Белоктарға қолданылатын түсті реакциялар

Жоспар

1. Белок

Табиғатта таралу және маңызы. Белоктар табиғатта кең тараған. Олар барлық жануар мен өсімдік организмдерінде бар, тірі клеткалрдың протоплазмасы мен ядросының негізгі бөлігін құрайды. Белоксыз өмір мүмкін емес. Белотар қаңқаның органикалық бөлігін құрайды, бұлшық ет және нерв тканьдарының құрамына кіреді, тері, шаш, тырнақ, жүн түзеді. Малдардың тырнақтары, олардың мүйіздері, тұяқтары, қауырсындары – бұл әр тәрлі  белоктардың қоспасы. Олар ткань клеткаларын жасау үшін – қажетті құрылыс материалы. Энергетикалық материалдың қоры ррөлін атқарады, өйткені белоктардың артығы мал организімінде углеводтарға айналады. Белоктар ферменттер құрамын кіреді.

Соңғы жылдарда клетка сыртында өмір сүретін және өмірдің белгілері бар белоктар табылған. Осындай белоктардың бірқатарына ауруларды клеткасыз қоздыратын вирустардың белоктары жатады.

Өсімдіктерде белоктар жануарларға қарағанда аз мөлшерде болады. өсімдік белоктарының көпшілігі клеткада орналасқан. Өсімдіктің негізгі массасы целлюлоза екені белгілі. Дегенмен өсімдіктердің тіршілікке қабілеттілігі оларда белок болғандықтан екені мәлім.

Жай заттардан белок синтезін тек қана өсімдіктер жүзеге асырады. Соңғылар ол үшін топырақтың тұзында бар азотты, ал бұршақ тұқымдас өсімдіктер сондай – ақ атмосфералық азотты да пайдаланады. Жануарлар белок емес заттардан белок синтездей алмайды. Оларды белоктарды өсімдіктен немесе жануарлардан алынған азықпен бірге алады.  Азықтың белогын өндеу арқылы, жануарлар өзіне қажетті жаңа белоктар жасайды. Соңғылар организмде ыңғай ыдырауға және тотығуға ұшырап отырады. Сондықтан жануарларға белоктық азық қажет.

Белоктар лептидті байланыстар арқылы CO-NH амин қышқылдарынан түзілетін полимерлер. Тірі клеткалардан анықталған амин қышқылдардың санының аздығына қарамастан 20 бөлшектен құрастырылған комбинациялардың саны астрономиялық өлшемдей 2,4*1018  болады. Шын мәнінде, реалды белоктарда аимн қышқылдарының бөлшектерді әлдеқайда көп болады. Белоктардың молекулалық салмақтарды  5 мыңнан бірнеше миллионға дейінгі орталықта өзгеріп отырады. Белотар қатарына бір – біріне ұқасатығы шамалы, кератин-жүннің негізі, қаңға оттегін тасушы – гемоглобин, сүттен алынатын – казеин  және биохимиялық реакцияларды күшейтуші ферменттер жатады.

Осы айтылғандардан белоксыз тіршілік жоқ екенінін көруге болады. Энгельстің айтуы бойынша тіршілік дегеніміз – «белокты заттардың өмір сүру тәсілі». Белоктар тірі организмдердің денелерін түзеді, екінші жағынан әр түрлі физика – химиялық процестерді жүргізу үшін энергия көзі болып есептеледі. Организмде белоктардың  түрлері өте өп. Олардың әрқайсысы белгілі бір қызмет атқарады. Организмде жүретін әрбір реакцияның  өзіне тән белок катализаторы болады.

Әр түрлі белоктардың құрамына кіретін амин қышқылдарының түрлері де, сандары да әр түрлі болады. Сондқтан белотардың молекулалық массаларының айырмасы да үлкен. Белок молекулаларының массалары шамамен 100000-5000000.

Белоктардың құрамы мен құрылысы олардың гидролиздену реацияларын зерттеудің нәтижесінде анықталады.

Белоктарды қышқыл немесе сілті қсып қыздырғанда гидролизденеді. Кез келген белоктың  гидролизінің нәтижесінде 20-ға жуық әр түрлі a– амин қышқылдарының қоспасы түзіледі. Олардың кейбіреуі төменде көрсетілген:

Осы келтірілген формулаларға сәйкес белок құрамына кіретін амин қышқылдарын мынандай жалпы формуламен көрсетуге болады:

Радикалдың құрамына ашық тізбектер, тұйық тізбетер және әр түрлі функционалды топтар кіруі мүмкін. Келтірілген қышқылдардың формулаларынан радикалдың құрамына – SH – OH – COOH – NH2 атомдар топтарының және бензол ядросының  кіретінін көруге болады.

Жан – жақты зерттеулер бело молекуласындағы әр түрлі амин қышқылдарының қалдықтары бір – бірімен пептидтік байланыс арқылы қосылатынын дәлелдеді. Сондықтан бело молекуласын бірі – бірімен пептидтік байланыс арқылы қосылған амин қышқылдарының  қалдықтарынан тұратын табиғи полипептидтер деп қарастыруға болады.

Ғалымдар 20-дан астам амин қышқылдарының қалдықтарынан тұратын полипептидтерді синтездеу арқылы белок алуды іске асырады.

Түзілген трипептид келесі амин қышқылымен әрекеттесіп тетрапептидке, тетрапептид басқа амин қышқылымен әректтесіп пентапептидке т.т. айналады. Осындай амин қышқылдарының арасында жүретін поликонденсациялану реакциясының нәтижесінде молекулас көптеген амин қышқылдарының қалдықтарынан тұратын полипептидтер түзіледі. Полипептидтердегі пептидтік байланыстар бір амин қышқылының карбоксил тобымен екінші амин қышқылының амин тобы әрекеттесіп су молекуласын бөліп шығару нәтижесінде түзіледі.

Қазіргі кезде полипептидтік теория бойынша бело молекуласы да бір – бірімен пептидтік байланыс арқылы қосылған амин қышқылдарынан тұрады. Бірақ белок молекулалары полипептидтерге қарғананда күрделі болады.

Әрбір белок молекуласы әр түрлі амин қышқылдарының белгілі бір сандарынан тұрады және олар молеулада тек белгілі бір ретпен ғана орналасады.

2. Химиялық қасиеті

Белоктардың маңызды химиялық қасиеттеріне олардың гидролизі жатады. Белоктар гидролизі полипептидтер гидролизі сияқты болады:

 
Белоктардың құрамында карбоксил тобы мен амин тобы болғандықтан әрі қышқылдарша негіздермен, негіздерше қышқылдармен әрекеттеседі:

Белоктарды анықтауға мынандай реакциялар қолданылады.

1. Ксантопротеин реакциясы. Құрамында бензол ядросы бар белоктарға концентрациялы азот қышқылымен әср еткенде сары түс пайда болады.
2. Биурет реакциясы. Сілтідегі мыс (ІІ) гидроксидінің ерітіндісімн белокқа әсер еткенде көк түс пайда болады.
3. Миллион реакциясы. Құрамында күкірті бар белоктарды қорғасын ацетаты және сілті қоспасымен қосып қайнатқанда қызыл түс пайда болады.
4. Цистин реакциясы. Құрамында күкірті бар белотарды қорғасын ацетаты және сілті қоспасымен қосып қайнатқанда қорғасын сульфидінің қара тұнбасы түзіледі.

Белоктар ас қорыту кезінде ферменттердің әсерінен амин қышқылдарына ыдырайды. Амин қышқылдары ішектің қабырғалары арқылы қанға өтеді және клеткаларға барып нуклейн қышқылдарының әсерінен сол жануардың немесе адамның өзіне дән белогын түзеді.

Белоктардың амин қышқылдары тәріздес амфотерлік қасиеті бар. Белоктар судағы ертіндісінде ионданған түріне өтеді. Белоктардың ерітіндісі қышқылдық ортада оң зарядталады да, ал негіздік ортада теріс зарядталады.

Белоктардың қышқыл – негіздік қасиеттерінің айырымы, оларды электрофрез әдісімен бөлуге мүмкіндік береді. Белоктардың изоэлектрлік нүктесінің нәтижесі (рН) олардың құрамындағы амин қышқылдарына байланысты. Мысалы, желатиннің рН – 4,2, казеиндікі – 4,6 – 4,7; гемоглобиндікі – 6,8.

3. Физикалық қасиеттері

Белоктардың физикалық және химииялық қасиеттері олардың құрылыстарына байланысты болады. Кейбір белоктар суда жақсы ериді, кейбіреулері тұхдардың ерітінділерінде ериді, ал басқалры суда ерімейді.

Қыздыру, ауыр металдардың тұздары, радиоактивтік ыдырау

Белоктарды ұнтақ немесе кристалл күйінде бөліп алады. Олар спиртте, ацетонда, кейбіреуі суда ерімейді, сұйылтылған қышқылдар мен сілтілердің ерітінділерінде ериді. Белоктар ерігенде, коллоидтық ерітінді түзеді және оптикалық пәрменді келеді.

Белоктардын, молекулалық массасы өте ауыр болады. Мысалы, қан сарысуы альбуминінің массасы — М.. М. 60.000, -ү — глобулинінін, массасы — М. М. 160.000.

Белоктар молекуласынын, түрлеріне қарай фибриллярлық және глобулярлық болып екіге бөлінеді. Фибриллярлық белоктардың түрі жіп тәріздес болады (эластин, коллаген және фиброин). Ал глобулярлық белоктардьщ түрі эллипс немесе шар тәріздес болады. Оларға альбуминдер, глобулиндер, гемоглобиндер жатады.

Белоктарды қышқылдармен немесе сілтілермен 100—105°С қыздырғанда, олар а — амин кышқылдарына ыдырайды. Демек белоктар амин қышқылдарыньщ қалдықтарынан құралған. Белоктардың мұндай ыдырағанын гидролиз дейміз. Организмде гидролиз ферменттердің әсерімен жүреді. Гидролиздің организмде белоктарды сіңіру үшін маңызы өте зор.

Гидролиз мына схемамен жүреді. 

Демек белоктар —амин қышқылдарының полимері. Қазіргі кезде белоктардың құрамында маңызды 20 амин қышқылдарының кіретіні дәлелденді.

4.Құрамы мен  құрылысы

Барлық белоктардың құрамына көміртек, сутек, оттек және азот кіреді. Көптеген   белоктарда тағы күкірт болады. Қейбірінде   фосфор, йод,   темір және басқа элементтер бар.

Белоктардың молекулалық салмағы ондаған және жүздеген мың көміртектің бірлікпен есептеледі. Кейбір мүшелерінде от бірнеше миллионға дейін жетеді.

Белоктардың құрылысы  туралы   алғашқы  деректерді олардың гидролиз процесін зерттегеннен кейін алуға мүмкін болды. Белоктар  қышқылдардың,   сілтілердің  судағы   ерітінділерімен және ас қорытатын ферменттермен ыдырайды (гидролизденеді). Әр түрлі —амин қышқылдары  гидролиздің  соңғы   өнімі болып қаылады. Қазіргі кезде-олардың 24-і бөлініп алынды.

Белок молекуласы сызықтық структура (тармақталмаған) және амнн қышқылы қалдықтарынан түрады. Амин қышқылы тізбектері (бұрын айтылғандай) полипептидтер деп аталынады. Әр белок молекуласында амин қышқылының звенолары қатаң белплі тәртіппен орналасқан. Орасан үлкен белок молекуласында осы тәртштің бұзылуы   немесе  тек бір   амин   қышқыл звеносы оасқа амин қышқыл қалдығымен   ауыстырылуы   белок қасиетін түгелдей өзгертеді.

Қазіргі уақытта көптеген полипептидтердегі және белоктардағы (грамацидине, вируста, темекі мозаикасында, гемоглобинде және миоглобинде — бұлшық ет белогі) амин қышқыл звеноларының қосылысу тәртібін түсіндіру мүмкін болды.

Өткен ғасырдың 80 жылдары орыс биохимигі А. Я. Данилёвский белок молекуласында пептид тобы бар екендігіне нүсқаған.

Белок молекулаларын зерттеген кезде олардың 4 түрлі структурасы болатыны дәлелденді.

Бірінші құрылымы. Амин қышқылдары ретімен бір-бірімен байланысып, тізбек түзуін белоктың бірінші құрылымы дейміз. Бірінші құрылымдағы амин қышқылдарының ретпен орналасуы әрбір белоктар үшін қайталанбайды. Бұл жағдай әр белоктің өзіндік ерекшеліктерін көрсетеді.

Егер бірінші құрылымдағы амин қышқылдарының реті өзгерсе, ол белоктің қызметі де езгереді.

Бірінші құрылымы түгел анықталған белокқа инсулин гормоны мысал бола алады. Инсулин екі полипептидтік тізбектен тұрады: А және В. А тізбек 21 амин қышқылының қалдығынан, ал В тізбек—30 амин қышқылының қалдығынан тұрады. Бұл екі тізбек екі дисульфидтік көпіршемен байланысқан.

Бір айта кететін жағдай, В тізбектің бірінші құрылымы барлық жануарлар үшін бірдей, ал А тізбекте амин қышқылдарының рет пен орналасуы әр түрлі жануарлар үшін әрқилы. Бүл жануарлардың түр, тұқым айырмашылықтарының ерекшелігін көрсетеді.

Екінші реттік құрылымы. Белоктардың бірінші реттік құрылымы, олардың сан алуан қасиеттерін толық түсіндіре алмайды. Полипептид тізбектерінің кеңістікте орналасуы айрықша роль атқарады. Рентгеноструктуралық анализ әдісі бойынша Л.Полинг полипептид тізбектері кеңістікте шиырылып — спираль түзетінін дәлелдеді. — спираль күйінде белоктар ең орнықты түрінде болады.

Полипептид тізбектері кеңістікте ширатылып спираль күруын белоктың екінші реттік кұрылымы дейміз. Бұл құрылым негізінең сутектік байланыстар арқылы сақталады. Сутегі байланысы бір тізбектегі азотпен байланысқан сутегі атомымен, екінші тізбектегі карбониль тобындағы оттегі атомының арасында пайда болады.

Белоктардың үшінші реттік құрылымында -спиральдар кеңістікте бүктеліп глобула (шумақ) түзеді. Бірінші рет, -спиральдардьщ кеңістіктегі орналасуын бұлшық еттердің белогі миоглобинді зерттегенде дәлелденді. Миоглобиннің үшінші реттік құрылымын ағылшын ғальшы Д. Кендрью ашты. Миоглобиннің молекулалық массасы үлкен емес (16700) және бір ғана полипептидтік тізбектен құралған Миоглобин бұлшық еттерде оттегінің қорын сақтайды.

5. Қасиеттері

Құрамында активті металл болатын не азотты гетероциклдер қалдықтары болатын ферменттің активті орталығы хнмиялық және субстрат молекуласының кеңістік ерекшелігіне бейімделген, сөйтіп, ферменттердің катализдік активтігі жай химиялық катализаторлардың активтігінен бірнеше есе асып түседі. Мысалы, фермент инвертаза, қышқылды катализаторға қарағанда сахарозаны глюкоза мен фруктоза қоспасына 10 миллион есе жылдам айналдырады. Бұл жағдайда реакцияға тек қана Д-қатарға жататын табиғи сахароза ғана катысады. Жазықтықтағы құрылысы басқаша жасанды изомерлерге ферменттердің тиімділігі айтарлықтай төмендейді.

Ферменттер, сол сияқты белок сипатты гормондар және қанның -глобулині глобулярлы белоктар қатарына жатады. Олардың склеропротеиндерден айырмашылығы, суда емес, тұздардың сұйық сулы ерітінділерінде, қышқылдарда немесе сілтілерде еритіндігі. Суда еритің белоктарды альбумнндер деп атайды. Олардың қатарына қанның альбумині, сүт және жұмыртқаның сары уызы жатады. Бұлардан басқа сілтілі ортада еритін, негіздік қасиеті күшті, жануарлар белоктары — протаминдер және гистондар кездеседі. Өсімдік белоктары глютелиндер ерігіштік жағынан глобулинге ұқсайды, бірақ, тұздардың ерітіндісінде қиын ериді. Астық дәндерінде глютелиндермен бірге кездесетін глиадиндер спирттің 70%-ті сулы ерітіндісінде ериді.

Белоктарды классификациялаудың жоғарыда келтірілген мысалдары, бұл саланы зерттеудің өте қиын екендігін көрсетеді. Белоктың әрбір жеке түрі өзінің қасиетін белгілі бір жағдайда (температура, еріткіштің құрамы, рН) толық сақтай алады. Бұл жағдайдан болмашы ғана ауытқу белоктардың — денатурациялануына молекулалардың екіншілік немесе үшіншілік структураларының бүзылуына, олардың қарапайым, полипептидтерге, амин қышқылдарына дейін ыдырауына әкеліп соғады. Денатурацияланудың ең басты белгісі — белоктардың физиологиялық активтігі жойылады. Соңғы жылдары жүргізілген кейбір белок молекулалары синтезінде алғы зат есебінде құрылысы белгілі бір полипептидтер қолданылды. Бұл жағдайда белоктардың біріншілік емес, екіншілік және үшіншілік структураларын қайталау ерекше қиыншылық туғызды. Мысалы, жеткіліксіз болған жағдайда диабет ауруын тудыратын қарын безі гормонының — инсулин структурасы 1955 жылы белгілі болды. Инсулиннің молекуласында 48 амин қышқылдары қалдықтары бар, оның молекулалық салмағы аз және 6500-ге тең. 1963 жылы амин қышқылдары тізбегін толық қайталайтын инсулиннің синтезі жүргізілді. Бірінші алынған препараттық физиологиялық активтігі табиғи иисулин активтігінің 3%-нен аса алмады. Себебі жасанды жағдайда макромолекула ішінде цистин қалдығының 5Н тобының тотығуы нәтижесінде түзілетін (5 — 5 топ) дисульфидті көпіршенің орналасуын қайталау мүмкін болмады.

Ферментті жүйелердің және нуклеин қышқылдарының көмегімен жүргізілетін биосинтездер, организмнен тұқым қуалай ауысатын ген программасына сай олардың құрылысын нақты қайталайды. Белоктарды лабораторняда синтездегенде де, катализатор есебінде тірі клеткалардан алынатын табиғи ферменттердің қолданылатындығына қарамастан, оның мүмкіншілігін табиғи биосинтезбен қазірше салыстыруға болмайды.

Қоректік заттың негізгі үш компоненті — белоктар, майлар және көмірсулар — әсіресе, бағалысы белоктар болып есептеледі. Көптеген дамыған елдерде халықты тамақпен камтамасыз ету проблемасы белоктар жетіспеушілігіне тіреледі. Белоктарды организм энергия көзі ретінде ерекше жағдайларда пайдаланатындықтан, олар негізінен организмге өзіне қажетті белоктар дайындайтың амин қышқылдарын береді, олардың кейбіреулері алмастырылмайтын тұрақты амин қышқылдары. Белоктың тамақ рационындағы қажетті мөлшерін майларды, не көмірсуларды көп қабылдау арқылы толықтыруға болмайды. Сондықтан, тамақ өнеркәсібінің шикізат қорын кеңейтуге, сол сияқты бұзылу нәтижесінде тамақтық заттардың азаюын қысқартуға бағытталған зерттеулердің ерекше маңызы бар. Қазіргі уақытта белокты заттар есебінде негізінен мал шаруашылығы өнімдері қолданылады. Олар есімдіктер өніміне қарағанда әлдеқайда қымбат. Сонымен қатар кең көлемде өсірілетін майлы дақылдардың дәндері белокқа өте бай. Олардан алынатын белок ұны тамақтық заттар дайындауға бағалы шикізат болып есептеледі. Қазіргі уақытта бұл ұнды күнделікті тұрмыста пайдаланып жүрген тамаққа қосудың, ет тәрізді талшықты заттар дайындаудың тәсілдері жасалынуда.

Көмірсулар қатысуында биоорганизмдерді өте жылдам өсіретін су өсімдіктеріне және бірқатар микроорганизмдерге, кейбір жағдайларда, тіпті мүнай көмірсутектеріне де көңіл аударған жөн. Көмірсуларда өсетін ашытқыларды пайдаланып (ол үшін сиропты ые сульфидті жібекті, жалпы қант және целлюлоза өндірісінің қалдықтары) сүт казейніне ұқсас, малдарды азықтандыруға едәуір тиімді белоктар алуға болады. Крахмалдың сулы өнімдерінде өсірілетін кейбір грибоктардың көмегімен адамдар қоректенуге жарамды белоктар жасалады. Оның келешекте тамақтық шикізат көзі болуы ықтимал.

6. Белоктарға қолданылатын  түсті реакциялар

Белоктарды ашу және айқындау үшін бірнеше түсті реакциялар қолданады.

1.  Биурет реакциясы. Егер биуретке Н2N—СО—NН—СО—NН2, CuSO4 ерітіндісін және сілті қосса күлгін түс пайда болады. Осындай реакцияны белоктарға жүргізгенде дәл сондай күлгін түс шығады. Демек белоктарда да — СО—NH — байланысы бар.

2.  Ксантопротеин реакиясы. Белоктарды концентрлі азот кыш-қылымен өңдегенде сары түс пайда болады, ал егер оған аммиак қосса қызғылт сары түске айналады. Бұл   реакция   аромат   амин қышқылдарының нитроқосылыстар түзгенін көрсетеді.

3.   Миллон реакцияси. Азот қышқылы мен сынап нитратының қоспасымен белоктарды қыздырғанда қызыл қоңыр түс пайда болады.  Бұл реакция тирозин амин қышқылының барын көрсетеді.

4.  Нингидрин   реакциясы.   а — амин қышқылдары және поли-пептидтерді нингидрин ерітіндісімен   қыздырғанда   көктүс пайда болады. Бұл қасиет амин қышқылдарын хроматография әдісімен анықтағанда қолданылады.

Белоктарды анықтағанда түсті реакциялардан басқа тұндыру реакциялары да қолданылады. Белоктарды түнбаға түсіру үшін түздар, қышқылдар, ауыр металдардың тұздары және қыздыруды пайдаланады.

Тұндыру екі түрлі болады. Егер түнбаға түсірген тұздарды кетіргенде белок қайтадан ерісе, оны қайтымды тұндыру, ал егер қайтадан ерімесе, оны кайтымсыз тұндыру дейміз. Қайтымды тұндыру нейтралды түздардың әсерімен болады. Бұл әдісті белоктарды тазалау және бір-бірінен бөлу үшін қолданады.

Қайтымсыз тұндырғанда белоктардың структуралары өзгеріп, ерімейтін күйге айналады. Бұл процесті денатуация дейді. Қайтымсыз тұндыру қайнату немесе ауыр металдар тұздарының әсерінен болады.

Қорытынды

Жалпы белоктарды қорыта келгенде адам өміріндегі маңызы өте зор. Мәселен, белоктар азықтық заттар ретінде ең көп қолданылуда. Оларды өнеркәсіптік шикізат ретінде де біршама кең пайдаланады. Жүннің және жібектің (маталар өндірісі), жануарлардың мүйіздері және тасбақаның қабығының (туйме, тарақ және т. б.) қолданылуы бұрыннан белгілі. Жануар терілерін аяқ киім және киім даярлау үшін пайдаланады. Құрамындағы белоктарды ерімейтін күйге айналдыру үшін, оларға мықтылық, жұмсақтық және майысқақтық беру үшін алдын ала өңдейді. Сүйектен, шеміршектен және терінің қиындыларынан суда қайнату жолымен алынған белоктар, желім даярлауға жұмсалады. Ең таза және түссіз желімді желатин деп атайды. Соңғыны конднтер өндірісінде, фотоқағаздар мен фотопленкалар жасау үшін қолданады. Казеин деп аталатын, сүттің белогі, формалинмен бірге пластмасса — галалит, сондай-ақ, жасанды жүн өндірісінде шикізат болып табылады.

Белок синтездеу проблемасы — қазіргі заманның маңызды проблемаларының бірі. Органикалық химияда қазіргі кезде заттарды синтездеудің әр түрлі әдістері бар. Дегенмен, көптеген зерттеулерге қарамастан, осы уақытқа дейін табиғи белокқа ұқсас зат алынған емес. Бұл олардың структурасының өте күрделілігімек және мүмкін болатын изомерлерінің көптігімен түсіндіріледі, өйткені әр белок звеноларының, белгілі тәртіппен ауысып отыруымен ғана емес, кеңістіктегі белгілі структурасымен де сипатталады. Осы жағдайдың бәрін белгілі белокты синтездеу процесінде практикада іс жүзіне асыру, әрине өте қиын.