Молекулярная биология

                            Белоктар.

 

Белок химиясының тарихы, бәлкім 1745 ж. "Белок ғылым және өнер институтының комментарийларында (хабарламаларында)" итальяндық Я. Беккаридің жарияланған жұмысымен басталған болар. Бидай ұнынан бұрын белгісіз зат алғанын ғалым осы еңбегінде хабарлаған. Бидайдан алынған клейковина (ұлпа) кептірілгеннен кейін тауық жұмыртқасының кептірілген белогына өте ұқсас болған.

Осылайша алғашқы белок препараты дайындалған. Сөйтіп, белоктық заттарды зерттеудің ұзында және өте қиын тарихы басталды. Ғалымдар ең қарапайым белок - инсулиннің молекуласының құрылысын ашқанша 200 жылдан артық уақыт өтеді. Осы мезгіл бойы белок құрамы, оның ұйымдасу жөнінде ондаған болжамдар ұсынылып және олар бекерге шығарылған. Барлық болжамдар ғылыми мұрағаттарда жайлы орын тапқан.

Әйтеуір, 1945 ж. көптеген зерттеушілердің күшімен белок молекулаларының бір ұзын тізбекке жалғанған амин қышқылдарынан тұратыны анықталды. Белок молекуласын түзетін  амин қышқылдары көп емес - барлығы 20. Ал қараңыздар, белоктар молекуласы амин қышқылдарының кезектесіп орналасу бір ізділігімен ерекшеленеді. Мысалы, бір белокта валиннен кейін триптофан келеді. Олардың орнын ауыстыру арқылы басқа қасиеті бар жаңа молекула алуға болады. Айталық, егер біріншісі организмде маңызды қызмет атқарса, екіншісі мүлде қажетсіз болуы мүмкін.

Ал енді математикаға оралайық. Егер біз белок молекуласын әрдайым жаңадан 20 амин қышқылынан құрастырсақ, төрт амин қышқылынан түратын пептид 20-20-20-20= 160000 әртүрлі тізбек, ал амин қышқылының п санынан - 20" тізбек береді. Сөйтіп, орташа үзындығы 300-те таяу амин қышқылынан тұратын 10390 әртүрлі белок болуы мүмкін. Ал жиырма амин қышқылынан тұратын молекула "нағыз" белок молекулаларымен салыстырғанда өте құртымдай құрылым. Осыдан бар жоғы 20 амин қышқылынан ғана құрылған белоктардың шексіз түрлерінің пайда болатынына көз жеткізуге болады.

Белоктар - биологиялық макромолекулалардың негізгі кластарының бірі. Клеткалардың көп мөлшері белоктардан трады: құрғақ заттың жартысы белоктардың үлесіне тиеді, Клетканың

құрылымын және пішінін белоктар анықтайды; сонымен қатар, молекулалық тану және катализдік құрал қызметін атқарады. Клетка қүрылысына қажетті акпаратты ДНҚ "шартты" түрде, клеткалық процестерге тікелей араласпай, ұстайды. Мысалы, оттегін тасымалдау гемоглобинге тән қасиет, бұл белокқа жауапты геннің оған қатысы жоқ. Компьютерлік терминологияны қолдансақ, нуклеин қышқышдары аналық клеткадан''алынған нұсқауды "бағдарламамен қамтамасыз етеді". Белоктар ""аппаратты қамсыздандыру" - клетканың жадында сақталған бағдарламаның физикалық механизмін іске асырады.

Осындай нуклеин қышқылдары мен белоктар қызметінің айырмашылығы, оларды құрайтын суббірліктердің химиялық табиғатынан байқалады,

ДНҚ және РНҚ молекулалары химиялық жағынан өте ұқсас алып молекулаларды құрайтын нуклеотидтерден түрады, олардың қасиеті бірізділігіне көп байланысты емес. Ал белоктар әртүрлі 20, бір біріне ұқсамайтын, амин қышқылдарынан тұрады, олардың әрқайсысының химиялық қасиеті ерекше,

Атқаратын қызметінің шеңберінің кеңдігі, олардың химиялық құрылымының және кеңістіктегі пішінінің молшылығымен сипатталады. Әртүрлі белоктардың химиялық қасиеттерінің әмбебаптығы да осыған негізделген.

          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                     Белок молекуласының деңгейлері.

 

Оның ішіндегі алғашқы ең қарапаиымы полипептид тізбек, яғни өзара пептидті байланыспен жалғанған амин қышіқыл буындарының тізбегі. Бұл - белоктың алғашқы құрылымы деп аталады; мұндағы байланыстардың бәрі ковалентті, яғни нағыз химиялық берік байланыс.

Полипептидтік тізбектің белігінің екінші құрылымы деп бүйірлік тізбектің конформациясын есептемегендегі сол фрагменттегі негізгі тізбектің конформациясын айтады. Мүнда белок жіпшесі шиыршық тәрізді ширатылып түрады. Шиыршық орамдары тығыз орналасады да, көршілес орамдардағы атомдар мен амин қышқылының радикалдары арасында бір-біріне тартылу пайда болады. Атап көрсеткенде, көршілес орамдарда орналасқан пептидтік байланыстар арасында (М/-пен СО-топтары арасында) сутектік бай-ланыстар түзіледі. Сутектік байланыс ковалентті байланыстан әлдеқайда әлсіз, алайда, бірнеше қайталанғаннан кейін ол да берік ілінісетін болады. Сансыз көп сутектік байланыстармен "жермелген" полипептидтік шиыршық едәуір тұрақты құрылым болып саналады. Белоктың екінші қүрылымы одан әрі тағы түйінделеді. Ол әлдеқайда қызық иіріле келіп оралады, бірақ соның өзінде де ол бір қалыпты және әр белокта ерекше пішінде болады.

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

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

Бұл - полюссіз молекулалардың немесе полюссыз радикалдардың арасындағы ілініс күші. Ондай радикалдар амин қышқылдарының бірсыпырасында кездеседі. Полипептидтік байланыстағы гидрофобты радикалдардың бір-біріне тартылып, жабысу себебі суға шашыраған майдың немесе басқа 6'ф гидрофобты заттың тамшыға жиналу есебімен бірдей. Гидрофобты ілінісу күші ете әлсіз байланыс болғанымен де, бірнеше рет қайталанатындығынан олардың барлығы қосылғанда едәуір әрекеттесу қуатын береді. Белок молекуласының аса күрделі құрылымын ұстап тұруға "әлсіз" байланыстардың қатысуының салдарынан, ол анағұрлым тұрақты және өте қозғалғыш болады. Кейбір белоктардың макромолекуласының үшінші құрылымын ұстастыруға амин қышқылы цистеиннің (цис) полипептидтік тізбекте бір-бірінен алшақ орналасқан радикалдары арасында пайда болатын, 5-5 (эс - эс) байланыс деп аталатын берік коваленттік байланыс әжептәуір роль атқарады, бірақ тұрақты үшінші құрылым ұйымдасу үшін олардың болуы шарт емес. Мысалы, миоглобин және гемоглобин молекулаларында 5-5-байланыстар

 

. Белок молекуласы кұрылысының әр түрлі денгейі:

1 - алғашқы; 2 - екінші; 3 - үшінші; 4 - төртінші кұрылымдары

Көпшілік жағдайларда белоктың бірнеше макромолекуласы бір-бірімен қосылып, өте үлкен агрегаттар түзеді. Мысалы, гемоглобин осы белоктың төрт макромолекуласының жиынтығы болып саналады. Тек осылай жиылу арқылы ғана гемоглобин қалыпты қызмет атқарады, яғни оттегі молекулаларын қосып алып тасымалдай алады екен.

Белоктың төртінші құрылымы деген ұғым - мономердің кеңістіктегі өзара орналасуы, олар бірнеше суббірліктерден қүралып, белок молекуласын қүрады. Гемоглобин молекуласы әдеттегі тетра-мер болғандықтан, оның құрамына екі бірдей а-тізбек және екі үқсас в-тізбек кіреді. Төртінші құрылым байланыстар (сутекті, гидрофобты) әлсіз жалғасқан, ал кейде 5-5-байланыстармен де жүзеге асырылады.

 

 

 

 

 

 

 

 

                  Белок құрамының жас мөлшеріне қарай өзгерүі.

 

Әр түрлі гендер бір мезгілде белсенділік" –таныта бермейді, ол организмнің жасына, белок құрамының • өзгеруіне байланысты. Белок құрамы дамудың әр түрлі кезеңінде біркелкі болмайды. Синтезделген белоктың әр қилылығын адам гемоглобинінің өзгеруінен көруге болады. Адам ұрығының дамуының ерте кезеңінде гемоглобиннің Ғ түрі пайда болады. Ол екі түрлі а және у полипептид тізбектерінен тұрады. Эмбриондық дамудың 13-аптасынан кейін ересек адамдарға тән А гемоглобині синтезделе бастайды. А гемоглобинінде у тізбегі қүрылысы езгеше S тізбегімен ауыстырылады. Екі гемоглобинніңде у тізбегі бірдей, олардың синтезін бір ғана ген басқарады. Е.К. Меркурьева мен С. Мигле қарала тұқымды бұзаулардың туғаннан кейінгі бірінші күні фетальдық (лат. "фетус" - ұрық) гемоглобині жалпы гемоглобин санының 75,5%, джерсей түқымының - 55,3% болатынын хабарлайды. Кейіннен бұл көрсеткіш бірте-бірте темендейді. Ғ гемоглобинінің А түріне толық ауысуы қарала бұзауларда 110 күні, джерсейлерде -120 күннен кейін, кострома тұқымының бұзауларында В.В. Пильконың деректері бойынша 100-ші күні болады екен. Бұзаулар қанының сарысуындағы белоктың мөлшері мен құрамы эмбриондық жасына қарай өзгеретіні байқалған

Ұрықтың дамуының бірінші кезеңі қанның сарысуындағы белок мөлшерінің төменділігімен сипатталады. Күні ұлғайған сайын белоктың сапалық құрамы өзгереді.

 

Ірі қара мал ұрығының қан сарысуыңдағы белоктық құрамы (В.М. Холодтың деректері)

Көрсеткіштер	Ұрықтың жасы, айы
№	2	3	4	5	6	7	8	9
Жалпы белок, %	2,62	2,69	2,97	2,99	3,19	3,13	4,05	4,44
Белок фракциялары %: Альбумин	28,4	28,4	40,5	46,9	53,3	50,1	53,1	54,8
Глобулин	71,6	64,5	59,5	53,1	46,7	49,9	46,9	45,2
Белоктық коэффициент	0,4	0,55	0,68	0,88	1,14	1,0	1,13	1,21

 

 

 

Альбуминнің глобулиндерге қатынасы екі айлық ұрықта 0,4-тен туар алдында 1,21-ге дейін жоғарылайды. Глобулин фракциясы да айтарлықтай өзгереді. Мысалы, эмбриональдық сатыға тән фетуин осы көрсетілген уақыт ішінде жалпы глобулиндердің мөлшерінен 57,6-дан 24,5%-ке азаяды. Туғаннан кейін 2-3 күн ішінде фетуин мүлде жоғалады. Осындай өзгеріс қой және ешкілердің ұрықтық кезеңінде байқалған. Туғаннан кейінде белок спектрінің өзгеруі тоқтамайды. А.С. Гурьянованың хабарлауы бойынша қоңыр түсті латыш тұқымы құнажындарының қан сарысуындағы жалпы белок 3 айдан 18 айлыққа дейін 6,12-ден 7,54% оның ішінде глобулин 3,03-тен 4,24%-ке дейін өскен. Глобулиндер фракциясында да айтарлықтай өзгерістер байқалған. А-глобулин - 0,89-дан 1,29%, у-глобулин - 0,01-ден 2,06 өсіп, В-глобулин - 1,13-тен 0,89% дейін төмендеген.

Кейбір органдар мен тканьдер белгілі бір белоктар синтездеуге маманданған және РНҚ мөлшері кейбір кезендерде жоғарылайды не төмендейді. Сиырлардың, құнажындардың жөне қашарлардың желініндегі ДНҚ мен РНҚ қүрамын И.Я. Шихов зерттеген. Оның деректерінде РНҚ-ның ДНҚ-ға қатынасы орташа: қашарларда - 0,48, құнажындар мен сиырлардың туар алдында - 1, сауыла бастаған сиырларда - 2,34, суалар кезде - 1,72 болған. Желіліндегі РНҚ-ның мөлшері мен сүт мөлшерінің арасында өте тығыз жоғары өзара байланыс (г = 0,71) бар екені анықталды. Бұл көп сүт беретін кезде сиырдың желінінде белоктың көп түзілетіндігін керсетеді, ал сүт азайғанда белок мөлшері де азаяды. Мұның бәрі иРНҚ-ның синтезінің әрбір кезеңге сай езгерүінде белгілі бір бірізділік барлығының куәсі, ол әр жас кезеңімен байланысты. Демек мұндай синтез ДНҚ-ның барлық учаскесінде бір мезгілде жүрмейді.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                        Гемоглобинопатиялар.

 

Гемоглобинопатиялар — глобин ақуыздарының полипептидтік тізбектерін кодтайтын гендердін мутациясы нәтижесінде дамитын тұқым қуалайтын аурулар тобы болып табылады. Гемоглобинопатиялардың әр түрлі нұсқаларында не гемоглабин формасы өзгереді, не глобин тізбектерінің құрамының ара қатынасы өзгереді.

Гемоглабин 4 полипептид тізбегінен тұратын гетерогендік ақуыз. Қалыпты жағдайда ересек адамның 95-98% гемоглобиндері құрамына 2 альфа ( а) және 2 бетга (р) тізбектері кіретін Нв А (а2,в2), ал 2-2,5% гемоглобиндері Нв А2 (а2. 82), тек 0,1-2% гемоглобиндері ұрық (фетальды) гемоглобині НзҒ (а2, ү) күйінде болады.

Эмбриогенез барысыңда гемоглобиңдер арақатынасы мүлдем басқаша болады және постнатальдық кезеңде еш уақытта кездеспейтін формалары кездеседі. Мысалы, 18 апталық ұрықтар құрамында ересек адамдарда кездеспейтін - е полипептид тізбегі бар Нв Gower2 (а2,e2) гемоглобин, 20-шы аптадан бастап бұл гемоглобин НвҒ (а2,у2) гемоглобинмен ауыстырыла бастайды және ол құрсақтағы балада, жаңадан туылған нәрестелерде басым болады. Фетальдық гемоглобиннің А гемоглобинмен алмастырылуы 1 жаста жүзеге асады.

Глобин гендерінің орналасу ерекшеліктеріне және транскрипциялануының қадағалануының күрделілігіне қарай бұл аурулардың қалыптасуының бірнеше генетикалық тетіктері белгілі. Альфа (а) тізбектің 2 қосарланған (дуплексті) гендері 16 хромосомада (16р13.3 –pter- (а2, а 2) орналасқан. Бетта (в) глобин тізбектерінің гені 11 хромосоманың 11р 15.4 - р15.5 учаскесінде кластер түзіп орналаскан. Кластерде гендердің орналасу реті олардың эмбриогенезден ересек жасқа дейін бірізділікпен экспрессиялану ретіне сәйкес болады: бірінші болып £- тізбек гені. содан кейін 2 гамма (у) тізбек гендері (у-О жәнеу-А), бетта (р) гендері орналасады. Бұл гендердің өнімдері альфа (а) глобин тізбектерімен бірлесіп әр түрлі гемоглобин типтерін қалыптастырады. Кластер гендерінің кезек-кезегімен экспрессиялануы оның 5'- ұшынан біршама қашықта орналасқан промотордың реттеуші гендері арқылы жүзеге асады. Белгілі бір глобин тізбегінің экспрессиясын төмендететін не толық бастырмалайтын мутациялар пайда болған жағдайда кластердің басқа гендерінің экспрессиясының күшеюі байқалады. Нәтижеде тиесілі жас кезеңіне тән емес гемоглобиндер түзіледі.

Альфа (а) және бетта ( р) глобиндер санының азаюы не толықтай болмауы және гемоглобин молекуласында олардың басқа тізбектермен алмастырылуына байланысты дамитын ауруларды Жерорта теңізі қазбасы немесе талассемиялар деп атайды.

Альфа (а) және бетта(в) глобин тізбектерінің синтезделуінің бүзылуларына қарай альфа ( а) талассемия және бетта (в) талассемия аурулары нұсқаларын ажыратады. Бұл аурулар гемоглобинопатиялар тобының басым бөлігін құрайды және глобин тізбектері гендерінде пайда боған нүктелі мутациялар нәтижесінде туындайтын көпшілікті аллелизм күйінде кездеседі. Қазіргі кезде мұндай мутациялардың 300-ге жуығы сипатталған.

Талассемиялардан басқа гемоглобинопатиялардың кең таралған нұскаларына орақпішінді каназдылық ауруын, метгемоглобинемия және эритроцитоздарды да жатқызуға болады.

 

                     Альфа (2) талассемия.

 

Альфа ( а) глобин тізбектері гендерінде болатын мутациялар негзінде дамитын ауру тобы. Олардың генетикалық себептері альфа (а) тізбектері (2а және 2р) генінің 4 көшірмесінің ірі делециялары саналады.

Альфа (а) талассемияның клиникалық көріністері делециялар ұзындығына қарай өзгереді. Егер делеция геннің 1 көшірмесінде болатын болса, онда ауру симптомдары байқалмайды, екі көшірме делециясы микроцитоздың дамуына, үш көшірме делециясы созылмалы гемолитикалық қан аздылықпен сипатталатын және 4 бетта тізбектен құрылған гемоглобиннің түзілуіне алып келетін аурудың нағыз клиникалык дамыған типін қалыптастырады. Ал, 4 көшірмені қамтитын делеция альфа (а) тізбектің мүлдем болмауымен және тіршілікті болдырмайтын төрт гамма (у) тізбектерден (Нв 4) құрылған гемоглобиннің түзілуіне алып келеді.