پروتئین ها در نقش مولکول‌های اجرایی سلول عمل می‌کنند. همچنین اختصاصیت عملکرد سلول‌ها نیز تا حد بسیار زیادی وابسته به پروتئین‌هایی است که در آن سلول تولید می‌شود. همه سلول‌های بدن در موجوداتی مانند انسان، از یک سلول تخم اولیه با ماده ژنتیکی یکسان ایجاد شده اند. پس چرا با وجود ماده ژنتیکی یکسان، سلول های گوناگونی به وجود می‌آید؟ علت فعال نبودن تمامی ژن ها در تمام سلول‌هاست (اصطلاحا بعضی ژن‌ها خاموش هستند و بعضی دیگر روشن). اینکه تمامی ژن ها در تمام سلول‌ها تبدیل به پروتئین نشده و در هر سلول پروتئین های اختصاصی تولید می‌شوند، سبب تولید سلول‌های اختصاصی و در نتیجه بافت و اندام‌های گوناگون در موجوداتی مانند انسان می‌شود. پروتئین ها عامل مهمی در ایجاد اختصاصیت سلول ها هستند و در این درسنامه قصد داریم به صورت جزئی‌تری با پروتئین ها آشنا شویم.
پروتئین ها از اسیدهای آمینه تشکیل شده اند
بلوک‌های سازنده پروتئین ها اسیدهای آمینه هستند. تمام اسیدهای آمینه ساختمان مشترکی دارند. در مرکز اسیدآمینه کربن قرار دارد که تحت عنوان کربن آلفا شناخته می‌شود. این کربن با چهار پیوند به:
- یک اتم هیدروژن (H)
- یک گروه آمین (NH2)
- یک گروه کربوکسیل (COOH)
- یک زنجیره جانبی
متصل است. گروه جانبی اسید آمینه با R نمایش داده می‌شود و بخش متغیر این ساختار است. در حقیقت بسته به گروه جانبی هر اسید آمینه، ماهیت آن تغییر کرده و به یک ساختمان جدید تبدیل می‌شود. باقی سه بخش ابتدایی در بین اسیدهای آمینه مشترک هستند.
در تصویر زیر ساختارهای مختلف آمینواسیدی را مشاهده می‌کنید.
با توجه به اکثر کتب و منابع بیولوژی، ۲۰ اسیدآمینه اصلی مسئول ساخت هزاران پروتئین گوناگون در انسان ها می‌باشند. بسته به ماهیت زنجیره جانبی، آسیدهای آمینه در گروه های مختلفی قرار می‌گیرند. این گروه ها شامل:
اسید آمینه های قطبی (هیدروفیل)
- سرین (Ser)
- ترئونین (Thr)
- سیستئین (Cys)
- تیروزین (Tyr)
- آسپارژین (Asn)
- گلوتامین (Gln)
اسید آمینه های غیرقطبی (هیدروفوب)
- گلیسین (Gly)
- آلانین (Ala)
- والین (Val)
- لوسین (Leu)
- ایزولوسین (Ile)
- متیونین (Met)
- فنیل آلانین (Phe)
- تریپتوفان (Trp)
- پرولین (Pro)
اسید آمینه های با بار منفی (اسیدی)
- آسپارتیک اسید (آسپارتات) (Asp)
- گلوتامیک اسید (گلوتامات) (Glu)
اسید آمینه های با بار مثبت (بازی)
- لیزین (Lys)
- آرژینین (Arg)
- هیستیدین (His)
نکته: اسیدهای آمینه هم به صورت نماد سه حرفی و هم نماد تک حرفی نمایش داده می‌شوند. از طریق این لینک می‌توانید جدول کامل نام گذاری اسیدهای آمینه را مشاهده نمایید.
پروتئین ها چگونه تولید می‌شوند؟
دستورات مربوط به تولید پروتئین به کمک mRNA از هسته به سیتوپلاسم ارسال می‌گردند. در حقیقت مولکول DNA به عنوان حافظه ژنتیکی سلول در هسته باقی می ماند و برای ارسال اطلاعات خود به بخش های مختلف سلول، از مولکول های RNA استفاده می‌کند. فرآیند تولید RNA از DNA تحت عنوان رونویسی یا نسخه برداری (Transcription) نامیده می‌شود. همچنین طی فرآیند ترجمه (Translation)، در صورتی که mRNA بالغ وارد محیط سیتوپلاسم شده باشد، عمل تولید پروتئین صورت می‌پذیرد.
یک مولکول mRNA حاوی سه بخش اصلی است:
- 3′UTR
- 5′UTR
- CDS
در حقیقت CDS ناحیه ای از mRNA است که حاوی رمز مورد نظر برای تولید پروتئین می‌باشد. دو بخش غیرکدشونده ′3 و ′5 به فرآیند ترجمه به شیوه دیگری کمک می‌کنند. در ناحیه CDS، نوکلئوتیدهای ۳ تایی به عنوان کد مربوط به یک اسید آمینه شناخته می‌شوند. در حقیقت به ازای هر ۳ نوکلئوتید (که از این پس کدون می‌نامیم)، یک اسید آمینه به رشته پپتیدی اضافه می‌گردد.
اولین کدون مربوط به متونین است که تحت عنوان متیونین آغازین شناخته می‌شود. به دنبال قرارگیری متیونین آغازین در ابتدای توالی، یکی یکی اسیدهای آمینه دیگر به کمک tRNA و ریبوزوم به رشته در حال سنتز پپتیدی اضافه می‌گردند (جزئیات فرآیند ترجمه در فصل مربوطه بررسی خواهد شد). بعد از ترجمه تمامی کدون های مربوط به پروتئین مدنظر، یک تک رشته پپتیدی حاوی اسید آمینه های مختلف تولید می‌شود. این ساختار تحت عنوان ساختمان اولیه پروتئین نیز شناخته می‌شود. در ادامه بسته به توالی آمینواسیدی حاصل، ساختارهای دیگری از پروتئین حاصل خواهد شد که ساختار نهایی حاصل، نقش مستقیمی در اعمال وظیفه آن پروتئین دارد.
انواع وظایف پروتئین
پروتئین های بسته به ساختار و ماهیتی که دارند، نقش های گوناگونی را درون و بیرون از سلول ایفا می‌کنند. در حقیقت سرنوشت پروتئین وابسته به رمز ژنتیکی است که از آن تولید شده است. در صورت بروز جهش در هر نقطه از ژن یک پروتئین به خصوص، احتمال ایجاد اخلال در فعالیت طبیعی آن پروتئین نیز وجود دارد. بنابراین، بسته به توالی ژن، پروتئین های گوناگونی حاصل شده و وارد فرآیندهای تخصصی می‌شوند (البته لازم به ذکر است، از یک رونوشت mRNA بسته به شیوه پردازش آن، می توان پروتئین های گوناگونی را نیز شاهد بود).
پروتئین های آنزیمی
بسیاری از آنزیم های درون بدن و سلول‌ها، ماهیت پروتئینی دارند. آنزیم ها نقش کاتالیزوری داشته و سبب تسریع انجام فرآیندهای شیمیایی می‌شوند. با توجه به اینکه آنزیم‌ها به صورت تخصصی به سوبسترای مشخصی متصل و فرآیند واکنش را کاتالیز می‌کنند، وجودشان برای فرآیندهای زیستی به خصوص متابولیسم ضروری است. بیماری‌های گوناگونی در انسان به دلیل نقص در آنزیم‌ها به وجود می‌آیند و وجود این پروتئین‌ها برای ساز و کار طبیعی سلول‌ها ضروری است.
پروتئین های دفاعی
اجزای مهم سیستم ایمنی از نوع پروتئین هستند. یکی از معروف‌ترین اجزای این سیستم که نتیجه ورود یک آنتی ژن به بدن تولید می‌شود، آنتی بادی ها هستند. سایتوکاین ها نیز نوع دیگری از پروتئین ها هستند که در فعل و انفعالات ایمونولوژیکی نقش دارند.
پروتئین های ذخیره ای
نوع دیگر پروتئین ها، ذخیره ای است. این پروتئین ها با هدف ذخیره آمینواسید نقش ایفا می‌کنند. به عنوان مثال، کازئین، پروتئین شیر، منبع اصلی اسیدهای آمینه برای فرزندان پستانداران است. گیاهان پروتئین های ذخیره ای را در دانه های خود دارند. Ovalbumin پروتئین سفیده تخم مرغ است که به عنوان منبع اسید آمینه برای جنین در حال رشد استفاده می شود.
پروتئین های انتقالی
نوع دیگر پروتئین‌ها، در فرآیندهای انتقالی نقش دارند. این پروتئین ها به عنوان حامل سبب جا به جایی مولکول‌های دیگر می‌شوند. به عنوان مثال، هموگلوبین، پروتئین حاوی آهن خون مهره داران، اکسیژن را از ریه ها به سایر قسمت‌های بدن منتقل می کند. همچنین پروتئین‌ها در غشاء به صورت اختصاصی سبب عبور مولکول‌های گوناگون می‌شوند. در حقیقت غشاء خاصیت نفوذ پذیری انتخابی دارد و آن را مدیون پروتئین‌هایی است که به برخی مولکول‌های خاص اجازه عبور می‌دهند.
پروتئین های هورمونی
هورمون‌ها نوع دیگری از پروتئین‌ها می‌باشند. هورمون‌ها پیام رسان‌های شیمیایی بدن هستند که سیگنال‌هایی را به جریان خون و بافت‌های مختلف می فرستند. هورمون‌ها بر بسیاری از فرآیندهای مختلف، از جمله رشد و تکامل، متابولیسم و نحوه دریافت انرژی بدن از غذاهایی که می خوریم، عملکرد جنسی، تولید مثل و خلق و خوی فرد تاثیر می‌گذارند. یک مثال معروف از هورمون انسولین است. انسولین هورمونی است که توسط پانکرانس تولید می شود و میزان گلوکز در جریان خون را در هر لحظه کنترل می کند. همچنین به ذخیره گلوکز در کبد، چربی و ماهیچه ها کمک می‌کند. در نهایت، سبب تنظیم متابولیسم کربوهیدرات ها، چربی ها و پروتئین های بدن می‌شود.
پروتئین های رسپتوری
پروتئین های رسپتوری با اتصال به لیگاند خود سبب پاسخ سلول به محرک های شیمیایی می‌شوند. در سطح سلول‌ها رسپتورهای گوناگونی وجود دارند که هریک به لیگاندی به خصوص متصول می‌شوند. همانطور که از اسم این پروتئین‌ها پیداست، در نقش گیرنده عمل می‌کنند و پس از اتصال به لیگاند، مسیرهایی درون سلول فعال می‌شود که سبب ایجاد یک پاسخ به پیام ارسالی خواهد شد.
پروتئین های انقباضی و موتوری
این پروتئین ها در فرآیند انقباض ماهیچه‌ها و نیز حرکت برخی سلول‌ها نقش دارند (مانند اکتین). همچنین پروتئین های حرکتی نیروی محرکه انقباض عضلانی هستند و مسئول انتقال فعال بیشتر پروتئین ها و وزیکول ها در سیتوپلاسم هستند. پروتئین‌هایی که در نقش موتورهای مولکولی عمل می‌کنند، قادر به حرکت در امتداد سطح در یک بستر مناسب بوده و از هیدرولیز آدنوزین تری فسفات (ATP) برای عملکرد خود استفاده می‌کنند. در حقیقت این پروتئین‌ها انرژی آزاد شده از هیدرولیز ATP را به کار مکانیکی برای انجام فرآیندهای بیولوژیکی اساسی، مانند نقل و انتقالات درون سلولی تبدیل می کنند. از موتورهای پروتئنیی می توان به میوزین و کاینزین اشاره کرد.
پروتئین های ساختاری
همان‌گونه که از اسم این پروتئین‌ها پیداست، نقش ساختاری و پشتیبانی از ساختارهای سلولی را برعهده دارند. مانند کراتین که پروتئین مو، شاخ، پر و سایر زائده های پوست است. حشرات و عنکبوت ها به ترتیب از الیاف ابریشم برای ساخت پیله و تار خود استفاده می کنند. پروتئین های کلاژن و الاستین نیز یک چارچوب فیبری در بافت های همبند حیوانات ایجاد می کنند.
جمع بندی
همانطور که در این درسنامه مشاهده کردیم، پروتئین‌ها خانواده بزرگ و متنوعی از مولکول‌های زیستی را شامل می‌شوند و با توجه به نقش اختصاصی که دارند، سبب ایجاد سلول‌ها با وظایف اختصاصی نیز می‌شوند. برای سالیان سال درک ساختار و عملکرد پروتئین‌ها یک موضوع مهم و جذاب برای پژوهشگران حوزه بیولوژی بوده است. امروز نیز پروتئین‌ها همچنان جذابیت خود را حفظ کرده اند و دانشمندان، پا را فراتر از صرفا درک آن‌ها گذاشته اند. تکنیک‌های مهندسی پروتئین، امکان تولید و دستکاری پروتئین‌ها برای اهداف گوناگون را می‌دهد. به دلیل کاربرد بسیار وسیع این مولکول‌ها در حوزه های مختلف (به خصوص غذا و نیز سلامت)، هم می‌توان با اهداف پژوهشی و هم تولیدی حوزه پروتئین را دنبال کرد. لازم به ذکر است همچنان سوالات و معماهای بسیاری در مورد پروتئین‌ها وجود دارند و طبیعتا موفقیت حداکثری در این حوزه، منوط به درک کافی ساختار و عملکرد این مولکول‌های جذاب زیستی است.