تطوّي البروتين

نظره عامه

البروتينات عبارة عن سلاسل من الأحماض الأمينية مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط ببتيدية. عند التخليق ، يتحول البروتين إلى شكل ثلاثي الأبعاد وهو أمر بالغ الأهمية لوظيفته البيولوجية. التفاعلات بين الأحماض الأمينية المكونة له توجه طي البروتين ، وبالتالي فإن بنية البروتين تعتمد في المقام الأول على تسلسل الأحماض الأمينية.

يعتبر هيكل البروتين أمر بالغ الأهمية لوظيفته البيولوجية

تؤدي البروتينات مجموعة واسعة من الوظائف البيولوجية مثل تحفيز التفاعلات الكيميائية ، وتوفير الدفاع المناعي ، والتخزين ، والنقل ، والاتصال الخلوي ، والحركة ، والدعم الهيكلي. تعتمد وظيفة البروتين في الغالب على قدرته على التعرف على الجزيئات الأخرى وربطها ، على غرار القفل والمفتاح. ومن ثم فإن النشاط المحدد لكل بروتين يعتمد على بنيته الفريدة ثلاثية الأبعاد.

لكي يعمل البروتين ، يجب أن يطوى بدقة. تمر معظم البروتينات بعدة أشكال وسيطة قبل طيها في الهيكل الأكثر ثباتاً ونشاطاً بيولوجياً. خلل البروتينات له آثار ضارة على الأداء العام للخلية. في البشر ، ترجع العديد من الأمراض إلى تراكم البروتينات غير المطوية . وتشمل هذه التليف الكيسي ، ومرض الزهايمر ، وباركنسون ، والتصلب الجانبي الضموري ، ومرض كروتزفيلد جاكوب.

المحددات الرئيسية لبنية البروتين

تتكون البروتينات من سلسلة واحدة أو أكثر من الأحماض الأمينية ، تسمى عديد الببتيدات(بولي بيبتيد). يتم تصنيع البولي ببتيد كسلسلة خطية تطوي بسرعة على نفسها لتشكيل بنية ثلاثية الأبعاد. يستخدم مصطلح البولي ببتيد والبروتين أحياناً بالتبادل ، ولكن الأكثر شيوعاً ، البولي بيبتيد المطوي الذي يمكن أن يؤدي وظيفة بيولوجية يسمى بالبروتين. عادة ما يتم وصف بنية البروتين على أربعة مستويات: الابتدائي والثانوي والثالث والرباعي. تنثني معظم الببتيدات المتعددة في هياكل ثلاثية كروية مدمجة بشكل عام ، مثل الهيموجلوبين ، وهو بروتين يحمل الأكسجين في الدم. يمكن لبعض البروتينات ، مثل الكيراتين ، أن تشكل أليافاً طويلة كالتي توجد عادة في الشعر والأظافر.

تسلسل الأحماض الأمينية في سلسلة البولي ببتيد هو المحدد الأساسي لبنيتها. يحدد تسلسل الأحماض الأمينية نوع وموقع الهياكل الثانوية. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تثبيت البنية الثلاثية الكلية للبروتين في الغالب عن طريق الروابط الكيميائية بين سلاسل الأحماض الأمينية الجانبية ، و المجموعات الكيميائية الفريدة التي تميز الأحماض الأمينية عن بعضها البعض. هذه السلاسل الجانبية إما موجبة أو سالبة الشحنة ، قطبية غير مشحونة ، أو غير قطبية.

تتميز الأحماض الأمينية بخصائص فيزيائية وكيميائية فريدة تعتمد على مجموعات السلاسل الجانبية الخاصة بها. على سبيل المثال ، تتفاعل الأحماض الأمينية القطبية والمشحونة مع الماء لتكوين روابط هيدروجينية وتسمى محبة للماء ;بينما الأحماض الأمينية غير القطبية تتجنب التفاعلات مع الماء وتسمى كارهة للماء. ومن ثم ، عندما يتم طي البروتين في أي بيئة خلوية ، حيث يتم دفن السلاسل الجانبية من الأحماض الأمينية الكارهة للماء في قلب البروتين بعيداً عن المحيط المائي ، بينما السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية المحبة للماء تكون مكشوفة على سطح البروتين.

تؤدي الأحماض الأمينية الكارهة للماء المعبأة بإحكام في قلب البروتين إلى تكوين تفاعلات فان دير فالز ضعيفة بين مجموعات السلاسل الجانبية. إن وجود قوى فان دير فالز هذه يضفي مزيداً من الاستقرار على البروتين المطوي. الأحماض الأمينية القطبية المكشوفة على سطح البروتين حرة في تكوين روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء أو سلاسل جانبية أخرى من الأحماض الأمينية القطبية. توجد أيضاً الأحماض الأمينية الموجبة والسالبة الشحنة على السطح الخارجي للبروتين حيث تشكل روابط أيونية مع الأحماض الأمينية الأخرى المجاورة ذات الشحنة المعاكسة.

تتكون روابط ثنائي الكبريتيد بين مجموعتين من السلفهيدريل ، أو SH ، على الحمض الأميني السيستين. هذا تفاعل قوي للغاية يعمل كتعزيز للبروتين المطوي. وجود روابط ثنائي الكبريتيد تثبت البروتين المطوي في أفضل شكل ثلاثي الأبعاد. يعتمد الطي المناسب للبروتين أيضاً على عوامل أخرى من البيئة الخلوية مثل الأس الهيدروجيني وتركيز الملح ودرجة الحرارة وما إلى ذلك. يؤثر تغيير الظروف الفيزيائية والكيميائية في بيئة البروتين على التفاعلات الكيميائية التي تربط البروتين معاً ويمكن أن يتسبب في اختلال البروتين أو فضه وفقد وظيفته البيولوجية _ وهي عملية تعرف باسم تمسخ البروتين.