پروتئین فقط زنجیرهای از آمینواسیدها نیست؛ این زنجیره باید به آرایش فضایی مناسبی برسد تا بتواند نقشی مانند کاتالیز واکنش، جابهجایی ماده یا استحکامبخشی به بافت را انجام دهد. به همین دلیل، گرمکردن سفیده تخممرغ یا افزودن اسید به شیر میتواند ظاهر و رفتار پروتئینها را تغییر دهد، بیآنکه لزوماً همه پیوندهای پپتیدی آنها شکسته شوند. این تغییر آرایش فضایی «دناتورهشدن» نام دارد. در این مقاله از ساختار اولیه تا سوم پروتئین پیش میرویم، نقش پیوند هیدروژنی، برهمکنشهای یونی و گروههای آبگریز را بررسی میکنیم و اثر دما و pH را با یک مثال روزمره و یک تمرین روشن تحلیل میکنیم.
توالی آمینواسیدها ساختار اولیه پروتئین را میسازد
هر آمینواسید یک گروه آمین، یک گروه کربوکسیل و یک زنجیره جانبی دارد. در واکنش تراکمی میان گروه کربوکسیل یک آمینواسید و گروه آمین آمینواسید دیگر، پیوند پپتیدی تشکیل و یک مولکول آب جدا میشود. تکرار این فرایند، زنجیره پلیپپتیدی را میسازد.
ترتیب قرارگرفتن آمینواسیدها در این زنجیره، ساختار اولیه نام دارد. این ترتیب صرفاً شمار آمینواسیدها نیست؛ جابهجایی حتی یک آمینواسید میتواند نوع برهمکنش زنجیره با بخشهای دیگر را عوض کند و بر شکل نهایی اثر بگذارد. پیوندهای پپتیدی از پیوندهای کووالانسی اصلی ستون زنجیرهاند و در شرایط معمول دناتورهشدن بهآسانی گسسته نمیشوند.
- ساختار اولیه یعنی ترتیب دقیق آمینواسیدها
- پیوند پپتیدی با واکنش تراکمی تشکیل میشود
- ستون اصلی پلیپپتید با پیوندهای کووالانسی نگه داشته میشود
- تغییر توالی میتواند شکل و کار پروتئین را تغییر دهد
پیوند هیدروژنی زنجیره را به آرایشهای منظم تا میکند
بخشهایی از ستون پلیپپتیدی میتوانند با پیوندهای هیدروژنی میان گروههای قطبی به آرایشهای منظمی مانند مارپیچ یا ورقه تبدیل شوند. به این الگوهای موضعی، ساختار دوم گفته میشود. پیوند هیدروژنی از پیوند کووالانسی ضعیفتر است، اما تعداد زیاد آنها میتواند آرایش زنجیره را بهطور مؤثری پایدار کند.
ساختار دوم را نباید با تشکیل یک مولکول تازه اشتباه گرفت؛ همان زنجیره پلیپپتیدی در فضا تا میخورد. همچنین همه بخشهای پروتئین الزاماً یک الگوی منظم یکسان ندارند. شکل واقعی میتواند ترکیبی از نواحی منظم و بخشهای انعطافپذیر باشد.
- ساختار دوم از تاخوردگی موضعی زنجیره پدید میآید
- پیوندهای هیدروژنی در پایداری آن نقش مهمی دارند
- تاخوردگی، توالی آمینواسیدها را تغییر نمیدهد
- یک پروتئین میتواند چند نوع آرایش موضعی داشته باشد
زنجیرههای جانبی شکل سهبعدی پروتئین را تعیین میکنند
در ساختار سوم، کل زنجیره پلیپپتیدی به شکل سهبعدی ویژهای درمیآید. گروههای جانبی قطبی میتوانند پیوند هیدروژنی برقرار کنند، گروههای دارای بار مخالف یکدیگر را جذب میکنند و بخشهای ناقطبی در محیط آبی معمولاً به سوی درون پروتئین جمع میشوند. در بعضی پروتئینها پل دیسولفیدی کووالانسی میان دو بخش زنجیره نیز به پایداری کمک میکند.
اگر پروتئین از چند زنجیره پلیپپتیدی ساخته شده باشد، نحوه کنارهمقرارگرفتن این زیرواحدها را ساختار چهارم مینامند. هموگلوبین نمونهای از پروتئین چندزنجیرهای است. در سطح دبیرستان، نکته اساسی این است که شکل فضایی حاصل جمع چند نوع برهمکنش است و نمیتوان پایداری پروتئین را فقط به یک پیوند نسبت داد.
- ساختار سوم شکل کلی یک زنجیره پلیپپتیدی است
- برهمکنشهای قطبی، یونی و آبگریز همزمان اثر میگذارند
- پل دیسولفیدی برخلاف پیوند هیدروژنی کووالانسی است
- ساختار چهارم به آرایش چند زیرواحد پروتئینی مربوط است
شکل سهبعدی با کار پروتئین پیوند مستقیم دارد
یک آنزیم باید جایگاه فعالی با شکل و گروههای شیمیایی مناسب داشته باشد تا ماده واکنشدهنده را بگیرد. پروتئین ناقل نیز باید بتواند مولکول هدف را بهطور انتخابی متصل و آزاد کند. بنابراین توالی، تاخوردگی و کارکرد سه موضوع جدا از هم نیستند: توالی بر برهمکنشها اثر میگذارد، برهمکنشها شکل را میسازند و شکل امکان انجام کار را فراهم میکند.
این ارتباط به معنی ثابتبودن کامل پروتئین نیست. مولکولهای پروتئینی مقداری حرکت و انعطاف دارند، اما از دسترفتن گسترده آرایش مناسب میتواند جایگاه فعال یا سطح اتصال را تغییر دهد. در نتیجه پروتئین ممکن است فعالیت زیستی خود را کم یا کاملاً از دست بدهد.
- کارکرد پروتئین به شکل مناسب آن وابسته است
- جایگاه فعال آنزیم بخشی از ساختار سهبعدی است
- پروتئینها انعطاف دارند، اما هر شکل دلخواهی فعال نیست
- تغییر شکل میتواند اتصال انتخابی را مختل کند
دناتورهشدن آرایش فضایی را برهم میزند
دناتورهشدن یعنی ازبینرفتن بخش مهمی از ساختار طبیعی دوم، سوم یا چهارم پروتئین بر اثر تغییر شرایط. در این فرایند معمولاً توالی آمینواسیدها و بیشتر پیوندهای پپتیدی حفظ میشوند؛ پس دناتورهشدن را نباید با آبکافت کامل پروتئین و تبدیل آن به آمینواسیدها یکی دانست.
پس از بازشدن زنجیرهها، بخشهایی که پیشتر درون پروتئین پنهان بودند میتوانند با مولکولهای دیگر برخورد کنند. گاهی زنجیرهها به هم میچسبند و تودهای نامحلول میسازند که «انعقاد» نامیده میشود. دناتورهشدن و انعقاد مرتبطاند، اما مترادف دقیق نیستند: دناتورهشدن تغییر ساختار است و انعقاد به تجمع مولکولها اشاره دارد.
- دناتورهشدن بیشتر ساختارهای بالاتر را تغییر میدهد
- پیوند پپتیدی معمولاً در دناتورهشدن عادی حفظ میشود
- آبکافت پروتئین با دناتورهشدن تفاوت دارد
- انعقاد میتواند پیامد تجمع پروتئینهای دناتورهشده باشد
گرما و pH بر نیروهای پایدارکننده اثر میگذارند
افزایش دما حرکت ذرهها را بیشتر میکند و میتواند برهمکنشهای ضعیفی مانند پیوند هیدروژنی را مختل کند. اگر اختلال از توان پروتئین برای حفظ تاخوردگی بیشتر شود، ساختار طبیعی باز میشود. دمای لازم برای این تغییر در همه پروتئینها یکسان نیست و به نوع پروتئین، زمان گرمکردن و ترکیب محیط بستگی دارد.
تغییر شدید pH نیز حالت پروتونگیری گروههای اسیدی و بازی زنجیرههای جانبی را عوض میکند. در نتیجه، بار بعضی گروهها و جاذبه یا دافعه الکتروستاتیکی میان آنها تغییر میکند و شکل پروتئین ممکن است ناپایدار شود. پس اسید لزوماً پیوند پپتیدی را فوراً نمیشکند؛ در بسیاری از مثالهای روزمره، نخست توزیع بار و تاخوردگی پروتئین تغییر میکند.
- گرما حرکت مولکولی را افزایش و برهمکنشهای ضعیف را مختل میکند
- pH میتواند بار زنجیرههای جانبی را تغییر دهد
- همه پروتئینها در یک دما یا pH دناتوره نمیشوند
- اثر شرایط به شدت و مدت اعمال آنها نیز وابسته است
مثال روشن: سفیدشدن سفیده تخممرغ را در مقیاس مولکولی توضیح بده
سفیده خام تخممرغ مقدار زیادی آب و پروتئینهای پراکنده دارد و تا اندازهای شفاف است. هنگام گرمکردن، بخشی از برهمکنشهای نگهدارنده ساختار طبیعی پروتئینها مختل میشود. زنجیرههای بازشده با یکدیگر برهمکنش میکنند و شبکهای نامنظم میسازند؛ این شبکه نور را پراکنده میکند و سفیده کدر و سفت به نظر میرسد.
در این مثال، مشاهده جامدشدن به معنی تبخیر کامل آب یا تبدیل همه پروتئینها به آمینواسید نیست. بخش مهم تغییر، دناتورهشدن و سپس تجمع پروتئینهاست. بازگرداندن سفیده پخته به حالت خام نیز عملاً رخ نمیدهد، زیرا تعداد زیادی برهمکنش تازه و تجمع گسترده زنجیرهها مسیر برگشت را بسیار دشوار کرده است.
تمرین مفهومی و نکات کلیدی
تمرین: آنزیمی پس از قرارگرفتن در محیط بسیار اسیدی فعالیت خود را از دست میدهد، اما آزمایش نشان میدهد جرم مولی زنجیره پلیپپتیدی آن تقریباً ثابت مانده است. محتملترین توضیح چیست؟ تغییر pH بار گروههای جانبی را عوض کرده، برهمکنشهای یونی و هیدروژنی مناسب را مختل کرده و شکل جایگاه فعال را تغییر داده است؛ ثابتماندن جرم مولی نیز با حفظ تقریبی پیوندهای پپتیدی سازگار است.
برای تحلیل سؤالها ابتدا مشخص کن سخن از تغییر توالی است یا تغییر تاخوردگی. سپس عامل محیطی را به نوع برهمکنشی که تحت تأثیر قرار میگیرد وصل کن و پیامد آن را بر شکل و کارکرد توضیح بده. از جملههای مطلق مانند «هر گرمایی همه پیوندها را میشکند» یا «دناتورهشدن همیشه برگشتناپذیر است» پرهیز کن؛ برگشتپذیری به پروتئین و شرایط بستگی دارد.
- ساختار اولیه را از ساختار فضایی جدا کن
- دناتورهشدن را مساوی شکستن همه پیوندهای پپتیدی ندان
- اثر دما را با اختلال برهمکنشهای ضعیف توضیح بده
- اثر pH را به تغییر بار گروههای جانبی ربط بده
- تغییر شکل میتواند فعالیت زیستی را کاهش دهد
- برگشتپذیری دناتورهشدن برای همه پروتئینها یکسان نیست
برای تحلیل ساختار پروتئین، از توالی به شکل و سپس به کارکرد حرکت کن: پیوندهای پپتیدی ساختار اولیه را میسازند؛ پیوند هیدروژنی و برهمکنشهای گروههای جانبی، ساختارهای بالاتر را پایدار میکنند؛ و شکل سهبعدی مناسب امکان فعالیت زیستی را فراهم میآورد. گرما یا تغییر شدید pH میتواند این برهمکنشها را برهم بزند و پروتئین را دناتوره کند، بیآنکه لزوماً زنجیره به آمینواسیدهای جدا تبدیل شود. در هر سؤال، عامل محیطی، نوع برهمکنش آسیبدیده، تغییر شکل و پیامد عملکردی را به ترتیب بررسی کن و دناتورهشدن، آبکافت و انعقاد را سه مفهوم متمایز بدان.
مبنای آموزش، مفاهیم کتاب درسی است. برای جزئیات منابع و مقررات هر سال، دفترچه و اطلاعیه رسمی سازمان سنجش را بررسی کن.