البروتينات هي «عمال» الخلية: إنزيمات وأجسام مضادة وهرمونات ونواقل وقنوات. وكل بروتين يقوم بعمل محدد لا يقوم به غيره. فما الذي يعطيه هذه الخصوصية؟ الجواب الذي تدرسه في الوحدة الثانية من برنامج السنة الثالثة ثانوي: الشكل ثلاثي الأبعاد، أي البنية. تعرض هذه الصفحة الحمض الأميني والرابطة الببتيدية، ثم البنيات الأربع للبروتين، ثم العلاقة بين البنية والوظيفة بأمثلة، ثم عوامل التخريب وأثر الطفرات، وتنتهي بأخطاء متكررة وأسئلة محلولة.
معنى العنوان
بنية البروتين هي شكله، ووظيفته هي العمل الذي يقوم به في العضوية. فالعلاقة بينهما معناها أن الشكل يحدد العمل: إذا تغير الشكل تغير العمل أو ضاع.
وحدة البناء: الحمض الأميني
البروتين سلسلة من الأحماض الأمينية. وكل حمض أميني له الصيغة العامة: ذرة كربون مركزية ترتبط بـ:
- مجموعة أمين
NH₂. - مجموعة كربوكسيل
COOH. - ذرة هيدروجين
H. - سلسلة جانبية
Rتختلف من حمض إلى آخر، وهي التي تعطي كل حمض خصائصه.
يوجد 20 نوعًا من الأحماض الأمينية في البروتينات. وترتبط الأحماض الأمينية ببعضها بروابط ببتيدية (بين COOH من حمض وNH₂ من الحمض التالي) مع انطلاق جزيء ماء.
البنيات الأربع للبروتين
1) البنية الأولية
هي تتابع الأحماض الأمينية (ترتيبها) على طول السلسلة الببتيدية، ويحدده الجين (ADN). وهي أساس بقية البنيات.
2) البنية الثانوية
التفاف جزء من السلسلة على نفسه في شكل منتظم بفضل روابط هيدروجينية بين مجموعات في الهيكل الببتيدي، فتتكون:
- حلزون ألفا (α).
- صفيحة مطوية بيتا (β).
3) البنية الثالثية
الشكل الفراغي (ثلاثي الأبعاد) للسلسلة الواحدة كاملة، وتنتج من طي البنية الثانوية وتماسكها بروابط بين السلاسل الجانبية R:
- روابط هيدروجينية.
- روابط شاردية (بين شحنتين مختلفتين).
- تأثيرات كارهة للماء (تجمع الجذور غير القطبية في الداخل).
- جسور ثنائية الكبريت (روابط تساهمية بين حمضين أمينيين يحويان الكبريت).
وهذه البنية هي التي تعطي البروتين وظيفته، لأنها تشكل موقعًا فعالًا أو موقع تثبيت.
4) البنية الرابعية
تكون في البروتينات المكونة من عدة سلاسل ببتيدية (وحدات تحت)، فتتجمع فيما بينها. مثال: الهيموغلوبين يتكون من أربع سلاسل.
العلاقة بين البنية والوظيفة
الإنزيمات والموقع الفعال
الإنزيم بروتين له موقع فعال: تجويف صغير في بنيته الثالثية له شكل يتكامل مع مادة التفاعل (الركيزة)، فلا يرتبط بغيرها. فالإنزيم نوعي: لكل إنزيم ركيزة محددة.
الأجسام المضادة
بروتينات لها موقع تثبيت يتكامل مع مولد الضد، فيرتبط به ويبطل مفعوله. وكل جسم مضاد نوعي لمولد ضد واحد.
مستقبلات الغشاء
بروتينات لها موقع يتعرف على جزيء مرسال محدد (هرمون أو مبلغ عصبي)، فلا يرتبط بغيره.
والخلاصة: الوظيفة تتعلق بالبنية الفراغية، أي بتكامل الشكل بين البروتين وما يتعرف عليه.
تخريب البروتين
يتغير شكل البروتين إذا تعرض لـ:
- ارتفاع درجة الحرارة فوق حد معين.
- تغير الـ pH بعيدًا عن المجال المناسب.
- بعض المواد الكيميائية.
فتتفكك الروابط الضعيفة (هيدروجينية، شاردية) ويتغير الشكل الفراغي، وبالتالي يضيع الموقع الفعال فتزول الوظيفة. ويسمى هذا التخريب (Dénaturation)، وهو في الغالب لا رجعة فيه، مثل قلي البيض.
أثر الطفرة
الطفرة تغير في تتابع النيكليوتيدات في الجين، فتتغير البنية الأولية: قد يستبدل حمض أميني بآخر. وقد لا يؤثر ذلك، وقد يغير الطي ثم الوظيفة.
مثال: فقر الدم المنجلي. في السلسلة بيتا للهيموغلوبين يستبدل حمض أميني واحد (الغلوتامات) بحمض آخر (الفالين). هذا الاستبدال البسيط يغير بنية الهيموغلوبين فتتخذ كريات الدم الحمراء شكل المنجل، فيقل حمل الأكسجين وتظهر الأعراض المرضية. وهو يوضح أن تغير بنية أولية واحدة قد يغير الوظيفة كلها.
أخطاء شائعة
- القول إن ترتيب الأحماض الأمينية يحدد الوظيفة مباشرة. هو يحدد البنية الفراغية التي تحدد الوظيفة.
- الخلط بين الرابطة الببتيدية (بين الأحماض الأمينية) والروابط الهيدروجينية (التي تحفظ البنيات الأعلى).
- القول إن كل البروتينات لها بنية رابعية. هي للمتعددة السلاسل فقط.
- القول إن ارتفاع الحرارة يكسر الروابط الببتيدية. يكسر الروابط الضعيفة.
- القول إن الطفرة دائمًا مضرة.
- نسيان أن الموقع الفعال جزء من البنية الثالثية.
أسئلة للتدرب
- اكتب الصيغة العامة للحمض الأميني.
- ما الروابط التي تحافظ على البنية الثالثية؟
- لماذا ينتج الإنزيم عن بنية ثالثية خاصة؟
- ماذا يحدث للإنزيم عند ارتفاع الحرارة كثيرًا؟
- كيف تفسر فقر الدم المنجلي؟
الأجوبة النموذجية:
- كربون مركزي مرتبط بـ
NH₂وCOOHوHوسلسلة جانبيةR. - هيدروجينية وشاردية وكارهة للماء وجسور ثنائية الكبريت.
- لأنها تعطي موقعًا فعالًا يتكامل مع ركيزة واحدة.
- تتفكك الروابط الضعيفة، يتغير شكله، يضيع موقعه الفعال، فيفقد وظيفته.
- بسبب استبدال حمض أميني واحد في السلسلة بيتا للهيموغلوبين، فتتغير البنية وتتخذ الكريات شكل المنجل.
الشرح المصوّر
لمن يفضل المتابعة بالصوت والصورة، تقدم الأستاذة إكرام في فيديو «ملخص العلاقة بين بنية ووظيفة البروتين، الوحدة الثانية» هذه الوحدة في نحو اثنتين وأربعين دقيقة، وتنبه التلاميذ في البداية إلى أن بنية البروتين هي شكله وأن وظيفته هي عمله في العضوية، ثم تستعرض الدرس بالترتيب.
وللتدرب على الوحدة، اطلع على هذه الملفات في الموقع: