Белоктар

Белоктар.

Дәріс жоспары:

1. Ақуыз компоненттері және олардағы химиялық байланыстар
2. Ақуыздар құрылымы мен пішіні
3. Глобулярлы және фибриллярля белоктар
4. Жаңа ақуыздар мен макромолекулалық агрегаттардың түзілуі.

Белок химиясының тарихы, бәлкім 1745 ж. «Белок ғылым және өнер институтының комментарийларында (хабарламаларында)» итальяндық Я.Бекаридің жарияланған жұмысымен басталған болар. Бидай ұнынан бұрын белгісіз зат алғанын ғалым осы еңбегінде хабарлаған. Бидайдан алынған клейковина (ұлпа) кептірілгеннен кейін тауық жұмыртқасының кептірілген белогына өте ұқсас болған.
Осылайша алғашқы белок препараты дайындалған. Сөйтіп, белоктық заттарды зертеудің ұзында және өте қиын тарихы басталды. Ғалымдар ең қарапайым белок -инсулиннің молекуласының құрылысын ашқанда 200 жылдан артық уақыт өтеді. Осы мезгіл бойы белок құрамы, оның ұйымдасу жөнінде ондаған болжамдар ұсынылып және олар бекерге шығарылған. Барлық болжамдар ғылыми мұрағаттарда жайлы орын тапқан.
Әйтеуір, 1945 ж көптеген зерттеушілердің күшімен белок молекулаларының бір ұзын тізбекке жалғанған амин қышқылдарынан тұратыны анықталды. Белок молекуласынан түзетін амин қышқылы көп емес ­ барлығы 20. Ал қараңыздар, белоктар молекуласы амин қышқылдарының кезектесіп орналасу бір ізгілігімн ерекшеленеді. Мысалы, бір белокта валиннен кейін триптофан келеді. Олардың орнын ауыстыру арқылы басқа қасиеті бар жаңа молекула алуға болады.Айталық, егер біріншісі организмде маңызды қызмт атқарса, екіншісі мүлде қажетсіз болуы мүмкін.
Ал енді математикаға оралайық. Егер біз белок молекуласын әрдайым жаңадан 20 амин қышқылынан құрастырсақ, төрт амин қышқылынан тұратын пептид 20∙20∙ 20 ∙20=160000 әртүрлі тізбек, ал амин қышқылының n санынан — 20 n тізбек береді. Сөйтіп орташа ұзындығы 300-ге таяу амин қышқылынан тұратын 10390 әртүрлі белок болуы мүмкін. Ал жиырма амин қышқылынан тұратын молекула нағыз белок молекулаларымен салыстырғанда өте құртымдай құрылым. Осыдан бар жоғы 20 амин қышқылынан ғана құрылған белоктардың шексіз түрлерәінің пайда болатынына көз жеткізуге болады.
Белоктар ­ биологиялық макромолекулалардың негізгі кластарының бірі. Клеткалардың көп мөлшері белоктардан тұрады: құрғақ заттың жартысы белоктардың үлесіне тиеді. Клетканың құрылымын және пішінін белоктар анықталады; сонымен қатар, молекулалалық тану және катализдік құрал қызметін атқарады. Клетка құрылысына қажетті ақпаратты ДНҚ «шартты» түрде, клеткалық процестерге тікелей араласпай, ұстайды. Мысалы, оттегін тасымалдау гмоглобинг тән қасиет, бұл белокқа жауапты геннің оған қатысы жоқ. Компьютерлік трминологияны қолдансақ, нуклеин қышқылдары аналық клеткадан алынған нұсқауда «бағдарламамен қамтамасыз етеді». Белоктар «аппараттың қамсыздандыру» — клетканың жадында сақталған бағдарламаның физикалық механизмін іске асырады. (Белок жөнінде мәлімет өте көп. Әлімқұлов З.,1988).
Осындай ніклеин қышқылдары мен белоктар қызметінің айырмашылығы, олардықұрайтын суббірліктердің химиялық табиғатынан байқалады.
ДНҚ және РНҚ молекулалары химиялық жағынан өте ұқсас алып молекулаларды құрайтын нуклеотидтерден тұрады, олардың әрқайсысмының химиялық қасиеті ерекше (2 –үлгі).
Атқаратын қызметінің шеңберінің кеңдігі, олардың химиялық құрымының және кеңестіктегі пішінінің молшылығымен сипатталады. Әртүрлі белоктардың химиялық қасиеттерінің әмбебаптығы да осыған негізделген.
Белок молекуласының конформациясы амин қышқылының біраздылығымен анықталады. Полипептидтік тізбекте көптеген байланыстардың төңірегінде айналым болуы мүмкін, сондықтан белоктың кез келген молекуласы өте көп, әртүрлі пішін немесе конформация түзетін қабілеті бар. Бірақ биологиялық жағдайда полипептидтік тізбектердің көпшілігі осы конформациялардың бір түрінде ғана кездеседі.
Бұл амин қышқылылдарының бүйірлік топтарының өзара және сумен өте осал ковалентті емес арақатынасына байланысты. Белгілі бір конформация әдеттен тыс тұрақты бола алады, ал оның қандай болатыны — амин қышқылдарының полипептидтік тізбекте орналасуына байланысты ( 7 сурет)
Көптеген белоктардың полипептидтік тізбектері өз бетімен түзілу конформацияға түйінделеді.
Мысалы, белокты жазу, немесе денатурациялау (лат. «denaturare»-табиғиқасиетін жою) арқылы алғашқы конформайиясын жоғалтқан икемді полипептидтік тізбекке айналдыруға болады. Бірақ, мейлінше жұмсақ денатурайиялау әсері әдетте қайтымды, жазылған полипептидтік тізбек табиғи конформациясының өзі түйінделді. Оның мұндай қылығы белок молекуласының конформациясын анықтайтын ақпараттың бәрі амин қышқыл бірізділінде екндігінің айғағы.
Полипептидтік тізбектің түйінделуін басқаратын маңызды факторлардың бірі- полярлық және полярлық емес бүйірлік топтардың орналасу болып табылады.
Белок синтезінің барысында олардың көпсанды гидрофобты (гр. «hydor»-су, «рhobos»-қорқу) бүйірлік топтары глобуласының ішіне жиылуғма тырысады, себебі судан құтылуға мүмкіндік туады. Сол кезде полярлық топтар белок молекуласының үстіне жиылады, онда бұл түзілімдер сумен және басқа полярлық топтармен арақатынас жасайды. Пептидтік топтар өздерінде жеткілікті полярлы, сондықтан сутектік байланысты бір-бірімен және полярлық бүйірлік топтардмен құруға тырысады. Осындай жолмен белок глобуласының ішіндгі, түгелге жуық полярлық топтардың жұптасуытүйінінде бір полипептидтік тізбектегі әртүрлі бөлшектерінің арақатынасында баксты роль атқарады. Сонымен қатар, олар белок молекуласының үстіндегі арақатынастарда да маңызды орын алады. Цитоплазмадан тыс белоктар (секреторлық белоктар немесе клетка үстіндегі белоктар), бір полипептидтік тізбектің әртүрлі бөлшектерінің арасында қосымша коваленттік байланыстар түзеді. Мысылы, цистеиннің екі SH-топтарының арасындағы дисульфидтік байланыстар (S-S-көпіршелер деп аталады), түйінделген полипептидтік тізбектің көршілес келетін бөлшектерінің арасында жүреді, олар клеткадан тыс белоктардың кеңестіктегі құрылымын тұрақтандырады; дұрыс түйінделу үшін дисульфидтік байланыстың қажеті жоқ (9 сурет)
Амин қышқылдарының барлық жеке арақатынасының нәтижесі, көптген белок молекулалары өздеріне тән конформацияға спонтанды (лат. «spontaneus»-өздігінен)
Түрде келе береді: әдетте қомақты глобулалық, бірақ ішінара фибриллярлық созылған пішінде де болады. Глобуланың ортасы бүйірлік гидробтық топтармен тығыз қапталған кристалдың ішіндегідей, ал полярлық бүйірлік топтар күрделі және тұрақсыз сыртқы қабатты құрайды. Белоктың кіші молекулалармен және басқада молекулалардың үстіңгі қабаттарымен байланысу ерекшелігі әртүрлі адамдардың осы күрделі беткі қабатта орналасуына және химиялық қасиеттеріне байланысты. Химиялық тұрғыдан белоктар – белгілі молекулалардың ішіндегі ең күрдлілері.
Тізбектің бір-біріне жиылу тәсілі әртүрлі үнемі қайталанып отырады. Полипптидтік тізбектердің амин қышқылдардың бірізділігінде олардың түйіделу ақпаратына қажетті болса, ақпараттың қалай оқылатыны әлі белгісіз, сондықтанбелоктың кеңестігіне болашақ құрылымын бірізділігін бойынша дәл болжайтын мүмкіндік жоқ. Сондықтан блоктың табиғи конформациясын белок кристалдарын анықтайтын өте күрделі рентгенқұрылымдық талдау әдісінің көмегімен ғана табады. Бұл әдісті қолдану арқылы осы күнге дейін 200-ден артық белок талданған.
Әртүрлі белоктардың кеңестіктегі құрылымын салыстыра отырып, әрбір белоктыңконформациясы бірегей болғанмен де макромолекуланың жеке бөлшектерінде тізбектің орам түрлері үнемі қайталанып отырады. Әсіресе, жиылудың (орамның) екі жолы жиі кездеседі, себебі олар пептидтік топтардың өздерінің арасындағы сутектік байланыстардың дұрыс ұйымдасуынан болады, ал оған бүйірлік тізбектердің арақатынасының бірегейлігінің қатынасы жоқ. Осы екі тәсіл 1951 ж. үлгінің көмегіменжібек жәнешашқа жасалған ренггенқұрылымдық талдау нәтижесінде негізделіп, дұрыс болжанған болатын болатын.
Қазір бұл кезеңдік құрылымдарды β-қатпарлы қабат және α щиырщық деп аталады. β- қатпарлы конформацияда жібек фибрионының α кератинді (гр.keras keranos-мүйіз)- тері және оныың туындылардың (шаш, тырнақ және қауырсындар) белогында кездеседі.
β- қатпарлы қабаты құрылымы көптеген құрылымы (бәрінің болмасада ) глобулалық белоктардың өзегінің басым бөлігін құрайды.
β- қабатполипептидтік тізбек толықтай созылған; мұнда >N-H- және >С=топтары β- учаскелерден мөлшермен жапырақ тәріздес жалпақ құрылым түзіледі. Бірақ әрбір β- учаскесінде салыстырғанда өз кезегінде әр жаққа қисайғандықтан жазық β- қабат қатпарлы пішінге енеді.
Егер β- қабатты құрайтын бір β- учаскенің бойымен алға қарай жүрсек бүйірлік топтар β- қабаттың оң, не сол жағынан кезекпен кездесіп отырады.
α- Шиыршық әр пептидтік топ, сутектік байланыспен тізбектің басқа пептидтік топтарымен жалғасқанда ұйымдасады. Осындай α -шиыршықтардың қысқа учаскелері көптеген глобулалық белоктарда кездеседі. Ал, көптеген құрылымдық белоктар α -шиыршықтың ұзын цилиндр тәріздес учаскелерін құрайды, олар көптеген құрылымдық белоктарда кездеседі. Мысалы терінің беріктігін күшейтетін клеткаішілік α -кератин.
Формаладан амин қышқылдары молекуласының екі бөліктен құралатыны көрініп тұр. Барлық амин қышқылдарының бір бөлігі бірдей болады, бұл бұлай жазылады:
Радикал деп аталатын екінші бөлігі барлық амин қышқылдарында әр түрлі болады: валинде көмірсутекті тізбекті тізбектен, цистеинде CH2SH тобы, тиразинде – бензол сақинасы болатын күрделі атомдар тобы. Барлық амин қышқылылдары үшін ортақ топтастыруға негізгі амин тобы (-NH2) жән қышқылдары (-СООН) кіреді.
Белок полимері түзілу кезінде амин қышқылдары осы ортақ топтастыруға негізгі ілігеді. Амин қышқылының біреуінің амин қышқылының карбиоксилінен су молекуласы бөлініп шығады да, босатылған валенттік есебінен амин қышқыодарының қалдықтары бір-бірімен қосылады.
Өзара қосылысқан амн қышқфылдарының арасында HN- CO байланысы пайда болады, бұл пептидтік байланыс деп аталады, ал түзілген қосылыс пептид деп аталады. Амин қышқылының екеуі қосылғанда дипептид (димер), үшеуі қосылса үшпептид (тример), бірнешеуі, яғни көп қышқыл қосылса — полипептид (полимер) түзіледі.
Табиғи белоктың өзі полипептид болып саналады, яғни ол бірнеше ондаған немесе жүздеген амин қышқылдары буындарынан құралған тізбек. Белоктарды амн қышқылдарының құрамы, амин қышқылдары буындарының саны және олардың тізбектегі орналасу тәртібі бойынша ажыратады. Егер амин қышқылының әрқайсысын әріппен белгілесек 20 әріптен құралған алфавит құрайды. Енді сол алфавиттегі әріптерден 100, 200, 300 әріптерді қатар тізіп жазатын сөз тіркесін құрап көрелік. Сондай сөз тіркестінің әрбіреуі қандай ла болса бір белокқа сәйкес келеді. Шынында да жануарлар мен өсімдіктер клеткаларында болатын әртүрлі белоктардың саны қисапсыз көп.
Пептидтік тізбектің құрамына кіретін амин қышқылының бөлігі, яғни HN- RCH-CO-(R1, R2…..Rn бүйірлік тізбектер) амин қышқыл қалдығы деп аталады.
Шамалы ұзындықтағы пептидтік тізбектер, құрамында 50-ге дейін амин қышқыл қалдықтары кіретін (молекулалық салмағы 6000 дейін), пептидтр (кейде полипептидтер) деп аталады. Ұзын пептидтік тізбектер немесе бірнеше тізбектен тұратын агрегаттар (лат. «аgregatus»-құралған) күрделі құрылымына байланысты и ерекше қасиеттерге ие болады; бұлар белоктар болып табылады. Белок молекуласы 50-ден 5000-ға дейін немесе одан да көбірек амин қышқылы қалдықтарынан түзіледі. Бір пептидтік тізбектегі қалдықтардың саны 20-дан 600-ге дейін одан көбірек болады. Белок молекуласының құрамына пептидтік тізбектен басқа химиялық құрамы өзгеше протетиттік топтар деп аталатын компоненттер ( лат. «соmponens» -сыңар) кіредіПростетитік топтың мысалы ретінде гемоглобин молекуласының құрамына кіретін гемді келтіруге болады.
Белок макромолекуласының күрделі құрылымында бірнеше деңгейлер болады. Оның ішіндегі алғашқы ең қарапайым — полипептид тізбегі, яғни өзара пептидті байланыспен жалғасған амин қышқыл буынддарының тізбегі. Бұл — белоктың алғашқы құрылымы деп аталады мұндағы байланыстардың бәрі ковалентті, яғни нағыз химиялық берік байланыс.
Полипептидтік тізбектің бөлігінің екінші құрылымы деп бүйірлік тізбектің конформациясын есептемегенлегі сол фрагменттегі негізгі тізбектің конформациясы айтады. Мұнда белок жіпшесі шиыршық орамдары тығыз орналасады да, көршілес орамдарда орналасқан пептидтік байланыстар арасында ( NH-пен СО- топтары арасында ) сутектік байланыстар түзілген. Сутектік байланыс ковалентті байланыстан әлдеқайда әл сіз, алайда бірнеше қайталанғаннан кейін ол да берік ілінісетін болады. Сансыз көп сутектік байланыстармен жөрмелген полипептидтік шиыршық едәуір қызық иіріле келіп оралады, бірақ соның өзінде де ол бір қалыпты және әр белокта ерекше пішінде болады.
Жекеленген полипптидтік тізбектің барлық атомдарының кеңістікте орналасуын белоктың үшінші құрылымы деп атайды
Кейбір белоктар бірнеше полипептидтік тізбектерден құралады. Әрбір тізбек- бір суббірлік немесе мономер. Үшінші құрылымды жалғастырушы байланыстар сутекті байланыстардан да әлсіз болады.
Оларды гидрофобты деп атайды.
Бұл — полюссіз молекулалардың немесе полюссыз радикалдардың арасындағы ілініс күші. Ондай радикалдар амин қышқылдарының бірсыпырасында кездеседі. Полипептидтік байланыстағы гидрофобты радикалдардың бір-бірін тартылып, жабысу себебі суға шашыраған майдың есебіне басқа бір гидрофобты ілінісу күші өте әлсіз байланыс болғанымен де, бірнеше рет қайталанатындығынан олардың барлығы қосылғанда едәуір әрекеттесу қуатын береді. Белок молекуласының аса күрделі құрылымын ұстап тұруға әлсізбайланыстардың қатысуының салдарынан, ол анағұрлым тұрақты және өте қозғалғыш болады. Кейбір белоктардың макромолекула сының үшінші құрылымын ұстастыруға амин қышқылы цистеиннің (цис) полипептидтік тізбекте бір-бірінн алшақ орналасқан радикалдары арасында пайда болатын S-S (эс-эс) байланыс деп аталады. Ковалентті байланыс әжептеуір роль атқарады, тұрақты үшінші құрылым ұйымдасу үшін олардың болуы шарт емес. Мысалы, миоглобин және гемоглобин молекулалаларында S-S байланыстар жоқ.
Белоктың төртінші құрылымы деген ұғым – мономердің кеңістіктегі өзара орналасуы, олар бірнеше суббірліктерден құралып, кеңістіктегі өзара орналасуы, олар бірнеше суббірліктерден құралып, белок молекуласын құрайды. Гемоглобин молекуласы әдеттегі ттрамер болғандықтан, оның құрамына екі бірдей α- тізбек және екі ұқсас β –тізбек кіреді. Төртінші құрылым байланыстар (сутекті, гидрофобты) әлсіз жалғасқан, ал, кейде S-S- байланыстармен де жүзеге асырылады.
Дисульфидтік көпірше — бұл екі цистеин қалдықтарының арасындағы коваленттік байланыс. Мұндай көпіршелер кейбір секреторлық белоктарда кездеседі. Көпірше глобуланың ішінде де, сондай-ақ оның үстінде де орналаса береді. Көптеген белоктарда қалыпты цистеиндер болғанмен, дисульфидтік көпіршелер болмайды.
Домендер. Ірі блоктарда полипептидтік тізбек жиыстырғанда екі немесе одан да көп, бір-бірінен кеңістікке ажырасқан домендер (фр. domaine- иелік) деп аталатын аймақтар ұйымдасады. Өзініңқұрылымы жағынан домендер жеке шағын белоктарға ұқсас. Домендер- шағын глобулалық құрылымдар, полипептидтік тізбегінің ұзындығы 150 нгемесе одан да аз амин қышқылдарынан тұрады.Домендер — глобулалық белоктарды құрайтын модульдер ( лат. «modulus» -өлшем, құрылымдық бірлік) болып табылады. Әдетте глобулалық белоктар бірнеше әртүрлі домндерден тұрады, олар полипептидтік тізбектерінің салыстырмалы ашық учаскелерімен байланысқан. Сөйтіп, жекеленген глобулалық белоктар белоктың агрегаттарға жиі жиналады. Иммуноглобин молекуласында ауыр, сондай-ақ жеңіл тізбектерге бірнеше доменен құралған, соның бірі, жеңіл тізбектің тұрақты домені төмендегі суретте көрсетілген.(18 –сурет)
Барлық домендер төрт бөлінеді: α/α, β ⁄ β,α⁄β және α+β, бұл тізбекте α –шиыршықтардың және β –құрылымдық учаскелердің өзара тізбекте орналасуына байланысты α⁄ α- Домендер негізіннен α-шиыршықтардың жиылуы полярлы емес бүйірлік тізбектердің ішке қарай тығылуын қажет етеді. β ⁄β –домендерде бірнеше β-тізбектер болады және α-шиыршықтар жоқ (немесе жоқтың қасы дерлік ). αβ Домендерде α және β-учаскелері тізбектің ұзын бойын жағалай кезектесіп орналасқан β-учаскіелер, α-шиыршықтармен қоршаған қатар β-қабаттар түзеді. α+β –Домендерінде α және β—учаскелері, әдетте полипептидтік тізбектің әртүрлі бөлшектерінде (сегменттерінде) орналасады.
Белоктың ішкі жылжымалығы. Белоктар қатып қалған құрылым еместігі тәжірибе жүзінде дәлелдеген : олардың жеке бөліктері бір-бірінің маңызды қозғалып орын ауысады; бұл белоктың ішкі жылжымалығы деген сөз. Көптеген глобулалық белоктарда негізгі тізбектің атомдары оташа күйінмен салыстырғанда 0,01 нм жылжитыны, ал белок глобуласының үстінгде орналасқан бүйірлік тізбектердің жылжымалылығы одан да көбірек болатыны көрсетілген.
Атқаратын қызметіне сай белоктар типтері. Глобулалық белоктар, шамалап салыстырсақ сфера пішіндес катализ(гр. «katalysis»-қирату), транспорт (тасымалдау) немесе реттеу сияқты арнаулы процестерге қатысады.

Бақылау сұрақтары:

1. Белоктар және олардың құрылысы қандай?
2. Белок молекуласының ұйымдасу деңгейлері қандай?
3. Белок компоненттері және олардағы химиялық байланыстардың түрлері?
4. Белоктардың пішіні мен көлемі?
5. Глобулярлы және фибриллярлы белоктар?
6. Белокты зерттеудің және бөліп алу әдістері?

 

Әдебиеттер тізімі

1. Уотсон Д.Ж. Молекулярная биология гена.- М.: Мир, 1978
2. Молекулярная биология: Структура биосинтез нуклеиновых кислот. (под ред. Спирин А.С.).- М.: Высшая школа, 1990.
3. Молекулярная биология : Структура рибосом и биосинтез белка. (под ред. Спирин А.С.).- М.: Высшая школа, 1996.
4. Сингер М., Берг П. Гены и геномы . В 2-х томах. –М.: Мир, 1998.