البنية الجزيئية الحيوية

البنية الجزيئية الحيوية هي الشكل المعقد ثلاثي الأبعاد المطوي الذي تُشكّله جزيئات البروتين أو الحمض النووي DNA أو الحمض النووي RNA ، وهو أمر بالغ الأهمية لوظيفتها. يمكن دراسة بنية هذه الجزيئات على مستويات طولية متعددة، بدءًا من مستوى الذرات الفردية وصولًا إلى العلاقات بين وحدات البروتين الفرعية . غالبًا ما يُعبّر عن هذا التمييز المفيد بين المستويات بتقسيم البنية الجزيئية إلى أربعة مستويات: أولية، وثانوية، وثالثية، ورابعية. ينشأ الهيكل الأساسي لهذا التنظيم متعدد المستويات للجزيء على المستوى الثانوي، حيث تُمثّل الروابط الهيدروجينية المختلفة للجزيء العناصر البنيوية الأساسية . يؤدي هذا إلى ظهور العديد من المجالات المميزة لبنية البروتين وبنية الحمض النووي ، بما في ذلك سمات البنية الثانوية مثل الحلزونات ألفا والصفائح بيتا للبروتينات، والحلقات الدبوسية والانتفاخات والحلقات الداخلية للأحماض النووية. تم تقديم مصطلحات البنية الأولية والثانوية والثالثية والرباعية بواسطة كاج أولريك ليندرستروم-لانغ في محاضرات لين الطبية التي ألقاها عام 1951 في جامعة ستانفورد .

تُعرَّف البنية الأساسية للبوليمر الحيوي بأنها التحديد الدقيق لتركيبه الذري والروابط الكيميائية التي تربط هذه الذرات (بما في ذلك الكيمياء الفراغية ). بالنسبة للبوليمر الحيوي النموذجي غير المتفرع وغير المتشابك (مثل جزيء بروتين خلوي نموذجي ، أو الحمض النووي DNA أو RNA )، فإن البنية الأساسية تُعادل تحديد تسلسل وحداته الفرعية الأحادية ، مثل الأحماض الأمينية أو النيوكليوتيدات .

يُحدد التركيب الأولي للبروتين بدءًا من الطرف الأميني N - terminus وحتى الطرف الكربوكسيلي C-terminus ، بينما يُعرف التركيب الأولي لجزيء الحمض النووي DNA أو RNA بتسلسل الحمض النووي ، بدءًا من الطرف 5' وحتى الطرف 3' . ويشير تسلسل الحمض النووي إلى التسلسل الدقيق للنيوكليوتيدات التي تُشكل الجزيء بأكمله. غالبًا ما يُشفّر التركيب الأولي أنماطًا تسلسلية ذات أهمية وظيفية. من أمثلة هذه الأنماط: صندوقا C/D ^{[ 1 ]} وH/ACA ^{[ 2 ]} في snoRNAs ، وموقع ارتباط LSm الموجود في RNAs التضفيرية مثل U1 و U2 و U4 و U5 وU6 و U12 و U3 ، وتسلسل Shine-Dalgarno ^{[ 3 ]} ، وتسلسل Kozak المتفق عليه ^{[ 4 ]} ، ومنهي بوليميراز RNA III ^{[ 5 ]} .

البنية الثانوية للبروتين هي نمط الروابط الهيدروجينية في البوليمر الحيوي. تحدد هذه الروابط الشكل ثلاثي الأبعاد العام للقطاعات الموضعية في البوليمر الحيوي، لكنها لا تصف البنية الكلية لمواقع ذرية محددة في الفضاء ثلاثي الأبعاد، والتي تُعتبر بنية ثالثية . تُعرَّف البنية الثانوية رسميًا بالروابط الهيدروجينية للبوليمر الحيوي، كما تُلاحظ في بنية ذات دقة ذرية. في البروتينات، تُعرَّف البنية الثانوية بأنماط الروابط الهيدروجينية بين مجموعات الأمين والكربوكسيل في السلسلة الرئيسية (الروابط الهيدروجينية بين السلاسل الجانبية والسلسلة الرئيسية، وبين السلاسل الجانبية نفسها، غير ذات صلة)، حيث يُستخدم تعريف DSSP للرابطة الهيدروجينية.

يتم تحديد البنية الثانوية للحمض النووي من خلال الروابط الهيدروجينية بين القواعد النيتروجينية.

أما بالنسبة للبروتينات، فإن الروابط الهيدروجينية ترتبط بخصائص بنيوية أخرى، مما أدى إلى ظهور تعريفات أقل رسمية للبنية الثانوية. على سبيل المثال، يمكن أن تتخذ الحلزونات زوايا ثنائية السطوح في بعض مناطق مخطط راماشاندران ؛ لذا، يُطلق على جزء من الأحماض الأمينية بهذه الزوايا اسم حلزون ، بغض النظر عن وجود الروابط الهيدروجينية الصحيحة. وقد اقتُرحت العديد من التعريفات الأخرى الأقل رسمية، والتي غالبًا ما تستخدم مفاهيم من الهندسة التفاضلية للمنحنيات، مثل الانحناء والالتواء . يقوم علماء الأحياء البنيوية، عند حل بنية جديدة بدقة ذرية ، أحيانًا بتحديد بنيتها الثانوية بالنظر ، ويسجلون هذه التحديدات في ملف بنك بيانات البروتين (PDB) المقابل.

يشير التركيب الثانوي لجزيء الحمض النووي إلى تفاعلات اقتران القواعد داخل جزيء واحد أو مجموعة من الجزيئات المتفاعلة. غالبًا ما يمكن تحليل التركيب الثانوي للحمض النووي الريبوزي (RNA) البيولوجي إلى سيقان وحلقات. ويمكن تصنيف هذه العناصر، أو تركيباتها، إلى أنواع أخرى، مثل الحلقات الرباعية ، والعقد الكاذبة، والحلقات الجذعية . توجد العديد من عناصر التركيب الثانوي ذات الأهمية الوظيفية للحمض النووي الريبوزي البيولوجي، ومن الأمثلة الشهيرة عليها حلقات جذع الإنهاء غير المعتمدة على عامل رو، وبنية ورقة البرسيم في الحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA). ويسعى عدد من الباحثين إلى تحديد التركيب الثانوي لجزيئات الحمض النووي الريبوزي، باستخدام أساليب تجريبية وحسابية ( انظر أيضًا قائمة برامج التنبؤ ببنية الحمض النووي الريبوزي ).

البنية الثالثية للبروتين أو أي جزيء ضخم آخر هي بنيته ثلاثية الأبعاد، كما تُحددها الإحداثيات الذرية. ^{[ 6 ]} تتخذ البروتينات والأحماض النووية بنى ثلاثية الأبعاد معقدة تُحدد وظائف الجزيئات. ورغم تنوع هذه البنى وتعقيدها، إلا أنها غالبًا ما تتكون من أنماط ومجالات متكررة ومميزة للبنية الثالثية، تُشكل اللبنات الأساسية للجزيء. ويُعتقد أن البنية الثالثية تتحدد إلى حد كبير بالبنية الأولية للجزيء الحيوي (تسلسل الأحماض الأمينية أو النيوكليوتيدات ).

يشير التركيب الرباعي للبروتين [ ^{أ ] إلى} عدد وترتيب جزيئات البروتين المتعددة في مركب متعدد الوحدات الفرعية.

بالنسبة للأحماض النووية، فإن المصطلح أقل شيوعًا، ولكنه يمكن أن يشير إلى التنظيم عالي المستوى للحمض النووي في الكروماتين ، ^{[ 7 ]} بما في ذلك تفاعلاته مع الهستونات ، أو إلى التفاعلات بين وحدات الحمض النووي الريبي المنفصلة في الريبوسوم ^{[ 8 ] [ 9 ]} أو الجسيم الرابط .

يمكن اعتبار الفيروسات ، بشكل عام، آلات جزيئية. يُعدّ العاثي T4 من الفيروسات التي دُرست جيدًا، وبنيته البروتينية الرباعية محددة نسبيًا. ^{[ 10 ]} أظهرت دراسة أجراها فلور (1970) ^{[ 11 ]} أنه أثناء بناء الفيروس داخل الجسم الحي بواسطة بروتينات مورفوجينية محددة ، يجب إنتاج هذه البروتينات بنسب متوازنة لضمان التجميع السليم للفيروس. قد يؤدي نقص إنتاج بروتين مورفوجيني معين (مثل بروتين ألياف الذيل الأساسي) (نتيجة طفرة ) إلى إنتاج فيروسات ذرية تحتوي جميعها تقريبًا على كمية قليلة جدًا من هذا البروتين المحدد بحيث لا تستطيع العمل بشكل صحيح، أي إصابة الخلايا المضيفة. ^{[ 11 ]} مع ذلك، قد تؤدي طفرة ثانية تُقلل من مكون مورفوجيني آخر (مثل الصفيحة القاعدية أو رأس العاثي) في بعض الحالات إلى استعادة التوازن بحيث تتمكن نسبة أكبر من جزيئات الفيروس المنتجة من العمل. ^{[ 11 ]} وهكذا، وُجد أن الطفرة التي تُقلل من التعبير عن جينٍ ما، يُستخدم ناتجه في التكوين الشكلي، قد تُثبط جزئيًا بطفرةٍ تُقلل من التعبير عن جينٍ شكلي آخر، مما يؤدي إلى إنتاجٍ أكثر توازنًا لمنتجات جينات الفيروس. إن مفهوم أن التوافر المتوازن للمكونات ضروريٌّ في الجسم الحيّ للتكوين الشكلي الجزيئي السليم، قد يكون له تطبيقٌ عامٌّ لفهم تجميع الآلات الجزيئية البروتينية.

يُعدّ استكشاف البنية عمليةً تُستخدم فيها التقنيات البيوكيميائية لتحديد بنية الجزيئات الحيوية. ^{[ 12 ]} يُمكن استخدام هذا التحليل لتحديد الأنماط التي يُمكن الاستدلال بها على البنية الجزيئية، وإجراء تحليل تجريبي للبنية الجزيئية ووظيفتها، وفهم أعمق لتطوير جزيئات أصغر لإجراء المزيد من البحوث البيولوجية. ^{[ 13 ]} يُمكن إجراء تحليل استكشاف البنية من خلال العديد من الطرق المختلفة، والتي تشمل الاستكشاف الكيميائي، واستكشاف جذور الهيدروكسيل، ورسم خرائط تداخل نظائر النيوكليوتيدات (NAIM)، والاستكشاف المباشر. ^{[ 12 ]}

يمكن تحديد بنية البروتينات والأحماض النووية باستخدام مطيافية الرنين المغناطيسي النووي ( NMR ) أو علم البلورات بالأشعة السينية أو المجهر الإلكتروني فائق البرودة أحادي الجسيم ( cryoEM ). استخدمت التقارير المنشورة الأولى للحمض النووي ( DNA) (من قِبل روزاليند فرانكلين وريموند جوسلينج عام 1953) لأنماط حيود الأشعة السينية للحمض النووي من النوع A - وكذلك الحمض النووي من النوع B - تحليلاتٍ قائمة على تحويلات دالة باترسون ، والتي لم تُوفر سوى قدرٍ محدود من المعلومات البنيوية لألياف الحمض النووي الموجهة المعزولة من غدة التوتة للعجل . ^{[ 14 ] [ 15 ]} ثم اقترح ويلكنز وآخرون في عام 1953 تحليلًا بديلًا لأنماط حيود الأشعة السينية وتشتت الحمض النووي من النوع B لألياف الحمض النووي المائية الموجهة للبكتيريا ورؤوس الحيوانات المنوية لسمك السلمون المرقط، وذلك باستخدام مربعات دوال بيسل . ^{[ 16 ]} على الرغم من أن شكل الحمض النووي B هو الأكثر شيوعًا في الظروف الموجودة داخل الخلايا، ^{[ 17 ]} إلا أنه ليس شكلًا محددًا بدقة، بل هو مجموعة من أشكال الحمض النووي التي تحدث عند مستويات الترطيب العالية الموجودة في مجموعة واسعة من الخلايا الحية. ^{[ 18 ]} أنماط حيود وتشتت الأشعة السينية المقابلة لها هي سمة مميزة للبلورات الجزيئية شبه البلورية ذات درجة كبيرة من عدم الانتظام (أكثر من 20%)، ^{[ 19 ] [ 20 ]} ولا يمكن دراسة بنيتها باستخدام التحليل القياسي فقط.

في المقابل، لا يزال التحليل القياسي، الذي يتضمن فقط تحويلات فورييه لدوال بيسل ^{[ 21 ]} ونماذج جزيئية للحمض النووي ، يُستخدم بشكل روتيني لتحليل أنماط حيود الأشعة السينية للحمض النووي A والحمض النووي Z. ^{[ 22 ]}

التنبؤ بالبنية الجزيئية الحيوية هو التنبؤ بالبنية ثلاثية الأبعاد للبروتين انطلاقًا من تسلسل الأحماض الأمينية ، أو للحمض النووي انطلاقًا من تسلسل قواعده النيتروجينية . بعبارة أخرى، هو التنبؤ بالبنية الثانوية والثالثية انطلاقًا من البنية الأولية. يُعد التنبؤ بالبنية عكس التصميم الجزيئي الحيوي، كما هو الحال في التصميم العقلاني ، وتصميم البروتينات ، وتصميم الأحماض النووية ، والهندسة الجزيئية الحيوية .

يُعدّ التنبؤ ببنية البروتين أحد أهم أهداف المعلوماتية الحيوية والكيمياء النظرية . ويحظى هذا التنبؤ بأهمية بالغة في الطب (على سبيل المثال، في تصميم الأدوية ) والتكنولوجيا الحيوية (على سبيل المثال، في تصميم إنزيمات جديدة ). ويتم تقييم أداء الطرق الحالية كل عامين من خلال تجربة التقييم النقدي للتنبؤ ببنية البروتين ( CASP ).

كما أُجريت أبحاثٌ كثيرة في مجال المعلوماتية الحيوية لمعالجة مشكلة التنبؤ ببنية الحمض النووي الريبوزي (RNA). ومن المشاكل الشائعة التي تواجه الباحثين في مجال الحمض النووي الريبوزي تحديد البنية ثلاثية الأبعاد للجزيء بالاعتماد فقط على تسلسل الحمض النووي. إلا أنه في حالة الحمض النووي الريبوزي، يتحدد جزء كبير من البنية النهائية من خلال البنية الثانوية أو تفاعلات اقتران القواعد داخل الجزيء. ويتجلى ذلك في الحفاظ الكبير على اقتران القواعد عبر مختلف الأنواع.

يتحدد التركيب الثانوي لجزيئات الأحماض النووية الصغيرة إلى حد كبير من خلال تفاعلات محلية قوية، مثل الروابط الهيدروجينية وتراص القواعد . ويُعطي جمع الطاقة الحرة لهذه التفاعلات، باستخدام طريقة الجوار الأقرب عادةً ، تقريبًا لاستقرار التركيب المُعطى. ^{[ 23 ]} وأبسط طريقة لإيجاد التركيب ذي أدنى طاقة حرة هي توليد جميع التراكيب الممكنة وحساب طاقتها الحرة، إلا أن عدد التراكيب الممكنة لتسلسل ما يزداد أُسّيًا مع طول الجزيء. ^{[ 24 ]} أما بالنسبة للجزيئات الأطول، فإن عدد التراكيب الثانوية الممكنة هائل. ^{[ 23 ]}

تعتمد طرق التباين المشترك للتسلسل على وجود مجموعة بيانات تتألف من تسلسلات RNA متماثلة متعددة ذات تسلسلات متقاربة ولكنها غير متشابهة. تحلل هذه الطرق التباين المشترك لمواقع القواعد الفردية في التطور ؛ إذ يشير ثبات زوج من النيوكليوتيدات المتزاوجة في موقعين متباعدين إلى وجود رابطة هيدروجينية ضرورية بنيويًا بين هذين الموقعين. وقد ثبت أن مشكلة التنبؤ بالعقد الكاذبة العامة هي مسألة NP-كاملة . ^{[ 25 ]}

يمكن اعتبار تصميم الجزيئات الحيوية عكس التنبؤ بالبنية. ففي التنبؤ بالبنية، تُحدد البنية من تسلسل معروف، بينما في تصميم البروتينات أو الأحماض النووية، يتم توليد تسلسل يُشكل بنية مرغوبة.

يمكن أن يكون للجزيئات الحيوية الأخرى، مثل السكريات المتعددة والبوليفينولات والدهون ، بنية ذات ترتيب أعلى ذات أهمية بيولوجية.

• الجزيئات الحيوية
• مقارنة برامج محاكاة الأحماض النووية
• بنية الجين
• قائمة برامج التنبؤ ببنية الحمض النووي الريبي (RNA)
• الحمض النووي الريبي غير المشفر