البروتينات Proteins مكوِّنات آزوتية للمادة الحية العالية الوزن الجزيئي، تقوم بدور مهم في الظواهر الكيمياوية الحيوية. توجد البروتينات في كل الخلايا الحية، وتؤلف الجزء الرئيس من الجلد والعضلات والأوتار والأعصاب والدم، وأيضاً من الإنظيمات (الإنزيمات) والأضداد وكثير من الهرمونات.

أتت تسمية البروتينات من الكلمة اليونانية Prôtos وتعني الأول، وهذه التسمية مناسبة، لأن البروتينات هي من أهم المركبات الكيمياوية، ولا توجد أي مركبات يمكن أن تحل محلها.

وهي تتكون من وحدات أولية هي الحموض الأمينية والببتيدات.

الحموض الأمينية

يعرف من الحموض الأمينية المعروفة حتى اليوم في جسم الكائنات الحية عشرون حمضاً أمينياً فقط، وهي حموض من نوع a، تبنى جميعها على أساس واحد، فلكل حمض زمرة أمينية NH₂ في أحد طرفيه، وزمرة كربوكسيلية COOH في الطرف الآخر، وترتبط الزمرتان بذرة كربون مركزية تدعى «الكربون ألفا» a، ترتبط به ذرة هدروجين وزمرة رابعة (R) تدعى السلسلة الجانبية (عدا الغليسين حيث H=R)، فلا تختلف الحموض الأمينية بعضها عن بعض إلا بطبيعة هذه السلسلة الجانبية.

يقتضي وجود ذرة كربون لا متناظرة ظهور عدة متماثلات في التركيب مع الحمض الأميني نفسه (عدا الغليسين)، وتعتمد تسمية هذه المتماثلات في التركيب على وضع الزمرة NH2 حول ذرة الكربون اللامتناظرة، فإذا كانت الزمرة NH₂ إلى يسار هذا الكربون كان الحمض الأميني من زمرة اليسار «L» وإذا كانت إلى يمينه كان الحمض من زمرة اليمين «D». علماً أن كافة الحموض الأمينية الطبيعية التي في البروتينات من زمرة اليسار L. وقد جرت العادة أن يرمز للحمض الأميني عند كتابة صيغ البروتينات إما بثلاثة أحرف وإما يكتفى بحرف واحد في حالة البروتينات الضخمة (انظر جدول الحموض الأمينية البروتينية).

خواص الحموض الأمينية

تبدي الحموض الأمينية خواصَّ كلٍ من الحموض والأمينات إضافة إلى خواص مشتركة تتعلق بالزمرتين الأمينية والكربوكسيلية.

تصنيف الحموض الأمينية

اقتُرِحت طرائق مختلفة لتصنيف الحموض الأمينية معتمدة على اختلاف طبيعة السلسلة الجانبية R. ومن أهم هذه الطرائق التصنيف الآتي:

أ ـ الحموض الأمينية ذات السلسلة الجانبية اللاقطبية (رُهابية الماء).

ب ـ الحموض الأمينية ذات السلسلة الجانبية الحاوية زمرة هدروكسيلية.

ج ـ الحموض الأمينية ذات السلسلة الجانبية الحاوية كبريتاً.

د ـ الحموض الأمينية ذات السلسلة الجانبية الحامضية المشحونة سلباً.

هـ ـ الحموض الأمينية ذات السلسلة الجانبية الأساسية المشحونة إيجاباً.

الببتيدات (الهضميدات)

إن من أهم تفاعلات الحموض الأمينية تشكيل الرابطة الببتيدية. ينتج الببتيد من التحام حمضين أمينيين على الأقل بإزاحة جزيء ماء، فترتبط الزمرة الحمضية للمركب الأول بالزمرة الأمينية للمركب الثاني وتؤلف «الرابطة الببتيدية» CO -NH-R-R.

اعتمد تحليل الببتيدات الذي يؤدي إلى الحموض الأمينية طرائق كيمياوية تُحطم الرابطة الببتيدية كالتحليل المائي الحمضي (غلي الببتيد مع 6ـ نظامي حمض كلور الماء بالدرجة 105ْس مدة 24 ساعة) وبالتحليل المائي القلوي (غلي الببتيد مع 5 ـ نظامي هدروكسيد الصوديوم مدة 24 ساعة). ويلجأ في التحليل المائي الإنظيمي (حضن الببتيد بالدرجة 37ْس لعدة ساعات في وسط pH معين لكل إنظيم) إلى عدد من الإنظيمات التي عرفت اليوم جيداً كالببسين Pepsin، والهضمين الثنائية الإنفحة أو المنْفحة Rennet، والتربسين Trypsin، والهضمين الثلاثية الكيموتربسين Chymotrypsin، والبابائين Papain، وغيرها تحطم الرابطة الببتيدية في أماكن معينة تتعلق بالحموض الأمينية المؤلفة لهذه الرابطة.

يطلق أحياناً اسم قليلات الببتيد Oligopeptides على الببتيدات القليلة المكونات، ويطلق اسم كثيرات الببتيد Polypeptides على الببتيدات المكوَّنة من أكثر من عشر وحدات من الحموض الأمينية، والببتيدات الطبيعية تشتمل على هذين الصنفين.

بعض الببتيدات ذات البنية المشهورة

أ ـ الغلوتاتيون Glutathione ثلاثي الببتيد مكون من g ـ زمرة الكربوكسيل لحمض الغلوتاميك وa ـ زمرة الأمين للسيستئين وتشغل بقية الغليسين الطرف ـ C.

ينتشر الغلوتاتيون في كثير من الأعضاء الحيوانية (الكظر، والكبد، والطحال، والمعثكلة، والقلب، والرئة).

 ب ـ الأكسيتوسين Oxytocin والفازوبريسين Vasopressin هرمونان فصلا من القسم الخلفي للنخامة، وهما ذَوَا طبيعة ببتيدية حلقية مكونة من 9 بقايا حموض أمينية، ويمكن استنساخهما بالاصطناع. الأكسيتوسين هرمون يسبب تقلص الرحم وينشط هرمون البرولكتين Prolactin الذي يزيد إفراز الحليب. الفازوبريسين هرمون رافع لضغط الدم Hypertensive ومضاد للبوال Antiduretic.

جـ ـ الغَسْترين Gastrin هرمون ببتيدي يحتوي على 17 بقية حمض أميني فُصل من غشاء المعدة المخاطي. ينشط الغسترين اصطناع حمض كلور الماء وإفراز عصارة المعدة.

د ـ الغلوكاغون Glocagon هرمون ببتيدي رافع لسكر الدم Hyperglucemic فصل من المعثكلة، يحتوي على 29 بقية حمض أميني.

البروتينات

البنى الكيمياوية للبروتينات: تبنى الجزيئات البروتينية من حموض أمينية متصلة فيما بينها ومرتبطة أو غير مرتبطة بزمر ضميمة Prosthetic ذات طبيعة متغيرة (كالهيم، والشحوم، والسكريات...)، ويمكن أن يدخل في الجزيء البروتيني الواحد عدة مئات حتى الألف من بقايا الحموض الأمينية. ويلزم لنمو كل شكل من أشكال الكائنات الحية ولنشاطها الحيوي وجود عشرات الآلاف من البروتينات النوعية المختلفة.

تنتج البروتينات من اجتماع  ( ـ الحموض الأمينية المرتبطة فيما بينها بالرابطة الببتيدية (CO -NH) مؤلفة سلاسل طويلة كثيرات البببتيد.

تُدرس بنية البروتينات ضمن أربعة تنظيمات معقدة تعطي بمجموعها بنية البروتين، وإذا تخرب أي من هذه التنظيمات الأربعة يفقد البروتين وظائفه الحيوية.

أ ـ البنية الأولية Primary Structure: يطلق على تسلسل الحموض الأمينية وتعيين عدد الجسور الثنائية الكبريت، وأمكنتها في البروتين (إن وجدت) اسم البنية الأولية. تتألف البروتينات المرتفعة الوزن الجزيئي عادة من عدة سلاسل كثيرات الببتيد (الهضميد).

ب ـ البنية الثانوية: بيّنت دراسات أشعة رونتجن لعدة بروتينات وجود سلاسل ببتيدية ممطوطة وسلاسل ملتفة بانتظام. وقد توصل كل من الكيميائي الفيزيائي الأميركي باولنغ L.Pauling والكيميائي الأمريكي كوري R.B.Corey إلى وضع نماذج للبنيات الثانوية أكانت من نوع الحلزون ألفا والبنية الصفيحية المنطوية بيتا، والحلزون الثلاثي.

جـ ـ البنية الثالثية Tertiary Structure: يمكن أن تلتوي السلسلة الببتيدية وتنثني وقد يتخرب الحلزون في بعض الأجزاء، ويدعى الشكل النهائي الذي تأخذه هذه السلسلة الببتيدية البنية الثالثية.

د ـ البنية الرابعية Quarternary Structure: تطلق هذه التسمية على التوضع الفراغي لجزيء البروتين الحاوي عدة سلاسل كثيرات الببتيد مثبتة بشدة في الفراغ وتبدي فعالية حيوية (ولكل سلسلة بنيتها الخاصة الأولية والثانوية والثالثية).

تصنيف البروتينات

إن عدد البروتينات المختلفة المعزولة من أعضاء الكائنات الحية والنباتات والأحياء المجهرية كبير للغاية. وتختلف البروتينات بعضها عن بعض بالتركيب الكيمياوي (بعدد الحموض الأمينية وتتابعها) وبالبنية الفراغية وبالوظيفة والفعالية الحيوية. ولا يوجد حتى الآن نظام عام مناسب مُرْضٍ لتصنيف البروتينات، إلا أن هناك أنظمة تصنيفية متعددة للبروتينات ومختلفة فيما بينها مازالت مستخدمة حتى وقتنا الحاضر.

تعتمد النظم التصنيفية للبروتينات على: الذوبان، والتركيب الكيمياوي، والشكل، والوظيفة، والبنية الفراغية الثلاثية الأبعاد.

وينتسب إلى البروتينات البسيطة تلك المؤلفة من حموض أمينية فقط، وإن عدد البروتينات البسيطة كبير للغاية.

البروتينات السكرية