Тақырып: Молекулалық биология пәніне кіріспе 4 страница

		В
	Б

Екіншіден тыс құрылымдар – екінші құрылымның бәрінен де артық энергетикалық ансамблі болып табылады. Кинетика принциптеріне сәйкес мұндай құрылыстар, сірә, синтездеу кезінде кеңістіктегі полипептидтік тізбектің құрылуына (жиырылуына), сондай-ақ кеңістікте құрылған белоктың құрылымын тұрақтандыру үшін тиімдірек болса керек. Мұндай құрастыру деңгейі фибриллярлық та, глобулярлық та белоктарға тән. Фибриллярлық белоктарда, ұқсастыру периоды 14 нм-ге жуық, теріс суперспираль құрайтын екі α-спираль бір-бірімен бұратылуы мүмкін. Мұндай спиральдар α-кератинде, тропомозинде және басқа белоктарда табылған және оларға белгілі функционалдық қасиеттер: беріктік, созылғыштық, жиырылуға қабілеттілік беруі мүмкін. Глобулярлық белоктарда, көбінесе, араларында α-спиральдар орналаса алатын β-қатпарлы беттерден тұратын, екіншіден тыс құрылымдар келтірілген (13-сурет). Екіншіден тыс құрылымдардың құрамында, жиі, олардың тұрақтылығын қамтамасыз ететін металл атомдары болады. Осындай құрылыстарға «цинк бармақшалары» деп аталатын (құрамына цинк атомдары енгізілген екіншіден тыс құрылымдар), олардың құрамы кейбір белоктардың ДНҚ-мен өзара әрекеттесуіне тамаша мүмкіндік береді (9-тарау). Екіншіден тыс құрылымның белгілі түрлері көптеген белоктардан құрылымдық белоктар жасау арқылы қайта өндіріледі. Оларды зерттеу белоктарды структуралық құрастырудың блоктік принципі түсінігінің пайда болуына әкелді, ол белоктық домендер туралы ғылымда заңды түрде дамытылды.

Домендер. Электрондық тығыздығын талдау, белоктарда, өте айқын білінетін глобулярлық салалар – структуралық домендер болатындығын көрсетеді. Қарапайым құрылымдағы домендердің молекулярлық массасы 20 кДа-ға жуық. Домендер көбінесе, белок молекулалары бөліктерінің бір-біріне қатысты белгілі елгезектілігін қамтамасыз ететін топса (шарнир) рөлін атқаратын полипептидтік тізбектің қысқа бөліктері арқылы бірігеді. Бір полипептидтік тізбектің шегінде бірнеше домендер болуы мүмкін. Соңғылар мынадай қасиеттерімен: ферментативтік реакцияны жасау немесе өзіне әлдебір заттарды қоса алатын (кофермент – ферменттерді, антиген – иммуногло-булиндерді және т.б.) қабілетімен теңестіріледі. Қағида бойынша, функционалдық домендердің «белсенді орталығы» құрылымдық домендердің шегінде орналасады. Құрылымдық домені жетік зерттелген белоктың мысалы ретінде, иммуноглобулин құрылысының сызбасы 14-суретте келтірілген. Олардың қосылуы сәйкес домендерде жүретін, белоктық емес қосымша заттарды катализдеу үшін қажет ферменттерде (коферменттер немесе простетикалық топтар, металл иондары) домендер айқын аңғарылады. Мұндай кофермент байланыстырушы домендер тотықтандыру-қалпына келтіру реакцияларын катализдейтін көптеген ферменттердің құрамында анықталған. 15-суретте альдегидоксидредуктазаның кеңістіктегі құрылымы бейнеленген: осы ферменттің екі ұқсас полипептидтік тізбегінің әрқайсысында кофермент байланыстырушы домендер болады.

 

Комплементтің қосылатын жері

Антигеннің қосылатын жері

14-сурет. G иммуноглобулиннің домендік құрылымы.

Молекулалар бір-бірімен дисульфидтік көпіршелермен қосылатын екі ауыр (Н) және екі жеңіл (L) тізбектерден тұрады. Домендер екі дөңгелек ретінде белгіленген: C_Hжәне C_L – ауыр және жеңіл тізбектердің тұрақтылық домендері; V_Hжәне V_L–түрлендірілетін домендер. Ауыр тізбектердің доменаралық бөліктері белгілі елгезектілікке ие: ауыр тізбектерді біріктіретін екі дисульфидтік көпіршелердің аймағында иммуноглобулиннің Fab («табаншаларына») бөлімшелерінде белсенділік тудыратын топсалы бөлім орналасқан. Түрлендірілетін домендер антигендерді байланыстыру үшін қажет функционалдық домендер құрайды. Молекулалардың көмірсутектік компоненттері көрсетілмеген

 

Домендер, қосымша (белоксыз) топтарды байланыстыратын ферменттерде ғана емес, қарапайым (біркомпоненттік) ферменттер – протеиндерде де кездеседі. Ферменттердің көптеген катализдеу функцияларын жасай алатын қабілеті, олардағы домендердің әртүрлілігімен түсіндіріледі. Екі әртүрлі құрылымды (және функционалды) доменнен тұратын ферменттің мысалы ретінде Sacharomyces cerevisiae ашытқысының жасушасындағы PI – SceI эндонуклеазаны қарастыруға болады. Ол гендердің хромосомаларға сайт-ерекшелік интеграциялануына қатынасатын, гендік конверсия ферменттері тобына (homing) жатады. Эндонуклеаза аутокатализдік протеолиз (ізашар молекулалардан полипептидтік тізбектің бір бөлігін алып тастау) нәтижесінде одан ірілеу белок-ізашардан алынады. Сонымен, бұл ферменттің қос катализдеу функциясы болады: эндонуклеаза ретінде, ол ДНҚ полинуклеотидтік тізбегінде ажырату функциясын (ол гендерді ары қарай хромосомаларға интеграциялауда қажет), және өзінің полипептидтік тізбегінің шектелген протеолизін жүзеге асырады. Оның қос функциясы, бір-бірінен құрылымы бойынша ерекше екі доменнің болуына байланысты: домен І белок-ізашарды протеолиздеуге жауапты, ал домен ІІ-нің эндонуклеаздік белсенділігі болады (16-сурет).

 

Белоктың үшінші құрылымы – бұл белок молекуласының барлық атомдарының кеңістіктегі орналасуы. Басқаша айтқанда, үшінші құрылым деп, белоктардың полипептидтік тізбегінің барлық бөлімдерінің (звеноларының) кеңістікте белгілі ретте қалануы сипатталатын үшөлшемдік құрылымы түсіндіріледі. Жалпы түрде, кеңістіктегі қалану ретінің формасы бойынша белок молекулалары бұрыннан фибриллярлық және глобулярлық болып бөлінетін. Үшінші құрылымды, әдетте, кеңістікте алуан түрлі ұйымдастырылған және соған сәйкес функционалдық мүмкіншіліктері де алуан түрлі болып келетін глобулярлық белоктарға қатысты қарастырады. Үшінші құрылымды зерттеу аса күрделі міндет және ол көбінесе рентгенструктуралық талдау әдісімен орындалады. Миоглобиннің үшөлшемдік құрылымы 18-суретте келтірілген. Зерттелінген белоктардың қай-қайсысының да бірегей үшөлшемдік құрылымы өте күрделі болатыны соншалық, оларды жете сипаттау көп мерзімді қажет етеді. Сондықтан біз белоктардың үшінші құрылымын ұйымдастырудың негізгі принциптерін мазмұндаумен ғана шектелеміз.

Гем тобы

Ә

18-сурет. Рентгенструктуралық талдау әдісімен қалыптастырылған миоглобиннің үшінші құрылымы:

 

А – молекуланың нобайланған суреті; Ә – осы белоктың әрбір атомдарының кеңістікте орналасуын көрсететін үлгісі.

19-сурет. Белоктардың үшінші құрылымын тұрақтандыратын байланыстар:

 

1 – иондық; 2 – сутектік; 3 – гидрофобтық; 4 – коваленттік

 

Үшінші құрылымды құрастыруда, белоктың полипептидтік тізбегіндегі, белгілі түрде орналасқан аминқышқыл қалдықтары радикалдарының арасында пайда болатын әртүрлі байланыстар өте маңызды болып табылады. Бұл байланыстар негізінен әлсіз әрекеттесу нәтижесінде: сутектік байланыстар, иондық және гидрофобтық әрекеттесулер арқылы (19-сурет) жүзеге асырылады. Кейбір жағдайларда, үшінші құрылым, полипептидтік тізбек ішіндегі цистеин қалдықтарының арасында пайда болатын мықты коваленттік (дисульфидтік) байланыстармен қосымша түрде сүйемелденеді.

Аминқышқыл қалдықтарының дәл осы орналасу реті (белоктың алғашқы құрылымы) белок молекулаларының барлық элементтерінің кеңістіктегі қалануын айқындайтындығын атап өту керек. Тірі жасушада белоктың үшінші құрылымына полипептидтік тізбектің табиғи еріткішпен (сумен), сондай-ақ ондағы ерітілген макро- және микромолекулалармен (басқа белоктармен, металл тұздарымен және т.б.) әрекеттесуі орасан зор әсерін тигізеді. Сулы орталықпен өзара әрекеттескенде аминқышқылдарының полярлық және полярлық емес радикалдары өздерін әртүрлі көрсетеді. Полярлық радикалдар (Ser, Tre, Tyr, Asp, Lys, Glu және басқалар) гидрофильді, олар судың диполімен әрекеттесуге қабілетті, сондықтан әдетте, белок глобуласының бетінде орналасады. Полярлық емес радикалдар (Ala, Leu, Ile, Phe және басқалар) керісінше, гидрофобты және олар гидрофобтық ядро құрастырып белок ішінде орналасады. Гидрофобтық ядро мен сыртқы беттің шекарасы көбінесе, айқын емес, гидрофобтық радикалдардың кейбір бөліктері молекулалар бетіне шығуы мүмкін, ал ол, төртінші құрылымды ұйымдастыру кезінде, белок глобулаларының арасындағы ұштасуға, сондай-ақ, басқа жасушаішілік молекулалармен әрекеттесуге мүмкіндік береді.

Қоршаған ортаның өзгеруі (рН, иондық күштің, температураның және т.б.) белоктардың денатурациясын – кеңістіктік құрылымын қалпында ұстайтын молекулааралық байланыстардың тұрақтылығының бұзылуынан болатын, олардың нативтік үшінші құрылымын жоғалтуын туғызады. Бұл ретте, өзара нашар әрекеттесетін сутектік және иондық байланыстар ең осал болып табылады. Денатурация кезінде, коваленттік (пептидтік және дисульфидтік) байланыстардың бұзылмайтындығына қарамастан, белок өзінің функционалдық қасиеттерін жоғалтады, ал бұл оның кеңістіктегі ұйымдастырылуының өте маңызды екендігін білдіреді. Белгілі бір жағдайларда белоктар өзінің қалыпты глобулярлық құрылымын табуға – ренатурацияға ұшырайды. ХХ ғ. 60-жылдарында К. Анфинсен рибонуклеаза мен лизоцимада, ал кейіннен басқа да белоктарда (трипсиногенде, альбумин іріткісінде, α-амилазада) белоктардың денатурациясы мен ренатурациясы бойынша алғашқы сынақтарды жасады. Ренатурация кезінде алдымен, екінші құрылымның элементтері (α-спираль, β-қабаттар және иілістер) қайтадан қалпына келтіріледі, ал содан соң, өзара әлсіз әрекеттесетін күштердің арқасында, кеңістікте полипептидтік тізбектердің кейбір бөліктері домендер құра отырып ұйымдастырылады, және белок кеңістікте балқытылған глобуланы құрастырады. Домендердің өзара бағыттарын анықтау кеңістіктегі құрылымның қалыптасуын аяқтайды, соның нәтижесінде белоктың функционалдық белсенділігі қалпына келтіріледі.

Денатурацияның қайтымдылығы бойынша тәжірибелер, белоктардың кеңістікте өздігінен орналасуының – полипептидтік тізбекте аминқышқыл қалдықтарының орналасу ретіне байланысты детерминделген, айқын үшінші құрылымды алуының мықты куәгері болып табылды. Бұнымен стереохимиялық код – берілген алғашқы құрылымнан кеңістіктегі құрылымның қалыптасу заңдылығы байланысты болады. Белоктың бастапқы және үшінші құрылымдары арасындағы қатынасын анықтайтын стереохимиялық кодтың құпиясы ашылмағанымен, оның негізгі принциптерін ашып, соның негізінде белоктардың кеңістіктегі құрылымын болжау үшін әрекет жасалынды. Осылай, Л.Б. Меклер тұжырымдаған теориялық қағидалар бойынша, белоктардың үшінші құрылымы аминқышқыл қалдықтарының стереокомплементарлығына негізделген. Ол, сутектік байланыстардың бір аминқышқыл қалдығы бүйір тізбегінің полярлық группаларынан (сутек донорынан) полипептидтік тізбек арқауының СО-группасына – партнердің (акцептордың) аминқышқыл қалдықтарының компоненттеріне өту мүмкіндігінде жатыр. Көптеген жағдайларда, донор ретінде полярлық радикалдар, ал акцептор ретінде полярлық емес аминқышқыл қалдықтарының СО-тобы: His→Met, Asp→Val, Asp→Ile және т.б. жүретін сутектік байланыстардың осындай бағытталуы жорамалданады. Осы тұжырымға сәйкес полипептидтердің үшөлшемдік молекулалары оларды рибосомаларда синтездеу барысында жүйелі түрде, рет-ретімен, аминқышқыл қалдықтарының комплементарлық әрекеттесуімен құрастырылады да, балқытылған глобула сатысы арқылы «қатты» (ықшамдалған) күйге өтеді.

Аминқышқыл қалдықтарының комплементарлық тіркесімінің нақты бар екендігі туралы, екі белок: тахиплезин (17 аминқышқыл қалдықтарынан тұратын таңқышаян ағзасынан шығарылған пептид) және λ бактериофагының Cro белок-репрессорының бұдан ірі молекулаларына қатысты полипептидтер құрылымының теориялық жорамалдары негізі мен ядролық магнит резонансының көмегімен алынған тәжірибелік мәліметтер арасындағы нәтижелердің ұқсастығы куәландыра алады (9-тарауда). М. Ниренберг, С.Очоа және Х.-Г. Коран ашқан «басты» генетикалық код секілді, аминқышқылдардың өзара әрекеттесуінің стереохимиялық коды да, сірә, абсолюттік сипатта емес және жартылай жойылған шығар, ал ол жағдай белоктардың үшінші құрылымының қатаң бағдарламасынан біршама ауытқығандығын пайымдайды. Алуан түрлі (баламалы) комплементарлық аминқышқыл қалдықтарының пайда болуы салдарынан болатын, құрылымдардың осы флуктуациясы (күлтілдеуі), молекулалардың басқа бөліктерімен салыстырғанда елгезектеу болатын құрылымның «жылтылдаушы» элементтерінің пайда болуына әкеледі. Мұндай Ω-тәрізді құрылымдар кейбір лигандтарды (антигендерді) «ажырата білетін» және байланыстыратын функцияларды атқарушы белоктарға (мысалы, иммуноглобулиндерге) тән.

Белоктардың үшінші құрылымының қалыптасу заңдылықтарын зерттеу, болашақта балама мақсаттарды шешуге: белгілі бір үшінші құрылымды жасауға бағытталған алғашқы құрылымды құрастыруға, яғни табиғатта болмайтын белоктардың de novo-сын құрастыру үшін жәрдемін тигізеді. Әзірше, мұндай жұмыстар нәтижесінде, ондаған аминқышқылдардан және табиғи белоктарды еске түсіретін (миогемэретрин және цитохром с) α-спиральдан тұратын полипептидтерді, сондай-ақ құрамында тек α-спираль ғана емес, β-құрылымы да болатын (альбебетин) кейбір полипептидтерді құрастыруға болады. Осы белоктарды синтетикалық мРНҚ матрицаларында, сондай-ақ, тиісті гендерді (кДНҚ) синтездеу, соңынан оларды, бағдарламаланған полипеп-тидтердің құрылымын бөліп шығаратын және талдайтын бактерия жасушаларында клондау (гендік инженерия әдістері 14-тарауда келтірілген) нағыз белоктық инженерияның алғашқы қадамы деп бағалауға болатын әбден күткен нәтиже береді.

Төртінші құрылым бірнеше полипептидтік тізбектерден құрастырылған белоктарға тән. Ол белок молекулаларындағы кейбір полипептидтік тізбектерінің өздерінің ерекше функцияларын орындау үшін қажет кеңістікте өзара орналасу әдісін білдіреді. Төртінші құрылымдағы белоктардың құрамына кіретін, соңынан осындай белок-мультимерден эпимолекула пайда болатын кейбір полипептидтік тізбектер протомерлер немесе суббірліктер деп аталады.

Төртінші құрылымдар тек өңкей әлсіз әрекеттесулер күшінен тұрады, сондықтан үшінші және екінші құрылымға қарағанда, ол беріктігі нашар лабильдік құрылыс ретінде болады. Суббірліктер арасындағы ұштасулар көбінесе, солардың көмегімен, мысалы, протомерлердің β-қатпарлы беттері жанаса алатын сутектік байланыстармен анықталады. Аминқышқыл қалдықтарының гидрофобтық радикалдары арасында жүзеге асырылатын суббірліктердің жанасу алаңдарындағы гидрофобтық әрекеттесулер де маңызды рөл атқарады. Мысалы, сүтқоректілер алкогольдегидрогеназасы ферментінің екі суббірліктен тұратын эпимолекуласы 18 аминқышқыл қалдықтарының гидрофобтық әрекеттесулері мен протомерлер арасында 8 сутек байланыстарының құрастырылуының арқасында пайда болады. Төртінші құрылымның қалыптасуында, аминқышқыл қалдықтарының қарама-қарсы зарядтарды тасымалдаушы радикалдары арасындағы электрстатикалық әрекеттесулер де белгілі орын алады.

Төртінші құрылымдағы белоктар құрамында қағида бойынша, суббірліктер саны жұп болады және олар димерлер, тетрамерлер, гексамерлер, октамерлер және т.с.с. болып келеді. Зерттелінген белоктарда көбінесе димерлер мен тетрамерлер кездеседі. Суббірліктердің саны жұп болуы, сірә, тірі табиғатқа лайық жалпы симметрия принципін білдіретін шығар. Суббірліктер саны дақ болатын белоктар сирек құбылыс болып табылады және олардың кейбір бөлігі көптеген ағзаларда өте маңызды және ерекше функцияларды атқарады. Осылай, GTP-байланыстырушы белоктардың (G-белоктар) кейбірі тримерлер болады. Жасуша ішіне немесе оның әртүрлі компарменттерінде сигналдар беру олардың негізгі функциясы болып табылады, дегенмен, олардың кейбір бөлігі басқа да функцияларды орындайды (белоктар биосинтезіне және басқа да энергия тұтынушы процесстерге қатысады). G-белоктардың белсенді күйден (G-белок-GTP комплексі) әлсіз күйге (G-белок-GDP комплексі) көше отырып, GTP-ны GDP және фосфатқа дейін гидролиздей алатын қабілеті бар. G-белоктардың GTP-лық белсенділігі сигналдар беру үшін қолданылатын GTP макроэргикалық байланыстарының энергиясын босатып шығарады.

G-белоктарға, мысалы, белок комплексінің компоненті ретінде (циклдік нуклеотидтердің трансдуцин-родопсин-фосфодиэстеразасы) көз торындағы жарық сигналын қабылдайтын және бірнеше есе (5·10⁵ есе) күшейтетін, жарық сигналын беру және күшейтуге қатысатын трансдуцин жатады. Трансдуцин молекуласы әртүрлі үш суббірліктен (Т_α, Т_β және Т_γ) тұрады, олардың ішінде Т_α суббірлігі GDP-лық белсенді болады. G_s және G_i белоктары – жеке алғанда жасуша-нысаналар ішіне гормоналдық сигналдар беретін аденилатциклаздық жүйенің тірі жүйелерінде көп тараған компоненттерінің құрылымдары да осыған ұқсас. Бұл белоктар гормондардың белок-рецепторларынан сигнал қабылдап, оларды АМР-мен синтез жасайтын ферментке – аденилатциклазаға – екінші мессенджерге (делдалға) жеткізеді, ал олар, өз кезегінде, бірқатар жасуша-ішілік ферменттердің белсенділігін және соған сәйкес биохимиялық процесстерді реттейді. G_s және G_i белоктары, трансдуцин секілді, әртүрлі үш суббірліктен (α, β және γ) тұратын тримерлер болып табылады. G_s және G_i белоктарды тиісінше аденилатциклазаға балама түрде ықпал ете алатын, ынталандырушы және ингибациялаушы белоктар деп атайды. G_s белоктың α суббірлігі GDP-ны байланыстыруға және гидролиз-деуге қабілетті, ал ол белсенді күйге көшетін G-белоктың және аденилатциклазаның конформациясының өзгеруіне әкеледі. Суббірліктер α, GDP және β мен γ суббірліктері комплексі (α-GDP – β-γ) белоктардың белсенді емес формасы болып табылады. Бұл комплекстегі GDP-ны GTP-ға алмастыру мембранадағы R_s ынталандырушы рецепторының әрекетімен шұғыл тездетіледі. GTP-ны қосу төртінші құрылымды екі құрамға: β-γ суббірлігінің домеріне және G_s-белоктың белсенді формасы α-GTP мономеріне бөледі. Соңғысы аденилатциклазамен әрекеттесіп, оны ынталандырады, ал ол сАМР концентрациясының бірнеше рет өсуіне және соған сәйкес жасушаішілік процесстердің өзгеруіне әкеледі. G_s-белоктың әрекетінің ұзақтығы GTP-ның α-суббірлік әрекетінен гидролиздену уақытымен анықталады, осы уақыт өткен соң G_s-α-GDP β-γ суббірлігінің домерімен қайта қосылып, белок өзінің белсенді емес күйіне оралады.