Тақырып: Молекулалық биология пәніне кіріспе 3 страница

Аминқыш-қылдары	Жанама тізбектерінің құрылымы (радикал)	Қысқартылған белгісі
Дикарбондылар (теріс заряд тасушылар)
Аспарагин қышқылы Глутамин қышқылы	—CH₂—СОО⁻ —CH₂——CH₂— СОО⁻	Asp, D Glu, E
Дикарбондық аминқышқылдарының амидтері
Аспарагин Глутамин	O —CH₂— C NH₂ O —CH₂—CH₂— C NH₂	Phe, F Tyr, Y Trp, W
Күкірттілер
Цистеин Метионин	—CH₂—S —CH₂—CH₂—S—CH₃	Cys, C Met, M
Құрамында гидроксильді группалары бар (аминоқышқыл-спирттер)
Серин Треонин Пролин	—CH₂—OH — CH— CH₃ \| OH — COOH N \| H (формула толығымен келтірілген)	Ser, S Thr, T Pro, P

Барлық белоктарда тұрақты кездесетін аминқышқылдар (протеиногендік) пептидтік байланыстар құрай алатын екі әртүрлі химиялық топтардан: аминдік топтан (—NH₂) және карбоксильдік топтан (—COOH) тұрады:

Сулы ортада бұндай реакцияның тепе-теңдігі еркін аминқышқылдарының пайда болуына қарай ығыстырылған, сондықтан, жасушалардағы полипептидтердің биосинтезі жай ғана суды ыдыратуға әкелмейді, ерекше жасушаішілік бөлшектер (рибосомалар) мен макроэргикалық қосылымдар қатысатын бұдан да күрделі энергосыйымды механизм арқылы өтеді.

Пролин, еркін аминдік тобы болмайтын жалғыз ғана протеиногендік аминқышқыл болып табылады. Кейбір белоктардың құрамында болатын пролин туындысы – оксипролинде де осындай топ болмайды. Пролин мен оксипролинді кейде имин қышқылдары деп атайды, олардың қатаң конформациясы белоктардың полипептидтік тізбегінде иілуді шақырады.

Биосинтез нәтижесінде ұзын полипептидтік тізбектерге байланысатын аминқышқылдар, белокта молекулярлық массалары 57-ден 186 Да-ға (орташа мәні 110) дейін түрленетін аминқышқыл қалдықтары ретінде қатысады, сонымен, молекулярлық массасы 44 000 Да болатын белоктың құрамында 400-ге жуық аминқышқыл қалдықтары болады. Аминдік және карбоксильдік топтармен қатар аминқышқылдарының құрамында пептидтік байланыстарды жасауға қатыспайтын, радикалдар деп аталатын жанама тізбектер де болады. Радикалдардың химиялық табиғаты алуан түрлі, ол синтездеу және белок молекулаларының кеңістіктік құрылымын қалыптастыру кезінде әртүрлі өзара байланысқа түсуіне (көп жағдайда, коваленттік емес) мүмкіндік береді. Атап айтқанда, радикалдардың орналасу тізбегі белоктардың кеңістіктік (үшөлшемдік) құрылысының ерекшелігі мен соған сәйкес олардың функционалдық қасиеттерін анықтайды.

Белоктарды құрайтын аминқышқылдарын карбондық қышқылдардың туындысы ретінде қарастыруға болады. Олар α-аминқышқылдары болып табылады, себебі олардағы аминдік топтар α-көміртектің атомдарымен байланысты. Барлық жағынан α-аминқышқылдарына ұқсас және табиғатта кездесетін β-аминқышқылдары, соған қарамастан, әдетте, табиғи полипептидтердің құрамына кірмейді, бұл сірә, құрамында β-аминқышқылдарының қалдықтары болатын полипептидтік тізбекте С_α − С_βтүріндегі коваленттік байланыс пайда болатындығынан болса керек, себебі бұл байланыс табиғи белоктарға тән тізбектердің үнемі өздігінен құрылуына қиындық туғызады. Эволюция барысында α-аминқышқылдарының сақталуына көбірек мән берілуі сондықтан шығар.

Аминқышқылдарына оптикалық изомерия тән, бірақ, қағида бойынша, белоктарда кездесетін L-аминқышқылдары және L-конфигурациялар кездейсоқ түрде таңдап алынған тәрізді. Пептидтер құрамында аминқышқылдарының D-формалары өте сирек кездеседі. Мәселен, олар сібір жарасының (D-Glu) бактерияларының жасушалық қабырғаларында, және оңтүстік америкалық бақалар терісінің пептидтерінде (D-Ala) табылған.

Қазіргі кезде, осы аталған аминқышқылдардың эволюция барысында белоктарды түзуге сұрыпталып алынғаны туралы мағұлыматтар жоқ. Gly, Ala, Glu, Ser, Asp күрделі аминқышқылдар Asp, His –дармен салыстырғанда эволюцияда өте ертеде пайда болғандар деп есептеледі. Жоғарыда сипатталған 20 канонды аминқышқылдармен салыстырғанда белоктар құрамында, басқа аминқышқылдар кездеседі, олардың арасынан селеноцистейн, оның құрамында селен атомы болады. Селеноцистин әртүрлі архебактериядан адамға дейінгі ағзалардағы түрлі катализдік активт белоктар (глицин –редуктазылар, глутатион-пероксидазалар, деподиказылар және басқалар және басқалар) құрамынан кездескен., олар соңғы жылдары 21-ші аминқышқылдары ретінде қаралады.

Белоктардың полипептидтік тізбектері пептидтік байланыстармен біріккен аминқышқылдар қалдығынан тұрады. Көптеген табиғи петидтер протеиназа ферментінің шектеп тарқату арқылы ірі ізашар белоктардан тұрады. Осындай жолмен, мысалы ізашар-белок (эндорфиннен) опиоидты пептидтерге жататын пептид –анальтетиктер энкефалиндер босап шығады. Ізашар белоктан бір уақытта бір пептидтің бірнеше молекулалары немесе құрлысы әртүрлі түрлі физиологиялық қасиет көрсететін бірнеше пептидтер түзілуі мүмкін. Мысалы, β-эндорфиннің құрамында пептидтер жинағы табылған, ол пропиомеланокорпин (ПОМК) деп аталған, оның құрамына энкефалиннен бөлек өзіне сәйкес протейназамен кесілетін 3 пептидтік гормон меланоцитстиулдеуші гормон (МСТ), адренокортикотропты гормон (АКТГ) және лиотропин кірген. Осындай жолмен, бір ізашар белоктан бірнеше пептидтер «пакеті» түзіледі, олар ағзада стресстік жағдайларда зат алмасуды өзгерте алады.

1959 жылы даниялық биохимик К. Линдерстрем-Ланг белок құрылымдарын құрастырудың төрт деңгейін: сәйкес аминқышқылдық тізбектерді, полипептидтің негізгі тізбегінің реттік құрылымын, белоктардың үшөлшемдік және белок агрегаттарының құрылымын белгілейтін бірінші, екінші, үшінші және төртінші құрылымда ажырата білуді ұсынды. ХХ ғасырдың 80 жылдары Г. Шульц пен Р. Ширмер белоктардың құрылымдық қасиеттерінің жаңа көрсеткіштерін есепке ала отырып, оны құрауды жаңа екі деңгеймен: екінші деңгейден тыс және доменалармен толықтырғанша, осы классификациялар үстемдік алды. Қорытындысында, Шульц пен Ширмер сызба түрінде бейнелеген (төмендегі сурет) белоктар құрылымын жасаудың алты деңгейі туралы тұжырым туындады.

Агрегат (төртінші құрылым) Глобулярлық белок (үшінші құрылым) Домен Екіншіден тыс құрылым Екінші құрылым Аминқышқылдық тізбектелу

Сызбада көрсетілгендей, белоктар құрылымын жасаудың негізінде, полипептидтік тізбектің генетикалық детерминделген аминқышқылдық реті (бірінші құрылым) жатады және бұл құрылымның бұдан жоғары деңгейлерін анықтайды.

Белоктардың полипептидтік тізбектеріндегі аминқышқыл қалдықтарының кезектелу реті белок құрылымының бірінші деңгейі болып табылады. ДНҚ гендік құрамдарының белгілі нуклеотидтік ретінде, жеткілікті түрде қатаң бағдарламаланған бұл құрылымы, мРНҚ комплементарлық нуклеотидтік түріне айналдырылады (транскрибирленеді), олар жасушаның рибосомдық жүйесіндегі генетикалық ақпаратты декодирлеу (трансляциялау) процессінде полипептидтік тізбектерді биосинтездеудің матрицасы ретінде қызмет атқарады. Дегенмен, толық функционалды белсенді белоктардың бірінші құрылымы мРНҚ құрылымына үнемі сәйкес келе бермейді, ол трансляция кезінде қайтадан бағдарлау мүмкіндігіне, сондай-ақ полипептидтік тізбектер рибосомаларында синтезделетін трансляциялау модификациясынан кейінгі процесстерге байланысты болады.

Бірнеше мыңдаған аминқышқыл қалдықтарынан тұратын (тиреоглоблин тізбегі 2750 аминқышқылдық қалдықтардан тұрады, ал кейбір трансмембрандық белок-рецепторлардың тізбегі 5000-ға жуық аминқышқылдық қалдықтардан құралған) белоктардың полипептидтік тізбектерінің орасан зор өлшемдері, олардың алғашқы құрамын анықтауды қиындатады. Оларды анықтау үшін, белоктық денелердің молекулярлық биологиясын зерттеудегі озық әдістері қолданылады. Алдымен инсулиннің аминқышқылдық ретін анықтау мүмкін болды (Ф.Сангер, 1953). Ол 51 аминқышқылдық қалдықтардан тұрады және екі дисульфидтік көпір арқылы бір-бірімен ковалентті байланысатын екі полипептидтік тізбектер түрінде (А-тізбегі – 21 қалдық және В-тізбегі – 30 қалдық) құрастырылған (7-сурет). Кейде «қолдан секвенирлеу» деп аталатын (ағылшын тілінен аударғанда sequence – тізбектелу реті, үйлесімділік) осы ұзақ жұмыс Ф.Сангердің динитрофторбензолдік (ДНФ-әдіс) әдісімен орындалынды, кейіннен осы әдістің көмегімен аспартатамино-трансферазаның (Ю.А. Овчинников, А.Е. Браунштейн, 1971) және бірнеше ірі полипептидтердің бастапқы құрылымы анықталды. Белоктардың аминқышқылдық реттеріне талдау жасау, П. Эдман (төменде) тәсілін енгізгеннен кейін және автоматикалық аспаптарды (секвенаторларды) ойлап тапқаннан кейін әлдеқайда тездетілді, ол автомат режимінде ұзындығы бірнеше ондаған (50-ге жуық) аминқышқылы қалдықтарынан тұратын полипептидтік тізбектерді секвенирлеуге мүмкіндік туғызады. Бірақ, бірнеше полипептидтік тізбектерден тұратын ірі белоктардың алғашқы құрамын анықтау, тіпті, секвенаторларды пайдаланған кезде де көп мерзімді қажет етеді. Бұл жағдайда, алдымен тізбектер санын анықтау қажет, содан соң осы тізбектерді бөліп П. Эдман әдісі бойынша автоматты түрде секвенирлеу үшін қысқа фрагменттерге тарқату қажет, сосын олардың құрамын анықтап, тек содан соң ғана белоктың біртұтас аминқышқылдық тізбегі туралы тұжырым жасауға болады. Осы барлық операциялар арнайы әдістерді қажет етеді. Оқшауланған полипептидтік тізбектердің фрагментация-сын: трипсин (Arg және Lys карбоксильдік топтарынан құралатын таңдап алынған пептидтік байланыстарды гидролиздейді), химотрип-син (Phe, Tyr, Trp, Leu карбоксильдік топтарынан құралатын пептидтік байла-ныстарды гидролиздейді), термолизин (Leu, Phe, Tyr, Val, Ile аминтоптарынан тұратын пептидтік байла-ныстарды тарқатады) және кейбір аминқышқылдары қалдықтарын анықтап білетін және олардың карбоксильдік топтары-мен (Glu — C, Lys — C, Arg — C эндопротеиназаларымен) құрастырылатын пептидтік байланыстарды жарықшақтайтын бірқатар ерекше эндопротеиназалардың көмегімен жасалынады.

Полипептидтерді фрагментациялаудың химиялық тәсілдерінің ішіндегі ең көп қолданылатын бромцианмен өңдеу, метионин қалдықтарынан пайда болатын пептидтік байланыстарды жарықшақтайды. Полипептидтік тізбектерді фрагментациялағаннан кейін пептидтерді жоғарыда келтірілген әдістердің біреуімен бөлу, тиімділігі жоғары сұйықтық хроматография тәсілімен жасалады (HPLC).

Алынған пептидтік фрагменттерді автоматты түрде секвенирлеу үшін қолданылатын Эдман әдісі келесі реакцияларға негізделеді (қысқаша):

Бір аминқышқыл қалдығына қысқартылған пептид

Осы реакциялар циклдарының қайталануы, талданатын пептидтің N-шетінен аминқышқылдарының фенилтиогидантоиндық туындыларын ретімен алуға мүмкіндік береді. Содан соң осы туындыларды жұқа қабатты хроматография немесе тиімділігі жоғары сұйықтық хроматография тәсілімен сәйкестендіреді. Белоктардың бастапқы (бірінші) құрылымын анықтау үшін жоғарыда көрсетілген әдістерден басқа масс-спектрометриялық, лазерлік рентгеноскопия және т.б. әдістер қолданылады. Дегенмен, көптеген белоктардың бірінші құрылымы, тап осы Эдман әдісімен анықталған.

Белоктық (тікелей) секвенирлеудің ең озық деген әдістерінің өзі, белоктардың гомогендік препараттарының едәуір (милииграммдық) мөлшерін алуды қажет етеді, ал оларды алу, әсіресе, жасушада өте аз мөлшерде болатын минорлық белоктарға қатысты және басқа белоктардың қоспаларынан тазарту, ұзақ уақыт пен көп еңбекті қажет етеді. Сондықтан белоктардың алғашқы құрылымын анықтау үшін, сәйкес гендік инженерия әдістерін қолдана отырып, көп уақытты қажет етпейтін кДНҚ нуклеотидтік ретін талдау әдісі жиі қолданыла бастады. кДНҚ нуклеидтік ретін, немесе сәйкес мРНҚ ретін танып, генетикалық кодтың ерекшеліктерін ескере отырып кодталатын белоктардың (белок препараттары болмаса да!) аминқышқылдық тізбегін анықтауға болады. Бірақ бұл әдіс белоктардың трансляциядан кейінгі модификациясын анықтауға мүмкіндік бермейді және бұндай секвенирлеуді (қосымша) толығымен орындалған деп есептеуге болмайды. Сондықтан препараттарына талдау жасау негізінде белоктарды тікелей секвенирлеу әдісі өзінің маңызын жоғалтпайды. Осы бағыттағы қарқынды жұмыс ғылыми және тәжірибелік жағынан маңызды болады.

Қалыпты және ауытқыған белоктардың алғашқы құрылымдарын салыстыру, патологиялық процесстердің, соның ішінде, кең таралған генетикалық детерминдік аурулардың негіздерін айқындауға мүмкіндік береді. Атап айтқанда, осы тәсіл кең таралған қан ауруы – гемоглобиннің β-тізбегін кодтайтын гендердің нүктелік мутациясынан пайда болатын, орақ түріндегі жасушалық анемияның себебін анықтады. А-типті қалыпты гемоглобиндегі бір ғана Glu қалдығын Val қалдығына ауыстыру S-типті ауытқымалы гемоглобиннің пайда болуына әкеліп соғады, ал ол, өз кезегінде осы ауруды бақыланатын адам тканьдеріндегі оттегінің жетіспеушілігіне әкеледі.

Белоктардың екінші құрылымы – бұл негізгі полипептидтік тізбегінің арнайы бөліктерінің, қапталындағы тізбектердің (аминқышқыл қалдықтарының радикалдарын) орналасуын есептемегенде, ретті орналасуы. Рентгенструктуралық талдау көрсеткіштеріне негізделген екінші құрылым зерттеулері белоктарда полипептидтік тізбектердің үнемі оратылған және заңдылы бұратылған бөліктерінің бар екендігін көрсетті. 1951 жылы Л. Полинг пен Р. Кори полипептидтік тізбектердің кеңістіктегі спиральдік орналасуы постулатын жасады, сосын белоктардың екінші құрылымының үлгісін жасаудың негізгі принциптерін тұжырымдады.

Осы ережелерге сәйкес белоктық спиральдардың бірнеше түрлері ұсынылды – α, 3₁₀, π және т.б. (8-сурет). Белок құрылымдарын одан ары талдау табиғатта көбінесе, олардың тұрақтылығының жоғары болуымен түсіндірілетін, α-спиральдің кездесетіндігін растады. 3₁₀-типті спиральдар (бір орамда 3 аминқышқылдық қалдық және циклде сутегілік байланыс арқылы жасалатын 10 атомы бар) өте сирек кездеседі және тек қысқа бөліктерді құрайды. Бұл, сірә, 3₁₀ спиралінің энергетикалық тиімсіздігінен болса керек, себебі ондағы сутектік байланыстар бір сызық бойында орналаспайды. Бұл спиральдар тек қана 1-2 орам құрайды және тек бірен-саран белоктарда ғана кездеседі: теңіз миногасының гемоглобинінде, сондай-ақ осы типті спираль құрайтын, құрамында Gly-Gly-X сияқты аминқышқыл қалдықтарының кластерлері болатын өрмекше белоктарында кездеседі. Ал π-спиралі белоктар құрамында табылмаған. Белоктарда көптеп кездесетін α-спиральдардың радиусы 0,23 нм, орамдардың аралығындағы қашықтық 0,54 нм, бір айналымға келетін аминқышқылы қалдықтарының орташа саны – 3,6, спираль орамының көтерілу бұрышы – 26°. Табиғи белоктарда тек оңға қарай оратылған α-спиральдар ғана кездеседі, бұл оларда L-қатарындағы аминқышқылдарының болуымен байланысты.

8-сурет. Белоктардың полипептидтік тізбектеріндегі спиральдардың әр түрлі типтері (солдан оңға қарай: 3₁₀, α және π).(Г.Шульц, Р. Ширмер, 1982). Түсініктемелері мәтінде келтірілген

Барлық екінші құрылымдар карбонил тобындағы оттек пен пептидтік байланыстардың имидтік тобының сутек арасындағы сутектік байланыстарымен тұрақтандырылған: C = O…H—N.

Азот атомдары мен карбонил топтарының α-спиралінде орналасуының архитектоникасы осы топтар арасындағы сутек-тік байланыстардың ең көп мөлшерінің пайда болуына мүмкіндік туғызады, сондықтан спираль толығымен сутектік байланыстармен қанықтырылады. Соның нәтижесінде, оның құрылымы, ішкі каналдары жоқ және тіпті су молекулаларын да өткізбейтін тығыз қорапталған болады (9-сурет). Белоктардың α-спиральдық бөлшектерінің ұзындықтары әртүрлі: глобулярлық белоктарда әдетте, ол 15 аминқышқыл қалдықтарынан аспайды (спиральдың 3-4 орамы), ал фибриллярлық белоктарда әлдеқайда ұзынырақ болады, және онда иілу (сыну), әсіресе, сәйкес сутектік байланыстарда құрастыра алмайтын пролин қалдықтары орналасқан жерлерде, бақылануы мүмкін. Мысалы, өрмек белоктарындағы, көбінесе Ala және Gln қалдықтарынан тұратын тығыз қорапталған α-спираль, аз кездесетін (эластикалық), Gly-Pro-Gly-типті аминқышқылдың кластерлері орналасқан бөліктермен кезектеседі. Бірнеше α-спиральдан тұратын ұзын стержень тәрізді полипептидтік тізбектер көптеген белоктарда, жеке алғанда, жасуша аралық жіпшелері терінің беріктігін қамтамасыз ететін α-кератинде анықталған.

Сутектік байланыс

Көміртек Азот Сутек Оттек

β-Құрылымдар. Белоктар құрамында өте кең таралған, осы екінші құрылымдарды Л. Полинг пен Р. Кори постулаттаған және олар параллелді «жазық» және қарсыпараллельді β-қатпарлы беттер деп аталынған. Оларды тәжірибелік зерттеудің үлгісі ретінде β-фибрион жібегі алынды, соның нәтижесінде, α-спираль атауы, α-кератин құрылысын зерттеу жұмыстарымен байланысты пайда болғаны іспеттес, β-құрылым атауы пайда болды. Жібек фиброині, негізінде, бірнеше рет қайталанатын тізбектен тұрады: -(Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala) _n -. Сутектік байланыстар β-құрылымдарда,

Оңға бұратылған спираль нм

9-сурет. α-спиральдың сызбалық бейнесі (сутектік байланыстардың орналасуы көрсетілген); жанама топтар (аминқышқыл қалдықтарының радикалдары)

α-спиральмен салыстырғанда, тізбек ішінде емес, бір-біріне жақын, параллель немесе қарсы-параллель жүретін тізбек бөліктерінің аралығында пайда болады (10-сурет). Бұл құрылымдар α-спираль секілді сутектік байланыстармен онша қаныққан болмайды, сондықтан олардың құрамына полипептидтік тізбектің бірнеше бөлігі кіре алады. Қатпарланған беттердің көпшілігінің құрамында алты тізбектен артық болмайды және олардың ұзындығы (~2 нм) құрылымдық домен өлшеміне сәйкес болады (төменде). Глобулярлық белоктарда β-құрылым ~15%, дегенмен, олардың саны бұдан әлдеқайда көп болуы мүмкін (мысалы, тұмау вирусының каталитикалық белсенді белоктарының бірі – нейраминидазаның екінші құрылымында). Аминқышқыл қалдықтарының радикалдары β-қабаттың бетінің әрбір жағында орналасқан (10-сурет). Олар гидрофобтық аминқышқылдардың қапталындағы тізбектері шоғырланатын тармақтар құрайды және осындай β-құрылымдар глобулярлық белоктардың гидрофобтық ядроларын жасауға қатысады. Қағида бойынша, белоктардағы β-қатпарлы беттер даусыз жазық болмайды, жиі олардың сол жағы бұратылған болады. Мұндай бұратылу фибриллярлық (жібек фиброині) белоктарда, сондай-ақ глобулярлық (адам карбоан-гидразінде) белоктарында да кездесе береді.

Оттек

Сутек

Пептидтік топ

Аминқышқылы-ның бүйірлік тобы

Сутектік байланыс

Көміртек

10-сурет. β-қатпарланған беттер:

А - антипараллельдік үштізбектік β-құрылым; Ә – параллель үштізбектік β-құрылым; Б – β-қабаттың бөлшектерінің суреті. Сутектік байланыстар пунктир сызығымен белгі-ленген, тізбектердің бағыты – стрелкамен, С_α-атомдары- нүктемен белгіленген

Белоктар құрамында α-спиральдар мен β-құрылымдардың болуы, белоктар құрылымының классификациясының негізін қалады (M. Levitt, C. Chotia, 1976), соған сәйкес α-типті (тек α-спиралдардан тұратын), β-типті (тек β-құрылымдардан тұратын) белоктар және α + β мен α/β белоктар болып бөлінеді. α + β белоктар кеңістікте тізбек бойымен анық бөлінген α-спираль мен β-құрылымнан (қабатталған пирог немесе сэндвичті еске түсіреді) тұрады. α-Типті белоктардың ең танымал және жете зерттелген түрлеріне миоглобин, цитохром с, темекі мозаикалық вирусының белогы және инсулин жатады; β-типті белоктарға – тұмау вирусының нейраминидазасы, супероксиддисмутаза және А конконавалині, α + β-типті белоктарға – рибонуклеаза, тауық жұмыртқасының лизоцимі және карбоангидраза, α/β-типті белоктарға – карбоксипептидаза және триозофосфатизомераза жатады.