البروتينات الهيكلية

ما هي البروتينات الهيكلية

تلعب البروتينات الهيكلية، بما في ذلك ألياف الحرير، دورًا مهمًا في تشكيل الهياكل العظمية والخلايا والأنسجة والكائنات الحية، وغالبًا ما تُظهر تسلسلات الأحماض الأمينية للبروتينات الهيكلية سمات مميزة، مثل نموذج ترادفي متكرر، يختلف بشكل ملحوظ عن تلك الموجودة في البروتينات الوظيفية مثل الإنزيمات والأجسام المضادة.

وظيفة البروتينات الهيكلية

وأحد الأمثلة على ذلك هو رابطة ثاني كبريتيد المتكونة بين اثنين من بقايا السيستين، والتي يمكن أن تحفز البنى الهرمية والبنى الهرمية في البروتينات، ومع ذلك، بشكل عام يعتمد تسلسل الأحماض الأمينية والبنية التي يتم تكوينها على نوع البروتين الهيكلي، ومن الصعب تحديد البروتين الهيكلي بناءً على التسلسل أو الهيكل وحده.

من أنواع البروتينات الهيكلية الطبيعية

خيوط العنكبوت

من المعروف أن أنواعًا عديدة من العناكب تنتج أنواعًا متعددة من الألياف، وبعضها يدور حتى 7 أنواع، ويُطلق على الخيط المغزول من غدة الأمبولات الرئيسية اسم السحب ويستخدم كإطار عمل لشبكات العنكبوت الشبكية وكشبكات الحياة، وكما يمكن الاستدلال من دورها في الطبيعة.

حيث تظهر خطوط السحب العنكبوتية خواص ميكانيكية ممتازة وتُعرف باسم “ألياف حرير العنكبوت القاسية”، وعلى وجه الخصوص، فإن صلابة هذه الألياف من حيث المقاومة للكسر بسبب التمدد تتفوق بشكل كبير على البوليمرات الاصطناعية والمواد الطبيعية الأخرى بسبب قوتها العالية نسبيًا واستطالة عند الكسر.

وبالتالي، من المتوقع أن تكون هذه الألياف قابلة للتطبيق في المواد الهيكلية خفيفة الوزن مثل أجزاء السيارات، وتتأثر الخواص الميكانيكية والفيزيائية لهذه الألياف بشكل كبير بمعدل التشوه والرطوبة، وعلى عكس ألياف الحرير من دودة القز، تتأثر الخصائص الفيزيائية لخط العنكبوت، أي تفاعله الفائق، بالتفاعلات مع جزيئات الماء.

وفي الآونة الأخيرة، تم اقتراح أن البرولين والديجلوتامين في تسلسل الأحماض الأمينية يساهمان في التركيب الفائق بناءً على دراسات مقارنة للتكوين الفائق لحرير العنكبوت المختلفة.

ويحتوي حرير العنكبوت المتدرج على تسلسل ترادفي من التسلسلات الغنية بالبولي ألانين والغنية بالجليسين، والبوليالانين هو شكل بلوري محتمل، في حين أن التسلسلات الغنية بالجليسين تشكل مناطق غير متبلورة، ويسمح هذا الشكل التكراري المميز بتشكيل هياكل عالية المستوى تكون فيها البلورات الدقيقة التي تشتمل على هياكل صفائح بيتا موجهة بشكل كبير على طول محور الألياف.

حرير دودة القز وأنواع الحرير الأخر

بروتين الحرير لا تُنتجه العناكب فحسب، بل تُنتِج أيضًا حيوانات مثل دودة القز والعقارب، ويتشابه وجود هياكل صفائح بيتا كمكونات بلورية، ولكن تسلسل الأحماض الأمينية والخصائص الفيزيائية تختلف بشكل ملحوظ بين الأنواع المختلفة، ومن المعروف أن ألياف حرير دودة القز مغلفة بالبروتين اللاصق سيريسين.

وقد تم الإبلاغ عن العديد من الدراسات التي تركز على خصائص مادة سيريسين، وفي السنوات الأخيرة، أعاد كونسورتيوم من الدول الآسيوية تقييم الحرير كمادة بوليمر وأبلغ عن مجموعة متنوعة من الخصائص الفيزيائية التي توفرها خيوط الحرير لدودة القز.

الكولاجين

الكولاجين هو واحد من أكثر البروتينات وفرة في الثدييات، وهو مكون هيكلي رئيسي للمصفوفات خارج الخلية، ويحتوي على العديد من متواليات الأحماض الأمينية المتعددة التي تحتوي على Gly بشكل دوري، وتشتمل متواليات التكرار المحتوية على Gly على 1400 وحدة من وحدات الحمض الأميني.

وأكثر وحدات الببتيدات الثلاثية شيوعًا في الكولاجين هي (Gly-Pro-Hyp)، وتشكل هذه البقايا الثلاثة منعطفًا حلزونيًا واحدًا، وباعتباره بروتينًا هيكليًا، يتمتع الكولاجين بتوافق حيوي ممتاز والتصاق الخلايا ويمكن أن يعزز تكاثر الخلايا وتمايزها.

الإيلاستين

يتألف بشكل أساسي من بقايا الجلايسينوالفالينوالألانينوالبرولين ويمتلك وزن جزيئي يبلغ 66 كيلو دالتون تقريبًا، وهو موجود في الأنسجة الضامة والأوعية الدموية والحاملة وله خصائص ميكانيكية مرنة جدًا، وفي جلد الفئران، يلعب الإيلاستين دورًا ميكانيكيًا عند الضغط البسيط مع التشوهات الصغيرة، معامل المرونة والقوة وقابلية التمدد والمتانة والمرونة، ولذلك يعتبر الإيلاستين بروتينًا هيكليًا مهمًا ومادة للسقالات التي تتطلب خصائص فيزيائية مرنة في زراعة الخلايا، ومع ذلك، فإن الإيلاستين قابل للذوبان بشكل ضعيف في المحاليل المائية، مما يجعل من الصعب معالجته، وهذه مشكلة شائعة بين البروتينات الهيكلية.

وبالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأنه من الصعب الحصول على الإيلاستين وتوليفه وإنتاجه بكميات كبيرة، فإن التقارير المتعلقة بالمواد الحيوية المكونة من الإيلاستين وحده محدودة للغاية مقارنة بالتقارير المتعلقة بالسقالات المكونة من بروتينات هيكلية أخرى، وتم الإبلاغ عن سقالة من الإيلاستين المشتقة من الرباط البقري، ودُرست خواصها الميكانيكية.

ومع التركيز على معامل المرونة الخاص بها، تجعل مرونة الإيلاستين مادة مضافة فعالة لتحسين أوعية هندسة الأنسجة القائمة على الكولاجين، ومما يدل على أن مركبات الإيلاستين الهجينة توفر خصائص ميكانيكية فريدة مثل المرونة الكبيرة، مما يشير إلى أن الإيلاستين هو بروتين هيكلي مفيد لإعداد المواد الهيكلية المرنة.

ريسيلين

الريسيلين، وهو بروتين هيكلي، عبارة عن مادة مرنة إنتروبيا (مطاط) توجد في الهياكل البيولوجية التي تتطلب تخزينًا للطاقة ومرونة طويلة المدى، وتُظهر استطالة بنسبة 300-400٪ عند الكسر، وقابلية منخفضة للذوبان، واستقرار حراري يصل إلى 140 درجة تقريبًا، وتتشابه الخواص الميكانيكية للإيلاستين مع الخصائص الميكانيكية للراتنج.

ولكن الراتينج يظهر مرونة أعلى ومعامل أقل، ويمكن العثور على الريسيلين في العديد من المفاصل البيولوجية، مثل المفاصل الوريدية لأجنحة اليعسوب،ومع ذلك، فإن الراتينج الطبيعي ليس متاحًا على نطاق واسع للتوصيف البيولوجي والفيزيائي.

ولذلك، من خلال الاستنساخ الجزئي والتعبير عن جين ذبابة الفاكهة التي تم تحديدها لتشفير الراتنج، تم تصميم البروتين المؤتلف للراتنج والحصول عليه بنجاح، ويمكن تحضير مادة شبيهة بالمطاط عن طريق التشابك الكيميائي الضوئي السريع، وتم تحقيق هذا الارتباط المتشابك عن طريق البيروكسيداز، الذي يحفز تكوين الديتروزين، وتم التعبير عن بروتينات الراتنج المؤتلف وتقييمها كمواد حيوية، ونظرًا للخصائص الفيزيائية الجذابة للراتنج، فقد تم أيضًا فحص توليفات الراتنج مع البروتينات الأخرىى.