الببتيدات والبروتينات والأحماض الأمينية: أهم الاختلافات

الأحماض الأمينية هي الوحدات الجزيئية الأساسية التي تتكون منها الببتيدات والبروتينات. الببتيدات هي سلاسل من بقايا الأحماض الأمينية المرتبطة ببعضها البعض بشكل أساسي عبر روابط ببتيدية، أما البروتينات فتتكون من سلسلة واحدة أو عدة سلاسل بوليبتيدية، حيث تؤثر تسلسلها وهيكلها وتفاعلاتها المتبادلة ومعالجتها البيولوجية وسياقها الوظيفي على هويتها. جميع هذه المجموعات مرتبطة كيميائيًا ببعضها البعض، لكن لا يمكن استخدام هذه المصطلحات بشكل متبادل.

من السهل نسبيًا تحديد الفرق بين الأحماض الأمينية الحرة والببتيد: وهو ارتباط الأحماض الأمينية ببعضها البعض عن طريق الروابط الببتيدية يؤدي إلى تكوين جزيء جديد ذي تسلسل محدد وطريقة معينة لارتباط الذرات. الحد الفاصل بين الفرق بين الببتيد والبروتين أقل وضوحًا بكثير.

يُعد طول السلسلة معيارًا إرشاديًا مفيدًا. ففي المواد التعليمية أو بعض أنظمة التصنيف، يمكن أن نجد، على سبيل المثال، حدًا تقليديًّا يبلغ حوالي 50 وحدة من الأحماض الأمينية. غير أن الأدبيات العلمية لا تتبع حدًّا واحدًا شاملاً. وقد وُصف السلسلة المكونة من عشر وحدات بأنها بروتين صغير, ، وقد تم تعريف الجزيء ذي البنية المنظمة والمكون من 29 وحدة على أنه البولي ببتيد, ، وقد توجد بعض البروتينات في حالة عدم انتظام شديد بدلاً من أن تتخذ بنية واحدة ثابتة ومتماسكة. [1] [2] [3]

تُظهر هذه الأمثلة مبدأً مهمًا: توفر طول التسلسل معلومات مهمة، لكنها لا تكفي بحد ذاتها لتصنيف كل سلسلة من الأحماض الأمينية بشكل قاطع.

من أجل التمييز بشكل أفضل الببتيدات, ، البولي ببتيدات والبروتينات، يجدر أخذ عدة خصائص في الاعتبار في آن واحد:

• عدد بقايا الأحماض الأمينية؛;
• تسلسلها؛;
• ما إذا كانت الجزيئة خطية أم حلقية أم متفرعة أم متعددة السلاسل؛;
• طريقة الروابط التساهمية؛;
• هيكل تم تأكيده تجريبيًّا؛;
• التعديلات ما بعد الترجمة أو الكيميائية؛;
• طريقة المعالجة البيولوجية للجزيء؛;
• المصطلحات المتبعة في الأدبيات العلمية لوصف جزيء معين.

في هذا المقال، نوضح كيف ترتبط الأحماض الأمينية والببتيدات والبوليبتيدات والبروتينات ببعضها البعض، وكيف تؤثر طول السلسلة على المصطلحات المستخدمة، وكيف تشكل الروابط الببتيدية سلاسلًا، ولماذا يعد معرفة التسلسل، والبنية الجزيئية، والخصائص التي تم تأكيدها تجريبيًّا فهي أكثر إفادة من اسم الفئة نفسه.

ما الفرق بين الأحماض الأمينية والببتيدات والبروتينات؟

الأحماض الأمينية هي وحدات البناء الأساسية

نموذجي الأحماض الأمينية ألفا يحتوي على ذرة كربون مركزية مرتبطة بمجموعة أمينية، ومجموعة كربوكسيلية، وذرة هيدروجين، وسلسلة جانبية متغيرة.

إن السلسلة الجانبية هي بالضبط ما يميز حمض أميني عن آخر.

في الظروف السائدة في العديد من البيئات البيولوجية، غالبًا ما تظهر المجموعات الأمينية والكاربوكسيلية في أشكال مشحونة. لذا، فإن الصيغة الهيكلية الشائعة والمحايدة المستخدمة في الكيمياء الأساسية تُعد طريقة مفيدة لتوضيح الأحماض الأمينية، ولكنها لا تمثل بالضرورة حالتها الأيونية السائدة في جميع الظروف البيولوجية.

تختلف السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية الفردية في عدة جوانب، منها:

• من حيث الحجم؛;
• شحنة كهربائية؛;
• القطبية؛;
• الطبيعة الكارهة للماء؛;
• القدرة على تكوين روابط هيدروجينية؛;
• الخصائص المكانية؛;
• التفاعلية الكيميائية.

على سبيل المثال، تحتوي الجليسين على ذرة هيدروجين واحدة كسلسلة جانبية، ولذلك فهي أصغر من الناحية الهيكلية من الأحماض الأمينية القياسية الأخرى. أما السيستين، فيحتوي على سلسلة جانبية بها ذرة كبريت، والتي يمكن أن تشارك في تكوين جسور ثنائي الكبريتيد.

قد تحتوي الأحماض الأمينية الأخرى على سلاسل جانبية عطرية، أو حمضية، أو قاعدية، أو قطبية، أو غير قطبية في المقام الأول.

تساعد هذه الاختلافات على فهم السبب في أن استبدال حمض أميني بآخر قد يغير خصائص الببتيد أو البروتين. قد يظل الهيكل الأساسي للجزيء مرتبطًا بواسطة نفس نوع الروابط الببتيدية، لكن الخصائص الكيميائية تتغير نتيجة لوجود سلاسل جانبية معينة.

ويمكن أن توجد الأحماض الأمينية أيضًا وتشارك في عملية التمثيل الغذائي بشكل مستقل عن الببتيد أو البروتين.

الأحماض الأمينية الحرة هي جزيئات منفصلة.

بعد دمجها في السلسلة الببتيدية أو البروتينية، تُعرف الوحدات الفردية بشكل أكثر دقة على أنها بقايا الأحماض الأمينية.

في اللغة اليومية، يُعتبر القول بأن البروتين هو „سلسلة من الأحماض الأمينية” أمرًا مفهومًا. لكن من وجهة نظر الكيمياء الهيكلية، يُعد مصطلح „سلسلة بقايا الأحماض الأمينية” أكثر دقة، لأن إدراج حمض أميني في السلسلة يغير سياقه الكيميائي.

تحتوي الببتيدات على أحماض أمينية مرتبطة ببعضها بواسطة روابط ببتيدية

في الهيكل الببتيدي النموذجي، يرتبط ذرة الكربون في مجموعة الكربونيل — المشتقة من مجموعة الكربوكسيل في إحدى الوحدات — بذرة النيتروجين المرتبطة بالوحدة التالية.

يُطلق على هذه الرابطة الأميدية التساهمية اسم رابطة ببتيدية.

يؤدي الجمع بين البقايا إلى تكوين ثنائي الببتيد.

تشكل البقايا الثلاثة ثلاثي الببتيد.

الأربعة تشكل رباعي الببتيد, ، ويؤدي الاستمرار في إطالة السلسلة إلى تكوين ببتيدات وبوليبتيدات أطول فأطول تستند إلى نفس النوع العام من الهيكل الكيميائي.

الجزيء الذي يتشكل هو أكثر من مجرد مجموعة من مكوناته.

يختلف المزيج الذي يحتوي على جزيئات منفصلة من الجليسين والألانين كيميائيًا عن الديبتيد جليسيلوالانين.

تحتوي الجزيئة المركبة على:

• تسلسل معين؛;
• الروابط التساهمية المحددة؛;
• مجموعات نهائية محددة؛;
• الكتلة الجزيئية الخاصة بها؛;
• التشكيلات المحتملة؛;
• خصائص كيميائية تختلف عن خصائص الأحماض الأمينية المنفصلة.

يؤدي عكس الترتيب إلى ظهور الألانيلوجليسين.

يحتوي كل من الجليسيل ألانين والألانيل جليسين على نفس أنواع الأحماض الأمينية، لكن تسلسلهما مختلف.

يوضح هذا المثال البسيط إحدى القواعد الأساسية في كيمياء الببتيدات:

التركيب الأميني ليس هو نفسه التسلسل الأميني.

تتميز الروابط الببتيدية أيضًا بخصائص هيكلية مميزة. حيث يحد توزيع إلكتروناتها من الدوران حول رابطة الكربون-النيتروجين في الهيكل الأساسي، في حين أن الروابط المجاورة هي المسؤولة عن جزء كبير من المرونة التكوينية للسلسلة.

تُظهر الأبحاث التجريبية والحسابية أن المجموعة الببتيدية مسطحة تقريبًا، على الرغم من احتمال وجود انحرافات طفيفة عن الاستواء المثالي. [4]

تحتوي البروتينات على سلسلة بولي ببتيدية واحدة أو أكثر

يُفهم البروتين عادةً على أنه جزيء بيولوجي كبير يتكون من سلسلة بولي ببتيدية واحدة أو عدة سلاسل بولي ببتيدية.

يمكن أن تتكون هذه السلاسل من:

• هياكل كروية متماسكة؛;
• الهياكل الممدودة؛;
• الهياكل المرتبطة بالأغشية؛;
• المناطق المرنة؛;
• المناطق التي تعاني من اضطرابات داخلية؛;
• مجمعات مكونة من عدة سلاسل؛;
• تركيبات العناصر الهيكلية المختلفة.

تحتوي بعض البروتينات أيضًا على كربوهيدرات مرتبطة بها، أو دهون، أو أيونات معدنية، أو مجموعات بروستيتية، أو تعديلات تساهمية، أو مكونات أخرى مرتبطة بها.

لذا، فإن وصف جزيء معين بأنه بروتين عادةً ما ينقل معلومات أكثر من مجرد الإشارة إلى وجود روابط ببتيدية.

يضع هذا المصطلح الجزيء في سياق أوسع في السياق الهيكلي والبيولوجي.

لكن هذا لا يعني أن كل جزيء يُسمى بروتينًا يجب أن يحتوي على:

• طول أدنى محدد؛;
• هيكل واحد صلب بشكل دائم؛;
• سلسلة بولي ببتيدية واحدة فقط؛;
• النشاط الإنزيمي؛;
• نوع معين من الوظائف البيولوجية.

ومن الأمثلة الجيدة على ذلك بروتين KISS1.

استخدم الباحثون، من بين أمور أخرى، التصوير بالرنين المغناطيسي النووي وتشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة، لتوصيف بروتين KISS1 على أنه بروتين غير منظم داخليًا وأكثر امتدادًا قليلاً من الكتلة البوليمرية الإحصائية النموذجية. وبالتالي، فإن تصنيفه كبروتين لا يعتمد على وجود بنية واحدة متماسكة وثابتة. [3]

الأحماض الأمينية والببتيدات والبروتينات – مقارنة

يُظهر الجدول الاختلافات التقليدية ولا يحدد حدًا رسميًا واحدًا يسري على جميع الجزيئات.

تُظهر الأمثلة على الجزيئات القصيرة المنظمة والبروتينات غير المنظمة داخليًا المجالات التي تتطلب فيها التعريفات المبسطة مزيدًا من التوضيح. [1] [2] [3]

ما هو البوليمر الذي يتكون من الأحماض الأمينية؟

عندما يتم ربط العديد من بقايا الأحماض الأمينية بواسطة هيكل متكرر يحتوي على روابط ببتيدية، يتشكل البولي ببتيد.

قد يحتوي البروتين على سلسلة بولي ببتيدية واحدة أو عدة سلاسل مترابطة لتشكل بنية أكبر.

وبالتالي، فإن هذه المفاهيم تسلط الضوء على سمات مختلفة بعض الشيء:

البولي ببتيد يتعلق في المقام الأول بالتركيب الكيميائي للسلسلة؛;

البروتين عادةً ما يصف جزيءًا بيولوجيًا كاملًا أو مركبًا جزيئيًّا.

هذا التمييز مفيد عند قراءة المنشورات العلمية.

في إحدى الأبحاث، قد يصف المؤلفون عملية تخليق البولي ببتيد قبل تحديد هيكله الفراغي أو نشاطه البيولوجي. وفي بحث آخر، قد يحللون بروتينًا مكونًا من عدة سلاسل بولي ببتيدية.

ولا يعني ذلك، في أي من هذه الحالات، حدوث تغيير في التركيب الكيميائي الأساسي للأحماض الأمينية.

في دراسة قارنت بين التعبير البكتيري وتخليق الببتيدات في المرحلة الصلبة، تم تحليل ببتيدات تتألف من 20 إلى 40 وحدة „"الببتيدات والبروتينات الصغيرة"”. تُظهر المصطلحات المستخدمة أن هذه التعريفات قد تتداخل جزئيًّا اعتمادًا على الطول والخصائص الهيكلية والسياق العلمي. [5]

طول السلسلة والتصنيف

ما معنى مصطلحات «ديبتيد» و«تريببتيد» و«أوليجوببتيد» و«بوليببتيد»؟

ثنائي الببتيد يحتوي على اثنين من بقايا الأحماض الأمينية.

ثلاثي الببتيد يحتوي على ثلاثة.

وبالمثل، يحتوي التتراببتيد والبنتابتيد على أربع وخمس وحدات على التوالي.

تسمح هذه الأسماء بتحديد عدد البقايا بدقة، إذا كانت تشير إلى السلسلة التي يتم تحليلها بأكملها.

أوليغوببتيد عادةً ما يشير ذلك إلى سلسلة قصيرة نسبيًا.

البولي ببتيد يشير إلى وجود العديد من بقايا الأحماض الأمينية في سلسلة واحدة، وغالبًا — وإن لم يكن دائمًا — يُستخدم هذا المصطلح للإشارة إلى التسلسلات الأطول.

تختلف الحدود العددية بين مصطلحات مثل «أوليغوببتيد» و«ببتيد» و«بوليبتيد» باختلاف التخصص والمنشور.

ولذلك، فإن التسلسل الفعلي أو عدد البقايا الذي ذكره المؤلفون هو أكثر موثوقية من الافتراض بأن جميع الباحثين يتبعون نفس القاعدة.

في سلسلة خطية نموذجية غير متفرعة تحتوي على ما تبقى يظهر في:

n − 1 رابطة ببتيدية في الهيكل الأساسي.

وبالتالي، فإن ثلاثي الببتيد يحتوي على ثلاث وحدات، ولكنه يحتوي على رابطتين ببتيديتين.

يحتوي السلسلة المفتوحة المكونة من عشرة بقايا على تسعة روابط من هذا النوع.

تنطبق هذه العلاقة على سلسلة مفتوحة واحدة.

يحتوي الببتيد الدوري المغلق عن طريق ربط الطرفين N و C على رابطة إضافية تغلق الهيكل، ولذلك فإنه عندما يحتوي على n بقايا، فإنه يحتوي على n روابط ببتيدية في الهيكل.

يجب تحليل الروابط الموجودة بين السلاسل الجانبية بشكل منفصل.

هل تشكل 50 حمضًا أمينيًا الحد الفاصل بين الببتيد والبروتين؟

الطول حوالي 50 بقايا من الأحماض الأمينية تُستخدم أحيانًا كأسلوب تعليمي عملي يتيح التمييز بين الببتيدات والبروتينات.

إلا أن هذا ليس قانونًا كيميائيًا عامًّا.

الانتقال من 50 إلى 51 بقايا لا يؤدي إلى أي تحول كيميائي مفاجئ من شأنه أن يحول الببتيد تلقائيًا إلى بروتين.

تستخدم مجالات العلم المختلفة هذه المفاهيم بطريقة تختلف قليلاً، كما أن بعض الجزيئات تحتفظ بأسماء متعارف عليها تاريخياً لا تتوافق مع حد رقمي بسيط.

ومن الأمثلة الجيدة على ذلك CLN025.

يحتوي CLN025 على عشرة بقايا فقط، ومع ذلك وصفه الباحثون بأنه بروتين صغير وقاموا بتحليل هيكله على شكل دبوس شعر بيتا باستخدام التحليل الطيفي والديناميكا الجزيئية. ولم يمنعه طوله القصير من اتخاذ شكل منظم في الظروف التي خضع لها الدراسة. [1]

وهذا لا يعني أن كل ببتيد يتكون من عشر وحدات يجب أن يُسمى بروتينًا.

بل إنه يوضح، في المقابل، سبب عدم صحة العبارات القاطعة للغاية، مثل:

„"يحتوي كل بروتين على أكثر من 50 حمضًا أمينيًا"”

أو

„أي سلسلة تقل عن 50 حمضًا أمينيًّا تُعتبر ببتيدًا غير منظم”

إنها تبسيط مفرط.

والنهج الأكثر دقة هو اعتبار عدد البقايا إحدى الخصائص العديدة التي تصف الجزيء.

يمكن أيضًا تسمية الببتيد القصير بالبوليبتيد

ومن الأمثلة الجيدة الأخرى كالاتا B1.

في الدراسة الهيكلية الأولية، وُصفت هذه الجزيئة النباتية المكونة من 29 وحدة على أنها البولي ببتيد, ، وتم التأكد من هيكلها الدوري ودراسة بنيتها ثلاثية الأبعاد. [2]

وهي تجمع بين:

• تسلسل قصير نسبيًا؛;
• البنية الدورية للهيكل العظمي؛;
• قيود تساهمية إضافية؛;
• هيكل مكاني منظم.

وبالتالي، فإن مصطلح «بولي ببتيد» لا يعني بالضرورة جزيءًا كبيرًا جدًّا.

اعتمادًا على السياق، قد يكون المقصود ببساطة التأكيد على أن الجزيء قيد التحليل هو سلسلة من بقايا الأحماض الأمينية.

لذلك، عند تفسير الأدبيات العلمية، يجدر التحقق من التسلسل الفعلي، وعدد البقايا، والبنية الجزيئية، والنتائج التجريبية، بدلاً من إعطاء معنى إضافي للاسم المستخدم فحسب.

عدد البقايا والكتلة الجزيئية هما مقياسان مختلفان

يحدد عدد الباقيات،, كم عدد وحدات الأحماض الأمينية الموجودة في الجزيء؟.

أما الكتلة الجزيئية فتصف كتلة الجزيء بأكمله على المستوى الجزيئي.

هذه القيم مترابطة، لكنها ليست متكافئة.

تختلف كتل كل وحدة من وحدات الأحماض الأمينية. ولذلك، فإن السلسلتين اللتين تحتويان على نفس العدد من الوحدات قد يكون لهما كتلة جزيئية مختلفة، إذا اختلفت تسلسلاتهما.

قد تؤثر التعديلات الكيميائية أيضًا على الكتلة.

قد يؤدي ربط الكربوهيدرات أو الدهون أو مجموعة الفوسفات أو التعديل النهائي أو أي مكون آخر إلى زيادة كتلة الجزيء دون زيادة عدد الأحماض الأمينية في هيكله الأساسي.

كما يمكن أن يتكون البروتين من عدة سلاسل.

وبالتالي، فإن العدد الإجمالي للبقايا في البروتين بأكمله قد يختلف عن طول كل سلسلة على حدة.

ينبغي أن يحدد الوصف العلمي الدقيق ما إذا كانت القيمة المذكورة تتعلق بـ:

• طول سلسلة واحدة؛;
• العدد الإجمالي للبقايا في المركب؛;
• الكتلة الجزيئية لسلسلة واحدة؛;
• كتلة المركب الجزيئي بأكمله.

لا يحدد أي من هذه المعلمات، في حد ذاته، النشاط البيولوجي أو جودة الأدلة المتعلقة بالتأثير المعلن للجزيء.

يجب حساب الشكل الجزيئي الفعلي الذي تتناوله التحليلات

لا ينبغي اعتبار السلائف ومنتجات معالجتها تلقائيًّا على أنها نفس التسلسل الجزيئي.

على سبيل المثال البروإنسولين يتم تحويلها عبر أشكال وسيطة إلى الأنسولين والببتيد C.

يوضح الاستعراض التحليلي المتعلق بمنتجات تحويل البروإنسولين أهمية التمييز بين هذه الأشكال عند تفسير نتائج القياسات. [6]

كما أظهرت الأبحاث التي أجريت على الإنزيم الموجود في الحبيبات المفرزة للأنسولين إزالة انتقائية للبقايا القلوية من الركائز المشتقة من البروأنسولين دون حدوث مزيد من التحلل للأنسولين الناضج في الاختبار الذي أُجري. [7]

كانت هذه تجربة تتعلق بالتحويل الكيميائي الحيوي، وليست دليلاً على أن جميع الببتيدات تخضع لنفس نمط الانقسام.

إذا ذكرت الدراسة الطول أو الكتلة أو التركيز أو النشاط للببتيد، فمن المفيد تحديد ما إذا كانت القيمة المدروسة تتعلق بـ:

• السلائف؛;
• الشكل الوسيط؛;
• الببتيد الناضج؛;
• جزء ناتج عن الانشطار؛;
• سلسلة واحدة من جزيء متعدد السلاسل؛;
• المركب الجزيئي الكامل.

وبدون هذا التمييز، قد يبدو أن وصفين صحيحين علميًا يتعارضان ظاهريًّا، رغم أنهما في الواقع يشيران إلى أشكال مختلفة من نفس الجزيء أو جزيء مرتبط به.

البنية، والطيات، والوظيفة البيولوجية

البنية الأولية: كل شيء يبدأ بالتسلسل

تشير البنية الأولية إلى تسلسل الأحماض الأمينية، كما تشمل، في الوصف الكيميائي الأكثر شمولاً، الروابط التساهمية ذات الصلة.

يحدد نوع البقايا وترتيبها أنواع السلاسل الجانبية المتاحة ومواقعها في الهيكل الأساسي.

لذلك لا يمكن اعتبار التسلسل مرادفًا للتركيب.

قد يحتوي سلسلتان على نفس أنواع الأحماض الأمينية وعددها بالضبط، مع اختلاف ترتيبها في الوقت نفسه.

قد يؤثر تغيير الترتيب، من بين أمور أخرى، على:

• توزيع الحمولة؛;
• توزيع المناطق الكارهة للماء؛;
• المرونة المحلية؛;
• التركيبات المحتملة للروابط الهيدروجينية؛;
• الميل إلى تكوين هياكل ثانوية محددة؛;
• التعرف عليها من قبل جزيئات أخرى؛;
• النشاط البيولوجي.

وبالتالي، فإن التسلسل الكامل يحتوي على معلومات أكثر بكثير من مجرد قائمة بالأحماض الأمينية الموجودة في الجزيء.

قد تؤثر التغييرات في التسلسل أيضًا على العلاقة بين ارتباط الجزيء والاستجابة البيولوجية.

في دراسة الببتيد الإشاري النباتي أنظمة وقد ثبت أن مناطق مختلفة من التسلسل ساهمت بطرق مختلفة في ارتباط المستقبل وتفعيله. ولم تكن الجزيئة الكاملة وأجزاؤها الأقصر متكافئة من الناحية الوظيفية. [8]

البنية الثانوية والثالثة والرابعة

البنية الثانوية يصف التراكيب المتكررة المحلية للهيكل العظمي، مثل اللولب ألفا والصفحات بيتا.

ومن العوامل التي تساعد على تكوّنها، من بين أمور أخرى، الترتيب المنظم للروابط الهيدروجينية في الهيكل.

إلا أنها لا تتشكل عن طريق استبدال الروابط الببتيدية المسؤولة عن البنية الأولية.

البنية الثلاثية يصف التنظيم الأوسع نطاقًا والثلاثي الأبعاد لسلسلة بولي ببتيدية واحدة.

البنية الرباعية يشير إلى طريقة تنظيم عدة سلاسل بولي ببتيدية ضمن مركب جزيئي أكبر.

وبالتالي، فإن البروتين المكون من سلسلة واحدة ليس بالضرورة أن يكون له بنية رباعية.

وبالمثل، لا يتعين على الببتيد القصير أن يُظهر جميع مستويات التنظيم الهيكلي لكي يتمتع بخصائص بيولوجية معينة.

من بين العوامل التي قد تسهم في تنظيم البنية الجزيئية ما يلي:

• الروابط الهيدروجينية؛;
• التأثيرات الكهروستاتيكية؛;
• تأثيرات فان دير فالس؛;
• التأثير المقاوم للماء؛;
• التأثيرات العطرية؛;
• تنسيق أيونات المعادن في بعض الجزيئات؛;
• الروابط التبادلية العرضية، مثل الجسور الثنائي الكبريتيدية.

تربط الجسور الثنائي الكبريتية، إن وجدت، ذرات الكبريت المستمدة من بقايا السيستين.

وهي تختلف كيميائيًا عن الروابط الببتيدية التي تشكل الهيكل الأساسي للسلسلة.

الأبحاث في مجال التخليق مثبط التريبسين البنكرياسي البقري (BPTI) تُظهر بوضوح الفرق بين تكوين السلسلة والحصول على شكلها المتموج والنشط بشكل صحيح.

قام الباحثون بتخليق تسلسل خطي كيميائيًّا، ثم أجروا عملية الأكسدة والطي، وحصلوا على مادة تتطابق مع البروتين الطبيعي في التحليلات الهيكلية والوظيفية الموصوفة. [9]

هل يمكن أن يكون للببتيدات بنية ثلاثية الأبعاد مستقرة؟

نعم.

لا يعني وجود سلسلة قصيرة بالضرورة أن الجزيء يفتقر إلى بنية منظمة.

شكلت CLN025 بنية «بيتا-هيربين» في البيئات التي خضعت للدراسة، في حين أظهرت الكالاتا الدورية B1 بنية منظمة على الرغم من وجود 29 وحدة فقط. [1] [2]

إلا أن هذه الملاحظات تتعلق بجزيئات محددة.

وهذا لا يعني أن كل ببتيد قصير يشكل بنية مستقرة بنفس الدرجة.

يعتمد ما إذا كان الببتيد المعين يتخذ شكلاً منظماً أم لا، من بين أمور أخرى، على:

• التسلسل؛;
• التفاعلات بين البقايا؛;
• القيود الناجمة عن الطبيعة الدورية؛;
• جسور ثاني كبريتيد؛;
• المذيب؛;
• درجات الحرارة؛;
• التركيزات؛;
• وجود شركاء ملزمين؛;
• التعديلات الكيميائية.

قد يكون البيئة عاملاً بالغ الأهمية.

في دراسة مركبة النيوروببتيد Y, ، الذي يحتوي على 36 بقايا، تم تحليل شكله في خليط من المذيبات يحتوي بشكل أساسي على ثلاثي فلورو إيثانول. ولوحظ وجود منطقة حلزونية بالقرب من الطرف الكربوني (C-terminus)، في حين لم يُظهر الطرف النيتروجيني (N-terminus) بنية منتظمة مماثلة. [10]

لا ينبغي تقديم الملاحظة التي تمت في مثل هذا البيئة كدليل على أن الببتيد يتخذ نفس البنية بالضبط في جميع الظروف البيولوجية.

لذلك، عند تفسير الدراسات الهيكلية، يجب الانتباه إلى الظروف التجريبية.

البيان:

„"شكل الببتيد حلزونًا في الظروف التي أُجريت فيها الدراسة"”

وهو أكثر دقة من الناحية العلمية مقارنة بـ:

„"الببتيد له دائمًا بنية حلزونية".

هل تتمتع جميع البروتينات ببنية واحدة ثابتة؟

لا.

تحتوي العديد من البروتينات على مجالات مطوية بشكل ثابت، لكن هناك بروتينات أخرى تحتوي على مجالات واسعة المناطق التي تعاني من اضطرابات داخلية, ، وقد تكون بعضها غير منظمة إلى حد كبير.

تتواجد هذه الجزيئات في شكل مجموعات ديناميكية ذات تشكيلات مختلفة، بدلاً من البقاء طوال الوقت في هيكل ثلاثي الأبعاد واحد ثابت.

تُعد أبحاث KISS1 مثالاً مباشراً على مثل هذه الحالة.

وقد أكدت النتائج التي تم التوصل إليها باستخدام عدة طرق تجريبية طبيعته غير المنظمة داخليًا. [3]

وهذا يوضح محدودية النموذج التعليمي المبسط، الذي يُصوَّر فيه كل بروتين على أنه جزيء متماسك وثابت.

لكن هذا لا يعني أن البروتين غير المنظم داخليًا لا يمكن أن يظهر أي تنظيم أو خصوصية في التفاعلات أو أهمية بيولوجية.

كما يجب التمييز بين الفوضى الداخلية و التحوير.

وقد تكون هذه خاصية طبيعية لتسلسل معين في ظروف محددة.

أما التحلل، فيعني اضطراب التنظيم الهيكلي القائم للجزيء.

لا تشير أي من هذه الظواهر في حد ذاتها إلى حدوث تحلل مائي للروابط الببتيدية أو تفكك الجزيء إلى أحماض أمينية حرة.

تعتمد الوظيفة على الجزيء المعين

تشارك الأحماض الأمينية والببتيدات والبروتينات في العديد من العمليات البيولوجية المتداخلة، لكن الانتماء إلى إحدى هذه الفئات لا يعني بالضرورة أن لها تأثيرًا مشتركًا.

يمكن أن يتكون الببتيد الإشاري، والتريببتيد داخل الخلية، والإنزيم، والبروتين الهيكلي من بقايا الأحماض الأمينية، وفي الوقت نفسه تؤدي وظائف مختلفة تمامًا.

على سبيل المثال، في دراسة فسيولوجية أُجريت على البشر، تم تحليل GLP-1(7–36) كإنكريتين، وتم قياس الاستجابات أثناء التسريب لدى سبعة متطوعين. [11]

تناولت الدراسة جزيء إشارة معين وبروتوكول تجريبي محدد.

ولا يمكن استنتاج من ذلك أن الببتيدات الأخرى تسبب تأثيرات مماثلة فيما يتعلق بإفراز الأنسولين.

ومن الأمثلة الأخرى على ذلك الجلوتاثيون.

وهو ثلاثي الببتيد الذي يشارك في العمليات الأكسدة والاختزال الخلوية. وفي إحدى الدراسات، استُخدمت مياه مُعلمة نظائريًّا لتقدير تخليق الجلوتاثيون لدى الأرانب، مما أظهر أن حتى الببتيد الصغير جدًّا يمكن دراسته كجزيء خاضع للتنظيم الأيضي. [12]

كان هذا البحث يتعلق بالتخليق الحيوي، وليس بدراسة تناول المكملات الغذائية لدى البشر.

من الناحية العلمية، فإن السؤال الصحيح هو إذن:

ما الذي تفعله هذه الجزيئة أو هذه التسلسلات بالتحديد، وفي أي ظروف، وبناءً على أي أدلة؟

يساعد مصطلحا „الببتيد” و„البروتين” في وصف الهوية الجزيئية.

لا تحدد وظيفة بيولوجية عامة.

قد يؤدي انقطاع السلسلة إلى تغيير هويتها ونشاطها

يؤدي التحلل المائي إلى انقسام الروابط الببتيدية.

قد يؤدي الانقسام الفردي إلى تكوين سلاسل ببتيدية أقصر، في حين أن التحلل المائي على نطاق واسع قد يؤدي في النهاية إلى تحرير الأحماض الأمينية الفردية.

عادةً ما لا يؤدي قطع جزء واحد من سلسلة طويلة إلى تحرير جميع أجزائها المتبقية على الفور.

يمكن أن تستخدم المعالجة البيولوجية للجزيئات عملية التقطيع الانتقائي، من بين أمور أخرى، من أجل:

• تنشيط السلائف؛;
• إزالة تسلسلات الإشارات؛;
• فصل المناطق الوظيفية؛;
• إنتاج الببتيدات الناضجة؛;
• إنهاء النشاط؛;
• تكوين جزيئات ذات وظائف بيولوجية مختلفة.

يوضح البحث الذي أُجري على نظام «سيستمين» لماذا لا ينبغي الافتراض بأن الجزء يحافظ تلقائيًا على نشاط الجزيء الأصلي.

شارك الطرف N في الارتباط بالمستقبل، في حين كان الطرف C ضروريًا لتنشيطه. ولم تكن المقاطع التي خضعت للدراسة تتصرف ببساطة كنسخ أقصر من الجزيء الإشاري الكامل. [8]

الهضم هو عملية أخرى تتغير فيها الهوية الجزيئية.

في دراسة أُجريت على البشر، تم الكشف عن وجود ببتيدات معينة مشتقة من الكولاجين في الدم بعد تناول مستخلصات الجيلاتين. [13]

وهذا يؤكد وجود مقاطع محددة في ظروف هذه الدراسة.

لكن هذا لا يعني أن:

• يتم امتصاص كل ببتيد مستمد من الطعام دون أي تغيير؛;
• يخضع كل جزء ببتيد لعملية الهضم؛;
• تتصرف جميع مستخلصات البروتين المهدرجة بشكل متماثل؛;
• إن مجرد اكتشاف جزء من الببتيد يؤكد وجود فائدة صحية محددة.

لماذا لا توجد حدود واضحة بين الببتيد والبروتين؟

المصطلحات المختلفة تجيب على أسئلة مختلفة

تتداخل مصطلحات «الببتيد» و«البوليبتيد» و«البروتين» جزئيًّا، لأنها غالبًا ما تسلط الضوء على خصائص مختلفة للجزيء.

الببتيد وغالبًا ما يشير ذلك إلى سلسلة قصيرة نسبيًّا.

البولي ببتيد يؤكد على الطبيعة الكيميائية لسلسلة الأحماض الأمينية.

البروتين عادةً ما يشير إلى جزيء بيولوجي معين، أو مركب جزيئي، أو وحدة ذات سياق هيكلي ووظيفي محدد.

ونظرًا لأن هذه المفاهيم تجيب على أسئلة وصفية مختلفة بعض الشيء، فقد تتداخل معانيها جزئيًا.

لكن هذا لا يعني أن جميع الاختلافات تختفي.

تظل الأحماض الأمينية الحرة جزيئات مختلفة كيميائيًا عن السلسلة المرتبطة.

الديبتيد المكون من بقعتين أصغر حجمًا بكثير وأبسط من الناحية الهيكلية مقارنةً بالمركب البروتيني الكبير المكون من العديد من السلاسل.

تظهر حالة عدم اليقين في المقام الأول عند محاولة تحديد حد رقمي واحد شامل التي تفصل جميع الببتيدات عن جميع البروتينات.

أمثلة علمية توضح حدود القواعد البسيطة

تستمد هذه الأمثلة من الأبحاث الهيكلية والتركيبية والكيميائية الحيوية، وليس من منشور يحدد عتبة تصنيفية رسمية واحدة.

تكمن أهميتها في المقام الأول في إظهار محدودية التعريفات المفرطة في التبسيط. [1] [2] [3] [7] [9]

لا يُحدد الأصل الطبيعي أو الاصطناعي التصنيف

لا يُعرَّف الببتيد بأنه تم تصنيعه في المختبر.

وبالمثل، لا يُعرَّف البروتين بأنه مادة تم عزلها من كائن حي.

تقوم الخلايا بتخليق الببتيدات والبروتينات بشكل طبيعي، في حين يمكن للعلماء الحصول على العديد من سلاسل الأحماض الأمينية من خلال:

• التخليق الكيميائي؛;
• التعبير المُعاد تجميعه؛;
• التخليق خارج الخلية؛;
• أنظمة الإنتاج الأخرى الخاضعة للرقابة.

أظهرت دراسة قارنت بين التعبير البكتيري والتخليق في المرحلة الصلبة للتسلسلات التي تحتوي على 20–40 وحدة، أن اختيار طريقة الإنتاج يعتمد، من بين أمور أخرى، على التسلسل المحدد ومتطلبات البحث. [5]

لا تنتقل الجزيئة إلى فئة كيميائية أخرى لمجرد تغيير طريقة إنتاجها.

وبالمثل، تُظهر الأبحاث المتعلقة بـ BPTI الاصطناعي أن التخليق الكيميائي يمكن أن يؤدي إلى الحصول على جزيء يُصنف على أنه بروتين. [9]

المصطلح نفسه اصطناعي لا يؤكد ذلك التكافؤ الجزيئي الكامل، لكن الأصل الاصطناعي لا يستبعد أيضًا تصنيفه كبروتين.

كيف يمكن وصف الجزيء بدقة؟

ينبغي أن يتضمن الوصف العلمي المفيد اسم الجزيء، وكذلك، عند الاقتضاء:

• تسلسل الأحماض الأمينية؛;
• عدد الباقيات؛;
• الكتلة الجزيئية؛;
• معلومات حول ما إذا كانت البنية خطية أم دورية؛;
• عدد السلاسل؛;
• روابط تساهمية عرضية مهمة؛;
• التعديلات الكيميائية أو ما بعد الترجمة؛;
• الخصائص الهيكلية التي تم تأكيدها تجريبياً؛;
• وظيفة بيولوجية مؤكدة.

على سبيل المثال، عبارة:

„"الببتيد المكون من عشرة بقايا والذي يتم دراسته باعتباره بروتينًا صغيرًا ذي بنية بيتا-هيربين"”

يقدم معلومات أكثر بكثير من الجدل حول ما إذا كان يجب أن تنتمي الجزيئة حصريًّا إلى فئة الببتيدات أو البروتينات.

وبالمثل، مصطلح:

„"بروتين غير منظم داخليًا"”

إنه وصف صحيح علميًا، وليس تناقضًا. [1] [3]

ويكتسب هذا التمييز أهمية خاصة عند تفسير الادعاءات المتعلقة بالتأثير البيولوجي.

لا يمكن تلقائيًا تطبيق الأدلة المتعلقة بببتيد معين على ببتيد آخر لمجرد أن كلا الجزيئين عبارة عن سلاسل قصيرة من بقايا الأحماض الأمينية.

يُحدد التصنيف نوع الجزيء الذي نتعامل معه. أما لتحديد الدور المحدد الذي تؤديه جزيئة معينة، فيلزم إجراء أبحاث تتناول هذا التسلسل وهذا الشكل الجزيئي بالتحديد.

الأسئلة المتداولة

1. هل جميع الببتيدات بروتينات؟

لا. تشترك الببتيدات والبروتينات في أساس كيميائي مشترك يتمثل في سلاسل الأحماض الأمينية، ولكن لا يُصنف كل ببتيد على أنه بروتين. عادةً ما يُطلق مصطلح „الببتيد” على السلاسل القصيرة، في حين أن مصطلح «البروتين» يأخذ في الاعتبار أيضًا السياق البيولوجي والهيكلي والتاريخي. يوضح CLN025 سبب صعوبة تحديد حد فاصل دقيق: فقد وصف الباحثون هذا التسلسل المكون من عشر وحدات كـ«بروتين صغير» ذي بنية «بيتا-هيربين» منظمة. لكن هذا لا يعني أن كل ببتيد قصير هو بروتين. بل يوضح فقط أن المفاهيم تتداخل جزئيًا وأنه لا يوجد عدد محدد من البقايا يحسم جميع حالات التصنيف. [1]

2. هل الببتيدات هي نفس الأحماض الأمينية؟

لا. الأحماض الأمينية هي وحدات جزيئية منفردة، في حين أن الببتيدات تحتوي على بقايا أحماض أمينية مرتبطة ببعضها بواسطة روابط ببتيدية. يؤدي ارتباط الأحماض الأمينية إلى تكوين جزيء له تسلسل خاص به، ونهايات للسلسلة، وروابط تساهمية، وخصائص كيميائية. لذا فهي ليست مجرد خليط من الأحماض الأمينية الأولية. تُظهر أبحاث السيمينين أهمية التسلسل المحدد: فقد شاركت الأجزاء المختلفة من الببتيد المرتبط بشكل مختلف في الارتباط بالمستقبل وتفعيله. وتتعلق النتائج بنظام نباتي محدد، لكنها توضح جيدًا المبدأ العام القائل بأن هوية الببتيد تعتمد على بنيته الجزيئية المركبة. [8]

3. ما هو البوليمر الذي يتكون من الأحماض الأمينية؟

يُعرف السلسلة الناتجة عن ارتباط بقايا الأحماض الأمينية بواسطة روابط ببتيدية بأنها البولي ببتيد. يمكن أن تشكل سلسلة بولي ببتيدية واحدة أو أكثر بروتينًا، على الرغم من أن مصطلح „البولي ببتيد” بحد ذاته لا يشير إلى بنية فضائية محددة أو وظيفة بيولوجية معينة. وقد استُخدم هذا المصطلح في الأدبيات أيضًا للإشارة إلى تسلسلات قصيرة نسبيًّا تتألف من 20 إلى 40 وحدة. لذا فإن الإجابة العامة الأكثر دقة هي „البولي ببتيد”، في حين يُستخدم مصطلح «البروتين» عندما يتوافق مع الهوية البيولوجية الأوسع نطاقًا للجزيء أو المركب المعني. [5]

4. ما الفرق بين الأحماض الأمينية و«بقية» الأحماض الأمينية؟

الأحماض الأمينية هي جزيئات فردية تشكل الوحدة البنائية، في حين أن „بقايا الأحماض الأمينية” هي الوحدة المقابلة لها بعد اندماجها في السلسلة الببتيدية أو البروتينية. وينشأ هذا الاختلاف عن مشاركة هذه الوحدة في روابط الهيكل الأساسي وموقعها المحدد في التسلسل. وغالبًا ما يُشار في الدراسات الهيكلية للببتيدات إلى مواقع البقايا الفردية، لأنها تؤثر على الهندسة المحلية والتفاعلات الجزيئية. في اللغة العامية، يُفهم مصطلح „الأحماض الأمينية في البروتين” بشكل واضح، لكن مصطلح «بقايا الأحماض الأمينية» أكثر دقة من الناحية الكيميائية عند الإشارة إلى السلسلة النهائية. [4]

5. هل البولي ببتيد هو دائمًا بروتين؟

لا. مصطلح „البولي ببتيد” يشير في المقام الأول إلى سلسلة من الأحماض الأمينية، ولا يعني بالضرورة أن الجزيء يُصنف على أنه بروتين. يظهر هذا المصطلح في الأبحاث المتعلقة بالجزيئات القصيرة نسبيًا، مثل كالات B1 المكونة من 29 وحدة، وكذلك في الدراسات التي تتناول التسلسلات التي تحتوي على 20–40 وحدة. يعتمد استخدام هذا المصطلح على المجال، ولذلك فإن كلمة «بولي ببتيد» بحد ذاتها لا تحدد طولًا ثابتًا، أو طيًّا مؤكدًا، أو وظيفة بيولوجية. من الأفضل اعتباره وصفًا للطبيعة الكيميائية للسلسلة، وتحديد الخصائص الأخرى بناءً على أبحاث الجزيء المعين. [2] [5]

6. ما هي كمية الأحماض الأمينية التي يجب أن يحتوي عليها البروتين؟

لا يوجد عدد أدنى واحد من البقايا ينطبق على جميع الحالات. وتُعد القواعد القائمة على الطول مفيدة في التعليم والتصنيف، ولكن هناك استثناءات معترف بها. على سبيل المثال، يحتوي CLN025 على عشر وحدات، ومع ذلك تم دراسته باعتباره بروتينًا صغيرًا منظمًا ذو بنية بيتا-هيربين. وهذا لا يعني أن التمييز العملي بين الببتيدات القصيرة والبروتينات الأكبر حجمًا عديم القيمة. بل إنه يوضح فقط أنه من الأفضل ذكر العدد الفعلي للبقايا بدلاً من تقديم عتبة واحدة كقاعدة تسمية عالمية. [1]

7. هل الحد الأقصى البالغ 50 حمضًا أمينيًّا هو قاعدة علمية صارمة؟

لا. الحد البالغ حوالي 50 وحدة هو اتفاق عملي يُستخدم في بعض السياقات، وليس قانونًا كيميائيًا عالميًّا. ولا تتغير كيمياء الروابط الببتيدية فجأة عند الانتقال من 50 إلى 51 وحدة. وتُظهر الدراسات التي تصف السلاسل القصيرة بأنها «بروتينات صغيرة» أو «بولي ببتيدات» أن المصطلحات قد تعتمد أيضًا على البنية والسياق البيولوجي والتقاليد البحثية. قد تستخدم التخصصات المختلفة تعريفات عملية متباينة، ولذلك ينبغي تقديم الحد العددي باعتباره اتفاقًا وليس قاعدة مطلقة. [1] [5]

8. هل يمكن للببتيد القصير أن يشكل بنية مستقرة؟

نعم. يمكن لبعض الببتيدات القصيرة أن تتخذ هياكل منظمة في الظروف المناسبة. تمت دراسة CLN025 كهيكل بيتا-هيربين مكون من عشرة بقايا، في حين أظهرت الكالاتا الدورية B1 بنية منظمة على الرغم من وجود 29 بقايا فقط. تُظهر هذه النتائج إمكانيات تسلسلات محددة، وليس جميع الببتيدات القصيرة. يعتمد الطي، من بين عوامل أخرى، على التسلسل والقيود الجزيئية والمذيب ودرجة الحرارة والتركيز والتعديلات. لذا، يجب تقييم الاستقرار الهيكلي في ضوء الجزيء المحدد والبيئة التجريبية. [1] [2]

9. هل تتمتع جميع البروتينات بشكل ثلاثي الأبعاد ثابت؟

لا. بعض البروتينات أو أجزاء منها تكون غير منظمة داخليًّا، وتظهر كمجموعات ديناميكية ذات أشكال مختلفة بدلاً من بنية واحدة ثابتة ومتماسكة. وقد أكدت الأبحاث التي أجريت على بروتين KISS1 هذا الوضع بالذات. وهذا لا يعني أن جميع البروتينات غير منظمة، ولا أن عدم التنظيم يعني بالضرورة وجود خلل. فبنية البروتينات تشمل طيفًا يمتد من المجالات المستقرة المطوية إلى المناطق المرنة والمجموعات التشكيلية الديناميكية. ويعتمد الوصف الصحيح على الجزيء المحدد والظروف التجريبية. [3]

10. هل يمكن أن يكون لبتيدين لهما نفس الطول تأثيران مختلفان؟

نعم. إن وجود نفس عدد البقايا لا يعني وجود نفس التسلسل أو البنية أو التركيب الكيميائي أو النشاط البيولوجي. يؤثر نوع السلاسل الجانبية وترتيب الأحماض الأمينية على التفاعلات الجزيئية. أظهرت دراسات «سيستمين» أن أجزاء مختلفة من التسلسل شاركت بشكل مختلف في ارتباط المستقبل وتفعيله. لا يُعد هذا مقارنة بين جميع الببتيدات الممكنة التي لها نفس الطول، لكنه يوضح لماذا لا يسمح عدد البقايا وحده بالتنبؤ بالوظيفة. عند مقارنة ببتيدين، يجب تحليل تسلسلهما وبنيتهما والبيانات التجريبية المباشرة. [8]

11. هل تحتوي الجزيئات الأثقل دائمًا على عدد أكبر من الأحماض الأمينية؟

لا. تعتمد الكتلة الجزيئية على عدد ونوع وحدات الأحماض الأمينية، وكذلك على وجود مجموعات كيميائية إضافية. قد يختلف الوزن الجزيئي لببتيدين يحتويان على نفس العدد من الوحدات، لأن كل حمض أميني يختلف في وزنه عن غيره. كما أن التعديلات الكيميائية قد تزيد من الوزن الجزيئي دون زيادة عدد الوحدات في الهيكل الأساسي. وبالتالي، فإن عدد الوحدات والكتلة الجزيئية يصفان خصائص مختلفة، ولا يحدد أي منهما بمفرده الحد الفاصل الشامل بين الببتيد والبروتين.

12. هل يتكون كل بروتين من سلسلة واحدة فقط؟

لا. قد تحتوي البروتينات على سلسلة بولي ببتيدية واحدة أو عدة سلاسل مترابطة. لذا، فإن طول السلسلة الفردية وتركيب البروتين الكامل هما معلومتان منفصلتان. يُعدُّ الإنسولين مثالاً جيدًا على المعالجة البيولوجية: حيث تحتوي شكله الناضج على سلسلتين متصلتين بجسور ثنائي الكبريتيد، وهما ناتجتان عن معالجة البروإنسولين وإزالة الببتيد C. تميّز الأبحاث المتعلقة بنواتج التحويل بين هذه الأشكال بدلاً من اعتبار السلائف والهرمون الناضج جزيئات متطابقة. لذا، عند ذكر عدد البقايا، يجب تحديد ما إذا كان ذلك يشير إلى سلسلة واحدة، أم جميع السلاسل، أم السلائف، أم الشكل الناضج. [6] [7]

13. هل تؤدي الببتيدات والبروتينات نفس الوظائف؟

قد تتشابه في مجالات معينة من علم الأحياء، لكن الجزيئات الفردية تؤدي وظائف مختلفة. ففي الأبحاث المتعلقة بـ GLP-1، تم تحليل ببتيد معين من حيث نشاطه الإنكريتيني لدى البشر، بينما ركزت الأبحاث المتعلقة بالجلوتاثيون على تخليق ثلاثي الببتيد الذي يشارك في العمليات الأكسدة والاختزال الخلوية. وهذا لا يعني أن جميع الببتيدات تُظهر أيًا من هذه التأثيرات، تمامًا كما أن جميع البروتينات لا تشترك في وظيفة واحدة. يجب أن يقتصر المقارنة العلمية السليمة على جزيئات محددة، وتسلسلاتها، وخصائصها المؤكدة تجريبيًّا. [11] [12]

14. هل يحتفظ جزء الببتيد بوظيفة الجزيء الأصلي؟

ليس بالضرورة. فقد يؤدي الانقسام إلى إزالة المنطقة المسؤولة عن الارتباط، أو المنطقة اللازمة للتنشيط، أو الكشف عن جزء جديد، أو يؤدي إلى تكوين منتج ذي وظيفة بيولوجية مختلفة تمامًا. في دراسة السيمينين، لم تستطع الأجزاء ببساطة استنساخ المجموع الكامل للخصائص المرتبطة بالارتباط وتنشيط المستقبل التي لوحظت في الجزيء بأكمله. تعتمد النتيجة على التسلسل المحدد ولا يمكن تطبيقها تلقائيًا على جميع نواتج الانقسام. يجب التعامل مع الجزء على أنه شكل جزيئي منفصل يتطلب بيانات خاصة به فيما يتعلق بالبنية والنشاط. [8]

15. هل يؤدي التحلل إلى تحويل البروتين إلى أحماض أمينية؟

لا. يؤدي التحلل إلى اضطراب المستويات العليا من التنظيم الهيكلي للبروتين، لكنه لا يتطلب، بحكم تعريفه، تمزق هيكله الببتيدي. أما تكوين الببتيدات الأقصر أو الأحماض الأمينية الحرة فيتطلب تحلل الروابط الببتيدية، أي عملية كيميائية أخرى. كما أن الفوضى الهيكلية بحد ذاتها لا تعني بالضرورة حدوث تحلل، وخير مثال على ذلك هو بروتين KISS1 الذي يظل سليماً رغم الفوضى الداخلية في بنيته. في الظروف شديدة القسوة، قد يحدث كل من التفكك والتحلل الكيميائي في وقت واحد، لكنهما يظلان عمليتين منفصلتين: ففقدان الطيات ليس هو نفسه تمزق السلسلة التساهمية. [3]

16. هل يمكن أن تكون الجزيئة الاصطناعية بروتينًا؟

نعم. لا يستبعد التخليق الكيميائي تصنيف الجزيء على أنه بروتين. قام الباحثون بتخليق مثبط التريبسين البنكرياسي البقري كيميائيًا، وبعد إجراء الأكسدة والطي المناسبين، حصلوا على مادة تتطابق مع البروتين الطبيعي في المقارنات التحليلية والوظيفية الموصوفة، بما في ذلك من حيث النشاط المثبط. وقد تعلق هذا النتيجة بالبناء الصحيح للتسلسل، والطي، والخصائص، ولا يعني ذلك أن كل بولي ببتيد اصطناعي يتخذ تلقائيًا البنية الصحيحة. فالتصنيف يتحدد بالهوية الجزيئية والسياق، في حين أن طريقة الإنتاج تعد سمة منفصلة. [9]

17. هل البروتينات الغذائية ومشتقات البروتينات والأحماض الأمينية الحرة هي نفس الشيء؟

لا. البروتينات الغذائية عبارة عن جزيئات مترابطة أكبر حجمًا، بينما تحتوي هيدروليزات البروتين على خليط من نواتج التحلل، أما الأحماض الأمينية الحرة فهي وحدات جزيئية منفردة. لذا، فإن تركيبها وأشكالها الجزيئية مختلفة. في دراسة أُجريت على البشر، تم الكشف في الدم عن ببتيدات معينة مشتقة من الكولاجين بعد تناول مستخلصات الجيلاتين المهدرجة، مما يدل على احتمال وجود أجزاء ببتيدية يمكن تحديدها خلال عملية الهضم والامتصاص. إلا أن الدراسة لم تؤكد الامتصاص الشامل لجميع الببتيدات في شكلها الأصلي، ولا التأثير المتكافئ لجميع المنتجات البروتينية. [13]

18. ما الفرق بين الببتيد والبوليببتيد؟

يصف كلا المصطلحين سلاسل من بقايا الأحماض الأمينية المرتبطة بروابط ببتيدية. وغالبًا ما يُستخدم مصطلح „الببتيد” للإشارة إلى السلاسل القصيرة نسبيًّا، في حين أن مصطلح „البوليبتيد” يشير إلى سلسلة الأحماض الأمينية الطويلة ويُستخدم عادةً للإشارة إلى التسلسلات الأطول. ومع ذلك، لا يوجد حد رقمي موحد، يتعين عنده استبدال أحد المصطلحين بالآخر. وتُظهر الدراسات التي تصف كالاتا B1 المكونة من 29 وحدة كبولي ببتيد، وكذلك الأبحاث المتعلقة بالبولي ببتيدات المكونة من 20 إلى 40 وحدة، تداخلًا بين هذين المصطلحين. لذا، فإن العدد الفعلي للبقايا والبنية الجزيئية يقدمان معلومات أكثر دقة من افتراض حد صارم. [2] [5]

19. هل يمكن أن تشكل الأحماض الأمينية نفسها ببتيدات مختلفة؟

نعم. يمكن أن تؤدي نفس مجموعة أنواع الأحماض الأمينية إلى تكوين ببتيدات مختلفة إذا تغير ترتيبها. على سبيل المثال، يحتوي كل من الجليسيل ألانين والألانيل جليسين على الجليسين والألانين، لكن عكس ترتيبهما يؤدي إلى تكوين تسلسل جزيئي مختلف. في الببتيدات الأطول، قد يؤثر تغيير التسلسل على توزيع الشحنة، والمناطق الكارهة للماء، ومساحات الارتباط، والاتجاهات الهيكلية. ولذلك، فإن هوية الببتيد لا تعتمد فقط على الأحماض الأمينية التي يحتوي عليها، بل تعتمد أيضًا على ترتيبها وطريقة ارتباطها.

20. لماذا يعتبر التسلسل أكثر أهمية من مصطلح „الببتيد” نفسه؟

يصف مصطلح „الببتيد” فئة كيميائية واسعة، وليس نوعًا واحدًا من النشاط البيولوجي. فقد يختلف ببتيدان تمامًا في التسلسل والطول والهيكل والموقع وطريقة المعالجة والأهداف الجزيئية. تُظهر الأبحاث التي أجريت على السيمينين تجريبياً أنه حتى المناطق المختلفة في الجزيء الواحد يمكن أن تلعب أدواراً متباينة في الارتباط بالمستقبل وتفعيله. [8] ولهذا السبب، لا يمكن تعميم النتائج المتعلقة بببتيد واحد على ببتيد آخر لمجرد أن كلا الجزيئين ينتميان إلى نفس الفئة. ولتحديد الوظيفة البيولوجية، يلزم توفر بيانات تتعلق بتسلسل معين وجزيء معين.

محدودية تصنيف الببتيدات والبروتينات

عند استخدام مصطلحات مثل «الأحماض الأمينية» و«الببتيد» و«البوليبتيد» و«البروتين»، يجب مراعاة بعض القيود.

أولاً،, لا يوجد حد رقمي عام يفصل بين الببتيد والبروتين. قد يكون حدًّا مثل 50 قطعة عملة تقليدًا مفيدًا، لكن الأدبيات العلمية تتضمن استثناءات واضحة. [1] [2] [5]

ثانياً،, كما أن البنية لا تشكل حدودًا مستقيمة. تتخذ بعض الببتيدات القصيرة هياكل منظمة، في حين تظل بعض البروتينات المعروفة غير منظمة داخليًّا إلى حد كبير. [1] [2] [3]

ثالثًا،, الكتلة الجزيئية وعدد الوحدات هي معلمات مرتبطة ببعضها، لكنها منفصلة. قد تؤدي التعديلات، وأنواع البقايا المختلفة، ووجود عدة سلاسل إلى تغيير الكتلة دون أن ينعكس ذلك بشكل مباشر على طول السلسلة الواحدة.

رابعاً،, ينبغي التمييز بين الأشكال الأولية والأشكال الناضجة. قد تؤدي المعالجة البيولوجية إلى تغيير طول السلسلة وطريقة الروابط والهوية الجزيئية، ومن الأمثلة على ذلك معالجة البروإنسولين. [6] [7]

خامساً،, طريقة الإنتاج لا تحدد التصنيف. يمكن أن تتمتع الجزيئات المنتجة طبيعياً وتلك المُصنَّعة كيميائياً بنفس الهوية الجزيئية الأساسية، شريطة تأكيد تسلسلها وبنيتها وخصائصها الأساسية الأخرى. [5] [9]

سادساً،, الانتماء إلى فئة ما لا يسمح بالتنبؤ بالتأثير البيولوجي. لا تشترك الببتيدات في تأثير فسيولوجي واحد لمجرد كونها ببتيدات، تمامًا كما أن جميع البروتينات لا تؤدي وظيفة واحدة. [8] [11] [12]

وأخيرًا، يجب تفسير الملاحظات الهيكلية في ظل الظروف التي تم الحصول عليها فيها. فقد يتصرف الببتيد الذي يتخذ شكلاً معينًا في مذيب أو بيئة تجريبية معينة بشكل مختلف في ظروف أخرى. [10]

لا تعني هذه القيود أن المصطلحات عديمة الفائدة. بل إنها توضح لماذا من الأفضل استخدامها جنبًا إلى جنب مع وصف أكثر دقة للخصائص الجزيئية.

الملخص

تنتمي الأحماض الأمينية والببتيدات والبوليبتيدات والبروتينات إلى نفس التسلسل الهرمي الكيميائي الواسع، لكنها تصف مستويات مختلفة من التنظيم الجزيئي.

الأحماض الأمينية وهي وحدات بناء فردية.

عندما ترتبط بقايا الأحماض الأمينية ارتباطًا تساهميًّا عبر روابط ببتيدية، تنشأ الببتيدات والسلاسل الببتيدية.

البروتينات تتألف من سلسلة واحدة أو عدة سلاسل من هذا النوع، تُدرس في سياق هيكلي وبيولوجي أوسع.

يُعد الانتقال من الأحماض الأمينية إلى الببتيدات واضحًا من الناحية الكيميائية، لأن تكوين الرابطة الببتيدية يؤدي إلى تكوين جزيء جديد مركب.

الحد الفاصل بين الببتيد والبروتين أقل وضوحًا بكثير.

توفر طول السلسلة معلومات وصفية مفيدة، لكن لا يوجد حد أدنى موحد لعدد البقايا يمكنه تصنيف كل جزيء بشكل صحيح. تُظهر الدراسات التي أُجريت على البروتين المصغر CLN025 المكون من عشرة بقايا، والكالات الدورية B1 المكونة من 29 بقايا، والبروتين KISS1 غير المنظم داخليًا، السبب في أن القواعد البسيطة تتطلب سياقًا إضافيًا. [1] [2] [3]

كما أن البنية لا تحدد حدًا عامًّا. فقد تتخذ الببتيدات القصيرة أشكالًا منظمة، في حين أن بعض البروتينات قد تحتوي على درجة كبيرة من عدم التنظيم.

وبالمثل، فإن الكتلة الجزيئية، والأصل الطبيعي أو الاصطناعي، والوظيفة البيولوجية لا تكفي بحد ذاتها لتحديد ما إذا كان ينبغي تسمية كل سلسلة من الأحماض الأمينية بالببتيد أم بالبروتين.

ولذلك، فإن أكثر ما يوفر المعلومات في التواصل العلمي هو الوصف الدقيق لـ جزيء معين:

تسلسلها، وعدد بقاياها، وبنيتها، والتعديلات التي طرأت عليها، والبنية التي لوحظت تجريبياً، ودرجة معالجتها، وخصائصها البيولوجية المؤكدة.

يمكن تلخيص الفرق الأهم على النحو التالي:

الأحماض الأمينية هي الوحدات البنائية؛ وتربط الروابط الببتيدية هذه الوحدات لتشكل الببتيدات والسلاسل الببتيدية؛ أما البروتينات فهي جزيئات بيولوجية مكونة من سلسلة واحدة أو عدة سلاسل من هذا النوع. إلا أن الحد الفاصل بين الببتيد والبروتين ينبع من الأعراف العلمية والسياق الجزيئي، وليس من عدد واحد موحد من الأحماض الأمينية.

تنويه

هذا المقال ذو طابع تعليمي وعلمي وإعلامي بحت. وهو يشرح المصطلحات، والبنية الجزيئية، وتصنيف الببتيدات والبروتينات، والمعالجة البيولوجية للجزيئات، بالإضافة إلى أمثلة مستمدة من الأبحاث المنشورة. ولا يُعد هذا المقال نصيحة طبية أو تغذوية، ولا إرشادات علاجية، ولا توصية بمنتج معين، ولا نصيحة بشأن استخدام الببتيدات أو البروتينات أو منتجات الأحماض الأمينية أو المكملات الغذائية أو المواد ذات الصلة. يجب تفسير نتائج الأبحاث الهيكلية والكيميائية الحيوية، والأبحاث التي أجريت على الحيوانات، والأبحاث التي شارك فيها البشر، في سياق الأساليب والظروف والقيود الخاصة بكل دراسة على حدة.

المراجع

1. هاتفيلد، م. ب. د.، مورفي، ر. ف.، ولوفاس، س. (2010). الخصائص الطيفية باستخدام تقنية VCD للبروتين المصغر CLN025 الذي يشكل بنية بيتا-هيربين في مذيبات مختلفة. البيوبوليمرات، 93(5), 442–450. https://doi.org/10.1002/bip.21356
2. Saether, O., Craik, D. J., Campbell, I. D., Sletten, K., Juul, J., & Norman, D. G. (1995). توضيح البنية الأولية والثلاثية الأبعاد للبولي ببتيد «كالاتا B1» المُقوِّي للرحم. الكيمياء الحيوية، 34(13), 4147–4158. https://doi.org/10.1021/bi00013a002
3. إيبانيز دي أوباكوا، أ.، ميرينو، ن.، فيلاتي، م.، كورديرو، ت. ن.، أورمازا، ج.، سانشيز-كاربايو، م.، ديركس، ت.، برنادو، ب.، & بلانكو، ف. ج. (2017). إن مثبط الانتشار الخبيث KISS1 هو بروتين غير منظم بطبيعته، وأطول قليلاً من اللفافة العشوائية. PLOS ONE، 12(2)، المادة e0172507. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0172507
4. إمبروتا، ر.، فيتاليانو، ل.، وإسبوزيتو، ل. (2011). تشوهات الروابط الببتيدية الناجمة عن التسطيح: رؤى جديدة مستمدة من الحسابات الميكانيكية الكمومية والهياكل البلورية للببتيدات/البروتينات. PLOS ONE، 6(9)، المادة e24533. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0024533
5. سترانر، ب.، تاريكسكا، ن.، شابو، م.، توث، ج. ك.، وبيرتزل، أ. (2016). التعبير البكتيري و/أو التخليق الببتيدية في الطور الصلب للببتيدات الطويلة المكونة من 20-40 حمضًا أمينيًّا والبروتينات الصغيرة: دراسة حالة لروابط مستقبلات GPCR من الفئة ب. «علوم البروتينات والببتيدات الحديثة»، 17(2), 147–155. https://doi.org/10.2174/1389203716666151102105215
6. ليندي، س.، وويليندر، ب. س.، ونيلسن، ج. هـ. (1993). تحليل البروإنسولين ومنتجات تحوله باستخدام كروماتوغرافيا سائلة عالية الأداء ذات الطور العكسي. مجلة الكروماتوغرافيا، العدد 614(2), 185–204. https://doi.org/10.1016/0378-4347(93)80309-r
7. ديفيدسون، هـ. و.، وهاتون، ج. سي. (1987). كاربوكسي ببتيداز H الموجود في حبيبات إفراز الأنسولين. تنقية هذا الإنزيم وإثبات دوره في معالجة البروأنسولين. مجلة «Biochemical Journal»، العدد 245(2), 575–582. https://doi.org/10.1042/bj2450575
8. Meindl, T., Boller, T., & Felix, G. (1998). يرتبط نظام هرمون الجرح النباتي «سيستيمين» بمستقبلاته من خلال الطرف N-terminal، لكنه يحتاج إلى الطرف C-terminal لتنشيطه. مجلة «The Plant Cell»، العدد 10(9), 1561–1570. https://doi.org/10.1105/tpc.10.9.1561
9. فيرير، م.، وودوارد، ك.، وباراني، ج. (1992). التخليق في الطور الصلب لمثبط التريبسين البنكرياسي البقري (BPTI) واثنين من نظائره. نهج كيميائي لتقييم دور جسور ثاني كبريتيد في طي البروتين واستقراره. المجلة الدولية لأبحاث الببتيدات والبروتينات، 40(3–4), 194–207. سجل PubMed
10. ميركي، د. ف.، دور، هـ.، كيسلر، هـ.، ويونغ، ج. (1992). النيوروببتيد Y. التخليق المُحسَّن في الطور الصلب والتحليل التكويني في ثلاثي فلورو الإيثانول. المجلة الأوروبية للكيمياء الحيوية، العدد 206(1), 39–48. https://doi.org/10.1111/j.1432-1033.1992.tb16899.x
11. كريمان، ب.، ويليامز، ج.، غاتي، م. أ.، وبلوم، س. ر. (1987). الببتيد الشبيه بالجلوكاجون-1 7-36: إنكريتين فسيولوجي لدى الإنسان. مجلة «لانسيت»، 2(8571), 1300–1304. https://doi.org/10.1016/s0140-6736(87)91194-9
12. كابرال، سي. بي.، بولوك، ك. إتش.، بيشوف، د. ج.، تومبكينز، ر. ج.، يو، ي. م.، وكيليهر، ج. ك. (2008). تقدير تخليق الجلوتاثيون باستخدام الماء المهدرج: نموذج لتخليق الببتيدات. الكيمياء الحيوية التحليلية، 379(1), 40–44. https://doi.org/10.1016/j.ab.2008.04.042
13. إيواي، ك.، هاسيغاوا، ت.، تاغوتشي، ي.، موريماتسو، ف.، ساتو، ك.، ناكامورا، ي.، هيغاشي، أ.، كيدو، ي.، ناكابو، ي.، وأوتسوكي، ك. (2005). تحديد ببتيدات الكولاجين المشتقة من الأغذية في دم الإنسان بعد تناول هيدروليزات الجيلاتين عن طريق الفم. مجلة الكيمياء الزراعية والغذائية، 53(16), 6531–6536. https://doi.org/10.1021/jf050206p