2.10
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 main components that make up a protein?
Proteins are polymers composed of amino acids linked together by peptide bonds. Amino acids contain a central carbon atom bonded to an amino group, a carboxyl group, a hydrogen atom, and a distinctive side chain. The sequence and arrangement of these amino acids determine the protein's structure and function.
Q2: How do amino acids bond together to form proteins?
Amino acids join through condensation reactions, where the carboxyl group of one amino acid reacts with the amino group of another, releasing water and forming a peptide bond. This process repeats to create long polypeptide chains. The resulting covalent bonds link amino acids in a specific sequence determined by genetic information.
Q3: What stabilizes the three-dimensional shape of a protein?
Protein structure is stabilized by noncovalent attractions in biomolecules, including hydrogen bonds, ionic interactions, and hydrophobic effects between amino acid side chains. These weak interactions work together to fold the polypeptide chain into its functional three-dimensional shape. Disulfide bonds between cysteine residues provide additional covalent stabilization.
Q4: What is the difference between primary and tertiary protein structure?
Primary structure is the linear sequence of amino acids in a polypeptide chain, determined by peptide bonds. Tertiary structure is the three-dimensional folding of that chain, created by interactions between distant amino acids through hydrogen bonds, ionic attractions, and hydrophobic effects. Tertiary structure determines how the protein functions in the cell.
Q5: How do multiple polypeptide chains form quaternary protein structure?
Quaternary structure forms when two or more polypeptide subunits associate through noncovalent interactions and sometimes disulfide bonds. Each subunit maintains its own tertiary structure while bonding to other subunits. This multi-subunit arrangement allows proteins to perform complex functions and respond to cellular signals.
Q6: Why is protein folding important for cellular function?
Proper protein folding creates the specific three-dimensional shape required for a protein to bind substrates, catalyze reactions, or interact with other molecules. Misfolded proteins cannot perform their intended functions and may accumulate, causing cellular damage. Cells use molecular chaperones to assist folding and maintain protein quality control.
Q7: What role do functional groups play in protein structure and function?
Amino acid side chains contain various functional groups that determine their chemical properties and interactions. Polar groups form hydrogen bonds, nonpolar groups cluster away from water, and charged groups participate in ionic attractions. These functional groups enable proteins to achieve specific shapes and perform diverse biochemical roles.