الفصل الخامس

الأسباراجين والشريط القديم

خلال سنوات مراهقتي، كنتُ قارئًا نَهِمًا للرياضيات العامة، بما في ذلك كتب مارتن جاردنر صاحب أحد الأعمدة الصحفية في مجلة «ساينتيفيك أمريكان»؛ ومن ثَمَّ، فإن أيَّ شيء يمكن أن يربط هذا العالم بالعالَم الذي أصبحتُ أعمل فيه لاحقًا — وأقصد تحديدًا البروتين — سيثير فضولي لا شكَّ في ذلك. لقد اعتاد علماء دراسة البروتين استخدامَ كلمة «طوبولوجيا» في غير موضعها الصحيح، في حين أنهم يشيرون ببساطة إلى البنية البروتينية. ومع هذا، ففي هذا التشابُك بين علمَي البروتين والرياضيات، توجد طوبولوجيا فعلية مُتضمَّنة، نتيجةَ ربط سلاسل البروتين في عُقَد.

توصَّلَ كيميائيو الجزيئات الفائقة إلى طرق ذكية لإنتاج التجمُّعات الجزيئية، مثل: العُقَد والحلقات المتداخلة (مُركَّبات الكاتينان). وبَدَا أنه ابتكارٌ جديدٌ وممتعٌ، بل مفيدٌ أيضًا أحيانًا، ولا مثيل له في الطبيعة، باستثناء الحمض النووي الذي يمكن ربطُه في حالات معقَّدَة طوبولوجيًّا بسبب بنية اللولب المزدوج التي يتسم بها واعتياده على تشكيل الحلقات. بالنسبة إلى البروتينات، التي تُعتبَر أكثرَ البوليمرات البيولوجية تنوُّعًا من الناحية البنيوية، كان يُفترَض أن تظلَّ مستقيمةَ الشريط من حيث المبدأ، ولكن في عام ٢٠٠٠، ثبَتَ أن البروتينات الطبيعية تستطيع تشكيلَ كلٍّ من العُقَد ومُركَّبات الكاتينان.

تحدَّثَ جون جونسون وزملاؤه من معهد سكريبس البحثي إلى مجلة «ساينس» عن البنية العالية الدقة التي تتَّسِم بها «رأس» بروتين فيروس HK97. ومع أن معظم البِنى البروتينية المعروفة حاليًّا لا تتفاوَتُ إلا في نواحٍ معروفة جيدًا، فإن هذا الفيروس كان يحمل مفاجأتين رئيستين؛ يتمتَّع جزيء البروتين في حدِّ ذاته ببنية ثلاثية الأبعاد ذات نمط (أو «طية») غير مرصود من قبلُ، لكنَّ المفاجأةَ الكبرى كانت فيما يحدث بين الجزيئات البروتينية البالغ عددها ٤٢٠ جزيئًا، التي يتكوَّن منها الغلاف الخارجي. فبمجرد تجمُّعِها في البِنية الكروية الشكل، لا تقنع بالاتحاد مع بعضها البعض من خلال روابط ضعيفة لا تساهمية، على عكس ما تفعله عادةً الوحدات البروتينية الفرعية ذات الأنظمة التجميعية المعقدة. بل إنها تشكِّل رابطة أميدية جديدة من مركب الأمين الأولي الذي ينتج عن بقايا حمض اللايسين لإحدى الوحدات، بالإضافة إلى مركب الأميد في حمض الأسباراجين الأميني المجاور له.

بمجرد أن يحدث هذا ٤٢٠ مرة، فإن كل جزيء بروتيني لا يجد نفسه مرتبطًا تساهميًّا بحلقة تضمُّ أربعة أو خمسة جزيئات مثله فحسب، بل يجد أيضًا أنه مقيَّد على نحوٍ لا يمكن فكُّه بالحلقات المجاورة له، وبالتالي يكون مقيَّدًا بالتجمُّع بأكمله. لهذا، تشكِّل ٦٠ حلقة سداسية التفاعيل و١٢ حلقة خماسية التفاعيل شبكةً ثلاثية الأبعاد لا يمكن فكُّها إلا بتكسير الروابط الكيميائية؛ مما يفسِّر حالة الاستقرار الاستثنائية التي يتميَّز بها الغلاف الخارجي، والتي تُنتَج بوفرة باستخدام بروتينٍ أقل مما كانت تستدعيه الحاجة.

قبل ذلك بأقل من شهرٍ، أثبَتَ ويليام تيلور من المعهد الوطني للأبحاث الطبية في ميل هيل بمدينة لندن وجودَ سلاسلَ بروتينيةٍ معقودة بقوة، وذلك عن طريق فحص البِنى المعروفة من خلال اللوغاريتمات الجديدة التي طوَّرها بنفسه، والتي تعمل بصفة أساسية على ربط طرفَي السلسلة البروتينية بإحكامٍ ثم تقليص السلسلة. سينتهي المطاف بمعظم السلاسل إلى صورة خط مستقيم بين موضعَي الطرفين، ولكن اتضح أن بعضها يكون معقودًا. وأكثر العُقَد تعقيدًا التي أمكن ملاحظتها كانت عقدةً على شكل الرقم ٨ موجودةً في البروتين المزروع «أسيتوهيدروكسي أسيد أيزوميرورداكتيز».

fig5
شكل ٥-١: بروتين متشابِك. استعان الباحثون بتقنيات حاسوبية متقدِّمة من أجل «شدِّ» كِلَا طرفَي السلسلة البروتينية، واكتشافِ إن كانت معقودةً أم لا. في هذه الحالة، تبيَّنَ وجودُ عقدة.

أحدث التطورات

في عام ٢٠٠٦، أعلَنَ باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عن اكتشافهم أكثر العُقَد تعقيدًا التي أمكن رصدها داخل بروتين؛ فبعد شدِّهم شرائطَ أكثر من ٣٠ ألف بنية بروتينية، اكتشفوا عدة عُقَد ثلاثية أو رباعية التشابُكات، ولكنَّ عقدةً واحدةً فقط حطَّمت الرقم القياسي بخمسة تشابُكات (انظر الشكل ٥-١). البروتين المتشابِك هو إنزيم هيدروليز أبوكويتين، الذي يلعب دورًا مهمًّا في تحديد البروتينات التي تتكسَّر حتمًا عن طريق جهاز إعادة تدوير البروتينات داخل الخلية، وهو البروتيسوم. على وجه التحديد، يزيل الهيدروليز علامةَ الأبوكويتين، وبالتالي ينقذ البروتينات من الإبادة المحقَّقة. وقد خمَّن الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن العقدة المعقَّدَة ربما تكون وسيلةً وقائيةً خاصة تمنع الإنزيم — المرتبط ارتباطًا وثيقًا بعلامة الأبوكويتين المميتة — من أن ينتهي به المطاف في سلة مهملات الخلية.

قراءات إضافية

  • W. R. Taylor and K. Lin, Nature, 2003, 421, 25.

جميع الحقوق محفوظة لمؤسسة هنداوي © ٢٠٢٠