معلومة

ما هي البروتينات الأكثر حساسية للمجالات الكهربائية؟

ما هي البروتينات الأكثر حساسية للمجالات الكهربائية؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

تحتوي العديد من البروتينات على شحنات أيونية يمكن أن تجذب بعضها البعض (مثل تكوين جسور الملح) أو تتنافر. من ناحية أخرى ، يتم غمر البروتينات في الغالب في الماء الذي يحجب معظم الشحنات الكهربائية للبروتينات. والسبب هو أن الماء هو مادة عازلة للكهرباء ، ويمكن استقطاب جزيئات H2O بسهولة. لذلك يتم تقليل القوى الكهروستاتيكية في محلول مائي.

الآن أسأل ما هي البروتينات التي يمكن أن تتأثر بسهولة عند تطبيق مجال كهربائي؟ هذا يعني ما هي البروتينات التي ستغير شكلها بشكل كبير حتى عند تطبيق مجالات كهربائية ضعيفة؟

هل يمكن لبعض البروتينات المغمورة في الماء أن تعتمد أيضًا على المجالات الكهربائية الخارجية؟


هناك العديد من البروتينات الحساسة للتغيرات في المجال الكهربائي. بتعبير أدق ، يتم تنشيطها عن طريق التغيرات في الجهد (المحيط بالبروتين) ، وتغمر في الماء ، حيث تتكون جميع الخلايا أساسًا من محلول مائي. أنت محق في أن معظم الشحنات في السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية للبروتينات "مخفية" بواسطة الطابع ثنائي القطب لجزيئات الماء ، لكن الجهد الكهروكيميائي للخلية يرجع أساسًا إلى الأيونات ، وليس إلى التفاعل بين السلاسل الجانبية في بروتين. ومع ذلك ، من المهم ملاحظة أنه داخل هذه البروتينات الحساسة للتغيرات في المجال الكهروكيميائي ، هناك مجالات تحتوي على أحماض أمينية مشحونة (أي لا يغطيها الماء) ، من المهم جدًا أن تكون قادرًا على `` الإحساس '' بالتغيرات في الفولتية.

يمكنك التحقق من بعض القنوات الأيونية الحساسة للجهد ، والتي تشارك في مسارات خلوية مختلفة ، بما في ذلك توليد ونقل جهد الفعل في الخلايا العصبية:

ويكيبيديا لديها مدخل جيد عنهم.


كما ذكرت أن الماء عازل للكهرباء وبسبب ذلك ووجود الأيونات في المحلول ، فإن القوى الكهروستاتيكية لها مدى قصير جدًا داخل الخلية. إذا قمت بتطبيق فرق جهد (جهد) في المحلول ، فسوف تولد مجالًا كهربائيًا ثابتًا بين القطبين. ستستجيب البروتينات لهذا المجال الكهربائي عن طريق التحرك نحو الأنود أو الكاثود اعتمادًا على شحنة البروتين. هذا ما نعرفه بالرحلان الكهربي (لاحظ أنه بالنسبة للرحلان الكهربي للبروتينات ، عادة ما تحتاج إلى عشرات إلى مئات الفولتات)

الآن ، عندما يكون لديك نفس فرق الجهد ولكن يوجد عازل كهربائي في المنتصف ، فإن معظم المجال الكهربائي سيتركز داخل المادة العازلة.

هذا ما يحدث في غشاء الخلية الذي يعزل فرق الجهد الصغير بين داخل الخلية وخارجها (-40 إلى -90 مللي فولت حسب الخلية). يولد هذا الاختلاف الصغير في الجهد مجالًا كهربائيًا ضخمًا مع الغشاء والذي يمكن استشعاره الآن بواسطة بقايا مشحونة من البروتينات داخل الغشاء مثل الأرجينين في مستشعر الجهد لقناة البوتاسيوم. المجالات الكهربائية التي تستشعرها هذه القنوات في حدود 10 ^ 8 إلى 10 ^ 9 V / م.


5.5: الرحلان الكهربائي الهلامي للبروتينات

  • بمساهمة مايكل بلابر
  • أستاذ (العلوم الطبية الحيوية) في جامعة ولاية فلوريدا

يستخدم الرحلان الكهربائي للهلام لتوصيف واحدة من أكثر الخصائص الأساسية - الكتلة الجزيئية - من كل من عديد النوكليوتيدات وعديد الببتيدات. هنا سوف نركز حصريًا على الفصل الكهربائي للهلام للبروتينات

يمكن استخدام التحليل الكهربائي للهلام لتحديد:

  • ال نقاء لعينة بروتين
  • عدم التجانس ومدى تدهور عينة البروتين
  • تكوين الوحدة الفرعية لعينة بروتين

كيف يعمل؟

المبدأ الأساسي للرحلان الكهربائي هو خاصية الهجرة للأنواع المشحونة داخل مجال كهربائي. وبالتالي ، فإن السلوك البسيط لجذب الشحنات المعاكسة. يتم إنشاء مجال كهربائي عبر أقطاب إمداد الطاقة ، وتتحرك الأيونات المشحونة في هذا المجال الكهربائي. لاحظ أنه في مثل هذا الجهاز ، تشير الكلمة & quotANODE & quot إلى القطب الموجب الشحنة (المصعد يجذب الأنيونات) وتشير الكلمة & quotCathode & quot إلى القطب السالب الشحنة (يجذب CATHODE الكاتيونات). تتوافق مصطلحات الكاثود والأنود مع تعريفات تفاعل الأكسدة والاختزال في ذلك يحدث الاختزال لاحقًا عند الكاثود و تحدث الأكسدة عند الأنود:

الشكل 5.5.1:الأنود والكاثود

تحذير: اقرأ الملاحظة التالية فقط إذا كنت مهتمًا بالبطاريات ووضع العلامات على الأقطاب الكهربائية ، وإلا فلا تهتم (قد يكون الأمر محيرًا فقط).

تقود كيمياء الأكسدة والاختزال داخل مصدر الطاقة الخارجي تفاعل الأكسدة والاختزال عند الأقطاب الكهربائية. لاحظ أن الإلكترونات من القطب الموجب ستذهب إلى & quot + & quot محطة البطارية. يجب أن يحدث انخفاض في هذا القطب للبطارية ويؤدي إلى الأكسدة عند القطب الموجب للأقطاب الكهربائية الخارجية. إذا تم تقليل طرف البطارية هذا ، فيجب أن يكون الكاثود في تفاعل الأكسدة والاختزال داخل البطارية. وبالتالي ، يتم تسمية الكاثود بالبطاريات باسم & quot + & quot وأنود الأنود يحمل علامة & quot- & quot. استغرقت ساعات لمعرفة ذلك.

تتكون البروتينات من 20 حمضًا أمينيًا شائعًا ، والتي تشمل سلاسل جانبية سالبة الشحنة (أي حمضية) (مثل حمض الأسبارتيك وحمض الجلوتاميك) وسلاسل جانبية موجبة الشحنة (أي أساسية) (مثل الهيستيدين والليسين والأرجينين). وبالتالي ، يمكن شحن البروتينات ، وسوف تهاجر في مجال كهربائي.

في هذه المرحلة ، هناك بعض الأشياء التي يجب مراعاتها:

1) أي فصل من هذا القبيل هو عملية غير متوازنة. نعني بهذا أنه إذا تركنا العملية تستمر حتى يتم استيفاء بعض شروط التوازن ، فستكون جميع الأنيونات على قطب كهربائي وستكون جميع الكاتيونات على الآخر. سيكون من الأفضل أن وقف عملية الانفصال في نقطة زمنية وسيطة للسماح بتحقيق الانفصال:

الشكل 5.5.2:عملية الفصل

2) المشكلة الأخرى هي أنه بمجرد إيقاف تشغيل المجال الكهربائي ، سيؤدي الانتشار إلى تحرك الأيونات المنفصلة (أي أننا سنفقد الفصل الذي حاولنا تحقيقه). لحل هذه المشكلة ، لا يتم الفصل في حل ، ولكن داخل مصفوفة (أي شبكة أو شبكة جزيئية). توفر المصفوفة ملف مكون احتكاك يقاوم الانتشار. علاوة على ذلك ، يعتبر احتكاك المصفوفة عاملاً مهمًا في معدل هجرة الأيونات.

3) لاحظ أيضًا أن الفصل يتم عن طريق التطبيق الأولي للعينة داخل منطقة ضيقة (نطاق). إذا كانت العينة مشتتة في البداية ، على الرغم من أن الأيونات ستتحرك ، فلن يتم فصلها بدقة.

العوامل التي تؤثر على معدل الهجرة الكهربائي (RF)

هناك ثلاثة عوامل تؤثر على معدل الهجرة:

& middot قوة المجال الكهربائي ، E (يتناسب طرديًا مع معدل الهجرة)

& middot Charge على الأنواع الأيونية ، q (يتناسب طرديًا مع معدل الهجرة)

& middot معامل الاحتكاك لمصفوفة الدعم ، f (يتناسب عكسياً مع معدل الهجرة)

يمكن أن تتنوع هذه العوامل بالطريقة التالية:

& middot قوة المجال هي دالة لـ الجهد االكهربى من امدادات الطاقة. وبالتالي ، يمكننا تغيير الجهد بشكل مباشر. في قضية ذات صلة ، يتناسب الجهد مع المقاومة عبر الأقطاب الكهربائية. يلعب التيار دورًا هنا أيضًا ، ولكن باختصار ، من الصعب تحقيق جهد عالٍ عبر الأقطاب الكهربائية إذا كانت المقاومة منخفضة. مقاومة الحل هي يتناسب عكسيا مع القوة الأيونية (أي تركيز الأيونات). وبالتالي ، مع تركيزات عالية من الملح ، تكون المقاومة منخفضة ، ومن الصعب تحقيق جهد عالٍ ، وسوف ينخفض ​​معدل الترحيل.

& middot الشحنة الموجودة على الجزيء الأيوني هي دالة لـ بي للجزيء ودرجة الحموضة في المحلول

إذا كان pI & gt pH يكون الجزيء كاتيونيًا
(يهاجر نحو الكاثود)

إذا pI & lt pH ، يكون الجزيء أنيونيًا
(يهاجر نحو الأنود)

إذا كان pI = pH ، يكون الجزيء محايدًا
(لا الهجرة في المجال الكهربائي)

لذلك يمكننا تغيير معدل الهجرة (وربما اتجاه الهجرة) عن طريق تغيير الرقم الهيدروجيني للمحلول

& middot يمكن تغيير معامل الاحتكاك للمصفوفة. عادةً ما تكون المصفوفة عبارة عن شبكة بوليمر (انظر أدناه) ، يشار إليها باسم أ هلامويمكن زيادة معامل الاحتكاك عن طريق زيادة تركيز البوليمر


خيارات الوصول

احصل على الوصول الكامل إلى دفتر اليومية لمدة عام واحد

جميع الأسعار أسعار صافي.
سيتم إضافة ضريبة القيمة المضافة في وقت لاحق عند الخروج.
سيتم الانتهاء من حساب الضريبة أثناء الخروج.

احصل على وصول محدود أو وصول كامل للمقالات على ReadCube.

جميع الأسعار أسعار صافي.


اللبنات الأساسية للبروتينات

الأحماض الأمينية هي اللبنات الأساسية للبروتينات. في المجموع ، هناك 20 نوعًا من الأحماض الأمينية المختلفة الموجودة في الطبيعة. يمكن أن ترتبط الأحماض الأمينية ببعضها البعض بطرق متنوعة لخلق بروتينات مختلفة.

التركيب الكيميائي للأحماض الأمينية هو مفتاح لماذا البروتينات أصبحت أساس الحياة. يتكون الحمض الأميني من مجموعة الكربوكسيل (التركيب الكيميائي - COOH) ، ومجموعة الأمين (-NH₂) ، وسلسلة جانبية مصنوعة في الغالب من الكربون والهيدروجين.

غالبًا ما يشار إلى السلسلة الجانبية باسم المجموعة R. الاختلافات في مجموعة R هي ما يجعل الأحماض الأمينية العشرين مختلفة عن بعضها البعض.

اعتمادًا على بنية المجموعة R ، يمكن أن يكون الحمض الأميني قابل للذوبان في الماء (قطبي) أو غير قابل للذوبان في الماء (غير قطبي) أو يحتوي على شحنة موجبة أو سالبة. تؤثر هذه الخصائص بدورها على كيفية تصرف الأحماض الأمينية لأنها ترتبط وتؤثر على الشكل العام ووظيفة البروتين.

جميع الأحماض الأمينية العشرين ضرورية لصحة جيدة. إذا كان الكائن الحي منخفضًا في أحد الأحماض الأمينية العشرين ، فلن تتمكن بعض البروتينات من البناء وسيؤدي فقدان وظائفها إلى حدوث مشكلات صحية للكائن الحي.

يمكن أن يصنع الجسم بعض الأحماض الأمينية باستخدام جزيئات أخرى بينما يجب الحصول على الأحماض الأمينية الأخرى من الطعام. تعرف الأحماض الأمينية التي يجب تناولها باسم & # 8216 الأحماض الأمينية الأساسية & # 8217 لأنها جزء أساسي من نظام غذائي صحي. تعرف الأحماض الأمينية التي يمكن أن تصنعها أجسامنا بـ & # 8216 أحماض أمينية غير أساسية & # 8217.


توليد المجال الكهربائي والجهاز الكهربائي

في مقدمته للقسم المخصص لمناقشة العضو المتخصص الذي يولد مجالات كهربائية ضعيفة ، يصف مايكل ماركهام ، من جامعة أوكلاهوما بالولايات المتحدة الأمريكية ، كيف أسس هانز ليسمان دراسة الأسماك الكهربائية الضعيفة في الخمسينيات (ص 2451). لم يثبت ليسمان ذلك فقط Gymnarchus niloticus تنتج مجالات كهربائية ضعيفة ، لكنه أظهر أيضًا أن الأسماك تشعر بمحيطها وتتواصل عبر الحقول. بمراجعة العمل المبكر لـ M.V. Bennett في فسيولوجيا العضو الكهربائي ، يواصل Markham وصف كيفية إنتاج المجالات الكهربائية الضعيفة عن طريق التفريغ المتزامن لمجموعات كبيرة من الخلايا الكهربائية. مضيفًا أن تفريغ الخلايا الكهربية يتم تنسيقه بطرق مختلفة لإنتاج نوعي المجال المنبعث من الأسماك - القطارات المنتظمة للنبضات الكهربائية أو الحقل "الجيبي" المستمر - ثم يواصل ماركهام شرح كيفية تنظيم التفريغ هرمونيًا ، مما أدى إلى إزدواج الشكل الجنسي في المجالات الكهربائية ، ويتم التحكم فيه على المستوى الجزيئي عن طريق تعديل إنتاج القنوات الأيونية في العضو الكهربائي لتغيير شكل موجة المجال.

في المساهمة التالية حول موضوع العضو الكهربائي وتوليد المجال الكهربائي ، يناقش فيلكا سالازار وروديجر كراهي وجون لويس طاقة إنتاج المجال الكهربائي الضعيف (ص 2459). بدأوا مراجعتهم بحقيقة مذهلة مفادها أن نشاط الدماغ يمكن أن يمثل ما يصل إلى 20 ٪ من معدل الأيض في بعض الحيوانات وأن هذه التكلفة العالية تتكبدها الحفاظ على النشاط الكهربائي ، ثم يعيد الثلاثي الدوائر العصبية التي تنظم العضو الكهربائي إبراء الذمة. بعد ذلك ، يقومون بمراجعة حسابات كمية الطاقة المطلوبة للحفاظ على المجالات الكهربائية التي تنشأ من الترتيبات المختلفة للشحنة الكهربائية. بناءً على هذه الحسابات ، قدرت سالازار ومشرفها على الدكتوراه فيليب ستودارد في عام 2008 ذلك الرجل Brachyhypopomus ينفقون 11-22٪ من ميزانية الطاقة الخاصة بهم على إنتاج الحقول الكهربائية. نظرًا لتنوع أنواع الأسماك الكهربائية والمجالات الكهربائية التي تنتجها ، يستنتج الفريق من خلال اقتراح أن الأسماك الكهربائية يمكن أن تعلمنا كيف يمكن أن تؤثر القيود النشطة على تطور تنوع الإشارات.

ثم تناول روبرت جوث ، وماثيو بينش ، وجراسييلا أونيجز السؤال المثير للاهتمام حول مدى ضعف الأسماك الكهربائية في تكييف العضلات لإنتاج نسيج لم يعد يتقلص ولكنه ينتج مجالًا كهربائيًا قابلاً للقياس (ص 2469). نظرًا لأن العضلات التقليدية متعددة الاستخدامات بشكل جوهري (بلاستيكية) ، وتؤدي مجموعة متنوعة من الوظائف المختلفة بشكل طبيعي ، يوضح الثلاثي أن الخصائص غير العادية للعضو الكهربائي المشتق من العضلات تسمح لهم بالإجابة على الأسئلة الأساسية حول الآليات الجزيئية التي تنظم مرونة العضلات. يركز على Sternopygus macrurus، Unguez وطلابها يصفون كيف تنتج الخلايا الكهربائية المشتقة من العضلات العديد من البروتينات الضرورية لتقلص العضلات ، لكنهم يفتقرون إلى بنية قسيم عضلي أساسي لتقلص العضلات. يشير الفريق أيضًا إلى أن العديد من الآليات الجزيئية التي تتحكم في نمو العضلات وصيانتها محفوظة في العضو الكهربائي ، على الرغم من أن بعض الجينات التي تشفر المكونات الأساسية للقسيم العضلي لا تُترجم إلى بروتينات وظيفية (على الرغم من نسخها إلى mRNA). هذا يدل على أن هناك اختلافات جوهرية بين تنظيم التعبير البروتيني في خلايا العضلات التقليدية والكهرباء. ويضيف الفريق أن هذا التثبيط في إنتاج بروتينات العضلات الرئيسية في الخلايا الكهربية يتأثر بالتنشيط الكهربائي عالي التردد للأنسجة وخلصوا إلى استنتاجهم ، "نعتقد أن هذه الدراسات في S. macrurus سيوفر أيضًا رؤى مهمة حول العمليات الجزيئية المتعددة التي تنظم التعبير الجيني العضلي في الفقاريات الأخرى.

كما لو أن القدرة على تحويل العضلات إلى عضو يولد مجالات كهربائية لم تكن رائعة بما فيه الكفاية ، يواصل أونيجز - في منشور مؤلف واحد - لوصف كيف يمكن للأسماك البالغة التي تعمل بالكهرباء الضعيفة تجديد كل من العضو الكهربائي والعضلة بعد جزء من الذيل فقد (ص 2478). على الرغم من أن تجديد الأنسجة منتشر بين الأسماك العظمية البالغة ، إلا أن قوتها التصالحية غالبًا ما تكون محدودة. ومع ذلك ، يقول Unguez ، "يمكن لبعض أنواع الجمباز أن تحل محل جميع الأنسجة المفقودة بعد بتر الذيل المتكرر ، مما يشير إلى قدرة تجديد لا تنضب عند البالغين." وهذه القدرة هي التي تجعل بعض أنواع الأسماك الكهربائية مثالية لتعليمنا حول تجديد الأنسجة. بعد أن أوضح أن الأنسجة يمكن أن تتجدد عبر آليتان - morphallaxis ، حيث يتم إعادة تنظيم الأنسجة أثناء التجديد ، أو epimorphosis ، حيث تتكاثر الخلايا - يصف Unguez كيف تحدث الخلايا الجذعية ، التي لديها القدرة على الانقسام والتطور إلى أي نسيج ، بشكل طبيعي بالاقتران مع ألياف العضلات والكهرباء. كما تستعرض كيف ثبت أن هذه الخلايا الجذعية المحددة تعيد بناء العضلات والأنسجة الكهربية المفقودة عن طريق التشوه أثناء تجديد الذيل.


محتويات

غالبًا ما تستخدم المصطلحات بالتبادل. عندما يكون التمييز مقصودًا ، على الرغم من ذلك ، فإنه يعتمد على ما إذا كان التركيز على تطبيق الأفكار البيولوجية أو على دراسة علم الأحياء باستخدام تقنية النانو. تشير Bionanotechnology بشكل عام إلى دراسة كيفية توجيه أهداف تقنية النانو من خلال دراسة كيفية عمل "الآلات" البيولوجية وتكييف هذه الزخارف البيولوجية لتحسين تقنيات النانو الحالية أو إنشاء تقنيات جديدة. [5] [6] من ناحية أخرى ، تشير التكنولوجيا الحيوية النانوية إلى الطرق التي تستخدم بها تقنية النانو لإنشاء أجهزة لدراسة النظم البيولوجية. [7]

وبعبارة أخرى ، فإن التكنولوجيا الحيوية النانوية هي في الأساس تقنية حيوية مصغرة ، في حين أن التكنولوجيا الحيوية هي تطبيق محدد لتقنية النانو. على سبيل المثال ، سيتم تصنيف تقنية النانو DNA أو الهندسة الخلوية على أنها تقنية بيونانوتكنولوجية لأنها تتضمن العمل مع الجزيئات الحيوية على المقياس النانوي. على العكس من ذلك ، فإن العديد من التقنيات الطبية الجديدة التي تتضمن الجسيمات النانوية كنظم توصيل أو كمستشعرات ستكون أمثلة على التكنولوجيا الحيوية النانوية لأنها تتضمن استخدام تقنية النانو لتعزيز أهداف علم الأحياء.

سيتم استخدام التعريفات المذكورة أعلاه كلما تم التمييز بين nanobio و bionano في هذه المقالة. ومع ذلك ، نظرًا للاستخدام المتداخل للمصطلحات في اللغة الحديثة ، فقد تحتاج التقنيات الفردية إلى التقييم لتحديد المصطلح الأكثر ملاءمة. على هذا النحو ، من الأفضل مناقشتها بالتوازي.

معظم المفاهيم العلمية في التكنولوجيا الحيوية مشتقة من مجالات أخرى. تعتبر المبادئ البيوكيميائية المستخدمة لفهم الخصائص المادية للأنظمة البيولوجية مركزية في التكنولوجيا الحيوية لأن هذه المبادئ نفسها يجب استخدامها لإنشاء تقنيات جديدة. تشمل خصائص المواد والتطبيقات التي تمت دراستها في علم الأحياء الخواص الميكانيكية (مثل التشوه ، والالتصاق ، والفشل) ، والكهربائية / الإلكترونية (مثل التحفيز الكهروميكانيكي ، والمكثفات ، وتخزين الطاقة / البطاريات) ، والبصرية (مثل الامتصاص ، والتلألؤ ، والكيمياء الضوئية) ، والحرارية (مثل قابلية التغيير الحراري ، الإدارة الحرارية) والبيولوجية (مثل كيفية تفاعل الخلايا مع المواد النانوية ، والعيوب / العيوب الجزيئية ، والاستشعار الحيوي ، والآليات البيولوجية مثل التحسس الميكانيكي) ، وعلم النانو للأمراض (مثل المرض الوراثي ، والسرطان ، وفشل الأعضاء / الأنسجة) ، وكذلك الحوسبة (مثل الحمض النووي) الحوسبة) والزراعة (التسليم المستهدف لمبيدات الآفات والهرمونات والأسمدة. [8] [9] [10] [11] إن تأثير علم الأحياء ، الذي يتحقق من خلال التحليلات الهيكلية والميكانيكية للعمليات البيولوجية على المستوى النانوي ، هو ترجمتها إلى تخليقي وتكنولوجي التطبيقات من خلال تقنية النانو.

تأخذ التكنولوجيا الحيوية النانوية معظم أساسياتها من تقنية النانو. [ التوضيح المطلوب ] معظم الأجهزة المصممة لاستخدام التكنولوجيا الحيوية النانوية تعتمد بشكل مباشر على تقنيات النانو الأخرى الموجودة. [ بحاجة لمصدر ] غالبًا ما تُستخدم التقانة الحيوية النانوية لوصف الأنشطة المتداخلة متعددة التخصصات المرتبطة بالمستشعرات الحيوية ، لا سيما حيث تتقارب الفوتونات والكيمياء والبيولوجيا والفيزياء الحيوية وطب النانو والهندسة. القياس في علم الأحياء باستخدام تقنيات دليل الموجات ، مثل قياس التداخل ثنائي الاستقطاب ، هو مثال آخر.

تطبيقات التكنولوجيا الحيوية منتشرة على نطاق واسع. بقدر ما يثبت التمييز ، فإن التكنولوجيا الحيوية النانوية أكثر شيوعًا من حيث أنها توفر ببساطة المزيد من الأدوات لدراسة علم الأحياء. من ناحية أخرى ، تعد Bionanotechnology بإعادة إنشاء آليات ومسارات بيولوجية في شكل مفيد بطرق أخرى.

تحرير طب النانو

طب النانو هو مجال من مجالات العلوم الطبية تتزايد تطبيقاته أكثر فأكثر بفضل الروبوتات النانوية والآلات البيولوجية ، والتي تشكل أداة مفيدة للغاية لتطوير هذا المجال من المعرفة. في السنوات الماضية ، أجرى الباحثون العديد من التحسينات في الأجهزة والأنظمة المختلفة المطلوبة لتطوير الروبوتات النانوية.يفترض هذا طريقة جديدة في العلاج والتعامل مع أمراض مثل السرطان بفضل الروبوتات النانوية ، وقد تم التحكم في الآثار الجانبية للعلاج الكيميائي وتقليلها وحتى القضاء عليها ، لذلك في بعض السنوات من الآن ، سيتم تقديم بديل لمرضى السرطان لعلاج هذا المرض بدلاً من العلاج الكيميائي [ بحاجة لمصدر ] ، والذي يسبب آثارًا ثانوية مثل تساقط الشعر ، والتعب أو الغثيان ، ليس فقط قتل الخلايا السرطانية ولكن أيضًا الخلايا السليمة. على المستوى السريري ، سيتكون علاج السرطان بطب النانو من تزويد المريض بالروبوتات النانوية من خلال حقنة تبحث عن الخلايا السرطانية مع ترك الخلايا السليمة دون أن تمس. المرضى الذين سيتم علاجهم من خلال الطب النانوي لن يلاحظوا وجود هذه الآلات النانوية بداخلهم ، الشيء الوحيد الذي سيكون ملحوظًا هو التحسن التدريجي لصحتهم. تعتبر التكنولوجيا الحيوية النانوية مهمة جدًا لصياغة الأدوية. يساعد أيضًا في صنع اللقاحات. [ التوضيح المطلوب ]

تحرير التكنولوجيا الحيوية النانوية

أفضل وصف للتقنية الحيوية النانوية (التي يشار إليها أحيانًا باسم علم الأحياء النانوي) هي مساعدة الطب الحديث على التقدم من علاج الأعراض إلى توليد العلاجات وتجديد الأنسجة البيولوجية. تلقى ثلاثة مرضى أمريكيين مثانة كاملة بمساعدة الأطباء الذين يستخدمون تقنيات علم الأحياء الدقيقة في ممارساتهم. كما ثبت في الدراسات التي أجريت على الحيوانات أن الرحم يمكن أن ينمو خارج الجسم ثم يوضع في الجسم من أجل إنجاب طفل. تم استخدام علاجات الخلايا الجذعية لإصلاح الأمراض الموجودة في قلب الإنسان وهي قيد التجارب السريرية في الولايات المتحدة. يوجد أيضًا تمويل للبحث في السماح للأشخاص بالحصول على أطراف جديدة دون الحاجة إلى اللجوء إلى الأطراف الاصطناعية. قد تصبح البروتينات الاصطناعية متاحة أيضًا للتصنيع دون الحاجة إلى مواد كيميائية قاسية وآلات باهظة الثمن. حتى أنه تم التخمين أنه بحلول عام 2055 ، قد يتم تصنيع أجهزة الكمبيوتر من المواد الكيميائية الحيوية والأملاح العضوية. [12]

مثال آخر على البحث الحالي في مجال التكنولوجيا الحيوية النانوية يتضمن أغلفة نانوية مغلفة ببوليمرات فلورية. يسعى الباحثون إلى تصميم بوليمرات يتم إخماد فلورتها عندما تصادف جزيئات معينة. ستكتشف البوليمرات المختلفة المستقلبات المختلفة. يمكن أن تصبح المجالات المغلفة بالبوليمر جزءًا من فحوصات بيولوجية جديدة ، وقد تؤدي التكنولوجيا يومًا ما إلى جزيئات يمكن إدخالها في جسم الإنسان لتعقب المستقلبات المرتبطة بالأورام والمشاكل الصحية الأخرى. مثال آخر ، من منظور مختلف ، سيكون التقييم والعلاج على مستوى النانو ، أي علاج البكتيريا النانوية (بحجم 25-200 نانومتر) كما تفعل NanoBiotech Pharma.

بينما لا يزال علم الأحياء النانوي في مهده ، هناك الكثير من الأساليب الواعدة التي ستعتمد على علم الأحياء النانوي في المستقبل. الأنظمة البيولوجية هي بطبيعتها نانوية في علم النانو يجب أن تندمج مع علم الأحياء من أجل توصيل الجزيئات الحيوية والآلات الجزيئية التي تشبه الطبيعة. يعد التحكم في الأجهزة والعمليات التي يتم إنشاؤها من الجزيئات ومحاكاتها تحديًا هائلاً يجب مواجهته للتخصصات المتقاربة للتكنولوجيا الحيوية النانوية. [١٣] يمكن اعتبار جميع الكائنات الحية ، بما في ذلك البشر ، مسابك نانوية. أدى التطور الطبيعي إلى تحسين الشكل "الطبيعي" لبيولوجيا النانو على مدى ملايين السنين. في القرن الحادي والعشرين ، طور البشر تقنية للاستفادة بشكل مصطنع من علم الأحياء النانوي. أفضل وصف لهذه العملية بأنها "دمج عضوي مع اصطناعي". يمكن أن تعيش مستعمرات الخلايا العصبية الحية معًا على جهاز biochip وفقًا لبحث أجراه الدكتور Gunther Gross في جامعة شمال تكساس. تمتلك الأنابيب النانوية ذاتية التجميع القدرة على استخدامها كنظام هيكلي. سيتم تكوينها مع رودوبسين مما يسهل عملية الحوسبة الضوئية ويساعد في تخزين المواد البيولوجية. يمكن استخدام الحمض النووي (كبرنامج لجميع الكائنات الحية) كنظام بروتيني هيكلي - مكون منطقي للحوسبة الجزيئية. يقوم نيد سيمان - باحث في جامعة نيويورك - مع باحثين آخرين حاليًا بالبحث عن مفاهيم متشابهة مع بعضها البعض. [14]

تحرير التكنولوجيا الحيوية

تعد تقنية النانو للحمض النووي أحد الأمثلة المهمة على تقنية النانو الحيوية. [15] يعد استخدام الخصائص الكامنة في الأحماض النووية مثل الحمض النووي لإنتاج مواد مفيدة مجالًا واعدًا للبحث الحديث. مجال مهم آخر للبحث يتضمن الاستفادة من خصائص الأغشية لتوليد أغشية اصطناعية. يمكن استخدام البروتينات التي تتجمع ذاتيًا لتوليد مواد وظيفية كنهج جديد لإنتاج المواد النانوية القابلة للبرمجة على نطاق واسع. أحد الأمثلة على ذلك هو تطوير الأميلويد الموجود في الأغشية الحيوية البكتيرية كمواد نانوية هندسية يمكن برمجتها وراثيًا لتكون لها خصائص مختلفة. [16] توفر دراسات طي البروتين طريقًا ثالثًا مهمًا للبحث ، ولكن تم تثبيطه إلى حد كبير بسبب عدم قدرتنا على التنبؤ بطي البروتين بدرجة عالية من الدقة. وبالنظر إلى الاستخدامات العديدة التي تمتلكها الأنظمة البيولوجية للبروتينات ، فإن البحث في فهم طي البروتين له أهمية كبيرة ويمكن أن يكون مثمرًا للتكنولوجيا الحيوية في المستقبل.

تعد تقنية النانو الدهنية مجالًا رئيسيًا آخر للبحث في مجال التكنولوجيا الحيوية ، حيث يتم استغلال الخصائص الفيزيائية والكيميائية للدهون مثل مضادات الحشف والتجميع الذاتي لبناء أجهزة نانوية مع تطبيقات في الطب والهندسة. [17] يمكن أيضًا استخدام أساليب تقنية النانو الدهنية لتطوير الجيل التالي من طرق المستحلب لزيادة امتصاص العناصر الغذائية التي تذوب في الدهون والقدرة على دمجها في المشروبات الشعبية.

تحرير الزراعة

في الصناعة الزراعية ، تعمل الجسيمات النانوية المهندسة كناقلات نانوية ، تحتوي على مبيدات أعشاب أو مواد كيميائية أو جينات تستهدف أجزاء نباتية معينة لإطلاق محتواها. [18] [19] تم الإبلاغ سابقًا عن أن الكبسولات النانوية التي تحتوي على مبيدات الأعشاب تخترق بفعالية من خلال البشرة والأنسجة ، مما يسمح بالإفراز البطيء والمستمر للمواد الفعالة. وبالمثل ، تصف الأدبيات الأخرى أن الإطلاق البطيء المغلف بالنانو للأسمدة أصبح أيضًا اتجاهًا لتوفير استهلاك الأسمدة وتقليل التلوث البيئي من خلال الزراعة الدقيقة. هذه مجرد أمثلة قليلة من العديد من الأعمال البحثية التي قد تفتح فرصًا مثيرة لتطبيق التكنولوجيا الحيوية النانوية في الزراعة. أيضًا ، يجب اعتبار تطبيق هذا النوع من الجسيمات النانوية الهندسية على النباتات مستوى الود قبل استخدامه في الممارسات الزراعية. بناءً على مسح شامل للأدبيات ، كان مفهوماً أنه لا توجد سوى معلومات موثوقة محدودة متاحة لشرح النتيجة البيولوجية للجسيمات النانوية المهندسة على النباتات المعالجة. تؤكد بعض التقارير على السمية النباتية لمختلف منشأ الجسيمات النانوية المهندسة للنبات بسبب موضوع التركيزات والأحجام. ومع ذلك ، في الوقت نفسه ، تم الإبلاغ عن عدد متساوٍ من الدراسات مع نتيجة إيجابية للجسيمات النانوية ، والتي تسهل الطبيعة المعززة للنمو لمعالجة النبات. [20] على وجه الخصوص ، بالمقارنة مع الجسيمات النانوية الأخرى ، حققت التطبيقات القائمة على جزيئات الفضة والذهب نتائج مفيدة على أنواع نباتية مختلفة ذات سمية أقل و / أو معدومة. [21] [22] الجسيمات النانوية الفضية (AgNPs) أظهرت أوراق الهليون المعالجة زيادة محتوى الأسكوربات والكلوروفيل. وبالمثل ، فإن الفاصوليا والذرة المعالجة بـ AgNPs زادت من طول الجذع والجذر ، ومساحة سطح الأوراق ، والكلوروفيل ، والكربوهيدرات ، ومحتويات البروتين التي تم الإبلاغ عنها سابقًا. [23] تم استخدام جزيئات الذهب النانوية للحث على النمو وإنتاج البذور في براسيكا جونسي. [24]


ما هي البروتينات الأكثر حساسية للمجالات الكهربائية؟ - مادة الاحياء

البروتينات عبارة عن بوليمرات من الأحماض الأمينية. يوجد عشرين نوعًا مختلفًا من الأحماض الأمينية بشكل طبيعي في البروتينات. تختلف البروتينات عن بعضها البعض وفقًا لنوع وعدد وتسلسل الأحماض الأمينية التي تشكل العمود الفقري متعدد الببتيد. نتيجة لذلك ، لديهم هياكل جزيئية مختلفة ، وصفات غذائية وخصائص فيزيوكيميائية. البروتينات هي مكونات مهمة للأغذية لعدد من الأسباب المختلفة. إنها مصدر رئيسي للطاقة ، بالإضافة إلى أنها تحتوي على أحماض أمينية أساسية ، مثل ليسين ، تريبتوفان ، ميثيونين ، ليسين ، إيزولوسين وفالين ، وهي ضرورية لصحة الإنسان ، لكن الجسم لا يستطيع تصنيعها. تعد البروتينات أيضًا المكونات الهيكلية الرئيسية للعديد من الأطعمة الطبيعية ، وغالبًا ما تحدد قوامها العام ، على سبيل المثال ، طراوة اللحوم أو منتجات الأسماك. غالبًا ما تستخدم البروتينات المعزولة في الأطعمة كمكونات بسبب خصائصها الوظيفية الفريدة ، أي قدرتها على توفير المظهر أو الملمس أو الثبات المرغوب فيه. عادةً ما تستخدم البروتينات كعوامل هلامية ومستحلبات وعوامل رغوية ومكثفات. العديد من البروتينات الغذائية عبارة عن إنزيمات قادرة على تعزيز معدل تفاعلات كيميائية حيوية معينة. يمكن أن يكون لهذه التفاعلات تأثير إيجابي أو ضار على الخصائص العامة للأطعمة. يهتم محللو الأغذية بمعرفة التركيز الكلي والنوع والبنية الجزيئية والخصائص الوظيفية للبروتينات في الأطعمة.

6.2 تحديد تركيز البروتين الكلي

تم تطوير طريقة Kjeldahl في عام 1883 من قبل صانع الجعة المسمى Johann Kjeldahl. يتم هضم الطعام بحمض قوي بحيث يطلق النيتروجين الذي يمكن تحديده بتقنية معايرة مناسبة. ثم يتم حساب كمية البروتين الموجودة من تركيز النيتروجين في الطعام. لا يزال النهج الأساسي نفسه مستخدمًا حتى اليوم ، على الرغم من إجراء عدد من التحسينات لتسريع العملية والحصول على قياسات أكثر دقة. عادة ما تعتبر الطريقة القياسية لتحديد تركيز البروتين. نظرًا لأن طريقة Kjeldahl لا تقيس محتوى البروتين مباشرة ، فإن عامل التحويل (F) ضروري لتحويل تركيز النيتروجين المقاس إلى تركيز بروتين. يتم استخدام عامل تحويل قدره 6.25 (ما يعادل 0.16 جم نيتروجين لكل جرام من البروتين) في العديد من التطبيقات ، ومع ذلك ، فهذه ليست سوى قيمة متوسطة ، ولكل بروتين عامل تحويل مختلف اعتمادًا على تركيبته من الأحماض الأمينية. يمكن تقسيم طريقة Kjeldahl بسهولة إلى ثلاث خطوات: الهضم والتحييد والمعايرة.

يتم وزن عينة الطعام المراد تحليلها في دورق هضم ثم هضمها عن طريق تسخينها في وجود حامض الكبريتيك (عامل مؤكسد يهضم الطعام) وكبريتات الصوديوم اللامائية (لتسريع التفاعل عن طريق رفع درجة الغليان) و محفز ، مثل النحاس ، والسيلينيوم ، والتيتانيوم ، أو الزئبق (لتسريع التفاعل). يحول الهضم أي نيتروجين في الطعام (بخلاف ما هو في شكل نترات أو نيتريت) إلى أمونيا ، والمواد العضوية الأخرى إلى ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون. لا يتم تحرير غاز الأمونيا في محلول حمضي لأن الأمونيا في شكل أيون الأمونيوم (NH 4 +) الذي يرتبط بأيون الكبريتات (SO4 2-) وبالتالي يبقى في المحلول:

بعد الانتهاء من الهضم ، يتم توصيل دورق الهضم بقارورة استقبال بواسطة أنبوب. يتم بعد ذلك تحويل المحلول الموجود في دورق الهضم إلى قلوي بإضافة هيدروكسيد الصوديوم ، والذي يحول كبريتات الأمونيوم إلى غاز أمونيا:

& # 9 (NH 4) 2 SO 4 + 2 NaOH & reg 2NH 3 + 2H 2 O + Na 2 SO 4 & # 9 (2)

يتم تحرير غاز الأمونيا المتكون من المحلول وينتقل من دورق الهضم إلى دورق الاستقبال - الذي يحتوي على فائض من حمض البوريك. يحول الرقم الهيدروجيني المنخفض للمحلول في دورق الاستقبال غاز الأمونيا إلى أيون الأمونيوم ، وفي نفس الوقت يحول حمض البوريك إلى أيون البورات:

& # 9NH 3 + H 3 BO 3 (حمض البوريك) & Reg NH 4 + + H 2 BO 3 - (بورات أيون) (3)

ثم يتم تقدير محتوى النيتروجين عن طريق معايرة بورات الأمونيوم المتكونة من حمض الكبريتيك القياسي أو حمض الهيدروكلوريك ، باستخدام مؤشر مناسب لتحديد نقطة نهاية التفاعل.

& # 9H 2 BO 3 - + H + & reg H 3 BO 3 (4)

إن تركيز أيونات الهيدروجين (في المولات) المطلوب للوصول إلى نقطة النهاية يعادل تركيز النيتروجين الموجود في الطعام الأصلي (المعادلة 3). يمكن استخدام المعادلة التالية لتحديد تركيز النيتروجين لعينة تزن م جرام باستخدام محلول حمض حمض الهيدروكلوريك x M للمعايرة:

حيث تمثل vs و vb أحجام المعايرة للعينة والفارغة ، و 14 جم هي الوزن الجزيئي للنيتروجين N. عادةً ما يتم تشغيل عينة فارغة في نفس الوقت الذي يتم فيه تحليل المادة لمراعاة أي نيتروجين متبقي قد يكون في الكواشف المستخدمة لإجراء التحليل. بمجرد تحديد محتوى النيتروجين ، يتم تحويله إلى محتوى بروتين باستخدام عامل التحويل المناسب:٪ بروتين = F٪ ن.

6.2.1.4. المميزات والعيوب

& # 9 المزايا. تستخدم طريقة Kjeldahl على نطاق واسع دوليًا ولا تزال الطريقة القياسية للمقارنة مع جميع الطرق الأخرى. إن عالميتها ودقتها العالية وقابليتها للتكاثر الجيد جعلتها الطريقة الرئيسية لتقدير البروتين في الأطعمة.

& # 9 العيوب. لا يعطي مقياسًا للبروتين الحقيقي ، لأن كل النيتروجين في الأطعمة ليس في شكل بروتين. تحتاج البروتينات المختلفة إلى عوامل تصحيح مختلفة لأن لها تسلسلات مختلفة من الأحماض الأمينية. يشكل استخدام حامض الكبريتيك المركز في درجات حرارة عالية خطرًا كبيرًا ، كما هو الحال مع استخدام بعض المحفزات المحتملة. تستغرق التقنية وقتًا طويلاً لتنفيذها.

6.2.2. طريقة دوماس المحسنة

في الآونة الأخيرة ، تم تطوير تقنية آلية قادرة على قياس تركيز البروتين في عينات الطعام بسرعة. تعتمد هذه التقنية على طريقة وصفها لأول مرة عالم يُدعى دوما منذ أكثر من قرن ونصف. لقد بدأت منافسة طريقة كيلدال كطريقة معيارية لتحليل البروتينات لبعض المواد الغذائية بسبب سرعتها.

يتم حرق عينة من الكتلة المعروفة في حجرة ذات درجة حرارة عالية (حوالي 900 درجة مئوية) في وجود الأكسجين. هذا يؤدي إلى إطلاق CO 2 و H 2 O و N 2. تتم إزالة ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون عن طريق تمرير الغازات فوق أعمدة خاصة تمتصها. ثم يتم قياس محتوى النيتروجين عن طريق تمرير الغازات المتبقية عبر عمود به كاشف للتوصيل الحراري في نهايته. يساعد العمود على فصل النيتروجين من أي ثاني أكسيد الكربون المتبقي و H 2 O التي قد تكون بقيت في تيار الغاز. تتم معايرة الأداة عن طريق تحليل مادة نقية ولها تركيز نيتروجين معروف ، مثل EDTA (= 9.59٪ N). وبالتالي يمكن تحويل الإشارة من كاشف الموصلية الحرارية إلى محتوى نيتروجين. كما هو الحال مع طريقة Kjeldahl ، من الضروري تحويل تركيز النيتروجين في العينة إلى محتوى البروتين ، باستخدام عوامل التحويل المناسبة التي تعتمد على تسلسل الحمض الأميني الدقيق للبروتين.

6.2.2.2. المميزات والعيوب

& # 9 المزايا: إنها أسرع بكثير من طريقة Kjeldahl (أقل من 4 دقائق لكل قياس ، مقارنة بساعتين إلى Kjeldahl). لا يحتاج إلى مواد كيميائية أو محفزات سامة. يمكن قياس العديد من العينات تلقائيًا. سهلة الاستخدام.

& # 9 العيوب: تكلفة أولية عالية. لا يعطي مقياسًا للبروتين الحقيقي ، لأن كل النيتروجين في الأطعمة ليس في شكل بروتين. تحتاج البروتينات المختلفة إلى عوامل تصحيح مختلفة لأن لها تسلسلات مختلفة من الأحماض الأمينية. حجم العينة الصغير يجعل من الصعب الحصول على عينة تمثيلية.

6.2.3. طرق استخدام التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية

تم ابتكار عدد من الطرق لقياس تركيز البروتين ، والتي تعتمد على التحليل الطيفي المرئي للأشعة فوق البنفسجية. تستخدم هذه الطرق إما القدرة الطبيعية للبروتينات على امتصاص (أو تشتيت) الضوء في المنطقة المرئية من الأشعة فوق البنفسجية من الطيف الكهرومغناطيسي ، أو تقوم بتعديل البروتينات كيميائيًا أو فيزيائيًا لجعلها تمتص (أو تشتت) الضوء في هذه المنطقة. المبدأ الأساسي وراء كل من هذه الاختبارات متشابه. بادئ ذي بدء ، يتم تحضير منحنى معايرة الامتصاص (أو التعكر) مقابل تركيز البروتين باستخدام سلسلة من محاليل البروتين ذات التركيز المعروف. يتم قياس امتصاص (أو تعكر) المحلول الذي يتم تحليله بعد ذلك بنفس الطول الموجي ، ويتم تحديد تركيز البروتين من منحنى المعايرة. يتمثل الاختلاف الرئيسي بين الاختبارات في المجموعات الكيميائية المسؤولة عن امتصاص أو تشتت الإشعاع ، على سبيل المثال ، روابط الببتيد ، والمجموعات الجانبية العطرية ، والمجموعات الأساسية ، والبروتينات المجمعة.

& # 9 يتم تسليط الضوء أدناه على عدد من الطرق المرئية للأشعة فوق البنفسجية الأكثر استخدامًا لتحديد محتوى البروتين في الأطعمة:

قياس مباشر عند 280 نانومتر

يمتص التربتوفان والتيروزين الأشعة فوق البنفسجية بقوة عند 280 نانومتر. يظل محتوى التربتوفان والتيروزين في العديد من البروتينات ثابتًا إلى حد ما ، وبالتالي يمكن استخدام امتصاص محاليل البروتين عند 280 نانومتر لتحديد تركيزها. تتمثل مزايا هذه الطريقة في أن الإجراء سهل التنفيذ ، وغير مدمر ، ولا يلزم وجود كواشف خاصة. العيب الرئيسي هو أن الأحماض النووية تمتص بقوة أيضًا عند 280 نانومتر وبالتالي يمكن أن تتداخل مع قياس البروتين إذا كانت موجودة بتركيزات كافية. ومع ذلك ، فقد تم تطوير طرق للتغلب على هذه المشكلة ، على سبيل المثال ، عن طريق قياس الامتصاصية عند طولين موجيين مختلفين.

ينتج اللون البنفسجي الأرجواني عندما تتفاعل أيونات نحاسية (Cu 2+) مع روابط الببتيد في ظروف قلوية. يمكن شراء كاشف البيوريت ، الذي يحتوي على جميع المواد الكيميائية اللازمة لإجراء التحليل ، تجاريًا. يتم خلطه بمحلول بروتين ثم يُترك لمدة 15-30 دقيقة قبل قراءة الامتصاص عند 540 نانومتر. الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي عدم وجود تداخل من المواد التي تمتص بأطوال موجية منخفضة ، والتقنية أقل حساسية لنوع البروتين لأنها تستخدم الامتصاص الذي يتضمن روابط الببتيد المشتركة لجميع البروتينات ، بدلاً من مجموعات جانبية محددة. ومع ذلك ، فهي ذات حساسية منخفضة نسبيًا مقارنة بالطرق الأخرى المرئية للأشعة فوق البنفسجية.

تجمع طريقة Lowry بين كاشف biuret وكاشف آخر (كاشف Folin-Ciocalteau phenol) الذي يتفاعل مع بقايا التيروزين والتربتوفان في البروتينات. هذا يعطي لونًا مزرقًا يمكن قراءته في مكان ما بين 500-750 نانومتر حسب الحساسية المطلوبة. هناك ذروة صغيرة حوالي 500 نانومتر يمكن استخدامها لتحديد تركيزات البروتين العالية وذروة كبيرة حوالي 750 نانومتر يمكن استخدامها لتحديد تركيزات البروتين المنخفضة. هذه الطريقة أكثر حساسية للتراكيز المنخفضة من البروتينات من طريقة البيوريت.

تتم إضافة فائض معروف من صبغة سالبة الشحنة (أنيوني) إلى محلول بروتين يتم ضبط الأس الهيدروجيني له بحيث يتم شحن البروتينات إيجابًا (أي & lt النقطة المتساوية الكهربية). تشكل البروتينات معقدًا غير قابل للذوبان مع الصبغة بسبب التجاذب الكهروستاتيكي بين الجزيئات ، لكن الصبغة غير المقيدة تظل قابلة للذوبان. ترتبط الصبغة الأنيونية بالمجموعات الموجبة لبقايا الأحماض الأمينية الأساسية (الهيستيدين والأرجانين والليسين) والمجموعات الطرفية الأمينية الحرة.يتم تحديد كمية الصبغة غير المقيدة المتبقية في المحلول بعد إزالة مركب صبغة البروتين غير القابل للذوبان (على سبيل المثال ، بالطرد المركزي) عن طريق قياس امتصاصه. تتناسب كمية البروتين الموجودة في المحلول الأصلي مع كمية الصبغة المرتبطة به: صبغة مرتبطة = صبغة أولية - خالية من الصبغة.

يمكن جعل جزيئات البروتين التي عادة ما تكون قابلة للذوبان في المحلول تترسب عن طريق إضافة مواد كيميائية معينة ، مثل حمض ثلاثي كلورو الخليك. يتسبب ترسيب البروتين في تعكر المحلول. وبالتالي يمكن تحديد تركيز البروتين عن طريق قياس درجة التعكر.

6.2.3.2. المميزات والعيوب

& # 9 المزايا: التقنيات المرئية للأشعة فوق البنفسجية سريعة وسهلة التنفيذ ، وحساسة لتركيزات البروتينات المنخفضة.

العيوب: بالنسبة لمعظم التقنيات المرئية للأشعة فوق البنفسجية ، من الضروري استخدام محاليل مخففة وشفافة ، والتي لا تحتوي على مواد ملوثة تمتص أو تشتت الضوء بنفس الطول الموجي للبروتين الذي يتم تحليله. إن الحاجة إلى حلول شفافة تعني أن معظم الأطعمة يجب أن تخضع لكميات كبيرة من تحضير العينات قبل أن يتم تحليلها ، على سبيل المثال ، التجانس ، واستخراج المذيبات ، والطرد المركزي ، والترشيح ، والتي يمكن أن تستغرق وقتًا طويلاً وشاقة. بالإضافة إلى ذلك ، يصعب أحيانًا استخراج البروتينات كميًا من أنواع معينة من الأطعمة ، خاصة بعد معالجتها بحيث تصبح البروتينات مجمعة أو مرتبطة تساهميًا بمواد أخرى. بالإضافة إلى أن الامتصاص يعتمد على نوع البروتين الذي تم تحليله (البروتينات المختلفة لها تسلسلات مختلفة من الأحماض الأمينية).

6.2.4. تقنيات الآلات الأخرى

هناك مجموعة متنوعة من الطرق المختلفة المتاحة لتحديد محتوى البروتين الكلي للمواد الغذائية. يمكن تقسيم هذه إلى ثلاث فئات مختلفة وفقًا لمبادئها الفيزيائية والكيميائية: (1) قياس الخصائص الفيزيائية السائبة ، (2) قياس امتصاص الإشعاع ، و (3) قياس تشتت الإشعاع. كل طريقة آلية لها مزاياها وعيوبها ، ومجموعة الأطعمة التي يمكن تطبيقها عليها.

قياس الخصائص الفيزيائية السائبة

  • الكثافة: كثافة البروتين أكبر من كثافة معظم مكونات الطعام الأخرى ، وبالتالي هناك زيادة في كثافة الطعام مع زيادة محتواه من البروتين. وبالتالي يمكن تحديد محتوى البروتين في الأطعمة عن طريق قياس كثافتها.
  • معامل الانكسار: يزداد معامل الانكسار لمحلول مائي مع زيادة تركيز البروتين ، وبالتالي يمكن استخدام قياسات RI لتحديد محتوى البروتين.

قياس امتزاز الإشعاع

  • الأشعة فوق البنفسجية المرئية: يمكن تحديد تركيز البروتينات عن طريق قياس امتصاص الأشعة فوق البنفسجية المرئية (انظر أعلاه).
  • الأشعة تحت الحمراء: يمكن استخدام تقنيات الأشعة تحت الحمراء لتحديد تركيز البروتينات في عينات الطعام. تمتص البروتينات الأشعة تحت الحمراء بشكل طبيعي بسبب الاهتزازات المميزة (التمدد والانحناء) لمجموعات كيميائية معينة على طول العمود الفقري متعدد الببتيد. وبالتالي يمكن استخدام قياسات امتصاص الإشعاع عند أطوال موجية معينة لتحديد تركيز البروتين في العينة. يعتبر IR مفيد بشكل خاص للتحليل السريع عبر الإنترنت لمحتوى البروتين. كما أنه يتطلب القليل من تحضير العينة وغير مدمر. عيوبه الرئيسية هي ارتفاع تكلفته الأولية والحاجة إلى معايرة واسعة النطاق.
  • الرنين المغناطيسي النووي: يمكن استخدام التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي لتحديد تركيز البروتين الكلي في الأطعمة. يتم تحديد محتوى البروتين عن طريق قياس المنطقة الواقعة تحت الذروة في أطياف التحول الكيميائي بالرنين المغناطيسي النووي الذي يتوافق مع جزء البروتين.

قياس تشتت الإشعاع

  • تشتت الضوء: يمكن تحديد تركيز مجاميع البروتين في محلول مائي باستخدام تقنيات تشتت الضوء لأن تعكر المحلول يتناسب طرديًا مع تركيز الركام الموجود.
  • التشتت بالموجات فوق الصوتية: يمكن أيضًا تحديد تركيز مجاميع البروتين باستخدام تقنيات التشتت بالموجات فوق الصوتية لأن سرعة الموجات فوق الصوتية وامتصاصها مرتبطان بتركيز مجاميع البروتين الموجودة.

6.2.4.2. المميزات والعيوب

عدد من هذه الأساليب الآلية لها مزايا كبيرة مقارنة بالتقنيات الأخرى المذكورة أعلاه لأنها غير مدمرة ، وتتطلب القليل من التحضير للعينة أو لا تتطلب أي تحضير على الإطلاق ، كما أن القياسات سريعة ودقيقة. من العيوب الرئيسية للتقنيات التي تعتمد على قياسات الخصائص الفيزيائية للأطعمة أنه يجب تحضير منحنى معايرة بين الخاصية الفيزيائية ذات الأهمية ومحتوى البروتين الكلي ، وهذا قد يعتمد على نوع البروتين الموجود والغذاء المصفوفة الواردة بداخلها. بالإضافة إلى ذلك ، لا يمكن استخدام التقنيات القائمة على قياسات الخصائص الفيزيائية والكيميائية إلا لتحليل الأطعمة ذات التركيبات البسيطة نسبيًا. في الغذاء الذي يحتوي على العديد من المكونات المختلفة التي قد يختلف تركيزها ، من الصعب فصل مساهمة البروتين في القياس الكلي عن المكونات الأخرى.

6.2.5. مقارنة الأساليب

بصفتنا علماء أغذية ، قد نكون غالبًا في وضع يتعين علينا فيه اختيار تقنية معينة لقياس تركيز البروتين في الطعام. كيف نقرر أي تقنية هي الأنسب لتطبيقنا الخاص؟ أول شيء يجب تحديده هو الغرض من استخدام المعلومات. إذا تم إجراء التحليل لأغراض رسمية ، على سبيل المثال ، المتطلبات القانونية أو المتعلقة بوضع العلامات ، فمن المهم استخدام طريقة معترف بها رسميًا. تمت الموافقة رسميًا على طريقة Kjeldahl ، وبشكل متزايد طريقة Dumas ، لمجموعة واسعة من التطبيقات الغذائية. في المقابل ، تم التعرف رسميًا على عدد قليل فقط من تطبيقات التحليل الطيفي المرئي للأشعة فوق البنفسجية.

& # 9 لأغراض مراقبة الجودة ، غالبًا ما يكون من المفيد الحصول على قياسات سريعة وبسيطة لمحتوى البروتين ، وبالتالي فإن تقنيات الأشعة تحت الحمراء هي الأنسب. بالنسبة للدراسات الأساسية في المختبر ، حيث يتم غالبًا تحليل البروتينات النقية ، غالبًا ما يُفضل استخدام تقنيات التحليل الطيفي المرئي للأشعة فوق البنفسجية لأنها تعطي قياسات سريعة وموثوقة ، وحساسة لتركيزات البروتين المنخفضة.

& # 9 العوامل الأخرى التي يجب أخذها في الاعتبار هي مقدار تحضير العينة المطلوب وحساسيتها وسرعتها. تتطلب طرق Kjeldahl و Dumas و IR القليل جدًا من تحضير العينات. بعد اختيار عينة تمثيلية من الطعام ، يمكن عادةً اختبارها مباشرةً. من ناحية أخرى ، تتطلب الطرق المختلفة المرئية للأشعة فوق البنفسجية تحضير عينة مكثف قبل التحليل. يجب استخلاص البروتين من الطعام إلى محلول شفاف مخفف ، والذي عادة ما يتضمن عملية التجانس التي تستغرق وقتًا طويلاً ، واستخراج المذيبات ، وإجراءات الترشيح والطرد المركزي. بالإضافة إلى ذلك ، قد يكون من الصعب عزل بعض البروتينات تمامًا عن الأطعمة لأنها مرتبطة بشدة بمكونات أخرى. التقنيات المختلفة لها أيضًا حساسيات مختلفة ، أي أقل تركيز للبروتين يمكن اكتشافه. تعتبر الطرق المرئية للأشعة فوق البنفسجية هي الأكثر حساسية ، فهي قادرة على اكتشاف تركيزات البروتين منخفضة مثل 0.001٪ بالوزن. تبلغ حساسية طرق Dumas و Kjeldahl و IR حوالي 0.1٪ بالوزن. يعد الوقت المطلوب لكل تحليل وعدد العينات التي يمكن تشغيلها في وقت واحد من العوامل المهمة التي يجب مراعاتها عند تحديد التقنية التحليلية التي يجب استخدامها. تقنيات الأشعة تحت الحمراء قادرة على التحليل السريع (دقيقة واحدة) لتركيز البروتين بمجرد معايرتها. طريقة Dumas الآلية الحديثة مؤتمتة بالكامل ويمكنها قياس تركيز البروتين لعينة في أقل من 5 دقائق ، مقارنة بطريقة Kjeldahl التي تستغرق ما بين 30 دقيقة وساعتين لتنفيذها. تتراوح الطرق المختلفة المرئية للأشعة فوق البنفسجية من دقيقتين إلى ساعة (اعتمادًا على نوع الصبغة المستخدمة والمدة التي يستغرقها التفاعل) ، على الرغم من أنها تتمتع بميزة إمكانية تشغيل العديد من العينات في وقت واحد. ومع ذلك ، فمن الضروري عادة إجراء تحضير مكثف للعينة قبل التحليل من أجل الحصول على حل شفاف. العوامل الأخرى التي قد تكون مهمة عند اختيار تقنية مناسبة هي: المعدات المتاحة ، سهولة التشغيل ، الدقة المطلوبة ، وما إذا كانت التقنية غير مدمرة أم لا.

6.3 فصل البروتين وتوصيفه

في المحاضرة السابقة ، تمت مناقشة التقنيات المستخدمة لتحديد التركيز الكلي للبروتين في الغذاء. غالبًا ما يهتم محللو الأغذية أيضًا بنوع البروتينات الموجودة في الطعام لأن كل بروتين له خصائص غذائية وكيميائية فيزيائية فريدة. عادةً ما يتم تحديد نوع البروتين عن طريق فصل البروتينات الفردية وعزلها عن خليط معقد من البروتينات ، بحيث يمكن التعرف عليها وتوصيفها لاحقًا. يتم فصل البروتينات على أساس الاختلافات في خواصها الفيزيائية والكيميائية ، مثل الحجم والشحنة وخصائص الامتزاز والذوبان والاستقرار الحراري. يعتمد اختيار تقنية الفصل المناسبة على عدد من العوامل ، بما في ذلك أسباب إجراء التحليل ، وكمية العينة المتاحة ، والنقاء المطلوب ، والمعدات المتاحة ، ونوع البروتينات الموجودة والتكلفة. تتوفر طرق واسعة النطاق للعزل الخام لكميات كبيرة من البروتينات ، في حين أن الطرق الصغيرة متاحة للبروتينات باهظة الثمن أو المتوفرة بكميات صغيرة فقط. أحد العوامل التي يجب مراعاتها أثناء إجراء الفصل هو إمكانية تغيير الهيكل الأصلي ثلاثي الأبعاد لجزيئات البروتين.

تعتبر المعرفة المسبقة بتأثيرات الظروف البيئية على بنية البروتين والتفاعلات مفيدة للغاية عند اختيار تقنية الفصل الأنسب. أولاً ، لأنه يساعد في تحديد أنسب الظروف لاستخدامها لعزل بروتين معين من مزيج من البروتينات (على سبيل المثال ، الأس الهيدروجيني والقوة الأيونية والمذيب ودرجة الحرارة وما إلى ذلك) ، وثانيًا ، لأنه قد يكون من المهم اختيار الظروف التي سوف لا تؤثر سلبًا على التركيب الجزيئي للبروتينات.

6.3.1. طرق تعتمد على خصائص الذوبان المختلفة

يمكن فصل البروتينات عن طريق استغلال الاختلافات في قابليتها للذوبان في المحاليل المائية. يتم تحديد قابلية ذوبان جزيء البروتين من خلال تسلسل الأحماض الأمينية لأن هذا يحدد حجمه وشكله ونفاذه للماء وشحنته الكهربائية. يمكن أن تترسب البروتينات أو تذوب بشكل انتقائي عن طريق تغيير درجة الحموضة أو القوة الأيونية أو ثابت العزل الكهربائي أو درجة حرارة المحلول. تعد تقنيات الفصل هذه أبسط طرق الاستخدام عند استخدام كميات كبيرة من العينة ، لأنها سريعة نسبيًا وغير مكلفة ولا تتأثر بشكل خاص بالمكونات الغذائية الأخرى. غالبًا ما يتم استخدامها كخطوة أولى في أي إجراء فصل لأنه يمكن إزالة غالبية المواد الملوثة بسهولة.

تترسب البروتينات من المحاليل المائية عندما يتجاوز تركيز الملح المستوى الحرج ، والذي يُعرف بالتمليح ، لأن كل الماء "مرتبط" بالأملاح ، وبالتالي لا يتوفر لترطيب البروتينات. تُستخدم كبريتات الأمونيوم [(NH 4) 2 SO 4] بشكل شائع لأنها تحتوي على قابلية عالية للذوبان في الماء ، على الرغم من أنه يمكن أيضًا استخدام أملاح متعادلة أخرى ، على سبيل المثال ، NaCl أو KCl. بشكل عام ، يتم استخدام إجراء من خطوتين لتعظيم كفاءة الفصل. في الخطوة الأولى ، يضاف الملح بتركيز أقل بقليل من الضروري لترسيب البروتين المطلوب. ثم يُطرد المحلول مركزيًا لإزالة أي بروتينات أقل قابلية للذوبان من البروتين محل الاهتمام. ثم يتم زيادة تركيز الملح إلى نقطة أعلى بقليل من المطلوب لإحداث ترسيب للبروتين. يؤدي هذا إلى ترسيب البروتين المطلوب (والذي يمكن فصله عن طريق الطرد المركزي) ، ولكنه يترك المزيد من البروتينات القابلة للذوبان في المحلول. المشكلة الرئيسية في هذه الطريقة هي أن التركيزات الكبيرة من الملح تلوث المحلول ، والذي يجب إزالته قبل أن يتم حل البروتين ، على سبيل المثال ، عن طريق غسيل الكلى أو الترشيح الفائق.

النقطة المتساوية الكهربية (pI) للبروتين هي الرقم الهيدروجيني حيث تكون الشحنة الصافية على البروتين صفراً. تميل البروتينات إلى التجمع والترسيب عند pI لأنه لا يوجد تنافر إلكتروستاتيكي يفصل بينها. تحتوي البروتينات على نقاط متساوية كهربية مختلفة بسبب تسلسل الأحماض الأمينية المختلفة (أي الأعداد النسبية للمجموعات الأنيونية والكاتيونية) ، وبالتالي يمكن فصلها عن طريق ضبط الرقم الهيدروجيني للمحلول. عندما يتم تعديل الأس الهيدروجيني إلى pI لبروتين معين فإنه يترسب وترك البروتينات الأخرى في المحلول.

تعتمد قابلية ذوبان البروتين على ثابت العزل الكهربائي للمحلول المحيط به لأن هذا يغير حجم التفاعلات الكهروستاتيكية بين المجموعات المشحونة. نظرًا لأن ثابت العزل الكهربائي لمحلول ما يقلل من حجم التفاعلات الكهروستاتيكية بين الأنواع المشحونة. هذا يميل إلى تقليل قابلية ذوبان البروتينات في المحلول لأنها أقل تأينًا ، وبالتالي فإن التنافر الكهروستاتيكي بينهما لا يكفي لمنعها من التراكم. يمكن خفض ثابت العزل الكهربائي للمحاليل المائية عن طريق إضافة مذيبات عضوية قابلة للذوبان في الماء ، مثل الإيثانول أو الأسيتون. تعتمد كمية المذيب العضوي المطلوبة للتسبب في الترسيب على البروتين وبالتالي يمكن فصل البروتينات على هذا الأساس. تتراوح الكمية المثلى من المذيب العضوي المطلوب لترسيب البروتين من حوالي 5 إلى 60٪. عادة ما يتم إجراء تجزئة المذيبات عند 0 درجة مئوية أو أقل لمنع تمسخ البروتين الناتج عن الزيادات في درجات الحرارة التي تحدث عند خلط المذيبات العضوية مع الماء.

تمسخ البروتينات الملوثة

يتم تغيير طبيعة العديد من البروتينات وترسبها من المحلول عند تسخينها فوق درجة حرارة معينة أو عن طريق ضبط محلول على درجة عالية من الحموضة أو الأس الهيدروجيني القاعدية. يمكن بسهولة فصل البروتينات التي تكون مستقرة عند درجة حرارة عالية أو في أقصى درجات الحموضة بواسطة هذه التقنية لأن البروتينات الملوثة يمكن أن تترسب بينما يظل البروتين محل الاهتمام.

6.3.2. الفصل بسبب خصائص الامتزاز المختلفة

يتضمن كروماتوغرافيا الامتزاز فصل المركبات عن طريق الامتزاز الانتقائي الامتزاز في مصفوفة صلبة موجودة داخل عمود يمر من خلاله الخليط. يعتمد الفصل على الصلات المختلفة للبروتينات المختلفة للمصفوفة الصلبة. كروماتوغرافيا التقارب والتبادل الأيوني هما النوعان الرئيسيان من كروماتوغرافيا الامتزاز المستخدمة عادة لفصل البروتينات. يمكن إجراء الفصل باستخدام إما عمود مفتوح أو كروماتوجرافيا سائل عالي الضغط.

كروماتوغرافيا التبادل الأيوني

يعتمد كروماتوغرافيا التبادل الأيوني على الامتزاز القابل للانعكاس وامتصاص الأيونات في المحلول إلى مصفوفة صلبة مشحونة أو شبكة بوليمر. هذه التقنية هي أكثر تقنية كروماتوغرافية استخدامًا لفصل البروتين. تسمى المصفوفة موجبة الشحنة مبادل الأنيون لأنها تربط الأيونات سالبة الشحنة (الأنيونات). تسمى المصفوفة سالبة الشحنة مبادل أيوني للقطط لأنها تربط أيونات موجبة الشحنة (كاتيونات). يتم ضبط ظروف المخزن المؤقت (الأس الهيدروجيني والقوة الأيونية) لصالح أقصى ارتباط للبروتين ذي الأهمية بعمود التبادل الأيوني. ترتبط البروتينات الملوثة بقوة أقل وبالتالي تمر بسرعة أكبر عبر العمود. يتم بعد ذلك التصفية من البروتين محل الاهتمام باستخدام محلول منظم آخر يفضل امتصاصه من العمود (على سبيل المثال ، درجة حموضة مختلفة أو قوة أيونية).

يستخدم كروماتوغرافيا الانجذاب طورًا ثابتًا يتكون من يجند مرتبط تساهميًا بدعامة صلبة. الليجند هو جزيء له تقارب عكسي خاص وفريد ​​من نوعه لبروتين معين. يتم تمرير العينة المراد تحليلها عبر العمود ويرتبط البروتين المعني بالرابط ، بينما تمر البروتينات الملوثة من خلاله مباشرة. يتم بعد ذلك التصفية من البروتين محل الاهتمام باستخدام محلول منظم يفضل امتصاصه من العمود. هذه التقنية هي الوسيلة الأكثر فعالية لفصل البروتين الفردي عن مزيج البروتينات ، لكنها الأغلى تكلفة ، بسبب الحاجة إلى وجود أعمدة ذات روابط محددة مرتبطة بها.

يستخدم كل من التبادل الأيوني وكروماتوجرافيا التقارب بشكل شائع لفصل البروتينات والأحماض الأمينية في المختبر. يتم استخدامها بشكل أقل شيوعًا لعمليات الفصل التجارية لأنها غير مناسبة للفصل السريع للكميات الكبيرة وهي باهظة الثمن نسبيًا.

6.3.3. الفصل بسبب اختلافات الحجم

يمكن أيضًا فصل البروتينات حسب حجمها. عادة ، تختلف الأوزان الجزيئية للبروتينات من حوالي 10000 إلى 1000000 دالتون. من الناحية العملية ، يعتمد الفصل على نصف قطر ستوكس للبروتين ، وليس على وزنه الجزيئي بشكل مباشر. نصف قطر ستوكس هو متوسط ​​نصف قطر البروتين في المحلول ، ويعتمد على هيكله الجزيئي ثلاثي الأبعاد. بالنسبة للبروتينات التي لها نفس الوزن الجزيئي ، يزيد نصف قطر Stokes بالترتيب التالي: بروتين كروي مضغوط & lt مرن ملف عشوائي & lt بروتين شبيه بالقضيب.

يُستخدم غسيل الكلى لفصل الجزيئات في المحلول باستخدام أغشية شبه منفذة تسمح بمرور جزيئات أصغر من حجم معين من خلالها ، ولكنها تمنع مرور الجزيئات الأكبر حجمًا. يتم وضع محلول بروتيني في أنبوب غسيل الكلى والذي يتم غلقه ووضعه في كمية كبيرة من الماء أو المخزن المؤقت الذي يتم تحريكه ببطء. تتدفق المواد المذابة ذات الوزن الجزيئي المنخفض عبر الكيس ، لكن جزيئات البروتين ذات الوزن الجزيئي الكبير تبقى في الكيس. غسيل الكلى هو طريقة بطيئة نسبيًا ، ويستغرق إكمالها ما يصل إلى 12 ساعة. لذلك يتم استخدامه بشكل متكرر في المختبر. غالبًا ما يستخدم غسيل الكلى لإزالة الملح من محاليل البروتين بعد فصلها عن طريق التمليح ، ولتغيير المحاليل.

يتم وضع محلول من البروتين في خلية تحتوي على غشاء نصف نافذ ، ويتم تطبيق الضغط. تمر الجزيئات الأصغر عبر الغشاء ، بينما تبقى الجزيئات الأكبر في المحلول. وبالتالي ، فإن مبدأ الفصل في هذه التقنية يشبه غسيل الكلى ، ولكن نظرًا لتطبيق الضغط ، يكون الفصل أسرع بكثير. تتوفر أغشية شبه منفذة بنقاط قطع بين حوالي 500 إلى 300000. يسمى هذا الجزء من المحلول الذي تحتفظ به الخلية (الجزيئات الكبيرة) بالترشيح الفائق ، في حين أن الجزء الذي يمر عبر الغشاء (الجزيئات الصغيرة) يشكل جزءًا من الترشيح الفائق. يمكن استخدام الترشيح الفائق لتركيز محلول البروتين أو إزالة الأملاح أو تبادل المحاليل أو تجزئة البروتينات على أساس حجمها. تُستخدم وحدات الترشيح الفائق في المختبر وعلى نطاق تجاري.

استبعاد حجم اللوني

هذه التقنية ، التي تُعرف أحيانًا باسم الترشيح الهلامي ، تفصل أيضًا البروتينات وفقًا لحجمها. يُسكب محلول بروتيني في عمود معبأ بحبيبات مسامية مصنوعة من مادة بوليمرية متصالبة (مثل ديكستران أو أغروس).يتم استبعاد الجزيئات الأكبر من المسام الموجودة في الحبيبات ، وتتحرك بسرعة عبر العمود ، بينما تتأخر حركة الجزيئات التي تدخل المسام. وهكذا يتم التخلص من الجزيئات من العمود بترتيب تناقص الحجم. تتوفر حبات ذات حجم مسام متوسط ​​مختلف لفصل البروتينات ذات الأوزان الجزيئية المختلفة. يوفر مصنعو هذه الخرزات معلومات حول نطاق الوزن الجزيئي الأكثر ملاءمة للفصل. يمكن تحديد الأوزان الجزيئية لبروتينات غير معروفة من خلال مقارنة أحجام شطفها Vo ، مع تلك التي تم تحديدها باستخدام بروتينات ذات وزن جزيئي معروف: يجب أن يعطي مخطط حجم الشطف مقابل اللوغاريتم (الوزن الجزيئي) خطًا مستقيمًا. تتمثل إحدى مشكلات هذه الطريقة في أن الوزن الجزيئي لا يرتبط ارتباطًا مباشرًا بنصف قطر ستوكس لبروتينات مختلفة الشكل.

6.3.4. الفصل بواسطة الرحلان الكهربائي

يعتمد الرحلان الكهربائي على الاختلافات في هجرة الجزيئات المشحونة في المحلول عند تطبيق مجال كهربائي عبره. يمكن استخدامه لفصل البروتينات على أساس حجمها أو شكلها أو شحنتها.

في الرحلان الكهربي بدون تغيير طبيعة ، يتم سكب محلول مخزون من البروتينات الأصلية على هلام مسامي (عادة بولي أكريلاميد ، نشا أو اغروس) ويتم تطبيق جهد كهربائي عبر الهلام. تتحرك البروتينات عبر الهلام في اتجاه يعتمد على علامة شحنتها ، وبمعدل يعتمد على حجم الشحنة ، والاحتكاك مع حركتها:

قد تكون البروتينات موجبة أو سالبة الشحنة في المحلول اعتمادًا على نقاطها الكهربية (pI) ودرجة الحموضة في المحلول. يتم شحن البروتين سالبًا إذا كان الرقم الهيدروجيني أعلى من pI ، ويكون مشحونًا بشكل إيجابي إذا كان الرقم الهيدروجيني أقل من pI. سيحدد حجم الشحنة والجهد المطبق مدى انتقال البروتينات في وقت معين. كلما زاد الجهد الكهربائي أو زادت شحنة البروتين كلما تحركت. يعتبر احتكاك الجزيء مقياسًا لمقاومته للحركة عبر الهلام ويتم تحديده إلى حد كبير بالعلاقة بين الحجم الفعال للجزيء وحجم المسام في الهلام. كلما كان حجم الجزيء أصغر ، أو زاد حجم المسام في الهلام ، قلت المقاومة ، وبالتالي يتحرك الجزيء بشكل أسرع عبر الهلام. يمكن شراء المواد الهلامية ذات المسامية المختلفة من موردي المواد الكيميائية أو تصنيعها في المختبر. يتم الحصول على أحجام مسام أصغر باستخدام تركيز أعلى من كاشف الارتباط المتقاطع لتشكيل الجل. يمكن احتواء المواد الهلامية بين لوحين متوازيين أو في أنابيب أسطوانية. في الرحلان الكهربي غير المتحول للطبيعة ، يتم فصل البروتينات الأصلية بناءً على مجموعة من شحنتها وحجمها وشكلها.

في تغيير طبيعة الرحلان الكهربائي ، يتم فصل البروتينات بشكل أساسي على وزنها الجزيئي. يتم تغيير طبيعة البروتينات قبل التحليل عن طريق مزجها مع مركابتوإيثانول ، الذي يكسر روابط ثنائي كبريتيد الصوديوم ، وكبريتات دوديسيل الصوديوم (SDS) ، وهو عامل سطحي أنيوني يرتبط بشكل كاره للماء بجزيئات البروتين ويسببها تتكشف بسبب التنافر بين الفاعل بالسطح ذي الشحنة السالبة. مجموعات الرأس. يرتبط كل جزيء بروتين تقريبًا بنفس الكمية من SDS لكل وحدة طول. ومن ثم ، فإن الشحنة لكل وحدة طول والتشكيل الجزيئي متماثلان تقريبًا لجميع البروتينات. عندما تنتقل البروتينات عبر شبكة هلامية يتم فصلها بشكل أساسي على أساس وزنها الجزيئي لأن حركتها تعتمد على حجم جزيء البروتين بالنسبة لحجم المسام في الهلام: البروتينات الأصغر تتحرك بسرعة أكبر عبر المصفوفة أكثر من أكبر الجزيئات. يُطلق على هذا النوع من الرحلان الكهربي عادةً اسم كبريتات دوديسيل الصوديوم -بولي أكريلاميد جل الكهربائي ، أو SDS-PAGE.

لتحديد مدى تحرك البروتينات ، تتم إضافة صبغة تتبع إلى محلول البروتين ، على سبيل المثال ، أزرق بروموفينول. هذه الصبغة عبارة عن جزيء صغير مشحون يهاجر قبل البروتينات. بعد اكتمال الرحلان الكهربائي ، تصبح البروتينات مرئية عن طريق معالجة الجل بصبغة بروتين مثل Coomassie Brilliant Blue أو بقعة الفضة. يتم حساب التنقل النسبي لكل نطاق بروتين:

غالبًا ما يستخدم الرحلان الكهربائي لتحديد تركيبة البروتين في المنتجات الغذائية. يتم استخلاص البروتين من الطعام إلى محلول ، ثم يتم فصله باستخدام الرحلان الكهربي. يتم استخدام SDS-PAGE لتحديد الوزن الجزيئي لبروتين عن طريق قياس R m ، ثم مقارنته بمنحنى معايرة تم إنتاجه باستخدام بروتينات ذات وزن جزيئي معروف: مخطط السجل (الوزن الجزيئي) مقابل التنقل النسبي عادةً ما يكون خطيًا. يعد تغيير طبيعة الرحلان الكهربي أكثر فائدة في تحديد الأوزان الجزيئية من الرحلان الكهربي غير المتحول ، لأن الاحتكاك بالحركة لا يعتمد على الشكل أو الشحنة الأصلية لجزيئات البروتين.

الرحلان الكهربائي المركّز الكهروضوئي

هذه التقنية عبارة عن تعديل للرحلان الكهربائي ، حيث يتم فصل البروتينات بشحنة على مصفوفة هلامية تحتوي على تدرج pH عبرها. تهاجر البروتينات إلى المكان الذي يساوي فيه الرقم الهيدروجيني نقطة تساوي الكهرباء ثم تتوقف عن الحركة لأنها لم تعد مشحونة. تتمتع هذه الطرق بأحد أعلى درجات الدقة بين جميع التقنيات المستخدمة لفصل البروتينات. تتوفر المواد الهلامية التي تغطي نطاقًا ضيقًا من الأس الهيدروجيني (2-3 وحدات) أو نطاقًا واسعًا من الأس الهيدروجيني (3-10 وحدات) ، وبالتالي يجب على المرء اختيار مادة هلامية أكثر ملاءمة للبروتينات التي يتم فصلها.

ثنائي الأبعاد الكهربائي

يمكن استخدام التركيز الكهروضوئي و SDS-PAGE معًا لتحسين دقة خلائط البروتين المعقدة. يتم فصل البروتينات في اتجاه واحد على أساس الشحنة باستخدام التركيز الكهروضوئي ، ثم في اتجاه عمودي على أساس الحجم باستخدام SDS-PAGE.


محتويات

تم التعرف على البروتينات كفئة مميزة من الجزيئات البيولوجية في القرن الثامن عشر من قبل أنطوان فوركروي وآخرون ، والتي تتميز بقدرة الجزيئات على التخثر أو التندب تحت العلاجات بالحرارة أو الحمض. [1] تضمنت الأمثلة الملحوظة في ذلك الوقت الألبومين من بياض البيض وألبومين مصل الدم والفيبرين وغلوتين القمح.

وصف الكيميائي الهولندي جيراردوس يوهانس مولدر البروتينات لأول مرة وسماها الكيميائي السويدي يونس جاكوب برزيليوس في عام 1838. [2] [3] أجرى مولدر تحليلًا أوليًا للبروتينات الشائعة ووجد أن جميع البروتينات تقريبًا لها نفس الصيغة التجريبية ، C400ح620ن100ا120ص1س1. [4] توصل إلى نتيجة خاطئة مفادها أنها قد تتكون من نوع واحد من الجزيئات (الكبيرة جدًا). تم اقتراح مصطلح "بروتين" لوصف هذه الجزيئات بواسطة بروتين Berzelius المرتبط بمولدر مشتق من الكلمة اليونانية πρώτειος (البروتينات) ، وتعني "أساسي" ، [5] "في المقدمة" ، أو "الوقوف في المقدمة" ، [6] + -في. واصل مولدر تحديد منتجات تحلل البروتين مثل الحمض الأميني ليسين الذي وجد وزنًا جزيئيًا (صحيحًا تقريبًا) يبلغ 131 دا. [4] قبل "البروتين" ، تم استخدام أسماء أخرى ، مثل "الألبومين" أو "المواد الزلالية" (Eiweisskörper، في المانيا). [7]

يعتقد علماء التغذية الأوائل مثل الألماني كارل فون فويت أن البروتين هو أهم عنصر غذائي للحفاظ على بنية الجسم ، لأنه كان يُعتقد عمومًا أن "اللحم يصنع اللحم". [8] قام Karl Heinrich Ritthausen بتمديد أشكال البروتين المعروفة بتحديد حمض الجلوتاميك. في محطة التجارب الزراعية في ولاية كونيتيكت ، قام توماس بور أوزبورن بتجميع مراجعة مفصلة للبروتينات النباتية. من خلال العمل مع Lafayette Mendel وتطبيق قانون Liebig للحد الأدنى في تغذية فئران المختبر ، تم إنشاء الأحماض الأمينية الأساسية من الناحية التغذوية. استمر العمل ونقله ويليام كومينغ روز. جاء فهم البروتينات على أنها بولي ببتيدات من خلال عمل فرانز هوفمايستر وهيرمان إميل فيشر في عام 1902. [9] [10] لم يتم تقدير الدور المركزي للبروتينات كإنزيمات في الكائنات الحية بشكل كامل حتى عام 1926 ، عندما أظهر جيمس ب. كان إنزيم اليورياز في الواقع بروتينًا. [11]

أدت صعوبة تنقية البروتينات بكميات كبيرة إلى صعوبة دراستها على علماء الكيمياء الحيوية البروتينيين الأوائل. ومن ثم ، ركزت الدراسات المبكرة على البروتينات التي يمكن تنقيتها بكميات كبيرة ، على سبيل المثال ، الدم ، بياض البيض ، السموم المختلفة ، والإنزيمات الهضمية / الأيضية التي تم الحصول عليها من المسالخ. في الخمسينيات من القرن الماضي ، قامت شركة Armor Hot Dog بتنقية 1 كجم من ريبونوكلياز البنكرياس البقري النقي A وجعلته متاحًا مجانًا للعلماء ، ساعدت هذه الإيماءة في أن يصبح الريبونوكلياز A هدفًا رئيسيًا للدراسة الكيميائية الحيوية للعقود التالية. [4]

يعود الفضل إلى لينوس بولينج في التنبؤ الناجح للبروتينات الثانوية العادية القائمة على الترابط الهيدروجين ، وهي فكرة طرحها ويليام أستبري لأول مرة في عام 1933. [12] لاحقًا عمل والتر كوزمان حول التمسخ ، [13] [14] استنادًا جزئيًا إلى السابق ساهمت الدراسات التي أجراها Kaj Linderstrøm-Lang ، [15] في فهم طي البروتين وهيكله بوساطة التفاعلات الكارهة للماء.

أول بروتين تم ترتيب تسلسله هو الأنسولين ، بواسطة فريدريك سانجر ، في عام 1949. حدد سانجر بشكل صحيح تسلسل الأحماض الأمينية للأنسولين ، وبالتالي أظهر بشكل قاطع أن البروتينات تتكون من بوليمرات خطية من الأحماض الأمينية بدلاً من سلاسل متفرعة ، أو غرويات ، أو سيكلولات. [16] حصل على جائزة نوبل لهذا الإنجاز عام 1958. [17]

كانت أول هياكل البروتين التي تم حلها هي الهيموغلوبين والميوغلوبين ، بواسطة ماكس بيروتز والسير جون كاودري كيندرو ، على التوالي ، في عام 1958. [18] [19] اعتبارًا من عام 2017 [تحديث] ، يحتوي بنك بيانات البروتين على أكثر من 126،060 بنية ذرية من البروتينات. [20] في الآونة الأخيرة ، يعد الفحص المجهري الإلكتروني للتجمعات الجزيئية الكبيرة [21] والتنبؤ بالحاسوب لبنية البروتين لنطاقات البروتين الصغيرة [22] طريقتين تقتربان من الدقة الذرية.

يتوافق عدد البروتينات المشفرة في الجينوم تقريبًا مع عدد الجينات (على الرغم من أنه قد يكون هناك عدد كبير من الجينات التي تكوّد RNA للبروتين ، مثل RNAs الريبوزومية). عادةً ما تقوم الفيروسات بترميز بضع مئات إلى بضع مئات من البروتينات والعتائق والبكتيريا من بضع مئات إلى بضعة آلاف ، بينما تقوم حقيقيات النوى عادةً بترميز بضعة آلاف إلى عشرات الآلاف من البروتينات (انظر حجم الجينوم للحصول على قائمة من الأمثلة).

تتكون معظم البروتينات من بوليمرات خطية مبنية من سلسلة تصل إلى 20 نوعًا مختلفًا إل-α- أحماض أمينية. تمتلك جميع الأحماض الأمينية البروتينية سمات هيكلية مشتركة ، بما في ذلك الكربون ألفا الذي ترتبط به مجموعة أمينية ومجموعة كربوكسيل وسلسلة جانبية متغيرة. يختلف البرولين فقط عن هذا الهيكل الأساسي لأنه يحتوي على حلقة غير عادية لمجموعة N-end amine ، والتي تفرض مجموعة CO-NH amide على شكل ثابت. [23] تحتوي السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية القياسية ، المفصلة في قائمة الأحماض الأمينية القياسية ، على مجموعة كبيرة ومتنوعة من الهياكل والخصائص الكيميائية ، فهي عبارة عن التأثير المشترك لجميع السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية في البروتين الذي يحدد في النهاية هيكل ثلاثي الأبعاد وتفاعله الكيميائي. [24] الأحماض الأمينية في سلسلة البولي ببتيد مرتبطة بروابط ببتيدية. بمجرد ربطه في سلسلة البروتين ، يسمى الحمض الأميني الفردي أ بقايا، وتعرف السلسلة المرتبطة من ذرات الكربون والنيتروجين والأكسجين باسم السلسلة الرئيسية أو العمود الفقري للبروتين. [25] : 19

تحتوي رابطة الببتيد على شكلين رنين يساهمان في بعض سمات الرابطة المزدوجة ويمنعان الدوران حول محوره ، بحيث تكون كربونات ألفا متحد المستوى تقريبًا. تحدد الزاويتان الأخريان ثنائية الأضلاع في رابطة الببتيد الشكل المحلي الذي يفترضه العمود الفقري للبروتين. [25]: 31 تُعرف النهاية بالمجموعة الأمينية الحرة باسم الطرف N أو الطرف الأميني ، في حين تُعرف نهاية البروتين الذي يحتوي على مجموعة الكربوكسيل الحرة باسم الطرف C أو الطرف الكربوكسي (تسلسل البروتين مكتوب من N-terminus إلى C-terminus ، من اليسار إلى اليمين).

الكلمات بروتين, بولي ببتيد ، و الببتيد غامضة بعض الشيء ويمكن أن تتداخل في المعنى. بروتين يستخدم بشكل عام للإشارة إلى الجزيء البيولوجي الكامل في شكل مستقر ، بينما الببتيد بشكل عام محجوز لأوليجومرات الأحماض الأمينية القصيرة التي تفتقر غالبًا إلى بنية ثلاثية الأبعاد مستقرة. لكن الحد الفاصل بين الاثنين غير محدد جيدًا وعادة ما يقع بالقرب من 20-30 وحدة بنائية. [26] بولي ببتيد يمكن أن يشير إلى أي سلسلة خطية مفردة من الأحماض الأمينية ، عادة بغض النظر عن الطول ، ولكن غالبًا ما يشير إلى عدم وجود تشكل محدد.

التفاعلات

وفرة في الخلايا

تشير التقديرات إلى أن البكتيريا متوسطة الحجم تحتوي على حوالي 2 مليون بروتين لكل خلية (على سبيل المثال بكتريا قولونية و المكورات العنقودية الذهبية). أصغر البكتيريا ، مثل الميكوبلازما أو اللولبيات تحتوي على عدد أقل من الجزيئات ، بترتيب من 50000 إلى 1 مليون. على النقيض من ذلك ، تكون الخلايا حقيقية النواة أكبر وبالتالي تحتوي على بروتين أكثر بكثير. على سبيل المثال ، تم تقدير أن خلايا الخميرة تحتوي على حوالي 50 مليون بروتين وخلايا بشرية في حدود 1 إلى 3 مليارات. [30] يتراوح تركيز نسخ البروتين الفردية من بضع جزيئات لكل خلية حتى 20 مليونًا. [31] لا يتم التعبير عن كل البروتينات المكوِّدة للجينات في معظم الخلايا ويعتمد عددها على ، على سبيل المثال ، نوع الخلية والمنبهات الخارجية. على سبيل المثال ، من بين 20000 أو نحو ذلك من البروتينات المشفرة بواسطة الجينوم البشري ، تم اكتشاف 6000 فقط في الخلايا الليمفاوية. [32]

التخليق الحيوي

يتم تجميع البروتينات من الأحماض الأمينية باستخدام المعلومات المشفرة في الجينات. يحتوي كل بروتين على تسلسل الأحماض الأمينية الفريد الخاص به والذي يتم تحديده بواسطة تسلسل النوكليوتيدات للجين الذي يشفر هذا البروتين. الكود الجيني عبارة عن مجموعة من ثلاث مجموعات من النوكليوتيدات تسمى الكودونات وكل مجموعة مكونة من ثلاثة نيوكليوتيدات تعين حمضًا أمينيًا ، على سبيل المثال AUG (الأدينين - اليوراسيل - الجوانين) هو رمز الميثيونين. نظرًا لأن الحمض النووي يحتوي على أربعة نيوكليوتيدات ، فإن العدد الإجمالي للكودونات الممكنة هو 64 وبالتالي ، هناك بعض التكرار في الشفرة الوراثية ، مع تحديد بعض الأحماض الأمينية بأكثر من كودون واحد. [29]: 1002-42 الجينات المشفرة في الحمض النووي يتم نسخها أولاً إلى الحمض النووي الريبي قبل رسول (مرنا) بواسطة بروتينات مثل بوليميراز الحمض النووي الريبي. ثم تقوم معظم الكائنات الحية بمعالجة pre-mRNA (المعروف أيضًا باسم a نسخة الابتدائية) باستخدام أشكال مختلفة من التعديل اللاحق للنسخ لتشكيل mRNA الناضج ، والذي يستخدم بعد ذلك كقالب لتخليق البروتين بواسطة الريبوسوم. في بدائيات النوى ، يمكن استخدام الرنا المرسال بمجرد إنتاجه ، أو ربطه بالريبوسوم بعد الابتعاد عن النواة. على النقيض من ذلك ، فإن حقيقيات النوى تصنع mRNA في نواة الخلية ثم تنقلها عبر الغشاء النووي إلى السيتوبلازم ، حيث يتم بعد ذلك تخليق البروتين. معدل تخليق البروتين أعلى في بدائيات النوى من حقيقيات النوى ويمكن أن يصل إلى 20 من الأحماض الأمينية في الثانية. [33]

تُعرف عملية تصنيع البروتين من قالب mRNA باسم الترجمة. يتم تحميل mRNA على الريبوسوم ويتم قراءة ثلاثة نيوكليوتيدات في وقت واحد عن طريق مطابقة كل كودون مع مضاد الكودون الأساسي الموجود على جزيء نقل الحمض النووي الريبي ، والذي يحمل الحمض الأميني المقابل للكودون الذي يتعرف عليه. إنزيم إنزيم aminoacyl tRNA synthetase "يشحن" جزيئات tRNA بالأحماض الأمينية الصحيحة. غالبًا ما يُطلق على عديد الببتيد المتنامي اسم سلسلة وليدة. يتم تصنيع البروتينات دائمًا حيوياً من N-terminus إلى C.-terminus. [29]: 1002-42

يمكن قياس حجم البروتين المُصنَّع بعدد الأحماض الأمينية التي يحتوي عليها وبكتلته الجزيئية الإجمالية ، والتي يتم الإبلاغ عنها عادةً بوحدات من دالتونس (مرادف لوحدات الكتلة الذرية) ، أو الوحدة المشتقة kilodalton (kDa). يزداد متوسط ​​حجم البروتين من العتائق إلى البكتيريا إلى حقيقيات النوى (283 ، 311 ، 438 من البقايا و 31 ، 34 ، 49 كيلو دالتون على التوالي) بسبب وجود عدد أكبر من مجالات البروتين التي تشكل بروتينات في الكائنات الحية الأعلى. [34] على سبيل المثال ، تتكون بروتينات الخميرة في المتوسط ​​من 466 من الأحماض الأمينية و 53 كيلو دالتون في الكتلة. [26] أكبر البروتينات المعروفة هي titins ، وهي مكون من قسيم عضلي عضلي ، بكتلة جزيئية تقارب 3000 كيلو دالتون وبطول إجمالي يبلغ حوالي 27000 من الأحماض الأمينية. [35]

التوليف الكيميائي

يمكن أيضًا تصنيع البروتينات القصيرة كيميائيًا من خلال مجموعة من الطرق المعروفة باسم تخليق الببتيد ، والتي تعتمد على تقنيات التخليق العضوي مثل الربط الكيميائي لإنتاج الببتيدات ذات الإنتاجية العالية. [36] يسمح التركيب الكيميائي بإدخال الأحماض الأمينية غير الطبيعية في سلاسل متعددة الببتيد ، مثل ربط مجسات الفلورسنت بسلاسل جانبية من الأحماض الأمينية. [37] هذه الطرق مفيدة في الكيمياء الحيوية المختبرية وبيولوجيا الخلية ، على الرغم من أنها ليست بشكل عام للتطبيقات التجارية. التخليق الكيميائي غير فعال للببتيدات الأطول من حوالي 300 من الأحماض الأمينية ، والبروتينات المصنعة قد لا تفترض بسهولة هيكلها الثلاثي الأصلي. تنتقل معظم طرق التخليق الكيميائي من C-terminus إلى N-terminus ، عكس التفاعل البيولوجي. [38]

تنثني معظم البروتينات في هياكل ثلاثية الأبعاد فريدة. يُعرف الشكل الذي ينثني إليه البروتين بشكل طبيعي بتشكيله الأصلي. [25]: 36 على الرغم من أن العديد من البروتينات يمكن أن تطوى دون مساعدة ، وذلك ببساطة من خلال الخصائص الكيميائية لأحماضها الأمينية ، يحتاج البعض الآخر إلى مساعدة المرافقات الجزيئية للانطواء في حالتها الأصلية. [25]: 37 غالبًا ما يشير علماء الكيمياء الحيوية إلى أربعة جوانب مميزة لبنية البروتين: [25]: 30–34

  • الهيكل الأساسي: تسلسل الأحماض الأمينية. البروتين هو مادة البولي أميد.
  • الهيكل الثانوي: يتكرر بانتظام الهياكل المحلية التي استقرت بواسطة روابط هيدروجينية. الأمثلة الأكثر شيوعًا هي α-helix و-sheet والانعطافات. نظرًا لأن الهياكل الثانوية محلية ، يمكن أن توجد العديد من المناطق ذات البنية الثانوية المختلفة في نفس جزيء البروتين.
  • الهيكل الثالث: الشكل العام لجزيء بروتين واحد العلاقة المكانية للبنى الثانوية بعضها ببعض. يتم تثبيت البنية الثلاثية بشكل عام من خلال التفاعلات غير المحلية ، وغالبًا ما تكون تكوين نواة كارهة للماء ، ولكن أيضًا من خلال جسور الملح ، والروابط الهيدروجينية ، وسندات ثاني كبريتيد ، وحتى التعديلات اللاحقة للترجمة. غالبًا ما يستخدم مصطلح "البنية الثلاثية" كمرادف للمصطلح يطوى. البنية الثلاثية هي التي تتحكم في الوظيفة الأساسية للبروتين.
  • هيكل رباعي: التركيب الذي يتكون من عدة جزيئات بروتينية (سلاسل متعددة الببتيد) ، تسمى عادة وحدات البروتين الفرعية في هذا السياق ، والتي تعمل كمركب بروتين واحد.
  • هيكل خماسي: بصمات سطح البروتين التي تنظم الجزء الداخلي الخلوي المزدحم. تعتمد البنية الخماسية على التفاعلات الجزيئية العابرة ، ولكنها أساسية ، التي تحدث داخل الخلايا الحية.

البروتينات ليست جزيئات جامدة تمامًا. بالإضافة إلى هذه المستويات من البنية ، قد تنتقل البروتينات بين العديد من الهياكل ذات الصلة أثناء قيامها بوظائفها. في سياق إعادة الترتيب الوظيفي هذه ، يُشار عادةً إلى هذه الهياكل من الدرجة الثالثة أو الرباعية باسم "المطابقات" ، وتسمى التحولات بينها التغييرات التوافقية. غالبًا ما تحدث هذه التغييرات عن طريق ارتباط جزيء الركيزة بالموقع النشط للإنزيم ، أو المنطقة الفيزيائية للبروتين الذي يشارك في التحفيز الكيميائي.في بروتينات المحلول تخضع أيضًا للاختلاف في الهيكل من خلال الاهتزاز الحراري والاصطدام مع الجزيئات الأخرى. [29]: 368 - 75

يمكن تقسيم البروتينات بشكل غير رسمي إلى ثلاث فئات رئيسية ترتبط بالبنى الثلاثية النموذجية: البروتينات الكروية والبروتينات الليفية والبروتينات الغشائية. تقريبًا جميع البروتينات الكروية قابلة للذوبان والعديد منها عبارة عن إنزيمات. غالبًا ما تكون البروتينات الليفية هيكلية ، مثل الكولاجين ، المكون الرئيسي للنسيج الضام ، أو الكيراتين ، وهو مكون البروتين في الشعر والأظافر. غالبًا ما تعمل بروتينات الغشاء كمستقبلات أو توفر قنوات للجزيئات القطبية أو المشحونة للمرور عبر غشاء الخلية. [29]: 165-85

هناك حالة خاصة من الروابط الهيدروجينية داخل الجزيئية داخل البروتينات ، والتي تكون محمية بشكل سيئ من هجوم الماء وبالتالي تعزيز الجفاف ، تسمى الديهدرونات. [39]

مجالات البروتين

تتكون العديد من البروتينات من عدة مجالات بروتينية ، أي أجزاء من البروتين يتم طيها إلى وحدات هيكلية متميزة. عادةً ما يكون للمجالات أيضًا وظائف محددة ، مثل الأنشطة الأنزيمية (مثل كيناز) أو تعمل كوحدات ربط (على سبيل المثال ، يرتبط مجال SH3 بالتسلسلات الغنية بالبرولين في البروتينات الأخرى).

عزر التسلسل

غالبًا ما تعمل سلاسل الأحماض الأمينية القصيرة داخل البروتينات كمواقع للتعرف على البروتينات الأخرى. [40] على سبيل المثال ، ترتبط نطاقات SH3 عادةً بزخارف PxxP القصيرة (أي 2 برولينات [P] ، مفصولة بحمضين أمنيين غير محددين [x] ، على الرغم من أن الأحماض الأمينية المحيطة قد تحدد خصوصية الربط الدقيقة). تم جمع العديد من هذه الأشكال في قاعدة بيانات النمط الخطي حقيقيات النوى (ELM).

البروتينات هي الجهات الفاعلة الرئيسية داخل الخلية ، ويقال أنها تقوم بالواجبات المحددة بواسطة المعلومات المشفرة في الجينات. [26] باستثناء أنواع معينة من الحمض النووي الريبي ، فإن معظم الجزيئات البيولوجية الأخرى هي عناصر خاملة نسبيًا تعمل عليها البروتينات. البروتينات تشكل نصف الوزن الجاف من الإشريكية القولونية خلية ، بينما تشكل الجزيئات الكبيرة الأخرى مثل DNA و RNA 3٪ و 20٪ فقط على التوالي. [41] تُعرف مجموعة البروتينات المعبر عنها في خلية أو نوع خلية معين بالبروتيوم الخاص بها.

السمة الرئيسية للبروتينات التي تسمح أيضًا بمجموعة وظائفها المتنوعة هي قدرتها على ربط الجزيئات الأخرى بشكل محدد ومحكم. تُعرف منطقة البروتين المسؤولة عن الارتباط بجزيء آخر بموقع الارتباط وغالبًا ما تكون عبارة عن انخفاض أو "جيب" على السطح الجزيئي. يتم التوسط في قدرة الارتباط هذه من خلال البنية الثلاثية للبروتين ، والتي تحدد جيب موقع الربط ، والخصائص الكيميائية للسلاسل الجانبية للأحماض الأمينية المحيطة. يمكن أن يكون الارتباط بالبروتين محكمًا ومحددًا بشكل غير عادي ، على سبيل المثال ، يرتبط بروتين مثبط الريبونوكلياز بأنجيوجينين الإنسان مع ثابت تفكك شبه فيمتومولار (& lt10 15 M) ولكنه لا يرتبط على الإطلاق بمثيلاته البرمائية المتجانسة (& gt1 M). يمكن أن تكفي التغييرات الكيميائية البسيطة للغاية مثل إضافة مجموعة ميثيل واحدة إلى شريك ملزم في بعض الأحيان لإزالة الارتباط تقريبًا على سبيل المثال ، يميز مركب aminoacyl tRNA synthetase الخاص بالحمض الأميني valine ضد السلسلة الجانبية المتشابهة جدًا من الأحماض الأمينية isoleucine. [42]

يمكن أن ترتبط البروتينات ببروتينات أخرى بالإضافة إلى ركائز الجزيئات الصغيرة. عندما ترتبط البروتينات على وجه التحديد بنسخ أخرى من نفس الجزيء ، فإنها يمكن أن تتكاثر لتشكيل ألياف. تحدث هذه العملية غالبًا في البروتينات الهيكلية التي تتكون من مونومرات كروية ترتبط ذاتيًا لتكوين ألياف صلبة. تعمل تفاعلات البروتين والبروتين أيضًا على تنظيم النشاط الإنزيمي ، والتحكم في التقدم خلال دورة الخلية ، وتسمح بتجميع مجمعات البروتين الكبيرة التي تنفذ العديد من التفاعلات وثيقة الصلة بوظيفة بيولوجية مشتركة. يمكن أن ترتبط البروتينات أيضًا بأغشية الخلايا أو حتى تتكامل معها. تسمح قدرة شركاء الربط على إحداث تغييرات توافقية في البروتينات ببناء شبكات إشارات معقدة للغاية. [29]: 830-49 نظرًا لأن التفاعلات بين البروتينات قابلة للانعكاس ، وتعتمد بشكل كبير على توفر مجموعات مختلفة من البروتينات الشريكة لتكوين مجاميع قادرة على تنفيذ مجموعات منفصلة من الوظائف ، فإن دراسة التفاعلات بين بروتينات معينة هي المفتاح لفهم الجوانب المهمة للوظيفة الخلوية ، وفي النهاية الخصائص التي تميز أنواع خلايا معينة. [43] [44]

الانزيمات

أشهر دور للبروتينات في الخلية هو دور الإنزيمات التي تحفز التفاعلات الكيميائية. عادة ما تكون الإنزيمات شديدة التحديد وتسريع تفاعلات كيميائية واحدة أو عدة تفاعلات كيميائية. تقوم الإنزيمات بتنفيذ معظم التفاعلات التي تدخل في عملية التمثيل الغذائي ، بالإضافة إلى معالجة الحمض النووي في عمليات مثل تكرار الحمض النووي وإصلاح الحمض النووي والنسخ. تعمل بعض الإنزيمات على بروتينات أخرى لإضافة أو إزالة مجموعات كيميائية في عملية تعرف باسم تعديل ما بعد الترجمة. من المعروف أن حوالي 4000 تفاعل يتم تحفيزها بواسطة الإنزيمات. [45] تسارع المعدل الذي يمنحه التحفيز الإنزيمي غالبًا ما يكون هائلاً - بقدر 10 17 ضعفًا في المعدل على التفاعل غير المحفز في حالة orotate decarboxylase (78 مليون سنة بدون الإنزيم ، 18 مللي ثانية مع الإنزيم). [46]

تسمى الجزيئات المرتبطة بالأنزيمات والتي تعمل على أساسها الركائز. على الرغم من أن الإنزيمات يمكن أن تتكون من مئات الأحماض الأمينية ، إلا أنها عادة ما تكون جزءًا صغيرًا فقط من البقايا التي تتلامس مع الركيزة ، وجزءًا أصغر - من ثلاثة إلى أربعة بقايا في المتوسط ​​- تشارك بشكل مباشر في التحفيز. [47] تُعرف منطقة الإنزيم التي تربط الركيزة وتحتوي على المخلفات التحفيزية بالموقع النشط.

البروتينات المنشطة هي أعضاء في فئة البروتينات التي تملي الكيمياء الفراغية لمركب يتم تصنيعه بواسطة إنزيمات أخرى. [48]

إشارات الخلية وربط الترابط

تشارك العديد من البروتينات في عملية إرسال الإشارات الخلوية ونقل الإشارة. بعض البروتينات ، مثل الأنسولين ، هي بروتينات خارج الخلية تنقل إشارة من الخلية التي تم تصنيعها فيها إلى خلايا أخرى في الأنسجة البعيدة. والبعض الآخر عبارة عن بروتينات غشائية تعمل كمستقبلات وظيفتها الرئيسية ربط جزيء الإشارة وتحفيز استجابة كيميائية حيوية في الخلية. تحتوي العديد من المستقبلات على موقع ارتباط مكشوف على سطح الخلية ومجال المستجيب داخل الخلية ، والذي قد يكون له نشاط إنزيمي أو قد يخضع لتغيير توافقي تم اكتشافه بواسطة بروتينات أخرى داخل الخلية. [28]: 251-81

الأجسام المضادة هي مكونات بروتينية لجهاز المناعة التكيفي وظيفته الرئيسية هي ربط المستضدات ، أو المواد الغريبة في الجسم ، واستهدافها للتدمير. يمكن إفراز الأجسام المضادة في البيئة خارج الخلية أو تثبيتها في أغشية الخلايا البائية المتخصصة المعروفة باسم خلايا البلازما. في حين أن الإنزيمات محدودة في ألفة ارتباطها بركائزها من خلال ضرورة إجراء تفاعلها ، فإن الأجسام المضادة ليس لها مثل هذه القيود. تقارب ارتباط الجسم المضاد بهدفه مرتفع بشكل غير عادي. [29]: 275-50

ترتبط العديد من بروتينات نقل الترابط بجزيئات حيوية صغيرة معينة وتنقلها إلى مواقع أخرى في جسم كائن متعدد الخلايا. يجب أن يكون لهذه البروتينات ألفة ارتباط عالية عندما يكون ترابطها موجودًا بتركيزات عالية ، ولكن يجب أيضًا أن يطلق الليجند عندما يكون موجودًا بتركيزات منخفضة في الأنسجة المستهدفة. يعتبر الهيموجلوبين هو المثال القانوني لبروتين رابط ليجند ، والذي ينقل الأكسجين من الرئتين إلى الأعضاء والأنسجة الأخرى في جميع الفقاريات وله متماثلات قريبة في كل مملكة بيولوجية. [29]: 222-29 Lectins هي بروتينات مرتبطة بالسكر وهي عالية التحديد لشرائح السكر الخاصة بها. عادةً ما تلعب الليكتينات دورًا في ظواهر التعرف البيولوجي التي تشمل الخلايا والبروتينات. [49] المستقبلات والهرمونات عبارة عن بروتينات ملزمة عالية التحديد.

يمكن أن تعمل البروتينات عبر الغشاء أيضًا كبروتينات نقل الترابط التي تغير نفاذية غشاء الخلية إلى الجزيئات والأيونات الصغيرة. يحتوي الغشاء وحده على نواة كارهة للماء لا يمكن للجزيئات القطبية أو المشحونة أن تنتشر من خلالها. تحتوي بروتينات الغشاء على قنوات داخلية تسمح لهذه الجزيئات بالدخول والخروج من الخلية. العديد من بروتينات القنوات الأيونية متخصصة في اختيار أيون معين فقط على سبيل المثال ، غالبًا ما تميز قنوات البوتاسيوم والصوديوم لواحد فقط من الأيونات. [28]: 232–34

البروتينات الهيكلية

تمنح البروتينات الهيكلية الصلابة والصلابة للمكونات البيولوجية السائلة. معظم البروتينات الهيكلية عبارة عن بروتينات ليفية على سبيل المثال ، يعتبر الكولاجين والإيلاستين من المكونات الأساسية للنسيج الضام مثل الغضروف ، ويوجد الكيراتين في الهياكل الصلبة أو الخيطية مثل الشعر والأظافر والريش والحوافر وبعض أصداف الحيوانات. [29]: 178-81 يمكن لبعض البروتينات الكروية أيضًا أن تلعب وظائف هيكلية ، على سبيل المثال ، الأكتين والتوبيولين كرويان وقابلان للذوبان كمونومرات ، ولكنها تتبلمر لتشكيل ألياف طويلة وصلبة تشكل الهيكل الخلوي ، مما يسمح للخلية بالحفاظ الشكل والحجم.

البروتينات الأخرى التي تؤدي وظائف هيكلية هي البروتينات الحركية مثل الميوسين ، والكينيسين ، والداينين ​​، القادرة على توليد قوى ميكانيكية. هذه البروتينات ضرورية للحركة الخلوية للكائنات وحيدة الخلية وللحيوانات المنوية للعديد من الكائنات متعددة الخلايا التي تتكاثر جنسيا. كما أنها تولد القوى التي تمارس من خلال انقباض العضلات [29]: 258-64 ، 272 وتلعب أدوارًا أساسية في النقل داخل الخلايا.

السؤال الرئيسي في علم الأحياء الجزيئي هو كيف تتطور البروتينات ، أي كيف يمكن للطفرات (أو بالأحرى التغييرات في تسلسل الأحماض الأمينية) أن تؤدي إلى بنى ووظائف جديدة؟ يمكن تغيير معظم الأحماض الأمينية في البروتين دون تعطيل النشاط أو الوظيفة ، كما يتضح من العديد من البروتينات المتماثلة عبر الأنواع (كما تم جمعها في قواعد البيانات المتخصصة لعائلات البروتين ، على سبيل المثال PFAM). [50] من أجل منع العواقب الدراماتيكية للطفرات ، يمكن تكرار الجين قبل أن يتحور بحرية. ومع ذلك ، يمكن أن يؤدي هذا أيضًا إلى فقدان كامل لوظيفة الجينات وبالتالي الجينات الزائفة. [51] والأكثر شيوعًا ، أن تغيرات الأحماض الأمينية المنفردة لها عواقب محدودة على الرغم من أن بعضها يمكن أن يغير وظيفة البروتين بشكل كبير ، خاصة في الإنزيمات. على سبيل المثال ، يمكن للعديد من الإنزيمات تغيير خصوصية ركائزها من خلال طفرة واحدة أو بضع طفرات. [52] يتم تسهيل التغييرات في خصوصية الركيزة بواسطة الاختلاط الركيزة، أي قدرة العديد من الإنزيمات على ربط ومعالجة ركائز متعددة. عندما تحدث الطفرات ، يمكن أن تزيد خصوصية الإنزيم (أو تنقص) وبالتالي نشاطه الأنزيمي. [52] وبالتالي ، يمكن للبكتيريا (أو الكائنات الحية الأخرى) التكيف مع مصادر الغذاء المختلفة ، بما في ذلك الركائز غير الطبيعية مثل البلاستيك. [53]

يمكن فحص أنشطة وهياكل البروتينات في المختبر، في الجسم الحي وفي السيليكو. في المختبر تُعد دراسات البروتينات المنقاة في البيئات الخاضعة للرقابة مفيدة لتعلم كيفية قيام البروتين بوظيفته: على سبيل المثال ، تستكشف دراسات حركية الإنزيم الآلية الكيميائية للنشاط التحفيزي للإنزيم وتقاربه النسبي للعديد من جزيئات الركيزة الممكنة. على نقيض ذلك، في الجسم الحي يمكن أن توفر التجارب معلومات حول الدور الفسيولوجي للبروتين في سياق الخلية أو حتى كائن حي كامل. في السيليكو تستخدم الدراسات طرقًا حسابية لدراسة البروتينات.

تنقية البروتين

كي يؤدي في المختبر في التحليل ، يجب تنقية البروتين بعيدًا عن المكونات الخلوية الأخرى. تبدأ هذه العملية عادةً بتحلل الخلية ، حيث يتم تعطيل غشاء الخلية وإطلاق محتوياتها الداخلية في محلول يُعرف باسم محلول خام. يمكن تنقية الخليط الناتج باستخدام تنبيذ فائق ، والذي يقسم المكونات الخلوية المختلفة إلى أجزاء تحتوي على دهون غشاء بروتينات قابلة للذوبان وبروتينات عضيات خلوية وأحماض نووية. يمكن أن يؤدي الترسيب بطريقة تُعرف باسم التمليح إلى تركيز البروتينات من هذا المحلّل. ثم يتم استخدام أنواع مختلفة من الكروماتوغرافيا لعزل البروتين أو البروتينات ذات الأهمية بناءً على خصائص مثل الوزن الجزيئي والشحنة الصافية وتقارب الارتباط. [25]: 21-24 يمكن مراقبة مستوى التنقية باستخدام أنواع مختلفة من الرحلان الكهربائي للهلام إذا كان الوزن الجزيئي للبروتين المطلوب ونقطة تساوي الكهرباء معروفة ، عن طريق التحليل الطيفي إذا كان للبروتين ميزات طيفية مميزة ، أو عن طريق فحوصات الإنزيم إذا كان البروتين يحتوي على النشاط الأنزيمي. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن عزل البروتينات وفقًا لشحنتها باستخدام التركيز الكهربائي. [54]

بالنسبة للبروتينات الطبيعية ، قد تكون سلسلة من خطوات التنقية ضرورية للحصول على بروتين نقي بدرجة كافية للتطبيقات المعملية. لتبسيط هذه العملية ، غالبًا ما تُستخدم الهندسة الوراثية لإضافة سمات كيميائية للبروتينات تسهل تنقيتها دون التأثير على بنيتها أو نشاطها. هنا ، "علامة" تتكون من تسلسل حمض أميني محدد ، غالبًا سلسلة من بقايا الهيستيدين ("علامة صاحب") ، متصلة بنهاية واحدة من البروتين. نتيجة لذلك ، عندما يتم تمرير المحللة فوق عمود كروماتوجرافي يحتوي على النيكل ، فإن بقايا الهيستيدين تربط النيكل وتلتصق بالعمود بينما تمر المكونات غير الموسومة من المحللة دون عوائق. تم تطوير عدد من العلامات المختلفة لمساعدة الباحثين على تنقية بروتينات معينة من الخلائط المعقدة. [55]

التوطين الخلوي

دراسة البروتينات في الجسم الحي غالبًا ما يهتم بتخليق وتوطين البروتين داخل الخلية. على الرغم من أن العديد من البروتينات داخل الخلايا يتم تصنيعها في السيتوبلازم والبروتينات المرتبطة بالغشاء أو المفرزة في الشبكة الإندوبلازمية ، إلا أن تفاصيل كيفية استهداف البروتينات لعضيات معينة أو هياكل خلوية غالبًا ما تكون غير واضحة. تستخدم تقنية مفيدة لتقييم التوطين الخلوي الهندسة الوراثية للتعبير في الخلية عن بروتين اندماج أو كيميرا يتكون من البروتين الطبيعي ذي الأهمية المرتبط بـ "المراسل" مثل البروتين الفلوري الأخضر (GFP). [56] يمكن تصور موضع البروتين المندمج داخل الخلية بطريقة نظيفة وفعالة باستخدام الفحص المجهري ، [57] كما هو موضح في الشكل المقابل.

تتطلب الطرق الأخرى لتوضيح الموقع الخلوي للبروتينات استخدام علامات جزئية معروفة لمناطق مثل ER ، و Golgi ، و lysosomes أو فجوات ، والميتوكوندريا ، والبلاستيدات الخضراء ، وغشاء البلازما ، وما إلى ذلك باستخدام الإصدارات ذات العلامات الفلورية من هذه العلامات أو من الأجسام المضادة للواسمات المعروفة ، يصبح من الأسهل بكثير تحديد توطين البروتين محل الاهتمام. على سبيل المثال ، سوف يسمح التألق المناعي غير المباشر بالتلوين الفلوري وإظهار الموقع. تستخدم الأصباغ الفلورية لتسمية الأجزاء الخلوية لغرض مماثل. [58]

هناك احتمالات أخرى كذلك. على سبيل المثال ، عادةً ما تستخدم الكيمياء الهيستولوجية المناعية جسمًا مضادًا لبروتين واحد أو أكثر من البروتينات المهمة المرتبطة بالإنزيمات التي تنتج إشارات إنارة أو كروموجينية يمكن مقارنتها بين العينات ، مما يسمح بمعلومات التوطين. طريقة أخرى قابلة للتطبيق هي التجزيء المشترك في تدرجات السكروز (أو مواد أخرى) باستخدام الطرد المركزي isopycnic. [59] في حين أن هذه التقنية لا تثبت تحديد موقع كولونيزيون لمقصورة ذات كثافة معروفة والبروتين محل الاهتمام ، إلا أنها تزيد من احتمالية حدوث ذلك ، وهي أكثر قابلية للدراسات واسعة النطاق.

أخيرًا ، الطريقة القياسية الذهبية للتوطين الخلوي هي الفحص المجهري الإلكتروني المناعي. تستخدم هذه التقنية أيضًا جسمًا مضادًا للبروتين محل الاهتمام ، جنبًا إلى جنب مع تقنيات الفحص المجهري الإلكتروني التقليدية. يتم تحضير العينة للفحص المجهري الإلكتروني العادي ، ثم يتم معالجتها بجسم مضاد للبروتين ذي الأهمية المترافق مع مادة شديدة الكثافة الكهربية ، عادةً ما تكون ذهبية. هذا يسمح بتحديد موقع كل من تفاصيل البنية التحتية بالإضافة إلى البروتين المطلوب. [60]

من خلال تطبيق هندسة جينية آخر يُعرف باسم الطفرات الموجهة بالموقع ، يمكن للباحثين تغيير تسلسل البروتين ومن ثم هيكله وتوطينه الخلوي وقابليته للتنظيم. تسمح هذه التقنية حتى بدمج الأحماض الأمينية غير الطبيعية في البروتينات ، باستخدام الحمض الريبي النووي النقال المعدل ، [61] وقد تسمح بالتصميم العقلاني لبروتينات جديدة بخصائص جديدة. [62]

البروتيوميات

يُعرف التكملة الكلية للبروتينات الموجودة في وقت ما في خلية أو نوع خلية باسم البروتين الخاص بها ، وتحدد دراسة مجموعات البيانات واسعة النطاق هذه مجال البروتينات ، المسمى بالقياس إلى مجال علم الجينوم ذي الصلة. تشتمل التقنيات التجريبية الرئيسية في علم البروتينات على الرحلان الكهربائي ثنائي الأبعاد ، [63] والذي يسمح بفصل العديد من البروتينات ، وقياس الطيف الكتلي ، [64] والذي يسمح بالتعرف السريع عالي الإنتاجية للبروتينات وتسلسل الببتيدات (غالبًا بعد الهضم داخل الهلام) ، والبروتين المصفوفات الدقيقة ، التي تسمح باكتشاف المستويات النسبية للبروتينات المختلفة الموجودة في الخلية ، والفحص ثنائي الهجين ، والذي يسمح بالاستكشاف المنهجي لتفاعلات البروتين والبروتين. [65] يُعرف التكملة الكلية للتفاعلات المحتملة بيولوجيًا باسم التفاعل. [66] تُعرف المحاولة المنهجية لتحديد تراكيب البروتينات التي تمثل كل طية ممكنة باسم الجينوم البنيوي. [67]

تحديد الهيكل

يمكن أن يوفر اكتشاف البنية الثلاثية للبروتين ، أو الهيكل الرباعي لمجمعاته ، أدلة مهمة حول كيفية أداء البروتين لوظيفته وكيف يمكن أن يتأثر ، أي في تصميم الدواء. نظرًا لأن البروتينات صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها تحت المجهر الضوئي ، يجب استخدام طرق أخرى لتحديد بنيتها. تشمل الطرق التجريبية الشائعة علم البلورات بالأشعة السينية والتحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي ، وكلاهما يمكن أن ينتج معلومات هيكلية بدقة الذرات. ومع ذلك ، فإن تجارب الرنين المغناطيسي النووي قادرة على توفير المعلومات التي يمكن من خلالها تقدير مجموعة فرعية من المسافات بين أزواج الذرات ، ويتم تحديد المطابقات النهائية الممكنة للبروتين عن طريق حل مشكلة هندسة المسافة. قياس التداخل ثنائي الاستقطاب هو طريقة تحليلية كمية لقياس التشكل الكلي للبروتين والتغيرات المطابقة بسبب التفاعلات أو المحفزات الأخرى. إن ازدواج اللون الدائري هو تقنية معملية أخرى لتحديد التركيب الداخلي للصفائح / α- حلزوني للبروتينات. يستخدم المجهر الإلكتروني المبرد لإنتاج معلومات هيكلية منخفضة الدقة حول مجمعات البروتين الكبيرة جدًا ، بما في ذلك الفيروسات المجمعة [28]: 340-41 يمكن أيضًا أن ينتج متغير يعرف باسم علم البلورات الإلكتروني معلومات عالية الدقة في بعض الحالات ، خاصة بالنسبة للبلورات ثنائية الأبعاد من بروتينات الغشاء. [68] عادةً ما يتم ترسيب الهياكل التي تم حلها في بنك بيانات البروتين (PDB) ، وهو مورد متاح مجانًا يمكن من خلاله الحصول على بيانات هيكلية حول آلاف البروتينات في شكل إحداثيات ديكارتية لكل ذرة في البروتين. [69]

تُعرف العديد من سلاسل الجينات أكثر من تراكيب البروتين. علاوة على ذلك ، فإن مجموعة الهياكل التي تم حلها منحازة نحو البروتينات التي يمكن أن تخضع بسهولة للشروط المطلوبة في علم البلورات بالأشعة السينية ، وهي إحدى طرق تحديد البنية الرئيسية. على وجه الخصوص ، من السهل نسبيًا بلورة البروتينات الكروية استعدادًا لتصوير البلورات بالأشعة السينية.على النقيض من ذلك ، يصعب تبلور بروتينات الغشاء والمجمعات البروتينية الكبيرة ، كما أنها ممثلة تمثيلاً ناقصًا في PDB. [70] حاولت مبادرات علم الجينوم الإنشائي معالجة أوجه القصور هذه عن طريق حل الهياكل التمثيلية لفئات الطيات الرئيسية بشكل منهجي. تحاول طرق التنبؤ ببنية البروتين توفير وسيلة لتوليد بنية معقولة للبروتينات التي لم يتم تحديد هياكلها بشكل تجريبي. [71]

توقع الهيكل

مكمل لمجال الجينوميات الإنشائية ، تنبؤ بنية البروتين يطور نماذج رياضية فعالة للبروتينات للتنبؤ حسابيًا بالتكوينات الجزيئية نظريًا ، بدلاً من اكتشاف الهياكل مع الملاحظة المختبرية. [72] أكثر أنواع التنبؤ بالبنية نجاحًا ، والمعروفة باسم نمذجة التماثل ، تعتمد على وجود بنية "نموذجية" مع تشابه تسلسلي للبروتين الذي يتم تصميمه على نموذج الجينوميات الهيكلية. هدف علم الجينوم الهيكلي هو توفير تمثيل كافٍ في الهياكل التي تم حلها لنمذجة معظم تلك التي بقيت. [73] على الرغم من أن إنتاج نماذج دقيقة لا يزال يمثل تحديًا عندما تتوفر فقط هياكل القوالب ذات الصلة البعيدة ، فقد تم اقتراح أن محاذاة التسلسل هي عنق الزجاجة في هذه العملية ، حيث يمكن إنتاج نماذج دقيقة تمامًا إذا تم معرفة محاذاة التسلسل "المثالية". [74] عملت العديد من طرق التنبؤ بالبنية على إعلام المجال الناشئ لهندسة البروتين ، حيث تم بالفعل تصميم طيات بروتينية جديدة. [75] أيضا البروتينات (في حقيقيات النوى

33 ٪) تحتوي على أجزاء كبيرة غير منظمة ولكنها تعمل بيولوجيًا ويمكن تصنيفها على أنها بروتينات مضطربة جوهريًا. [76] لذلك فإن توقع وتحليل اضطراب البروتين هو جزء مهم من توصيف بنية البروتين. [77]

المعلوماتية الحيوية

تم تطوير مجموعة واسعة من الأساليب الحسابية لتحليل بنية البروتينات ووظيفتها وتطورها. كان الدافع وراء تطوير هذه الأدوات هو الكم الهائل من البيانات الجينومية والبروتينية المتاحة لمجموعة متنوعة من الكائنات الحية ، بما في ذلك الجينوم البشري. من المستحيل ببساطة دراسة جميع البروتينات بشكل تجريبي ، وبالتالي فإن القليل منها فقط يخضع للتجارب المعملية بينما يتم استخدام الأدوات الحسابية لاستقراء البروتينات المماثلة. يمكن تحديد هذه البروتينات المتماثلة بكفاءة في الكائنات الحية ذات الصلة البعيدة عن طريق المحاذاة التسلسلية. يمكن البحث في تسلسل الجينوم والجينات عن طريق مجموعة متنوعة من الأدوات لخصائص معينة. يمكن لأدوات تحديد التسلسل العثور على مواقع إنزيمات التقييد ، وإطارات القراءة المفتوحة في تسلسل النوكليوتيدات ، والتنبؤ بالبنى الثانوية. يمكن بناء أشجار علم الوراثة وتطوير الفرضيات التطورية باستخدام برامج خاصة مثل ClustalW فيما يتعلق بأصول الكائنات الحية الحديثة والجينات التي تعبر عنها. مجال المعلوماتية الحيوية الآن لا غنى عنه لتحليل الجينات والبروتينات.

في محاكاة السيليكو للعمليات الديناميكية

هناك مشكلة حسابية أكثر تعقيدًا تتمثل في التنبؤ بالتفاعلات بين الجزيئات ، مثل الالتحام الجزيئي ، [78] طي البروتين ، والتفاعل بين البروتين والبروتين والتفاعل الكيميائي. النماذج الرياضية لمحاكاة هذه العمليات الديناميكية تتضمن الميكانيكا الجزيئية ، على وجه الخصوص ، الديناميكيات الجزيئية. في هذا الصدد، في السيليكو اكتشفت عمليات المحاكاة طي نطاقات بروتين α- حلزونية صغيرة مثل غطاء الرأس ، [79] البروتين الإضافي لفيروس نقص المناعة البشرية [80] والطرق الهجينة التي تجمع بين الديناميات الجزيئية المعيارية والرياضيات الميكانيكية الكمومية استكشفت الحالات الإلكترونية للرودوبسين. [81]

إلى جانب الديناميكيات الجزيئية الكلاسيكية ، تسمح طرق ديناميكيات الكم بمحاكاة البروتينات بتفاصيل ذرية مع وصف دقيق للتأثيرات الميكانيكية الكمومية. تتضمن الأمثلة طريقة Hartree (MCTDH) متعددة الطبقات والمعتمدة على الوقت وطريقة معادلات الحركة الهرمية (HEOM) ، والتي تم تطبيقها على الكروميات المشفرة النباتية [82] ومجمعات حصاد الضوء البكتيرية ، [83] على التوالي. تعد كل من المحاكاة الميكانيكية الكمومية والكلاسيكية لأنظمة النطاق البيولوجي متطلبة للغاية من الناحية الحسابية ، لذا فإن مبادرات الحوسبة الموزعة (على سبيل المثال ، مشروع Folding @ home [84]) تسهل النمذجة الجزيئية من خلال استغلال التطورات في المعالجة المتوازية لوحدة معالجة الرسومات وتقنيات مونت كارلو.

تحليل كيميائي

يتكون محتوى النيتروجين الكلي للمادة العضوية بشكل أساسي من المجموعات الأمينية في البروتينات. مجموع نيتروجين كيلدال (TKN) هو مقياس للنيتروجين يستخدم على نطاق واسع في تحليل المياه (النفايات) والتربة والأغذية والأعلاف والمواد العضوية بشكل عام. كما يوحي الاسم ، يتم تطبيق طريقة Kjeldahl. تتوفر طرق أكثر حساسية. [85] [86]

يمكن لمعظم الكائنات الحية الدقيقة والنباتات تصنيع جميع الأحماض الأمينية القياسية العشرين بيولوجيًا ، بينما يجب على الحيوانات (بما في ذلك البشر) الحصول على بعض الأحماض الأمينية من النظام الغذائي. [41] يشار إلى الأحماض الأمينية التي لا يستطيع الكائن تصنيعها بمفرده على أنها أحماض أمينية أساسية. الإنزيمات الرئيسية التي تصنع بعض الأحماض الأمينية غير موجودة في الحيوانات - مثل الأسبارتوكيناز ، الذي يحفز الخطوة الأولى في تخليق ليسين ، ميثيونين ، وثريونين من الأسبارتات. إذا كانت الأحماض الأمينية موجودة في البيئة ، يمكن للكائنات الحية الدقيقة الحفاظ على الطاقة عن طريق تناول الأحماض الأمينية من محيطها وتقليل مسارات التخليق الحيوي الخاصة بها.

في الحيوانات ، يتم الحصول على الأحماض الأمينية من خلال استهلاك الأطعمة التي تحتوي على البروتين. يتم بعد ذلك تفكيك البروتينات التي يتم تناولها إلى أحماض أمينية من خلال الهضم ، والذي يتضمن عادةً تمسخ البروتين من خلال التعرض للحمض والتحلل المائي بواسطة إنزيمات تسمى البروتياز. تُستخدم بعض الأحماض الأمينية المبتلعة في التخليق الحيوي للبروتين ، بينما يتم تحويل البعض الآخر إلى جلوكوز من خلال تكوين الجلوكوز ، أو يتم تغذيتها في دورة حمض الستريك. هذا الاستخدام للبروتين كوقود مهم بشكل خاص في ظل ظروف الجوع لأنه يسمح باستخدام بروتينات الجسم لدعم الحياة ، وخاصة تلك الموجودة في العضلات. [87]

في الحيوانات مثل الكلاب والقطط ، يحافظ البروتين على صحة وجودة الجلد من خلال تعزيز نمو بصيلات الشعر والتقرن ، وبالتالي تقليل احتمالية حدوث مشاكل جلدية تؤدي إلى الرائحة الكريهة. [88] البروتينات ذات الجودة الرديئة لها أيضًا دور فيما يتعلق بصحة الجهاز الهضمي ، مما يزيد من احتمالية انتفاخ البطن والمركبات ذات الرائحة في الكلاب لأنه عندما تصل البروتينات إلى القولون في حالة غير مهضومة ، يتم تخميرها لإنتاج غاز كبريتيد الهيدروجين والإندول والسكاتول. [89] تهضم الكلاب والقطط البروتينات الحيوانية بشكل أفضل من تلك الموجودة في النباتات ، ولكن المنتجات ذات الأصل الحيواني منخفض الجودة يتم هضمها بشكل سيئ ، بما في ذلك الجلد والريش والنسيج الضام. [89]


تنقية البروتين وتحليله: الجيل القادم من تقنيات النشاف الغربية

النشاف الغربي هو أحد أكثر التقنيات شيوعًا في البيولوجيا الجزيئية والبروتيوميات. نظرًا لأن النشاف الغربي هو بروتوكول متعدد الخطوات ، يمكن أن تحدث الاختلافات والأخطاء في أي خطوة مما يقلل من موثوقية هذه التقنية وإمكانية تكرار نتائجها. تشير التقارير الحديثة إلى أن بعض الخطوات الرئيسية ، مثل طريقة تحضير العينة ، وكمية ومصدر الجسم المضاد الأولي المستخدم ، بالإضافة إلى طريقة التطبيع المستخدمة ، تعتبر بالغة الأهمية لنتائج لطخة غربية قابلة للتكرار. المجالات المشمولة: في هذه المراجعة ، تم تلخيص التحسينات في مناطق مختلفة من النشاف الغربي ، بما في ذلك نقل البروتين والتحقق من صحة الجسم المضاد. تناقش المراجعة تقنيات النشاف الغربية الأكثر تقدمًا المتاحة وتسلط الضوء على العلاقة بين الجيل القادم من تقنيات النشاف الغربية وأهميتها السريرية. تعليق الخبراء: على مدى العقد الماضي ، تم إجراء تحسينات كبيرة في إنشاء تقنيات أكثر حساسية وآلية ومتقدمة من خلال تحسين الجوانب المختلفة لبروتوكول لطخة ويسترن. تم تطوير طرق جديدة مثل اللطخة الغربية ذات الدقة الخلوية المفردة ، والرحلان الكهربائي الشعري ، و DigiWest ، والنشاف الغربي الميكروفلويد الآلي ، والرحلان الكهربي الدقيق ، لتقليل المشكلات المحتملة المرتبطة بتقنية النشاف الغربي. تقدم التطورات المبتكرة في الأجهزة والحساسية المتزايدة للبقع الغربية إمكانيات جديدة لزيادة الآثار السريرية لللطخة الغربية.

الكلمات الدالة: ططخة مناعية غربية النشاف الغربي تقنيات الجيل القادم لتنقية بروتين تنقية البروتين الغربي.


وضع علامات خاصة بالموقع على البروتينات ذات الأيونات البارامغناطيسية لتحديد تراكيب البروتين في المحلول وفي الخلايا

يعتبر التحليل الطيفي عالي الدقة بالرنين المغناطيسي النووي حساسًا للتغيرات الهيكلية المحلية والديناميكيات الدقيقة للجزيئات الحيوية وهو أسلوب مهم لدراسة الهياكل والديناميكيات والتفاعلات بين هذه الجزيئات. تم تطوير مجسات الجزيئات الصغيرة ، بما في ذلك العلامات المغناطيسية ، لهذا الغرض. منذ فترة طويلة تم التعرف على التأثيرات البارامغنطيسية التي تتجلى في أطياف الرنين المغناطيسي كأدوات قيمة للتحليل الكيميائي للجزيئات الصغيرة ، وتم تطبيق هذه التأثيرات لاحقًا في مجالات البيولوجيا الكيميائية والبيولوجيا الهيكلية. ومع ذلك ، تتطلب مثل هذه التطبيقات تركيب مركز مغناطيسي في الجزيئات الحيوية ذات الأهمية. تعتبر أيونات المعادن البارامغناطيسية والجذور الحرة المستقرة أكثر المجسات البارامغناطيسية استخدامًا في التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي البيولوجي ، وبالتالي فإن هناك طلبًا مرتفعًا على الطرق المعتدلة عالية الغلة لربط العلامات شبه المغناطيسية كيميائيًا بالجزيئات الحيوية. في هذا الحساب ، نبدأ بمناقشة الأنواع شبه المغناطيسية ، وخاصة أيونات المعادن الانتقالية وأيونات اللانثانيد ، المناسبة لدراسات NMR و EPR ، خاصةً للتطبيقات داخل الخلية. بعد ذلك ، نصف طرق وضع العلامات الخاصة بالموقع على البروتينات باستخدام الأيونات المغنطيسية ومناقشة الاعتبارات المتضمنة في تصميم علامات مغناطيسية عالية الجودة ، بما في ذلك قوة الارتباط بين جزء مخلب المعادن والأيون المغنطيسي ، والاستقرار الكيميائي ، و مرونة الحبل بين العلامة البارامغناطيسية والبروتين المستهدف. ترتبط مرونة العلامة ارتباطًا وثيقًا بمتوسط ​​التأثيرات البارامغناطيسية التي لوحظت في أطياف الرنين المغناطيسي النووي ، ونصف طرقًا لزيادة صلابة العلامة وتطبيقات هذه العلامات في الأنظمة البيولوجية. وصفنا أيضًا تطبيقات محددة لأساليب وضع العلامات الخاصة بالموقع والعلامات المغناطيسية المطورة حديثًا لتوضيح هياكل وديناميكيات البروتين بدقة ذرية في كل من المحلول وفي الخلايا. أولاً ، نصف تحديد البنية ثلاثية الأبعاد لمركب إنزيم متوسط ​​قصير العمر ومنخفض الوفرة في الوقت الفعلي باستخدام تحولات الاتصال الكاذب كقيود هيكلية. ثانيًا ، نوضح فائدة العلامات المغناطيسية المستقرة لتحديد الهياكل ثلاثية الأبعاد للبروتينات في الخلايا الحية ، وتبين أن التحولات الكاذبة هي قيود هيكلية قيّمة لتحليل البروتين داخل الخلية. ثالثًا ، نوضح أن العلامة البارامغناطيسية المحسّنة بالرنين المغناطيسي النووي تسمح للشخص بتحديد قيود المسافة على البروتينات عن طريق قياسات الرنين الإلكترون والإلكترون (DEER) ذات الدقة المكانية العالية في كل من المختبر وفي الخلايا. أخيرًا ، نلخص التطورات الحديثة في وضع علامات خاصة بالموقع على البروتينات لتحقيق معلومات الدقة الذرية حول التغييرات الهيكلية للبروتينات ، ومزايا وتحديات التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي في الأنظمة البيولوجية.


تساعد الحاسة السادسة Dolphin & # 8217s على اكتشاف المجالات الكهربائية

الدلافين مخلوقات مدهشة للغاية ، وأكثر ذكاءً مما قد يخطر ببالك ، وقلب من الذهب. ولكن الآن ، أظهر الباحثون أنه بصرف النظر عن هذه الصفات ، فإن دلافين غويانا الشائعة لديها قدرة رائعة أخرى: القدرة على استشعار الحقول الكهربائية.

يحمل الدلفين طفله تمامًا كما يفعل أي حيوان ثديي مشيمي آخر ، وربما يكون هذا الإحساس غير العادي مفيدًا عند اصطياده في المياه الساحلية الغامضة حيث يعيش.

& # 8220 معظم الحيوانات التي تفعل ذلك تفعل ذلك للعثور على الفريسة ، & # 8221 قال الباحث في الدراسة وولف هانكي ، من جامعة روستوك في روستوك ، ألمانيا. & # 8220 جميع الدلافين & # 8217 عناصر الفرائس ، مثل جراد البحر ، كل منهم يولد الحقول الكهربائية إلى حد ما. & # 8221

قام الباحثون بتحليل دلفين غويانا مات لأسباب طبيعية في Dolphinariumin Münster ، ألمانيا. ركزوا على المسام المتخصصة التي تسمى الخبايا الاهتزازية ، والتي هي في الأساس منزل الشوارب. ولكن منذ أن تطورت الدلافين من شواربها ، أصبح لديها الآن المسام المتبقية فقط. ووجدوا أن المسام من 2 إلى 10 محاطة بالعديد من النهايات العصبية ، كما أنها مليئة بمصفوفة خاصة من البروتينات والخلايا.

من أجل معرفة ما إذا كان يمكن اكتشاف تيار كهربائي بأي شكل من الأشكال بواسطة الدلافين ، اختبر العلماء هذه المسام ، وكانت النتائج ناجحة ، وخلصوا إلى أنه حتى 5 ميكرو فولت لكل سنتيمتر يمكن اكتشافها بشكل أساسي ، فهي حساسة بدرجة كافية لاكتشاف التوقيع الكهربائي من سمكة.

لم يطور أي حيوان ثديي آخر هذه القدرة غير العادية حقًا إلى جانب أمر يضع البيض ، المسمى monotremes ، والذي يتضمن خلد الماء. من الممكن مع ذلك وجود حيوانات أخرى بهذه المهارة.

& # 8220 أعتقد أنه & # 8217s ممكن ، من المحتمل ، لأن هناك بعض الدلافين ، مثل عنق الزجاجة ، التي لديها حفر صغيرة على أنفها أيضًا. قال هانكي إنها أصغر حجمًا ، لكن & # 8217s ليس من المرجح أن هذا واحد أو آخر سوف يطورها أيضًا.

ومع ذلك ، على عكس معظم الثدييات ، كان للدلافين سبب وجيه جدًا للتطور بهذه الطريقة في المياه المظلمة التي تعيش فيها ، غالبًا ما تنخفض الرؤية بشكل كبير ، لذا فإن القدرة على الإحساس بالحيوانات الأخرى كهربائيًا يمكن أن تحدث فرقًا كبيرًا.


شاهد الفيديو: أقوى علاج طبيعي يقضي على التهاب الرئة والصدر والشعب الهوائية والسعال وطارد للبلغم والمخاط مهما كان! (قد 2022).