2.4. پروتئین‌ها

منتم

مفاهیم

  • اسیدآمینه‌ها توسط واکنش‌­های تراکمی به یکدیگر متصل شده و پلی­‌پپتیدها را می‌سازند.
  • 20 اسیدآمینه مختلف جهت سنتز پلی­‌پپتیدها توسط ریبوزوم­‌ها وجود دارد.
  • اسیدآمینه‌ها می‌­توانند با هر توالی به یکدیگر متصل شوند. این مساله منجر به تنوع چشمگیری در میان پلی‌­پپتیدها می­‌شود.
  • توالی اسیدآمینه‌ای پلی‌­پپتیدها بوسیله ژن‌­ها رمزنگاری می­‌شود.
  • یک پروتئین­ می­‌تواند از یک یا چند پلی­‌پپتید متصل به هم، ساخته شده باشد.
  • توالی اسیدآمینه‌، کانفورماسیون سه بعدی پروتئین را تعیین می­‌کند.
  • ارگانیسم­‌های زنده پروتئین­‌های بسیار متنوع با عملکردهای مختلف را سنتز می­‌کنند.
  • هر انسانی، پروتئوم[1] منحصر به فرد خود را دارد.

کاربرد علم

  • روبیسکو، انسولین، ایمونوگلوبین­‌ها، رودوپسین، کلاژن و تار عنکبوت مثال­‌هایی از عملکردهای متنوع پروتئین­‌ها هستند.
  • دناتوراسیون پروتئین­‌ها با اعمال گرما یا تغییر شدید pH نسبت به pH بهینه اتفاق می‌افتد.

مهارت آموزی

  • رسم اشکال مولکولی برای نمایش پیوندهای پپتیدی.

ماهیت علم

  • الگوها، روندها و اختلافات: اکثر ارگانیسم­‌ها( نه همه)، پلی­‌پپتیدها را با استفاده از اسیدآمینه‌های مشابهی می­‌سازند.

اسیدآمینه‌ها و پلی­‌پپتیدها

اسیدآمینه‌ها توسط واکنش­‌های تراکمی به یکدیگر متصل شده و پلی­‌پپتیدها را می‌سازند.

پلی­‌پپتیدها زنجیره‌­ای از اسیدهای آمینه‌ هستند. اسیدآمینه‌‌ها توسط واکنش­‌های تراکمی به یکدیگر متصل شده و پلی­‌پپتیدها را می‌سازند. این فرآیند با کمک ریبوزوم­‌ها انجام می­‌شود که به آن ترجمه گفته می‌شود. پلی‌­پپتیدها اجزای اصلی تشکیل دهنده پروتئین­‌ها هستند و بسیاری از پروتئین­‌ها فقط از اسیدهای آمینه‌ ساخته شده‌­اند. برخی از پروتئین­‌ها از یک زنجیره پلی­‌پپتیدی و برخی دیگر از دو یا تعداد بیشتری زنجیره پلی­‌پپتیدی ساخته می‌شوند.

واکنش تراکمی شامل اتصال گروه آمینی (-NH2) یکی از اسیدهای آمینه‌ به گروه کربوکسیل (-COOH) اسیدآمینه دیگر است. مانند تمامی واکنش­‌های تراکمی، در این واکنش نیز آب تولید می­‌شود و پیوند جدید ایجادشده میان دو اسیدآمینه  پیوند پپتیدی نام دارد.

کمخک

دی­‌پپتید، مولکولی است که از اتصال دو اسیدآمینه به یکدیگر توسط پیوند پپتیدی ساخته می‌شود. یک پلی­‌پپتید نیز مولکولی است که از تعداد زیادی اسیدآمینه متصل به هم توسط پیوندهای پپتیدی ساخته شده است.

تعداد اسیدهای آمینه در هر پلی‌پتید متغیر است، با این وجود معمولاً به زنجیره­‌های کمتر از 20 اسیدآمینه، اولیگوپپتید (به جای پلی­‌پپتید) می‌گویند. انسولین پروتئین کوچکی است که از دو زنجیره پلی­‌پپتیدی 21 و 30 اسیدآمینه­‌ای ساخته شده است،. تیتین، بزرگ­ترین پلی­‌پپتید کشف شده تا به امروز است که در بخشی از ساختار ماهیچه‌ها قرار دارد. تیتین در انسان­، زنجیره‌­ای از متشکل از 34350 اسیدآمینه است. در موش­‌ها طول این زنجیره به 35213 اسیدآمینه می­‌رسد.

ترسیم پیوندهای پپتیدی

رسم اشکال مولکولی برای نمایش پیوندهای پپتیدی.

برای ساخت یک دی­پپتید، دو اسیدآمینه با اتصال گروه آمین یک اسیدآمینه به گروه کربوسیل اسیدآمینه یک واکنش تراکمی صورت می­‌گیرد. این پیوند در شکل شماره 1 نشان داده شده است.

ایجاد پیوند پپتیدی مستقل از نوع گروه R اسیدآمینه‌هاست و بین تمامی اسیدهای آمینه‌ مشابه است. برای آنکه مهارت خود را در نشان دادن چگونگی تشکیل پیوند پپتیدی بسنجید، سعی کنید نحوه تشکیل پیوند پپتیدی در شکل شماره 2 را توضیح دهید. 16 ترکیب دی­پپتیدی احتمالی می­‌تواند از این چهار اسیدآمینه نشان داده شده ساخته شود.

همچنین شما می‌­توانید با استفاده از این چهار اسیدآمینه الیگوپپتیدی با سه پیوند پپتیدی رسم کنید. در صورتی که این کار را به درستی انجام دهید، زنجیره ساخته شده باید ویژگی­‌های زیر را داشته باشد:

  • زنجیره­‌ای از اتم­‌های متصل به هم با پیوندهای کووالانسی یگانه که اسکلت اولیگوپپتید را می‌­سازند و توالی تکراری -N-C-C- دارند.
  • به هر اتم نیتروژن در اسکلت اولیگوپپتیدی یک اتم هیدروژن با پیوند یگانه و به یکی از دو اتم کربن، یک اتم اکسیژن با پیوند دوگانه متصل شده است.
  • گروه­‌های آمین (-NH2) و کربوکسیل (-COOH) برای تشکیل پیوند پپتیدی مورد استفاده قرار گرفته­‌اند و فرم آزاد آن­‌ها را می­‌توان فقط در انتهای هر زنجیره مشاهده کرد. به هر انتهای پلی پپتید با توجه به گروه قرار گرفته شده، انتهای آمینی و انتهای کربوکسیلی زنجیره گفته می‌شود.
  • گروه‌­های R در همه اسیدآمینه‌ها دست نخورده باقی­ می­‌مانند و به سمت بیرون اسکلت اولیگوپپتیدی جهت­‌گیری می­‌کنند.

مت

تنوع اسیدآمینه‌ها

20 اسیدآمینه مختلف برای سنتز پلی­‌پپتیدها توسط ریبوزوم­‌ها وجود دارد.

اسیدهای آمینه‌ای که توسط ریبوزوم­‌ها به یکدیگر متصل می­‌شوند تا پلی­‌پپتیدها را بسازند همگی ویژگی­‌های مشابهی دارند: یک اتم کربن در مرکز مولکول به یک گروه آمین و یک گروه کربوکسیل و یک اتم هیدروژن متصل می‌شود. همچنین اتم کربن به یک گروه R که در هر اسیدآمینه متفاوت است نیز  متصل می‌شود.

ریبوزوم­‌ها از 20 نوع اسیدآمینه مختلف برای ساخت پلی­‌پپتیدها استفاده می­‌کنند. گروه­‌های آمینی و کربوکسیلی برای برقراری پیوند پپتیدی استفاده می‌شوند؛ در نتیجه ویژگی‌های هر اسیدآمینه وابسته به گروه‌ R آن اسیدآمینه است. گروه­‌های R در یک زنجیره از اسیدهای آمینه به ارگانیسم­‌های زنده اجازه می­‌دهند طیف وسیع و متنوعی از پروتئین­‌ها را بسازند. برخی از این تفاوت­‌ها در جدول شماره 1 بیان شده است. لازم نیست تا این تفاوت­‌های به خصوص را حفظ کنید ولی باید بدانید دلیل تنوع شیمیایی بسیار زیاد میان اسیدهای آمینه‌ به خاطر گروه­‌های R متفاوت آن­‌هاست.

برخی از پروتئین‌­ها اسیدآمینه‌هایی دارند که جزو آن مجموعه بیست تایی اسیدآمینه‌ای نیست. برخی اوقات این اتفاق به خاطر تغییر یکی از آن بیست اسیدآمینه استاندارد پس از ساخته شدن زنجیره رخ می­دهد. برای مثال در کلاژن، یک پروتئین ساختاری مورد استفاده در حفظ قدرت کششی تاندون­‌ها، لیگامنت­‌ها، پوست و دیواره رگ‌های خونی نمونه­‌ای از تغییر اسیدآمینه‌ها را می‌­توان دید. پلی­‌پپتیدهای کلاژنی که توسط ریبوزوم‌­ها ساخته می­‌شوند، مقادیر زیادی اسیدآمینه پرولین دارند. اما برخی از پرولین­‌ها پس از سنتز به هیدروکسی پرولین تبدیل می‌شوند تا پایداری کلاژن افزایش یابد.

نُه گروه R آبگریز هستند که بین صفر تا نُه اتم کربن دارند. یازده گروه R آب دوست هستند.
چهار گروه از Rهای آب دوست، قطبی هستند اما هرگز باردار نمی‌شوند. هفت گروه از R‌های اسیدآمینه­‌ها می‌توانند باردار شوند.
سه گروه، R حلقوی دارند. شش گروه، فاقد  R حلقوی هستند. چهار گروه، با واگذاری پروتون و منفی شدن، به عنوان یک اسید عمل می‌کنند. سه گروه R، با پذیرش پروتون و مثبت شدن به عنوان اسیدآمینه کاتیونی پایه عمل می‌کنند.

جدول شماره 1

فعالیت

کمبود ویتامین C

برای تبدیل پرولین به هیدروکسی پرولین به آسکوربیک اسید ( ویتامین C) نیاز است، بنابراین کمبود ویتامین C، منجر به ساخته شدن کلاژن­ غیرطبیعی می‌­شود. با توجه به دانش خود نسبت به کاربردهای کلاژن، انتظار دارید این مسئله چه عواقبی در پی داشته باشد؟ پیش‌­بینی­‌های خود را با جستجو و مطالعه علائم کمبود آسکوربیک اسید ( اسکوروی) بررسی کنید.

اسیدآمینه‌ها و منشا حیات
الگوها، روندها و تناقضات: اکثر ارگانیسم­‌ها( نه همه)، پلی­‌پپتیدها را با استفاده از اسیدآمینه‌های مشابهی می­‌سازند.

بسیار جالب است که بدانیم اکثر ارگانیسم­‌های زنده از 20 اسیدآمینه شناخته­ شده برای ساخت پروتئین­‌ها استفاده می­‌کنند. در برخی از موارد، اسیدآمینه‌ها پس از ساخته شدن پلی­‌پپتید دچار تغییراتی می­‌شوند ولی طی فرآیند اولیه ایجاد پیوند پپتیدی بین اسیدآمینه‌ها توسط ریبوزوم­‌ها، معمولاً از همان 20 اسیدآمینه استفاده می‌­شود.

ما می‌توانیم احتمال این روند را به دلیل شانس منتفی کنیم. برای چنین رخدادی دلایل متعددی وجود داردمساله. برخی از فرضیه­‌هایی که تا امروز در این باره مطرح شده‌­اند عبارتند از:

  • تمامی20 اسیدآمینه، طی فرآیندهای شیمیایی روی زمین و پیش از آغاز حیات ساخته شده­‌اند؛ در نتیجه تمامی ارگانیسم­‌ها از آن­‌ها استفاده کرده­ و می­‌کنند. به غیر از این 20 اسیدآمینه، اگر اسیدآمینه دیگری در هر زمان ایجاد می­‌شد مورد استفاده قرار می­‌گرفت.
  • 20 اسیدآمینه موجود، برای ساخت طیف وسیع و متنوعی از پروتئین­‌ها ایده‌­آل هستند، در نتیجه انتخاب طبیعی همیشه ارگانیسم‌هایی را انتخاب کرده است که از این 20 اسیدآمینه برای ساخت پروتئین­‌ها استفاده کرده‌­اند.
  • تمامی اشکال حیات از یک گونه اولیه که از این 20 اسیدآمینه برای ساخت پروتئین­‌ها استفاده ­کرده است، تکامل یافته‌اند. به دلیل روش ساخت پلی‌­پپتیدها توسط ریبوزوم­‌ها، برای یک ارگانیسم دشوار است که مجموعه اسیدهای­ آمینه‌ را با حذف یا اضافه کردن یک اسیدآمینه موجود، تغییر دهد.

زیست­‌شناسی علم پیچیده‌­ای است و معمولاً در بخش­‌های مختلف آن اختلاف نظر وجود دارد. برخی از گونه‌­ها از یکی از سه کدون پایانی برای رمزگذاری یک اسیدآمینه غیر استاندارد اضافی استفاده می­‌کنند. برای مثال برخی از گونه‌­ها از کدون UGA برای کد کردن سلنوسیستئین و برخی از UAG برای کد کردن پیرولایزین استفاده می­‌کنند.

مکهتن

تنوع پلی­‌پپتیدی

اسیدآمینه‌ها می‌­توانند با هر توالی­‌ای به یکدیگر متصل شوند. این مساله منجر به تنوع چشم‌گیری در میان پلی­‌پپتیدها می‌شود.

ریبوزوم‌­ها، اسیدهای آمینه‌ را بصورت یک به یک به هم وصل می­‌کنند تا پلی­‌پپتید ساخته شود. ریبوزوم می­تواند پیوندپپتیدی را بین هر کدام از اسیدآمینه‌ها برقرار کند؛ در نتیجه بوجود آمدن هر توالی از اسیدآمینه‌ها ممکن خواهد بود.

تعداد توالی­‌های ممکن اسیدآمینه را می‌­توان محاسبه کرد (جدول شماره 2). هر کدام از اسیدآمینه‌های موجود در یک دی­‌پپتید می­‌توانند یکی از 20 اسیدآمینه استاندارد باشند؛ در نتیجه 20 ضربدر 20 توالی ممکن برای یک دی­‌پپتید وجود خواهد داشت ( 202). برای یک تری­‌پپتید 20 ضربدر 20 ضربدر 20 حالت توالی ممکن وجود خواهد داشت یعنی 203  در نتیجه برای یک پلی­‌پپتید با طول n اسیدآمینه ، n20 نوع توالی ممکن وجود خواهد داشت.

تعداد اسیدآمینه‌های موجود در یک پلی­‌پپتید می‌­تواند بین 20 تا ده­‌ها هزار عدد باشد. برای مثال اگر یک پلی­‌پپتید 400 اسیدآمینه داشته باشد، 20400  حالت توالی ممکن اسیدآمینه‌ای برای آن وجود خواهد داشت. این عدد بسیار بزرگ است به گونه‌­ای که برخی از محاسبه‌گرهای آنلاین این عدد را به عنوان بی­نهایت درنظر می­‌گیرند. اگر برای سایر زنجیره‌­های پلی‌پپتیدی با تعداد متغیر نیز این رقم را محاسبه کنیم، بی­نهایت توالی ممکن اسیدآمینه‌ای وجود خواهد داشت.

ظ

ژن­‌ها و پلی­‌پپتیدها

توالی اسیدآمینه‌ای پلی‌­پپتیدها بوسیله ژن­‌ها رمزنگاری می‌­شود.

تعداد توالی­‌های اسیدآمینه‌ای که می­‌تواند تولید شود، نامتناهی است ولی ارگانیسم­‌های زنده می‌­توانند تعداد کمی از آن­‌ها را تولید کنند. با این حال، یک سلول معمولی، پلی­‌پپتیدهایی با هزاران توالی مختلف تولید می­‌کند و باید اطلاعات مورد نیاز برای تولید همه آن‌ها را در خود ذخیره کند. توالی اسیدآمینه‌ای هر کدام از پلی‌­پپتیدها به صورت توالی­‌های بازی یک ژن در سلول رمزگذاری می‌­شود.

برخی از ژن­‌ها عملکردهای دیگری نیز دارند، ولی اکثر ژن­‌های درون یک سلول، توالی اسیدآمینه‌ای یک پلی­‌پپتید را ذخیره می­‌کنند. ژن­‌ها برای این کار از کدهای ژنتیکی استفاده می­‌کنند. سه باز در هر ژن برای کد کردن هر اسیدآمینه در زنجیره پلی­‌پپتیدی مورد نیاز است. از لحاظ تئوری یک پلی‌­پپتید با 400 اسیدآمینه به ژنی با توالی 1200 بازی نیاز دارد. ژن­‌ها معمولاً طول بیشتری دارند. بدین ترتیب که  در هر دو انتهای هر ژن و گاهی اوقات در نقاط خاصی ازر توالی آن، بازهای اضافی وجود دارد. توالی­‌های بازی که پلی­‌پپتیدها را کد می­‌کنند؛ به قالب خوانش باز، معروف هستند. یکی از معماهایی که وجود دارد این است که قالب­‌های خوانش باز تنها بخش کوچکی از کل DNA یک گونه را تشکیل می‌دهند.

.

پروتئین­‌ها و پلی‌­پپتیدها

فعالیت

محاسبه تنوع پلی‌­پپتیدها

تعداد اسیدآمینه تعداد توالی اسیدآمینه‌ای ممکن
1 201
2 202 400
3 8000
4
206 64میلیون
10.24تریلیون

 جدول شماره 2

 

یک پروتئین­ می­‌تواند از یک یا چند پلی­‌پپتید متصل به هم، ساخته شده باشد.

اینتگرین پروتئینی غشایی است که دو زنجیره پلی­‌پپتیدی دارد. هر کدام از این دو زنجیره یک بخش آب‌گریز دارند که داخل غشای سلولی جای می­‌گیرد. دو زنجیره پلی­‌پپتیدی هنگام فعالیت، می‌­توانند در کنار یکدیگر قرار گرفته یا از هم فاصله داشته­ باشند.

کلاژن از سه زنجیره پلی­‌پپتیدی بلند که مثل یک مولکول طناب مانند به هم پیچ خورده‌­اند ، تشکیل شده است. این ساختار، مقاومت کششی بسیار بیشتری نسبت به حالتی که سه زنجیره پلی‌­پپتیدی از هم جدا باشند، دارد. ساختار پیچ‌خورده مولکول قدری می‌تواند انبساط پیدا کرده و کش بیاید تا شانس شکسته شدن مولکول کمتر شود.

هموگلوبین از چهار زنجیره پلی­‌پپتیدی به همراه یک ساختار غیر پلی‌­پپتیدی ساخته شده است. برهمکنش میان چهار بخش هموگلوبین با یکدیگر این امکان را فراهم می­‌کند که اکسیژن بسیار بهینه­تر نسبت به زمانی که چهار زنجیره از هم جدا هستند، منتقل شود.

تعداد زنجیره پلی پپتیدی مثال توضیحات
1 لیزوزیم این آنزیم در ترشحاتی مانند مخاط بینی و اشک وجود دارد. با تجزیه پپتیدوگلیکان، دیواره سلولی برخی از باکتری‌ها را از بین می‌برد.
2 اینتگرین پروتئین غشایی که برای ایجاد ارتباط بین ساختارهای داخل و خارج سلول استفاده می‌شود.
3 کلاژن پروتئین ساختاری در تاندون‌ها، رباط‌ها، دیواره‌های پوست و رگ‌های خونی. مقاومت کششی بالا، با کشش محدود را فراهم می‌کند.
4 هموگلوبین انتقال گازها در گلبول‌های قرمز. اکسیژن در ریه‌ها به هموگلوبین متصل شده و با کاهش غلظت اکسیژن در بافت‌ها آزاد می‌شوند.

جدول شماره 3. نمونه‌ای از پروتئین‌ها با تعداد زنجیره‌های پلی‌پپتیدی مختلف.

فعالیت

زیست­‌شناسان مولکولی تعداد قالب­‌های خوانش باز  را در گونه‌های خاصی از ارگانیسم­‌های زنده، بررسی کرده­‌اند. همچنان با قطعیت نمی‌توان گفت که چه تعداد ژن در هر گونه یک زنجیره‌ی پلی­‌پپتیدی را کد می­‌کند. اما با این وجود می‌­توان بهترین تخمین­‌های موجود را با هم مقایسه کرد :

·       مگس سرکه، توالی‌های بازی برای حدود 14هزار زنجیره پلی­‌پپتیدی دارد.

·       یک کرم نماتود  که کمتر از 1000 سلول دارد، حدود 19هزار پلی‌­پپتید را کد می­‌کند.

·       این عدد در انسان، حدود 23هزارتا است.

·       این عدد در گیاه آرابیدوپسیس تالیانا، گیاه کوچکی که در تحقیقات مورد استفاده قرار می­‌گیرد، حدود 27هزارتا است.

آیا می‌­توانید گونه­‌ای پیدا کنید که تعداد چارچوب‌های خوانش باز آن از این اعداد کمتر یا بیشتر باشد؟

کانفورماسیون­‌های پروتئینی

توالی اسیدآمینه‌، کانفورماسیون سه بعدی پروتئین را تعیین می‌­کند.

کانفورماسیون یک پروتئین در حقیقت ساختار سه بعدی آن است. کانفورماسیون یک پروتئین توسط توالی اسیدآمینه‌ای آن و پلی‌­پپتیدهای سازنده‌­اش تعیین می­‌شود. پروتئین­‌های رشته‌­ای مانند کلاژن، طویل هستند و معمولاً ساختارهایی تکراری دارند. بسیاری از پروتئین­‌ها نیز کروی هستند که به صورت ساختارهای پیچیده‌ای که دارای بخش‌­های هلیکس مانند یا صفحه‌­ای هستند دیده­ می‌­شوند.

برای ساختن یک زنجیره پلی‌­پپتیدی، اسیدآمینه‌ها همیشه با یک توالی ثابت و مشابه یک به یک اضافه می­‌شوند. در پروتئین­‌های کروی، زنجیره‌های پلی‌­پپتیدی پس از ساخته شدن تا می­‌خورند تا کانفورماسیون نهایی ایجاد شود. این تا خوردن با برقراری پیوند میان گروه‌­های R اسیدآمینه‌های موجود در توالی خطی آن پروتئین ایجاد شده و باعث افزایش پایداری می­‌گردد.

پروتئین­‌های کروی در آب محلول هستند؛ گروه‌­های آب‌دوست(گروه‌های جانبی R) آن­‌ها به سمت بیرون مولکول و گروه­‌های آب‌گریز معمولاً به سمت داخل مولکول جهت‌­گیری می­‌کنند. در پروتئین­‌های کروی غشایی، گروه­‌های R آب‌گریز به سمت بیرون مولکول هستند و با مرکز آب‌گریز غشا در تماس هستند.

در پروتئین­‌های رشته‌­ای، توالی اسیدآمینه‌ای از تاخوردن جلوگیری می­‌کند و توالی را در همان فرم طویل اولیه نگه می­دارد.

دناتوراسیون پروتئین‌­ها

دناتوراسیون پروتئین­‌ها با اعمال گرما یا تغییر شدید pH نسبت به pH بهینه اتفاق می‌افتد.

یک پروتئین دناتوره شده معمولاً به ساختار قبلی خود باز نمی­‌گردد؛ یعنی دناتورسیان معمولاً دائمی است. اغلب پروتئین­‌های محلول در صورت دناتوراسیون نامحلول می­‌شوند و رسوب می­‌کنند. طی تغییر کانفورماسیون، گروه­‌های R درون مولکولی در معرض آب قرار می­‌گیرند و منجر به نامحلول شدن و رسوب پروتئین می­‌شوند. کانفورماسیون سه بعدی پروتئین­‌ها توسط برقراری پیوند یا برهمکنش میان گروه‌­های R اسیدآمینه‌های درون مولکول، پایدار می‌­شود. بسیاری از این پیوندها و برهمکنش­‌ها به نسبت ضعیف هستند و می­‌توانند شکسته شوند.  این اتفاق منجر به تغییر کانفورماسیون یک پروتئین یا دناتوراسیون می­‌شود.

گرما منجر به دناتوراسیون می‌شود؛ زیرا جنبش‌­های درون مولکولی می­‌توانند پیوندها یا برهمکنش‌­های میان مولکولی را از بین ببرند. میزان گرمایی که پروتئین­‌ها می­‌توانند تحمل کنند، با یکدیگر متفاوت است. برخی از میکروارگانیسم­‌هایی که در دهانه چشمه­‌های آتشفشانی یا در آب­‌های گرم نزدیک منافذ زمین­‌گرمایی زندگی می­‌کنند، پروتئین­‌هایی دارند که در دمای 80 درجه سانتی گراد یا حتی بیشتر از آن­ هم دناتوره نمی­‌شوند. بهترین مثال در این­باره آنزیم DNA پلیمراز استخراج شده از ترموس آکواتیکوس[1]  است. این پروکاریوت برای اولین بار در چشمه‌های آب گرم پارک ملی یلواستون[2] کشف شد. عمکرد بهینه این آنزیم در دمای 80 درجه سانتی­گراد است و به همین دلیل از آن به شکل گسترده‌­ای در زیست­‌فناوری استفاده می‌شود.  البته که گرما در دماهایی بسیار پایین­تر از آن­ چیزی که گفته شد منجر به دناتوره شدن بسیاری از پروتئین‌ها می­‌شود.

pHهای بسیار بالا یا بسیار پایین، بازی و اسیدی، می­‌توانند منجر به دناتوراسیون شوند. تغییر شدید pH باعث تغییر بار گروه‌­های R و شکسته شدن پیوندهای یونی درون پروتئین یا تشکیل پیوندهای یونی جدید می­‌شود. این اثر همانند گرما، با تغییر شدید pH ساختار سه بعدی پروتئین به هم می‌­ریزد و پروتئین­‌های محلول در آب، اغلب غیرمحلول می‌­شوند. البته که استثناهایی نیز وجود دارد: محتوای معده معمولاً اسیدی است، با pHای در حدود 1.5. اما این pH برای فعالیت آنزیم­ پروتئینی پپسین که در هضم غذا نقش دارد و در معده فعالیت می‌کند، بهینه است.

معت

کن

عملکردهای پروتئینی

ارگانیسم­‌های زنده پروتئین­‌های بسیار متنوع با عملکردهای مختلف را سنتز می­‌کنند.

سایر گروه­‌های کربنی نیز نقش­‌های مهمی در سلول دارند اما هیچ­کدام از نظر عملکردهای متنوع به پای همه کاره بودن پروتئین­‌ها نمی­‌رسند. شاید بتوان پروتئین­‌ها را به زنبوران کارگری تشبیه کرد که تقریباً تمام کارهای یک کندو را انجام می­‌دهند. تمامی عملکردهای لیست شده در زیر توسط پروتئین­‌ها انجام می­‌شوند.

  • فعل و انفعالات شیمیایی[3] – هزاران آنزیم مختلف برای کاتالیز واکنش‌­های شیمیایی درون سلول یا خارج از آن وجود دارد.
  • انقباض ماهیچه – اکتین و میوزین عوامل انقباض ماهیچه­‌ها طی حرکات و جابه ­جایی­‌های بدن هستند.
  • اسکلت سلولی – پروتئین­‌های رشته­‌ای به پوست، تاندون، لیگامنت و دیواره رگ­‌های خونی مقاومت کششی می­‌دهند.
  • انعقاد خون – پروتئین­‌های پلاسما به عنوان فاکتورهای انعقادی عمل می­‌کنند و خون را در زخم­‌ها از حالت مایع به حالت ژل تبدیل می­‌کنند.
  • نقل و انتقال مواد مغذی و گازها – پروتئین خون به نقل و انتقال اکسیژن، دی اکسید کربن، آهن و لیپیدها کمک می­‌کنند.
  • چسبندگی سلولی – پروتئین­‌های غشایی باعث اتصال سلول­‌های جانوری به یکدیگر یا به سایر بافت­‌ها می­‌شوند.
  • هورمون­‌ها – برخی از هورمون­‌ها مانند انسولین، FSH و LH پروتئینی هستند ولی درکل هورمون­‌ها از نظر ساختار شیمیایی بسیار متنوع‌­اند.
  • گیرنده‌­ها – محل­ اتصال هورمون­‌ها، ناقلین عصبی، شناساگر مزه­‌ها و بوها و نور در چشم و گیاهان در غشا و سیتوپلاسم پروتئینی هستند.
  • بسته‌­بندی DNA – هیستون­‌های متصل به DNA در یوکاریوت­‌ها به متراکم شدن کروموزوم طی میتوز کمک می­‌کنند.
  • ایمنی­‌زایی – گروه بسیار متنوعی از پروتئین­‌ها می­توانند ایمنی ایجاد کنند به گونه‌­ای که سلول­‌ها طیف بسیار گسترده و متنوعی از آنتی بادی‌­ها را تولید می‌کنند.

در زیست­‌فناوری، پروتئین­‌ها کاربردهایی بسیار متنوع دارند؛ از جمله: استفاده از آنزیم­‌ها برای رنگ‌زدایی، آنتی‌­بادی­‌های مونوکلونال برای تست‌های بارداری و انسولین برای درمان دیابت. شرکت­‌های بزرگ داروسازی در حال حاضر پروتئین­‌های بسیار متنوعی برای درمان بیماری­‌ها تولید می­‌کنند. البته همچنان تولید این پروتین­‌ها به صورت مصنوعی با چالش‌هایی روبرو است. از ارگانیسم­‌های دستکاری شده ژنتیکی به عنوان کارخانه­‌های میکروسکوپی تولید پروتئین استفاده می‌شود.

فعالیت

آزمایش­های دناتوراسیون

می‌­توان محلولی از آلبومین تخم مرغ را در لوله آزمایش ریخت و آن را در حمام آب گرم قرار دارد تا بتوان دمای دناتوراسیون آلبومین را پیدا کرد. اثر  pH روی دناتوراسیون را نیز می­توان با اضافه کردن اسید و باز به لوله آزمایش محلول آلبومین تخم مرغ متوجه شد. برای کمّی کردن میزان دناتوراسیون از کلوریمتر می‌­توان استفاده کرد. آلبومین داناتوره شده نسبت به آلبومین محلول، نور بیشتری جذب می­‌کند.

فعالیت

بوتاکس

بوتاکس یک نوروتوکسین است که از باکتری کلستریدیوم بوتولونیوم(Clostridium botulinum)به دست می­‌آید.

1-     چه دلایلی برای تزریق بوتاکس به انسان وجود دارد؟

2-     چرا از این باکتری برای تولید بوتاکس استفاده می­‌کنند؟

3-     چرا به جای این­که بوتاکس به شکل خوراکی مصرف شود، آن را تزریق می­‌کنند؟

مثال­هایی از پروتئین­‌ها

روبیسکو، انسولین، ایمونوگلوبین­‌ها، رودوپسین، کلاژن و تار عنکبوت مثال­‌هایی از عملکردهای متنوع پروتئین­ها هستند.

شش پروتئین که می‌­توانند نماینده برخی از عملکردهای پروتئین­‌ها باشند در جدول شماره 4 ردیف شده­‌اند.

انسولین

این هورمون به عنوان یک سیگنال در بسیاری از سلول­‌ها به منظور جذب گلوکز و کمک به کاهش غلظت گلوکز خون تولید می­‌شود. روی غشای این سلول­‌ها گیرنده‌­هایی برای اتصال به این هورمون وجود دارد. شکل و ویژگی‌های شیمیایی مولکول انسولین منجر به اتصال دقیق انسولین (و نه هیچ مولکول دیگری) به گیرنده­‌ها می­‌شود. انسولین توسط سلول­‌های بتا پانکراس ترشح می­‌شوند و بوسیله خون در بدن جابه ­جا می­‌شود.

روبیسکو

روبیسکو مخفف ریبولوز بیس فسفات کربوکسیلاز است که به عقیده عده‌­ای مهم­ترین آنزیم موجود در جهان است. شکل و ویژگی­‌های شیمیایی جایگاه فعال این مولکول به روبیسکو کمک می­‌کند بتواند واکنش تثبیت دی اکسید کربن از اتمسفر را کاتالیز کند. روبیسکو در غلظت­‌های بسیار بالا در برگ­‌های گیاهان موجود است. در نتیجه می‌­توان گفت این آنزیم، فراوان­ترین پروتئین روی کره زمین است.

رودوپسین

بینایی وابسته به رنگدانه‌های جذب کننده نور است. یکی از این رنگدانه‌ها رودوپسین است؛ یکی از پروتئین­‌های غشایی سلول­‌های استوانه­‌ای شبکیه چشم. رودوپسین از مولکول­‌های گیرنده نور شبکیه‌­ای است که از اسیدآمینه ساخته نشده بلکه توسط پلی‌­پپتید اوپسین احاطه شده‌­اند. زمانی­که بخش حسگر نوری این در سلول­‌های شبکیه­‌ای یک فوتون نوری جذب­ می­کند، شکلش دچار تغییر می­‌شود. این تغییر شکل منجر به تغییراتی در اوپسین می­‌شود و به همین دلیل سلول استوانه‌­ای یک پالس عصبی به مغز ارسال می­کند. حتی تحریکات بسیار کم نوری هم توسط این سیستم تشخیص داده می­‌شود.

ایمونوگلوبین

این پروتئین­‌ها با نام آنتی­‎‌بادی نیز شاخته می­‌شوند. روی دو بازوی این مولکول‌ها، جایگاهی برای اتصال به آنتی‌­ژن‌­های مرتب با باکتری­‌ها و سایر پاتوژن­‌ها وجود دارد. بخش­‌های دیگر ایمونوگلوبین­‌ها در ایجاد پاسخ­‌های ایمنی نقش دارند، مثلاً  با اتصال به پاتوژن آن را نشانه­‌گذاری می­‌کنند تا فاگوسیت‌ها به سمت آن‌­ها هدایت شوند. جایگاه‌های اتصال روی آنتی­‌بادی­‌ها فوق­ العاده متنوع هستند. بدن طیف وسیعی از ایمونوگلوبین­‌ها را که هر کدام جایگاه‌­های اتصال متفاوتی را دارند، تولید می‌کند. این مساله پایه‌­های اصلی ایمنی اختصاصی در بیماری­‌ها را تشکیل می­‌دهد.

تار عنکبوت

انواع متنوعی از تارهای پروتئینی با عملکردهای متفاوتی توسط عنکبوت ساخته می­‌شود. تارهای مستقیم(dragline) از فولاد مقاوم­تر و از کولار سخت­تر هستند. عنکبوت از این نوع تار برای ساخت پایه­‌های شبکه عنکبوتی و میله‌­هایی که بوسیله آن­‌ها معلق می‌­شوند استفاده می­‌کند. زمانی­که عنکبوت برای بار اول این پروتئین را تولید می­‌کند، نواحی­ ای در آن وجود دارد که آرایه­‌های موازی پلی­‌پپتیدی می‌­سازند. به نظر سایر بخش‌ها چنان ترتیب نداشته و منظم نیستند ولی زمانی­­که تار کشیده می‌شود، سایر بخش­‌ها هم کشیده می­‌شوند و شبکه ساخته شده را بسیار منعطف و بسیار مقاوم در برابر پاره شدن می­‌کنند.

کلاژن

اشکال مختلفی از کلاژن وجود دارد، ولی همگی پروتئین‌­های طناب مانندی هستند که از پیچ و تاب خوردن سه پلی‌­پپتید به دور یکدیگر ساخته شده‌­اند. کلاژن تقریباً یک چهارم کل پروتئین‌­های بدن انسان را تشکیل می­‌دهد و از هر پروتئین دیگری در بدن فراوان­تر هستند. کلاژن شبکه‌­ای از رشته‌­ها در پوست و دیواره رگ­‌های خونی می‌سازد تا از پاره شدن آن­‌ها جلوگیری شود. وجود دسته‌­ای از مولکول­‌های کلاژن موازی در لیگامنت­‌ها و دیواره رگ­‌های خونی آن­‌ها را بسیار مقاوم می­‌کند. کلاژن بخشی از ساختار دندان و استخوان­‌ها را می‌­سازد و به جلوگیری از ترک برداشتن و شکستگی کمک می­‌کند.

 

فعالیت

علم پویا : ژنوم و پروتئوم

شاید انتظار داشته باشیم چون برخی از ژن­‌ها هیچ پلی­‌پپتیدی کد نمی­‌کنند در نتیجه پروتئوم یک ارگانیسم از ژنومش کوچکتر باشد اما در حقیقت پروتئوم بزرگتر است. چگونه یک ارگانیسم نسبت به تعداد ژن­‌های موجود در ژنوم خود پروتئین بیشتری تولید می‌کند؟

 

پروتئوم

هر انسانی، پروتئوم منحصر به فرد خود را دارد.

پروتئوم در حقیقت مجموعه­‌ای از تمامی پروتئین­‌هایی است که در یک سلول، بافت یا یک ارگانیسم ساخته می‌­شود. به همین ترتیب ژنوم مجموعه‌­ای از کل ژن­‌های یک سلول، بافت یا یک ارگانیسم است. برای اینکه متوجه شویم چه تعداد پروتئین مختلف تولید می­‌شود، مخلوطی از پروتئین­‌ها از یک نمونه استخراج شده و با استفاده از ژل الکتروفورز از هم جدا می‌­شوند.

درحالی­که ژنوم یک ارگانیسم ثابت است، پروتئوم آن بسیار متغیر است؛ زیرا سلول­‌های مختلفی درون یک ارگانیسم هستند که هر کدام پروتئین­‌های مختلفی تولید می‌­کنند. حتی درون یک سلول هم محتوای پروتئینی که در طول زمان تولید می‌­شود، باتوجه به فعالیت­‌های سلول متغیر است. پروتئوم در حقیقت به ما نشان می­‌دهد که چه اتفاقی درون یک ارگانیسم در حال رخ دادن است.برای بررسی اینکه آیا یک پروتئین خاص در محلول حضور دارد یا نه، می‌­توان از آنتی­‌بادی­‌های مخصوص آن پروتئین که به نشانگرهای فلوئورسنتی متصل هستند، استفاده کرد. اگر سلول رنگ فلوئورسنت از خود ساطع کند، می‌توان متوجه شد که آن پروتئین درون سلول وجود دارد.

در هر گروه از موجودات، شباهت‌ها و تفاوت­‌هایی بین افراد هر گروه وجود دارد. پروتئوم هر فرد منحصر به خود اوست. یکی از دلایل این مساله این است که فعالیت افراد با هم متفاوت است، از طرف دیگر تفاوت‌­های کوچکی در توالی اسیدآمینه‌ای پروتئین­‌های تولید شده وجود دارد. بدون در نظر گرفتن دوقلوهای همسان، هیچ­کدام از ما پروتئین­‌هایی دقیقاً مانند هم نداریم. در نتیجه پروتئوم هر انسانی، مخصوص خود اوست. البته حتی پروتئوم دوقلوهای همسان هم می‌­توانند طی گذشت زمان از یکدیگر متفاوت شوند.

یی

[1] Thermus aquaticus

[2] Yellowstone National Park

[3] Catalysis

 

 

[1] proteome

اشتراک گذاری:

دیدگاهتان را بنویسید