عائلة بروتينية

مثل الكثير من المصطلحات البيولوجية، استخدام مصطلح "العائلة البروتينية" يعتمد على سياق الكلام، يمكن أن تدل على مجموعة كبيرة من البروتينات ذات اقل مستوى تشابه معروف بين تسلسل أحماضها الأمينية، أو مجموعة صغيرة من البروتينات تملك تسلسل احماض أمينية أو وظيفة أو شكل ثلاثي الأبعاد أو مجموعات وظيفية شبه متماثلة. وللتمييز بين هذه المواقف يتم استخدام مصطلح "العائلة البروتينية الخارقة" للبروتينات ذات الأصل البعيد حيث أن تسلسل أحماضها الأمينية غير متشابه ولكن هذه البروتينات تشترك في الخصائص التركيبية فقط. بعض المصطلحات مثل صنف أو مجموعة أو عائلة ثانوية كانت قد صيغت عبر السنوات، وجميعها يعاني من الغموض في استخدامها. الاستخدام الشائع هو أن "العائلة الخارقة" تستخدم للتعبير عن البروتينات ذات التركيب المشترك والتي تهتوي على عائلات بروتينية تشترك في تسلسل الأحماض الأمينية والتي تحتوي على عائلات ثانوية. لذلك فإن "العائلة الخارقة" (superfamilies) مثل عائلة البروتويز(proteases) تحتوي على تسلسل أحماض أمينية محفوظة اقل بكثير من العائلات الثانوية التي تحتويها مثل عائلة ال C04. ان من المستبعد وجود تعريف يتفق عليه والأمر يرجع للقارئ لتحديد معنى هذه المصطلحات بالنسبة للسياق الذي تستخدم فيه.

مصطلح العائلة البروتينية تم صياغته عندما عان عدد البروتينات معروفة التركيب والتسلسل قليلة، وفي ذلك الوقت كانت البروتينات الصغيرة الأولية ذات النطاق الأحادي مثل الميوغلوبين والهيموغلوبين والسيتوكروم سي كانت معروفة ومفهومة التركيب. ومنذ ذلك الوقت، عرف ان العديد من البروتينات تتكون من العديد من الوحدات المستقلة بالتركيب والوظيفة وتسمى النطاقات. وبسبب التعديل الذي طرأ على هذه النطاقات خلال عملية التطور، فإن العديد من نطاقات البروتين تطورت بشكل مستقل عن النطاقات الأخرى. وذلك أدى في السنوات الأخيرة للتركيز على النطاقات البروتينية الموجودة خلال العائلة البروتينية. عدد من المصادر على الإنترنت قد وظفت جهودها للتعرف وفهرسة هذه النطاقات (انظر الروابط في نهاية المقال).

يوجد أقاليم في هذه البروتينات تحتوي على عدة القيود الوظيفية (وهي مواصفات غاية في الأهمية لتركيب ووظيفة البروتين). وعلى سبيل المثال الموقع النشط في الإنزيم يتطلب حمض أميني معين لينتصب بدقة في موقعه المحدد خلال تكوين الشكل الثلاثي الأبعاد للبروتين. ومن جهة أخرى فإن واجهة ارتباط بروتين ب بروتين أخر قد تحتوي على سطح كبير مقيد من ناحية كاراهية الأحماض الأمينية للماء أو درجة تأين هذه الأحماض الامينية المكونة لهذه الواجهة. عمليا الأقاليم المقيدة في البروتين تتطور بشكل أبطئ من الأقاليم غير المقيدة مثل حلقات الأسطح، والتي تنتج كتلة مميزة من التسلسلات الأحماض الأمينية المحفوظة والتي عند مقارنتها في العائلة البروتينية الواحدة ( انظر تقنية ترتيب التسلسلات المتعددة-multiple sequence alignment-). هذه الكتل يشار إليها بإسم موتيف – جزء من البروتين ويكون أصغر من النطاق- ومع ذلك فيتم استخدام العديد من المصطلحات الاخرى (مثل بصمة، أو كتلة، أو محرر.. إلخ) ومجددا عدد كبير من المصادر على الإنترنت قد وظفت جهودها في التعرف وفهرسة موتيفات هذه البروتينات.

الشجرة الفينولوجية لعائلة الRSA. الشجرة تنجت من استخدام الـ Figtree وهو برنامج مجاني على الإنترنت.

وبالرجوع لإجماع الآراء، فالعائلة البروتينية تطورت بطريقتين.

أولا: الانفصال في الفصائل الأولى المنتجة للبروتين إلى فصيلتين منفصلتين جينيا الذي يسمح لجين أو بروتين ليستقبل تغيرات عديدة ناتجة من الطفرات في السلالتين. وهذا ينتج عائلة من البروتينات الأورثولوغية –بروتينات موجودة في فصيلة معينة ويوجد بروتينات مقابلة لها في فصيلة أخرى- وفي العادة تحتوي على تسلسل أحماض أمينية محفوظ في موتيفاتها.

ثانيا:عملية مضاعفة الجينات يمكن ان تنتج نسخة ثانية من الجين (تسمى بارالوغ –وهي الجينات التي تنحدر من اصل مشترك-) ولأن الجين الأصلي ما زل قادر على تأدية وظيفته، فإن الجين المضاعف له الحرية في المباعدة وإتخاذ وظيفة جديدة من خلال الطفرات العشوائية. هنالك جينات وعائلات بروتينية محددة خصوصا في الخلايا حقيقية النواة، تمر بالعديد من التوسع والتقلص خلال دورات التطور التي تمر بها، واحيانا بالاشتراك مع تضاعف الجينوم كاملا –مجموعة جينات الكائن الحي-. هذا التوسع أو التقلص في العائلة البروتينية هي الخاصية البارزة في تطور الجينوم، ولكن أهميتها وحصيلتها غير واضحة في الوقت الحالي.

العدد الكلي للبروتينات معروفة تسلسل الأحماض الأمينية في تزايد وتوسع مجال التحليل البروتيني، وهناك جهود متزايدة لتنظيم البروتينات ووضعها ضمن عائلات ووصف محتوياتها من النطاقات والموتيفات. التعرف الموثوق على العائلات البروتينية مهم جدا في التحليل الفيلوجيني لهذه البروتينات، والوصف الوظيفي لهذه البروتينات، والتعرف على تنوع وظائف البروتينات في التشعب الفالوجيني الواحد. تقنية الوظيفة الأوليه للأنزيم (EFI) هو استخدام العائلات البروتينية والعائلات الخارقة كقاعدة لتطوير تسلسلات أحماض أمينية ووضع استراتيجية بناءا على تركيت هذه التسلسلات لتوقع وظيفة الانزيمات غير المعروفة علة نطاق كبير.

اللوغاريثمية تعني انشاء عائلة بروتينية على النطاق الواسع بناءا على ترقيم التشابه. وفي غالبية الوقت فإن التشابه الوحيد الذي نستطيع تحديده هو التشابه في تسلسل الأحماض الأمينية.

هنالك العديد من قواعد البيانيات البيولوجية التي تسجل أمثلة على العائلات البروتينية وتسمح للمستخدم بمعرفة إذا ما تم التعرف على بروتينات جديدة تنتمي إلى عائلة معروفة.

وهذه بعض الأمثلة:
• Pfam: قاعدة بيانات العائلات البروتينية المرتبة والـ HMMs.
• PROSITE: قاعدة بيانات لنطاقات البروتين والعائلات و المواقع الوظيفية على البروتين.
• PIRSF: نظام لتصنيف العائلات الخارقة.
• PASS2: ترتيب البروتينات إلى عائلات خارقة بناءا على التركيب (v2 - PASS2@NCBS).
• العائلة الخارقة (SUPERFAMILY) : مكتبة للـHMMS التي تمثل العائلات الخارقة وقاعدة البيانات للعائلات الخارقة والعائلات البروتينية والتي تم ترقيمها بناءا على التي تم اجاد تسلسل أحماضها الأمينية كاملا من الكائنات التي تنتجها.
• SCOP و CATH : تصنيف تركيب البروتينات إلى عائلات خارقة، وعائلات، ونطاقات متشابهة.

قواعد بيانات مشابه تتبع لوغاريثمية اخرى لتصنيف البروتينات، مثل:

• • BLAST: تبحث في التشابه في تسلسل القواعد النيتروجينية في الجين المنتج للبروتين
• • BLASTp: تبحث في التشابه في تسلسل الأحماض الأمينية المكونة للبروتين
• • OrthoFinder: طريقة سريعة ودقيقة لايجاد البروتينات المتجمعة في عائلة واحدة (مجموعة الأورثو –orthogroups-)

• عائلة جينية
• بنية البروتين
• نطاق بروتين
• تراصف تسلسلي

• بوابة الكيمياء
• بوابة الكيمياء الحيوية
• بوابة علم الأحياء الخلوي والجزيئي