Ақуыздардың үшінші реттік құрылымы

Ақуыздың үш інші реттік құрылымы дегеніміз — молекуладағы барлық атомдардың үш жақтық кеңістікте орналасу реті. Бүйірлік тізбектердің кеңістіктегі пішіні мен кез келген простетикалық топтардың орналасу реті үшінші реттік құрылымның бір бөлігін құрайды. Ал спиральды және қатпарланған тақташа аймақтарының орналасу реті ақуыздың басқа құрылымдық деңгейіне жатады. Талшықты ақуыздың жалпы піш інін құрайтын ұзын өзек түріндегі екінш і реттік кұрылымына қарай отырып, үш інш і реттік құрылым туралы көп мәлімет алуға болады. Ақуыздың негізгі қаңқасын кұрайтын спиральды тізбек бүгілмейді және бүйірлік тізбектердегі атомдардың орналасуы екінші реттік құрылымға байланысты емес, ол үшінші реттік құрылымға тән көрсеткіш болып табылады. Шар тәрізді ақуызға толық сипаттама беру айтарлықтай көп мәліметті қажет етеді. Ол үшін, бүйірліктізбектердегі атомдар мен простетикалықтоптардың орналасу ретінен баска, спиральды және қатпарлы тақташалық аймақтардың қандай жолмен бірінің үстіне бірі бүктеліп жинақталғандығын анықтау қажет. Бүйірлік тізбектердің арасындағы өзара байланыстар ақуыздардың бүктелуі мен ж инақталуы нда маңызды рөл атқарады. Көп ж ағдайда, ақуы зды ң жинақталуы мен қатталуының реттілік ж үйесі аминқышқылдық тізбекте бір-бірінен бөлек, шалғай жатқан радикалдықтоптардың нативті ақуыздың үшінші реттік құрылымында бір-біріне жақын орналасуына алып келеді. 154 4-ТАРАУ Аңуыздардың кеңістіктегі ңурылымы Үшінші реттік қурылымның қалыптасуына қатысатын физикалық күштер Физикалық күштер мен өзара байланыстардың көпшілігі ақуыздың қалыпты жағдайдағы нативті құрылымын тұтас түрде ұстап, сақтауда маңызды рөл атқарады. Олардың бірқатары ковалентті болғанмен, көпшілігінің табиғаты ковалентсіз. Акуыздың бірінші реттік құрылымы, яғни полипептидтіктізбектегі аминқышқылдардың орналасу реті, ковалентті болып табылатын пептидтік байланыстардың түзілуіне тәуелді болып табылады. Негізгі тізбектің кеңістіктегі пішіні (екінші реттік құрылым) және ақуыздағы барлық атомдардың орнала- су реті (үшінші реттік құрылым) сияқты құрылымдық реттіліктің жоғарғы деңгейлері ковалентті емес байланыстарға тәуелді болады. Егер де ақуыз бірнеше суббірліктерден тұратын болса, ол суббірліктердің өзара әрекеттесуі (төртінші реттік құрылым, 4.5-секциясы) де ковалентсіз байланысқа тәуелді болады. Ковалентсіз тұрақтандырушы байланыстар қуат мөлшері төмен белгілі бір ақуыз құрылымының аса тұрақты болуын қамтамасыз етуге үлес қосады. Ақуыздарда сутектік байланыстардың бірнеше түрлері кездеседі. Негізгі қаңқаны құрайтын тізбектегі сутектік байланыстар екінші реттік құрылымның қалыптасуын қамтамасыз етеді; сондай-ақ, ақуыздардағы аминқышқылдардың бүйірлік тізбектері арасында да сутектік байланыстардың болуы ықтимал. Ақуыз молекулаларының ішіндегі полярлы емес аминқышқыл қалдықтарының бір-бірімен гидрофобты түрде әрекеттесуінің нәтижесінде, аминқышқылдардың полярлы емес қалдықтары бір жерге шоғырлана ба- стайды. Көбінесе, молекуланың үстіңгі жағында жататын әраттас зарядталған топтардың арасындағы тұрақты электрлік тартылыс күшінің болуы салда- рынан, мұндай қарама-қарсы зарядты топтар бір-біріне жақын орналасады. Бір ғана металл ионының күші бірнеше бүйірлік тізбектерді шоғырландыруы мүмкін (металл иондары бірқатар простетикалық топтарда да кездеседі). Жоғарыда аталған ковалентті емес байланыстардан басқа цистеин аминқышқылының бүйірлік тізбектері арасындағы дисульфидтік байланыстар ковалентті байланысты құрайды. Мұндай байланыстардың түзілуі полипептидтік тізбектердің бүктеліп жатқан ақуыздың құрылымдық жүйесімен әрекетке түсуіне жол бермейді. Белгілі бір ақуыздың құрамындағы дисульфидтік байланыстардың саны мен орналасу ретін анықтау үшін, арнайы зертханалықәдістер қолданылады. Дисульфидтік байланыстардың орналасу аймағы туралы мәліметтер бірінші реттік құрылым туралы мәліметтерге қосылып, ақуыздың толык, ковалентті қурылымын сипаттап береді. Аталған құрылымдық көрсеткіштердің шамалы айырмашылығы болатындығына назар аударыңыз: бірінші реттік құрылым дегеніміз — аминқышқылдарының реттілігі, ал толық ковалентті құрылым дисульфидтік байланыстардың орналасқан жерлерін көрсетеді (4.13-сурет). Жоғарыда аталған құрылымдарға тән болып келетін құрылымдықбелгілер ақуыздың әр бірінде бола бермейді. Мысалы, оттегінің қоймасы ретінде және тасымалдау қызметтерін атқаратын, сондай-ақ ақуыздар құрылымының жалпы үлгісі болып табылатын миоглобин мен гемоглобин ақуыздарында дисульфидтік көпіршелер жоқ. Бірақ, олардың екеуінің де простетикалықтоп- Биохимия 155 Металл иондарының үйлесімі Гидрофобты өзара байланыс 4.13-СУРЕТ. Аңуыздардың үшіиші реттік ңұрылымын тұраңты күйде ұстап тұратын фи- зика күштері. Спиральды ңұрылым мен ңатпарлы таңташа ңұрылымы ңаңңа тізбегіндегі сутектік байланыстың екі түрі болып табылатындығына назар аударыңыз. Сонымен ңатар негізгі ңаңңа тізбегіндегі сутектік байланыстар екінші реттік ңұрылымның бір бөлігі болып табылады. Ңаңңа тізбегінің кеңістіктегі пішіні бүйірліктізбектердің еркін күйде орналасуын шектейді тары Ғе (II) иондарынан тұрады. Ал, салыстырмалы түрде алсақ, трипсин және химотрипсин ферменттерінің құрамында металл иондары болмағанмен, олар- да дисульфидтік көпіршелер болады. Ақуыздардың көпшілігінде сутектік бай- ланыстар мен өзара тұрақты электрлік тартылыс күштері ж әне гидрофобты байланыстар кездеседі. Ақуыздың үш жақтық кеңістіктегі құрылымын барлық тұрақтандырушы күштердің өзара әрекеттесуінің нәтижесі ретінде қарастыруға болады. Мыса- лы, пролин аминқышқылы алфа-спиральдың ішкі жағындағы бос кеңістікке сы ймайды , сол себептен тізбекте бұл аминқышқылы болған жағдайда, полипептидтіктізбек міндетті түрде бүгіліп, бұрыш түзейді де, альфа-спираль- ды аймақтың бір бөлігі аяқталады. Бірақ мұнда полипептидтік тізбектің бүгілуі үшін пролиннің болуы міндетті түрде қажет деген сөз емес. Полипептидтік тізбектің иіліп, бүгілген жерлерінде басқа да аминқышқыл қалдықтары үнемі кездесіп отырады. Ақуыздың полипептидтік тізбегіндегі бүгілген аймақтарды құрайтын бөліктері ж әне ақуыздың спиральды аймақтарынан тыс басқа бөліктері немесе қатпарлы тақташа құрылымдары көбінесе, «кездейсоқ» бөліктер немесе «кездейсоқ түйін» ретінде қарастырылады. Ш ындығына келгенде, әрбір ақуызды тұрақты күйде ұстап тұратын физикалық күштер ақуыздың кеңістіктегі піш ініне жауап береді. Ақуьізды ң кеңістіктегі үшінші реттік қурыльімы қалай анықталады? Ақуыздың үшінші реттік құрылымын анықтау үшін рентгендік кристал- лография әдісі қолданылады. Бақылау шарттарын мұқият орындау арқылы бірқатар ақуыздарды мінсіз таза кристалл күйіне дейін жеткізуге болады. Мұндай кристалда барлық акуыз молекулаларының үшінші реттік құрылымы мен кеңістікте бағытталуы бірдей болып келеді. Сапасы осындай деңгейде бо- лып келетін кристалдар тек, өте таза бөлінген ақуыздардан ғана түзіледі. Егер де ақуыз кристалданбайтын болса, оның кеңістіктегі құрылымын анықтау мүмкін емес. Биохимия 157 Таза кристалдан рентген сәулелерінің шоғырын өткізген жағдайда, фото- пластинкада (фототакташада, 4.14а-сурет) немесе шыққан сәулені есептеуіш құралында дифракция кескіні пайда болады. М ұндай кескін молекуланың әрбір атомындағы электрондар рентген сәулесін шашыратқан кезде түзіледі. Рентген сәул ел ер ін ің молекулада ш ашырау қарқындылығы атомдағы электрондардың санына тікелей байланысты; жеңіл атомдарға қарағанда, салмағы ауыр атомдар сәулені әлдеқайда тиім ді шашыратады. Әрбір жеке атомдардан шашырап шыққан рентген сәулелері бірін-бірі күшейтуі неме- се бір-бірін жоюы мүмкін (конструктивті немесе деструктивті интерферен- ция құбылысы). Бұл әрбір молекула үш ін ерекше кескін пайда болады деген сөз. Бірнеше бұрыштық аймақтардан алынған дифракциялық кескіндердің топтамасы, бізге үш інш і реттік құрылымды анықтауға қажет мәліметтерді береді. Дифракциялық кескіндерден математикалықталдау жолымен алынған мәліметтер бізге Фурье қатары ретінде белгілі. Мұндай мыңдаған есептеме- лер ақуыздың құрылымын анықтау үшін керек ж әне олардың компьютерде жүзеге асырылатынына қарамастан, ұзақ уақытқа созылатын жұмыс болып табылады. Есептеу әдісін кемелдендіріп, жақсартуға мүмкіндік беретін жол- дар қаркынды зерттелуде. Соңғы уақытта, рентгендік сәулелердің дифракциялануынан алынатын нәтижелерді толықтыра түсетін қосымша әдіс кеңінен таралуда. Ол ядролы магнитті резонанстық спектроскопияның бір түрі болып табылады ^ М К ). Арнайы осы салада қолданылатын 2-Б (екі-жақтық кеңістік көрсеткіші бар) ядролық магнитті резонанс деп аталатын бұл әдіс аркылы компьютерлік талдаудан өте ауқымды көрсеткіштер жиынтығын өткізуге мүмкіндік бар (4.14ә-сурет). Рентгендік дифракциялау әдісі секілді, бұл әдісте де алынған нәтижелерді талдау үшін Фурье қатары пайдаланылады. Басқаша айтқанда, ол рентгендік дифракциялау әдісіне ұқсас көп уақытқа созылады, сондай-ақ жоғары деңгейдегі есептеу ж үйелерінің айтарлықтай көп болуы мен ақуыздың миллиграмдық мөлшерін қажет етеді. 2 -0 ядролық магнитті резонанс әдісінің рентгендік дифракциялау әдісінен бір ерекшелігі, онда зерттеуге ақуыздың кристалды түрі емес сулы ерітіндісі қолданылады. Сулы ерітінді ақуыздардың клетка іш індегі ортасына жақын болып келеді, сондықтан-да бұл көрсеткіш аталған әдістің ең негізгі артықшылығы болып есептеледі. Ақуыз құрылымын анықтауда кеңінен қолданылатын ядролық магнитті резонанс әд ісін ің нәтижелері сутегі атомдарының арасындағы арақашықтыққабайланысты болып табылады және ол көрсеткіштер рентгендік кристаллография әдісі бойынша алынатын нәтижелерден тәуелсіз болады. Ядролық магнитті резонанс әдісі үнемі жақсартылу үстінде және соған бай- ланысты салмағы үлкен ақуыздардың құрылымын анықтауға да қолданылуда. М и о гл о б и н : Ақуыз қүрылымының үлгісі Көптеген көзқарас тұрғысынан алғанда миоглобин — шар тәрізді ақуыздың классикалық үлгісі деп есептеледі. Бұл тарауда біз миоглобинді үш інш і реттік құрылымның нақты мысалы ретінде қарастырамыз. Рентгендік кристаллографияның көмегімен үшінші реттік құрылымы ең алғаш анық- талған ақуыз миоглобин болып табылады (4.15-сурет). Толықтүрдегі миогло- бин молекуласы 153 аминқышқыл қалдығынан тұратын бір полипептидтік тізбектен және гем тобы түріндегі простетикалықтоптан құралған. Гем тобы ге- моглобинде де кездеседі. Миоглобин молекуласының құрылымы ықшам, оның ішіндегі атомдар бір-біріне өте жақын орналасқан. Миоглобиннің құрылымы акуыздардың үшінші реттік құрылымына жауап беретін көптеген физикалық күштерге мысал ретінде бола алады. Миоглобинде (3-қатпарлы құрылымдық аймақтар болмайды, ол сегіз а-спиральды бөліктерден тұрады. Миоглобиндегі аминқышқылдық қалдық- тардың шамамен 75%-ы осы аталған спиральдық бөліктердің А әрпінен ба- стап Н әрпіне дейін белгіленген аймақтарында жатады. Полипептидтік қаңқа тізбегіндегі сутектік байланыс а-спиральды аймақтарды тұрақты түрде ұстап тұрады; сондай-ақ, аминкышқылдардың бүйірлік тізбектері де сутектік байланысқа қатысады. Полярлы аминқышқылдық қалдықтар молекуланың сырткы жағында жатады. Ақуыздың ішкі жағында негізінен алғанда поляр- лы емес аминқышқылдық қалдықтар болады. Бірақ акуыздың ішкі бөлігінде полярлы болып келетін екі гистидин қалдығы да кездеседі; олар гем тобымен әрекеттесуге қатыса отырып, сутегімен байланыс түзеді де, молекуланың қызмет етуінде маңызды рөл аткарады. Кеңістіктегі құрылымы жалпақболып келетін гем тобы молекуланың ақуыздык бөлігіндегі гидрофобты қалташада жатады. Акуыздың полярлы емес бүйірлік тізбектері мен гем тобындағы порфириндік Биохимия 1 5 9 сакина арасында гидрофобты тартылыс күші болатындықтан, гем тобы өзінің осы орнын сақтап тұрады. Гем тобының болуы полипептидтің кеңістіктегі құрылымына айтарлықтай әсер етеді: апопротеин (немесе простетикалық гем тобы жоқ полипептидтік тізбектің жалғыз өзі) толық түрдегі молекула сияқты тығыз бүктеліп жиналмайды. Гем тобы Ғе (II) түріндегі металл ионынан және протопорфирин деп аталатын органикалық бөліктен түрады (4.16-сурет) (күрделі қосылыстарда кездесетін Ғе (II) ионын Ғе2+ деп белгілеген дұрыс). Порфиринді бөліктің өзі пироль- ды қүрылымға негізделген бесбуынды төрт сақинадан тұрады; аталған төрт сақина, төрт бүрышты жалпақ қүрылым түзу үшін бір-бірімен метин топтары (-СН=) арқылы байланысады. Кеңістікте Ғе (II) ионының алты аймақшасы бар, ол алты металл-иондық байланыстар шоғырын түзеді. Толыққанды гем тобын қүру үшін алты аймақтың ішінде төртеуінің орнын порфириндегі төрт пирольтектес сақиналардың азот атомдары басады. Миоглобиннің оттегімен байланысуы үшін міндетті түрде гем тобы қажет. Ғе (II) ионыныңбес аймақтықорнын Ғ8 (Ғ спиральдық бөліктегі сегізінш і аминқышқыл қалдығы) күйдегі гистидин қалдығындағы им идазолды қ бүйірліктізбектің бір азот атомы басады. Бұл гистидин қалдығы молекуланың ішкі бөлігін құрайтын екі гистидин молекуласының бірі болып табылады. Оттегі темірдің алты аймақшасымен байланысады. Алтыншы және бесінш і аймақшалар порфирин сақинасының жазықтығына перпендикулярлы ж әне қарама-қарсы бағытта жатады. Молекуланың ішкі бөлігін құрайтын екінш і гистидин молекуласының калдығы Е7 (Е спиральдық бөлігіндегі ж етінш і аминқышқыл қалдығы) болып табылады. Аталған гистидин қалдығы гемтобы ны ң оттегімен байланысатын жағында жатады (4.17-сурет). Бұл гистидин темірмен немесе гем тобының қандай да бір басқа бөлігімен ешқандай байла- ныс түзбейді, бірақ ол, оттегінің гидрофобты қалташаға еніп геммен байла- нысуы үш ін ашылып жабылатын қақпа қызметін атқарады. Е7 күйдегі гисти- ди н кеңістік бойы нда оттегінің геммен перпендикулярлы байланыс түзуіне жол бермей маңызды биологиялық рөл атқарады. Неліктен оттегі гем тобымен турақты түрде берік байланыспайды? Егер миоглобин мен гемоглобиннің қызметі оттегімен байланысу екендігін есеп к е алсақ, оттегін ің гем тобымен түрақсыз байланыс түзуі қисынсыз көрінетін сияқты. Керісінше, бұл жағдайда оттегі өте берік байланысуы тиіс емес пе? Бүл сүраққа жауап ретінде геммен байланыс түзе алатын молекуланың саны біреу емес екендігін атауға болады. Оттегіден басқа, коміртегі монооксид молекуласы да геммен байланыс түзе алады. Химиялық түрғыдан алғанда бос күйдегі гемнің эндогендік көміртегі монооксидіне (СО) сәйкес келу дәрежесі оттегім ен салыстырғанда 25,000 есе жоғары болып табылады. Миоглобин қүрамы ндағы Е7 НІ8 аминқышқылы кеңістікте богет тудыратындықтан, көміртегі монооксиді миоглобинмен бүрыш түзе отырып толық емес байланысуына тура келеді ж әне бұл жағдайда, көміртегі м онооксидінің оттегіден артыкшылығы, яғни гемге сәйкестік дәрежесі екі есе төмендей түседі (4.18-су- рет). Сондықтан зат алмасу барысындатүзілетін СО молекуласына гемдегі оттегі байланыстырушы аймақшалардың барлығымен берік байланыс түзуге жол берілмейді. Өйткені көп мөлшердегі СО улы болып келеді. Ол гемоглобиннің оттегімен байланысуына ж әне электрондарды тасымалдау тізбегінің соңғы сатысына әсер етеді (20.5-секция). Сондай-ақ, біздің организмде зат алмасу үдерісі гемоглобин мен миоглобиннің оттегімен байланысуын қажет еткенімен, гемнің оттегімен тұрақты түрде, берік байланыс түзуі де өмірге қауіпті бо- луы мүмкін екендігін есте сақтаған жөн. Себебі ондай жағдайда оттегіні та- сымалдайтын ақуыздар бөлінбейді. Мұндай ақуыз болмай қалған жағдайда, гем тобындағы темір Ғе (III) дейін тотығуы мүмкін; тотыққан гем оттегімен байланыспайды. Сонымен, оттегіні қор ретінде сақтау үшін ақуыз бен гемнің үйлесімді қызметі 0 2-менбайланысуды қажет етеді. ДЕНАТУРАЦИЯ ЖӨНЕ ҚАЙТА ҚАПАЛУ Ақуыздың үшінші реттік құрылымын сақтап тұратын ковалентті емес байла- ныстар әлсіз немесе осал болып келеді. Сол үшін олардың оңай бұзылатындығы анық. Ақуыз құрылымының (яғни үшінші реттік құрылымының) бұзылуы денатурация деп аталады. Д исульф идтік байланы старды ң (3.5-секц и я) азаюы үш інш і реттік құрылымның қарқынды ширатылуына алып келеді. Ақуыздардың үш інш і реттік құрылымының толык түрде бұзылуы қажет болған жағдайда, денатурация мен дисульфидтік байланыстардың азаюы көбінесе үйлескен түрде қатар жүреді. Осыған сәйкес тәжірибелерді жүргізген жағдайда бұзылған құрылым кейіннен толықтүрде қайта қалпына келе ала- ды. Осы аталған денатурация және қайта бүктелу үдерістері ақуыздың үшінші реттік құрылымына жауап беретін физикалық күштер мен бірінші реттік құрылымы арасындағы өзара қарым-қатынасты айқын көрсетеді. Көптеген ақуыздардың толықтүрде қайта қалпына келуі үшін көптеген басқа да фактор- лар қажет. Дегенмен, бірінші реттік құрылымның үшінші реттік құрылымның қалыптасуына тигізетін ықпалы маңызды болып есептеледі. Ақуыздарды бірнеше жолдар арқылы денатурациялауға болады. Солардың бірі жоғары температура болып табылады. Температураның көтерілуі молекуланың ішкі құрылымының шайқалуына қолайлы жағдай тудырады. Ал шайқалу қуаты үшінші реттік құрылымның бұзылуына жеткілікті бо- лып келеді. рН көрсеткііиінің шектен тыс жоғарылауы немесе төмендеуінен ақуыздың бірқатар зарядтарының жоғалуынан нативті құрылымды тұрақты ұстап тұратын электрлік байланыстар үзіле бастайды да, ақуыздың белсенділігі айтарлықтай төмендейді. Бұл денатурацияға алып келеді. Сондай-ақ, натрий додецилсульфаты (8 0 8 ) деп аталатын жуғыш заты да ақуыздарды денатурациялайды. Жуғыш заттар гидрофобты байланыстардың бұзылуын шақырады. Егер тазалағыш заттар зарядталған болса, олар да молекуланың ішкі тұрақты электрлік байланыстарын бұзады. Несеп және гуанидин гидрохлориді секілді басқа да қосылыстар ақуыздармен әрекеттесіп, сутектік байланыстар түзеді. Ал бұл сутектік байланыстар ақуыздың ішкі сутектік байланыстарынан да күштірек болып табылады. Сонымен қатар, аталған екі қосылыс гидрофоб- ты байланыстарды басқа да тазалағыш заттар секілді ыдыратады (4.19-сурет). (3-меркаптоэтанол (Н8—СН2—СН2—ОН) екі сульфгидрил тобы арасындағы дисульфидтік байланыстарды үзу үшін жиі пайдаланылады. Мұндай қосылыстардың дисульфид байланыстарына оңай әсер етуі үшін және ақуыздың ширатылуын жеңілдету үшін, әдетте реакциялық қоспаға несеп қосылады. Егер де тәжірибеге қажет жағдайлар дұрыс ұйымдастырылса, он- да меркаптоэтанол мен несепті алып тастаған жағдайда ақуыздың нативті құрылымы қайта қалпына келе алады (4.20-сурет). Мұндай тәжірибелер үшінші реттік құрылымныңтолықтүрде қалыптасуына қажетті ақпараттардың барлығы ақуыздың аминқышқылдықтізбегінде болатындығына айқын дәлел ретінде бола алады. Ақуыздардың табиғатын зерттеуші ғалымдар дисульфидтік байланыстардың төмендеуі мен ақуыздың денатурациясын және оның нативті құрылымының қайта қалпына келуін тудыратын жағдайларды іздеу үстінде.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *