البنية الرباعية للبروتين

البنية الرباعية للبروتين ^{[ أ ]} هي المستوى الرابع (والأعلى) لتصنيف بنية البروتين . تشير البنية الرباعية للبروتين إلى بنية البروتينات التي تتكون بدورها من سلسلتين بروتينيتين أو أكثر (تُعرف أيضًا بالوحدات الفرعية). تصف البنية الرباعية للبروتين عدد وترتيب الوحدات الفرعية البروتينية المطوية المتعددة في مُركب متعدد الوحدات الفرعية . وتشمل هذه البنية تراكيب تتراوح من ثنائيات بسيطة إلى متجانسات كبيرة ومُركبات ذات أعداد محددة أو متغيرة من الوحدات الفرعية. ^{[ 1 ]} على عكس المستويات الثلاثة الأولى لبنية البروتين، لا تمتلك جميع البروتينات بنية رباعية ، إذ تعمل بعض البروتينات كوحدات منفردة. كما يمكن أن تشير البنية الرباعية للبروتين إلى المُركبات الجزيئية الحيوية للبروتينات مع الأحماض النووية وعوامل مساعدة أخرى .

تتكون العديد من البروتينات في الواقع من تجمعات لسلاسل عديد الببتيد المتعددة . يشير التركيب الرباعي إلى عدد وترتيب الوحدات الفرعية للبروتين بالنسبة لبعضها البعض. ^{[ 2 ]} تشمل أمثلة البروتينات ذات التركيب الرباعي الهيموجلوبين ، وبوليميراز الحمض النووي ، والريبوسومات ، والأجسام المضادة ، وقنوات الأيونات .

تُسمى الإنزيمات المكونة من وحدات فرعية ذات وظائف متنوعة أحيانًا بالإنزيمات الكاملة ، حيث تُعرف بعض أجزائها بالوحدات التنظيمية، بينما يُعرف الجزء المركزي الوظيفي بالوحدة التحفيزية. كما تمتلك تجمعات أخرى، تُعرف باسم معقدات البروتينات المتعددة، بنية رباعية. ومن أمثلتها النيوكليوسومات والأنيبيبات الدقيقة . يمكن أن تحدث تغيرات في البنية الرباعية من خلال تغيرات في التكوين داخل الوحدات الفرعية الفردية أو من خلال إعادة توجيه الوحدات الفرعية بالنسبة لبعضها البعض. ومن خلال هذه التغيرات، التي تُشكل أساس التعاونية والتنظيم التآزري في الإنزيمات "متعددة الوحدات"، تخضع العديد من البروتينات للتنظيم وتؤدي وظيفتها الفيزيولوجية.

يتبع التعريف أعلاه منهجًا كلاسيكيًا في الكيمياء الحيوية، وُضع في أوقات كان فيها التمييز بين البروتين والوحدة البروتينية الوظيفية صعبًا. وفي الآونة الأخيرة، يُشار إلى تفاعل البروتين-بروتين عند مناقشة البنية الرباعية للبروتينات، ويُعتبر كل تجمع من البروتينات معقدات بروتينية .

يُحدد عدد الوحدات الفرعية في المركب الأوليغوميري باستخدام أسماء تنتهي بـ "-mer" (كلمة يونانية تعني "جزء، وحدة فرعية"). تُستخدم الأسماء الرسمية واليونانية اللاتينية عمومًا للأنواع العشرة الأولى، ويمكن استخدامها لما يصل إلى عشرين وحدة فرعية، بينما تُوصف المركبات ذات الرتبة الأعلى عادةً بعدد الوحدات الفرعية، متبوعًا بـ "-meric".

* لا توجد أمثلة معروفة

تُسمى أصغر وحدة تُشكل متجانسًا متعدد الوحدات، أي سلسلة بروتينية واحدة أو وحدة فرعية ، مونومر أو وحدة فرعية أو بروتومير . وقد صُمم المصطلح الأخير في الأصل لتحديد أصغر وحدة في البروتينات غير المتجانسة متعددة الوحدات، ولكنه يُستخدم أيضًا في الأدبيات العلمية الحديثة للإشارة إلى البروتينات المتجانسة متعددة الوحدات. وعادةً ما تترتب الوحدات الفرعية بتناظر دوري لتشكيل تناظرات مجموعة نقطية مغلقة .

على الرغم من ندرة وجود معقدات بروتينية تتكون من أكثر من ثماني وحدات، إلا أن هناك بعض الاستثناءات الهامة. غالبًا ما تتكون القفيصات الفيروسية من مضاعفات العدد 60 بروتينًا. كما توجد في الخلية عدة آلات جزيئية ، مثل البروتيازوم (أربع حلقات سباعية = 28 وحدة فرعية)، ومعقد النسخ، والجسيم الرابط . يُعد الريبوسوم على الأرجح أكبر آلة جزيئية، ويتكون من العديد من جزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA) والبروتين.

في بعض الحالات، تُشكّل البروتينات مُركّبات تتجمّع بدورها لتُكوّن مُركّبات أكبر. في مثل هذه الحالات، يُستخدم مصطلح "ثنائي من ثنائيات" أو "ثلاثي من ثنائيات". قد يُشير هذا إلى أن المُركّب قد يتفكّك إلى مُركّبات فرعية أصغر قبل أن يتفكّك إلى وحدات أحادية. وهذا يعني عادةً أن المُركّب يتكوّن من أسطح تجمّع مُختلفة. على سبيل المثال، قد يكون للبروتين الرباعي محور دوران رباعي واحد، أي تناظر المجموعة النقطية 4 أو C4 _{. في هذه الحالة ،} تكون الأسطح الأربعة بين الوحدات الفرعية مُتطابقة. قد يكون له أيضًا تناظر المجموعة النقطية 222 أو D2 . يحتوي هذا الرباعي على أسطح تجمّع مُختلفة، ويمكن أن يتفكّك إلى ثنائيين متماثلين. تُسمى الرباعيات ذات التناظر 222 "ثنائي من ثنائيات". أما السداسيات ذات التناظر 32 فتُسمى "ثلاثي من ثنائيات" أو "ثنائي من ثلاثيات". وبالتالي، يتم استخدام مصطلح "ثنائي من الثنائيات" لتحديد تناظر المجموعة النقطية أو ترتيب الأوليغومر، بغض النظر عن المعلومات المتعلقة بخصائص تفككه.

من الفروقات الشائعة عند الحديث عن الأوليغومرات ما إذا كانت متجانسة أو غير متجانسة، وذلك بحسب ما إذا كانت الوحدات البروتينية الأصغر التي تتحد لتكوين المركب البروتيني متطابقة (متجانسة) أو مختلفة (غير متجانسة). فعلى سبيل المثال، يتحد مونومران بروتينيان متطابقان لتكوين ثنائي متجانس، بينما يتحد مونومران بروتينيان مختلفان لتكوين ثنائي غير متجانس.

يمكن تحديد البنية الرباعية للبروتين باستخدام تقنيات تجريبية متنوعة تتطلب عينة من البروتين في ظروف تجريبية مختلفة. غالبًا ما توفر هذه التجارب تقديرًا لكتلة البروتين الأصلي، وبالتزامن مع معرفة كتل و/أو نسب الوحدات الفرعية، تسمح بالتنبؤ بالبنية الرباعية بدقة معينة. مع ذلك، لا يمكن دائمًا الحصول على تحديد دقيق لتركيب الوحدات الفرعية لأسباب متعددة.

يمكن غالبًا تحديد عدد الوحدات الفرعية في مركب بروتيني بقياس الحجم الجزيئي الهيدروديناميكي أو كتلة المركب الكامل، وهو ما يتطلب ظروف المحلول الطبيعية. بالنسبة للبروتينات المطوية ، يمكن استنتاج الكتلة من حجمها باستخدام الحجم النوعي الجزئي البالغ 0.73 مل/غ. مع ذلك، فإن قياسات الحجم أقل دقة من قياسات الكتلة، إذ يبدو أن البروتينات غير المطوية لها حجم أكبر بكثير من البروتينات المطوية؛ لذا يلزم إجراء تجارب إضافية لتحديد ما إذا كان البروتين غير مطوي أو أنه قد شكّل قليل الوحدات.

تم تطوير بعض أساليب المعلوماتية الحيوية للتنبؤ بالخصائص البنيوية الرباعية للبروتينات بناءً على معلومات تسلسلها باستخدام أنماط مختلفة من تركيب الأحماض الأمينية الزائفة . ^{[ 2 ] [ 8 ] [ 9 ]}

تتوسع برامج التنبؤ بطي البروتين، المستخدمة للتنبؤ بالبنية الثلاثية للبروتين، لتشمل أيضاً التنبؤ بالبنية الرباعية للبروتين. ومن هذه التطورات برنامج AlphaFold-Multimer ^{[ 10 ]} ، المبني على نموذج AlphaFold للتنبؤ بالبنية الثلاثية للبروتين.

يلعب التركيب الرباعي للبروتين دورًا هامًا في بعض مسارات الإشارات الخلوية . يتضمن مسار مستقبلات البروتين G بروتينًا غير متجانس ثلاثي الوحدات يُعرف باسم بروتين G. تحتوي بروتينات G على ثلاث وحدات فرعية متميزة تُعرف باسم G-ألفا، وG-بيتا، وG-جاما. عند تنشيط بروتين G، يرتبط ببروتين مستقبل البروتين G، ويبدأ مسار الإشارات الخلوية. مثال آخر هو مسار مستقبلات التيروزين كيناز (RTK)، الذي يبدأ بتكوين ثنائي من وحدتين أحاديتين من مستقبلات التيروزين كيناز. عند تكوين الثنائي، يمكن للكينازين فسفرة بعضهما البعض وبدء مسار الإشارات الخلوية. ^{[ 11 ]}

تستطيع البروتينات تكوين معقدات شديدة التماسك، ولكنها عابرة في بعض الأحيان. فعلى سبيل المثال، يرتبط مثبط الريبونيوكلياز بالريبونيوكلياز A بثابت تفكك يبلغ حوالي 20 فمتومولار . وقد تطورت بروتينات أخرى لترتبط بشكل خاص بمجموعات غير مألوفة على بروتين آخر، مثل مجموعات البيوتين (الأفيدين)، أو التيروزينات المفسفرة ( نطاقات SH2 )، أو الأجزاء الغنية بالبرولين ( نطاقات SH3 ). ويمكن هندسة تفاعلات البروتين-بروتين لتفضيل حالات تجميع معينة. ^{[ 12 ]}

عندما تُشكّل نسخ متعددة من عديد ببتيد مُشفّر بواسطة جين مُركّبًا رباعيًا، يُشار إلى هذا التركيب البروتيني باسم مُتعدد الوحدات. ^{[ 13 ]} عندما يتكوّن مُتعدد الوحدات من عديدات ببتيد ناتجة عن أليلين طافرين مختلفين لجين مُعيّن، قد يُظهر مُتعدد الوحدات المُختلط نشاطًا وظيفيًا أكبر من مُتعددات الوحدات غير المُختلطة التي يُشكّلها كل طفرة على حدة. في هذه الحالة، تُعرف هذه الظاهرة باسم التكامل داخل الجين (وتُسمى أيضًا التكامل بين الأليلات). يبدو أن التكامل داخل الجين شائع، وقد دُرِس في العديد من الجينات المختلفة في مجموعة متنوعة من الكائنات الحية، بما في ذلك الفطريات Neurospora crassa و Saccharomyces cerevisiae و Schizosaccharomyces pombe ؛ وبكتيريا Salmonella typhimurium ؛ وفيروس العاثية T4 ، ^{[ 14 ]} وهو فيروس RNA، ^{[ 15 ]} والبشر. ^{[ 16 ]} ناقش جيهل القوى بين الجزيئية التي يُحتمل أن تكون مسؤولة عن التعرف الذاتي وتكوين المتعددات. ^{[ 17 ]}

يبدو أن التفاعل المباشر بين بروتينين حديثي التكوين، ينبثقان من ريبوسومات متجاورة، آلية عامة لتكوين قليل الوحدات. ^{[ 18 ]} وقد تم تحديد مئات من قليل الوحدات البروتينية التي تتجمع في الخلايا البشرية من خلال هذا التفاعل. ^{[ 18 ]} وكان الشكل الأكثر شيوعًا للتفاعل هو التفاعل بين المناطق الطرفية الأمينية للبروتينات المتفاعلة. ويبدو أن تكوين ثنائي الوحدات قادر على الحدوث بشكل مستقل عن آليات التجميع المتخصصة.

• المركب الجزيئي الحيوي
• مركب بروتيني متعدد
• البنية الرباعية للحمض النووي
• الأوليغومرات
• علم الأحياء البنيوي

• قاعدة بيانات بنية الجزيئات الكبيرة (MSD) في المعهد الأوروبي للمعلوماتية الحيوية (EBI) - تقدم قائمة بالبنية الرباعية المحتملة (PQS) لكل بروتين في بنك بيانات البروتين (PDB).
• خادم PQS – لم يتم تحديث PQS منذ أغسطس 2009
• PISA – خادم واجهات البروتين والأسطح والتجمعات في MSD .
• تصنيف EPPIC – تصنيف التفاعلات البروتينية التطورية: تقييم تطوري للتفاعلات في البنى البلورية
• المعقد ثلاثي الأبعاد – التصنيف البنيوي للمعقدات البروتينية
• بروتوبيديا – الصفحة الرئيسية لبروتوبيديا : موسوعة ثلاثية الأبعاد تعاونية للبروتينات والجزيئات الأخرى.
• PDBWiki – الصفحة الرئيسية لـ PDBWiki – موقع إلكتروني لتعليقات المجتمع على هياكل PDB.
• ProtCID – ProtCID — قاعدة بيانات للواجهات البروتينية المتشابهة في الهياكل البلورية للبروتينات المتماثلة.