Органикалық заттар. Амин қышқылдары. Ақуыз
Органикалық заттар. Биополимерлер туралы түсінік. Бұрын айтылғандай, Органикалық емес заттардан басқа тірі организмдердің құрамына түрлі органикалық заттар кіреді: ақуыздар, липидтер, көмірсулар, нуклеин қышқылдары және т.б. олар ең алдымен төрт химиялық элементтер: көміртек, сутегі, оттегі және азот. Белоктардың құрамында осы элементтерге күкірт, ал нуклеин қышқылдарына — фосфор қосылады.
Тірі организмдерде органикалық заттар шамалы, салыстырмалы түрде төмен молекулалық массасы, молекулалары және макромолекулалары бар. Төмен молекулалық қосылыстарға амин қышқылдары, моносахаридтер, нуклеотидтер, карбон қышқылдары, спирттер және т.б. жатады. Макромолекулы (грек. макрос — үлкен) ақуыздар, полисахаридтер және нуклеин қышқылдары бар. Бұл үлкен молекулалық массамен қосылыс құрылымы бойынша күрделі. Осылайша, көптеген ақуыздардың салыстырмалы молекулалық массасы 5000-нан 1 000 000-ға дейін. Химия курсынан білетіндей, салыстырмалы молекулалық масса (Л4Г) заттың бір молекуласы массасының көміртегі атомының массасының бөлігіне қатынасына тең және, демек, өлшеусіз шама болып табылады. Л4Г мәні осы заттың молекуласының массасы атомдық массадан қанша есе көп екенін көрсетеді.
Ақуыздар, полисахаридтер және нуклеин қышқылдарының молекулалары құрамы бойынша бірдей немесе әртүрлі қайталанатын буындардың көп санынан тұрады. Химия курсынан білетіндей, мұндай қосылыстар полимерлер деп аталады. Полимерлер қалдықтарынан тұратын қарапайым молекулалар мономерлер деп аталады. Ақуыздардың мономерлері аминқышқылдары, полисахаридтердің мономерлері-моносахаридтер, нуклеин қышқылдарының молекулалары нуклеотидтерден құрылған. Ақуыздар, полисахаридтер және нуклеин қышқылдары барлық тірі организмдердің жасушаларында болады және тек маңызды биологиялық функцияларды орындайды, сондықтан оларды биологиялық полимерлер (биополимерлер) деп атайды.
Әр түрлі тірі ағзалардың жасушаларында қандай да бір органикалық қосылыстардың болуы әр түрлі. Мысалы, жануарлар жасушаларында ақуыздар мен липидтер, ал өсімдіктер жасушаларында көмірсулар басым. Алайда әртүрлі жасушаларда белгілі бір органикалық қосылыстар ұқсас функцияларды орындайды.
Тірі организмдерде функционалдық мәні бойынша макромолекулалар арасында жетекші рөл белоктарға тиесілі. Көптеген организмдердегі ақуыздар саны да басым. Мысалы, жануарлар организмінде олар 40-50 %, өсімдіктер организмінде — 20-35% құрғақ массаны құрайды. Ақуыздар-мономерлері амин қышқылдары болып табылатын полимерлер.
Амин қышқылдары-ақуыз молекулаларының «кірпіштері». Аминқышқылдары—негізгі қасиеттері тән аминотоптары (—NH2) және қышқыл қасиеттері бар карбоксильді тобы (- СООН) бар органикалық қосылыстар. 200 амин қышқылдары белгілі, бірақ табиғи ақуыздарға тек 20 қатысады. Мұндай амин қышқылдары ақуыз түзуші деп аталады. 2-кестеде осы амин қышқылдарының толық және қысқартылған атаулары келтірілген (есте сақтау үшін емес).
Ақуыз түзетін амин қышқылдарының басым бөлігінде бір карбоксиль тобы және бір амин тобы бар-мұндай амин қышқылдары бейтарап деп аталады (күріш. 6). Сондай-ақ, негізгі амин қышқылдары бар, көп бір амин тобы бар, және қышқыл амин қышқылдары бар. Қосымша амин немесе карбоксильді топтың болуы ақуыздың кеңістіктік құрылымын қалыптастыруда шешуші рөл атқаратын амин қышқылдарының қасиеттеріне әсер етеді. Кейбір амин қышқылдарының (мысалы, цистеин) радиалының құрамына күкірт атомдары кіреді.
Автотрофты организмдер алғашқы фотосинтез өнімдерінен және құрамында азот бар органикалық емес қосылыстардан оларға қажетті барлық аминқышқылдарды синтездейді. Гетеротрофты организмдер үшін амин қышқылдарының көзі тамақ болып табылады. Адам және жануарлар ағзасында кейбір амин қышқылдары зат алмасу өнімдерінен (бірінші кезекте — басқа амин қышқылдарынан) синтезделуі мүмкін. Мұндай амин қышқылдары алмастырғыш деп аталады. Алмастырылмайтын аминқышқылдары деп аталатын басқалары ағзада синтезделе алмайды және сондықтан оған тағам ақуыздарының құрамында үнемі түсуі керек. Барлық алмастырылмайтын аминқышқылдарының қалдықтары бар тамақ ақуыздары, құрамында қандай да бір алмастырылмайтын аминқышқылдарының қалдықтары жоқ, құнсыздан айырмашылығы, толыққанды деп аталады.
Адам үшін алмастырылмайтын амин қышқылдары: триптофан, лизин, валин, изолейцин, треонин, фенилаланин, метионин және лейцин. Балалар үшін аргинин мен гистидин де алмастырылмайды.
Негізгі және қышқылды топтардың болуы амфотермалықты және амин қышқылдарының жоғары реакциялық қабілетін тудырады. Бір амин қышқылының амин тобы (—NH2) басқа амин қышқылдарының карбоксил тобымен (- СООН) өзара әрекеттесуі мүмкін. Бұл ретте су молекуласы бөлінеді, ал аминотоптың азотты атомы мен карбоксильді топтың көміртегінің атомы арасында пептидті байланыс деп аталатын ковалентті байланыс пайда болады. Пайда болатын молекула-дипептид (күріш. 7). Дипептид молекуласының бір соңында еркін аминогруппа, ал екіншісінде — еркін карбоксиль тобы бар. Осының арқасында дипептид олигопептидтер түзе отырып, басқа амин қышқылдарын өзіне қосуға болады. Егер осылайша амин қышқылдарының 10 қалдықтары қосылса, онда полипептид пайда болады.
Пептидтер адам ағзасында маңызды рөл атқарады. Көптеген гормондар (глюкагон, ва-зопрессин, кс және т. б. туралы), антибиотиктер (мысалы, грамицидин), токсиндер (мысалы, дифтериялық токсин) химиялық табиғатта олиго — және полипептидтер болып табылады.
Ақуыз. Ақуыз молекуласын ұйымдастыру деңгейлері. Полипептидті тізбектер өте ұзын және аминқышқыл қалдықтарының әртүрлі комбинацияларын қамтуы мүмкін. Молекулаларының құрамына 50-ден бірнеше мың амин қышқылдарының қалдықтары кіретін полипептидтер ақуыз деп аталады. Әрбір нақты ақуыз аминқышқыл қалдықтарының тұрақты құрамы мен реттілігімен сипатталады.
Амин қышқылдарының қалдықтары ғана түзілген ақуыздар қарапайым деп аталады. Құрамында аминқышқыл табиғатының компоненті бар ақуыздар күрделі болып табылады. Бұл метал иондары (Fe2+, Zn2+, Mg2^ Мп2+), липидтер, нуклеотидтер, қант және т.б. қарапайым ақуыздар — қан альбуминдері, фибрин, кейбір ферменттер (трипсин) және т. б. күрделі ақуыздар-ферменттердің көпшілігі, иммуноглобулиндер (антиденелер).
Ақуыз молекулалары әртүрлі кеңістіктік формаларды қабылдай алады, олар олардың құрылымдық ұйымының төрт деңгейін білдіреді (сурет. 8).
Пептидті байланыстарға қосылған көптеген аминқышқыл қалдықтарынан тізбек ақуыз молекуласының бастапқы құрылымын білдіреді. Бұл ең маңызды құрылым, өйткені ол ақуыздың пішінін, қасиеттерін және функцияларын анықтайды. Бастапқы құрылым негізінде құрылымдардың басқа түрлері құрылады. Ағзаның әрбір ақуызы бірегей бастапқы құрылымы бар.
Ақуыздың қайталама құрылымы NH-топтағы сутегі атомдары мен полипептидті тізбектің әртүрлі аминқышқыл қалдықтарының СО-топтағы оттегі атомдары арасында сутектік байланыстардың пайда болуы нәтижесінде пайда болады. Полипептидті тізбек спиральға бұралады. Сутегі байланысы әлсіз, бірақ айтарлықтай санының арқасында олар осы құрылымның тұрақтылығын қамтамасыз етеді. Толық спиральді конфигурацияда, мысалы, кератин молекулалары — адамның негізгі шаш және тырнақ ақуызы бар. Спиральды екінші құрылым миозин сияқты кейбір басқа ақуыздарға тән.
Ақуыздың екінші құрылымы спиральдан басқа қатпарлы қабатпен берілуі мүмкін. Бұл жағдайда бірнеше полипептидті тізбектер (немесе бір полипептидті тізбектің учаскелері) қатар, гармошка тәрізді құрылым құра отырып орналастырылады (суретті қараңыз. 8). Мұндай конфигурацияда, мысалы, табиғи жібек талшықтарының негізін құрайтын фиброин ақуызы бар.
Үшінші құрылым су ортасында ақуыз молекуласының атомдарының әртүрлі топтары арасында туындайтын сутекті, иондық және басқа да байланыстардың пайда болуы есебінен қалыптасады. Кейбір ақуыздарда үшінші құрылымда цистеин (құрамында күкірт бар аминқышқылдары) қалдықтары арасындағы S — S байланыс (дисульфидті байланыстар) маңызды рөл атқарады. Бұл ретте полипептидті спираль гидрофобты аминқышқыл радикалдары глобуланың ішіне батырылады, ал гидрофильді жер бетінде орналасады және су молекулаларымен өзара әрекеттеседі. Үшінші құрылыммен ақуыз молекулаларының ерекшелігі, олардың биологиялық белсенділігі анықталады. Үшінші құрылым көптеген ақуыздар бар, мысалы, миоглобин (бұлшықеттегі оттегі қорын құруға қатысатын ақуыз) және трипсин (ішектегі тағам ақуыздарын ыдырататын фермент).
Кейбір ақуыздар молекулаларының құрамына бір ғана емес, бірнеше полипептидтер кіреді. Сондықтан төрттік құрылым қалыптасады. Полипептидтер (олар бірдей немесе әртүрлі құрылымы болуы мүмкін) ковалентті байланыстармен байланыспайды. Төрттік құрылымның беріктігі әлсіз молекулааралық күштердің өзара әрекеттесуімен қамтамасыз етіледі. Мысалы, төрттік құрылым гемоглобин ақуызына тән. Оның молекуласы төрт құрылымдық элементтерден тұрады — суббірліктерден тұрады, әрбір суббірліктің құрамына полипептидті Тізбек және белокты емес компонент — гем кіреді.
1. Биологиялық полимерлер қандай заттар? Биополимерлердің молекулаларын құру үшін қандай заттар мономерлер?
а) амин қышқылдары; г) нуклеотидтер;
б) нуклеин қышқылдары; д) ақуыздар;
в ) полисахаридтер; е) моносахаридтер.
2. Барлық амин қышқылдарына қандай функционалдық топтар тән? Бұл топтар қандай қасиеттерге ие?
3. Табиғи ақуыздарға қанша амин қышқылы қатысады? Осы амин қышқылдарының жалпы құрылысын атаңыз. Олар немен ерекшеленеді?
4. Амин қышқылдары полипептидті тізбекке қалай қосылады? Дипептид және трипептид салыңыз. Тапсырманы орындау үшін 6-суретте көрсетілген амин қышқылдарының құрылымдық формулаларын пайдаланыңыз.
5. Ақуыздардың құрылымдық ұйымының деңгейлерін сипаттаңыз. Белокты молекулалардың құрылымдық ұйымдасуының әртүрлі деңгейлері қандай химиялық байланыстар тудырады?
6. Адам және жануарлар тағамнан амин қышқылдарын алады. Өсімдіктерде амин қышқылдары неден синтезделуі мүмкін?
7. Егер әрбір амин қышқылын тек бір рет пайдалануға болатын болса, амин қышқылының үш молекуласынан қанша түрлі трипептидтер құруға болады (мысалы, аланин, лизин және глутамин қышқылы)? Бұл пептидтер бірдей қасиеттерге ие бола ма?
8. Белоктардың қоспасын компоненттерге бөлу үшін электрофорез әдісі қолданылады: электр өрісінде белгілі бір жылдамдықпен жеке белокты молекулалар электродтардың біріне жылжытылады. Бұл ретте бір ақуыз катодқа қарай қозғалады, басқалары анодқа ауыстырылады. Ақуыз молекуласының құрылымы оның электр өрісінде қозғалу қабілетіне қалай байланысты? Ақуыз молекулаларының қозғалыс бағыты неге байланысты? Олардың жылдамдығы неге байланысты?