ التفاعلات بين الأحماض الأمينية القريبة من بعضها البعض ، مما يؤدي إلى ظهور أنماط محلية تسمى البنية الثانوية. تشمل هذه الهياكل الثانوية α- helix و-strands المعروفين. كلاهما تنبأ بهما لينوس بولينج وروبرت كوري وهيرمان برانسون في عام 1951. ولكل هيكل سمات فريدة.

α- الحلزون

الحلزون α له هيكل ملفوف ، مع 3.6 من الأحماض الأمينية لكل لفة من اللولب (5 لفات حلزونية = 18 الأحماض الأمينية). تكون الحلزونات في الغالب هي اليد اليمنى - فقط في حالات نادرة ، كما هو الحال في التسلسلات التي تحتوي على العديد من الجلايسينات ، يمكن أن تتشكل حلزونات ألفا اليسرى. في الحلزون α ، تتشكل روابط الهيدروجين بين مجموعات C = O ومجموعات N-H في العمود الفقري متعدد الببتيد الذي يبعد أربعة أحماض أمينية. هذه الروابط الهيدروجينية هي القوى الأساسية التي تعمل على استقرار الحلزون ألفا.

نستخدم مصطلحات الصعود والتكرار والنغمة لوصف معلمات أي حلزون. التكرار هو عدد البقايا في اللولب قبل أن يبدأ في تكرار نفسه. بالنسبة للحلزون α ، يكون التكرار 3.6 من الأحماض الأمينية لكل دورة من اللولب. الارتفاع هو المسافة التي يرفعها اللولب مع إضافة كل بقايا. بالنسبة للحلزون α ، يكون هذا 0.15 نانومتر لكل حمض أميني. الملعب هو المسافة بين المنعطفات الكاملة للحلزون. بالنسبة للحلزون α ، هذا هو 0.54 نانومتر. يتم تعزيز استقرار α-helix من خلال وجود الأحماض الأمينية الأسبارتات.

β حبلا / ورقة

الحلزون ، بالطبع ، كائن ثلاثي الأبعاد. الشكل المسطح من اللولب في بعدين هو وصف شائع لـ β- ستراند. بدلاً من اللفائف ، فإن خيوط β لها ثنيات ويشار إليها أحيانًا باسم الطيات ، مثل الطيات في الستارة. يمكن تنظيم-strands لتشكيل هياكل منظمة بشكل متقن ، مثل الألواح والبراميل وغيرها من الترتيبات.

تسمى أحيانًا هياكل β-strand ذات الرتبة الأعلى الهياكل الفائقة الثانوية) ، لأنها تنطوي على تفاعلات بين الأحماض الأمينية غير القريبة في التسلسل الأولي. يتم تثبيت هذه الهياكل أيضًا بواسطة روابط هيدروجينية بين ذرات الأكسجين الكربوني وهيدروجين مجموعات الأمين في العمود الفقري متعدد الببتيد (الشكل 2.28). في بنية الترتيب الأعلى ، يمكن ترتيب الخيوط بالتوازي (اتجاهات amino إلى carboxyl هي نفسها) أو مضادة موازية (اتجاهات amino إلى carboxyl معاكسة لبعضها البعض (في الشكل 2.27 ، يظهر اتجاه الشريط بواسطة رأس السهم في الشريط المخططات).

يتحول

المنعطفات (تسمى أحيانًا المنعطفات العكسية) هي نوع من الهياكل الثانوية التي ، كما يوحي الاسم ، تسبب تحولًا في هيكل سلسلة البولي ببتيد. تؤدي المنعطفات في نهاية المطاف إلى تكوين بنية ثلاثية ، مما يتسبب في حدوث انقطاعات في الهياكل الثانوية (α- helices و-strands) وغالبًا ما تعمل كمناطق ربط بين منطقتين من البنية الثانوية في البروتين. يلعب البرولين والجليسين أدوارًا مشتركة بالتناوب ، مما يوفر مرونة أقل (بدء الدور) ومرونة أكبر (تسهيل الدور) ، على التوالي.

هناك خمسة أنواع على الأقل من المنعطفات ، مع العديد من الاختلافات لكل منها تؤدي إلى العديد من المنعطفات المختلفة. الأنواع الخمسة من المنعطفات هي

• δ-turn - يتم فصل الأحماض الأمينية الطرفية بواسطة رابطة ببتيدية واحدة

• γ-turn - الفصل بواسطة روابط ببتيدية

• β-turn - الفصل بواسطة ثلاث روابط ببتيدية

• α-turn - الفصل بواسطة أربعة روابط ببتيدية

• π-turn - الفصل بخمسة روابط

من بين هؤلاء ، تعد المنعطفات هي الشكل الأكثر شيوعًا و-turn هي نظرية ، ولكنها غير محتملة ، بسبب القيود الصارمة. الشكل 2.29 يصور β- منعطف.

310 حلزونات

بالإضافة إلى α-helix ، و-strands ، ومختلف المنعطفات ، تظهر الهياكل الأخرى المنتظمة والمتكررة في البروتينات ، ولكنها تحدث بشكل أقل شيوعًا. 310 اللولب هو رابع أكثر الهياكل الثانوية وفرة في البروتينات ، ويشكل حوالي 10-15 ٪ من جميع اللوالب. يستمد اللولب اسمه من حقيقة أنه يحتوي على 10 أحماض أمينية في 3 لفات. إنه أيمن. تتشكل الروابط الهيدروجينية بين الأحماض الأمينية التي تتكون من ثلاث بقايا منفصلة. الأكثر شيوعًا ، 310 يظهر اللولب في نهاية أمين أو كربوكسيل لولب ألفا. مثل α-helix ، 310 يتم تثبيت الحلزون بوجود الأسبارتات في تسلسلها.

π- حلزونات

يمكن اعتبار الحلزون π نوعًا خاصًا من الحلزون α. تصفها بعض المصادر على أنها حلزون ألفا مع وجود حمض أميني إضافي عالق في منتصفه (الشكل 2.32). π-helices ليست نادرة تمامًا ، فهي تحدث مرة واحدة على الأقل في ما يصل إلى 15٪ من جميع البروتينات. مثل α- helix ، يكون الحلزون π يمينًا ، ولكن حيث يحتوي الحلزون α على 18 حمضًا أمينيًا في 5 لفات ، يحتوي π-helix على 22 حمضًا أمينيًا في 5 لفات. π-helices عادة لا تمتد لمسافات طويلة جدا. يبلغ طول معظمها حوالي 7 أحماض أمينية فقط ويحدث التسلسل دائمًا تقريبًا في منتصف منطقة حلزونية ألفا.

مؤامرات راماشاندران

في عام 1963 ، ج. وصف Ramachandran و C. Ramakrishnan و V. Sasisekharan طريقة جديدة لوصف بنية البروتين. إذا اعتبر المرء العمود الفقري لسلسلة بولي ببتيد ، فإنه يتكون من مجموعة متكررة من ثلاث روابط. بالتتابع (في اتجاه amino إلى carboxyl) هم 1) رابطة قابلة للتدوير () بين α-carbon و α-carboxyl التي تسبق رابطة الببتيد (انظر هنا) ، 2) رابطة ببتيد غير قابلة للدوران (ω) بين α -كربوكسيل وألفا أمين) ، و 3) رابطة قابلة للدوران (φ) بين α-amine و α-carbon بعد رابطة الببتيد (انظر هنا). لاحظ في الشكلين 2.33 و 2.34 أن اتجاه الأمينو إلى الكربوكسيل يكون من اليمين إلى اليسار.

يسمح وجود الأكسجين الكربوني في مجموعة α-carboxyl لرابطة الببتيد بالتواجد كبنية رنانة ، مما يعني أنها تتصرف في بعض الأحيان كرابطة مزدوجة. لا يمكن أن تدور الروابط المزدوجة بالطبع ، لكن الروابط الموجودة على جانبيها تتمتع ببعض حرية الدوران. الزوايا φ و مقيدة بقيم معينة ، لأن بعض الزوايا ستؤدي إلى عائق ستيريكي. بالإضافة إلى ذلك ، يحتوي كل نوع من أنواع الهياكل الثانوية على مجموعة مميزة من القيم لـ و.

أجرى راماشاندران وزملاؤه حسابات نظرية للاستقرار النشط لجميع الزوايا الممكنة من 0 درجة إلى 360 درجة لكل زاوية من الزوايا φ و ورسموا النتائج على مخطط راماشاندران (يُطلق عليه أيضًا مخطط φ-ψ) ، وحدد مناطق الزوايا التي كانت نظريًا الأكثر استقرارًا (الشكل 2.35).

تم تحديد ثلاث مناطق أساسية من الاستقرار ، تتوافق مع زوايا φ-لخيوط β (أعلى اليسار) ، وحلزونات α- يمين (أسفل اليسار) ، وحلزونات α يسرى (أعلى اليمين). تعتبر مخططات الاستقرار المتوقع دقيقة بشكل ملحوظ عند مقارنتها بزوايا φ-ψ للبروتينات الفعلية.

التنبؤ بالهيكل الثانوي

الجدول 2.3 - الميول النسبية لكل حمض أميني ليكون في بنية ثانوية. تشير القيم الأعلى إلى ميل أكبر للصورة بواسطة Penelope Irving

من خلال مقارنة التركيب الأساسي (تسلسل الأحماض الأمينية) بهياكل البروتين ثلاثية الأبعاد المعروفة ، يمكن للمرء أن يحسب كل مرة يتم فيها العثور على حمض أميني في حلزون α ، أو β-strand / sheet ، أو منعطف. يسمح تحليل الكمبيوتر لآلاف من هذه التسلسلات للفرد بتعيين احتمالية ظهور أي حمض أميني معين في كل من هذه الهياكل. باستخدام هذه الميول ، يمكن للمرء ، بدقة تصل إلى 80٪ ، التنبؤ بمناطق البنية الثانوية في بروتين يعتمد فقط على تسلسل الأحماض الأمينية.

يظهر هذا في الجدول 2.3. حدوث في التسلسل الأولي لثلاثة أحماض أمينية متتالية ذات ميول نسبية أعلى من واحد هو مؤشر على أن تلك المنطقة من البولي ببتيد موجودة في البنية الثانوية المقابلة. يتوفر هنا مورد عبر الإنترنت للتنبؤ بالبنى الثانوية يسمى PSIPRED.

كره الماء

الجدول 2.4 - درجات المعالجة المائية

تؤثر كيمياء مجموعات Rgroups من الأحماض الأمينية على الهياكل الأكثر شيوعًا التي توجد فيها. يمكن أن تعطي مجموعات فرعية من خواصها الكيميائية أدلة على التركيب ، وأحيانًا ، الموقع الخلوي. وخير مثال على ذلك هو كره الماء (الميول المائي) لبعض مجموعات Rgroups. بالنظر إلى البيئة المائية للخلية ، من غير المحتمل أن تكون هذه المجموعات R على السطح الخارجي لبروتين مطوي.

ومع ذلك ، لا تنطبق هذه القاعدة على مناطق البروتين التي قد تكون مضمنة في طبقات الدهون الثنائية للأغشية الخلوية / العضية. وذلك لأن منطقة البروتينات التي تشكل مجالات الغشاء مدفونة في بيئة كارهة للماء في منتصف طبقة الدهون الثنائية.

ليس من المستغرب أن يساعد مسح التسلسلات الأولية بحثًا عن امتدادات ذات أحجام / متباعدة من الأحماض الأمينية الكارهة للماء في تحديد البروتينات الموجودة في الأغشية. يوضح الجدول 2.4 قيم الكراهية للماء لمجموعات R من الأحماض الأمينية. في هذه المجموعة ، يمتد المقياس من القيم الموجبة (كارهة للماء) إلى القيم السلبية (محبة للماء). يظهر مخطط KyteDoolittle Hydropathy لبروتين غشاء البروتون في الشكل 2.36. منطقتان من البروتين شديدة الكراهية للماء كما يمكن رؤيته من القمم بالقرب من الأحماض الأمينية 5-10 و630-640. قد يُتوقع بشكل معقول أن تكون هذه المناطق إما داخل الجزء الداخلي من البروتين المطوي أو أن تكون جزءًا من مجالات الغشاء.

ملفات عشوائية

تفترض بعض أقسام البروتين عدم وجود بنية منتظمة يمكن تمييزها ويقال أحيانًا أنها تفتقر إلى البنية الثانوية ، على الرغم من أنها قد تحتوي على روابط هيدروجينية. توصف هذه المقاطع بأنها ملفات عشوائية وقد يكون لها سيولة في بنيتها مما ينتج عنها أشكال متعددة مستقرة. يمكن التعرف على الملفات العشوائية بالطرق الطيفية ، مثل ازدواج اللون الدائري ويكيبيديا والرنين المغناطيسي النووي (NMR) حيث يتم ملاحظة الإشارات المميزة. انظر أيضًا البروتينات المتحولة (هنا) والبروتينات المضطربة جوهريًا (هنا).

هيكل فوق الثانوي

يصعب تصنيف عنصر آخر في بنية البروتين لأنه يشتمل على عناصر من البنية الثانوية والثالثية. تحتوي هذه الهياكل ، التي يطلق عليها اسم البنية الفائقة الثانوية (أو الزخارف الهيكلية) ، على عدة مكونات بنية ثانوية قريبة مرتبة بطريقة معينة وتظهر في بروتينات متعددة. نظرًا لوجود العديد من الطرق لإنشاء هياكل ثانوية من هياكل أولية مختلفة ، يمكن أيضًا أن تنشأ أشكال مماثلة من تسلسلات أولية مختلفة. يظهر مثال على الشكل الهيكلي في الشكل 2.37.

الهيكل الثالث

تتميز البروتينات عن بعضها البعض بتسلسل الأحماض الأمينية التي تتكون منها. يحدد تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين شكل البروتين ، نظرًا لأن الخصائص الكيميائية لكل حمض أميني هي قوى تؤدي إلى تفاعلات بين الجزيئات للبدء في إنشاء هياكل ثانوية ، مثل α-helices و-strands. يحدد التسلسل أيضًا المنعطفات والملفات العشوائية التي تلعب أدوارًا مهمة في عملية طي البروتين.

نظرًا لأن الشكل ضروري لوظيفة البروتين ، فإن تسلسل الأحماض الأمينية يؤدي إلى ظهور جميع خصائص البروتين. مع استمرار تخليق البروتين ، تبدأ المكونات الفردية للهيكل الثانوي في التفاعل مع بعضها البعض ، مما يؤدي إلى ظهور طيات تقرب الأحماض الأمينية من بعضها البعض ليست قريبة من بعضها البعض في الهيكل الأساسي (الشكل 2.38). في المستوى الثالث للهيكل ، تلعب التفاعلات بين مجموعات R للأحماض الأمينية في البروتين ، وكذلك بين مجموعات العمود الفقري متعدد الببتيد والمجموعات الجانبية للأحماض الأمينية دورًا في الطي.

بروتينات كروية

يؤدي الطي إلى ظهور أشكال مميزة ثلاثية الأبعاد في البروتينات غير الليفية. تسمى هذه البروتينات الكروية. يتم تثبيت البروتين الكروي بنفس القوى التي تحرك تكوينه. وتشمل هذه التفاعلات الأيونية ، الرابطة الهيدروجينية ، القوى الكارهة للماء ، الروابط الأيونية ، روابط ثاني كبريتيد والروابط المعدنية. العلاجات مثل الحرارة وتغيرات الأس الهيدروجيني والمنظفات واليوريا والميركابتوإيثانول تتغلب على قوى التثبيت وتتسبب في أن يتكشف البروتين ويفقد هيكله و (عادة) وظيفته (الشكل 2.39). إن قدرة الحرارة والمنظفات على تغيير طبيعة البروتينات هي السبب في أننا نطبخ طعامنا ونغسل أيدينا قبل الأكل - مثل هذه العلاجات تفسد البروتينات في الكائنات الحية الدقيقة الموجودة على أيدينا. الكائنات الحية التي تعيش في بيئات ذات درجة حرارة عالية (أكثر من 50 درجة مئوية) لديها بروتينات مع تغيرات في قوى الاستقرار - روابط هيدروجينية إضافية ، وجسور ملح إضافية (تفاعلات أيونية) ، وانضغاط قد تلعب جميعها أدوارًا في منع هذه البروتينات من الانكشاف.

قوى استقرار البروتين

قبل التفكير في عملية الطي ، دعونا نفكر في بعض القوى التي تساعد على استقرار البروتينات.

روابط هيدروجينية

تنشأ الروابط الهيدروجينية نتيجة الهيدروجين المشحون جزئيًا الموجود في الروابط التساهمية. يحدث هذا عندما يكون للذرة التي يرتبط بها الهيدروجين كهرسلبية أكبر من الهيدروجين نفسه ، مما ينتج عنه شحنة موجبة جزئية للهيدروجين لأنه غير قادر على الاحتفاظ بالإلكترونات بالقرب من نفسه (الشكل 2.40).

ينجذب الهيدروجين المشحون جزئيًا بهذه الطريقة إلى الذرات ، مثل الأكسجين والنيتروجين اللذين لهما شحنة سالبة جزئية ، نظرًا لوجود قدر أكبر من السالب الكهربية وبالتالي جعل الإلكترونات أقرب إلى ذراتها. تسمى الهيدروجين موجب الشحنة بالمانحين ، في حين أن الذرات السالبة جزئيًا التي تنجذب إليها تسمى المستقبلات. (انظر الشكل 1.30).

الروابط الهيدروجينية الفردية أضعف بكثير من الرابطة التساهمية ، لكنها مجتمعة يمكن أن تمارس قوى قوية. فكر في الماء السائل ، الذي يحتوي على أعداد هائلة من الروابط الهيدروجينية (الشكل 2.41). تساعد هذه القوى الماء على البقاء سائلاً في درجة حرارة الغرفة. الجزيئات الأخرى التي تفتقر إلى روابط هيدروجينية ذات وزن جزيئي مساوٍ أو أكبر من الماء ، مثل الميثان أو ثاني أكسيد الكربون ، هي غازات عند نفس درجة الحرارة. وبالتالي ، فإن التفاعلات بين الجزيئات بين جزيئات الماء تساعد على "تماسك" الماء معًا والبقاء سائلاً. والجدير بالذكر أنه فقط من خلال رفع درجة حرارة الماء إلى درجة الغليان يتم التغلب على قوى الرابطة الهيدروجينية ، مما يسمح للماء بأن يصبح غازيًا بالكامل.

روابط الهيدروجين هي قوى مهمة في البوليمرات الحيوية التي تشمل الحمض النووي والبروتينات والسليلوز. تفقد كل هذه البوليمرات هياكلها الأصلية عند الغليان. يمكن أن تؤدي الروابط الهيدروجينية بين الأحماض الأمينية القريبة من بعضها البعض في البنية الأولية إلى تكوين هياكل متكررة منتظمة ، مثل الحلزونات أو الطيات ، في البروتينات (بنية ثانوية).

التفاعلات الأيونية

التفاعلات الأيونية هي قوى مهمة لتثبيت بنية البروتين التي تنشأ من تأين مجموعات R في الأحماض الأمينية التي تتكون منها البروتين. وتشمل هذه الأحماض الأمينية الكربوكسيل (هنا) ، والأحماض الأمينية وكذلك سلفهيدريل من السيستين وأحيانًا هيدروكسيل التيروزين.

قوى مسعور

تعمل القوى الكارهة للماء على تثبيت بنية البروتين نتيجة للتفاعلات التي تفضل استبعاد الماء. الأحماض الأمينية غير القطبية (توجد عادة في داخل البروتينات) تفضل الارتباط ببعضها البعض وهذا له تأثير استبعاد الماء. يحتوي الماء المستبعد على إنتروبيا أعلى من الماء الذي يتفاعل مع السلاسل الجانبية الكارهة للماء. هذا لأن الماء يصطف نفسه بانتظام وبنمط مميز عند التفاعل مع الجزيئات الكارهة للماء.

عندما يتم منع الماء من الحصول على هذه الأنواع من التفاعلات ، فإنه يكون أكثر اضطرابًا مما لو كان يمكن أن يرتبط بالمناطق الكارهة للماء. لهذا السبب جزئيًا تم العثور على الأحماض الأمينية الكارهة للماء في الأجزاء الداخلية من البروتين - حتى تتمكن من استبعاد الماء وزيادة الانتروبيا.

روابط ثاني كبريتيد

روابط ثاني كبريتيد ، والتي يتم تصنيعها عندما يتم وضع سلسلتين جانبيتين من الكبريتيد من السيستين على مقربة ، وتساهمًا تربط مناطق البروتين المختلفة معًا ويمكن أن تعطي قوة كبيرة للهيكل العام (الشكلان 2.42 و 2.43).قصيدة لبنية البروتين بقلم كيفن أهيرن عشرين ويًا أمينو أ يحدد البروتين بطرق عديدة ترتيبها في سلسلة الببتيد يحدد الأشكال التي تكتسبها البروتينات وعندما تلتف ، تترك لي مرحًا لأن البنى ثانوية إنها من الدرجة الثالثة ، قيل لي ذلك يحدث عندما ينثني البروتين ولكن السلاسل المطوية مخيفة تمامًا عندما يتم تجميعها معًا ، فهي من عجائب الطبيعة ، وهذا أمر مؤكد. سيستين. روابط ثاني كبريتيد هي أقوى قوى تثبيت بنية البروتين.

قوات فان دير فال

قوى فان دير فال هو مصطلح يستخدم لوصف التفاعلات الضعيفة المختلفة ، بما في ذلك تلك الناتجة عن التجاذب بين الجزيء القطبي وثنائي القطب العابر ، أو بين ثنائيات أقطاب مؤقتة. قوى فان دير فال ديناميكية بسبب الطبيعة المتقلبة للجاذبية ، وهي ضعيفة بشكل عام مقارنة بالروابط التساهمية ، ولكن يمكن أن تكون مهمة على مسافات قصيرة جدًا.

تعديلات ما بعد الترجمة

يمكن أن تؤدي التعديلات اللاحقة للترجمة إلى تكوين روابط تساهمية تعمل على استقرار البروتينات أيضًا. يمكن أن يؤدي الهيدروكسيل في اللايسين والبرولين في خيوط الكولاجين إلى الارتباط المتبادل بين هذه المجموعات والروابط التساهمية الناتجة تساعد على تقوية واستقرار الكولاجين.

نماذج قابلة للطي

هناك نموذجان شائعان لطي البروتين قيد التحقيق حاليًا. في النموذج الأول (نموذج تصادم الانتشار) ، يبدأ حدث التنوي العملية ، متبوعًا بتكوين بنية ثانوية. تسمح التصادمات بين الهياكل الثانوية (كما هو الحال في β-hairpin في الشكل 2.37) ببدء الطي. على النقيض من ذلك ، في نموذج التكثيف التنوي ، تتشكل الهياكل الثانوية والثالثية معًا.

يحدث الطي في البروتينات بسرعة إلى حد ما (0.1 إلى 1000 ثانية) ويمكن أن يحدث أثناء التخليق - يمكن أن تبدأ النهاية الأمينية للبروتين في الانثناء قبل أن يتم تصنيع نهاية الكربوكسيل ، على الرغم من أن هذا ليس هو الحال دائمًا.

عملية الطي

يُفترض أن طي البروتين يحدث في مشهد طاقة "قمع قابل للطي" حيث تتوافق الحالة الأصلية للبروتين المطوي مع الحد الأدنى من الطاقة الحرة الممكنة في ظروف الوسط (عادةً مذيب مائي) الذي يذوب فيه البروتين. كما هو موضح في الرسم التخطيطي (الشكل 2.44) ، يحتوي قمع الطاقة على العديد من الحدود الدنيا المحلية (الانخفاضات) التي يمكن أن يُحبس فيها البروتين القابل للطي أثناء تحركه أسفل مخطط الطاقة. من المحتمل أن تلعب عوامل أخرى ، مثل درجة الحرارة والمجالات الكهربائية / المغناطيسية والاعتبارات المكانية ، أدوارًا.

إذا كانت القوى الخارجية تؤثر على الحد الأدنى المحلي للطاقة أثناء الطي ، فيمكن أن تتأثر العملية والمنتج النهائي. نظرًا لأن سرعة السيارة التي تسير على الطريق ستؤثر على سلامة الرحلة ، كذلك تؤثر اعتبارات الطاقة على عملية الطي وتوجهها ، مما ينتج عنه بروتينات تعمل بكامل طاقتها ومطوية بشكل صحيح في بعض الحالات و "أخطاء" غير صحيحة في حالات أخرى.

تتعثر

مع تقدم عملية الطي نحو الحد الأدنى من الطاقة (أسفل القمع في الشكل 2.44) ، يمكن أن "يعلق" البروتين في أي من الحدود الدنيا المحلية ولا يصل إلى حالة الطي النهائية. على الرغم من أن الحالة المطوية ، بشكل عام ، أكثر تنظيماً وبالتالي قللت من الإنتروبيا من الحالة غير المكشوفة ، هناك قوتان تتغلبان على انخفاض الانتروبيا وتدفعان العملية إلى الأمام.

الأول هو مقدار الانخفاض في الطاقة كما هو موضح في الرسم البياني. نظرًا لأن ΔG = ΔH -TΔS ، يمكن أن يؤدي الانخفاض في ΔH إلى التغلب على ΔS سلبي لجعل G سالبًا ودفع عملية الطي للأمام. تنشأ ظروف الطاقة المواتية (المتناقصة) مع تكوين روابط أيونية ، روابط هيدروجينية ، روابط ثاني كبريتيد ، وروابط معدنية أثناء عملية الطي. بالإضافة إلى ذلك ، يزيد التأثير الكارثي للماء الانتروبيا عن طريق السماح للأحماض الأمينية الكارهة للماء في الجزء الداخلي من البروتين المطوي باستبعاد الماء ، وبالتالي مواجهة تأثير ترتيب بنية البروتين بجعل ΔS أقل سلبية.

توقع الهيكل

تعد برامج الكمبيوتر جيدة جدًا في التنبؤ بالبنية الثانوية بناءً على تسلسل الأحماض الأمينية فقط ، ولكنها تكافح في تحديد البنية الثالثة باستخدام نفس المعلومات. هذا يرجع جزئيًا إلى حقيقة أن الهياكل الثانوية لها نقاط استقرار متكررة بناءً على الهندسة وأي بنية ثانوية منتظمة (على سبيل المثال ، α-helix) تختلف قليلاً جدًا من واحد إلى آخر. على الرغم من ذلك ، تحتوي الهياكل المطوية على عدد هائل من الهياكل المحتملة كما هو موضح في Levinthal’s Paradox.

التحليل الطيفي

نظرًا لعدم قدرتنا على التنبؤ بدقة بالهيكل الثلاثي بناءً على تسلسل الأحماض الأمينية ، يتم تحديد هياكل البروتينات فعليًا باستخدام تقنيات التحليل الطيفي. في هذه الأساليب ، تتعرض البروتينات لأشكال متنوعة من الإشعاع الكهرومغناطيسي ، وتسمح الطرق التي تتفاعل بها مع الإشعاع للباحثين بتحديد الإحداثيات الذرية بدقة أنجستروم من كثافات الإلكترون (انظر علم البلورات بالأشعة السينية) وكيف تتفاعل نوى الدوران (انظر NMR).

مفارقة ليفينثال

في أواخر الستينيات ، حدد سايروس ليفينثال حجم تعقيد مشكلة طي البروتين. وأشار إلى أنه بالنسبة للبروتين الذي يحتوي على 100 حمض أميني ، فإنه يحتوي على 99 رابطة ببتيدية و 198 اعتبارًا للزوايا و. إذا كان لكل منها ثلاثة مطابقة فقط ، فسيؤدي ذلك إلى 3198 طيات مختلفة محتملة أو 2.95 × 1094.

حتى لو سمحنا بفترة زمنية معقولة (نانوثانية واحدة) لحدوث كل طية محتملة ، فقد يستغرق الأمر وقتًا أطول من عمر الكون لأخذ عينات منها جميعًا ، مما يعني بوضوح أن عملية الطي لا تحدث عن طريق أخذ عينات عشوائية متسلسلة و أن محاولات تحديد بنية البروتين عن طريق أخذ العينات العشوائية محكوم عليها بالفشل. لذلك ، اقترح ليفينثال أن الطي يحدث من خلال عملية متسلسلة تبدأ بحدث تنوي يوجه العملية بسرعة ولا يختلف عن عملية القمع الموضحة في الشكل 2.44.

أمراض اختلال البروتين

إن الطي المناسب للبروتينات ضروري لوظيفتها. ويترتب على ذلك أن سوء تكوين البروتينات (وتسمى أيضًا المعالجة الأولية) قد يكون له عواقب. في بعض الحالات ، قد يؤدي هذا ببساطة إلى بروتين غير نشط. يلعب اختلال البروتين أيضًا دورًا في العديد من الأمراض ، مثل مرض جنون البقر ومرض الزهايمر ومرض باركنسون ومرض كروتزفيلد جاكوب. تؤثر العديد من الأمراض الخاطئة ، وليس كلها ، على أنسجة المخ.

رواسب غير قابلة للذوبان

عادة ما تشكل البروتينات المشوهة تكتلات تسمى amyloids ضارة بالأنسجة التي تحتوي عليها لأنها تتغير من كونها قابلة للذوبان إلى غير قابلة للذوبان في الماء وتشكل رواسب. إن العملية التي يحدث بها الخلل في التشكيل (الشكل 2.45) ليست واضحة تمامًا ، ولكن في كثير من الحالات ، تم إثبات أن بروتين "البذور" الذي يتم طيه بشكل خاطئ يمكن أن يؤدي إلى نفس الاختلال في النسخ الأخرى من نفس البروتين. تُعرف بروتينات البذور هذه بالبريونات وتعمل كعوامل معدية ، مما يؤدي إلى انتشار المرض. إن قائمة الأمراض التي تصيب الإنسان المرتبطة بسوء تشكيل البروتين طويلة وتستمر في النمو. رابط ويكيبيديا هنا.

البريونات

البريونات هي جزيئات بروتينية معدية تسبب اعتلالات الدماغ الإسفنجية المعدية (TSEs) ، وأشهرها مرض جنون البقر. تشمل المظاهر الأخرى المرض ، والسكراب ، في الأغنام ، والأمراض البشرية ، مثل مرض كروتزفيلد جاكوب (CJD) ، والأرق العائلي المميت ، وكورو. البروتين المتورط في هذه الأمراض هو بروتين غشائي يسمى PRP. يتم ترميز PRP في جينوم العديد من الكائنات الحية ويوجد في معظم خلايا الجسم. PrPc هو الاسم الذي يطلق على هيكل PRP الطبيعي وغير المرتبط بالمرض. PrPSc هو الاسم الذي يطلق على شكل غير صحيح من نفس البروتين ، والذي يرتبط بتطور أعراض المرض (الشكل 2.45).

خطأ

يرتبط PrPSc غير المطوي بأمراض TSE ويعمل كجسيم معدي. يمكن العثور على شكل ثالث من PrP ، يسمى PrPres في TSEs ، ولكنه ليس معديًا. تشير "الدقة" الخاصة بـ PrPres إلى أنها مقاومة للبروتياز. تجدر الإشارة إلى أن جميع الأشكال الثلاثة لـ PrP لها نفس تسلسل الأحماض الأمينية وتختلف عن بعضها البعض فقط في الطرق التي يتم بها طي سلاسل البولي ببتيد. أخطر أشكال PrP التي يتم طيها بشكل خاطئ هو PrPSc ، نظرًا لقدرته على التصرف كعامل معدي - بروتين بذرة يمكن أن يؤدي إلى اختلال في تكوين PrPc ، وبالتالي تحويله إلى PrPSc.

وظيفة

وظيفة PrPc غير معروفة. الفئران التي تفتقر إلى جين PRP لا تعاني من تشوهات كبيرة. يبدو أنها تظهر مشاكل في الذاكرة طويلة المدى ، مما يشير إلى وظيفة لـ PrPc. ستانلي بروزنر ، الذي اكتشف البريونات وصاغ المصطلح ، حصل على جائزة نوبل في الطب عام 1997 عن عمله. أعتقد أنه إذا صادفت أن أكون على بروتين مكون من بريون ، فسأحرفه ولأجل الخير أوقفه عن ارتكاب أخطاء أضعاف

الأميلويد

الأميلويد عبارة عن مجموعة من مجاميع البروتين المطوية بشكل غير صحيح والتي توجد في جسم الإنسان. نتيجة لخللها ، فهي غير قابلة للذوبان وتساهم في حوالي عشرين مرضًا بشريًا بما في ذلك الأمراض العصبية المهمة التي تنطوي على البريونات. تشمل الأمراض (البروتين المصاب بين قوسين) - مرض الزهايمر (أميلويد β) ، ومرض باركنسون (α-synuclein) ، ومرض هنتنغتون (هنتنغتين) ، والتهاب المفاصل الروماتويدي (مصل الأميلويد A) ، والأرق العائلي المميت (PrPSc) ، وغيرها.

يلعب تسلسل الأحماض الأمينية دورًا في تكوين النشواني. البولي ببتيدات الغنية بالجلوتامين شائعة في الخميرة والبريونات البشرية. تكرارات ثلاثي النوكليوتيدات مهمة في مرض هنتنغتون. عندما لا يكون التسلسل عاملاً ، يمكن أن يلعب الارتباط الكارهة للماء بين صفائح دورًا.

أميلويد β

أميلويد يشير إلى مجموعات من البروتينات الصغيرة (36-43 من الأحماض الأمينية) التي يبدو أنها تلعب دورًا في مرض الزهايمر. (بروتين تاو هو العامل الآخر.) هم ، في الواقع ، المكونات الرئيسية لصفائح الأميلويد الموجودة في أدمغة المرضى الذين يعانون من المرض وتنشأ من الانقسام التحلل للبروتين من سلائف بروتين سكري أميلويد أكبر يسمى بروتين أميلويد السلائف ، وهو غشاء متكامل بروتين الخلايا العصبية التي لا تعرف وظيفتها. يؤدي نوعان من البروتياز ، β-secretase و γ- secretase هذه الوظيفة. يتم طي بروتينات الأميلويد بيتا بشكل غير صحيح ويبدو أنها تحفز البروتينات الأخرى على الانثناء وبالتالي تترسب وتشكل خاصية الأميلويد المميزة للمرض. تعتبر اللويحات سامة للخلايا العصبية وتؤدي إلى الخرف المميز للمرض.

يُعتقد أن تراكم بروتينات الأميلويد بيتا أثناء حدوث خلل في التشكيل يؤدي إلى توليد أنواع من الأكسجين التفاعلي وأن هذه هي الوسيلة التي تتلف بها الخلايا العصبية. ليس من المعروف ما هي الوظيفة الفعلية للأميلويد β. تؤدي الطفرات الصبغية السائدة في البروتين إلى ظهور المرض مبكرًا ، ولكن هذا يحدث في ما لا يزيد عن 10٪ من الحالات. تشمل استراتيجيات علاج المرض تثبيط الإفرازات التي تولد شظايا الببتيد من بروتين طليعة الأميلويد.

هنتنغتين

هنتنغتين هو الجين المركزي في مرض هنتنغتون. البروتين المصنوع منه غني بالجلوتامين ، مع 6-35 من هذه المخلفات في شكله البري. في مرض هنتنغتون ، يتم تحور هذا الجين ، مما يؤدي إلى زيادة عدد الجلوتامين في البروتين الطافر إلى ما بين 36 و 250. يختلف حجم البروتين وفقًا لعدد الجلوتامين في البروتين الطافر ، ولكن يحتوي البروتين من النوع البري على أكثر من 3100 أمينو. ويبلغ وزنها الجزيئي حوالي 350.000 دا. وظيفتها الدقيقة غير معروفة ، ولكن تم العثور على هنتنغتين في الخلايا العصبية ، مع أعلى مستوى في الدماغ. يُعتقد أنه ربما يلعب أدوارًا في النقل والإشارة والحماية من موت الخلايا المبرمج. هنتنغتين مطلوب أيضًا للتطور الجنيني المبكر. داخل الخلية ، تم العثور على هنتنغتين موضعيًا بشكل أساسي مع الأنابيب الدقيقة والحويصلات.

كرر ثلاثي النوكليوتيدات

يحتوي جين هنتنغتين على العديد من النسخ من تسلسل CAG (الذي يُسمى يتكرر ثلاثي النوكليوتيد) ، والذي يرمز إلى العديد من الجلوتامين في البروتين. ينشأ مرض هنتنغتون عندما يتم إنشاء نسخ إضافية من تسلسل CAG عندما يتم نسخ الحمض النووي للجين. يمكن أن يحدث توسع التسلسلات المتكررة بسبب انزلاق البوليميراز بالنسبة لقالب الحمض النووي أثناء النسخ المتماثل. نتيجة لذلك ، يمكن عمل نسخ إضافية متعددة من تكرار ثلاثي النوكليوتيد ، مما ينتج عنه بروتينات بأعداد متغيرة من بقايا الجلوتامين. يمكن تحمل ما يصل إلى 35 تكرارًا دون مشاكل. يمكن أن يزداد عدد التكرارات على مدار حياة الشخص ، ومع ذلك ، بنفس الآلية. يبدأ الأفراد الذين لديهم 36-40 تكرارًا في إظهار علامات المرض وإذا كان هناك أكثر من 40 عامًا ، فسيكون المرض موجودًا.

المرافقون الجزيئية

تتجلى أهمية الطي المناسب للبروتينات من خلال الأمراض المرتبطة بالبروتينات المشوهة ، لذا فليس من المستغرب إذن أن تستهلك الخلايا الطاقة لتسهيل الطي المناسب للبروتينات. تستخدم الخلايا فئتين من البروتينات المعروفة باسم المرافق الجزيئية ، لتسهيل هذا الطي في الخلايا. المرافقات الجزيئية من نوعين ، المرافقات والمرافقات. مثال على الفئة الأولى هو فئة البروتينات Hsp70. يشير Hsp إلى "بروتين الصدمة الحرارية" ، استنادًا إلى حقيقة أن هذه البروتينات قد لوحظت لأول مرة بكميات كبيرة في الخلايا التي تعرضت لفترة وجيزة لدرجات حرارة عالية. تعمل Hsps لمساعدة الخلايا في الضغوط الناتجة عن الصدمة الحرارية والتعرض لظروف الأكسدة أو المعادن الثقيلة السامة ، مثل الكادميوم والزئبق. ومع ذلك ، فإنها تلعب أيضًا دورًا مهمًا في الظروف العادية ، حيث تساعد في الطي المناسب لعديد الببتيدات عن طريق منع التفاعلات الشاذة التي يمكن أن تؤدي إلى سوء التشكيل أو التجميع. تم العثور على بروتينات Hsp70 في جميع الخلايا تقريبًا وتستخدم التحلل المائي ATP لتحفيز التغييرات الهيكلية في شكل المرافقة لاستيعاب ارتباط بروتينات الركيزة. يحتوي مجال الربط لـ Hsp70s على هيكل برميل يلتف حول سلسلة البولي ببتيد من الركيزة وله صلة بسلاسل جانبية كارهة للماء من الأحماض الأمينية. كما هو مبين في الشكل 2.50 ، يرتبط Hsp70 بعديد الببتيدات عند ظهورها من الريبوسومات أثناء تخليق البروتين. يحفز ارتباط الركيزة التحلل المائي لـ ATP وهذا يتم تسهيله بواسطة بروتين آخر للصدمة الحرارية يُعرف باسم Hsp40. يتسبب التحلل المائي لـ ATP في أن يتخذ Hsp70 شكلًا مغلقًا يساعد على حماية البقايا الكارهة للماء ومنع التجميع أو سوء التشكيل الموضعي.

بعد اكتمال تخليق البروتين ، يتم تحرير ADP واستبداله بـ ATP وهذا يؤدي إلى إطلاق بروتين الركيزة ، والذي يسمح بعد ذلك لبولي ببتيد كامل الطول أن يطوي بشكل صحيح.

في صدمة الحرارة

في أوقات الصدمة الحرارية أو الإجهاد التأكسدي ، ترتبط بروتينات Hsp70 بالمناطق الكارهة للماء من البروتينات لمنعها بالمثل من التكدس والسماح لها بإعادة الطي بشكل صحيح. عندما تتلف البروتينات ، يجند Hsp70 الإنزيمات التي تنتشر في البروتين التالف لاستهدافها للتدمير في البروتيازومات. وهكذا ، تلعب بروتينات Hsp70 دورًا مهمًا في ضمان ليس فقط أن البروتينات مطوية بشكل صحيح ، ولكن البروتينات التالفة أو غير الوظيفية تتم إزالتها عن طريق التحلل في البروتيازوم.

Chaperonins

تُعرف الفئة الثانية من البروتينات المشاركة في مساعدة البروتينات الأخرى على الانطواء بشكل صحيح باسم chaperonins. هناك فئتان أساسيتان من المرافقات - الفئة الأولى (الموجودة في البكتيريا ، والبلاستيدات الخضراء ، والميتوكوندريا) والفئة الثانية (الموجودة في العصارة الخلوية لحقيقيات النوى والبكتيريا البدائية). أفضل المرافق التي تمت دراستها هي البروتينات المعقدة GroEL / GroES الموجودة في البكتيريا (الشكل 2.51).

قد لا يكون GroEL / GroES قادرًا على التراجع عن البروتينات المجمعة ، ولكن من خلال تسهيل الطي المناسب ، فإنه يوفر منافسة للتشكيل الخاطئ كعملية ويمكن أن يقلل أو يقضي على المشكلات الناشئة عن الطي غير المناسب. GroEL عبارة عن حلقة مزدوجة 14mer مع منطقة كارهة للماء يمكن أن تسهل طي الركائز بحجم 15-60 كيلو دالتون. GroES عبارة عن heptamer مفرد يرتبط بـ GroEL في وجود ATP ويعمل كغطاء فوق GroEL. يؤدي التحلل المائي لـ ATP بواسطة المرافقات إلى تغييرات توافقية كبيرة تؤثر على ارتباط بروتينات الركيزة وطيها. من غير المعروف بالضبط كيف تطوي المرافقات البروتينات. تفترض النماذج السلبية أن مجمع chaperonin يعمل بشكل خامل عن طريق منع التفاعلات غير المواتية بين الجزيئات أو وضع قيود على المساحات المتاحة لحدوث الطي. تقترح النماذج النشطة أن التغييرات الهيكلية في مجمع chaperonin تؤدي إلى تغييرات هيكلية في بروتين الركيزة.

انهيار البروتين

مركب بروتين آخر له وظيفة مهمة في ديناميات عمر البروتينات هو البروتيازوم (الشكل 2.52). تعمل البروتيازومات ، الموجودة في جميع حقيقيات النوى والعتيقات ، وكذلك بعض البكتيريا ، على تكسير البروتينات غير الضرورية أو التالفة عن طريق التحلل البروتيني. تساعد البروتيازومات على تنظيم تركيز بعض البروتينات وتحطيم البروتينات المشوهة. يلعب مسار التحلل البروتيني دورًا مهمًا في العمليات الخلوية التي تشمل التقدم خلال دورة الخلية ، وتعديل التعبير الجيني ، والاستجابة لضغوط الأكسدة.

يؤدي التحلل في البروتوزوم إلى إنتاج ببتيدات قصيرة من سبعة إلى ثمانية أحماض أمينية. يلعب بروتياز ثريونين أدوارًا مهمة. ينتج عن انهيار هذه الببتيدات أحماض أمينية فردية ، مما يسهل إعادة تدويرها في الخلايا. تستهدف البروتينات التحلل في البروتيازومات حقيقية النواة عن طريق الارتباط بنسخ متعددة من بروتين صغير يسمى يوبيكويتين (8.5 كيلو دالتون - 76 من الأحماض الأمينية). يُعرف الإنزيم الذي يحفز التفاعل باسم ubiquitin ligase. ترتبط سلسلة البوليوبيكويتين الناتجة بالبروتوزوم ويبدأ التحلل. تم تسمية Ubiquitin بسبب وجوده في كل مكان في الخلايا حقيقية النواة.

يوبيكويتين

Ubiquitin (الشكل 2.53) هو بروتين صغير متعدد الوظائف (8.5 كيلو دالتون) موجود في الخلايا حقيقية النواة. يضاف عادة إلى البروتينات المستهدفة عن طريق عمل إنزيمات يوبيكويتين ليغاز (E3 في الشكل 2.54). يمكن إضافة جزيء يوبيكويتين واحد (تواجد) أو العديد من جزيئات يوبيكويتين. يتم إرفاق يوبيكويتين من خلال السلسلة الجانبية لواحدة من سبع بقايا ليسين مختلفة في يوبيكويتين.

إن إضافة اليوبيكويتين إلى البروتينات لها تأثيرات عديدة ، أشهرها استهداف البروتين للتحلل في البروتيازوم. يُلاحظ استهداف البروتيزومال عندما يحدث تعدد المواضع في اللايسين # 29 و 48. يمكن أن يؤدي التعدد متعدد المواضع أو التواجد الأحادي في اللايسينات الأخرى إلى تغيير الموقع الخلوي وتغيير تفاعلات البروتين البروتين. قد يغير هذا الأخير يؤثر على الالتهاب ، والاتجار بالبطانة ، والترجمة وإصلاح الحمض النووي.

عطل Ubiquitin ligase

باركين هو بروتين مرتبط بمرض باركنسون والذي ، عند تحوره ، يرتبط بشكل وراثي من المرض يسمى مرض باركنسون الصبغي الجسدي المتنحي الصغير.وظيفة البروتين غير معروفة ، لكنها أحد مكونات نظام E3 ubiquitin ligase المسؤول عن نقل يوبيكويتين من بروتين E2 إلى سلسلة جانبية ليسين على البروتين المستهدف. يُعتقد أن الطفرات في باركين تؤدي إلى خلل وظيفي في البروتوز وما يترتب على ذلك من عدم القدرة على تحطيم البروتينات الضارة بالخلايا العصبية الدوبامينية. يؤدي هذا إلى موت أو خلل في هذه الخلايا العصبية ، مما يؤدي إلى الإصابة بمرض باركنسون.

البروتينات المضطربة جوهريا

فيلم 2.1 - الحركة الديناميكية للسيتوكروم ج في المحلول ويكيبيديا

كما يتضح من العديد من الأمثلة الموصوفة في مكان آخر من الكتاب ، فإن البنية ثلاثية الأبعاد للبروتينات مهمة لوظيفتها. ولكن ، بشكل متزايد ، أصبح من الواضح أنه لا يتم طي كل البروتينات في بنية مستقرة. أظهرت الدراسات التي أجريت على ما يسمى بالبروتينات المضطربة جوهريًا (IDPs) في العقدين الماضيين أن العديد من البروتينات نشطة بيولوجيًا ، حتى أنها اعتقدت أنها تفشل في الانطواء إلى بنى مستقرة. ومع ذلك ، فإن البروتينات الأخرى تظهر مناطق تظل مكشوفة (مناطق IDP) حتى عندما يتم طي بقية البولي ببتيد في شكل منظم.

في الواقع ، كانت البروتينات المضطربة جوهريًا والمناطق المضطربة داخل البروتينات معروفة منذ سنوات عديدة ، ولكن تم اعتبارها شذوذًا. في الآونة الأخيرة فقط ، مع إدراك أن مناطق النازحين داخليًا والنازحين داخليًا منتشرة على نطاق واسع بين البروتينات حقيقية النواة ، تم الاعتراف بأن الاضطراب المرصود هو "سمة وليست خلل".

فيلم 2.2 SUMO-1 ، بروتين به أقسام مضطربة جوهريًا ويكيبيديا

تظهر مقارنة النازحين داخليًا أنهم يشتركون في خصائص التسلسل التي يبدو أنها تفضل حالتهم المضطربة. وهذا يعني ، كما أن بعض متواليات الأحماض الأمينية قد تفضل طي بولي ببتيد في بنية معينة ، فإن تسلسل الأحماض الأمينية للأشخاص النازحين داخليًا يفضل بقاءهم غير مكشوف. يُنظر إلى مناطق النازحين داخليًا على أنها منخفضة في المخلفات الكارهة للماء وغنية بشكل غير عادي بالمخلفات القطبية والبرولين. إن وجود عدد كبير من الأحماض الأمينية المشحونة في الأشخاص النازحين داخليًا يمكن أن يمنع الطي من خلال تنافر الشحنة ، في حين أن عدم وجود بقايا كارهة للماء يجعل من الصعب تكوين قلب مستقر مسعور ، ويثبط البرولين تشكيل الهياكل الحلزونية. تم استخدام الفروق الملحوظة بين متواليات الأحماض الأمينية في الأشخاص النازحين داخليًا والبروتينات المهيكلة لتصميم خوارزميات للتنبؤ بما إذا كان تسلسل حمض أميني معين سيكون مضطربًا.

ما هي أهمية البروتينات أو المناطق المضطربة جوهريًا؟ تشير حقيقة أن هذه الخاصية مشفرة في تسلسل الأحماض الأمينية الخاصة بهم إلى أن اضطرابهم قد يكون مرتبطًا بوظائفهم. قد تلعب الطبيعة المرنة والمتنقلة لبعض مناطق النازحين داخليًا دورًا حاسمًا في وظيفتها ، مما يسمح بالانتقال إلى هيكل مطوي عند ربط شريك البروتين أو الخضوع لتعديل ما بعد الترجمة. تشير الدراسات التي أجريت على العديد من البروتينات المعروفة جيدًا في مناطق الأشخاص النازحين داخليًا إلى بعض الإجابات. قد تعزز مناطق IDP قدرة البروتينات مثل مثبط lac على الانتقال على طول الحمض النووي للبحث عن مواقع ربط محددة. يمكن أن تكون مرونة الأشخاص النازحين داخليًا أيضًا ميزة في تفاعلات البروتين والبروتين ، خاصة بالنسبة للبروتينات المعروفة بالتفاعل مع العديد من شركاء البروتين المختلفين.

على سبيل المثال ، يحتوي p53 على مناطق نازحة قد تسمح للبروتين بالتفاعل مع مجموعة متنوعة من الشركاء الوظيفيين. تشير مقارنة الوظائف المعروفة للبروتينات مع تنبؤات الاضطراب في هذه البروتينات إلى أن مناطق النازحين داخليًا والنازحين داخليًا قد تعمل بشكل غير متناسب في إرسال الإشارات والتنظيم ، بينما تميل البروتينات الأكثر تنظيمًا نحو الأدوار في التحفيز والنقل. ومن المثير للاهتمام ، أنه من المتوقع أن تحتوي العديد من البروتينات الموجودة في كل من الريبوسومات و spliceosomes على مناطق نازحة قد تلعب دورًا في التجميع الصحيح لهذه المجمعات. على الرغم من أن الأشخاص النازحين داخليًا لم يتم دراستهم بشكل مكثف لفترة طويلة جدًا ، إلا أن القليل المعروف عنهم يشير إلى أنهم يلعبون دورًا مهمًا لا يستهان به في الخلايا.

البروتينات المتحولة

مجموعة أخرى من البروتينات التي غيرت تفكيرنا مؤخرًا حول بنية البروتين ووظيفته هي ما يسمى بالبروتينات المتحولة. هذه البروتينات قادرة على تكوين أكثر من حالة مستقرة مطوية تبدأ بتسلسل أحماض أمينية واحدة. على الرغم من أنه من الصحيح أن التطابق المتعدد لا يستبعده قوانين الفيزياء والكيمياء ، فإن البروتينات المتحولة هي اكتشاف جديد نسبيًا. كان معروفًا ، بالطبع ، أن بروتينات البريون كانت قادرة على الانطواء إلى هياكل بديلة ، ولكن يبدو أن البروتينات المتحولة قادرة على التبديل ذهابًا وإيابًا بين هيكلين مستقرين. بينما في بعض الحالات ، يخضع البروتين المتحول لهذا التبديل استجابةً لربط جزيء آخر ، وبعض البروتينات يمكنها تحقيق هذا الانتقال بمفردها. مثال مثير للاهتمام هو جزيء الإشارة ، lymphotactin. يحتوي Lymphotactin على وظيفتين بيولوجيتين يتم تنفيذهما بواسطة المطابقين - شكل أحادي يربط مستقبلات lymphotactin وشكل خافت يربط الهيبارين. من الممكن أن يكون هذا النوع من التبديل أكثر انتشارًا مما كان يُعتقد.

إعادة تشكيل البروتينات المشوهة

جميع المعلومات الخاصة بطي البروتين موجودة في تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين. قد يبدو من الغريب إذن أن معظم البروتينات لا تنثني إلى شكلها الصحيح والنشط تمامًا بعد أن يتم تغيير طبيعتها +++ وإزالة المفسد. القليل يفعل ، في الواقع. أحد الأمثلة الجيدة هو ريبونوكلياز الأبقار (الشكل 2.55). نشاطه التحفيزي مقاوم جدًا للحرارة واليوريا ومحاولات إفسادها لا تعمل بشكل جيد. ومع ذلك ، إذا عالج المرء الإنزيم بـ β-mercaptoethanol (الذي يكسر روابط ثاني كبريتيد) قبل معالجة اليوريا و / أو التسخين ، فسيتم فقد النشاط ، مما يشير إلى أن روابط ثاني كبريتيد التساهمية تساعد في استقرار بنية الإنزيم الكلية وعندما يتم كسرها ، يمكن أن يحدث تمسخ. تحدث بسهولة. عندما يبرد الخليط مرة أخرى إلى درجة حرارة الغرفة ، بمرور الوقت ، يظهر بعض نشاط الإنزيم مرة أخرى ، مما يشير إلى إعادة طي الريبونوكليز في ظل الظروف الجديدة.

ومن المثير للاهتمام ، أن إعادة التشبع ستحدث إلى أقصى حد إذا تركت كمية ضئيلة من مركابتوإيثانول في المحلول أثناء العملية. والسبب في ذلك هو أن β- يسمح المركابتوإيثانول بتقليل (وكسر) روابط ثاني كبريتيد العرضية غير الصحيحة أثناء عملية الطي. بدونها ، ستمنع روابط ثاني كبريتيد هذه الطيات المناسبة من التكوين.

لا رجعة فيه تمسخ

ومع ذلك ، فإن معظم الإنزيمات لا تتصرف مثل ريبونوكلياز البقري. بمجرد تغيير طبيعة نشاطهم ، لا يمكن استرداد نشاطهم إلى أي درجة كبيرة. لا توجد طرق كثيرة جدًا لإلغاء تنشيط RNase ، فهو مستقر عندما يكون الجو حارًا أو باردًا لأن ثاني كبريتيدات يتم تثبيته بإحكام إذا كنت ترغب في إيقافه ، استخدم درجة مركابتوإيثانول الساخنة. قد يبدو أن هذا يتعارض مع فكرة طي المعلومات التي تكون متأصلة في تسلسل الأحماض الأمينية في البروتين. لم يحدث ذلك.

معظم الإنزيمات لا تُطوى بشكل صحيح بعد التمسخ لسببين. أولاً ، قد يحدث الطي الطبيعي أثناء صنع البروتينات. لا يتم "الخلط" بين التفاعلات بين الأحماض الأمينية في وقت مبكر من عملية التوليف من خلال التفاعلات مع الأحماض الأمينية في وقت لاحق من عملية التوليف لأن هذه الأحماض الأمينية غير موجودة عند بدء العملية.

دور الوصيفات

في حالات أخرى ، اعتمدت عملية طي بعض البروتينات في الخلية على عمل بروتينات المرافقة (انظر هنا). في حالة عدم وجود المرافقين ، تحدث التفاعلات التي قد تؤدي إلى حدوث خلل ، وبالتالي منع الطي المناسب. وبالتالي ، فإن الطي المبكر ومساعدة المرافقين يقضيان على بعض تفاعلات "الطي الخاطئ" المحتملة التي يمكن أن تحدث إذا كان التسلسل بأكمله موجودًا عند بدء الطي.

هيكل رباعي

المستوى الرابع من بنية البروتين هو المستوى الرباعي. يشير إلى الهياكل التي تنشأ نتيجة التفاعلات بين عديد الببتيدات. يمكن أن تكون الوحدات نسخًا متعددة متطابقة أو يمكن أن تكون سلاسل متعددة الببتيد مختلفة. الهيموغلوبين البالغ هو مثال جيد للبروتين ذو البنية الرباعية ، ويتكون من سلسلتين متطابقتين تسمى α وسلسلتين متطابقتين تسمى β.

على الرغم من أن سلاسل α متشابهة جدًا مع سلاسل β ، إلا أنها ليست متطابقة. ترتبط كل من السلاسل α- و أيضًا بسلسلة البولي ببتيد المفردة في البروتين ذي الصلة المسمى الميوجلوبين. كل من الميوجلوبين والهيموجلوبين لهما تشابه في ارتباط الأكسجين ، لكن سلوكهما تجاه الجزيء يختلف بشكل كبير. وتجدر الإشارة إلى أن الوحدات الفرعية المتعددة للهيموجلوبين (ذات البنية الرباعية) مقارنة بالوحدة الفرعية المفردة للميوجلوبين (بدون بنية رباعية) تؤدي إلى هذه الاختلافات.

مراجع

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Van_der_W aals_force 105


2.3 الجزيئات البيولوجية

تسمى الجزيئات الكبيرة الضرورية للحياة التي يتم بناؤها من جزيئات عضوية أصغر الجزيئات البيولوجية الضخمة. هناك أربع فئات رئيسية من الجزيئات البيولوجية الضخمة (الكربوهيدرات ، والدهون ، والبروتينات ، والأحماض النووية) ، وكل منها مكون مهم في الخلية ويؤدي مجموعة واسعة من الوظائف. تشكل هذه الجزيئات مجتمعة غالبية كتلة الخلية. الجزيئات البيولوجية هي جزيئات عضوية ، مما يعني أنها تحتوي على الكربون (مع بعض الاستثناءات ، مثل ثاني أكسيد الكربون). بالإضافة إلى ذلك ، قد تحتوي على الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والفوسفور والكبريت وعناصر ثانوية إضافية.

كربون

كثيرا ما يقال أن الحياة "قائمة على الكربون". هذا يعني أن ذرات الكربون ، المرتبطة بذرات كربون أخرى أو عناصر أخرى ، تشكل المكونات الأساسية للعديد ، إن لم يكن معظم ، الجزيئات الموجودة بشكل فريد في الكائنات الحية. تلعب العناصر الأخرى أدوارًا مهمة في الجزيئات البيولوجية ، لكن الكربون مؤهل بالتأكيد كعنصر "أساسي" للجزيئات في الكائنات الحية. إن خصائص الترابط لذرات الكربون هي المسؤولة عن دورها المهم.

ترابط الكربون

يحتوي الكربون على أربعة إلكترونات في غلافه الخارجي. لذلك ، يمكن أن تشكل أربع روابط تساهمية مع ذرات أو جزيئات أخرى. أبسط جزيء كربون عضوي هو الميثان (CH4) ، حيث ترتبط أربع ذرات هيدروجين بذرة كربون (الشكل 2.13).

ومع ذلك ، فإن الهياكل الأكثر تعقيدًا مصنوعة باستخدام الكربون. يمكن استبدال أي من ذرات الهيدروجين بذرة كربون أخرى مرتبطة تساهميًا بأول ذرة كربون. بهذه الطريقة ، يمكن صنع سلاسل طويلة ومتفرعة من مركبات الكربون (الشكل 2.14أ). قد ترتبط ذرات الكربون بذرات عناصر أخرى ، مثل النيتروجين والأكسجين والفوسفور (الشكل 2.14ب). قد تشكل الجزيئات أيضًا حلقات ، والتي يمكن أن ترتبط بحد ذاتها بحلقات أخرى (الشكل 2.14ج). هذا التنوع في الأشكال الجزيئية يفسر تنوع وظائف الجزيئات البيولوجية الكبيرة ويستند إلى درجة كبيرة على قدرة الكربون على تكوين روابط متعددة مع نفسه ومع الذرات الأخرى.

الكربوهيدرات

الكربوهيدرات هي جزيئات كبيرة مألوفة لمعظم المستهلكين إلى حد ما. لفقدان الوزن ، يلتزم بعض الأفراد بالوجبات الغذائية "منخفضة الكربوهيدرات". على النقيض من ذلك ، غالبًا ما يكون الرياضيون "حمولة الكربوهيدرات" قبل المنافسات المهمة للتأكد من أن لديهم طاقة كافية للمنافسة على مستوى عالٍ. تعتبر الكربوهيدرات ، في الواقع ، جزءًا أساسيًا من نظامنا الغذائي ، فالحبوب والفواكه والخضروات كلها مصادر طبيعية للكربوهيدرات. توفر الكربوهيدرات الطاقة للجسم ، وخاصة من خلال الجلوكوز ، وهو سكر بسيط. للكربوهيدرات أيضًا وظائف مهمة أخرى في الإنسان والحيوان والنبات.

يمكن تمثيل الكربوهيدرات بالصيغة (CH2س)ن، أين ن هو عدد ذرات الكربون في الجزيء. بمعنى آخر ، نسبة الكربون إلى الهيدروجين إلى الأكسجين هي 1: 2: 1 في جزيئات الكربوهيدرات. يتم تصنيف الكربوهيدرات إلى ثلاثة أنواع فرعية: السكريات الأحادية ، والسكريات الثنائية ، والسكريات المتعددة.

السكريات الأحادية (mono- = "one" sacchar- = "sweet") هي سكريات بسيطة ، وأكثرها شيوعًا هو الجلوكوز. في السكريات الأحادية ، يتراوح عدد ذرات الكربون عادةً من ثلاثة إلى ستة. تنتهي معظم أسماء السكريات الأحادية باللاحقة -ose. اعتمادًا على عدد ذرات الكربون في السكر ، يمكن أن تُعرف باسم ثلاثيات (ثلاث ذرات كربون) ، وخماسيات (خمس ذرات كربون) ، و hexoses (ست ذرات كربون).

قد توجد السكريات الأحادية كسلسلة خطية أو كجزيئات على شكل حلقة في المحاليل المائية ، وعادة ما توجد في شكل الحلقة.

الصيغة الكيميائية للجلوكوز هي C6ح12ا6. في معظم الأنواع الحية ، يعتبر الجلوكوز مصدرًا مهمًا للطاقة. أثناء التنفس الخلوي ، يتم إطلاق الطاقة من الجلوكوز ، وتستخدم هذه الطاقة للمساعدة في صنع ثلاثي فوسفات الأدينوزين (ATP). تصنع النباتات الجلوكوز باستخدام ثاني أكسيد الكربون والماء من خلال عملية التمثيل الضوئي ، ويستخدم الجلوكوز بدوره لتلبية متطلبات الطاقة للنبات. غالبًا ما يتم تخزين الجلوكوز المركب الزائد على هيئة نشا يتم تكسيره بواسطة الكائنات الحية الأخرى التي تتغذى على النباتات.

يعد الجالاكتوز (جزء من اللاكتوز أو سكر الحليب) والفركتوز (الموجود في الفاكهة) من السكريات الأحادية الشائعة الأخرى. على الرغم من أن الجلوكوز والجلاكتوز والفركتوز جميعها لها نفس الصيغة الكيميائية (C6ح12ا6) ، فهي تختلف هيكليًا وكيميائيًا (وتعرف باسم الأيزومرات) بسبب اختلاف ترتيبات الذرات في سلسلة الكربون (الشكل 2.15).

تتشكل السكريات الثنائية (di- = “two”) عندما يخضع اثنان من السكريات الأحادية لتفاعل الجفاف (تفاعل يحدث فيه إزالة جزيء الماء). خلال هذه العملية ، تتحد مجموعة الهيدروكسيل (–OH) لأحد السكريات الأحادية مع ذرة هيدروجين من سكاريد أحادي آخر ، مما يؤدي إلى إطلاق جزيء من الماء (H2O) وتشكيل رابطة تساهمية بين الذرات في جزيئي السكر.

تشمل المركبات السكرية الشائعة اللاكتوز والمالتوز والسكروز. اللاكتوز هو ثنائي السكاريد يتكون من مونومرات الجلوكوز والجلاكتوز. يوجد بشكل طبيعي في الحليب. المالتوز ، أو سكر الشعير ، عبارة عن ثنائي السكاريد يتكون من تفاعل الجفاف بين جزيئين من الجلوكوز. السكاريد الأكثر شيوعًا هو السكروز ، أو سكر المائدة ، والذي يتكون من مونومرات الجلوكوز والفركتوز.

تُعرف سلسلة طويلة من السكريات الأحادية المرتبطة بالروابط التساهمية باسم عديد السكاريد (متعدد - = "كثير"). قد تكون السلسلة متفرعة أو غير متفرعة ، وقد تحتوي على أنواع مختلفة من السكريات الأحادية. قد تكون السكريات عبارة عن جزيئات كبيرة جدًا. النشا والجليكوجين والسليلوز والكيتين أمثلة على السكريات.

النشا هو الشكل المخزن للسكريات في النباتات ويتكون من الأميلوز والأميلوبكتين (كلاهما بوليمرات الجلوكوز). النباتات قادرة على تصنيع الجلوكوز ، ويتم تخزين الجلوكوز الزائد كنشا في أجزاء نباتية مختلفة ، بما في ذلك الجذور والبذور. يتم تقسيم النشا الذي تستهلكه الحيوانات إلى جزيئات أصغر ، مثل الجلوكوز. يمكن للخلايا بعد ذلك امتصاص الجلوكوز.

الجليكوجين هو شكل تخزين الجلوكوز في البشر والفقاريات الأخرى ، ويتكون من مونومرات الجلوكوز. الجليكوجين هو المكافئ الحيواني للنشا وهو جزيء شديد التشعب يتم تخزينه عادة في خلايا الكبد والعضلات. عندما تنخفض مستويات الجلوكوز ، يتم تكسير الجليكوجين لتحرير الجلوكوز.

السليلوز هو أحد البوليمرات الحيوية الطبيعية الأكثر وفرة. تتكون جدران خلايا النباتات في الغالب من السليلوز ، والذي يوفر الدعم الهيكلي للخلية. الخشب والورق في الغالب من السليلوز في الطبيعة. يتكون السليلوز من مونومرات الجلوكوز التي ترتبط بروابط بين ذرات كربون معينة في جزيء الجلوكوز.

يتم قلب كل مونومر جلوكوز آخر في السليلوز وتعبئته بإحكام كسلاسل طويلة ممتدة. وهذا يعطي السليلوز صلابة وقوة شد عالية - وهو أمر مهم جدًا للخلايا النباتية. يسمى السليلوز الذي يمر عبر الجهاز الهضمي بالألياف الغذائية. في حين أن روابط الجلوكوز والجلوكوز في السليلوز لا يمكن تكسيرها بواسطة الإنزيمات الهضمية البشرية ، فإن الحيوانات العاشبة مثل الأبقار والجاموس والخيول قادرة على هضم العشب الغني بالسليلوز واستخدامه كمصدر للغذاء. في هذه الحيوانات ، توجد أنواع معينة من البكتيريا في الجهاز الهضمي للحيوانات العاشبة وتفرز إنزيم السليلوز. يحتوي الملحق أيضًا على بكتيريا تكسر السليلوز ، مما يعطيها دورًا مهمًا في الجهاز الهضمي لبعض الحيوانات المجترة. يمكن أن تحلل السليولاز السليلوز إلى مونومرات جلوكوز يمكن للحيوان استخدامها كمصدر للطاقة.

تؤدي الكربوهيدرات وظائف أخرى في الحيوانات المختلفة. المفصليات ، مثل الحشرات والعناكب وسرطان البحر ، لها هيكل عظمي خارجي ، يسمى الهيكل الخارجي ، والذي يحمي أجزاء الجسم الداخلية. يتكون هذا الهيكل الخارجي من جزيء الكيتين البيولوجي ، وهو كربوهيدرات نيتروجينية. وهي مصنوعة من وحدات مكررة من السكر المعدل المحتوي على النيتروجين.

وبالتالي ، من خلال الاختلافات في التركيب الجزيئي ، يمكن للكربوهيدرات أن تخدم الوظائف المختلفة جدًا لتخزين الطاقة (النشا والجليكوجين) والدعم الهيكلي والحماية (السليلوز والكيتين) (الشكل 2.16).

الاتصال الوظيفي

اختصاصي تغذية مسجلة

السمنة هي مصدر قلق صحي في جميع أنحاء العالم ، والعديد من الأمراض ، مثل مرض السكري وأمراض القلب ، أصبحت أكثر انتشارًا بسبب السمنة. هذا هو أحد أسباب طلب أخصائيي التغذية المسجلين بشكل متزايد للحصول على المشورة. يساعد أخصائيو التغذية المسجلين في تخطيط برامج الغذاء والتغذية للأفراد في أماكن مختلفة. غالبًا ما يعملون مع المرضى في مرافق الرعاية الصحية ، ويصممون خطط التغذية للوقاية من الأمراض وعلاجها. على سبيل المثال ، قد يقوم اختصاصيو التغذية بتعليم مريض السكري كيفية التحكم في مستويات السكر في الدم عن طريق تناول الأنواع والكميات الصحيحة من الكربوهيدرات. قد يعمل اختصاصيو التغذية أيضًا في دور رعاية المسنين والمدارس والممارسات الخاصة.

لكي يصبح المرء اختصاصي تغذية مسجلاً ، يحتاج المرء إلى الحصول على درجة البكالوريوس على الأقل في علم التغذية أو التغذية أو تكنولوجيا الغذاء أو أي مجال ذي صلة. بالإضافة إلى ذلك ، يجب على اختصاصيي التغذية المسجلين إكمال برنامج تدريب تحت الإشراف واجتياز اختبار وطني. أولئك الذين يتابعون وظائف في علم التغذية يأخذون دورات في التغذية والكيمياء والكيمياء الحيوية وعلم الأحياء وعلم الأحياء الدقيقة وعلم وظائف الأعضاء البشرية. يجب أن يصبح أخصائيو التغذية خبراء في كيمياء ووظائف الطعام (البروتينات والكربوهيدرات والدهون).

الدهون

تشتمل الدهون على مجموعة متنوعة من المركبات التي توحدها سمة مشتركة. الدهون كارهة للماء ("تخشى الماء") ، أو غير قابلة للذوبان في الماء ، لأنها جزيئات غير قطبية. هذا لأنها هيدروكربونات تتضمن فقط روابط كربون-كربون غير قطبية أو روابط كربون-هيدروجين. تؤدي الدهون وظائف مختلفة في الخلية. تخزن الخلايا الطاقة للاستخدام طويل الأمد في شكل دهون تسمى الدهون. توفر الدهون أيضًا عزلًا عن البيئة للنباتات والحيوانات (الشكل 2.17). على سبيل المثال ، تساعد في الحفاظ على الطيور المائية والثدييات جافة بسبب طبيعتها المقاومة للماء. الدهون هي أيضًا اللبنات الأساسية للعديد من الهرمونات وهي مكون مهم لغشاء البلازما. تشمل الدهون الدهون والزيوت والشموع والفوسفوليبيد والمنشطات.

يتكون جزيء الدهون ، مثل الدهون الثلاثية ، من مكونين رئيسيين - الجلسرين والأحماض الدهنية.الجلسرين مركب عضوي به ثلاث ذرات كربون وخمس ذرات هيدروجين وثلاث مجموعات هيدروكسيل (–OH). تحتوي الأحماض الدهنية على سلسلة طويلة من الهيدروكربونات التي ترتبط بها مجموعة كربوكسيل حمضية ، ومن هنا جاء اسم "الأحماض الدهنية". قد يتراوح عدد الكربون في الأحماض الدهنية من 4 إلى 36 وأكثرها شيوعًا هي تلك التي تحتوي على 12-18 ذرة كربون. في جزيء الدهون ، يرتبط حمض دهني بكل من ذرات الأكسجين الثلاث في مجموعات –OH لجزيء الجلسرين برابطة تساهمية (الشكل 2.18).

أثناء تكوين الرابطة التساهمية هذه ، يتم إطلاق ثلاثة جزيئات ماء. قد تكون الأحماض الدهنية الثلاثة في الدهون متشابهة أو غير متشابهة. تسمى هذه الدهون أيضًا بالدهون الثلاثية لأنها تحتوي على ثلاثة أحماض دهنية. بعض الأحماض الدهنية لها أسماء شائعة تحدد أصلها. على سبيل المثال ، حمض البالمتيك ، وهو حمض دهني مشبع ، مشتق من شجرة النخيل. مشتق من حمض الأراكيدك Arachis hypogaea، الاسم العلمي للفول السوداني.

قد تكون الأحماض الدهنية مشبعة أو غير مشبعة. في سلسلة الأحماض الدهنية ، إذا كان هناك روابط مفردة فقط بين الكربون المتجاور في سلسلة الهيدروكربون ، فإن الحمض الدهني يكون مشبعًا. الأحماض الدهنية المشبعة مشبعة بالهيدروجين وبعبارة أخرى ، يتم زيادة عدد ذرات الهيدروجين المرتبطة بهيكل الكربون.

عندما تحتوي سلسلة الهيدروكربون على رابطة مزدوجة ، فإن الأحماض الدهنية عبارة عن حمض دهني غير مشبع.

معظم الدهون غير المشبعة سائلة في درجة حرارة الغرفة وتسمى بالزيوت. إذا كان هناك رابطة مزدوجة واحدة في الجزيء ، فإنها تُعرف باسم الدهون الأحادية غير المشبعة (على سبيل المثال ، زيت الزيتون) ، وإذا كان هناك أكثر من رابطة مزدوجة واحدة ، فإنها تُعرف باسم الدهون المتعددة غير المشبعة (على سبيل المثال ، زيت الكانولا).

تميل الدهون المشبعة إلى التكتل بإحكام وتكون صلبة في درجة حرارة الغرفة. ومن الأمثلة على الدهون المشبعة الدهون الحيوانية التي تحتوي على حامض دهني وحمض النخيل الموجود في اللحوم ، والدهون المحتوية على حمض الزبد الموجود في الزبدة. تخزن الثدييات الدهون في خلايا متخصصة تسمى الخلايا الشحمية ، حيث تشغل كريات الدهون معظم الخلية. في النباتات ، يتم تخزين الدهون أو الزيت في البذور ويستخدم كمصدر للطاقة أثناء التطور الجنيني.

عادة ما تكون الدهون أو الزيوت غير المشبعة من أصل نباتي وتحتوي على أحماض دهنية غير مشبعة. تتسبب الرابطة المزدوجة في حدوث انحناء أو "تشويش" يمنع الأحماض الدهنية من التكتل بإحكام ، مما يبقيها سائلة في درجة حرارة الغرفة. زيت الزيتون وزيت الذرة وزيت الكانولا وزيت كبد الحوت أمثلة على الدهون غير المشبعة. تساعد الدهون غير المشبعة على تحسين مستويات الكوليسترول في الدم ، بينما تساهم الدهون المشبعة في تكوين الترسبات الدهنية في الشرايين ، مما يزيد من خطر الإصابة بنوبة قلبية.

في صناعة الأغذية ، يتم هدرجة الزيوت صناعيًا لجعلها شبه صلبة ، مما يؤدي إلى تقليل التلف وزيادة العمر الافتراضي. ببساطة ، يتم ضخ غاز الهيدروجين عبر الزيوت لتجميدها. أثناء عملية الهدرجة هذه ، تكون الروابط المزدوجة لـ رابطة الدول المستقلة- يمكن تحويل التكوين في سلسلة الهيدروكربون إلى روابط مزدوجة في عبر- المعلومات. هذا يشكل أ عبر- الدهون من أ رابطة الدول المستقلة-سمين. يؤثر اتجاه الروابط المزدوجة على الخواص الكيميائية للدهون (الشكل 2.19).

المارجرين وبعض أنواع زبدة الفول السوداني والسمن أمثلة على المهدرجة صناعياً عبر- الدهون. أظهرت الدراسات الحديثة أن زيادة في عبر- قد تؤدي الدهون في النظام الغذائي للإنسان إلى زيادة مستويات البروتين الدهني منخفض الكثافة (LDL) ، أو الكوليسترول "الضار" ، والذي بدوره قد يؤدي إلى ترسب البلاك في الشرايين ، مما يؤدي إلى الإصابة بأمراض القلب. ألغت العديد من مطاعم الوجبات السريعة مؤخرًا استخدام عبر-الدهون ، وملصقات الطعام الأمريكية مطلوبة الآن لإدراج عبر-محتوى الدهون.

الأحماض الدهنية الأساسية هي أحماض دهنية مطلوبة ولكن لا يصنعها جسم الإنسان. وبالتالي ، يجب استكمالها من خلال النظام الغذائي. تندرج أحماض أوميغا 3 الدهنية ضمن هذه الفئة وهي واحدة من اثنين فقط من الأحماض الدهنية الأساسية المعروفة للإنسان (الآخر هو أحماض أوميغا 6 الدهنية). إنها نوع من الدهون المتعددة غير المشبعة وتسمى أحماض أوميغا 3 الدهنية لأن الكربون الثالث من نهاية الأحماض الدهنية يشارك في رابطة مزدوجة.

يعتبر السلمون والتراوت والتونة مصادر جيدة لأحماض أوميغا 3 الدهنية. الأحماض الدهنية أوميغا 3 مهمة في وظائف المخ والنمو الطبيعي والتطور. قد تمنع أيضًا أمراض القلب وتقلل من خطر الإصابة بالسرطان.

مثل الكربوهيدرات ، تلقت الدهون الكثير من الدعاية السيئة. صحيح أن الإفراط في تناول الأطعمة المقلية والأطعمة "الدهنية" الأخرى يؤدي إلى زيادة الوزن. ومع ذلك ، فإن الدهون لها وظائف مهمة. تعمل الدهون كمخزن للطاقة على المدى الطويل. كما أنها توفر عزلًا للجسم. لذلك ، يجب استهلاك الدهون غير المشبعة "الصحية" بكميات معتدلة على أساس منتظم.

الفسفوليبيدات هي المكون الرئيسي لغشاء البلازما. مثل الدهون ، فهي تتكون من سلاسل الأحماض الدهنية المرتبطة بالجلسرين أو العمود الفقري المشابه. بدلاً من ثلاثة أحماض دهنية مرتبطة ، ومع ذلك ، هناك نوعان من الأحماض الدهنية والكربون الثالث من العمود الفقري للجليسرول مرتبط بمجموعة الفوسفات. يتم تعديل مجموعة الفوسفات بإضافة كحول.

يحتوي الفسفوليبيد على مناطق كارهة للماء ومحبة للماء. سلاسل الأحماض الدهنية كارهة للماء وتستبعد نفسها من الماء ، في حين أن الفوسفات محبة للماء وتتفاعل مع الماء.

الخلايا محاطة بغشاء يحتوي على طبقة ثنائية من الفوسفوليبيد. تواجه الأحماض الدهنية للفوسفوليبيد الداخل ، بعيدًا عن الماء ، في حين أن مجموعة الفوسفات يمكن أن تواجه البيئة الخارجية أو داخل الخلية ، وكلاهما مائي.

المنشطات والشموع

على عكس الدهون الفوسفورية والدهون التي نوقشت سابقًا ، فإن المنشطات لها هيكل حلقي. على الرغم من أنها لا تشبه الدهون الأخرى ، إلا أنها مجمعة معها لأنها أيضًا كارهة للماء. تحتوي جميع المنشطات على أربع حلقات كربون مرتبطة والعديد منها ، مثل الكوليسترول ، لها ذيل قصير.

الكوليسترول هو الستيرويد. يتم تصنيع الكوليسترول بشكل رئيسي في الكبد وهو مقدمة للعديد من هرمونات الستيرويد ، مثل التستوستيرون والإستراديول. وهو أيضًا مقدمة لفيتامينات E و K. يعتبر الكوليسترول مقدمة للأملاح الصفراوية التي تساعد في تكسير الدهون وامتصاصها لاحقًا بواسطة الخلايا. على الرغم من الحديث عن الكوليسترول في كثير من الأحيان بعبارات سلبية ، إلا أنه ضروري لعمل الجسم بشكل سليم. إنه مكون رئيسي لأغشية البلازما في الخلايا الحيوانية.

تتكون الشموع من سلسلة هيدروكربونية مع مجموعة كحول (–OH) وحمض دهني. تشمل أمثلة شموع الحيوانات شمع العسل واللانولين. تحتوي النباتات أيضًا على شمع ، مثل الطلاء الموجود على أوراقها ، والذي يساعد على منعها من الجفاف.

المفاهيم في العمل

للحصول على منظور إضافي للدهون ، استكشف "الجزيئات الحيوية: الدهون" من خلال هذه الرسوم المتحركة التفاعلية.

البروتينات

البروتينات هي واحدة من أكثر الجزيئات العضوية وفرة في الأنظمة الحية ولها مجموعة متنوعة من الوظائف لجميع الجزيئات الكبيرة. قد تكون البروتينات هيكلية أو تنظيمية أو مقلصة أو واقية قد تعمل في النقل أو التخزين أو الأغشية أو قد تكون سموم أو إنزيمات. قد تحتوي كل خلية في نظام حي على آلاف البروتينات المختلفة ، ولكل منها وظيفة فريدة. تختلف هياكلها ، مثل وظائفها ، بشكل كبير. ومع ذلك ، فهي كلها عبارة عن بوليمرات من الأحماض الأمينية ، مرتبة في تسلسل خطي.

وظائف البروتينات متنوعة للغاية لأن هناك 20 نوعًا مختلفًا من الأحماض الأمينية المميزة كيميائيًا والتي تشكل سلاسل طويلة ، ويمكن أن تكون الأحماض الأمينية بأي ترتيب. على سبيل المثال ، يمكن للبروتينات أن تعمل كإنزيمات أو هرمونات. الإنزيمات ، التي تنتجها الخلايا الحية ، هي محفزات في التفاعلات الكيميائية الحيوية (مثل الهضم) وعادة ما تكون بروتينات. كل إنزيم خاص بالركيزة (المادة المتفاعلة التي ترتبط بالإنزيم) التي يعمل عليها. يمكن أن تعمل الإنزيمات على كسر الروابط الجزيئية أو إعادة ترتيب الروابط أو تكوين روابط جديدة. مثال على الإنزيم هو الأميلاز اللعابي ، الذي يكسر الأميلوز ، وهو أحد مكونات النشا.

الهرمونات عبارة عن جزيئات إشارات كيميائية ، عادة ما تكون بروتينات أو منشطات ، تفرزها غدة صماء أو مجموعة من خلايا الغدد الصماء التي تعمل على التحكم في عمليات فسيولوجية معينة أو تنظيمها ، بما في ذلك النمو والتطور والتمثيل الغذائي والتكاثر. على سبيل المثال ، الأنسولين هو هرمون بروتيني يحافظ على مستويات السكر في الدم.

البروتينات لها أشكال مختلفة وأوزان جزيئية مختلفة ، فبعض البروتينات كروية الشكل بينما البعض الآخر ليفي بطبيعته. على سبيل المثال ، الهيموغلوبين هو بروتين كروي ، لكن الكولاجين الموجود في بشرتنا هو بروتين ليفي. شكل البروتين أمر بالغ الأهمية لوظيفته. قد تؤدي التغييرات في درجة الحرارة ودرجة الحموضة والتعرض للمواد الكيميائية إلى تغييرات دائمة في شكل البروتين ، مما يؤدي إلى فقدان الوظيفة أو تمسخ (ستتم مناقشته بمزيد من التفصيل لاحقًا). تتكون جميع البروتينات من ترتيبات مختلفة لنفس 20 نوعًا من الأحماض الأمينية.

الأحماض الأمينية هي المونومرات التي تشكل البروتينات. يحتوي كل حمض أميني على نفس البنية الأساسية ، والتي تتكون من ذرة كربون مركزية مرتبطة بمجموعة أمينية (–NH2) ، ومجموعة الكربوكسيل (–COOH) ، وذرة الهيدروجين. يحتوي كل حمض أميني أيضًا على ذرة متغيرة أخرى أو مجموعة ذرات مرتبطة بذرة الكربون المركزية المعروفة باسم المجموعة R. المجموعة R هي الاختلاف الوحيد في التركيب بين الأحماض الأمينية العشرين ، وإلا فإن الأحماض الأمينية متطابقة (الشكل 2.20).

تحدد الطبيعة الكيميائية للمجموعة R الطبيعة الكيميائية للحمض الأميني داخل بروتينها (أي ما إذا كان حمضيًا أو أساسيًا أو قطبيًا أو غير قطبي).

يحدد تسلسل وعدد الأحماض الأمينية في النهاية شكل البروتين وحجمه ووظيفته. يرتبط كل حمض أميني بحمض أميني آخر بواسطة رابطة تساهمية ، تُعرف باسم الرابطة الببتيدية ، والتي تتكون من تفاعل الجفاف. تتحد مجموعة الكربوكسيل المكونة من حمض أميني واحد والمجموعة الأمينية للحمض الأميني الثاني ، مما يؤدي إلى إطلاق جزيء ماء. الرابطة الناتجة هي رابطة الببتيد.

تسمى المنتجات التي تكونت عن طريق هذا الارتباط عديد الببتيدات. في حين أن المصطلحين متعدد الببتيد والبروتين يستخدمان أحيانًا بالتبادل ، فإن البولي ببتيد هو تقنيًا بوليمر من الأحماض الأمينية ، في حين يستخدم مصطلح البروتين للببتيد أو البولي ببتيدات التي تم دمجها معًا ، ولها شكل مميز ، ولها وظيفة فريدة.

اتصال التطور

الأهمية التطورية للسيتوكروم ج

السيتوكروم ج هو عنصر مهم في الآلية الجزيئية التي تحصد الطاقة من الجلوكوز. نظرًا لأن دور هذا البروتين في إنتاج الطاقة الخلوية أمر بالغ الأهمية ، فقد تغير قليلاً جدًا على مدى ملايين السنين. أظهر تسلسل البروتين أن هناك قدرًا كبيرًا من التشابه في التسلسل بين جزيئات السيتوكروم ج من أنواع مختلفة يمكن تقييم العلاقات التطورية عن طريق قياس أوجه التشابه أو الاختلافات بين متواليات البروتين للأنواع المختلفة.

على سبيل المثال ، قرر العلماء أن السيتوكروم ج البشري يحتوي على 104 من الأحماض الأمينية. لكل جزيء سيتوكروم ج تم تسلسله حتى الآن من كائنات مختلفة ، يظهر 37 من هذه الأحماض الأمينية في نفس الموضع في كل سيتوكروم ج. يشير هذا إلى أن كل هذه الكائنات تنحدر من سلف مشترك. عند مقارنة تسلسل البروتين البشري والشمبانزي ، لم يتم العثور على اختلاف في التسلسل. عندما تمت مقارنة متواليات القرد البشري والقرد الريسي ، تم العثور على فرق واحد في حمض أميني واحد. في المقابل ، تُظهر المقارنات بين الإنسان والخميرة اختلافًا في 44 من الأحماض الأمينية ، مما يشير إلى أن البشر والشمبانزي لديهم سلف مشترك أكثر حداثة من البشر وقرد الريس ، أو البشر والخميرة.

هيكل البروتين

كما تمت مناقشته سابقًا ، فإن شكل البروتين مهم لوظيفته. لفهم كيفية حصول البروتين على شكله النهائي أو تشكيله ، نحتاج إلى فهم المستويات الأربعة لبنية البروتين: الأولية والثانوية والثالثية والرباعية (الشكل 2.21).

التسلسل الفريد وعدد الأحماض الأمينية في سلسلة البولي ببتيد هو هيكلها الأساسي. يتم تحديد التسلسل الفريد لكل بروتين في النهاية بواسطة الجين الذي يشفر البروتين. قد يؤدي أي تغيير في تسلسل الجينات إلى إضافة حمض أميني مختلف إلى سلسلة البولي ببتيد ، مما يتسبب في تغيير بنية البروتين ووظيفته. في فقر الدم المنجلي ، تحتوي سلسلة الهيموجلوبين على بديل أحادي للأحماض الأمينية ، مما يتسبب في حدوث تغيير في كل من بنية ووظيفة البروتين. أكثر ما يجب مراعاته هو أن جزيء الهيموجلوبين يتكون من سلسلتين ألفا وسلسلتين بيتا يتكون كل منهما من حوالي 150 من الأحماض الأمينية. لذلك يحتوي الجزيء على حوالي 600 حمض أميني. الاختلاف البنيوي بين جزيء الهيموجلوبين الطبيعي وجزيء الخلية المنجلية - الذي يقلل بشكل كبير من متوسط ​​العمر المتوقع لدى الأفراد المصابين - هو حمض أميني واحد من الـ 600.

بسبب هذا التغيير في أحد الأحماض الأمينية في السلسلة ، تتخذ خلايا الدم الحمراء عادة شكلها الهلالي أو "المنجل" ، مما يسد الشرايين. هذا يمكن أن يؤدي إلى عدد لا يحصى من المشاكل الصحية الخطيرة ، مثل ضيق التنفس ، والدوخة ، والصداع ، وآلام في البطن لأولئك الذين يعانون من هذا المرض.

تؤدي أنماط الطي الناتجة عن التفاعلات بين أجزاء المجموعة غير R من الأحماض الأمينية إلى ظهور البنية الثانوية للبروتين. الأكثر شيوعًا هي هياكل الألواح المطوية ألفا (α) وبيتا (). كلا الهيكلين مثبتان في شكل روابط هيدروجينية. في حلزون ألفا ، تتشكل الروابط بين كل رابع حمض أميني وتسبب تحريفًا في سلسلة الأحماض الأمينية.

في الصفيحة المطوية β ، تتشكل "الطيات" بواسطة رابطة هيدروجينية بين الذرات على العمود الفقري لسلسلة البولي ببتيد. مجموعات R متصلة بالكربون ، وتمتد فوق وتحت طيات الطية. تتم محاذاة الأجزاء المطوية بالتوازي مع بعضها البعض ، وتتشكل الروابط الهيدروجينية بين نفس أزواج الذرات على كل من الأحماض الأمينية المتوافقة. تم العثور على هياكل صفائح α-helix و مطوية في العديد من البروتينات الكروية والليفية.

يُعرف الهيكل الفريد ثلاثي الأبعاد لعديد الببتيد ببنيته الثالثة. ينتج هذا الهيكل عن تفاعلات كيميائية بين مختلف الأحماض الأمينية ومناطق البولي ببتيد. في المقام الأول ، تخلق التفاعلات بين مجموعات R بنية معقدة ثلاثية الأبعاد من البروتين. قد تكون هناك روابط أيونية تتكون بين مجموعات R على أحماض أمينية مختلفة ، أو رابطة هيدروجينية تتجاوز تلك المشاركة في البنية الثانوية. عندما يحدث طي البروتين ، تكمن مجموعات R الكارهة للماء من الأحماض الأمينية غير القطبية في الجزء الداخلي من البروتين ، بينما تقع مجموعات R المحبة للماء في الخارج. تُعرف الأنواع السابقة من التفاعلات أيضًا باسم التفاعلات الكارهة للماء.

في الطبيعة ، تتكون بعض البروتينات من عدة عديدات ببتيدات ، تُعرف أيضًا بالوحدات الفرعية ، ويشكل تفاعل هذه الوحدات الفرعية البنية الرباعية. تساعد التفاعلات الضعيفة بين الوحدات الفرعية على استقرار الهيكل العام. على سبيل المثال ، الهيموغلوبين عبارة عن مزيج من أربع وحدات فرعية متعددة الببتيد.

لكل بروتين تسلسله وشكله الفريدان المرتبطان ببعضهما البعض من خلال التفاعلات الكيميائية. إذا كان البروتين عرضة لتغيرات في درجة الحرارة ، أو درجة الحموضة ، أو التعرض للمواد الكيميائية ، فقد يتغير هيكل البروتين ، ويفقد شكله فيما يُعرف باسم التمسخ كما تمت مناقشته سابقًا. غالبًا ما يكون التمسخ قابلاً للانعكاس لأنه يتم الحفاظ على الهيكل الأساسي إذا تمت إزالة عامل تغيير الطبيعة ، مما يسمح للبروتين باستئناف وظيفته. في بعض الأحيان يكون التمسخ لا رجوع فيه ، مما يؤدي إلى فقدان الوظيفة. يمكن رؤية أحد الأمثلة على تمسخ البروتين عندما يتم قلي البيض أو غليه. يتم تغيير طبيعة بروتين الألبومين الموجود في بياض البيض السائل عند وضعه في إناء ساخن ، ويتحول من مادة صافية إلى مادة بيضاء غير شفافة. لا يتم تغيير طبيعة جميع البروتينات في درجات حرارة عالية ، على سبيل المثال ، البكتيريا التي تعيش في الينابيع الحارة لديها بروتينات تتكيف لتعمل في درجات الحرارة تلك.

المفاهيم في العمل

للحصول على منظور إضافي حول البروتينات ، استكشف "الجزيئات الحيوية: البروتينات" من خلال هذه الرسوم المتحركة التفاعلية.

احماض نووية

الأحماض النووية هي الجزيئات الرئيسية في استمرارية الحياة. إنهم يحملون المخطط الجيني للخلية ويحملون تعليمات لعمل الخلية.

النوعان الرئيسيان من الأحماض النووية هما الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA). الحمض النووي هو المادة الجينية الموجودة في جميع الكائنات الحية ، بدءًا من البكتيريا وحيدة الخلية إلى الثدييات متعددة الخلايا.

النوع الآخر من الحمض النووي ، RNA ، يشارك في الغالب في تخليق البروتين. لا تترك جزيئات الحمض النووي النواة أبدًا ، ولكنها بدلاً من ذلك تستخدم وسيط RNA للتواصل مع بقية الخلية. وتشارك أنواع أخرى من الحمض النووي الريبي أيضًا في تخليق البروتين وتنظيمه.

يتكون DNA و RNA من مونومرات تعرف بالنيوكليوتيدات. تتحد النيوكليوتيدات مع بعضها البعض لتشكيل عديد النوكليوتيدات أو الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي. يتكون كل نوكليوتيد من ثلاثة مكونات: قاعدة نيتروجينية ، سكر بنتوز (خمسة كربون) ، ومجموعة فوسفات (الشكل 2.22). ترتبط كل قاعدة نيتروجينية في نوكليوتيد بجزيء سكر ، والذي يرتبط بمجموعة فوسفات.

هيكل DNA مزدوج الحلزونية

يحتوي الحمض النووي على بنية مزدوجة حلزونية (الشكل 2.23). يتكون من خيطين أو بوليمرات من النيوكليوتيدات. تتكون الخيوط من روابط بين مجموعات الفوسفات والسكر من النيوكليوتيدات المجاورة. يتم ربط الخيوط ببعضها البعض في قواعدها بواسطة روابط هيدروجينية ، وتلتف الخيوط حول بعضها البعض بطولها ، ومن هنا جاء وصف "الحلزون المزدوج" ، وهو ما يعني الحلزون المزدوج.

تقع مجموعات السكر والفوسفات المتناوبة على السطح الخارجي لكل خيط ، وتشكل العمود الفقري للحمض النووي. القواعد النيتروجينية مكدسة في الداخل ، مثل درجات السلم ، وهذه القواعد تقترن الأزواج ببعضها البعض بواسطة روابط هيدروجينية. تتزاوج القواعد بطريقة تجعل المسافة بين العمود الفقري للخيطين متساوية على طول الجزيء.

بصفتنا مشاركًا في Amazon ، فإننا نكسب من عمليات الشراء المؤهلة.

هل تريد الاستشهاد بهذا الكتاب أو مشاركته أو تعديله؟ هذا الكتاب هو Creative Commons Attribution License 4.0 ويجب أن تنسب OpenStax.

    إذا كنت تعيد توزيع هذا الكتاب كله أو جزء منه بتنسيق طباعة ، فيجب عليك تضمين الإسناد التالي في كل صفحة مادية:

  • استخدم المعلومات أدناه لتوليد اقتباس. نوصي باستخدام أداة استشهاد مثل هذه.
    • المؤلفون: سامانثا فاولر ، ريبيكا روش ، جيمس وايز
    • الناشر / الموقع الإلكتروني: OpenStax
    • عنوان الكتاب: مفاهيم علم الأحياء
    • تاريخ النشر: 25 أبريل 2013
    • المكان: هيوستن ، تكساس
    • عنوان URL للكتاب: https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction
    • عنوان URL للقسم: https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/2-3-biological-molecules

    © 12 كانون الثاني (يناير) 2021 OpenStax. محتوى الكتاب المدرسي الذي تنتجه OpenStax مرخص بموجب ترخيص Creative Commons Attribution License 4.0. لا يخضع اسم OpenStax وشعار OpenStax وأغلفة كتب OpenStax واسم OpenStax CNX وشعار OpenStax CNX لترخيص المشاع الإبداعي ولا يجوز إعادة إنتاجه دون الحصول على موافقة كتابية مسبقة وصريحة من جامعة رايس.


    بنية

    بشكل عام ، للأحماض الأمينية الخصائص الهيكلية التالية:

    • كربون (كربون ألفا)
    • ذرة هيدروجين (H)
    • مجموعة الكربوكسيل (-COOH)
    • مجموعة أمينية (-NH2)
    • مجموعة "متغيرة" أو مجموعة "R"

    تحتوي جميع الأحماض الأمينية على الكربون ألفا المرتبط بذرة الهيدروجين ومجموعة الكربوكسيل والمجموعة الأمينية. تختلف مجموعة "R" بين الأحماض الأمينية وتحدد الفروق بين مونومرات البروتين هذه. يتم تحديد تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين من خلال المعلومات الموجودة في الشفرة الوراثية الخلوية. الكود الجيني هو تسلسل القواعد النوكليوتيدية في الأحماض النووية (DNA و RNA) التي ترمز للأحماض الأمينية. لا تحدد رموز الجينات هذه فقط ترتيب الأحماض الأمينية في البروتين ، ولكنها تحدد أيضًا بنية البروتين ووظيفته.


    التطورات الأخيرة

    هندسة الانسجة

    غالبًا ما يحتوي سطح العظم الطبيعي على ميزات يبلغ عرضها حوالي 100 نانومتر. إذا تم ترك سطح العظم الاصطناعي المزروع أملسًا ، فسيحاول الجسم رفضه. بسبب هذا السطح الأملس من المحتمل أن يتسبب في إنتاج نسيج ليفي يغطي سطح الزرع. تقلل هذه الطبقة من ملامسة الغرسة العظمية ، مما قد يؤدي إلى ارتخاء الغرسة وزيادة الالتهاب. تم إثبات أنه من خلال إنشاء ميزات بحجم النانو على سطح الورك أو الركبة الاصطناعية ، يمكن للمرء أن يقلل من فرص الرفض بالإضافة إلى تحفيز إنتاج بانيات العظم. بانيات العظم هي الخلايا المسؤولة عن نمو مصفوفة العظام وتوجد على السطح المتقدم للعظم النامي.

    تم توضيح التأثير باستخدام المواد البوليمرية والسيراميك ومؤخرًا المواد المعدنية. أكثر من 90٪ من خلايا العظام البشرية من المعلق التصقت بالسطح المعدني ذو البنية النانوية [27] ، ولكن فقط 50٪ في العينة الضابطة. في النهاية ، ستسمح هذه النتائج بتصميم بدائل للورك أو الركبة أكثر متانة وطويلة الأمد وتقليل فرص فقدان الغرسة.

    التيتانيوم مادة معروفة لإصلاح العظام تستخدم على نطاق واسع في جراحة العظام وطب الأسنان. لديها مقاومة عالية للكسر ، ليونة ونسبة وزن إلى قوة. لسوء الحظ فإنه يعاني من نقص النشاط الحيوي حيث أنه لا يدعم التصاق البيع والنمو بشكل جيد. من المعروف أن طلاءات الأباتيت نشطة بيولوجيًا وترتبط بالعظام. ومن ثم ، تم استخدام العديد من التقنيات في الماضي لإنتاج طلاء الأباتيت على التيتانيوم. تعاني تلك الطلاءات من عدم انتظام السماكة وضعف الالتصاق وقوة ميكانيكية منخفضة. بالإضافة إلى ذلك ، يلزم وجود بنية مسامية مستقرة لدعم نقل العناصر الغذائية من خلال نمو الخلية.

    وقد تبين أن استخدام نهج المحاكاة الحيوية - النمو البطيء لفيلم الأباتيت ذو البنية النانوية من سائل الجسم المحاكى - أدى إلى تكوين طبقة متناهية الصغر شديدة الالتصاق وموحدة [19]. تم العثور على الطبقة لتكون مبنية من 60 نانومتر بلوري ، وتمتلك بنية نانوية مستقرة ونشاط حيوي.

    العظم الحقيقي عبارة عن مادة مركبة نانوية ، تتكون من بلورات هيدروكسيباتيت في المصفوفة العضوية ، والتي تتكون أساسًا من الكولاجين. بفضل ذلك ، العظام صلبة ميكانيكيًا وفي نفس الوقت من البلاستيك ، لذا يمكنها التعافي من التلف الميكانيكي. لا تزال آلية المقياس النانوي الفعلية التي تؤدي إلى هذا المزيج المفيد من الخصائص موضع نقاش.

    تم تحضير مادة هجينة اصطناعية من 15-18 نانومتر من جسيمات السيراميك النانوية والبوليمر المشترك (ميثيل ميثاكريلات) [20]. باستخدام نهج ترايبولوجي ، تم إثبات سلوك لزج مطاطي (شفاء) للأسنان البشرية. مادة هجينة تم فحصها ، ترسبت كطلاء على سطح السن ، حسنت مقاومة الخدش بالإضافة إلى سلوك شفاء مشابه لسلوك السن.

    علاج السرطان

    يعتمد العلاج الضوئي الديناميكي للسرطان على تدمير الخلايا السرطانية بواسطة الأكسجين الذري المتولد عن الليزر ، والذي يعتبر سامًا للخلايا. كمية أكبر من صبغة خاصة تستخدم لتوليد الأكسجين الذري يتم امتصاصها من قبل الخلايا السرطانية بالمقارنة مع الأنسجة السليمة. وبالتالي ، يتم تدمير الخلايا السرطانية فقط ثم تعرضها لإشعاع الليزر. لسوء الحظ ، تهاجر جزيئات الصبغة المتبقية إلى الجلد والعينين وتجعل المريض شديد الحساسية للتعرض لضوء النهار. يمكن أن يستمر هذا التأثير لمدة تصل إلى ستة أسابيع.

    لتجنب هذا التأثير الجانبي ، تم وضع النسخة الكارهة للماء من جزيء الصبغة داخل جسيم نانوي مسامي [28]. ظلت الصبغة محصورة داخل جسيمات Ormosil النانوية ولم تنتشر إلى أجزاء أخرى من الجسم. في الوقت نفسه ، لم تتأثر قدرتها على توليد الأكسجين ، كما أن حجم المسام البالغ حوالي 1 نانومتر سمح بحرية للأكسجين بالانتشار.

    الترميز البصري متعدد الألوان للمقايسات البيولوجية [29]

    البحث المتزايد باستمرار في علم البروتينات والجينوم يولد عددًا متزايدًا من بيانات التسلسل ويتطلب تطوير تقنيات فحص عالية الإنتاجية. من الناحية الواقعية ، من المحتمل أن تصل تقنيات المصفوفات المختلفة المستخدمة حاليًا في التحليل المتوازي إلى التشبع عندما يتجاوز عدد من عناصر المصفوفة عدة ملايين. النهج ثلاثي الأبعاد ، المستند إلى "التشفير الشريطي" البصري لجزيئات البوليمر في المحلول ، يقتصر فقط على عدد العلامات الفريدة التي يمكن للفرد إنتاجها واكتشافها بشكل موثوق.

    تم استخدام النقاط الكمومية المفردة لأشباه الموصلات المركبة بنجاح كبديل للأصباغ العضوية في العديد من تطبيقات الوسم الحيوي [7]. تم اتخاذ هذه الفكرة خطوة أخرى إلى الأمام من خلال الجمع بين النقاط الكمومية ذات الأحجام المختلفة وبالتالي الحصول على ألوان فلورية مختلفة ، والجمع بينها في ميكروبيدات بوليمرية [29]. تم تحقيق تحكم دقيق في نسب النقاط الكمومية. كان لاختيار الجسيمات النانوية المستخدمة في تلك التجارب 6 ألوان مختلفة بالإضافة إلى 10 شدة. يكفي ترميز أكثر من مليون مجموعة. كان تجانس الخرز واستنساخه مرتفعًا ، مما أدى إلى دقة التعرف على الخرزة بنسبة 99.99٪.

    معالجة الخلايا والجزيئات الحيوية [30]

    وجدت الجسيمات النانوية المغناطيسية الوظيفية العديد من التطبيقات بما في ذلك فصل الخلايا وسبر هذه التطبيقات وغيرها من التطبيقات التي تمت مناقشتها في مراجعة حديثة [8]. معظم الجسيمات المغناطيسية التي تمت دراستها حتى الآن كروية ، مما يحد إلى حد ما من احتمالات جعل هذه الجسيمات النانوية متعددة الوظائف. يمكن إنشاء جسيمات نانوية بديلة أسطوانية الشكل عن طريق استخدام الترسيب الكهربائي للمعادن في قالب الألومينا المسام [30]. اعتمادًا على خصائص القالب ، يمكن تحديد نصف قطر الأسطوانة النانوية في نطاق من 5 إلى 500 نانومتر بينما يمكن أن يصل طولها إلى 60 ميكرومتر. من خلال الترسيب التسلسلي لسماكات مختلفة من معادن مختلفة ، يمكن ضبط الهيكل والخصائص المغناطيسية للأسطوانات الفردية على نطاق واسع.

    نظرًا لأن الكيمياء السطحية للتشغيل الوظيفي للأسطح المعدنية تم تطويرها جيدًا ، يمكن ربط روابط مختلفة بشكل انتقائي بمقاطع مختلفة. على سبيل المثال ، تم ربط البورفيرينات التي تحتوي على روابط ثيول أو كربوكسيل في نفس الوقت بقطع الذهب أو النيكل على التوالي. وبالتالي ، من الممكن إنتاج أسلاك نانوية مغناطيسية بأجزاء فلورية منفصلة مكانياً. بالإضافة إلى ذلك ، وبسبب نسب العرض إلى الارتفاع الكبيرة ، يمكن أن تكون المغنطة المتبقية لهذه الأسلاك النانوية عالية. وبالتالي ، يمكن استخدام مجال مغناطيسي أضعف لدفعهم. لقد ثبت أن التجميع الذاتي للأسلاك النانوية المغناطيسية في التعليق يمكن التحكم فيه بواسطة مجالات مغناطيسية خارجية ضعيفة. من المحتمل أن يسمح هذا بالتحكم في تجميع الخلايا بأشكال وأشكال مختلفة. علاوة على ذلك ، يمكن دمج مجال مغناطيسي خارجي مع نمط مغناطيسي محدد بالطباعة الحجرية ("محاصرة مغناطيسية").

    كشف البروتين [31]

    تعد البروتينات جزءًا مهمًا من لغة الخلية وآليتها وهيكلها ، وفهم وظائفها مهم للغاية لتحقيق مزيد من التقدم في رفاهية الإنسان. تستخدم جزيئات الذهب النانوية على نطاق واسع في الكيمياء الهيستولوجية المناعية لتحديد تفاعل البروتين والبروتين. ومع ذلك ، فإن إمكانيات الكشف المتزامن المتعددة لهذه التقنية محدودة إلى حد ما. يعد مطياف نثر رامان المعزز بالسطح تقنية راسخة لاكتشاف وتحديد جزيئات الصبغة المفردة. من خلال الجمع بين كلتا الطريقتين في مسبار جسيم نانوي واحد ، يمكن للمرء أن يحسن بشكل كبير من قدرات مضاعفة مجسات البروتين. قامت مجموعة البروفيسور ميركين بتصميم مسبار متطور متعدد الوظائف مبني حول جسيمات نانوية من الذهب عيار 13 نانومتر. يتم تغليف الجسيمات النانوية بأوليغنوكليوتيدات محبة للماء تحتوي على صبغة رامان في أحد طرفيها ومغطاة نهائيًا بعنصر تمييز جزيء صغير (مثل البيوتين). علاوة على ذلك ، يكون هذا الجزيء نشطًا محفزًا وسيتم تغطيته بالفضة في محلول Ag (I) والهيدروكينون. بعد توصيل المسبار بجزيء صغير أو مستضد مصمم للكشف ، تتعرض الركيزة لمحلول الفضة والهيدروكينون. يحدث طلاء بالفضة بالقرب من صبغة رامان ، مما يسمح باكتشاف بصمة الصبغة باستخدام مجهر رامان القياسي. بصرف النظر عن قدرته على التعرف على الجزيئات الصغيرة ، يمكن تعديل هذا المسبار لاحتواء الأجسام المضادة على السطح للتعرف على البروتينات. عند اختباره في تنسيق مصفوفة البروتين مقابل كل من الجزيئات الصغيرة والبروتينات ، لم يُظهر المسبار أي تفاعل تبادلي.

    الاستكشاف التجاري

    بعض الشركات التي تشارك في تطوير وتسويق المواد النانوية في التطبيقات البيولوجية والطبية مذكورة أدناه (انظر الجدول 1). غالبية الشركات هي شركات صغيرة حديثة تابعة لمؤسسات بحثية مختلفة. على الرغم من أنه ليس مرهقًا ، إلا أنه اختيار تمثيلي يعكس الاتجاهات الصناعية الحالية. تقوم معظم الشركات بتطوير تطبيقات صيدلانية ، خاصة لتوصيل الأدوية. تستغل العديد من الشركات تأثيرات الحجم الكمي في البلورات النانوية لأشباه الموصلات لوضع علامات على الجزيئات الحيوية ، أو تستخدم جزيئات الذهب النانوية المرتبطة بيولوجيًا لتمييز الأجزاء الخلوية المختلفة. يقوم عدد من الشركات بتطبيق مواد النانو سيراميك في هندسة الأنسجة وجراحة العظام.

    تمتلك معظم شركات الأدوية الكبرى والراسخة برامج بحث داخلية حول توصيل الأدوية تكون في تركيبات أو مشتتات تحتوي على مكونات تصل إلى أحجام نانو. تستخدم الفضة الغروية على نطاق واسع في التركيبات والضمادات المضادة للميكروبات. كما تُستخدم الفعالية العالية للجسيمات النانوية التيتانيا ، سواء من تلقاء نفسها أو مضاءة بعد ذلك بضوء الأشعة فوق البنفسجية ، في أغراض مبيد الجراثيم في المرشحات. تستخدم الخصائص التحفيزية المحسنة لأسطح السيراميك النانوي أو تلك الخاصة بالمعادن النبيلة مثل البلاتين لتدمير السموم الخطرة والمواد العضوية الخطرة الأخرى.

    الاتجاهات المستقبلية

    كما هو الحال الآن ، فإن غالبية تطبيقات الجسيمات النانوية التجارية في الطب موجهة نحو توصيل الأدوية. في العلوم الحيوية ، تحل الجسيمات النانوية محل الأصباغ العضوية في التطبيقات التي تتطلب ثباتًا عاليًا للصور بالإضافة إلى قدرات تعدد إرسال عالية. هناك بعض التطورات في توجيه وظائف المجسات النانوية والتحكم فيها عن بعد ، على سبيل المثال دفع الجسيمات النانوية المغناطيسية إلى الورم ثم جعلها إما تطلق حمولة الدواء أو تسخينها فقط من أجل تدمير الأنسجة المحيطة. يتمثل الاتجاه الرئيسي في مزيد من التطوير للمواد النانوية في جعلها متعددة الوظائف ويمكن التحكم فيها عن طريق الإشارات الخارجية أو البيئة المحلية وبالتالي تحويلها بشكل أساسي إلى أجهزة نانوية.


    Dunker ، A. K. ، Brown ، C. J. ، Lawson ، J.D ، Iakoucheva ، L.M & amp Obradovic ، Z. الكيمياء الحيوية 41, 6573–6582 (2002).

    Uversky ، V.N. البروتينات التي تم الكشف عنها محليًا: نقطة ينتظر فيها علم الأحياء الفيزياء. علوم البروتين. 11, 739–756 (2002). يقدم مراجعة شاملة لمجال البروتينات المكشوفة مع تحليل قيم كبير. يحتوي على أحدث جدول للبروتينات غير المطوية.

    Boesch، C.، Bundi، A.، Oppliger، M. & amp Wüthrich، K. 1 H دراسات الرنين المغناطيسي النووي للتشكيل الجزيئي للجلوكاجون الأحادي في محلول مائي. يورو. J. Biochem. 91, 209–214 (1978).

    دانيلز ، أ. ج. ، ويليامز ، آر جيه ب. وأمبير رايت ، ب.إ.خصائص الجزيئات المخزنة في حبيبات الكرومافين في النخاع الكظري: دراسة الرنين المغناطيسي النووي. علم الأعصاب 3, 573–585 (1978).

    Wright، P. E. & amp Dyson، H.J. البروتينات غير المنظمة جوهريًا: إعادة تقييم نموذج بنية البروتين - الوظيفة. جيه مول. بيول. 293, 321–331 (1999).

    Iakoucheva، L.M، Brown، C.J، Lawson، J.D، Obradovic، Z. & amp Dunker، A. K. جيه مول. بيول. 323, 573–584 (2002).

    إياكوشيفا ، إل إم وآخرون. أهمية الاضطراب الجوهري في فسفرة البروتين. الدقة الأحماض النووية. 32, 1037–1049 (2004).

    Tompa، P. بروتينات غير منظمة جوهريًا. اتجاهات Biochem. علوم. 27, 527–533 (2002).

    روميرو ، ب. وآخرون. تعقيد تسلسل البروتين المختل. البروتينات 42, 38–48 (2001).

    Vucetic ، S. ، Brown ، C.J ، Dunker ، A.K & amp Obradovic ، Z. Flavours of Protein Disorder. البروتينات 52, 573–584 (2003).

    Mitchell ، P. J. & amp Tjian ، R. تنظيم النسخ في خلايا الثدييات عن طريق بروتينات ربط الحمض النووي الخاصة بالتسلسل. علم 245, 371–378 (1989).

    O'Hare، P. & amp Williams، G. الدراسات الهيكلية لمجال المعاملات الحمضية لبروتين Vmw65 لفيروس الهربس البسيط باستخدام 1H NMR. الكيمياء الحيوية 31, 4150–4156 (1992).

    Longhi ، S. وآخرون. يكون المجال الطرفي C للبروتين النووي لفيروس الحصبة مضطربًا جوهريًا وينطوي عند الارتباط بالجزء الطرفي C للبروتين الفسفوري. J. بيول. تشيم. 278, 18638–18648 (2003).

    Romero، P.، Obradovic، Z.، Kissinger، C.R، Villafranca، J.E & amp Dunker، A. K. تحديد المناطق المضطربة في البروتينات من تسلسل الأحماض الأمينية. بروك. IEEE Int. أسيوط. نتو العصبية. 1, 90–95 (1997).

    Uversky، V.N، Gillespie، J.R & amp Fink، A.L. لماذا البروتينات "غير المطوية محليًا" غير منظمة في ظل الظروف الفسيولوجية؟ البروتينات 41, 415–427 (2000).

    ليندينج ، آر وآخرون. التنبؤ باضطراب البروتين: الآثار المترتبة على البروتينات الهيكلية. الهيكل (Camb.) 11, 1453–1459 (2003).

    ليندينج ، آر ، راسل ، آر بي ، نيدوفا ، في أند جيبسون ، تي جيه جلوب بلوت: استكشاف تسلسل البروتين للكرة الأرضية والاضطراب. الدقة الأحماض النووية. 31, 3701–3708 (2003).

    Ward، J. J.، Sodhi، J. S.، McGuffin، L.J، Buxton، B.F & amp Jones، D. T. التنبؤ والتحليل الوظيفي للاضطراب الأصلي في البروتينات من ممالك الحياة الثلاث. جيه مول. بيول. 337, 635–645 (2004).

    Weathers، E. A.، Paulaitis، M.E، Woolf، T.B & amp Hoh، J.H. انخفاض أبجدية الأحماض الأمينية كافية للتعرف بدقة على البروتين المضطرب جوهريًا. FEBS ليت. 576, 348–352 (2004).

    دنكر ، أ.ك.وآخرون. بروتين مضطرب جوهريا. جيه مول. رسم بياني. نموذج. 19, 26–59 (2001).

    Vucetic ، S. وآخرون. DisProt: قاعدة بيانات لاضطراب البروتين. المعلوماتية الحيوية 21, 137–140 (2005).

    Tompa، P. تتطور البروتينات غير المهيكلة جوهريًا عن طريق التمدد المتكرر. بيوسيس 25, 847–855 (2003).

    Dyson، H.J & amp Wright، P. E. طرق الرنين المغناطيسي النووي لتوضيح بنية وديناميات الحالات المضطربة. طرق الانزيم. 339, 258–270 (2001).

    Dyson ، H.J & amp Wright ، P. E. البروتينات غير المطوية وطي البروتين التي تمت دراستها بواسطة NMR. تشيم. القس. 104, 3607–3622 (2004).

    روز ، جي دي إن التقدم في كيمياء البروتين المجلد. 62، (محرران ريتشاردز ، إف إم ، أيزنبرغ ، دي إس أند كوريان ، ج.) (مطبعة أكاديمية ، سان دييغو ، 2002). يقدم هذا الكتاب مقدمة ممتازة للتقنيات الفيزيائية الحيوية التي يمكن استخدامها لتحديد وتوصيف البروتينات غير المطوية ومجالات البروتين.

    Dyson، H.J & amp Wright، P. E. نظرة ثاقبة في بنية وديناميات البروتينات غير المطوية من الرنين المغناطيسي النووي. حال. بروتين كيم. 62, 311–340 (2002).

    Rucker، A. L.، Pager، C. T.، Campbell، M.N، Qualls، J.E & amp Creamer، T. P. مقياس ضيف المضيف من تشكيل حلزون بولي برولين II أعسر. البروتينات 53, 68–75 (2003).

    شي ، زي ، أولسون ، سي إيه ، روز ، جي دي ، بالدوين ، آر إل آند كالينباخ ، إن آر بوليبرولين II في سلسلة من سبعة بقايا ألانين. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 99, 9190–9195 (2002).

    Dunker ، A. K. ، Obradovic ، Z. ، Romero ، P. ، Garner ، E.C & amp Brown ، C.J. اضطراب البروتين الداخلي في الجينوم الكامل. إعلام الجينوم. سر. ورشة عمل الجينوم إعلام. 11, 161–171 (2000).

    Wootton، J.C & amp Drummond، M.H The Q-linker: فئة من التسلسلات بين المجالات الموجودة في البروتينات البكتيرية متعددة المجالات التنظيمية. هندسة البروتين. ديس. سيل. 2, 535–543 (1989).

    Zhou، H. X. حساب كمي للتقارب المعزز لاثنين من scFvs المرتبطين والمحددين للحلقات المختلفة على نفس المستضد. جيه مول. بيول. 329, 1–8 (2003).

    Laity ، J.H ، Dyson ، H. J. & amp Wright ، P. E. يُعد تحديد α-helix الناجم عن الحمض النووي في تسلسل الرابط المحفوظ أحد العوامل المحددة لتقارب الربط في أصابع الزنك Cys2-His2. جيه مول. بيول. 295, 719–727 (2000).

    يونغ ، إم إيه ، جونفلوني ، إس ، سوبرتي فورجا ، جي ، رو ، بي أند كوريان ، جي. الاقتران الديناميكي بين نطاقات SH2 و SH3 من c-Src و Hck يكمن وراء تثبيطهما عن طريق الفسفرة التيروزينية C- الطرفية. زنزانة 105, 115–126 (2001).

    Laity ، J.H ، Dyson ، H.J & amp Wright ، P. E. الأساس الجزيئي لتعديل الوظيفة البيولوجية عن طريق التضفير البديل لبروتين ويلمز الكابت للورم. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 97, 11932–11935 (2000).

    نامبا ، ك.أدوار المطابقات التي تم الكشف عنها جزئيًا في التجميع الذاتي الجزيئي. خلايا الجينات 6, 1–12 (2001).

    Tompa، P. & amp Csermely، P. دور الاضطراب البنيوي في وظيفة RNA والبروتينات المرافقة. FASEB J. 18, 1169–1175 (2004).

    Dyson، H.J & amp Wright، P. E. اقتران للطي والربط للبروتينات غير المنظمة. بالعملة. رأي. هيكل. بيول. 12, 54–60 (2002). يوفر مسحًا شاملاً لأحداث طي البروتين وربطه.

    Demchenko ، A. P. التعرف على جزيئات البروتين المرنة: الطي المستحث والمساعد. جيه مول. الاعتراف. 14, 42–61 (2001).

    Radhakrishnan، I.، Pérez-Alvarado، G.C، Dyson، H.J & amp Wright، P.E. FEBS ليت. 430, 317–322 (1998).

    Richards، J.P، Bächinger، H. P.، Goodman، R.H & amp Brennan، R.G. تحليل الخصائص الهيكلية لبروتين ربط العناصر المستجيب لـ cAMP (CREB) و CREB الفسفوري. J. بيول. تشيم. 271, 13716–13723 (1996).

    راداكريشنان ، آي وآخرون. بنية الحل لمجال KIX الخاص بـ CBP المرتبط بمجال المعاملات لـ CREB: نموذج للمنشط: تفاعلات المُنشط. زنزانة 91, 741–752 (1997).

    Zhou ، P. ، Lugovskoy ، A. A. ، McCarty ، J. S. ، Li ، P. & amp Wagner ، G. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 98, 6051–6055 (2001).

    Giordano، A. & amp Avantaggiati، M. L. p300 and CBP: شركاء من أجل الحياة والموت. J. الخلية. فيسيول. 181, 218–230 (1999).

    Blobel ، G.A CREB-ملزمة بروتين و p300: التكامل الجزيئي للنسخ المكونة للدم. دم 95, 745–755 (2000).

    Goodman، R.H & amp Smolik، S. CBP / p300 في نمو الخلايا ، والتحول ، والتنمية. تطوير الجينات. 14, 1553–1577 (2000).

    Ponting ، C. P. ، Blake ، D. J. ، Davies ، K. E. ، Kendrick-Jones ، J. & amp Winder ، S.JZZ and TAZ: أصابع زنك مفترضة جديدة في ديستروفين وبروتينات أخرى. اتجاهات Biochem. علوم. 21, 11–13 (1996).

    De Guzman، R.N، Liu، H. Y.، Martinez-Yamout، M.، Dyson، H.J & amp Wright، P.E. هيكل حل مجال TAZ2 (CH3) لبروتين محول النسخ CBP. جيه مول. بيول. 303, 243–253 (2000).

    Dames، S. A.، Martinez-Yamout، M.، De Guzman، R.N، Dyson، H.J & amp Wright، P.E. الأساس الهيكلي للتعرف على Hif-1α / CBP في استجابة نقص الأكسجة الخلوية. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 99, 5271–5276 (2002).

    إكنر ، ر. وآخرون. يكشف الاستنساخ الجزيئي والتحليل الوظيفي لبروتين 300 كيلو دالتون المرتبط بالفيروس الغدي E1A (p300) عن بروتين له خصائص محول النسخ. تطوير الجينات. 8, 869–884 (1994).

    أفانتاجياتي ، إم وآخرون. تجنيد p300 / CBP في مسارات الإشارة المعتمدة على p53. زنزانة 89, 1175–1184 (1997).

    Lill، N.L، Grossman، S.R، Ginsberg، D.، DeCaprio، J. & amp Livingston، D.M Binding and modulation of p53 by p300 / CBP coactivators. طبيعة سجية 387, 823–827 (1997).

    Gu ، W. ، Shi ، X.L & amp Roeder ، R.G. التنشيط التآزري للنسخ بواسطة CBP و p53. طبيعة سجية 387, 819–823 (1997).

    أراني ، زد وآخرون. دور أساسي لـ p300 / CBP في الاستجابة الخلوية لنقص الأكسجة. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 93, 12969–12973 (1996).

    فريدمان ، س.جيه وآخرون. الأساس الهيكلي لتوظيف CBP / p300 بواسطة العامل المحرض بنقص الأكسجة -1α. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 99, 5367–5372 (2002).

    Gunasekaran، K.، Tsai، C.J، Kumar، S.، Zanuy، D. & amp Nussinov، R. البروتينات المضطربة الممتدة: استهداف الوظيفة مع سقالة أقل. اتجاهات Biochem. علوم. 28, 81–85 (2003). يشير إلى أن الواجهات الواسعة التي تمت ملاحظتها عند ربط البروتينات المكشوفة بأهدافها لن تكون ممكنة إلا للبروتينات المنظمة بالكامل إذا كانت أكبر بكثير. ومع ذلك ، فإن زيادة حجم البروتين سيؤدي إلى ازدحام جزيئي أكبر أو يتطلب أن تكون الخلايا أكبر.

    روسو ، إيه إيه ، جيفري ، بي دي ، باتن ، إيه كيه ، ماساجوي ، جي أند بافليتيتش ، إن بي. التركيب البلوري لمثبط كيناز p27 Kip1 المعتمد على السيكلين المرتبط بمركب سيكلين A – Cdk2. طبيعة سجية 382, 325–331 (1996).

    Huber ، A.H & amp Weis ، W. I. هيكل مجمع β-catenin / E-cadherin والأساس الجزيئي للتعرف على ligand المتنوع بواسطة β-catenin. زنزانة 105, 391–402 (2001).

    Sorenson ، M.K ، Ray ، S. S. & amp Darst ، S.A يكشف التركيب البلوري للجلد σ / المضاد σ المركب σ 28 / FlgM عن عامل σ سليم في التشكل غير النشط. مول. زنزانة 14, 127–138 (2004).

    Bhattacharya، S. et al. الدور الوظيفي لـ p35srj ، بروتين ربط p300 / CBP جديد ، أثناء المعاملات بواسطة HIF-1. تطوير الجينات. 13, 64–75 (1999).

    فريدمان ، س.جيه وآخرون. الأساس الهيكلي للتنظيم السلبي للعامل المحرض بنقص الأكسجة -1α بواسطة CITED2. هيكل الطبيعة. بيول. 10, 504–512 (2003).

    De Guzman ، R.N ، Martinez-Yamout ، M. ، Dyson ، H.J & amp Wright ، P. E. تفاعل مجال TAZ1 لبروتين رابط لـ CREB مع مجال التنشيط لـ CITED2: التنظيم عن طريق المنافسة بين الروابط غير المنظمة جوهريًا لمواقع الربط غير المتطابقة. J. بيول. تشيم. 279, 3042–3049 (2004).

    Jaakkola ، P. وآخرون. استهداف HIF-α لمركب von Hippel-Lindau ubiquitylation بواسطة هيدروكسيل البرولايل المنظم O2. علم 292, 468–472 (2001).

    إيفان ، إم وآخرون. استهدفت HIFα التدمير بوساطة VHL بواسطة هيدروكسيل البرولين: الآثار المترتبة على استشعار O2. علم 292, 464–468 (2001).

    Yu ، F. ، White ، S. B. ، Zhao ، Q. & amp Lee ، F. S. HIF-1α الارتباط بـ VHL ينظمه هيدروكسيل البرولين الحساس للمحفزات. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 98, 9630–9635 (2001).

    Lando، D.، Peet، D. J.، Whelan، D. A.، Gorman، J. J. & amp Whitelaw، M. L. علم 295, 858–861 (2002).

    إلكينز ، جي إم وآخرون. هيكل عامل تثبيط عامل نقص الأكسجة (HIF) يكشف عن آلية التعديل التأكسدي لـ HIF-1α. J. بيول. تشيم. 278, 1802–1806 (2003).

    Dann، C. E. III، Bruick، R.K & amp Deisenhofer، J. بنية العامل المثبط لنقص الأكسجة 1: هيدروكسيل الأسباراجينيل المتورط في مسار الاستجابة لنقص التأكسج. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 99, 15351–15356 (2002).

    Kriwacki، R. W.، Hengst، L.، Tennant، L.، Reed، S.I & amp Wright، P. E. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 93, 11504–11509 (1996).

    هون ، دبليو وآخرون. الأساس الهيكلي للتعرف على الهيدروكسي برولين في HIF-1α بواسطة pVHL. طبيعة سجية 417, 975–978 (2002).

    مين ، جيه إتش وآخرون. هيكل مركب HIF-1α – pVHL: التعرف على الهيدروكسي برولين في الإشارة. علم 296, 1886–1889 (2002).

    Chrivia ، J.C et al. يرتبط الـ CREB المُفسفَّر على وجه التحديد بالبروتين النووي CBP. طبيعة سجية 365, 855–859 (1993).

    Zor، T.، Mayr، BM، Dyson، HJ، Montminy، MR & amp Wright، PE أدوار الفسفرة وميل اللولب في ربط مجال KIX للبروتين المرتبط بـ CREB عن طريق التأسيس (c-Myb) والمحفز (CREB) المنشطات. J. بيول. تشيم. 277, 42241–42248 (2002).

    نايتون ، دي آر وآخرون. هيكل مثبط الببتيد المرتبط بالوحدة التحفيزية من بروتين كيناز أدينوزين أحادي الفوسفات الحلقي. علم 253, 414–420 (1991).

    Goto، N.K، Zor، T.، Martinez-Yamout، M.، Dyson، H.J & amp Wright، P. E. Cooperativity في عامل النسخ المرتبط بالبروتين المرتبط بـ CREB (CBP). يرتبط مجال تنشيط بروتين اللوكيميا المختلط (MLL) بموقع خيفي في مجال Kix. J. بيول. تشيم. 277, 43168–43174 (2002).

    Vendel ، A.C & amp Lumb ، K.J.NMR رسم خرائط لسطح تفاعل HIV-1 Tat لمجال KIX للمنشط البشري CBP. الكيمياء الحيوية 43, 904–908 (2004).

    كامبل ، ك.م. & أمبير ؛ لومب ، ك.ج.أساليب مميزة هيكليًا للتعرف على مجال KIX الخاص بـ CBP بواسطة Jun و CREB. الكيمياء الحيوية 41, 13956–13964 (2002).

    Vendel، A. C.، McBryant، S.J & amp Lumb، K.J.KIX-mediation of the CBP – CREB – HTLV-1 Tax Coactivator-Activator complex. الكيمياء الحيوية 42, 12481–12487 (2003).

    شو ، دبليو وآخرون. مفتاح نسخي بوساطة العامل المساعد مثيلة. علم 294, 2507–2511 (2001).

    راداكريشنان ، آي وآخرون. التحليلات الهيكلية لمجمعات المنشط النسخي-المُنشِط CREB-CBP بواسطة التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي: الآثار المترتبة على تعيين حدود المجالات الهيكلية. جيه مول. بيول. 287, 859–865 (1999).

    Wei، Y.، Horng، J.C، Vendel، A.C، Raleigh، D.P & amp Lumb، K.J. الكيمياء الحيوية 42, 7044–7049 (2003).

    شابيرو ، L. β-catenin وشركائها المتعددين: شرح الاختلاط. هيكل الطبيعة. بيول. 8, 484–487 (2001).

    دانيلز ، D.L ، Eklof ، S. K. & amp Weis ، W. I. β-catenin: اللدونة الجزيئية وتصميم الأدوية. اتجاهات Biochem. علوم. 26, 672–678 (2001).

    Huber ، A. H. ، Stewart ، D.B ، Laurents ، D.V ، Nelson ، W.J & amp Weis ، W. I. مجال cadherin cytoplasmic غير منظم في غياب β-catenin. آلية ممكنة لتنظيم دوران الكادرين. J. بيول. تشيم. 276, 12301–12309 (2001).

    Graham، T. A.، Weaver، C.، Mao، F.، Kimelman، D. & amp Xu، W. زنزانة 103, 885–896 (2000).

    يمكن أن يتعرف Graham، T. A.، Ferkey، D. M.، Mao، F.، Kimelman، D. & amp Xu، W. Tcf4 على وجه التحديد على β-catenin باستخدام مطابقة بديلة. هيكل الطبيعة. بيول. 8, 1048–1052 (2001).

    إكلوف سبينك ، ك ، فريدمان ، س. EMBO J. 20, 6203–6212 (2001).

    Graham، T. A.، Clements، W.K، Kimelman، D. & amp Xu، W. يكشف التركيب البلوري لمركب β-catenin / ICAT عن الآلية المثبطة لـ ICAT. مول. زنزانة 10, 563–571 (2002).

    دانيلز ، D.L & amp Weis ، W. I. ICAT يثبط ارتباط الكاتينين β بعوامل نسخ عائلة Tcf / Lef والمُحفِّز العام p300 باستخدام وحدات هيكلية مستقلة. مول. زنزانة 10, 573–584 (2002).

    لين ، سي إتش وآخرون. يرتبط مجال صغير من cbp / p300 ببروتينات متنوعة. هيكل الحل والدراسات الوظيفية. مول. زنزانة 8, 581–590 (2001).

    Demarest ، S. J. ، Deechongkit ، S. ، Dyson ، H.J ، Evans ، R.M & amp Wright ، P. E. التعبئة ، والخصوصية ، وقابلية التغيير في واجهة الربط بين p160 coactivator وبروتين ربط CREB. علوم البروتين. 13, 203–210 (2004).

    ديمارست ، إس جيه وآخرون. الطي التآزري المتبادل في توظيف CBP / p300 بواسطة مُنشّطات المستقبلات النووية p160. طبيعة سجية 415, 549–553 (2002). يقدم المثال الأول لاثنين من المجالات التي يتم الكشف عنها إلى حد كبير ، إن لم يكن بالكامل ، عندما تكون حرة في الحل ، ولكن يتم طيها معًا عند تفاعلهما لإنتاج مجموعة معقدة ذات خصوصية عالية بشكل استثنائي مع مساحة كبيرة للربط.

    Grossman، S. R. p300 / CBP / p53 وتنظيم استجابة p53. يورو. J. Biochem. 268, 2773–2778 (2001).

    يحتوي Bell، S.، Klein، C.، Muller، L.، Hansen، S. & amp Buchner، J. p53 على مناطق كبيرة غير منظمة في حالتها الأصلية. جيه مول. بيول. 322, 917–927 (2002).

    عايد ، إيه وآخرون. p53 الكامن والنشط متطابقان في التشكل. هيكل الطبيعة. بيول. 8, 756–760 (2001). يوفر معلومات مهمة حول المجالات الطرفية N و C لـ p53 ، والتي لم يتم تنظيمها في سياق البروتين كامل الطول ، وكذلك معزولة في المحلول.

    داوسون ، آر وآخرون. تم الكشف أصلاً عن المجال الطرفي N لـ p53. جيه مول. بيول. 332, 1131–1141 (2003).

    Prives، C. & amp Hall، P. A. مسار p53. J. باتول. 187, 112–126 (1999).

    Alarcon-Vargas، D. & amp Ronai، Z. p53 – Mdm2 - العلاقة التي لا تنتهي أبدًا. التسرطن 23, 541–547 (2002).

    مجتبى ، س وآخرون. الآلية الهيكلية للبرومودومين للمُنشِّط CBP في تنشيط النسخ p53. مول. زنزانة 13, 251–263 (2004).

    كامي ، واي وآخرون. يتوسط مجمع تكامل CBP التنشيط النسخي وتثبيط AP-1 بواسطة المستقبلات النووية. زنزانة 85, 403–414 (1996).

    Heery ، D. M. ، Kalkhoven ، E. ، Hoare ، S. & amp Parker ، M.G. يتوسط نموذج التوقيع في المنشطات المشتركة النسخية الارتباط بالمستقبلات النووية. طبيعة سجية 387, 733–736 (1997).

    داريمونت ، ب دي وآخرون. هيكل وخصوصية تفاعلات المُنشِّط المُستقبِل النووي. تطوير الجينات. 12, 3343–3356 (1998).

    سنودن ، إيه دبليو ، أندرسون ، إل إيه ، ويبستر ، جي إيه وأمبير بيركنز ، إن دي. يتوسط مجال قمع نسخي جديد p21 WAF1 / CIP1 تحريض معاملات p300. مول. زنزانة. بيول. 20, 2676–2686 (2000).

    جيردوود ، دي وآخرون. يتم التوسط في قمع النسخ p300 عن طريق تعديل سومو. مول. زنزانة 11, 1043–1054 (2003).

    طومسون ، بي آر وآخرون. تنظيم مجال p300 HAT عبر حلقة تنشيط جديدة. هيكل الطبيعة. مول. بيول. 11, 308–315 (2004).

    جربر ، هـ.ب.آخرون. التنشيط النسخي المعدل بواسطة الجلوتامين المتجانس والبرولين. علم 263, 808–811 (1994).

    Shoemaker ، B. A. ، Portman ، J. J. & amp Wolynes ، P. G. تسريع التعرف الجزيئي باستخدام قمع الطي: آلية صب الذباب. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 97, 8868–8873 (2000). يصف الأساس المنطقي المحتمل لوجود مناطق رابط غير منظمة في بروتينات متعددة المجالات: تضمن المجموعة المطابقة لجزء من مجال التفاعل أن يتم أخذ عينات من حجم الحل المحيط على نطاق واسع ، مما يزيد من احتمالية مواجهة الشريك الملزم.

    سميث ، جيه إل وآخرون. الملامح الحركية لشغل p300 في الجسم الحي توقع السمات المشتركة لهيكل المروج وتوظيف المحفز. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 101, 11554–11559 (2004).

    Spolar، R. S. & amp Record، M. T. اقتران الطي المحلي بربط البروتينات الخاصة بالموقع بالحمض النووي. علم 263, 777–784 (1994).

    Patel، L.، Abate، C. & amp Curran، T. تغيير تكوين البروتين على ربط الحمض النووي بواسطة Fos and Jun. طبيعة سجية 347, 572–574 (1990).

    DiNitto ، J.P & amp Huber ، P. W. Xenopus بروتين الريبوسوم L5 إلى 5S rRNA. جيه مول. بيول. 330, 979–992 (2003).

    Salghetti، S. E.، Caudy، A. A.، Chenoweth، J.G & amp Tansey، W. P. تنظيم وظيفة مجال التنشيط النسخي بواسطة ubiquitin. علم 293, 1651–1653 (2001).

    Venkatraman، P.، Wetzel، R.، Tanaka، M.، Nukina، N. & amp Goldberg، A.L. مول. زنزانة 14, 95–104 (2004).

    يانغ ، X. J. العائلة الفائقة المتنوعة من ليسين أسيتيل ترانسفيرازات وأدوارها في اللوكيميا وأمراض أخرى. الدقة الأحماض النووية. 32, 959–976 (2004).

    McCampbell، A. & amp Fischbeck، K. H. Polyglutamine and CBP: جاذبية قاتلة؟ نيتشر ميد. 7, 528–530 (2001).

    نوسيفورا ، إف سي وآخرون. التداخل عن طريق Huntingtin و atrophin-1 مع النسخ بوساطة CBP مما يؤدي إلى سمية خلوية. علم 291, 2423–2428 (2001).

    Karlin، S.، Brocchieri، L.، Bergman، A.، Mrazek، J. & amp Gentles، A. J. Amino acid يعمل في بروتينات حقيقية النواة وجمعيات الأمراض. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 99, 333–338 (2002).

    Rost، B. & amp Liu، J. The PredictProtein server. الدقة الأحماض النووية. 31, 3300–3304 (2003).

    Jenuwein، T. & amp Allis، C. D. ترجمة كود هيستون. علم 293, 1074–1080 (2001).

    تعديلات Berger ، S.L. هيستون في تنظيم النسخ. بالعملة. رأي. جينيه. ديف. 12, 142–148 (2002).

    هارتمان ، بي جي ، تشابمان ، جي إي ، موس ، تي أند برادبري ، إي إم دراسات حول دور وطريقة تشغيل هيستون H1 الغني باللايسين في كروماتين حقيقيات النوى. المناطق الهيكلية الثلاث لجزيء هيستون H1. يورو. J. Biochem. 77, 45–51 (1977).

    لوغر ، ك ، مادير ، إيه دبليو ، ريتشموند ، آر ك ، سارجنت ، دي إف أند ريتشموند ، تي جي التركيب البلوري للجسيم النواة بدقة 2.8. طبيعة سجية 389, 251–260 (1997).

    Brüschweiler ، R. ، Liao ، X. & amp Wright ، P. E. قيود حركية طويلة المدى في بروتين أصابع الزنك متعدد المجالات من التراجع متباين الخواص. علم 268, 886–889 (1995).

    جروس ، جيه دي وآخرون. يتم تشغيل تحميل الريبوسوم على غطاء mRNA عن طريق اقتران توافقي بين eIF4G و eIF4E. زنزانة 115, 739–750 (2003).

    Wuttke ، D. S. ، Foster ، M. P. ، Case ، D.A ، Gottesfeld ، J.M & amp Wright ، P.E. بنية الحل لأصابع الزنك الثلاثة الأولى من TFIIIA المرتبطة بتسلسل الحمض النووي المشابه: محددات التقارب وخصوصية التسلسل. جيه مول. بيول. 273, 183–206 (1997).

    Koradi ، R. ، Billeter ، M. & amp Wüthrich ، K. MOLMOL: برنامج لعرض وتحليل الهياكل الجزيئية. جيه مول. الرسومات 14, 51–55 (1996).

    Lee، C.، Kim، S. J. بيول. تشيم. 278, 7558–7563 (2003).


    شاهد الفيديو: علم الأحياء تحت المجهر: ما الحمض النووي والحمض النووي الريبي (كانون الثاني 2022).