مقدمه :

پروتئين ها فراوان ترين ماكرو ملكول هاي بيولوژيك هستند كه در تمامي سلول ها و تمامي قسمت هاي سلولي يافت مي شوند. پروتئين ها همچنين داراي تنوع زيادي مي باشند. هزاران نوع پروتئين مختلف با اندازه هاي متفاوت از پپتيدهاي نسبتاً كوچك تا پليمرهاي بزرگ داراي وزن هاي مولكولي در حد ميليون ممكن است در يك سلول يافت شوند. به علاوه، پروتئين ها اعمال بسيار متنوع بيولوژيك را انجام داده و مهمترين محصولات نهايي مسيرهاي اطلاعاتي مي باشند.

پروتئين ها ابزار مولكولي هستند كه از طريق آنها اطلاعات ژنتيكي بيان مي گردند شروع بررسي ماكرو ملكول هاي بيولوژيك يا پروتئين ها، كه نامشان از كلمه يوناني (protos) به معني «اولين» يا «جلوترين» گرفته شده است، مناسب مي باشد.

كليد ساختمان هزاران پروتئين مختلف، زير واحدهاي مونومري نسبتاً ساده آنها مي باشد، تمامي پروتئين ها، شامل پروتئين هاي موجود در قديمي ترين رده هاي باكتريايي تا پيچيده ترين اشكال حيات از 20 اسيد آمينه يكسان ساخته شده اند كه با توالي هاي مشخص خطي به طريق كووالال به يكديگر متصل مي باشند. از آنجايي كه هر كدام از اين اسيدهاي آمينه داراي زنجير جانبي با خصوصيات شيميايي متفاوت مي باشند، اين گروه 20 ملكولي پيش ساز را مي توان به عنوان الفباي زباني دانست كه ساختمان پروتئين با آن نوشته مي شود.

چيزي كه بيشتر قابل ملاحظه مي باشد اين است كه سلول ها مي توانند با اتصال همين 20 اسيد آمينه با تركيبات و توالي هاي بسيار متنوع، پروتئين هايي را توليد نمايند كه ويژگي ها و فعاليت هاي فوق العاده متنوعي دارند. موجودات مختلف مي توانند با استفاده از اين بلوك‌هاي ساختماني محصولات بسيار متفاوتي نظير آنزيم ها- هورمون ها- آنتي بادي ها- انتقال دهنده ها- عضله- پروتئين عدسي چشم- پر- تار عنكبوت- شاخ كرگدن- پروتئين‌هاي شير، آنتي بيوتيك ها- سموم قارچي و تعداد زيادي از مواد ديگر با فعاليت هاي بيولوژيك متفاوت ايجاد نمايند.

از ميان اين محصولات پروتئيني، آنزيم ها تنوع بيشتري داشته و اختصاصي تر مي باشند. در واقع تمامي واكنش هاي سلولي توسط آنزيم ها كاتاليزي گردند.

خلاصه:

هر پروتئيني داراي يك ساختمان بي همتاي سه بعدي است كه انعكاسي از فعاليت آن مي‌باشد. ساختمان پروتئين توسط واكنش هاي متقابل ضعيف پايدار مي گردد. واكنش هاي متقابل آبگريز بيشترين نقش را در پايداري شكل كردي اكثر پروتئين هاي محلول دارد، پيوندهاي هيدروژني و واكنش هاي متقابل يوني، در ساختمان اختصاصي به حد مطلوب مي‌رسند كه بيشترين پايداري ترموديناميكي را دارد.

ماهيت پيوندهاي كووالال در زنجير پلي پپتيدي، فشارهايي را به ساختمان آن تحميل مي‌نمايد. پيوند پپتيدي داراي خصوصيات يك پيوند دوگانه نسبي است كه كل گروه پپتيدي را در يك كونفيگوراسيون صحنه اي سخت قرار مي دهد. پيوندهاي   مي توان به تونيت با  نمايش داد. در صورتي كه مقادير زواياي   تمامي ريشه هاي اسيد آمينه موجود در يك قطعه پپتيدي مشخص باشد. ساختمان دوم آن را مي توان كاملاً تعيين نمود.

ساختمان سوم، ساختمان سه بعدي كامل در يك زنجير پلي پپتيدي را مي توان با بررسي ساختمان هاي معمول پايداري شناخت كه نام هاي متغيري نظيرساختمان هاي فوق دوم موتيف ها يا خميدگي ها به آنها داده مي شود. موتيف ها از اشكال ساده تا انواع بسيار پيچيده متفاوت مي باشد، به طور كلي هزاران ساختمان پروتئيني شناخته شده، همايش يافته و ايجاد تنها چند صد موتيف مي نمايد كه بعضي از آنها بسيار معمول مي باشد. نواحي از پلي پپتيدها كه مي توانند به طور مستقل تا گردند را دومن گويند. پروتئين هاي كوچك عموماً داراي يك دومن واحد مي باشند. در حاليكه پروتئين هاي بزرگ ممكن است چندين دومن داشته باشند.

دوكلاس عمومي پروتئين ها شامل پروتئين هاي فيبري و كروي وجود دارد. پروتئين هاي فيبري كه اساساً جهت اعمال ساختماني مي باشند. داراي عناصر ساده تكراري ساختمان دوم بوده و مدل هايي براي مطالعات اوليه پروتئين ها بوده اند. با استفاده از اطلاعات به دست آمده از پروتئين هاي فيبري- دو ساختمان دوم اصلي- شامل مارپيچ و كنفورماسيون قابل شناسايي است. هر دو اين ساختمان ها به وسيله وجود حداكثر پيوندهاي هيدروژني ممكن بين پيوندهاي پپتيدي موجود در يك اسكلت پلي پپتيدي مشخص مي شوند. پايداري اين ساختمان ها در داخل يك پروتئين، تحت تأثير محتوي اسيد آمينه هاي آنها و همچنين موقعيت نسبي ريشه هاي اسيدهاي آمينه موجود در توالي آنها مي باشد. نوع ديگري از ساختمان دوم كه در پروتئين ها معمول مي باشد پيچ  است.

در پروتئين هاي فيبري نظير كراتين ها و كلاژن، يك نوع ساختمان دوم غالب مي باشد. زنجيرهاي پلي پپتيدي به صورت ابرفنرهايي به شكل طناب ايجاد دستجات بزرگتري را نموده كه قدرت زيادي دارند. صفحات   فيبروئين ابريشم در كنار يكديگر قرار گرفته تا ايجاد يك ساختمان قوي ولي قابل انعطاف نمايند.

پروتئين هاي كروي داراي ساختماني هاي سوم پيچيده تري هستند كه اغلب داراي چندين نوع ساختمان دوم در يك زنجير پلي پپتيدي مي باشند. اولين ساختمان پروتئين كروي كه با استفاده از روش هاي انكسار اشعهx- تعيين گردد، ميوگلوبين بود. اين ساختمان تأييد نمود كه ساختمان دوم (مارپيچ) پيش بيني شده، در پروتئين ها وجود دارد؛ ريشه هاي اسيدآمينه آبگريز در داخل پروتئين قرار دارند، پروتئين هاي كروي متراكم هستند. به تحقيق بعدي بر روي ساختمان بسياري از پروتئين هاي كروي،  اين نتيجه گيري‌ها را حمايت نمود و همچنين نشان داد كه تنوع زيادي مي تواند در ساختمان سوم وجود داشته باشد.

ساختمان هاي پيچيده پروتئين‌هاي كروي را مي توان با بررسي تحت ساختمان هاي آنها، شامل موتيف ها و دومن ها، تجزيه و تحليل نمود. در پايگاه هاي اطلاعاتي ساختمان پروتئين، ساختمان ها معمولاً به چهار كلاس، شامل همه، همه تقسيم مي‌شوند. پروتئين هاي اختصاصي موجود در هر كلاس بر اساس داشتن ارتباط در توالي، ساختمان و عملكرد، به صورت خانواده ها يا فوق خانواده هايي گروه بندي مي شوند.

ساختمان چهارم اشاره به واكنش متقابل بين زيرواحدهاي پروتئين هاي چند زيرواحدي مولتيمري يا همايش هاي پروتئيني بزرگتر مي نمايند. بعضي از پروتئين‌هاي مولتيمري داراي واحدهاي تكراري هستند كه از يك زيرواحد يا يك گروه زيرواحدها، به نام پروتومر، تشكيل شده اند. پروتومرها معمولاً از طريق تقارن چرخشي و مارپيچي با يكديگر ارتباط دارند. بهترين پروتئين مولتيمري مطالعه شده، هموگلوبين مي باشد.

ساختمان سه بعدي پروتئين ها را مي توان با استفاده از مواد يا شرايطي كه واكنش هاي متقابل ضعيف را مختل مي نمايند، طي فرآيندي به نام دناتوراسيون، از بين برد. دناتوراسيون سبب از بين رفتن فعاليت پروتئين شده كه ارتباط بين ساختمان و فعاليت را نشان مي دهد. بعضي از پروتئين هاي دناتوره شده (مثلاً ريبونوكلئاز) مي توانند به طور خودبه خودي به پروتئين داراي فعاليت بيولوژيك رناتوره گردند كه نشان دهنده نقش توالي اسيدهاي آمينه در تعيين ساختمان سوم پروتئين مي باشد.

تاشدن پروتئين ها در داخل سلول ها ممكن است طي مسيرهاي مختلف صورت پذيرد، ابتدا نواحي از ساختمان دوم و سوم ممكن است ايجاد شده و به دنبال آن تا شدن به ساختمان‌هاي فوق دوم انجام شود. همايش هاي بزرگ تركيبات واسط تاشده- سريعاً به يك كونفورماسيون طبيعي واحد تبديل مي شوند. در مورد بسياري از پروتئين ها، تا شدن توسط چاپرون هاي Hsp70 و توسط چاپرونين تسهيل مي گردد. تشكيل پيوند دي سولفيدي و ايزومريزاسيون سيس- ترانس پيوندهاي پپتيدي پرولين، توسط آنزيم هاي اختصاصي كاتاليز مي گردند.

اسيدهاي آمينه، پپتيدها و پروتئين ها :

20 اسيد آمينه استانداردي كه معمولاً در ساختمان پروتئين ها وجود دارند. حاوي يك گروه- كربوكسيل، يك گروه - آمينو و يك گروهR متفاوت مي باشند. اتم كربن  تمامي اسيدهاي آمينه به استثناي گليسين نامتقارن بوده و بنابراين حداقل به دو شكل ايزومرفضايي وجود دارند. تنها ايزومرهاي فضاييL كه با كونفيگوراسيون مطلق مولكول مرجعL- گليسرآلدئيد ارتباط دارند، در پروتئين ها يافت مي شوند. اسيدهاي امينه بر اساس قطبيت و بار (در7PH ) گروههاي R خود، طبقه بندي مي شوند. كلاس غيرقطبي و آليفاتيك شامل آلانين، گليسين، ايزولوسين، لوسين ، متيونين، ترئونين و والين مي باشد. فنيل آلانين، تريپتوفان و تيروزين داراي زنجيرهاي جانبي آروماتيك بوده و نسبتاً آبگريز هستند. كلاس قطبي و بدون بار شامل آسپاراژين و سيستئين، گلوتامين، پرولين، سرين و ترئونين مي باشد. اسيدهاي آمينه داراي بار منفي (اسيدي) شامل آسپارتات، گلوتامات بوده و انواع داراي بار مثبت (بازي) شامل آرژينين، هيستيدين و ليزين هستند. اسيدهاي آمينه غيراستاندارد نيز وجود دارند كه ممكن است جزئي از پروتئين ها (حاصل تغيير ريشه هاي اسيدآمينه استاندارد بعد از سنتز پروتئين) بوده يا به صورت متابوليتهاي آزاد عمل نمايند.

اسيدهاي آمينه منوآمينومنوكربوكسيليك (با گروه هاي R غيرقابل يونيزاسيون)، درPH پايين اسيدهاي دي پروتيك (NCH (R) COOH) هستند. با افزايشPH، يك پروتون از گروه كربوكسيل جدا شده و ايجاد يك مولكول دوقطبي يا زويتريون NCH(R)COO- مي گردد كه از نظر الكتريكي خنثي مي باشد. با افزايش بيشتر PH ، دومين پروتون نيز از دست رفته و توليد مولكول يوني H2NCH (R)COO- مي گردد. اسيدهاي امينه داراي گروه‌هاي R قابل يونيزاسيون، برحسب PKa,PH گروهR، ممكن است شكل يوني ديگري را نيز داشته باشند. بنابراين اسيدهاي آمينه از نظر ويژگي هاي اسيدي- بازي متفاوت مي‌باشند.

اسيدهاي آمينه مي توانند به طور كووالان از طريق پيوندهاي پپتيدي به يكديگر متصل شده  و ايجاد پپتيدهاو پروتئين ها را بنمايد. به طور كلي، سلول ها داراي هزاران پروتئين مختلف هستند كه هر كدام داراي عملكرد يا فعاليت بيولوژيك متفاوتي مي باشند. پروتئين ها مي‌توانند از نظر طول زنجير پلي پپتيدي بسيار متنوع بوده و داراي 100 تا چندين هزار ريشه اسيد آمينه باشند. هر چند بعضي از پپتيدهاي موجود در طبيعت تنها داراي چند اسيد آمينه هستند. بعضي پروتئين ها از چندين زنجيره پلي پپتيدي به نام زير واحد تشكيل شده اند كه به يكدگر متصل مي باشند. هيدروليز پروتئين هاي ساده تنها منجر به توليد اسيدهاي آمينه مي‌گردد؛ پروتئين هاي كونژوگه داراي اجزاء ديگري، نظير يك يون فلزي يا كروه پروستتيك آلي مي باشند...