Белок химиясына сираттама

    Осы уақытқа дейін көптеген әртүрлі белоктардың 1-реттік құрылымы анықталды. Ол  биохимияның  негізгі жетістіктерінің бірі болып саналады.  Белоктардың бірінші реттік құрылымы дегеніміз пептидті тізбектегі  аминқышқыл қалдықтарының  кезектесіп ретпен орналасуы.

H2N-CH-CO-NH-CH-CO-HN-CH-COOH

         R1                        R2                  R3

1-реттік  құрылымды біле отырып, егер ол бір полипептид  тізбегімен  берілсе  белок  молекуласының  формуласын  жазуға  болады. Егер  белок  құрамына бірнеше  полипептид  кіретін  болса,  онда  бірінші реттік  құрылымын анықтау қиынырақ,  сондай-ақ  бұл тізбектерді алдын-ала жекелеу қажет.Бірінші кезектебелоктың кішкене бөлігінің амин-қышқылдықұрамын анықтайды,  дәлірек  айтқанда,гомогенді  белоктағы  20 аминқышқылының  әрқай-сысының  қатынасын   анықтайды  Бұны  гидролиз  әдісімен жүзеге  асырады,  яғнибір  бос  NH2  тобын және  бір бос COOHтобын.

   Сонымен,жоғарыда  көрсетілген  әдістер  арқылы  C  және  N-сынды аминқышқылдары  анықтаймыз.Жұмыстың келесі этапы аминқышқылдары-   

ның полипептидті тізбегінің ішінде кезектесіп келуін анықтау.Бұл үшін бастапқыда таңдамалы, бөлшектік түрде полипептид  тізбегінң қысқа пептидтерге гидролиз жүреді,бұл аминқышқылдарының кезектесуін нақты дәлдікпен анықтайды.Таңдамалы және толық емес гидролиздің химиялық әдісі химиялық реактивтерді қолдануға негізделген,яғни белгілі амин-қышқылдарынан құралған пептидті байланыстың селективті ыдырауына және қалған пептидтібұзылмаған қалпында қалдыруға негізделген.Осы таңдамалы гидролизденетін затқа бромциан,гидроксиламин,арқылы N-бромсукцинамиид жатады.                                                              

    Басқа аминқышқылдарына қарағанда,белок құрамында метионин аз болып келеді,өңдеу бромцианмен жүреді жәнесол кезде бірнеше пептид түзіледі.Сонымен қатарC және N-сынды аминқышқылының табиғатын анықтаймыз.

     Гидролиздің ферментативті әдістері протеолиттік ферменттердің ңдамалы әсеріне негізделген,  пептидті байланысты үзіп жаңа аминқышқылдарының түзілуіне әкеледі.

   Көбіне пепсин, фенилаланин,  тирозин  және глутамин  қышқылынан, трипсин –аргенин  және лизин, химотрипсин  трип-тофан, тирозин және фенилаланин  қышқылдарынан құралған байланыстардың гидролизін тездетеді. Басқа  ферменттер қатары , мысалы:  субти –лизин,, проназе және басқа бактерияларды протелаздарда толық емес белок гидролизіне қолданылады. Нәтижесінде полипептидті тізбек майда –ұсақ  пептидтерге ыдырайды. Яғни оларды бір-бірінен электрофорездік және  хромотографиялық әдіспен  өздеріне тән өзгеше пептидті карталарын аламыз. Әрі қарай әрбір жеке пептидтегі аминоқышқылдарының кезегін анықтай отырып, полипептид тізбегінің 1-реттік құрылымын қалыптастырумен бітеді. Пептидті карта құау әдісі «Саусақ іздері» деген атпен белгілі, оны гомологиялық белоктардың 1-реттік құрылымының ұқсастығы мен айырмашылығын анықтауға қолданады. Белок қандай да бір  протеолиттік ферментпен  инкубирленеді, көбіне белок порциялары пепсинмен де сондай-ақ трипсинмен де инкубирленеді. Бұл кезде гидролиз соңында қатаң анық пептидтің байланысқан қысқа пептидті қоспа түзіледі, оларды хромотографиялық әдіспен бір бағытта оңай бөлуге болады және электрофорез әдісімен 90 градус бұрыш жасай біріншісінен бастап бөлуге болады. Онан кейін мәселе  әрбір пептидтен бөлінген аминқышқылдарының кезекті ретпен орналасуына, барлық молекуланың 1-реттік құрылымының  беелгіленуіне жіне сәйкестенуіне  байланысты шешіледі.  Белок молекуласындағы аминқышқылдарының белгілі ретін анықтауға рентген құрылымды анализді қолдануға болатыны  жоғарыда айтылады.  Осы мәселені шешуге тағы бір жаңа тәсіл белок  молекуласындағы аминқышқылдарының  ретпен кезектесіп орналасуына, яғни матрицалық  рибонуклейн қышқылдарының  кодындағы нуклеотидті кезекпен орналасу мақсатын көрсетуге болады.

  Қазіргі уақытта белоктың 1-реттік  құрылымын анықтаудың негізгі  мәселесі лабараторияларды  қазіргі заманның  талабына сәйкес  техникамен жабдықтау арқылы анықтау.  Көптеген табиғи белоктардың 1-реттік  құрылымы толығымен зерттелген.  Олардың ең бірінші  инсулин, 51  аминқышқылы қалдығынан тұрады. 1-реттік құрылымы анықталған ең ірі  белок иммуноглобулин. Ол 4 полипептидті тізбектен тұрады  және онда  1300 аминқышқыл қалдығы бар.

Белоктардың екінші реттік құрылымы.

1930 жылдары У. А стбюри  алған белоктың бірінші рентге-нограммасы  және сонан кейін Л.Полинг пен Р. Кори зерттеулері белоктағы сызықты полипептид тізбегімен қоса, белгілі бөліктерінде шиыршықтың болатынын көрсетті.

  Белоктың  екінші  реттік  құрылымы астарында   полипептидті тізбектің  конфигурациясы  жатыр, яғни полипептид тізбегінің  шиыршықталуы немесе  қандайда бір басқа  конформацияға өзгеруіне негізделген. Бұл процес ретсіз жүрмейді, ал бірінші реттік құрылым бағдарламасына  сәйкес жүреді. Полипептид тізбегінің екі негізгі конфигурациясы толық зерттелген, олар құрылымды талап пен экспериментальды берілулерге жауап береді: а-шиыршық,  в-құрылым.

  Полипептид тізбегінің  ширатылу бағыты сағат бағытымен  бағыттас  болады және ол табиғи  белоктардың  а-аминқышқылды құрамымен сәйкестенеді. а-спиральдың шығуына әсер етуші күшіне аминқышқылдарының  сутекті байланыс түзу қабілеті жатады. а-шиыршық құрылымында бірқатар  заңдылықтар ашылды. Шиыршықтын әрбір оралымына 3,6 амиқышқылы сәйкес келеді.  Шиыршық қадамы әр оралым 0,54 нм-ге тең,  ал бір  аминқышқыл қалдығына  0,158 нм келеді. Шиыршықтың көтерілу бұрышы 26 градусқа тең. Шиыршықтың әрбір бес орамынан кейін полипептид тізбегінің  құрылымдық конфигурациясы  қайталанады.  Бұл а-шиыршық құрылымының қайталану  периоды 2,7 нм екенін көрсетеді.  Әрбір белокқа,  оның полипептид тізбегіне  белгілі шиыршықталу дәрежесі тән. Шиыршықталу дәрежесін  поляризацияланған  жарықтың жазықтығын жеке бұру жолымен өлшейді Соңғысының өзгеруі  белок молекуласының шиыршықталу дәрежесін  тікелей тәуелділікте болады.  Барлық шар тәрізді белоктар полипептид тізбегінің ұзына бойында ширшықталмаған.  Белок молекуласында а-шиыршық  бөлімшелер сызықты  бөліммен кезектесіп отырады.  Көбіне, егер гемоглобиннің  а-және в-тізбегі шиыршықталған болса, мысалы   75%-ке, онда лизоцем 42% ал пепсин бар болғаны 30% шиыршықталады. Осы жағдаймен, екінші реттік құрылымның  тұрақтылығы негізінен сутекті байланыстармен қамтамасыз етіледі.

  Сутегі атомдардың  құрылыс ерекшелігіне байланысты  судың 2 молекуласын қажетті мөлшерде  жақындатқанда, бір молекуланың   оттегі атомымен екінші молекуланың  сутегі атомы арасында  электростатикалық  әсер пайда болады. Осының нәтижесінде әрбір су молекуласындағы  Н және О  атомдары арасындағы байланыс  әлсіреп,  әлсіз тұрақсыз байланыс пайда болады.  Бірінші молекула сутегі атомымен  және судың екінші  молекуласының оттегі  атомымен арасында пайда болады. Осы әлсіз байланысты  сутекті байланыс деп  атау қабылданған. Белок молекуласында маңызды сутекті байланыстар  ковалентті байланысқан  сутекті атомдар арасында  түзіледі, аздап оң заряд тасиды және теріс зарядты  ковалентті байланысқан  оттегі атомдары арасында да түзіледі. Төменде белок молекуласындағы  сутекті байланыстар: а) пептидті тізбектер арасында; ә) екі гидроксил  топтары арасындағы; б) иондалған  СООН топтары мен ОН топтары арасындағы; в)сериннің  ОН тобымен пептидті  байланыс арасындағы  сутекті байланыс көрсетілген.

   Акцептор-атомының  химиялық табиғатына байланысты  сутекті байланыстар бір-бірімен   байланыстың қаттылық дәрежесімен   ерекшеленеді. Белок молекуласындағы   сутекті байланыс санын  изотопты әдістің берілуімен  талдайды, көбіне дейтеридегі сутекті байланыс түзуші сутек  атомының алмасу  уақытымен.  Полипептид тізбегінің  конфигурациясының басқа  типі, яғни шаш белогынан,  бұлшық ет және басқа  фибрилярлы белоктың  табылғандары в-құрылым деген атқа ие болады. Бұл жағдайда екі немесе оданда көп  сызықты полипептидті  тізбектер парплельді  орналасады және сутекті  байланыспен мықты байланысып, қатпарлы қабат типіндегі құрылымды түзеді.

                Белоктардың үшінші реттік құрылымы.

   Белоктың үшінші  реттік құрылымы  деп полипептидті  тізбектің белгілі бір көлемде   кеңістікте орналасуы. Қанша дегенмен  де бірінші реттік құрылымы, не  шиыршық түрі  немесе полипептидті  тізбектің сызықты шиыршықты   бөлімдері сәйкестенуі  полипептидті тізбектің  формасы, көлемі туралы  ұғым бермейді,  зерттеушілердің алдында әрқашын  белоктың кеңістіктегі үш өлшемін  немесе конфигурациясын анықтау тұрады.  Бұл мәсәлелерді шешуде негізгі рольді  өзінің жоғарғы қабілеттігімен   ренген құрылымды анализ  әдісі атқарады.  Бұл әдіс белок химиясының  басты екі мәселесін шешеді: полипептидтегі аминқышқыл қалдықтарының ретімен орналасуы және белокты молекулалар конфигурациясының заңдылықтарын. Органикалық заттар молекуласындағы атомдар арасындағы қашықтық 0,2-0,2 нм болады, ал қазіргі аппараттардың максималды қабілеттігі 0,2 нм тең.  Бірақ толығымен атомдардың  бөлікті сәйкестенуі мен айырмашылығы болғанмен,  бұл әр атомның орналасу ретін белгілемейді, әсіресе ауыр метал атомдарын белок молекулаларына  енгізгенде анықталмайды. Соңғысы өзінің  жоғарғы электронды тығыздығына  байланысты рентгенограмманың  математикалық өңдеуінде  есеп нүктесінің сапасы ретінде қолданады.

   Рентген құрылымды  анализбен бірінші рет  Дж.Кендрью   кашолоттың миоглобиннің  үшінші реттік құрылымын анықтаған. Бұл молекулярлы массасы 16700 болатын салыстырмалы белок,  бір полипептидті тізбекпен белгіленген 153 аминқышқыл қалдығынан тұрады. Бұлшық еттерде оттегіні тасымалдау  миоглобулиннің негізгі қызыметі келтірілген модельдерден көрініп отырғандай  миоглобулиннің полипептидті  тізбегі иректі түтіктүрінде берілген, ол қызыл түспен белгіленген  гем  айналасында қабатты орналасқан.  Соңғы 4 онжылдықта  рентген құрылым әдісінің  жоғарылауына байланысты  250 белоктың  үшінші реттік құрылымы,  академик А.Е. Брауынштейннің  лабараторииясында анықталды.  Рентген құрылымды анализ  кеңістіктегі полипептидті тізбек  жолымен конфигурациясын анықтайтын  болғандықтан, әр белок үшін  оның сызықты және шиыршықты бөліктерінің орналасу  орнын кескіндейтін  көлемді модел құрылатын болады. Шар тәрізді белоктарды  оқу барысында,  күшті дәрежедегі белоктардың  кеңістік құрылымы бірқатар  факторларға тәуелді, көбіне иондық күшке, ертіндінің  рН-на, температураға және т.б. Рентген сәулелерін дифракциялаудың  жаңа әдістері 60 шақты  ферменттердің кристалды құрылымын анықтауға  мүмкіндік береді.  Соңғы кезде белоктардың үш мөлшерлі  құрылымын анықтау үшін төменгі  температуралы есептеу  техникасының әдісі және берілген  аминқышқылдарының реті  кезегіне негізделген құрылыымының көлемін  анықтауға математикалық  әдістер де қолданылады.

  Қазіргі көзқарастар   бойынша, белоктың  үшінші реттік  құрылымы, оның рибосомадағы  синтезі  аяқталып болған соң,  автоматты  түрде қалыптасады да  толығымен  бірінші реттік  құрылыммен анықталады.  Үш мөлшерлі құрылымның  шығуына негізгі әсер етуші күш болып,  аминқышқыл радикалдарының  су молекуласымен  әсері есептеледі.

                   Белоктардың төртінші реттік құрылымы.

  Төртінші реттік құрылым деп жеке полипептид тізбектерінің кеңістікте  жинақталуын, яғни бірдей бірінші, екінші және үшінші реттік  құрылымы бар және құрылымдық  функционалдық қатынастары  бірдей макромолекулярлық құрылымның түзілуін айтамыз. Көптеген функционалды белоктар басты  валентті байланыспен байланыспай  ковалентті байланыспен байланысқан  бірнеше полипептид тізбегінен тұрады. Әрбір жеке алынған полипептид  тізбегі яғни протомер биологиялық  активті болып келеді.  Белок бұл қабілеттікті, өзінің құрамына  кіретін  протомерлердің  кеңістіктік бірігулері  кезінде иеленеді. Түзілген молекуланы  олигомер деп атаймыз. Олигомерлі белоктар  көбіне протомерлердің  жұп санынан құралады сонымен қатар молекулярлық  массасы бірнеше мыңнан 100 000 дальтон арасында болады.

   Көбіне гемоглобин  молекуласы бірдей екі а-,в полипептидті тізбектен тұрады.  Қалыпты жағдайда гемоглобин молекуласы а және в- тізбегін кері диссоциациялайды.  Бұл диссоциация сутекті байланыстың үзілуімен жүреді.  Тұз немесе мочевинаны алып тастағанда гемоглобин  молекуласының автоматты түрде  ассоциациясы жүреді. Олигомерлі молекуланың классикалық мысалына  табақ мозайкасының вирусы жатады, яғни оның молекулалық массасы 40 000 000 Да жететін, алып молекула түрінде болады. Ол РНК-ның  бір молекуласынан және 2130  белоктың суббірліктен тұрады, Олардың массасы 17 500 Да жетеді. Вирус ұзындығы 300 нм, ал ені 17 нм шамасында. Вирус РНК-сы  шиыршық тәрәзді пішінде болады. РНК айналасында белокты бөлшектер еніп тұрады,  олар молекула үстілік шиыршықты құрылым түзеді,  онда 130 орамға дейін болады.

  Вирустың таңданарлық  ерекшелігі сол, РНК-ның сәйкес  ыдырауы  және белокты суббірліктерді  ыдырату және сәйкес  орын аустыру,  төртінші реттік  құрылымның толық регенерациясына, сонымен қатар барлық физикалық параметрлер мен биологиялық қызметтің қалпына келуін қамтамасыз етеді.

   Вирустағы өзін  қайта құрастырудың  процесі РНК  молекуласының бірінші реттік  құрылымындағы сақталған информациямен   және белокты суббірлікпен  қамтамасыз  етіледі.  Осындаай жағдайлармен  аминқышқылдарының  кезекті реті  өзінде  белоктың құрылымды ұйымының  барлық деңгейде қолданатын  информацияны сақтайды. Көптеген ферменттердің төртінші реттік құрылымы  бар, мысалы: фосфорилаза, ол екі жеке  суббірліктен тұрады, олардың әрқайсысында  екіден полипептид тізбегі бар.  Фосфорилазаның барлық молекуласы  тетраметр түрінде берілген.  Жеке суббірліктердің каталистік активтілігі  болмайды. Реттеуші ферменттердің  төртінші ретті олигомерлі  құрылысы бар.  Олар клеткадағы  химиялық рекция жылдамдығына  қажетті қызметтерге бөлінген.

Өте жақсы зерттелген мультимерлі  ферментке лактатдегид-рогеназаны  жатқызамыз, ол 2 полипептид тізбегінен тұрады: Н-жүректі тип және М-бұлшықетті тип және 4 суббірліктен тұрады.  Бұл фермент суббірліктердің  әртүрлі қатынасына  байланысты бес түрлі  пішінде бола алады.  Мұндай ферменттер изоферменттер деген атқа ие болады немесе  жаңа бөлінудің  көптүрлілігіне сәйкес. Осы уақытқа дейін  суббірлікті құрылым  бірнеше жүз белоктарда  табылды. Бірақ, аздаған белоктарда, соның ішінде гемоглобин  молекуласында рентген құрылымды анализ  әдісімен төртінші реттік құрылым анықталады. Төртінші ретті құрылымды тұрақтандыратын негізгі күш, ковалентті байланыс болып табылады. Осындай жағдаймен белоктардың  құрылымдық ұйымыныңң  4 деңгейі бар деген  ойды тұжырымдауға болады. Сонымен қатар, әрбір жеке белок  өзіне тән жеке  құрылыммен, соны қамтамасыз ететін  қызыметімен сипатталады. Осыған байланысты әртүрлі белоктардың  құрылымын анықтау, тірі жүйе табиғатын  танудың және өмір  мәнін түсінудің  кілті болып табылады.  Ғылыми ізденудің  осы жолында  адамның тұқым қуалайтын  ауруларының көптеген  мәселесі шешіледі, яғни бұның негізінде  белоктардың биосинтезі  және құрылым деффектілері жатыр. 

5. Белоктардың жіктелуі және биологиялық қызметі. 
1. Жай белоктар
2. Күрделі белоктар

  Жай белоктар

Белоктардың физикалық-химиялық қасиеттеріне, атқаратын қызметтеріне  және құрамына қарай жіктейді.

Белоктар- электрохимиялық  қасиеттеріне сәйкес қышқылдық, негіздік және  бейтарап белоктарға бөлінеді.

Белоктар-кеңістікте орналасуына  сәйкес глобулярлы  және фибрилярлы  деп бөлеміз. Ал биологиялық қасиеті мен қызыметіне сәйкес  белок молекулаларын  мынадай топтарға бөледі.

1. Белок- ферменттер(белоктардың ең үлкен тобы)
2. Белок-гормондар(инсулин, гипофиз гормондары, окситозин)
3. Имундық белоктар(антиденешіктер қанның  альфа глобулині)
4. Транспорттық белоктар(қанның гемоглобині, қан сары суының белорктары)
5. Жирылғыштық функция(бұлшықеттің актомиозині)
6. Құрылымдық белоктар(клетка мембранасының белоктары т.б)
7. Қор қызметін атқаратын белоктар(сүттің казейні, жұмыртқа белогы)

   Химиялық  құрылысының ерекшеліктеріне сәйкес белоктарды  жай белоктар (протеиндер) және күрделі белоктар (протеидтер) деп екі топқа бөледі.