Natural & Life Sciences🎓 baccalaureate goal

العلاقة بين بنية ووظيفة البروتين

العلاقة بين البنية ثلاثية الأبعاد و وظيفة البروتين

🔊 The teacher reads for you
إشكالية: لكلّ بروتين في الخلية عمل يقوم به وحده: أنزيم يسرّع تفاعلا، وجسم مضادّ يتعرّف على مستضدّ. وكلّها مبنية من الأحماض الأمينية نفسها ومربوطة بالرابطة الببتيدية نفسها. فما هي العلاقة بين بنية البروتين ووظيفته ؟
🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • أن تحدّد ما تتوقّف عليه البنية الفراغية لبروتين معيّن
  • أن تتعرّف على الجسور الكبريتية وعلى دورها في ثبات البنية الفراغية
  • أن تحلّل نتائج تجربة أُجريت على أنزيم الريبونكلياز وتستنتج منها العلاقة بين البنية والوظيفة
  • أن تعلّل فقدان الأنزيم لوظيفته عند فقدان بنيته الفراغية الطبيعية
  • أن تميّز بين استعادة البنية الطبيعية وتشكّل بنية فراغية غير طبيعية
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • أنّ البروتين سلسلة ببتيدية من أحماض أمينية تربطها روابط ببتيدية
  • أنّ الجذر R هو ما يميّز حمضا أمينيا عن آخر ويعطيه خصائصه
  • أنّ تتابع الأحماض الأمينية في البروتين تحدّده الرسالة الوراثية
قبل أن تبدأ، افهم أداتي التجربة: مركّب β-مركبتوإيثانول يعمل على تحليل الجسور الكبريتية، واليوريا تمنع الانطواء الطبيعي للبروتين. فالأوّل يفكّ ما هو معقود، والثانية تمنع العقدة من أن تعود في موضعها الصحيح. وكلّ نتائج هذه التجربة تُقرأ بهذين الأثرين المختلفين.

النشاط 1: ما الذي يثبّت البنية الفراغية لأنزيم الريبونكلياز ؟

الوثيقة ⁦(1)⁩: البنية الفراغية الطبيعية لأنزيم الريبونكلياز، والجسور الكبريتية التي تثبّتها.
🎯التعليمة
  1. حدّد ما تمثّله المواضع المميّزة على السلسلة الببتيدية، وسمّ نوع الحمض الأميني الذي توافقه.
  2. استخرج من الإطار المكبّر طبيعة الرابطة التي تنشأ بين موضعين، وسمّها.
  3. استنتج عدد الجسور الكبريتية انطلاقا من عدد المواضع، وبيّن دورها في البنية الفراغية.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نحدّد المواضع: تمثّل هذه المواضع أحماضا أمينية من نوع واحد هو السستيين Cys، وهو حمض أميني كبريتي. وهي ليست موزّعة كيفما اتّفق: لكلّ واحد منها مرتبة محدّدة في تتابع السلسلة، وهذه المرتبة هي التي ستقرّر أيّ موضع يرتبط بأيّ موضع.
  2. نستخرج طبيعة الرابطة ونسمّيها: يُظهر الإطار المكبّر ذرّتي كبريت ترتبط إحداهما بالأخرى مباشرة، وتتّصل كلّ واحدة منهما بالسلسلة عبر مجموعة كربونية. فهي رابطة بين كبريتَي حمضين أمينيين من نوع السستيين، وتسمّى جسرا كبريتيا.
  3. نستنتج العدد والدور: المواضع ثمانية، وكلّ جسر يجمع موضعين اثنين، فعدد الجسور أربعة. وهذه الجسور تشدّ أجزاء متباعدة من السلسلة بعضها إلى بعض، فتحفظ لها انطواءها في شكل واحد ثابت هو البنية الفراغية الطبيعية للأنزيم.
الاستنتاج: تحمل سلسلة الريبونكلياز ثمانية أحماض أمينية من نوع السستيين، ترتبط اثنين اثنين بأربعة جسور كبريتية. وهذه الجسور هي التي تشدّ السلسلة وتحفظ لها بنيتها الفراغية الطبيعية.

النشاط 2: ماذا يحدث للأنزيم إذا كُسِرت جسوره ؟

الوثيقة ⁦(2)⁩: مسارا الأنزيم بعد تكسير جسوره الكبريتية — عود إلى البنية الطبيعية، أو التواء في غير الموضع الصحيح.
📌المعطيات
المرحلةالمعاملةالنتيجة
الأولىريبونيوكلياز + اليوريا + مركّب β-مركبتوإيثانولفقدان البنية الفراغية: أنزيم غير فعّال
الثانيةإزالة اليوريا ومركّب β-مركبتوإيثانولاستعادة البنية الفراغية الطبيعية: أنزيم فعّال
الثالثةريبونيوكلياز مخرَّب + يوريابنية فراغية غير طبيعية، تتشكّل الجسور في غير الأماكن الصحيحة: أنزيم غير فعّال
الوثيقة ⁦(3)⁩: مراحل التجربة التي أُجريت على أنزيم الريبونكلياز ونتيجة كلّ مرحلة (تجربة Anfinsen).
🎯التعليمة
  1. قارن بين نتيجة المرحلة الأولى ونتيجة المرحلة الثانية، وبيّن ما الذي عاد إلى الأنزيم مع بنيته.
  2. فسّر لماذا لم يسترجع الأنزيم فعاليته في المرحلة الثالثة رغم إعادة تشكّل الجسور الكبريتية.
  3. استنتج دور نوع الأحماض الأمينية وتتابعها في تحديد البنية الفراغية للبروتين ووظيفته.
إظهار الإجابة
🔍التحليل
  1. نقارن الأولى بالثانية: في المرحلة الأولى كُسِرت الجسور الكبريتية ومُنِع الانطواء، ففقد الأنزيم بنيته الفراغية وفقد معها فعاليته. وفي الثانية أُزيلت المادّتان معا، فانطوت السلسلة من جديد وتشكّلت الجسور في أماكنها الصحيحة، فعادت البنية الطبيعية وعادت الفعالية معها. فالوظيفة رجعت مع البنية، لا قبلها ولا بعدها.
  2. نفسّر المرحلة الثالثة: هنا أُزيل المركّب المكسّر للجسور وبقيت اليوريا، فتشكّلت الجسور والسلسلة ما تزال ممنوعة من الانطواء الطبيعي. فارتبطت أحماض السستيين بغير التي كانت ترتبط بها، ونتجت بنية فراغية غير طبيعية. والأنزيم بقي غير فعّال مع أنّ جسوره موجودة: فليست الجسور وحدها هي المطلوبة، بل مواضعها.
  3. نستنتج: البنية الفراغية ليست صدفة، بل يفرضها وجود أحماض أمينية من نوع محدّد في مراتب محدّدة من السلسلة. فمن هذه المراتب تنشأ الروابط التي تشدّ السلسلة، ومنها تنشأ البنية الفراغية الطبيعية، وهي وحدها التي تسمح للبروتين بأداء وظيفته.
الاستنتاج: يفقد الأنزيم وظيفته بفقدان بنيته الفراغية الطبيعية، ويستعيدها إذا استعاد هذه البنية. أمّا إذا تشكّلت الجسور في غير أماكنها الصحيحة فتنتج بنية فراغية أخرى ويبقى الأنزيم غير فعّال. فالبنية الطبيعية وحدها، لا أيّ بنية فراغية، هي التي تسمح بالوظيفة.

تنوّع البنيات الفراغية للبروتينات

تظهر البروتينات بنيات فراغية مختلفة، ولكلّ بروتين بنيته الخاصّة به. ويمكن تمثيل هذه البنيات على الحاسوب ببرنامج راستوب، وهو برنامج متخصّص في محاكاة البنية الفراغية للجزيئات، فتظهر في صور ثابتة تُقارن بعضها ببعض.

وهذا الاختلاف ليس اعتباطيا: تتوقّف البنية الفراغية للبروتين على عدد الأحماض الأمينية التي تدخل في بنائه، وعلى نوعها، وعلى ترتيبها وتتابعها في السلسلة. ولكلّ حمض أميني خصائصه، ولذلك يكفي أن يتغيّر حمض واحد أو موضعه ليتغيّر شكل الجزيء كلّه.

الروابط التي تثبّت البنية الفراغية

من بين الروابط التي تحفظ للبروتين بنيته الفراغية الجسر الكبريتي. وهو رابطة تنشأ بين ذرّتي كبريت من حمضين أمينيين من نوع السستيين، وهو حمض أميني كبريتي له أهمّية في ثبات البنية الفراغية في العديد من البروتينات.

الجسر الكبريتي
CH2 - S - S - CH2

ولا يقع هذا الارتباط بين أيّ سستيينين: الجسر يجمع دائما الموضعين اللذين يقرّب بينهما انطواء السلسلة. ولهذا كان لتتابع الأحماض الأمينية دور حاسم، فهو الذي يقرّر أيّ موضع يقابل أيّ موضع، وبالتالي أيّ جسر ينعقد.

من البنية إلى الوظيفة

البنية الفراغية الطبيعية للبروتين، وليس أيّ بنية فراغية، هي التي تسمح له بأداء وظيفته. فتكسير الروابط التي تثبّتها يُفقد البروتين بنيته ويُفقده معها وظيفته، وإعاقة الانطواء الطبيعي تعطي بنية فراغية أخرى، والنتيجة واحدة: أنزيم غير فعّال.

وهذا هو معنى التخصّص الوظيفي للبروتين: لكلّ بروتين بنية فراغية واحدة تسمح له بعمل واحد، وذلك حسب احتياجات الخلية.

الرسالة الوراثية وراء ذلك كلّه

تتوقّف البنية الفراغية للبروتين، وبالتالي تخصّصه الوظيفي، على الروابط التي تنشأ بين أحماض أمينية محدّدة ومتوضّعة بطريقة دقيقة في السلسلة الببتيدية. وهذا التوضّع الدقيق تحدّده الرسالة الوراثية. فمن المورثة يأتي التتابع، ومن التتابع تأتي البنية، ومن البنية تأتي الوظيفة.

احفظ سلسلة الاستدلال في ثلاث كلمات: تتابع، فبنية، فوظيفة. وكلّ سؤال في هذا الدرس يقيس حلقة واحدة من هذه الحلقات الثلاث؛ فإذا حدّدت الحلقة المطلوبة عرفت من أين تبدأ الإجابة.
لا تقل إنّ الأنزيم فقد وظيفته لأنّ جسوره كُسِرت فحسب. فالمرحلة الثالثة تُثبت العكس: الجسور موجودة والأنزيم غير فعّال. الذي يُفقد الوظيفة هو ضياع البنية الفراغية الطبيعية، وما الجسور إلّا وسيلة لحفظها.
حصيلة الدرس: التتابع يحدّد البنية، والبنية تحدّد الوظيفة.
الوثيقة التي تُعطى لك في الباكالوريا حول هذا الدرس غالبا ما تكون جدول معاملات ونتائج. اقرأه سطرا سطرا، ثمّ قارن بين سطرين لا يختلفان إلّا في شيء واحد: هذا الاختلاف الوحيد هو الذي يحمل الإجابة. وفي هذه التجربة لا تختلف المرحلة الثالثة عن الثانية إلّا في بقاء اليوريا، ومن هذا الفرق وحده يُستخرج كلّ التعليل.
الخلاصة: تظهر البروتينات بنيات فراغية مختلفة يحدّدها عدد الأحماض الأمينية ونوعها وترتيبها في السلسلة. وتثبّت هذه البنية روابط تنشأ بين أحماض أمينية متوضّعة بدقّة، منها الجسور الكبريتية بين أحماض السستيين. والبنية الفراغية الطبيعية وحدها هي التي تسمح للبروتين بأداء وظيفته: فإن كُسِرت الروابط التي تثبّتها فقد وظيفته، وإن أُعيد تشكّلها في غير أماكنها الصحيحة نتجت بنية أخرى وبقي غير فعّال. وبما أنّ تتابع الأحماض الأمينية تحدّده الرسالة الوراثية، فإنّ التخصّص الوظيفي للبروتين مكتوب في المورثة.

Page 1/7

© Madrassati — a lesson written by Madrassati · madrassati.net