تتكون البروتينات، سواء الحيوانية أو النباتية، من حوالي 20 نوعًا شائعًا من الأحماض الأمينية. تختلف نسبة هذه الأحماض الأمينية كخاصية مميزة لبروتين معين، ولكن جميع البروتينات الغذائية - باستثناء الجيلاتين - تحتوي على بعض من كل نوع.
تشكل الأحماض الأمينية الوحدات البنائية الأساسية للبروتينات وهي ضرورية لتخليق بروتينات الجسم والمركبات الأخرى الهامة المحتوية على النيتروجين، مثل الكرياتين، الهرمونات الببتيدية، وبعض الناقلات العصبية.
يتم تكسير وإعادة تصنيع البروتينات والمركبات النيتروجينية الأخرى باستمرار داخل الجسم. يتم تدوير كمية من البروتين يوميًا داخل الجسم أكبر بعدة مرات من الكمية المستهلكة عادةً، مما يشير إلى أن إعادة استخدام الأحماض الأمينية هي سمة رئيسية لاقتصاد أيض البروتين. هذه العملية ليست فعالة تمامًا، ويتم فقدان بعض الأحماض الأمينية عن طريق الهدم التأكسدي. يتم إفراز نواتج أيض الأحماض الأمينية (اليوريا، الكرياتينين، حمض اليوريك، ومنتجات نيتروجينية أخرى) في البول؛ كما يتم فقدان النيتروجين أيضًا في البراز والعرق وإفرازات الجسم الأخرى وفي الجلد المتساقط والشعر والأظافر. يتطلب الأمر إمدادًا مستمرًا من الأحماض الأمينية الغذائية لتعويض هذه الخسائر، حتى بعد توقف النمو.
الأحماض الأمينية المستهلكة بكميات تزيد عن الاحتياجات اللازمة لتخليق مكونات الأنسجة النيتروجينية لا يتم تخزينها ولكن يتم تكسيرها؛ يتم إفراز النيتروجين على شكل يوريا، ويتم استخدام الأحماض الكيتونية المتبقية بعد إزالة المجموعات الأمينية كمصادر للطاقة أو تحويلها إلى كربوهيدرات أو دهون.
تسعة أحماض أمينية - الهيستيدين، الإيزوليوسين، الليوسين، اللايسين، الميثيونين، الفينيل ألانين، الثريونين، التربتوفان، والفالين - لا يتم تصنيعها بواسطة الثدييات وبالتالي فهي ضرورية غذائيًا أو مغذيات لا غنى عنها. تسمى هذه عادةً الأحماض الأمينية الأساسية. الهيستيدين حمض أميني أساسي للرضع، ولكن لم يثبت أنه مطلوب للبالغين إلا مؤخرًا. في ظل ظروف خاصة (مثل الرضع الخدج أو الأشخاص الذين يعانون من تلف الكبد)، قد تصبح الأحماض الأمينية مثل السيستين والتيروزين، التي ليست أساسية عادةً، كذلك بسبب ضعف التحويل من سلائفها. يتم تصنيع الأرجينين بواسطة الثدييات ولكن ليس بكميات كافية لتلبية احتياجات صغار معظم الأنواع. على الرغم من أنه لا يُعتقد أنه مطلوب للرضع البشريين للنمو الطبيعي، إلا أن الحاجة إلى الأرجينين للرضع الخدج غير معروفة. عندما يكون الأرجينين موجودًا بكميات صغيرة مقارنة بالأحماض الأمينية الأخرى (كما هو الحال في المحاليل الوريدية أو مخاليط الأحماض الأمينية)، أو عندما تكون وظيفة الكبد معرضة للخطر، قد يكون تخليق الأرجينين غير كافٍ للوظيفة الكافية لدورة اليوريا.
تاريخ اكتشاف البروتينات والأحماض الأمينية
يعود تاريخ دراسة البروتينات والأحماض الأمينية إلى قرون مضت، وقد تطور فهمنا لها بشكل كبير بفضل جهود العديد من العلماء. فيما يلي أبرز المحطات التاريخية:
•1789: ميز أنطوان فوركروي (Antoine Fourcroy) عدة أنواع من البروتينات (التي كانت تسمى آنذاك "الألبومينات" أو "Eiweisskörper") مثل الألبومين، الفيبرين، الجيلاتين، والجلوتين.
•1806: عزل الكيميائيان الفرنسيان لويس نيكولا فوكلان (Louis-Nicolas Vauquelin) وبيير جان روبيكيه (Pierre Jean Robiquet) أول حمض أميني، وهو الأسباراجين، من نبات الهليون. لم يُعرف دوره كمكون للبروتين إلا في عام 1873.
•1819: تم عزل حمض أميني آخر وهو الليوسين.
•1837: حدد جيريت جيه مولدر (Gerrit J. Mulder) التركيب العنصري للعديد من البروتينات، وأدرك أنها تحتوي على مادة أساسية مشتركة واحدة. اقترح أن هذه المادة الأساسية تُصنع بواسطة النباتات وتنتقل سليمة إلى الحيوانات العاشبة ثم إلى آكلات اللحوم.
•1838: اقترح جاكوب بيرزيليوس (Jacob Berzelius)، استجابة لنتائج مولدر، اسم "بروتين" من الكلمة اليونانية "prwteioz" التي تعني "الذي يقف في المقدمة"، للدلالة على "المادة الأولية أو الرئيسية للتغذية الحيوانية".
•1902: اكتشف إميل فيشر (Emil Fisher) وفرانز هوفمايستر (Franz Hofmeister) (بشكل مستقل) الرابطة الببتيدية، وهي الرابطة التي تربط الأحماض الأمينية ببعضها لتكوين البروتينات.
•1907-1908: قامت لجان في إنجلترا والولايات المتحدة بتوحيد مصطلح البروتين وتوحيد تعريفات الألبومينات، الجلوبيولينات، الجلوتيلينات، والهيستونات بناءً على خصائص ذوبانها.
•1920: كان هيرمان شتاودينغر (Hermann Staudinger) أول من اقترح بفعالية فكرة أن "الجزيئات الحقيقية ذات الحجم الهائل" قادرة على الوجود بشكل مستقر، وهو ما كان يتعارض مع الرأي السائد آنذاك بأن البروتينات هي غرويات تتكون من "تجمعات فضفاضة لجزيئات أصغر بكثير".
•1925: توصل إن. بييروم (N. Bjerrum)، وإي. كيو. آدامز (E. Q. Adams)، وك. ليندرستروم-لانغ (K. Linderstrøm-Lang) وآخرون إلى توافق في الآراء حول طبيعة الزويتر أيون (zwitterionic) للبروتينات عند الرقم الهيدروجيني المتساوي الكهربية.
•1926: قام جيه. بي. سمنر (J. B. Sumner) ببلورة أول إنزيم، وهو يورييز الفاصوليا.
•1934: حصل جيه. دي. بيرنال (J. D. Bernal) ودوروثي كروفوت هودجكين (Dorothy Crowfoot Hodgkin) على أول نمط حيود أشعة سينية حاد لبروتين بلوري (البيبسين)، مما أكد شكله الكروي المضغوط واكتشف أهمية الماء في الحفاظ على استقراره الشكلي.
•1936: تم تحديد الثريونين كالحمض الأميني العشرين. كانت 18 حمضًا أمينيًا قد تم تحديدها بحلول عام 1903؛ وتم تحديد الميثيونين في عام 1922.
•1949: أتقن إس. مور (S. Moore) ودبليو. إتش. ستاين (W. H. Stein) تحليل التركيب الكمي للأحماض الأمينية باستخدام كروماتوجرافيا عمود النشا مع النينهيدرين.
•1951: قام فريدريك سانغر (Frederick Sanger) بتحديد تسلسل سلسلة بيتا للأنسولين. تم الإبلاغ عن تسلسل سلسلة ألفا في عام 1953، ومواقع الروابط ثنائية الكبريتيد في عام 1955.
•1958: نشر جون سي. كيندرو (John C. Kendrew) وزملاؤه بنية بلورية منخفضة الدقة (6-7 أنجستروم) للميوغلوبين - وهي أول بنية ثلاثية الأبعاد لبروتين مطوي.
هضم وامتصاص البروتينات
عند تناول الطعام، يقوم الجهاز الهضمي بتحويل البروتينات الغذائية إلى أحماض أمينية فردية، والتي يتم امتصاصها واستخدامها من قبل الخلايا لبناء بروتينات أخرى وجزيئات كبيرة أخرى مثل الحمض النووي (DNA). دعونا نتبع المسار الذي تسلكه البروتينات عبر الجهاز الهضمي وإلى الجهاز الدوري.
1. الهضم في الفم
تبدأ عملية هضم البروتين في الفم بالمضغ، حيث يتم التكسير الميكانيكي لقطع الطعام الكبيرة إلى قطع أصغر يمكن بلعها. تفرز الغدد اللعابية اللعاب للمساعدة في البلع ومرور الطعام المهضوم جزئيًا عبر المريء.
2. الهضم في المعدة
تدخل قطع الطعام المهضومة جزئيًا إلى المعدة. يحدث في المعدة هضم ميكانيكي وكيميائي. تطلق المعدة العصارات الهضمية التي تحتوي على حمض الهيدروكلوريك وإنزيم البيبسين، اللذين يبدآن الهضم الكيميائي للبروتين. تساعد الانقباضات العضلية، التي تسمى الحركة الدودية، أيضًا في الهضم. تعمل انقباضات المعدة القوية على خلط البروتين المهضوم جزئيًا وتحويله إلى مزيج أكثر تجانسًا يسمى الكيموس.
بسبب حمض الهيدروكلوريك في المعدة، يكون الرقم الهيدروجيني منخفضًا جدًا (1.5-3.5). تتسبب حموضة المعدة في تغير طبيعة البروتينات الغذائية (denature)، مما يؤدي إلى فك بنيتها ثلاثية الأبعاد ليكشف عن سلسلة البولي ببتيد فقط. هذه هي الخطوة الأولى في الهضم الكيميائي للبروتينات. تدمير البنية ثلاثية الأبعاد للبروتين يؤدي إلى تدمير وظيفته.
بمجرد تغير طبيعة البروتينات في المعدة، تصبح الروابط الببتيدية التي تربط الأحماض الأمينية ببعضها البعض أكثر سهولة للهضم الإنزيمي. تبدأ هذه العملية بواسطة البيبسين، وهو إنزيم تفرزه الخلايا المبطنة للمعدة وينشط بواسطة حمض الهيدروكلوريك. يبدأ البيبسين في تكسير الروابط الببتيدية، مكونًا ببتيدات أقصر.
3. الهضم والامتصاص في الأمعاء الدقيقة
يغادر الكيموس المعدة ويدخل الأمعاء الدقيقة، حيث يحدث الجزء الأكبر من هضم البروتين. يفرز البنكرياس العصارات الهضمية في الأمعاء الدقيقة، وتحتوي هذه العصارات على المزيد من الإنزيمات لتكسير الببتيدات بشكل أكبر.
الإنزيمان البنكرياسيان الرئيسيان اللذان يهضمان البروتينات في الأمعاء الدقيقة هما الكيموتريبسين والتربسين. ينشط التربسين إنزيمات أخرى هاضمة للبروتين تسمى البروتياز، وتعمل هذه الإنزيمات معًا على تكسير البروتينات إلى ثلاثي الببتيدات، وثنائي الببتيدات، وأحماض أمينية فردية. تطلق الخلايا المبطنة للأمعاء الدقيقة إنزيمات إضافية تساهم أيضًا في الهضم الإنزيمي للببتيدات.
تدخل ثلاثي الببتيدات، وثنائي الببتيدات، والأحماض الأمينية الفردية إلى الخلايا المعوية للأمعاء الدقيقة باستخدام أنظمة نقل نشطة تتطلب ATP. بمجرد دخولها، يتم تكسير ثلاثي الببتيدات وثنائي الببتيدات إلى أحماض أمينية فردية، والتي يتم امتصاصها في مجرى الدم. توجد عدة أنواع مختلفة من أنظمة النقل لاستيعاب أنواع مختلفة من الأحماض الأمينية. تتنافس الأحماض الأمينية ذات التشابه الهيكلي على استخدام هذه الناقلات. هذا لا يمثل مشكلة إذا كان البروتين يأتي من الطعام، لأنه يحتوي بشكل طبيعي على مزيج من الأحماض الأمينية. ومع ذلك، إذا تم تناول جرعات عالية من مكملات الأحماض الأمينية، فقد تتداخل نظريًا مع امتصاص الأحماض الأمينية الأخرى.
ماذا يحدث للأحماض الأمينية الممتصة؟
بمجرد وصول الأحماض الأمينية إلى الدم، يتم نقلها إلى الكبد. كما هو الحال مع المغذيات الكبيرة الأخرى، يعتبر الكبد نقطة تفتيش لتوزيع الأحماض الأمينية وأي تكسير إضافي للأحماض الأمينية، وهو أمر ضئيل جدًا. تصبح الأحماض الأمينية الغذائية بعد ذلك جزءًا من مجمع الأحماض الأمينية في الجسم.
بافتراض أن الجسم لديه ما يكفي من الجلوكوز ومصادر الطاقة الأخرى، سيتم استخدام هذه الأحماض الأمينية بإحدى الطرق التالية:
•تخليق البروتين في الخلايا في جميع أنحاء الجسم.
•صنع الأحماض الأمينية غير الأساسية اللازمة لتخليق البروتين.
•صنع مركبات أخرى تحتوي على النيتروجين.
•إعادة ترتيبها وتخزينها كدهون (لا يوجد شكل تخزين للبروتين).
إذا لم يكن هناك ما يكفي من الجلوكوز أو الطاقة المتاحة، يمكن أيضًا استخدام الأحماض الأمينية بإحدى هذه الطرق:
•إعادة ترتيبها إلى جلوكوز لتزويد الدماغ وخلايا الدم الحمراء بالوقود.
•استقلابها كوقود، كمصدر فوري لـ ATP.
من أجل استخدام الأحماض الأمينية لصنع ATP أو الجلوكوز أو الدهون، يجب أولاً إزالة النيتروجين في عملية تسمى نزع الأمين (deamination)، والتي تحدث في الكبد والكلى. يتم إطلاق النيتروجين في البداية على شكل أمونيا، ولأن الأمونيا سامة، يقوم الكبد بتحويلها إلى يوريا. ثم يتم نقل اليوريا إلى الكلى وإفرازها في البول. اليوريا هي جزيء يحتوي على ذرتي نيتروجين وقابل للذوبان بدرجة عالية في الماء، مما يجعلها مثالية لنقل النيتروجين الزائد خارج الجسم.
طرق قياس البروتينات والأحماض الأمينية:
يعد تحديد تركيز البروتين جزءًا لا يتجزأ من أي سير عمل مخبري يتضمن استخلاص البروتين أو تنقيته أو وسمه أو تحليله. هناك مجموعة واسعة من الخيارات لتحديد تركيز البروتين بدقة بناءً على وقت الفحص، الحساسية، التوافق، خطية منحنى المعايرة، والتباين بين البروتينات.
تتوفر العديد من تقنيات فحص البروتين القائمة على الكشف اللوني والفلوري، والتي تستخدم في معظم المختبرات المشاركة في أبحاث البروتين. تُضاف عينات البروتين إلى الكاشف، مما ينتج عنه تغير في اللون أو زيادة في الفلورة تتناسب مع الكمية المضافة. يتم تحديد تركيز البروتين بالرجوع إلى منحنى معايرة يتكون من تراكيز معروفة لبروتين مرجعي نقي.
البروتينات وبناء العضلات: تخليق البروتين العضلي (MPS)
تخليق البروتين العضلي (MPS) هو العملية الأيضية التي تصف دمج الأحماض الأمينية في بروتينات العضلات الهيكلية المرتبطة. يمكن تصنيف بروتينات العضلات بشكل تقريبي إلى بروتينات ليفية عضلية قابلة للانقباض (مثل الميوسين، الأكتين، التروبوميوسين، التروبونين) وبروتينات الميتوكوندريا المنتجة للطاقة. يعتبر تخليق البروتينات الليفية العضلية مسؤولاً بشكل أساسي عن التغيرات في كتلة العضلات الهيكلية بعد تدريب المقاومة، بينما يتم تخليق بروتينات الميتوكوندريا بشكل أساسي استجابةً لتدريب التحمل.
يُعبر عن قياس تخليق البروتين العضلي عادةً كمعدل دمج الأحماض الأمينية في بروتين العضلات المرتبط خلال فترة زمنية معينة، عادةً ساعة واحدة أو يوم واحد. على العكس من ذلك، تصف عملية تحلل البروتين العضلي تدهور بروتينات العضلات المرتبطة إلى سلائفها من الأحماض الأمينية، والتي تحدث باستمرار وبالتزامن مع تخليق البروتين العضلي. على هذا النحو، يحدد الفرق الإجمالي في معدلات تخليق البروتين العضلي وتحلل البروتين العضلي ما إذا كانت كتلة العضلات تزداد (تخليق البروتين العضلي يتجاوز تحلل البروتين العضلي) أو تنخفض (تحلل البروتين العضلي يتجاوز تخليق البروتين العضلي). من بين العمليتين الأيضيتين، يعتبر تخليق البروتين العضلي أكثر استجابة للتمارين الرياضية والمحفزات الغذائية، على الأقل لدى الأفراد الأصحاء، وبالتالي فقد حظي بمعظم الاهتمام العلمي في سياق تكيفات العضلات مع التدريب الرياضي.
دور الأحماض الأمينية في بناء العضلات:
الأحماض الأمينية هي اللبنات الأساسية للبروتينات، وبالتالي فهي ضرورية لتخليق البروتين العضلي. بعد هضم البروتينات الغذائية وامتصاص الأحماض الأمينية، يتم نقلها إلى الخلايا العضلية حيث يتم استخدامها لبناء بروتينات عضلية جديدة. بعض الأحماض الأمينية، وخاصة الأحماض الأمينية متفرعة السلسلة (BCAAs) مثل الليوسين، لها دور محفز مباشر في بدء عملية تخليق البروتين العضلي.
العوامل التي تحفز تخليق البروتين العضلي:
1.تدريب المقاومة (Resistance Training): يؤدي تدريب المقاومة إلى إجهاد الألياف العضلية، مما يحفز إشارات داخل الخلايا تؤدي إلى زيادة تخليق البروتين العضلي لإصلاح وتكييف العضلات. هذا التكيف يؤدي إلى زيادة في حجم العضلات وقوتها (تضخم العضلات).
2.التغذية البروتينية (Protein Nutrition): تناول كمية كافية من البروتين عالي الجودة يوفر الأحماض الأمينية اللازمة لتخليق البروتين العضلي. تعتبر البروتينات الكاملة، التي تحتوي على جميع الأحماض الأمينية الأساسية، أكثر فعالية في تحفيز تخليق البروتين العضلي.
3.الأحماض الأمينية الأساسية (Essential Amino Acids - EAAs): لا يستطيع الجسم تصنيع الأحماض الأمينية الأساسية، ويجب الحصول عليها من الغذاء. تلعب هذه الأحماض الأمينية دورًا حاسمًا في تحفيز تخليق البروتين العضلي، وخاصة الليوسين.
4.التوقيت (Timing): على الرغم من أن الأبحاث لا تزال مستمرة، إلا أن تناول البروتين قبل أو بعد التمرين قد يعزز تخليق البروتين العضلي، ولكن الأهم هو إجمالي كمية البروتين المتناولة على مدار اليوم.
آليات التخليق البروتيني:
تتضمن آليات تخليق البروتين العضلي مسارات إشارات معقدة داخل الخلايا. أحد المسارات الرئيسية هو مسار mTORC1 (mammalian Target of Rapamycin Complex 1). يتم تنشيط هذا المسار بواسطة الأحماض الأمينية (خاصة الليوسين) وعوامل النمو (مثل الأنسولين) والتمارين الرياضية. يؤدي تنشيط mTORC1 إلى زيادة ترجمة الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) إلى بروتينات، مما يعزز تخليق البروتين العضلي.
باختصار، بناء العضلات هو عملية ديناميكية تتطلب توازنًا بين تخليق البروتين العضلي وتحلله. من خلال تدريب المقاومة المنتظم وتناول البروتين الكافي، يمكن تحفيز تخليق البروتين العضلي ليتجاوز تحلله، مما يؤدي إلى زيادة في كتلة العضلات.