تحقیق مقاله پروتئین ها و انواع ساختار های آن

مقدمه :

پروتئین ها فراوان ترین ماکرو ملکول های بیولوژیک هستند که در تمامی سلول ها و تمامی قسمت های سلولی یافت می شوند. پروتئین ها همچنین دارای تنوع زیادی می باشند. هزاران نوع پروتئین مختلف با اندازه های متفاوت از پپتیدهای نسبتاً کوچک تا پلیمرهای بزرگ دارای وزن های مولکولی در حد میلیون ممکن است در یک سلول یافت شوند. به علاوه، پروتئین ها اعمال بسیار متنوع بیولوژیک را انجام داده و مهمترین محصولات نهایی مسیرهای اطلاعاتی می باشند.

پروتئین ها ابزار مولکولی هستند که از طریق آنها اطلاعات ژنتیکی بیان می گردند شروع بررسی ماکرو ملکول های بیولوژیک یا پروتئین ها، که نامشان از کلمه یونانی (protos) به معنی «اولین» یا «جلوترین» گرفته شده است، مناسب می باشد.

کلید ساختمان هزاران پروتئین مختلف، زیر واحدهای مونومری نسبتاً ساده آنها می باشد، تمامی پروتئین ها، شامل پروتئین های موجود در قدیمی ترین رده های باکتریایی تا پیچیده ترین اشکال حیات از 20 اسید آمینه یکسان ساخته شده اند که با توالی های مشخص خطی به طریق کووالال به یکدیگر متصل می باشند. از آنجایی که هر کدام از این اسیدهای آمینه دارای زنجیر جانبی با خصوصیات شیمیایی متفاوت می باشند، این گروه 20 ملکولی پیش ساز را می توان به عنوان الفبای زبانی دانست که ساختمان پروتئین با آن نوشته می شود.

چیزی که بیشتر قابل ملاحظه می باشد این است که سلول ها می توانند با اتصال همین 20 اسید آمینه با ترکیبات و توالی های بسیار متنوع، پروتئین هایی را تولید نمایند که ویژگی ها و فعالیت های فوق العاده متنوعی دارند. موجودات مختلف می توانند با استفاده از این بلوک‌های ساختمانی محصولات بسیار متفاوتی نظیر آنزیم ها- هورمون ها- آنتی بادی ها- انتقال دهنده ها- عضله- پروتئین عدسی چشم- پر- تار عنکبوت- شاخ کرگدن- پروتئین‌های شیر، آنتی بیوتیک ها- سموم قارچی و تعداد زیادی از مواد دیگر با فعالیت های بیولوژیک متفاوت ایجاد نمایند.

از میان این محصولات پروتئینی، آنزیم ها تنوع بیشتری داشته و اختصاصی تر می باشند. در واقع تمامی واکنش های سلولی توسط آنزیم ها کاتالیزی گردند.

خلاصه:

هر پروتئینی دارای یک ساختمان بی همتای سه بعدی است که انعکاسی از فعالیت آن می‌باشد. ساختمان پروتئین توسط واکنش های متقابل ضعیف پایدار می گردد. واکنش های متقابل آبگریز بیشترین نقش را در پایداری شکل کردی اکثر پروتئین های محلول دارد، پیوندهای هیدروژنی و واکنش های متقابل یونی، در ساختمان اختصاصی به حد مطلوب می‌رسند که بیشترین پایداری ترمودینامیکی را دارد.

ماهیت پیوندهای کووالال در زنجیر پلی پپتیدی، فشارهایی را به ساختمان آن تحمیل می‌نماید. پیوند پپتیدی دارای خصوصیات یک پیوند دوگانه نسبی است که کل گروه پپتیدی را در یک کونفیگوراسیون صحنه ای سخت قرار می دهد. پیوندهای   می توان به تونیت با  نمایش داد. در صورتی که مقادیر زوایای   تمامی ریشه های اسید آمینه موجود در یک قطعه پپتیدی مشخص باشد. ساختمان دوم آن را می توان کاملاً تعیین نمود.

ساختمان سوم، ساختمان سه بعدی کامل در یک زنجیر پلی پپتیدی را می توان با بررسی ساختمان های معمول پایداری شناخت که نام های متغیری نظیرساختمان های فوق دوم موتیف ها یا خمیدگی ها به آنها داده می شود. موتیف ها از اشکال ساده تا انواع بسیار پیچیده متفاوت می باشد، به طور کلی هزاران ساختمان پروتئینی شناخته شده، همایش یافته و ایجاد تنها چند صد موتیف می نماید که بعضی از آنها بسیار معمول می باشد. نواحی از پلی پپتیدها که می توانند به طور مستقل تا گردند را دومن گویند. پروتئین های کوچک عموماً دارای یک دومن واحد می باشند. در حالیکه پروتئین های بزرگ ممکن است چندین دومن داشته باشند.

دوکلاس عمومی پروتئین ها شامل پروتئین های فیبری و کروی وجود دارد. پروتئین های فیبری که اساساً جهت اعمال ساختمانی می باشند. دارای عناصر ساده تکراری ساختمان دوم بوده و مدل هایی برای مطالعات اولیه پروتئین ها بوده اند. با استفاده از اطلاعات به دست آمده از پروتئین های فیبری- دو ساختمان دوم اصلی- شامل مارپیچ و کنفورماسیون قابل شناسایی است. هر دو این ساختمان ها به وسیله وجود حداکثر پیوندهای هیدروژنی ممکن بین پیوندهای پپتیدی موجود در یک اسکلت پلی پپتیدی مشخص می شوند. پایداری این ساختمان ها در داخل یک پروتئین، تحت تأثیر محتوی اسید آمینه های آنها و همچنین موقعیت نسبی ریشه های اسیدهای آمینه موجود در توالی آنها می باشد. نوع دیگری از ساختمان دوم که در پروتئین ها معمول می باشد پیچ   است.

در پروتئین های فیبری نظیر کراتین ها و کلاژن، یک نوع ساختمان دوم غالب می باشد. زنجیرهای پلی پپتیدی به صورت ابرفنرهایی به شکل طناب ایجاد دستجات بزرگتری را نموده که قدرت زیادی دارند. صفحات   فیبروئین ابریشم در کنار یکدیگر قرار گرفته تا ایجاد یک ساختمان قوی ولی قابل انعطاف نمایند.

پروتئین های کروی دارای ساختمانی های سوم پیچیده تری هستند که اغلب دارای چندین نوع ساختمان دوم در یک زنجیر پلی پپتیدی می باشند. اولین ساختمان پروتئین کروی که با استفاده از روش های انکسار اشعهx- تعیین گردد، میوگلوبین بود. این ساختمان تأیید نمود که ساختمان دوم (مارپیچ) پیش بینی شده، در پروتئین ها وجود دارد؛ ریشه های اسیدآمینه آبگریز در داخل پروتئین قرار دارند، پروتئین های کروی متراکم هستند. به تحقیق بعدی بر روی ساختمان بسیاری از پروتئین های کروی،  این نتیجه گیری‌ها را حمایت نمود و همچنین نشان داد که تنوع زیادی می تواند در ساختمان سوم وجود داشته باشد.

ساختمان های پیچیده پروتئین‌های کروی را می توان با بررسی تحت ساختمان های آنها، شامل موتیف ها و دومن ها، تجزیه و تحلیل نمود. در پایگاه های اطلاعاتی ساختمان پروتئین، ساختمان ها معمولاً به چهار کلاس، شامل همه، همه تقسیم می‌شوند. پروتئین های اختصاصی موجود در هر کلاس بر اساس داشتن ارتباط در توالی، ساختمان و عملکرد، به صورت خانواده ها یا فوق خانواده هایی گروه بندی می شوند.

ساختمان چهارم اشاره به واکنش متقابل بین زیرواحدهای پروتئین های چند زیرواحدی مولتیمری یا همایش های پروتئینی بزرگتر می نمایند. بعضی از پروتئین‌های مولتیمری دارای واحدهای تکراری هستند که از یک زیرواحد یا یک گروه زیرواحدها، به نام پروتومر، تشکیل شده اند. پروتومرها معمولاً از طریق تقارن چرخشی و مارپیچی با یکدیگر ارتباط دارند. بهترین پروتئین مولتیمری مطالعه شده، هموگلوبین می باشد.

ساختمان سه بعدی پروتئین ها را می توان با استفاده از مواد یا شرایطی که واکنش های متقابل ضعیف را مختل می نمایند، طی فرآیندی به نام دناتوراسیون، از بین برد. دناتوراسیون سبب از بین رفتن فعالیت پروتئین شده که ارتباط بین ساختمان و فعالیت را نشان می دهد. بعضی از پروتئین های دناتوره شده (مثلاً ریبونوکلئاز) می توانند به طور خودبه خودی به پروتئین دارای فعالیت بیولوژیک رناتوره گردند که نشان دهنده نقش توالی اسیدهای آمینه در تعیین ساختمان سوم پروتئین می باشد.

تاشدن پروتئین ها در داخل سلول ها ممکن است طی مسیرهای مختلف صورت پذیرد، ابتدا نواحی از ساختمان دوم و سوم ممکن است ایجاد شده و به دنبال آن تا شدن به ساختمان‌های فوق دوم انجام شود. همایش های بزرگ ترکیبات واسط تاشده- سریعاً به یک کونفورماسیون طبیعی واحد تبدیل می شوند. در مورد بسیاری از پروتئین ها، تا شدن توسط چاپرون های Hsp70 و توسط چاپرونین تسهیل می گردد. تشکیل پیوند دی سولفیدی و ایزومریزاسیون سیس- ترانس پیوندهای پپتیدی پرولین، توسط آنزیم های اختصاصی کاتالیز می گردند.

اسیدهای آمینه، پپتیدها و پروتئین ها :

20 اسید آمینه استانداردی که معمولاً در ساختمان پروتئین ها وجود دارند. حاوی یک گروه- کربوکسیل، یک گروه - آمینو و یک گروهR متفاوت می باشند. اتم کربن  تمامی اسیدهای آمینه به استثنای گلیسین نامتقارن بوده و بنابراین حداقل به دو شکل ایزومرفضایی وجود دارند. تنها ایزومرهای فضاییL که با کونفیگوراسیون مطلق مولکول مرجعL- گلیسرآلدئید ارتباط دارند، در پروتئین ها یافت می شوند. اسیدهای امینه بر اساس قطبیت و بار (در7PH ) گروههای R خود، طبقه بندی می شوند. کلاس غیرقطبی و آلیفاتیک شامل آلانین، گلیسین، ایزولوسین، لوسین ، متیونین، ترئونین و والین می باشد. فنیل آلانین، تریپتوفان و تیروزین دارای زنجیرهای جانبی آروماتیک بوده و نسبتاً آبگریز هستند. کلاس قطبی و بدون بار شامل آسپاراژین و سیستئین، گلوتامین، پرولین، سرین و ترئونین می باشد. اسیدهای آمینه دارای بار منفی (اسیدی) شامل آسپارتات، گلوتامات بوده و انواع دارای بار مثبت (بازی) شامل آرژینین، هیستیدین و لیزین هستند. اسیدهای آمینه غیراستاندارد نیز وجود دارند که ممکن است جزئی از پروتئین ها (حاصل تغییر ریشه های اسیدآمینه استاندارد بعد از سنتز پروتئین) بوده یا به صورت متابولیتهای آزاد عمل نمایند.

اسیدهای آمینه منوآمینومنوکربوکسیلیک (با گروه های R غیرقابل یونیزاسیون)، درPH پایین اسیدهای دی پروتیک (NCH (R) COOH) هستند. با افزایشPH، یک پروتون از گروه کربوکسیل جدا شده و ایجاد یک مولکول دوقطبی یا زویتریون NCH(R)COO- می گردد که از نظر الکتریکی خنثی می باشد. با افزایش بیشتر PH ، دومین پروتون نیز از دست رفته و تولید مولکول یونی H2NCH (R)COO- می گردد. اسیدهای امینه دارای گروه‌های R قابل یونیزاسیون، برحسب PKa,PH گروهR، ممکن است شکل یونی دیگری را نیز داشته باشند. بنابراین اسیدهای آمینه از نظر ویژگی های اسیدی- بازی متفاوت می‌باشند.

اسیدهای آمینه می توانند به طور کووالان از طریق پیوندهای پپتیدی به یکدیگر متصل شده  و ایجاد پپتیدهاو پروتئین ها را بنماید. به طور کلی، سلول ها دارای هزاران پروتئین مختلف هستند که هر کدام دارای عملکرد یا فعالیت بیولوژیک متفاوتی می باشند. پروتئین ها می‌توانند از نظر طول زنجیر پلی پپتیدی بسیار متنوع بوده و دارای 100 تا چندین هزار ریشه اسید آمینه باشند. هر چند بعضی از پپتیدهای موجود در طبیعت تنها دارای چند اسید آمینه هستند. بعضی پروتئین ها از چندین زنجیره پلی پپتیدی به نام زیر واحد تشکیل شده اند که به یکدگر متصل می باشند. هیدرولیز پروتئین های ساده تنها منجر به تولید اسیدهای آمینه می‌گردد؛ پروتئین های کونژوگه دارای اجزاء دیگری، نظیر یک یون فلزی یا کروه پروستتیک آلی می باشند.

به طور کلی، چهار سطح شناخته شده ساختمان پروتینی وجود دارد. ساختمان اول اشاره به توالی اسیدهای آمینه ای و موقعیت پیوندهای دی سولفیدی می نماید. ساختمان دوم، ارتباط فضایی بین اسیدهای آمینه مجاور را در قطعات پلی پپتیدی نشان می دهد. ساختمان سوم، کونفورماسیون سه بعدی کل زنجیر پلی پپتیدی است. ساختمان چهارم، نیز ارتباط فضایی زنجیرهای متعدد پلی پپتیدی (زیرواحدی) یک پروتئین را مطرح می نماید.

پروتئین ها با در نظر گرفتن تفاوت های موجود در بین آنها، تخلیص می گردند. پروتئین ها را می توان به طور انتخابی با افزودن بعضی املاح راسب نمود. انواع متعددی از روش های کروماتوگرافی وجود دارد که بر اساس تفاوت در اندازه تمایلات اتصالی بار و سایر ویژگی‌ها عمل می کنند. الکتروفورز می تواند پروتئین ها را بر اساس جرم یا بار جدا نماید. تمامی روش های تخلیص نیاز به روش هایی برای اندازه‌گیری یا ارزیابی پروتئین مورد نظر در حضور سایر پروتئین ها دارند.

تفاوت در عملکرد پروتئینی حاصل تفاوت هایی در ترکیب و توالی اسید آمینه ای آنها می‌باشد، توالی اسید آمینه ای با قطعه قطعه نمودن پلی پپتیدها به پپتیدهای کوچکتر با استفاده از معرف های شناخته شده ای که پیوندهای پپتیدی اختصاصی را می شکنند، تعیین توالی اسید آمینه ای هر قطعه با روش تخریبی اتوماتیک ادمن و سپس مرتب نمودن قطعات با یافتن توالی های همپوشان بین قطعات حاصل از معرف های مختلف استنتاج می‌گردد. توالی یک پروتئین را همچنین می توان از توالی نوکلئوتیدی ژن مربوط به آن در DNA استنتاج نمود. مقایسه توالی اسیدآمینه ای یک پروتئین با هزاران توالی شناخته شده، اغلب اطلاعاتی در مورد ساختمان، عملکرد، موقعیت و تکامل آن پروتئین فراهم می آورد.

پروتئین ها و پپتیدهای کوتاه (با طول تا 100 ریشه) را می توان به طریق شیمیایی سنتز نمود. این پپتید در حالی که به یک پایه جامد اتصال دارد، با افزودن یک اسیدآمینه در هر زمان ساخته می شود.

ساختمان سه بعدی پروتئین ها :

اسکلت کووالان یک پروتئین شاخص از هزاران پیوند پپتیدی تشکیل شده است از آنجایی که چرخش آزاد حول بسیاری از این پیوندها ممکن می باشد، این پروتئین می تواند تعداد نامحدودی کونفورماسیون به خود بگیرد. هر چند هر کدام از پروتئین ها دارای عملکرد شیمیایی یا ساختمانی اختصاصی بوده که قویاً مطرح می نماید که هر کدام دارای یک ساختمان سه بعدی بی همتا هستند . تا اواخر دهه 1920 ،‌چندین پروتئین ، از جمله هموگلوبین (وزن مولکولی 500 ،‌64) و آنزیم اوره آز (وزن مولکولی 000/483 ) به شکل کریستالی درآمدند. با توجه به اینکه دسته های منظم پروتئین های موجود در یک کریستال عموماً تنها زمانی می توانند تشکیل گردند که واحدهای مولکولی موجود در آنها مشابه باشند، کریستالیزه شدن بسیاری از پروتئین ها دلیل محکمی برای این واقعیت است که حتی پروتئین های بسیار بزرگ، موجودیت های شیمیایی منحصر و با ساختمان های بی همتا می باشند. این نتیجه گیری تفکر پیرامون پروتئین ها و اعمال آنها را متحول نمود.

در این قسمت ساختمان سه بعدی پروتئین ها ، با تأکید بر پنج موضوع ، مورد بررسی قرار می گیرد. اول ساختمان سه بعدی یک پروتئین توسط توالی اسید آمینه ای آن تعیین می گردد. دوم عملکرد یک پروتئین بستگی به ساختمان آن دارد. سوم ، یک پروتئین جدا شده دارای یک ساختمان بی همتا،‌یا تقریباً بی همتا ، می باشد. چهارم، واکنش های متقابل غیرکواالان ،‌مهمترین نیروهایی هستند که ساختمان اختصاصی یک پروتئین را حفظ می نمایند. بالاخره در میان تعداد زیاد ساختمان های پروتئینی بی همتا، می‌توان بعضی از الگوهای ساختمانی مشترک را شناسایی نمود که به سازماندهی شناخت ما از معماری پروتئین کمک می نمایند.

این مطالب نباید طوری در نظر گرفته شوند که پروتئین ها دارای ساختمان های سه بعدی ساکن و بدون تغییر هستند. اغلب عملکرد پروتئینی، مستلزم تبدیل متقابل بین دو یا چند شکل ساختمانی است.

ارتباط بین توالی اسید آمینه ای یک پروتئین و ساختمان سه بعدی آن، معمای پیچیده است که به تدریج منجر به ایجاد فن آوری های جدیدی شد که در بیوشیمی امروزی مورد استفاده قرار می گیرند. با به کارگیری اصول پایه شیمی و فیزیک میتوان الگوهای موجود در پیچ و خم بیوشیمیایی ساختمان پروتئین را یافت و شناخت.

مروری کلی بر ساختمان پروتئین :

آرایش فضایی اتم های موجود در یک پروتئین را کونفورماسیون گویند. کونفورماسیون های ممکن یک پروتئین شامل هر وضعیت ساختمانی است که بدون شکسته شدن پیوندهای کووالان قابل حصول هستند. تغییر در کونفورماسیون ،‌برای مثال در اثر چرخش حول پیوندهای یگانه ایجاد می گردد. از میان کونفورماسیون های متعددی که از نظر تئوری در یک پروتئین حاوی صدها پیوند یگانه ممکن است یک یا چند نوع آن عموماً در شرایط بیولوژیک غالب می باشد. کونفورماسیونی که تحت یک سری شرایط وجود دارد، معمولاً نوعی است که از نظر ترمودینامیک پایدارترین بوده و کمترین انرژی آزاد گیبس (G) را دارد . پروتئین هایی که در هر کدام از وضعیت های تاشده وظیفه دار خود وجود دارند را پروتئین های طبیعی گویند.

چه اصولی پایدارترین کونفورماسیون یک پروتئین را تعیین می نمایند؟‌شناخت کونفورماسیون پروتئینی را میتوان مرحله به مرحله از بحث ساختمان اول تا ساختمانهای دوم،‌سوم و چهارم، بدست آورد. لازم است به این روش مرسوم، تأکید جدیدی بر ساختمان مافوق دوم اضافه گردد که شامل یک سری الگوهای شناخته شده تا شدن پروتئینی قابل طبقه بندی است و زمینه سازماندهی مهمی را برای این کوشش پیچیده فراهم می آورد.

کونفورماسیون پروتئینی بیشتر توسط واکنش های متقابل ضعیف تثبت می گردد

در زمینه ساختمان پروتئینی، اصطلاح پایداری را میتوان به صورت تمایل در حفظ ساختمان طبیعی تعریف نمود. پروتئین های طبیعی تنها دارای ثبات مرزی هستد؛  ای که حالات تاشده و تا نشده را از یکدیگر جدا می نماید، در پروتئین های شاخص و در تحت شرایط فیزیولوژیک ، در دامنه تنها 20 تا kJ/mol 65 قرار دارد. از نظر تئوری، یک زنجیر پلی پپتیدی خاص میتواند کونفورماسیون های بی شمار مختلفی را کسب نماید و در نتیجه،‌ حالت تا نشده یک پروتئین،‌با درجه بالای آنتروپی کونفورماسیونی مشخص می گردد. این آنتروپی و پیوندهای هیدروژنی متعدد بین گروههای متعدد موجود در زنجیر پلی پپتیدی و حلال (آب)، تمایل دارند که حالت تانشده را حفظ نمایند. واکنش های متقابل شیمیایی که ضد این واکنش ها عمل نموده و سبب پایدرای شکل طبیعی می گردند، شامل پیوندهای دی سولفیدی و واکنش های متقابل ضعیف(غیر کووالان) ، یعنی پیوندهای هیدروژنی و واکنش های متقابل آبگریز و یونی می باشند. درک نقش این واکنشهای متقابل ضعیف بخصوص در شناخت نحوه تاشدن زنجیرهای پلی پپتیدی در ایجاد ساختمانهای دوم و سوم و همچنین ترکیب با سایر پروتئین ها در ایجاد ساختمانهای چهارم، اهمیت دارد.

برای شکستن یک پیوند کووالان حدود 200 تا kJ/mol 460 انرژی مورد نیاز می باشد، در حلایکه واکنشهای متقابل ضعیف را میتوان تنها با 4 تا kJ/mol 30 از بین برد. پیوندهای کوالان منحصر که در ایجاد کونفورماسیون طبیعی پروتئین ها نقش دارند، همانند پیوندهای دی سولفیدی متصل کننده قسمتهای مجزا یک زنجیر پلی پپتیدی، به طور آشکار قویتر از تک تک واکنشهای متقابل ضعیف می باشند؛ با این وجود واکنشهای متقابل ضعیف، به علت کثرت،‌دارای اهمیت بیشتری به عنوان نیروی تثبیت کننده در ساختمان پروتئین هستند. به طور کلی، کونفورماسیون پروتئینی که کمترین انرژی آزاد (یعنی پایداترین کونفورماسیون) را دارد کونفورماسیونی است که بیشترین تعداد واکنشهای متقابل ضعیف در آن مشاهده میگردد.