Белок молекуласының құрылымдары
Белоктар
Белоктар құрамы
1838 жылы голланд оқымыстысы Мульдер алғашқы рет барлық тірі ағзада
кездесетін күрделі органикалық зат протеин (белок) терминінің атауын
қолданды.
Тірі ағзаның құрамына кіретін белоктар немесе протеиндер (protos –
бірінші, алғашқы деген грек сөзінен алынған) органикалық қосылыстардың 50%-
85%-ын құрайды.
1871 жылы орыс химигі Н.Н.Любавин (1845-1918) белоктар амин
қышқылдарынан тұратын анықтады.
Белоктық заттар көбінесе өсімдіктерде түзіледі. Ол үшін топырақ
құрамындағы азотты қосылыстары пайдаланылады. Бұл құбылыс, әсіресе, бұршақ
тұқымдастары мен майлы дақылдар (бұршақ, бөрібұршақ, күнбағыс) тарапынан
жиі байқалады, олар белокты заттарға бай келеді.
Олардың тұқымдарынан әр түрлі еріткіштермен (су, тұз ерітінділері,
сулы–спиртті немесе әлсіз сілтілі ерітінділер) экстракциялау арқылы
белоктарды оңай бөліп алып, химиялық құрамы мен құрылысын анықтауға болады.
Жануарлар дүниесі мен адам белокты амин қышқылдарынан және басқа да азоты
бар органикалық заттардан синтездейді. Олар, ондай заттарды өсімдіктерден
және өздері қорек үшін пайдаланатын жануарлар етінен алады.
Мәселен, миксомицет клеткасы протоплазмасының химиялық құрамына
анализ жасағанда белоктар – 20,15%, пластидтер - 8,42%, нуклеин қышқылдары
- 3,68%, азотты экстракт заттар - 12,00%, майлар - 17,85%, лецитиндер -
4,67%, холестерин - 0,58%, микоглюкозан - 1,78% және анықталмаған белгісіз
заттар - 5,87% болатыны анықталды.
Сайып келгенде, өсімдіктер протоплазмасындағы ең негізгі химиялық
зат – белок клеткада болатын тіршілік қасиеттерінің материялық негізі.
Ф.Энгельстің сөзімен айтқанда, өмір дегеніміз белоктік заттардың
тіршілік ету формасы.
Протоплазмадағы белок ыдырайтын болса тіршілік жойылады. Белоктар
цитоплазма мен ядроның негізін құрайды. Олар табиғатта кездесетін
органикалық заттардың ішіндегі ең күрделісі. Белоктардың ең қарапайым
құрамына мынадай элементтер кіреді:
Көміртегі – 50-55%
Оттегі – 21–24%
Азот – 15–18%
Сутегі – 6–7%
Күкірт – 0,3–2,5%
Кейбір белоктік заттардың құрамына фосфор кіреді, сондай–ақ аз
мөлшерде кейде темір, мыс, йод, хлор, бром, кальций, мырыш және т.б.
элементтер де кездеседі.
Белоктардың басқа полиметлерден өзгешелігі – олар құрылысы жағынан
бір–біріне ұқсас болғанымен мүлдем басқа, мономерлерден құралған.
Белоктарға тірі ағзадағы жүретін көптеген негізгі функциялар
бағынышты. Мысалы: клетканың өсуі мен дамуы, ас қорыту, көбею, нәсілдік
немесе тұқым қуалаушылық қасиеттердің берілуі, тітіркенгіштік,
бұлшықеттердің жиырылуы, антигендер мен антиденешіктердің пайда болуы,
қайтадан байланыстыру мен тіршілікке қажетті заттарды алып жүру және т.б.
Белоктар – құрамында көп мөлшерде амин қышқылдары бар, өте күрделі
жоғары молекулалы органикалық қосылыстар қатарына жатады. Белоктың
молекулалық салмағы өте жоғары болады. Мысалы: альбуминнің молекулалық
салмағы – 17400, ал гемоглабиннің – 68000 болса, белоктардың молекулалық
салмағы– 15 000 000-ға дейін жетеді. Ағзалардағы зат алмасу, көбею, ағзаның
өсуі, тітіркенгіштігі, бұлшық еттің жиырылуы, бездердің жұмысы белоктармен
тығыз байланысты. Белок жоқ жерде тіршілік те жоқ. Белоктар барлық тірі зат
атаулының негізі, құрамды бөлігі болады. Ағзада белоктар алуан түрлі
қызметтерді атқарады.
Белоктар клеткалар мен ұлпадан құрылған пластикалық құраушы материал.
Құрылымдық белоктар клетканың сыртқы қабығының клетка ішіндегі
мембраналардың құрылысына қатысады. Эволюциялық даму сатысы жағынан жоғары
деңгейде тұрған ағзалардың қан тамырлары, көздің мүйіз қабығы, сіңірлер,
шеміршектер, түктер белоктан түзіледі.
Бұл тұрғыдан белоктардың орнын майлар да, көмірсулар да баса алмайды.
Ядро құрамындағы күрделі белоктар (нуклеопротеидтер) көбею және өсуде
үлкен рөл атқарады.
Белоктар қышқыл – сілті тепе-теңдігі тұрақтауға қатысады. Белоктар
ферменттер мен гормондарды да құруға қатынасады. Алдымен белоктардың ағзада
жүретін алуан түрлі химиялық реакцияларға катализаторлық қызметінің маңызы
зор. Клеткадағы катализаторлардың барлығы дерлік белоктар. Олар
биокатализаторлар немесе ферменттер деп аталады.
Әдетте гормондардың көбі белоктар болып келеді. Мысалы, оған
жататындар: ұйқы безінің гормоны – инсулин, қалқанша безінің гормоны –
тироксин, бүйрек үсті безінің гормондары – адреналин, норадреналин, ми
қабатының гормондары – соматотропин, окситоцин, вазопрессин және т.б.
Белоктар қорғаныштық қызметін де атқарады. Ағзаға бөгде дене
түскенде, онда антидене деп аталатын ерекше белоктар пайда болады да,
олар бөгде заттарды біріктіріп, зарарсыздандырады.
Қанның ұюы да белоктың қорғаныштық қасиетіне мысал бола алады. Қанның
сарысуындағы фибиноген белогы фибринге өзгеріп, ақыры фибрин шөгіп, ұйыққа
айналады. Сөйтіп, жарақаттанған қан тамыры түтігін бітеп, организмнің
қансырауына жол бермейді. Емдеуші (сывороткалар қанның сары сулары,
вакциндер, қан алмастырушылар және басқа препараттар (медицина мен
зооветеринарияда қолданылатын) күрделі белоктарға жатады.
Клетка мен ағзаларда болып тұратын қозғалыс пен қимылдардың барлық
түрі – еттердің жиырылуы, қарапайымдардың кірпікшелерінің қимылдауы,
өсімдіктердегі қозғалыс – ерекше жиырылу белоктары арқылы болады. Бұлшық ет
белоктары (актин, миозин, актомиозин) олардың жиырылуын және босаңсуын,
жалпы, денедегі механикалық қозғалыстардың барлық түрлерін қамтамасыз
етеді.
Заттарды тасымалдауда да белоктың маңызы зор. Заттардың клетка мен
органоидтар ішінде қозғалуын белок реттеп отырады, яғни оларды белсенді
түрде тасымалдайды. Соңғы кезде клетка мембранасының құрамында түрлі
тасымалдаушы белоктардың болатыны анықталды. Мысалы қан белогі –
гемоглобин, оттекті өзіне қосып алып, оны бүкіл денеге таратады. Сөйтіп,
гемоглобин мен миоглобин белоктарының арқасында өкпедегі және ұлпадағы газ
алмасу, яғни тыныс алу және тыныс шығару жүзеге асырылады.
Белоктар – энергия көзі болып табылады. 1г белок ыдырағанда 17,2 кДж
(4,1 ккал) энергия бөлінеді. Сөйтіп, белоктардың ыдырауы кезінде ағзаға
керекті 12% энергия алынады.
Белоктардың аса үлкен (гигант) молекуласы есеп жетпейтін әртүрлілік
структурасы арқылы ерекшелене отырып нақтылы белоктің қасиетін көрсетеді.
Белоктар молекулааралық өзгерістерге, бір-бірімен әр түрлі химиялық және
физикалық әрекеттесулерге ұшырап қана қоймай, сондай-ақ нуклеин қышқылдары,
липидтер көмірсулармен де қосылыса алады.
Ұлпадағы белоктардың жалпы санын білу үшін, ондағы кездесетін азоттың
жалпы мөлшеріне 6,25 коэффициентін көбейту арқылы анықтайды.
Жануарлар клеткасында белок өсімдіктерге қарағанда көп болады. Ересек
адам күніне 100-150г белокты пайдалануы керек. Белоктың тамақ рационындағы
қажетті мөлшерін майларды не көмірсуларды көп қабылдау арқылы толықтыруға
болмайды.
Биохимиялық зерттеулердің осы күнгі әдістері
Биохимияның айтарлықтай күшті дамуы, әсіресе соңғы он жылдықтарда
айқын байқалады. Оны қамтамасыз етуге алдымен биохимиялық зерттеулерде
жаңадан ашылған физико-химиялық әдістерді кеңінен қолдануға байланысты.
Биохимияда ғылыми зерттеулердің мүмкіндігін арттыруға ерекше үлес
қосқан рентген құрылымдық анализ, электронды микроскопия, газды,
сұйықтықты, гельді және капилярлы хроматография, таңбаланған атомдар әдісі,
инфрақызыл және ультракүлгін спектрофотометрия, флуорақызыл және
полярографты, анализ, электрофорез, молекулярлы елек (сит) әдісі, масс-
спектрометрия, гравитациялық жазықтықта заттарды бөлуде ультрацентрифуганы
пайдалану, магнитті-оптикалық айналудағы дисперсиялық әдістер, электронды
парамагнитті резонанс, ядролық магнитті резонанс және басқалар.
Міне, осындай ғылым мен техниканың жаңа әдістерін биологияда қолдану
нәтижесінде биохимия ғылымының ағзаның тіршілік заңдылықтарын ашуда, оның
жаңа деңгейлерін зерттеуге мүмкіншілік туып қана қоймай, қол жеткен
табыстар да баршылық.
Қазіргі кезде бірқатар қосылыстарды – белок гидролизі заттарындағы
амин қышқылдарын, биологиялық сұйықтықтардағы (қан, зәр және басқалары)
моно-мен дисахаридтерді сандық анықтау толық түрде автоматтандырылған.
Сондай-ақ, пептидтер, белоктар мен нуклеин қышқылдарының бірінші құрылымын
шешу; табиғи қосылыстарға қарапайым анализ; пептидтер, олигонуклеотидтер
мен белоктар синтезі; табиғи қосылыстарға хроматографиялық және
гельфильтрациялық фракциялау процедурасы; хроматограммалар,
электрофореграммалар мен авторадиограммаларды денситометрлей отырып,
автоматты метаболизм қосылыстарына ену деңгейін анықтау жұмыстарын жүргізу.
Біздің елімізде бірқатар автоматты биохимиялық анализаторлар,
лабораториялар құрылып, жұмыс істеуде. Осындай автоматты системалар
анализін басқаруда және алынған мәліметтерді (информацияны) өңдеуде ЭЕМ
қолданылады.
Биологиялық химияның жетістіктері биология мен физиологияның ары
қарай дамуын анықтайды, себебі метаболизмге қатысатын заттардың құрылымдық
және химиялық өзгерістерін білмей, оның мәнін анықтауға, көбею, тұқым
қуалаушылық, жүйке импульсін жеткізу сияқты биологиялық құбылыстарды
басқару әдістерін жетілдіруге болмайды.
Сондай-ақ, қазіргі теориялық физика мен эксперименттің күрделі
техникасы ғалымдар алдында әртүрлі қосылыстардың құрылысын танып-білуде шын
мәніндегі шексіз мүмкіндіктерді, сонымен қатар, өндірісте қолданылатын,
қоршаған орта мен бүкіл әлемде өтетін шексіз көптеген химиялық реакцияларды
ашты.
Белоктардың физикалық және химиялық қасиеттері
Белоктар үлкен молекулалы органикалық қосылыстар, олар жартылай
өткізгіш мембрана не жарғақтан (мал қуығынан, целофаннан) өте алмайды.
Белоктарды басқа қоспалардан диализ арқылы тазарту осындай қасиетіне
негізделген. Диализ әдісі белоктарды (кіші молекулалы қоспалардан және
бейорганикалық заттардан) тазарту үшін кең түрде қолданылады. Диализ әдісін
жүргізетін аспапты диализатор деп атайды. Ең қарапайым диализатор ретінде
коллодийден немесе целлофан қағазынан жасалған қалта пайдаланылады.
Коллоидты ерітінділер коллодидан жасалған қалтаға құйылады. Бұдан
қанттардың, тұздардың және кіші молекулалы заттардың молекулалары оңай
өтсе, белоктың коллоидты бөлшектері өтпейді. Сол сияқты диализ әдісі арқылы
глобулиндерді, алббуминдерден бөлуге болады.
Табиғатына байланысты белоктардың молекулалық массасы барынша өзгере
алады. Белоктардың молекулалық массасын 1925 ж. швед ғалымы Сведберг
тапқан, ультрацентрифуганы қолдану арқылы анықтауға болады. Бұл аспаппен
белоктың қоспасы бар ерітіндіні айналдырғанда бөлініп шөгуге тиісті
заттарға тартылыс күшінен 500000 есе басым күш (атылған оқтың күшіндей)
әсер етеді. Ультрацентрифуга роторы әр минутта 60000-80000 айналым жасайды.
Тек осындай айналым жылдамдығы кезінде ғана белок молекулалары өздерінің
шамасы мен пішініне қарай бірінен-бірі ажырайды және ерітіндінің түбіне
әртүрлі мезгілде шөгеді. Ерітіндінің түбіне шөгу уақытында, еріткіштің
температурасына, тығыздығына және тұтқырлығына байланысты есептеу жолымен
белоктың молекулалық массасын анықтайды. Бейорганикалық қосылысиардың
молекулалық массасын анықтау үшін қолданылатын әдеттегі әдістер белоктар
үшін жарамсыз.
Төменде кейбір белоктардың молекулалық массасы келтірілген. Ол
көрсеткіш жальтон (Д) өлшемі бойынша берілген. Әдетте дальтон термині мен
молекулалық масса (м.м.) ұғымы бірін-бірі алмастыра алады.
Рибонуклеаза 12.400Д
Миоглобин 17.000Д
Инсулин 35.000Д
Жұмыртқа альбумині 45.000Д
Гемоглабин 68.000Д
Уреаза 480000Д
Молекуласының пішімдеріне қарай белоктар фибриллярлық және
глобулярлық болып екіге бөлінеді. Глобулярлық белоктардың құрылымы шағын
ғана, олардың полипептидтік тізбектері сфера немесе элипсоид сияқты
тығыздала бүктелген болады. Белок глобуласының бетіне негізінен амин
қышқылдарының полярлы обы және зарядталған атомдары жинақталады. Олар сумен
әрекеттесуге қабілетті келеді. Глобулярлы белоктардың көпшілігі суда және
су ерітінділерінде ериді. Мұндай белоктарға барлық ферментер, қанның,
сүттің белоктары (альбуминдер, глобулиндер және басқалары) жатады.
Фибриллярлық белоктар тұрақты келеді. Суда және сұйық тұз
ерітінділерінде ерімейді. Белоктағы полипептидтік тізбектер белдік (ось)
бойында өзара параллель орналасады, сөйтіп, ұзын тапшықтар-фибриллдер
түзеді. Мұндай белоктардың молекуласы созылған жіп сияқты, өздері екі және
көп полипептидтік тізбектерден тұрады. Тізбектері қатты немесе созылмалы
жұмсақ келеді және тірі ағзаларда құрылымдық қызмет атқарады. Оларға:
коллаген-сіңір, сүйек, тері, тіс және шеміршек сияқты ұлпалардың негізі
болып табылады; шашта, жүнде, қауырсында, тырнақта, тұяқта кератин белогы
бар, тағы оған жібек фибрионы, қан фибриногені және тағы сол сияқты
белоктар да жатады.
Белоктардың кейбір ерекше қасиеттеріне жоғары молекулалық салмағы,
жарықты қосарынан сындыруы, электрлік жазықтықта жылжығыштығы жатады.
Сонымен бірге поляризацияланған жарықта жазықтықты бұру қабылеті
белоктардың арнайы оптикалық қасиетіне тән. Белоктардың осы көрсетілген
оптикалық қасиеттерін, олардың мөлшерін (сандық түрде) анықтауда,
молекулалық салмағын есептеуде және т.б. пайдаланады.
Белоктарға тән физикалық қасиеттердің біріне молекулаларының бетіне
төменмолекулалы органикалық қосылыстар мен иондарды адсорбциялау (өткізу,
қабылдау, сору) қабылеті жатады. Ағзадағы заттардың транспорттық
(тасымалдану) қызметі белоктардың осы қасиетімен тығыз байланысты. Мысалы,
кейбір белоктар зат алмасу өнімдерінің тасымалдануын жоғары деңгейде
қамтамасыз ете алады.
Белоктар физикалық-химиялық қасиеттері жағынан гидрофильді
коллоидтарға жатады, себебі белок молекулаларының мөлшері коллоид
бөлшектерінің мөлшеріне (размеріне) 0,1-0,001u – сәйкес келеді және олардың
бөлшектері сумен тығыз байланысқан.
Белок ерітінділерінің барлық коллоидті ерітінділердегідей қасиеттері
болады: олар шашыранды жарықта ылайланған тәрізді көрінсе (опалесцияланса),
Тиндаль эффекктісін береді (жанынан түсірген жарықта жарқыраған конус
сияқты кқрінеді), сол сияқты белок бөлшектері жартылай өткізгіш
жарғақтардан өте алмайды.
Белоктардың коллоидты ерітінділері тұрақты келеді. Белоктардың
ерітінділерінің осылай тұрақты болып келуі екі негізгі фактормен
түсіндіріледі. Біріншіден белок бөлшектері электрлік зарядтар алып жүрсе,
ал екіншіден белок молекулаларының айналасыртын бірнеше қабаттан тұратын
тығыз су қабықшасы қоршап тұрады. Дәл осы жағдай белок молекулаларының бір-
бірімен қосылып (коагуляциялануын), тұнбаға түсуіне кедергі жасайды.
Су қабықшасының болуы белок молекулаларының сыртындағы су
бөлшектерін бір-бірімен байланыстыратын көптеген гидрофильді полярлы
топтардың кездесуімен түсіндіріледі. Ал электрлік зарядарының болуы белок
молекулаларының судағы ерітіндісінің диссоциацияланып иондар түзу
қабылетіне байланысты. Белоктар, олардың амин қышқылдары сияқты
структуралық элементтері әрі СООН тәрізді қышқыл топтары, әрі NH2 сияқты
негіздік топтары бар болуы себепті амфолиттер немесе амфотерлік
электролиттер болады.
R – CH – COOH R – CH – COO
NH2 NH3+
Белоктардың ерітіндісі қышқылдық ортада оң зарядталады да, реакцияға
катион ретінде қатысады:
R – CH – COO R – CH – COOH
+H+
NH3+
NH3+
Сілтілік (негіздік) ортада теріс зарядталады да, реакцияға анион
ретінде қатысады:
R – CH – COO R – CH –
COO +H2O
+OH
NH3+ NH2
Cонымен, белок еріткіштің реакциясына байланысты қышқыл секілді (сілті
ерітіндісінде), немесе сілті сияқты (қышқыл ерітіндісінде)
диссоциацияланады. Осыған орай белок ерітіндісі арқылы электр тогын
жіберетін болсақ, онда сілті ерітіндісіне белок молекуласы анодқа, ал
қышқылда катодка қарай жылжиды. Белоктардың осы бір қасиеті, оларды
электрофорез әдісімен бөліге мүмкіндік береді. Электрофорез деп зарядталған
коллод бөлшектерінің тұрақты ток көзі бар ортада кері зарядталған
электродтарға қозғалысын (тартылысын) айтады. Электрофорез құбылысын 1807
жылы Мәскеу мемлкеттік университетінің профессоры Ф.Рейс ашқан еді.
Белокты заттар молекулаларындағы электрлік зарядтардың пайда болуы,
олардың құрамында кездесетін қышқыджық және негіздік қасиеттерге ие
топтарға тығыз байланысты. Қышқылдық қасиеттерді карбоксильді және
сульфгидрильді, сол сияқты фенолды гидроксильді топтар көрсете, ал негіздік
қасиеттерді амин, имин және гуанидинді топтар байқатады.
Әдетте белоктар мен амин қышқылдары биполярлы иондарға жатады.
NH2 NH3+
R R
COOH COO
Белоктардың диссоциациялану процесі көпшілік жағдайда, олардың
изоэлектрлік нүктесіне тығыз байланысты келеді. Егер белок зарядтаплған
болса, онда ол ерітінді күйінде болады. Ерітіндідегі бос сутегі иондарының
концентрациясын өзгерту арқылы белок молекуласын электрлік бейтараптауға
болады. pH шамасының бір мәнінде белок молекуласының беткі жағында оң
заряд саны теріс заряд санына тең болады, сонда екі зарядтың қосындысы
нөлге теңеледі. Белок молекуласы электрлік бейтараптанған кездегі pH шамасы
белоктың изоэлектрлік нүктесі деп аталады. Изоэлектрлік нүктеге жеткен
кезде белок молекулалары арасында өзара тартылыс байқалады. Ал, ол жағдай
белок молекулаларының агрегациялануына себеп болады да, белок ерітіндінің
түбіне шөгеді. Изоэлектрлік нүкте pH түрінде белгіленеді.
Изоэлектрлік нүктеде, яғни pH белгілі бір мәнінде белоктар жылдам
коагуляцияланады, себебі бұл жағдайда олардың бөлшектері электронейтраль
болады. Белок ерітінділерінің излэлектрлік нүктеде тұрақсыз болғандықтан,
оңай коагуляцияланып, тұнбаға түседі. Сол сияқты олардың ісінуі, тұтқырлығы
төмен болады. Көптеген белоктардың изоэлектрлік нүктесі әлсіз қышқылдық
ортада жатады. Изоэлектрлік нүктеге сәйкес келетін pH-тің мәні әрбір жеке
белок түрі үшін тұрақты. Мысалы, қазеин үшін pH=4,7; жұмыртқа альбуминінікі
- 4,8; желатиндікі - 4,9; зеиндікі (жүгері белогі) -6,2; протаминдер мен
гистондардың изоэлектрлік нүктесі әлсіз негіздік ортада жатады.
Белоктардың изоэлектрлік нүктеде тұнбаға түсуін жылдамдату үшін суын
тартып алғыш заттар (спирт, ацетон, эфир) немесе танин қосады. Бұлардың
бірі (органикалық еріткіштер) белок макромолекулаларының гидратациялану
дәрежесін азайтып, олардың су қабатын бұзса, ал екіншілері, мысалы танин
азотты гетероциклды топтармен суда ерімейтін қосылыстар түзеді.
Ендеше ортаның pH-ның көрсеткіші неғұрлым изоэлектрлік нүктесінен
қашық тұрса (жатса), соғұрлым белоктың макромолекулалары күшті зарядталып,
әрі жоғары жылдамдықпен оң және теріс зарядталған полюстерге тартылады
(қозғалады).
Егер ерітіндіде изоэлектрлік нүктелері әртүрлі бір емес бірнеше
белоктар болса, онда олардың электрлік өрісінде қозғалу жылдамдығыда
түрліше болады. Дәл осы құбылыс биологиялық сұйықтықтарды электрофорез
жолымен зерттеу әдісінің негізіне алына отырып, кәзіргі кезде белоктар мен
амин қышқылдарының қасиеттерін анықтауда, сол сияқты диагностикалық
мақсаттарда да кеңінен пайдаланылуда. Сөйтіп, зарядталған бөлшектердің
қозғалыс жылдамдығы бойынша белок қоспаларының бөлшектерін ажыратады.
Белоктар өздерінің зарядтарының шамасына қарай қатты ұстауыш бойындағы
белгіден (старттан) бастап есептегенде, әр түрлі қашықтықта тұрып қалады
және бояумен бояғаннан кейін реңіне әр түрлі дақ пайда болады. Белок
молекулаларының боялған бөліктерге айналып, қатты ұстауышта орналасу
картасы электрофоренрамма деп аталады. Практикалық (тәжірибелік) жұмыстар
үшін қағаздағы электрофорез үшін қағаздағы электрофорез әдісінің әртүрлі
жолдарын қолданады.
Белоктарды тұнбаға түсіру әр түрлі заттар немесе реакивтер арқылы
іске асады. Белоктар әдетте коллоидты ерітінді береді. Себебі белок
молекуласының бөлшектерінің зарядтары болады. Белоктардың тұнбаға түсуі,
олардың бөлшектерінің дегидратациялануына (су қабаттарының бұзылуына)
байланысты. Сол себепті белок молекулаларының тұрақтылық факторларының бірі
жойылады, яғни олардың бөлшектері іріленіп коагуляцияланады. Сондықтан
тұнбаға түседі.
Белокты заттардың физика-химиялық қасиеттеріне көптеген факторлар
әсер етуіне байланысты, олардың макромолекулаларының құрылымы өзгеріске
ұшырайды. Барлық табиғи қасиеттерге ие белоктарды нативті дейді. Кей
жағдайда белоктар жылдам нативтілігін жоғалтады да, басқа күйге көшеді.
Нативті белоктың үйлесімді құрылымы өзгеруінен, тек белокқа тән
қасиеттерінен айырылуы салдарынан (ерігіштігі, биологиялық белсенділігі,
электрофорездік жылжымалдығы және т.б.) денатурацияланады. Денатурация
кезінде белоктың макромолекулаларының белсенді конформациясы бұзылады.
Әсіресе мұның олардың коваленттік (пептидтік) байланыстарын бұзбай-ақ
екінші және үшінші құрылымдарын өзгеріске түсіруге әсері бар, ал бірінші
құрылымына ешқандай әсер етпейді деуге болады. Шындығында белоктың
денатурациялануында негізінен оның молекуласындағы дисульфидті көпірлер мен
сутектік байланыстар өзгеріске ұшырайды.
Денатурациялануды болдыратын факторларды физикалық және химиялық деп
екі топқа бөледі: физикалық факторларға: температура, механикалық әсерлер,
ультрадыбыспен өңдеу, ионизациялық сәулелендіру әсері жатса, ал химиялыққа:
ауыр металдардың иондары, минерал және органикалық қышқылдар, аммоний
тұздары, сілтілік және сілтілік жер металдары тұздарының ерітінділері;
органикалық еріткіштер (спирт, эфир, ацетон, хлороформ және т.б.),
алкалоидты реакивтермен де тұнбаға түседі. Әсер етуі жағынан бұларға ұқсас
детергенттер, несеп нәрі, кейбір бояғыштар жатады.
Кейбір физикалық факторлардың әсер ету механизмін жан-жақты қарастыру
керек. Мысалы, ультрадыбыс толқындары мен ионизациялық сәулелендіру
әсерлері салдарынан белоктың макромолекулалары химиялық өзгерістерге
ұшырайды.
Белоктарды тұнбаға түсіру реакциялары қайтымды да қайтымсыз да болып
келеді. Қайтымды болса, тұнбаға түскен белоктың макромолекулалары негізінен
терең өзгеріске ұшыраймайды, сондықтан тұнбаны алғашқы еріткіште (мысалы,
суда) қайтадан ерітуге болады. Қайтымды тұнбаға түсіруде белок терең
өзгерістерге ұшырайды да, ол гидрофильды қасиетінен айырылып, гидрофобтыға
ауысады. Денатурауһцияланған белок, өзінің бастапқы физика-химиялық және
биолгиялық қасиеттерін қалпына келтіру алмайды. Қайтымсыз тұнбаға түсіру
жоғары температураның, қышқылдардың, ауыр металдар иондарының, алкалоидты
реактивтердің, детергенттер, бояғыштар әсерлерінен де болады.
Детергенттер – беттік байланысу белсенділігі жоғары қосылыстар.
Биохимияда олар мембрананың тұтастығын бұзып, ондағы ферменттер мен басқа
да қосылыстарды бөліп алу үшін кең түрде пайдаланылады.
Белоктарды бөлу және тазалау әдістері
Белоктардың ерігіштігі ерітркіш табиғатына, ортаның рН көрсеткішіне,
ерітіндінің иондық күшіне және молекула құрылымына байланысты. Кейбір
белоктар суда ериді, екінші біреулері тұздардың сұйық ерітіндісінде, үшінші
біреулері су мен спирт қоспасында ериді. Сондай-ақ ешқандай еріткіште
ерімейтін белоктар да бар.
Белоктардың суда және су ерітінділерінде ерігіштігі олардың
құрылымына, яғни, амин қышқылдары қалдығындағы бүйірлік топтарға және
олардың иондарына байланысты.
Белоктардың тұнбаға шөгуі су молекулаларына қатысты тұз бен белоктың
өзара бәсекесіне байланысты. Бұл кезде тұз иондары судың көп білігімен
байланысып алады да, белокті ерітетін судан азғантай ғана қалады, сондықтан
белоктің ерігіштігі төмендейді де ол түнба болып шөгеді.
Биологиялық сұйық заттардан белокті бөліп алу үшін іс жүзінде осы
әдіс қолданылады. Әдетте белокті тұнбаға түсіріп, шөктіру, үшін аммоний
сульфаты, натрий сульфаты және хлорлы натрия пайдаланылады. Күкірт қышқылы
аммониймен жартылай қаныққан кезде (қанығуы 50% кезде) қан сарысуынан
глобулин, ал толық қаныққан кезде альбумин және басқа белоктар тұнбаға
шөгеді. Егер ерітіндідегі тұзды бөліп алса немесе оны өте сұйылтса,
белоктар қайтадан ерітіндіге шығады. Осылайша тұнбаға шөктіруді қайтымды
шөктіру, деп атайды. Белоктарды осылай тұнбаға шөктірген кезде, олар
өздерінің алғашқы табиғи қасиетін жоғалтпайды. Этанол, ацетон және басқа да
бірқатар органикалық еріткіштер белоктарды қайтымды шөктіреді.
Қайта ерімейтіндей тұнбаға шөккен кезде белоктар терең өзгерістерге
ұшырайды. Сондықтан оларды тұнбаға шөктірген агентті бөліп шығарғаннан
кейін де белоктар ерітінді күйге қайта ауыса алмайды, өздерінің ерігіштік
қасиетін толық жоғалтады. Мұндай жағдайда белоктың конформациясы қатты
өзгереді. Белокты қайтадан ерітіндіге шықпайтындай етіп, тұнбаға шөктіретін
заттарға ауыр металдардың туздары (мыс, сынап, қорғасын, күміс, темір
мырыш), қышқылдар (үш хлорлы сірке қышқылы, сульфосалицил қышқылы, пикрин
қышқылы, вольфрам қышқылы), гидрототықтар (темір гидрототығы) жатады.
Белоктарды табиғи шикизаттан органикалық синтез жолымен бөліп алады.
Алдымен шикізатты (микробтық, өсімдік және жануар тектес) ұсақтайды. Ол
үшін коллоидты және шарлы диірмендер, гомогенизаторлар, ультрадыбыс, кварц
құмымен келіде ұнтақтау әдістері қолданылады.
Ұсақталған материал тиісті ерітінділерде ерітіледі. Әдетте белоктарды
8-10% тұзды ерітінділермен айырып (экстракциялау) алады. Ол үшін белоктарды
изоэлектрлік күйге түсіретіндей белгілі рН мәні бар буферлік (фосфат,
цитрат, трис-буфер) қоспалар қолданылады.
Айырып алынған белок қоспасын жеке дара белоктарға, яғни фракцияға
бөледі. Ол, спирт ерітінділерімен (метанол, бутанол, этанол) тұнбаға
түсіру, электрофорез, ультрацентрифуга әдісімен жүзеге асырылады. Сонан
соң, жеке дара белоктарды бөлуге кіріседі.
Белокты бөліп алу жолын хроматографиялық әдісарқылы колонкада яғни
целлюлозамен толтырылған немесе ион ауыстырғыш шайырмен жасауға болады.
Белоктарды еріткіштің және бос жүрген иондардың артық мөлшерінен
тазарту үшін диализ әдісі кең қолданылады. Диализдеуде жартылай өткізгіш
мембрана ретінде коллодиден немесе целофаннан жасалған мембраналарды
пайдаланады. Белоктарды (коллоидты ерітінділерді) диализдегенде
молекулаллар мен иондар жартылай өткізгіш мембрана арқылы оңай өтіп,
еріткішке көшеді. Ал, коллоидты бөлшектер молекулалар мен иондарға
қарағанда, мөлшері үлкен болғандықтан, жартылай өткізгіш мембрана арқылы
өтпейді. Еріткішті үнемі, жиі жиі ауыстыру арқылы коллоидты ерітіндіні
бөгде қоспалардан тазартуға болады. Егер диализ процесі электр тогы
әсерімен іске асатын болса, онда электролиз деп, ал ультрафильтр
пайдаланып, қысымды реттеу арқылы диализдейтін болса, ультрадиализ немесе
ультрафильтрлеу дейді. Сонымен жартылай өткізгіш жарғақтан (мемтранадан)
қанттардың, тұздардың және төменгі молекулалы заттардың молекулалары оңай
өтсе, ал белоктың коллоидты бөлшектері өтпейді. Сол сияқты диализ әдісі
арқылы кейде шлобулиндерді, альбуминдерден бөлуге болады. Қ.Қайырхановтың
жануарлар биохимиясы кітабынан алынған осы материалды тақырып
қажеттілігіне сәйкес, мүмкіндігінше өзгертпей тұтас пайдаландық.
Электрофорез белокты бөлудегі қазіргі замандағы ең ыңғайлы әдіс болып
саналады. Бұл әдіспен белокті бөлу мынадай жағдайда жүреді. Белок
ерітіндісі диссоциация кезінде мынадай топқа ыдырайды: СООН және NH2.
Электр тоғының әсерінен бұлар ерітіндіде зарядталған иондарға айналады.
Электр тогының және ерітінді иондарының өзгеруіне байланысты амин
қышқылдары амфотерлі электролит болғандықтан әр түрлі иондарға ажырайды.
Қышқылдық ортада белок оң зарядқа, ал сілтілік ортада еріс зарядқа
айналады. Изоэлектрлік ортада зарядтары нөлге тең болып белок жылжуы
жүрмейді.
Сөйтіп, белоктің жылжуы зарядтарына, ал жылдамдығы заряд шамасына,
мөлшеріне байланысты. Белок әртүрлі қоспалы буферлі ертінді де электрофорез
әдісімен жақсы бөлінеді. Мұны Тизелиус анықтады. Ол буферлі ерітіндіде
электр өрісінің әсерімен белоктың қозғалысын бақылайды.
1. Егер ерітіндіде әртүрлі қоспа болса, онда электрофорез екі не одан да
көп компоненеттердің қозғалысын анықтайды. Мұны электрофореграмма
көрсетіп тұрады.
Мұндай тәжірибені қан плазмасындағы белокты электрофореграмма арқылы
анықтауға болады.
a1 a2 в
Ү б
а в с d
e f
Электрофореграмма адам қан плазмасындағы а – альбумин; a1 a2 –
глобулин; ү - глобулин; б – тұзды тісше.
Белоктың концентрациясы оның алатын орнына дәл келеді.
S = a + b + c + d + e + f;
Белок молекуласының құрылымдары
Қазіргі кезде белоктардың кеңістіктегі конфигурациясын қарастыруда,
оның молекуласының алғашқы (бірінші), екінші (қайталанушы), үшінші және
төртінші құрылымдары бар екені анықталды.
Егер біз амин қышқылының әрбір буынының мөлшері 3А0 шамасында
екендігін ескерсек, онда бірнеше жүздеген амн қышқылы буындарынан құралатын
белок молекуласы ұзын тізбек болуға тиіс еді. Ал, шындығында белок
молекуласы домалақ шар тәріздес болады. Табиғи белокта полипептидтік тізбек
әлдеқалай ширатылып барып, шумақталған, жиыстырылған жіп сияқты. Белоктарды
гидролиздеу мен одан алынған амин қышқылдарын зерттеу, полипептидтерді
синтездеумен бірге белоктардың да құрылысы мен құрылымын анықтаудың бірден-
бір жолы болады. Кез келген белоктың құрылысы мен құрылымын анықтау үшін
мыналарды білу шарт:
а) оның молекуласының құрамына қандай амин қышқылдары енеді;
б) олар қандай реттілікпен байланысқан.
Бұл мәліметтер белок молекуласының тек бірінші немесе алғашқы
құрылымын ғана анықтауға мүмкіндік тудырса, яғни пептидтік байланысармен
жалғасу арқасында түзілген полипептидтік тізбектердегі амин қышқылдары
қалдықтарының белгілі тәртіпте реттесіп, орналасу жағдайын көрсетеді. Әрі
осы арқылы, олардың сапалық құрамы да ерекшеленеді. Амин қышқылдары осылай
түрліше тәртіппен кезектесіп орналасу арқылы, полипептидтердің сансыз
түрлерін түзе алады. Ендеше табиғатта белоктың алуан түрлі болып кездесуі
де, ең алдымен осы полипептидтік тізбектің құрылысы мен құрамына
байланысты. Мұндағы байланыстардың бәрі дерлік ковалентті, яғни нағыз
химиялық берік байланыс. Сонымен бірге, оларда дисульфидтік байланыстар да
кездеседі. Амин қышқылдарының тізбектегі кезектесуі бірдей белоктардың
биологиялық қасиеттері әдетте ұқсас болып келеді. Керісінше, әр түрлі
қызмет атқаратын белоктардың әр уақытта алғашқы құрылымы да әр түрлі.
Соңғы жылдары белоктардың химиясы мен биохимиясы ойдағыдай қарқынмен
дамуда. Әсіресе белоктардың бірінші құрылымы (структурасы) туралы
мәліметтер жинақталуда, оның ішінде қазіргі кезде 14-тен астам белоктардың
бірінші құрылымы белгілі болды. Мысалы төмендегідей:
Белок аттары Молекулалық
Амин қышқылдары
салмағы қалдықтарының саны
1 2
3
Клупин 5000
30
Инсулин 6000
51
Цитохром С 12363 104
Рибонуклеаза 13500 124
Лизоцим 14000 129
Гемоглобин 68000
а - тізбек
141
в - тізбек 17000 146
ү - тізбек 146
Миоглобин 17000 155
Темекі вирусы 18000 158
Папаин 20700 187
Трипсин 23950 228
Трипсиноген 24700 234
Химотрипсиноген 24744 246
Карбоксипентидаза 34300 255
Пепсин 34400 340
Альдолаза, энолаза, фосфоглицеральдегиддегидрогеназа,
триптофансинтетаза, катепсиндер, фибриноген, фосфоглюкомутаза,
протеиназаның стрептококтан алынған, альбуминнің т.б. белоктардың бірінші
құрылымы туралы зерттеу жұмыстары қарқынды түрде жүргізілуде.
Сонымен белок молекуласында бір немесе бірнеше полипептидтік тізбек
болуы мүмкін. Мысалы, рибонуклезада – 1, инсулинде – 2, гемоглобинде – 4,
мозайка белогінің вирусында - 2130.
Полипептидті тізбектің кеңістік бейнесі белоктың екінші құрылымы
болады. Пептидтік топтардың өзара тартылуы есебінен белок молекуласының
ішінде сутектік байланыстар түзіледі. Полипептидтік тізбек кеңістікте
әртүрлі формада болуы мүмкін. Көбінесе ол, белок ішінде спираль тәрізді
ширатылып тұрады. Спираль орамдары тығыз орналасады да, көршілес
орамдардағы атомдармен амин қышқылының радикалдары арасында бір-біріне
тартылу пайда болады. Мұндай құрыдым спиральдың көрші иірілген жерінде
болатын –СО және – NH – топтарымен сутектік байланыс арқылы берік
сақталады. Полипептид тізбектері спираль түріне келіп иілгенде амин
қышқылдары қалдықтарының радикалдары сыртқа қарай бағытталады. Спиралдың
бір айналымына 3,6 шамасындай амин қышқылдарының қалдығы келеді, спиральдың
әр қадамы 0,54 нм (3,6х0, 15 нм). Сутектік байланыс ковалентті
байланыстан әлдеқайда әлсіз, алайда ол бірнеше рет қайталанып келген соң
берік ілініскен болып саналады.
Ал белоктардың екінші құрылымы өзгеріске ұшырағанмен, қазіргі кезде
бұрынғыға қарағанда полипептидті тізбектің спиралбды конфигурациясының
меншікті салмағы жоғары бағалануда.
Полипептидтік тізбектің мұндай орамды түрі а- спираль (Л.Полинг,
Р.Корн, 1951 ж.) және в – құрылымы (қатпарланған жапырақ) деп аталады (1-
сурет).
Белоктың екінші құрылымын түзетін спираль да түзу емес, олда өз
кезегінде бұралып иіріледі. Ондай бұралу кейде өте күрделі құрылым жасайды.
Бір полипептидтік тізбектегі барлық аомдардың кеңістікте өте шағын глобула
жасап орналасуы белоктың үшінші құрылымы болып есептеледі (2 сурет).
Белок молекуласы пішініндегі иіліп бұралуу, қат-қабат қатпарлар,
қисық бұрылыстар негізінен төмендегідей коваленттік емес әрекеттесуге
байланысты: 1. Амин қышқылдары қалдықтары арасындағы сутектік байланыс,
мысалы, тирозин мен глутамин қышқылының арасындағы байланыс; 2. Қарама-
қарсы зарядтары бар бүйірлік топтардың өзара әрекеттесуінің
электростатикалық күштері (лизин мен аргинин, глутамин қышқылы мен
аспарагин қышқылы); 3. Амин қышқылдарындағы полярсыз радикалдар арасындағы
гидрофобтық әрекеттесу. Гидрофобты ілінісу күші өте әлсіз байланыс
болғанымен де, бірнеше рет қайталанып келетіндіктен, олардың барлығы
қосылғанда едәуір әрекеттесу қуатын береді. Бұл құрылым полипептидтер
тізбегі радикалдарының функциялық топтарының әсерінен берік күйде болады.
4. Белок молекуласындағы металл иондарының және амин қышқылдарындағы
бүйірлік топтардың өзара әрекеттесуі.
Кейбір белоктардағы, оның макромолекуласының үшінші құрылымын
ұстастыруға амин қышқылы цистиннің полипептидтік тізбекте бір-бірінен алшақ
орналасқан радикалдары арасында пайда болатын – S – S – (дисульфидті
байланыс) деп аталатын берік коваленттік байланыс еләуір рөл атқарады.
H NH CH3
C O H – N - C
C C – N – H
H3C C
NH C
C – CH3
O
Белок молекуласының түрі
2-cурет. Бұлшық ет миоглобинінің үшінші құрылымының
нобайы. м.м. 17000
Екі немесе дан да көп полипептидтік тізбектен тұратын белоктар
олигомерлер деп, ал полипептидтік тізбектер протомерлер немесе суббөліктер
деп аталады. Суббөліктердің кеңістікте өзара орналасуы белоктың төртінші
құрылымы болып саналады. Белоктың төртінші құрылымы едәуір күрделі
конформация болып есептелінеді. Әр суббірліктің (протомердің) өзіне сәйкес
екінші және үшінші құрылымы болады. Бұл құрылым күрделі белоктарға ғана
тән. Байланыс жасайтын бөліктері (учаскелері) бірбіріне сәйкес
(комплементарлы) болуға тиіс. Суббірліктерді Ван-дер-Ваальс,
электростатикалық тартылу, гидрофобты әрекеттесу күштері біріктіріп тұрады.
Бір ғана полипептидтік тізбектен тұратын белоктармен салыстырғанда,
олигомерлік белоктар күрделі қызмет атқарады. Мұндай күрделі қызмет
атқаратын белоққа қан гемоглобині жатады. Қан гемоглобині әр қайсысы
миоглобин сияқты 4 суббөліктен құралған. Көптеген ферменттердің, М және А
иммуноглобулиндердің және тағы басқа белоктардың молекулалары төртінші
құрылыман құралған.
Соңғы жылдардағы зерттеулер нәтижесінде белоктардың төртінші құрылымы
туралы жаңа мәліметтер белгілі бола бастады. Молекулалаық салмағы 50000-нан
артық кез келген белок протомерлердің молекуласынан құрылады екен.
Мультимерлердің молекуласында протомерлердің орналасуы әртүрлі. Тәжірибе
жүзінде белгілі протомерлердің мультимерлерге жалғасуы, өзара іріктелуі
арқылы пайда болады. Бұл жаңа перспективалар табиғаттағы молекулалық
комплекстердің түзілу заңдарын ашады және морфогенез құбылысының түзілуіне
де әсер етеді. Ферменталогия саласында белокті – ферменттердің төртінші
құрылымын қайта жасау туралы мәселе изоферменттердің есебінен
ферментативтік процестердің реттелу етігін ашуға әкеліп соқты. Оның мәні
мынада, ферменттердегі мультимерлер-молекуласының құрамына әртүрлі екі
сорттың суббірліктері енеді. Осы суббірліктердің ара-қатынасына байланысты
мультимерлердің ферментативтік активтілігі не жоғары, не төмен болып
келеді.
Белоктардың классификациясы
Химиялық құрамына қарай белоктар: қарапайым белоктар (протеиндер) және
күрделі белоктар (протеидтер) топтарына бөлінеді.
Күрделі белоктар
Олардың негізгі өкілдері және сипаттамасы
Құрамында белоктік бөлігі және белоксіз бөлігі бар қосылысты күрделі
белоктар - протеидтер, ал мұндағы белоксіз бөлікті простетикалық топ деп
атайды. Ол топ белоктың биологиялық қызметінде маңызды рөл атқарады.
Күрделі белоктар құрамында кездесетін белокты және белоксіз бөліктер,
шамасы коваленттік байланыспен жалғасатын сияқты. Бұл құбылыс былай
түсіндіріледі. Егер күрделі белокты басқа заттардан бөліп алғымыз келсе, ол
тек белоксіз бөлігімен ғана бөлініп алынады да, белоксіз бөлігі, оның ылғи
да негңзгңкомпоненті ретінде бірге жүреді. Күрделі белоктар құрамында
болатын промтетикалық топтардың сипатына қарай мына төмендегідей топ
тармағына бөлінеді.
1. Нуклеопротеидтер – нуклеин қышқылы бар белоктар кешені, яғни оның
құрамы жай белоктар мен нуклеин қышқылдарының қалдығынан тұрады.
Простетикалық топтың (нуклеиин қышқылының) ерекшелігіне байланысты, оларды
дезоксирибонуклеопротеидтер және рибонуклеопротеидтер деп бөледі.
Молекулалық массалары үлкен болып келеді. Дезоксирибонуклеопротеидтер
барлық клеткалардың ядросында, митохондрияларында және сперматозоид
шөмішінде кезедседі. Сондықтан, олардан клеткадағы ядроның негізгі бөлігі
құралдары және олар ұлпадан айрықша бөлініп тұрады. Нуклео-протеидтердің
биологиялық рөлі зор. Олар клетканың құрылымдық элементі ғана емес, сонымен
бірге тірі ағзаларда негізгі қызмет атқарады. Бұл белоктардың құрамында
гистондар мен протаминдер нуклеин қышқылымен байланысқан. Олар ядродағы ДНҚ
құрылымын қалыпқа келтіріп, тұрақтандырады. Клетканың бөлінуі, белоктардың
биосинтезі, тұқым қуалаушылық ақпараттар, көп түрлі коферменттік қызметтер
нуклеопротеидтермен тығыз байланысты. Нуклеиопротеидтерге вирусты белоктар
да жатады, оларды осы жағынан қарастыру өте қызықты.
2. Фосфопротеидтер – жай белоктар мен фосфор қышқылы қалдықтарынан
тұрады. Ол полипептидтік тізбектегі серинге, не треонинге жалғасады,
Қыздырғанда ұйымайды. Қышқылдармен әсер еткенде ұйиды. Фосфопротеидтерге
сүттегі казеин, жұмыртқа сары уызындағы виталлин, балық уылдырығындағы
ихтулин және бірқатар ферменттер (пепсин мен фосфорилаза) жатады.
3. Гликопротеидтер – құрамында қанттар (манноза, галактоза,
гексозаминдер, сиал қышқылы және басқалары) бар күрделі белоктар.
Жануарлардың, адамның, өсімдіктердің және микроорганизмдердің барлық
ұлпаларында көп кездеседі. Гликопротеидтерге сілемей муциндері, тірек
ұлпалар (шеміршек, сүйек ) мукоидтары жатады. Сондай-ақ, бұларға глюкурон
қышқылы, хондроитинкүкірт қышқылы, гепарин, хитин сияқты заттардың да
қатысы бар. Олар буындарды майлайды, клетка мембранасы құрылымының
қалыптасуына, иммунологиялық реакцияларға қатысады, эритроциттердің беткі
жағында орналасады, қан тобын (группасын) анықтайды.
4. Липопротеидтер- белоктар мен липидтерден (триглицеридтер,
фосфолипидтер, холестерол, сфинголипидтер, май қышқылдары) тұратын
комплекс. Клетка мембранасының құрылымына кіреді. Липопротеидтер бос
күйінде қан плазмасында және лимфада кездеседі және ол липидтерді, кейбір
гормондарды бір орнынан екінші орынға ауыстырып апара алады.
Электрофорездік қозғалғыштығы бойынша а – липопротеидтерге және в –
липопротеидтерге бөлінеді.
5. Хромопротеидтер (грекше chroma – түс, бояу және протеидтер) –
боялған күрделі белоктар. Простетикалық тобы боялған зат және жарық
сіңіргіш белгілі бір спектрі бар. Хромопротеидтерге гемоглобин, миоглобин,
циторомдар, пероксидаза, каталаза, флавиндік ферменттер жатады. Табиғатта
жиі кездесетін хромопротеид-родопсин, көздің аяқшаларында болады, кешқұрым
қас қарайғанда адамның көзінің көруінің көмектеседі.
Гемоглобин глобин белогінан және простетикалық топ гемнен тұрады.
Адамның және барлық омыртқалы жануарлардың дерлік гемоглобиннің бірінші
реттік құрылымы мен конформациясы жақсы зерттелген. Гемоглобин молекуласы
қысқаша Нв таңбасымен белгіленеді. Ересек адам мен жануарлардың гемоглобин
молекуласы НвА (латынша adultus - ересек), төрт суббөліктен тұрады, оның
әрқайсысына 141 амин қышқылы қалдығы бар өзара ұқсас екі а- полипептидтік
тізбек және 146 амин қышқылының қалдығы бар екі в – полипептидтік тізбек
кіреді. Гемоглобин тетрамерінің құрылымы нобай түрінде былай жазылады.
НвА=а2в2..
Суббөліктің (мономердің) молекулалық массасы 16000, гемоглобин
молекуласынікі (16000 х4) = 64000.
Суббөліктің әрқайсысында бір гем бар. Гем – дегеніміз күрделі қосылыс. Ол
екі валентті темірмен байланыс-қан порфириннен құралады. Порфириннің 15
изомері бар. Оның бір изомері-протопорфирин ІХ гемнің құрамына кіреді.
Протопорфирин ІХ қосылысының қаңқасы 4 пир рольдік сақинадан құралған. Ол
сақиналар өзара метин тобы (=СН-) арқылы байланысқан. Қызыл түске (қанның
түсіне) боялған гемнің құрылым формуласы мынадай:
H3C 3 4 CN = CH2
CH N CH
CN = CH2 CH3
2 5
N--------------- Fe2+-------------- N
1 6
CH3 CH2 – CH2 - COOH
CH CH
H3C CH2 – CH2 - COOH
8 9
Гемоглобин мен миоглобин гемі
Сүтқоректі жануарлар гемоглобиніндегі темір мөлшері -0,336%, гем – 4%
миоглобин құрамындағы темір мөлшері 0,318%
Барлық гемоглобиннің қызметі біреу ғана – ол тыныс алу үшін
молекулалық оттегін өкпеден ұлпаларға және клеткалардағы (ұлпалардағы)
көмірқышқыл газы СО2 мен протонды Н+ кері қарай өкпеге және бүйрекке
жеткізу, одан кейін бұл екеуін сыртқа шығару.
Гемоглобиндер қан эритроциттерінің құрамына кіреді. Бір эритроците
400 млн шамасына дейін гемоглобин молекулалары болады. Гемоглобиннің әр
молекуласы оттегінің 4 молекуласымен байланыса алады (әр гемге оттегінің 1
молекуласы 02 қосылады).
Гемоглобин құрамында оттегі гемдегі екі валентті темірге қосылады, бұл
процесті оскигенация деп атайды. Оттегімен байланысқан гемоглобинді
оксигемоглобин, оттегімен байланыспаған бос гемоглобинді дезоксигемоглобин
деп атайды.
Нв + О2 НвО2
Ұлпаларда оттегінің тиісті мөлшердегі қысымы азайған кезде
оксигемоглобин гемоглобинге және оттегі молекуласына О2 оңай бөлінеді.
Гемоглобин молекуласы әртүрлі қосылыстармен өзара әрекеттесе алады.
Көміртегі (ІІ) тотығының организмге улы әсер етіп уландыруы гемоглобиннің
көміртегі тотығымен СО көп жағынан өте ұқсас және ол тотықтың көмегімен
салыстырғанда 300 еседей активті болуына байланысты. Осының нәтижесінде ол
эритроцитпен кездескен кезде оның құрамындағы оксигемоглобиннен оттегін
ығыстырып шығарады да карбоксигемоглобин түзеді.
НвО2 + СО
НвСО + О2
Бұл реакция қайтымды. Иіс тиіп уланған адамды таза ауаға шығарған
жағдайда көміртегінің тотығы СО ығыстырып шығарылады да, гемоглобин
қайтадан оттегімен әрекеттесіп, оксигемоглобин түзеді (3-сурет).
глобин глобин
глобин
+ CO + O2
- O2
карбоксигемоглобин гемоглобин
оксигемоглобин
(дезоксигемоглобин)
- е-
тотықтырғыш
глобин
метгемоглобин
3-сурет. Гемоглобиннің әртүрлі қосылыстарының түзілуі нобайы. Гемнің пиррол
сақинасы N әрпімен белгіленген.
6. Металлопротеидтер. Бұл күрделі белоктардың простетикалық
топтарының металдар (Cu++, Fe++, Fe+++, Zn++) кездеседі. Мұндағы металдар
полипептидтік тізбектің құрылымдық элементімен арнайы атомдар тобы арқылы
емес, тікелей жалғасқан деген болжам бар. Бұларға ферритин белогы жатады,
ол өттің құрамында болады. Кристалды ферритин құрамында 20% темір тотыққан
күйінде кездеседі. Әрбір пептидтік байланысқа бір атом темір келеді деп
есептелген. Мәселен, полифенолоксидаза – тотықтау – тотықсыздандыру
ферменті құрамында мыс бар.
Белоктық, пептидтік гормондардың және амин қышқылдарының туындысы болып
табылатын гормондардың әсер ету механизмі
Бұл топқа жататын гормондардың (адреналин, глюкагон, кальцитотин,
паратгормон, гипофиз гормондары т.б.) гидрофильдік қасиеті болады,
сондықтан олар клетка мембранасының липидтік қабатынан өтіп кете алмайды.
Олардың рецепторлары клетканың үстіңгі бетіне орналасады.
Бұл гормондардың әсер ету механизмі плазмалық мембранамен байланысқан
рецепторлармен өзара әрекеттесуден басталады. Гормондардың өзі клеткаға
енбейді, сондай-ақ плазмалық мембранамен байланысқан аденилатциклаза
ферменті қолайлы жағдай туғызу жолымен әрекет етеді. Осының нәтижесінде,
клеткадағы цАМФ мөлшері көбейеді, оны жоғарыда біз екінші кезектегі
реттегіш деп атағанбыз.
Клеткадағы гормондар қасиетінің әрі қарай іске асуы цАМФ арқылы, оның
синтезін күшейту немесе тежеу жолымен орындалады. Жануарлар клеткасында
цАМФ әсері клетка ферменттерін активтендіру арқылы басталады, ондай
ферменттер цАМФ – тәуелді протеинкиназа деп аталады. Ол ферменттер АТФ-тен
фосфаты ерекше белоктардың (солардың ішінде ферменттердің ) серині мен
треонинінің белгілі бір қалдықтарына ауыстырылуын катализдейді.
Фосфорланған белоктар биологиялық активті болады. Фосфорланбаса олар
өздерінің арнайы қызметін атқара алмайды. Активтенген протеинкиназа әртүрлі
ферменттерді (мысалы, фосфорилазаны); хроматин белоктарын және клеткадағы
әр гормонға ерекше тән басқа да белоктарды фосфорлайды. Гормонның бір
молекуласы белоктың 105 молекулаларын фосфорлай алады.
Фосфорлау жолымен активтенген фосфорилаза гликоген ыдырауын
катализдейді де, ол бірнеше аралық өнімдерден кейін глюкоза береді.
Хроматин белоктарын фосфорлау оның құрылымын өзгертеді, ДНҚ-ның
жекелеген учаскелері белоктан босанады (дерепрессия болады), оларда әр
гормонның өзіне ғана тән иРНҚ синтезі (транскрипция) басталады. Бұдан кейін
сәйкес белоктар трансляцияланады.
Клеткада цАМФ әсерімен ферменттердің активтенуі арқылы, жоғарыда
аталғандардан басқа гликолиз, липолиз процестері, тасымалдау және басқалар
(сурет) іске асады.
Аденилатциклазаның активтенуі қалай болады? Гормонның өзінің
рецепторымен байланысуы оның активтенуіне тікелей емес, үшінші
байланыстырушы бело – мембраналық ГТФ Г-белок, м.м. 42000, арқылы әсер
етеді. Гормонның рецепторға қосылуы рецептордың пішінін өзгертеді, соның
нәтижесінде ол Г – белокпен байланысады. Осыдан кейін Г – белокта НТФ-пен
өзара әрекеттесе алатындай қасиет пайда болады және оның пішіні өзгереді.
Осылайша өзгеріске ұшыраған Г – белок қана аденилатциклазаны
активтендіреді, бұдан кейін аденилатциклаза цАМФ түзілуін катализдейді.
Аденилатциклазаның жұмысын тоқтатудың да маңызы зор. Клеткада бұл
ферменттің үздіксіз жұмыс істей беруіне жол беруге болмайды.
Аденилатциклазаның жұмысын қалай тоқтатуға (активсіздендіруге )
болады? Г – белок дегеніміз ГТФ-аза ферменті болып табылады екен. Ол өзімен
байланысқан ГТФ-ты гидролиздеп ГДФ және органикалық емес фосфатқа
айналдыру арқылы активсізденеді. Осының нәтижесінде аденилатциклаза өзінің
бастапқы күйіне түседі де,цАТФ түзілуі тоқталады.
Сонымен Г – белоктың ГТФ-пен байланысқан комплексі аденилатциклазаны
активтендіреді, ал Г – белоктік ГДФ-пен байланысқан комплексі ондай әсер
етпейді, аденилатциклаза жүйесін істен шығарады. Сонымен аденилатциклазаның
активтенуіне немесе активсізденуінде шешуші рөлді Г – белок атқарады.
Аденилатциклаза механгизмінің әсерін тоқтату салдарының зиянды әсері
тырысқақ дерті (холера) кезінде байқалады. Тырысқақ дертінің уы Г – белокты
мүлде өзгертіп жібереді, тіпті ол ГТФ-ты гидролиздеп, ГДФ және фосфатқа
айналдыру қасиетінен айырылады. Г – белок қайтымсыз активті қалыпқа түседі.
Осының нәтижесінде ішек эпителийі клеткасында цАМФ мөлшері ұзақ уақыт бойы
көбейеді, ол жағдай судың және натрий иондарының көп мөлшерде ішек ішіне
өтуіне себеп болады. Бұл қара тышқақ сияқты ауыр дертке душар етеді, ол
дертті холера уы қоздырады (Б.Алберт және басқалар, 1987ж).
Кейбір гормондар (инсулин, окситоцин және басқаларының) мембраналық
рецепторлармен байланысып цАМФ синтезін тежеп, оны төмендетеді. Бұл
жағдайда басқа бір циклды нуклеотид – цГМФ мөлшері көбейеді. Ол
гуанилатциклаза ферментінің әсерімен түзіледі. Оның концентрациясы цАМФ
концентрациясынан 10 есе кем болады. цАМФ сияқты, ГМФ-та негізінен белгілі
бір протиенкиназалар арқылы әсер етеді. Біз қарастырып отырған жағдайда
цНМФ – тәуелді, бірақ қарсы әсер ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Белоктар құрамы
1838 жылы голланд оқымыстысы Мульдер алғашқы рет барлық тірі ағзада
кездесетін күрделі органикалық зат протеин (белок) терминінің атауын
қолданды.
Тірі ағзаның құрамына кіретін белоктар немесе протеиндер (protos –
бірінші, алғашқы деген грек сөзінен алынған) органикалық қосылыстардың 50%-
85%-ын құрайды.
1871 жылы орыс химигі Н.Н.Любавин (1845-1918) белоктар амин
қышқылдарынан тұратын анықтады.
Белоктық заттар көбінесе өсімдіктерде түзіледі. Ол үшін топырақ
құрамындағы азотты қосылыстары пайдаланылады. Бұл құбылыс, әсіресе, бұршақ
тұқымдастары мен майлы дақылдар (бұршақ, бөрібұршақ, күнбағыс) тарапынан
жиі байқалады, олар белокты заттарға бай келеді.
Олардың тұқымдарынан әр түрлі еріткіштермен (су, тұз ерітінділері,
сулы–спиртті немесе әлсіз сілтілі ерітінділер) экстракциялау арқылы
белоктарды оңай бөліп алып, химиялық құрамы мен құрылысын анықтауға болады.
Жануарлар дүниесі мен адам белокты амин қышқылдарынан және басқа да азоты
бар органикалық заттардан синтездейді. Олар, ондай заттарды өсімдіктерден
және өздері қорек үшін пайдаланатын жануарлар етінен алады.
Мәселен, миксомицет клеткасы протоплазмасының химиялық құрамына
анализ жасағанда белоктар – 20,15%, пластидтер - 8,42%, нуклеин қышқылдары
- 3,68%, азотты экстракт заттар - 12,00%, майлар - 17,85%, лецитиндер -
4,67%, холестерин - 0,58%, микоглюкозан - 1,78% және анықталмаған белгісіз
заттар - 5,87% болатыны анықталды.
Сайып келгенде, өсімдіктер протоплазмасындағы ең негізгі химиялық
зат – белок клеткада болатын тіршілік қасиеттерінің материялық негізі.
Ф.Энгельстің сөзімен айтқанда, өмір дегеніміз белоктік заттардың
тіршілік ету формасы.
Протоплазмадағы белок ыдырайтын болса тіршілік жойылады. Белоктар
цитоплазма мен ядроның негізін құрайды. Олар табиғатта кездесетін
органикалық заттардың ішіндегі ең күрделісі. Белоктардың ең қарапайым
құрамына мынадай элементтер кіреді:
Көміртегі – 50-55%
Оттегі – 21–24%
Азот – 15–18%
Сутегі – 6–7%
Күкірт – 0,3–2,5%
Кейбір белоктік заттардың құрамына фосфор кіреді, сондай–ақ аз
мөлшерде кейде темір, мыс, йод, хлор, бром, кальций, мырыш және т.б.
элементтер де кездеседі.
Белоктардың басқа полиметлерден өзгешелігі – олар құрылысы жағынан
бір–біріне ұқсас болғанымен мүлдем басқа, мономерлерден құралған.
Белоктарға тірі ағзадағы жүретін көптеген негізгі функциялар
бағынышты. Мысалы: клетканың өсуі мен дамуы, ас қорыту, көбею, нәсілдік
немесе тұқым қуалаушылық қасиеттердің берілуі, тітіркенгіштік,
бұлшықеттердің жиырылуы, антигендер мен антиденешіктердің пайда болуы,
қайтадан байланыстыру мен тіршілікке қажетті заттарды алып жүру және т.б.
Белоктар – құрамында көп мөлшерде амин қышқылдары бар, өте күрделі
жоғары молекулалы органикалық қосылыстар қатарына жатады. Белоктың
молекулалық салмағы өте жоғары болады. Мысалы: альбуминнің молекулалық
салмағы – 17400, ал гемоглабиннің – 68000 болса, белоктардың молекулалық
салмағы– 15 000 000-ға дейін жетеді. Ағзалардағы зат алмасу, көбею, ағзаның
өсуі, тітіркенгіштігі, бұлшық еттің жиырылуы, бездердің жұмысы белоктармен
тығыз байланысты. Белок жоқ жерде тіршілік те жоқ. Белоктар барлық тірі зат
атаулының негізі, құрамды бөлігі болады. Ағзада белоктар алуан түрлі
қызметтерді атқарады.
Белоктар клеткалар мен ұлпадан құрылған пластикалық құраушы материал.
Құрылымдық белоктар клетканың сыртқы қабығының клетка ішіндегі
мембраналардың құрылысына қатысады. Эволюциялық даму сатысы жағынан жоғары
деңгейде тұрған ағзалардың қан тамырлары, көздің мүйіз қабығы, сіңірлер,
шеміршектер, түктер белоктан түзіледі.
Бұл тұрғыдан белоктардың орнын майлар да, көмірсулар да баса алмайды.
Ядро құрамындағы күрделі белоктар (нуклеопротеидтер) көбею және өсуде
үлкен рөл атқарады.
Белоктар қышқыл – сілті тепе-теңдігі тұрақтауға қатысады. Белоктар
ферменттер мен гормондарды да құруға қатынасады. Алдымен белоктардың ағзада
жүретін алуан түрлі химиялық реакцияларға катализаторлық қызметінің маңызы
зор. Клеткадағы катализаторлардың барлығы дерлік белоктар. Олар
биокатализаторлар немесе ферменттер деп аталады.
Әдетте гормондардың көбі белоктар болып келеді. Мысалы, оған
жататындар: ұйқы безінің гормоны – инсулин, қалқанша безінің гормоны –
тироксин, бүйрек үсті безінің гормондары – адреналин, норадреналин, ми
қабатының гормондары – соматотропин, окситоцин, вазопрессин және т.б.
Белоктар қорғаныштық қызметін де атқарады. Ағзаға бөгде дене
түскенде, онда антидене деп аталатын ерекше белоктар пайда болады да,
олар бөгде заттарды біріктіріп, зарарсыздандырады.
Қанның ұюы да белоктың қорғаныштық қасиетіне мысал бола алады. Қанның
сарысуындағы фибиноген белогы фибринге өзгеріп, ақыры фибрин шөгіп, ұйыққа
айналады. Сөйтіп, жарақаттанған қан тамыры түтігін бітеп, организмнің
қансырауына жол бермейді. Емдеуші (сывороткалар қанның сары сулары,
вакциндер, қан алмастырушылар және басқа препараттар (медицина мен
зооветеринарияда қолданылатын) күрделі белоктарға жатады.
Клетка мен ағзаларда болып тұратын қозғалыс пен қимылдардың барлық
түрі – еттердің жиырылуы, қарапайымдардың кірпікшелерінің қимылдауы,
өсімдіктердегі қозғалыс – ерекше жиырылу белоктары арқылы болады. Бұлшық ет
белоктары (актин, миозин, актомиозин) олардың жиырылуын және босаңсуын,
жалпы, денедегі механикалық қозғалыстардың барлық түрлерін қамтамасыз
етеді.
Заттарды тасымалдауда да белоктың маңызы зор. Заттардың клетка мен
органоидтар ішінде қозғалуын белок реттеп отырады, яғни оларды белсенді
түрде тасымалдайды. Соңғы кезде клетка мембранасының құрамында түрлі
тасымалдаушы белоктардың болатыны анықталды. Мысалы қан белогі –
гемоглобин, оттекті өзіне қосып алып, оны бүкіл денеге таратады. Сөйтіп,
гемоглобин мен миоглобин белоктарының арқасында өкпедегі және ұлпадағы газ
алмасу, яғни тыныс алу және тыныс шығару жүзеге асырылады.
Белоктар – энергия көзі болып табылады. 1г белок ыдырағанда 17,2 кДж
(4,1 ккал) энергия бөлінеді. Сөйтіп, белоктардың ыдырауы кезінде ағзаға
керекті 12% энергия алынады.
Белоктардың аса үлкен (гигант) молекуласы есеп жетпейтін әртүрлілік
структурасы арқылы ерекшелене отырып нақтылы белоктің қасиетін көрсетеді.
Белоктар молекулааралық өзгерістерге, бір-бірімен әр түрлі химиялық және
физикалық әрекеттесулерге ұшырап қана қоймай, сондай-ақ нуклеин қышқылдары,
липидтер көмірсулармен де қосылыса алады.
Ұлпадағы белоктардың жалпы санын білу үшін, ондағы кездесетін азоттың
жалпы мөлшеріне 6,25 коэффициентін көбейту арқылы анықтайды.
Жануарлар клеткасында белок өсімдіктерге қарағанда көп болады. Ересек
адам күніне 100-150г белокты пайдалануы керек. Белоктың тамақ рационындағы
қажетті мөлшерін майларды не көмірсуларды көп қабылдау арқылы толықтыруға
болмайды.
Биохимиялық зерттеулердің осы күнгі әдістері
Биохимияның айтарлықтай күшті дамуы, әсіресе соңғы он жылдықтарда
айқын байқалады. Оны қамтамасыз етуге алдымен биохимиялық зерттеулерде
жаңадан ашылған физико-химиялық әдістерді кеңінен қолдануға байланысты.
Биохимияда ғылыми зерттеулердің мүмкіндігін арттыруға ерекше үлес
қосқан рентген құрылымдық анализ, электронды микроскопия, газды,
сұйықтықты, гельді және капилярлы хроматография, таңбаланған атомдар әдісі,
инфрақызыл және ультракүлгін спектрофотометрия, флуорақызыл және
полярографты, анализ, электрофорез, молекулярлы елек (сит) әдісі, масс-
спектрометрия, гравитациялық жазықтықта заттарды бөлуде ультрацентрифуганы
пайдалану, магнитті-оптикалық айналудағы дисперсиялық әдістер, электронды
парамагнитті резонанс, ядролық магнитті резонанс және басқалар.
Міне, осындай ғылым мен техниканың жаңа әдістерін биологияда қолдану
нәтижесінде биохимия ғылымының ағзаның тіршілік заңдылықтарын ашуда, оның
жаңа деңгейлерін зерттеуге мүмкіншілік туып қана қоймай, қол жеткен
табыстар да баршылық.
Қазіргі кезде бірқатар қосылыстарды – белок гидролизі заттарындағы
амин қышқылдарын, биологиялық сұйықтықтардағы (қан, зәр және басқалары)
моно-мен дисахаридтерді сандық анықтау толық түрде автоматтандырылған.
Сондай-ақ, пептидтер, белоктар мен нуклеин қышқылдарының бірінші құрылымын
шешу; табиғи қосылыстарға қарапайым анализ; пептидтер, олигонуклеотидтер
мен белоктар синтезі; табиғи қосылыстарға хроматографиялық және
гельфильтрациялық фракциялау процедурасы; хроматограммалар,
электрофореграммалар мен авторадиограммаларды денситометрлей отырып,
автоматты метаболизм қосылыстарына ену деңгейін анықтау жұмыстарын жүргізу.
Біздің елімізде бірқатар автоматты биохимиялық анализаторлар,
лабораториялар құрылып, жұмыс істеуде. Осындай автоматты системалар
анализін басқаруда және алынған мәліметтерді (информацияны) өңдеуде ЭЕМ
қолданылады.
Биологиялық химияның жетістіктері биология мен физиологияның ары
қарай дамуын анықтайды, себебі метаболизмге қатысатын заттардың құрылымдық
және химиялық өзгерістерін білмей, оның мәнін анықтауға, көбею, тұқым
қуалаушылық, жүйке импульсін жеткізу сияқты биологиялық құбылыстарды
басқару әдістерін жетілдіруге болмайды.
Сондай-ақ, қазіргі теориялық физика мен эксперименттің күрделі
техникасы ғалымдар алдында әртүрлі қосылыстардың құрылысын танып-білуде шын
мәніндегі шексіз мүмкіндіктерді, сонымен қатар, өндірісте қолданылатын,
қоршаған орта мен бүкіл әлемде өтетін шексіз көптеген химиялық реакцияларды
ашты.
Белоктардың физикалық және химиялық қасиеттері
Белоктар үлкен молекулалы органикалық қосылыстар, олар жартылай
өткізгіш мембрана не жарғақтан (мал қуығынан, целофаннан) өте алмайды.
Белоктарды басқа қоспалардан диализ арқылы тазарту осындай қасиетіне
негізделген. Диализ әдісі белоктарды (кіші молекулалы қоспалардан және
бейорганикалық заттардан) тазарту үшін кең түрде қолданылады. Диализ әдісін
жүргізетін аспапты диализатор деп атайды. Ең қарапайым диализатор ретінде
коллодийден немесе целлофан қағазынан жасалған қалта пайдаланылады.
Коллоидты ерітінділер коллодидан жасалған қалтаға құйылады. Бұдан
қанттардың, тұздардың және кіші молекулалы заттардың молекулалары оңай
өтсе, белоктың коллоидты бөлшектері өтпейді. Сол сияқты диализ әдісі арқылы
глобулиндерді, алббуминдерден бөлуге болады.
Табиғатына байланысты белоктардың молекулалық массасы барынша өзгере
алады. Белоктардың молекулалық массасын 1925 ж. швед ғалымы Сведберг
тапқан, ультрацентрифуганы қолдану арқылы анықтауға болады. Бұл аспаппен
белоктың қоспасы бар ерітіндіні айналдырғанда бөлініп шөгуге тиісті
заттарға тартылыс күшінен 500000 есе басым күш (атылған оқтың күшіндей)
әсер етеді. Ультрацентрифуга роторы әр минутта 60000-80000 айналым жасайды.
Тек осындай айналым жылдамдығы кезінде ғана белок молекулалары өздерінің
шамасы мен пішініне қарай бірінен-бірі ажырайды және ерітіндінің түбіне
әртүрлі мезгілде шөгеді. Ерітіндінің түбіне шөгу уақытында, еріткіштің
температурасына, тығыздығына және тұтқырлығына байланысты есептеу жолымен
белоктың молекулалық массасын анықтайды. Бейорганикалық қосылысиардың
молекулалық массасын анықтау үшін қолданылатын әдеттегі әдістер белоктар
үшін жарамсыз.
Төменде кейбір белоктардың молекулалық массасы келтірілген. Ол
көрсеткіш жальтон (Д) өлшемі бойынша берілген. Әдетте дальтон термині мен
молекулалық масса (м.м.) ұғымы бірін-бірі алмастыра алады.
Рибонуклеаза 12.400Д
Миоглобин 17.000Д
Инсулин 35.000Д
Жұмыртқа альбумині 45.000Д
Гемоглабин 68.000Д
Уреаза 480000Д
Молекуласының пішімдеріне қарай белоктар фибриллярлық және
глобулярлық болып екіге бөлінеді. Глобулярлық белоктардың құрылымы шағын
ғана, олардың полипептидтік тізбектері сфера немесе элипсоид сияқты
тығыздала бүктелген болады. Белок глобуласының бетіне негізінен амин
қышқылдарының полярлы обы және зарядталған атомдары жинақталады. Олар сумен
әрекеттесуге қабілетті келеді. Глобулярлы белоктардың көпшілігі суда және
су ерітінділерінде ериді. Мұндай белоктарға барлық ферментер, қанның,
сүттің белоктары (альбуминдер, глобулиндер және басқалары) жатады.
Фибриллярлық белоктар тұрақты келеді. Суда және сұйық тұз
ерітінділерінде ерімейді. Белоктағы полипептидтік тізбектер белдік (ось)
бойында өзара параллель орналасады, сөйтіп, ұзын тапшықтар-фибриллдер
түзеді. Мұндай белоктардың молекуласы созылған жіп сияқты, өздері екі және
көп полипептидтік тізбектерден тұрады. Тізбектері қатты немесе созылмалы
жұмсақ келеді және тірі ағзаларда құрылымдық қызмет атқарады. Оларға:
коллаген-сіңір, сүйек, тері, тіс және шеміршек сияқты ұлпалардың негізі
болып табылады; шашта, жүнде, қауырсында, тырнақта, тұяқта кератин белогы
бар, тағы оған жібек фибрионы, қан фибриногені және тағы сол сияқты
белоктар да жатады.
Белоктардың кейбір ерекше қасиеттеріне жоғары молекулалық салмағы,
жарықты қосарынан сындыруы, электрлік жазықтықта жылжығыштығы жатады.
Сонымен бірге поляризацияланған жарықта жазықтықты бұру қабылеті
белоктардың арнайы оптикалық қасиетіне тән. Белоктардың осы көрсетілген
оптикалық қасиеттерін, олардың мөлшерін (сандық түрде) анықтауда,
молекулалық салмағын есептеуде және т.б. пайдаланады.
Белоктарға тән физикалық қасиеттердің біріне молекулаларының бетіне
төменмолекулалы органикалық қосылыстар мен иондарды адсорбциялау (өткізу,
қабылдау, сору) қабылеті жатады. Ағзадағы заттардың транспорттық
(тасымалдану) қызметі белоктардың осы қасиетімен тығыз байланысты. Мысалы,
кейбір белоктар зат алмасу өнімдерінің тасымалдануын жоғары деңгейде
қамтамасыз ете алады.
Белоктар физикалық-химиялық қасиеттері жағынан гидрофильді
коллоидтарға жатады, себебі белок молекулаларының мөлшері коллоид
бөлшектерінің мөлшеріне (размеріне) 0,1-0,001u – сәйкес келеді және олардың
бөлшектері сумен тығыз байланысқан.
Белок ерітінділерінің барлық коллоидті ерітінділердегідей қасиеттері
болады: олар шашыранды жарықта ылайланған тәрізді көрінсе (опалесцияланса),
Тиндаль эффекктісін береді (жанынан түсірген жарықта жарқыраған конус
сияқты кқрінеді), сол сияқты белок бөлшектері жартылай өткізгіш
жарғақтардан өте алмайды.
Белоктардың коллоидты ерітінділері тұрақты келеді. Белоктардың
ерітінділерінің осылай тұрақты болып келуі екі негізгі фактормен
түсіндіріледі. Біріншіден белок бөлшектері электрлік зарядтар алып жүрсе,
ал екіншіден белок молекулаларының айналасыртын бірнеше қабаттан тұратын
тығыз су қабықшасы қоршап тұрады. Дәл осы жағдай белок молекулаларының бір-
бірімен қосылып (коагуляциялануын), тұнбаға түсуіне кедергі жасайды.
Су қабықшасының болуы белок молекулаларының сыртындағы су
бөлшектерін бір-бірімен байланыстыратын көптеген гидрофильді полярлы
топтардың кездесуімен түсіндіріледі. Ал электрлік зарядарының болуы белок
молекулаларының судағы ерітіндісінің диссоциацияланып иондар түзу
қабылетіне байланысты. Белоктар, олардың амин қышқылдары сияқты
структуралық элементтері әрі СООН тәрізді қышқыл топтары, әрі NH2 сияқты
негіздік топтары бар болуы себепті амфолиттер немесе амфотерлік
электролиттер болады.
R – CH – COOH R – CH – COO
NH2 NH3+
Белоктардың ерітіндісі қышқылдық ортада оң зарядталады да, реакцияға
катион ретінде қатысады:
R – CH – COO R – CH – COOH
+H+
NH3+
NH3+
Сілтілік (негіздік) ортада теріс зарядталады да, реакцияға анион
ретінде қатысады:
R – CH – COO R – CH –
COO +H2O
+OH
NH3+ NH2
Cонымен, белок еріткіштің реакциясына байланысты қышқыл секілді (сілті
ерітіндісінде), немесе сілті сияқты (қышқыл ерітіндісінде)
диссоциацияланады. Осыған орай белок ерітіндісі арқылы электр тогын
жіберетін болсақ, онда сілті ерітіндісіне белок молекуласы анодқа, ал
қышқылда катодка қарай жылжиды. Белоктардың осы бір қасиеті, оларды
электрофорез әдісімен бөліге мүмкіндік береді. Электрофорез деп зарядталған
коллод бөлшектерінің тұрақты ток көзі бар ортада кері зарядталған
электродтарға қозғалысын (тартылысын) айтады. Электрофорез құбылысын 1807
жылы Мәскеу мемлкеттік университетінің профессоры Ф.Рейс ашқан еді.
Белокты заттар молекулаларындағы электрлік зарядтардың пайда болуы,
олардың құрамында кездесетін қышқыджық және негіздік қасиеттерге ие
топтарға тығыз байланысты. Қышқылдық қасиеттерді карбоксильді және
сульфгидрильді, сол сияқты фенолды гидроксильді топтар көрсете, ал негіздік
қасиеттерді амин, имин және гуанидинді топтар байқатады.
Әдетте белоктар мен амин қышқылдары биполярлы иондарға жатады.
NH2 NH3+
R R
COOH COO
Белоктардың диссоциациялану процесі көпшілік жағдайда, олардың
изоэлектрлік нүктесіне тығыз байланысты келеді. Егер белок зарядтаплған
болса, онда ол ерітінді күйінде болады. Ерітіндідегі бос сутегі иондарының
концентрациясын өзгерту арқылы белок молекуласын электрлік бейтараптауға
болады. pH шамасының бір мәнінде белок молекуласының беткі жағында оң
заряд саны теріс заряд санына тең болады, сонда екі зарядтың қосындысы
нөлге теңеледі. Белок молекуласы электрлік бейтараптанған кездегі pH шамасы
белоктың изоэлектрлік нүктесі деп аталады. Изоэлектрлік нүктеге жеткен
кезде белок молекулалары арасында өзара тартылыс байқалады. Ал, ол жағдай
белок молекулаларының агрегациялануына себеп болады да, белок ерітіндінің
түбіне шөгеді. Изоэлектрлік нүкте pH түрінде белгіленеді.
Изоэлектрлік нүктеде, яғни pH белгілі бір мәнінде белоктар жылдам
коагуляцияланады, себебі бұл жағдайда олардың бөлшектері электронейтраль
болады. Белок ерітінділерінің излэлектрлік нүктеде тұрақсыз болғандықтан,
оңай коагуляцияланып, тұнбаға түседі. Сол сияқты олардың ісінуі, тұтқырлығы
төмен болады. Көптеген белоктардың изоэлектрлік нүктесі әлсіз қышқылдық
ортада жатады. Изоэлектрлік нүктеге сәйкес келетін pH-тің мәні әрбір жеке
белок түрі үшін тұрақты. Мысалы, қазеин үшін pH=4,7; жұмыртқа альбуминінікі
- 4,8; желатиндікі - 4,9; зеиндікі (жүгері белогі) -6,2; протаминдер мен
гистондардың изоэлектрлік нүктесі әлсіз негіздік ортада жатады.
Белоктардың изоэлектрлік нүктеде тұнбаға түсуін жылдамдату үшін суын
тартып алғыш заттар (спирт, ацетон, эфир) немесе танин қосады. Бұлардың
бірі (органикалық еріткіштер) белок макромолекулаларының гидратациялану
дәрежесін азайтып, олардың су қабатын бұзса, ал екіншілері, мысалы танин
азотты гетероциклды топтармен суда ерімейтін қосылыстар түзеді.
Ендеше ортаның pH-ның көрсеткіші неғұрлым изоэлектрлік нүктесінен
қашық тұрса (жатса), соғұрлым белоктың макромолекулалары күшті зарядталып,
әрі жоғары жылдамдықпен оң және теріс зарядталған полюстерге тартылады
(қозғалады).
Егер ерітіндіде изоэлектрлік нүктелері әртүрлі бір емес бірнеше
белоктар болса, онда олардың электрлік өрісінде қозғалу жылдамдығыда
түрліше болады. Дәл осы құбылыс биологиялық сұйықтықтарды электрофорез
жолымен зерттеу әдісінің негізіне алына отырып, кәзіргі кезде белоктар мен
амин қышқылдарының қасиеттерін анықтауда, сол сияқты диагностикалық
мақсаттарда да кеңінен пайдаланылуда. Сөйтіп, зарядталған бөлшектердің
қозғалыс жылдамдығы бойынша белок қоспаларының бөлшектерін ажыратады.
Белоктар өздерінің зарядтарының шамасына қарай қатты ұстауыш бойындағы
белгіден (старттан) бастап есептегенде, әр түрлі қашықтықта тұрып қалады
және бояумен бояғаннан кейін реңіне әр түрлі дақ пайда болады. Белок
молекулаларының боялған бөліктерге айналып, қатты ұстауышта орналасу
картасы электрофоренрамма деп аталады. Практикалық (тәжірибелік) жұмыстар
үшін қағаздағы электрофорез үшін қағаздағы электрофорез әдісінің әртүрлі
жолдарын қолданады.
Белоктарды тұнбаға түсіру әр түрлі заттар немесе реакивтер арқылы
іске асады. Белоктар әдетте коллоидты ерітінді береді. Себебі белок
молекуласының бөлшектерінің зарядтары болады. Белоктардың тұнбаға түсуі,
олардың бөлшектерінің дегидратациялануына (су қабаттарының бұзылуына)
байланысты. Сол себепті белок молекулаларының тұрақтылық факторларының бірі
жойылады, яғни олардың бөлшектері іріленіп коагуляцияланады. Сондықтан
тұнбаға түседі.
Белокты заттардың физика-химиялық қасиеттеріне көптеген факторлар
әсер етуіне байланысты, олардың макромолекулаларының құрылымы өзгеріске
ұшырайды. Барлық табиғи қасиеттерге ие белоктарды нативті дейді. Кей
жағдайда белоктар жылдам нативтілігін жоғалтады да, басқа күйге көшеді.
Нативті белоктың үйлесімді құрылымы өзгеруінен, тек белокқа тән
қасиеттерінен айырылуы салдарынан (ерігіштігі, биологиялық белсенділігі,
электрофорездік жылжымалдығы және т.б.) денатурацияланады. Денатурация
кезінде белоктың макромолекулаларының белсенді конформациясы бұзылады.
Әсіресе мұның олардың коваленттік (пептидтік) байланыстарын бұзбай-ақ
екінші және үшінші құрылымдарын өзгеріске түсіруге әсері бар, ал бірінші
құрылымына ешқандай әсер етпейді деуге болады. Шындығында белоктың
денатурациялануында негізінен оның молекуласындағы дисульфидті көпірлер мен
сутектік байланыстар өзгеріске ұшырайды.
Денатурациялануды болдыратын факторларды физикалық және химиялық деп
екі топқа бөледі: физикалық факторларға: температура, механикалық әсерлер,
ультрадыбыспен өңдеу, ионизациялық сәулелендіру әсері жатса, ал химиялыққа:
ауыр металдардың иондары, минерал және органикалық қышқылдар, аммоний
тұздары, сілтілік және сілтілік жер металдары тұздарының ерітінділері;
органикалық еріткіштер (спирт, эфир, ацетон, хлороформ және т.б.),
алкалоидты реакивтермен де тұнбаға түседі. Әсер етуі жағынан бұларға ұқсас
детергенттер, несеп нәрі, кейбір бояғыштар жатады.
Кейбір физикалық факторлардың әсер ету механизмін жан-жақты қарастыру
керек. Мысалы, ультрадыбыс толқындары мен ионизациялық сәулелендіру
әсерлері салдарынан белоктың макромолекулалары химиялық өзгерістерге
ұшырайды.
Белоктарды тұнбаға түсіру реакциялары қайтымды да қайтымсыз да болып
келеді. Қайтымды болса, тұнбаға түскен белоктың макромолекулалары негізінен
терең өзгеріске ұшыраймайды, сондықтан тұнбаны алғашқы еріткіште (мысалы,
суда) қайтадан ерітуге болады. Қайтымды тұнбаға түсіруде белок терең
өзгерістерге ұшырайды да, ол гидрофильды қасиетінен айырылып, гидрофобтыға
ауысады. Денатурауһцияланған белок, өзінің бастапқы физика-химиялық және
биолгиялық қасиеттерін қалпына келтіру алмайды. Қайтымсыз тұнбаға түсіру
жоғары температураның, қышқылдардың, ауыр металдар иондарының, алкалоидты
реактивтердің, детергенттер, бояғыштар әсерлерінен де болады.
Детергенттер – беттік байланысу белсенділігі жоғары қосылыстар.
Биохимияда олар мембрананың тұтастығын бұзып, ондағы ферменттер мен басқа
да қосылыстарды бөліп алу үшін кең түрде пайдаланылады.
Белоктарды бөлу және тазалау әдістері
Белоктардың ерігіштігі ерітркіш табиғатына, ортаның рН көрсеткішіне,
ерітіндінің иондық күшіне және молекула құрылымына байланысты. Кейбір
белоктар суда ериді, екінші біреулері тұздардың сұйық ерітіндісінде, үшінші
біреулері су мен спирт қоспасында ериді. Сондай-ақ ешқандай еріткіште
ерімейтін белоктар да бар.
Белоктардың суда және су ерітінділерінде ерігіштігі олардың
құрылымына, яғни, амин қышқылдары қалдығындағы бүйірлік топтарға және
олардың иондарына байланысты.
Белоктардың тұнбаға шөгуі су молекулаларына қатысты тұз бен белоктың
өзара бәсекесіне байланысты. Бұл кезде тұз иондары судың көп білігімен
байланысып алады да, белокті ерітетін судан азғантай ғана қалады, сондықтан
белоктің ерігіштігі төмендейді де ол түнба болып шөгеді.
Биологиялық сұйық заттардан белокті бөліп алу үшін іс жүзінде осы
әдіс қолданылады. Әдетте белокті тұнбаға түсіріп, шөктіру, үшін аммоний
сульфаты, натрий сульфаты және хлорлы натрия пайдаланылады. Күкірт қышқылы
аммониймен жартылай қаныққан кезде (қанығуы 50% кезде) қан сарысуынан
глобулин, ал толық қаныққан кезде альбумин және басқа белоктар тұнбаға
шөгеді. Егер ерітіндідегі тұзды бөліп алса немесе оны өте сұйылтса,
белоктар қайтадан ерітіндіге шығады. Осылайша тұнбаға шөктіруді қайтымды
шөктіру, деп атайды. Белоктарды осылай тұнбаға шөктірген кезде, олар
өздерінің алғашқы табиғи қасиетін жоғалтпайды. Этанол, ацетон және басқа да
бірқатар органикалық еріткіштер белоктарды қайтымды шөктіреді.
Қайта ерімейтіндей тұнбаға шөккен кезде белоктар терең өзгерістерге
ұшырайды. Сондықтан оларды тұнбаға шөктірген агентті бөліп шығарғаннан
кейін де белоктар ерітінді күйге қайта ауыса алмайды, өздерінің ерігіштік
қасиетін толық жоғалтады. Мұндай жағдайда белоктың конформациясы қатты
өзгереді. Белокты қайтадан ерітіндіге шықпайтындай етіп, тұнбаға шөктіретін
заттарға ауыр металдардың туздары (мыс, сынап, қорғасын, күміс, темір
мырыш), қышқылдар (үш хлорлы сірке қышқылы, сульфосалицил қышқылы, пикрин
қышқылы, вольфрам қышқылы), гидрототықтар (темір гидрототығы) жатады.
Белоктарды табиғи шикизаттан органикалық синтез жолымен бөліп алады.
Алдымен шикізатты (микробтық, өсімдік және жануар тектес) ұсақтайды. Ол
үшін коллоидты және шарлы диірмендер, гомогенизаторлар, ультрадыбыс, кварц
құмымен келіде ұнтақтау әдістері қолданылады.
Ұсақталған материал тиісті ерітінділерде ерітіледі. Әдетте белоктарды
8-10% тұзды ерітінділермен айырып (экстракциялау) алады. Ол үшін белоктарды
изоэлектрлік күйге түсіретіндей белгілі рН мәні бар буферлік (фосфат,
цитрат, трис-буфер) қоспалар қолданылады.
Айырып алынған белок қоспасын жеке дара белоктарға, яғни фракцияға
бөледі. Ол, спирт ерітінділерімен (метанол, бутанол, этанол) тұнбаға
түсіру, электрофорез, ультрацентрифуга әдісімен жүзеге асырылады. Сонан
соң, жеке дара белоктарды бөлуге кіріседі.
Белокты бөліп алу жолын хроматографиялық әдісарқылы колонкада яғни
целлюлозамен толтырылған немесе ион ауыстырғыш шайырмен жасауға болады.
Белоктарды еріткіштің және бос жүрген иондардың артық мөлшерінен
тазарту үшін диализ әдісі кең қолданылады. Диализдеуде жартылай өткізгіш
мембрана ретінде коллодиден немесе целофаннан жасалған мембраналарды
пайдаланады. Белоктарды (коллоидты ерітінділерді) диализдегенде
молекулаллар мен иондар жартылай өткізгіш мембрана арқылы оңай өтіп,
еріткішке көшеді. Ал, коллоидты бөлшектер молекулалар мен иондарға
қарағанда, мөлшері үлкен болғандықтан, жартылай өткізгіш мембрана арқылы
өтпейді. Еріткішті үнемі, жиі жиі ауыстыру арқылы коллоидты ерітіндіні
бөгде қоспалардан тазартуға болады. Егер диализ процесі электр тогы
әсерімен іске асатын болса, онда электролиз деп, ал ультрафильтр
пайдаланып, қысымды реттеу арқылы диализдейтін болса, ультрадиализ немесе
ультрафильтрлеу дейді. Сонымен жартылай өткізгіш жарғақтан (мемтранадан)
қанттардың, тұздардың және төменгі молекулалы заттардың молекулалары оңай
өтсе, ал белоктың коллоидты бөлшектері өтпейді. Сол сияқты диализ әдісі
арқылы кейде шлобулиндерді, альбуминдерден бөлуге болады. Қ.Қайырхановтың
жануарлар биохимиясы кітабынан алынған осы материалды тақырып
қажеттілігіне сәйкес, мүмкіндігінше өзгертпей тұтас пайдаландық.
Электрофорез белокты бөлудегі қазіргі замандағы ең ыңғайлы әдіс болып
саналады. Бұл әдіспен белокті бөлу мынадай жағдайда жүреді. Белок
ерітіндісі диссоциация кезінде мынадай топқа ыдырайды: СООН және NH2.
Электр тоғының әсерінен бұлар ерітіндіде зарядталған иондарға айналады.
Электр тогының және ерітінді иондарының өзгеруіне байланысты амин
қышқылдары амфотерлі электролит болғандықтан әр түрлі иондарға ажырайды.
Қышқылдық ортада белок оң зарядқа, ал сілтілік ортада еріс зарядқа
айналады. Изоэлектрлік ортада зарядтары нөлге тең болып белок жылжуы
жүрмейді.
Сөйтіп, белоктің жылжуы зарядтарына, ал жылдамдығы заряд шамасына,
мөлшеріне байланысты. Белок әртүрлі қоспалы буферлі ертінді де электрофорез
әдісімен жақсы бөлінеді. Мұны Тизелиус анықтады. Ол буферлі ерітіндіде
электр өрісінің әсерімен белоктың қозғалысын бақылайды.
1. Егер ерітіндіде әртүрлі қоспа болса, онда электрофорез екі не одан да
көп компоненеттердің қозғалысын анықтайды. Мұны электрофореграмма
көрсетіп тұрады.
Мұндай тәжірибені қан плазмасындағы белокты электрофореграмма арқылы
анықтауға болады.
a1 a2 в
Ү б
а в с d
e f
Электрофореграмма адам қан плазмасындағы а – альбумин; a1 a2 –
глобулин; ү - глобулин; б – тұзды тісше.
Белоктың концентрациясы оның алатын орнына дәл келеді.
S = a + b + c + d + e + f;
Белок молекуласының құрылымдары
Қазіргі кезде белоктардың кеңістіктегі конфигурациясын қарастыруда,
оның молекуласының алғашқы (бірінші), екінші (қайталанушы), үшінші және
төртінші құрылымдары бар екені анықталды.
Егер біз амин қышқылының әрбір буынының мөлшері 3А0 шамасында
екендігін ескерсек, онда бірнеше жүздеген амн қышқылы буындарынан құралатын
белок молекуласы ұзын тізбек болуға тиіс еді. Ал, шындығында белок
молекуласы домалақ шар тәріздес болады. Табиғи белокта полипептидтік тізбек
әлдеқалай ширатылып барып, шумақталған, жиыстырылған жіп сияқты. Белоктарды
гидролиздеу мен одан алынған амин қышқылдарын зерттеу, полипептидтерді
синтездеумен бірге белоктардың да құрылысы мен құрылымын анықтаудың бірден-
бір жолы болады. Кез келген белоктың құрылысы мен құрылымын анықтау үшін
мыналарды білу шарт:
а) оның молекуласының құрамына қандай амин қышқылдары енеді;
б) олар қандай реттілікпен байланысқан.
Бұл мәліметтер белок молекуласының тек бірінші немесе алғашқы
құрылымын ғана анықтауға мүмкіндік тудырса, яғни пептидтік байланысармен
жалғасу арқасында түзілген полипептидтік тізбектердегі амин қышқылдары
қалдықтарының белгілі тәртіпте реттесіп, орналасу жағдайын көрсетеді. Әрі
осы арқылы, олардың сапалық құрамы да ерекшеленеді. Амин қышқылдары осылай
түрліше тәртіппен кезектесіп орналасу арқылы, полипептидтердің сансыз
түрлерін түзе алады. Ендеше табиғатта белоктың алуан түрлі болып кездесуі
де, ең алдымен осы полипептидтік тізбектің құрылысы мен құрамына
байланысты. Мұндағы байланыстардың бәрі дерлік ковалентті, яғни нағыз
химиялық берік байланыс. Сонымен бірге, оларда дисульфидтік байланыстар да
кездеседі. Амин қышқылдарының тізбектегі кезектесуі бірдей белоктардың
биологиялық қасиеттері әдетте ұқсас болып келеді. Керісінше, әр түрлі
қызмет атқаратын белоктардың әр уақытта алғашқы құрылымы да әр түрлі.
Соңғы жылдары белоктардың химиясы мен биохимиясы ойдағыдай қарқынмен
дамуда. Әсіресе белоктардың бірінші құрылымы (структурасы) туралы
мәліметтер жинақталуда, оның ішінде қазіргі кезде 14-тен астам белоктардың
бірінші құрылымы белгілі болды. Мысалы төмендегідей:
Белок аттары Молекулалық
Амин қышқылдары
салмағы қалдықтарының саны
1 2
3
Клупин 5000
30
Инсулин 6000
51
Цитохром С 12363 104
Рибонуклеаза 13500 124
Лизоцим 14000 129
Гемоглобин 68000
а - тізбек
141
в - тізбек 17000 146
ү - тізбек 146
Миоглобин 17000 155
Темекі вирусы 18000 158
Папаин 20700 187
Трипсин 23950 228
Трипсиноген 24700 234
Химотрипсиноген 24744 246
Карбоксипентидаза 34300 255
Пепсин 34400 340
Альдолаза, энолаза, фосфоглицеральдегиддегидрогеназа,
триптофансинтетаза, катепсиндер, фибриноген, фосфоглюкомутаза,
протеиназаның стрептококтан алынған, альбуминнің т.б. белоктардың бірінші
құрылымы туралы зерттеу жұмыстары қарқынды түрде жүргізілуде.
Сонымен белок молекуласында бір немесе бірнеше полипептидтік тізбек
болуы мүмкін. Мысалы, рибонуклезада – 1, инсулинде – 2, гемоглобинде – 4,
мозайка белогінің вирусында - 2130.
Полипептидті тізбектің кеңістік бейнесі белоктың екінші құрылымы
болады. Пептидтік топтардың өзара тартылуы есебінен белок молекуласының
ішінде сутектік байланыстар түзіледі. Полипептидтік тізбек кеңістікте
әртүрлі формада болуы мүмкін. Көбінесе ол, белок ішінде спираль тәрізді
ширатылып тұрады. Спираль орамдары тығыз орналасады да, көршілес
орамдардағы атомдармен амин қышқылының радикалдары арасында бір-біріне
тартылу пайда болады. Мұндай құрыдым спиральдың көрші иірілген жерінде
болатын –СО және – NH – топтарымен сутектік байланыс арқылы берік
сақталады. Полипептид тізбектері спираль түріне келіп иілгенде амин
қышқылдары қалдықтарының радикалдары сыртқа қарай бағытталады. Спиралдың
бір айналымына 3,6 шамасындай амин қышқылдарының қалдығы келеді, спиральдың
әр қадамы 0,54 нм (3,6х0, 15 нм). Сутектік байланыс ковалентті
байланыстан әлдеқайда әлсіз, алайда ол бірнеше рет қайталанып келген соң
берік ілініскен болып саналады.
Ал белоктардың екінші құрылымы өзгеріске ұшырағанмен, қазіргі кезде
бұрынғыға қарағанда полипептидті тізбектің спиралбды конфигурациясының
меншікті салмағы жоғары бағалануда.
Полипептидтік тізбектің мұндай орамды түрі а- спираль (Л.Полинг,
Р.Корн, 1951 ж.) және в – құрылымы (қатпарланған жапырақ) деп аталады (1-
сурет).
Белоктың екінші құрылымын түзетін спираль да түзу емес, олда өз
кезегінде бұралып иіріледі. Ондай бұралу кейде өте күрделі құрылым жасайды.
Бір полипептидтік тізбектегі барлық аомдардың кеңістікте өте шағын глобула
жасап орналасуы белоктың үшінші құрылымы болып есептеледі (2 сурет).
Белок молекуласы пішініндегі иіліп бұралуу, қат-қабат қатпарлар,
қисық бұрылыстар негізінен төмендегідей коваленттік емес әрекеттесуге
байланысты: 1. Амин қышқылдары қалдықтары арасындағы сутектік байланыс,
мысалы, тирозин мен глутамин қышқылының арасындағы байланыс; 2. Қарама-
қарсы зарядтары бар бүйірлік топтардың өзара әрекеттесуінің
электростатикалық күштері (лизин мен аргинин, глутамин қышқылы мен
аспарагин қышқылы); 3. Амин қышқылдарындағы полярсыз радикалдар арасындағы
гидрофобтық әрекеттесу. Гидрофобты ілінісу күші өте әлсіз байланыс
болғанымен де, бірнеше рет қайталанып келетіндіктен, олардың барлығы
қосылғанда едәуір әрекеттесу қуатын береді. Бұл құрылым полипептидтер
тізбегі радикалдарының функциялық топтарының әсерінен берік күйде болады.
4. Белок молекуласындағы металл иондарының және амин қышқылдарындағы
бүйірлік топтардың өзара әрекеттесуі.
Кейбір белоктардағы, оның макромолекуласының үшінші құрылымын
ұстастыруға амин қышқылы цистиннің полипептидтік тізбекте бір-бірінен алшақ
орналасқан радикалдары арасында пайда болатын – S – S – (дисульфидті
байланыс) деп аталатын берік коваленттік байланыс еләуір рөл атқарады.
H NH CH3
C O H – N - C
C C – N – H
H3C C
NH C
C – CH3
O
Белок молекуласының түрі
2-cурет. Бұлшық ет миоглобинінің үшінші құрылымының
нобайы. м.м. 17000
Екі немесе дан да көп полипептидтік тізбектен тұратын белоктар
олигомерлер деп, ал полипептидтік тізбектер протомерлер немесе суббөліктер
деп аталады. Суббөліктердің кеңістікте өзара орналасуы белоктың төртінші
құрылымы болып саналады. Белоктың төртінші құрылымы едәуір күрделі
конформация болып есептелінеді. Әр суббірліктің (протомердің) өзіне сәйкес
екінші және үшінші құрылымы болады. Бұл құрылым күрделі белоктарға ғана
тән. Байланыс жасайтын бөліктері (учаскелері) бірбіріне сәйкес
(комплементарлы) болуға тиіс. Суббірліктерді Ван-дер-Ваальс,
электростатикалық тартылу, гидрофобты әрекеттесу күштері біріктіріп тұрады.
Бір ғана полипептидтік тізбектен тұратын белоктармен салыстырғанда,
олигомерлік белоктар күрделі қызмет атқарады. Мұндай күрделі қызмет
атқаратын белоққа қан гемоглобині жатады. Қан гемоглобині әр қайсысы
миоглобин сияқты 4 суббөліктен құралған. Көптеген ферменттердің, М және А
иммуноглобулиндердің және тағы басқа белоктардың молекулалары төртінші
құрылыман құралған.
Соңғы жылдардағы зерттеулер нәтижесінде белоктардың төртінші құрылымы
туралы жаңа мәліметтер белгілі бола бастады. Молекулалаық салмағы 50000-нан
артық кез келген белок протомерлердің молекуласынан құрылады екен.
Мультимерлердің молекуласында протомерлердің орналасуы әртүрлі. Тәжірибе
жүзінде белгілі протомерлердің мультимерлерге жалғасуы, өзара іріктелуі
арқылы пайда болады. Бұл жаңа перспективалар табиғаттағы молекулалық
комплекстердің түзілу заңдарын ашады және морфогенез құбылысының түзілуіне
де әсер етеді. Ферменталогия саласында белокті – ферменттердің төртінші
құрылымын қайта жасау туралы мәселе изоферменттердің есебінен
ферментативтік процестердің реттелу етігін ашуға әкеліп соқты. Оның мәні
мынада, ферменттердегі мультимерлер-молекуласының құрамына әртүрлі екі
сорттың суббірліктері енеді. Осы суббірліктердің ара-қатынасына байланысты
мультимерлердің ферментативтік активтілігі не жоғары, не төмен болып
келеді.
Белоктардың классификациясы
Химиялық құрамына қарай белоктар: қарапайым белоктар (протеиндер) және
күрделі белоктар (протеидтер) топтарына бөлінеді.
Күрделі белоктар
Олардың негізгі өкілдері және сипаттамасы
Құрамында белоктік бөлігі және белоксіз бөлігі бар қосылысты күрделі
белоктар - протеидтер, ал мұндағы белоксіз бөлікті простетикалық топ деп
атайды. Ол топ белоктың биологиялық қызметінде маңызды рөл атқарады.
Күрделі белоктар құрамында кездесетін белокты және белоксіз бөліктер,
шамасы коваленттік байланыспен жалғасатын сияқты. Бұл құбылыс былай
түсіндіріледі. Егер күрделі белокты басқа заттардан бөліп алғымыз келсе, ол
тек белоксіз бөлігімен ғана бөлініп алынады да, белоксіз бөлігі, оның ылғи
да негңзгңкомпоненті ретінде бірге жүреді. Күрделі белоктар құрамында
болатын промтетикалық топтардың сипатына қарай мына төмендегідей топ
тармағына бөлінеді.
1. Нуклеопротеидтер – нуклеин қышқылы бар белоктар кешені, яғни оның
құрамы жай белоктар мен нуклеин қышқылдарының қалдығынан тұрады.
Простетикалық топтың (нуклеиин қышқылының) ерекшелігіне байланысты, оларды
дезоксирибонуклеопротеидтер және рибонуклеопротеидтер деп бөледі.
Молекулалық массалары үлкен болып келеді. Дезоксирибонуклеопротеидтер
барлық клеткалардың ядросында, митохондрияларында және сперматозоид
шөмішінде кезедседі. Сондықтан, олардан клеткадағы ядроның негізгі бөлігі
құралдары және олар ұлпадан айрықша бөлініп тұрады. Нуклео-протеидтердің
биологиялық рөлі зор. Олар клетканың құрылымдық элементі ғана емес, сонымен
бірге тірі ағзаларда негізгі қызмет атқарады. Бұл белоктардың құрамында
гистондар мен протаминдер нуклеин қышқылымен байланысқан. Олар ядродағы ДНҚ
құрылымын қалыпқа келтіріп, тұрақтандырады. Клетканың бөлінуі, белоктардың
биосинтезі, тұқым қуалаушылық ақпараттар, көп түрлі коферменттік қызметтер
нуклеопротеидтермен тығыз байланысты. Нуклеиопротеидтерге вирусты белоктар
да жатады, оларды осы жағынан қарастыру өте қызықты.
2. Фосфопротеидтер – жай белоктар мен фосфор қышқылы қалдықтарынан
тұрады. Ол полипептидтік тізбектегі серинге, не треонинге жалғасады,
Қыздырғанда ұйымайды. Қышқылдармен әсер еткенде ұйиды. Фосфопротеидтерге
сүттегі казеин, жұмыртқа сары уызындағы виталлин, балық уылдырығындағы
ихтулин және бірқатар ферменттер (пепсин мен фосфорилаза) жатады.
3. Гликопротеидтер – құрамында қанттар (манноза, галактоза,
гексозаминдер, сиал қышқылы және басқалары) бар күрделі белоктар.
Жануарлардың, адамның, өсімдіктердің және микроорганизмдердің барлық
ұлпаларында көп кездеседі. Гликопротеидтерге сілемей муциндері, тірек
ұлпалар (шеміршек, сүйек ) мукоидтары жатады. Сондай-ақ, бұларға глюкурон
қышқылы, хондроитинкүкірт қышқылы, гепарин, хитин сияқты заттардың да
қатысы бар. Олар буындарды майлайды, клетка мембранасы құрылымының
қалыптасуына, иммунологиялық реакцияларға қатысады, эритроциттердің беткі
жағында орналасады, қан тобын (группасын) анықтайды.
4. Липопротеидтер- белоктар мен липидтерден (триглицеридтер,
фосфолипидтер, холестерол, сфинголипидтер, май қышқылдары) тұратын
комплекс. Клетка мембранасының құрылымына кіреді. Липопротеидтер бос
күйінде қан плазмасында және лимфада кездеседі және ол липидтерді, кейбір
гормондарды бір орнынан екінші орынға ауыстырып апара алады.
Электрофорездік қозғалғыштығы бойынша а – липопротеидтерге және в –
липопротеидтерге бөлінеді.
5. Хромопротеидтер (грекше chroma – түс, бояу және протеидтер) –
боялған күрделі белоктар. Простетикалық тобы боялған зат және жарық
сіңіргіш белгілі бір спектрі бар. Хромопротеидтерге гемоглобин, миоглобин,
циторомдар, пероксидаза, каталаза, флавиндік ферменттер жатады. Табиғатта
жиі кездесетін хромопротеид-родопсин, көздің аяқшаларында болады, кешқұрым
қас қарайғанда адамның көзінің көруінің көмектеседі.
Гемоглобин глобин белогінан және простетикалық топ гемнен тұрады.
Адамның және барлық омыртқалы жануарлардың дерлік гемоглобиннің бірінші
реттік құрылымы мен конформациясы жақсы зерттелген. Гемоглобин молекуласы
қысқаша Нв таңбасымен белгіленеді. Ересек адам мен жануарлардың гемоглобин
молекуласы НвА (латынша adultus - ересек), төрт суббөліктен тұрады, оның
әрқайсысына 141 амин қышқылы қалдығы бар өзара ұқсас екі а- полипептидтік
тізбек және 146 амин қышқылының қалдығы бар екі в – полипептидтік тізбек
кіреді. Гемоглобин тетрамерінің құрылымы нобай түрінде былай жазылады.
НвА=а2в2..
Суббөліктің (мономердің) молекулалық массасы 16000, гемоглобин
молекуласынікі (16000 х4) = 64000.
Суббөліктің әрқайсысында бір гем бар. Гем – дегеніміз күрделі қосылыс. Ол
екі валентті темірмен байланыс-қан порфириннен құралады. Порфириннің 15
изомері бар. Оның бір изомері-протопорфирин ІХ гемнің құрамына кіреді.
Протопорфирин ІХ қосылысының қаңқасы 4 пир рольдік сақинадан құралған. Ол
сақиналар өзара метин тобы (=СН-) арқылы байланысқан. Қызыл түске (қанның
түсіне) боялған гемнің құрылым формуласы мынадай:
H3C 3 4 CN = CH2
CH N CH
CN = CH2 CH3
2 5
N--------------- Fe2+-------------- N
1 6
CH3 CH2 – CH2 - COOH
CH CH
H3C CH2 – CH2 - COOH
8 9
Гемоглобин мен миоглобин гемі
Сүтқоректі жануарлар гемоглобиніндегі темір мөлшері -0,336%, гем – 4%
миоглобин құрамындағы темір мөлшері 0,318%
Барлық гемоглобиннің қызметі біреу ғана – ол тыныс алу үшін
молекулалық оттегін өкпеден ұлпаларға және клеткалардағы (ұлпалардағы)
көмірқышқыл газы СО2 мен протонды Н+ кері қарай өкпеге және бүйрекке
жеткізу, одан кейін бұл екеуін сыртқа шығару.
Гемоглобиндер қан эритроциттерінің құрамына кіреді. Бір эритроците
400 млн шамасына дейін гемоглобин молекулалары болады. Гемоглобиннің әр
молекуласы оттегінің 4 молекуласымен байланыса алады (әр гемге оттегінің 1
молекуласы 02 қосылады).
Гемоглобин құрамында оттегі гемдегі екі валентті темірге қосылады, бұл
процесті оскигенация деп атайды. Оттегімен байланысқан гемоглобинді
оксигемоглобин, оттегімен байланыспаған бос гемоглобинді дезоксигемоглобин
деп атайды.
Нв + О2 НвО2
Ұлпаларда оттегінің тиісті мөлшердегі қысымы азайған кезде
оксигемоглобин гемоглобинге және оттегі молекуласына О2 оңай бөлінеді.
Гемоглобин молекуласы әртүрлі қосылыстармен өзара әрекеттесе алады.
Көміртегі (ІІ) тотығының организмге улы әсер етіп уландыруы гемоглобиннің
көміртегі тотығымен СО көп жағынан өте ұқсас және ол тотықтың көмегімен
салыстырғанда 300 еседей активті болуына байланысты. Осының нәтижесінде ол
эритроцитпен кездескен кезде оның құрамындағы оксигемоглобиннен оттегін
ығыстырып шығарады да карбоксигемоглобин түзеді.
НвО2 + СО
НвСО + О2
Бұл реакция қайтымды. Иіс тиіп уланған адамды таза ауаға шығарған
жағдайда көміртегінің тотығы СО ығыстырып шығарылады да, гемоглобин
қайтадан оттегімен әрекеттесіп, оксигемоглобин түзеді (3-сурет).
глобин глобин
глобин
+ CO + O2
- O2
карбоксигемоглобин гемоглобин
оксигемоглобин
(дезоксигемоглобин)
- е-
тотықтырғыш
глобин
метгемоглобин
3-сурет. Гемоглобиннің әртүрлі қосылыстарының түзілуі нобайы. Гемнің пиррол
сақинасы N әрпімен белгіленген.
6. Металлопротеидтер. Бұл күрделі белоктардың простетикалық
топтарының металдар (Cu++, Fe++, Fe+++, Zn++) кездеседі. Мұндағы металдар
полипептидтік тізбектің құрылымдық элементімен арнайы атомдар тобы арқылы
емес, тікелей жалғасқан деген болжам бар. Бұларға ферритин белогы жатады,
ол өттің құрамында болады. Кристалды ферритин құрамында 20% темір тотыққан
күйінде кездеседі. Әрбір пептидтік байланысқа бір атом темір келеді деп
есептелген. Мәселен, полифенолоксидаза – тотықтау – тотықсыздандыру
ферменті құрамында мыс бар.
Белоктық, пептидтік гормондардың және амин қышқылдарының туындысы болып
табылатын гормондардың әсер ету механизмі
Бұл топқа жататын гормондардың (адреналин, глюкагон, кальцитотин,
паратгормон, гипофиз гормондары т.б.) гидрофильдік қасиеті болады,
сондықтан олар клетка мембранасының липидтік қабатынан өтіп кете алмайды.
Олардың рецепторлары клетканың үстіңгі бетіне орналасады.
Бұл гормондардың әсер ету механизмі плазмалық мембранамен байланысқан
рецепторлармен өзара әрекеттесуден басталады. Гормондардың өзі клеткаға
енбейді, сондай-ақ плазмалық мембранамен байланысқан аденилатциклаза
ферменті қолайлы жағдай туғызу жолымен әрекет етеді. Осының нәтижесінде,
клеткадағы цАМФ мөлшері көбейеді, оны жоғарыда біз екінші кезектегі
реттегіш деп атағанбыз.
Клеткадағы гормондар қасиетінің әрі қарай іске асуы цАМФ арқылы, оның
синтезін күшейту немесе тежеу жолымен орындалады. Жануарлар клеткасында
цАМФ әсері клетка ферменттерін активтендіру арқылы басталады, ондай
ферменттер цАМФ – тәуелді протеинкиназа деп аталады. Ол ферменттер АТФ-тен
фосфаты ерекше белоктардың (солардың ішінде ферменттердің ) серині мен
треонинінің белгілі бір қалдықтарына ауыстырылуын катализдейді.
Фосфорланған белоктар биологиялық активті болады. Фосфорланбаса олар
өздерінің арнайы қызметін атқара алмайды. Активтенген протеинкиназа әртүрлі
ферменттерді (мысалы, фосфорилазаны); хроматин белоктарын және клеткадағы
әр гормонға ерекше тән басқа да белоктарды фосфорлайды. Гормонның бір
молекуласы белоктың 105 молекулаларын фосфорлай алады.
Фосфорлау жолымен активтенген фосфорилаза гликоген ыдырауын
катализдейді де, ол бірнеше аралық өнімдерден кейін глюкоза береді.
Хроматин белоктарын фосфорлау оның құрылымын өзгертеді, ДНҚ-ның
жекелеген учаскелері белоктан босанады (дерепрессия болады), оларда әр
гормонның өзіне ғана тән иРНҚ синтезі (транскрипция) басталады. Бұдан кейін
сәйкес белоктар трансляцияланады.
Клеткада цАМФ әсерімен ферменттердің активтенуі арқылы, жоғарыда
аталғандардан басқа гликолиз, липолиз процестері, тасымалдау және басқалар
(сурет) іске асады.
Аденилатциклазаның активтенуі қалай болады? Гормонның өзінің
рецепторымен байланысуы оның активтенуіне тікелей емес, үшінші
байланыстырушы бело – мембраналық ГТФ Г-белок, м.м. 42000, арқылы әсер
етеді. Гормонның рецепторға қосылуы рецептордың пішінін өзгертеді, соның
нәтижесінде ол Г – белокпен байланысады. Осыдан кейін Г – белокта НТФ-пен
өзара әрекеттесе алатындай қасиет пайда болады және оның пішіні өзгереді.
Осылайша өзгеріске ұшыраған Г – белок қана аденилатциклазаны
активтендіреді, бұдан кейін аденилатциклаза цАМФ түзілуін катализдейді.
Аденилатциклазаның жұмысын тоқтатудың да маңызы зор. Клеткада бұл
ферменттің үздіксіз жұмыс істей беруіне жол беруге болмайды.
Аденилатциклазаның жұмысын қалай тоқтатуға (активсіздендіруге )
болады? Г – белок дегеніміз ГТФ-аза ферменті болып табылады екен. Ол өзімен
байланысқан ГТФ-ты гидролиздеп ГДФ және органикалық емес фосфатқа
айналдыру арқылы активсізденеді. Осының нәтижесінде аденилатциклаза өзінің
бастапқы күйіне түседі де,цАТФ түзілуі тоқталады.
Сонымен Г – белоктың ГТФ-пен байланысқан комплексі аденилатциклазаны
активтендіреді, ал Г – белоктік ГДФ-пен байланысқан комплексі ондай әсер
етпейді, аденилатциклаза жүйесін істен шығарады. Сонымен аденилатциклазаның
активтенуіне немесе активсізденуінде шешуші рөлді Г – белок атқарады.
Аденилатциклаза механгизмінің әсерін тоқтату салдарының зиянды әсері
тырысқақ дерті (холера) кезінде байқалады. Тырысқақ дертінің уы Г – белокты
мүлде өзгертіп жібереді, тіпті ол ГТФ-ты гидролиздеп, ГДФ және фосфатқа
айналдыру қасиетінен айырылады. Г – белок қайтымсыз активті қалыпқа түседі.
Осының нәтижесінде ішек эпителийі клеткасында цАМФ мөлшері ұзақ уақыт бойы
көбейеді, ол жағдай судың және натрий иондарының көп мөлшерде ішек ішіне
өтуіне себеп болады. Бұл қара тышқақ сияқты ауыр дертке душар етеді, ол
дертті холера уы қоздырады (Б.Алберт және басқалар, 1987ж).
Кейбір гормондар (инсулин, окситоцин және басқаларының) мембраналық
рецепторлармен байланысып цАМФ синтезін тежеп, оны төмендетеді. Бұл
жағдайда басқа бір циклды нуклеотид – цГМФ мөлшері көбейеді. Ол
гуанилатциклаза ферментінің әсерімен түзіледі. Оның концентрациясы цАМФ
концентрациясынан 10 есе кем болады. цАМФ сияқты, ГМФ-та негізінен белгілі
бір протиенкиназалар арқылы әсер етеді. Біз қарастырып отырған жағдайда
цНМФ – тәуелді, бірақ қарсы әсер ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz