Дәріс № 4 Сабақтың тақырыбы: Протеомдық талдау әдістері

1.Мақсатты белоктарды фракциялау. Белоктарды тұнбаға түсіру ақуыздың ерігіштігін азайту тәсілі ретінде.

Тірі организм өзіне тәнқұрылымдық ұйымы мен биологиялық қызметтері арқылы сипатталады. Организмнің осы құрылымдық ұйымының қызметінде белоктар өте маңызды роль атқарады, яғни белоктар басқа органикалық заттардың алмасуына келмейді, өйткені олардың өзінше ерекше құрылымдық ұйымы бар.Белоктар дегеніміз-аминқышқылы қалдықтарынан тұратын, құрамында азоты бар жоғары молекулярлы органикалық заттар.Әлбетте белоктардың және белокты заттардың аталуы жануарлар мен өсімдік ткандерінің, тауық жұмыртқасының белогына ұқсас заттардың табылуымен байланысты қойылған.Ғалымдар өз заманындағы жаратылыстану ғылымының аздаған жетістіктеріне сүйене отырып, көпке белгілі-«Өмір –бұл белокты денелердің өмір сүру тәсілі» деген болатын. Белоктар генетикалық хабардың малекулалық құрамы; яғни белок арқылы генетикалық хабар жүзеге асып тұқым қуалай беріледі. Белоксыз, ферментсіз ДНҚ, малекуласы өзін қайта құрау қабілетін жояды және генетикалық хабарды бере алмайды. Тірі организмнің өзіне ұқсас ұрпақ қалдыру да осы белокпен байланысты. Жиырылу, қозғалу-бұлшық еттің белокты құрылымына тікелей байланысты. Сонымен, өмір сүру зат алмасуынсыз мәні жоқ, ол өзін құрайтын белоктарды үнемі толықтыруы керек. Осындай жағдаймен белоктар тірі организмнің негізін, құрылымдық бірлігін құрайды. 

Домендер және белоктың кеңістік құрылымының қалыптасуы.

Белоктарға тән кеңістік құрлым пайда болуы әдісі – гидрофобтық ядро және мозаикалық беттің қалыптасуы глобулдың өлшемін шектейді, себебі оның көлемі үлкейген сайын гидрофобтық ядроның түзілуі қиындайды. Молекулярлы массасы 14-16 кДа болатын полипептидтік тізбек 2 немесе одан көмек домен қалыптасады. Домен деп белоктың үшіншілік құрылымындағы белгілі бір құрылымдық ұйымдастырудың өлшемін құрайды. Ереже бойынша, демондер белоктың молекулаларының басқа бөліктерімен тәуелсіз кеңістіктік құрылымын қалыптастырады. Көптеген ғалымдар жеке белоктардың кристаллографиялық құрылымын зерттегенде бірнеше рет белок тізбектерінің кеңістіктік құрылымының тек біртұтас компакті глобус түрінде емес, сонымен бірге глобулярлық аумақтардың өз ара әлсіз байланысу формасында болатындығы туралы ойларды айтқан. Соның ішінде, алғаш рет ол Д.Филминс 1996 ж. Лизоцим құрылымын сипатағанда айтқан болатын, келіп Б.Канингхэм 1971 ж. иммуноглобулиннің құрылымдық бірліктерін зерттегенде сипаттады.

Үш өлшемді белок құрылымын сипаттағанда    бақылаудың әрбір құрылымының автономиялық аумағының тәуелсіздігі жөнінде гипотеза айтқан. 1972 ж. Дж.Бирктофт, Д.Блоу альфа-хилотрипсинді зерттегенде домендік ұйымдастырудың үшөлшемдік құрылымына сипат берді. (Конформция – молекула бөлшектерінің кеңістікте орналасқан). Бұл белоктың молекула бөлшектерінің кеңістікте натиотип орналасуы 2 доменді енгізеді, оның әрқайсысының формасы цилин тәріздес, алты тізбектік антипараильдік бета – құрылымына құралған. Дәл осындай топология әлсатады мен трипсиннің үшөлшемдік құрылымына тән, және аспартаты протенназ (пспсин) да дәл солай. Папаиннің де белок майларының домендер әртүрлі құрылымда болады: бірі тек альфа-спиральдан тұрады, ал бірі – бета құрылымдық болады. Д.Уетлауфер домендердің блуын аминқышқылдардың өздігінен белгілі бір бағытта жинақталып нативтік конформацияға өту механизмінің ерекшелігі арқыл түсіндіреді. Ол да 2 доменнің 2 түрін сипаттайды: 1) үзілмейтн полипеп 2) үзілмелі полипептидтік тізбек. Доменнің тізбек құрылымын цементтейтін лемееп ол ядро (нуклеация) 8-18 қалдықтан тұрады. Ядро 40-150 өлшемдегі аминоқышқылдық қалдықтардан полипептидтік тізбек құру үшін қжет. Мұндай доменді ұйымдастыру белоктың бүкіл структурасын тез арада жинақтауда қамтамасыз етеді. Күрделі белоктардың жеке домендері әрт үрлі экзондар арқылы ьаңбаланады. Парвис және оның қолдаушылары геннің құрамында болатын үш домендік псируваткиназдың аумағын айырды, ол аминқышқылдарының бір қалыпта трасляция жасау кезінде ұзақ-үзіліске жауап бере алатындығын көрсетті. Мұндай пайзалар мульти домендық белоктардың дұрыс жинақтауға көмегі зор домендік ұйымдастыру мол белоктың өлшемі арасында айтарлықтай түзету жоқ. Мысалы, бактериохлороариадың (330 а.к) молекуласы, карбоксипептидазаның (307) молекулалары біртұтас глобул түрінде болады. Ал лизоцны Т4 (164) және протенназ 13 (186) 2 доменнен тұрады.

Көп жағдайда құрылымдық автономиясы функциональдқпен толықтырылады. Мысалы, нуклеотид – кез келген ферменттің функциясына қарамай полипептидік тізбекті жайғастырудың бірдей әдісі тән, кофермені NAD немесе NADН бірінің субстратимен байланыстылыққа жауапты дегидрохиаз доменің байланыстырады. Қан ұйыту жүйесінің аманокцевтік домендер фарменттері (кринглипф) мембрана липидтерімен және басқа болыстармен байланасуын қамтамасыз етеді. Имунноглобулиннің аминоконцевтік домендері антигенаның байланыс орталығын қалыптастырады. Бірақ кейбір кезде домендер үшін жеке функциональдық рөлін көрсетуге болмайды. Мысалы, папачннің құрамында 2 домен жақсы байқалады. Домендерді бөліп тұратын шұңқырында каталиттік орталық орналасқан, сонымен бірге оны құрайтын функциональдық топтары 2 доменде де орналасқан. Домендердің болуы ішкі икемділікті жоғарылатудың құрылымдық алғы шартын жасайды, белоктың молекулалардың динамикасын арттырады. Домендер көптеген белоктардың кеңістіктік құрылымының эволюциялық өзгеруінің алғашқы кезеңіне сәйкестенуі деген ойда айтылады. Мысалы, вирустың (ВИЧ)-ң өте кішкене протеиназасы, пептидтің тізбегі тек 99акодан тұрады, өзінің ұйынуы тәсілінен пепсин доменіне ұқсайды. ВИЧ протеиназасы домен сияқты өте белсенді болғандықтан, ол ежелгі бір пепсин доменіне ұқсас түрлеріне эволюциялық жақындығы бар деген ойды болжайды. Домендердің шекарасы экзондардың шекарасына сәйкес болады деген факт, олардың белок эволюциясы үрдісінде ерекше белоктар ретінде көрінеді деген ойды тұжырымдайды. Кейбір кезде сол бір домен бір рет теп артық мономерлік белокта да кездеседі, ол құрылымға квазисимметрияның элементтер береді. Мұндай баланыстағы біртиптік домендер гендердің екі еселенуі нәтижесінде пайда болады. Ол әртүрлі домендердің қосылуы гендердің өз ара қосылыс нәтижесінде болатындығын сипаттайды. Осыған қарағанда ферменттер, шобуялық белоктар сияқты, модульдың принциппен жасалған: функциясы орындайтын қажетті әртүрлі элементтер бір полипептидтік тізбекте біріктірілген.

Қан ұйыту және фибрин еріткіш жүйенің белоктары – протенназы және оның алдындағылар – каталистиканың доменнен басқа (панкреатикалық трипсин сияқты) каталитиканың емес аумақты қамтиды. Дәл сол оларға реттеуіш мокралепекуласы және макроқуғын үрдісін білу үшін қатысады. Бұл негізінде жататын қан ұйыту және фиорионамез реакцияларын жоғары қадағалауу шелігін жоғарылатады. Қан плазмасының белок аумақтарының катаменттік емес N-соңғы тәуелсіз 4 түрлік құрылым және функционалдық доменге ұйымдастырылады.

1. 
   Крингл – домен (кринглы, 85 аминқышқылдық қалдықтар төңірегінде – үш дисульфидтік байланысы арқылы пайда болған гамологиялық крендель – олар үшөпшендік құрылым сияқты.
   
2. 
   Са – байланыстырушы домендер немесе Gia – домені (40 аминоқышқылдық қалдықтар төңірегінде) , 9-12 Gia қалдығын құрайды. Gia қалдықтарының К витамины – карбоксилазаға тәуелді әсерімен кейін өту модификациясы нәтижесінде пайда болады.
   
3. 
   Дамудың эпидермальді факторына гамологиялық (біртекті) домендер. ( 50 аминқышқылдың қалдық төңірегінде) (G).
   
4. 
   Саусақтектес, фингер-домендер (Ғ), олар фибронектинге тән.
   

Тек фактор ХІ құрылымында 4 доменнен анықталған, олар бөлінген, кесілген алма тәріздес. («apple» , 90 аминқышқылдық қалдықтардан тұрады), әрбір екеуінде бір дисульфиді байланыста біріккен ұқсас субьбірлік болады.

Гемостаз жүйесінің ферменттері, тиілмеген мультидомендердің кеңістік құрылымы қазіргі кезде алі зерттелмеген. Бірақ жеке домендердің құрылымдарын зерттеуде рентгеноқұрылымдық анализ және ЯМР тәсілдері пайдалана отырып біраз жетістіктерге жеткен. Бұл әсіресе крингл – домендермен 1 протромбиндік фрагментіне қатысты.

Көптеген каталитиканың домендер гемостаз жүйесінің белоктарының молекуласы сериндік протеиназдар болып табылады және 50 %-тік бірінші құрылымдық гомологиясы бар, мысалы трипсин және химотринсин көптеген протенназдық кеңістік моделі трипсин және химотрипсин құрылымы негізінде көрсетілген. Әсіресе зерттелгені тромбин құрылымы. Соңғы кезде тромбиннің христалографиялық құрылымы анықталған, хиорметилкетопмен D-Phe-Pr-Arg  тежелген, табиғи тежелгіш – гирудин және кейбір гирудиннің пептидтік ферменттері.

Белоктардың физикалық және химиялық қасиеттері

Белоктардың физикалық және химиялық қасиеттері организмнің тіршілік әрекетінің негізін құрайды.

Белоктар ерітіндісі коллоидтық сипатта болады. Көп белоктар суда, тұз ерітіндісінде және қышқылдарда ериді. Белоктардың барлығы дерлік сілтілерде жаксы ериді, ал органикалық еріткіштерде ерімейді. Белоктар лиофильды (грек. лио – ерітінді, филио- сүйемін) коллоидтық ерітінді құрады.

Коллоидты ерітінділерге молекулярлы – кинетикалық, оптикалық, электрлі кинетикалық қасиеттер тән.

Молекулярлы – кинетикалық қасиеттері коллоидты бөлшектердің мөлшеріне, ерітіндінің рН мәніне, сыртқы температураға және т.б. байланысты. Белоктардың коллоидтық ерітінділері ең төмен (диффузия коэффициентіне, төмен осмос қысымына 0,273 – 0,364 Па), бірақ жоғары салыстырмалы тұтқырлық пен ісіну дәрежесіне ие болып келеді. Организмдегі судың 80 – 90 % -і белоктармен байланыста болады.

Крингл - доменнің белоктың аумағы

Крингл – домендердің бета – құрылымы өте жоғары. Олардың пайда болуы молекуланың ішкі ілмегіндегі (дисульфидтік) көпірі арасындағы ван-дер-ваальс контактісінің жақындасуына мерсекіндікберетін әсерлесуінен туындайды: Cys-87-Cys-124 және Cys-115- Cys-139 – бұлар қоссульфидтік кластерлер. Бұл қоссульфидтік кластерлер кринглидің құрылымында ауырлық орталығына жақын орналасып тығылған және ерекшеліктерге қолайлы емес. Ішкі ілмектің айналасындағы аминқышқылдарының қалдықтары өзінің жоғары дәрежедегі консервациясын сақтайды. Белгілі крингелдердің барлығының алғашқы құрылымы жоғары дәрежелі гомологиясымен сипатталады. Бірақ олардың функционалдық мәні әр түрлі болады. Мысалы, көп зерттелген протромбиннің (К1) 1-кринглінің өзі протромбиннің тромбинге активациясы кезінде функциональды ешқандай жүктеме алмайды. Ол –өзін N-соңғы Gia – доменмен арасындағы құрылымдық «спейсер» ретінде көрсетеді, бұл жағдайда фосоролипидтің үстіңгі жағымен белок молекуласының және субстратты ферментпен жақындастырылатын функционалды маңызды крингл – 2 V апротромбиноз комплекс факторы ауыр тізбегімен байланысқан байланысы қамтамасыз етіледі. Плазминоган молекуласының кринглда және плазмингон активаторы тіндері фибринолитикалық жүйенің компонентері үшін байланыстыратын аумақтарды қалыптастыруға қатысады, мысалы фиброн және альфа антиплазмин 1 және 4 плазминоган кринглері және плазминоген тік активаторы крингл 2 фибринді, лизгенді, омега аминокарбин  қышқылы және эпсилопаминкапрон қышқылы бууға қабілеті бар. Плазминогеннің крингл-5-і және плазминнің жеңіп тізбегі бензатидинмен байланысып буулады. Басқа кринглдің функциясы әлі анықталмаған.

Плазминоген мен плазминнің фитринге туыстығы крингл-1 мен қамтамасыз етіледі. Asp57-Arg-71 домендерінің қалдықтары орталық ретінде фибринмен алғашқы әсерлесуде, ал Arg-32 және Arg-37 қалдықтары К 1 фибринге жоғары туыстығын анықтайды.

Плазминогеннің Lysфибрин байланыстырушы крингл-4 байланысты аумағы шұңыр ретінде оның үстіңгі жағында орналасқанжәне бірінші құрылымның мына элементтерін кіргізеді: His-31-Lys-35; Ph-54-Lys-58; Prs-61-3РЦ-64 и Arg-71-Cys-75.

Cija – домендері 7 түрлі белоктардың  компоненттері болады (протромбин, ф.VII, ф.IX, ф.X, S белоктары).

Cija домендерінің алғашқы құрылымы  жоғары дәрежелі гомологиясымен  ерекшелінеді.  Бұған тән потрапептидік ілмек, ол дисульфидтік байланыспен және Cia қалдықтарының екі-екіден орналасуымен пайда болады. Әсіресе зерттелген протромбин молекуласының Cia доменінің N – соңғылық фрагменті 35 қалдықтан тұрады, реттелмеген құрылысы бар. Молекуланың қалған бөлігі альфа – спираль түрінде кездеседі, ол Cys-48-Cys-61 қалдықтарынан пайда болған оның ішінде полипептидтік ілмек болар. Спиральденген бөлігі Cia – доменнің Thn-38, Phe-41, TrpTyr-45 аминқышқылдарының қалдықтары молекуланың консервативтік бөлігін көрсетеді VII және СН белоктар – факторында қайырылу қадамы ұзындау, протромбиннің ішіне қарағанда. Бұл консервативтітрипептидің Cys-Ars-Gin пептидік тізбегіне оның алдындағы Cys-48 екеуіне түсіндіріледі. Са ++ иондарының қатарынан Cja – доменінің конформациясы (молекула бөлшектерінің кеңістікте орналасуы) өзгереді, соның салдарынан оның спектірінде флуоресценциясы өшіруді анықтауға болады. Бұл үстіңгі жағында протромбиндік комплектің белоктарының белсенділігі жүргізілетін клетка мембраналарың женелттерімен байланыстыруға қаблеті бар модульдың қалыптасуына әкеледі.

Мембрананың белоктары.

Егер мембрана құрамындағы липидтердің негізгі рөлі биқабатын тұрақтандыру болса, онда белоктар мембрананың функциональды белсенділігіне жауап береді. Біреу молекула мен иондардың белгілі бір тасымалдауын қамтамасыз етсе, біреулері ферменттер болады, үшікшілері гармондар, медиаторлар. Эткозаноидтер, липопротеиндер азот оксидтері үшін рецепторлар болып цитосскелетті клеткадан матрикспен байланыстыруға қатысады. Белоктардың үлесіне 30дан 70%-дейін мембрана массасы тиеді. Белоктар әрбір мембрананың жұмыс істеуінің ерекшелігін анықтайды.