Ақуыз синтезі және оның табиғаттағы маңызы

   Жекеленген полипептидтік тізбектің  барлық атомдарының кеңістікте  орналасуын белоктың үшінші құрылымы деп атайды.

   Кейбір белоктар бірнеше полипептидтік  тізбектерден құралады. Әрбір тізбек - бір суббірлік немесе мономер. Үшінші құрылымды жалғастырушы байланыстар сутекті байланыстардан да әлсіз болады. Оларды гидрофобты деп атайды.

  Бұл - полюссіз молекулалардың немесе полюссыз радикалдардың арасындағы ілініс күші. Ондай радикалдар амин кышқылдарының бірсыпырасында кездеседі. Полипептидтік байланыстағы гидрофобты радикалдардың бір-біріне тартылып, жабысу себебі суға шашыраған майдың немесе басқа бір гидрофобты заттың тамшыға жиналу есебімен бірдей. Гидрофобты ілінісу күші өте әлсіз байланыс болғанымен де, бірнеше рет қайталанатындығынан олардың барлығы қосылғанда едәуір әрекеттесу қуатын береді. Белок молекуласының аса күрделі құрылымын ұстап тұруға "әлсіз" байланыстардың қатысуының салдарынан, ол анағұрлым тұрақты және өте қозғалғыш болады. Кейбір белоктардың макромолекуласының үшінші құрылымын ұстастыруға амин қышқылы цистеиннің арасында пайда болатын, S-S байланыс деп аталатын берік коваленттік байланыс әжептәуір роль атқарады, бірақ тұрақты үшінші құрылым ұйымдасу үшін олардың болуы шарт емес. Мысалы, миоглобин және гемоглобин молекулаларында S-S байланыстар жоқ. Көпшілік жағдайларда белоктың бірнеше макромолекуласы бір-бірімен қосылып. өте үлкен агрегаттар түзеді. Мысалы, гемоглобин осы белоктың төрт макромолекуласының жиынтығы болып саналады. Тек осылай жиялу арқылы ғана гемоглобин қалыпты қызмет атқарады, яғни оттегі молекулаларын қосып алып тасымалдай алады екен.

   Белоктың төртінші құрылымы деген  ұғым – мономердің кеңістіктегі  өзара орналасуы, олар бірнеше  суббірліктерден құралып, белок  молекуласын құрады. Гемоглобин  молекуласы әдеттегі тетрамер  болғандықтан, оның құрамына екі  бірдей a-тізбек және екі ұқсас b-тізбек кіреді. Төртінші құрылым байланыстар (сутекті, гидрофобты) әлсіз жалғасқан, ал кейде S-S-байланыстармен де жүзеге асырылады.

  Дисульфидтік  көпірше – бұл екі цистеин  қалдықтарының арасындағы ковалентік  байланыс. Мұндай көпіршелер кейбір  секреторлық белоктарда кездеседі.  Көпірше глобуланың ішінде де, сондай-ақ оның үстінде де орналаса  береді. Көптеген белоктарда, қалыпты  цистеиндер болғанмен, дисульфидтік  көпіршелер болмайды. Атқаратын  қызметіне сай белоктар: глобулалық  белоктар, шамалап салыстырсақ сфера  пішіндес, катализ, транспорт немесе  реттеу сияқты арнаулы процестерге  қатысады. Кейбір белоктық заттардың  құрамына фосфор кіреді, аз мөлшерде  кейде темір, мыс, йод, хлор, бром және т.б. элементтер де  кездеседі.[3]

   Белоктардың құрылымдык элементіне  амин қышкылдары енеді. Белок  молекулалары бір-бірімен бірнеше  байланыстар арқылы біріге алады.  Әсіресе жануарлар мен өсімдіктер  организміндегі кездесетін белоктардың  көпшілігінің пептидті байланыс  арқылы байланысатыны анықталды.  Пайда болған амин қышқылы  үшінші бір амин қышқылымен байланыса алады.  Осы пептидті байланысты анықтаған және дамытқан немістің атақты ғалымы Эмиль Фишер болды.[3]

   Амин қышқылының белок молекуласында алатын орны тек өзіне ғана тән.  Егер амин қышқылы басқа амин қышқылымен орын алмастырса,  қасиеті өзгереді. Сенджер деген ғалым белок молекуласында кездесетін қышқылдарды, олардың табиғатын анықтады. Инсулин белогы ұйқы бездерінің гормондарынан алынады. Қарапайым белокка жатқанымен тіршілікте маңызы зор. Осы инсулин белогінің полипептидті қалдықтардан тұратыны анықталды.

  Белок  молекуласына кіретін амин қышқылдарының  саны өте көп. Гликокол немесе  глицин H₂N-СН₂-СООН бұдан басқа аланин амин қышқылы немесе аминопропион қышқылы сол сияқты цистеин амин қышқылы, метионин және т.б. кіреді.

Белок молекуласына моноамино-, диамино-, тиоқышқылдар және басқа қышқылдар енеді. Белоктардың біріншілей құрылымы кейбір белоктар үшін ғана анықталады. Мысалы: инсулин, рибонуклеаза, т.б. І950 ж американ ғалымы Полинг белок молекуласының біріншілей құрылымын көрсетті. Белоктар 2 үлкен топқа бөлінеді:

1. Протеиндер - қарапайым /жай/ белоктар.

2. Протеидтер - күрделі белоктар.

   Белоктар өте күрделі жоғары  полимерлі заттар. Оларды құрайтын мономерлер - амин қышқылдары бір-бірімен жалғасып полипептид береді, осы полипептидтердің бірігуінен белок молекуласы пайда болады. Әр организмнің өзіне тән белогы болады. Неміс ғалымы Абдер Гальден былай деген "егер 32 әріптен канша сөз жасауға болса, 22 амин қышқылдарынан сонша белок молекуласын жасауға болады".[6]

    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.