استقلاب البروتين

في عملية النسخ ، يقرأ إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبوزي (RNA polymerase) شريط الحمض النووي (DNA) وينتج شريط mRNA قابلًا للترجمة. لبدء عملية النسخ، يجب أن يكون جزء الحمض النووي المراد نسخه متاحًا (أي لا يمكن أن يكون مضغوطًا بشدة). بمجرد أن يصبح جزء الحمض النووي متاحًا، يبدأ إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبوزي بنسخ شريط الحمض النووي المشفر عن طريق ربط نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبوزي بشريط الحمض النووي القالب. خلال المرحلة الأولية من النسخ، يبحث إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبوزي عن منطقة محفزة على شريط الحمض النووي القالب. بمجرد ارتباطه بهذه المنطقة، يبدأ بقراءة شريط الحمض النووي القالب في الاتجاه من 3' إلى 5'. ^{[ 8 ]} يربط إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبوزي قواعد الحمض النووي الريبوزي المكملة لشريط الحمض النووي القالب ( سيتم استخدام اليوراسيل بدلًا من الثايمين ) . ترتبط قواعد النيوكليوتيدات الجديدة ببعضها البعض بروابط تساهمية. ^{[ ٩ ]} تنفصل القواعد الجديدة في النهاية عن قواعد الحمض النووي، لكنها تبقى مرتبطة ببعضها، لتشكل سلسلة جديدة من الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA). تُصنَّع هذه السلسلة من الحمض النووي الريبوزي الرسول في الاتجاه من 5' إلى 3'. ^{[ ١٠ ]} بمجرد وصول الحمض النووي الريبوزي إلى تسلسل الإنهاء ، ينفصل عن سلسلة قالب الحمض النووي، وينهي تسلسل الحمض النووي الريبوزي الرسول أيضًا.

تُنظَّم عملية النسخ في الخلية بواسطة عوامل النسخ. عوامل النسخ هي بروتينات ترتبط بتسلسلات تنظيمية في شريط الحمض النووي، مثل مناطق المحفز أو مناطق المشغل. يمكن للبروتينات المرتبطة بهذه المناطق إما أن توقف أو تسمح لإنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي بقراءة شريط الحمض النووي، أو أن تُرسل إشارات إلى بروتينات أخرى لإيقاف أو السماح لإنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي بالقراءة. ^{[ 11 ]}

أثناء عملية الترجمة ، تحوّل الريبوسومات تسلسل الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) إلى تسلسل من الأحماض الأمينية. كل قطعة من mRNA، بطول ثلاثة أزواج قاعدية، تُسمى كودونًا، وتُقابل حمضًا أمينيًا واحدًا أو إشارة توقف. ^{[ 12 ]} قد يرتبط الحمض الأميني بأكثر من كودون. لا تربط الريبوسومات الأحماض الأمينية بكودونات mRNA مباشرةً، بل تستخدم أيضًا الحمض النووي الريبوزي الناقل ( tRNA ). يرتبط الحمض النووي الريبوزي الناقل بالأحماض الأمينية، ويحتوي على مضاد كودون قادر على الارتباط بروابط هيدروجينية مع كودون mRNA. ^{[ 13 ]} تُعرف عملية ربط الحمض الأميني بـ tRNA باسم شحن tRNA. في هذه العملية، يحفز إنزيم أمينو أسيل-tRNA سينثيتاز تفاعلين. في الأول، يربط جزيء AMP (المُشتق من ATP) بالحمض الأميني. أما التفاعل الثاني، فيفصل أمينو أسيل-AMP، مُنتجًا الطاقة اللازمة لربط الحمض الأميني بجزيء tRNA. ^{[ 14 ]}

تتكون الريبوسومات من وحدتين فرعيتين ، كبيرة وصغيرة، تحيطان بشريط mRNA. تحتوي الوحدة الفرعية الكبيرة على ثلاثة مواقع ارتباط: A (الأحماض الأمينية)، وP (الببتيد)، وE (موقع الخروج). بعد بدء عملية الترجمة (التي تختلف بين بدائيات النوى وحقيقيات النوى )، يدخل الريبوسوم مرحلة الاستطالة التي تتبع دورة متكررة. أولًا، يدخل جزيء tRNA الحامل للحمض الأميني الصحيح إلى الموقع A. ينقل الريبوسوم الببتيد من جزيء tRNA في الموقع P إلى الحمض الأميني الجديد الموجود على جزيء tRNA في الموقع A. ثم ينتقل جزيء tRNA من الموقع P إلى الموقع E حيث يُطرد. يستمر هذا حتى يصل الريبوسوم إلى كودون التوقف أو يتلقى إشارة للتوقف. ^{[ 13 ]} تتشكل رابطة ببتيدية بين الحمض الأميني المرتبط بجزيء tRNA في الموقع P والحمض الأميني المرتبط بجزيء tRNA في الموقع A. يتطلب تكوين الرابطة الببتيدية طاقة. الجزيئان المتفاعلان هما مجموعة الأمينو ألفا لأحد الأحماض الأمينية ومجموعة الكربوكسيل ألفا للحمض الأميني الآخر. ومن نواتج تكوين هذه الرابطة إطلاق الماء (حيث تتبرع مجموعة الأمينو ببروتون بينما تتبرع مجموعة الكربوكسيل بمجموعة هيدروكسيل). ^{[ 2 ]}

يمكن تثبيط عملية الترجمة بواسطة جزيئات الحمض النووي الريبوزي الميكروي (miRNAs). تستطيع هذه الجزيئات قطع جزيئات الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) التي تُكملها ، وبالتالي إيقاف عملية الترجمة. ^{[ 15 ]} كما يمكن تنظيم الترجمة بواسطة بروتينات مساعدة. على سبيل المثال، يرتبط بروتين يُسمى عامل بدء الترجمة حقيقي النواة-2 ( eIF-2 ) بالوحدة الفرعية الأصغر للريبوسوم، ليبدأ عملية الترجمة. وعندما يُفسفر eIF-2 ، فإنه لا يستطيع الارتباط بالريبوسوم، فتتوقف عملية الترجمة. ^{[ 16 ]}

بعد تصنيع سلسلة الببتيد ، لا بد من تعديلها. يمكن أن تحدث التعديلات اللاحقة للترجمة قبل طي البروتين أو بعده. تشمل الطرق البيولوجية الشائعة لتعديل سلاسل الببتيد بعد الترجمة: المثيلة ، والفسفرة ، وتكوين روابط ثنائية الكبريتيد . تحدث المثيلة غالبًا للأرجينين أو الليسين ، وتتضمن إضافة مجموعة ميثيل إلى ذرة نيتروجين (استبدال ذرة هيدروجين ). يمكن مثيلة المجموعات الجانبية (R) لهذه الأحماض الأمينية عدة مرات طالما أن عدد الروابط مع النيتروجين لا يتجاوز أربع روابط. تقلل المثيلة من قدرة هذه الأحماض الأمينية على تكوين روابط هيدروجينية، لذا فإن الأرجينين والليسين المُمَثْيَلين لهما خصائص مختلفة عن نظائرهما القياسية. تحدث الفسفرة غالبًا للسيرين ، والثريونين ، والتيروسين ، وتتضمن استبدال ذرة هيدروجين في مجموعة الكحول عند نهاية المجموعة الجانبية (R) بمجموعة فوسفات . يُضيف هذا شحنة سالبة على المجموعات الجانبية (R)، وبالتالي يُغير سلوك الأحماض الأمينية مقارنةً بنظائرها القياسية. تكوين الرابطة ثنائية الكبريتيد هو إنشاء جسور ثنائية الكبريتيد ( روابط تساهمية ) بين حمضين أمينيين من السيستين في سلسلة، مما يضيف استقرارًا إلى البنية المطوية. ^{[ 17 ]}

لا يشترط أن تبقى سلسلة الببتيد في الخلية خطية؛ إذ يمكن أن تتفرع أو تنطوي على نفسها. وتتخذ سلاسل الببتيد أشكالاً محددة تبعاً للمحلول الذي توجد فيه. ويُعد احتواء جميع الأحماض الأمينية على مجموعات R ذات خصائص مختلفة السبب الرئيسي لانطواء البروتينات.

• في بيئة محبة للماء كالسيتوبلازم ، تتركز الأحماض الأمينية الكارهة للماء في مركز البروتين، بينما تتواجد الأحماض الأمينية المحبة للماء على السطح الخارجي. وهذا يُعدّ مُفضلاً من الناحية الإنتروبية، إذ تتحرك جزيئات الماء بحرية أكبر حول الأحماض الأمينية المحبة للماء مقارنةً بالأحماض الأمينية الكارهة للماء.
• في بيئة كارهة للماء، تتركز الأحماض الأمينية المحبة للماء في مركز البروتين، بينما تتواجد الأحماض الأمينية الكارهة للماء على السطح الخارجي. ولأن التفاعلات الجديدة بين الأحماض الأمينية المحبة للماء أقوى من التفاعلات بين الأحماض الأمينية الكارهة للماء والمحبة للماء، فإن هذا الوضع يُعدّ مُفضلاً من الناحية الحرارية . ^{[ 18 ]}

بمجرد اكتمال طي سلسلة عديد الببتيد، تُسمى بروتينًا. غالبًا ما تتحد العديد من الوحدات الفرعية لتكوين بروتين وظيفي كامل، على الرغم من وجود بروتينات فسيولوجية تحتوي على سلسلة عديد ببتيد واحدة فقط. قد تتضمن البروتينات أيضًا جزيئات أخرى مثل مجموعة الهيم في الهيموجلوبين ، وهو بروتين مسؤول عن نقل الأكسجين في الدم. ^{[ 19 ]}

كان يُعتقد في الأصل أن البروتيازات (المعروفة أيضًا باسم الببتيدازات ) تُعطّل التفاعلات الإنزيمية فقط ، إلا أنها في الواقع تُساعد في هدم البروتينات من خلال التحلل وتكوين بروتينات جديدة لم تكن موجودة من قبل. كما تُساعد البروتيازات في تنظيم المسارات الأيضية . إحدى طرق قيامها بذلك هي تحلل الإنزيمات في المسارات التي لا تحتاج إلى أن تكون نشطة (مثل استحداث الجلوكوز عندما تكون تركيزات الجلوكوز في الدم مرتفعة). يُساعد هذا في الحفاظ على أكبر قدر ممكن من الطاقة وتجنب الدورات غير المُجدية . تحدث الدورات غير المُجدية عندما تكون مسارات الهدم والبناء نشطة في نفس الوقت وبنفس المعدل لنفس التفاعل. بما أن المركبات الوسيطة المُتكونة تُستهلك، فإن الجسم لا يحقق أي مكسب صافٍ. تُفقد الطاقة من خلال الدورات غير المُجدية. تمنع البروتيازات حدوث هذه الدورة عن طريق تغيير معدل أحد المسارات، أو عن طريق تحلل إنزيم رئيسي، حيث يمكنها إيقاف أحد المسارات. تتميز البروتيازات أيضاً بأنها غير متخصصة عند ارتباطها بالركيزة ، مما يسمح بتنوع كبير داخل الخلايا والبروتينات الأخرى، حيث يمكن شطرها بسهولة أكبر وبطريقة موفرة للطاقة. ^{[ 20 ]}

نظرًا لأن العديد من البروتيازات غير متخصصة، فإنها تخضع لتنظيم دقيق داخل الخلية. فبدون هذا التنظيم، ستدمر البروتيازات العديد من البروتينات الضرورية للعمليات الفيزيولوجية. إحدى طرق تنظيم الجسم للبروتيازات هي من خلال مثبطات البروتياز . قد تكون مثبطات البروتياز بروتينات أخرى، أو ببتيدات صغيرة، أو جزيئات. هناك نوعان من مثبطات البروتياز: قابلة للعكس وغير قابلة للعكس. تُشكل مثبطات البروتياز القابلة للعكس روابط غير تساهمية مع البروتياز، مما يحد من فعاليته. يمكن تصنيفها إلى مثبطات تنافسية ، ومثبطات غير تنافسية ، ومثبطات غير تنافسية . تتنافس المثبطات التنافسية مع الببتيد للارتباط بالموقع النشط للبروتياز. أما المثبطات غير التنافسية، فترتبط بالبروتياز أثناء ارتباط الببتيد، لكنها تمنع البروتياز من كسر الرابطة الببتيدية. ويمكن للمثبطات غير التنافسية القيام بالوظيفتين معًا. تعمل مثبطات البروتياز غير القابلة للعكس على تعديل الموقع النشط للبروتياز بشكل تساهمي بحيث لا يمكنه شطر الببتيدات. ^{[ 21 ]}

تُحفظ البروتينات الخلوية في بيئة ذات درجة حموضة ثابتة نسبيًا لمنع تغير حالة بروتنة الأحماض الأمينية. ^{[ 24 ]} إذا انخفضت درجة الحموضة ، فقد تتأين بعض الأحماض الأمينية في سلسلة الببتيد إذا كانت قيمة pKa لمجموعاتها _{الجانبية} ( R) أعلى من درجة الحموضة الجديدة. يمكن أن تُغير البروتنة شحنة هذه المجموعات الجانبية. أما إذا ارتفعت درجة الحموضة، فقد تفقد بعض الأحماض الأمينية في السلسلة بروتوناتها (إذا كانت قيمة pKa للمجموعة _{الجانبية} أقل من درجة الحموضة الجديدة). وهذا بدوره يُغير شحنة المجموعة الجانبية. وبما أن العديد من الأحماض الأمينية تتفاعل مع بعضها البعض عن طريق التجاذب الكهروستاتيكي ، فإن تغيير الشحنة قد يُضعف هذه التفاعلات. يؤدي فقدان هذه التفاعلات إلى تغيير بنية البروتينات ، والأهم من ذلك، تغيير وظيفتها، وهو ما قد يكون مفيدًا أو ضارًا. بل إن التغير الكبير في درجة الحموضة قد يُعطل العديد من التفاعلات التي تُجريها الأحماض الأمينية ويُسبب تمسخ البروتين (فك طيه). ^{[ 24 ]}

مع ارتفاع درجة حرارة البيئة، تتحرك الجزيئات بسرعة أكبر. تُعدّ الروابط الهيدروجينية والتفاعلات الكارهة للماء من القوى المهمة التي تُساهم في استقرار البروتينات. إذا ارتفعت درجة الحرارة وتحركت الجزيئات التي تحتوي على هذه التفاعلات بسرعة كبيرة، فإن هذه التفاعلات تضعف أو حتى تنكسر. عند درجات الحرارة العالية، لا يُمكن لهذه التفاعلات أن تتشكل، ويحدث تمسخ للبروتين الوظيفي . ^{[ 25 ]} ومع ذلك، يعتمد ذلك على عاملين: نوع البروتين المستخدم وكمية الحرارة المُطبقة. تُحدد كمية الحرارة المُطبقة ما إذا كان هذا التغيير في البروتين دائمًا أم يُمكن إعادته إلى شكله الأصلي. ^{[ 26 ]}