Уураг (молекул)

Цэнхэр өнгөтэй альфа спираль нь миоглобин уургийн 3D бүтэц. Энэ уураг нь рентген кристаллографаар бүтэц нь тодорхойлогдсон анхны уураг юм. Зургийн баруун хэсэгт хүчилтөрөгчтэй (улаан) холбогдсон гем бүлэг (саарал) гэж нэрлэгддэг кофакторыг харж болно.

Энэ өгүүллэг нь уургийг молекулын бүтэц талаас нь авч үзсэн бөгөөд уургийн тухай ерөнхий ойлголтыг эндээс үзнэ үү.

Уураг нь нэг эсвэл түүнээс олон амин хүчлийн үлдэгдлээс бүрдсэн том биологийн молекул буюу макромолекул юм. Уургууд нь, катализаторт метаболизм, ДНХ репликац (хуулбарлах), сөрөг нөлөөлөлд хариу үйлдэл үзүүлэх, нэг байрлалаас нөгөө рүү молекул зөөх зэрэг амьд организм дотор маш өргөн хүрээний үүргүүдийг гүйцэтгэдэг. Уургууд нь бие биеэсээ амин хүчлийн дарааллаараа ялгагддаг ба энэ дарааллыг тэдгээрийг кодчилсон генийн нуклеотидын дараалал заадаг. Уургууд нь үүссэнийхээ дараа 3D хэлбэрт орж нугалардаг ба яаж нугалрах нь уургуудын амин хүчлийн дарааллаас хамаардаг бөгөөд нугалралтаас тэдгээрийн идэвх шалтгаална.

Полипептид нь амин хүчлүүдийг конденсацлан гарган авсан дан шугаман полимер хэлхээ юм. Амин хүчлийн үлдэгдлүүд нь хоорондоо пептидийн холбоогоор холбогдсон байдаг. Уураг дахь амин хүчлийн үлдэгдлийн дараалал нь генетик кодод орших генийн дарааллаар тодорхойлогддог. Ерөнхийдөө, генетикийн код нь 20 стандарт амин хүчлүүдийг тодорхойлдог боловч, зарим организмд генетик код нь селеноцистеинийг багтаадаг (архейн генетик код пирролизинийг агуулдаг). Нийлэгжилт дуусмагц эсвэл явагдаж байх үед үүссэн/үүсэж буй уураг нь трансляцийн дараах сайжруулалтад өртдөг бөгөөд энэ нь уургийн физик болон химийн шинж, нугалралт, тогтвортой байдал, идэвх, эцэст нь үүргийг нь өөрчилдөг. Заримдаа уургуудад пептидийн бус бүлэг холбогдсон байдаг ба тэдгээрийг простетик бүлэг эсвэл кофактор гэж нэрлэгддэг. Уургууд нь тодорхой үүргийг гүйцэтгэх зорилгоор хамтран ажилладаг ба хоорондоо холбогдохдоо тогтвортой уургийн нэгдлийг үүсгэдэг.

Полисахарид ба нуклейний хүчил зэрэг биологийн макромолекулуудтай адилаар, уургууд нь организмийн чухал бүрэлдэхүүн бөгөөд эс доторх бараг бүхий л үйл ажиллагаанд оролцдог. Ихэнх уургууд нь биохимийн урвалуудыг катализалдаг ферментүүд бөгөөд, эдгээр нь метаболизмд маш чухал байр эзэлдэг. Уургууд нь мөн бүтцийн (барилгын материал) болон механик үүргүүдтэй байдаг. Жишээ нь, булчин дахь актин ба миозин, цитоскелетон дахь эсийн хэлбэрийг барьж өгдөг уургуудыг нэрлэж болох юм. Өөр уургууд нь эсийн дохиолол, дархлааны үйл ажиллагаа, эсийн холболтийг болон эсийн циклийг явуулахад чухал үүрэгтэй оролцдог. Уургууд нь бас амьтдын хүнсний чухал бүрэлдэхүүн хэсэг юм. Учир нь, амьтад шаардлагатай бүх амин хүчлүүдээ нийлэгжүүлж чаддаггүй бөгөөд, орлуулж үл болох амин хүчлүүдийг хүнсээрээ авах ёстой байдагт оршино. Хүнсээрээ авсан уургаа амьтад амин хүчил болгон задалдаг ба эдгээр нь метаболизмд ашиглагдана.

Ультрацентрфуг, тунадасжуулалт, электрофорез, хромотограф зэргээр, уургаас эсийн бусад бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг салган цэвэршүүлж болдог. Генийн инженерчлэл бий болсноор, уургийг цэвэршүүлэх процессийг хөнгөвчилсөн хэд хэдэн аргуудыг нээсэн. Уургийн бүтэц болон үүргийг судлахад иммуногистохими, сайт чиглэлтэй мутагенеци, рентген кристаллограф, цөмийн соронзон резонанс болон масс спектрометрийн аргуудыг ихэвчлэн ашигладаг.

Биохими

Пептидийн холбооны химийн бүтэц (доор). Аланин ба түүнтэй зэрэгцээ орших амин хүчлийн пептидийн холбооны 3D бүтэц (дээр/тодотгосон).

Уургийн полимерийг үүсгэх амин хүчлүүдийн пептидийн холбооны резонанс бүтэц.

Ихэнх уургууд нь шугаман полимеруудаас бүрддэг ба полимерууд нь 20 хүртэл тооны өөр L-α-амин хүчлүүдээс тогтдог. Бүх уураг бүтээгч амин хүчлүүд нь нийтлэг бүтцийн онцлогийг агуулдаг. Тэд альфа α-нүүрстөрөгчтэй ба түүнд амин бүлэг, карбоксил бүлэг болон өөр өөр хажуугийн хэлхээ холбогддог. Зөвхөн пролин энэ үндсэн бүтцээс өөр бүтэцтэй байдаг. Пролин нь амин бүлгийн N-төгсгөлдөө өвөрмөц цагираг агуулдаг ба энэ нь CO-NH амидийн үлдэгдлийг хөдөлгөөнгүй конформацд оруулдаг. Стандарт амин хүчлүүдийн хажуугийн хэлхээ нь маш өргөн хүрээний химийн бүтэцтэй болон шинжүүдтэй байдаг. Уураг дахь бүх амин хүчлүүдийн хажуу хэлхээнүүдийн үйлчлэлүүдийн нийлбэрээр тухайн уургийн 3D бүтэц болон түүний химийн идэвхийг тодорхойлдог. Полипептид дахь амин хүчлүүд нь пептидийн холбоогоор холбогдсон байдаг. Уургийн хэлхээнд холбогдсон бол тухайн амин хүчлийг "үлдэгдэл" гэдэг ба нүүрстөрөгч, азот болон хүчилтөрөгчийн цуваа атомуудыг нь "үндсэн хэлхээ" буюу "уургийн нуруу" гэж нэрлэдэг.

Пептидийн холбоо нь хоёр резонанс хэлбэртэй ба эдгээр холбоо нь хосолсон (давхар) холбооны зарим шинж чанарыг агуулж, тэнхлэгүүдээ тойрон эргэхийн хориглосноор альфа нүүрстөрөгчийн атомуудыг бараг копланар (нэг хавтгайд) байрлалд оруулдаг. Пептидийн холбооны нөгөө хоёр хоёрталт өнцгүүд нь тухайн уургын нурууны хэлбэрийг тодорхойлдог. Уургын чөлөөтэй карбоксил бүлэгтэй төгсгөлийг С-төгсгөл эсвэл карбоксил төгсгөл, чөлөөтэй амин хүчилтэй төгсгөлийг нь N-төгсгөл буюу амин төгсгөл гэдэг. Уураг, полипептид болон пептид гэдэг үгс нь давхар утгатай ба тэдгээрийн утгууд нь заримдаа давхацдаг. Уураг гэдгээр ерөнхийдөө бүтэн бүрэлдсэн, тогтвортой байгаа биологийн молекулуудыг илэрхийлдэг байхад, пептид гэдэг нь ерөнхийдөө богино, 3D тогтвортой бүтэцгүй амин хүчлийн олигомерийг хэлдэг. Хэдийгээр энэ хоёрын хоорондын заагийг сайтар тайлбарлаагүй ч, ойролцоогоор 20-30 үлдэгдлээр ялгагддаг. Полипептид нь ямар нэгэн амин хүчлийн шугаман хэлхээ ба ямар ч урттай байж болдог.

Нийллэгжүүлэлт

Рибосом нь мРНХ-ийг загвар болгон ашиглан уургийг үүсгэнэ.

ДНХ дахь генийн дараалал нь уургийн амин хүчлүүдийн дарааллыг кодчилно.

Бионийллэгжүүлэлт

Уургууд нь генүүдэд кодчилогдсон байгаа мэдээллийн дагуу амин хүчлүүдээс угсрагддаг. Уураг болгон нь, тэдгээрийг кодчилох генийн нуклеотидуудын дарааллын дагуу бүрддэг амин хүчлийн үл давтагдах дараалалтай байдаг. Генетик код нь, кодон гэж нэрлэгдэх 3 нуклеотидын багцуудаас тогтдог ба 3 нуклеотид болгон нь нэг амин хүчлийг кодчилдог. Жишээлбэл, АУГ(аденин-урацил-гуанин) нь метионины код болно. ДНХ нь 4 нуклеотид агуулдаг ба нийт байж болох кодоны тоо 64 учир, генетикийн кодод нэг буюу түүнээс дээш тооны кодон нь нэг амин хүчлийг тодорхойлдог. ДНХ-д кодчилогдсон байгаа генүүд нь юуны өмнө, РНХ полимераза гэх мэтийн уургуудаар урьдчилсан мессенжэр РНХ (анхдагч транскрипц гэж мөн нэрлэдэг) болон транскрипцлагддаг. Ихэнх организмууд урьдчилсан мРНХ-ээ, транскрипцын дараах сайжруулалтын ялгаатай хэлбэрүүдийг ашиглан боловсорсон мРНХ болгодог ба дараа нь энэ нь рибосомуудаар явагдах уургын нийллэгжилд загвар болон ашиглагддаг. Прокариотуудад мРНХ нь үүсмэгц шууд ашиглагдах эсвэл нуклеойдоос салмагц рибосом дээр холбогддог. Эсрэгээр, эукариотууд мРНХ-ийг эсийн бөөм дотор бий болгоод, бөөмийн мембраныг нэвчүүлэн цитоплазмд байрлуулдаг ба цитоплазмд уургын бионийллэгжил явагддаг. Уургын нийллэгжлийн хурд нь прокариотуудад илүү байдаг (эукариотуудтай харьцуулахад) ба 20 амин хүчил/сек хүрдэг.

мРНХ-г загвар болгон ашиглан уургыг нийллэгжүүлэх процессийг трансляц гэдэг. Тухайн мРНХ нь рибосом дээр суурилагдаж, кодон бүр нь тРНХ молекул дээрх антикодонтой суурь хослох байдлаар нуклеодтидууд нь гурав гурваараа уншигдана. Аминоацил тРНХ синтетаза фермент нь тРНХ молекулуудыг тохирох амин хүчлээр хангадаг. Томорч байгаа полипедтидийг үүсч буй хэлхээ гэж нэрлэдэг. Уургууд нь ямагт N-төгсгөлөөс C-төгсгөл рүү чиглэлтэйгээр нийллэгждэг.

Нийллэгжлийн үр дүнд үүссэн уургийн хэмжээг түүнд агуулагдаж байгаа амин хүчлийн тоогоор болон түүний молекулын массаар тодорхойлдог. Хэмжээг ихэвчлэн дальтоноор (Да) эсвэл уламжлагдсан нэгж болох килодальтоноор (кДа) илэрхийлдэг. Дрожжийн уургууд нь дунджаар 466 амин хүчлийн урттай бөгөөд 53 кДа масстай байдаг. Мэдэгдэж буй уургуудаас хамгийн том нь 3000 кДа масстай ба ойролцоогоор 27000 амин хүчлийн урттай титинууд (булчингийн сакромерийн нэг бүрэлдэхүүн хэсэг) юм.

Химийн нийллэгжил

Богинохон уургууд химийн нийллэгжлээр үүсэж болдог. Ингэхдээ пептидийн нийллэгжил гэж нэрлэгддэг бүлэг аргуудаар үүсгэгддэг. Эдгээр аргууд нь органик нийллэгжлийн аргачлалууд дээр суурилдаг. Химийн нийллэгжил нь полипептидийн хэлхээнд байгалийн гаралтай бус амин хүчлүүдийг залгах аргыг нээж өгсөн, жишээлбэл: амин хүчлүүдийн хажуугийн хэлхээнд флуоресцент тэмдгийг залгах. Эдгээр аргууд нь биохимийн лаборатори болон эсийн биологид чухал боловч, арилжааны (аж ахуйн) хэрэглээнийх биш юм. Химийн нийллэгжил нь 300 амин хүчлээс илүү урттай полипептидэд хэрэгцээгүй болдог ба үүссэн уургууд өөрийн 3D бүтцэдээ хялбар орж чаддаггүй. Дийлэнх химийн нийллэгжилийн аргууд нь биологийн урвалын эсрэгээр C-төгсгөлөөс N-төгсгөл рүү чиглэлтэй байдаг.

Бүтэц

The crystal structure of the chaperonin. Chaperonins assist protein folding.

Three possible representations of the three-dimensional structure of the protein triose phosphate isomerase. Left: all-atom representation colored by atom type. Middle: Simplified representation illustrating the backbone conformation, colored by secondary structure. Right: Solvent-accessible surface representation colored by residue type (acidic residues red, basic residues blue, polar residues green, nonpolar residues white)

Ихэнх уургууд өвөрмөц 3D хэлбэрт орон нугалрдаг. Уургын ингэж ордог хэлбэрийг нь уургын бодит төлөв гэдэг. Олон уургууд гадны туслалцаагүйгээр өөрсдийн бодит төлөвт ордог (ердөө л өөрсдийн амин хүчлийн химийн шинжүүдийг ашиглан) бол, зарим нь шаперон молекулын туслалцааг шаарддаг. Биохимичид ихэвчлэн уургын бүтцийн 4 өөр хэлбэрийг дурддаг:

• Анхдагч бүтэц: амин хүчлийн дараалал. Уураг нь полиамид.
• Хоёрдогч бүтэц: устөрөгчийн холбоогоор тогтворжсон, локал бүтцүүдийн давталт (үечлэл). Өргөн тархсан жишээ нь, альфа мушгиа (спираль), бета ялтас болон эргэлтүүд (тойрог). Хоёрдогч бүтэц нь локал учраас, ялгаатай хоёрдогч бүтцийн олон хэсгүүд нь нэг уургын молекулд орших боломжтой.
• Гуравдагч бүтэц: уургын нэг молекулын ерөнхий хэлбэр (хоёрдогч бүтцүүдийн хоорондын холбоо). Гуравдагч бүтэц нь ерөнхийдөө локал бус холбоонуудаар холбогдож, ихэвчлэн гидрофоб (усанд дургүй) бүтцийг үүсгэдэг. Мөн давсны гүүрээр, устөрөгчийн холбоогоор, дисульфидийн холбоогоор, тэр бүү хэл трансляцийн дараах хувиргалтаар холбогддог. Гуравдагч бүтэц нь нугалралт гэдэг ойлголттой ижил утгатайгаар дэлгэрэнгүй ашиглагддаг. Гуравдагч бүтэц нь уургын үндсэн үүргийг удирддаг.
• Дөрөвдөгч бүтэц: хэд хэдэн уургын молекулуудаас үүсдэг бөгөөд нэг комплекс уураг шиг ажилладаг бүтэц. Энэ сэдэвт уургын дэд нэгж гэж нэрлэгдсэн.

Уургууд нь хатуу бүтэцтэй молекулууд биш. Дээр дурдагдсан бүтцүүдээс гадна, уургууд нь хэд хэдэн хамааралтай бүтцэд хувирах чадвартай ба тэр үедээ үүргээ гүйцэтгэсэн хэвээр байдаг. Энэ өөрчлөн байгуулалтын хүрээнд хамрагдах гуравдагч ба дөрөвдөгч бүтцүүдийг хувиралт (конформац), тэдгээрийн хоорондын шилжилтийг хувиралтын өөрчлөлт гэж тус тус нэрлэдэг. Субстратын молекул ферментийн идэвхтэй талд эсвэл химийн урвалд катализаторын үүрэг гүйцэтгэж байгаа уургын физик хэсэгт холбогдсоноор дээрх өөрчлөлтүүд ихэвчлэн бий болдог. Уусмал доторх уургууд нь дулааны хэлбэлзлэлийн нөлөөгөөр мөн бусад молекулуудтай мөргөлдсөнөөр бүтцийн хувиргалтад ордог.

Уургуудыг албан бусаар, гуравдагч бүтцэд нь суурилан 3 үндсэн ангилалд хуваадаг: бөмбөрцгөн уураг, утаслаг уураг, мембранан уураг. Бөмбөрцгөн уургуудын дийлэнх нь уусдаг ба тэдгээрийн олонх нь фермент байдаг. Утаслаг уургууд нь ихэвчлэн бүтцийн үүрэгтэй байдаг. Жишээ нь, коллаген (холболтын эдийн үндсэн бүрдүүлэгч), кератин (үс ба хумсны уурган бүрдүүлэгч). Мембранан уургууд нь ихэвчлэн рецепторын (химийн дохиолол хүлээн авагч) эсвэл, туйлтай эсвэл цэнэгтэй молекулуудыг эсийн мембраныг нэвтрүүлдэг сувгийн үүргийг гүйцэтгэдэг.

Уураг нь усны довтолгооноос маш муу хамгаалагдсан байдаг учир, өөрийгөө усгүйжүүлэх, дегидрон гэж нэрлэгддэг, молекул доторх тусгай устөрөгчийн холбоотой байдаг.

Бүтцийг тодорхойлох

Уургын гуравдагч бүтцийг эсвэл дөрөвдөгч бүтцийн комплексүүдийг нээх нь тухайн уураг яаж үүргээ гүйцэтгэдгийг олход тусалдаг. Хоёулаа атомын хэмжээнд мэдээлэл бүрдүүлж чадах X-ray crystallography болон NMR spectroscopy-н бүтцийг олох жирийн туршилтын аргуудад ордог. Гэвч NMR-ын туршилтууд нь хэд хэдэн атомуудын хос хоорондын зай нь таамаглагдаж болох үед мэдээлэл бүрдүүлж чаддаг, ба уурагын авч болох бүрдэлийг геометр бодлого бодсоны эцэст мэдэж авдаг. Dual polarisation interferometry is a quantitative analytical method for measuring the overall protein conformation and conformational changes due to interactions or other stimulus. Circular dichroism нь уурагын альфа ороомог/бэта ялтас -ын бүтцийг тодорхойлох өөр нэг лабораторийн арга юм. Cryoelectron microscopy-ийг маш том уурагын бүрдэл болон цуглуулсан вирусийн бүтцийн тухай мэдээлэл олоход ашигладаг, гэвч маш муу үзүүлэлттэй. Electron crystallography гэдэг төрөл нь зарим тохиолдолд(ихэвчлэн мембраны хоёр хэмжээст уургын кристалын) өндөр үзүүлэлттэй мэдээлэл бүрдүүлж чаддаг. Шийдэгдсэн бүтцүүд нь ихэвчлэн чөлөөтэй орж болдог мянга мянган уургын бүтцийн мэдээллийг уураг дахь атом болгонд Cartesian coordinates хэлбэртэй авж болох Уургын Мэдээллийн Банканд очдог.

Уургын бүтцийн тооноос олон генийн дараалал байдаг. Шийдэгдсэн бүтцүүдийн бүлгийг бүтэц олдог үндсэн аргуудын нэг болох X-ray crystallography-д ашиглагддаг нөхцөл болгоход амархан байдаг уургуудтай хольдог. Тодорхойлвол, бөмбөлгөн уургууд нь X-ray crystallography-д кристал болгон бэлдэхэд харьцангуй амархан байдаг. Товчоор бол мембарны уурагууд нь кристалжуулхад амаргүй байдаг учир PDB-д бүрэн бусаар төлөөлүүлдэг. Бүтцийн геномиксийн удиртгалууд эдгээр дутагдлуудыг үндсэн нуглараа бүлгүүдийн төлөөлөгчдийн бүтцүүдийг ёс журамтайгаар шийдэн олж засахыг оролдсон. Уургын бүтэц олдог аргуудыг ашиглагдаж туршилтаар бүтцийн олоогүй байгаа уургуудад үнэмшилтэй бүтэц гаргаж авахыг оролдож байгаа.

Эсэд гүйцэтгэх үүрэг

Уургууд нь эс дотор голлох үүрэг гүйцэтгэгчид байдаг ба генд кодчилогдсон мэдээллийн тодорхойлсноор үүргүүдийг гүйцэтгэдэг гэж хэлэгддэг. РНХ-ийн төрлүүдийг тооцохгүй байвал бусад биологийн молекулууд нь харьцангуй идэвхгүй байдаг учраас тэдгээр дээр уургууд ажилладаг. Escherichia coli эсийн хуурай жингийн хагасын уургууд эзэлдэг байхад өөр ДНХ болон РНХ мэтийн макромолекул нь 3% болон 20% эзэлдэг. Тодорхой эсэд эсвэл эсийн төрөлд байгаа уургын бүрдлийг түүний протеом гэдэг.