پروتئین ها که نقش بیولوژیکی آنها امروزه مورد توجه قرار خواهد گرفت، ترکیبات درشت مولکولی هستند که از اسیدهای آمینه ساخته شده اند. در میان سایر ترکیبات آلی، آنها از نظر ساختار پیچیده ترین هستند. با توجه به ترکیب عنصری، پروتئین ها با چربی ها و کربوهیدرات ها متفاوت هستند: علاوه بر اکسیژن، هیدروژن و کربن، آنها همچنین حاوی نیتروژن هستند. علاوه بر این، گوگرد جزء ضروری مهم ترین پروتئین ها است و برخی حاوی ید، آهن و فسفر هستند.
نقش بیولوژیکی پروتئین بسیار بالاست. این ترکیبات هستند که بخش عمده ای از توده پروتوپلاسم و همچنین هسته سلول های زنده را تشکیل می دهند. پروتئین ها در همه موجودات جانوری و گیاهی یافت می شوند.
یک یا چند تابع
نقش بیولوژیکی و عملکرد ترکیبات مختلف آنها متفاوت است. به عنوان یک ماده با ساختار شیمیایی خاص، هر پروتئین عملکرد بسیار تخصصی را انجام می دهد. فقط در برخی موارد می تواند چندین مورد به هم پیوسته را همزمان انجام دهد. مثلاً آدرنالین که در بصل النخاع تولید می شودغدد فوق کلیوی، با ورود به جریان خون، باعث افزایش فشار خون و مصرف اکسیژن، قند خون می شود. علاوه بر این، محرک سوخت و ساز بدن است و در حیوانات خونسرد نیز واسطه سیستم عصبی است. همانطور که می بینید، عملکردهای زیادی را همزمان انجام می دهد.
عملکرد آنزیمی (کاتالیزوری)
واکنش‌های بیوشیمیایی متنوعی که در موجودات زنده رخ می‌دهند در شرایط ملایمی انجام می‌شوند که در آن دما نزدیک به ۴۰ درجه سانتی‌گراد است و مقادیر pH تقریباً خنثی است. در این شرایط، نرخ جریان بسیاری از آنها ناچیز است. بنابراین، برای تحقق آنها، به آنزیم هایی نیاز است - کاتالیزورهای بیولوژیکی ویژه. تقریباً تمام واکنش‌ها، به جز فتولیز آب، در موجودات زنده توسط آنزیم‌ها کاتالیز می‌شوند. این عناصر یا پروتئین هستند یا مجتمع های پروتئینی با یک کوفاکتور (مولکول آلی یا یون فلز). آنزیم ها بسیار انتخابی عمل می کنند و فرآیند لازم را شروع می کنند. بنابراین، عملکرد کاتالیزوری مورد بحث در بالا یکی از عملکردهایی است که پروتئین ها انجام می دهند. نقش بیولوژیکی این ترکیبات اما به اجرای آن محدود نمی شود. بسیاری از ویژگی های دیگر وجود دارد که در زیر به آنها نگاه خواهیم کرد.
عملکرد حمل و نقل
برای وجود یک سلول لازم است که مواد زیادی وارد آن شود که انرژی و مصالح ساختمانی آن را تامین می کند. تمام غشاهای بیولوژیکی به صورت مشترک ساخته می شونداصل این یک لایه دوگانه از لیپیدها است، پروتئین ها در آن غوطه ور می شوند. در همان زمان، مناطق آبدوست ماکرومولکول ها روی سطح غشاها متمرکز می شوند و "دم" های آبگریز در ضخامت آنها متمرکز می شوند. این ساختار نسبت به اجزای مهم غیر قابل نفوذ باقی می ماند: اسیدهای آمینه، قندها، یون های فلز قلیایی. نفوذ این عناصر به داخل سلول با کمک پروتئین های انتقالی که در غشای سلولی تعبیه شده اند، اتفاق می افتد. برای مثال، باکتری‌ها پروتئین خاصی دارند که لاکتوز (قند شیر) را در غشای خارجی انتقال می‌دهد.
جانداران چند سلولی سیستمی برای انتقال مواد مختلف از یک اندام به اندام دیگر دارند. ما در درجه اول در مورد هموگلوبین صحبت می کنیم (تصویر بالا). علاوه بر این، آلبومین سرم (پروتئین حمل و نقل) به طور مداوم در پلاسمای خون وجود دارد. این توانایی تشکیل کمپلکس های قوی با اسیدهای چرب تشکیل شده در طول هضم چربی ها، و همچنین با تعدادی از اسیدهای آمینه آبگریز (به عنوان مثال، با تریپتوفان) و با بسیاری از داروها (برخی پنی سیلین ها، سولفونامیدها، آسپرین) را دارد. ترانسفرین که واسطه انتقال یون های آهن در بدن است، مثال دیگری است. همچنین می توان به سروپلاسمین اشاره کرد که حامل یون های مس است. بنابراین، ما عملکرد انتقالی را که پروتئین ها انجام می دهند در نظر گرفته ایم. نقش بیولوژیکی آنها نیز از این منظر بسیار مهم است.
عملکرد گیرنده
پروتئین های گیرنده به ویژه برای حمایت از حیات موجودات چند سلولی اهمیت زیادی دارند. آنها ساخته شده اندوارد غشای سلول پلاسما شده و برای درک و تبدیل بیشتر سیگنال‌هایی که وارد سلول می‌شوند، خدمت می‌کنند. در این مورد، سیگنال ها می توانند هم از سلول های دیگر و هم از محیط باشند. گیرنده های استیل کولین در حال حاضر بیشترین مطالعه را دارند. آنها در تعدادی از تماس های بین عصبی روی غشای سلولی، از جمله در اتصالات عصبی عضلانی، در قشر مغز قرار دارند. این پروتئین ها با استیل کولین تعامل می کنند و سیگنالی را به سلول منتقل می کنند.
انتقال دهنده عصبی برای دریافت سیگنال و تبدیل آن باید حذف شود تا سلول این فرصت را داشته باشد که برای درک سیگنال های بعدی آماده شود. برای این، از استیل کولین استراز استفاده می شود - یک آنزیم ویژه که هیدرولیز استیل کولین را به کولین و استات کاتالیز می کند. آیا این درست نیست که عملکرد گیرنده ای که پروتئین ها انجام می دهند نیز بسیار مهم است؟ نقش بیولوژیکی عملکرد محافظتی بعدی برای بدن بسیار زیاد است. به سادگی نمی توان با این مخالفت کرد.
عملکرد محافظت
در بدن، سیستم ایمنی با تولید تعداد زیادی لنفوسیت به ظهور ذرات خارجی در آن پاسخ می دهد. آنها می توانند به طور انتخابی به عناصر آسیب بزنند. چنین ذرات خارجی می توانند سلول های سرطانی، باکتری های بیماری زا، ذرات فوق مولکولی (ماکرومولکول ها، ویروس ها و غیره) باشند. لنفوسیت های B گروهی از لنفوسیت ها هستند که پروتئین های خاصی تولید می کنند. این پروتئین ها در سیستم گردش خون آزاد می شوند. آنها ذرات خارجی را تشخیص می دهند، در حالی که یک مجتمع بسیار خاص را در مرحله تخریب تشکیل می دهند. این پروتئین ها ایمونوگلوبولین نامیده می شوند. به مواد خارجی آنتی ژن می گویند.که باعث پاسخ سیستم ایمنی می شود.
عملکرد ساختاری
علاوه بر پروتئین هایی که عملکردهای بسیار تخصصی را انجام می دهند، پروتئین هایی نیز وجود دارند که اهمیت آنها عمدتاً ساختاری است. به لطف آنها، استحکام مکانیکی و همچنین سایر خواص بافت موجودات زنده فراهم می شود. این پروتئین ها، اول از همه، کلاژن هستند. کلاژن (تصویر زیر) در پستانداران حدود یک چهارم جرم پروتئین ها را تشکیل می دهد. در سلولهای اصلی تشکیل دهنده بافت همبند (به نام فیبروبلاست) سنتز می شود.
در ابتدا، کلاژن به عنوان پروکلاژن - پیش ساز آن، تشکیل می شود که تحت پردازش شیمیایی در فیبروبلاست ها قرار می گیرد. سپس به شکل سه زنجیره پلی پپتیدی که به صورت مارپیچی پیچ خورده اند تشکیل می شود. آنها در خارج از فیبروبلاست ها به فیبرهای کلاژن با قطر چند صد نانومتر ترکیب می شوند. دومی رشته‌های کلاژنی را تشکیل می‌دهند که از قبل زیر میکروسکوپ دیده می‌شوند. در بافت‌های الاستیک (دیواره‌های ریه، رگ‌های خونی، پوست)، ماتریکس خارج سلولی علاوه بر کلاژن، حاوی پروتئین الاستین نیز می‌باشد. می تواند در محدوده نسبتاً وسیعی کشیده شود و سپس به حالت اولیه خود بازگردد. مثال دیگری از پروتئین ساختاری که می توان در اینجا ارائه کرد فیبروئین ابریشم است. در طول تشکیل شفیره کرم ابریشم جدا می شود. جزء اصلی نخ های ابریشم است. بیایید به توصیف پروتئین های حرکتی برویم.
پروتئین های حرکتی
و در اجرای فرآیندهای حرکتی نقش بیولوژیکی پروتئین ها زیاد است.اجازه دهید به طور خلاصه در مورد این تابع صحبت کنیم. انقباض عضلانی فرآیندی است که طی آن انرژی شیمیایی به کار مکانیکی تبدیل می شود. شرکت کنندگان مستقیم آن دو پروتئین هستند - میوزین و اکتین. میوزین ساختار بسیار غیر معمولی دارد. از دو سر کروی و یک دم (بخش رشته ای بلند) تشکیل شده است. حدود 1600 نانومتر طول یک مولکول است. هدها تقریباً 200 نانومتر هستند.
اکتین (تصویر بالا) یک پروتئین کروی با وزن مولکولی 42000 است. می تواند پلیمریزه شود و ساختاری طولانی تشکیل دهد و به این شکل با سر میوزین تعامل کند. یکی از ویژگی های مهم این فرآیند وابستگی آن به حضور ATP است. اگر غلظت آن به اندازه کافی زیاد باشد، کمپلکس تشکیل شده توسط میوزین و اکتین از بین می رود و پس از هیدرولیز ATP در نتیجه عمل میوزین ATPase، دوباره احیا می شود. این فرآیند را می توان برای مثال در محلولی که هر دو پروتئین در آن وجود دارد مشاهده کرد. در نتیجه تشکیل یک کمپلکس با وزن مولکولی بالا در غیاب ATP، ویسکوز می شود. هنگامی که اضافه می شود، ویسکوزیته به دلیل تخریب کمپلکس ایجاد شده به شدت کاهش می یابد، پس از آن به تدریج در نتیجه هیدرولیز ATP شروع به بهبود می کند. در فرآیند انقباض عضلانی، این فعل و انفعالات نقش بسیار مهمی دارند.
آنتی بیوتیک
ما همچنان موضوع "نقش بیولوژیکی پروتئین در بدن" را آشکار می کنیم. یک گروه بسیار بزرگ و بسیار مهمترکیبات طبیعی موادی به نام آنتی بیوتیک را تشکیل می دهند. منشا میکروبی دارند. این مواد توسط انواع خاصی از میکروارگانیسم ها ترشح می شوند. نقش بیولوژیکی اسیدهای آمینه و پروتئین ها غیرقابل انکار است، اما آنتی بیوتیک ها عملکرد ویژه و بسیار مهمی دارند. آنها از رشد میکروارگانیسم هایی که با آنها رقابت می کنند جلوگیری می کنند. در دهه 1940، کشف و استفاده از آنتی بیوتیک ها انقلابی در درمان بیماری های عفونی ناشی از باکتری ایجاد کرد. لازم به ذکر است که در بیشتر موارد آنتی بیوتیک ها روی ویروس ها اثر نمی کنند، بنابراین استفاده از آنها به عنوان داروهای ضد ویروسی بی اثر است.
نمونه هایی از آنتی بیوتیک ها
گروه پنی سیلین اولین گروهی بود که مورد استفاده قرار گرفت. نمونه هایی از این گروه آمپی سیلین و بنزیل پنی سیلین هستند. آنتی بیوتیک ها از نظر مکانیسم اثر و ماهیت شیمیایی متفاوت هستند. برخی از آنهایی که امروزه به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند با ریبوزوم های انسانی تعامل دارند، در حالی که سنتز پروتئین در ریبوزوم های باکتریایی مهار می شود. در همان زمان، آنها به سختی با ریبوزوم های یوکاریوتی تعامل دارند. بنابراین، آنها برای سلول های باکتریایی مخرب، و برای حیوانات و انسان کمی سمی هستند. این آنتی بیوتیک ها عبارتند از استرپتومایسین و لوومایستین (کلرامفنیکل).
نقش بیولوژیکی بیوسنتز پروتئین بسیار مهم است و این فرآیند خود دارای چندین مرحله است. ما فقط در مورد آن به طور کلی صحبت خواهیم کرد.
فرایند و نقش بیولوژیکی بیوسنتز پروتئین
این فرآیند چند مرحله ای و بسیار پیچیده است. در ریبوزوم ها رخ می دهد -اندامک های ویژه سلول حاوی ریبوزوم های زیادی است. به عنوان مثال، E. coli حدود 20 هزار مورد از آنها دارد.
"فرایند بیوسنتز پروتئین و نقش بیولوژیکی آن را شرح دهید" - چنین وظیفه ای که بسیاری از ما در مدرسه دریافت کردیم. و برای خیلی ها سخت بوده است. خوب، بیایید سعی کنیم آن را با هم بفهمیم.
مولکول های پروتئین زنجیره های پلی پپتیدی هستند. همانطور که می دانید آنها از اسیدهای آمینه منفرد تشکیل شده اند. با این حال، دومی ها به اندازه کافی فعال نیستند. به منظور ترکیب و تشکیل یک مولکول پروتئین، آنها نیاز به فعال سازی دارند. این در نتیجه عمل آنزیم های خاص رخ می دهد. هر اسید آمینه آنزیم خاص خود را دارد که به طور خاص برای آن تنظیم شده است. منبع انرژی برای این فرآیند ATP (آدنوزین تری فسفات) است. در نتیجه فعال شدن، اسید آمینه ناپایدارتر می شود و تحت تأثیر این آنزیم به t-RNA متصل می شود که آن را به ریبوزوم منتقل می کند (به همین دلیل به این RNA انتقال می گویند). بنابراین، اسیدهای آمینه فعال مرتبط با tRNA وارد ریبوزوم می شوند. ریبوزوم نوعی نوار نقاله برای جمع آوری زنجیره های پروتئینی از اسیدهای آمینه ورودی است.
نقش سنتز پروتئین به سختی قابل برآورد است، زیرا ترکیبات سنتز شده عملکردهای بسیار مهمی را انجام می دهند. تقریباً تمام ساختارهای سلولی از آنها تشکیل شده است.
بنابراین، ما به طور کلی فرآیند بیوسنتز پروتئین و نقش بیولوژیکی آن را شرح داده ایم. این مقدمه ما را با پروتئین ها به پایان می رساند. امیدواریم تمایل به ادامه آن داشته باشید.
