موضوع مقاله: متابولیسم پروتئین | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # متابولیسم پروتئین | مقدمه: متابولیسم پروتئین بیانگر فرایندهای مختلف بیوشیمیایی مسئول سنتز پروتئین‌ها و آمینو اسیدها (آنابولیسم) و تجزیه پروتئین‌ها توسط کاتابولیسم است. | ## بخش 1: متابولیسم پروتئین | این توالی mRNA حاوی کدون است: ۳ قطعه طولانی نوکلئوتیدی که کد یک اسید آمینه خاص را رونویسی می‌کند. در انسان، اسیدهای آمینه غیر ضروری از واسطه‌ها در مسیرهای اصلی متابولیک مانند چرخه اسید سیتریک ساخته می‌شوند. اسیدهای آمینه توسط پیوندهای پپتیدی به هم متصل می‌شوند و یک زنجیره پلی پپتیدی ایجاد می‌کنند. این زنجیره پلی پپتیدی سپس تغییرات پس از ترجمه را به صورت متوالی پشت سر می‌گذارد و گاهی اوقات با سایر زنجیره‌های پلی پپتیدی پیوند می‌خورد تا یک پروتئین کاملاً کاربردی تشکیل شود. پروتئین‌های غذایی ابتدا توسط آنزیم‌های مختلف و اسید کلریدریک موجود در دستگاه گوارش به اسیدهای آمینه جداگانه تجزیه می‌شوند. این اسیدهای آمینه به جریان خون جذب می‌شوند تا به کبد و به بعد به بقیه بدن منتقل شوند. جذب اسیدهای آمینه به‌طور معمول مورد استفاده برای ایجاد پروتئین‌های عملکردی، اما همچنین ممکن است برای برای ایجاد انرژی استفاده شودپروتئین‌ها می‌توانند توسط آنزیم‌های مشخص به پپتیداز تجزیه شوند یا در نتیجه دناتوراسیون تجزیه شوند. پروتئین‌ها می‌توانند در شرایط محیطی را تغییر دهند کاری که وظیفهٔ اصلی آنها نیست. سنتز پروتئین آنابولیسم پروتئین فرایندی است که پروتئین‌ها از اسیدهای آمینه تشکیل می‌شوند. این روش به پنج فرایند بستگی دارد: سنتز آمینو اسید، رونویسی، ترجمه، اصلاحات پس از ترجمه و تاشو پروتئین. در انسان، برخی از اسیدهای آمینه را می‌توان با استفاده از واسطه‌های موجود موجود سنتز کرد. برای شروع رونویسی، بخش DNA ای که باید رونویسی شود باید قابل دسترسی باشد (یعنی نمی‌توان آن را محکم بسته‌بندی کرد). در طی مرحله رونویسی اولیه، RNA پلیمراز به دنبال یک ناحیه پروموتر در رشته الگوی DNA است. هنگامی که RNA پلیمراز به این منطقه متصل شد، شروع به "خواندن" رشته DNA الگو در جهت ۳ "تا ۵" می‌کند. بازهای جدید سرانجام از پایه‌های DNA جدا شده اما به یکدیگر متصل شده و رشته جدید mRNA را تشکیل می‌دهند. فاکتورهای رونویسی پروتئین‌هایی هستند که به رشته‌های نظارتی در رشته DNA مانند مناطق پروموتر یا مناطق اپراتور متصل می‌شوند. پروتئین‌های متصل به این مناطق می‌توانند مستقیماً متوقف شوند یا به RNA پلیمراز اجازه دهند رشته DNA را بخواند یا می‌تواند به سایر پروتئین‌ها متوقف یا اجازه خواندن RNA پلیمراز را بدهد. در حین ترجمه، ریبوزوم‌ها توالی mRNA (RNA پیام رسان) را به یک توالی اسید آمینه تبدیل می‌کنند. هر بخش mRNA به طول ۳ جفت باز یک کدون است که مربوط به یک اسید آمینه یا سیگنال توقف است. RNAهای انتقال دهنده می‌توانند به اسیدهای آمینه متصل شده و حاوی یک ضد کدون باشند که می‌تواند هیدروژن به کدون mRNA متصل شود. واکنش دوم باعث شکاف آمینوآسیل-AMP تولید انرژی برای اتصال اسید آمینه به مولکول tRNA می‌شود. پس از شروع ترجمه (که در پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها متفاوت است)، ریبوزوم وارد دوره طویل شدن می‌شود که یک چرخه تکراری را دنبال می‌کند. این به‌طور مداوم رخ می‌دهد تا زمانی که ریبوزوم به کدون توقف برسد یا سیگنال متوقف شدن را دریافت کند. دو مولکول واکنش دهنده عبارتند از گروه آمینو آلفا یک اسید آمینه و گروه آلفا کاربوکسیل اسیدهای آمینه دیگر. محصول جانبی این تشکیل پیوند، آزاد شدن آب است (گروه آمینو پروتون اهدا می‌کند در حالی که گروه کربوکسیل هیدروکسیل اهدا می‌کند). این رشته‌های RNA می‌توانند رشته‌های mRNA را که مکمل یکدیگر هستند جدا کنند و بنابراین ترجمه را متوقف می‌کنند. | ## بخش 2: متابولیسم پروتئین | به عنوان مثال، پروتئینی به نام فاکتور ۲ شروع یوکاریوتی (eIF-2) می‌تواند با شروع ترجمه به زیر واحد کوچکتر ریبوزوم متصل شود. روش‌های بیولوژیکی متداول اصلاح زنجیره‌های پپتیدی پس از ترجمه شامل متیلاسیون، فسفوریلاسیون و تشکیل پیوند دی سولفید است. متیلاسیون اغلب در آرژنین یا لیزین اتفاق می‌افتد و شامل افزودن یک گروه متیل به یک نیتروژن است (جایگزین هیدروژن). گروه‌های R موجود در این اسیدهای آمینه تا زمانی که پیوندهای با نیتروژن از ۴ بیشتر نباشد، می‌توانند چندین بار متیله شوند. متیلاسیون توانایی این اسیدهای آمینه را در ایجاد پیوندهای هیدروژنی کاهش می‌دهد بنابراین آرژنین و لیزین که متیله می‌شوند خواص متفاوت از نمونه‌های استاندارد خود دارند. فسفوریلاسیون اغلب در سرین، ترئونین و تیروزین اتفاق می‌افتد و شامل جایگزینی هیدروژن روی گروه الکل در انتهای گروه R با یک گروه فسفات است. این یک بار منفی بر گروه‌های R می‌افزاید و بنابراین رفتار اسیدهای آمینه را در مقایسه با نمونه‌های استاندارد خود تغییر می‌دهد. تشکیل پیوند دی سولفید ایجاد پل‌های دی سولفید (پیوندهای کووالانسی) بین دو اسید آمینه سیستئین در یک زنجیره است که باعث ایجاد ثبات در ساختار چین خورده می‌شود. این واقعیت که همه اسیدهای آمینه حاوی گروه‌های R با خواص متفاوت هستند دلیل اصلی چین خوردن پروتئین‌ها است. در یک آب‌دوست محیط زیست مانند سیتوزول از آبگریز اسیدهای آمینه در هسته از کنسانتره پروتئین، در حالی که اسیدهای آمینه آب دوست خواهد در قسمت بیرونی باشد. این از نظر انتروپیک مطلوب است زیرا مولکولهای آب می‌توانند بسیار آزادتر از اسیدهای آمینه آب دوست حرکت کنند. در یک محیط آبگریز، اسیدهای آمینه آب دوست در هسته پروتئین متمرکز می‌شوند، در حالی که اسیدهای آمینه آب دوست در قسمت خارجی قرار دارند. از آنجا که فعل و انفعالات جدید بین اسیدهای آمینه آب دوست نسبت به فعل و انفعالات آب دوست - آب دوست قوی تر است، از نظر آنتالپی مطلوب است. غالباً بسیاری از زیر واحدها با هم ترکیب می‌شوند و یک پروتئین کاملاً کاربردی ایجاد می‌کنند، اگرچه پروتئین‌های فیزیولوژیکی وجود دارند که فقط حاوی یک زنجیره پلی پپتیدی هستند. پروتئین‌ها همچنین ممکن است مولکول‌های دیگری مانند گروه هم در هموگلوبین داشته باشند، پروتئینی که مسئول حمل اکسیژن در خون است. تجزیه پروتئین کاتابولیسم پروتئین فرایندی است که در آن پروتئین‌ها به اسیدهای آمینه تجزیه می‌شوند. به این پروتئولیز نیز گفته می‌شود و می‌تواند با تخریب بیشتر اسید آمینه همراه باشد. کاتابولیسم پروتئین از طریق آنزیم‌ها پروتئازها در ابتدا تصور می‌شد که فقط واکنشهای آنزیمی را مختل می‌کند، پروتئازها (همچنین به عنوان پپتیدازها شناخته می‌شوند) در واقع به پروتئین‌های کاتابولیزه از طریق شکاف و ایجاد پروتئین‌های جدید که قبلاً وجود نداشته‌اند کمک می‌کنند. یکی از روش‌های انجام این کار، تجزیه آنزیم‌ها در مسیرهایی است که نیازی به راه اندازی ندارند (یعنی گلوکونئوژنز در زمانی که غلظت گلوکز خون زیاد باشد). این امر به صرفه جویی در مصرف هرچه بیشتر انرژی و جلوگیری از چرخه‌های بیهوده کمک می‌کند. چرخه‌های بیهوده زمانی اتفاق می‌افتد که مسیرهای کاتابولیک و آنابولیک هر دو در یک زمان مؤثر بوده و برای واکنش یکسانی سرعت داشته باشند. پروتئازها با تغییر میزان یکی از مسیرها از بروز این چرخه جلوگیری می‌کنند یا با شکاف یک آنزیم کلیدی، می‌توانند یکی از مسیرها را متوقف کنند. پروتئازها هنگام اتصال به سوبسترا نیز غیر اختصاصی هستند و باعث ایجاد تنوع زیادی در داخل سلول‌ها و سایر پروتئین‌ها می‌شوند، زیرا می‌توان آنها را به راحتی و به روش کارآمد انرژی تجزیه کرد. بدون تنظیم، پروتئازها بسیاری از پروتئین‌های ضروری را برای فرایندهای فیزیولوژیکی از بین می‌برند. مهارکننده‌های پروتئاز می‌توانند پروتئین‌های دیگر، پپتیدهای کوچک یا مولکول‌ها باشند. مهارکننده‌های پروتئاز برگشت‌پذیر با پروتئاز که عملکرد آن را محدود می‌کند فعل و انفعالات غیر کووالانسی ایجاد می‌کنند. | ## بخش 3: متابولیسم پروتئین | آنها می‌توانند بازدارنده‌های رقابتی، بازدارنده‌های غیررقابتی و بازدارنده‌های غیررقابتی باشند. بازدارنده‌های غیررقابتی در حالی که پپتید متصل است به پروتئاز متصل می‌شوند اما اجازه نمی‌دهند پروتئاز پیوند پپتید را شکافت. بازدارنده‌های غیرقابل برگشت پروتئاز به طور کووالانسی سایت فعال پروتئاز را اصلاح می‌کنند بنابراین نمی‌تواند پپتیدها را شکافته کند. اگزوپپتیدازها اگزوپپتیدازها آنزیم‌هایی هستند که می‌توانند انتهای یک زنجیره جانبی اسید آمینه را بیشتر از طریق افزودن آب جدا کنند. این آنزیم‌ها دو کلاس دارند: آمینوپپتیدازها یک آنزیم حاشیه قلم مو و کربوکسی پپتیدازها از لوزالمعده هستند. آمینوپپتیدازها آنزیم‌هایی هستند که اسیدهای آمینه را از انتهای آمینه پروتئین حذف می‌کنند. آنها در تمام شکل‌های زندگی وجود دارند و برای بقا بسیار مهم هستند، زیرا آنها بسیاری از کارهای سلولی را برای حفظ ثبات انجام می‌دهند. این آنالوگ شبیه حالت گذار واقعی است، بنابراین می‌تواند باعث شود آنزیم به جای حالت گذار واقعی به آن متصل شود، بنابراین از اتصال بستر جلوگیری کرده و سرعت واکنش را کاهش می‌دهد. اگرچه آنها می‌توانند پروتئین‌ها را کاتابولیزه کنند، اما بیشتر آنها در اصلاحات پس از رونویسی استفاده می‌شود. اندوپپتیدازها اندوپپتیدازها آنزیم‌هایی هستند که به یک پیوند پپتیدی داخلی در یک زنجیره پپتیدی آب اضافه می‌کنند و آن پیوند را می‌شکند. سه اندوپپتیداز رایج که از لوزالمعده به وجود می‌آیند عبارتند از پپسین، تریپسین و کیموتریپسین. کیموتریپسین یک واکنش هیدرولیز انجام می‌دهد که پس از باقی مانده های معطر شکسته می‌شود. این سه اسید آمینه به عنوان سه‌گانه کاتالیزوری شناخته می‌شوند که به این معنی است که این سه مورد باید همه وجود داشته باشند تا به درستی کار کنند. تریپسین پس از مدت طولانی باقی مانده با بار مثبت شکاف می‌خورد و دارای یک جیب اتصال با بار منفی در جایگاه فعال است. هر دو به عنوان زیموژن تولید می‌شوند، به این معنی که در ابتدا در حالت غیرفعال خود یافت می‌شوند و پس از تجزیه در اثر واکنش هیدرولیز، فعال می‌شوند. فعل و انفعالات غیر کووالانسی مانند پیوند هیدروژنی بین ستون فقرات پپتیدی و سه‌گانه کاتالیزوری به افزایش سرعت واکنش کمک می‌کند، به این پپتیدازها اجازه می‌دهد تا بسیاری از پپتیدها را به‌طور کارآمد جدا کنند. کاتابولیسم پروتئین از طریق تغییرات محیطی PH پروتئین‌های سلولی به منظور جلوگیری از تغییر در حالت پروتئونی اسیدهای آمینه، در pH نسبتاً ثابت نگه داشته می‌شوند. اگر PH کاهش یابد، اگر pka گروه‌های R آنها بالاتر از PH جدید باشد، برخی از آمینو اسیدهای موجود در زنجیره پلی پپتیدی می‌توانند پروتون شوند. در صورت بالا رفتن PH، برخی از آمینو اسیدهای موجود در زنجیره می‌توانند پروتئین زدایی شوند (اگر pka گروه R کمتر از PH جدید باشد). از آنجا که بسیاری از آمینو اسیدها بر اساس جاذبه الکترواستاتیک با سایر اسیدهای آمینه تداخل می‌کنند، تغییر بار می‌تواند این فعل و انفعالات را از بین ببرد. از دست دادن این فعل و انفعالات ساختار پروتئین‌ها را تغییر می‌دهد، اما مهمتر از همه عملکرد پروتئین‌ها را تغییر می‌دهد، که می‌تواند مفید یا مضر باشد. یک تغییر قابل توجه در PH حتی ممکن است بسیاری از فعل و انفعالات آمینو اسیدها را ایجاد کرده و پروتئین را تکامل بخشد (از بین می‌برد). پیوندهای هیدروژنی و فعل و انفعالات آبگریز از نیروهای مهم تثبیت کننده در پروتئین‌ها هستند. اگر دما افزایش یابد و مولکول‌های حاوی این فعل و انفعالات بیش از حد سریع حرکت کنند، فعل و انفعالات به خطر می‌افتند یا حتی از بین می‌روند. در دماهای بالا، این فعل و انفعالات نمی‌توانند تشکیل شوند، و یک پروتئین عملکردی از بدن خارج می‌شود. | ## جمع‌بندی | مقدار گرمای اعمال شده تعیین می‌کند که آیا این تغییر در پروتئین دائمی است یا اینکه می‌تواند به شکل اصلی خود برگردد.