بنية البروتين

بنية البروتين هي الترتيب ثلاثي الأبعاد للذرات في جزيء سلسلة الأحماض الأمينية . البروتينات بوليمرات ، وتحديدًا عديدات الببتيد ، تتكون من تسلسلات من الأحماض الأمينية ، وهي الوحدات البنائية للبوليمر. يُطلق على وحدة الحمض الأميني الواحدة اسم البقايا ، مما يشير إلى وحدة متكررة في البوليمر. تتكون البروتينات من خلال تفاعلات تكثيف الأحماض الأمينية ، حيث تفقد الأحماض الأمينية جزيء ماء واحدًا في كل تفاعل لترتبط ببعضها البعض برابطة ببتيدية . اصطلاحًا، تُصنف السلسلة التي يقل عدد أحماضها الأمينية عن 30 حمضًا على أنها ببتيد ، وليس بروتينًا. ^{[ 1 ]} لكي تتمكن البروتينات من أداء وظيفتها البيولوجية، فإنها تتخذ شكلًا فراغيًا واحدًا أو أكثر، مدفوعةً بعدد من التفاعلات غير التساهمية ، مثل الروابط الهيدروجينية ، والتفاعلات الأيونية ، وقوى فان دير فالس ، والتعبئة الكارهة للماء . لفهم وظائف البروتينات على المستوى الجزيئي، غالبًا ما يكون من الضروري تحديد بنيتها ثلاثية الأبعاد . هذا هو موضوع المجال العلمي لعلم الأحياء الهيكلي ، والذي يستخدم تقنيات مثل علم البلورات بالأشعة السينية ، وقياس الطيف بالرنين المغناطيسي النووي ، والمجهر الإلكتروني فائق البرودة (cryo-EM) ، وقياس التداخل ثنائي الاستقطاب ، لتحديد بنية البروتينات.  

تتراوح أحجام بنى البروتينات من عشرات إلى عدة آلاف من الأحماض الأمينية. ^{[ 2 ]} وبحسب حجمها الفيزيائي، تُصنف البروتينات كجسيمات نانوية ، يتراوح حجمها بين 1 و100 نانومتر. ويمكن تكوين معقدات بروتينية  ضخمة جدًا من وحدات بروتينية فرعية . فعلى سبيل المثال، تتجمع آلاف جزيئات الأكتين لتكوين خيوط دقيقة .

عادةً ما يخضع البروتين لتغيرات بنيوية قابلة للانعكاس أثناء أداء وظيفته البيولوجية. تُعرف البنى البديلة للبروتين نفسه باسم التكوينات المختلفة ، وتُسمى التحولات بينها بالتغيرات التكوينية .

توجد أربعة مستويات متميزة لبنية البروتين.

البنية الثانوية

تشير البنية الثانوية إلى البنى الفرعية المحلية المنتظمة للغاية على سلسلة الببتيد الرئيسية. وقد اقترح لينوس باولينغ في عام 1951 نوعين رئيسيين من البنية الثانوية، وهما الحلزون ألفا والصفائح بيتا . ^{[ 5 ]} تُعرَّف هذه البنى الثانوية بأنماط الروابط الهيدروجينية بين مجموعات الببتيد في السلسلة الرئيسية. وتتميز بهندسة منتظمة، حيث تتقيد بقيم محددة للزوايا ثنائية السطوح ψ و φ على مخطط راماشاندران . ويمثل كل من الحلزون ألفا والصفائح بيتا طريقة لتشبيع جميع مانحي ومستقبلي الروابط الهيدروجينية في سلسلة الببتيد الرئيسية. بعض أجزاء البروتين مرتبة ولكنها لا تُشكِّل أي بنى منتظمة. ويجب عدم الخلط بينها وبين اللفائف العشوائية ، وهي سلسلة ببتيد غير مطوية تفتقر إلى أي بنية ثلاثية الأبعاد ثابتة. وقد تُشكِّل عدة بنى ثانوية متسلسلة " وحدة فوق ثانوية ". ^{[ 6 ]}

تُوصَف البروتينات عادةً بأنها تتكون من عدة وحدات بنائية. تشمل هذه الوحدات النطاقات، والوحدات البنائية ، والطيات. على الرغم من وجود حوالي 100,000 بروتين مختلف يُعبَّر عنها في الأنظمة حقيقية النواة ، إلا أن عدد النطاقات والوحدات البنائية والطيات المختلفة أقل بكثير.

البروتينات ليست أجسامًا ثابتة، بل تتواجد في مجموعات من الحالات البنيوية . تحدث التحولات بين هذه الحالات عادةً على نطاق النانو ، وقد رُبطت بظواهر ذات أهمية وظيفية، مثل الإشارات التآثرية ^{[ 11 ]} وتحفيز الإنزيمات ^{[ 12 ]} . تسمح ديناميكيات البروتين وتغيراته البنيوية للبروتينات بالعمل كآلات بيولوجية نانوية داخل الخلايا، غالبًا في شكل معقدات بروتينية متعددة ^{[ 13 ]} . تشمل الأمثلة البروتينات الحركية ، مثل الميوسين المسؤول عن انقباض العضلات ، والكينيسين الذي ينقل الحمولة داخل الخلايا بعيدًا عن النواة على طول الأنيبيبات الدقيقة ، والداينين ​​الذي ينقل الحمولة داخل الخلايا باتجاه النواة ويُنتج حركة الأهداب والأسواط . "في الواقع، يُعدّ الهدب المتحرك آلة نانوية تتكون من أكثر من 600 بروتين في مركبات جزيئية، يعمل العديد منها بشكل مستقل كآلات نانوية... تسمح الروابط المرنة لمجالات البروتين المتحركة المتصلة بها باستقطاب شركائها الرابطين وتحفيز التغاير الفراغي بعيد المدى عبر ديناميكيات مجال البروتين ." ^{[ 14 ]}

يُعتقد عادةً أن البروتينات عبارة عن هياكل ثلاثية مستقرة نسبيًا ، تخضع لتغيرات بنيوية بعد تفاعلها مع بروتينات أخرى أو كجزء من نشاط إنزيمي. مع ذلك، قد تتفاوت البروتينات في درجة استقرارها، وبعض المتغيرات الأقل استقرارًا هي بروتينات غير منتظمة بنيويًا . توجد هذه البروتينات وتعمل في حالة "غير منتظمة" نسبيًا، تفتقر إلى بنية ثلاثية مستقرة . ونتيجة لذلك، يصعب وصفها ببنية ثلاثية ثابتة واحدة . وقد طُوّرت مجموعات التشكيلات البنيوية كوسيلة لتوفير تمثيل أكثر دقة و"ديناميكية" للحالة البنيوية للبروتينات غير المنتظمة بنيويًا . ^{[ 16 ] [ 15 ]}

ملفات تجميع البروتينات هي تمثيل لبروتين ذي بنية مرنة. يتطلب إنشاء هذه الملفات تحديد أي من التكوينات البروتينية الممكنة نظريًا موجودة بالفعل. يتمثل أحد الأساليب في تطبيق خوارزميات حسابية على بيانات البروتين لمحاولة تحديد المجموعة الأكثر احتمالًا من التكوينات لملف التجميع . توجد طرق متعددة لإعداد البيانات لقاعدة بيانات تجميع البروتينات ، وتندرج ضمن منهجين رئيسيين: منهجية التجميع ومنهجية الديناميكا الجزيئية (كما هو موضح في الشكل). تستخدم منهجية التجميع تسلسل الأحماض الأمينية للبروتين لإنشاء مجموعة ضخمة من التكوينات العشوائية. ثم تُخضع هذه المجموعة لمزيد من المعالجة الحسابية التي تُنشئ مجموعة من المعلمات النظرية لكل تكوين بناءً على البنية. يتم اختيار مجموعات فرعية من التكوينات من هذه المجموعة التي تتطابق معلماتها النظرية المتوسطة بشكل وثيق مع البيانات التجريبية المعروفة لهذا البروتين. أما منهجية الديناميكا الجزيئية البديلة، فتأخذ تكوينات عشوائية متعددة في كل مرة وتُخضعها جميعًا للبيانات التجريبية. هنا، تعمل البيانات التجريبية كقيود تُفرض على التكوينات (مثل المسافات المعروفة بين الذرات). لا تُقبل إلا التكوينات التي تقع ضمن الحدود التي تحددها البيانات التجريبية. يتطلب هذا النهج عادةً كميات كبيرة من البيانات التجريبية لتحليل التكوينات، وهو ما يُعدّ مهمةً تتطلب قدرة حسابية عالية. ^{[ 15 ]}

تم إنشاء مجموعات التشكيل لعدد من البروتينات الديناميكية للغاية والمطوية جزئيًا، مثل Sic1 / Cdc4 ، ^{[ 17 ]} p15 PAF ، ^{[ 18 ]} MKK7 ، ^{[ 19 ]} بيتا-سينوكلين ^{[ 20 ]} و P27 ^{[ 21 ]}

طي البروتين هو العملية الفيزيائية التي تصف كيفية طي سلسلة عديد الببتيد لتكوين بنية ثلاثية الأبعاد مستقرة ذات وظيفة بيولوجية، تُعرف بالحالة الأصلية . يحدث هذا بعد أن يقوم الريبوسوم بتخليق عديد الببتيد. في بعض الحالات، يحدث هذا أثناء عملية الترجمة، حيث تبدأ السلسلة الوليدة بالطي بينما يتم تخليق باقي عديد الببتيد. ^{[ 22 ] [ 23 ]} في حالات أخرى، يمكن لبروتينات الشابرون أن تساعد في عملية الطي.

يُفترض عمومًا أن بنية الحالة الأصلية تتحدد بتسلسل الأحماض الأمينية ( مبدأ أنفينسن ). ^{[ 24 ]} هذا مبدأ ديناميكي حراري ينص على أن البنية الأصلية هي حالة فريدة ومستقرة، ويمكن الوصول إليها حركيًا، تمثل الحد الأدنى من الطاقة الحرة. عادةً ما يُصوَّر المسار الديناميكي الحراري المؤدي من الحالة غير المطوية إلى الحالة الأصلية على شكل سطح طاقة حرة على هيئة قمع طي .

تتضافر القوى الدافعة لعملية الطي بين التفاعلات الكارهة للماء، والروابط الهيدروجينية، وقوى فان دير فالس، وتفاعلات كولوم. ^{[ 25 ]} أثناء عملية الطي، يقل عدد السلاسل الجانبية الكارهة للماء المعرضة للماء إلى أدنى حد، وهو ما يُعرف بالانهيار الكاره للماء، مما يؤدي إلى انطوائها داخل لب البروتين. ^{[ 26 ]} ونتيجةً لذلك، تمتلك معظم البروتينات الكروية سلاسل جانبية محبة للماء متجهة للخارج على السطح المعرض للمذيب، وسلاسل جانبية كارهة للماء في اللب.

يمثل الاستقرار الديناميكي الحراري للبروتينات فرق الطاقة الحرة بين حالتي البروتين المطوي وغير المطوي . ويتأثر هذا الفرق بشدة بدرجة الحرارة، لذا فإن أي تغير في درجة الحرارة قد يؤدي إلى فك طي البروتين أو تمسخه. وقد يؤدي تمسخ البروتين إلى فقدان وظيفته، وفقدان حالته الأصلية. وعادةً لا تتجاوز طاقة الاستقرار الحرة للبروتينات الكروية الذائبة 50 كيلوجول/مول. وبالنظر إلى العدد الكبير من الروابط الهيدروجينية التي تُسهم في استقرار البنى الثانوية، واستقرار النواة الداخلية من خلال التفاعلات الكارهة للماء، فإن طاقة الاستقرار الحرة تظهر كفرق ضئيل بين قيم كبيرة. ^{[ 27 ]}

تم تحديد حوالي 90% من بنى البروتينات المتوفرة في بنك بيانات البروتينات باستخدام تقنية علم البلورات بالأشعة السينية . ^{[ 28 ]} تتيح هذه الطريقة قياس التوزيع ثلاثي الأبعاد لكثافة الإلكترونات في البروتين، في حالته المتبلورة ، ومن ثم استنتاج الإحداثيات ثلاثية الأبعاد لجميع الذرات المراد تحديدها بدقة معينة. وقد تم الحصول على ما يقارب 7% من بنى البروتينات المعروفة باستخدام تقنيات الرنين المغناطيسي النووي . ^{[ 29 ]} بالنسبة للمركبات البروتينية الأكبر حجمًا، يمكن استخدام المجهر الإلكتروني فائق البرودة لتحديد بنى البروتينات. عادةً ما تكون الدقة أقل من دقة علم البلورات بالأشعة السينية أو الرنين المغناطيسي النووي، ولكن الحد الأقصى للدقة في ازدياد مستمر. لا تزال هذه التقنية ذات قيمة خاصة للمركبات البروتينية الكبيرة جدًا مثل بروتينات غلاف الفيروسات وألياف الأميلويد .

يمكن تحديد التركيب العام للبنية الثانوية باستخدام الاستقطاب الدائري . كما يمكن استخدام مطيافية الاهتزازات لتوصيف بنية الببتيدات، وعديدات الببتيد، والبروتينات. ^{[ 30 ]} أصبحت مطيافية الأشعة تحت الحمراء ثنائية الأبعاد طريقة قيّمة لدراسة بنى الببتيدات والبروتينات المرنة التي لا يمكن دراستها بطرق أخرى. ^{[ 31 ] [ 32 ]} غالبًا ما تُحصل على صورة أكثر نوعية لبنية البروتين عن طريق التحلل البروتيني ، وهو مفيد أيضًا لفحص عينات البروتين الأكثر قابلية للتبلور. يمكن للتطبيقات الحديثة لهذا النهج، بما في ذلك التحلل البروتيني المتوازي السريع (FASTpp) ، فحص الجزء ذي البنية واستقراره دون الحاجة إلى تنقية. ^{[ 33 ]} بمجرد تحديد بنية البروتين تجريبيًا، يمكن إجراء دراسات تفصيلية إضافية حسابيًا، باستخدام محاكاة الديناميكا الجزيئية لتلك البنية. ^{[ 34 ]}

قاعدة بيانات بنية البروتين هي قاعدة بيانات مصممة بناءً على مختلف بنى البروتينات المحددة تجريبيًا . يهدف معظمها إلى تنظيم بنى البروتينات وشرحها، مما يتيح للمجتمع البيولوجي الوصول إلى البيانات التجريبية بطريقة مفيدة. غالبًا ما تتضمن البيانات في قواعد بيانات بنية البروتين إحداثيات ثلاثية الأبعاد، بالإضافة إلى معلومات تجريبية، مثل أبعاد وحدة الخلية وزوايا البنى المحددة باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية . على الرغم من أن معظم الحالات، سواء كانت بروتينات أو تحديدات بنية بروتينية معينة، تحتوي أيضًا على معلومات تسلسلية، بل وتوفر بعض قواعد البيانات وسائل لإجراء استعلامات قائمة على التسلسل، إلا أن السمة الأساسية لقاعدة بيانات البنية هي المعلومات البنيوية، بينما تركز قواعد بيانات التسلسل على معلومات التسلسل فقط، ولا تحتوي على معلومات بنيوية لمعظم المدخلات. تُعد قواعد بيانات بنية البروتين بالغة الأهمية للعديد من الجهود في علم الأحياء الحاسوبي ، مثل تصميم الأدوية القائم على البنية ، سواء في تطوير الأساليب الحاسوبية المستخدمة أو في توفير مجموعة بيانات تجريبية كبيرة تستخدمها بعض الأساليب لفهم وظيفة البروتين. ^{[ 35 ]}

يمكن تصنيف بنى البروتينات بناءً على تشابهها البنيوي، أو فئتها الطوبولوجية ، أو أصلها التطوري المشترك . توفر قاعدة بيانات التصنيف البنيوي للبروتينات ^{[ 36 ]} وقاعدة بيانات CATH ^{[ 37 ]} تصنيفين بنيويين مختلفين للبروتينات. عندما يكون التشابه البنيوي كبيرًا، فمن المحتمل أن يكون البروتينان قد انحدرا من سلف مشترك ^{[ 38 ]} ، وتُعتبر البنية المشتركة بين البروتينات دليلًا على التماثل . ويمكن حينها استخدام التشابه البنيوي لتجميع البروتينات في عائلات بروتينية فائقة ^{[ 39 ]} . أما إذا كانت البنية المشتركة كبيرة ولكن الجزء المشترك صغيرًا، فقد يكون هذا الجزء المشترك نتيجة حدث تطوري أكثر أهمية، مثل النقل الجيني الأفقي ، وبالتالي لا يكون ضم البروتينات التي تشترك في هذه الأجزاء إلى عائلات بروتينية فائقة مُبررًا ^{[ 38 ]} . كما يمكن استخدام طوبولوجيا البروتين لتصنيف البروتينات أيضًا. تُعد نظرية العقد وطوبولوجيا الدوائر إطارين طوبولوجيايين طُوّرا لتصنيف طيات البروتين بناءً على تقاطع السلاسل والروابط داخل السلسلة على التوالي.

يُعدّ توليد تسلسل البروتين أسهل بكثير من تحديد بنيته. مع ذلك، تُقدّم بنية البروتين فهمًا أعمق لوظيفته مقارنةً بتسلسله. لذا، طُوّرت العديد من الطرق للتنبؤ الحاسوبي ببنية البروتين انطلاقًا من تسلسله. ^{[ 40 ] [ 41 ]} تعتمد طرق التنبؤ من الصفر على تسلسل البروتين فقط. بينما تستطيع طرق النمذجة التماثلية ونمذجة التماثل بناء نموذج ثلاثي الأبعاد لبروتين ذي بنية غير معروفة انطلاقًا من البنى التجريبية لبروتينات ذات صلة تطورية، تُعرف باسم عائلة البروتينات .

تعالج الأساليب التنبؤية القائمة على التعلم الآلي مشكلة البنية على مستويات متعددة. فعلى المستوى أحادي البعد، يتم التنبؤ بالبنية الثانوية وإمكانية وصول المذيب. أما المستوى ثنائي البعد، فيعمل على المسافات ونقاط التلامس على طول سلسلة البروتين؛ وهذه التنبؤات مستقلة عن اتجاه الجزيئات. وعلى المستوى ثلاثي الأبعاد، تُقدَّر إحداثيات جميع الذرات في البروتين؛ وهذا المستوى هو الهدف الرئيسي لمعظم جهود التنبؤ. وأخيرًا، يتنبأ المستوى رباعي الأبعاد بتكوين معقدات من بروتينات متعددة. ويُقيَّم التقدم المحرز على هذه المستويات سنويًا في فعالية التقييم النقدي للتنبؤ بالبنية التي تُعقد كل سنتين . ^{[ 42 ]} ويمكن إدخال نتائج دراسات البنية في تقنيات التعلم الآلي المستخدمة لفهم تفاعلات البروتين-بروتين. ^{[ 43 ]}

• البنية الجزيئية الحيوية
• بنية الجين
• بنية الحمض النووي
• قاعدة بيانات PCRPi
• علم الوراثة البنيوي للبروتينات
• مخطط شريطي: تمثيل تخطيطي ثلاثي الأبعاد للبروتينات

• الجدول الزمني لتحديد بنية البروتين على مدى 50 عامًا - نسخة HTML - المعهد الوطني للعلوم الطبية العامة، مؤرشف في 29 أكتوبر 2018 على موقع Wayback Machine التابع للمعاهد الوطنية للصحة.

• الوسائط المتعلقة ببنية البروتينات على ويكيميديا ​​كومنز

• بنية البروتين drugdesign.org
• طريقة لتوصيف البنية ثلاثية الأبعاد للبروتينات باستخدام التحليل الطيفي الكتلي والنمذجة التجريبية الحاسوبية للتغذية الراجعة
• طريقة لتحديد بنية البروتينات (الطوبولوجيا) باستخدام نمذجة التغذية الراجعة التجريبية والحسابية