آمینواسیدها و پیوند پپتیدی؛ از ساختار دوخصلتی تا تشکیل پروتئین

ساختار عمومی آمینواسید را جزءبه‌جزء بخوان

در آمینواسیدهای آلفا که سازنده معمول پروتئین‌ها هستند، یک اتم کربن مرکزی به چهار بخش متصل است: گروه آمین –NH₂، گروه کربوکسیل –COOH، یک اتم هیدروژن و گروه جانبی R. فرمول عمومی را می‌توان به صورت H₂N–CH(R)–COOH نوشت. حرف R نماینده یک اتم یا گروه متغیر است و تفاوت اصلی آمینواسیدها را ایجاد می‌کند.

برای نمونه، در گلیسین گروه R یک اتم هیدروژن و در آلانین گروه R برابر CH₃ است. عوض‌شدن R می‌تواند اندازه، قطبیت، بار و نوع برهم‌کنش آمینواسید را تغییر دهد؛ بااین‌حال گروه آمین و کربوکسیل چارچوب مشترکی می‌سازند که در تشکیل زنجیر پپتیدی شرکت می‌کند.

• کربن آلفا به گروه آمین، گروه کربوکسیل، H و R متصل است
• گروه R بخش متغیر ساختار آمینواسید است
• گلیسین ساده‌ترین آمینواسید و دارای R = H است
• برای تشخیص آمینواسید، هم –NH₂ و هم –COOH را در ساختار پیدا کن

چرا آمینواسید هم خاصیت اسیدی و هم خاصیت بازی دارد؟

گروه کربوکسیل می‌تواند پروتون H⁺ از دست بدهد و رفتار اسیدی نشان دهد، در حالی که گروه آمین می‌تواند پروتون بپذیرد و رفتار بازی داشته باشد. بنابراین آمینواسیدها دوخصلتی‌اند؛ یعنی بسته به محیط می‌توانند در نقش اسید یا باز شرکت کنند. این نتیجه از گروه‌های عاملی موجود در یک مولکول به دست می‌آید، نه از خنثی‌بودن ظاهری فرمول آن.

در آب، انتقال پروتون از گروه کربوکسیل به گروه آمین می‌تواند ذره‌ای با –NH₃⁺ و –COO⁻ بسازد که «یون دوقطبی» نام دارد. بار کل این ذره ممکن است صفر باشد، اما دو ناحیه با بار مخالف دارد. در محیط اسیدی، پذیرش پروتون بیشتر و در محیط بازی، از دست‌دادن پروتون آسان‌تر می‌شود؛ جزئیات بار نهایی به گروه جانبی و pH محیط نیز وابسته است.

• –COOH بخش اسیدی و –NH₂ بخش بازی ساختار است
• یون دوقطبی هم‌زمان بار مثبت و منفی دارد
• صفر بودن بار کل به معنای نبودن بارهای موضعی نیست
• شکل غالب آمینواسید با pH محیط تغییر می‌کند

پیوند پپتیدی چگونه تشکیل می‌شود؟

گروه کربوکسیل یک آمینواسید می‌تواند با گروه آمین آمینواسید دیگر واکنش دهد. در نمایش ساده کتاب درسی، OH از گروه کربوکسیل و H از گروه آمین جدا می‌شوند و یک مولکول آب می‌سازند؛ سپس میان کربن کربونیل و نیتروژن پیوند برقرار می‌شود. بخش –CO–NH– ایجادشده، پیوند یا گروه پپتیدی است.

این فرایند نمونه‌ای از واکنش تراکمی است، زیرا دو مولکول به هم متصل می‌شوند و هم‌زمان مولکول کوچکی مانند آب تشکیل می‌شود. اتصال دو آمینواسید یک دی‌پپتید می‌سازد. ادامه همین الگو به تشکیل الیگوپپتید، پلی‌پپتید و در نهایت زنجیرهایی می‌انجامد که پس از تاخوردن و آرایش مناسب می‌توانند پروتئین فعال بسازند.

• پیوند پپتیدی الگوی –CO–NH– دارد
• گروه‌های واکنش‌دهنده، کربوکسیل و آمین هستند
• تشکیل هر پیوند پپتیدی در مدل ساده با تولید یک H₂O همراه است
• دی‌پپتید از اتصال دو باقی‌مانده آمینواسیدی ساخته می‌شود

ابتدا و انتهای زنجیر پپتیدی را تشخیص بده

در یک زنجیر پپتیدی خطی، یک سر معمولاً گروه آمین آزاد دارد و سر N نامیده می‌شود؛ سر دیگر گروه کربوکسیل آزاد دارد و سر C است. هنگام خواندن توالی، قرارداد رایج حرکت از سر N به سر C است. گروه‌های –CO–NH– میان این دو سر، محل اتصال باقی‌مانده‌های آمینواسیدی‌اند.

واژه «باقی‌مانده آمینواسیدی» یادآوری می‌کند که پس از تشکیل پیوند، هر آمینواسید بخشی از H و OH خود را در قالب آب از دست داده است. گروه‌های جانبی R در این اتصال مصرف نمی‌شوند و از ستون اصلی زنجیر بیرون می‌مانند؛ همین گروه‌ها در برهم‌کنش‌های بعدی و شکل‌گیری ساختار فضایی پروتئین نقش مهمی دارند.

توالی و شکل فضایی، کار پروتئین را تعیین می‌کنند

ساختار نخستین پروتئین، ترتیب آمینواسیدها در زنجیر است. حتی تغییر یک آمینواسید می‌تواند نوع برهم‌کنش میان بخش‌های زنجیر را عوض کند. جاذبه‌های یونی، پیوند هیدروژنی، برهم‌کنش بخش‌های ناقطبی و در برخی پروتئین‌ها پیوندهای گوگردی، به تاخوردن زنجیر و ایجاد شکل فضایی مشخص کمک می‌کنند.

گرمای زیاد، تغییر شدید pH یا بعضی مواد شیمیایی می‌توانند برهم‌کنش‌های نگهدارنده شکل پروتئین را مختل کنند و دناتوره‌شدن یا تغییر شکل طبیعی آن را رقم بزنند. در دناتوره‌شدن معمول، لزوماً همه پیوندهای پپتیدی شکسته نمی‌شوند؛ بیشتر ساختار فضایی و در نتیجه کارکرد پروتئین آسیب می‌بیند. پخته‌شدن سفیده تخم‌مرغ نمونه‌ای آشنا از تغییر ساختار پروتئین‌هاست.

• ساختار نخستین همان توالی آمینواسیدهاست
• گروه‌های R در تاخوردن زنجیر نقش دارند
• شکل سه‌بعدی با عملکرد پروتئین ارتباط مستقیم دارد
• دناتوره‌شدن را با شکستن کامل زنجیر پپتیدی یکسان ندان

مثال حل‌شده: شمار پیوند پپتیدی و مولکول آب

فرض کن یک زنجیر پپتیدی خطی از اتصال ۸ آمینواسید ساخته شود. آمینواسید نخست برای اتصال به آمینواسید دوم یک پیوند پپتیدی می‌سازد؛ هر آمینواسید تازه نیز برای پیوستن به انتهای زنجیر، یک پیوند دیگر اضافه می‌کند. بنابراین شمار پیوندهای پپتیدی برابر ۸ − ۱ = ۷ است.

چون در مدل تراکمی تشکیل هر پیوند پپتیدی یک مولکول آب تولید می‌کند، از ساخت این زنجیر ۷ مولکول آب حاصل می‌شود. در مقیاس مولی نیز اگر یک مول از چنین زنجیرهایی از آمینواسیدهای آزاد تشکیل شود، ۷ مول آب تولید خواهد شد. این رابطه برای یک زنجیر خطی و بدون شاخه با n آمینواسید به صورت n − 1 نوشته می‌شود.

تمرین روشن و نکات کلیدی

تمرین: از اتصال ۱۲ آمینواسید، دو زنجیر پپتیدی خطی جداگانه ساخته شده است؛ یکی ۵ و دیگری ۷ آمینواسید دارد. در مجموع چند پیوند پپتیدی و چند مولکول آب تشکیل می‌شود؟ زنجیر نخست ۵ − ۱ = ۴ و زنجیر دوم ۷ − ۱ = ۶ پیوند دارد؛ پس پاسخ کل ۱۰ پیوند پپتیدی و ۱۰ مولکول آب است.

دقت کن که رابطه n − 1 را برای هر زنجیر جداگانه به کار می‌بریم. به طور کلی اگر n آمینواسید در k زنجیر خطی جدا قرار گیرند، شمار کل پیوندهای پپتیدی n − k است. برای حل سؤال‌های ساختاری نیز ابتدا –CO–NH– را علامت بزن، سپس سرهای آزاد و گروه‌های R را شناسایی کن.

• آمینواسید دارای گروه آمین و کربوکسیل در یک مولکول است
• رفتار دوخصلتی از توانایی دادن و گرفتن پروتون ناشی می‌شود
• هر الگوی –CO–NH– در ستون اصلی، یک اتصال پپتیدی را نشان می‌دهد
• برای یک زنجیر خطی n عضوی، شمار پیوندها و آب‌های تولیدشده n − 1 است
• برای k زنجیر خطی شامل مجموع n آمینواسید، شمار پیوندها n − k است
• توالی آمینواسید و آرایش فضایی را دو سطح متفاوت ساختار بدان