أحد تعريفات الحياة كما يلي: "الحياة طريقة لوجود أجسام بروتينية." على كوكبنا ، بدون استثناء ، تحتوي جميع الكائنات الحية على مواد عضوية مثل البروتينات. ستصف هذه المقالة البروتينات البسيطة والمعقدة ، وتحدد الاختلافات في التركيب الجزيئي ، وستنظر أيضًا في وظائفها في الخلية.
ما هي البروتينات
من وجهة نظر الكيمياء الحيوية ، هذه عبارة عن بوليمرات عضوية جزيئية عالية ، ومونومراتها عبارة عن 20 نوعًا من الأحماض الأمينية المختلفة. ترتبط ببعضها البعض بواسطة روابط كيميائية تساهمية ، تسمى روابط الببتيد. نظرًا لأن مونومرات البروتين عبارة عن مركبات مذبذبة ، فإنها تحتوي على مجموعة أمينية ومجموعة وظيفية كربوكسيل. رابطة كيميائية CO-NH تحدث بينهما.
إذا كان البولي ببتيد يتكون من بقايا الأحماض الأمينية ، فإنه يشكل بروتينًا بسيطًا. جزيئات البوليمر التي تحتوي بالإضافة إلى ذلك على أيونات المعادن والفيتامينات والنيوكليوتيدات والكربوهيدرات هي بروتينات معقدة. القادم نحنالنظر في التركيب المكاني للببتيدات.
مستويات تنظيم جزيئات البروتين
تأتي في أربعة تكوينات مختلفة. الهيكل الأول خطي ، وهو الأبسط وله شكل سلسلة بولي ببتيد ؛ أثناء تصاعده ، تتشكل روابط هيدروجينية إضافية. يقومون بتثبيت اللولب ، وهو ما يسمى بالهيكل الثانوي. يحتوي المستوى الثالث من التنظيم على بروتينات بسيطة ومعقدة ، ومعظم الخلايا النباتية والحيوانية. التكوين الأخير ، الرباعي ، ينشأ من تفاعل عدة جزيئات من التركيب الأصلي ، متحدًا بواسطة الإنزيمات المساعدة ، هذا هو هيكل البروتينات المعقدة التي تؤدي وظائف مختلفة في الجسم.
تنوع البروتينات البسيطة
هذه المجموعة من البولي ببتيدات ليست عديدة. تتكون جزيئاتها فقط من بقايا الأحماض الأمينية. تشمل البروتينات ، على سبيل المثال ، الهستونات والجلوبيولين. يتم تقديم الأول في بنية النواة ويتم دمجه مع جزيئات الحمض النووي. المجموعة الثانية - الجلوبيولين - تعتبر المكونات الرئيسية لبلازما الدم. يؤدي بروتين مثل جاما غلوبولين وظائف الحماية المناعية وهو جسم مضاد. يمكن أن تشكل هذه المركبات معقدات تحتوي على الكربوهيدرات المعقدة والبروتينات. البروتينات الليفية البسيطة مثل الكولاجين والإيلاستين هي جزء من النسيج الضام والغضاريف والأوتار والجلد. وظائفهم الرئيسية هي البناء والدعم.
بروتين توبولين هو جزء من الأنابيب الدقيقة ، التي هي مكونات أهداب وسوط للكائنات وحيدة الخلية مثل الأهداب ، الأوجلينا ، السوط الطفيلية.تم العثور على نفس البروتين في الكائنات متعددة الخلايا (سوط الحيوانات المنوية ، وأهداب البيض ، وظهارة مهدبة للأمعاء الدقيقة).
يؤدي بروتين الألبومين وظيفة تخزين (على سبيل المثال ، بياض البيض). في السويداء من بذور نباتات الحبوب - الجاودار والأرز والقمح - تتراكم جزيئات البروتين. يطلق عليهم شوائب خلوية. يتم استخدام هذه المواد بواسطة جرثومة البذور في بداية تطورها. بالإضافة إلى ذلك ، فإن نسبة البروتين العالية في حبوب القمح هي مؤشر مهم للغاية على جودة الدقيق. الخبز المخبوز من الدقيق الغني بالجلوتين له طعم عالي وصحي أكثر. الغلوتين موجود في ما يسمى أصناف القمح الصلب. تحتوي بلازما الدم لأسماك أعماق البحار على بروتينات تمنعها من الموت بسبب البرد. لها خصائص مضادة للتجمد ، تمنع موت الجسم في درجات حرارة الماء المنخفضة. من ناحية أخرى ، يحتوي الجدار الخلوي للبكتيريا المحبة للحرارة التي تعيش في الينابيع الحرارية الأرضية على بروتينات يمكنها الاحتفاظ بتكوينها الطبيعي (البنية الثلاثية أو الرباعية) ولا تفسد في نطاق درجة الحرارة من +50 إلى +90 درجة مئوية.
بروتينات
هذه بروتينات معقدة تتميز بتنوع كبير بسبب الوظائف المختلفة التي تؤديها. كما ذكرنا سابقًا ، تحتوي هذه المجموعة من البولي ببتيدات ، بالإضافة إلى جزء البروتين ، على مجموعة صناعية. تحت تأثير عوامل مختلفة ، مثل ارتفاع درجة الحرارة وأملاح المعادن الثقيلة والقلويات والأحماض المركزة ، يمكن للبروتينات المعقدة تغييرالشكل المكاني وتبسيطه. هذه الظاهرة تسمى تمسخ. تنكسر بنية البروتينات المعقدة ، وتتكسر الروابط الهيدروجينية ، وتفقد الجزيئات خصائصها ووظائفها. كقاعدة عامة ، لا رجوع فيه عن التمسخ. ولكن بالنسبة لبعض البولي ببتيدات التي تؤدي وظائف تحفيزية وحركية وإشارات ، يمكن إعادة التشبع - استعادة الهيكل الطبيعي للبروتين.
إذا حدث تأثير العامل المزعزع للاستقرار لفترة طويلة ، فإن جزيء البروتين يتم تدميره تمامًا. هذا يؤدي إلى انقسام روابط الببتيد في الهيكل الأساسي. لم يعد من الممكن استعادة البروتين ووظائفه. هذه الظاهرة تسمى الدمار. مثال على ذلك هو سلق بيض الدجاج: البروتين السائل - الألبومين ، الموجود في البنية الثلاثية ، تم تدميره تمامًا.
التخليق الحيوي للبروتين
تذكر مرة أخرى أن تكوين عديد الببتيدات للكائنات الحية يتضمن 20 من الأحماض الأمينية ، من بينها الأحماض الأساسية. هذه هي ليسين ، ميثيونين ، فينيل ألانين ، إلخ. تدخل مجرى الدم من الأمعاء الدقيقة بعد تحلل منتجات البروتين فيها. لتجميع الأحماض الأمينية غير الأساسية (ألانين ، برولين ، سيرين) ، تستخدم الفطريات والحيوانات مركبات تحتوي على النيتروجين. النباتات ، كونها ذاتية التغذية ، تشكل بشكل مستقل جميع المونومرات المركبة الضرورية ، والتي تمثل بروتينات معقدة. للقيام بذلك ، يستخدمون النترات أو الأمونيا أو النيتروجين الحر في تفاعلات الاستيعاب. في الكائنات الحية الدقيقة ، تزود بعض الأنواع نفسها بمجموعة كاملة من الأحماض الأمينية ، بينما في البعض الآخر يتم تصنيع بعض المونومرات فقط. مراحليحدث التخليق الحيوي للبروتين في خلايا جميع الكائنات الحية. يحدث النسخ في النواة ، وتحدث الترجمة في سيتوبلازم الخلية.
المرحلة الأولى - يحدث تخليق سلائف الرنا المرسال بمشاركة إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي. إنه يكسر روابط الهيدروجين بين خيوط الحمض النووي ، وعلى أحدها ، وفقًا لمبدأ التكامل ، يقوم بتجميع جزيء pre-mRNA. يخضع للتقطيع ، أي أنه ينضج ، ثم يخرج من النواة إلى السيتوبلازم ، مكونًا حمض المصفوفة الريبية.
لتنفيذ المرحلة الثانية ، من الضروري أن يكون لديك عضيات خاصة - الريبوسومات ، وكذلك جزيئات من الأحماض المعلوماتية ونقل الأحماض النووية. شرط آخر مهم هو وجود جزيئات ATP ، حيث تحدث تفاعلات التبادل البلاستيكي ، والتي تشمل التخليق الحيوي للبروتين ، مع امتصاص الطاقة.
الإنزيمات وهيكلها ووظائفها
هذه مجموعة كبيرة من البروتينات (حوالي 2000) تعمل كمواد تؤثر على معدل التفاعلات الكيميائية الحيوية في الخلايا. يمكن أن تكون بسيطة (تريبسين ، بيبسين) أو معقدة. تتكون البروتينات المعقدة من أنزيم و apoenzyme. تحدد خصوصية البروتين نفسه فيما يتعلق بالمركبات التي يعمل عليها الإنزيم المساعد ، ولا يتم ملاحظة نشاط البروتينات إلا عندما يرتبط مكون البروتين بـ apoenzyme. لا يعتمد النشاط التحفيزي للإنزيم على الجزيء بأكمله ، ولكن فقط على الموقع النشط. يتوافق هيكلها مع التركيب الكيميائي للمادة المحفزة وفقًا للمبدأ"مفتاح القفل" ، لذلك فإن عمل الإنزيمات محدد بدقة. وظائف البروتينات المعقدة هي المشاركة في عمليات التمثيل الغذائي واستخدامها كمقبلات.
فئات البروتينات المعقدة
تم تطويرها من قبل علماء الكيمياء الحيوية بناءً على 3 معايير: الخصائص الفيزيائية والكيميائية ، السمات الوظيفية والسمات الهيكلية المحددة للبروتينات. تتضمن المجموعة الأولى عديد الببتيدات التي تختلف في الخواص الكهروكيميائية. وهي مقسمة إلى أساسية ومحايدة وحمضية. فيما يتعلق بالماء ، يمكن أن تكون البروتينات محبة للماء ، برمائية ، كارهة للماء. المجموعة الثانية تشمل الإنزيمات التي درسناها سابقًا. المجموعة الثالثة تشمل عديد الببتيدات التي تختلف في التركيب الكيميائي للمجموعات الاصطناعية (هذه هي البروتينات ، البروتينات النووية ، البروتينات المعدنية).
دعونا نفكر في خصائص البروتينات المعقدة بمزيد من التفصيل. على سبيل المثال ، يحتوي البروتين الحمضي الذي هو جزء من الريبوسومات على 120 من الأحماض الأمينية وهو عالمي. يوجد في عضيات تخليق البروتين لكل من الخلايا بدائية النواة وخلايا حقيقية النواة. ممثل آخر لهذه المجموعة ، بروتين S-100 ، يتكون من سلسلتين متصلتين بأيون الكالسيوم. إنه جزء من الخلايا العصبية والدُوب العصبية - النسيج الداعم للجهاز العصبي. الخاصية المشتركة لجميع البروتينات الحمضية هي نسبة عالية من الأحماض الكربوكسيلية ثنائية القاعدة: الجلوتاميك والأسبارتيك. تشمل البروتينات القلوية الهستونات - وهي بروتينات تشكل جزءًا من الأحماض النووية للحمض النووي DNA و RNA. من سمات تركيبتها الكيميائية وجود كمية كبيرة من اللايسين والأرجينين.تشكل الهستونات ، جنبًا إلى جنب مع كروماتين النواة ، الكروموسومات - أهم هياكل وراثة الخلية. تشارك هذه البروتينات في عمليات النسخ والترجمة. توجد البروتينات البرمائية على نطاق واسع في أغشية الخلايا ، وتشكل طبقة ثنائية من البروتين الدهني. وهكذا ، بعد دراسة مجموعات البروتينات المعقدة المذكورة أعلاه ، كنا مقتنعين بأن خواصها الفيزيائية والكيميائية تحددها بنية مكون البروتين والمجموعات الاصطناعية.
بعض بروتينات غشاء الخلية المعقدة قادرة على التعرف على المركبات الكيميائية المختلفة والاستجابة لها ، مثل المستضدات. هذه وظيفة تأشير للبروتينات ، وهي مهمة جدًا لعمليات الامتصاص الانتقائي للمواد القادمة من البيئة الخارجية ولحمايتها.
البروتينات السكرية والبروتيوغليكان
هي بروتينات معقدة تختلف عن بعضها البعض في التركيب الكيميائي الحيوي للمجموعات الاصطناعية. إذا كانت الروابط الكيميائية بين مكون البروتين وجزء الكربوهيدرات تساهمية-جليكوسيدية ، فإن هذه المواد تسمى بروتينات سكرية. يتم تمثيل Apoenzyme بواسطة جزيئات mono- و oligosaccharides ، أمثلة على هذه البروتينات هي البروثرومبين ، الفيبرينوجين (بروتينات تشارك في تخثر الدم). الهرمونات القشرية والغدد التناسلية ، الإنترفيرون ، إنزيمات الغشاء هي أيضًا بروتينات سكرية. في جزيئات البروتيوغليكان ، يكون جزء البروتين 5 ٪ فقط ، والباقي يقع على مجموعة الأطراف الاصطناعية (عديدات السكاريد غير المتجانسة). يرتبط كلا الجزأين برابطة جليكوسيدية لمجموعات OH-threonine و arginine ومجموعات NH₂-glutamine و lysine. تلعب جزيئات البروتيوغليكان دورًا مهمًا للغاية في استقلاب الماء والملح في الخلية. أقليعرض جدولاً للبروتينات المعقدة التي درسناها.
| بروتينات سكرية | بروتيوغليكان |
| المكونات الهيكلية للمجموعات الاصطناعية | |
| 1. السكريات الأحادية (الجلوكوز ، الجالاكتوز ، المانوز) | 1. حمض الهيالورونيك |
| 2. قليل السكريات (المالتوز ، اللاكتوز ، السكروز) | 2. حمض الكوندرويت |
| 3. المشتقات الأمينية الأسيتيل للسكريات الأحادية | 3. الهيبارين |
| 4. السكريات ديوكسيسكاريد | |
| 5. الأحماض العصبية والسياليك | |
البروتينات المعدنية
تحتوي هذه المواد على أيونات من معدن واحد أو أكثر في جزيئاتها. ضع في اعتبارك أمثلة على بروتينات معقدة تنتمي إلى المجموعة المذكورة أعلاه. هذه هي في المقام الأول إنزيمات مثل أوكسيديز السيتوكروم. يقع على أعراف الميتوكوندريا وينشط تخليق ATP. فيرين وترانسفيرين بروتينات تحتوي على أيونات الحديد. الأول يودعهم في الخلايا ، والثاني هو بروتين نقل في الدم. البروتين المعدني الآخر هو alpha-amelase ، وهو يحتوي على أيونات الكالسيوم ، وهو جزء من اللعاب وعصير البنكرياس ، ويشارك في تكسير النشا. الهيموغلوبين هو بروتين معدني وبروتين كروم. يؤدي وظائف بروتين النقل الذي يحمل الأكسجين. نتيجة لذلك ، يتم تكوين مركب أوكسي هيموغلوبين. عندما يتم استنشاق أول أكسيد الكربون ، الذي يُعرف أيضًا باسم أول أكسيد الكربون ، فإن جزيئاته تشكل مركبًا مستقرًا للغاية مع هيموجلوبين كرات الدم الحمراء. ينتشر بسرعة عبر الأعضاء والأنسجة مسبباً التسمم.الخلايا. نتيجة لذلك ، مع الاستنشاق المطول لأول أكسيد الكربون ، تحدث الوفاة من الاختناق. ينقل الهيموجلوبين أيضًا جزئيًا ثاني أكسيد الكربون المتكون في عمليات الهدم. مع تدفق الدم ، يدخل ثاني أكسيد الكربون إلى الرئتين والكليتين ، ومنهما - إلى البيئة الخارجية. في بعض القشريات والرخويات ، يعتبر الهيموسيانين هو البروتين الذي يحمل الأكسجين. فبدلاً من الحديد فهو يحتوي على أيونات النحاس ، لذا فإن دم الحيوانات ليس أحمر بل أزرق.
وظائف الكلوروفيل
كما ذكرنا سابقًا ، يمكن أن تشكل البروتينات المعقدة معقدات ذات أصباغ - مواد عضوية ملونة. يعتمد لونها على مجموعات الكروموفورم التي تمتص بشكل انتقائي أطياف معينة من ضوء الشمس. توجد في الخلايا النباتية بلاستيدات خضراء - بلاستيدات خضراء تحتوي على صبغة الكلوروفيل. يتكون من ذرات المغنيسيوم و فيتول الكحول متعدد الهيدروكسيل. ترتبط بجزيئات البروتين ، وتحتوي البلاستيدات الخضراء نفسها على ثايلاكويدات (ألواح) ، أو أغشية متصلة في أكوام - جرانا. تحتوي على أصباغ ضوئية - كلوروفيل - وكاروتينات إضافية. فيما يلي جميع الإنزيمات المستخدمة في تفاعلات التمثيل الضوئي. وهكذا ، فإن البروتينات الصبغية ، والتي تشمل الكلوروفيل ، تؤدي أهم الوظائف في عملية التمثيل الغذائي ، وبالتحديد في تفاعلات الاستيعاب والتشتت.
بروتينات فيروسية
يحتفظ بها ممثلو أشكال الحياة غير الخلوية التي تشكل جزءًا من عالم فيرا. لا تمتلك الفيروسات جهاز تصنيع البروتين الخاص بها. يمكن أن تسبب الأحماض النووية ، DNA أو RNA ، التوليفالجسيمات الخاصة بها بواسطة الخلية نفسها المصابة بالفيروس. تتكون الفيروسات البسيطة فقط من جزيئات بروتينية مجمعة بشكل مضغوط في هياكل حلزونية أو متعددة السطوح ، مثل فيروس فسيفساء التبغ. تحتوي الفيروسات المعقدة على غشاء إضافي يشكل جزءًا من غشاء البلازما للخلية المضيفة. قد يشمل البروتينات السكرية (فيروس التهاب الكبد B ، فيروس الجدري). تتمثل الوظيفة الرئيسية للبروتينات السكرية في التعرف على مستقبلات معينة على غشاء الخلية المضيفة. تشمل المظاريف الفيروسية الإضافية أيضًا بروتينات إنزيمية تضمن تكرار الحمض النووي أو نسخ الحمض النووي الريبي. بناءً على ما سبق ، يمكن استخلاص الاستنتاج التالي: بروتينات غلاف الجزيئات الفيروسية لها بنية محددة تعتمد على بروتينات غشاء الخلية المضيفة.
في هذه المقالة ، قمنا بتمييز البروتينات المعقدة ، ودرسنا تركيبها ووظائفها في خلايا الكائنات الحية المختلفة.
