الوحدة 2 — العلاقة بين بنية البروتين ووظيفته

2. الأحماض الأمينية — الصيغة العامّة والتصنيف

وضعية الانطلاق

عرفت في الوحدة السابقة أنّ لكلّ بروتين تتابعاً وعدداً خاصّاً من الأحماض الأمينية تحدّده المعلومة الوراثية.

الإشكالية: ما طبيعة الأحماض الأمينية وما خصائصها التي تسمح بتحديد البنية الفراغية للبروتين؟

الصيغة العامّة للحمض الأميني



يتكوّن كلّ حمض أميني من جزأين:

| الجزء | المكوّنات | | :---- | :-------- | | جزء ثابت مشترك بين جميع الأحماض الأمينية | وظيفة كربوكسيلية حمضية -COOH، ووظيفة أمينية -NH₂، مرتبطتان بالكربون المركزي ألفا (α) | | جزء متغيّر يختلف من حمض لآخر | الجذر الألكيلي ويُرمز له بـ R |

> التعريف: الحمض الأميني مركّب عضوي يحتوي على مجموعة كربوكسيلية -COOH ومجموعة أمينية -NH₂ متّصلتين بذرّة الكربون α، التي تتّصل بدورها بسلسلة جانبية تُعرف بالجذر R يختلف تركيبه من حمض أميني لآخر.

وقد بيّنت التحاليل الكيميائية وجود عشرين (20) نوعاً من الأحماض الأمينية الداخلة في تركيب البروتينات.

أمثلة عن الجذور


| الحمض الأميني | جذره أو مميّزته | | :------------ | :--------------- | | Gly غليسين | أبسط حمض أميني، أقلّ عدد من ذرّات الكربون | | Trp تريبتوفان | أعقد حمض أميني، أكبر عدد من ذرّات الكربون | | Ser سيرين | -CH₂OH | | Thr ثريونين | -CHOH-CH₃ | | Ala ألانين | -CH₃ |

تصنيف الأحماض الأمينية العشرين

يعتمد التصنيف على الجزء المتغيّر R:

| الصنف | الخاصّية | الوظائف | أمثلة | | :---- | :-------- | :------ | :---- | | حامضية | تملك مجموعة حمضية في الجذر قادرة على تحرير بروتونات H⁺ | وحيدة الوظيفة الأمينية وثنائية الوظيفة الحمضية | Asp, Glu | | قاعدية | تملك مجموعة قاعدية في الجذر قادرة على اكتساب بروتونات H⁺ | ثنائية الوظيفة الأمينية ووحيدة الوظيفة الحمضية | His, Lys, Arg | | متعادلة | لا تملك مجموعة حمضية ولا قاعدية في الجذر | وحيدة الوظيفة الأمينية ووحيدة الوظيفة الحمضية | بقيّة الأحماض الأمينية الخمسة عشر |

أصناف خاصّة

| التسمية | الأحماض الأمينية | | :------ | :---------------- | | كبريتية | Cys سيستيئين | | عطرية | Phe, Trp, Tyr | | أميدية | Gln غلوتامين وAsn أسبارجين: يحتوي جذرهما على وظيفة أميدية غير قابلة للتأيّن، وتُصنّفان ضمن المتعادلة |

لماذا يُصنّف الألانين متعادلاً؟ لأنّ عدد المجاميع الكربوكسيلية -COOH فيه يساوي عدد المجاميع الأمينية -NH₂.

3. سلوك الأحماض الأمينية في الوسط — الهجرة الكهربائية والـ PHi

جهاز الهجرة الكهربائية

جهاز الهجرة الكهربائية (Électrophorèse) جهاز يسمح بفصل المركّبات المشحونة، أحماضاً أمينية كانت أو بروتينات، وفق شحنتها. توضع قطرة من الخليط على شريط الفصل، وهو ورق ترشيح أو مادّة هلامية، المتّصل بحجرتين تحتوي كلّ منهما على محلول ذي PH محدّد وقطب كهربائي سالب أو موجب متّصلين بمولّد.

| المفهوم | التعريف | | :------ | :------ | | الأحماض | مركّبات لها القدرة على تحرير بروتونات H⁺ | | القواعد | مركّبات لها القدرة على اكتساب بروتونات H⁺ |

تجربة على الألانين

وُضعت قطرة من محلول الألانين في منتصف شريط الترشيح، وأُعيدت التجربة عند ثلاث قيم مختلفة للـ PH.


| PH الوسط | النتيجة | التفسير | الشحنة | | :------- | :------ | :------ | :----- | | PH = 2 | هجرة نحو القطب السالب | تأيّن الوظيفة الأمينية -NH₂ باكتسابها بروتوناً فأصبحت -NH₃⁺ | موجبة | | PH = 6 | لا هجرة نحو أيّ من القطبين | تأيّن الوظيفتين معاً: -NH₃⁺ و-COO⁻ | معدومة، متعادل كهربائياً | | PH = 12 | هجرة نحو القطب الموجب | تأيّن الوظيفة الكربوكسيلية -COOH بفقدانها بروتوناً فأصبحت -COO⁻ | سالبة |

الخاصّية الأمفوتيرية


> الاستنتاج: يتغيّر سلوك الأحماض الأمينية حسب PH الوسط: فهي تسلك سلوك الأحماض في وسط قاعدي فتفقد بروتوناً، وسلوك القواعد في وسط حامضي فتكتسب بروتوناً. لذلك تُسمّى مركّبات أمفوتيرية (حمقلية).

نقطة التعادل الكهربائي PHi

PHi هي قيمة الـ PH التي يكون عندها الحمض الأميني متعادلاً كهربائياً، أي يحمل شحنة موجبة وأخرى سالبة في آن واحد، ويُسمّى عندئذ أيون زويتر (Zwitterion).

القاعدة الأساسية:

| المقارنة | طبيعة الوسط | الوظيفة المتشرِّدة | شحنة الحمض الأميني | | :------- | :---------- | :------------------ | :------------------ | | PH > PHi | قاعدي | الكربوكسيلية تفقد بروتوناً | سالبة، فيهاجر نحو القطب الموجب | | PH = PHi | متعادل | الوظيفتان معاً | معدومة، فلا يهاجر | | PH < PHi | حامضي | الأمينية تكتسب بروتوناً | موجبة، فيهاجر نحو القطب السالب |

مسافة الهجرة

تختلف مسافة الهجرة باختلاف الفرق بين PHi وPH الوسط: كلّما زاد الفرق زادت مسافة الهجرة، لأنّ الشحنة تكون أقوى.

مثال عند PH = 6:

| الحمض الأميني | PHi | الفرق مع PH الوسط | مسافة الهجرة | | :------------ | :-- | :----------------- | :------------ | | فالين | 6.00 | 0 | منعدمة | | هيستيدين | 7.64 | 1.64 | قليلة | | أرجينين | 10.76 | 4.76 | كبيرة |

قيم الـ PHi


| الحمض الأميني | PHi | الصنف | | :------------ | :-- | :---- | | حمض الأسبارتيك | 2.98 | حامضي | | حمض الغلوتاميك | 3.08 | حامضي | | سيستيئين | 5.02 | متعادل | | فينيل ألانين | 5.48 | متعادل | | ألانين | 6.00 | متعادل | | فالين | 6.00 | متعادل | | هيستيدين | 7.64 | قاعدي | | ليزين | 9.74 | قاعدي | | أرجينين | 10.76 | قاعدي |

> الخلاصة: لكلّ حمض أميني PHi خاصّ به. الأحماض الأمينية الحامضية لها PHi منخفض يقارب 3، والقاعدية لها PHi مرتفع أعلى من 7.

حالة خاصّة: البرولين


البرولين (Pro) هو الحمض الأميني الوحيد الذي يملك وظيفة أمينية ثانوية: يضمّ جذره ثلاث ذرّات كربون مشبعة، الثالثة منها مرتبطة بالوظيفة α الأمينية المتدخّلة في تشكيل الرابطة البيبتيدية.

4. فصل الأحماض الأمينية — تقنية التسجيل اللوني

لماذا نفصل الأحماض الأمينية؟

لمعرفة أنواع الأحماض الأمينية الناتجة عن إماهة (hydrolyse) بيبتيد مجهول، نلجأ إلى تقنية التسجيل اللوني (Chromatographie).

مبدأ التقنية

توضع على ورقة التسجيل اللوني وعلى نفس الخط قطرة من المحلول المجهول وقطرات من أحماض أمينية معلومة. وبعد مدّة زمنية تُجفّف الورقة ويُكشف عن الأحماض الأمينية بأحد الكواشف اللونية المميّزة.

ثمّ نقارن مسافة هجرة الأحماض الأمينية المجهولة بمسافة هجرة الأحماض المعلومة:

> القاعدة: نفس مسافة الهجرة تعني نفس الحمض الأميني.

التسجيل اللوني ذو البعد الواحد


تحليل الوثيقة: كشفت التقنية أنّ الخليط (س) يتكوّن من ثلاثة أنواع من الأحماض الأمينية.

| الأحماض المعلومة | 1: Leu — 2: Arg — 3: Ser — 4: His — 5: Val | | :---------------- | :----------------------------------------- | | مكوّنات الخليط (س) | Val + Arg + Leu |

تطبيق على ثلاثة أنابيب


| الأنبوب | عدد أنواع الأحماض الأمينية | الأحماض المكوّنة للبيبتيد | | :------ | :-------------------------- | :------------------------- | | الأوّل | 3 | His + Ala + Leu | | الثاني | 2 | Tyr + Ala | | الثالث | 1 | His |

التسجيل اللوني ذو البعدين


في هذه التقنية نستعمل مذيبين: الأوّل ينتشر أفقياً والثاني ينتشر عمودياً. وهذا يزيد دقّة الفصل، لأنّ حمضين قد يتساويان في مسافة الهجرة مع مذيب واحد ويختلفان مع الثاني.

النتيجة في المثال: يتكوّن البيبتيد المجهول من ثلاثة أنواع من الأحماض الأمينية هي Ser وHis وVal.

خلاصة الطريقتين

| التقنية | ما تسمح به | حدودها | | :------ | :---------- | :----- | | الهجرة الكهربائية | الفصل حسب الشحنة، وتحديد الـ PHi | تحتاج إلى معرفة PH الوسط | | التسجيل اللوني ذو البعد الواحد | تحديد أنواع الأحماض الأمينية بمقارنة مسافة الهجرة | قد تتداخل اللطخات المتقاربة | | التسجيل اللوني ذو البعدين | فصل أدقّ باستعمال مذيبين | أطول تنفيذاً |

5. تشكّل الرابطة البيبتيدية وتنوّع متعدّدات البيبتيد

كيف تتّحد الأحماض الأمينية؟


تتشكّل الرابطة البيبتيدية من اتّحاد المجموعة الكربوكسيلية لحمض أميني مع المجموعة الأمينية لحمض أميني آخر، مع تحرّر جزيئة ماء.

> التعريف: الرابطة البيبتيدية رابطة تكافؤية قوية تنشأ بين حمضين أمينيين متتاليين، بين المجموعة الكربوكسيلية للحمض الأوّل والمجموعة الأمينية للحمض الموالي، مع فقد جزيئة ماء. ويُرمز لها بـ -CO-NH-.

| السؤال | الجواب | | :----- | :----- | | ما الوظائف المشاركة في تكوينها؟ | الوظيفة الكربوكسيلية والوظيفة الأمينية | | ماذا يتحرّر عند تشكّلها؟ | جزيئة ماء واحدة لكلّ رابطة | | ما نوعها؟ | رابطة تكافؤية قوية |

من ثلاثي بيبتيد إلى رباعي بيبتيد




| عدد الأحماض الأمينية | عدد الروابط البيبتيدية | عدد جزيئات الماء المتحرّرة | | :-------------------- | :---------------------- | :-------------------------- | | 2 | 1 | 1 | | 3 | 2 | 2 | | 4 | 3 | 3 | | n | n − 1 | n − 1 |

الوظائف الحرّة في السلسلة

| السؤال | الجواب | | :----- | :----- | | كم وظيفة كربوكسيلية وأمينية حرّة في ثلاثي ورباعي البيبتيد؟ | وظيفة كربوكسيلية واحدة ووظيفة أمينية واحدة | | هل يتأثّر عددها بطول السلسلة؟ | لا | | هل يسلك البروتين سلوك الأحماض الأمينية؟ | نعم |

التعليل: مهما كان عدد الأحماض الأمينية الداخلة في تركيب البروتين، فإنّه يحتوي دائماً على وظيفة كربوكسيلية حرّة في أحد طرفيه ووظيفة أمينية حرّة في الطرف الآخر. لذلك يبقى البروتين مركّباً أمفوتيرياً.

حالة البرولين


يدخل البرولين في الرابطة البيبتيدية بوظيفته الأمينية الثانوية، وهذا ما يجعله يكسر انتظام السلسلة ويُدخل عليها انعطافاً.

تنوّع متعدّدات البيبتيد

كم نوعاً من رباعي البيبتيد يمكن تركيبه من أربع وحدات بنائية؟

| الحالة | الحساب | العدد | | :----- | :------ | :---- | | بدون تكرار الحمض الأميني | 4 × 3 × 2 × 1 | 24 نوعاً | | بتكرار الحمض الأميني | 4⁴ | 256 نوعاً |

> الاستنتاج: تنوّع متعدّدات البيبتيد لا متناهٍ، وهو مرتبط بـعدد الأحماض الأمينية ونوعها وترتيبها.

حساب الوزن الجزيئي

مثال: ثلاثي بيبتيد جذوره R₁ = H وR₂ = CH₂OH وR₃ = CH₃.

الكتلة المولية للجزء الثابت NH₂-CH-COOH تساوي 14 + 2 + 12 + 1 + 12 + 32 + 1 = 74.

| الحمض الأميني | الحساب | الكتلة | | :------------ | :------ | :----- | | الأوّل | 74 + 1 | 75 | | الثاني | 74 + 31 | 105 | | الثالث | 74 + 15 | 89 | | المجموع | 75 + 105 + 89 | 269 |

لكنّ الوزن الجزيئي المقيس لثلاثي البيبتيد هو 233. والفرق 269 − 233 = 36، وهو يمثّل كتلة جزيئتين من الماء (2 × 18 = 36) تحرّرتا أثناء تشكّل رابطتين بيبتيديتين.

القاعدة العامّة: كتلة البيبتيد = مجموع كتل الأحماض الأمينية − (عدد الروابط × 18).

6. شحنة متعدّد البيبتيد وتطبيقات محلولة

من أين تأتي شحنة البيبتيد؟

تختلف البيبتيدات عن بعضها في القدرة على التفكّك الشاردي لسلاسلها الجانبية (الجذور)، وهي التي تحدّد طبيعتها الأمفوتيرية وخصائصها الكهربائية.

| القاعدة | الصياغة | | :------ | :------ | | شحنة البيبتيد | محصّلة شحنات الأحماض الأمينية الداخلة في تركيبه | | بيبتيد من أحماض متعادلة فقط | متعادل الشحنة | | لكلّ بيبتيد أو بروتين | قيمة PHi خاصّة به يكون عندها متعادلاً كهربائياً |

حساب الشحنة عند PH متطرّف

| الوسط | القاعدة | | :---- | :------ | | pH = 1 (حامضي قوي) | الشحنة = عدد الأحماض الأمينية القاعدية + 1، بإشارة موجبة | | pH = 13 (قاعدي قوي) | الشحنة = عدد الأحماض الأمينية الحامضية + 1، بإشارة سالبة |

الزيادة بمقدار 1 تأتي من النهاية الحرّة: المجموعة الأمينية الطرفية في الوسط الحامضي، والمجموعة الكربوكسيلية الطرفية في الوسط القاعدي.

مثال تطبيقي: سداسي بيبتيد يضمّ Lys قاعدياً واحداً، وGlu وAsp حامضيين.

| الوسط | الحساب | الشحنة | | :---- | :------ | :----- | | pH = 1 | 1 قاعدي + 1 طرفية | 2+ | | pH = 13 | 2 حامضي + 1 طرفية | 3− |


أهمّية شحنة البيبتيد والبروتين

لشحنة البروتين أهمّية كبيرة في الحفاظ على بنيته ووظيفته: فهي مصدر بعض أنواع الروابط المتدخّلة في استقرار البنية الثالثية والرابعية، كما تتدخّل في ارتباط مادّة التفاعل وسير التفاعل عند الإنزيمات.

تطبيق 1 — جزيئة الأنسولين


في هذه الصيغة تظهر الجسور الكبريتية (-S-S-) الناشئة بين جذرَي حمضَي Cys. وهي روابط تكافؤية تربط سلسلتين بيبتيديتين أو موقعين بعيدين من نفس السلسلة، فتثبّت البنية الفراغية.

تطبيق 2 — قراءة نتائج هجرة كهربائية


أُجريت الهجرة الكهربائية عند PH = 5.5 لمركّبين (a) و(b). والعناصر المكوّنة لهما هي أحماض أمينية. وبمقارنة كلّ لطخة بقيمة PHi صاحبها:

| اللطخة | الحمض الأميني | PHi | السلوك | التفسير | | :----- | :------------- | :-- | :------ | :------ | | 1 | فينيل ألانين | 5.5 | لا يتحرّك | PH الوسط = PHi، فهو متعادل كهربائياً | | 2 | حمض الأسبارتيك | 3.0 | نحو الموجب | PH > PHi، تتشرّد الكربوكسيلية فيصبح سالباً | | 3 | أرجينين | 10.8 | نحو السالب، مسافة كبيرة | PH < PHi بفارق كبير، فالشحنة الموجبة قوية | | 4 | ليزين | 9.8 | نحو السالب، مسافة أقلّ | PH < PHi لكنّ الفارق أصغر | | 5 | حمض الغلوتاميك | 3.2 | نحو الموجب | PH > PHi، فيصبح سالب الشحنة |

> الخلاصة: تتميّز الأحماض الأمينية بالخاصّية الحمقلية (الأمفوتيرية): تسلك سلوك الأحماض في وسط قاعدي وسلوك القواعد في وسط حامضي. وتُعطي هذه الخاصّية لكلّ حمض أميني بصمة كهربائية تسمح بالتعرّف عليه.

7. تمثيل البنية الفراغية للبروتين

وضعية الانطلاق

تأخذ البروتينات بعد تركيبها على مستوى الريبوزومات بنيات فراغية محدّدة ومعقّدة، ليتمّ بعدها توجيهها نحو المكان الذي تؤدّي فيه وظيفتها داخل الخلية أو خارجها.

الإشكاليات:

• كيف يمكننا تمثيل البنية الفراغية للبروتين؟
• ما مميّزات هذه البنية؟
• ما العلاقة بينها وبين الوظيفة؟

نماذج تمثيل الجزيئات البسيطة


| النموذج | الاسم بالفرنسية | ما يُظهره | | :------ | :--------------- | :--------- | | نموذج العود | bâtonnet | الروابط بين الذرّات وهيكل الجزيئة | | نموذج الكرة والعود | boule et bâtonnet | الذرّات والروابط معاً | | النموذج المكدّس | sphère | حجم الجزيئة الحقيقي في الفراغ |

نماذج تمثيل الجزيئات الكبيرة


يحتاج تمثيل بروتين إلى نماذج إضافية تُظهر البنيات الثانوية α وβ ومناطق الانعطاف:

| النموذج | الفائدة | | :------ | :------- | | النموذج الشريطي (Rubans) | الأكثر استعمالاً: يُظهر بوضوح البنيات الثانوية ومناطق الانعطاف، ويسمح بالمقارنة بين البروتينات | | الشريط السميك (Caricatures) | تمثيل مبسّط ومقروء للبنيات الثانوية | | النموذج المكدّس (الكرة) | يوضّح أنواع الذرّات المكوّنة للبروتين وحجم الجزيئة |

اصطلاح الألوان في النموذج الشريطي:

| البنية | التمثيل المعتاد | | :----- | :--------------- | | البنية الحلزونية α | شريط حلزوني أحمر | | البنية الثانوية β | مسطّح أصفر أو أزرق، وقد يكون سهماً لتحديد الاتّجاه | | مناطق الانعطاف | خيط سميك أبيض |


استعمال الحاسوب في دراسة البروتينات

برنامج راستوب (Rastop) أو راسمول (Rasmol) يسمح بعرض النماذج الجزيئية ودراسة البنية ثلاثية الأبعاد، عن طريق:

• **تدوير** الجزيئة في كلّ الاتّجاهات.
• **تغيير نموذج العرض** والتكبير والتصغير.
• **التلوين** حسب نوع البنية الثانوية، أو نوع الحمض الأميني، أو درجة الكراهة للماء، أو نوع السلسلة.
• معرفة **عدد وتتابع** الأحماض الأمينية.
• اختيار **حمض أميني** أو بنية ثانوية أو قطعة بيبتيدية.
• تحديد **الموقع الفعّال** للإنزيم.

مقارنة أربعة بروتينات


| المعيار | الأنسولين | الليزوزيم | الميوغلوبين | الهيموغلوبين | | :------ | :--------- | :--------- | :----------- | :------------ | | درجة التعقيد | بسيطة | متوسّطة | متوسّطة | معقّدة | | عدد السلاسل | سلسلتان | واحدة | واحدة | أربع سلاسل | | عدد البنيات الثانوية | 3 | 8 إلى 10 | 8 إلى 10 | حوالي 32 |

نجد في هذه البروتينات الحلزونية α بالأحمر ومناطق الانعطاف بالأبيض؛ أمّا وريقات β بالأصفر فتظهر خاصّة في الليزوزيم، وتغيب في الميوغلوبين والهيموغلوبين اللذين بنياتهما الثانوية حلزونات α فقط.

> الحصيلة: تظهر البروتينات ببنيات فراغية مختلفة، محدّدة بـعدد وطبيعة وتتالي الأحماض الأمينية التي تدخل في بنائها.

8. مستويات البنية الفراغية للبروتين

لماذا مستويات؟

لكلّ بروتين بنية فراغية محدّدة بدقّة متناهية، وهي المسؤولة عن وظيفته، وأيّ تغيّر فيها يؤدّي إلى فقدان الوظيفة. ونظراً لتعقيدها وصف العلماء أربعة مستويات بنيوية متدرّجة في التعقيد.

1. البنية الأولية

التعريف: ارتباط عدد من الأحماض الأمينية بـروابط بيبتيدية لتكوين سلسلة بيبتيدية.




مميّزاتها:

| الميزة | التفصيل | | :----- | :------ | | أبسط مستوى من البنية | لا تعقيد فراغي | | غياب الالتفاف | السلسلة ممدودة | | نوع واحد من الروابط | الروابط البيبتيدية فقط |

طرق كتابتها:

| الطريقة | المثال | | :------ | :----- | | مختصرة | Ala — His — Ser — Glu — Leu — Gly — Val — Cys | | شبه مفصّلة | NH₂ — CαHR₁ — CO — NH — CαHR₂ — CO — NH — CαHR₃ — CO … |


2. البنية الثانوية

التعريف: انطواء أو التفاف السلسلة البيبتيدية ذات البنية الأولية لتكوين بنيات ثانوية في مناطق محدّدة من السلسلة، مع بقاء مناطق غير ملتفّة تُعرف بـالمناطق البينية.

الرابطة الجديدة: الروابط الهيدروجينية بين مجموعات C=O ومجموعات N-H التابعة للروابط البيبتيدية.

البنية الحلزونية α


تنشأ الروابط الهيدروجينية بين C=O وN-H لحمضين أمينيين يبعدان عن بعضهما بثلاثة أحماض أمينية، وفق القاعدة n + 4، حيث n موقع الحمض الأميني في السلسلة: الأوّل مع الخامس، والثاني مع السادس، والثالث مع السابع، وهكذا.

البنية الثانوية β


هي انطواء السلسلة لتأخذ شكل الوريقات المطوية، والروابط الهيدروجينية فيها تكون بين C=O وN-H بدون قاعدة محدّدة للارتباط.

> ملاحظة: إضافة إلى البنيتين α وβ توجد مناطق بينية تُعرف بـمناطق الانعطاف، ليس لها شكل فراغي محدّد، وهي التي تسمح للسلسلة البيبتيدية بأن تأخذ البنية الثالثية.

3. البنية الثالثية

التعريف: انطواء أو التفاف السلسلة البيبتيدية المحتوية على عدد من البنيات الثانوية ومناطق الانعطاف. ويحدث الالتفاف على مستوى المناطق البينية.



قد تحتوي البنية الثالثية على بنيات حلزونية α فقط، أو وريقات β فقط، أو خليطاً منهما بنسب تختلف من بروتين لآخر.

الروابط المثبِّتة لها أربعة أنواع:



| نوع الرابطة | تنشأ بين | الطبيعة | | :----------- | :-------- | :------- | | ثنائية الكبريت (الجسور الكبريتية) | جذرَي حمضَي Cys | تكافؤية قوية | | الشاردية | جذر حامضي سالب وجذر قاعدي موجب | ضعيفة | | الكارهة للماء | جذور غير قطبية تتجمّع بعيداً عن الماء | ضعيفة | | الهيدروجينية | مجموعات قطبية في الجذور | ضعيفة |

الفرق عن البنية الثانوية: نقص في الطول وزيادة في السمك بسبب الالتفاف، واختلاف في نوع الروابط: فالثانوية تُثبَّت بالروابط الهيدروجينية بين مجموعات الروابط البيبتيدية، أمّا الثالثية فتُثبَّت بروابط بين الجذور.



| المرحلة | عدد الأحماض الأمينية | عدد السلاسل | | :------ | :-------------------- | :----------- | | أنسولين قبل أوّلي | 110 | سلسلة واحدة | | أنسولين أوّلي | 86 | سلسلة واحدة | | أنسولين ناضج وفعّال | 51 | سلسلتان |

4. البنية الرابعية

التعريف: تجمّع سلسلتين بيبتيديتين أو أكثر، لكلّ منها بنية ثالثية. وتُسمّى كلّ سلسلة ضمن هذا التجمّع تحت وحدة (sous-unité).




| السؤال | الجواب | | :----- | :----- | | كيف تحافظ على استقرارها؟ | بروابط غير تساهمية أساساً: كارهة للماء، وشاردية، وربّما هيدروجينية. وقد تُدعَّم أحياناً بجسور كبريتية تساهمية بين تحت الوحدات (كما في الأجسام المضادّة) | | متى تكون متجانسة؟ | إذا كانت تحت الوحدات متشابهة | | متى تكون غير متجانسة؟ | إذا كانت تحت الوحدات مختلفة | | هل توجد عند جميع البروتينات؟ | لا، فهناك بروتينات تتوقّف درجة تعقيدها عند البنية الثالثية | | ما الحدّ الأدنى لتحت الوحدات؟ | 2، والحدّ الأقصى غير محدّد |

أمثلة: الهيموغلوبين المكوّن من أربع تحت وحدات، سلسلتين من نوع α وسلسلتين من نوع β، فهو غير متجانس. والإنزيم تريوز فوسفات إيزوميراز (TPI) المكوّن من سلسلتين.

> متى يكون البروتين وظيفياً؟ عند البنية الثالثية بالنسبة للبروتينات التي تتوقّف درجة تعقيدها عندها، وعند البنية الرابعية بالنسبة للبروتينات التي تبلغها.

9. من المورثة إلى الوظيفة — تحليل وثيقة الهيموغلوبين S على المستويات الثلاثة

الإشكالية

بدأت الوحدة بفقر الدم المنجلي. والآن وقد عرفت الأحماض الأمينية وشحنتها ومستويات البنية الفراغية، كيف يؤدّي تغيّر نيكليوتيد واحد في مورثة إلى مرض يمسّ العضوية كلّها؟ هذا الجزء يربط الوحدتين الأولى والثانية في تحليل وثيقة نموذجي.

المستوى الجزيئي 1 — المورثة والـ ARNm

يشفّر لسلسلة β من الهيموغلوبين (146 حمضاً أمينياً) مورثة تُسمّى HBB. نقارن الرامزة السادسة عند شخص سليم وشخص مصاب:

| المستوى | الأليل العادي (A) | الأليل المنجلي (S) | | :------ | :---------------- | :----------------- | | السلسلة غير المستنسَخة من الـ ADN | GAG | GTG | | السلسلة المستنسَخة من الـ ADN | CTC | CAC | | رامزة الـ ARNm | GAG | GUG | | الحمض الأميني رقم 6 | حمض الغلوتاميك (Glu) | الفالين (Val) |

> التحليل: طفرة استبدال نيكليوتيد واحد (A بـ T في السلسلة غير المستنسَخة) غيّرت رامزة واحدة، فغيّرت حمضاً أمينياً واحداً من أصل 146 في السلسلة β.

المستوى الجزيئي 2 — طبيعة الحمضين الأمينيين

| المعيار | حمض الغلوتاميك (Glu) | الفالين (Val) | | :------ | :------------------- | :------------ | | الصنف | حامضي | متعادل | | الجذر في الـ pH الفيزيولوجي | يحمل شحنة سالبة (COO⁻) | غير مشحون | | العلاقة بالماء | محبّ للماء | كاره للماء |

يقع الحمض الأميني رقم 6 على سطح الجزيئة. فاستبدال جذر مشحون محبّ للماء بجذر كاره للماء يُنشئ على سطح الهيموغلوبين S منطقة كارهة للماء لم تكن موجودة.

الهجرة الكهربائية — تعميم الخاصّية الأمفوتيرية على البروتينات

تُجرى هجرة كهربائية للهيموغلوبين عند pH = 8.6، وهي قيمة أكبر من الـ pHi للهيموغلوبين، فيحمل شحنة إجمالية سالبة ويهاجر نحو القطب الموجب.

| العيّنة | النتيجة | | :------ | :------ | | شخص سليم (AA) | شريط واحد هو الأبعد نحو القطب الموجب: HbA | | شخص مصاب (SS) | شريط واحد أقرب إلى نقطة الانطلاق: HbS | | شخص حامل للمرض (AS) | شريطان: HbA و HbS |

> التفسير: في كلّ جزيئة هيموغلوبين سلسلتان β، ففي الهيموغلوبين S شحنتان سالبتان أقلّ. شحنته السالبة أضعف، فيهاجر مسافة أقصر. وهكذا تسمح الهجرة الكهربائية بتشخيص المرض والكشف عن الحاملين له، لأنّ البروتين يسلك مثل الأحماض الأمينية سلوكاً أمفوتيرياً تحدّده جذوره القابلة للتأيّن.

المستوى الخلوي — من البنية الفراغية إلى شكل الكرية

• يرتبط الهيموغلوبين S بالأكسجين، لكن حين **ينخفض الضغط الجزئي للأكسجين** (في الشعيرات، عند الجهد، في المرتفعات) يتغيّر شكله الفراغي فتنكشف على جزيئات مجاورة **جيوب كارهة للماء**.
• يتداخل الفالين 6 لجزيئة مع جيب كاره للماء في جزيئة مجاورة بروابط **كارهة للماء**، فتترابط الجزيئات في **ألياف طويلة صلبة**.
• تشوّه هذه الألياف الكرية الحمراء فتأخذ **الشكل المنجلي**، وتصبح صلبة هشّة.

مستوى العضوية — الأعراض

| ما يحدث للكريات | النتيجة على العضوية | | :--------------- | :------------------ | | انسداد الشعيرات الدموية بالكريات المنجلية الصلبة | آلام حادّة ونقص تزويد الأنسجة بالأكسجين | | تخرّب الكريات الهشّة بسرعة | فقر الدم والتعب |

الحصيلة

| المستوى | العادي | المنجلي | | :------ | :----- | :------ | | المورثة | رامزة GAG | رامزة GTG | | البنية الأولية | Glu في الموقع 6 | Val في الموقع 6 | | السلوك الجزيئي | جزيئات منفصلة ذائبة | ألياف عند نقص الأكسجين | | الخلية | كرية قرصية مرنة | كرية منجلية صلبة | | العضوية | نقل عادي للأكسجين | فقر دم وانسدادات |

> الاستنتاج: المعلومة الوراثية تحدّد البنية الأولية، والبنية الأولية تحدّد البنية الفراغية وسلوك البروتين، وهذه تحدّد الوظيفة. لكن ليس كلّ استبدال مضرّاً: فالرامزة GAA مثلاً تشفّر أيضاً لحمض الغلوتاميك، فاستبدال G بـ A في الموضع الثالث لا يغيّر البروتين. العبرة بطبيعة الحمض الأميني الجديد وبموقعه في البنية.

10. العلاقة بين البنية والوظيفة — تجربة أنفنسن والحصيلة

العلاقة بين المستويات الأربعة





| المستوى | التعريف المختصر | الروابط المميّزة | | :------ | :--------------- | :---------------- | | الأولية | تتالي الأحماض الأمينية في سلسلة | بيبتيدية فقط | | الثانوية | التفاف موضعي: حلزون α أو وريقات β | هيدروجينية بين C=O وN-H للروابط البيبتيدية | | الثالثية | انطواء السلسلة كاملة في الفراغ | كبريتية، شاردية، كارهة للماء، هيدروجينية بين الجذور | | الرابعية | تجمّع تحت وحدتين فأكثر | غير تساهمية أساساً (كارهة للماء)، وأحياناً جسور كبريتية |

تجربة أنفنسن (Anfinsen)

أُجريت التجربة على إنزيم الريبونوكلياز، وهو سلسلة بيبتيدية واحدة من 124 حمضاً أمينياً لها بنية ثالثية، بها أربعة جسور كبريتية بين الأحماض الأمينية Cys في المواقع (65-72) و(26-84) و(40-95) و(58-110).

استُعملت مادّتان:

| المادّة | أثرها | | :------ | :----- | | β-مركبتوإيثانول | يعمل على تحليل الجسور الكبريتية | | اليوريا | تعمل على إعاقة الانطواء الطبيعي للبروتين |


| المرحلة | المعاملة | النتيجة | | :------ | :-------- | :------- | | الأولى | ريبونوكلياز + اليوريا + β-مركبتوإيثانول | تكسّر الجسور الكبريتية وزوال الانطواء: فقدان البنية الفراغية، إنزيم غير فعّال | | الثانية | إزالة اليوريا وβ-مركبتوإيثانول | تشكّل الجسور الكبريتية في مواقعها الصحيحة: استعادة البنية الطبيعية، إنزيم فعّال | | الثالثة | ريبونوكلياز مخرَّب + يوريا | انطواء غير طبيعي وتشكّل الجسور في غير أماكنها: بنية فراغية غير وظيفية، إنزيم غير فعّال |

تحليل النتائج

المرحلة الأولى تُظهر أنّ كسر الروابط يُفقد البنية، وفقدان البنية يُفقد الوظيفة.

المرحلة الثانية هي مفتاح التجربة: بمجرّد إزالة المادّتين، أعاد البروتين بناء بنيته تلقائياً دون أيّ تدخّل خارجي. فالمعلومة اللازمة لبناء البنية الفراغية موجودة داخل السلسلة نفسها، أي في تتابع أحماضها الأمينية.

المرحلة الثالثة هي الشاهد المضاد: حين مُنع الانطواء الطبيعي باليوريا، تشكّلت الجسور في مواقع خاطئة، فنتجت بنية موجودة لكنّها غير وظيفية. إذن ليس وجود الروابط وحده ما يهمّ، بل موقعها الصحيح.

> الاستنتاج: وجود أحماض أمينية من نوع محدّد في أماكن محدّدة يؤدّي إلى تكوين روابط كيميائية تحدّد البنية الفراغية للبروتين وتعمل على ثباتها. ولذلك فإنّ تكسير هذه الروابط يُفقد البنية الفراغية وتُفقد معها الوظيفة.

تعريف دقيق للبنية الفراغية

البنية الفراغية للبروتين هي الشكل ثلاثي الأبعاد الذي يتّخذه الجزيء في الفراغ، والذي يتعلّق أساساً بـنوع وترتيب وعدد الأحماض الأمينية الداخلة في تركيبه من جهة، وبـعدد السلاسل المكوّنة له من جهة أخرى. وتحدّدها وتحافظ عليها مجموعة من الروابط الأساسية والثانوية الناشئة بين مختلف الأحماض الأمينية.

كيف يكتسب البروتين بنيته تلقائياً؟ في نهاية الترجمة تتحرّر السلسلة البيبتيدية في الهيولى، وتأخذ بنية ثلاثية الأبعاد وظيفية نتيجة تشكّل روابط كيميائية (هيدروجينية، كبريتية، شاردية، كارهة للماء) بين أحماض أمينية معيّنة متوضّعة في أماكن محدّدة ضمن السلسلة حسب المعلومة الوراثية.

الحصيلة المعرفية للوحدة

• تظهر البروتينات ببنيات فراغية مختلفة، محدّدة بـ**عدد** و**طبيعة** و**تتالي** الأحماض الأمينية التي تدخل في بنائها.
• تتكوّن الأحماض الأمينية من وظيفة أمينية **-NH₂** ووظيفة حمضية كربوكسيلية **-COOH** مرتبطتين بالكربون **α**، وهما مصدر الخاصّية **الأمفوتيرية**.
• يوجد **عشرون** حمضاً أمينياً أساسياً تختلف فيما بينها في السلسلة الجانبية (الجذر **R**).
• تُصنَّف حسب الجذر إلى **قاعدية** (ليزين، أرجينين)، و**حامضية** (حمض الغلوتاميك، حمض الأسبارتيك)، و**متعادلة** (سيرين، غليسين).
• تسلك الأحماض الأمينية سلوك الأحماض فتعطي بروتونات، وسلوك القواعد فتكتسب بروتونات، تبعاً لدرجة حموضة الوسط، لذلك تُسمّى **مركّبات أمفوتيرية (حمقلية)**.
• ترتبط الأحماض الأمينية المتتالية بروابط تكافؤية تُدعى **الرابطة البيبتيدية** **-CO-NH-**.
• تختلف البيبتيدات عن بعضها بالقدرة على التفكّك الشاردي لسلاسلها الجانبية، التي تحدّد طبيعتها الأمفوتيرية وخصائصها الكهربائية.
• تتوقّف البنية الفراغية، وبالتالي **التخصّص الوظيفي** للبروتين، على الروابط التي تنشأ بين أحماض أمينية محدّدة ومتموضعة بطريقة دقيقة في السلسلة البيبتيدية **حسب الرسالة الوراثية**.

مصطلحات يجب إتقانها

| المصطلح | التعريف | | :------- | :------- | | Drépanocytose | فقر الدم المنجلي: مرض وراثي سببه استبدال حمض أميني واحد في الهيموغلوبين | | Acide aminé | حمض أميني: مركّب عضوي بوظيفة أمينية ووظيفة كربوكسيلية وجذر R | | PHi | نقطة التعادل الكهربائي: قيمة PH يكون عندها المركّب متعادل الشحنة | | Zwitterion | أيون زويتر: الصيغة الحاملة لشحنة موجبة وأخرى سالبة في آن واحد | | Amphotère | أمفوتيري (حمقلي): يسلك سلوك حمض في وسط قاعدي وسلوك قاعدة في وسط حامضي | | Électrophorèse | الهجرة الكهربائية: فصل المركّبات المشحونة حسب شحنتها | | Chromatographie | التسجيل اللوني: فصل المركّبات حسب مسافة هجرتها في مذيب | | Liaison peptidique | الرابطة البيبتيدية: رابطة تكافؤية بين -COOH و-NH₂ مع فقد جزيئة ماء | | Hélice α | البنية الحلزونية: بنية ثانوية بروابط هيدروجينية وفق القاعدة n + 4 | | Feuillet β | الوريقات المطوية: بنية ثانوية بروابط هيدروجينية بلا قاعدة محدّدة | | Sous-unité | تحت وحدة: سلسلة بيبتيدية ذات بنية ثالثية داخل بنية رابعية |