البروتينات Proteins

البروتينات Proteins هي المركّباتَ العضوية organic compounds الأكثر وفرة في الأحياء الدقيقة microorganisms وجميع الكائنات الحيَّة، تُشكّلُ حوالي 58 % مِنْ وزنِ الخليةَ الجافَ. تدل النسبة العالية للبروتينات على أدوارِها الأساسية والمتنوّعةِ. تعمل العديد مِنْ البروتينات كمكوّنات تركيبية في الخلايا والجدران الخلوية cell walls، وكعوامل نقل في الأغشيةِ membranes. يعمل عدد كبير مِنْ البروتينات كإنزيمات enzymes. تتكوّن البروتينات من ذرات الكربون carbon، الهيدروجين hydrogen، الأكسجين oxygen، النيتروجين nitrogen، وعادة، الكبريت sulfur.

البروتينات هي بوليمرات polymers تبنى من مونومرات monomers تحتوي على النيتروجين تسمى الأحماض الأمينية amino acids. في مركز كُلّ حمض أميني ذرّةُ كربونِ مرتبطة بمجموعتين وظيفيتينِ: مجموعة الأمين amino group (NH₂–) ومجموعة الكربوكسيل carboxyl group (COOH–). يرتبط بالكربونِ أيضاً سلسلة جانبية، تسمّى مجموعة R. كُلّ حمض مِنْ الأحماض الأمينية العشرين يَختلفُ فقط بالذرّاتِ التي تكوّن مجموعة R. هذه السلاسلِ الجانبيةِ، العديد منها مجموعاتَ وظيفية functional groups، ضرورية في تحديد الشكلِ النهائيِ، وبالتالي وظيفة البروتينِ.

في تشكيلِ البروتينِ، ينضمّ حمضان أمينيان (تسمّى أحياناً ببتيدات peptides) معاً برابطة تساهمية covalent bond عندما ترتبط المجموعة الأمينية لحمض أميني واحد إلى مجموعة الكربوكسيل لحمض أميني آخر عبر تفاعل تخليق التجفاف dehydration synthesis reactions. يُنتجُ تكرار التفاعل مئات المرات سلسلة طويلة مِنْ الأحماض الأمينية تسمى عديد الببتيد polypeptide والرابطة التساهمية بالتالي تسمى رابطة ببتيدية peptide bond. كيف توضع الأحماض الأمينية في الموقعِ لبناء عديد الببتيد هي عملية معقّدة. ومع ذلك، تسلسل الأحماض الأمينية حاسم لأن وضع حمض أميني واحد بشكل غير صحيح قَدْ يُغيّرُ الشكلَ الثلاثي الأبعادَ three-dimensional shape ووظيفةَ البروتينِ.

لأن البروتينات لَها أدوارُ متنوّعةُ بشكل مذهل، فإنها تأتي في العديد مِنْ الأحجام والأشكال. يَعتمدُ الشكلُ النهائيُ على عِدّة عوامل ترتبط بالأحماض الأمينية. تسلسل الأحماض الأمينية في عديد الببتيدات يُمثّلُ التركيبَ الأولي primary structure. كُلّ بروتين له وظيفة مختلفة سَيكون له تركيب أولي مختلف. ومع ذلك، تسلسل الأحماض الأمينية لوحده لَيس كافي لمَنْح الوظيفةِ.

الكثير من عديد الببتيد لها مناطقُ مطوية في شكل لولبي corkscrew shape أَو حلزون ألفا alpha helix. تُمثّلُ هذه المناطقِ جزءَ من التركيب الثانوي secondary structure للبروتينَ. تحافظ الروابط الهيدروجينية Hydrogen bonds بين مجموعات الأمين (NH–) ومجموعات الكربونيل carbonyl groups (C=O–) على الأحماض الأمينية القريبةِ على هذا التركيبِ. قد يشكل تركيب ثانوي أيضاً عندما تجعل الروابط الهيدروجينية أجزاءَ من سلسلة عديد الببتيد تتعرُّج في مستوى مسطح، تشكل ورقة مطوية. قَدْ لا تَتفاعلُ المناطق الأخرى وتَبْقى في لفافة عشوائية random coil..

الكثير مِنْ عديد الببتيد لها أيضاً تركيب ثالثي tertiary structure. هذا الشكل الثالثي الأبعادِ (D-3) لعديد الببتيد يطوى مرة أخرى على نفسه مثل سلك هاتف حلزونيِ. تُساعدُ الروابط الأيونية Ionic bonds والهيدروجينية بين مجموعات R على الأحماض الأمينية في القرب من بعضها البعض على تَشكيل والحفاظ على عديد الببتيد في تركيبه الثالثي. بالإضافة لذلك، روابط تساهمية covalent bonds، تسمّى جسور ثنائي السلفايد disulfide bridges، بين ذرّاتِ الكبريتِ في مجموعات R هي مهمة في تَثبيت التركيبِ الثالثي.

الروابط الأيونية والهيدروجينية التي تُساعدُ على حفظ البروتين في شكله الثلاثي الأبعاد هي روابط ضعيفة نسبياً. على هذا النحو، تتأثّرُ هذه التفاعلاتِ في البروتين بالظروف البيئية environmental conditions. عندما تتعرّض للحرارة, تغيرات في الأس الهيدروجيني pH، أَو مواد كيميائية معينة، هذه الروابطِ قَدْ تتكسرُ، وتُسبّبُ أن عديد الببتيد ينفك ويفقد نشاطه الحيويِ. يشار إلى فقدان الشكل ثلاثي الأبعاد هذا باسم التمسخ denaturation. على سبيل المثال، بياض white البَيضة المَسلُوقة boiled egg هو بروتينَ بيضِ متمسخ denatured egg protein (الألبومين albumin) والجبن الأبيض cottage cheese هو بروتينُ حليبِ متمسخ denatured milk protein. في حالة تمسخ الإنزيمات، ستنقطع التفاعلات الكيميائية الهامة التي تُسهّلها وقَدْ تؤدي إلى موتُ الكائن الحي. يمكن تدمير الفيروسات Viruses أيضاً بتمسيخ البروتينات الموجودة على وفي الفيروس.

الآن يَجِبُ أَنْ نفهم أهميةَ المحاليل المنظمة buffers في الخلايا؛ من خلال منع تغيرات الأس الهيدروجيني، تمنع تمسخ البروتين وتحافظ على وظيفةَ البروتين.

العديد مِنْ البروتينات هي عديد ببتيد مفرد. ومع ذلك، تحتوي البروتينات الأخرى على إثنان أَو أكثر من عديدات الببتيد لتشكل البروتينِ الكاملِ والوظيفيِ؛ هذا يسمى التركيبَ الرباعي quaternary structure. تطوى كُلّ سلسلة عديد ببتيد في تركيبِها الثلاثيِ والإرتباط الفريد بين عديدات الببتيد المنفصلة ينتجُ التركيبَ الرباعيَ. تشارك نفس أنواعِ الروابط الكيميائية chemical bonds كما هو الحال في التركيب الثالثي.