ساختار چهارم پروتئین: معماری نهایی مولکول‌های زندگی
ساختار چهارم چیست و چگونه شکل می‌گیرد؟
پروتئین‌ها برای انجام وظایف خود در سلول، اغلب نیاز دارند تا به صورت مجموعه‌ای از چند زنجیره‌ی پلی‌پپتیدی عمل کنند. این مجموعه‌ی نهایی، ساختار چهارم نامیده می‌شود. هر زنجیره‌ی پلی‌پپتیدی در این مجموعه، یک زیرواحد نام دارد. این زیرواحدها می‌توانند کاملاً شبیه به هم (همو۱۰) یا متفاوت از هم (هترو۱۱) باشند.
اتصال این زیرواحدها به یکدیگر نه با پیوندهای محکم کووالانسی، بلکه عمدتاً از طریق برهمکنش‌های غیرکووالانسی صورت می‌گیرد. این برهمکنش‌ها شامل پیوندهای هیدروژنی۱۲، برهمکنش‌های آب‌گریز۱۳، و نیروهای الکترواستاتیک۱۴ هستند. این نوع اتصال، انعطاف‌پذیری لازم برای تنظیم فعالیت پروتئین را فراهم می‌کند.
انواع و دسته‌بندی پروتئین‌های دارای ساختار چهارم
پروتئین‌های دارای ساختار چهارم را می‌توان بر اساس تعداد و نوع زیرواحدهایشان دسته‌بندی کرد. به پروتئین‌های متشکل از بیش از یک زیرواحد، الیگومر نیز گفته می‌شود.
| نمونه‌ی پروتئین | تعداد زیرواحدها | نوع زیرواحدها | کارکرد اصلی |
|---|---|---|---|
| هموگلوبین | 4 | هترو (دو نوع آلفا و دو نوع بتا) | انتقال اکسیژن در خون |
| لاکتوگلوبولین شیر | 2 | همو (دو زیرواحد یکسان) | ذخیره‌سازی، انتقال ریزمغذی‌ها |
| کلاژن | 3 | همو (سه زنجیره‌ی یکسان) | استحکام بافت‌های پیوندی |
| آنزیم RNA پلیمراز | متغیر (مثلاً 5) | هترو (انواع مختلف) | رونویسی از DNA به RNA |
هموگلوبین: یک نمونه‌ی کلاسیک و شگفت‌انگیز
هموگلوبین، پروتئین موجود در گلبول‌های قرمز خون، احتمالاً معروف‌ترین مثال برای ساختار چهارم است. این مولکول از $4$ زیرواحد پلی‌پپتیدی تشکیل شده است: دو زنجیره‌ی آلفا و دو زنجیره‌ی بتا. در مرکز هر یک از این چهار زیرواحد، یک گروه هم۱۵ وجود دارد که اتم آهن دارد و می‌تواند به یک مولکول اکسیژن $(O_2)$ متصل شود.
زیبایی ساختار چهارم هموگلوبین در پدیده‌ای به نام همکاری۱۶ نهفته است. وقتی اولین مولکول اکسیژن به یکی از زیرواحدها متصل می‌شود، باعث تغییر شکل کوچکی در کل ساختار می‌گردد. این تغییر شکل، اتصال مولکول‌های اکسیژن بعدی به زیرواحدهای دیگر را آسان‌تر می‌کند. به همین دلیل است که منحنی اشباع هموگلوبین با اکسیژن به شکل S است. این همکاری، کارایی انتقال اکسیژن را در بدن به شدت افزایش می‌دهد.
مزایای وجود ساختار چهارم برای سلول
چرا بسیاری از پروتئین‌ها به صورت چندجزئی ساخته می‌شوند؟ این آرایش چندین مزیت کلیدی دارد:
۱. افزایش پایداری: اتصال چند زیرواحد به یکدیگر، ساختار کلی پروتئین را پایدارتر می‌کند و از تجزیه‌ی زودهنگام آن جلوگیری می‌نماید.
۲. تنظیم‌پذیری فعالیت: سلول می‌تواند با اتصال یک مولکول سیگنال به یک زیرواحد، فعالیت تمام مجموعه را روشن یا خاموش کند. این مکانیسم، یکی از راه‌های مهم کنترل فرآیندهای سلولی است.
۳. ایجاد مکان‌های فعال پیچیده: گاهی مکان فعال۱۷ آنزیم درست در مرز بین دو زیرواحد مجاور تشکیل می‌شود. این امر امکان انجام واکنش‌های شیمیایی پیچیده‌تری را فراهم می‌سازد که یک زیرواحد به تنهایی قادر به انجام آن نیست.
۴. صرفه‌جویی در اطلاعات ژنتیکی: ساختن یک پروتئین بزرگ از تکرار چند زیرواحد یکسان، بسیار کارآمدتر از کد کردن یک زنجیره‌ی غول‌پیکر منفرد در DNA۱۸ است. مانند استفاده از آجرهای یکسان برای ساختن یک دیوار بزرگ.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. بسیاری از پروتئین‌ها، مانند آنزیم لیزوزیم۱۹، فقط از یک زنجیره‌ی پلی‌پپتیدی تشکیل شده‌اند و تنها تا سطح ساختار سوم سازمان‌دهی می‌شوند. به این پروتئین‌ها، تک پار۲۰ یا مونومر۲۱ گفته می‌شود.
پیوند دی‌سولفید۲۲ یک پیوند کووالانسی است که معمولاً برای پایدار کردن ساختار سوم درون یک زنجیره‌ی پلی‌پپتیدی به کار می‌رود. نقش اصلی در تشکیل ساختار چهارم بر عهده‌ی برهمکنش‌های ضعیف‌تر غیرکووالانسی است. البته در موارد نادری، پیوند دی‌سولفید می‌تواند دو زنجیره‌ی مجزا را به هم متصل کند.
از دست دادن ساختار چهارم معمولاً منجر به دناتوره۲۳ شدن پروتئین و از دست دادن عملکرد آن می‌شود. زیرواحدها از هم جدا شده و دیگر نمی‌توانند کار خود را به درستی انجام دهند. این اتفاق می‌تواند بر اثر افزایش دما یا تغییر شدید pH رخ دهد.
پاورقی
۱ Quaternary Structure
۲ Polypeptide Chain
۳ Hemoglobin
۴ Enzymes
۵ Antibodies
۶ Subunit
۷ Interaction
۸ Non-covalent
۹ Oligomer
۱۰ Homo-
۱۱ Hetero-
۱۲ Hydrogen Bonds
۱۳ Hydrophobic Interactions
۱۴ Electrostatic Forces
۱۵ Heme Group
۱۶ Cooperativity
۱۷ Active Site
۱۸ Deoxyribonucleic Acid
۱۹ Lysozyme
۲۰ Monomeric
۲۱ Monomer
۲۲ Disulfide Bond
۲۳ Denature