البنية الخماسية للبروتين

يشير التركيب الخماسي للبروتين إلى خصائص أسطح البروتينات التي تتشكل بفعل التكيف التطوري مع السياق الفيزيولوجي للخلايا الحية . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} وبذلك ، يُعد التركيب الخماسي المستوى الخامس من تعقيد البروتين، إضافةً إلى التراكيب الأولية والثانوية والثالثية والرابعية . وعلى عكس المستويات الأربعة الأولى من تركيب البروتين، والتي ترتبط بالبروتينات المعزولة في ظروف مخففة، ينشأ التركيب الخماسي من ازدحام السياق الخلوي، ^[5 ] ^حيث تحدث باستمرار تفاعلات عابرة بين الجزيئات الكبيرة ^.

لكي تؤدي البروتينات وظائفها، غالبًا ما تحتاج إلى إيجاد نظير محدد ترتبط به لفترة طويلة نسبيًا. في السيتوسول المزدحم للغاية ، حيث تنخرط البروتينات في شبكة واسعة ومعقدة من التفاعلات الجاذبة والدافعة، يصبح هذا البحث صعبًا، لأنه ينطوي على استكشاف مساحة هائلة من الشركاء المحتملين، والذين يكون عدد قليل جدًا منهم مثمرًا. يتطلب حل هذا التحدي أن تقضي البروتينات أقل وقت ممكن في كل تفاعل، حتى تتمكن من استكشاف عدد أكبر من الأسطح، مع جعل هذا التفاعل وثيقًا قدر الإمكان، بحيث إذا صادفت الشريك المناسب، فلن تفوته. ^{[ 6 ]} بهذا المعنى، فإن البنية الخماسية هي نتيجة سلسلة من التكيفات الموجودة في أسطح البروتينات، والتي تسمح للبروتينات بالتنقل في تعقيد البيئة الخلوية.

بالمعنى الذي يُستخدم به اليوم، ظهر مصطلح " البنية الخماسية" لأول مرة في عمل ماكونكي عام 1989. ^{[ 7 ]} في عمله، أجرى ماكونكي عملية الفصل الكهربائي ثنائي الأبعاد على محتوى البروتين الكلي لخلايا الهامستر ( CHO ) وخلايا الإنسان ( HeLa ). في تجربة الفصل الكهربائي ثنائي الأبعاد، تعتمد إحداثيات البروتين على وزنه الجزيئي ونقطة تعادله الكهربائي . بالنظر إلى المسافة التطورية بين الإنسان والهامستر، ومع الأخذ في الاعتبار معدلات التطور النموذجية للثدييات، كان من المتوقع حدوث عدد كبير من الاستبدالات بين الهامستر والإنسان، والتي يشمل جزء منها بقايا حمضية ( مثل الأسبارتات والغلوتامات ) وقاعدية ( مثل الأرجينين والليسين )، مما يؤدي إلى تغييرات في نقطة التعادل الكهربائي للعديد من البروتينات. ومن المثير للدهشة أن خلايا الهامستر والإنسان أعطت بصمات متطابقة تقريبًا في التجربة، مما يشير إلى أن عددًا أقل بكثير من تلك الاستبدالات قد حدث بالفعل. اقترح ماكونكي في تلك الورقة ^{[ 7 ]} أن السبب في عدم تباعد بروتينات البشر والهامستر بالقدر الذي توقعه هو أن ضغطًا انتقائيًا إضافيًا لا بد أنه كان مرتبطًا بالعديد من "التفاعلات العابرة بطبيعتها" غير المحددة التي تتعرض لها البروتينات في السيتوبلازم والتي "تشكل المستوى الخامس من تنظيم البروتين ".

على الرغم من بساطة تجربة ماكونكي، فقد أثبت تفسيره للنتائج دقته. فبدلاً من أن تكون أسطح البروتينات محبة للماء فحسب ، لا بد أنها خضعت لتعديل دقيق عبر التطور وتكيفت مع هذه الشبكة من التفاعلات الضعيفة، والتي تُسمى غالبًا بالتفاعلات الخماسية . ومن المهم الإشارة إلى أن تفاعلات البروتين-بروتين المسؤولة عن ظهور البنية الخماسية تختلف جوهريًا عن التفاعلات البروتينية المحددة. فالتفاعلات الخماسية هي نتيجة ارتباطات عالية الاستقرار نسبيًا، وغالبًا ما ترتبط بأحداث ذات دلالة وظيفية - وقد وُصف العديد منها بالفعل ^{[ 8 ]} - بينما تُفسر التفاعلات البروتينية غالبًا على أنها ضوضاء خلفية ناتجة عن تفاعلات خاطئة غير منتجة فيزيولوجيًا تُعقّد تفسير شبكات البروتينات، ويجب تجنبها حتى تتمكن الوظائف الخلوية الطبيعية من الاستمرار. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

إن الطبيعة العابرة لهذه التفاعلات البروتينية تُعقّد دراسة البنية الخماسية. في الواقع، التفاعلات المسؤولة عن هذا المستوى الأعلى من تنظيم البروتين ضعيفة وقصيرة الأمد، وبالتالي لا تُنتج مُركّبات بروتين-بروتين يُمكن عزلها بالطرق الكيميائية الحيوية التقليدية. لذلك، لا يُمكن فهم البنية الخماسية إلا في الكائنات الحية . ^{[ 12 ]}

يُعدّ الرنين المغناطيسي النووي داخل الخلايا تقنية تجريبية بارزة في مجال أبحاث البنية الخماسية للبروتينات. يتشابه المبدأ الفيزيائي لقياسات الرنين المغناطيسي النووي داخل الخلايا مع مبدأ الرنين المغناطيسي النووي التقليدي للبروتينات ، إلا أن هذه التجارب تعتمد على إنتاج تراكيز عالية من البروتين المراد فحصه، والذي يجب أن يبقى ذائبًا وموجودًا داخل حيز الخلية؛ مما يُضيف صعوبات وقيودًا إضافية. مع ذلك، تُقدّم هذه التجارب رؤى بالغة الأهمية حول التفاعل بين البروتين المراد فحصه والبيئة داخل الخلوية.

واجهت المحاولات المبكرة لاستخدام الرنين المغناطيسي النووي داخل الخلايا لدراسة البنية الخماسية للبروتينات قيودًا ناتجة عن الظاهرة نفسها التي كانوا يحاولون فهمها. فقد تبين أن العديد من البروتينات المستخدمة في هذه التجارب تُنتج إشارات واسعة النطاق، قريبة من حد الكشف للطريقة، عند قياسها داخل خلايا الإشريكية القولونية . وعلى وجه الخصوص، بدت هذه البروتينات وكأنها تتقلب كما لو كانت ذات أوزان جزيئية أكبر بكثير من تلك التي تتناسب مع حجمها. أشارت هذه الملاحظات إلى أن البروتينات كانت تلتصق بجزيئات كبيرة أخرى، مما كان سيؤدي إلى ضعف خصائص الاسترخاء ^{[ 13 ].}

أظهرت تجارب الرنين المغناطيسي النووي داخل الخلايا أن تغييرات الأحماض الأمينية المفردة في بقايا السطح يمكن استخدامها لتعديل دوران ثلاثة بروتينات مختلفة داخل الخلايا البكتيرية بشكل متسق. ^{[ 14 ]} وقد تبين أن البقايا المشحونة والكارهة للماء لها التأثير الأكبر على حركة البروتين داخل الخلايا. على وجه الخصوص، تدور البروتينات ذات الشحنة السالبة بشكل أسرع مقارنةً بالبروتينات ذات الشحنة الموجبة أو شبه المتعادلة. في المقابل، يؤدي وجود العديد من البقايا الكارهة للماء على سطح البروتين إلى إبطاء دورانه داخل الخلايا. كما تبين أن عزم ثنائي القطب للبروتين ، وهو مقياس لفصل الشحنات عبر البروتين، له مساهمة كبيرة في حركة البروتين، حيث يرتبط عزم ثنائي القطب العالي بدوران أبطأ. يكون هذا التفسير أكثر وضوحًا للبروتينات التي تُدرس عند نقطة التعادل الكهربائي أو بالقرب منها ؛ ويجب توخي الحذر عند قيم الأس الهيدروجيني الأخرى، لأنه بمجرد أن يحمل البروتين شحنة صافية، يصبح عزم ثنائي القطب غير فريد ويعتمد على نظام الإحداثيات المستخدم لتحديد البنية. ^{[ 15 ]}