بروتين

البروتينات هي جزيئات حيوية ضخمة تتكون من سلسلة أو أكثر من الأحماض الأمينية. 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.

تآثرات

يمكن أن تتآثر البروتينات مع العديد من أنواع الجزيئات، بما في ذلك مع بروتينات أخرى، مع لبيدات، مع السكريات ومع الدنا.

الوفرة في الخلايا

تم تقدير أن البكتيريا المتوسطة الحجم تحتوي على حوالي مليوني بروتين في كل خلية (مثال: الإشريكية القولونية والمكورة العنقودية الذهبية)، أما البكتيريا الصغيرة مثل المفطورة أو الملتوية فتحتوي عددا أقل يتراوح بين 50 ألف إلى مليون بروتين. في المقابل، خلايا حقيقيات النوى أكبر حجما وتحتوي على بروتينات أكثر، على سبيل المثال قُدّر أن خلايا الخميرة تحوي حوالي 50 مليون بروتين وأن خلايا الإنسان تحوي من مليار إلى ثلاث مليارات بروتين. تركيز نسخ البروتينات الفردية يتراوح بين عدة جزيئات لكل خلية إلى 20 مليون. لا يتم التعبير عن كل الجينات المشفِّرة للبروتين في معظم الخلايا وعدد البروتينات يعتمد على نوع الخلية والمحفز الخارجي، على سبيل المثال من بين الـ20 ألف بروتينا المشفر بواسطة الجينوم البشري لا يتواجد سوى 6 آلاف منها في الأرومة اللمفاوية. علاوة على ذلك، عدد البروتينات التي يشفرها الجينوم يتناسب مع تعقيد الكائن. حقيقيات النوى، البكتيريا، العتائق والفيروسات تمكك في المتوسط 15145، 3200، 2358 و42 بروتينا على التوالي مشفرة في جينوماتها.

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).

وظائف خلوية

البروتينات هي الجزيئات الرئيسية الوظيفية داخل الخلية، فهي تقوم بعمليات محددة بواسطة المعلومة المشفرة في الجينات. باستثناء بعض أنواع الرنا فإن معظم أنواع الجزيئات البيولوجية الأخرى تعتبر عناصر خاملة مقارنة بعمل البروتينات، تشكل البروتينات نصف الوزن الجاف من خلية الإشريكية القولونية في حين أن الجزيئات الضحمة الأخرى مثل الدنا والرنا يشكلان فقط 3% و20% على التوالي. تُعرف مجموعة البروتينات المعبر عنها في خلية محددة أو نوع من الخلايا باسم بروتيوم.
الخاصية الرئيسية للبروتينات التي تسمح بتعدد وظائفها وتنوعها هي قدرتها على الارتباط بالجزيئات الأخرى بإحكام ودقة. تُعرف منطقة البروتين المسؤولة عن الارتباط بجزيء آخر بموقع الارتباط وهي في الغالب انخفاضٌ أو "جيبٌ" على سطح الجزيء. تساهم بنية البروتين الثالثية في القدرة على الارتباط، وهذا يحدد جيب موقع الرتباط وتساهم فيها كذلك الخصائص الكيميائية للسلاسل الجانبية للأحماض الأمينية المحيطة. يمكن أن يكون الارتباط البروتيني محكما ومحددا بشكل كبير، على سبيل المثال يرتبط بروتين مثبط الريبونوكلياز بمولد الأوعية البشري ذي ثابت انحلال الأقل من فيمتومولر (<10⁻¹⁵ M) لكن لا يرتبط على الإطلاق بنظيره البرمائي رانبيرناز (>1 M). أصغر التغيرات الكيميائية مثل إضافة مجموعة ميثيل واحدة إلى جزيء يرتبط به البروتين، يمكن أن يكون كافيا لعدم حدوث الارتباط، فمثلا: مخلقة أمينوسيل الرنا الناقل الخاصة بالحمض الأميني فالين قادرة على التفريق بين سلسلته الجانبية وبين السلسلة الجانبية المماثلة جدا الخاصة بالحمض الأميني إيزوليوسين.
يمكن للبروتينات الارتباط ببروتينات أخرى وكذلك بركائز جزيئية صغيرة. حين ترتبط البروتينات بشكل محدد مع نسخ أخرى من نفس الجزيء، يمكنها الاتحاد لتشكيل لييفات، وتظهر هذه العملية في الغالب لدى البروتينات البنيوية التي تتكون من موحودات كروية ترتبط ذاتيا لتشكل أليافا صلبة. تآثرات البروتين-بروتين تنظم النشاط الإنزيمي، تتحكم في التقدم في دورة الخلية وتسمح بتجميع مركبات البروتين الكبيرة التي تقوم بالعديد من التفاعلات ذات الصلة والتي لها وظيفة بيولوجية مشتركة. يمكن للبروتينات أن ترتبط بالغشاء الخلوي وحتى الاندماج به. قدرة الجزيئات المرتبَط بها على إحداث تغيرات شكلية في البروتين يسمح بببناء شبكات تأشير معقدة للغاية. لأن التآثرات بين البروتينات قابلة للعكس وتعتمد بشكل كبير على توفر مجموعات مختلفة من البروتينات المرتبَط بها لتشكيل معقدات قادرة على القيام بمجموعة مميزة من الوظائف. دراسة التآثرات بين بروتينات محددة هو مفتاحٌ لفهم المظاهر المهم للوظيفة الخلوية، وبشكل نهائي فهم الخصائص التي تميز أنواع خلايا محدة.

إشارات الخلية والارتباط بالربائط

لدى العديد من البروتينات وظائف مرتبطة بعملية تأشير الخلية ونقل الإشارة. بعض البروتينات كالأنسولين هي بروتينات خارج خلوية تنقل إشارة من الخلية التي خُلّقت فيها إلى خلايا أخرى في أنسجة بعيدة. تعمل البروتينات الغشائية كمستقبلات وظيفتها الأساسية الارتباط بجزيء إشارة وإحداث استجابة بيوكيميائية في الخلية، العديد من المستقبلات لديها موقع ارتباط مكشوف على سطح الخلية ونطاق مؤثِّر داخل الخلية والذي يمكن أن يكون لديه نشاط إنزيمي أو يحدث له تغيُّرٌ في البنية تكشفه بروتينات أخرى داخل الخلية.
الأجسام المضادة هي مكونات بروتينية لجهاز مناعي تكيفي مهمتها الأساسية الارتباط بمولدات الضد أو الجزيئات الأجنبية في الجسم واستهدافها من أجل تدميرها. يمكن إفراز الأجسام المضادة إلى محيطٍ خارج خلوي أو تثبيتها في الأغشية ذات الخلايا البائية المتخصصة والمعروفة بالخلايا البلازمية. أُلفة الإنزيمات في الارتباط بركائزها محدودة بضرورة تحفيز تفاعلاتها فقط في حين أن الأجسام المضادة لا توجد لديها مثل هذه المحدودية، فألفة ارتباط الجسم المضاد بهدفه عالية جدا.
ترتبط العديد من البروتينات الناقلة للربائط بجزيئات حيوية صغيرة محددة وتنقلها إلى جهات أخرى في جسم كائن متعدد الخلايا، يجب أن يكون لهذه البروتينات ألفة ترابط عالية حين تتواجد ربائطها بتراكيز عالية، ويجب كذلك أن تحرر الربيطة حين تكون في تراكيز منخفظة بالنسيج المستهدف. المثال الشائع عن البروتين المرتبط بربيطة هو الهيموغلوبين الذي ينقل الأكسجين من الرئتين إلى أعضاء وأنسجة أخرى في جميع الفقاريات ولديه نظير مقارب له في جميع الممالك البيولوجية. الليكتينات وهي بروتينات ترتبط بالسكريات ذات تخصص عال بالنسبة لأجزائها السكرية، وتلعب دورا في ظاهرة التعرف الجزيئي البيولوجي المتعلقة بالخلايا والبروتينات. المستقبلات والهرمونات هي بروتينات مرتبطة عالية التخصص.
يمكن للبروتينات عبر الغشائية أن تعمل كبروتينات ناقلة للربائط حيث تقوم بتغيير نفاذية الغشاء الخلوي لتسمح فقط بنفاذ الجزيئات الصغيرة والآيونات. لدى الغشاء الخلوي مفردا جسم كاره للماء لا يمكن أن تنتشر من خلاله الجزيئات القطبية أو المشحونة. تحتوي البروتينات الغشائية على قنوات داخلية تسمح لتلك الجزيئات بالدخول والخروج من الخلية. العديد من البروتينات ذات القنوات الأيونية مخصصة لاختيار أيونات محددة فقط، على سبيل المثال قنوات البوتاسيوم والصوديوم لا يمكنها غالبا سوى التعرف على هاتين الآيونتين.

البروتينات البنائية

تمنح البروتينات البنائية صلابة ومتانة لمكونات بيولوجية -كانت لتكون سائلة من دون هذه البروتينات. معظم البروتينات البنائية هي بروتينات ليفية، على سبيل المثال: الكولاجين والإيلاستين هما مكونان أساسيان للنسيج الضام مثل الغضروف، ويتواجد الكيراتين في البُنى الصلبة أو الشُعيرية مثل الشعر، الأظافر، الريش، الحوافر وبعض صدفات الحيوانات. بعض البروتينات الكروية يمكن أن تلعب أدوارا بنائية فمثلا الأكتين والتوبولين هما بروتينان كرويان قابلان للذوبان في الماء كموحودات لكنهما يتمكثران ليشكلا أليافا طويلة متينة والتي يتكون منها الهيكل الخلوي، وهذا يسمح للخلية بالمحافظة على شكلها وحجمها.
البروتينات الأخرى التي تقوم بوظائف بنائية هي البروتينات المحركة مثل الميوسين، الكينيسين والداينين، وهي قادرة على توليد قوى ميكانيكية. هذه البروتينات أساسية لقابيلة الخلية للحركة سواء لخلايا الكائنات وحيدة الخلية أو نطاف الكائنات متعددة الخلايا والتي تتكاثر جنسيا. كما أنها تولد القوى التي تنتج عند تقلص العضلات  وتلعب دورا أساسيا في النقل داخل الخلوي.

التحديد داخل الخلية

تهتم دراسة البروتينات في الكائنات الحية بطريقة تخليق البروتينات وتحديد أماكن نشاطها داخل الخلية. رغم أنه يتم تخليق العديد من البروتينات داخل الخلوية في السيتوبلازم ويتم تخليق البروتينات المرتبط بالغشاء أو المفرزة في الشبكة الإندوبلازمية إلا أن تفاصيل كيفية توجيه هذه البروتينات إلى عضيات وبنى خلوية محددة يبقى غير واضح في أحيان كثيرة. تستخدم إحدى تقنيات تقييم التحديد الخلوي للبروتينات الهندسة الوراثية للتعبير عن بروتين اندماجي أو مهجن في الخلية والذي يتكون من البروتين المستهدف بالإضافة إلى ربطه بـ"مخبر" مثل البروتين الفلوري الأخضر (GFP). يمكن مراقبة مكان البروتين المهجن داخل الخلية بوضوح وكفاءة باستخدام المجهرية  كما هو مبين بالشكل المقابل.
من الطرق الأخرى المستخدمة في توضيح المكان الخلوي للبروتينات هي الواسمات الحيزية لمناطق مثل: الشبكة الإندوبلازمية، جهاز غولجي، الجسيمات الحالة أو الفجوات العصارية، الغشاء البلازمي. باستخدام مختلف الواسمات المؤشرَة بالفلورية أو أجسام مضادة ذات واسمات معروفة، أصبح تحديد مكان البروتين المستهدف أكثر سهولة. على سبيل المثال: سيسمح التألق المناعي اللامباشر بالتوضع التشاركي الفلوري وإثبات المكان. تستخدم الصباغ الفلورية لوسم الأحياز الخلوية لهدف مماثل.
هنالك إمكانيات أخرى للتحديد الخلوي وعلى سبيل المثال: تستخدم الكيمياء النسيجية المناعية جسما مضادا لبروتين أو عدة بروتينات مستهدفة، وهذه البروتينات ترافق إنزيمات تُظهر إشارات إما ضوئية أو استشرابية يمكن مقارنة عيناتها، وهذا يتيح معلومات عن التحديد الخلوي. تقنية أخرى قابلة للتطبيق هي التجزئة المشتركة في مدروج السكروز (أو مركبات أخرى) باستخدام الطرد المركزي التبايني. في حين أن هذه التقنية لا تثبت التوضع التشاركي لحيز معروف الكثافة وكذلك لبروتين مستهدف، إلا أنها تزيد من احتماليته، وهي مطاوعة أكثر في الدراسات الكبيرة.
أخيرا، طريقة الذهب المعيارية في التحديد الخلوي هي استجهار إلكتروني مناعي، تستخدم هذه التقنية كذلك جسما مضادا للبروتين المستهدف جنبا إلى جنب مع تقنيات المجهرية الإلكترونية الكلاسيكية. تُحضّر العينة لفحصٍ عادي بالمجهر الإلكتروني وبعد ذلك تعالج بالجسم المضاد للبروتين المستهدف والذي يرافق مادة شديدة الكثافة الإلكترونية وتكون في الغالب الذهب. هذا يسمح بتحديد كل من البروتين المستهدف وكذلك تفاصيل البنية المستدقة.
يوجد تطبيق هندسة وراثية آخر يعرف بالتطفر نوعي الموقع، يقوم فيه الباحثون بتغيير تسلسل البروتين وبذلك تتغير كذلك: بنيته، موقعه الخلوي وقابليته للتعديل. تسمح هذه التقنية بإدراج أحماض أمينية غير طبيعية في البروتينات باستخدام جزيئات رنا ناقل معدلة، وقد تسمح بالتصميم المنطقي لبروتينات جديدة بخصائص مستحدثة.

تحديد البنية

اكتشاف البنية الثالثية لبروتينٍ أو البنية الرابعية لمركباته يمكن أن يقدم معلومات مهمة حول طريقة قيام هذا البروتين بوظيفته. من الطرق التجريبية الشائعة لتحديد البنية: دراسة البلورات بالأشعة السينية ومطيافية الرنين المغناطيسي النووي للبروتين، حيث يمكن لكلاهما توفير معلومات على المستوى الذري، بيد أنه يمكن لمطيافية الرنين المغناطيسي النووي أن توفر معلومات يمكن أن تُقدّر منها مجموعة جزئية من الأبعاد بين أزواج الذرات، ويتم تحديد التركيبة النهائية الممكنة للبروتين بحل مسألة البعد الهندسي. قياس التداخل ثنائي الاستقطاب هي طريقة كمية تحليلية لقياس بنية البروتين الإجمالية والتغيرات في شكلها بسبب التآثرات أو المنبهات الأخرى. ازدواج اللون الدائري هي تقنية مخبرية أخرى لتحديد صفائح بيتا ولوالب ألفا الداخلية المكونة للبروتينات. يُستخدم المجهر الإلكتروني البردي لإنتاج معلومات بنيوية ذات دقة منخفضة حول المركبات البروتينية الكبيرة جدا، بما في ذلك الفيروسات المجمعة، متغيرة تعرف باسم علم البلورات الإلكتروني يمكن أن تُنتج معلومات عالية الدقة في بعض الحالات، خاصة بالنسبة لبلورات البروتينات الغشائية ثنائية الأبعاد. يتم وضع البنى التي تم تحديدها في بنك بيانات البروتينات، وهو مصدر مجاني متوفر يمكن الحصول منه على المعلومات البنيوية لآلاف البروتينات على هيئة إحداثيات ديكارتية لكل ذرة في البروتين.
عدد الجينات المعروفِ تسلسلها أكبر بكثير من بنى بروتيناتها. مجموعة البنى المكتشفة مبني على أساس البروتينات التي يمكن إخضاعها بسهولة للشروط المطلوبة في علم البلورات السيني وهي إحدى أكبر الطرق في تحديد البنى. بشكل خاص، البروتينات الكروية سهلة للبلورة تحضيرا للفحص بالأشعة السينية. في المقابل، البروتينات الغشائية صعبة التبلور وهي ناقصة في بنك بيانات البروتينات. مبادرات علم الجينوم البنيوي حاولت علاج هذا القصور بالحل المنهجي للبنيات التمثيلية لأقسام الطيات الرئيسية. تحاول طرق التنبؤ ببنية البروتين توفير وسائل لتوليد بنية معقولة للبروتينات التي لم يتم تحديد بُناها تجريبيا.

التنبؤ ببنية البروتين غير المنتظم والمضطرب

تملك العديد من البروتينات (33% لدى حقيقيات النوى) أجزاء غير منتظمة البنية لكن لها وظيفة بيولوجية، ويمكن تصنيف هذه البروتينات كبروتينات مضطربة ذاتيا. التنبؤ باضطراب البروتين واختباره جزء مهم من تحديد خصائص بنية البروتين.