ساختار پروتئینها

پروتئینها پلی مرهایی هستند که از ساختارهای ساده تر بنام اسیدهای آمینه تشکیل شده اند. تنها 20 اسيد آمينه طبيعي وجود دارد (تصویر 1) كه انواع آرايش آنها مي تواند تمام انواع پروتئينها را بسازد. انواع پروتئینها از نظر توالی اسیدهای آمینه و ساختار فضایی و نهایتاً عملکرد با یکدیگر متفاوتند. به همین دلیل آنها را می توان در قالب چهار ساختار مختلف مطالعه کرد.

ساختار اول : این ساختار شامل توالی اسیدآمینه ای پروتئین است. اگر پروتئین را به صورت یک زنجیره متشکل از اسیدهای آمینه درنظر بگیریم نوع و توالي اسیدهای  آمینه هستند که تعیین کننده ساختار اول پروتئین خواهند بود. اسیدهای آمینه  دارای دوقطب کربوکسیل و آمینی هستند. ساختار عمومی اسیدهای آمینه در شکل 1 و بطور دقیقتر در شکل 2 نشان داده  شده است.

در ساختار اول پروتئینها یک عامل  کربوکسیلی از یک اسیدآمینه با عامل آمینی از اسید آمینه جانبی تشکیل دهنده یک  باند پپتیدی هستند. تشکیل این باند همراه با آزاد شدن  ملکول آب می باشد ( Dehydration ) ( تصوير 2).

برای نشان دادن توالی اسیدآمینه ای پروتئین همیشه اسیدآمینه ای که گروه  آمینی آزاد دارد را سمت چپ ( N-terminal )  و اسیدآمینه ای که گروه اسیدی یا کربوکسیل آزاد  دارد  را سمت  راست (C-terminal  ) می نویسند.

بسته به تعداد اسیدآمینه تشکیل دهنده زنجیره پلی پپتیدی ، نامهای مختلفی برای آن به کار می رود. برای قطعات کوچک ( تا 50  اسیدآمینه ) نام پپتید یا الیگوپپتید به کار می رود. و قطعات بزرگتر را به ترتیب پلی پپتید و  پروتئین می نامند.

واحد اندازه گیری وزن مولکولی پروتئین که به صورت MW (Molecular weight  ) نشان داده می شود دالتون ( Dalton ) است، که به صورت کیلو دالتون ( هزار دالتون ) هم نشان داده می شود.

تصویر 1 : ساختار مشترک و اختصاصی اسيد هاي آمينه طبيعي  ( مرجع تصویر https://sciencenotes.org/printable-20-amino-acids-study-sheet/ )

تصویر 2: ساختار عمومي اسيدهاي آمينه (بالا) و  نحوه اتصال اسيدهاي آمينه به يكديگر  در ساختار پروتئين (پايين) : R میتواند یک زنجیره کربنی یا یک حلقه کربنی باشد که بخش عمده ای از تفاوتهای بین اسیدآمینه ای مربوط به ماهیت این بخش می باشد. دو عامل –NH2 و –COOH نیز که به ترتیب عامل آمینی و کربوکسیلی نامیده می شوند نقش اصلی در اتصال مولکولهای اسیدآمینه به یکدیگر و تشکیل زنجیره های پپتیدی، پلی پپتیدی و پروتئینی را دارند. ( مرجع تصویر بالا: https://biology.stackexchange.com/questions/80590/difference-in-basic-amino-structures)

(مرجع تصویر پایین: https://www.pinterest.com/pin/565764771910257595/)

ساختار دوم، سوم و چهارم : پس از تشکیل ساختار اولیه پروتئین، در حضور نیروهای جانبی مانند باندهای هیدروژنی، واندروالسی و یونی ساختار دوم پروتئینها تشکیل می گردد. برای مثال این ساختار شامل پیچشهای  α و صفحات β می باشد. سپس پروتئینها ساختار سه بعدی  ویژه ای به خود می گیرند (ساختار سوم ) که این ساختار برای عملکرد پروتئین ضروری است.  برخلاف ساختار دوم که در آن باندهای هیدروژنی نقش اساسی  داشتند ، در ساختار سوم باندهای هیدروفوبی بین اجزاء غیرقطبی و همینطور  باندهای هیدروژنی بین اجزای قطبی هر دو مهم هستند. محتواي اسيد آمينه اي پروتئين هم نقش كليدي در تعيين نوع ساختارها دارد. مجموعه این باندها ساختار  سه بعدی  به پروتیئن می بخشند که چندان هم غیرقابل انعطاف نیست.  به همین دلیل عملکرد پروتئین که با ساختار سوم پروتئین در ارتباط است در اثر  تغییر در این ساختار دچار تغییر می شود. حضور باندهای دی سولفیدی باعث پایدار شدن ساختار سوم می شود. در این ساختار که بصورت یک کلاف نخ به هم تابیده در می آید اسیدهای آمینه آب گریز (Hydrophobic) به سمت داخل و اسیدهای آمینه آب دوست ( Hydrophilic  ) به سمت خارج قرار می گیرند.

پروتئینها براساس ساختار  سوم در سه دسته قرار می گیرند.

1- پروتئینهای رشته ای ( Fibrous ) که بزرگ و اغلب شامل توالیهای کوتاه تکرار شونده هستند. این ها اغلب در آب حل نمی شوند و اغلب نقش ساختاری دارند.

2- پروتئینهای حلقوی ( Globular ) که اغلب محلول در آبند و ساختار به هم تابیده  محکمی دارند و در اغلب موارد کروی  شکلند.

3- پروتئنهای داخل غشایی ( Integral membrane proteins ) اینها اغلب  داخل غشاهای فسفولیپیدی قرار می گیرند و به شدت آب گریزند.

ترکیب ساختار دوم و سوم پروتئین را Fold یا Structural motifs  می گویند. این اصطلاح ممکن است برای ساختار کلی پروتئین یا برای بخشهایی از آن به کار رود.

بطور کلی می توان گفت پروتئینهایی که توالی ( Sequential motif )  یکسان دارند Structural motif  یکسانی خواهند  داشت. البته این در شرایطی است که عوامل محیطی مانند شرایط بافری برای هر دو یکسان باشد. در مقابل نیز  یکسان  بودن Structural motif می تواند تا حدودی نشان دهنده شباهت توالی باشد.

قسمتهای کوچکی از پروتئین که به دلیل حضور اسیدهای آمینه خاص مانند پرولین ، آسپارتیک اسید با گلوتامیک اسید شکل خاصی می گیرند را Motif domain مي گويند .

بعضی از پروتئینها مانند پروتئینهای رشته ای ( Fibrous ) با آنهایی که در نسخه برداری ( Transcription )  از DNA نقش دارند بصورت دوتایی یا سه تایی  به واسطه پیچشهای α  به یکدیگر متصل می شوند و ساختار ویژه ای ایجاد می کنند که زنجیره های هیدروفوب از یک طرف و زنجیره هیدروفیل از طرف دیگر بیرون زده گی پیدا می کنند . به دلیل اینکه لوسین در تشکیل این ساختار نقش مهمی دارد به آن  زیپ لوسین  Leucine zipper)) می گویند .

ساختارهای α هلیکس و β پروتئینها همچنین می تواند اشکال دیگری مانند Basic – Loop – Helix که  نقش مهمی در تنظیم بیان ژن دارند و یا Zinc finger که از یک هلیکس α  و دو β تشکیل شده و نقش مهمی در اتصال پروتئین به RNA و DNA دارد را بوجود آوردند .

پروتئينهاي چند زنجيره اي علاوه بر ساختارهاي ذكر شده داراي يك ساختار چهارم مي شوند كه از اتصال زنجيره هاي پلي پپتيدي توسط باندهاي دي سولفيدي حاصل مي گردد.

يك مولكول پروتئين تحت تاثير عوامل محيطي ممكن است ساختار طبيعي خود را از دست بدهد. به اين حالت  Denaturation مي گويند. ممكن است دناتوره شدن برگشت پذير و يا غير قابل برگشت باشد. در صورت برگشت پروتئين به حالت اوليه آنرا Renaturation مي نامند.