الكيـــــــمياء الحيويــــــة 2

البروتينات

ما هو البروتين وما هي أهميته؟
البروتينيات هي جزيئات متكونة من مجموعة من الأحماض الأمينية التي يقوم الجسم بتكسيرها وامتصاصها بغرض إعادة بناء واصلاح الأنسجة والإنسان يحتاج الى حوالي عشرين حمض أميني لكي يعيش لكن أجسادنا تستطيع أن تصنع معظمهم .
ولكن ثمان أحماض أمينية فقط يجب أن يحصل عليها الجسم عن طريق الأطعمة (الأحماض الأمينية الضرورية)
أهميتها:-
البروتين ضروري لصحة الإنسان ففي الحقيقة أجسادنا والشعر والعضلات والأظافر الى آخره . تصنع بشكل أساسي من البروتين. وبالنظر الى العضلات والأظافر فأننا نكتشف أن البروتينيات تختلف فيما بينهم لتكون هذين النسيجي المختلفين لذلك لان اختلاف تجمع أي من ال22 حمض أميني المعروفين يكون فى النهاية بروتين مختلف . وكل سلسلة من الأحماض الأمينية المختلفة تكون جزئ بروتيني مختلف.
ما كمية البروتين المطلوبة يوميا؟
صرحت المنظمة الأمريكية لتناول الأغذية والأدوية بان الكمية المطلوبة اليومية من البروتين يجب أن تكون حوالي 10% من مجموع السعرات الحرارية التى يستهلكها الإنسان يوميا
وبما أن جرام البروتين يحتوى على أربع سعرات فعند الحاجة الى تناول 200سعر حراري فى اليوم أي 10% من مجموع السعرات الحرارية التى يحصل عليه يوميا
ولكن معدل الاستهلاك العالمي للبروتين يصل الى 90 جرام يوميا
-كما صرخت منظمة(RDA) بان تناول 8 جرام لكل 10 كياو جرام من وزن الجسم يمثل إمداد كافي من البروتين .
البروتينات منها ما هو ضروري ومنها ما هو غير ضروري ، أو حوامض أمينية . يحتاج جسم الإنسان إلى حوالي 20 حامض أميني لتكوين البروتين . يستطيع الجسم إنتاج 13 فقط من الأحماض الأمينية ، وهي المعروفة بالأحماض الأمينية غير الضرورية . تسمى غير ضرورية لأن الجسم ينتجها ولا يحتاج إلى أخذها من الغذاء . وتوجد 9 أحماض امينية ضرورية لا ينتجها الجسم ويأخذها من الأغذية .
إذا كان البروتين الموجود في نوع ما من الأطعمة يزود الجسم بما يكفيه من الأحماض الأمينية فهو يسمى البروتين الكامل ، وإذا كان لا يزود الجسم بالكفاية من هذه الأحماض فيسمى البروتين الناقص .
تشكل جميع اللحوم والمنتجات الحيوانية الأخرى مصدرا للبروتين الكامل ، ويشمل ذلك لحوم الأبقار ، والخراف ، والدواجن ، والأسماك ، والصدفيات البحرية ، والبيض ، والحليب ، ومنتجات الألبان .
يكون البروتين في الأطعمة (مثل الحبوب والفواكه والخضار) إما منخفضا ، البروتين الناقص ، أو ينقصه أحد الحوامض الأمينية الضرورية . هذه الأنواع من الأطعمة تعتبر بروتينات ناقصة .
بالإمكان مزج البروتينات النباتية لتتضمن جميع البروتينات الضرورية وتشكل بروتينا كاملا . الأمثلة على البروتينات النباتية الممزوجة الكاملة هي: الأرز والفاصوليا ، الحليب والسيريال ، الذرة والفاصوليا .
الآثار الجانبية
الغذاء الغني باللحوم قد يؤدي إلى ارتفاع الكولسترول وإلى أمراض أخرى مثل النقرس . هناك مشكلة أخرى محتملة ، وهي أن الطعام الغني بالبروتين قد يجهد الكلى . يتم إفراز الفضلات الزائدة ، وهي المنتوج النهائي للأيض البروتيني (التمثيل الغذائي) ، وتختلط هذه الإفرازات بالبول .
وعملية بناء البروتين داخل الخلايا الحية تعتمد على المعلومات المحفوظة في الجينات الكامنة في الحمض النووي DNA (الحمض النووي الريبي منقوص الأوكسجين) الموجود في كل خلية حية. وعادة ما يتم نسخ هذه المعلومات في الحمض النووي RNA (الحمض النووي الريبي)، وهو عبارة عن جزيء شبيه بالحمض النووي DNA لكنه يتواجد بكثرة خارج النواة. ويعمل هذا الحمض بمثابة قالب لتجميع البروتينات بواسطة مختبر بيوكيميائي صغير يعرف بـ"الـريبوزوم". ويقول العلماء بأن الجينات ترمز للبروتينات. ولتبسيط الصورة اعتبر العالم البريطاني "جون سميث" أن الحمض النووي DNA شريط ممغنط كشريط التسجيل، و"الريبوزوم" جهاز التسجيل، والبروتينات هي موسيقى الحياة.
في بداية الستينيات اكتشف رواد البيولوجيا الجزيئية أن جينا واحدا يقابل (ويطابق) بروتينا واحدا. وفي السبعينيات أعاد عالم البيولوجيا ومؤرخ العلوم "ميشال مورانج" تكوين مفهوم الجينات، وأثبت أن جينا واحدا يمكن أن يشكل عدة بروتينات بفعل انحراف آلية تُدعى "الانثناء التتابعي". وتبعا لهذه الآلية تنتج الخلايا بروتينات مختلفة انطلاقا من متوالية الحمض النووي DNA نفسها. وهذه التغيرات البسيطة تكفي في غالب الأحيان إلى تغيير وظيفة البروتين كليا، وقد يقدر جين واحد على إنتاج نحو عشرين بروتينا مختلفة. ويقدر العلماء عدد أنواع البروتينات المنطلقة في الجسم فيما بين 500 ألف إلى مليون بروتين، لكن كل خلية من جسمنا لا تحتوي غير عشرة بالمائة من هذا المجموع؛ لأنه في لحظة معينة واستنادا إلى تخصصها لا تعبر الخلية إلا عن جزء من جيناتها. ونتيجة ذلك تحتوي كل خلية مجموعة متميزة من البروتينات، وهذا هو البروتيوم الخاص بها، ومعرفة كل نوع تعتبر ضرورية للتشخيص الدقيق للمرض.
وتكتسب البروتينات هذه الأهمية الكبيرة؛ لأنها الناتج النهائي لعمل الجينات، ولأنها تحكم تصرفات وأفعال الكائنات الحية من المهد إلى اللحد. وكل بروتين يحتاجه الجسم محفوظ كشفرة كيميائية في الحمض النووي DNA، ولأن هذه الجزيئات تؤدي الأدوار الضرورية لعمل الخلية الحية، ومنها: الإنزيمات (الخمائر) التي تسرع التفاعلات الكيميائية، والمستقبلات التي تخبر الخلايا عن حالة الوسط الخارجي، والأجسام المضادة التي تتعرف على الجسيمات الغريبة في الكائن الحي. وعندما يحدث المرض تكون البروتينات هي المسؤولة؛ لأنها تكون عاجزة عن حماية الخلية، ولأن ميكروبا أدى إلى اضطرابها. ولهذا فالبروتينات هي الهدف الرئيسي للأدوية. وإذا أراد العلماء إعطاء المريض جرعات دوائية ناجعة تصيب هدفا محددا بوضوح، فلن يكون هذا الهدف سوى أحد البروتينات أو عملية بيولوجية وثيقة الصلة بهذا البروتين.
وعلى سبيل المثال عندما يهاجم الفيروس الخلية فهو يعوق تخليق غالبية البروتينات. أما البروتينات التي تخلقت بعد الهجوم فيستعملها الفيروس في عملية التكاثر أو تستعملها الخلية حتى تكافحه. وهذه البروتينات هي أهداف محتملة للأدوية المضادة للفيروسات، ولهذا يعمل العلماء على ابتكار طرائق علمية للمقارنة بين حالتي البروتيوم قبل العدوى وبعدها، والحصول على معلومات دقيقة عن هذه البروتينات يؤدي للحصول على دواء جديد قادر على القضاء على هذه الفيروسات.
المصانع البروتيومية
وبناء على ما سبق ينبغي التصدي للبروتينات بعد فك رموز الجينوم، لكن طبيعة البروتينات نفسها تجعل هذه المهمة صعبة للغاية لتنوعها غير العادي. ولتحليل "بروتيوم" خلية بالطريقة الاعتيادية يجب أولا أن تفصل المكونات باستعمال تقنية معروفة باسم التفريد أو الاستشراد الكهربائيElectrophoreses ؛ أي انفصال جزيئات محلول بتأثير حقل مكهرب، وللتعرف عليها ينبغي اللجوء إلى مقياس طيفي للكتلة.
وكانت هذه الطريقة التقليدية المستعملة في المختبرات حتى اليوم، لتحليل البروتينات طويلة وشاقة إلي أن توصل "دنيس هوشتراسر" من المعهد السويسري للمعلوماتية البيولوجية في ربيع عام 1999م إلى ابتكار جهاز أسماه "الماسح الجزيئي" Molecular Scanner يستطيع أتمتة جميع المراحل. وبدمج هذا "الروبوت" بنحو مائة مقياس طيفي للكتلة من أحدث الأنواع أمكن التعرف على عشرات الآلاف من البروتينات في اليوم؛ أي أكثر بعشرة أضعاف مما كان متاحا من قبل. وقد جمع "كريج فينتر" 940 مليون دولار من أجل بناء "مصنع بروتيومي" قادر على تحليل مليون بروتين في اليوم لبناء أكبر قاعدة بينات بروتيومية بشرية ومقارنتها مع أي كائن حي آخر.
عموما تكون البروتينات جزءاً أساسيا من التركيب الكيميائي للخلايا الحية ، فهي تدخل في تركيب جميع الأغشية الخلوية ، وتشكل أساس تكوين البروتوبلازم .
و تحتوى البروتينات على عنصر النيتروجين ، بالإضافة إلى الكربون و الهيدروجين و الأوكسيجين .
وتحتوى بعض البروتينات على الكبريت و الفسفور. و تعرف الوحدات البنائية للبروتينات باسم أمينيةأحماض " Amino acids"
و يدخل في بناء البروتينات النباتية و الحيوانية و الميكروبية عشرين حمضا أمينيا يرمز لكل منها بثلاثة حروف أو حرف واحد . و لكل حمض أميني مجموعة أمينية NH2و مجموعة كربوكسيليه COOH ، و ذلك وفق التركيب الأساسي الآتي:
ويختلف بناء المجموعة R من حمض أميني إلى آخر ففي الحمض الأميني "جليسن" Glycine تكون المجموعة Rهي ذرة هيدروجين(H) ، وفى الحمض الأميني آلانين Alanine تكون المجموعة R هى CH3 وفى الحمض الامينى فالين VALINE تكون المجموعة R هىC3H7 وهكذا .
وتجدر الإشارة إلى أنه يعرف أكثر من 180 حمض أمينى آخر نذكر منها Ornithine ‘ Citrulline ‘ Taurine, و تتحدد الإحماض الأمينية مع بعضها البعض لتكون المركب البروتينى و يبدأ ذلك باتحاد حمضين أمينيين معا لتكوين ما يسمى " ثنائى الببتيد" Dipeptide و يشمل ذلك على تفاعل بين المجموعة الأمينيه لحمض أمينى مع مجموعة الكربوكسيل لحمض أمينى اخر.وخروج جزئ ماء ، وتعرف الرابطه الناشئه بين الحمضين الأمينيين باسم الرابطه الببتيديه Peptide Bond . وبارتباط المزيد من الأحماض الأمينيه ينتج لدينا عديد الببتيد Polypeptide الذى قد يشتمل على حوالى مائة حمض أمينى
وكثيرا ما تتركب المادة البروتينية من سلسلتين أو أكثر من سلاسل عديد الببتيد. وقد تتخذ سلسلة عديد الببتيد شكلا حلزونياHelix، كما قد تنتظم السلاسل فى صفائح Sheets .
وتعتمد خواص المادة البروتينية إلى حد كبير على ما يلى :-
- طرزالأحماض الأمينية الداخلة فى تركيب المادة البروتينية.
- ترتيب الأحماض الأمينية فى السلسلة , وعدد هذه الأحماض .
- العلاقات الفراغيهSpecial Relationships بين الأحماض الأمينية بعضها ببعض (الشكل ثلاثى الأبعاد) .
وتتواجد البروتينات فى الكائنات الحيه على صور عده ، وهى متعددة الوظائف بشكل كبير، وتعتمد عليها الكثير من صفات الكائن الحى ، وكثيرا ما يؤدى الاضطراب فى تخليق الجسم للبروتينات إلى أمراض ، ومن هنا فإن توفر الأحماض الأمينية يعتبر أساس ضرورى من أسس الصحة والسلامة .
ويمكن لجسم الإنسان أن يخلق عشرة من الأحماض الأمينية دون الحاجة إلى ضرورة تواجدها فى الغذاء ، وتوصف هذة بأنها أحماضا غير ضرورية Non-Essential Amino Acids. أما العشرة أحماض أمينية الأخرى فلابد من توافرها فيما يتناوله الانسان من مواد غذائية لضمان سلامة بناء البروتينات فى الجسم . وتوصف هذة الأحماض الأمينية بأنها ضروريةEssential Amino Acids . منها إثنان يلزما (فقط) أثناء فترة النمو وهما الأرجنين Arginine والهستدين Histidine . أما الثمانية الباقية من الأحماض الأمينية الضرورية فهى :

- ليوسينLeucine ، أيزوليوسين Isoleucine
- ليسينLysine ، مثيونينMethionine
- فينيل الآنين Phenylalanine ، ثريونين Threonine
- تربتوفان Tryptophane ،فالين Valine

وتوصف الأطعمة البروتينية التى تحتوى على كل الأحماض الأمينية بأنها بروتينات الدرجة الأولى First Class Protein ، ومن ضمنها اللحوم وفول الصويا، أما الأطعمة البروتينية التى ينقصها واحد أو أكثر من الأحماض الأمينية فإنها توصف بأنها بروتينات الدرجة الثانية Second Class Protein ، وهى تشمل معظم البروتينات النباتية وقليل من البروتينات الحيوانيه.
وكما سبق القول فإن البروتينات يعتمد عليها بناء العديد من المركبات الحيوية بالجسم مثل:
1- الإنزيمات اللازمه لحدوث التفاعلات الكيميائية بالجسم .
2- المواد البروتينية التركيبية مثل الكيراتتين keratine الذى يدخل فى تركيب الجلد وريش الطيوروالأظافر والحوافر، وكذلك الإيلاستين Elastin،والكولاجين Collagen ،ومادة سكليروتينSclerotin، وفيبروينFibroin التى تدخل فى تكوين شرانق الحشرات وغزل العناكب .
3- البروتينات الواقية مثل الأجسام المضادة antibodies التى تحمى الجسم من الجراثيم، ومادة الفيبرينوجين الضرورية لتجلط الدم .
4- معظم الهرمونات .
5- البروتينات الإنقباضية مثل الأكتين والميوسين والداينين .
6- بروتينات النقل مثل الهيموجلوبين الذى ينقل الأوكسجين فى دم الفقاريات .
7- السموم مثل سم الثعابين والسموم البكتيرية .
8- البروتينات المختزنه مثل بياض البيض وكازين اللبن .
هنا ايها ألأخوة اضع بين يديكم نبذه مختصرة عن ألأنزيم كي يكون هناك وضوح للرؤية بين البروتين والأنزيم

عائلة البروتينات Proteins

البروتين له أهمية عظيمة من حيث القيمة الحيوية لاحتوائه على الأحماض الأمينية الحيوية المفيدة للنمو والصحة وهي أنسب المواد الغذائية لبناء الأنسجة.
فالبروتينات هي أساسية لتكوين العضلات ، أي الجزء الأكثر فعالية في الجسم لحرق السعرات الحرارية.
وتوجد البروتينات في اللحوم ، مشتقات الحليب ، وبمقادير أقل في الحبوب والخضار.
وعليك أن تتغذى بالبروتينات بشكل كاف ، ولكن حذار الأغذية الغنية بالبروتين فغالباً ما تكون نسبة الدهون فيها عالية.
ما هي أنواع البروتين ومصادرها؟
أهم أنواع البروتين هو بروتين اللحوم الذي يمد الجسم بجميع أنواع الأحماض الأمينية.
أما البروتينات النباتية التي توجد في القمح والذرة والأرز والفول...الخ فهي أقل منفعة لأن كل صنف من النبات ينفرد بأنواع خاصة من الأحماض الأمينية أو يفتقر إليها.
علما بأن الجسم لا يستطيع إختزان الأحماض الأمينية، لذلك يجب تموين الجسم بها باستمرار.
ما هي الأعراض المبكرة لنقص البروتينات؟
فقدان الوزن بسرعة
التعب
القلق
انخفاض المقاومة للأمراض
أما فقدانه عند الأطفال فيسبب بطء النمو، اسهالات وإذا استمر هذا النقص فإنه قد يؤدي إلى أعراض مختلفة من إصابات في الكبد والى أورام، وإلى اختلال هورموني يؤدي إلى عدم كفاية التبول، وغير ذلك.
ولا يغيب عن البال بأن فائدة البروتين تتوقف على طريقة تجهيزه للأكل فقد يؤدي التحمير (القلي) مثلا إلا الإقلال من فائدته إضافة إلى جعل البروتين
أعسر هضما وكلما كان الهضم تاما استفاد الجسم من الأحماض الأمينية الموجودة فيه. إن المقدار اللازم لاحتياج الإنسان يوميا من البروتين الحيواني والنباتي
بصورة وسطية هي غرام واحد لكل كيلو غرام من وزن الجسم على أن تكون كمية البروتين الحيواني لا تقل عن ثلث مجموع الكمية من البروتين اللازم للجسم علما بأن
الشيوخ والصغار هم بحاجة أكبر من البروتين وهذا ينطبق على الذكور والإناث. ان بروتين الحليب والبيض يقارب بروتين اللحم ولكن الحليب والبيض فقيرين بالبروتين
مقارنة باللحوم ومن العسير جدا تأمين احتياج الإنسان من هذا البروتين عن طريق هذه الأغذية.
البروتين غذاء معقّد التركيب عضوي ذو وزن جزيئي عالي يتكون من أحماض أمينية مرتبطة مع بعضها بواسطة رابطة ببتيدية.
البروتين ضروري في تركيب ووظيفة كلّ الخلايا الحية وحتى الفيروسات.
العديد من البروتينات تشكل الانزيمات أَو وحدات بروتينية تدخل في تركيب الإنزيماتِ.
كما يقوم البروتين بأدوار أخرى الهيكليةِ أَو الميكانيكيةِ، مثل تلك تشكيل الدعاماتَ و المفاصلَ ضمن الهيكل الخلوي .
تلعب البروتينات مهام حيوية اخرى فهي عضو مهم في الإستجابة المناعية و في تخزين و نقل الجزيئات الحيوية كما تشكل مصدرا للحموض الأمينية بالنسبة للكائنات
التي لا تستطيع تشكيل هذه الحموض الأمينية بنفسها .
البروتينات أيضا واحدة من الجزيئات الضخمة الحيوية إلى جانب عديدات السكريدات و الدسم و الأحماض النووية، وهذه الجريئات الضخمة الحيوية
تشكل بمجموعها مكونات المادة الحية الأساسية .
بنية البروتين
يتألف البروتين من سلاسل ببتيدية مؤلفة من ترابط حموض نووية تلتف فيما بعد لتشكل بنية ثلاثية الأبعاد فريدة
( يتميز كل بروتين ببنية مختلفة عن البروتينات الأخرى ، تدعى هذه البنية بالحالة الأصلية للبروتين و تتحدد حسب ترتيب الحموض الأمينية في عملية الترابط
التي تشكل السلاسل البروتينية .
بنية أولية: تحددها تسلسل الحموض الأمينية
بنية ثانوية: تتألف من بنى ثانوية تتشكل من التفاف السلاسل الببتيدية على بعضها بشكل حلزونات ألفا و صفائح بيتا .
بنية ثالثية: وهي ما يحدد شكل البروتين النهائي ، تتألف من اجتماع البنى الثانوية للبروتين ( لوالب ألفا و صفائح بيتا )
بوساطة قوى فيزيائية غير تكافؤية لتعطي الشكل النهائي للبروتين
بنية رابعية: يستخدم عادة هذا المصطلح للدلالة على البنية التي تكونها اتحاد بروتينين أو أكثر في ما يسمى الوحدة البروتينية .
البنية البروتينية غير ثابتة اطلاقا بل تتغير لتأدية وظائفها المختلفة و لتحقيق هذا التغيير البنيوي يحدث تغير في ارتباطات البنية الثالثية و الرابعية ،
لذلك ندعو هذه البنى الثالثية و الرابعية تشكيلات كيميائية و ما يحدث لها من تغيرات بالتغيرات التشكيلية conformational changes .