البنية الأولية للبروتين

تتحد الأحماض الأمينية عبر روابط ببتيدية لتكوين سلسلة طويلة ، تبرز منها سلاسل جانبية مختلفة من الأحماض الأمينية. في الأنظمة البيولوجية، تُنتَج البروتينات أثناء عملية الترجمة بواسطة الريبوسومات الخلوية . كما تستطيع بعض الكائنات الحية إنتاج ببتيدات قصيرة عن طريق تخليق الببتيدات غير الريبوسومي ، والذي غالبًا ما يستخدم أحماضًا أمينية أخرى غير الأحماض الـ 22 المشفرة ، وقد تخضع هذه الببتيدات لعمليات حلقية وتعديل وربط متقاطع. ^{[ 1 ]}

يمكن تصنيع الببتيدات كيميائياً عبر مجموعة من الطرق المختبرية. وعادةً ما تُصنّع الببتيدات بالطرق الكيميائية بترتيب معاكس (بدءاً من الطرف الكربوكسيلي) لتصنيع البروتينات البيولوجية (بدءاً من الطرف الأميني).

يمكن أن تخضع المراكز الكيرالية لسلسلة عديد الببتيد لعملية التماثل الضوئي . على الرغم من أنها لا تغير التسلسل، إلا أنها تؤثر على الخصائص الكيميائية للتسلسل. على وجه الخصوص، يمكن للأحماض الأمينية L الموجودة عادةً في البروتينات أن تخضع لعملية التماثل الضوئي تلقائيًا عند${\displaystyle \mathrm {C^{\alpha }} }$تُستخدم ذرة البرولين لتكوين الأحماض الأمينية من النوع D ، والتي لا يمكن لمعظم البروتيازات أن تقطعها . بالإضافة إلى ذلك، يمكن للبرولين أن يُكوّن متصاوغات ترانس مستقرة عند الرابطة الببتيدية.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يخضع البروتين لمجموعة متنوعة من التعديلات اللاحقة للترجمة ، والتي تم تلخيصها بإيجاز هنا.

يمكن تعديل مجموعة الأمين الطرفية N للبوليببتيد بشكل تساهمي، على سبيل المثال،

• الأسيتيل${\displaystyle \mathrm {-C(=O)-CH_{3}} }$

يمكن إزالة الشحنة الموجبة على مجموعة الأمين الطرفية N عن طريق تغييرها إلى مجموعة أسيتيل (حجب الطرف N).

• الفورميليشن${\displaystyle \mathrm {-C(=O)H} }$

يحتوي الميثيونين الموجود عادةً في الطرف الأميني بعد عملية الترجمة على مجموعة فورميل محجوبة في نهايته الأمينية. وتُزال هذه المجموعة (وأحيانًا بقايا الميثيونين نفسها، إذا تبعها جليسين أو سيرين) بواسطة إنزيم ديفورميلاز .

• بيروغلوتامات

يمكن أن يهاجم الغلوتامين الموجود في الطرف الأميني نفسه، مكونًا مجموعة بيروغلوتامات حلقية.

• الميرستويلة${\displaystyle \mathrm {-C(=O)-\left(CH_{2}\right)_{12}-CH_{3}} }$

يشبه عملية الأسيتيل. فبدلاً من مجموعة ميثيل بسيطة، تحتوي مجموعة الميريستويل على ذيل مكون من 14 ذرة كربون كارهة للماء، مما يجعلها مثالية لربط البروتينات بالأغشية الخلوية .

يمكن أيضًا تعديل مجموعة الكربوكسيلات الطرفية C للبوليببتيد، على سبيل المثال،

• الأمين (انظر الشكل)

يمكن أيضًا حجب الطرف C (وبالتالي تحييد شحنته السالبة) عن طريق الأمينة.

• ارتباط جليكوزيل فوسفاتيديل إينوزيتول (GPI)

يُعدّ جليكوزيل فوسفاتيديل إينوزيتول (GPI) مجموعةً كبيرةً وكارهةً للماء من الفوسفوليبيدات، وهي مجموعةٌ اصطناعيةٌ تُثبّت البروتينات على الأغشية الخلوية . وهي مرتبطةٌ بالنهاية الكربوكسيلية للبروتين عبر رابطة أميدية، والتي بدورها ترتبط بالإيثانولامين، ومن ثمّ بمجموعةٍ متنوعةٍ من السكريات، وأخيراً بجزء الفوسفاتيديل إينوزيتول الدهني.

وأخيرًا، يمكن أيضًا تعديل السلاسل الجانبية للببتيد بشكل تساهمي، على سبيل المثال،

• الفسفرة

إلى جانب الانشطار، يُعدّ الفسفرة ربما أهم تعديل كيميائي للبروتينات. إذ يمكن ربط مجموعة فوسفات بمجموعة الهيدروكسيل الجانبية لبقايا السيرين والثريونين والتيروسين، مما يُضيف شحنة سالبة في ذلك الموقع ويُنتج حمضًا أمينيًا غير طبيعي. تُحفّز هذه التفاعلات بواسطة الكينازات ، بينما يُحفّز التفاعل العكسي بواسطة الفوسفاتازات. غالبًا ما تُستخدم التيروسينات المُفسفرة كـ"مقابض" لربط البروتينات ببعضها، في حين أن فسفرة السيرين/الثريونين تُحفّز في كثير من الأحيان تغييرات في البنية، يُعزى ذلك على الأرجح إلى الشحنة السالبة المُضافة. يُمكن أحيانًا محاكاة تأثيرات فسفرة السيرين/الثريونين عن طريق استبدال بقايا السيرين/الثريونين بالجلوتامات.

• الغلكزة

مصطلح شامل لمجموعة من التعديلات الكيميائية الشائعة والمتنوعة للغاية. يمكن ربط جزيئات السكر بمجموعات الهيدروكسيل الجانبية للسيرين/الثريونين أو بمجموعات الأميد الجانبية للأسباراجين. تؤدي هذه الروابط وظائف متعددة، بدءًا من زيادة الذوبانية وصولًا إلى التعرف على المركبات المعقدة. يمكن تثبيط جميع عمليات الغلكزة باستخدام مثبطات معينة، مثل التونيكاميسين .

• نزع الأميد (تكوين السكسينيميد)

في هذا التعديل، تهاجم سلسلة جانبية من الأسباراجين أو الأسبارتات الرابطة الببتيدية التالية، مُكَوِّنةً وسيطًا متناظرًا من السكسينيميد. ينتج عن تحلل هذا الوسيط إما الأسبارتات أو الحمض الأميني بيتا، إيزو(أسبارتات). بالنسبة للأسباراجين، يؤدي أي من الناتجين إلى فقدان مجموعة الأميد، ومن هنا جاءت تسمية "نزع الأميد".

• الهيدروكسيل

يمكن أن تخضع بقايا البرولين لعملية الهيدروكسيل عند أي من ذرتين، كما هو الحال مع الليسين (عند ذرة واحدة). يُعدّ الهيدروكسي برولين مكونًا أساسيًا للكولاجين ، الذي يصبح غير مستقر عند فقدانه. يُحفّز تفاعل الهيدروكسيل بواسطة إنزيم يتطلب حمض الأسكوربيك (فيتامين ج)، ويؤدي نقصه إلى العديد من أمراض النسيج الضام مثل داء الإسقربوط .

• المثيلة

يمكن مثيلة العديد من بقايا البروتين، وأبرزها المجموعات الموجبة لليسين والأرجينين . تتفاعل بقايا الأرجينين مع العمود الفقري الفوسفاتي للحمض النووي، وتشكل عادةً روابط هيدروجينية مع بقايا القواعد، وخاصةً الجوانين ، في معقدات البروتين-الحمض النووي. يمكن مثيلة بقايا الليسين بشكل فردي أو مزدوج أو حتى ثلاثي. مع ذلك، لا تُغير المثيلة الشحنة الموجبة على السلسلة الجانبية.

• الأسيتيل

تُشابه عملية أستلة مجموعات الأمينو في الليسين كيميائيًا عملية أستلة الطرف الأميني. أما وظيفيًا، فتُستخدم أستلة بقايا الليسين لتنظيم ارتباط البروتينات بالأحماض النووية. إذ يُضعف إلغاء الشحنة الموجبة على الليسين التجاذب الكهروستاتيكي للأحماض النووية (ذات الشحنة السالبة).

• الكبرتة

قد تتعرض التيروسينات للكبريتات على سطحها${\displaystyle \mathrm {O^{\eta }} }$يحدث هذا التعديل، على نحو غير معتاد، في جهاز غولجي ، وليس في الشبكة الإندوبلازمية . وكما هو الحال مع التيروسينات المفسفرة، تُستخدم التيروسينات المكبرتة للتعرف النوعي، على سبيل المثال، في مستقبلات الكيموكينات على سطح الخلية. وكما هو الحال مع الفسفرة، تُضيف الكبرتة شحنة سالبة إلى موقع كان متعادلًا سابقًا.

• البرينيلية والبالميتولية​${\displaystyle \mathrm {-C(=O)-\left(CH_{2}\right)_{14}-CH_{3}} }$

يمكن إضافة مجموعات الأيزوبرين الكارهة للماء (مثل مجموعات الفارنيسيل والجيرانيل والجيرانيل جيرانيل) ومجموعات البالميتويل إلى${\displaystyle \mathrm {S^{\gamma }} }$تُستخدم ذرات بقايا السيستين لتثبيت البروتينات على الأغشية الخلوية . وعلى عكس مثبتات GPI والميريتويل، لا تُضاف هذه المجموعات بالضرورة عند النهايات.

• الكربوكسيل

تعديل نادر نسبياً يُضيف مجموعة كربوكسيلات إضافية (وبالتالي شحنة سالبة مزدوجة) إلى سلسلة جانبية من حمض الجلوتاميك، مُنتجاً بقايا حمض الجلوتاميك. يُستخدم هذا التعديل لتقوية الارتباط بأيونات المعادن الصلبة مثل الكالسيوم .

• إضافة مجموعة ADP-ribosylation

يمكن نقل مجموعة ADP-ribosyl الكبيرة إلى أنواع متعددة من السلاسل الجانبية داخل البروتينات، مما يؤدي إلى تأثيرات متباينة. يُعد هذا التعديل هدفًا للسموم القوية لأنواع مختلفة من البكتيريا، مثل ضمة الكوليرا، والوتدية الخناقية ، وبوردتيلا السعال الديكي .

• اليوبيكويتين والسومويليشن​

يمكن ربط العديد من البروتينات المطوية كاملة الطول من طرفها الكربوكسيلي بمجموعات الأمونيوم الجانبية لليسينات في بروتينات أخرى. يُعد اليوبيكويتين أكثر هذه البروتينات شيوعًا، وعادةً ما يُشير إلى ضرورة تحلل البروتين المُوسوم باليوبيكويتين.

تحدث معظم تعديلات عديد الببتيد المذكورة أعلاه بعد الترجمة ، أي بعد أن يتم تصنيع البروتين على الريبوسوم ، وعادة ما يحدث ذلك في الشبكة الإندوبلازمية ، وهي عضية خلوية فرعية للخلية حقيقية النواة.

وقد تم تطبيق العديد من التفاعلات الكيميائية الأخرى (مثل السيانيل) على البروتينات من قبل الكيميائيين، على الرغم من أنها غير موجودة في الأنظمة البيولوجية.

إضافةً إلى ما ذُكر أعلاه، يُعدّ انقسام الببتيد (عن طريق التحلل الكيميائي أو بواسطة البروتيازات ) أهم تعديل في البنية الأولية للبروتين . غالبًا ما تُصنّع البروتينات في صورة طليعة غير نشطة؛ وعادةً ما يحجب جزءٌ من الطرف الأميني أو الكربوكسيلي الموقع النشط للبروتين، مما يُثبّط وظيفته. ويتم تنشيط البروتين عن طريق فصل الببتيد المُثبّط.

تمتلك بعض البروتينات القدرة على شطر نفسها. عادةً، تهاجم مجموعة الهيدروكسيل في السيرين (ونادرًا الثريونين) أو مجموعة الثيول في السيستين ذرة الكربون الكربونيلي في الرابطة الببتيدية السابقة، مُكَوِّنةً وسيطًا رباعي الروابط [يُصنَّف كوسيط هيدروكسي أوكسازوليدين (سيرين/ثريونين) أو هيدروكسي ثيازوليدين (سيستين)]. يميل هذا الوسيط إلى العودة إلى شكل الأميد، مُطيحًا بالمجموعة المهاجمة، نظرًا لأن شكل الأميد يُفضَّل عادةً من حيث الطاقة الحرة (يُفترض أن ذلك يعود إلى استقرار الرنين القوي لمجموعة الببتيد). مع ذلك، قد تجعل تفاعلات جزيئية إضافية شكل الأميد أقل استقرارًا؛ فتُطرد مجموعة الأمين بدلًا منه، مُكَوِّنةً رابطة إستر (سيرين/ثريونين) أو ثيوإستر (سيستين) بدلًا من الرابطة الببتيدية. يُسمى هذا التفاعل الكيميائي إزاحة أسيل NO .

يمكن حل رابطة الإستر/الثيوإستر بعدة طرق:

• يؤدي التحلل المائي البسيط إلى انقسام سلسلة الببتيد، حيث تصبح مجموعة الأمين المزاحة هي الطرف الأميني الجديد. ويُلاحظ هذا في نضج إنزيم جليكوزيل أسباراجيناز.
• يؤدي تفاعل الحذف بيتا أيضًا إلى انقسام السلسلة، ولكنه ينتج عنه مجموعة بيروفويل في الطرف الأميني الجديد. يمكن استخدام مجموعة البيروفويل هذه كعامل مساعد محفز مرتبط تساهميًا في بعض الإنزيمات، وخاصةً إنزيمات إزالة الكربوكسيل مثل إنزيم S-أدينوسيل ميثيونين ديكاربوكسيلاز (SAMDC) الذي يستغل قدرة مجموعة البيروفويل على سحب الإلكترونات.
• يحدث تبادل إستري داخل الجزيء، مما ينتج عنه عديد ببتيد متفرع . في الإنتينات ، يتم كسر الرابطة الإسترية الجديدة عن طريق هجوم داخل الجزيء بواسطة الأسباراجين الذي سيصبح قريبًا الطرف الكربوكسيلي.
• يمكن لعملية التبادل الإستري بين الجزيئات أن تنقل جزءًا كاملاً من عديد ببتيد إلى آخر، كما هو الحال في المعالجة الذاتية لبروتين القنفذ.