معلومة

محتوى البروتين في التركيب الكيميائي لشعب مختلفة؟


يبلغ محتوى البروتين في جسم الإنسان حوالي 15٪ ، فما هي النسب المئوية للكائنات الحية الأخرى؟ البكتيريا والنباتات والفطريات والبروتوزوا ، إلخ.


الخصائص الفيزيائية للبروتينات

  1. اللون والذوق
    البروتينات عديمة اللون وعادة ما تكون عديمة الطعم. هذه متجانسة وبلورية.
  2. الشكل والحجم
    تتراوح البروتينات في الشكل من الهياكل الكروية البلورية البسيطة إلى الهياكل الليفية الطويلة. نمطين مختلفين للشكل
    تم التعرف عليها:
    أ.البروتينات الكروية- هذه هي كروية الشكل وتحدث بشكل رئيسي في النباتات ، على وجه الخصوص ، في البذور وخلايا الأوراق. هذه هي الحزم التي تشكلت عن طريق طي وتجعد سلاسل البروتين. على سبيل المثال ، بيبسين ، إديستين ، أنسولين ، ريبونوكلياز ، إلخ.
    البروتينات الليفية- وهي تشبه الخيوط أو بيضاوية الشكل وتحدث بشكل عام في عضلات الحيوانات. أجريت معظم الدراسات المتعلقة ببنية البروتين باستخدام هذه البروتينات. على سبيل المثال ، الفيبرينوجين والميوسين وما إلى ذلك.
  3. الوزن الجزيئي الغرامي
    تحتوي البروتينات عمومًا على أوزان جزيئية كبيرة تتراوح بين 5 × 103 و 1 × 106. وتجدر الإشارة إلى أن قيم الأوزان الجزيئية للعديد من البروتينات تقترب من 35000 و 70.000 أو مضاعفاتها.
  4. الطبيعة الغروية
    نظرًا لحجمها الضخم ، تُظهر البروتينات العديد من الخصائص الغروانية ، مثل معدلات انتشارها بطيئة للغاية وقد تنتج تشتتًا كبيرًا للضوء في المحلول ، مما يؤدي إلى تعكر مرئي (تأثير تيندال).
  5. تمسخ
    يشير التمسخ إلى التغييرات في خصائص البروتين. بمعنى آخر ، إنه فقدان النشاط البيولوجي. في كثير من الحالات ، يتبع عملية التمسخ بالتخثر - وهي عملية تميل فيها جزيئات البروتين المشوهة إلى تكوين تجمعات كبيرة والترسب من المحلول.
  6. طبيعة مذبذبة
    مثل الأحماض الأمينية ، البروتينات مذبذبة ، أي أنها تعمل كأحماض وقلويات على حد سواء. تهاجر هذه في مجال كهربائي ويعتمد اتجاه الهجرة على صافي الشحنة التي يمتلكها الجزيء. يتأثر صافي الشحنة بقيمة الأس الهيدروجيني. كل بروتين له قيمة ثابتة للنقطة الكهربية (pl) التي يتحرك عندها في مجال كهربائي.
  7. قدرة ربط الأيونات
    يمكن أن تشكل البروتينات أملاحًا مع كل من الكاتيونات والأنيونات بناءً على شحنتها الصافية.
  8. الذوبان
    تتأثر قابلية ذوبان البروتينات بالرقم الهيدروجيني. تكون القابلية للذوبان في أدنى مستوياتها عند النقطة الكهربية وتزداد مع زيادة الحموضة أو القلوية. هذا لأنه عندما توجد جزيئات البروتين إما كاتيونات أو أنيونات ، تكون قوى التنافر بين الأيونات عالية ، لأن جميع الجزيئات تمتلك شحنات زائدة من نفس العلامة. وبالتالي ، ستكون أكثر قابلية للذوبان مما كانت عليه في الحالة الكهروضوئية.
  9. النشاط البصري
    تقوم جميع المحاليل البروتينية بتدوير مستوى الضوء المستقطب إلى اليسار ، أي أنها طينية.

الخواص الكيميائية للبروتينات

  1. التحلل المائي
    يتم تحلل البروتينات بواسطة مجموعة متنوعة من العوامل المتحللة بالماء.
    A. بواسطة العوامل الحمضية: البروتينات ، عند التحلل المائي مع conc. حمض الهيدروكلوريك (6-12 نيوتن) عند 100-110 درجة مئوية لمدة 6 إلى 20 ساعة ، ينتج الأحماض الأمينية على شكل هيدروكلوريد.
    عن طريق العوامل القلوية: يمكن أيضًا تحلل البروتينات باستخدام 2N NaOH.
  2. ردود الفعل التي تنطوي على مجموعة COOH
    أ.التفاعل مع القلويات (تكوين الملح)
    ب. التفاعل مع الكحول (الأسترة)
    ج- التفاعل مع الأمينات
  3. ردود الفعل التي تنطوي على NH2 Group
    أ. التفاعل مع الأحماض المعدنية (تكوين الملح): عندما يتم معالجة الأحماض الأمينية أو البروتينات الحرة بأحماض معدنية مثل حمض الهيدروكلوريك ، تتشكل الأملاح الحمضية.
    ب. التفاعل مع الفورمالديهايد: مع الفورمالديهايد ، تتشكل مشتقات الهيدروكسي ميثيل.
    ج- التفاعل مع البنزالديهايد: تتشكل قواعد شيف & # 8216
    د- التفاعل مع حمض النيتروز (تفاعل فان سليك): تتفاعل الأحماض الأمينية مع HNO2 لتحرير غاز N2 وإنتاج أحماض ألفا هيدروكسي المقابلة.
    هاء - التفاعل مع عوامل أسلة (Acylation)
    F. التفاعل مع كاشف FDNB أو Sanger & # 8217s
    رد فعل مع كلوريد دانسيل
  4. ردود الفعل التي تنطوي على كل من COOH و NH2 Group
    أ- التفاعل مع هيدرات ترايكيتوهيدريندين (تفاعل نينهيدرين)
    ب. التفاعل مع فينيل أيزوسيانات: مع فينيل أيزوسيانات ، يتشكل حمض الهيدانتويك والذي بدوره يمكن تحويله إلى هيدانتوين.
    ج- التفاعل مع فينيل أيزوثيوسيانات أو كاشف إيدمان
    D. التفاعل مع الفوسجين: مع الفوسجين ، يتم تكوين N-carboxyanhydride
    هاء - التفاعل مع ثاني كبريتيد الكربون: مع ثاني كبريتيد الكربون ، يتم إنتاج 2-ثيو -5-ثيوزوليدون
  5. التفاعلات التي تنطوي على مجموعة R أو سلسلة جانبية
    أ. اختبار Biuret
    B. اختبار Xanthoproteic
    جيم اختبار Millon & # 8217s
    اختبار D. Folin & # 8217s
    اختبار E. Sakaguchi
    اختبار F.
    اختبار G. Ehrlich
  6. ردود الفعل التي تنطوي على مجموعة SH
    اختبار نيتروبروسيد: يتطور اللون الأحمر مع نيتروبروسيد الصوديوم في NH4OH المخفف. الاختبار خاص بسيستين.
    اختبار سوليفان: يطور السيستين اللون الأحمر في وجود الصوديوم 1 ، 2-نافثوكينون- 4-سلفونات وهيدروسلفيت الصوديوم.

محتوى البروتين في التركيب الكيميائي لشعب مختلفة؟ - مادة الاحياء

كيمياء البروتين

معلومات أساسية: قد ترغب في الرجوع إلى دليل روبرت راسل للتنبؤ بالبنية. للحصول على الخصائص البيوكيميائية للأحماض الأمينية ، انظر PROWL و Hydrophobicity من الأحماض الأمينية ومخطط الأحماض الأمينية والجدول المرجعي (GenScript). إذا كنت مهتمًا بشكل خاص بالأجسام المضادة ، فإنني أوصيك بزيارة & quot The Antibody Resource Page. & quot

تكوين الأحماض الأمينية وكتلة الأمبير & - بروتبارام (ExPASy ، سويسرا)
نقطة Isoelectric - حساب أداة pI / Mw (ExPASy ، سويسرا). إذا كنت تريد مخططًا للعلاقة بين الشحنة ودرجة الحموضة ، فاستخدم ProteinChemist (ProteinChemist.com) أو أدوات البروتين JVirGel (PRODORIC Net ، ألمانيا).
الكتلة ، pI ، التركيب والمول ٪ أحماض أمينية حمضية ، قاعدية ، عطرية ، قطبية إلخ - PEPSTATS (زخرف). الكيمياء الحيوية عبر الإنترنت (فيتالونيك ، روسيا) يعطي تركيبة ، ووزن جزيئي ، و pI ، وشحنة عند أي درجة حموضة مرغوبة.

حاسبة الوزن الجزيئي الببتيد (جين سكريبت) - تحدد الآلة الحاسبة عبر الإنترنت الصيغة الكيميائية والوزن الجزيئي للببتيد الذي يهمك. يمكنك أيضًا تحديد التعديلات اللاحقة للترجمة ، مثل تعديلات طرفي N و C وتحديد مواقع جسور ثاني كبريتيد ، للحصول على مخرجات أكثر دقة.

حاسبة النقاط الكهروضوئية 2.0 (IPC 2.0) - هو خادم للتنبؤ بالنقاط متساوي الكهرباء و pكأ القيم باستخدام مزيج من التعلم العميق ودعم نماذج الانحدار المتجه. تتفوق دقة التنبؤ (RMSD) لـ IPC 2.0 للبروتينات والببتيدات على الخوارزميات السابقة. (المرجع: Kozlowski LP (2021) Nucl. Acids Res. Web Server issue).

التركيب / حساب الوزن الجزيئي (المركز الطبي بجامعة جورج تاون ، الولايات المتحدة الأمريكية) - المشكلة الوحيدة في هذا الموقع هي أنه عند تشغيله في وضع الدُفعات ، فإنه لا يحدد التسلسل بالاسم ، بل هو مجرد رقم تسلسلي

حاسبة البروتين (سي بوتنام ، معهد سكريبس للأبحاث ، الولايات المتحدة الأمريكية) - يحسب الكتلة ، pI ، الشحنة عند درجة حموضة معينة ، حساب بقايا الأحماض الأمينية ، إلخ.

توقع Tm (مختبر P.C. Lyu ، جامعة تسينغ هوا الوطنية ، تايوان) - يحسب درجة حرارة انصهار البروتين النظرية.

الأنتيجين و الحساسية: مكان جيد للبدء هو قاعدة بيانات Epitope المناعية (IEDB)

أبي برو تصميم الجسم المضاد الببتيد (تشانغ بيوسينس)

خوادم الحساسية: AllerTOP (المرجع: Dimitrov، I. et al. 2013. BMC Bioinformatics 14(ملحق 6): S4) ، AlgPred - التنبؤ بالبروتينات المسببة للحساسية ورسم خرائط لقمم IgE (المرجع: Saha، S. and Raghava، GP.S 2006. Nucleic Acids Research 34: W202-W209.) و SDAP - قاعدة البيانات الهيكلية للبروتينات المسببة للحساسية (المرجع: Ivanciuc، O. et al. 2003. Nucleic Acids Res. 31: 359-362).

EpiToolKit - عبارة عن طاولة عمل افتراضية للأسئلة المناعية مع التركيز على تصميم اللقاح. يقدم مجموعة من أدوات المعلوماتية المناعية التي تغطي التنميط الجيني لـ MHC ، والتنبؤ بالحلقة اللاصقة والحلقة الجديدة ، واختيار الحاتمة لتصميم اللقاح ، وتجميع الحاتمة. في الإصدار 2.0 المعاد تنفيذه مؤخرًا ، يوفر EpiToolKit مجموعة من الوظائف الجديدة ويسمح لأول مرة بدمج الأدوات في مهام سير عمل معقدة. بالنسبة للمستخدمين عديمي الخبرة ، فإنه يوفر واجهات مبسطة لتوجيه المستخدمين من خلال تحليل مجموعات البيانات المناعية المعقدة. (المرجع: Schubert S et al. (2015) Bioinformatics 31(13): 2211 و ndash2213).

كمان - الخامسلهجة أناتحقيق و انإلine أنامعلومات نالشبكة - تتيح سهولة المعالجة والمقارنة والتحليل للبيانات البحثية المتعلقة باللقاح عبر مختلف مسببات الأمراض البشرية من المتوقع أن يصبح VIOLIN مصدرًا مركزيًا لمعلومات اللقاح وأن يزود الباحثين في العلوم الأساسية والسريرية ببيانات منظمة وأدوات معلوماتية حيوية لأبحاث اللقاحات وتطويرها . VBLAST: بحث مخصص لأبحاث اللقاحات يسمح بإستراتيجيات بحث متنوعة ضد 77 جينومًا لـ 34 من مسببات الأمراض. (المرجع: He، Y. et al. 2014. Nucleic Acids Res. 42 (مشكلة في قاعدة البيانات): D1124-32).

SVMTriP - طريقة جديدة للتنبؤ بحلقة مستضدية مع إدخال تسلسل أحدث من قاعدة بيانات IEDB. في طريقتنا ، تم استخدام Support Vector Machine (SVM) من خلال الجمع بين درجات التشابه والميل ثلاثي الببتيد (SVMTriP) من أجل تحقيق أداء تنبؤ أفضل. علاوة على ذلك ، فإن SVMTriP قادر على التعرف على الببتيدات الفيروسية من خلفية تسلسل البروتين البشري. (المرجع: Yao B et al. (2012) PLoS One 7(9): e45152).

الذوبان والتبلور:

EnzymeMiner - يوفر التعدين الآلي للأنزيمات القابلة للذوبان ذات الهياكل المتنوعة ، والخصائص التحفيزية والثبات. يستخدم توقع الذوبان متنبئ SoluProt الداخلي الذي تم تطويره باستخدام التعلم الآلي (المرجع: Hon J et al. 2020. Nucl Acids Res 48 (W1): W104 و ndashW109).

إسبرسو (ESتوقيت العلاقات العامةبروتين هxpreسسيون و وبالتاليlubility) - هو مؤشر قائم على التسلسل لتقدير تعبير البروتين وقابلية الذوبان لثلاثة أنظمة مختلفة لتعبير البروتين: في الجسم الحي Escherichia coli, Brevibacillusوالقمح خالي من الخلايا الجرثومية. (المرجع: Hirose S، & amp Noguchi T. 2013. Proteomics. 13:1444-1456).

SABLE - تنبؤ دقيق قائم على التسلسل لـ Solvent AccessiBiLitiEs النسبية والهياكل الثانوية ومجالات الغشاء للبروتينات ذات البنية غير المعروفة. (المرجع: Adamczak R et al. 2004. البروتينات 56:753-767).

SPpred (سأوبل صتوقع البروتين) (مركز المعلوماتية الحيوية ، معهد التكنولوجيا الميكروبية ، شانديغار ، الهند) - هو خادم ويب للتنبؤ بقابلية ذوبان البروتين عند الإفراط في التعبير في بكتريا قولونية. يتم التنبؤ عن طريق هجين من نموذج SVM المدرب على ملف تعريف PSSM الذي تم إنشاؤه بواسطة بحث PSI-BLAST لقاعدة بيانات البروتين & # 39nr & # 39 وتكوين الأحماض الأمينية المنقسمة.

Protein & ndashSol - هو خادم ويب للتنبؤ بقابلية ذوبان البروتين. باستخدام البيانات المتاحة للذوبان في بروتين Escherichia coli في نظام التعبير الخالي من الخلايا ، تم حساب 35 خاصية قائمة على التسلسل. يتم تحديد أوزان الميزات من فصل المجموعات الفرعية منخفضة وعالية الذوبان. يُرجع النموذج قابلية الذوبان المتوقعة وإشارة إلى الميزات التي تنحرف أكثر عن القيم المتوسطة. (المرجع: Hebditch M et al. 2017. المعلوماتية الحيوية 33(19): 3098 و ndash3100).

CamSol - للتصميم العقلاني لمتغيرات البروتين مع الذوبان المحسن. تعمل الطريقة عن طريق إجراء فحص حسابي سريع لعشرات الآلاف من الطفرات لتحديد تلك التي لها أكبر تأثير على قابلية ذوبان البروتين المستهدف مع الحفاظ على حالته الأصلية ونشاطه البيولوجي. (المرجع: Sormanni P et al. (2015) J Molec Biol 427(2): 478-490). ملحوظة. يتطلب التسجيل.

سوجهك هنتروبي صالاستنتاج ص rediction (SERp) - تهدف هذه الأداة الاستكشافية إلى المساعدة في تحديد المواقع الأكثر ملاءمة للطفرة المصممة لتعزيز قابلية التبلور من خلال نهج الحد من الانتروبيا السطحية. (المرجع: Goldschmidt L. et al. 2007. Protein Science. 16:1569-1576)

CRYSTALP2 - من أجل في السيليكو التنبؤ بميل تبلور البروتين. (المرجع: Kurgan L، et al. 2009. BMC Structural Biology 9: 50) و PPCpred - التنبؤ القائم على التسلسل للنزعة لإنتاج بلورات ذات جودة الحيود ، وإنتاج البلورات ، وتنقية وإنتاج مادة البروتين. (المرجع: M.J. Mizianty & amp L. Kurgan. 2011. Bioinformatics 27: i24-i33).

الببتيدات واللقاحات والسموم المضادة للميكروبات:

APD (أntimicrobial صالببتيد دatabase) (المرجع: Wang، Z. and Wang، G 2004. Nucl. Acids Res.32: D590-D592)

يعد نظام إفراز النوع الثالث (T3SS) آلية أساسية للتفاعل بين المضيف والممرض في عملية العدوى. تُعرف البروتينات التي يتم إفرازها من خلال آلة T3SS للعديد من البكتيريا سالبة الجرام باسم مؤثرات T3SS (T3SEs). يمكن أن تكون هذه إما موضعية تحت خلوية في المضيف ، أو تكون جزءًا من طرف إبرة T3SS الذي يتفاعل مباشرة مع الغشاء المضيف لجلب مؤثرات أخرى إلى الخلية المستهدفة. يمثل T3SEdb مثل هذا الجهد لتجميع قاعدة بيانات شاملة لجميع T3SEs المحددة تجريبياً والمفترضة في موقع يمكن الوصول إليه عبر الويب. البحث بلاست متاح. (المرجع: Tay DM et al. 2010. BMC Bioinformatics. 11 ملحق 7: S4).

تأثير (جامعة فيينا ، النمسا وجامعة ميونخ التقنية ، ألمانيا) - يعتبر إفراز البروتين البكتيري آلية الضراوة الرئيسية للبكتيريا التكافلية والممرضة. يتم نقل بروتينات المستجيب بالتالي من العصارة الخلوية البكتيرية إلى الوسط خارج الخلية أو مباشرة إلى الخلية المضيفة حقيقية النواة. توفر البوابة الفعالة تنبؤات محسوبة مسبقًا على المؤثرات البكتيرية في جميع الجينومات المسببة للأمراض والتعايشية المتاحة للجمهور بالإضافة إلى إمكانية أن يتنبأ المستخدم بالمؤثرات في بيانات تسلسل البروتين الخاص.

Vaxign هو أول نظام تصميم لقاح على شبكة الإنترنت يتنبأ بأهداف اللقاح بناءً على تسلسل الجينوم باستخدام إستراتيجية علم اللقاح العكسي. تشمل الميزات المتوقعة في خط أنابيب Vaxign الموقع الخلوي للبروتين ، وحلزونات الغشاء ، واحتمال الالتصاق ، والحفظ على البروتينات البشرية و / أو الفئران ، والاستبعاد المتسلسل من الجينوم (السلالات) غير المسببة للأمراض ، وربط الحاتمة بفئتي MHC الأول والفئة الثانية . تحتوي قاعدة بيانات Vaxign المحسوبة مسبقًا على تنبؤ بأهداف اللقاح لجينومات & gt350. (المرجع: He Y et al. 2010. J Biomed Biotechnol. 2010: 297505). يتوفر إصدار أحدث من Vaxign 2 Beta هنا.

VacTarBac عبارة عن منصة تخزن لقاحًا مرشحًا ضد العديد من البكتيريا المسببة للأمراض. تم تصميم اللقاح على أساس احتمالية أن يكون بمثابة حاتمة ، وبالتالي لديه القدرة على تحفيز أي من أذرع الجهاز المناعي. تم التنبؤ بهذه الحواتم ضد عامل الفوعة والجينات الأساسية لـ 14 نوعًا من البكتيريا. (المرجع: Nagpal G et al. (2018) Front Immunol. 9: 2280).

Abpred - سيأخذ تسلسل حمض أميني واحد لـ Fv ويحسب الأداء المتوقع على 12 المنصات الفيزيائية الحيوية (المرجع: Hebditch M & amp J Warwicker (2019) PeerJ. 7: e8199).

T3SE - توقع مؤثر نظام الإفراز من النوع الثالث (المرجع: L & oumlwer M، & amp Schneider G. 2009. PLoS One. 4:e5917. خطأ في: PLoS One. 20094 (7).

خادم SIEVE هو أداة ويب عامة للتنبؤ بالمؤثرات المفرزة من النوع الثالث. يسجل خادم SIEVE المؤثرات المُفرزة المحتملة من جينومات مسببات الأمراض البكتيرية بأنظمة إفراز من النوع الثالث باستخدام نموذج تم تعلمه من البروتينات المُفرزة المعروفة. يتطلب خادم SIEVE فقط متواليات البروتين من البروتينات ليتم فحصها ويعيد احتمالية متحفظة بأن كل بروتين مدخل هو عامل إفراز من النوع الثالث. (المرجع: McDermott JE et al. 2011. Infect Immun. 79:23-32).

ازدواج اللون دائرية:

ازدواج اللون دائرية (كلية بيركبيك ، كلية الكريستالوغرافيا ، إنجلترا) DICHROWEB هو موقع ويب تفاعلي يسمح بفك تطور البيانات من تجارب التحليل الطيفي الدائري مزدوج اللون. يوفر واجهة لمجموعة من خوارزميات deconvolution (CONTINLL ، SELCON3 ، CDSSTR ، VARSLC ، K2D).

K2D2: التنبؤ بالنسب المئوية للبنية الثانوية للبروتين من أطياف القرص المضغوط - يسمح بتحليل 41 نقطة بيانات طيف للقرص المضغوط تتراوح من 200 نانومتر إلى 240 نانومتر أو 51 نقطة بيانات لنطاق 190-240 نانومتر (المرجع: Perez-Iratxeta C & amp Andrade- Navarro MA.2008. BMC Structural Biology 2008 ، 8:25)

K2D3 هو خادم ويب لتقدير محتوى خيوط اللولب و szlig لبروتين من طيف مزدوج اللون الدائري. يستخدم K2D3 قاعدة بيانات للأطياف النظرية المشتقة من Dichrocalc (المرجع: Louis-Jeune C et al. 2012. البروتينات: الهيكل والوظيفة والمعلوماتية الحيوية 80: 374 و ndash381)

بقايا السيستين:

DiANNA - سيتنبأ بحالة أكسدة السيستين (دقة 76 ٪) ، وأزواج السيستين (دقة 81 ٪) واتصال رابطة ثاني كبريتيد (دقة 86 ٪). (المرجع: Nucl. Acids Res. 33: W230-W232).

سيسريدوكس (جامعة روكفلر ، الولايات المتحدة الأمريكية) و CYSPRED (مجموعة الحوسبة الحيوية CIRB ، جامعة بولونيا ، إيطاليا) حساب حالة الأكسدة والاختزال لبقايا السيستين في البروتينات.

الراسمة الكراهية للماء ( إنوفاجين ) - و Hydroplotter البروتين - اخترع تحت الأدوات (ProteinLounge ، سان دييغو ، كاليفورنيا ).

تحلل البروتين وقياس الطيف الكتلي:

تحلل البروتين - الببتيد كثر (ExPASy ، سويسرا) الذي يتنبأ أيضًا بمواقع انشقاق الإنزيمات والمواد الكيميائية. موقع تحلل البروتين البديل هو Mobility_plot 4.1 (البصمة المتقدمة للبروتين ، IGH ، فرنسا).
لمزيد من تحليل البروتين المتطور الذي يتضمن التحليل الطيفي الشامل ، أدخل ExPasy FindMod للتنبؤ بالتعديلات اللاحقة للبروتينات المحتملة في الببتيدات و GlycoMod الذي يمكنه التنبؤ بهياكل السكاريد قليلة السكاريد المحتملة التي تحدث على البروتينات من كتلها المحددة تجريبياً.

ProFound - هي أداة للبحث في قاعدة بيانات تسلسل البروتين باستخدام معلومات من أطياف الكتلة لخرائط الببتيد. تُستخدم خوارزمية بايز لتصنيف تسلسلات البروتين في قاعدة البيانات وفقًا لاحتمالية إنتاج خريطة الببتيد. يمكن الوصول إلى نسخة مبسطة هنا (جامعة روكفلر ، نيويورك ، الولايات المتحدة الأمريكية). لا يمكن للمرء استخدام قاعدة بيانات البروتين الخاصة.

بروتين (جامعة كاليفورنيا) - يقدم مجموعة متنوعة من الأدوات (مثل MS-Fit و MS-Tag و MS-Seq و MS-Pattern و MS-Homology) لمطياف كتلة البروتين.

يمكن اكتشاف التكرارات في تسلسل البروتين باستخدام الرادار ( ص أبيد أ أوتوماتيكي د etection و أ lignment من ص الحلقات المعهد الأوروبي للمعلوماتية الحيوية) أو REPRO (المرجع: George RA. & amp Heringa J. 2000. Trends Biochem. Sci. 25: 515-517).

ريبير (اعادة عديأكل ولهم لكلiodicities) - يكتشف ويحلل المناطق ذات التكرارات القصيرة الخالية من الفجوات في البروتينات. يجد الدوريات بواسطة تحويل فورييه (FTwin) وتحليل التشابه الداخلي (REPwin). يعين FTwin القيم العددية للأحماض الأمينية التي تعكس خصائص معينة ، على سبيل المثال ، كره الماء ، وتعطي معلومات عن الفترات المقابلة. يستخدم REPwin المحاذاة الذاتية ويعرض التكرارات التي تكشف عن أوجه تشابه داخلية كبيرة. يتم استكمالها بواسطة PSIPRED والتنبؤ بالملف الملفوف (COILS) ، مما يجعل الخادم أداة تحليلية مفيدة للبروتينات الليفية. (المرجع: M. Gruber وآخرون 2005. Nucl. Acids Res. 33: W239-W243).

المواد الهلامية ثنائية الأبعاد:

حساب JVirGel للهلامات البروتينية ثنائية الأبعاد الافتراضية - يُنشئ بروتينات افتراضية ثنائية الأبعاد من قائمة ضخمة من حقيقيات النوى وبدائيات النوى (أو بروتين فردي). إصداران: html (محدود) وجافا الصغير (لا يصدق لكنك تحتاج إلى تثبيت Java Runtime Environment. (المرجع: K. Hiller et al. 2003. Nucl. Acids Res. 31: 3862-3865).

ارسم جل بروتين افتراضي ثنائي الأبعاد (PRODORIC Net ، ألمانيا) - باستخدام بيانات تسلسل البروتين الخاصة بك أو لكائنات مختلفة.

متنبئ بروتين سكراتش - (معهد علم الجينوم والمعلوماتية الحيوية ، جامعة كاليفورنيا ، إيرفين) - تشمل البرامج: ACCpro: إمكانية الوصول إلى المذيبات النسبية لبقايا البروتين CMAPpro: التنبؤ بخرائط ملامسة الأحماض الأمينية COBEpro: التنبؤ بحلقات الخلايا B المستمرة CONPro: يتنبأ بما إذا كان عدد جهات الاتصال لكل بقايا في البروتين أعلى أو أقل من المتوسط بالنسبة لتلك البقايا DIpro: التنبؤ بجسور ثاني كبريتيد DISpro: التنبؤ بالمناطق المضطربة DOMpro: التنبؤ بالمجالات SSpro: التنبؤ بالبنية الثانوية للبروتين SVMcon: التنبؤ بخرائط اتصال الأحماض الأمينية باستخدام Support Vector Machines و 3Dpro: التنبؤ ببنية البروتين الثلاثي (Ab Initio).

الطفرات:

مصمم الطفرات الجينية (جين سكريبت) تم تطويره لجعل التصميم الخاص بك لطفرات الحمض النووي النقطي مباشرًا لتسهيل حدوث الطفرة الجينية. لإجراء طفرات الحمض النووي من النوع البري ، ما عليك سوى إدخال تسلسل البداية لجين النوع البري في الحقل أدناه ، ثم انقر فوق الزر & ldquofrom select & rdquo لتحديد الحمض (الأحماض الأمينية) محل الاهتمام. وبناءً على ذلك ، سيتم إنشاء البروتين المتحور في تسلسل الجينات الجديد عند نقرة & ldquosubmit & rdquo. يمكنك تحديد عدد من أنظمة التعبير.

I-Mutant2.0: متنبئ بتغييرات استقرار البروتين عند حدوث طفرة - اختر إما الرقم المرجعي PDB أو الصق البروتين الخاص بك. تشير الإجابة (عن طريق البريد الإلكتروني) إلى ما إذا كان البروتين مستقرًا إلى حد ما ، وهي حقيقة يمكن أن تكون مفيدة في تصميم & amp ؛ qubetter & quot البروتينات. (المرجع: E. كابريوتي وآخرون. 2005. نوكل. الدقة الأحماض. 33: W306-W310).

SIFT - إن سorting أناغير متسامح Fذاكرة للقراءة فقط تيتتنبأ خوارزمية olerant (SIFT) بتأثير متغيرات الترميز على وظيفة البروتين ، أي أنها تتوقع ما إذا كان استبدال الأحماض الأمينية يؤثر على وظيفة البروتين استنادًا إلى التماثل المتسلسل والخصائص الفيزيائية للأحماض الأمينية. يمكن تطبيق SIFT على تعدد الأشكال غير المرادف الذي يحدث بشكل طبيعي والطفرات الخاطئة التي يسببها المختبر. (المرجع: N-L Sim et al. 2012. أبحاث الأحماض النووية 40(1): W452 & ndashW457).

غشاء mCSM - يتنبأ بآثار الطفرات على بروتينات الغشاء. (المرجع: Pires DEV et al. 2020. Nucl Acids Res 48 (W1): W147 و ndashW153).


3.4 البروتينات

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • وصف الوظائف التي تؤديها البروتينات في الخلية والأنسجة
  • ناقش العلاقة بين الأحماض الأمينية والبروتينات
  • اشرح المستويات الأربعة لتنظيم البروتين
  • صف الطرق التي يرتبط بها شكل البروتين ووظيفته

البروتينات هي واحدة من أكثر الجزيئات العضوية وفرة في الأنظمة الحية ولها مجموعة متنوعة من الوظائف لجميع الجزيئات الكبيرة. قد تكون البروتينات هيكلية أو تنظيمية أو مقلصة أو واقية. قد تعمل في النقل أو التخزين أو الأغشية أو قد تكون سموم أو إنزيمات. قد تحتوي كل خلية في نظام حي على آلاف البروتينات ، ولكل منها وظيفة فريدة. تختلف هياكلها ، مثل وظائفها ، بشكل كبير. ومع ذلك ، فهي كلها عبارة عن بوليمرات من الأحماض الأمينية مرتبة في تسلسل خطي.

أنواع ووظائف البروتينات

الإنزيمات ، التي تنتجها الخلايا الحية ، هي محفزات في التفاعلات الكيميائية الحيوية (مثل الهضم) وعادة ما تكون بروتينات معقدة أو مترافقة. كل إنزيم خاص بالركيزة (المادة المتفاعلة التي ترتبط بالإنزيم) التي يعمل عليها. قد يساعد الإنزيم في الانهيار أو إعادة الترتيب أو تفاعلات التوليف. نحن نطلق على الإنزيمات التي تكسر ركائزها الإنزيمات التقويضية. تلك التي تبني جزيئات أكثر تعقيدًا من ركائزها هي إنزيمات بنائية ، والإنزيمات التي تؤثر على معدل التفاعل هي إنزيمات محفزة. لاحظ أن جميع الإنزيمات تزيد من معدل التفاعل ، وبالتالي فهي محفزات عضوية. مثال على الإنزيم هو الأميلاز اللعابي ، الذي يحلل ركائزه الأميلوز ، وهو أحد مكونات النشا.

الهرمونات هي جزيئات إشارات كيميائية ، عادة ما تكون بروتينات صغيرة أو منشطات ، تفرزها خلايا الغدد الصماء التي تعمل على التحكم في عمليات فسيولوجية معينة أو تنظيمها ، بما في ذلك النمو والتطور والتمثيل الغذائي والتكاثر. على سبيل المثال ، الأنسولين هو هرمون بروتيني يساعد على تنظيم مستوى الجلوكوز في الدم. يسرد الجدول 3.1 الأنواع الأساسية ووظائف البروتينات.

نوعأمثلةالمهام
الانزيمات الهاضمةالأميليز ، الليباز ، البيبسين ، التربسينتساعد في الغذاء عن طريق تقويض العناصر الغذائية إلى وحدات أحادية
المواصلاتالهيموغلوبين ، الزلالتحمل المواد في الدم أو اللمف في جميع أنحاء الجسم
الهيكليأكتين ، توبيولين ، كيراتينبناء هياكل مختلفة ، مثل الهيكل الخلوي
الهرموناتالأنسولين ، هرمون الغدة الدرقيةتنسيق نشاط أجهزة الجسم المختلفة
دفاعالمناعيةحماية الجسم من مسببات الأمراض الغريبة
منقبضأكتين ، ميوسينتأثير تقلص العضلات
تخزينبروتينات تخزين البقوليات ، بياض البيض (الزلال)توفير الغذاء في بداية نمو الجنين والشتلات

البروتينات لها أشكال وأوزان جزيئية مختلفة. بعض البروتينات كروية الشكل بينما البعض الآخر ليفي بطبيعته. على سبيل المثال ، الهيموغلوبين هو بروتين كروي ، لكن الكولاجين الموجود في جلدنا هو بروتين ليفي. شكل البروتين مهم لوظيفته ، والعديد من أنواع الروابط الكيميائية المختلفة تحافظ على هذا الشكل. قد تؤدي التغيرات في درجة الحرارة ودرجة الحموضة والتعرض للمواد الكيميائية إلى تغيرات دائمة في شكل البروتين ، مما يؤدي إلى فقدان الوظيفة أو تمسخ. تشتمل الترتيبات المختلفة لنفس 20 نوعًا من الأحماض الأمينية على جميع البروتينات. تم اكتشاف اثنين من الأحماض الأمينية الجديدة النادرة مؤخرًا (سيلينوسيستين وبيروليزين) ، ويمكن إضافة اكتشافات جديدة إضافية إلى القائمة.

أحماض أمينية

الأحماض الأمينية هي المونومرات التي تتكون منها البروتينات. كل حمض أميني له نفس البنية الأساسية ، والتي تتكون من ذرة كربون مركزية ، أو ألفا (α) الكربون المرتبط بمجموعة أمينية (NH2) ، ومجموعة الكربوكسيل (COOH) ، وذرة الهيدروجين. يحتوي كل حمض أميني أيضًا على ذرة أخرى أو مجموعة ذرات مرتبطة بالذرة المركزية المعروفة باسم المجموعة R (الشكل 3.22).

يستخدم العلماء اسم "الأحماض الأمينية" لأن هذه الأحماض تحتوي على كل من المجموعة الأمينية ومجموعة حمض الكربوكسيل في بنيتها الأساسية. كما ذكرنا ، هناك 20 نوعًا من الأحماض الأمينية الشائعة الموجودة في البروتينات. تسعة من هذه الأحماض الأمينية الأساسية في الإنسان لأن جسم الإنسان لا يستطيع إنتاجها ونحن نحصل عليها من نظامنا الغذائي. لكل حمض أميني ، تختلف المجموعة R (أو السلسلة الجانبية) (الشكل 3.23).

اتصال مرئي

ما هي فئات الأحماض الأمينية التي تتوقع أن تجدها على سطح البروتين القابل للذوبان وأيها تتوقع أن تجده في الداخل؟ ما هو توزيع الأحماض الأمينية التي تتوقع أن تجدها في بروتين مضمن في طبقة ثنائية الدهون؟

تحدد الطبيعة الكيميائية للسلسلة الجانبية طبيعة الأحماض الأمينية (أي ما إذا كانت حمضية أو أساسية أو قطبية أو غير قطبية). على سبيل المثال ، يحتوي جلايسين الأحماض الأمينية على ذرة هيدروجين مثل المجموعة R. الأحماض الأمينية مثل الفالين والميثيونين والألانين هي أحماض غير قطبية أو كارهة للماء بطبيعتها ، في حين أن الأحماض الأمينية مثل السيرين وثريونين وسيستين هي أحماض قطبية ولها سلاسل جانبية محبة للماء. السلاسل الجانبية لليسين والأرجينين مشحونة إيجابًا ، وبالتالي فإن هذه الأحماض الأمينية هي أيضًا أحماض أمينية أساسية. يحتوي Proline على مجموعة R مرتبطة بالمجموعة الأمينية ، وتشكل بنية تشبه الحلقة. يعتبر البرولين استثناءً للهيكل القياسي للأحماض الأمينية نظرًا لأن مجموعته الأمينية ليست منفصلة عن السلسلة الجانبية (الشكل 3.23).

يمثل الحرف الكبير المفرد أو الاختصار المكون من ثلاثة أحرف الأحماض الأمينية. على سبيل المثال ، يمثل الحرف V أو الرمز المكون من ثلاثة أحرف valine. كما أن بعض الأحماض الدهنية ضرورية لنظام غذائي ، فإن بعض الأحماض الأمينية ضرورية أيضًا. هذه الأحماض الأمينية الأساسية في البشر تشمل الأيزولوسين ، والليوسين ، والسيستين. تشير الأحماض الأمينية الأساسية إلى تلك الضرورية لبناء البروتينات في الجسم ، ولكن ليس تلك التي ينتجها الجسم. تختلف الأحماض الأمينية الأساسية من كائن حي إلى آخر.

يحدد تسلسل وعدد الأحماض الأمينية في النهاية شكل البروتين وحجمه ووظيفته. ترتبط الرابطة التساهمية ، أو الرابطة الببتيدية ، بكل حمض أميني ، والذي يتكون من تفاعل الجفاف. تتحد مجموعة الكربوكسيل الخاصة بأحد الأحماض الأمينية والمجموعة الأمينية من الأحماض الأمينية الواردة ، مما يؤدي إلى إطلاق جزيء ماء. الرابطة الناتجة هي رابطة الببتيد (الشكل 3.24).

المنتجات التي تشكل هذه الروابط هي الببتيدات. مع انضمام المزيد من الأحماض الأمينية إلى هذه السلسلة المتنامية ، تكون السلسلة الناتجة عبارة عن بولي ببتيد. يحتوي كل عديد ببتيد على مجموعة أمينية حرة في طرف واحد. هذه النهاية الطرفية N ، أو المحطة الأمينية ، والطرف الآخر يحتوي على مجموعة كربوكسيل حرة ، وكذلك محطة C أو الكربوكسيل. في حين أن المصطلحين متعدد الببتيد والبروتين يستخدمان أحيانًا بالتبادل ، فإن البولي ببتيد هو تقنيًا بوليمر من الأحماض الأمينية ، في حين أن مصطلح البروتين يستخدم لبولي ببتيد أو متعدد الببتيدات التي تم دمجها معًا ، وغالبًا ما يكون لها مجموعات صناعية غير ببتيدية مرتبطة ، ولها شكل مميز ، ولها وظيفة فريدة. بعد تخليق البروتين (الترجمة) ، يتم تعديل معظم البروتينات. تُعرف هذه باسم التعديلات اللاحقة للترجمة. قد يخضعون للانقسام أو الفسفرة أو قد يتطلبون إضافة مجموعات كيميائية أخرى. فقط بعد هذه التعديلات يعمل البروتين بشكل كامل.

ارتباط بالتعلم

انقر فوق خطوات تخليق البروتين في هذا البرنامج التعليمي التفاعلي.

اتصال التطور

الأهمية التطورية للسيتوكروم ج

يعتبر السيتوكروم ج مكونًا مهمًا في سلسلة نقل الإلكترون ، وهو جزء من التنفس الخلوي ، ويوجد عادةً في العضية الخلوية ، الميتوكوندريا. يحتوي هذا البروتين على مجموعة اصطناعية من الهيم ، ويقلل الأيون المركزي للهيم ويتأكسد بالتناوب أثناء نقل الإلكترون. نظرًا لأن دور هذا البروتين الأساسي في إنتاج الطاقة الخلوية أمر بالغ الأهمية ، فقد تغير قليلاً جدًا على مدى ملايين السنين. أظهر تسلسل البروتين أن هناك قدرًا كبيرًا من تناظر تسلسل الأحماض الأمينية السيتوكروم ج بين الأنواع المختلفة. بعبارة أخرى ، يمكننا تقييم القرابة التطورية عن طريق قياس أوجه التشابه أو الاختلافات بين الحمض النووي للأنواع المختلفة أو تسلسل البروتين.

قرر العلماء أن السيتوكروم ج البشري يحتوي على 104 من الأحماض الأمينية. لكل جزيء سيتوكروم ج من كائنات مختلفة سلسلها العلماء حتى الآن ، يظهر 37 من هذه الأحماض الأمينية في نفس الموضع في جميع عينات السيتوكروم ج. يشير هذا إلى أنه ربما كان هناك سلف مشترك. عند مقارنة تسلسل البروتين البشري والشمبانزي ، لم يجد العلماء اختلافًا في التسلسل. عندما قارن الباحثون بين متواليات القرود البشرية والقرد ، كان الاختلاف الوحيد في حمض أميني واحد. في مقارنة أخرى ، يظهر تسلسل الإنسان إلى الخميرة اختلافًا في المركز 44.

هيكل البروتين

كما ناقشنا سابقًا ، فإن شكل البروتين مهم لوظيفته. على سبيل المثال ، يمكن أن يرتبط الإنزيم بركيزة معينة في موقع نشط. إذا تم تغيير هذا الموقع النشط بسبب التغيرات المحلية أو التغييرات في بنية البروتين الكلية ، فقد يكون الإنزيم غير قادر على الارتباط بالركيزة. لفهم كيفية حصول البروتين على شكله النهائي أو تشكيله ، نحتاج إلى فهم المستويات الأربعة لبنية البروتين: الأولية والثانوية والثالثية والرباعية.

الهيكل الأساسي

التسلسل الفريد للأحماض الأمينية في سلسلة البولي ببتيد هو هيكلها الأساسي. على سبيل المثال ، يحتوي هرمون الأنسولين في البنكرياس على سلسلتين عديد الببتيد ، A و B ، وهما مرتبطان ببعضهما البعض بواسطة روابط ثاني كبريتيد. الحمض الأميني الطرفي N للسلسلة A هو الجلايسين بينما الحمض الأميني C الطرفي هو الأسباراجين (الشكل 3.25). تسلسل الأحماض الأمينية في السلاسل A و B هي فريدة من نوعها للأنسولين.

يحدد الجين الذي يشفر البروتين في النهاية التسلسل الفريد لكل بروتين. قد يؤدي التغيير في تسلسل النوكليوتيدات في منطقة ترميز الجين إلى إضافة حمض أميني مختلف إلى سلسلة عديد الببتيد المتنامية ، مما يتسبب في حدوث تغيير في بنية البروتين ووظيفته. في فقر الدم المنجلي ، الهيموجلوبين β تحتوي السلسلة (جزء صغير منها نعرضه في الشكل 3.26) على بديل واحد للأحماض الأمينية ، مما يتسبب في حدوث تغيير في بنية البروتين ووظيفته. على وجه التحديد ، فالين في β سلسلة تحل محل الجلوتاميك الأحماض الأمينية. أكثر ما يجب مراعاته هو أن جزيء الهيموجلوبين يتكون من سلسلتين ألفا وسلسلتين بيتا يتكون كل منهما من حوالي 150 من الأحماض الأمينية. لذلك يحتوي الجزيء على حوالي 600 حمض أميني. الاختلاف الهيكلي بين جزيء الهيموجلوبين الطبيعي وجزيء الخلية المنجلية - الذي يقلل بشكل كبير من متوسط ​​العمر المتوقع - هو حمض أميني واحد من 600. ما هو أكثر جاذبية هو أن ثلاثة نيوكليوتيدات لكل منها ترميز 600 من الأحماض الأمينية ، وتغيير قاعدة واحدة (طفرة نقطية) ، 1 في 1800 قاعدة تسبب الطفرة.

بسبب هذا التغيير في أحد الأحماض الأمينية في السلسلة ، تشكل جزيئات الهيموجلوبين أليافًا طويلة تشوه خلايا الدم الحمراء ذات التجويف المزدوج ، أو على شكل قرص ، وتتسبب في اتخاذ شكل الهلال أو "المنجل" ، مما يؤدي إلى انسداد الأوعية الدموية (الشكل 3.27) ). هذا يمكن أن يؤدي إلى عدد لا يحصى من المشاكل الصحية الخطيرة مثل ضيق التنفس والدوخة والصداع وآلام البطن للمصابين بهذا المرض.

الهيكل الثانوي

يؤدي الطي الموضعي لعديد الببتيد في بعض المناطق إلى ظهور البنية الثانوية للبروتين. الأكثر شيوعًا هي ملفات α- الحلزون و βهياكل صفائح مطوية (الشكل 3.28). كلا الهيكلين مثبتان في شكل روابط هيدروجينية. تتكون الروابط الهيدروجينية بين ذرة الأكسجين في مجموعة الكاربونيل في حمض أميني واحد وحمض أميني آخر يتكون من أربعة أحماض أمينية على طول السلسلة.

كل منعطف حلزوني في حلزون ألفا يحتوي على 3.6 بقايا من الأحماض الأمينية. تبرز مجموعات R من polypeptide (المجموعات المتغيرة) من αسلسلة الحلزون. في ال βصفيحة مطوية ، رابطة هيدروجينية بين الذرات على العمود الفقري لسلسلة البولي ببتيد تشكل "الطيات". مجموعات R متصلة بالكربون وتمتد أعلى وأسفل طيات الطية. تتم محاذاة الأجزاء المطوية بالتوازي أو مع بعضها البعض ، وتتشكل الروابط الهيدروجينية بين ذرة الهيدروجين الموجبة جزئيًا في المجموعة الأمينية وذرة الأكسجين السالبة جزئيًا في مجموعة الكربونيل في العمود الفقري للببتيد. ال α- الحلزون و βتوجد هياكل الألواح المطوية في معظم البروتينات الكروية والليفية وتلعب دورًا هيكليًا مهمًا.

الهيكل الثالث

الهيكل الفريد ثلاثي الأبعاد للبولي ببتيد هو هيكله الثالث (الشكل 3.29). يرجع هذا الهيكل جزئيًا إلى التفاعلات الكيميائية في العمل على سلسلة البولي ببتيد. في المقام الأول ، تخلق التفاعلات بين مجموعات R بنية البروتين ثلاثية الأبعاد المعقدة. يمكن لطبيعة مجموعات R في الأحماض الأمينية المعنية أن تتعارض مع تكوين روابط الهيدروجين التي وصفناها للهياكل الثانوية القياسية. على سبيل المثال ، مجموعات R ذات الشحنات المتشابهة تتنافر وتلك التي تحمل رسومًا مختلفة تنجذب إلى بعضها البعض (الروابط الأيونية). عندما يحدث طي البروتين ، تقع مجموعات R الكارهة للماء للأحماض الأمينية غير القطبية في داخل البروتين بينما تقع مجموعات R المحبة للماء في الخارج. يطلق العلماء أيضًا على أنواع التفاعل السابقة التفاعلات الكارهة للماء. يشكل التفاعل بين السلاسل الجانبية للسيستين روابط ثاني كبريتيد في وجود الأكسجين ، وهي الرابطة التساهمية الوحيدة التي تتشكل أثناء طي البروتين.

كل هذه التفاعلات ، الضعيفة والقوية ، تحدد الشكل النهائي ثلاثي الأبعاد للبروتين. عندما يفقد البروتين شكله ثلاثي الأبعاد ، فقد لا يكون فعالاً.

هيكل رباعي

في الطبيعة ، تتكون بعض البروتينات من عدة عديدات ببتيدات ، أو وحدات فرعية ، ويشكل تفاعل هذه الوحدات الفرعية البنية الرباعية. تساعد التفاعلات الضعيفة بين الوحدات الفرعية على استقرار الهيكل العام. على سبيل المثال ، يحتوي الأنسولين (بروتين كروي) على مزيج من روابط الهيدروجين وثاني كبريتيد التي تجعله يتكتل في الغالب على شكل كرة. يبدأ الأنسولين كبولي ببتيد منفرد ويفقد بعض التسلسلات الداخلية في وجود تعديل ما بعد الترجمة بعد تكوين روابط ثاني كبريتيد التي تربط السلاسل المتبقية معًا. ومع ذلك ، فإن الحرير (بروتين ليفي) يحتوي على β- هيكل صفائح مطوي ناتج عن الترابط الهيدروجيني بين السلاسل المختلفة.

يوضح الشكل 3.30 المستويات الأربعة لبنية البروتين (الابتدائي والثانوي والثالث والرباعي).

تمسخ وطي البروتين

كل بروتين له تسلسله الفريد الخاص به والشكل الذي تجمعه التفاعلات الكيميائية معًا. إذا تعرض البروتين لتغيرات في درجة الحرارة أو درجة الحموضة أو التعرض للمواد الكيميائية ، فقد يتغير هيكل البروتين ويفقد شكله دون أن يفقد تسلسله الأساسي فيما يسميه العلماء تمسخًا. غالبًا ما يكون التمسخ قابلاً للانعكاس لأنه يتم الحفاظ على البنية الأساسية لعديد الببتيد في العملية إذا تمت إزالة عامل تغيير الطبيعة ، مما يسمح للبروتين باستئناف وظيفته. في بعض الأحيان يكون التمسخ لا رجوع فيه ، مما يؤدي إلى فقدان الوظيفة. أحد الأمثلة على تمسخ البروتين الذي لا رجعة فيه هو قلي البيضة. بروتين الألبومين الموجود في بياض البيض السائل يغير خصائصه عند وضعه في مقلاة ساخنة. لا تفسد جميع البروتينات في درجات الحرارة العالية. على سبيل المثال ، تحتوي البكتيريا التي تعيش في الينابيع الساخنة على بروتينات تعمل في درجات حرارة قريبة من الغليان. تعد المعدة أيضًا حمضية جدًا ، ولها درجة حموضة منخفضة ، وتؤدي إلى تغيير طبيعة البروتينات كجزء من عملية الهضم ، ومع ذلك ، تحتفظ إنزيمات المعدة الهضمية بنشاطها في ظل هذه الظروف.

يعد طي البروتين أمرًا بالغ الأهمية لوظيفته. اعتقد العلماء في الأصل أن البروتينات نفسها مسؤولة عن عملية الطي. اكتشف الباحثون مؤخرًا أنهم غالبًا ما يتلقون المساعدة في عملية الطي من مساعدي البروتين أو المرافقين (أو المرافقين) الذين يرتبطون بالبروتين المستهدف أثناء عملية الطي. إنها تعمل عن طريق منع تراكم عديد الببتيد الذي يشتمل على بنية البروتين الكاملة ، وينفصلون عن البروتين بمجرد طي البروتين المستهدف.

ارتباط بالتعلم

للحصول على منظور إضافي حول البروتينات ، شاهد هذه الرسوم المتحركة المسماة "الجزيئات الحيوية: البروتينات".


بيكمان ، دبليو دبليو ، هيلر ، أ ، شيدلوفسكي ، ت. ، أرشيبالد ، آر إم (1943). حدوث بروتين قابل للذوبان في حمض ثلاثي كلورو أسيتيك في البول. J. بيول. تشيم. 148: 247 - 248

بليغ ، إي جي ، داير ، دبليو جيه (1959). طريقة سريعة لاستخراج الدهون الكلية وتنقيتها. علبة. J. Biochem. فيسيول. 37: 911-917

برادفورد ، م. (1976). طريقة سريعة وحساسة لتقدير كميات ميكروغرام من البروتين باستخدام مبدأ ربط صبغة البروتين. أناليت. بيوتشيم. 72: 248-254

براون ، آر إي ، جارفيس ، ك.ل ، هايلاند ، ك.ج. (1989). قياس البروتين باستخدام حمض البيسينشونينيك: التخلص من المواد المسببة للتداخل. أناليت. بيوتشيم. 180: 136-139

شيابيلي ، ف ، فاسيل ، أ ، هاجرتي ، دي إف (1979). تركيز البروتين في مستخلصات الخلايا والأنسجة الخام حسب تقدير طريقة ربط الصبغة: مقارنة مع طريقة لوري. أناليت. بيوتشيم. 94: 160–165

كلايتون ، جيه آر ، الابن ، دورتش ، كيو ، ثوريسن ، س.س ، أحمد ، س. إ. (1988). تقييم طرق فصل وتحليل البروتينات والأحماض الأمينية الحرة في عينات العوالق النباتية. J. العوالق الدقة. 10: 341–358

كومبتون ، إس جيه ، جونز ، سي جي (1985). آليات استجابة الصبغة والتدخل في اختبار بروتين برادفورد. أناليت. بيوتشيم. 151: 369-374

كونوفر ، إس إيه إم (1975). تقسيم النيتروجين والكربون في مزارع الدياتوم البحري Thalassiosira fluviatilis مزود بالنترات أو الأمونيوم أو اليوريا. مارس بيول. 32: 231 - 246

كوي ، سي ب ، كورنر ، إي دي إس (1966). تكوين الأحماض الأمينية لبعض الطحالب وحيدة الخلية وكريات البراز التي تنتجها كالانوس فينمارشيكوس عندما تتغذى عليها. في: بارنز ، هـ. (محرر) بعض الدراسات المعاصرة في علوم البحار. ألين وأونوين ، لندن ، ص. 225 - 231

ديكسون ، دي إم جيه ، كيرست ، جي أو (1987). التكيف التناضحي في الطحالب البحرية حقيقية النواة: دور الأيونات غير العضوية ، الأمونيوم الخمري ، السلفونيوم العالي والكربوهيدرات المذابة. أولا الدياتومات ونبتة رودوفيت. فيتول جديد. 106: 645-655

دورسي ، T. E. ، McDonald ، P. ، Roels ، O.A (1977). مقايسة بروتين بيوريفولين ساخن الذي يعطي امتصاص متساوي مع بروتينات مختلفة. أناليت. بيوتشيم. 78: 156–164

دورسي ، T. E. ، McDonald ، P. ، Roels ، O.A (1978). قياسات محتوى بروتين العوالق النباتية بمقايسة بيوريت-فولين الساخنة. J. فيكول. 14: 167 - 171

Dortch، Q.، Clayton، J.R، Jr.، Thoresen، S. S.، Ahmed، S. I (1984). اختلافات الأنواع في تراكم برك النيتروجين في العوالق النباتية. مارس بيول. 81: 237 - 250

Dortch، Q.، Clayton، J.R، Jr.، Thoresen، S. S.، Cleveland، J.S، Bressler، S.L، Ahmed، S.I (1985). تخزين النيتروجين واستخدام المؤشرات البيوكيميائية لتقييم نقص النيتروجين ومعدل النمو في مجموعات العوالق النباتية الطبيعية. J. مار. الدقة. 43: 437-464

Eze ، J.M ، Dumbroff ، E.B (1982). مقارنة بين طرق برادفورد ولوري لتحليل البروتين في نسيج الكلوروفيل. علبة. جيه بوت. 60: 1046-1049

فودن ، إل (1952). تكوين البروتينات السائبة الكلوريلا. بيوتشيم. ياء 50: 355–358

Gnaiger ، E. ، Bitterlich ، G. (1984). التركيب الكيميائي الحيوي التقريبي ومحتوى السعرات الحرارية المحسوب من تحليل عنصر CHN: مفهوم القياس المتكافئ. Oecologia 62: 289-298

Harrison، P. J.، Waters، R.E، Taylor، F.JR (1980). وسيط مياه بحر اصطناعي واسع النطاق للعوالق النباتية الساحلية والمفتوحة. J. فيكول. 16: 28-35

هوبكنز ، سي سي إي ، سيرينغ ، جي في ، نيهولمين ، أو. ، هيرمانسن ، أ. (1984). علم الطاقة البيئي من إجمالي الدهون والبروتين الكلي: حقيقة وأثر باستخدام طريقة قياس الجاذبية للدهون وطريقة بيوريت للبروتين. Oceanogr. مار. بيول. أ. القس 22: 211 - 261

كواليك ، دبليو (1978). تأثيرات الضوء الأزرق على استقلاب الكربوهيدرات والبروتين. في: سنجر ، هـ. (محرر) استجابات الضوء الأزرق: الظواهر والظهور في النباتات ، المجلد. 1. مطبعة CRC ، بوكا راتون ، ص. 8-13

القوانين ، إي. أ. (1991). حواصل التمثيل الضوئي والإنتاج الجديد وصافي الإنتاج المجتمعي في المحيطات المفتوحة. الدقة في أعماق البحار. 38: 143 - 167

ليجلر ، جي ، مولر بلوتز ، سي جي ، مينتجز-هيتكامب ، إم ، بفليجير ، جي ، جوليتش ​​، إي (1985). على الأساس الكيميائي لتحديد البروتين لوري. أناليت. بيوتشيم. 150: 278-287

Lowry ، O.H ، Rosebrough ، N.J. ، Farr ، A.L ، Randall ، R.J. (1951) قياس البروتين باستخدام كاشف Folin-phenol. J. بيول. تشيم. 193: 265–275

لوي ، إن إس تي ، رويلز ، أو.أ (1972). استقلاب النيتروجين للكائنات المائية. II. امتصاص النترات والنتريت والأمونيوم بواسطة Biddulvin aurita. J. فيكول. 8: 259-264

Manahan، D. T.، Nourizadeh، S. (1990). مقارنات بين تقنيات القياس الطيفي والكروماتوغرافي من أجل التحديد المطلق لمحتوى البروتين في بيض ويرقات اللافقاريات البحرية: الآثار المترتبة على دراسات النمو والطاقة. إيوس 71 (2): 12 (مجردة)

ماتو ، ر. ل. ، إسحاق ، م. ، سليم الدين م. (1987). اختبار البروتين بواسطة طريقة ربط Coomassie Brilliant Blue G-250 غير مناسب للأنسجة النباتية الغنية بالفينولات والفينولاز. أناليت. بيوتشيم. 163: 376-384

ماير ، إل إم ، شيك ، إل إل ، سيتشل ، إف دبليو (1986). قياس البروتين في الرواسب البحرية القريبة من الشاطئ. مارس Ecol. بروغ. سر. 30: 159–165

Mayzaud ، P. ، Martin ، J.LM (1975). بعض جوانب التركيب الكيميائي الحيوي والمعدني للعوالق البحرية. J. exp. مار. بيول. ايكول. 17: 297 - 310

بارسونز ، تي آر ، ستيفنز ، ك ، ستريكلاند ، جي دي إتش (1961). حول التركيب الكيميائي لأحد عشر نوعًا من العوالق النباتية البحرية. J. فيش. الدقة. Bd Canada 18: 1001-1016

سيتشل ، ف و. (1981). قياس البروتين الجزيئي في العينات الأوقيانوغرافية عن طريق الربط الصبغي. مارس كيم. 10: 301 - 313

سميث ، بي ك ، كرون ، آر آي ، هيرمانسون ، تي آي ، ماليا ، إيه كيه ، جارتنر ، إف إتش ، بروفينزانو ، إم دي ، فوجيموتو ، إي كيه ، جويكي ، إن إم ، أولسون ، بي جي ، كلينك ، دي سي (1985). قياس البروتين باستخدام حمض البيسينشونينيك. أناليت. بيوتشيم. 150: 76-85

ستيل ، آر جي دي ، توري ، جيه إتش (1980). مبادئ وإجراءات الإحصاء ، الطبعة الثانية. ماكجرو هيل. نيويورك

ستوسشيك ، سي إم (1990). كمية البروتين. ميث. انزيم. 182: 50-69

وايت ، جي إن سي (1987). التركيب الكيميائي الحيوي ومحتوى الطاقة لستة أنواع من العوالق النباتية المستخدمة في الاستزراع البحري لذوات الصدفتين. تربية الأحياء المائية 60: 231-241

زامر ، دبليو إي ، شيك ، جي إم ، تابلي ، دي دبليو (1989). قياسات البروتين واعتبارات الطاقة: مقارنات بين طرق الكيمياء الحيوية وطرق القياس المتكافئ باستخدام ألبومين مصل الأبقار والبروتين المعزول من شقائق النعمان البحرية. ليمنول. Oceanogr. 34: 256-263


مراجع

وينسين ، م. وآخرون. طبيعة سجية 593, 460–464 (2021).

مور كوهين ، ر. مضادات الأكسدة. الأكسدة والاختزال. الإشارة. 24, 16–31 (2016).

حسن ، أ ، إبراهيم ، ي.ر. وأمب شوقي ، أ. J. الكبريت كيم. 28, 211–222 (2007).

Challis، B.C & amp Butler، A. R. in كيمياء المجموعة الأمينية (محرر باتاي ، س.) الفصل. 6 (Interscience ، 1968).

سوير ، د. كيمياء الأكسجين الفصل 5-6 (مطبعة جامعة أكسفورد ، 1991).

لانج ، ب. وآخرون. علوم البروتين. 19, 1420–1431 (2010).


هيكل البروتين

كما تمت مناقشته سابقًا ، فإن شكل البروتين مهم لوظيفته. على سبيل المثال ، يمكن أن يرتبط الإنزيم بركيزة معينة في موقع يُعرف باسم الموقع النشط. إذا تم تغيير هذا الموقع النشط بسبب التغيرات المحلية أو التغيرات في بنية البروتين الكلية ، فقد يكون الإنزيم غير قادر على الارتباط بالركيزة. لفهم كيفية حصول البروتين على شكله النهائي أو تشكيله ، نحتاج إلى فهم المستويات الأربعة لبنية البروتين: الأولية والثانوية والثالثية والرباعية.

الهيكل الأساسي

التسلسل الفريد للأحماض الأمينية في سلسلة البولي ببتيد هو هيكلها الأساسي. على سبيل المثال ، يحتوي هرمون الأنسولين في البنكرياس على سلسلتين عديد الببتيد ، A و B ، وهما مرتبطان ببعضهما البعض بواسطة روابط ثاني كبريتيد. الحمض الأميني الطرفي N للسلسلة A هو الجلايسين ، في حين أن الحمض الأميني C الطرفي هو الهليون (الشكل 4). تسلسل الأحماض الأمينية في السلاسل A و B فريد من نوعه للأنسولين.

الشكل 4. الأنسولين المصل البقري هو هرمون بروتيني يتكون من سلسلتين من الببتيد ، A (بطول 21 حمضًا أمينيًا) و B (بطول 30 حمضًا أمينيًا). في كل سلسلة ، تتم الإشارة إلى الهيكل الأساسي باختصارات من ثلاثة أحرف تمثل أسماء الأحماض الأمينية بالترتيب الموجود بها. يحتوي حمض السيستين (cys) على مجموعة سلفهيدريل (SH) كسلسلة جانبية. يمكن أن تتفاعل مجموعتان من الكبريتيد في وجود الأكسجين لتكوين رابطة ثنائي كبريتيد (S-S). تربط سندات ثاني كبريتيد السلاسل A و B معًا ، والثالثة تساعد في طي السلسلة A إلى الشكل الصحيح. لاحظ أن جميع روابط ثاني كبريتيد لها نفس الطول ، ولكن يتم رسمها بأحجام مختلفة من أجل الوضوح.

يتم تحديد التسلسل الفريد لكل بروتين في النهاية من خلال الجين المشفر للبروتين. قد يؤدي التغيير في تسلسل النوكليوتيدات لمنطقة ترميز الجين & # 8217s إلى إضافة حمض أميني مختلف إلى سلسلة البولي ببتيد المتنامية ، مما يتسبب في تغيير بنية البروتين ووظيفته. في فقر الدم المنجلي ، الهيموجلوبين β السلسلة (جزء صغير منها مبين في الشكل 5) لها بديل واحد للأحماض الأمينية ، مما يتسبب في تغيير في بنية البروتين ووظيفته.

الشكل 5. يبلغ طول سلسلة بيتا من الهيموجلوبين 147 وحدة بنائية ، ومع ذلك فإن استبدال الأحماض الأمينية الواحدة يؤدي إلى فقر الدم المنجلي. في الهيموجلوبين الطبيعي ، يكون الحمض الأميني في الموضع السابع هو الجلوتامات. في الهيموجلوبين المنجلي ، يتم استبدال هذه الجلوتامات بفالين.

على وجه التحديد ، يتم استبدال حمض الجلوتاميك من الأحماض الأمينية بالفالين في β سلسلة. أكثر ما يجب مراعاته هو أن جزيء الهيموجلوبين يتكون من سلسلتين ألفا وسلسلتين بيتا يتكون كل منهما من حوالي 150 من الأحماض الأمينية. لذلك يحتوي الجزيء على حوالي 600 حمض أميني. الاختلاف الهيكلي بين جزيء الهيموجلوبين الطبيعي وجزيء الخلية المنجلية - الذي يقلل بشكل كبير من متوسط ​​العمر المتوقع - هو حمض أميني واحد من 600. ما هو أكثر جاذبية هو أن تلك الأحماض الأمينية الستمائة مشفرة بثلاثة نيوكليوتيدات لكل منهما ، والطفرة ناتج عن تغيير أساسي واحد (طفرة نقطية) ، 1 في 1800 قاعدة.

الشكل 6. في عينة الدم هذه ، المتخيلة بتكبير 535x باستخدام مجهر المجال الساطع ، تكون الخلايا المنجلية على شكل هلال ، بينما الخلايا الطبيعية على شكل قرص. (الائتمان: تعديل العمل بواسطة بيانات شريط مقياس إد عثمان من مات راسل)

Because of this change of one amino acid in the chain, hemoglobin molecules form long fibers that distort the biconcave, or disc-shaped, red blood cells and assume a crescent or “sickle” shape, which clogs arteries (Figure 6). This can lead to myriad serious health problems such as breathlessness, dizziness, headaches, and abdominal pain for those affected by this disease.

Secondary Structure

The local folding of the polypeptide in some regions gives rise to the secondary structure of the protein. The most common are the α-helix and β-pleated sheet structures (Figure 7). Both structures are the α-helix structure—the helix held in shape by hydrogen bonds. The hydrogen bonds form between the oxygen atom in the carbonyl group in one amino acid and another amino acid that is four amino acids farther along the chain.

Figure 7. The α-helix and β-pleated sheet are secondary structures of proteins that form because of hydrogen bonding between carbonyl and amino groups in the peptide backbone. تميل بعض الأحماض الأمينية إلى تكوين حلزون ألفا ، بينما يميل البعض الآخر إلى تكوين صفيحة مطوية β.

Every helical turn in an alpha helix has 3.6 amino acid residues. The R groups (the variant groups) of the polypeptide protrude out from the α-helix chain. في ال β-pleated sheet, the “pleats” are formed by hydrogen bonding between atoms on the backbone of the polypeptide chain. The R groups are attached to the carbons and extend above and below the folds of the pleat. The pleated segments align parallel or antiparallel to each other, and hydrogen bonds form between the partially positive nitrogen atom in the amino group and the partially negative oxygen atom in the carbonyl group of the peptide backbone. ال α-helix and β-pleated sheet structures are found in most globular and fibrous proteins and they play an important structural role.

Tertiary Structure

The unique three-dimensional structure of a polypeptide is its tertiary structure (Figure 8). This structure is in part due to chemical interactions at work on the polypeptide chain. في المقام الأول ، تخلق التفاعلات بين مجموعات R بنية ثلاثية الأبعاد معقدة للبروتين. يمكن لطبيعة مجموعات R الموجودة في الأحماض الأمينية المعنية أن تبطل تكوين روابط الهيدروجين الموصوفة للهياكل الثانوية القياسية. على سبيل المثال ، يتم صد مجموعات R ذات الرسوم المتشابهة من قبل بعضها البعض وتلك التي تحمل رسومًا مختلفة تنجذب إلى بعضها البعض (الروابط الأيونية). عندما يحدث طي البروتين ، تكمن مجموعات R الكارهة للماء من الأحماض الأمينية غير القطبية في الجزء الداخلي من البروتين ، بينما تقع مجموعات R المحبة للماء في الخارج. The former types of interactions are also known as hydrophobic interactions. يشكل التفاعل بين السلاسل الجانبية للسيستين روابط ثاني كبريتيد في وجود الأكسجين ، وهي الرابطة التساهمية الوحيدة التي تتشكل أثناء طي البروتين.

Figure 8. The tertiary structure of proteins is determined by a variety of chemical interactions. These include hydrophobic interactions, ionic bonding, hydrogen bonding and disulfide linkages.

كل هذه التفاعلات ، الضعيفة والقوية ، تحدد الشكل النهائي ثلاثي الأبعاد للبروتين. When a protein loses its three-dimensional shape, it may no longer be functional.

Quaternary Structure

In nature, some proteins are formed from several polypeptides, also known as subunits, and the interaction of these subunits forms the quaternary structure. Weak interactions between the subunits help to stabilize the overall structure. For example, insulin (a globular protein) has a combination of hydrogen bonds and disulfide bonds that cause it to be mostly clumped into a ball shape. Insulin starts out as a single polypeptide and loses some internal sequences in the presence of post-translational modification after the formation of the disulfide linkages that hold the remaining chains together. Silk (a fibrous protein), however, has a β-pleated sheet structure that is the result of hydrogen bonding between different chains.

The four levels of protein structure (primary, secondary, tertiary, and quaternary) are illustrated in Figure 9.

Figure 9. The four levels of protein structure can be observed in these illustrations. (credit: modification of work by National Human Genome Research Institute)

تمسخ وطي البروتين

لكل بروتين تسلسله وشكله الفريدان المرتبطان ببعضهما البعض بواسطة التفاعلات الكيميائية. If the protein is subject to changes in temperature, pH, or exposure to chemicals, the protein structure may change, losing its shape without losing its primary sequence in what is known as denaturation. غالبًا ما يكون التمسخ قابلاً للانعكاس لأنه يتم الحفاظ على الهيكل الأساسي للبولي ببتيد في العملية إذا تمت إزالة عامل تغيير الطبيعة ، مما يسمح للبروتين باستئناف وظيفته. في بعض الأحيان يكون التمسخ لا رجوع فيه ، مما يؤدي إلى فقدان الوظيفة. أحد الأمثلة على تمسخ البروتين الذي لا رجعة فيه هو عندما يتم قلي البيضة. The albumin protein in the liquid egg white is denatured when placed in a hot pan. Not all proteins are denatured at high temperatures for instance, bacteria that survive in hot springs have proteins that function at temperatures close to boiling. The stomach is also very acidic, has a low pH, and denatures proteins as part of the digestion process however, the digestive enzymes of the stomach retain their activity under these conditions.

يعد طي البروتين أمرًا بالغ الأهمية لوظيفته. كان يعتقد في الأصل أن البروتينات نفسها هي المسؤولة عن عملية الطي. Only recently was it found that often they receive assistance in the folding process from protein helpers known as chaperones (or chaperonins) that associate with the target protein during the folding process. إنها تعمل عن طريق منع تراكم البولي ببتيدات التي تشكل بنية البروتين الكاملة ، وتنفصل عن البروتين بمجرد طي البروتين المستهدف.


Availability of data and materials

All datasets generated and/or analyzed during the current study are publicly available. All reconstructed gene content for the lineages of the 76 species in this arthropod phylogeny are freely available at https://arthrofam.org and in Additional file 1: Table S11. All DNA, RNA, genome assembly, and transcriptome assembly sequences can be found at the NCBI, under the i5k Arthropod Genome Pilot Project (arthropods) Umbrella BioProject PRJNA163973 [63].

Full accessions for all data including SRA accessions for all sequence libraries, RNAseq libraries, assembly accessions for genome and transcriptomes are listed in Additional file 1: Tables S1-S4. Additional gene annotation data can be found at the USDA National Agricultural Libraries i5K workspace—for example the Asian longhorned beetle data is at https://i5k.nal.usda.gov/Anoplophora_glabripennis. Links for all automated annotations generated in this work are listed in Additional file 1: Table S5. Sources and versions for publicly available gene sets from previously sequenced species used in these analyses are listed in Additional file 1: Table S6.


Protein aggregation in a membrane environment

A Atomic Structure

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is applied extensively to assess the structural details of protein self-assemblies at an atomic resolution. This tool analyzes the dependence of magnetic properties, typically isotropic chemical shielding, of a certain nucleus on its chemical environment ( Robustelli et al., 2008 ). NMR occurs when the nuclei with nonzero spin quantum numbers are exposed to the magnetic field and subjected to the radiofrequency irradiation. The most informative nuclei involve 1 H, 13 C, 15 N, 19 F, and 31 P ( Evans, 1995 ). Basic configuration of NMR (solution-state NMR) is successfully utilized for investigation of small molecules whose molecular weight is less than ∼ 30 kDa (e.g., protein monomers). However, while exploring the structural and topological aspects of protein clusters, this technique encounters some difficulties connected with reduced tumbling rates and longer rotational correlation times of the polypeptide assemblies ( Auger, 2000 ). This pitfall led to the development of the advanced modification of NMR, called solid-state NMR. Contrary to solution-state NMR spectra which are averaged over all anisotropic interactions, solid-state NMR reflects the full range of orientation-dependent interactions. To detect the monomer-to-oligomer transition, the changes in spectroscopic features, such as chemical shift, linewidth, cross-peaks, nuclear Overhauser effect, are recorded. A number of NMR studies have been performed to study protein aggregation in a membrane environment ( Lindstöm et al., 2002 Grage et al., 2004 Naito and Kawamura, 2007 ). An example of such studies is given by the work of Ravault et al. (2005) where the results of 2 H and 31 P NMR provided an evidence for the oligomer formation while binding of Aβ peptide monomers to lipid membranes.

Despite its clear privileges, solid-state NMR suffers from several drawbacks. First, the instrumentation is extremely expensive, though some solution-state NMR spectrometers can be adapted to perform solid-state measurements. Second, the measurements are time consuming ranging from several minutes to a couple of days depending on the sample being analyzed. Finally, peak assignment can be challenging, because multiple peaks could be observed for a single nuclear site or they may overlap.


Composition and Functions of Various Digestive Juice| Human | مادة الاحياء

There are five digestive juices saliva, gastric juice, pancreatic juice, succus entericus (intestinal juice) and bile.

The necessity for so many digestive juices is that -(a) One juice does not contain all the enzymes necessary for digesting all the different types of foodstuffs. For instance, saliva contains only carbohydrate-splitting enzymes whereas gastric juice contains both fat- and protein -splitting enzymes but none acting on carbohydrates, and (b) The second reason is that, one particular digestive juice cannot digest a particular type of food up to completion.

It will digest only up to a certain stage and then, the products will be handed over to the next digestive juice for further digestion. In this way digestion is completed. For instance, gastric juice digests protein up to the stage of peptone, pancreatic juice carries the digestion of peptone further up to lower peptide. The latter is digested completely up to amino acids by succus entericus.

One more interesting fact about the digestive juices is that, their reactions are not all same. Saliva is slightly acid, gastric juice is strongly acid, but pancreatic juice is strongly alkaline. This, more or less, alternate acid and alkaline reaction, prevents any serious alteration of blood reaction. This is a special device for maintaining blood reaction constant.

The composition and functions of various digestive juices is mentioned below:

Digestive Juice # 1. Saliva:

مميزات:

Total Amount – 1,200 -1,500 ml in 24 hours. A large proportion of this 24-hour volume is secreted at meal time, when secretory rate is highest.

Consistency – Slightly cloudy, due to the presence of cells and mucin.

Reaction – Usually slightly acid (pH 6.02 – 7.05). On standing or boiling it loses CO2 and becomes alkaline. This alkaline reaction causes precipitation of salivary constituents, as tartar on the teeth or calculus in salivary duct.

Specific Gravity – 1.002 – 1.012.

Freezing Point – 0.07 – 0.34°C.

1. Water – 99.5%.

2. Solids – 0.5%.

أنا. Cellular Constituents:

Yeast cells, bacteria, protozoa, polymorphonuclear leucocytes, desquamated epi­thelial cells, etc.

About 0.2% consists of NaCI, KCI, acid and alkaline sodium phosphate, CaCO3, calcium phosphate, potassium thiocyanate. Smoker’s saliva is rich in thiocyanate. In case of poisoning with metals like lead, mercury, etc., they are secreted in saliva.

ثالثا. Orgainc – 0.3%.

أ. Enzymes P tyalin (salivary amylase) lipase, carbonic anhydrase, phosphatase and a bacteriolytic en­zyme, lysozyme.

ج. Urea, amino acids, cholesterol and vitamins (in small amounts).

د. The soluble specific blood group substances also form part of the organic constituents of saliva and they have the same characteristics as the agglutinogen on the erythrocyte. In human beings, A, B, O and Le a substances have been demonstrated. Their concentration in saliva is from 10 to 20 mgm per litre.

Saliva contains about 1 ml oxygen, 2.5 ml nitrogen and 50 ml of CO2 per 100 ml. Bicarbonates, phosphates and the proteins act as buffers. Chlorides activate amylase. The thiocyanate (KCNS) is a product of excretion. It is formed in the body from the cyanogen radicle (-CN) derived from pro­teins. Its formation is a process of detoxication of the poisonous cyanides and hence is an example of protective synthesis. With ferric chloride it gives a rich brown colour.

An enzyme kallikrein is present in saliva which acts upon plasma protein to produce a substance known as kallidin or bradykinin. This produces vasodilatation of salivary gland during secretion and is also responsible for the sudden fall and consequent rise in blood pressure observed after injection of saliva in animals.

1. Mechanical Functions:

أ. It keeps the mouth moist and helps speech. Decrease in salivary secretion as occurs after nervousness, causes impairment of speech.

ب. It helps in the process of mastication of the foodstuff and in preparing it into a bolus, suitable for deglutition. Here, saliva also acts as a lubricant.

ج. Constant flow of saliva washes down the food debris and thereby does not allow the bacteria to grow. In acute fevers, where the salivary secretion is inhibited, the food debris is not properly washed away and the bacteria multiply. These collect as the sordes at the root of the teeth and upon the tongue.

It is to be noted that the mechanical functions of saliva are its chief functions in human beings, and is mainly contributed by mucin one of its main constituents.

2. Digestive Functions:

Saliva contains two enzymes:

Splits starch up to maltose in the following manner [Fig. 9.24]

Maltase (in traces) converts maltose into glucose.

3. Excretory Functions:

Saliva excretes urea, heavy metals (Hg, Pb, Bi, As, etc.), thiocyanates, certain drugs like iodide, etc. Alkaloids, such as morphine, antibiotics, such as penicillin, streptomycin, etc. are also excreted in the saliva. The excretion of ethyl alcohol by the salivary gland has prompted the recommendation that such a test should be used for medico-legal purpose. [It also excretes certain virulent micro-organisms, such as the virus of hydrophoboea, acute anterior poliomyelitis, mumps, etc.]

4. Helps in the Sensation of Taste:

Taste is a chemical sensation. Unless the substances are in solution, the taste buds cannot be stimulated. Saliva acts as a solvent and is thus essential for taste.

5. Helps Water Balance:

Saliva keeps the mouth moist. When moisture is reduced in the mouth, certain nerve endings at the back of the tongue are stimulated and the sensation of thirst arises. When body water is lost (sweating, diarrhoea, etc.) – saliva is reduced and thirst is felt. The subject feels the necessity of drinking water and thus water balance is restored.

This is mainly found in animals (dog, sheep, etc.). When they become hot or excited more saliva is secreted causing greater heat loss.

Mainly bicarbonate and to a lesser extent phosphate and mucin present in saliva act as buffers. There is an increase in bicarbonate concentration during food intake.

8. Bacteriolytic Action:

Cell membrane of different varieties of bacteria contains polysaccharides, lysozyme, the enzyme present in the saliva is polysaccharides, and thus it dissolves the cell wall of many bacteria and finally kills them.

Digestive Juice # 2. Gastric Juice:

The average composition of human gastric juice is as follows:

أ. Inorganic – 0.15% (NaCI, KCI, CaCI,, calcium phosphate, Mag. Phosphate, bicarbonate, etc.).

أنا. Other proteolytic enzymes of the gastric juice are cathepsin, gastricin, parapepsin I and II.

رابعا. Other gastric enzymes are present in minute amounts and are lysozyme, gelatinase, urease, carbonic anhydrase.

مميزات:

أنا. Total Quantity – About 500 -1,000 ml per meal (1,200 ml -1,500 ml per day).

ثانيا. Reaction – Strongly acid.

رابعا. Total Acidity – – 0.45 – 0.6%. It includes free HCI, as well as HCI combined with proteins. It also includes other acids, such as lactic acid. As ordinarily examined, the gastric contents show a lower acidity (0.15% to 0.25% HCI), because the HCI is partly neutralised by mucin and other substances.

السادس. Specific Gravity – 1.002 -1.004.

أنا. Pepsin – The enzyme pepsin, with HCI, digests proteins up to the stage of peptone.

ثانيا. Rennin – Rennin coagulates caseinogen of milk.

ثالثا. Gastric Lipase – Gastric lipase digests fat to some degree.

رابعا. HCI Acts as an Antiseptic – HCI acts as an antiseptic and causes some hydrolysis of all the foodstuffs.

v. Excretion – Toxins, heavy metals, certain alkaloids, etc., are excreted through gastric juice.

Digestive Juice # 3. Pancreatic Juice:

مميزات:

أنا. Total Quantity – About 500 ml per meal. About 1,500 ml in 24 hours.

ثالثا. Specific Gravity – 1.010 to 1.030

أنا. Inorganic Constituents:

The distinguishing chemical characteristic is its high bicarbonate content. The principal bases are sodium and potassium. Small amounts of calcium, magnesium and zinc are also present.

ثانيا. Organic Constituents:

The enzymes of pancreatic juice are trypsinogen, chymotrypsinogen, procar­boxypeptidase, nucleotidases (ribonuclease and deoxyribonuclease), elastase, collagenase, pancreatic lipase, lecithinase, cholesterol esterase and amylase.

Its composition varies according to the means used to cause Secretion.

Table 9.1 shows the difference between secretin juice and pilocarpine juice:

Digestive Juice # 4. Succus Entericus (Intestinal Juice):

Intestinal juice, in pure form, is difficult to collect because it is mixed up with bile and pancreatic juice. It can be collected from fistula preparations, such as Thiry fistula, Thiry-Vella modification, and Mann Bollman fistula.

مميزات:

أنا. Total Quantity – Roughly about 1-2 litres in 24 hours. [Accurate measurement is not possible due to the great length of the small intestine.]

ثانيا. Specific Gravity – Specific gravity -1.010.

ثالثا. Reaction – Faintly acid to faintly alkaline.

رابعا. pH – Varies from 6.3 – 9.0 average 8.3.

أنا. Inorganic – 0.8% salts of sodium, potassium, calcium and magnesium with that of chloride, bicarbonate and phosphate. The bicarbonate concentration is higher than it is in the blood or interstitial fluids.

أ. Activator- Enteropeptidase (previously known as enterokinase). It activates trypsinogen into trypsin.

Intestinal Juice Enzymes:

أنا. Erepsin – A mixture of enzymes containing dipeptidases (break down dipeptides into amino acids) and amino peptidases (remove terminal amino acid containing free NH2 group from polypeptides).

ثانيا. Enzymes – Several enzymes acting on the different fractions of nucleic acid, such as nuclease, nucleotidase and nu­cleosidase.

ثالثا. Arginase Acts on arginine producing urea and ornithine.

2. Carbohydrate Splitting:

أنا. Amylase – Found in traces, acts on starch and dextrin.

ثانيا. Sucrase (Invertase) – Digests cane sugar.

ثالثا. Maltase – Acts on maltose.

v. Lactase – Breaks down lactose.

3. Fat-Splitting – Lipase.

Alkaline phosphatase, cholesterol esterase, lecithinase, etc.

The small intestine does not secrete enzymes in the sense that secretion occurs in the gastric mucosa or in the pancreas. Most of these digestive enzymes are actually intracellular and are present in the juice only because cells desquamate. Enteropeptidase and amylase are highly soluble and diffusible and are present in the succus entericus.

As regards other enzymes they are mostly present in the epithelial cells. Peptidases (erepsin), lactase, maltase, sucrose (invertase) and lipase are found in the intestinal epithelium as well as in the shed cells present in the juice. Proteases, nuclease, phosphatase and arginase are present in the scrapings of the mucous membrane only. These scrapings also show the presence of all the enzymes mentioned above.

From this it can be concluded that the enzymes discussed above digest the foodstuffs in three ways:

1. Soluble enzymes- Enteropeptidase and amylase, freely exert their action on trypsinogen and starch respec­tively.

2. The shed cells break down in the succus entericus, set free their insoluble enzymes which digest polypep­tides, disaccharides and fats.

3. Those insoluble enzymes which remain in the intestinal mucosa and found only in the scrapings, exert their actions of the corresponding substrates during their transit through the epithelium, in the course of absorption.

Digestive Juice # 5. Bile:

Bile is both a product of secre­tion as well as of excretion of the liver. Minute droplets of bile collect inside the tiny vac­uoles of the liver cells and are discharged into the bile cap­illaries through the intracel­lular canaliculi. The primary bile capillaries start between hepatic cells as blind tubules.

They join together repeatedly and form bigger channels and ultimately come out of liver as the right and left hepatic ducts. The two ducts unite and form the common bile duct, which enter into the ducodenum, through the ampulla of Vater. Through the same am­pulla also the pancreatic duct opens. From the upper part of the common bile duct commences the cystic duct, which ends in the gall-bladder (Fig. 9.25).

Formation of bile by the liver is an active process, but entry of bile into the duodenum is intermittent and takes place only after meal. This necessarily indicates that bile must be stored somewhere. Gall-bladder acts as the chief storehouse. The common bile duct also stores some bile.

Composition of Bile:

Bile is a complex fluid containing various substances, some of which are merely waste products undergoing excretion, whereas others are products of secretion serving important physiological functions. In the gall-bladder bile is concentrated five to ten times and its alkalinity is reduced (vide ‘Gall-bladder’). The composition, as estimat­ed by different observers, varies widely.

The usual composition and the characters are as follows:

مميزات:

أنا. Total Quantity – 500 -1,000 ml daily. On the average about 700 ml.

ثانيا. Sp. Gravity – 1.010 -1.011 (Gall-bladder bile-1.026 -1.040).

ثالثا. Colour – Human bile is yellowish-green. [In the carnivore, it is golden-yellow, due to the presence of more bilirubin. In herbivora, the colour is green, due to more biliverdin.]

v. Consistency – Viscid, mucoid liquid.

السادس. Reaction – Liver bile is definitely alkaline, pH 7.7. [Some hold pH 8.0 – 8.6] Gall-bladder bile is neutral or slightly alkaline (pH 7.0 – 7.6) or slightly acid (pH 6.8). That of dog and cat, definitely acid (pH 5.6).

The chief constituents are:

Chlorides, carbonates and phosphates of Na, K and Ca and NaHCO3. The total base is equivalent to about 170 ml of (N/10) NaOH per 100 ml of liver bile (300 ml % in gall-bladder bile).

Sodium taurocholate and sodium glycocholate. These are the most important constituents of bile and are synthesised by the liver (secretion).

Of which bilirubin and biliverdin are the chief .

رابعا. Cholesterol, Lecithin:

Cholesterol, lecithin and traces of fatty acids, soaps, etc. Cholesterol is probably an excretory product, because its amount in bile varies with its level in blood. It is kept in solution by the hydrotropic action of bile salts.