معلومة

F1. مقدمة في استقرار البروتين - علم الأحياء

F1. مقدمة في استقرار البروتين - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

"لا يمكنك أن تخطو مرتين في نفس النهر"- هيراقليطس من أفسس (حوالي 535 قبل الميلاد - 475 قبل الميلاد)

هذه المادة ليست سهلة ، وربما تكون الأكثر تحديًا فكريًا في الكتاب بأكمله. تأتي معظم هذه المراجعة من مقال بقلم كين ديل ، الكيمياء الحيوية ، 29 ، 7133-7155 (1990). إعادة التحليل الأحدث التي توصلت إلى استنتاج مختلف تمامًا فيما يتعلق بدور روابط H في طي البروتين واستقراره ، كتبه Pace ، الكيمياء الحيوية. 40 ، ص 310 (2001) ، تمت مناقشته في النهاية.

للتلخيص ، يبدو الآن أن كلاً من التأثير الكارثي للماء وروابط H يبدو أنهما يحركان طي البروتين ويعززان استقرار البروتين. الاستقراء من نتائج الدراسات الخاصة بنقل المتبرعين / المستقبلين للسندات H النموذج الصغير والجزيئات الكارهة للماء من الماء إلى المذيبات غير القطبية ، يبدو أن تفاعلات رابطة H (بالإضافة إلى تفاعلات الأيونات) لا تؤدي إلى طي البروتين في حد ذاته . بدلاً من ذلك ، فإن أكبر المساهمين في استقرار الحالة الأصلية هو التأثير الكارثي للماء وتفاعلات فان دير فالس بين ذرات البروتين المدفونة بإحكام. ومع ذلك ، من الدراسات الحديثة (Pace) للبروتينات الطافرة التي تم إجراؤها من خلال الطفرات الخاصة بالموقع ، يبدو أن روابط H تساهم بشكل كبير في طي البروتين واستقراره ، وقد تساهم بشكل أكبر في استقرار الحالة الأصلية من التأثير الكارهة للماء. العامل الرئيسي الذي يعارض الطي هو الانتروبيا التوافقية المتسلسلة. تلخص هذه العوامل الإيجابية والسلبية إلى DG سلبي صغير لصالح طي البروتين ، مما يعني ثباتًا هامشيًا للبروتين الأصلي في درجات الحرارة العادية.

ما أنواع القوى بين الجزيئات التي قد تعمل داخل البروتين وبين البروتينات وجزيئات المذيبات التي من شأنها أن تتسبب في انثناء البروتين تلقائيًا إلى بنية ثلاثية الأبعاد فريدة؟ يمكن أن تكون هذه القوى طويلة المدى (أيون أيون ، أيون ثنائي القطب ، أو ثنائي القطب ثنائي القطب) أو قصير المدى (قوى فان دير فالس الطاردة والجاذبة). يمكن أن تكون التفاعلات محلية (بين الأحماض الأمينية المجاورة في التسلسل الخطي) أو غير محلية (بين التسلسلات المنفصلة في التسلسل الخطي ولكنها متقاربة في مساحة ثلاثية الأبعاد). يمكن الحصول على أدلة حول ما يثبت البنية الثلاثية للبروتين الأصلي عن طريق إخضاع البروتينات لعوامل تتكشف أو تفسد البروتين. وتشمل هذه العوامل درجات الحموضة القصوى ، وتركيزات عالية من بعض المحاليل الملحية أو المذيبات العضوية ، ودرجات الحرارة القصوى. تظهر مثل هذه التجارب أن البروتينات الأصلية مستقرة بشكل هامشي فقط (حوالي 0.4 كيلو جول / مول من الأحماض الأمينية - أو حوالي - 10 كيلو كالوري / مول لبروتين بوزن جزيئي 10000 - حوالي 100 حمض أميني). سننظر في الأنواع المختلفة من القوى بين الجزيئات (أيون أيون ، روابط H ، فان دير فال ، وتأثير كاره للماء) بشكل فردي ونسأل عما إذا كان كل منها قوة دافعة مهمة لطي البروتين.

الشكل: رسم تخطيطي يوضح المساهمات النسبية في DG لطي البروتين.

سيتناول معظم هذا الفصل الترابط H والتأثير الكارثي للماء. يتمثل موضوع أي دورة للكيمياء الحيوية في أنه إذا تمكنت من فهم التفاعلات بين الجزيئات الصغيرة ، فيمكنك تطبيق هذه المعرفة على فهم الجزيئات الأكبر مثل البروتينات. لفهم ما إذا كانت روابط H داخل البروتينات ، والتي غالبًا ما تكون مدفونة في الجزء الداخلي الأكثر كارهة للماء من البروتين ، تؤدي إلى طي البروتين ، سنقوم أولاً بفحص الديناميكا الحرارية لتكوين رابطة H لجزيء صغير ، N-methylacetamide ، في الماء وفي مذيب غير قطبي. لفهم ما إذا كان التأثير الكارثي للماء ، بوساطة دفن السلاسل الجانبية غير القطبية داخل المركز غير القطبي للبروتين ، يدفع طي البروتين ، سنقوم بفحص الديناميكا الحرارية لقابلية ذوبان البنزين في الماء. تتضمن معظم الدراسات الحديثة إنشاء طفرات محددة في موضع الأحماض الأمينية والتي قد تكشف عن مساهمات الترابط H والتأثير الكارثي للماء في ثبات البروتين والثبات.


استقرار البروتين: منظور عالم البلورات

يعد استقرار البروتين موضوعًا ذا أهمية كبيرة في مجال التكنولوجيا الحيوية والصناعات الدوائية والغذائية ، بالإضافة إلى كونه أحد الاعتبارات اليومية للباحثين الأكاديميين الذين يدرسون البروتينات. يعد فهم استقرار البروتين أمرًا ضروريًا لتحسين التعبير والتنقية والصياغة والتخزين والدراسات الهيكلية للبروتينات. في هذه المراجعة ، ستركز المناقشة على العوامل التي تؤثر على استقرار البروتين ، على مستوى عملي إلى حد ما ، لا سيما من وجهة نظر عالم بلورات البروتين. ستتم مناقشة الاختلافات بين الاستقرار التوافقي للبروتين والاستقرار التركيبي للبروتين ، جنبًا إلى جنب مع مقدمة موجزة للطرق الرئيسية المفيدة لتحليل استقرار البروتين. أخيرًا ، ستتم مناقشة تكتيكات معالجة مشكلات استقرار البروتين أثناء تعبير البروتين وتنقيته وبلوره.

الكلمات الدالة: تبلور البروتين اضطراب تبلور البروتين استقرار البروتين.

الأرقام

العوامل المؤثرة على استقرار البروتين. (...

العوامل المؤثرة على استقرار البروتين. ( أ ) بروتين تركيبي الاستقرار و توافقي المزيد…

مصفوفة أمثلة البروتين ...

مصفوفة أمثلة على استقرار البروتين واضطراب. ( أ ) أمثلة على…

طيف HSQC المطوي وغير المنظم ...

طيف HSQC من البروتينات المطوية وغير المهيكلة و apo و ligand المرتبطة. ( أ )…

مقايسة Thermofluor لذوبان البروتين ...

مقايسة Thermofluor لدرجة حرارة انصهار البروتين في وجود روابط استقرار. (...

تحليل مطياف كتلة تبادل الديوتيريوم (DXMS). ...

تحليل مطياف كتلة تبادل الديوتيريوم (DXMS). تم استخدام DXMS لتوجيه تصميم البناء ...


كتيب تحضير البروتين

تعرف على المزيد حول كيفية تحلية المياه ، والتبادل المؤقت ، والتركيز ، و / أو إزالة الملوثات من عينات البروتين ، والترسيب المناعي وطرق تنقية وتنقية البروتين الأخرى باستخدام مختلف أدوات بيولوجيا البروتين Thermo Scientific في هذا الكتيب المكون من 32 صفحة.

  • الترسيب المناعي (IP) ، IP المشترك ، والكروماتين IP
  • علامات تنقية البروتين المؤتلف
  • عينات بروتين الدياليز بأمان باستخدام شرائط وأجهزة غسيل الكلى Slide-A-Lyzer
  • تحلية العينات بسرعة مع استرداد عالي البروتين باستخدام أعمدة وألواح تحلية Zeba الدوارة
  • استخراج الملوثات المحددة بكفاءة باستخدام الراتنجات المحسنة للمنظفات أو إزالة السموم الداخلية
  • تركيز عينات البروتين المخفف بسرعة باستخدام مركزات البروتين بيرس

يتعلم أكثر

حدد المنتجات

تتميز تفاعلات البروتين بشكل أساسي بأنها مستقرة أو عابرة ، ويمكن أن يكون كلا النوعين من التفاعلات إما قويًا أو ضعيفًا. التفاعلات المستقرة هي تلك المرتبطة بالبروتينات التي يتم تنقيتها كمجمعات متعددة الوحدات الفرعية ، ويمكن أن تكون الوحدات الفرعية لهذه المجمعات متطابقة أو مختلفة. الهيموغلوبين والبوليميراز الأساسي للحمض النووي الريبي أمثلة على التفاعلات متعددة الوحدات التي تشكل مجمعات مستقرة.

من المتوقع أن تتحكم التفاعلات العابرة في غالبية العمليات الخلوية. كما يوحي الاسم ، تكون التفاعلات العابرة مؤقتة بطبيعتها وتتطلب عادةً مجموعة من الشروط التي تعزز التفاعل ، مثل الفسفرة أو التغييرات التوافقية أو التوطين لمناطق منفصلة من الخلية. يمكن أن تكون التفاعلات العابرة قوية أو ضعيفة ، وسريعة أو بطيئة. أثناء الاتصال بشركائها الملزمين ، تشارك البروتينات المتفاعلة بشكل عابر في مجموعة واسعة من العمليات الخلوية ، بما في ذلك تعديل البروتين ، والنقل ، والطي ، والإشارة ، والاستماتة ، ودورة الخلية. يقدم المثال التالي توضيحًا لتفاعلات البروتين التي تنظم عمليات موت الخلايا المبرمج ومضادات الاستماتة.


التفاعل الثقيل بين البروتين والبروتين BAD. اللوحة أ: هلام SDS-PAGE الملون Coomassie من الضوء المؤتلف والثقيل BAD-GST-HA-6xHIS المنقى من محلولات HeLa IVT (L) ، باستخدام راتنج الجلوتاثيون (E1) وراتنج الكوبالت (E2). يشار إلى التدفق من خلال (FT) من كل عمود. اللوحة B: رسم تخطيطي لتفاعلات الفسفرة والبروتين BAD أثناء بقاء الخلية وموت الخلية (أي موت الخلايا المبرمج). اللوحة C: تغطية تسلسل البروتين BAD التي تُظهر مواقع الفسفرة المتوافقة مع الإجماع Akt (المربع الأحمر). اللوحة D: أطياف MS من الببتيد السيئ المسمى بالنظائر المستقرة HSSYPAGTEDDEGmGEEPSPFr.

ترتبط البروتينات ببعضها البعض من خلال مجموعة من الروابط الكارهة للماء ، وقوى فان دير فالس ، وجسور الملح في مجالات ربط محددة لكل بروتين. يمكن أن تكون هذه المجالات شقوق ربط صغيرة أو أسطح كبيرة ويمكن أن تكون مجرد عدد قليل من الببتيدات طويلة أو تمتد لمئات من الأحماض الأمينية. تتأثر قوة الربط بحجم مجال الربط. أحد الأمثلة على مجال السطح الشائع الذي يسهل تفاعلات البروتين والبروتين المستقرة هو سحاب الليوسين ، والذي يتكون من حلزونات ألفا على كل بروتين يرتبط ببعضه البعض بطريقة موازية من خلال الترابط الكارهة للماء لبقايا الليوسين المتباعدة بانتظام على كل α - حلزون هذا المشروع بين سلاسل الببتيد الحلزونية المجاورة. بسبب التعبئة الجزيئية الضيقة ، توفر سحابات الليوسين ارتباطًا مستقرًا للمجمعات متعددة البروتينات ، على الرغم من أن جميع سحابات الليوسين لا ترتبط بشكل متماثل بسبب الأحماض الأمينية غير الليوسين في الحلزون ألفا والتي يمكن أن تقلل من التعبئة الجزيئية وبالتالي قوة تفاعل.

يعد مجالا تماثل Src (SH) ، SH2 و SH3 ، أمثلة على مجالات الربط العابرة الشائعة التي تربط تسلسلات الببتيد القصيرة وتوجد بشكل شائع في بروتينات الإشارة. يتعرف مجال SH2 على متواليات الببتيد مع بقايا التيروزين الفسفورية ، والتي غالبًا ما تدل على تنشيط البروتين. تلعب نطاقات SH2 دورًا رئيسيًا في إشارات مستقبلات عامل النمو ، حيث تقوم الفسفرة المستقبلة بوساطة يجند في بقايا التيروزين بتجنيد المؤثرات النهائية التي تتعرف على هذه البقايا عبر مجالات SH2 الخاصة بها. عادةً ما يتعرف مجال SH3 على متواليات الببتيد الغنية بالبرولين ويتم استخدامه بشكل شائع بواسطة كينازات و phospholipases و GTPases لتحديد البروتينات المستهدفة. على الرغم من أن مجالات SH2 و SH3 ترتبط بشكل عام بهذه الأشكال ، فإن خصوصية تفاعلات البروتين المتميزة تمليها بقايا الأحماض الأمينية المجاورة في الشكل المعني.

يمكن إظهار نتيجة اثنين أو أكثر من البروتينات التي تتفاعل مع هدف وظيفي محدد بعدة طرق مختلفة. تم تحديد التأثيرات القابلة للقياس لتفاعلات البروتين على النحو التالي:

  • تغيير الخصائص الحركية للإنزيمات ، والتي قد تكون نتيجة لتغييرات طفيفة في ارتباط الركيزة أو التأثيرات الخيفية
  • السماح بتوجيه الركيزة عن طريق تحريك الركيزة بين المجالات أو الوحدات الفرعية ، مما يؤدي في النهاية إلى منتج نهائي مقصود
  • قم بإنشاء موقع ربط جديد ، عادةً لجزيئات المستجيب الصغيرة
  • تعطيل البروتين أو تدميره
  • تغيير خصوصية البروتين لركائزه من خلال التفاعل مع شركاء ربط مختلفين ، على سبيل المثال ، إظهار وظيفة جديدة لا يمكن لأي بروتين أن يظهرها بمفرده
  • تخدم دورًا تنظيميًا في أي حدث منبع أو في اتجاه مجرى النهر

عادةً ما يكون مزيجًا من التقنيات ضروريًا للتحقق من تفاعلات البروتين وتوصيفها وتأكيدها. يمكن اكتشاف بروتينات غير معروفة سابقًا من خلال ارتباطها ببروتين واحد أو أكثر معروف. قد يكشف تحليل تفاعل البروتين أيضًا عن أدوار وظيفية فريدة وغير متوقعة للبروتينات المعروفة. يعد اكتشاف التفاعل أو التحقق منه الخطوة الأولى على طريق فهم أين وكيف وتحت أي ظروف تتفاعل هذه البروتينات في الجسم الحي والآثار الوظيفية لهذه التفاعلات.

في حين أن الطرق والأساليب المختلفة لدراسة تفاعلات البروتين والبروتين كثيرة جدًا بحيث لا يمكن وصفها هنا ، يركز الجدول أدناه والباقي من هذا القسم على الطرق الشائعة لتحليل تفاعلات البروتين والبروتين وأنواع التفاعلات التي يمكن دراستها باستخدام كل طريقة . باختصار ، من الأسهل عزل تفاعلات البروتين والبروتين المستقرة بالطرق الفيزيائية مثل الترسيب المناعي المشترك والمقايسات المنسدلة لأن مجمع البروتين لا يتفكك بمرور الوقت. يمكن التعرف على التفاعلات الضعيفة أو العابرة باستخدام هذه الطرق عن طريق التشابك التساهمي للبروتينات أولاً لتجميد التفاعل أثناء IP المشترك أو المنسدلة. بدلاً من ذلك ، يمكن إجراء التشابك ، جنبًا إلى جنب مع نقل الملصق وتحليل لطخة الغرب البعيد ، بشكل مستقل عن الطرق الأخرى لتحديد تفاعلات البروتين والبروتين.

طرق شائعة لتحليل الأنواع المختلفة لتفاعلات البروتين

طريقةتفاعلات البروتين والبروتين
الترسيب المناعي المشترك (IP المشترك)مستقر أو قوي
المقايسة المنسدلةمستقر أو قوي
تحليل تفاعل البروتين المتشابكعابر أو ضعيف
تحليل تفاعل بروتين نقل التسميةعابر أو ضعيف
تحليل لطخة غربية بعيدةمستقر إلى حد ما

يعد الترسيب المناعي المشترك (co-IP) أسلوبًا شائعًا لاكتشاف تفاعل البروتين. يتم إجراء Co-IP بشكل أساسي بنفس طريقة الترسيب المناعي (IP) لبروتين واحد ، باستثناء أن البروتين المستهدف الذي يترسب بواسطة الجسم المضاد ، والذي يُسمى أيضًا "الطُعم" ، يُستخدم للترسيب المشترك لمركب شريك / بروتين ، أو "فريسة" ، من المحللة. بشكل أساسي ، يرتبط البروتين المتفاعل بالمستضد المستهدف ، والذي يرتبط بالجسم المضاد المثبت بالدعم. عادة ما يتم الكشف عن البروتينات المثبطة للمناعة وشركائها الملزمين عن طريق الرحلان الكهربائي لهلام دوديسيل كبريتات-بولي أكريلاميد (SDS-PAGE) وتحليل اللطخة الغربية. الافتراض الذي يتم إجراؤه عادةً عندما يتم ترسيب البروتينات المرتبطة بشكل مشترك هو أن هذه البروتينات مرتبطة بوظيفة المستضد المستهدف على المستوى الخلوي. هذا مجرد افتراض ، ومع ذلك ، يخضع لمزيد من التحقق.

الترسيب المناعي المشترك لـ cyclin B و Cdk1. ترتبط الخرزات المغناطيسية A / G لبروتين بيرس العلمية الحرارية بالجسم المضاد Cdk1 المركب بـ Cdk1. يرتبط Cyclin B بـ Cdk1 ، ويتم التقاطه مع شريكه الملزم.


هيكل جينوم AAV وتكرار الحمض النووي وتجميع الفيروسات

يحتوي AAV على جينوم DNA أحادي الجديلة (ssDNA) يبلغ حوالي 4.7 كيلو قاعدة (kb) ، مع تكرار طرفية مقلوبة بطول 145 نيوكليوتيد (ITR) عند النهاية. لا يقوم الفيروس بتشفير البوليميراز ، وبالتالي يعتمد على البوليميرات الخلوية لتكرار الجينوم. تحيط ITRs بالجينين الفيروسيين & # 8211 rep (تكرار) وغطاء & # 8221yd (قفيصة) ، لترميز البروتينات غير الهيكلية والهيكلية ، على التوالي.

يقوم جين rep ، من خلال استخدام اثنين من المروجين والتضفير البديل ، بتشفير أربعة بروتينات تنظيمية يطلق عليها اسم Rep78 و Rep68 و Rep52 و Rep40. تشارك هذه البروتينات في تكرار جينوم AAV. ينتج جين الغطاء ، من خلال الربط البديل وبدء الترجمة ، ثلاثة بروتينات قفيصة ، VP1 (بروتين فيريون 1) ، VP2 و VP3 ، بوزن جزيئي يبلغ 87 ، 72 و 62 كيلو دالتون ، على التوالي. تتجمع هذه البروتينات القفيصة في غلاف بروتيني شبه كروي مكون من 60 وحدة فرعية.

تشير نتائج التألق المناعي إلى أن تجمع القفيصة يقتصر على نوى الخلايا المصابة. تدخل كابسيدات AAV المجمعة بالكامل في النيوكليوبلازم بطريقة تعتمد على AAV Rep. من المفترض أن يتم توجيه تغليف DNA AAV الانتقائي عن طريق تفاعلات البروتين البروتين بين مجمعين: (1) الكابسيدات الفارغة المشكلة مسبقًا و (2) ، مجمع Rep78 أو Rep68 مع جينوم الفيروس. بعد ذلك ، تكون بروتينات Rep52 و Rep40 مسؤولة عن نقل DNA جينوم AAV إلى جزيئات فارغة عبر المسام. تجدر الإشارة إلى أن هذه مجرد واحدة من العديد من فرضيات العمل لنسخ AAV.


شرح الكتاب

توفر مقدمة عن البروتينات مقدمة شاملة وحديثة عن بنية ووظيفة وحركة البروتينات للطلاب وأعضاء هيئة التدريس والباحثين على جميع المستويات. يغطي الكتاب البروتينات والإنزيمات عبر مجموعة واسعة من السياقات والتطبيقات ، بما في ذلك الاضطرابات الطبية والعقاقير والسموم والحرب الكيميائية وسلوك الحيوانات. يتضمن كل فصل ملخصًا وتمارين ومراجع.

تشمل الميزات الجديدة في الإصدار الثاني المحدث بدقة ما يلي:

    فصل جديد تمامًا عن التحفيز الإنزيمي ، يصف الكيمياء الحيوية للإنزيمات ، والتصنيف ، والحركية ، والديناميكا الحرارية ، والآليات ، والتطبيقات في الطب والصناعات الأخرى. وهي مصحوبة برسوم متحركة متعددة للتفاعلات والآليات الكيميائية الحيوية ، يمكن الوصول إليها عبر أكواد QR المدمجة (والتي يمكن عرضها بواسطة الهواتف الذكية)

يتضمن كل فصل ملخصًا وتمارين ومراجع

لمزيد من المعلومات ، بما في ذلك جميع العروض التقديمية والجداول والرسوم المتحركة والتمارين ، بالإضافة إلى دورة تعليمية كاملة حول بنية البروتينات ووظيفتها ، يرجى زيارة موقع المؤلف.

الحمد على الطبعة الأولى

"يلتقط هذا الكتاب ، بطريقة يسهل الوصول إليها ، مجموعة متزايدة من المؤلفات حول بنية ووظيفة وحركة البروتينات. هذا منشور رائع سيكون مفيدًا جدًا للطلاب الجامعيين وطلاب الدراسات العليا وباحثي ما بعد الدكتوراه والمعلمين المشاركين في دورات في البيولوجيا أو الفيزياء الحيوية أو في البحث عن العلاقات بين بنية البروتين ووظائفه ". - ديفيد شيهان ، ChemBioChem ، 2011

"مقدمة عن البروتينات هي خيار ممتاز وحديث للطلاب أو أعضاء هيئة التدريس أو الباحثين الذين يحتاجون إلى دراسة عن بنية البروتين. هذا نص غني بالمعلومات ومُدقَّق بدقة وحديثة ، مع تغطية واسعة و عمق ملحوظ. ستوفر مقدمة عن البروتينات أساسًا ممتازًا لدورة عليا أو دراسات عليا حول بنية البروتين ، وإضافة قيمة إلى مكتبات المهنيين المهتمين بهذا المجال ذي الأهمية المركزية ". - إريك مارتز ، تعليم الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية ، 2012


استخدام البيولوجيا التركيبية للتغلب على الحواجز التي تعترض التعبير المستقر عن النيتروجيناز في العضيات حقيقية النواة

هندسة تثبيت النيتروجين البيولوجي في الخلايا حقيقية النواة عن طريق الإدخال المباشر لـ نيف تتطلب الجينات مقاربات بيولوجية تركيبية أنيقة لضمان استقرار المكونات المطلوبة للتخليق الحيوي للنيتروجيناز النشط ويتم التعبير عنها في القياس المتكافئ المناسب. في السابق ، كانت الوحدات الفرعية NifD لبروتين nitrogenase MoFe من Azotobacter vinelandii و كليبسيلا أوكسيتوكا وجد أنه غير مستقر في الخميرة والميتوكوندريا النباتية ، على التوالي ، مما يمثل عنق الزجاجة لتجميع بروتين MoFe النشط في الخلايا حقيقية النواة. في هذه الدراسة ، حددنا المنطقة وبالتالي بقايا رئيسية ، NifD-R98 ، من ك. أوكسيتوكا التي تمنح القابلية للتحلل بوساطة البروتياز في الميتوكوندريا. التأثير الملحوظ واسع الانتشار ، حيث يتم حفظ R98 بين جميع بروتينات NifD التي تم تحليلها. لوحظ أن بروتينات NifD من أربعة ديازوتروف تمثيلية ، ولكن ليس متغيراتها R98 ، غير مستقرة في الخميرة الميتوكوندريا. علاوة على ذلك ، من خلال إعادة تكوين ببتيدات معالجة الميتوكوندريا (MPPs) من الخميرة ، أرز أسيوي, نيكوتيانا تاباكوم، و نبات الأرابيدوبسيس thaliana في الإشريكية القولونية، لقد أظهرنا أن MPPs هي المسؤولة عن انقسام NifD. تشير هذه النتائج إلى وجود تأثير واسع النطاق على استقرار بروتينات NifD في الميتوكوندريا الناتجة عن الانقسام بواسطة MPPs. تم الحصول على متغيرات NifD-R98 التي احتفظت بمستويات عالية من نشاط النيتروجيناز ، مع إمكانية استهداف بروتين MoFe النشط بشكل ثابت للميتوكوندريا. يمكن أن يساعد نهج إعادة التكوين هذا في التقييم المسبق لاستقرار بروتينات Nif للتعبير النباتي ويمهد الطريق لهندسة النيتروجيناز النشط في عضيات النبات.

الكلمات الدالة: استقرار الميتوكوندريا النيتروجيناز النبات عضية تجهيز البيولوجيا الاصطناعية الببتيداز.

حقوق النشر © 2020 المؤلف (المؤلفون). تم النشر بواسطة PNAS.

بيان تضارب المصالح

يعلن المؤلفون أي مصلحة متنافسة.

الأرقام

تحليل معالجة الأنزيم البروتيني ...

تحليل موقع معالجة الأنزيم البروتيني داخل NifD. ( أ ) الأنزيم البروتيني المتوقع ...

فحص NifD من ك. أوكسيتوكا ...

فحص NifD من ك. أوكسيتوكا لبدائل R98 التي تحتفظ بنشاط النيتروجيناز. (...

إعادة تشكيل حقيقيات النوى MPPs و ...

إعادة تكوين MPPs حقيقية النواة وتحديد استقرار بروتينات Nif تجاه ...


الملخص

يعدل Palmitate كلاً من البروتينات الغشائية المحيطية والمتكاملة ويمكن أن تكون إضافتها دائمة أو عابرة ، مما يجعلها فريدة من نوعها بين التعديلات الدهنية للبروتينات. يؤثر وجود البالميتات على البروتين في كيفية تفاعل البروتين مع الدهون والبروتينات في حجرة الغشاء ، وتسمح قابلية انعكاس البالميتويليز بأنماط مختلفة من الانتقال بين حجرات الغشاء. هنا ، نراجع الدراسات الحديثة التي قدمت رؤى ثاقبة للآليات التي تتوسط في النتائج الوظيفية لهذا التعديل متعدد الاستخدامات.


خيارات الوصول

احصل على الوصول الكامل إلى دفتر اليومية لمدة عام واحد

جميع الأسعار أسعار صافي.
سيتم إضافة ضريبة القيمة المضافة في وقت لاحق عند الخروج.
سيتم الانتهاء من حساب الضريبة أثناء الخروج.

احصل على وصول محدود أو وصول كامل للمقالات على ReadCube.

جميع الأسعار أسعار صافي.


محتويات

هناك أربعة مستويات متميزة من بنية البروتين.

تحرير الهيكل الأساسي

يشير الهيكل الأساسي للبروتين إلى تسلسل الأحماض الأمينية في سلسلة البولي ببتيد. يتم تثبيت الهيكل الأساسي معًا بواسطة روابط الببتيد التي يتم إجراؤها أثناء عملية التخليق الحيوي للبروتين. يشار إلى طرفي سلسلة البولي ببتيد باسم الطرف الكربوكسيل (C-terminus) والنهاية الأمينية (N-terminus) بناءً على طبيعة المجموعة الحرة على كل طرف. يبدأ عد المخلفات دائمًا عند الطرف N (NH2-group) ، وهي النهاية التي لا تشارك فيها المجموعة الأمينية في رابطة الببتيد. يتم تحديد التركيب الأساسي للبروتين بواسطة الجين المقابل للبروتين. يتم نسخ تسلسل محدد من النيوكليوتيدات في الحمض النووي إلى mRNA ، والذي يقرأه الريبوسوم في عملية تسمى الترجمة. تم اكتشاف تسلسل الأحماض الأمينية في الأنسولين بواسطة فريدريك سانجر ، مما يثبت أن البروتينات لها تسلسل محدد للأحماض الأمينية. [3] [4] يعتبر تسلسل البروتين فريدًا بالنسبة لهذا البروتين ، ويحدد بنية ووظيفة البروتين. يمكن تحديد تسلسل البروتين بطرق مثل تدهور Edman أو قياس الطيف الكتلي الترادفي. ومع ذلك ، في كثير من الأحيان ، يتم قراءتها مباشرة من تسلسل الجين باستخدام الشفرة الجينية. يوصى بشدة باستخدام الكلمات "بقايا الأحماض الأمينية" عند مناقشة البروتينات لأنه عند تكوين رابطة الببتيد ، يتم فقد جزيء الماء ، وبالتالي تتكون البروتينات من بقايا الأحماض الأمينية. عادةً ما تُعتبر التعديلات اللاحقة للترجمة مثل الفسفرة والجليكوزيلات جزءًا من الهيكل الأساسي ، ولا يمكن قراءتها من الجين. على سبيل المثال ، يتكون الأنسولين من 51 حمض أميني في سلسلتين. سلسلة واحدة بها 31 حمض أميني ، والآخر يحتوي على 20 حمضًا أمينيًا.

تعديل الهيكل الثانوي

يشير الهيكل الثانوي إلى الهياكل الفرعية المحلية المنتظمة للغاية في سلسلة العمود الفقري الفعلية متعددة الببتيد. تم اقتراح نوعين رئيسيين من البنية الثانوية ، الحلزون α و β-strand أو ، في عام 1951 بواسطة Linus Pauling et al. [5] يتم تحديد هذه الهياكل الثانوية من خلال أنماط الروابط الهيدروجينية بين مجموعات الببتيد ذات السلسلة الرئيسية. لديهم هندسة منتظمة ، مقيدة بقيم محددة للزوايا ثنائية الأضلاع ψ و على مخطط راماشاندران. يمثل كل من α-helix و-sheet طريقة لإشباع جميع المتبرعين والمقبلين لرابطة الهيدروجين في العمود الفقري للببتيد. يتم ترتيب بعض أجزاء البروتين ولكنها لا تشكل أي هياكل منتظمة. لا ينبغي الخلط بينها وبين الملف العشوائي ، سلسلة بولي ببتيد غير مطوية تفتقر إلى أي بنية ثلاثية الأبعاد ثابتة. قد تشكل العديد من الهياكل الثانوية المتسلسلة "وحدة فوق الثانوية". [6]

تحرير الهيكل الثالث

يشير الهيكل الثلاثي إلى الهيكل ثلاثي الأبعاد الذي تم إنشاؤه بواسطة جزيء بروتين واحد (سلسلة عديد ببتيد واحدة). قد يتضمن مجالًا واحدًا أو أكثر. يتم طي صفائح α-helixes و-pleats في هيكل كروي مضغوط. الطي مدفوع بـ غير محدد التفاعلات الكارهة للماء ، دفن المخلفات الكارهة للماء من الماء ، لكن الهيكل مستقر فقط عندما يتم قفل أجزاء مجال البروتين في مكانها بواسطة محدد التفاعلات الثلاثية ، مثل جسور الملح ، والروابط الهيدروجينية ، والتعبئة الضيقة للسلاسل الجانبية وروابط ثاني كبريتيد. روابط ثاني كبريتيد نادرة للغاية في بروتينات العصارة الخلوية ، لأن العصارة الخلوية (السائل داخل الخلايا) هي بيئة مختزلة بشكل عام.

الهيكل الرباعي تحرير

الهيكل الرباعي هو هيكل ثلاثي الأبعاد يتكون من تجميع اثنين أو أكثر من سلاسل البولي ببتيد الفردية (الوحدات الفرعية) التي تعمل كوحدة وظيفية واحدة (متعددة). يتم تثبيت المولد المتعدد الناتج عن طريق نفس التفاعلات غير التساهمية وروابط ثاني كبريتيد كما هو الحال في البنية الثلاثية. هناك العديد من المنظمات الهيكلية الرباعية المحتملة. [7] تسمى المجمعات المكونة من اثنين أو أكثر من عديد الببتيدات (أي وحدات فرعية متعددة) متعددة الممرات. على وجه التحديد ، يمكن أن يطلق عليه dimer إذا كان يحتوي على وحدتين فرعيتين ، و trimer إذا كان يحتوي على ثلاث وحدات فرعية ، و tetramer إذا كان يحتوي على أربع وحدات فرعية ، و pentamer إذا كان يحتوي على خمس وحدات فرعية. غالبًا ما ترتبط الوحدات الفرعية ببعضها البعض من خلال عمليات التناظر ، مثل محور ثنائي الطي في ثنائي الملمس. تتم الإشارة إلى المضاعفات المكونة من وحدات فرعية متطابقة ببادئة "homo-" ويُشار إلى تلك المكونة من وحدات فرعية مختلفة ببادئة "hetero-" ، على سبيل المثال ، heterotetramer ، مثل جهازي alpha و two beta سلاسل الهيموجلوبين.

كثيرا ما توصف البروتينات بأنها تتكون من عدة وحدات هيكلية. تشمل هذه الوحدات المجالات والزخارف والطيات. على الرغم من حقيقة أن هناك حوالي 100000 بروتين مختلف معبر عنه في الأنظمة حقيقية النواة ، إلا أن هناك عددًا أقل من المجالات المختلفة والزخارف الهيكلية والطيات.

تحرير المجال الهيكلي

المجال الهيكلي هو عنصر من عناصر البنية العامة للبروتين الذي يستقر ذاتيًا وغالبًا ما يتم طيه بشكل مستقل عن بقية سلسلة البروتين. العديد من المجالات ليست فريدة من نوعها لمنتجات البروتين لجين واحد أو عائلة جين واحدة ولكنها تظهر بدلاً من ذلك في مجموعة متنوعة من البروتينات. غالبًا ما يتم تسمية المجالات وتفردها لأنها تظهر بشكل بارز في الوظيفة البيولوجية للبروتين الذي تنتمي إليه ، على سبيل المثال ، "مجال ربط الكالسيوم بالكالموديولين". نظرًا لأنها مستقرة بشكل مستقل ، يمكن "تبديل" المجالات عن طريق الهندسة الوراثية بين بروتين وآخر لصنع بروتينات الكيميرا. مجموعة محافظة من عدة مجالات تحدث في بروتينات مختلفة ، مثل مجال البروتين التيروزين الفوسفاتيز وزوج مجال C2 ، كان يسمى "النطاق الفائق" الذي قد يتطور كوحدة واحدة. [8]

تحرير الزخارف الهيكلية والمتسلسلة

تشير الأشكال الهيكلية والمتسلسلة إلى أجزاء قصيرة من بنية البروتين ثلاثية الأبعاد أو تسلسل الأحماض الأمينية التي تم العثور عليها في عدد كبير من البروتينات المختلفة

تحرير البنية فوق الثانوية

يشير الهيكل الفائق الثانوي إلى مجموعة محددة من عناصر البنية الثانوية ، مثل وحدات β-α-β أو شكل حلزوني دوراني حلزوني. قد يشار إلى بعضها أيضًا باسم الزخارف الهيكلية.

تعديل طية البروتين

تشير طية البروتين إلى بنية البروتين العامة ، مثل الحزمة الحلزونية ، أو البرميل ، أو طيات روسمان أو "الطيات" المختلفة المتوفرة في قاعدة بيانات التصنيف الهيكلي للبروتينات. [9] المفهوم ذو الصلة هو طوبولوجيا البروتين.

البروتينات ليست كائنات ثابتة ، بل هي عبارة عن مجموعات من الحالات التوافقية. تحدث التحولات بين هذه الحالات عادةً على المقاييس النانوية ، وقد تم ربطها بظواهر ذات صلة وظيفيًا مثل الإشارات الخيفية [10] وتحفيز الإنزيم. [11] تسمح ديناميكيات البروتين والتغيرات التوافقية للبروتينات بالعمل كآلات بيولوجية نانوية داخل الخلايا ، غالبًا في شكل مجمعات متعددة البروتينات. [12] تشمل الأمثلة البروتينات الحركية ، مثل الميوسين ، المسؤول عن تقلص العضلات ، والكينيسين ، الذي ينقل البضائع داخل الخلايا بعيدًا عن النواة على طول الأنابيب الدقيقة ، والداينين ​​، الذي ينقل البضائع داخل الخلايا باتجاه النواة وينتج الضرب المحوري للعضلات. أهداب متحركة وسوط. "[I] n تأثير ، [cilium المتحرك] عبارة عن آلة نانوية تتكون ربما من أكثر من 600 بروتين في مجمعات جزيئية ، يعمل العديد منها أيضًا بشكل مستقل كآلات نانوية. تسمح الروابط المرنة لمجالات البروتين المتنقلة المتصلة بها بتجنيد شركائها الملزمين و حث التباين بعيد المدى عبر ديناميكيات مجال البروتين. "[13]

غالبًا ما يُنظر إلى البروتينات على أنها هياكل من الدرجة الثالثة مستقرة نسبيًا تشهد تغيرات توافقية بعد تأثرها بالتفاعلات مع البروتينات الأخرى أو كجزء من النشاط الأنزيمي. ومع ذلك ، قد يكون للبروتينات درجات متفاوتة من الاستقرار ، وبعض المتغيرات الأقل استقرارًا هي بروتينات مضطربة جوهريًا. توجد هذه البروتينات وتعمل في حالة "مضطربة" نسبيًا تفتقر إلى بنية ثلاثية مستقرة. نتيجة لذلك ، يصعب وصفها ببنية واحدة من الدرجة الثالثة الثابتة. تم تصميم المجموعات التوافقية كطريقة لتوفير تمثيل أكثر دقة وديناميكية للحالة المطابقة للبروتينات المضطربة جوهريًا. [15] [14]

ملفات مجموعات البروتين هي تمثيل لبروتين يمكن اعتباره له بنية مرنة. يتطلب إنشاء هذه الملفات تحديد أي من مطابقة البروتين الممكنة نظريًا الموجودة بالفعل. تتمثل إحدى الطرق في تطبيق الخوارزميات الحسابية على بيانات البروتين لمحاولة تحديد مجموعة المطابقة الأكثر احتمالاً لملف المجموعة. هناك طرق متعددة لإعداد البيانات لقاعدة بيانات مجموعة البروتين التي تندرج في منهجيتين عامتين - نهج التجميع والديناميكيات الجزيئية (MD) (موضحة في الشكل). يستخدم النهج القائم على التجمع تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين لإنشاء مجموعة ضخمة من التوافقات العشوائية. يخضع هذا التجمع بعد ذلك لمزيد من المعالجة الحسابية التي تخلق مجموعة من المعلمات النظرية لكل تشكل بناءً على الهيكل. المجموعات الفرعية التوافقية من هذا التجمع تم اختيار متوسط ​​المعلمات النظرية التي تتطابق بشكل وثيق مع البيانات التجريبية المعروفة لهذا البروتين. يأخذ نهج الديناميكيات الجزيئية البديلة العديد من المطابقات العشوائية في وقت واحد ويخضعها جميعًا لبيانات تجريبية. تعمل البيانات التجريبية هنا كقيود يجب وضعها على المطابقات (مثل المسافات المعروفة بين الذرات). يتم قبول المطابقات التي تمكنت من البقاء ضمن الحدود التي وضعتها البيانات التجريبية فقط. غالبًا ما يطبق هذا النهج كميات كبيرة من البيانات التجريبية على المطابقة وهي مهمة تتطلب الكثير من الناحية الحسابية. [14]

تم إنشاء المجموعات المطابقة لعدد من البروتينات عالية الديناميكية وغير المطوية جزئيًا ، مثل Sic1 / Cdc4 ، [16] p15 PAF ، [17] MKK7 ، [18] بيتا سينوكلين [19] و P27 [20]

كما يتم ترجمتها ، تخرج البولي ببتيدات من الريبوسوم في الغالب كملف عشوائي وتنطوي في حالتها الأصلية. [21] [22] يُفترض عمومًا أن يتم تحديد الهيكل النهائي لسلسلة البروتين من خلال تسلسل الأحماض الأمينية (عقيدة Anfinsen). [23]

يمثل الاستقرار الديناميكي الحراري للبروتينات فرق الطاقة الحرة بين حالات البروتين المطوية وغير المطوية. هذا الاختلاف في الطاقة الحرة حساس جدًا لدرجة الحرارة ، وبالتالي قد يؤدي التغيير في درجة الحرارة إلى التفتت أو التمسخ. قد يؤدي تمسخ البروتين إلى فقدان الوظيفة وفقدان الحالة الأصلية. عادة لا تتجاوز الطاقة الحرة لتثبيت البروتينات الكروية القابلة للذوبان 50 كيلو جول / مول. [ بحاجة لمصدر ] مع الأخذ في الاعتبار العدد الكبير من الروابط الهيدروجينية التي تحدث لتثبيت الهياكل الثانوية ، وتثبيت اللب الداخلي من خلال التفاعلات الكارهة للماء ، تظهر الطاقة الحرة للاستقرار كفرق صغير بين الأعداد الكبيرة. [24]

تم تحديد حوالي 90٪ من هياكل البروتين المتوفرة في بنك بيانات البروتين بواسطة التصوير البلوري بالأشعة السينية. [25] This method allows one to measure the three-dimensional (3-D) density distribution of electrons in the protein, in the crystallized state, and thereby infer the 3-D coordinates of all the atoms to be determined to a certain resolution. Roughly 9% of the known protein structures have been obtained by nuclear magnetic resonance (NMR) techniques. [ بحاجة لمصدر ] For larger protein complexes, cryo-electron microscopy can determine protein structures. The resolution is typically lower than that of X-ray crystallography, or NMR, but the maximum resolution is steadily increasing. This technique is still a particularly valuable for very large protein complexes such as virus coat proteins and amyloid fibers.

General secondary structure composition can be determined via circular dichroism. Vibrational spectroscopy can also be used to characterize the conformation of peptides, polypeptides, and proteins. [26] Two-dimensional infrared spectroscopy has become a valuable method to investigate the structures of flexible peptides and proteins that cannot be studied with other methods. [27] [28] A more qualitative picture of protein structure is often obtained by proteolysis, which is also useful to screen for more crystallizable protein samples. Novel implementations of this approach, including fast parallel proteolysis (FASTpp), can probe the structured fraction and its stability without the need for purification. [29] Once a protein's structure has been experimentally determined, further detailed studies can be done computationally, using molecular dynamic simulations of that structure. [30]

A protein structure database is a database that is modeled around the various experimentally determined protein structures. The aim of most protein structure databases is to organize and annotate the protein structures, providing the biological community access to the experimental data in a useful way. Data included in protein structure databases often includes 3D coordinates as well as experimental information, such as unit cell dimensions and angles for x-ray crystallography determined structures. Though most instances, in this case either proteins or a specific structure determinations of a protein, also contain sequence information and some databases even provide means for performing sequence based queries, the primary attribute of a structure database is structural information, whereas sequence databases focus on sequence information, and contain no structural information for the majority of entries. Protein structure databases are critical for many efforts in computational biology such as structure based drug design, both in developing the computational methods used and in providing a large experimental dataset used by some methods to provide insights about the function of a protein. [31]

Protein structures can be grouped based on their structural similarity, topological class or a common evolutionary origin. The Structural Classification of Proteins database [32] and CATH database [33] provide two different structural classifications of proteins. When the structural similarity is large the two proteins have possibly diverged from a common ancestor, [34] and shared structure between proteins is considered evidence of homology. Structure similarity can then be used to group proteins together into protein superfamilies. [35] If shared structure is significant but the fraction shared is small, the fragment shared may be the consequence of a more dramatic evolutionary event such as horizontal gene transfer, and joining proteins sharing these fragments into protein superfamilies is no longer justified. [34] Topology of a protein can be used to classify proteins as well. Knot theory and circuit topology are two topology frameworks developed for classification of protein folds based on chain crossing and intrachain contacts respectively.

The generation of a protein sequence is much easier than the determination of a protein structure. However, the structure of a protein gives much more insight in the function of the protein than its sequence. Therefore, a number of methods for the computational prediction of protein structure from its sequence have been developed. [36] بداية prediction methods use just the sequence of the protein. Threading and homology modeling methods can build a 3-D model for a protein of unknown structure from experimental structures of evolutionarily-related proteins, called a protein family.


محتويات

في تعريفها الأكثر شمولاً ، يمكن اعتبار الكيمياء الحيوية بمثابة دراسة لمكونات وتكوين الكائنات الحية وكيف تتحد معًا لتصبح حياة. بهذا المعنى ، قد يعود تاريخ الكيمياء الحيوية إلى تاريخ الإغريق القدماء. [10] ومع ذلك ، بدأت الكيمياء الحيوية كتخصص علمي محدد في وقت ما في القرن التاسع عشر ، أو قبل ذلك بقليل ، اعتمادًا على جانب الكيمياء الحيوية الذي يتم التركيز عليه. جادل البعض بأن بداية الكيمياء الحيوية ربما كانت اكتشاف أول إنزيم ، دياستاز (يسمى الآن الأميليز) ، في عام 1833 بواسطة أنسيلم باين ، [11] بينما اعتبر البعض الآخر أول عرض لإدوارد بوكنر لعملية كيميائية حيوية معقدة تخمر كحولي في الخلية- مقتطفات مجانية عام 1897 لتكون ولادة الكيمياء الحيوية. [12] [13] [14] قد يشير البعض أيضًا كبداية إلى العمل المؤثر لعام 1842 لجوستوس فون ليبيج ، الكيمياء الحيوانية ، أو الكيمياء العضوية في تطبيقاتها في علم وظائف الأعضاء وعلم الأمراض، التي قدمت نظرية كيميائية للتمثيل الغذائي ، [10] أو حتى قبل ذلك من القرن الثامن عشر دراسات حول التخمير والتنفس بواسطة أنطوان لافوازييه. [15] [16] تم الإعلان عن العديد من الرواد الآخرين في هذا المجال الذين ساعدوا في الكشف عن طبقات التعقيد في الكيمياء الحيوية ، بأنهم مؤسسو الكيمياء الحيوية الحديثة. يمثل إميل فيشر ، الذي درس كيمياء البروتينات ، [17] و F. Gowland Hopkins ، الذي درس الإنزيمات والطبيعة الديناميكية للكيمياء الحيوية ، مثالين لعلماء الكيمياء الحيوية الأوائل. [18]

مصطلح "الكيمياء الحيوية" نفسه مشتق من مزيج من علم الأحياء والكيمياء. في عام 1877 ، استخدم فيليكس هوبي سيلر مصطلح (الكيمياء الحيوية باللغة الألمانية) كمرادف للكيمياء الفسيولوجية في مقدمة العدد الأول من Zeitschrift für Physiologische Chemie (مجلة الكيمياء الفسيولوجية) حيث دعا إلى إنشاء معاهد مخصصة لهذا المجال من الدراسة. [19] [20] ومع ذلك ، غالبًا ما يُستشهد بالكيميائي الألماني كارل نويبير بأنه صاغ الكلمة في عام 1903 ، [21] [22] [23] بينما نسبها البعض إلى فرانز هوفمايستر. [24]

ساد الاعتقاد عمومًا أن الحياة وموادها لها بعض الخصائص أو المواد الأساسية (يشار إليها غالبًا باسم "المبدأ الحيوي") تختلف عن أي مادة موجودة في المادة غير الحية ، وكان يُعتقد أن الكائنات الحية فقط هي التي يمكنها إنتاج جزيئات الحياة. [26] في عام 1828 ، نشر فريدريك فولر ورقة بحثية عن تخليق اليوريا الصدفي من سيانات البوتاسيوم وكبريتات الأمونيوم ، اعتبر البعض ذلك بمثابة قلب مباشر للحيوية وتأسيس الكيمياء العضوية. [27] [28] ومع ذلك ، أثار توليف فولر الجدل حيث رفض البعض موت الحيوية على يديه. [29] منذ ذلك الحين ، تقدمت الكيمياء الحيوية ، خاصة منذ منتصف القرن العشرين ، مع تطوير تقنيات جديدة مثل اللوني ، حيود الأشعة السينية ، قياس التداخل ثنائي الاستقطاب ، التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي ، وضع العلامات بالنظائر المشعة ، المجهر الإلكتروني ومحاكاة الديناميات الجزيئية. سمحت هذه التقنيات باكتشاف وتحليل مفصل للعديد من الجزيئات والمسارات الأيضية للخلية ، مثل تحلل السكر ودورة كريبس (دورة حمض الستريك) ، وأدت إلى فهم الكيمياء الحيوية على المستوى الجزيئي.

حدث تاريخي مهم آخر في الكيمياء الحيوية هو اكتشاف الجين ودوره في نقل المعلومات في الخلية. في الخمسينيات من القرن الماضي ، لعب جيمس واتسون وفرانسيس كريك وروزاليند فرانكلين وموريس ويلكنز دورًا فعالًا في حل بنية الحمض النووي واقتراح علاقتها بالنقل الجيني للمعلومات. [30] في عام 1958 ، حصل كل من جورج بيدل وإدوارد تاتوم على جائزة نوبل لعملهما في الفطريات وأظهروا أن جينًا واحدًا ينتج إنزيمًا واحدًا. [31] في عام 1988 ، كان كولين بيتشفورك أول شخص يُدان بجريمة القتل باستخدام أدلة الحمض النووي ، مما أدى إلى نمو علم الطب الشرعي. [32] وفي الآونة الأخيرة ، حصل Andrew Z. Fire و Craig C. Mello على جائزة نوبل لعام 2006 لاكتشافهما دور تداخل الحمض النووي الريبي (RNAi) ، في إسكات التعبير الجيني. [33]

حوالي عشرين عنصرًا كيميائيًا ضرورية لأنواع مختلفة من الحياة البيولوجية. لا تحتاج الحياة إلى معظم العناصر النادرة على الأرض (باستثناء السيلينيوم واليود) ، [34] بينما لا يتم استخدام بعض العناصر الشائعة (الألمنيوم والتيتانيوم). تشترك معظم الكائنات الحية في احتياجات العناصر ، ولكن هناك بعض الاختلافات بين النباتات والحيوانات. على سبيل المثال ، تستخدم طحالب المحيط البروم ، لكن يبدو أن النباتات والحيوانات البرية لا تحتاج إلى أي منها. تحتاج جميع الحيوانات إلى الصوديوم ، لكن بعض النباتات لا تتطلب ذلك. تحتاج النباتات إلى البورون والسيليكون ، لكن الحيوانات قد لا تحتاج (أو قد تحتاج إلى كميات صغيرة جدًا).

تشكل ستة عناصر فقط - الكربون والهيدروجين والنيتروجين والأكسجين والكالسيوم والفوسفور - ما يقرب من 99٪ من كتلة الخلايا الحية ، بما في ذلك تلك الموجودة في جسم الإنسان (انظر تكوين جسم الإنسان للحصول على قائمة كاملة). بالإضافة إلى العناصر الستة الرئيسية التي يتكون منها معظم جسم الإنسان ، يحتاج البشر إلى كميات أصغر ربما تبلغ 18 عنصرًا إضافيًا. [35]

الفئات الأربع الرئيسية للجزيئات في الكيمياء الحيوية (تسمى غالبًا الجزيئات الحيوية) هي الكربوهيدرات والدهون والبروتينات والأحماض النووية. [36] العديد من الجزيئات البيولوجية عبارة عن بوليمرات: في هذا المصطلح ، المونومرات عبارة عن جزيئات كبيرة نسبيًا ترتبط ببعضها البعض لتكوين جزيئات كبيرة تعرف بالبوليمرات. عندما يتم ربط المونومرات معًا لتكوين بوليمر بيولوجي ، فإنها تخضع لعملية تسمى تخليق الجفاف. يمكن أن تتجمع الجزيئات الكبيرة المختلفة في مجمعات أكبر ، وغالبًا ما تكون مطلوبة للنشاط البيولوجي.

Carbohydrates Edit

اثنان من الوظائف الرئيسية للكربوهيدرات هي تخزين الطاقة وتوفير الهيكل. تعتبر الكربوهيدرات من السكريات الشائعة المعروفة باسم الجلوكوز ، ولكن ليست كل الكربوهيدرات عبارة عن سكريات. يوجد عدد أكبر من الكربوهيدرات على الأرض أكثر من أي نوع آخر معروف من الجزيئات الحيوية ، حيث يتم استخدامها لتخزين الطاقة والمعلومات الجينية ، فضلاً عن لعب أدوار مهمة في التفاعلات والاتصالات بين الخلايا.

أبسط أنواع الكربوهيدرات هو أحادي السكاريد ، والذي يحتوي من بين خصائص أخرى على الكربون والهيدروجين والأكسجين ، في الغالب بنسبة 1: 2: 1 (الصيغة العامة Cنح2نان، أين ن 3 على الأقل). الجلوكوز (سي6ح12ا6) هي واحدة من أهم الكربوهيدرات الأخرى وتشمل الفركتوز (سي6ح12ا6) ، السكر المرتبط عادة بالمذاق الحلو للفواكه ، [37] [أ] وديوكسيريبوز (سي5ح10ا4) ، أحد مكونات الحمض النووي. يمكن أن ينتقل السكاريد الأحادي بين الشكل غير الدوري (مفتوح السلسلة) والشكل الدوري. يمكن تحويل شكل السلسلة المفتوحة إلى حلقة من ذرات الكربون تسدها ذرة أكسجين مكونة من مجموعة كاربونيل من طرف ومجموعة الهيدروكسيل من طرف آخر. يحتوي الجزيء الدوري على مجموعة نصفية أو نصفية ، اعتمادًا على ما إذا كان الشكل الخطي عبارة عن ألدوز أم كيتوز. [38]

في هذه الأشكال الدورية ، عادة ما يكون للحلقة 5 أو 6 atoms. تسمى هذه الأشكال فورانوز وبايرانوز ، على التوالي - عن طريق القياس مع فوران وبايران ، أبسط المركبات التي لها نفس حلقة الكربون والأكسجين (على الرغم من أنها تفتقر إلى روابط الكربون والكربون المزدوجة لهذين الجزيئين). على سبيل المثال ، قد يشكل جلوكوز ألدوهكسوز ارتباطًا نصفيًا بين الهيدروكسيل على الكربون 1 والأكسجين الموجود في الكربون 4 ، مما ينتج عنه جزيء بحلقة مكونة من 5 أعضاء ، تسمى جلوكوفيورانوز. يمكن أن يحدث نفس التفاعل بين الكربونات 1 و 5 لتكوين جزيء بحلقة مكونة من 6 ذرات ، تسمى جلوكوبيرانوز. نادرًا ما تكون الأشكال الحلقية ذات الحلقة المكونة من 7 ذرات تسمى heptoses.

يمكن ربط اثنين من السكريات الأحادية معًا بواسطة رابطة جليكوسيدية أو إيثرية في a disaccharide من خلال تفاعل الجفاف الذي يتم خلاله إطلاق جزيء من الماء. يُطلق على التفاعل العكسي الذي يتم فيه تكسير الرابطة الجليكوسيدية لثنائي السكاريد إلى اثنين من السكريات الأحادية التحلل المائي. السكاريد الأكثر شهرة هو السكروز أو السكر العادي ، والذي يتكون من جزيء الجلوكوز وجزيء الفركتوز معًا. ديساكهاريد مهم آخر هو اللاكتوز الموجود في الحليب ، ويتكون من جزيء الجلوكوز وجزيء الجالاكتوز. قد يتحلل اللاكتوز بالماء عن طريق اللاكتاز ، ويؤدي نقص هذا الإنزيم إلى عدم تحمل اللاكتوز.

عندما يتم ربط عدد قليل (حوالي ثلاثة إلى ستة) السكريات الأحادية ، يطلق عليه قليل السكاريد (قلة- تعني "قليل"). تميل هذه الجزيئات إلى استخدامها كعلامات وإشارات ، بالإضافة إلى استخدامات أخرى. [39] العديد من السكريات الأحادية المرتبطة معًا تشكل عديد السكاريد. يمكن ضمها معًا في سلسلة خطية واحدة طويلة ، أو قد تكون متفرعة. اثنان من السكريات الأكثر شيوعًا هما السليلوز والجليكوجين ، وكلاهما يتكون من مونومرات جلوكوز متكررة. السليلوز هو عنصر هيكلي مهم لجدران الخلايا النباتية و الجليكوجين يستخدم كشكل من أشكال تخزين الطاقة في الحيوانات.

يمكن وصف السكر بأن له نهايات مختزلة أو غير مختزلة. النهاية المختزلة للكربوهيدرات هي ذرة كربون يمكن أن تكون في حالة توازن مع ألدهيد سلسلة مفتوحة (ألدوز) أو كيتو (كيتوز). إذا حدث انضمام المونومرات عند ذرة كربون كهذه ، فإن مجموعة الهيدروكسي الحرة من شكل بيرانوز أو فورانوز يتم تبادلها مع سلسلة جانبية OH لسكر آخر ، مما ينتج عنه أسيتال كامل. هذا يمنع فتح السلسلة على شكل الألدهيد أو كيتو ويجعل البقايا المعدلة غير مختزلة. يحتوي اللاكتوز على نهاية مختزلة في جزء الجلوكوز الخاص به ، بينما يشكل جزء الجالاكتوز أسيتال كامل مع مجموعة الجلوكوز C4-OH. لا يحتوي السكروز على نهاية مختزلة بسبب تكوين الأسيتال الكامل بين كربون ألدهيد الجلوكوز (C1) وكربون كيتو من الفركتوز (C2).

تحرير الدهون

الدهون تشتمل على مجموعة متنوعة من الجزيئات وإلى حد ما عبارة عن جامع للمركبات غير القابلة للذوبان في الماء نسبيًا أو غير القطبية من أصل بيولوجي ، بما في ذلك الشموع والأحماض الدهنية والفوسفوليبيدات المشتقة من الأحماض الدهنية والسفينجوليبيدات والجليكوليبيدات والتربينويدات (على سبيل المثال ، الريتينويد والمنشطات) . بعض الدهون عبارة عن جزيئات أليفاتية خطية ذات سلسلة مفتوحة ، في حين أن البعض الآخر له هياكل حلقية. بعضها عطري (له هيكل [حلقة] دائري ومستوٍ [مسطح]) بينما البعض الآخر ليس كذلك. بعضها مرن والبعض الآخر جامد.

تصنع الدهون عادة من جزيء واحد من الجلسرين مع جزيئات أخرى. في الدهون الثلاثية ، المجموعة الرئيسية للدهون السائبة ، يوجد جزيء واحد من الجلسرين وثلاثة أحماض دهنية. تعتبر الأحماض الدهنية المونومر في هذه الحالة ، وقد تكون مشبعة (لا توجد روابط مزدوجة في سلسلة الكربون) أو غير مشبعة (واحدة أو أكثر من الروابط المزدوجة في سلسلة الكربون).

معظم الدهون لها بعض السمات القطبية بالإضافة إلى كونها غير قطبية إلى حد كبير. بشكل عام ، الجزء الأكبر من هيكلها غير قطبي أو كاره للماء ("يخشى الماء") ، مما يعني أنه لا يتفاعل بشكل جيد مع المذيبات القطبية مثل الماء. جزء آخر من بنيتها هو قطبي أو ماء ("محب للماء") وسوف يميل إلى الارتباط بالمذيبات القطبية مثل الماء. وهذا يجعلها جزيئات برمائية (تحتوي على أجزاء كارهة للماء ومحبة للماء). في حالة الكوليسترول ، تكون المجموعة القطبية مجرد –OH (هيدروكسيل أو كحول). في حالة الدهون الفوسفورية ، تكون المجموعات القطبية أكبر بكثير وأكثر قطبية ، كما هو موضح أدناه.

الدهون جزء لا يتجزأ من نظامنا الغذائي اليومي. تتكون معظم الزيوت ومنتجات الألبان التي نستخدمها في الطهي وتناول الطعام مثل الزبدة والجبن والسمن وما إلى ذلك من الدهون. الزيوت النباتية غنية بمختلف الأحماض الدهنية المتعددة غير المشبعة (PUFA). تخضع الأطعمة المحتوية على دهون للهضم داخل الجسم وتتحول إلى أحماض دهنية وغليسيرول ، وهي منتجات التحلل النهائية للدهون والدهون. تُستخدم الدهون ، وخاصة الفوسفوليبيدات ، أيضًا في العديد من المنتجات الصيدلانية ، إما كمواد ذوبان مشتركة (على سبيل المثال ، في الحقن الوريدي) أو كمكونات حاملة للأدوية (على سبيل المثال ، في الجسيم الشحمي أو النقل).

تحرير البروتينات

البروتينات عبارة عن جزيئات كبيرة جدًا - بوليمرات حيوية كبيرة - مصنوعة من مونومرات تسمى الأحماض الأمينية. يتكون الحمض الأميني من ذرة كربون ألفا مرتبطة بمجموعة أمينية ، –NH2، مجموعة حمض الكربوكسيل ، –COOH (على الرغم من وجودها كـ –NH3 + و –COO - في ظل الظروف الفسيولوجية) ، ذرة هيدروجين بسيطة ، وسلسلة جانبية يشار إليها عادةً بـ "–R". تختلف السلسلة الجانبية "R" لكل حمض أميني يوجد 20 منها معياريًا. هذه المجموعة "R" هي التي جعلت كل حمض أميني مختلفًا ، وخصائص السلاسل الجانبية تؤثر بشكل كبير على التشكل ثلاثي الأبعاد الكلي للبروتين. بعض الأحماض الأمينية لها وظائف من تلقاء نفسها أو في شكل معدل على سبيل المثال ، يعمل الغلوتامات كناقل عصبي مهم. يمكن ربط الأحماض الأمينية عبر رابطة الببتيد. في تركيب الجفاف هذا ، تتم إزالة جزيء الماء وتربط رابطة الببتيد النيتروجين الخاص بمجموعة أمينية من الأحماض الأمينية بكربون مجموعة الأحماض الكربوكسيلية الأخرى. يسمى الجزيء الناتج أ ثنائي الببتيد، وتسمى الامتدادات القصيرة من الأحماض الأمينية (عادة أقل من ثلاثين) peptides أو عديد الببتيدات. الامتدادات الأطول تستحق العنوان البروتينات. على سبيل المثال ، يحتوي الألبومين بروتين مصل الدم المهم على 585 بقايا من الأحماض الأمينية. [42]

يمكن أن يكون للبروتينات أدوار هيكلية و / أو وظيفية. على سبيل المثال ، حركات البروتينات الأكتين والميوسين هي المسؤولة في النهاية عن تقلص العضلات الهيكلية. إحدى الخصائص التي تمتلكها العديد من البروتينات هي أنها ترتبط تحديدًا بجزيء معين أو فئة معينة من الجزيئات - قد تكون كذلك الى ابعد حد انتقائية في ما يرتبط بها. الأجسام المضادة هي مثال على البروتينات التي ترتبط بنوع معين من الجزيئات. تتكون الأجسام المضادة من سلاسل ثقيلة وخفيفة. سيتم ربط سلسلتين ثقيلتين بسلسلتين خفيفتين من خلال روابط ثاني كبريتيد بين أحماضهما الأمينية. تكون الأجسام المضادة محددة من خلال التباين بناءً على الاختلافات في المجال الطرفي N. [43]

يعتبر اختبار الامتصاص المناعي المرتبط بالإنزيم (ELISA) ، والذي يستخدم الأجسام المضادة ، أحد أكثر الاختبارات حساسية التي يستخدمها الطب الحديث للكشف عن الجزيئات الحيوية المختلفة. ومع ذلك ، ربما تكون أهم البروتينات هي الإنزيمات. يتطلب كل تفاعل في الخلية الحية تقريبًا إنزيمًا لخفض طاقة التنشيط للتفاعل. [12] تتعرف هذه الجزيئات على جزيئات متفاعلة معينة تسمى ركائز ثم يقومون بتحفيز التفاعل بينهم. من خلال خفض طاقة التنشيط ، يسرع الإنزيم ذلك التفاعل بمعدل 10 11 أو أكثر [12] ، وقد يستغرق التفاعل الذي يستغرق عادةً أكثر من 3000 سنة لإكماله تلقائيًا أقل من ثانية مع الإنزيم. لا يتم استخدام الإنزيم نفسه في العملية وهو حر في تحفيز نفس التفاعل باستخدام مجموعة جديدة من الركائز. باستخدام مُعدِّلات مختلفة ، يمكن تنظيم نشاط الإنزيم ، مما يتيح التحكم في الكيمياء الحيوية للخلية ككل. [12]

يتم وصف بنية البروتينات تقليديا في تسلسل هرمي من أربعة مستويات. يتكون التركيب الأساسي للبروتين من تسلسله الخطي للأحماض الأمينية على سبيل المثال ، "ألانين-جليسين-تريبتوفان-سيرين-جلوتامات-أسباراجين-جلايسين-ليسين- ...". يتعلق الهيكل الثانوي بالمورفولوجيا المحلية (علم التشكل هو دراسة البنية). تميل بعض مجموعات الأحماض الأمينية إلى الالتفاف في ملف يسمى α-helix أو في ورقة تسمى ورقة β يمكن رؤية بعض الحلزونات α في مخطط الهيموجلوبين أعلاه. البنية الثلاثية هي الشكل ثلاثي الأبعاد الكامل للبروتين. يتم تحديد هذا الشكل من خلال تسلسل الأحماض الأمينية. في الواقع ، يمكن لتغيير واحد أن يغير الهيكل بأكمله. تحتوي سلسلة ألفا من الهيموغلوبين على 146 من بقايا الأحماض الأمينية ، ويؤدي استبدال بقايا الغلوتامات في الموضع 6 مع بقايا فالين إلى تغيير سلوك الهيموغلوبين لدرجة أنه يؤدي إلى مرض فقر الدم المنجلي. أخيرًا ، تهتم البنية الرباعية ببنية البروتين ذي الوحدات الفرعية الببتيدية المتعددة ، مثل الهيموجلوبين بوحداته الفرعية الأربع. لا تحتوي كل البروتينات على أكثر من وحدة فرعية واحدة. [44]

عادة ما يتم تفكيك البروتينات التي يتم تناولها إلى أحماض أمينية مفردة أو ثنائي الببتيدات في الأمعاء الدقيقة ثم يتم امتصاصها. يمكن بعد ذلك ضمها لتشكيل بروتينات جديدة. يمكن استخدام المنتجات الوسيطة لتحلل السكر ودورة حمض الستريك ومسار فوسفات البنتوز لتكوين جميع الأحماض الأمينية العشرين ، وتمتلك معظم البكتيريا والنباتات جميع الإنزيمات اللازمة لتركيبها. ومع ذلك ، يمكن للإنسان والثدييات الأخرى تصنيع نصفهم فقط. لا يمكنهم تصنيع إيسولوسين ، ليسين ، ليسين ، ميثيونين ، فينيل ألانين ، ثريونين ، تريبتوفان ، وفالين. نظرًا لأنه يجب تناولها ، فهذه هي الأحماض الأمينية الأساسية. تمتلك الثدييات الإنزيمات لتخليق الألانين ، الأسباراجين ، الأسبارتات ، السيستين ، الجلوتامات ، الجلوتامين ، الجلايسين ، البرولين ، السيرين ، والتيروزين ، الأحماض الأمينية غير الأساسية. في حين أنهم يستطيعون تصنيع الأرجينين والهيستيدين ، إلا أنهم لا يستطيعون إنتاجه بكميات كافية للحيوانات الصغيرة النامية ، ولذلك غالبًا ما تعتبر هذه الأحماض الأمينية الأساسية.

إذا تمت إزالة المجموعة الأمينية من حمض أميني ، فإنها تترك وراءها هيكلًا كربونيًا يسمى حمض ألفا كيتو. يمكن للأنزيمات التي تسمى الترانسامينازات نقل المجموعة الأمينية بسهولة من حمض أميني واحد (مما يجعلها حمض α-keto) إلى حمض α-keto آخر (مما يجعلها حمض أميني). هذا مهم في التخليق الحيوي للأحماض الأمينية ، كما هو الحال بالنسبة للعديد من المسارات ، يتم تحويل الوسائط الوسيطة من المسارات الكيميائية الحيوية الأخرى إلى هيكل عظمي لحمض α-keto ، ثم يتم إضافة مجموعة أمينية ، غالبًا عن طريق النقل. يمكن بعد ذلك ربط الأحماض الأمينية معًا لتشكيل بروتين.

يتم استخدام عملية مماثلة لتحطيم البروتينات. يتم تحللها أولاً في الأحماض الأمينية المكونة لها. الأمونيا الحرة (NH3) ، الموجودة في صورة أيون الأمونيوم (NH4 +) في الدم ، سامة لأشكال الحياة. لذلك يجب أن توجد طريقة مناسبة لإخراجها. تطورت تكتيكات مختلفة في حيوانات مختلفة ، اعتمادًا على احتياجات الحيوانات. تقوم الكائنات أحادية الخلية ببساطة بإطلاق الأمونيا في البيئة. وبالمثل ، يمكن للأسماك العظمية إطلاق الأمونيا في الماء حيث يتم تخفيفها بسرعة. بشكل عام ، تقوم الثدييات بتحويل الأمونيا إلى يوريا عبر دورة اليوريا.

من أجل تحديد ما إذا كان هناك بروتينان مرتبطان ، أو بعبارة أخرى لتحديد ما إذا كانا متماثلين أم لا ، يستخدم العلماء طرق مقارنة التسلسل. تعتبر طرق مثل محاذاة التسلسل والمحاذاة الهيكلية أدوات قوية تساعد العلماء على تحديد التماثلات بين الجزيئات ذات الصلة. تتجاوز أهمية إيجاد التماثلات بين البروتينات تشكيل نمط تطوري لعائلات البروتين. من خلال إيجاد مدى تشابه تسلسلين بروتينيين ، نكتسب معرفة حول هيكلهما وبالتالي وظيفتهما.

الأحماض النووية تحرير

الأحماض النووية ، ما يسمى بسبب انتشارها في النوى الخلوية ، هو الاسم العام لعائلة البوليمرات الحيوية. إنها جزيئات كيميائية حيوية معقدة وذات وزن جزيئي عالٍ يمكنها نقل المعلومات الجينية في جميع الخلايا الحية والفيروسات. [2] تسمى المونومرات بالنيوكليوتيدات ، ويتكون كل منها من ثلاثة مكونات: قاعدة نيتروجينية حلقية غير متجانسة (إما بورين أو بيريميدين) ، وسكر بنتوز ، ومجموعة فوسفات. [45]

الأحماض النووية الأكثر شيوعًا هي الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA). مجموعة الفوسفات والسكر لكل رابطة نوكليوتيد مع بعضها البعض لتشكيل العمود الفقري للحمض النووي ، بينما يخزن تسلسل القواعد النيتروجينية المعلومات. القواعد النيتروجينية الأكثر شيوعًا هي الأدينين والسيتوزين والجوانين والثيمين واليوراسيل. ستشكل القواعد النيتروجينية لكل خيط من الحمض النووي روابط هيدروجينية مع بعض القواعد النيتروجينية الأخرى في خيط مكمل من الحمض النووي (يشبه السوستة). يرتبط الأدينين مع الثايمين واليوراسيل ، والثيمين يرتبط بالأدينين فقط ، والسيتوزين والجوانين لا يمكن أن يرتبطا إلا ببعضهما البعض. يحتوي Adenine و Thymine & amp Adenine و Uracil على اثنين من روابط الهيدروجين ، بينما يتكون عدد الروابط الهيدروجينية بين السيتوزين والجوانين من ثلاثة.

بصرف النظر عن المادة الوراثية للخلية ، غالبًا ما تلعب الأحماض النووية دورًا كمرسل ثانٍ ، فضلاً عن تكوين الجزيء الأساسي للأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) ، وهو الجزيء الأساسي الحامل للطاقة الموجود في جميع الكائنات الحية. أيضًا ، تختلف القواعد النيتروجينية الممكنة في الأحماض النووية: الأدينين والسيتوزين والجوانين يحدثان في كل من الحمض النووي الريبي والحمض النووي ، بينما يحدث الثايمين فقط في الحمض النووي ويحدث اليوراسيل في الحمض النووي الريبي.

تحرير الكربوهيدرات كمصدر للطاقة

الجلوكوز هو مصدر للطاقة في معظم أشكال الحياة. على سبيل المثال ، يتم تقسيم السكريات المتعددة إلى مونومراتها بواسطة الإنزيمات (يزيل فوسفوريلاز الجليكوجين بقايا الجلوكوز من الجليكوجين ، وهو عديد السكاريد). تنقسم السكريات الثنائية مثل اللاكتوز أو السكروز إلى مكونين من السكريات الأحادية المكونة.


شاهد الفيديو: مورد المناعة للسنة رابعة متوسط مع الاستاذ شابو (كانون الثاني 2023).