books cellular functions

البروتينات هي الجزيئات الرئيسية الوظيفية داخل الخلية، فهي تقوم بعمليات محددة بواسطة المعلومة المشفرة في الجينات. باستثناء بعض أنواع الرنا فإن معظم أنواع الجزيئات البيولوجية الأخرى تعتبر عناصر خاملة مقارنة بعمل البروتينات، تشكل البروتينات نصف الوزن الجاف من خلية الإشريكية القولونية في حين أن الجزيئات الضحمة الأخرى مثل الدنا والرنا يشكلان فقط 3% و20% على التوالي. تُعرف مجموعة البروتينات المعبر عنها في خلية محددة أو نوع من الخلايا باسم بروتيوم.

الخاصية الرئيسية للبروتينات التي تسمح بتعدد وظائفها وتنوعها هي قدرتها على الارتباط بالجزيئات الأخرى بإحكام ودقة. تُعرف منطقة البروتين المسؤولة عن الارتباط بجزيء آخر بموقع الارتباط وهي في الغالب انخفاضٌ أو "جيبٌ" على سطح الجزيء. تساهم بنية البروتين الثالثية في القدرة على الارتباط، وهذا يحدد جيب موقع الرتباط وتساهم فيها كذلك الخصائص الكيميائية للسلاسل الجانبية للأحماض الأمينية المحيطة. يمكن أن يكون الارتباط البروتيني محكما ومحددا بشكل كبير، على سبيل المثال يرتبط بروتين مثبط الريبونوكلياز بمولد الأوعية البشري ذي ثابت انحلال الأقل من فيمتومولر (<10⁻¹⁵ M) لكن لا يرتبط على الإطلاق بنظيره البرمائي رانبيرناز (>1 M). أصغر التغيرات الكيميائية مثل إضافة مجموعة ميثيل واحدة إلى جزيء يرتبط به البروتين، يمكن أن يكون كافيا لعدم حدوث الارتباط، فمثلا: مخلقة أمينوسيل الرنا الناقل الخاصة بالحمض الأميني فالين قادرة على التفريق بين سلسلته الجانبية وبين السلسلة الجانبية المماثلة جدا الخاصة بالحمض الأميني إيزوليوسين.

يمكن للبروتينات الارتباط ببروتينات أخرى وكذلك بركائز جزيئية صغيرة. حين ترتبط البروتينات بشكل محدد مع نسخ أخرى من نفس الجزيء، يمكنها الاتحاد لتشكيل لييفات، وتظهر هذه العملية في الغالب لدى البروتينات البنيوية التي تتكون من موحودات كروية ترتبط ذاتيا لتشكل أليافا صلبة. تآثرات البروتين-بروتين تنظم النشاط الإنزيمي، تتحكم في التقدم في دورة الخلية وتسمح بتجميع مركبات البروتين الكبيرة التي تقوم بالعديد من التفاعلات ذات الصلة والتي لها وظيفة بيولوجية مشتركة. يمكن للبروتينات أن ترتبط بالغشاء الخلوي وحتى الاندماج به. قدرة الجزيئات المرتبَط بها على إحداث تغيرات شكلية في البروتين يسمح بببناء شبكات تأشير معقدة للغاية. لأن التآثرات بين البروتينات قابلة للعكس وتعتمد بشكل كبير على توفر مجموعات مختلفة من البروتينات المرتبَط بها لتشكيل معقدات قادرة على القيام بمجموعة مميزة من الوظائف. دراسة التآثرات بين بروتينات محددة هو مفتاحٌ لفهم المظاهر المهم للوظيفة الخلوية، وبشكل نهائي فهم الخصائص التي تميز أنواع خلايا محدة.

الإنزيمات

الدور الأكثر شهرة للبروتينات في الخلية هو عملها كإنزيمات، حيث تقوم بتحفيز التفاعلات الكيميائية. عادة الإنزيمات لها أعمال محددة ولا تحفز سوى واحدا أو بضعة تفاعلات كيميائية. تحفز الإنزيمات معظم التفاعلات الخاصة بالأيض وكذلك التفاعلات المتعلقة بالدنا في عمليات مثل تضاعف الدنا، ترميم الدنا والنسخ. تعمل بعض الإنزيمات على بروتينات أخرى فتقوم بإضافة أو إزالة مجموعات كيميائية في عملية تعرف بتعديلات ما بعد الترجمة. حوالي 4آلاف تفاعل معروف بأن الإنزيمات تقوم بتحفيزها. معدل التسارع الذي تمنحه الإنزيمات المحفزة يكون كبيرا جدا، ويصل إلى 10¹⁷ مرة من معدل العمليات غير المحفزة كما هو الحال لدى نازعة كربوكسيل 5"-فسفات الأوروتيدين (78 مليون سنة من دون الإنزيم، 18 ميلي ثانية مع الإنزيم).

تسمى الجزيئات التي ترتبط وتعمل عليها الإنزيمات بالركائز، ورغم أن الإنزيمات يمكن أن تتكون من المئات من الأحماض الأمينية؛ لايقوم بالتآثر مع الركيزة سوى عدد صغير من الوحدات، وعدد أصغر من تلك الوحدات -ثلاث أو أربع وحدات في المتوسط- هو من يقوم بالتحفيز بشكل مباشر. تُعرف منطقة الإنزيم التي ترتبط بالركيزة وتتحوي على الوحدات المحفزة باسم الموقع النشط. البروتينات الموجهة هي قسم من البروتينات تحدد الكيمياء الفراغية للمركبات المخلقة بواسطة إنزيمات أخرى.

إشارات الخلية والارتباط بالربائط

لدى العديد من البروتينات وظائف مرتبطة بعملية تأشير الخلية ونقل الإشارة. بعض البروتينات كالأنسولين هي بروتينات خارج خلوية تنقل إشارة من الخلية التي خُلّقت فيها إلى خلايا أخرى في أنسجة بعيدة. تعمل البروتينات الغشائية كمستقبلات وظيفتها الأساسية الارتباط بجزيء إشارة وإحداث استجابة بيوكيميائية في الخلية، العديد من المستقبلات لديها موقع ارتباط مكشوف على سطح الخلية ونطاق مؤثِّر داخل الخلية والذي يمكن أن يكون لديه نشاط إنزيمي أو يحدث له تغيُّرٌ في البنية تكشفه بروتينات أخرى داخل الخلية.

الأجسام المضادة هي مكونات بروتينية لجهاز مناعي تكيفي مهمتها الأساسية الارتباط بمولدات الضد أو الجزيئات الأجنبية في الجسم واستهدافها من أجل تدميرها. يمكن إفراز الأجسام المضادة إلى محيطٍ خارج خلوي أو تثبيتها في الأغشية ذات الخلايا البائية المتخصصة والمعروفة بالخلايا البلازمية. أُلفة الإنزيمات في الارتباط بركائزها محدودة بضرورة تحفيز تفاعلاتها فقط في حين أن الأجسام المضادة لا توجد لديها مثل هذه المحدودية، فألفة ارتباط الجسم المضاد بهدفه عالية جدا.

ترتبط العديد من البروتينات الناقلة للربائط بجزيئات حيوية صغيرة محددة وتنقلها إلى جهات أخرى في جسم كائن متعدد الخلايا، يجب أن يكون لهذه البروتينات ألفة ترابط عالية حين تتواجد ربائطها بتراكيز عالية، ويجب كذلك أن تحرر الربيطة حين تكون في تراكيز منخفظة بالنسيج المستهدف. المثال الشائع عن البروتين المرتبط بربيطة هو الهيموغلوبين الذي ينقل الأكسجين من الرئتين إلى أعضاء وأنسجة أخرى في جميع الفقاريات ولديه نظير مقارب له في جميع الممالك البيولوجية. الليكتينات وهي بروتينات ترتبط بالسكريات ذات تخصص عال بالنسبة لأجزائها السكرية، وتلعب دورا في ظاهرة التعرف الجزيئي البيولوجي المتعلقة بالخلايا والبروتينات. المستقبلات والهرمونات هي بروتينات مرتبطة عالية التخصص.

يمكن للبروتينات عبر الغشائية أن تعمل كبروتينات ناقلة للربائط حيث تقوم بتغيير نفاذية الغشاء الخلوي لتسمح فقط بنفاذ الجزيئات الصغيرة والآيونات. لدى الغشاء الخلوي مفردا جسم كاره للماء لا يمكن أن تنتشر من خلاله الجزيئات القطبية أو المشحونة. تحتوي البروتينات الغشائية على قنوات داخلية تسمح لتلك الجزيئات بالدخول والخروج من الخلية. العديد من البروتينات ذات القنوات الأيونية مخصصة لاختيار أيونات محددة فقط، على سبيل المثال قنوات البوتاسيوم والصوديوم لا يمكنها غالبا سوى التعرف على هاتين الآيونتين.

البروتينات البنائية

تمنح البروتينات البنائية صلابة ومتانة لمكونات بيولوجية -كانت لتكون سائلة من دون هذه البروتينات. معظم البروتينات البنائية هي بروتينات ليفية، على سبيل المثال: الكولاجين والإيلاستين هما مكونان أساسيان للنسيج الضام مثل الغضروف، ويتواجد الكيراتين في البُنى الصلبة أو الشُعيرية مثل الشعر، الأظافر، الريش، الحوافر وبعض صدفات الحيوانات. بعض البروتينات الكروية يمكن أن تلعب أدوارا بنائية فمثلا الأكتين والتوبولين هما بروتينان كرويان قابلان للذوبان في الماء كموحودات لكنهما يتمكثران ليشكلا أليافا طويلة متينة والتي يتكون منها الهيكل الخلوي، وهذا يسمح للخلية بالمحافظة على شكلها وحجمها.

البروتينات الأخرى التي تقوم بوظائف بنائية هي البروتينات المحركة مثل الميوسين، الكينيسين والداينين، وهي قادرة على توليد قوى ميكانيكية. هذه البروتينات أساسية لقابيلة الخلية للحركة سواء لخلايا الكائنات وحيدة الخلية أو نطاف الكائنات متعددة الخلايا والتي تتكاثر جنسيا. كما أنها تولد القوى التي تنتج عند تقلص العضلات وتلعب دورا أساسيا في النقل داخل الخلوي.