یادداشت سردبیر: ناتان اهلگرن استادیار زیست شناسی در دانشگاه کلارک است. وی در این مصاحبه دقیقاً توضیح می دهد که پروتئین ها چیست، چگونه ساخته می شوند و عملکردهای متنوعی را که در بدن انسان انجام می دهند کدام است. همچنین از مدل های چاپ سه بعدی شده برای توضیح کار پروتئین ها در ویروس ها، نحوه تعامل آنها با سلول های انسانی، نحوه انتقال واکسن mRNA به داخل سلول و نحوه حمایت آنتی بادی ها از ما استفاده می کند.
پروتئین چیست؟
پروتئین ساختاری اساسی است که در تمام حیات یافت می شود. پروتئین یک مولکول است. و نکته اصلی در مورد پروتئین این است که از اجزای کوچک تری تشکیل شده است به نام آمینو اسیدها. من دوست دارم که پروتئین را به عنوان رشته ای از مهره های دارای رنگ های مختلف در نظر بگیرم. هر مهره اسید آمینه ای را نشان می دهد. اسیدهای آمینه مولکول های کوچکتری هستند که حاوی اتم های کربن، اکسیژن، هیدروژن و گاهی اوقات گوگرد هستند. بنابراین یک پروتئین اساساً رشته ای است که از این اسیدهای آمینه منفرد کوچک تشکیل شده است. 22 اسید آمینه مختلف وجود دارد که می توانید به طرق مختلف آنها را ترکیب کنید.بدن شما آنتی بادی های زیادی دارد و اگر به ویروس های زیادی آلوده شده باشید، آنها در اطراف شناور می شوند و فقط با سطح مناسب تلاقی پیدا می کنند و به هدف خود متصل می شوند.پروتئین معمولاً به صورت رشته ای وجود ندارد، بلکه در حقیقت به شکل خاصی جمع می شود، که این بستگی دارد به ترتیب و نحوه تعامل این اسیدهای آمینه مختلف با هم. این شکل بر آن چه پروتئین در بدن ما انجام می دهد تأثیر می گذارد.
اسیدهای آمینه از کجا می آیند؟
اسیدهای آمینه موجود در بدن ما از غذایی که می خوریم تأمین می شوند. ما همچنین آنها را در بدن خود می سازیم. به عنوان مثال، حیواناتِ دیگر پروتئین می سازند و ما آن را می خوریم. بدن ما آن زنجیره را گرفته و به صورت اسیدهای آمینه جداگانه تجزیه می کند. سپس می تواند آنها را در هر پروتئین مورد نیاز ما باز سازی کند.هنگامی که پروتئین ها در سیستم گوارش به اسیدهای آمینه تجزیه می شوند، به سلول های ما منتقل می شوند و به نوعی در داخل سلول، به صورت همان دانه های منفرد کوچک توصیف شده در قیاس ما، شناور می شوند. و سپس در داخل سلول، بدن شما اساساً آنها را به هم متصل می کند تا پروتئین های مورد نیاز بدن شما را تولید کند.
ما می توانیم تقریباً نیمی از آمینو اسیدهای مورد نیاز خود را بسازیم، اما باید بقیه را از غذای خود تأمین کنیم.
پروتئین ها در بدن ما چه می کنند؟
گر چه دانشمندان دقیقاً مطمئن نیستند، اما اکثر آنها موافقند که در بدن ما حدود 20000 پروتئین مختلف وجود دارد. برخی مطالعات نشان می دهد که حتی ممکن است بیشتر هم باشند. آنها عملکردهای مختلفی، از انجام برخی از تبدیل های متابولیکی گرفته تا نگه داشتن سلول های شما و تا کار عضلات را انجام می دهند.عملکرد آنها به چند دسته گسترده تقسیم می شود. یکی ساختاری است. بدن شما از انواع مختلفی از ساختارها تشکیل شده است - به ساختارهای رشته ای، گلبول ها (یا گویچه ها)، لنگرها و غیره فکر کنید. آنها اجزایی را تشکیل می دهند که قسمت های مختلف بدن شما را با هم نگاه می دارد. کلاژن پروتئینی است که به پوست، استخوان ها و حتی دندان ها ساختار می دهد. اینتگرین پروتئینی است که ارتباطات منعطفی بین سلول های شما ایجاد می کند. مو و ناخن شما از پروتئینی به نام کراتین ساخته شده است.
آنتی بادی ها نوع دیگری از پروتئین ها هستند. آنها شکل Y مانند دارند و وظیفه آنها شناسایی مزاحمانی مانند باکتری و ویروس در بدن شما است.نقش بزرگ دیگری که آنها بر عهده دارند بیو شیمی است – یعنی این که چگونه بدن شما واکنش های خاصی، مانند تجزیه چربی یا اسیدهای آمینه، را در سلول انجام می دهد. به یاد دارید وقتی گفتم بدن ما پروتئین غذایی را که می خوریم تجزیه می کند؟ حتی این عملکرد توسط پروتئین هایی مانند پپسین انجام می شود. مثال دیگر هموگلوبین است - پروتئینی که اکسیژن را در خون شما حمل می کند. بنابراین آنها این واکنش های شیمیایی خاص را در درون شما انجام می دهند.
پروتئین ها همچنین می توانند سیگنال ها و اطلاعات را پردازش کنند، مانند پروتئین های شبانه روزی ساعتی که زمان را در سلول های ما نگه می دارند. اما این ها تنها تعدادی از دسته های اصلی عملکردهایی هستند که پروتئین ها در سلول انجام می دهند.
چرا پروتئین اغلب با عضلات و گوشت در ارتباط است؟
انواع مختلف غذاها دارای انواع مختلفی از پروتئین ها هستند. کربو هیدرات های زیادی در گیاهانی مانند گندم و برنج وجود دارد، اما آنها از نظر پروتئین، کمتر غنی هستند. ولی گوشت به طور کلی پروتئین بیشتری دارد. پروتئین زیادی برای ساخت عضلات در بدن شما لازم است. به همین دلیل است که پروتئین اغلب با خوردن گوشت و عضله سازی همراه است، اما پروتئین ها در واقع بسیار بسیار بیشتر از این در حیات ما دخیل هستند.
تصویر: آنتی بادی های خنثی کننده به نوک پروتئین های سنبله ای (یا میخی شکل) ویروس SARS CoV-2 متصل می شوند. دیوید گودسل / پایگاه داده پروتئین ، CC BY-SA
پروتئین ها در ویروس چه می کنند؟ چه چیز دیگری در ویروس وجود دارد؟
تمام حیات دارای پروتئین است. بنابراین سلول های انسانی پروتئین دارند و همین امر در مورد ویروس ها صادق است، حتی اگر با سلول های بدن ما بسیار متفاوت باشند. یک ویروس از دو چیز اصلی تشکیل شده است - پوسته پروتئین و مواد ژنتیکی.
تصویر: اهلگرن مدلی از ویروس پاپیلومای انسانی را در دست دارد. این مدل مانند یک توپ فوتبال شکل گرفته است. این توپ دارای بخش های قابل جابجایی است، که گروه هایی از پروتئین ها را نشان می دهند. در داخل توپ توخالی یک رشته قرمز وجود دارد که RNA را نشان می دهد. این مدل چاپ سه بعدی، ویروس پاپیلومای انسانی است که پوسته پروتئین و مواد ژنتیکی داخل آن را نشان می دهد. The Conversation, CC BY-ND
واکسن ها توالی mRNA مربوط به پروتئین سنبله ای را گرفته، آن را در یک بسته مخصوص قرار داده و به سلول های انسانی منتقل می کنند.تصویر بالا یک مدل چاپ سه بعدی را نشان می دهد که من از پروتئین های ویروس پاپیلومای انسانی ساخته ام. هر یک از قطعات رنگی از پنج نسخه از یک پروتئین تشکیل شده است و در کنار هم یک پوسته بیست وجهی ایجاد می کنند. در داخل، من مواد ژنتیکی را به صورت یک رشته قرمز نشان داده ام. و این اساساً همان چیزی است که ساختار ویروس از آن تشکیل شده است. در این حالت، عملکرد پروتئین ها ایجاد پوسته محافظ در اطراف ویروس است. بعضی ویروس ها از جمله SARS-CoV2 همچنین غشای پلاسما یا غشای لیپیدی دارند.
عملکرد پروتئین سنبله ای چیست؟
تصویر: دانشمند از یک مدل چاپ سه بعدی پروتئین سنبله ای استفاده می کند و توضیح می دهد که چگونه گیرنده‌ی ACE-2 را هدف قرار می دهد. یک هنرمند یک تصویر دیجیتالی از گیرنده ACE-2 را روی دست او اضافه کرده است تا روند کار را به روشنی نشان دهد. شکل و ترکیب پروتئین سنبله ای به آن اجازه می دهد تا خودش را به یک گیرنده ACE-2 (همچنین یک پروتئین) بر سلول انسانی متصل کند. The Conversation, CC BY-ND
22 اسید آمینه مختلف وجود دارد که می توانید به طرق مختلف آنها را ترکیب کنید.پروتئین سنبله ای دو عملکرد دارد - شناسایی و اتصال به سلول، و سپس اجازه می دهد مواد ژنتیکی ویروس با ترکیب شدن با غشای سلول وارد سلول شود. نوک پروتئین سنبله ای قرار است پروتئین دیگری را که در سطح سلول انسان است، تشخیص دهد. بنابراین اگر دست من در تصویر بالا سطح سلول باشد، قصد دارد به پروتئینی در آن جا متصل شود. پروتئینی که در سلول های انسانی تشخیص می دهد ACE-2 نام دارد. هنگامی که یک پروتئین ACE-2 را تشخیص داد، فرایند پیچیده ای وجود دارد که طی آن پروتئین سنبله ای در واقع یک ساختار دراز و نازک را باز می کند تا به غشای پلاسمایی سلول بچسبد و غشاهای پلاسمای ویروس و سلول را در هم بیامیزد.
تصویر: این عکس پارگی در غشای سلولی ایجاد شده توسط پروتئین سنبله ای و یک رشته طولانی پیچ خورده RNA که وارد سیتوپلاسم سلول می شود را نشان می دهد. تصویری است که تلفیق ویروس SARS CoV-2 به سلول را نشان می دهد که ژنوم RNA ویروسی را در سیتوپلاسم سلول آزاد می کند. دیوید گودسل / پایگاه داده پروتئین ها ، CC BY-SA
پروتئین سنبله ای دو عملکرد دارد - شناسایی و اتصال به سلول.همه این ها به شکل ها، ترکیبات شیمیایی و بار اتم های موجود در پروتئین سنبله ای و پروتئین ACE-2 مربوط می شود. هر یک از برجستگی های کوچک روی مدل نشان دهنده یک اتم منفرد است. سطح پروتئین سنبله ای قرار است پروتئین ACE-2 را، شبیه یک قطعه پازل که درست در آن قرار می گیرد یا یک قفل و کلید، تشخیص دهد.
واکسن های mRNA چگونه در این روند دخالت می کنند؟
تصویر: mRNA برای پروتئین سنبله ای، که به صورت رشته قرمز نشان داده شده است، حاوی دستورالعمل هایی برای تشکیل پروتئین سنبله ای است. دانه های رنگی دستبند نشان دهنده اسیدهای آمینه جداگانه ای است که پروتئین سنبله ای را تشکیل می دهند و به صورت سنبله جمع می شوند. The Conversation, CC BY-ND
mRNA یک ماده ژنتیکی است که دستور العمل ها یا اطلاعاتی برای ساخت پروتئین دارد. mRNA برای پروتئین سنبله ای، که به صورت رشته قرمز در عکس بالا نشان داده شده است، حاوی دستور العمل هایی برای ساخت پروتئین سنبله ای است. مهره های رنگی دستبند و ترتیب قرار گیری آنها نشان دهنده اسیدهای آمینه جداگانه ای است که پروتئین سنبله ای را تشکیل می دهند و به شکل سنبله جمع می شوند.
عملکرد پروتئین ها ایجاد پوسته محافظ در اطراف ویروس است.واکسن ها توالی mRNA مربوط به پروتئین سنبله ای را گرفته، آن را در یک بسته مخصوص قرار داده و به سلول های انسانی منتقل می کنند. اکنون سلول های شما دستور العمل ساخت پروتئین سنبله ای را دارند، و بنابراین آنها قصد دارند مقداری تولید کنند. این پروتئین در نهایت در سطح سلول شما قرار می گیرد. آن زمان است که سیستم ایمنی بدن اقدام می کند. بدن شما این پروتئین را تشخیص می دهد، و تشخیص می دهد که برای بدن بیگانه است و سعی می کند آن پروتئین را جستجو کرده و از بین ببرد.
تصویر: واکسن، mRNA پروتئین سنبله ای را که در یک بسته لیپیدی پیچیده شده است، همراه با رشته های زنجیره ای پلی اتیلن گلیکول ارائه می دهد. رشته های PEG از بسته محافظت می کنند و دوام آن را افزایش می دهند تا بتواند با خیال راحت به سلول برسد. The Conversation, David Goodsell/The Protein Database, CC BY-ND
ما می توانیم تقریباً نیمی از آمینو اسیدهای مورد نیاز خود را بسازیم، اما باید بقیه را از غذای خود تأمین کنیم.راهی که واکسن، mRNA را به سلول می رساند از جهاتی شبیه روش ویروس ها برای انجام این کار است، از طریق یک بسته ساده که داخل آن ماده ژنتیکی است.
آنتی بادی ها چه کاری انجام می دهند؟
تصویر: این محقق نشان می دهد که چگونه آنتی بادی ها که به شکل Y هستند، پروتئین سنبله ای را مسدود می کنند. آنتی بادی ها (سفید) پروتئین سنبله ای ویروس SARS CoV-2 را مسدود می کنند و بنابراین نمی تواند وارد سلول شود. The Conversation, David Goodsell/The Protein Database, CC BY-ND
یک ویروس از دو چیز اصلی تشکیل شده است - پوسته پروتئین و مواد ژنتیکی.آنتی بادی ها نوع دیگری از پروتئین ها هستند. آنها شکل Y مانند دارند و وظیفه آنها شناسایی مزاحمانی مانند باکتری و ویروس در بدن شما است.
آنها چگونه این کار را انجام می دهند؟ نوک های Y از یک آنتی بادی به آنتی بادی دیگر کمی متفاوت است. بدن شما میلیاردها آنتی بادی مختلف ایجاد می کند، که اغلب دارای نوک های متفاوت هستند. شکل نوک، ترکیب مولکولی و بار باید کاملاً مناسب باشد تا در انتهای پروتئین سنبله ای قرار گیرد و آن را مسدود کند. هنگامی که نوک پروتئین سنبله ای مسدود شود، دیگر نمی تواند در گیرنده ACE-2 جای بگیرد. بنابراین این همان چیزی است که "آنتی بادی خنثی کننده" نامیده می شود.
کار دیگری که آنتی بادی ها می توانند انجام دهند این است که، وقتی به پروتئین سنبله ای متصل شوند، می توانند مانند یک پرچم عمل کنند. و سپس سلول های ایمنی دیگر می توانند آن پرچم را تشخیص دهند و بگویند "خوب، من باید این چیز را بخورم. این چیزی است که برای بدن مضر است. "
پروتئین ها همچنین می توانند سیگنال ها و اطلاعات را پردازش کنند، مانند پروتئین های شبانه روزی ساعتی که زمان را در سلول های ما نگه می دارند.هنگامی که بدن ما دستور العمل ساخت پروتئین سنبله ای را داشته باشد، واقعاً می تواند در ساخت آنتی بادی برای جلو گیری از پروتئین سنبله ای کار خوبی انجام دهد.
چگونه همه این پروتئین ها اهداف خود را پیدا می کنند؟
همه آنها به نوعی در اطراف شناور هستند و به یکدیگر برخورد می کنند، که شاید این کمی نگران کننده باشد که سرنوشت سلامتی ما به این مولکول ها بستگی دارد که در اطراف شناور هستند تا این که یکدیگر را پیدا می کنند. اما بدن شما آنتی بادی های زیادی دارد و اگر به ویروس های زیادی آلوده شده باشید، آنها در اطراف شناور می شوند و فقط با سطح مناسب تلاقی پیدا می کنند و به هدف خود متصل می شوند.منبع: ناتان آهیگرِن، Clark University