Кіріспе. Белоктардың құрылысы және қызметі

 

ҚАРАҒАНДЫ МЕМЕЛЕКЕТТІК МЕДИЦИНА АКАДЕМИЯСЫ

 

Кафедра биохимии и молекулярной биологии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дәріс « Кіріспе. Белоктардың құрылысы және қызметі»

 

Пән: «Молекулярная биология и медицинская генетика (молекулярная биология)

Мамандық: 051301-Жалпы медицина                    

Курс I

Мерзімі (ұзақтығы) 50 минут

 

 

 

 

 

 

 

 

Қарағанды 2008 ж.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кафедраның әдістемелік  жиылысында бекітілді

Хаттама №_____

"____"__________2008ж

Кафедра меңгерушісі, профессор   ______________   Л.Е. Муравлева

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тақырыбы: Кіріспе. Белоктар құрылысы және қызметі.

 

Дәрістің мақсаты: Студенттерді белоктардың құрылымы ұйымдасыу және физика-химиялық қасиетттерімен таныстыру

Дәріс жоспары:

1. Белоктардың адам ағзасындағы органикалық заттардың маңызды классының бірі және жасушаның құрылымдық-қызметтік компонентінің бірі ретіндегісі туралы түсінік .

2. Белоктардың бірінші, екінші, үшінші реттік құрылымдары. Белоктардың активті орталығы туралы түсінік.

3. Олиомерлік белоктардың жалпы сипаттамалары.

4. Белоктардың физика-химиялық қасиеттері. Белоктардың денатурациясы. Белоктардың денатурлануын жүргізетін факторлар. Шаперондар туралы түсінік. Медиицналық маңызы

 

Дәрістің тезистері

 

1. Белоктардың адам ағзасындағы органикалық заттардың маңызды классының бірі және жасушаның құрылымдық-қызметтік компонентінің бірі ретіндегісі туралы түсінік .

БЕЛОКТАР немесе ПРОТЕИНДЕР – бұл жоғары молекулалы азотқұрамды органикалық заттар, олар – құрылымдық компоненті пептидтік байланыстармен қосылған аминоқышқылдардан тұратын сызықты гетерополимерлер.

Табиғатта әртүрлі он мыңға жуық белоктар кездеседі. Оның бәрі де бір-бірінен негізгі бес  белгілері бойынша айырмашылықта  болады.

Белок молекулаларының  құрамындағы негізгі ерекшеліктер:

1. Аминоқышқылдардың сандық мөлшері бойынша;
2. Әртүрлі аминоқышқылдардың мөлшерлік қатынастары бойынша. Мысалы, дәнекер ұлпасының белоктарының барлық аминоқышқылдармен салыстырғанда 33%-ын глицин, ұйқы безінен өндірілетін белоктық гормон, инсулиннің молекуласының құрамында глицин аз, бар болғаны 8%;
3. Аминоқышқылдардың белоктағы кезектесу ретінің әртүрлі болуы бойынша. Бұл қандай да бір екі белокта бірдей қатынаста әртүрлі аминоқышқылдар болғанмен де, олардағы аминоқышқылдардың орналасу реті әртүрлі болады және сондықтан олар әртүрлі белоктар болып табылады;
4. Әртүрлі белоктардағы полипептидтік тізбектердің саны 1-ден 12-ге дейінгі аралықта болады, бірақ егер бірден жоғары болса, олардың саны жұп санды (2, 4, 6 және т.б) болып кездеседі;
5. Простетикалық топ деп аталатын белоксыз компоненттің болуы бойынша. Егер ол жоқ болатын болса, онда ол – жай белок, бар болатын болса, онда ол – күрделі белок.

 

2. Белоктардың бірінші, екінші, үшінші реттік құрылымдары. Белоктардың активті орталығы туралы түсінік

Пептидтік байланыс молекула фрагментіндегі барлық АҚ үшін тек альфа-аминотоп пен келесі аминоқышқылдағы альфа-СООН тобы арасында қалыптасады. Егер карбоксилдік және аминотоптар радикалдарының құрамына кіретін болса, онда олар белок молекуласындағы пептидтік байланыстардың қалыптасуына ешқашан қатыспайды.

 

Бір-бірімен пептидтік  байланыс пен АҚ қалдықтарының кезектескен  реті белок молекуласының құрылымының  ұйымдасуының бірінші реттік деңгейі деп аталады. Ол әрбір белоктың өзінің құрылымдық гені бойынша кодталады.

Қайта қайталанатын  -NH-CH-CO- тобының тізбегі пептидтік тұлға деп аталады. Полипептидтік тізбек қаншалықты ұзындықта болғанына қарамастан, қашан да оның негізінде барлық белоктар да абсолютті бірдей болатын молекулалық білік болады. АҚ қалдықтың бос альфа-аминотобы  -N-соңы, ал альфа-карбоксилді тобы -С-соңы деп аталады. Белоктық тұлға осы альфа-топтардың өзара әсерлесуінен ұзын білік тәріздес қалыптасады. Бұл білікте АҚ-дың радикалдары бүйірлік «бұтақтар» тәріздес орнығады. Бұл радикалдардың саны, мөлшерінің қатынасы, кезектесіп келуі реті бойынша бір белок келесі белоктан айырмашылықта болады.

 Пептидтік байланыс

Бір АҚ-ғы СООН тобымен  екінші көршілес АҚ-ғы NH₂ тобының әсерлесуі арқылы қалыптасады. Пептидтердің аталуы олардың құрамындағы С- соңынан басқа барлық АҚ-дың атауларына «ил» жалғауына өзгертіп құрастыру арқылы қалыптасады. Мысалы, тетрапептид: вали-аспарагил-лизил-серин.

Белоктардың екінші реттік құрылымы

Белоктар архитектурасы күрделі және әртүрлі. Бірақ, белоктарда да "стандарттық" құрылымдар байқалады. Бұл, негізінен, қайта қайталанатын екінші реттік құрылымдарда кездеседі, мысалы, α-спиральде, β-құрылымдарда және ретсіз шумақтарда.

Слайд - сурет. 1. Белоктардың екінші реттік құрылымдары

 

1. Альфа-спираль – бір аминоқышқылы қалдығының NH-тобы мен одан кейінгі төртінші аминоқышқылдың CO-тобы арасындағы тізбекішілік сутектік байланыстар арқылы түзіледі. Бұлардағы конформациялар, қатаң түрде, аминоқышқылдар кезектесуі ретіне тәуелді түрде қалыптасады. Белоктарға оң бағытта оратылған спираль тән. Бұл спиральдің 10 оралымына 36 АҚ қалдығынан келеді. Барлық осындай спиральға ықшамдалған пептидтер үшін бұл спиральдар абсолютті түрде бірдей болады.

2. Бета-қатпарлы  құрылым немесе жапырақ құрылымы. Бұл да С=О және NH-топтары арасындағы сутектік байланыстар арқылы қалыптасады. Полипептидтік тізбектің екі бөлігін қосады және бұл тізбектер параллельді немесе антипараллельді болуы мүмкін. Егер бұл байланыстар бір бағыттағы полипептидтің көлемінде түзілетін болса, онда олар антипараллельді, ал егер әртүрлі бағыттағы полипептидтер арасында болса, онда антипараллельді болады.

3. Ретсіз құрылымдар (синонимдері: ретсіз шумақтар, аморфтық аймақтар) – бұл полипептидтік тізбектегі әртүрлі бөліктердің бір-бірімен салыстырмалы түрде орналасуы ретсіз (тұрақты емес) сипатта болатын екінші реттік құрылымның бір типі. Ретсіз құрылымдар әртүрлі конформацияда кездеседі.

Әртүрлі белоктардағы альфа-спираль  мен бета-құрылымның мөлшерлері әртүрлі: фибриллалық белоктарда негізінен тек альфа-спираль немесе тек бета-қатпарлы құрылым, ал глобулалық белоктарда – полипептидтік тізбектің кейбір фрагменттерінде альфа-спираль, бета-қатпарлы құрылым, ретсіз шумақтар кездеседі. Бір белокта полипептидтік тізбектің барлық үш ықшамдалу тәсілдері бірдей кездесуі мүмкін.

 

Глобулалық белоктардың үшінші реттік құрылымы – бұл құрамында альфа-спираль, бета-қатпарлы құрылым және ретсіз бөліктер болатын полипептидтік тізбектің кеңістікте бағытталып орналасуы болып табылады. Сондықтан бұралған полипептидтік тізбектің қосымша ықшамдалуы компактілі құрылымды қалыптастырады. Бұл бүйірлік тізбектердегі АҚ қалдықтарындағы радикалдардың арасындағы әсерлеудің нәтижесінде өтеді. R-топтары арасында бірнеше, негізінен, ковалентсіз сипаттағы бірнеше әсерлесулер өтеді.

 

Үшінші реттік құрылымды тұрақтандыруға келесі байланыстар қатысады:

1. Қарама-қарсы зарядталған  ионогендік топтары болатын радикалдардың  арасындағы тартылыс күштерінің  байланыстары (иондық байланыс);

2. Радикалдардағы полярлы (гидрофильдік) топтардың арасындағы сутектік байланыстар;

3. Радикалдардағы полярсыз (гидрофобты) топтардың арасындағы гидрофобтық байланыс;

4. Цистеиннің екі молекуласының арасындағы дисульфидтік ковалентті байланыс. Дисульфидтік байланыс үшінші реттік құрылымның тұрақтылығын жоғарылатады, бірақ молекуланың дұрыс ықшамдалуы үшін міндетті түрде қажет емес. Кейбір белоктарда олар мүлде болмауы мүмкін.

 

 

 

 

Слайд-сурет 2. Белоктың үшінші реттік құрылымы қалыптасуындағы аминоқышқылдар радикалдары арасындағы байланыстар. 1 — иондық байланыс; 2 — сутектік байланыс; 3 — гидрофобтық байланыс; 4 — дисульфидтік байланыс.

Аминоқышқылдардың гидрофобтық радикалдары глобулалық құрылымдағы ішіне бағытталып жинақталатын тенденцияда болады. сондықтан белок молекуласының ішінде тығыз гидрофобтық ядро түзіледі. Аминоқышқылдардағы гидрофильдік иондалған немесе иондалмаған радикалдар, негізінен, белоктың беткейінде орналасқан және оның ерігіштігін қамтамассыз етеді. 

Белоктардың конформациялық лабилділігі — бұл белоктардың бір әлсіз байланыстарының үзілуі есебінен екінші байланыстардың түзілуі нәтижесінде пайда болады.

Глобуланың бетінде лиганда деп аталатын басқа молекулаларды өзіне қосылдыратын бөлік болады. Лигандаларға келесі заттарды мысал ретінде келтіруге болады: фермент белоктың лигандасы – субстрат, тасымалдаушы белоктың лигандасы – тасымалдаушы зат, антиденелердің (иммуноглобулиндердің) лигандасы – антиген, гормон немесе нейромедиаторлар рецепторларының лигандасы – гормон немесе нейромедиатор.

Лигандамен байланысатын орталық немесе активті орталық үшінші реттік құрылым деңгейінде жақындастырылған АҚ қалдықтарының радикалдарынан қалыптасады. Ал сызықты полипептидтік тізбекте олар бір-бірінен біршама алыс аралықта орналасуы мүмкін.

Белоктар лигандалармен әсерлескенде, жоғары спецификалылықты (таңдаушылықты) байқатады. Белоктардың лигандалармен әсерлесуіндегі жоғары спецификалы активті орталықтың құрылымының лиганда құрылымына комплементарлы болуы арқылы қамтамасыз етіледі.

Комплементарлылық – бұл әсерлесуші беттердің кеңістіктік және химиялық сәйкестігі. Белоктардың қызметінің негізінде олардың лигандалармен спецификалық әсерлесуі жатқызылады. Уникальды бірінші реттік құрылымдағы 50000-дай индивидуальды белоктарда тек спецификалық лигандалармен байланысуға қабілетті уникальды активті орталықтар қалыптасады және активті орталықтың құрылысының ерекшелігіне байланысты олар өзіне тән қызметтерді атқарады.

Ұзын полипептидтік  тізбектер жиі түрде, салыстырмалы түрде тәуелсіз, компактілі бірнеше тәуелсіз бөліктерге ықшамдалады. Олар глобулалық белоктардағыдай өзіндік үшінші реттік құрылымда болады және домендер деп аталады. Домендік құрылымға байланысты белоктар үш өлшемдік құрылымды жеңіл қалыптастырады. Белоктардың лигандамен байланысушы орталықтары домендардың арасында орналасады. Белоктағы әртүрлі домендар лигандалармен әсерлескенде, бір-бірімен салыстырмалы түрде қозғала алуы мүмкін. Кейбір белоктарда әртүрлі домендер әртүрлі лигандалармен байланысып, өзіне ғана тән жеке қызметтерді атқарады. Бұл белоктарды көпқызметті белоктар деп атайды.

3. Олиомерлік белоктардың жалпы сипаттамалары

Көптеген белоктардың құрамында  бірнеше полипептидтік тізбектер  болады. Бұл белоктарды олигомерлік белоктар, ал олардың жеке тізбектерін протомерлер деп атайды. Олигомерлік белоктардағы протомерлер бір-бірімен көптеген әлсіз, ковалентсіз байланыстармен (гидрофобтық, иондық, сутектік) байланысады. Протомердің өзара әсерлесуі олардың жанасушы беттерінің комплементарлылығы бойынша атқарылады. Белоктағы протомердің саны әртүрлі: аспартаттранскарбомилаза ферментінің құрамында 12 протомер, темекі мозайкасының вирусында ковалентті байланысқан 2120 протомер болады. Сондықтан, төртінші реттік құрылымдағы белоктардың молекулалық массасыөте үокен бола алады. Олардағы әрбір протомер басқа протомерлері үшін лиганда қызметін атқарады. 

 

 

Слайд-сурет3. белоктардың ұйымдасуының деңгейлері.

 

Төртінші реттік құрылым.

Белоктардағы протомерлердің саны мен байланыстарының реті төртінші реттік құрылым деп аталады. Олигомерлік белоктардың құрамында протомерлердің саны әртүрлі болады (мысалы, димерлер, тера-мерлер, гексамерлер). Олигомерлік белоктардың құрамына бірдей және әртүрлі протомерлер кіреді, мысалы, гомодимерлер – 2 бірдей протомерлерден тұратын белоктар, гетеродимерлер – 2 әртүрлі протомерлерден тұратын белоктар. Құрылымы бойынша, әртүрлі протомерлер әртүрлі лигандалармен байланыса алады.

Бір протомердің спецификалық лигандамен әсерлесуі белоктың бүкіл  олигомерінің конформациясының өзгерісін  өткізеді және басқа да протомерлердің лигандаға туыстығын өзгертеді. Бұл құбылыс протомерлердің конформациясының кооперативті өзгерісі деп аталады. Олигомерлік белоктарда бір тізбекті белоктармен салыстырғанда, жаңа қасиеті олардың қызметін аллостерлік реттеуге қабілеттілігі пайда болады.

 

4. Белоктардың физика-химиялық қасиеттері. Белоктардың денатурациясы. Белоктардың денатурлануын жүргізетін факторлар. Шаперондар туралы түсінік. Медиицналық маңызы

 

Жекеленген (индивидуальді) белоктар өздерінің келесі физика-химиялық қасиеттері бойынша ерекшелінеді: 1) молекуласының формасына; 2) молекулалық массасына; 3) қосынды зарядына, оның шамасы аминоқышқылдардағы аниондық және катиондық топтардың мөлшерлік қатынасына тәуелді; 4) молекула беткейіндегі аминоқышқылдардың полярлық және полярсыз радикалдарынының мөлшерлік қатынасына; 5) әртүрлі денатурлаушы агенттердің әсеріне тұрақтылық дәрежесіне.  Белоктардың ерігіштігі тәуелді: жоғарыда келтірілген қасиеттерге; ортаның құрамына (рН, тұздық құрамына, температураға, белоктармен әсерлесуге қабілетті басқа да органикалық заттардың болуына). Белоктардың зарядтарының шамасы – оның ерігіштігін жоғарлататын фактордың бірі. Изоэлектрлік нүктеде,  белок заряды жоғалтылғанда, белоктар жеңіл аггрегатталады және тұнбаға түседі. Бұл денатурланған белоктарға тән, олардың молекуласының беткейлерінде аминоқышқылдардың аиноқышқылдардың гидрофобтық радикалдары пайда болады. 

Белок молекуласының беткейінде оң және теріс зарядталған да аминоқышқылдар радикалдары болады. Бұл топтардың мөлшері немесе қосынды заряд ортаның рН-а тәуелді болады. белоктың қосынды заряды нольге тең болатын жағдайдағы рН мәні изоэлектрлік нүкте (ИЭН) деп аталады. ИЭН-да оң және теріс зарядталған топтардың саны бірдей немесе белок изоэлектрлік қалыпта болады. 

Белоктардың денатурлануы – бұл белок молекуласының нативтік (табиғи) конформациясының бұзылуы. Ол әртүрлі денатурлаушы агенттердің әсерінен молекуланың кеңістіктік құрылымының тұрақтандырушы әлсіз байланыстардың үзілуінен өтеді.