Клеткадағы белок синтезі және оны реттеу

   2.1.3 Белоктың физикалық және химиялық қасиеттері организмнің тіршілік әрекетінің негізін құрайды. Белоктардың коллоидтық қасиеті, коацерват түзушілігі, денатурация құбылысына ұшырауы, сумен байланыс жасай отыра гидрадтануы, электр заряд түзушілік қасиеттері маңызды роль атқарады.

   2.1.4  Белоктың атқаратын қызметі. Организмде белок алуан түрлі қызмет атқарады. Белоктың қызметін көбіне жекелеген молекулалар да жүзеге асыруы мүмкін. Белоктың ең басты қызметі — катализаторлық қызмет. Барлық тірі организмдерде зат алмасу реакциялары ферменттердің әсер етуімен жүзеге асады. Белгілі  ферменттердің барлығы белоктардан құралған.

   Заттарды тасымалдау да белоктың маңызды бір қызметі. Заттардың клетка мен органоидтар ішінде қозғалуын белок реттеп отырады, яғни оларды активті түрде тасымалдайды. Соңғы кезде клетка мембранасының құрамында түрлі тасымалдаушы белоктардың болатыны анықталған.

   Белок сондай-ақ организмнің иммундық қасиеттерін жүзеге асырады. Сонымен бірге белоктың тағы маңызды қызметінің бірі — оның құрылыс материалы ретінде пайдаланылуы. Белок барлық протоплазмалық органоидтардың негізін кұрайды. Ол құрылым компонентінің бірі ретінде барлық клетка мембраналарының құрамына кіреді, тіпті сұйық гомогенді цитоплазмалық матриксте де белок кездеседі.[3]

2.2 Белок конформациясы.

  Белок молекуласының конформациясы амин қышқылының бірізділігімен 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.[1]

  Бұл амин қышқылдарының 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. Көптеген белоктардың полипептидтік тізбектері өз бетімен түзілу конформацияға түйінделеді. Мысалы белокты жазу, немесе денатурациялау (лат. «denaturare» - табиғи қасиетін жою) арқылы алғашқы конформациясын жоғалтқан икемді полипептидтік тізбекке айналдыруға болады. Бірақ, мейлінше жұмсақ денатурациялау әсері әдетте қайтымды, жазылған полипептидтік тізбек табиғи конформациясына өзі түйінделді. Оның мұндай қылығы белок молекуласының конформациясын анықтайтын ақпараттың бәрі амин қышқыл бірізділігінде екендігінің айғағы.  Полипептидтік тізбектің түйінделуін басқаратын маңызды факторлардың бірі - полярлық және полярлық емес бүйірлік топтардың орналасу тәртібі болып табылады.[1]

   Белок синтезінің барысында олар дың көпсанды гидрофобты (гр. "һуdог" -су, "рһоЬоs" - қорқу) бүйірлік топтары белок глобуласының ішіне жиылуға тырысады,      себебі     судан      құтылуына мүмкіндік туады. Сол кезде барлық полярлық   топтар   белок   молекуласының үстіне жиылады, онда бұл түзілімдер сумен   және   басқа   полярлық   топтармен арақатынас жасай алады. Пептидтік топтар   өздеріде   жеткілікті   полярлы,   сондықтан сутектік байланысты бір-бірімен және    полярлық    бүйірлік    топтармен құруға тырысады. Осындай жолмен белок    глобуласының    ішіндегі,    түгелге жуық   полярлық    топтардың жұптасуы жүреді.   Сөйтіп,   сутектік   байланыстар   белок       молекуласының түйінінде    бір    полипептидтік   тізбектегі    әртүрлі    бөлшектерінің арақатынасында басты роль атқарады. Сонымен қатар, олар белок молекуласының үстіндегі арақатынастарда да маңызды орын алады. Цитоплазмадан тыс белоктар (секреторлык белоктар немесе клетка үстіндегі     белоктар),      бір     полипептидтік     тізбектің      әртүрлі бөлшектерінің арасында косымша коваленттік байланыстар түзеді. Мысалы, цистеиннің екі SH-топтарының арасындағы дисульфидтік байланыстар ( SS-көпіршелер деп те аталады), түйінделген полипептидтік тізбектің көршілес келетін бөлшектерінің арасында жүреді, олар     клеткадан     тыс     белоктардың     кеңістіктегі     құрылымын тұрақтандырады; дұрыс түйінделу үшін дисульфидтік байланыстың қажеті жоқ.

   Амин қышқылдарының барлық жеке арақатынасының нәтижесі, көптеген белок молекулалары өздеріне тән конформацияға спонтанды түрде келе береді: әдетте қомақты глобулалық, бірақ ішінара фибриллярлық созылған пішінде де болады.   Глобуланың  ортасы  бүйірлік  гидрофобтық  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 күрделілері.

   Тізбектің бір-біріне ұқсас жиылу тәсілі әртүрлі белоктарда үнемі қайталанып отырады. Полипептидтік тізбектердің амин қышқылдарының бірізділігінде олардың түйінделуіне қажетті ақпарат болса да, ол ақпараттың қалай оқылатыны әлі белгісіз, сондықтан белоктың кеңістіктегі болашақ құрылымын бірізділік бойынша дәл болжайтын мүмкіндік жоқ. Сондықтан, белоктың табиғи конформациясын белок кристалдарын анықтайтын өте күрделі рентгенқүрылымдық талдау әдісінің көмегімен ғана табады. Бұл әдісті қолдану арқылы осы күнге дейін 200-ден артық белок талданған. Лизоцим белогының мысалында көлемді немесе қаңқалық үлгісі арқылы белоктың толық құрылымын көруге болады.

   Әртүрлі белоктардың кеңістіктегі құрылымын салыстыра отырып, әрбір белоктың конформациясы бірегей болғанмен де макромомолекуланың жеке бөлшектерінде тізбектің орам түрлері үнемі қайталанып отыратындығы анықталды. 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 де 1951 ж. үлгінің көмегімен жібек және шашқа жасалған рентгенқүрылымдық талдау нәтижесіне негізделіп, дұрыс болжанған болатын.[1]

   Қазір бұл кезендік  кұрылымдарды b-қатпарлы қабат және а-шиыршық деп атайды. В-катпарлы конформацияда жібек фибрионының а-кератинде тері және оның туындыларының (шаш, тырнақ және қауырсындар) белогында кездеседі. b-қатпарлы қабаты құрылымы көптеген глобулалық белоктардың өзегінің басым бөлігін құрайды. b-қабат полипептидтік тізбектің b-құрылымдық b-бөлшектері деп аталатын екі, не одан да көбірігінен құралады.

   Белоктардың кәдімгі полимерден өзгешілігі - құрылымы жағынан бір-біріне ұқсас болғанмен де, мүлдем бірдей емес мономерден құралған. Белоктың мономерлері, жоғары айтылғандай, амин қышқылдары. Әрбір амин қышкылының ерекше құрылысы, қасиеті және аты болады.

   Барлық амин қышқылдары үшін ортақ топтастыруға негізгі амин тобы (-NH₂) және қышқылды (-СООН) кіреді. Белок полимері түзілу кезінде амин қышқылдары осы ортақ топтастыру арқылы ілініседі. Амин қышқылдарының біреуінің амин тобы мен екіншісінің карбоксилінен су молекуласы бөлініп шығады да, босатылған валенттік есебінен амин қышқылдарының қалдықтары бір-бірімен қосылады. Өзара қосылысқан амин қышқылдарының арасында NH - СО байланысы пайда болады, бұл пептидтік байланыс деп, ал түзілген қосылыс пептид деп аталады. Амин қышқылдарының 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 амин қышқылдарының құрамы, амин қышқылдары буындарының саны және олардың тізбектегі орналасу тәртібі бойынша ажыратады. Егер амин қышқылдарының әрқайсысын әріппен белгілесек 20 әріптен құралған алфавит шығады. Енді сол алфавиттегі әріптерден 100, 200, 300 әріптерді қатар тізіп жазатын сөз тіркесін құрап көрейік. Сондай сөз тіркестерінің әрбіреуі қандай да болса бір белокқа сәйкес келеді. Мұның бір әрпінің орнын алмастырсақ, сөз тіркесінің мағынасы бұзылады, сөйтіп, жаңа сөз тіркесі және оған сәйкес белоктың жаңа изомері пайда болады. Сонда бұлардан алынатын варианттар санының алыптығына оңай көз жеткізуге болады. Шынында да, жануарлар мен өсімдіктер клеткаларында болатын әртүрлі белоктардың саны қисапсыз көп.

   Пептидтік тізбектің құрамына кіретін амин қышқыльның бөлігі, яғни -HN-RCH-СО- (R1, R2, ... Rn бүйірлік тізбектер) амин қышқыл қалдыгы деп аталады.

  Шамалы ұзындықтағы пептидтік тізбектер, құрамында 50-ге дейін амин қышқыл қалдықтары кіретін (молекулалық салмағы 6000 дейін), пептидтер (кейде полипептидтер) деп аталады. Ұзын пептидтік тізбектер немесе бірнеше тізбектен тұратын агрегаттар күрделі құрылымына байланысты ерекше қасиеттерге ие болады; бұлар белоктар болып табылады. Белок молекуласы 50-ден 5000-ға дейін немесе одан да көбірек амин қышқыл қалдықтарынан түзіледі. Бір пептидтік тізбектегі қалдықтардың саны 20-дан 600-ге дейін және одан да көбірек болады. Белок молекуласының құрамына пептидтік тізбектен басқа химиялық құрамы өзгеше, простетиттік топтар деп аталатын компоненттер кіреді. Простетиттік топтың мысалы ретінде гемоглобин молекуласының құрамына кіретін гемді келтіруге болады.

   Полипептидтік тізбектің жиыстырылуында ешқандай кездейсоқтық немесе қалай болса солай орналасушылық жоқ екенін, оның түінделуі әрбір белоктың өзіне тән және өзгермейтін сипатта болатынын зерттеулер көрсетті.[1]

 2.2.1 Генетикалык    кодтың    шешілуі.    (фр."соdе"-нуклеин кышқылдарындағы тұқым қуу ақпаратының «жазылу» жүйесі). ДНҚ-ның генетикалық ролі ашылғаннан кейін генетикалық информацияның тұқым қуатындығы жөнінде концепцияның негізі қалана бастады. ДНҚ-ның құрылымы ондағы негіздердің бір ізділігіне тәуелсіз екені маңызды факт болды. Сөйтіп, полинуклеотидтік тізбектегі негіздер бір ізділігі ДНҚ-ның құрылымына емес, оның белоктағы амин қышқылдарының бір ізділігін кодтауға зор маңызы бар екен. Әрбір белоктың белгілі бір амин қышқылдарының тұрақты санынан тұратыны жөніндегі көзқарас 1950 жылдары инсулиннің құрылымын ашу жөніндегі Сэнгердің  жұмыстарының негізінде басталды. Клеткадағы белоктардың катализдік және құрылымдық белсенділіктерінің жиынтығы оның фенотипін анықтайды. Әрине, ДНҚ-да белокты кодтайтын бір ізділіктерден басқа, әдетте белоктың қасиеті бар, реттеуші молекулалармен танытатын ерекше аймақтар болады. Бұл аймақтардың қызметі тікелей олардың бір ізділігіне тәуелді және кодпен қамтылмаған. Организмдегі генетикалық ақпарат осы бір ізділіктердің екі түрінен, белок түрінде көрінетін (экспрессияланатын) гендерден және тікелей реттеуші қызметін атқаратын зоналардан тұрады.[1]

  Молекулалық биологияда жалпы қабылданған көзқарасқа сәйкес, организмнің әрбір клеткасында бірдей хромосомалар жиынтығы болады. Демек, бірдей генетикалық ақпаратты иеленеді. Бірақ осы барлық информация әр клеткада экспрессияланбайды (көрінбейді). Бұл дегеніміз генетикалық материалды генетикалық ақпараттың қоймасы ретінде білу. Әрбір клеткада осы материалдың тек бір бөлшегі ғана экспрессияланады, ал қалған информация үнсіз қала береді.

   ДНҚ тек кана  амин қышқылдар бір ізділігін  кодтауға қажет. Геннің және белоктың бір ізділігінің арақатынасы генетикалық кодтың көмегімен іске асырылады. Амин кышқылдары бірімен бірін пептидтік байланыстармен жалғанады. Ол байланыстар бір амин қышқылының амин топтарының (NH₂ ) екінші топтың карбоксилдік тобымен (СООН) конденсацинялануы нәтижесінде пайда болады.[1]

 2.2.2  ДНҚ-дан - белокка. Ген ДНҚ-дан тұратынын, ал ДНҚ қос тізбекті шиыршық екені белгілі. Егер ДНҚ шын мәнінде генетикалық молекула болса, ол белгілі бір ферменттің құрылымын да белгілеуі тиіс. Уотсон мен Криктің пікірі бойынша ДНҚ-ның нақ осы ролін молекуласындағы нуклеотидтердің жүйелілікпен орналасуымен түсіндіруге болады, мұнда ДНҚ тізбектеріндегі төрт нуклеотид кезектесіп отырады. Бірақ, ферменттер химиялық жағынан белоктардың молекулалары, ал соңғылардың құрылымдық элементтері - амин қышқылдары болып табылатындықтан, ол қышқылдардың белок молекуласында (демек, ферменттердікі де) орналасу реті ДНҚ молекуласындағы нуклеотидтердің орналасуына, дәлірек айтқанда, нуклеотидтердің ДНҚ молекуласының тізбектерінде орналасуына қарай белгіленеді.[1]

   Тұқым қуалау информациясы ДНҚ-да қалай жазылған? Бұл мәселені алғаш рет 1954 жылы көтерген физик Г. Гамов болатын. ДНҚ-ның құрылысы толық анықталғаннан кейін бір жылдан соң, белоктағы амин қышқылдарының орналасу тәртібі ДНҚ-ның бір тізбегіндегі төрт түрлі нуклеотидтердің белгілі тәртіппен тізбектелу жолы арқылы белгіленуі керек деген ой түйді. Г. Гамов клеткада ДНҚ-ның төрт әріпті (нуклеотидті) тілін жиырма әріпті (амин қышқылдары) белок тіліне аударатын "сөздік" болуы керек деп санады.

   Генетикалық кодтың құпиясы неде? ДНҚ-ның тізбегінде төрт түрлі нуклеотидтермен жазылған нақты бір белоктың аты сол белоктың гені болып табылады. Ал енді ДНҚ-дағы нуклеотидтік "әріп" қалай құрылган? Генетиктердің, биохимиктердің, цитологтар мен басқа да мамандардың күш салуы арқасында қазіргі уақытта генетикалық кодтың негізгі белгілері айқын болды.[1]

   Ф. Крик бастаған ғалымдар 50-60 жылдары жүргізген зерттеулерінің нәтижесінде әр амин қышқылына ДНҚ-дағы үш негіз үйлесімі сәйкес келетінін (сол үш нуклеотид амин кышқылының аты болып табылады) ашты. Оны кодон деп атады. Бір объектіні басқа объектілердің жәрдемімен бейнелеуді кибернетикада кодпен жазу деп атайды. Белок құрамына 20 түрлі амин қышқылы кіреді. Сондықтан нуклеотидтік құрылысы бір-біріне ұқсамайтын 64 кодон алуға болады (4³ =64). Артық 44 кодонның не керегі бар? Біріншіден, амин қышқылдарының    әрқайсысына    бірнеше    кодон    сәйкес    келеді, екіншіден, үш кодон ешбір амин кышқылына сәйкес келмейді, олар мәнсіз (нонсенс) кодондар - УАА,  УАГ және УГА ДНҚ-дағы АТТ, А ТЦ жөне АЦТ сәйкес. ДНҚ-дағы гендер осындай мәнсіз кодондармен бітеді және соның нәтижесінде кодондармен жазылған белоктың "аты" тиянақты болып шығады. Амин қышқылдарының кодондық белгілері  тікелей ДНҚ-да  анықталған  жоқ.   Ол  үшін  геннің дәл көшірмесі болып табылатын и-РНҚ-ның қызметі пайдаланады. ДНҚ- дағы геннің нуклеотидтік құрамын сәйкес нуклеотидтермен (Г-ның орнына ол урацилді (У) қолданады) өз бойына жазып алған соң и-РНҚ сол хабармен белок жасайтын рибосомаға келеді. Рибосома и-РНҚ тізбегіндегі кодондарға қарап отырып сәйкес амин қышқылдарын бір-бірімен тізіп, жалғастыра береді. 1940-шы жылдарда американдық генетиктер - Дж. Бидл мен Э. Тейтум клеткада әр ферменттің пайда болуын және активтілігі белгілі бір генмен бақыланатынын эксперимент ретінде көрсетті. Олардың теориясы "бір ген - бір фермент" деген дәлелмен сипатталады. Бұл гендерді тануда бір адым ілгері аттау еді, ол кезде гендердің өзі белоктар деп саналған. 1961 жылы Пастер институтының кызметкерлері Ф. Жакоб пен Ж. Моно ДНҚ белоктар жинағын тікелей басқармайды деген ғылыми болжамды ұсынды. Сарапшы ролін РНҚ-ның ерекше молекуласы орындайды, оның структурасы ДНҚ молекуласының қос спиралін жазған кезде пайда болады, бұл жағдайда ДНҚ-ның жазылған тізбегінде РНҚ-нің тізбегі түзіледі, мұнда нуклеотидтердің орналасуы олардың ДНҚ тізбегінде орналасуына сәйкес келеді.     Нуклеотидтерді олардың органикалық қосылыстары аттарының бас әріптерімен белгілейік. ДНҚ-ның жазылған спиралінде нуклеотидтердің төменде келтірілген реті бойынша тиісті "жұппен" және нуклеотидтердің қосымша орналасуымен РНҚ тізбегі пайда болуға тиіс, атап айтқанда ДНҚ тізбектеріне РНҚ тізбегі жауап қайтарады.[1]