Белок молекуласының структурасы

Пептидтік байланыс ковалентті болып табылады. Осының арқасында амин қышқылдарының түрліше мөлшері өзара қосылып, полипептидтік тізбек деп аталатын түзу тізбек түзеді. Политидтік тізбек белок молекуласының негізін құрайды. Белок молекуласының структурасы төрт деңгейлі болады. Линдерстрем-Ланг бойынша белок молекуласыньщ алғашқы структурасы пептидтік байланыстың арқасында түзілген полипептидтік тізбек болып табылады.

12

Белоктың түрлері бір-бірнен тізбектегі амин қышқыл-дарының кезектесіп орналасу тәртібімен және олардың сапалық құрамымен ерекшеленеді. Табиғатта белоктың алуан түрлі болып кездесуі ең алдымен полипептидтік тізбектін, құрылысына байланысты. Белоктың құрамына бар болғаны 20—22 амин қышқылы және айтарлықтай сирек кездесетін ондаған амин қышқылы енеді. Олар түрліше тәртіппен кезектесе келе, полипептидтердің сансыз көп түрлі варианттарын түзе алады. Сонымен қатар, полипептидтік тізбекте кейбір амин қышқылдары әлденеше рет ұшырасуы немесе тіпті болмауы да мүмкін.

Белок молекуласындағы полипептидтік тізбектер жазық түрде сақталмайды. Бірінші және бесінші, бесінші және тоғызыншы және т. с. с. пептидтік топтардың өзара тартылуы есебінен белок молекуласының ішінде сутектік байланыстар түзіледі. Осының арқасында пептидтік тізбек спираль тәрізденіп оралады. Пептидтік тізбектің мұндай спираль тәрізді күйі белок молекуласының екінші деңгейлік структурасы. деп аталады. Пептидтік тізбектің кейбір белігі спиральды структураға кірмейді.

Полипептидтік тізбектін, жиынтық шумақ болып орналасуы үшінші деңгейлік структурасын қалыптастырады. Белоктың үшінші деңгейлік структурасы түзілгенде кейбір белоктар молекуласы жіп сияқты созылыңқы, басқа белоктар глобула (дөңгелек) сияқты түрге келеді. Оларды тиісінше фибриллалы немесе глобулалы белок деп атайды. Осы екі негізгі пішін арасында көптеген аралық формалар бар.

Екі немесе бірнеше белок молекулаларының комплекс түзе отырып қосылуының нәтижесінде белок молекуласының төртінші деңгейлік структурасы пайда болады. Комплекстегі молекулалар-дың саны 2-ден 162-ге дейін жетуі мүмкін. Комплекстің мұндай бірігуі немесе керісінше ыдырауы белоктың қызметіне айтарлықтай әсер етеді. Белок қызметінің активтуілігін арттыруда молекула структурасының барлық төрт деңгейі де маңызды роль атқарады.

13

әсер етуі белокты денатуртцияға ұшыратады. Мұндай жағдайда белоктың ерігіштігі мен физиологиялық активтілігі кемиді. Жоғары температура әсер еткенде белок ісіну қабілетінен айрыла отырып, денатурацияланды. Денатурация дәрежесі температура мен қыздырудың ұзақтығына байланысты.

тең болады. рh-тың бұл мәні изоэлектрлік нүкте (рһі) деп аталады. Өсімдік текті белоктардық изоэлектрлік нүктесі көбінесе әлсіз қышқыл аймақта жатады. Клетка цитоплазмасының изоэлектрлік нүктесін анықтауда біз жекелеген белоктарды ғана емес, алуан түрлі белоктар комплексін қарастырамыз, сондықтан цитоплазмалық

Бірқатар ғалымдардың зерттеулері өсу процесінің активтілігіне қарай клеткада цитоплазмалық рһі жағдайы өзгеріп отыратынды-ғын көрсеткен. Өсімдік тыныштық күйінен өтіп, жедел өсуге көш-кен кезде цитоплазмалық рһі қышқыл аймаққа қарай ығысады. Изоэлектрлік нүктеде белоктың ерігіштігі мен тұтқырлығы

өте нашар болады, ол ерітіндіден тұнбаға оңай түседі, суда нашар ісінеді. Белок ерітіндісі арқылы электр тоғын өткізгенде белоктың зарядталған бөлшектерінің сілтілі ерітіндіде катодқа және қышқыл ерітіндіде анодқа қарай орын ауыстыратынын байқауға болады. Әр түрлі белоктардың қоспасына осындай электрофорез құбылысын жүргізу арқылы қоспадан жекелеген белоктық компоненттерді бөліп алуға болады.

Белоктардың орасан зор молекулалық массасы болады. Түрлі әдістермен анықтағанда инсулин молекуласының массасы 5733,

глиадин молекуласының массасы 27 500, темекі мозаика вирсының белок молекуласының массасы 40 000 000 бірлікке тен екендігі

белгілі болды.

Белоктар гидратациясы. Белоктардың молекулалық массасының үлкен болуы олардың коллоидтық қасиеттерін де күрделендіре түседі. Сондықтан олар суда ери келе нағыз ерітінді емес, коллоидты ерітінді түзеді, оны сусыздандыру кезінде белоктар кристалдар түрінде тұнады. Тұқымның алейрон дәндерінде белок осындай кристалды формада жиналады. Белоктың суда ерігіштігі және ісінуі белоктың құрамындағы амин қышқылдарының бүйірлік радикалдарында болатын СООН, SН, NН₂ сияқты атом топтарына байланысты. Ол топтар заряд түзе отырып, су молекуласын электростатикалық күш арқылы өзіне тартады. Су молекуласының өзінде сутегі мен оттегінің заряды әркелкі орналасқан, сондықтан оның молекуласының былайша айтқанда қарама-қарсы зарядталған екі полюсі бар, яғни ол дипольді болады. Осының салдарынан су оңай тартылады және белок молекуласының СООН, SН, NН₂ топтары заряд түзген учаскелерінде ұсталып тұрады. Егер белок молекуласының учаскесі оң зарядталған болса, ол су диполін теріс зарядталған ұшымен тартады. Су молекулалары мен белоктың зарядталған учаскесі арасындағы электрлік тарту күші судың

біраз мөлшерін ұстап тұрады, сондықтан сол судың бір белігі белок молекуласының айналасында тығыз жанасып жататын қабат түзеді. Бұл қабат коллоидтық бөлшектердің орнықтылығын қамтамасыз етіп, олардың өзара жабысып қалуына және тұнбаға түсуіне жол бермейді.

Су мен белок молекулаларыньщ арасында химиялық байланыс та түзіледі. Ол байланыстар сутектік байланыстар болып табылады. Ондай байланыстар белоктағы атомдардың белгілі бір тобы мен су молекуласының арасында пайда болуы мүмкін. Сутектік байланыстармен және электростатикалық күшпен ұсталып тұрған су гидраттық қабат құрайды. Ерітіндідегі белоктар осы жолмен судың едәуір мөлшерін байланыстырады. Клеткадағы суды бай-ланыстыру да осылайша жүзеге асырылады. Белоктың бүйірлік радикалдарында суды байланыстыруға қабілетті топтар неғұрлым көп болса, белоктың ерігіштігі соғұрлым мол болады. Белоктық және басқа да коллоидтық заттардың суда ісінгіштігі клетканың суды сіңіруі мен ұстап тұруында айтарлықтай роль атқарады.

Құрғақ тұқымдағы клетка коллоидтарының ісіну күші 300 атмосфераға жетеді. Белок толық ісінген соң ісіну қайтады, осының нәтижесінде судың біраз мөлшері бөлініп шығады. Клеткада вакуоляның пайда болуы осы құбылысқа байланысты болар деген жорамал бар.

1.1.1.4. Белоктардың атқаратын қызметі. Организмде белоктар алуан түрлі қызмет атқарады. Белоктардын, қызметін көбінесе жекелеген молекулалар да жүзеге асыруы мүмкін. Белоктардың атқаратын қызметінің ішіндегі ең бастысы катализаторлық қызмет. Барлық тірі организмдерде,зат алмасу реакциялары ферменттердің

15

әсер етумен жүзеге асырылады. Осы кезге дейінгі белгілі ферменттердің барлығы белоктардан құрылған.

Белоктар сондай-ақ организмнің иммундық қасиеттерін де жүзеге асырады. Ең ақырында, белоктың аса маңызды қызметінің бірі — оның құрылыс материалы ретінде пайдаланылуы. Белок барлық протоплазмалық органоидтардың негізін құрайды. Ол структура компонентінің бірі ретінде барлық клетка мембраналарының құрамына кіреді, тіпті сұйық, гомогенді цитоплазмалық матриксте де белоктар болады.

1.1.1.5. Белоктардың классификациясы. Барлық белоктар екі топқа бөлінеді. Тек қана амин қышқылдарының қалдығынан тү-ратын қарапайым белоктар протеин деп аталады. Қарапайым белокқа белгілі бір белоктан бөтен зат байланысқан болса, оны күрделі белок дейміз. Күрделі белоктар протеид деп аталады. Протеиндер негізінен қор және тірек ретіндегі белоктар болып табылады, ал протеидтер клетка протоплазмасында ерекше роль атқарады.

Әр түрлі еріткіштерде ерігіштігіне қарай протеиндер төрт

класқа бөлінеді. Альбуминдер суда, глобулиндер — тұз ерітіндісінде, проламиндер — 80% этил спиртінде, глютелиндер

— сілтілерде ериді. В. Л. Кретовичтің мәліметтері бойынша бидай тұқымында лейкозин, бұршақ тұқымында — легумелин деп аталатын альбуминдер, лобия тұқымында фазеолин, сора тұқымында — эдестин, соя тұқымында — глицинин деп аталатын глобулиндер, бидай тұқымында — глиадин, жүгері тұқымында

— зеин деп аталатын проламиндер, күріш тұқымында оризенин деп аталатын глютелиндер кездеседі. Сонымен қатар, химиялық табиғатына байланысты фосфопротеин, протамин және гистон

атты қарапайым белоктар да бөлінеді. Оның ішінде гистондар

өте маңызды роль атқарады. Гистондар — сілтілік белоктар, барлық клеткалар ядросының құрамында кездеседі. Олардың құрамында негіздік амин қышқылдары — лизиннің, аргининнің, гистидиннің 20—30 проценті болады.

Қарапайым белоктар өсімдіктер дәнінде қор және қоректік зат ретінде жиналады. Дән өскен кезде белоктар ыдырап, өсу нүкте-леріне қарай ағып келеді де, осында жаңа клеткалар түзу үшін пайдаланылады. Қор ретінде жиналған қарапайым белоктар дәннің азық-түлік ретінде пайдаланылуында маңызды роль атқарады. Егіншілікте бұл мақсат үшін алуан түрлі дәнді дақылдар өсіріледі. Олардың ішінде бидай ерекше орын алады. Бидай дәнінде 0,3— 0,4% альбумин, 0,11—0,24% глобулин, 3,91—3,96% глиадин, 4,17— 4,63% глютенин белоктары бар.

Қазақстанда тың жерлерді игеру нәтижесшде сегізінші бесжыл-дықтың әр жылында орта есеппен 16 076,8 мың тонна, тоғызыншы бесжылдықтың әр жылында 15 597,2 мың тонна астық өндірілді. Ал 1979 жылы Қазақстан Отанға 1 миллиард 261 миллион пұт астық тапсырды.

Академик Т. Б. Дарқанбаев біздің республикамызда жаздық бидайдын биохимиясы жөніндегі көлемді зерттеулерді көптеген жылдар бойы жүргізіп келеді. Мұндай зерттеулер нәтижесінде Қазақстанның әр түрлі облыстарында өсірілген бидай дәніндегі белок өте сапалы және жеткілікті мөлшерде екендігі анықталды. Мәселен, Целиноград облысында өсірілген бидайда 17,90, Қостанай облысында—17,80, Көкшетау облысында—17,73, Орал облысын-да—18,57, Ақтөбе облысында—17,83, Қарағанды облысында егілген бидай дәнінде 17,18% белок түзілетіндігі анықталды (Т. Б. Дарқанбаев, 1955).

Протеидтер белок емес текті топтардың химиялық табиғатына қарай ажыратылады және осыған сәйкес липопротеидтер, глюко-хромо-нуклеопротеидтер деп аталады. Олардың ішіндегі ең маңыз-дысы нуклеопротеид болып табылады, оларда белок нуклеин қыш-қылымен байланысқан. Нуклеопротеидтер организмде орасан зор роль атқарады, өйткені олар тікелей өсу және көбею процестеріне, әр түрлі заттардың, онын. ішінде белок синтезіне қатысады. Алайда нуклеопротеидтердің нағыз зор маңызы мынада: оларда гене-тикалық информация сақталады, нуклеопротеидтер түқым қуатын белгілердін, берілуіне қатысады. Организмдердің физиологиялық-биохимиялық процестерінде және әр түрлі клетка структурасын түзуде басқа протеидтердің де зор маңызы бар. Мәселен, липидтер мен белоктар клетка органоидтарының бетінде липопротеидтік комплекстер түзеді. Өсімдіктер мен жануарлардың пигменттік заттары хромопротеидтік комплекстер түзеді. Көптеген ферменттер металды протеидті комплекстер болып табылады. Қарапайым

белоктарға қарағанда протеидтердің барлық түрлері тірі.организм-нің қызметін реттейтін биологиялық активті заттар болып сана-лады.

1.1.2. НУКЛЕИН ҚЫШҚЫЛДАРЫ

Барлық тірі организмдерде нуклеин қышқылдарынын, дезокси-рибонуклеин (ДНК) және рибонуклеин (РНК) қышқылы деп ата-латын екі түрі болады. Олардың химиялық құрамы, структурасы, клеткада орналасуы мен биологиялық ролі жөнінде бір-бірінен айырмашылығы бар. ДНК жануарлардың, өсімдіктер мен микро-организмдердің барлық клеткаларының ядросында болады. Гистон белогымен бірге ол нуклеогистон комплексін түзеді де, хроматин-нің негізгі массасын құрайды. ДНК ядроларда кездесуімен қатар өсімдіктер митохондриясы мен пластидтерінен де табылған. Клет-каның аталған үш органоидтарында ғана кездесетін ДНК-ден өзгеше, РНК көптеген органоидтардан (ядро ядрошығынан, хро-матиннен, цитоплазмадан, пластидтерден, митохондирия мен рибо-ацмалардан) табылады.

Ғалымдар клеткадағы ДНК мөлшері айтарлықтай дәрежеде тұрақты екендігін анықтады. Оның мөлшері сыртқы орта жағдайларының әсерінен шамалы ғана өзгереді. ДНК-ның мөлшері бір клеткаға есептегенде қос жарнақты өсімдіктерде 10—20 ал дара жарнақты өсімдіктерде —100 пикограмға тең болады (1 пг= 10 г). ДНК толық ыдырағанда 4 азотты негіз, моносахарид дезоксирибоза және фосфор кышқылы пайда болады. РНК гидролизі кезінде де 4 азотты негіз, моносахарид рибоза және фосфор кышқылы бөлінеді. ДНК мен РНК-ның химиялық құрамында ұқсастықтар да, айырмашылықтар да бар.

Аденин мен гуанин пуриннің туындылары, ал басқалары — пн-римидиннщ туындылары болып табылады.

18

Осы азот негіздері рибозамен немесе дезоксирибозамен қосылып нуклеозид түзеді. Дезоксиаденозин, дезоксигуанозин, дезокси-цитидин және тимидин — ДНК нуклеозидтері болып табылады. Ал аденозин, гуанозин, цитидин, уридин РНК. нуклеозидтері болып са-налады. Мұнда пуринді немесе пиримидинді негіздер өзінің 9 неме-се 1 жағдайындағы азот атомы арқылы моносахаридтің бірінші көміртек атомымен жалғасады. Мысалы:

Рибозанын, бесінші көміртек атомына фосфор қышқылыың қалдығы қосылады. Құрамына азотты негіз, рибоза немесе дезоксирибоза және фосфор қышқылының қалдығы кіретін мұндай қосылыс нуклеотид деп аталады. РНК құрамындағы нуклеотидтер аденил, гуанил, цитидил, уридил қышқылдары деп аталады. ДНҚ құрамына дезоксиаденил, дезоксигуанил, дезоксицитидил, тимидил қышқылдары деп аталатын нуклеотидтер кіреді.

Пентозаның үшінші көміртегіндегі ОН тобы бос күйінде қалады. Осы гидроксил тобы арқылы нуклеотидтер өзара байланысады. Жекелеген нуклеотид нуклеин қышқылының орасан зор молекула-сын құру үшін қүрылыс “кірпіші” ретінде пайдаланылады. Сон-дықтан нуклеин қышқылдарын полимерлер деп атайды, ал нуклеотидтер мономерлер болып табылады. Осындай әдіспен ұзын полинуклеотидтік тізбек түзе отырып, көптеген мононуклеотид қалдықтары байланыса алады. Пентоза мен фосфор қышқылының кезектесіп келіп отыратын қалдықтарынан осы тізбектін, осі құралады, ал азотты негіздер тізбектің бүйіріне орналасады. Екі полинуклеотидтік тізбектің азотты негіздері сутектік байланыс түзе отырып, өзара әрекеттеседі. Бұл байланыстың ең көп мөлшері аденин мен тимин, гуанин мен цитозиннің арасында түзіледі. Бұл негіздер комплементарлы негіздер деп аталады. Олардың арасында түзілетін сутектік байланыс полинуклеотидтік тізбектерді бір-біріне бекітеді. Мұндай тізбек комплементарлы тізбек деп аталады.

Нуклеин қышқылдарының алуан түрлілігі олардың құрамына кіретін нуклеотидтердің мөлшері мен сапасына байланысты.

Академик А. Н. Белозерскийдід лабораториясында жоғары және төменгі сатыдағы әр түрлі өсімдіктердің, жануарлар мен микроорганизмдердін, клеткаларынан алынған ДНК мен РНК-ның құрамы зерттелді.

ДНК клеткада генетикалық информацияны сақтаушы қызметін атқарады. Бактериялардың түр езгерісіндегі ДНК-ның

1-сурет. ДНК қос тізбегінің бір бөлігі.

Схемалық бейнеленуі.

маңызын алғаш рет 1944 жылы Эвери, Мак-Карти және Мак-Леод ашып көрсетті. 1953 жылы Уотсон мен Крик рентгендік

анализ жасау және басқа да мәліметтер негізінде ДНК молекуласының моделін құрастырды, Олардың моделі бойынша ДНК молекуласы бір оське бағытталған спираль тәрізді айнала оралған екі комплементарлық тізбек болып табылады. Әрбір тізбек кәдімгі полинуклеотид болып саналады, онда нуклеотидтер фосфор қышқылының қалдықтары арқылы өзара байланысқан. Спиральдағы полинуклеотидтердің екі тізбегі бір-біріне азот негіздері жағынан бағытталған. Сол себептен қос тізбекті спиральдың ішінде азот

негіздері орналасады. Углевод пен фосфат топтары спиральдың сыртына орналасады. Бұл жағдайда бір тізбектің негіздері жоғарыда айтылғандай сутектік байланыстар арқылы екінші тізбектің негіздерімен байланысқан. Тізбектер комплементарлы болып

келетіндіктен, тізбектердің біріндегі негіздердің орналасу реті әр түрлі болуы мүмкін, бірақ екінші тізбектегі негіздердің орналасу реті бірінші тізбектегі негіздердің орналасу ретіне сәйкес келуі тиіс. Бір тізбектегі аденин екінші тізбектегі тиминмен, гуанин цитозинмен байланысады.

Вилькенс және Р. Франклин тапқан ДНК молекуласының рент-генограммасы оның спиральды структурасын дәлелдеді.

ДНК-ның молекулалық салмағы жөнінде қорытынды жасап, пікір айту қиын, өйткені ДНК-ны жоғары сатыдағы өсімдіктерден бөліп алу процесінде оның молекулалары жеке бөлшектерге ыдырап кетеді. Бидай клеткаларынан бөліп алған ДНҚ бөлшектерінің құрамында нуклеотидтердің саны 10⁸-ге жетеді.

Рибонуклеин қышқылы белок биосинтезіне қатысады.

Клеткалардың типі мен тканьдердің түріне және организмнің физиологиялық күйіне қарай РНК-ның мөлшері өзгеріп отыратындығы көптеген лабораториялық тәжірибелер арқылы дәлелденген. Өсу нүктелерінде және клеткалардың кебеюі мен

өсу процестері өтетін басқа да учаскелерінде РНК көп мөлшерде жиналады. Жедел өсетін жас клеткалардағы РНК-ның мөлшері

оның құрғақ салмағының 15—20 процентіне дейін жетуі мүмкін. Көбею процесіне кіріспес бұрын кез келген клетка РНК

жинақтап алуы тиіс. Лагфаза (екі бөліну процесінің арасындағы уақыт) кезеңінде РНК қарқынды түрде түзіледі. Егер РНК-

ның құрамына оған тән емес азотты негіздер енгізетін болсақ, ол бактериялар мен вирустардың өсу және көбею процестерінің толық тоқтауына себепші болады.