21.6
تعد البروتينات من أكثر الجزيئات العضوية وفرة في الأنظمة الحية ولها مجموعة متنوعة من الوظائف لجميع الجزيئات الكبيرة. قد تكون البروتينات هيكلية أو تنظيم…
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.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What are the four levels of protein structure?
Protein structure has four hierarchical levels. Primary structure is the linear sequence of amino acids read from the N-terminal to the C-terminal. Secondary structure forms through hydrogen bonding, creating alpha helices and beta-pleated sheets. Tertiary structure is the three-dimensional shape resulting from interactions between amino acid R-groups. Quaternary structure occurs when multiple polypeptide chains assemble together, as in hemoglobin's four subunits.
Q2: How do amino acids link together to form proteins?
Amino acids are connected by peptide bonds, which form between the carboxyl group of one amino acid and the amino group of the next. This creates a linear polymer chain with a free amino end (N-terminal) and a free carboxyl end (C-terminal). The resulting polypeptide chain can then fold into secondary and tertiary structures through various molecular interactions.
Q3: What causes secondary structures like alpha helices and beta-pleated sheets to form?
Secondary structures form through hydrogen bonding between the carbonyl oxygen of one amino acid and the amino hydrogen of another amino acid in the polypeptide backbone. In alpha helices, these bonds occur between amino acids spaced four residues apart, creating a spiral structure with 3.6 residues per turn. In beta-pleated sheets, hydrogen bonds form between adjacent polypeptide chains aligned parallel or antiparallel to each other.
Q4: What interactions determine a protein's three-dimensional tertiary structure?
Tertiary structure results from interactions between amino acid R-groups. Ionic bonds form between R-groups with opposite charges, while hydrophobic interactions cluster nonpolar R-groups in the protein's interior. Disulfide bridges form covalent bonds between cysteine residues. Hydrogen bonds between polar R-groups also contribute. These combined weak and strong interactions fold the polypeptide into its final three-dimensional shape.
Q5: How does protein location in the cell relate to its amino acid composition?
Protein location depends on the distribution of hydrophilic and hydrophobic amino acids. Cytoplasmic proteins have hydrophilic amino acids on their surfaces to interact with water and hydrophobic cores inside. Membrane proteins have the opposite arrangement: hydrophobic amino acids on the surface interact with glycerophospholipids in the membrane, while hydrophilic amino acids form the core. This arrangement ensures proper protein positioning and function.
Q6: What happens to protein function when its structure changes?
Protein function depends critically on three-dimensional structure. When a protein loses its shape, it becomes nonfunctional. For example, in sickle cell anemia, a single amino acid substitution in hemoglobin's beta chain causes the protein to form long fibers, distorting red blood cells into a sickle shape. This structural change prevents normal oxygen transport and causes serious health complications including breathlessness, dizziness, and pain.
Q7: What is quaternary structure and which proteins exhibit it?
Quaternary structure forms when two or more polypeptide chains assemble into a single functional protein complex. Weak interactions like hydrogen bonds and disulfide linkages stabilize these multi-subunit assemblies. Hemoglobin exemplifies quaternary structure with four subunits: two alpha and two beta chains. Insulin also exhibits quaternary structure through disulfide bonds linking its separate polypeptide chains after post-translational modification.