ما الذي ينتج البروتين في الخلية

ما الذي ينتج البروتين في الخلية، البروتينات هي جزيئات حيوية ضخمة تتكون من سلسلة أو أكثر من الأحماض الأمينية.تتركب كيميائياً من الكربون،الهيدروجين والنتروجين كمكونات أساسية بينما الفسفور والكبريت كمكونات ثانوية .تقوم البروتينات بوظائف كثيرة ومتنوعة داخل أجسام الكائنات منها: تحفيز التفاعلات الأيضية، تضاعف الدنا، الاستجابة للمنبهات، توفير بنية للخلايا والكائنات، ونقل الجزيئات من مكان لآخر. تختلف البروتينات عن بعضها أساسا حسب تسلسل أحماضها الأمينية الذي يحدده تسلسل نوكليوتيدات الجينات المشفرة لها، تسلسل الأحماض الأمينية هذا يحدد تطوي البروتين إلى بنية خاصة ثلاثية الأبعاد تحدد نشاط هذا البروتين.

ترتبط الأحماض الأمينية الفردية مع بعضها البعض بواسطة روابط ببتيدية لتشكل سلسلة خطية من الأحماض الأمينية تسمى عديد الببتيد، يحتوي البروتين على الأقل على جزيء عديد ببتيد واحد طويل. عديدات الببتيد القصيرة التي تحوي أقل من 20-30 حمضا أمينيا نادرا ما تُعتبر بروتينات ويطلق عليها في الغالب اسم البيبتيدات وأحيانا قليلات الببتيد. تحدد الشيفرة الجينية 20 حمضا أمينيا مولدا للبروتين لكن يمكن أن تشمل الشيفرة الجينية لبعض الكائنات على السيلينوسيستئين وفي بعض العتائق على بيروليسين. أثناء التخليق الحيوي للبروتين أو بعده بوقت قصير يتم تعديل الأحماض الأمينية المكونة له كيميائيا عبر تعديلات ما بعد الترجمة، والتي تغير الخصائص الفيزيائية والكيميائية، تطوي، استقرار، نشاط، وأخيرا وظيفة هذه البروتينات. يكون للبروتينات في بعض الأحيان مجموعات غير ببتيدية مرتبطة بها، والتي يمكن أن تسمى مجموعات ضميمية أو عوامل مرافقة. يمكن للعدة جزيئات بروتينية أن تعمل معا لتحقيق وظيفة معينة، وغالبا ما تترابط معا لتشكيل مركبات بروتينية مستقرة.

لا يمكن للبروتينات البقاء بعد أن يتم تخليقها سوى لفترة محددة ثم يتم تحليلها وإعادة تدويرها بواسطة آلية الخلية عبر عملية تعرف بدورة البروتين. يُقاس عمر البروتينات حسب عمرها النصفي ويشمل مجالا واسعا، حيث يمكنها التواجد لدقائق فقط أو لسنوات عديدة، متوسط عمر البروتينات هو 1-2 يوم في خلايا الثدييات، تتحلل البروتينات المضطربة أو المتطوية بشكل خاطئ بصفة أسرع بسبب استهدافها لتدميرها أو لكونها غير مستقرة.

البروتينات جزيئات مهمة -مثل الجزيئات الضخمة الأخرى كعديدات السكاريد والأحماض النووية- للكائنات وتساهم تقريبا في جميع العمليات داخل الخلايا. العديد من البروتينات هي إنزيمات تحفز التفاعلات الكيميائية الحيوية وهي أساسية لعملية الأيض. للبروتينات وظائف بنائية أو حركية مثل الأكتين والميوسين في العضلات والبروتينات في الهيكل الخلوي، والتي تشكل نظام سقالة يحافظ على شكل الخلية، بعض البروتينات الأخرى مهمة في نقل واستقبال إشارات الخلايا، الاستجابات المناعية، التصاق الخلايا، ودورة الخلية. من الضروري وجود البروتينات في غذاء الحيوانات والإنسان لتوفير الأحماض الأمينية الأساسية التي لا يمكن تخليقها. تفك عملية الهضم البروتينات لاستخدامها في الأيض إن دعت الحاجة.

يمكن تنقية البروتينات من المكونات الخلوية الأخرى باستخدام تقنيات عديدة مثل: الطرد المركزي التبايني، الترسيب، الرحلان الكهربائي، والاستشراب. تَقدُّم الهندسة الوراثية جعل تنقية البروتينات أسهل عبر استخدام طرق ذات صلة. من الطرق الشائعة الاستخدام في دراسة بنية البروتين: الكيمياء النسيجية المناعية، التطفر نوعي الموقع، علم البلورات السيني، الرنين المغناطيسي النووي، ومطيافية الكتلة.

البنية

تنطوي معظم البروتينات إلى بنيات فريدة ثلاثية الأبعاد، ويُعرف الشكل الذي ينطوي إليه البروتين طبيعيا بالحالة الواطنة. العديد من البروتينات يمكنها التطوي من دون مساعدة وذلك بفضل الخصائص الكيميائية لأحماضها الأمينية، لكن تحتاج بروتينات أخرى مساعدة شابرونات جزيئية للانطواء إلى حالاتها الطبيعية.، توجد أربع بنيات من البروتين وهي:

• بنية أولية: وهي تسلسل خطي لأحماض أمينية مرتبطة بواسطة رابطة ببتيدية في عديد ببتيد.
• بنية ثانوية: وهي بنيات محلية متكررة باتنظام، مستقرة بواسطة روابط هيدروجينية، أشهر الأمثلة هي: لولب ألفا، صحيفة بيتا واللفات. نظرا لكون البنيات الثانوية محلية؛ يمكن أن تتواجد مناطق عديدة ذات بنيات ثانوية مختلفة في نفس جزيء البروتين.
• بنية ثالثية: وهو الشكل العام الذي يتخذه جزيء بروتين واحد؛ العلاقة الفراغية بين البنيات الثانوية المكونة لهذا البروتين، تستقر البنيات الثالثية في العادة بواسطة تآثرات غير محلية ومن أشهر هذه التآثرات تأثير كره الماء وكذلك الجسر الملحي، الروابط الهيدروجينية، روابط ثنائي الكبريتيد وحتى تعديلات ما بعد الترجمة. غالبا ما يُستخدم المصطلح «بنية ثالثية» كمرادف لمصطلح التطوي، البنية الثالثية هي المسؤولة عن الوظيفة الأساسية للبروتين.
• بنية رابعية: وهي بنية مكونة من عدة جزيئات بروتينية، تسمى في هذا السياق وحدات فرعية، وتعمل كمركب بروتيني واحد.

البروتينات ليست جزيئات صلبة، لأنه بالإضافة إلى هذه الأنواع من البنيات التي تتخذها؛ يمكنها التحول بين عدة بنيات ذات صلة وذلك أثناء قيامها بوظائفها. تسمى هذه التغيرات في البُنى بسبب أداء الوظيفة سواء الثالثية أو الرابعية بـ«التشكلات»، ويسمى التحول بينها «تغيرات تشكلية». تحدث هذه التغييرات في الغالب بسبب ارتباط جزيء ركيزة بالموقع النشط لإنزيم، أو بمنطقة من البروتين تساهم في التحفيز الكيمائي. في المحاليل تخضع البروتينات لتحولات بنيوية كذلك بسب الذبذبات الحرارية والتصادم مع الجزيئات الأخرى.

يمكن تقسيم البروتينات التي لها علاقة بالبنيات الثالثية القياسية -بشكل غير رسمي- إلى ثلاث أقسام رئيسية هي: بروتينات كروية، بروتينات صلبة، وبروتينات غشائية. إن معظم البروتينات الكروية قابلة للذوبان تقريبًا في المحاليل والعديد منها هو عبارة عن إنزيمات. إنّ البروتينات الصلبة غالبًا ما تكون هيكلية مثل الكولاجين وهو أحد المكونات الرئيسية للنسيج الضام والكيراتين وهو البروتين الذي يدخل في تركيب الشعر والأظافر. تعمل البروتينات الغشائية كمستقبلات أو على توفير قنوات لمرور الجزيئات القطبية أو المشحونة عبر الغشاء الخلوي.

توجد حالة خاصة من الروابط الهيدروجينية داخل الجزيء في البروتينات، وهي محمية من الماء بشكل ضعيف وهذا يعني أنها عرضة للتجفاف الذاتي وتسمى ديهايدرونات.

نطاقات البروتين

العديد من البروتينات مكونة من عدة نطاقات بروتينية، وهي أجزاء من البروتين تتَطَوَّى إلى وحدات بنيوية مميزة. لدى النطاقات في العادة مهام محددة مثل النشاطات الإنزيمية (كمثال الكيناز) أو تعمل كوحدات ارتباط (مثال نطاق SH3 يرتبط بالتسلسللات الغنية بالبرولين في البروتينات الأخرى).

أنماط تسلسل

تعمل تسلسلات الأحماض الأمينية القصيرة داخل البروتين في الغالب كمواقع تعرف بالنسبة لبروتينات أخرى. على سبيل المثال: يرتبط النطاق SH3 بالأنماط القصيرة PxxP (جزيئتا برولين [P] مفصولتان بأحماض أمينية غير محددة [x]، حيث تحدد الأحماض الأمينية المحيطة تسلسل الربط بالضبط). عدد كبير من أنماط التسلسل هذه تم التعرف عليها وجمعها في قاعدة بيانات أنماط حقيقيات النوى الخطية (ELM).

ما الذي ينتج البروتين في الخلية

إنتاج البروتين هي تقانة حيوية لتوليد بروتين معين. يُحقَّق عادةً عن طريق التلاعب بالتعبير الجيني في كائن حي بحيث يعبر عن كميات كبيرة من حمض نووي معاد التركيب. يتضمن ذلك نسخ الحمض النووي معاد التركيب إلى الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA)، وترجمة الحمض النووي الريبوزي الرسول إلى سلاسل متعددة الببتيد، والتي تُطوى في النهاية إلى بروتينات وظيفية ويمكن توجيه البروتين لمواقع محددة تحت خلوية أو خارج خلوية.

تُستخدم أنظمة إنتاج البروتين (المعروفة أيضًا باسم أنظمة التعبير) في علوم الحياة والتكنولوجيا الحيوية والطب. تستخدم أبحاث البيولوجيا الجزيئية العديد من البروتينات والإنزيمات، وكثير منها من أنظمة التعبير؛ بشكل خاص بوليميريز الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين لـتفاعل البوليمراز المتسلسل، النسخ العكسي لتحليل الحمض النووي الريبوزي، إنزيمات الاقتطاع للاستنساخ، ولصنع البروتينات التي تُفحص في اكتشاف الأدوية كأهداف بيولوجية أو كأدوية محتملة بحد ذاتها. هناك أيضًا تطبيقات مهمة لأنظمة التعبير في التخمر الصناعي، ولا سيما إنتاج الأدوية الحيوية مثل الأنسولين البشري لعلاج مرض السكري، وتصنيع الإنزيمات.

البروتين هو إحدى المكونات الأساسية للخلايا وينتج في الخلية من خلال عملية تسمى ترجمة البروتين. إليكم نظرة عامة على كيفية إنتاج البروتين في الخلية:

1. الجينات والحمض النووي: البروتينات تنتج من الجينات الموجودة في الحمض النووي (DNA) في نواة الخلية. تحتوي الجينات على تسلسل محدد من النيوكليوتيدات (القواعد النيتروجينية) التي تحمل المعلومات اللازمة لإنتاج البروتين.
2. النسخ الرناية: يتم نسخ جزء محدد من الجين الموجود في الحمض النووي إلى حمض الريبوز النووي (RNA) في عملية تسمى النسخ الرناية. يشار إلى الRNA المتكون بواسطة هذه العملية بالرنا المرسال (mRNA).
3. الترجمة: يحدث البروتين من خلال عملية الترجمة، وهي عملية تحويل الرنا المرسال (mRNA) إلى سلسلة ببتيدية من الأحماض الأمينية (البروتين). يتم إجراء عملية الترجمة في الجهاز الغولجي (الريبوسوم) في السيتوبلازم.
4. الشكل والوظيفة: بعد إكتمال عملية الترجمة، يتم طي السلسلة الببتيدية من الأحماض الأمينية لتشكيل البروتين النهائي. يتم تحديد شكل ووظيفة البروتين بواسطة تسلسل الأحماض الأمينية والطي الثلاثي الأبعاد للبروتين.

يجب الإشارة إلى أن هذه العملية التفصيلية تعد مبسطة، حيث تنطوي عملية إنتاج البروتين في الخلايا على العديد من العمليات والتفاعلات الإضافية التي تتعامل معها الخلايا.

• السؤال: ما الذي ينتج البروتين في الخلية

• الإجابة: تُسمَّى عمليّة إنتاج البروتينات بالنّموذج المركزيّ في البيولوجيا لكونها المركز والأَساس لكلّ الفعاليّات الحاصلة في كلّ خليّة من خلايا جسمنا. وصف العمليّة كالتّالي RNA←DNA←بروتين.