العلاقة بين بنية ووظيفة البروتين
الأحماض الأمينية و خاصيتها الأمفوتيرية
- أن تعرّف الحمض الأميني انطلاقا من صيغته الكيميائية العامّة
- أن تصنّف الأحماض الأمينية العشرين اعتمادا على جذرها المتغيّر
- أن تفسّر نتائج الهجرة الكهربائية وتستخرج منها الخاصّية الأمفوتيرية
- أن تحدّد شحنة حمض أميني بمقارنة pH الوسط بـ pHi الخاصّ به
- أن تستنتج كيفية تشكّل الرابطة الببتيدية وتعدّ الوظائف الحرّة في سلسلة
- أنّ البروتين تتابع من أحماض أمينية يحدّده تتابع القواعد الآزوتية في المورثة
- معنى وسط حامضي ووسط قاعدي، ومعنى pH
- قراءة صيغة مفصّلة والتعرّف على الوظيفة الحمضية والوظيفة الأمينية
النشاط 1: الصيغة العامّة للحمض الأميني
للتحقّق من الفرضية القائلة إنّ الأحماض الأمينية هي التي تحدّد البنية الفراغية للبروتين، نحتاج أوّلا إلى معرفة خصائص هذه الأحماض. وتمثّل الوثيقة (1) الصيغة العامّة التي تشترك فيها كلّها.
- قدّم تعريفا للحمض الأميني من خلال صيغته الكيميائية العامّة.
- حدّد الجزء الذي يتغيّر من حمض أميني إلى آخر، والجزء الذي يبقى ثابتا.
إظهار الإجابةإخفاء الإجابة
- نقدّم التعريف: الأحماض الأمينية مركّبات عضوية تحتوي على مجموعة كربوكسيل COOH وهي وظيفة حمضية، وعلى مجموعة أمينية H₂N وهي وظيفة قاعدية، وعلى كربون مركزي يُسمّى الكربون α، وعلى جزء متغيّر هو الجذر R. ومن اجتماع الوظيفتين على الكربون نفسه جاء الاسم.
- نحدّد المتغيّر والثابت: الثابت هو الهيكل: كربون α يحمل الوظيفة الأمينية والوظيفة الكربوكسيلية وذرّة هيدروجين، وهو واحد في جميع الأحماض الأمينية. والمتغيّر هو الجذر R وحده، وهو الرابطة الرابعة للكربون α. فاختلاف الأحماض الأمينية اختلاف في الجذر لا غير.
النشاط 2: تنوّع الأحماض الأمينية العشرين
بيّنت التحاليل الكيميائية أنّ البروتينات تُبنى من عشرين نوعا من الأحماض الأمينية لا أكثر. وهي تشترك كلّها في الهيكل الذي رأيناه، ولا تختلف إلاّ في الجذر R. تجمع الوثيقة (2) هذه الأنواع العشرين مع طبيعة جذر كلّ منها.
| الاسم | الرمز | جذر R، وهو الجزء المتغيّر | الصنف |
|---|---|---|---|
| غليسين | Gly | ذرّة هيدروجين واحدة، وهو أبسط الجذور | معتدل — أليفاتية |
| ألانين | Ala | مجموعة ميثيل CH₃ | معتدل — أليفاتية |
| فالين | Val | سلسلة كربونية متفرّعة | معتدل — أليفاتية |
| لوسين | Leu | سلسلة كربونية متفرّعة أطول | معتدل — أليفاتية |
| إيزولوسين | Ile | سلسلة كربونية متفرّعة | معتدل — أليفاتية |
| برولين | Pro | حلقة خماسية تدخل فيها الوظيفة الأمينية نفسها | معتدل — أليفاتية |
| سيرين | Ser | يحمل وظيفة كحولية OH | معتدل — كحولية |
| ثريونين | Thr | يحمل وظيفة كحولية OH | معتدل — كحولية |
| ميثيونين | Met | يحمل ذرّة كبريت S داخل السلسلة | معتدل — كبريتية |
| سيستيين | Cys | يحمل مجموعة HS الكبريتية في طرفه | معتدل — كبريتية |
| فينيل ألانين | Phe | حلقة بنزينية سداسية | معتدل — عطرية |
| تيروزين | Tyr | حلقة بنزينية تحمل وظيفة كحولية OH | معتدل — عطرية |
| تريبتوفان | Trp | نظام من حلقتين ملتحمتين، وهو أعقد الجذور | معتدل — عطرية |
| أسبارجين | Asn | يحمل وظيفة أميدية | معتدل — أميدية |
| غلوتامين | Gln | يحمل وظيفة أميدية على سلسلة أطول | معتدل — أميدية |
| حمض الأسبارتيك | Asp | يحمل وظيفة حمضية COOH ثانية | حمضي |
| حمض الغلوتاميك | Glu | يحمل وظيفة حمضية COOH ثانية على سلسلة أطول | حمضي |
| ليزين | Lys | يحمل وظيفة أمينية ثانية في طرفه | قاعدي |
| أرجنين | Arg | يحمل مجموعة آزوتية قاعدية في طرفه | قاعدي |
| هيستيدين | His | حلقة خماسية بذرّتي آزوت | قاعدي |
- تعرّف على أبسط حمض أميني وعلى أعقده اعتمادا على الجذر.
- قارن بين جذري الحمضين الأمينيين سيرين وثريونين.
- تعرّف على الأحماض الأمينية الكبريتية وعلى الأحماض الأمينية العطرية.
- حدّد الأحماض الأمينية ذات الجذر الحامضي وذات الجذر القاعدي.
- علّل لماذا يُصنّف الألانين ضمن الأحماض الأمينية المعتدلة.
إظهار الإجابةإخفاء الإجابة
- نتعرّف على الأبسط والأعقد: أبسط حمض أميني هو الغليسين Gly، لأنّ جذره ذرّة هيدروجين واحدة، فهو أفقر الجذور. وأعقد حمض أميني هو التريبتوفان Trp، لأنّ جذره نظام من حلقتين ملتحمتين.
- نقارن الجذرين: يحمل كلّ من السيرين Ser والثريونين Thr في جذره وظيفة كحولية OH، وهذا ما يسمح بتصنيفهما معا ضمن الأحماض الأمينية المعتدلة الكحولية.
- نتعرّف على الكبريتية والعطرية: الأحماض الأمينية الكبريتية هي التي تحتوي على الكبريت S، وهي اثنان: الميثيونين Met والسيستيين Cys. والأحماض الأمينية العطرية هي التي تحتوي في جذرها على حلقة بنزينية، وهي ثلاثة: التريبتوفان Trp والفينيل ألانين Phe والتيروزين Tyr.
- نحدّد الحامضية والقاعدية: الأحماض الأمينية الحامضية اثنان: حمض الأسبارتيك Asp وحمض الغلوتاميك Glu، ويحمل جذرهما وظيفة حمضية ثانية. والقاعدية ثلاثة: الليزين Lys والأرجنين Arg والهيستيدين His، ويحمل جذرها مجموعة آزوتية قاعدية.
- نعلّل تصنيف الألانين: يُعدّ الألانين Ala حمضا أمينيا معتدلا لأنّ جذره مجموعة ميثيل لا تحمل وظيفة قاعدية ولا وظيفة حمضية أخرى. فالوظيفتان اللتان فيه هما وظيفتا الهيكل نفسه، وهما موجودتان عند الجميع.
النشاط 3: سلوك الحمض الأميني حسب حموضة الوسط
لتحديد شحنة الحمض الأميني ألانين نضع قطرة من محلوله في منتصف شريط من ورق الترشيح داخل جهاز الهجرة الكهربائية، ثمّ نكرّر التجربة نفسها عند قيم مختلفة من pH. تجمع الوثيقة (3) نتائج الأوساط الثلاثة بعد انتهاء مدّة الفصل.
- فسّر نتائج الهجرة الكهربائية للألانين في الأوساط الثلاثة، وحدّد شحنته في كلّ منها.
- استخرج القاعدة التي تسمح بتحديد شحنة حمض أميني بمقارنة قيمة pH الوسط بقيمة pHi الخاصّة به.
إظهار الإجابةإخفاء الإجابة
- نفسّر النتائج: عند pH يساوي 2 الوسط حامضيّ غنيّ بشوارد الهيدروجين، ونلاحظ هجرة الألانين نحو القطب السالب، ممّا يدلّ على أنّ شحنته موجبة بعد اكتسابه شاردة هيدروجين. وعند pH يساوي 12 الوسط قاعديّ فقير بشوارد الهيدروجين، ونلاحظ هجرته نحو القطب الموجب، ممّا يدلّ على أنّ شحنته سالبة بعد فقدانه شاردة هيدروجين. وعند pH يساوي 6 لا يهاجر نحو أيّ قطب، فشحنته الإجمالية معدومة.
- نستخرج القاعدة: لكلّ حمض أميني قيمة pHi خاصّة به تُسمّى نقطة التعادل الكهربائي. فإذا كان pH الوسط أصغر من pHi كانت شحنة الحمض الأميني موجبة فاتّجه نحو القطب السالب. وإذا كان pH الوسط أكبر من pHi كانت شحنته سالبة فاتّجه نحو القطب الموجب. وإذا تساوى pH الوسط مع pHi كانت شحنته معدومة فلم يتحرّك.
النشاط 4: ما الذي يتأيّن في كلّ وسط ؟
رأينا في النشاط السابق أنّ الشحنة تتغيّر، ولم نرَ بعد ما الذي يتغيّر داخل الجزيئة. تعرض الوثيقة (4) ثلاث معادلات تأيّن، واحدة لكلّ وسط من الأوساط الثلاثة.
- حدّد الوظيفة التي تتأيّن في الوسط الحامضي وتلك التي تتأيّن في الوسط القاعدي، معلّلا إجابتك.
- مثّل صيغة الألانين عند نقطة تعادله الكهربائي، واستنتج سبب انعدام شحنته.
إظهار الإجابةإخفاء الإجابة
- نحدّد الوظيفة المتأيّنة: في الوسط الحامضي الغنيّ بشوارد الهيدروجين تتأيّن الوظيفة الأمينية وحدها فتصير NH₃⁺، وتبقى الوظيفة الكربوكسيلية COOH كما هي: فالحمض الأميني اكتسب شاردة هيدروجين، أي سلك سلوك القاعدة. وفي الوسط القاعدي الفقير بها تتأيّن الوظيفة الكربوكسيلية وحدها فتصير COO⁻ وتبقى الوظيفة الأمينية كما هي: فقد فقد شاردة هيدروجين، أي سلك سلوك الحمض.
- نمثّل الصيغة: عند نقطة التعادل الكهربائي تتأيّن الوظيفتان في آن واحد، فتصير الصيغة NH₃⁺ ـ CH ـ COO⁻ والجذر R تحت الكربون المركزي. وتحمل الجزيئة عندئذ شحنتين متعاكستين متساويتين في المقدار، فتكون شحنتها الإجمالية معدومة، ولهذا لا تتحرّك نحو أيّ من القطبين.
النشاط 5: تشكّل الرابطة الببتيدية
عرفنا الآن لبنة البروتين وسلوكها، ويبقى أن نعرف كيف تلتحم اللبنات فيما بينها. تعرض الوثيقة (5) ثلاثة أحماض أمينية قبل الالتحام وبعده، وتحيط بحلقات برتقالية بالمجموعات التي تغادر.
- استنتج من الوثيقة (5) كيفية تشكّل الرابطة الببتيدية.
- حدّد أنواع الوظائف الكيميائية المشاركة في تكوين هذه الرابطة، وما ينتج عنها.
- احسب عدد الروابط الببتيدية وعدد جزيئات الماء المتحرّرة في هذا الثلاثي ببتيد.
إظهار الإجابةإخفاء الإجابة
- نستنتج كيفية التشكّل: بمقارنة السلسلة الملحومة بالصيغة العامّة للحمض الأميني نجد أنّ الرابطة الببتيدية تنشأ بين كربون الوظيفة الحمضية للحمض الأميني الأوّل وآزوت الوظيفة الأمينية للحمض الأميني الذي يليه، وينتج عن ذلك جزيئة ماء.
- نحدّد الوظائف: الوظيفتان المشاركتان هما الوظيفة الحمضية COOH لأحد الحمضين والوظيفة الأمينية H₂N للحمض الذي يليه. وتدلّ الحلقات البرتقالية على الذرّات التي تغادر: مجموعة OH من الوظيفة الحمضية وذرّة هيدروجين من الوظيفة الأمينية، وهي التي تعطي جزيئة الماء.
- نحسب: لدينا ثلاثة أحماض أمينية وملتقيان اثنان بينها، فتتشكّل رابطتان ببتيديتان وتتحرّر جزيئتا ماء، جزيئة عند كلّ رابطة. وهذا ما تؤكّده العبارة المكتوبة إلى جانب السلسلة الناتجة.
النشاط 6: من ثلاثي الببتيد إلى رباعي الببتيد
نطبّق الآن ما استنتجناه: ننطلق من ثلاثي الببتيد ونضيف إليه حمضا أمينيا رابعا بالصيغة العامّة نفسها. تمثّل الوثيقة (6) السلسلة الناتجة وقد ظُلّلت فيها الروابط الببتيدية.
- حدّد عدد الروابط الببتيدية في رباعي الببتيد الممثّل في الوثيقة (6)، واستنتج العلاقة بينه وبين عدد الأحماض الأمينية.
- استخرج عدد الوظائف الكربوكسيلية والأمينية الحرّة في ثلاثي الببتيد وفي رباعي الببتيد، وبيّن هل يتأثّر عددها بطول السلسلة.
إظهار الإجابةإخفاء الإجابة
- نحدّد عدد الروابط: نحصي المستطيلات الرمادية فنجد ثلاث روابط ببتيدية لأربعة أحماض أمينية. وقد وجدنا في النشاط السابق رابطتين لثلاثة أحماض أمينية. فعدد الروابط أقلّ من عدد الأحماض الأمينية بواحد دائما، لأنّ كلّ رابطة تقع بين حمضين متجاورين.
- نستخرج عدد الوظائف الحرّة: في ثلاثي الببتيد وفي رباعي الببتيد على السواء نجد وظيفة أمينية حرّة واحدة في أحد الطرفين ووظيفة كربوكسيلية حرّة واحدة في الطرف الآخر. فمهما كان عدد الأحماض الأمينية المكوّنة للببتيد أو للبروتين، يبقى في طرفي السلسلة وظيفة أمينية حرّة واحدة ووظيفة كربوكسيلية حرّة واحدة.
بنية الحمض الأميني وتصنيف الأحماض الأمينية
الأحماض الأمينية مركّبات عضوية يحمل كربونها المركزي α أربع مجموعات: وظيفة أمينية H₂N وهي وظيفة قاعدية، ووظيفة كربوكسيلية COOH وهي وظيفة حمضية، وذرّة هيدروجين، وجذرا متغيّرا R. وهذا الهيكل واحد عند الجميع، فلا يفرّق بين حمض أميني وآخر إلاّ جذره.
وقد بيّنت التحاليل الكيميائية أنّ البروتينات تُبنى من عشرين نوعا من الأحماض الأمينية. وتُصنّف حسب وظائف جذورها في ثلاث مجموعات: حامضية، وهي التي يحمل جذرها وظيفة حمضية أخرى، وعددها اثنان؛ وقاعدية، وهي التي يحمل جذرها وظيفة قاعدية أخرى، وعددها ثلاثة؛ ومعتدلة، وهي التي لا يحمل جذرها لا هذه ولا تلك، وعددها خمسة عشر.
وتنقسم المعتدلة بدورها حسب طبيعة جذرها إلى كحولية يحمل جذرها وظيفة كحولية، وعطرية يحمل جذرها حلقة بنزينية، وكبريتية يحمل جذرها الكبريت، وأميدية يحمل جذرها وظيفة أميدية، وأليفاتية جذرها سلسلة كربونية أو ذرّة هيدروجين. وهذا التنوّع في الجذور هو رصيد البروتين كلّه.
الخاصّية الأمفوتيرية
يحمل الحمض الأميني على كربونه المركزي وظيفة حمضية ووظيفة قاعدية في آن واحد، ومن هذا الاجتماع تأتي خاصّيته. ففي الوسط الحامضي الغنيّ بشوارد الهيدروجين يكتسب الحمض الأميني شاردة هيدروجين وتتأيّن وظيفته الأمينية، فتصير شحنته موجبة ويسلك سلوك القاعدة. وفي الوسط القاعدي الفقير بها يفقد شاردة هيدروجين وتتأيّن وظيفته الحمضية، فتصير شحنته سالبة ويسلك سلوك الحمض.
ولكلّ حمض أميني قيمة من الحموضة خاصّة به تُسمّى pHi، وهي نقطة تعادله الكهربائي: عندها تتأيّن الوظيفتان معا فتحمل الجزيئة شحنتين متعاكستين ومحصّلتهما معدومة، فلا تهاجر نحو أيّ قطب. ومن هنا القاعدة العملية: إذا كان pH الوسط أصغر من pHi فالشحنة موجبة، وإذا كان أكبر منه فالشحنة سالبة، وإذا ساواه فالشحنة معدومة. وتُسمّى هذه الخاصّية الخاصّية الحمقلية أو الأمفوتيرية.
الرابطة الببتيدية والسلسلة الببتيدية
تلتحم الأحماض الأمينية فيما بينها برابطة تُسمّى الرابطة الببتيدية، تنشأ بين الوظيفة الحمضية لحمض أميني والوظيفة الأمينية للحمض الذي يليه، وتتحرّر عند كلّ رابطة جزيئة ماء. فتتكوّن سلسلة يتكرّر فيها النمط نفسه على طولها، وتُسمّى ثلاثي ببتيد إذا تكوّنت من ثلاثة أحماض أمينية، ورباعي ببتيد إذا تكوّنت من أربعة.
وعدد الروابط الببتيدية أقلّ من عدد الأحماض الأمينية بواحد، وكذلك عدد جزيئات الماء المتحرّرة. أمّا الوظائف الحرّة فلا تتغيّر مهما طالت السلسلة: وظيفة أمينية واحدة في طرف، ووظيفة كربوكسيلية واحدة في الطرف الآخر. أمّا الجذور R فتبقى كلّها جانبية حرّة، لا يدخل منها شيء في الرابطة — وهذه الملاحظة هي التي تفتح الدرس الموالي، إذ إنّ ما يبقى حرّا هو وحده القادر على أن يتفاعل ويشدّ السلسلة على نفسها.
الصفحة 1/10
© مدرستي — هذا الدرس من تأليف مدرستي · madrassati.net