Սպիտակուցի կառուցվածքային հաջորդականությունը

Երբևէ մտածե՞լ ես, թե ձվի սպիտակուցն ինչու է ձուն եփելիս թափանցիկից դառնում անթափանց։

Ձվի սպիտակուցը մեծ քանակությամբ ալբումիններ կոչվող սպիտակուցներ է պարունակում, որոնք սպիտակուցի կազմում եղած տարբեր ամինաթթուների միջև կապերի շնորհիվ սովորաբար յուրահատուկ եռաչափ կառուցվածք ունեն։ Տաքացման արդյունքում այս կապերը քանդվում են, և հիդրոֆոբ (ջուր-ատող) ամինաթթուները, որոնք սովորաբար պահվում են սպիտակուցի ներսում${}^{1,2}$‍, մերկանում են։ Այս հիդրոֆոբ ամինաթթուները փորձում են ձվի սպիտակուցի մեջ եղած ջրից խուսափել՝ այն թափանցիկից դարձնելով անթափանց։ Ահա՛։ Շնորհակալություն քեզ, սպիտակուցի՛ բնափոխում, ևս մեկ համեղ նախաճաշի համար։

Ինչպես արդեն նշել ենք սպիտակուցների և ամինաթթուների մասին նախորդ հոդվածում, սպիտակուցի ձևը շատ կարևոր է իր գործառույթի համար։ Որպեսզի հասկանանք, թե սպիտակուցն ինչպես է ստանում իր վերջնական ձևը կամ կառուցվածքը, պետք է հասկանանք սպիատակուցի կառուցվածքի չորս մակարդակները՝ առաջնային, երկրորդային, երրորդային և չորրորդային։

Սպիտակուցի կառուցվածքի ամենապարզ մակարդակը՝ առաջնային կառուցվածքը, պոլիպեպտիդային շղթայում ամինաթթուների հաջորդականությունն է։ Օրինակ՝ ինսուլին հորմոնը պոլիպեպտիդային երկու շղթա ունի՝ A և B, որոնք պատկերված են ստորև։ (Այստեղ պատկերված է կովի ինսուլինը, թեև վերջինիս կառուցվածքը նման է մարդու ինսուլինին): Շղթաներից յուրաքանչյուրն ունի իր ամինաթթվային հաջորդականությունը, որոնք միացած են որոշակի հաջորդականությամբ։ Օրինակ՝ A շղթան N-ծայրում սկսվում է գլիցինով, C-ծայրում ավարտվում է ասպարագինով և տարբերվում է B շղթայի հաջորդականությունից։

Սպիտակուցի հաջորդականությունը որոշվում է այդ սպիտակուցը (կամ մի քանի ենթամիավորներից կազմված սպիտակուցի մի մասը) կոդավորող գենի ԴՆԹ-ով: Գենում ԴՆԹ-ի հաջորդականության փոփոխությունը կարող է հանգեցնել սպիտակուցի ամինաթթվային հաջորդականության փոփոխության։ Սպիտակուցի հաջորդականության մեջ անգամ մեկ ամինաթթվի փոփոխությունը կարող է ազդել սպիտակուցի ընդհանուր կառուցվածքի և գործառույթի վրա։

Օրինակ՝ մեկ ամինաթթվի փոփոխությունը կապված է մանգաղաբջջային սակավարյունության հետ, որը ժառանգական հիվանդություն է և վնասում է արյան կարմիր բջիջները։ Մանգաղաբջջային սակավարյունության դեպքում հեմոգլոբինը (այն սպիտակուցը, որն արյան մեջ փոխադրում է թթվածին) կազմող պոլիպեպտիդային չորս շղթաներից մեկում հաջորդականությունը մի քիչ փոփոխված է։ Գլուտամինաթթուն, որը սովորաբար հեմոգլոբինի β շղթայի (հեմոգլոբինը կազմող սպիտակուցի երկու տեսակի շղթաներից մեկը) վեցերորդ ամինաթթուն է, փոխարինված է վալինով։ Այդ փոխարինումը ներկայացված է β շղթայի մի հատվածի համար ստորև ներկայացված գծապատկերում:

Ամենաուշագրավը հաշվի առնելն է, որ հեմոգլոբինի մոլեկուլը բաղկացած է երկու α և երկու β շղթաներից, որոնցից յուրաքանչյուրը բաղկացած է մոտ 150 ամինաթթվից՝ ընդհանուր առմամբ մոտ 600 ամինաթթու ամբողջ սպիտակուցում: Նորմալ հեմոգլոբինի մոլեկուլի և մանգաղաձև բջջի մոլեկուլի միջև տարբերությունն ընդամենը 2 ամինաթթու է մոտավորապես 600-ից:

Այն մարդը, որի մարմնում միայն այսպիսի փոփոխված հեմոգլոբին է առաջանում, տառապում է մանգաղաբջջային սակավարյունության ախտանշաններով: Սա տեղի է ունենում, քանի որ գլուտամինաթթու-վալին ամինաթթվային փոխարինման արդյունքում հեմոգլոբինի մոլեկուլները կուտակվում են երկար մանրաթելերի տեսքով։ Այս մանրաթելերը սկավառակաձև արյան կարմիր բջիջները վեր են ածում կիսալուսնաձևի։ Ստորև ներկայացված արյան նմուշում կարելի է տեսնել նորմալ, սկավառակաձև բջիջների հետ խառնված «մանգաղաձև» բջիջների օրինակներ։

Մանգաղաձև բջիջները արյունատար անոթներով անցնելիս կուտակումներ են առաջացնում և խաթարելով արյան բնականոն հոսքը՝ կարող են մանգաղաբջջային սակավարյունություն ունեցող մարդու առողջության համար լուրջ խնդիրներ առաջացնել՝ ներառյալ շնչարգելություն, գլխապտույտ, գլխացավ և որովայնի ցավ։

Սպիտակուցի կառուցվածքի հաջորդ մակարդակը երկրորդային կառուցվածքն է, երբ պոլիպեպտիդը մոլեկուլի կմախքը կազմող ատոմների միջև փոխազդեցությունների շնորհիվ որոշ հատվածներում ոլորվում է։ (Կմախքը վերաբերում է պոլիպեպտիդային շղթային՝ բացի R խմբերից։ Այսինքն՝ այստեղ նկատի ունենք, որ երկրորդային կառուցվածքը R խմբերը չի ներառում): Երկրորդային կառուցվածքի ամենատարածված տեսակներն են α պարույրը և β ծալքավոր կառուցվածքը։ Այս երկու կառուցվածքն էլ պահպանվում են մի ամինաթթվի կարբոնիլի O-ի և մյուսի ամինաթթվի H-ի միջև առաջացած ջրածնական կապերի շնորհիվ։

α պարույրի մի ամինաթթվի կարբոնիլ խումբը (C=O) ջրածնային կապով կապված է չորս ամինաթթու հետո գտնվող ամինաթթվի ամինախմբի H-ին (N-H) (օրինակ՝ 1-ին ամինաթթվի կարբոնիլ խումբը ջրածնային կապ կառաջացնի 5-րդ ամինաթթվի N-H-ի հետ): Այս կերպ կապի առաջացումը պոլիպեպտիդային շղթան վերածում է ոլորված ժապավենի նմանվող պարուրաձև կառուցվածքի, որի յուրաքանչյուր պարույրը պարունակում է 3,6 ամիինաթթու։ Ամինաթթուների R խմբերը α պարույրից դուրս են, որտեղ էլ կարող են փոխազդեցության մեջ մտնել${}^3$‍։

β ծալքավոր կառուցվածքում պոլիպեպտիդի երկու կամ ավելի հատվածներ իրար կողք են շարվում՝ առաջացնելով ծալքավոր կառուցվածք, որը պահվում է ջրածնային կապերով։ Ջրածնային կապերն առաջանում են կարբոնիլ խմբի և ամինախմբի միջև, իսկ R խմբերը ծալքի հարթությունից վերև ու ներքև են ուղղվում${}^3$‍։ β ծալքավոր կառուցվածքի շղթաները կարող են իրար զուգահեռ լինել՝ ունենալ միևնույն ուղղությունը (այսինքն՝ դրանց N- և C-ծայրերը կհամապատասխանեն) կամ հակազուգահեռ՝ ունենալ հակառակ ուղղություններ (այսինքն՝ շղթաներից մեկի N-ծայրը կգտնվի մյուս շղթայի C-ծայրի դիմաց)։

Որոշ ամինաթթուներ հայտնաբերվել են միայն α պարույրի կամ β ծալքավոր կառուցվածքի ձևով։ Օրինակ՝ պրոլին ամինաթթուն երբեմն կոչվում է «պարույր քանդող», քանի որ իր անսովոր R խումբը (որն օղակ առաջացնելու համար միանում է ամինախմբին) շղթայում թեքում է առաջացնում, որն անհամատեղելի է պարույրի հետ${}^4$‍։ Պրոլինը սովորաբար լինում է երկրորդային կառուցվածքներում եղած թեքություններում։ Նույն կերպ, տրիպտոֆան, թիրոզին և ֆենիլալանին ամինաթթուները, որոնք իրենց R խմբերում մեծ օղակաձև կառուցվածք են պարունակում, հաճախ հայտնաբերվում են β ծալքավոր կառուցվածքով, հավանաբար այն պատճառով, որ այդպիսի կառուցվածքը կողմնային շղթայի համար մեծ տարածություն է ապահովում${}^4$‍։

Բազմաթիվ սպիտակուցներ պարունակում են և՛ α պարույր, և՛ β ծալքավոր կառուցվածք, իսկ որոշները՝ այս երկուսից միայն մեկը (կամ երկուսից ոչ մեկն էլ չեն պարունակում)։

Պոլիպեպտիդի ամբողջական եռաչափ կառուցվածքը կոչվում է երրորդային կառուցվածք։ Երրորդային կառուցվածքն առաջանում է գլխավորապես սպիտակուցը կազմող ամինաթթուների R խմբերի միջև փոխազդեցությունների արդյունքում։

R խմբերի փոխազդեցությունները, որոնք նպաստում են երրորդային կառուցվածքին, ներառում են ջրածնային, իոնային կապերը, դիպոլ-դիպոլ փոխազդեցությունները, Լոնդոնյան դիսպերսիոն ուժերը, այնսինքն՝ ոչ կովալենտային կապերի ամբողջ ծավալը։ Օրինակ՝ միանման լիցք ունեցող R խմբերը վանում են միմյանց, իսկ հակառակ լիցք ունեցողները կարող են իոնային կապեր առաջացնել։ Նույն կերպ՝ բևեռային R խմբերը կարող են ջրածնային կապեր և այլ դիպոլ-դիպոլ փոխազդեցություններ առաջացնել։ Երրորդային կառուցվածքի համար նաև կարևոր են հիդրոֆոբ փոխազդեցությունները, երբ ոչ բևեռային, հիդրոֆոբ R խմբեր ունեցող ամինաթթուները խմբավորվում են սպիտակուցի ներսում՝ հիդրոֆիլ ամինաթթուներին թողնելով դրսում՝ փոխազդելու միջավայրում եղած ջրի մոլեկուլների հետ։

Եվ վերջապես՝ կովալենտային կապի մի հատուկ տեսակ կա, որը նպաստում է երրորդային կառուցվածքին։ Դա երկսուլֆիդային կապն է։ Երկսուլֆիդային կապերը ցիստեինի՝ ծծումբ պարունակող կողմնային շղթաների միջև կովալենտային կապեր են, որոնք երրորդային կառուցվածքում եղած մյուս բոլոր կապերից ավելի ամուր են։ Դրանք գործում են որպես «անվտանգության քորոցներ»՝ պահելով պոլիպեպտիդի հատվածները միմյանց ամուր միացած։

Շատ սպիտակուցներ կազմված են պոլիպեպտիդային մեկ շղթայից և միայն առաջին երեք մակարդակներն ունեն (որոնք մինչև այժմ քննարկել ենք)։ Բայց որոշ սպիտակուցներ կազմված են պոլիպեպտիդային բազմաթիվ շղթաներից, որոնք կոչվում են ենթամիավորներ։ Երբ այս ենթամիավորները միանում են, առաջանում է սպիտակուցի չորրորդային կառուցվածքը։

Մենք արդեն խոսել ենք չորրորդային կառուցվածք ունեցող մի սպիտակուցի՝ հեմոգլոբինի մասին։ Ինչպես արդեն նշվել է, հեմոգլոբինը արյան մեջ թթվածին է տեղափոխում և կազմված է չորս ենթամիավորից՝ երկու α և երկու β շղթաներից։ Մեկ այլ օրինակ է ԴՆԹ պոլիմերազը։ Այն ֆերմենտ է, որը սինթեզում է ԴՆԹ-ի նոր շղթան և կազմված է տասը ենթամիավորից${}^5$‍։

Ընդհանուր առմամբ, չորրորդային կառուցվածքը պահելու համար ենթամիավորները միանում են նույն տեսակի կապերով, որոնք նպաստում են երրորդային կառուցվածքին (ամենաթույլ կապերը, օրինակ՝ ջրածնային կապերը և Լոնդոնյան դիսպերսիոն ուժերը)։

Յուրաքանչյուր սպիտակուց իրեն բնորոշ ձևն ունի։ Եթե սպիտակուցի միջավայրի ջերմաստիճանը և pH-ը փոխվում են, կամ այն ենթարկվում է քիմիական նյութերի ազդեցությանը, այդ փոխազդեցությունները կարող են խաթարվել, որի պատճառով սպիտակուցը կարող է կորցնել իր եռաչափ կառուցվածքը և վերածվել կառուցվածք չունեցող ամինաթթվային շղթայի։ Երբ սպիտակուցը կորցնում է իր բարձրակարգ կառուցվածքը՝ պահպանելով առաջնային կառուցվածքը, այն բնափոխվում է։ Բնափոխված սպիտակուցները սովորաբար գործառնական չեն։

Որոշ սպիտակուցների դեպքում բնափոխումը կարող է դարձելի լինել։ Քանի դեռ պոլիպեպտիդի առաջնային կառուցվածքը պահպանված է (ամինաթթուները չեն պոկվել իրարց), նորմալ միջավայր վերադարձնելուց հետո այն կարող է վերականգնել իր գործառնական ձևը։ Սակայն այլ դեպքերում բնափոխումը մշտական է։ Սպիտակուցի ոչ դարձելի բնափոխման օրինակ է ձվի եփումը։ Ձվի սպիտակ հեղուկ մասի ալբումինը դառնում է անթափանց և պինդ, երբ այն բնափոխվում է վառարանի ջերմությունից, և սառեցնելիս իր նախնական՝ հում ձվի վիճակին չի վերադառնա։

Գիտնականները որոշ սպիտակուցներ են հայտնաբերել, որոնք կարող են բնափոխումից հետո վերստին պարուրվել անգամ այն դեպքում, երբ մենակ են փորձանոթում։ Քանի որ այս սպիտակուցները կարող են ինքնուրույն պարուրվել, նրանց ամինաթթվային հաջորդականությունները պետք է պարուրման մասին ամբողջական տեղեկություն պարունակեն։ Սակայն ոչ բոլոր սպիտակուցներն են ի վիճակի այս հնարքը կատարելու, և թե ինչպես են դրանք բջջում սովորաբար պարուրվում, ավելի բարդ գործընթաց է: Շատ սպիտակուցներ չեն կարող ինքնուրույն պարուրվել, բայց փոխարենը օգնություն են ստանում շապերոնային սպիտակուցներից (շապերոններ):

Ցանկանու՞մ ես սպիտակուցի կառուցվածքի և փաթեթավորման մասին իմանալ ավելին։ Ստուգի՛ր LabXchange-ի scrollable interactive-ը։

Ցանկանու՞մ ես սպիտակուցի փաթեթավորման վրա ջերմաստիճանի ազդեցության մասին իմանալ ավելին։ Ստուգի՛ր LabXchange-ի այս ինտերակտիվ նկարը։