Name: how protein shape controls function
Uploaded: 2020-09-24T15:06:53.000Z
Duration: 2 min 15 s
Channel: JoVE

البروتينات هي بوليمرات أحماض أمينية،متصلة ببعضها البعض بواسطة روابط ببتيدية. معظم البروتينات،تنطوي مكونة بنية محددة ثلاثية الأبعاد،كي تؤدي وظيفتها. تُصنف البروتينات من حيث البنية في أربع فئات:أولية،وثانوية،وثالثية،ورابعية.التسلسل الخطي للأحماض الأمينية في البروتين هو بنيته الأولية. تُقرأ هذه التسلسلات حسب ترتيب تشكيل البوليمر،من الطرف-N،الذي لا تشارك فيه المجموعة الأمينية،إلى الطرف-C،الذي لا تشارك فيه المجموعة الكربوكسيلية. تتشكل البنيات الثانوية بواسطة الترابط الهيدروجيني بين الأكسجين،من مجموعة الكربونيل في أحد الأحماض الأمينية،وبين الهيدروجين،من المجموعة الأمينية في حمض آخر.من البنيات الثانوية الشائعة صفائح ألفا-حلزوني،وبيتا-مطوي. هذه البنيات الترابطية وغيرها مثل انعطافات بيتا،تتداخل لتشكل البنية ثلاثية الأبعاد للبروتين،المعروفة باسم البنية الثالثية. يحدث تكوين البنية الثالثية،نتيجة التفاعلات الداخلية بين مجموعات-R من الأحماض الأمينية.تستطيع مجموعات R ذات الشحنات المتضادّة،أن تشكل روابط أيونية،ويستطيع الكبريت في ذرتي سيستين،أن يشكل جسر ثنائي الكبريت التساهمي. ومن المساهِمات الأخرى،التفاعلات الكارهة للماء بين طرف السلاسل الكاره للماء،والروابط الهيدروجينية في طرف السلاسل القطبي. كما تُشكل بعض البروتينات بنيات رابعية،وهي تجمعات لسلسلتين أو أكثر متعددة الببتيد.على سبيل المثال،الهيموغلوبين هو بروتين،يتألف من أربع وحدات فرعية،اثنتان منهما ألفا واثنتان بيتا. يستطيع العلماء استخدام بنية بروتين معين،للتنبؤ بوظيفته وموقعه في الخلية. تحتوي البروتينات في سيتوبلازم الخلية على أحماض أمينية محبة للماء على أسطحها،و التي تتفاعل مع الماء في السيتوبلازم،كما تحتوي على مراكز كارهة للماء.وعلى العكس،البروتينات الموجودة في الأغشية،غالبًا ما تحتوي على أحماض أمينية كارهة للماء على السطح،تتفاعل مع الجلسيروفوسفوليبيدات التي في الغشاء،كما تحتوي على مراكز محبة للماء.

<ol>
	<li>نيلسون ، دي إل ، وكوكس ، إم إم (2008). مبادئ لينينجر للكيمياء الحيوية (الطبعة الخامسة). دبليو إتش فريمان. الصفحة 113-140</li>
	<li>الهيكل البلوري للهيموجلوبين في الحالة T مع الأكسجين المرتبط في جميع أنواع Haems الأربعة.باولي ، إم ، ليدينجتون ، آر ، تامي ، جيه ، ويلكنسون ، أ. ، دودسون ، ج. (1996) جي مول بيول 256: 775</li>
</ol>

البروتين وبنية البروتين

تعد البروتينات من أكثر الجزيئات العضوية وفرة في الأنظمة الحية ولها مجموعة متنوعة من الوظائف لجميع الجزيئات الكبيرة. قد تكون البروتينات هيكلية أو تنظيمية أو مقلِّصة أو واقية. قد تعمل في النقل أو التخزين أو الأغشية؛ أو قد تكون سموم أو إنزيمات. تختلف هياكلها، مثل وظائفها، بشكل كبير. ومع ذلك، فهي كلها عبارة عن بوليمرات من الأحماض الأمينية مرتبة في تسلسل خطي. شكل البروتين' مهم لوظيفته. على سبيل المثال، يمكن أن يرتبط الإنزيم بركيزة معينة في موقعه النشط. إذا تم تغيير هذا الموقع النشط بسبب التغيرات المحلية أو التغيرات في بنية البروتين الكلية، فقد يكون الإنزيم غير قادر على الارتباط بالركيزة. لفهم كيفية حصول البروتين على شكله النهائي أو تشكيله، نحتاج إلى فهم المستويات الأربعة لبنية البروتين: الأولية والثانوية والثالثية والرباعية. الهيكل الأساسي الأحماض الأمينية' التسلسل الفريد في سلسلة البولي ببتيد هو هيكلها الأساسي. على سبيل المثال، يحتوي هرمون الأنسولين في البنكرياس على سلسلتين من عديد الببتيد، A و B، وهما مرتبطان ببعضهما البعض بواسطة روابط ثاني كبريتيد. الطرف الأميني-N للحمض الأميني من السلسلة A هو الجلايسين. في حين أن الطرف الكربوكسيلي-C للحمض الأميني هو الأسباراجين . تسلسل الأحماض الأمينية في السلاسل A و B يتفرد به الأنسولين. يحدد الجين الذي يشفر البروتين في النهاية التسلسل الفريد لكل بروتين. قد يؤدي التغيير في تسلسل النوكليوتيدات في منطقة ترميز الجين’ إلى إضافة حمض أميني مختلف إلى سلسلة البولي ببتيد المتنامية، مما يتسبب في تغيير بنية البروتين ووظيفته. في فقر الدم المنجلي، تخضع سلسلة الهيموغلوبين β لاستبدال حمض أميني واحد، مما يتسبب في تغيير في بنية البروتين ووظيفته. على وجه التحديد، يَستبدل الفالين الموجود في سلسلة β الحمض الأميني حمض الغلوتاميك. بسبب هذا التغيير في أحد الأحماض الأمينية في السلسلة، فإن جزيئات الهيموجلوبين تشكل أليافاً طويلة تشوه خلايا الدم الحمراء ذات التجويف المزدوج، أو على شكل قرص، وتتسبب في جعلها تتخذ شكل هلال أو الشكل “المنجلي” الذي بدوره يقوم بسد الأوعية الدموية. وهذا يمكن أن يؤدي إلى عدد لا يحصى من المشاكل الصحية الخطيرة مثل ضيق التنفس والدوخة والصداع وآلام البطن للمصابين بهذا المرض. الهيكل الثانوي يؤدي الطي الموضعي لعديد الببتيد في بعض المناطق إلى تكوين البنية الثانوية للبروتين. البنية الأكثر شيوعاً هي α-هيليكس و β-هياكل الأوراق المطوية. كلا الهيكلين مثبتان في شكل روابط هيدروجينية. تتشكل الروابط الهيدروجينية بين ذرة الأكسجين في مجموعة الكربونيل في حمض أميني واحد وحمض أميني آخر يتكون من أربعة أحماض أمينية على طول السلسلة. كل منعطف هيليكي في ألفا هيليكس يحتوي على 3.6 بقايا من الأحماض الأمينية. تبرز مجموعات R في البولي ببتيدات' (المجموعات المتغايرة) تبرز خارجاً من سلسلة α-هيليكس. في هيكل β-الورقة المطوية، تشكل الرابطة الهيدروجينية بين الذرات على العمود الفقري لسلسلة البولي ببتيد الطيات. مجموعات-R متصلة بالكربون وتمتد أعلى وأسفل طيات الطية. تتم محاذاة الأجزاء المطوية بالتوازي أو مع بعضها البعض، وتتشكل الروابط الهيدروجينية بين ذرة الهيدروجين الموجبة جزئياً في المجموعة الأمينية وذرة الأكسجين السالبة جزئياً في مجموعة الكربونيل التي تشكل العمود الفقري' للببتيد. تتواجد هياكل α-هيليكس وهياكل β-الورقة المطوية في معظم البروتينات المكوّرة والليفية ،وتلعب دوراً هيكلياً مهماً. 
 الهيكل الثلاثي إن الهيكل الثلاثي الأبعاد الفريد لمتعدد الببتيد' هو هيكله الثلاثي. يرجع هذا الهيكل جزئياً إلى التفاعلات الكيميائية في العمل على سلسلة البولي ببتيد. في المقام الأول، تخلق التفاعلات بين مجموعات-R بنية ثلاثية الأبعاد معقدة للبروتين. يمكن لطبيعة مجموعات-R في الأحماض الأمينية المعنية أن تتعارض مع تكوين روابط الهيدروجين التي وصفناها للهياكل الثانوية القياسية. على سبيل المثال، مجموعات-R ذات الشحنات المتشابهة تتنافر، وتلك التي تحمل شحنات مختلفة تنجذب إلى بعضها البعض (الروابط الأيونية). عندما يحدث طي للبروتين، فإن مجموعات-R الكارهة للماء للأحماض الأمينية غير القطبية' تبقى في الجزء الداخلي من البروتين'، في حين أن مجموعات-R المحبة للماء تقع في الخارج. تشكل التفاعلات بين سلاسل السيستين الجانبية روابط ثاني كبريتيد في وجود الأكسجين، وهي الرابطة التساهمية الوحيدة التي تتشكل أثناء طي البروتين. كل هذه التفاعلات، الضعيفة والقوية، تحدد الشكل النهائي ثلاثي الأبعاد للبروتين'. عندما يفقد البروتين شكله ثلاثي الأبعاد، فقد يفقد خاصيته الوظيفية. الهيكل الرباعي في الطبيعة، تتكون بعض البروتينات من عدة عديدات ببتيدات، أو وحدات فرعية، ويشكل تفاعل هذه الوحدات الفرعية البنية الرباعية. تساعد التفاعلات الضعيفة بين الوحدات الفرعية على استقرار الهيكل العام. على سبيل المثال، يحتوي الأنسولين (بروتين كروي) على مزيج من روابط الهيدروجين وثاني الكبريتيد التي تجعله يتكتل في الغالب على شكل كرة. يبدأ الأنسولين كبولي ببتيد واحد ويفقد بعض التسلسلات الداخلية في وجود تعديل ما بعد الترجمة بعد تكوين روابط ثاني كبريتيد التي تربط السلاسل المتبقية معاً. ومع ذلك، فإن الحرير (بروتين ليفي) له بنية β-صفائح مطوية ناتجة عن الرابطة الهيدروجينية بين السلاسل المختلفة. هذا النص مقتبس من <a href="https://openstax.org/books/biology-2e/pages/3-4-proteins">Openstax, Biology 2e, Chapter 3.4: Proteins</a>.

البروتينات هي واحدة من أكثر الجزيئات العضوية وفرة في الأنظمة الحية ولها مجموعة متنوعة من الوظائف لجميع الجزيئات الكبيرة. قد البروتينات ...

Education

JoVE Core

Chemistry

الكيمياء

واحد

Biochemistry

الكيمياء الحيوية

KEY TERMS AND CONCEPTS

المصطلحات والمفاهيم الأساسية

Protein and Protein Structure

how protein shape controls function

Proteins are a major class of organic molecules in living systems, and their shape helps determine what they do. They can act as structural, regulatory, contractile, or protective molecules. They also take part in transport, storage, membranes, toxins, and enzymes. All proteins are polymers of amino acids arranged in a linear sequence.

A protein’s function depends on its three-dimensional form. For example, an enzyme works when its active site can bind a specific substrate. If local changes or larger changes in protein structure alter that site, the enzyme may no longer bind the substrate. To understand how a protein reaches its final conformation, it helps to study four levels of structure: primary, secondary, tertiary, and quaternary.

Primary structure is the unique amino acid sequence of a polypeptide chain. In insulin, the pancreatic hormone, there are two polypeptide chains, A and B, held together by disulfide bonds. The A chain begins with glycine at the N terminus and ends with asparagine at the C terminus. The gene that encodes a protein determines this sequence, so a change in the coding region can add a different amino acid and change protein structure and function. Sickle cell anemia shows this clearly. In the hemoglobin beta chain, valine replaces glutamic acid, and that single change leads hemoglobin to form long fibers that distort red blood cells into a sickle shape and clog blood vessels. This can cause breathlessness, dizziness, headaches, and abdominal pain.

Secondary structure comes from local folding in parts of the polypeptide chain. The most common forms are the alpha helix and the beta-pleated sheet. Hydrogen bonds hold both forms in place. These bonds form between the oxygen in a carbonyl group on one amino acid and another amino acid four positions farther along the chain. In an alpha helix, each turn contains 3.6 amino acid residues, and the R groups point outward. In a beta-pleated sheet, hydrogen bonds form along the backbone to create pleats. The R groups extend above and below the folds, and the strands can align parallel or antiparallel. These structures are common in globular and fibrous proteins, where they provide support.

Tertiary structure is the full three-dimensional shape of one polypeptide. Interactions among R groups are the main force behind this folding. Like charges repel, unlike charges attract through ionic bonds, and hydrophobic R groups tend to move into the protein interior while hydrophilic R groups stay outside. Cysteine side chains can also form disulfide linkages in the presence of oxygen, and this is the only covalent bond formed during protein folding. Together, these weak and strong interactions set the final shape. If a protein loses that shape, it may no longer work.

Some proteins also form quaternary structure. This happens when several polypeptide subunits join together. Weak interactions between the subunits help stabilize the overall protein. Insulin is one example of a globular protein with hydrogen and disulfide bonds that help it form a mostly ball-like shape. It begins as a single polypeptide and then loses some internal sequences during post-translational modification after the disulfide linkages form and hold the remaining chains together. Silk is another example, but it is a fibrous protein with a beta-pleated sheet structure created by hydrogen bonding between different chains.

How Protein Shape Controls Function

functional groups

Functional Groups in Organic Chemistry

Functional groups in organic chemistry are groups of atoms that give molecules specific properties. When these groups attach to a carbon skeleton, they can change how the molecule behaves. Some functional groups make a molecule hydrophilic, or water-attracting. Others make it hydrophobic, or water-repelling. Functional groups are a key part of organic chemistry and are also found in major biological molecules. They appear in carbohydrates, proteins, lipids, and nucleic acids. Each functional...

structure of lipids

Lipids, Fats, and Cell Membranes

Lipids are nonpolar molecules that do not mix well with water. They are hydrophobic, which means “water fearing,” because they contain mostly nonpolar carbon-carbon and carbon-hydrogen bonds. In cells, lipids store long-term energy as fats, help insulate plants and animals, and form protective water-repellent layers on feathers and fur. They are also part of cell membranes and serve as building blocks for many hormones. Common lipids include fats, oils, waxes, phospholipids, and steroids. A...

chemistry of the cell

Cell Chemistry: Water and Macromolecules

Cell chemistry includes water, organic molecules, and inorganic ions. These materials shape how cells store energy, build structures, and carry out life processes. Most cellular chemistry and metabolism happen in the watery cytoplasm. Water is a key part of the cell because it has special properties tied to its polarity. In a water molecule, hydrogen and oxygen form polar covalent bonds, so the molecule has no net charge but does have a slightly positive end and a slightly negative end. Oxygen...

dna base pairing

Chargaff’s Rules and DNA Pairing

Chargaff’s rules and DNA base pairing explain how DNA strands match up. In double-stranded DNA, adenine (A) pairs with thymine (T), and guanine (G) pairs with cytosine (C). Chargaff also found that A equals T, G equals C, and the total amount of purines (A and G) equals the total amount of pyrimidines (C and T). Watson and Crick later showed why these matches matter. A forms two hydrogen bonds with T, while G forms three hydrogen bonds with C. These pairings keep the DNA double helix a...

chemistry of carbohydrates

Carbohydrates as Energy and Storage Molecules

Carbohydrates are important energy sources in human and animal diets. Grains, fruits, and vegetables are natural sources of carbohydrates. They help provide energy to the body, especially through glucose, a simple sugar found in starch and many staple foods. Carbohydrates are identified by the stoichiometric formula (CH2O)n, where n is the number of carbons in the molecule. This means the ratio of carbon to hydrogen to oxygen is usually 1:2:1. The name carbohydrate comes from this pattern,...

protein and protein structure

Proteins are a major class of organic molecules in living systems, and their shape helps determine what they do. They can act as structural, regulatory, contractile, or protective molecules. They also take part in transport, storage, membranes, toxins, and enzymes. All proteins are polymers of amino acids arranged in a linear sequence. A protein’s function depends on its three-dimensional form. For example, an enzyme works when its active site can bind a specific substrate. If local changes or...

amino acids

Amino Acids and Protein Building

Amino acids are the building blocks of proteins. Each amino acid has the same basic structure. A central carbon atom, called the alpha carbon, is bonded to an amino group, a carboxyl group, and a hydrogen atom. Each amino acid also has an R group, or side chain, attached to the central carbon. The R group is different for every amino acid. It helps determine whether an amino acid is acidic, basic, polar, or nonpolar. Scientists call these molecules amino acids because they contain both amino...

peptide bonds

Peptide Bond Formation and Shape

Peptide bonds join amino acids into peptides and polypeptides. They form when the carboxyl group of one amino acid reacts with the amino group of another. This dehydration reaction releases a water molecule and creates a covalent link. As more amino acids are added, the chain becomes a polypeptide. Each polypeptide has a free amino group at one end. This end is the N-terminal, or amino-terminal. The other end has a free carboxyl group. This end is the C-terminal, or carboxyl-terminal. The...

nucleic acids

DNA and RNA: Genetic Instructions

DNA and RNA are the nucleic acids that store genetic information and help direct cell activity. These macromolecules carry the cell’s genetic blueprint and the instructions it uses to function. DNA is the genetic material in all living organisms, from single-celled bacteria to multicellular mammals. In eukaryotic cells, DNA is found in the nucleus and also in organelles such as chloroplasts and mitochondria. In prokaryotes, DNA is not enclosed in a membrane. The full genetic content of a cell...

dna replication

DNA Copying: Leading and Lagging Strands

DNA replication copies genetic material before a cell divides. Each original DNA strand serves as a template for a new complementary strand. The result is semiconservative replication, which means each new DNA molecule contains one old strand and one new strand. The two daughter cells then receive DNA with the same sequence. Replication starts when helicase separates the two strands of the double helix. This creates a Y-shaped replication fork. Primase then adds short RNA primers that give DNA...

from dna to protein

The Genetic Code and Codons

The genetic code and codons explain how cells turn DNA information into proteins. Genes first direct the sequence of mRNA, and mRNA then directs the sequence of amino acids that make up proteins. Specific proteins and RNAs carry out this decoding. Cells copy DNA into mRNA so the original DNA stays protected while the cell uses the message for protein synthesis. Copying DNA to RNA is relatively simple. One nucleotide is added to the mRNA strand for every nucleotide read on the DNA strand.

polymers

Polymer Chains and How They Form

Polymers are long chains of molecules made from repeating units called monomers. The word polymer comes from the Greek words "poly," meaning many, and "mer," meaning parts. Polymers can be found in nature, such as DNA and proteins, or made synthetically, such as plastics. A polymer’s shape helps define its properties. Some polymers form linear chains, while others are branched or arranged in complex networks. Functional groups on a polymer also affect how it behaves. The repeating units in a...

key terms and concepts

Explore how amino acid sequence, folding, and subunit interactions shape proteins. Learn the four levels of protein structure with insulin and sickle cell examples.

How Protein Shape Controls Function | JoVE K12

chemistry

JoVE Core Chemistry brings general chemistry concepts to life using concise and easy-to-understand animated video lessons. Plus, in the scientist-in-action videos, we demonstrate classical and original research experiments performed in today's laboratories worldwide.

How Protein Shape Controls Function

Description

Transcript