البروتينات
غالبًا ما نرى البروتينات على أنها مجموعة من المواد المتجانسة التي تُشكل عناصر غذائية هامة لصحة الجسم.
ولكن عند تسليط الضوء على الأحياء الجزيئية نُلاحظ أن مفهوم البروتينات أعمق من ذلك بكثير.
في الحقيقة، البروتين ليس مادة واحدة فقط، حيث تحتوي أجسام المخلوقات الحية أو حتى الخلية الواحدة على مجموعة ضخمة من البروتينات المختلفة.
ومن المذهل أن لكل بروتين وظيفة مختلفة عن البروتينات الأخرى، حيث تساهم بعض البروتينات في منح الخلايا شكلها، المساعدة على الحركة، أو تعمل كإشارات تنقل رسائل محددة من عضو لآخر، ومن خلية لأخرى.
يمكن أن تعمل البروتينات أيضًا كإنزيمات تُكسر الجزيئات الكبيرة أو تربط الجزيئات الصغيرة معًا.
من الجدير بالذكر أن البروتينات هي أكثر الجزيئات الكبيرة تنوعًا في داخل أجسام المخلوقات الحية، وهذا يعني أن لكل بروتين تركيب ووظيفة مختلفة عن البروتينات الأخرى.
تتكون البروتينات من وحدات أساسية أصغر يُطلق عليها اسم الأحماض الأمينية.
أنواع ووظائف البروتينات
تدعم البروتينات المختلفة أجسام المخلوقات الحية بشكل لا يُصدق، فوظائفها المتنوعة جعلت لها حيزًا في معظم العمليات الحيوية.
فيما يلي أشهر أنواع البروتينات مع وظائف كل نوع، وتعد هذه الأنواع بأكملها مهمة للمخلوقات الحية ومن ضمنها نحن البشر.
الأنزيمات
الإنزيمات في الحقيقة هي مجموعة من البروتينات التي تُحفز أو تُسرع التفاعلات الكيميائية الحيوية.
كما يُمكن لكل إنزيم التعرف على مادة أولية واحدة أو أكثر، وهذه المواد الأولية هي المواد التي يبدأ بها التفاعل الكيميائي الحيوي.
يُمكن أن تكون هذه التفاعلات الكيميائية الحيوية تفاعلات بناء أو هدم، وفي الأولى تحفز الإنزيمات ارتباط المواد الأولية، وفي تفاعلات الهدم العكس.
أشهر الأمثلة على الأنزيمات إنزيم الأميلاز اللعابي، وهو الإنزيم الموجود في اللعاب والمسؤول عن تكسير سكر الأميليز إلى سكريات صغيرة وبسيطة.
عندما يتكسر الأميليز ينتج عنه سكريات حلوة للغاية، ولهذا السبب نشعر بطعم حلو بعد مضغ الأطعمة النشوية لفترة طويلة، حيث نمنح الأميليز وقتًا للعمل.
الهرمونات
الهرمونات هي إشارة كيميائية تُطلقها الغدد الصماء في الجسم مثل الغدة الدرقية أو النخامية، وتنتقل هذه الهرمونات إلى وجهتها من خلال الدورة الدموية.
تلعب الهرمونات دورًا رئيسيًا في بعض العمليات الفسيولوجية الطبيعية مثل النمو، التمثيل الغذائي والتكاثر.
تعتمد بعض الهرمونات على الستيرويد أو الدهون، ولكن بعضها الآخر عبارة عن بروتينات فقط، ويُطلق على هذه الهرمونات اسم هرمونات الببتيد.
أبرز الأمثلة على الهرمونات هرمون الأنسولين، وهو هرمون ببتيد ضروري في عملية تنظيم السكر في الدم.
عندما يرتفع مستوى السكر في الدم بعد تناول الأطعمة خصوصًا، يُفرز البنكرياس هرمون الأنسولين، والذي يرتبط بخلايا الكبد وبقية خلايا الجسم بهدف تعزيز امتصاصها للجلوكوز.
أنواع أخرى للبروتينات
فيما يلي في النقاط الآتية مجموعة أنواع أخرى للبروتينات مع وظيفة كل نوع منها وبعض الأمثلة عليها:
- الإنزيمات الهاضمة: مثل الأميليز، الليباز والبيبسين والتي تُساهم في تكسير الجزيئات الكبيرة إلى جزيئات أصغر ويُمكن امتصاصها.
- الموصلات: مثل الهيموجلوبين الذي يحمل المواد المغذية ويوصلها إلى جميع خلايا الجسم.
- الهرمونات: مثل الأنسولين والجلوكاجون، والتي تُساهم بتنسيق وظائف الجسم المختلفة.
- بروتينات البناء: مثل الأكتين والكيراتين، وهي البروتينات المسؤولة عن بناء هياكل مختلفة مثل هيكل الخلية.
- البروتينات الدفاعية: مثل الأجسام المضادة التي تحمي الجسم من مسببات الأمراض الغريبة التي تدخل الجسم.
- بروتينات العضلات: مثل بروتين الميوسين المسؤول عن انقباض العضلات.
- بروتينات التخزين: مثل زلال البيض، وهذه البروتينات مسؤولة عن توفير الغذاء للأجنة أو البذور الصغيرة.
أشكال البروتينات
تختلف أشكال البروتينات بشكل كبير، فمنها ما هو كروي الشكل، ومنها ما يُشبه الألياف الخيطية الطويلة والرفيعة.
على سبيل المثال بروتين الهيموجلوبين الذي يقوم بنقل المغذيات من الدم إلى الخلايا، هو بروتين كروي الشكل، أما الكولاجين الموجود في الجلد هو بروتين ليفي الشكل.
يدعم شكل البروتين وظيفته المميزة، كما سنذكر لاحقًا، يُمكن أن تتضمن البروتينات روابط كيميائية محددة تدعمها على القيام بوظيفتها بكفاءة عالية.
يُمكن أن تؤثر درجات الحرارة، درجات الحموضة أو حتى بعض المواد الكيميائية على آلية عمل البروتين وشكله، ويمكن أن يصل الأمر إلى فقدان البروتين لوظيفته، ويُعرف هذا باسم تمسخ البروتين.
الأحماض الأمينية
يتكون البروتين من سلسلة واحدة أو مجموعة من سلاسل الأحماض الأمينية، وهذا يعني أن الأحماض الأمينية هي المونومرات التي تكون البروتينات.
يصل عدد الأنواع الشائعة من البروتينات إلى 20 نوع، وجميع الأحماض الأمينية تتألف من ذرة كربون وسطية يُطلق عليها اسم كربون ألفا.
ترتبط ذرة الكربون الوسطية بمجموعة أمينية، وهي عبارة عن نيتروجين مرتبط بذرتي هيدروجين، وترتبط ذرة الكربون أيضًا بمجموعة كربوكسيل، وهي مجموعة تتألف من ذرة كربون تتحد برابطة ثنائية مع الأكسجين ورابطة أحادية مع OH.
وتتحد ذرة الكربون ألفا أيضًا مع ذرة هيدروجين، وسلسلة فرعية أخرى هي التي تميز كل حمض أميني عن الأحماض الأمينية الأخرى.
يُرمز للسلسلة الفرعية دائمًا بالرمز R، وهذه هي المسؤولة عن تحديد هوية الحمض الأميني.
على سبيل المثال إذا كانت السلسلة الفرعية عبارة عن ذرة هيدروجين، فهذا يعني أن الحمض الأميني هو الجلايسين.
تحدد السلسلة الفرعية المتغيرة الخصائص الكيميائية للحمض الأميني، وهذا يعني أنها المسؤولة عن جعل الحمض الأميني قطبي، غير قطبي، حمضي أو قاعدي.
فيما يلي بعض الأمثلة على الخصائص الكيميائية لبعض الأحماض الأمينية:
- الفالين والليوسين: وهي من الأحماض الأمينية الغير قطبية والكارهة للماء.
- السيرين والجلوتامين: وهي من الأحماض الأمينية القطبية، أي أنها محبة للماء.
- اللايسين والأرجينين: وهي من الأحماض الأمينية المشحونة شحنة موجبة، مما يجعلها أحماض أمينية قاعدية.
- الأسبارتات والجلوتامات: وهذه من الأحماض الأمينية المشحونة بشحنة سالبة، وهذا يجعلها من الأحماض الأمينية الحمضية.
كما تتميز بعض الأحماض الأمينية بتراكيب كيميائية مميزة وشاذة للغاية، مثل البرولين، وفيه ترتبط المجموعة الأمينية بنفسها وتُشكل تركيبًا حلقيًا.
في الحقيقة يُعتبر هذا الشكل مشوهًا نوعًا ما، وحتى من الناحية الوظيفية كثيرًا ما يتسبب البرولين في مشاكل في سلسلة الأحماض الأمينية.
أما السيستيسين فتتضمن مجموعته المتغيرة مجموعة ثيول SH، ويُمكن لهذه المجموعة الاتحاد مع مجموعة سيستيسين أخرى برابطة تساهمية، وهذا مهم للغاية لبنية البروتينات.
رابطة الببتيد
يتكون كل بروتين في أجسادنا من سلسلة أو مجموعة سلاسل متعددة الببتيد، وهي سلاسل تتضمن مجموعة محددة من الأحماض الأمينية التي ترتبط معًا بتناسق تام.
يُشبه البعض هذه السلاسل بكلمة طويلة للغاية وأحرف هذه الكلمة هي الأحماض الأمينية، ولكن كيف ترتبط الأحماض الأمينية معًا؟
ترتبط الأحماض الأمينية معًا من خلال روابط تساهمية يًطلق عليها اسم الببتيد، وينتج جزيء الماء من هذه الرابطة، وتفاصيلها موضحة في الشكل أدناه.
نُلاحظ في هذا الشكل أن مجموعة الكربوكسيل الطرفية في نهاية الحمض الأميني الأول هي التي تتحد مع الحمض الأميني الآخر، وهذه الرابطة هي رابطة الببتيد.
نُلاحظ أن للحمض الأميني طرفين ثابتين، ويُطلق على الطرف الي تقع فيه المجموعة الأمينية باسم الطرف N.
بينما يُطلق على الطرف الي تقع فيه مجموعة الكربوكسيل بالطرف C، وهذه المعلومة مهمة للغاية للمقال المقبل.
كما يتغير شكل سلاسل الأحماض الأمينية عندما تتحد معًا، وينتج عنها مركبات ثلاثية الأبعاد ذات خصائص كيميائية مميزة، وسيتم التطرق لتفاصيلها في المقال المقبل.
