Белки и пептиды.

Белки – природные высокомолекулярные азотосодержащие органические соединения. Они играют первостепенную роль во всех жизненных процессах, являются носителями жизни. Белки содержатся во всех тканях организмов, в крови, в костях.

Белок , также как углеводы и жиры, - важнейшая составляющая часть пищи человека.

Химическое строение белков

Молекулы белков состоят из остатков аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью.

Пептидная связь возникает при образовании белков в результате взаимодействия аминогруппы (-NH2 ) одной аминокислоты с карбоксильной группой (-СООН ) другой аминокислоты.

Из двух аминокислот образуется дипептид (цепочка из двух аминокислот) и молекула воды.

Десятки, сотни и тысячи молекул аминокислот, соединяясь друг с другом, образуют гигантские молекулы белков.

В молекулах белков многократно повторяются группы атомов -СО-NH- ; их называют амидными , или в химии белков пептидными группами . Соответственно белки относят к природным высокомолекулярным полиамидам или полипептидам.

Общее число встречающихся в природе аминокислот достигает 300, однако некоторые из них достаточно редки.

Среди аминокислот выделяется группа из 20 наиболее важных. Они встречаются во всех белках и получили название альфа-аминокислот .

Всё многообразие белков в большинстве случаев образовано этими двадцатью альфа-аминокислотами. При этом для каждого белка строго специфичной является последовательность, в которой остатки входящих в его состав аминокислот соединяются друг с другом. Аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом организма.

Белки и пептиды

И белки , и пептиды – это соединения, построенные из остатков аминокислот. Различия между ними колличественные.

Условно считают, что:

• пептиды содержат в молекуле до 100 аминокислотных остатков
  (что соответствует молекулярной массе до 10 000), а
• белки – свыше 100 аминокислотных остатков
  (молекулярная масса от 10 000 до нескольких миллионов).

В свою очередь в группе пептидов принято различать:

• олигопептиды (низкомолекулярные пептиды),
  содержащие в цепи не более 10 аминокислотных остатков, и
• полипептиды , в состав цепи которых входит до 100 аминокислотных остатков.

Для макромолекул с числом аминокислотных остатков, приближающимся или немного превышающим 100, понятия полипептидов и белков практически не разграничиваются и часто являются синонимами.

Структура белков. Уровни организации.

Молекула белка это чрезвычайно сложное образование. Свойства белка зависят не только от химического состава его молекул, но и от других факторов. Например, от пространственной структуры молекулы, от связей между атомами, входящих в молекулу.

Выделяют четыре уровня структурной организации молекулы белка.

1. Первичная структура

Первичная структура представляет собой последовательность расположения остатков аминокислот в полипептидных цепях .

Последовательность остатков аминокислот в цепи является наиболее важной характеристикой белка. Именно она определяет основные его свойства.

Белок каждого человека имеет свою уникальную первичную структуру, связанную с генетическим кодом.

2. Вторичная структура.

Вторичная структура связана с пространственной ориентацией полипептидных цепей .

Её основные виды:

• альфа-спираль,
• бетта-структура (имеет вид складчатого листа).

Вторичная структура закрепляется, как правило, водородными связями между атомами водорода и кислорода пептидных групп, отстоящих друг от друга на 4 звена.

Водородные связи как бы сшивают спираль, удерживая полипептидную цепь в закрученном состоянии.

3. Третичная структура

Третичная структура отражает пространственную форму вторичной структуры .

Например, вторичная структура в форме спирали, в свою очередь, может иметь шаровидную или яйцевидную форму.

Третичная структура стабилизируется не только водородными связями, но и другими видами взаимодействия, например ионным, гидрофобным, а также дисульфидными связями.

4. Четвертичная структура

Первые три уровня характерны для структурной организации всех белковых молекул.

Четвёртый уровень встречается при образовании белковых комплексов, состоящих из нескольких полипептидных цепей.

Это сложное надмолекулярное образование, состоящее из нескольких белков, имеющих свою собственную первичную, вторичную и третичную структуры.

В состав белка с четвертичной структурой могут входить как идентичные, так и различающиеся полипептидные цепочки.

Ассоциация полипептидных цепей в четвертичную структуру может приводить к возникновению новых биологических свойств, отсутствующих у исходных белков, образующих эту структуру.

В стабилизации четвертичной структуры принимают участие те же типы взаимодействий, что и в стабилизации третичной.

Классификация белков

Ввиду многообразия пептидов и белков существует несколько подходов к их классификации. Их можно классифицировать по биологическим функциям, составу, пространственному строению .

По составу белки подразделяются на:

• Простые,
• Сложные.

Простые белки.

При гидролизе простых белков в качестве продуктов расщепления получаются только альфа-аминокислоты.

Сложные белки.

Сложные белки наряду с собственно белковой частью, состоящей из альфа-аминокислот, содержит органическую или неорганическую части непептидной природы, называемые простетическими группами .

Примерами сложных белков могут служить транспортные белки миоглобин и гемоглобин , в которых белковая часть – глобин – соединена с простетической группой – гемом . По типу простетической группы их относят к гемопротеинам .

Фосфопротеины содержат остаток фосфорной кислоты, металлопротеины – ионы метала.

Смешанные биополимеры представляют собой также сложные белки. В зависимости от природы простетической группы их подразделяют на:

• Гликопротеины (содержат углеводную часть),
• Липопротеины (содержат липидную часть),
• Нуклеопротеины (содержат нуклеиновые кислоты).

В организме белки редко встречаются в «чистом» виде. В основном они входят в состав сложных образований с высоким уровнем организации, включающих в качестве субъединиц другие биополимеры и различные органические и неорганические группировки.

По пространственной структуре белки делятся на два больших класса:

• Глобулярные и
• Фибриллярные.

Глобулярные белки.

Для глобулярных белков более характерна альфа-спиральная структура, а цепи их изогнуты в пространстве так, что макромолекула приобретает форму сферы.

Глобулярные белки растворяются в воде и солевых растворах с образованием коллоидных систем.

Примеры глобулярных белков – альбумин (яичные белок), глобин (белковая часть гемоглобина), миоглобин , почти все ферменты.

Фибриллярные белки.

Для фибриллярных белков более характерна бетта-структура . Как правило, они имеют волокнистое строение, не растворяются в воде и солевых растворах.

К ним относятся многие широко распространённые белки - бетта-кератин (волосы, роговая ткань), бетта-фиброин (шёлк), миоинозин (мускульная ткань), коллаген (соединительная ткань).

Функции белков в организме.

Классификация белков по их функциям является достаточно условной, так как один и тот же белок может выполнять несколько функций.

Ниже перечислим основные функции белков в организме:

1. Каталитическая функция.

Белки этой группы называются ферментами . Ферменты катализируют различные химические реакции. Например, реакции расщепления сложных молекул (катаболизм) и их синтеза (анаболизм).

Примеры каталитических белков: каталаза, алкогольдегидрогеназа, пепсин, трипсин, амилаза и пр.

2. Структурная функция

Придают форму клетке и её органоидам . Например, мономеры актина и тубулина формируют длинные нити, из которых состоит цитоскелет, позволяющий клетке поддерживать форму. Коллаген и эластин - основные компоненты межклеточного вещества соединительной ткани (например, хряща), а из другого структурного белка кератина состоят волосы, ногти, перья птиц и некоторые раковины.

3. Защитная функция

Существует несколько видов защитных функций белков:

• Физическая защита
  Физическую защиту организма обеспечивают коллаген - белок, образующий основу
  межклеточного вещества соединительных тканей (в том числе костей, хряща,
  сухожилий и глубоких слоёв кожи (дермы)); кератин , составляющий основу роговых
  щитков, волос, перьев, рогов и др. производных эпидермиса. Обычно такие белки
  рассматривают как белки со структурной функцией. Примерами белков этой группы
  служат фибриногены и тромбины , участвующие в свёртывании крови.


• Химическая защита
  Связывание токсинов белковыми молекулами может обеспечивать их детоксикацию.
  Особенно важную роль в детоксикации у человека играют ферменты печени ,
  расщепляющие яды или переводящие их в растворимую форму, что способствует их
  быстрому выведению из организма.


• Иммунная защита
  Белки, входящие в состав крови и других биологических жидкостей, участвуют в
  защитном ответе организма как на повреждение, так и на атаку патогенов. Они
  нейтрализуют бактерии, вирусы или чужеродные белки.

4. Регуляторная функция

Белки этой группы регулируют различные процессы, протекающие в клетках или в организме. К белкам этой группы относятся: белки-гормоны , белки-рецепторы и пр.

Гормоны переносятся кровью. Большинство гормонов животных - это белки или пептиды. Гормоны регулируют концентрации веществ в крови и клетках, рост, размножение и другие процессы. Примером таких белков служит инсулин, который регулирует концентрацию глюкозы в крови.

5. Сигнальная функция

Сигнальная функция белков - способность белков служить сигнальными веществами, передавая сигналы между клетками, тканями, о́рганами и организмами. Часто сигнальную функцию объединяют с регуляторной, так как многие внутриклеточные регуляторные белки тоже осуществляют передачу сигналов.

Сигнальную функцию выполняют белки-гормоны, цитокины, факторы роста и др. Связывание гормона с его рецептором является сигналом, запускающим ответную реакцию клетки.

Клетки взаимодействуют друг с другом с помощью сигнальных белков, передаваемых через межклеточное вещество. К таким белкам относятся, например, цитокины и факторы роста.

6. Транспортная функция

Участие белков в переносе веществ в клетки и из клеток, в их перемещениях внутри клеток, а также в их транспорте кровью и другими жидкостями по организму.

Примером транспортных белков можно назвать гемоглобин , который переносит кислород из лёгких к остальным тканям и углекислый газ от тканей к лёгким, а также гомологичные ему белки, найденные во всех царствах живых организмов.

Некоторые мембранные белки участвуют в транспорте малых молекул через мембрану клетки, изменяя её проницаемость.

7. Запасная (резервная) функция

К таким белкам относятся так называемые резервные белки, которые запасаются в качестве источника энергии и вещества в семенах растений (например, глобулины 7S и 11S ) и яйцеклетках животных. Ряд других белков используется в организме в качестве источника аминокислот. Примерами резервных белков являются казеин , яичный альбумин .

8. Рецепторная функция

Белковые рецепторы могут находиться как в цитоплазме, так и встраиваться в клеточную мембрану.

Рецепторы реагирует изменением своей пространственной конфигурации на присоединение к ней молекулы определенного химического вещества, передающего внешний регуляторный сигнал и, в свою очередь, передает этот сигнал внутрь клетки или клеточной органеллы.

9. Моторная (двигательная) функция

Двигательный белок, моторный белок - класс молекулярных моторов, способных перемещаться. Они транформируют химическую энергию, содержащуюся в АТФ , в механическую энергию движения.

Двигательные белки обеспечивают движения организма, например, сокращение мышц.

К двигательным белкам относят белки цитоскелета - динеины , кинезины , а также белки, участвующие в мышечных сокращениях - актин , миозин .

Эти фрагменты связаны пептидной связью:

Это соединение называется дипептидом . При этом дипептид может реагировать еще с одной аминокислотой, образую трипептид :

Формулы пептидов з аписывают так, чтобы свободная аминогруппа находилась слева, а свободная карбоксильная группа - справа.

Структуру пептидов записывают в сокращенном виде (если в пептиде много остатков аминокислот). Например, вазопрессин:

Эту же структуру можно написать в сокращенном виде:

Химические свойства пептидов.

Основным свойством пептидов является их способность к гидролизу . При гидролизе происходит полное или частичное разрушение цепи, после чего образуются пептиды более короткого строения. Полный гидролиз происходит при длительном нагревании пептида с концентрированной соляной кислотой.

Гидролиз может быть кислотным и щелочным, а также может протекать под действием ферментов. В кислой и щелочной среде образуются соли аминокислот, а ферментативный процесс протекает селективно, т.к. можно расщепить конкретные фрагменты цепи пептида.

Биологическое значение пептидов.

Многие пептиды проявляют свою биологическую активность. Простейший пептид - глутатион, который относится к классу гормонов. Он построен из остатков глицина, цистеина и глутаминовой

Пептиды (от греч. πεπτός, «перевариваемый», производное от πέσσειν, «переварить») – это встречаемые в природе короткие цепочки мономеров аминокислот, связанных пептидными (амидными) связями. Ковалентные химические связи образуются, когда карбоксильная группа одной аминокислоты реагирует с аминогруппой другой аминокислоты. Самые короткие пептиды – это дипептиды, состоящие из 2-х аминокислот, соединенных одной пептидной связью. После них следуют трипептиды, тетрапептиды и т.д. Полипептид представляет собой длинную, непрерывную и неразветвленную пептидную цепь. Следовательно, пептиды входят в широкие химические классы биологических олигомеров и полимеров, наряду с нуклеиновыми кислотами, олигосахаридами и полисахаридами и т.д.

Пептиды отличаются от белков по размеру, и в качестве произвольного ориентира можно считать, что они содержат приблизительно 50 или меньше аминокислот. Белки состоят из одного или нескольких полипептидов, расположенных в биологически функциональном пути, часто связанных к лигандом, таким как коферменты и кофакторы, или с другим белком или другой макромолекулой (ДНК, РНК и т.п.), или со сложными макромолекулярными формированиями. В конце концов, в то время как аспекты лабораторных методов, применяемых к пептидам в сравнении с полипептидами и белками, различаются (например, специфика электрофореза, хроматографии и т.д.), границы размера, отличающие пептиды от полипептидов и белков, не являются абсолютными: длинные пептиды, такие как бета-амилоид, называются белками, а более мелкие белки, такие как инсулин, считаются пептидами. Аминокислоты, которые были включены в пептиды, называются «остатками» в связи с выпуском либо иона водорода из конца амина, либо гидроксильного иона из карбоксильного конца, или обоих веществ, по мере того, как молекула воды выделяется при образовании каждой амидной связи. Все пептиды, за исключением циклических пептидов, имеют N-концевой и C-концевой остаток в конце пептида.

Пептидные классы

Пептиды делятся на несколько классов, в зависимости от того, как они производятся:

Молочные пептиды

Два натуральных молочных пептида образуются из молочного белка казеина, когда его разрушают пищеварительные ферменты; они также могут быть образованы из протеиназ, образованных лактобациллами во время ферментации молока.

Рибосомные пептиды

Рибосомные пептиды синтезируются путем трансляции мРНК. Они часто подвергаются протеолизу, чтобы сформировать зрелую форму. Они, как правило, функционируют в высших организмах как гормоны и сигнальные молекулы. Некоторые организмы производят пептиды в качестве антибиотиков, такие как микроцины. Так как они транслируются, участвующие в этом аминокислотные остатки ограничиваются остатками, используемыми рибосомой. Тем не менее, эти пептиды часто имеют посттрансляционные модификации, такие как фосфорилирование, гидроксилирование, сульфирование, пальмитоилирование, гликозилирование и формирование дисульфида. В общем, они являются линейными, хотя наблюдались петлеобразные структуры. Наблюдаются и более экзотические манипуляции, например, рацемизация L-аминокислот в D-аминокислоты в яде утконоса.

Нерибосомные пептиды

Нерибосомные пептиды собираются с помощью ферментов, которые являются специфическими для каждого пептида, а не с помощью рибосомы. Наиболее распространенным нерибосомальным пептидом является глутатион, который является составной частью антиоксидантной защиты большинства аэробных организмов. Другие нерибосомные пептиды наиболее распространены в одноклеточных организмах, растениях и грибах и синтезируются модульными комплексами ферментов, называемыми нерибосомные пептидные синтетазы. Эти комплексы часто располагаются аналогичным образом, и они могут содержать множество различных модулей для выполнения разнообразных химических манипуляций на разрабатываемом продукте. Эти пептиды часто являются циклическими и могут иметь весьма сложные циклические структуры, хотя линейные нерибосомальные пептиды являются распространенными. Так как система тесно связана с машинами для создания жирных кислот и поликетидов, часто встречаются гибридные соединения. Присутствие оксазолов или тиазолов часто указывает на то, что соединение синтезируют таким образом.

Пептоны

Пептоны получают из молока животных или мяса, переработанного в ходе протеолиза. Помимо небольших пептидов, полученный лиофилизированный материал включает в себя жиры, металлы, соли, витамины и многие другие биологические соединения. Пептоны используются в питательных средах для выращивания бактерий и грибков.

Пептидные фрагменты

Пептидные фрагменты – это фрагменты белков, которые используются для идентификации или количественного определения белка источника. Часто они являются продуктами ферментативного разложения, выполняемого в лаборатории на контролируемом образце, но также могут быть образцами судебно-медицинской или палеонтологической экспертизы, которые были расщеплены благодаря воздействию естественных факторов.

Пептиды в молекулярной биологии

Пептиды получили известность в области молекулярной биологии по нескольким причинам. Во-первых, пептиды позволяют создавать пептидные антитела в организме животных без необходимости очистки белка, представляющего интерес. Это предполагает синтез антигенных пептидов участков белка, представляющего интерес. Затем они будут использованы для получения антител против этого белка у кролика или мыши. Другая причина состоит в том, что пептиды стали играть важную роль в масс-спектрометрии, что позволяет идентифицировать белки, представляющие интерес, на основе пептидных масс и последовательности. В этом случае пептиды наиболее часто генерируются в ходе переработки в геле после электрофоретического разделения белков. Пептиды недавно начали использоваться при исследовании структуры и функции белков. Например, синтетические пептиды могут быть использованы в качестве зондов, чтобы увидеть, где происходит взаимодействие белок-пептид. Ингибирующие пептиды также используются в клинических исследованиях для изучения влияния пептидов на ингибирование раковых белков и других заболеваний. Например, один из наиболее перспективных способов связан с пептидами, которые нацелены на рилизинг-фактор лютеинизирующего гормона. Эти специфические пептиды действуют в качестве агониста, а это означает, что они связываются с клеткой, регулируя рецепторы РФЛГ. Процесс ингибирования клеточных рецепторов позволяет предположить, что пептиды могут быть полезны при лечении рака простаты. Тем не менее, дополнительные исследования и эксперименты необходимы перед тем, как противораковые качества пептидов можно будет считать окончательными.

Пептидные семьи

Пептидные семьи, упомянутые в этом разделе, представляют собой рибосомные пептиды, как правило, обладающие гормональной активностью. Все эти пептиды синтезируются клетками как более длинные «пропептиды» или «пропротеины» и сокращаются до выхода из ячейки. Они попадают в кровоток, где они выполняют свои сигнальные функции.

Тахикининовые пептиды

Вещество Р

Кассинин

Нейрокинин

Эледоизин

Нейрокинин B

Вазоактивные кишечные пептиды

VIP (вазоактивный кишечный пептид; PHM27)

PACAP пептид, активирующий аденилатциклазу гипофиза

Пептид PHI 27 (пептид гистидин изолейцин 27)

GHRH 1-24 (соматолиберин 1-24)

Глюкагон

Секретин

Панкреатические полипептид связанные пептиды

NPY (нейропептид Y)

PYY (пептид YY)

APP (Птичий панкреатический полипептид)

PPY панкреатический полипептид

Опиоидные пептиды

Проопиомеланокортиновые (POMC) пептиды

Энкефалиновые пентапептиды

Продинорфиновые пептиды

Кальцитониновые пептиды

Кальцитонин

Другие пептиды

Натрийуретический пептид B-типа (BNP) - производится в миокарде и полезен в медицинской диагностике

Лактотрипептиды. Лактотрипептиды могут снижать кровяное давление, хотя доказательства являются смешанными.

Замечания по терминологии

Длина:

Полипептид является одной линейной цепью многих аминокислот, удерживаемых вместе амидными связями.

Белок представляет собой один или несколько полипептидов (длиной более 50 аминокислот).

Олигопептид состоит только из нескольких аминокислот (от двух до двадцати).

Количество аминокислот:

Монопептид содержит одну аминокислоту.

Дипептид содержит две аминокислоты.

Трипептид состоит из трех аминокислот.

Тетрапептид содержит четыре аминокислоты.

Пентапептид имеет пять аминокислот.

Гексапептид содержит шесть аминокислот.

Гептапептид состоит из семи аминокислот.

Октапептид имеет восемь аминокислот (например, ангиотензин II).

Нонапептид имеет девять аминокислот (например, окситоцин).

Декапептид имеет десять аминокислот (например, гонадотропин-рилизинг-гормон и ангиотензин I).

Ундекапептид (или монодекапептид) содержит одиннадцать аминокислот, додекапептида (или дидекапептид) – двенадцать аминокислот, тридекапептид – тринадцать аминокислот, и так далее.

Икозапептид состоит из двадцати аминокислот, триконтапептид – из тридцати аминокислот, тетраконтапептид – из сорока аминокислот, и так далее.

Функция:

Нейропептид представляет собой пептид, который активен в сочетании с нервной тканью.

Липопептид представляет собой пептид, который имеет липид, соединенный с ним, и пепдуцины – это липопептиды, которые взаимодействуют с рецептором, сопряжённым с G-белком.

Пептидный гормон, который представляет собой пептид, который действует как гормон.

Протеоза представляет собой смесь пептидов, полученных в результате гидролиза белков. Термин несколько архаичен.

Допинг в спорте

Термин «пептид» неправильно или нечетко используется для обозначения незаконных стимуляторов секреции и пептидных гормонов в спортивном допинге: незаконные пептиды-стимуляторы секреции входят в Список 2 (S2) запрещенных веществ Всемирного антидопингового агентства, и поэтому запрещены для использования профессиональными спортсменами, как конкурентными, так и неконкурентными. Такие пептидные стимуляторы секреции входили в список ВАДА запрещенных веществ, по крайней мере, в 2008 году. Австралийская комиссия по преступности (неправильно используя термин пептиды) цитировала предполагаемое злоупотребление незаконными пептидными секретогогами, используемыми в австралийском спорте, включая пептиды, стимулирующие выработку гормона роста CJC-1295, GHRP-6, и GHSR (ген) гексарелин. Существует продолжающееся противоречие относительно законности использования пептидных секретагогов в спорте.

Список пептидов

	2013/12/02 20:25	Наталья
	2013/11/27 00:15	Pavel
	2013/11/27 00:19	Pavel
	2013/11/27 00:21	Pavel
	2016/08/31 21:18
	2015/03/28 00:18	Яна
	2014/03/29 01:56	Наталья
	2013/11/26 21:00	Pavel
	2015/06/06 17:45	Яна
	2013/11/26 20:49	Pavel
	2013/11/24 15:14
	2015/03/26 21:10	Наталья

ὀλίγος «малочисленный»); при большей длине последовательности они называются полипепти́дами (от греч. πολυ- «много»); полипептиды могут иметь в молекуле неаминокислотные фрагменты, например углеводные остатки. Белка́ми обычно называют полипептиды, содержащие, примерно, от 50 аминокислотных остатков с молекулярной массой более 5000 (6000 )-10000 дальтон .

На сегодняшний день известно более 1500 видов пептидов, определены их свойства и разработаны методы синтеза.

Панкреатические молекулы полипептидного характера

• APP Avian pancreatic polypeptide
• en:HPP Human pancreatic polypeptide

Свойства пептидов

Пептиды постоянно синтезируются во всех живых организмах для регулирования физиологических процессов. Свойства пептидов зависят, главным образом, от их первичной структуры - последовательности аминокислот, а также от строения молекулы и её конфигурации в пространстве (вторичная структура).

Классификация пептидов и строение пептидной цепочки

Молекула пептида - это последовательность аминокислот: два и более аминокислотных остатка, соединённых между собой амидной связью, составляют пептид. Количество аминокислот в пептиде может сильно варьировать. И в соответствии с их количеством различают:

1. олигопептиды - молекулы, содержащие до десяти аминокислотных остатков; иногда в их названии упоминается количество входящих в их состав аминокислот, например, дипептид, трипептид, пентапептид и др.;
2. полипептиды - молекулы, в состав которых входит более десяти аминокислот.

Соединения, содержащие более ста аминокислотных остатков, обычно называются белками. Однако это деление условно, некоторые молекулы, например, гормон глюкагон, содержащий лишь двадцать девять аминокислот, называют белковым гормоном. По качественному составу различают:

1. гомомерные пептиды - соединения, состоящие только из аминокислотных остатков;
2. гетеромерные пептиды - вещества, в состав которых входят также небелковые компоненты.

Пептиды также делятся по способу связи аминокислот между собой:

1. гомодетные - пептиды, аминокислотные остатки которых соединены только пептидными связями;
2. гетеродетные пептиды - те соединения, в которых помимо пептидных связей встречаются ещё и дисульфидные, эфирные и тиоэфирные связи.

Цепочка повторяющихся атомов называется пептидным остовом: (-NH-CH-OC-). Участок (-CH-) с аминокислотным радикалом образует соединение (-NH-C(R1)H-OC-), называемое аминокислотным остатком. N-концевой аминокислотный остаток имеет свободную α-аминогруппу (-NH), в то время как у C-концевого аминокислотного остатка свободной является α-карбоксильная группа (OC-). Пептиды различаются не только по аминокислотному составу, но и по количеству, а также расположению и соединению аминокислотных остатков в полипептидную цепочку. Пример: Про-Сер-Про-Ала-Гис и Гис-Ала-Про-Сер-Про Несмотря на одинаковый количественный и качественный состав, эти пептиды имеют совершенно разные свойства.

Пептидная связь

Пептидная (амидная) связь - это вид химической связи, которая возникает вследствие взаимодействия α-аминогруппы одной аминокислоты и α-карбоксигруппы другой аминокислоты. Амидная связь очень прочная, и в нормальных клеточных условиях (37 °C, нейтральный pH) самопроизвольно не разрывается. Пептидная связь разрушается при действии на неё специальных протеолитических ферментов (протеаз, пептидгидролаз).

Значение

Пептидные гормоны и нейропептиды , например, регулируют большинство процессов организма человека, в том числе, принимают участие в процессах регенерации клеток. Пептиды иммунологического действия защищают организм от попавших в него токсинов. Для правильной работы клеток и тканей необходимо адекватное количество пептидов. Однако с возрастом и при патологии возникает дефицит пептидов, который существенно ускоряет износ тканей, что приводит к старению всего организма. Сегодня проблему недостаточности пептидов в организме научились решать. Пептидный пул клетки восполняют синтезированными в лабораторных условиях короткими пептидами.

Синтез пептидов

Образование пептидов в организме происходит в течение нескольких минут, химический же синтез в условиях лаборатории - достаточно длительный процесс, который может занимать несколько дней, а разработка технологии синтеза - несколько лет. Однако, несмотря на это, существуют довольно весомые аргументы в пользу проведения работ по синтезу аналогов природных пептидов. Во-первых, путём химической модификации пептидов возможно подтвердить гипотезу первичной структуры. Аминокислотные последовательности некоторых гормонов стали известны именно благодаря синтезу их аналогов в лаборатории.

Во-вторых, синтетические пептиды позволяют подробнее изучить связь между структурой аминокислотной последовательности и её активностью. Для выяснения связи между конкретной структурой пептида и его биологической активностью была проведена огромная работа по синтезу не одной тысячи аналогов. В результате удалось выяснить, что замена лишь одной аминокислоты в структуре пептида способна в несколько раз увеличить его биологическую активность или изменить её направленность. А изменение длины аминокислотной последовательности помогает определить расположение активных центров пептида и участка рецепторного взаимодействия.

В-третьих, благодаря модификации исходной аминокислотной последовательности, появилась возможность получать фармакологические препараты. Создание аналогов природных пептидов позволяет выявить более «эффективные» конфигурации молекул, которые усиливают биологическое действие или делают его более продолжительным.

В-четвёртых, химический синтез пептидов экономически выгоден. Большинство терапевтических препаратов стоили бы в десятки раз больше, если бы были сделаны на основе природного продукта.

Зачастую активные пептиды в природе обнаруживаются лишь в нанограммовых количествах. Плюс к этому, методы очистки и выделения пептидов из природных источников не могут полностью разделить искомую аминокислотную последовательность с пептидами противоположного или же иного действия. А в случае специфических пептидов, синтезируемых организмом человека, получить их возможно лишь путём синтеза в лабораторных условиях.

Биологически активные пептиды

Пептиды, обладая высокой физиологической активностью, регулируют различные биологические процессы. По биорегуляторному действию пептиды принято делить на несколько групп:

• соединения, обладающие гормональной активностью (глюкагон , окситоцин , вазопрессин и др.);
• вещества, регулирующие пищеварительные процессы (гастрин , желудочный ингибирующий пептид и др.);
• пептиды, регулирующие аппетит (эндорфины , нейропептид-Y, лептин и др.);
• соединения, обладающие обезболивающим эффектом (опиоидные пептиды);
• органические вещества, регулирующие высшую нервную деятельность, биохимические процессы, связанные с механизмами памяти, обучения, возникновением чувства страха, ярости и др.;
• пептиды, которые регулируют артериальное давление и тонус сосудов (ангиотензин II, брадикинин и др.).
• пептиды, которые обладают противоопухолевым и противовоспалительным свойствами (Луназин)

Однако такое деление условно, так как действие многих пептидов не ограничивается каким-либо одним направлением. Так, например, вазопрессин , помимо сосудосуживающего и антидиуретического действия, улучшает память.

Пептидные гормоны

Пептидные гормоны - это многочисленный и наиболее разнообразный по составу класс гормональных соединений, представляющий собой биологически активные вещества. Их образование происходит в специализированных клетках железистых органов, после чего активные соединения поступают в кровеносную систему для транспортировки к органам-мишеням. По достижении цели гормоны специфически воздействуют на определённые клетки, взаимодействуя с соответствующим Пептидные биорегуляторы

На основе разработанной петербургскими учеными технологии из органов и тканей животных были выделены пептиды, обладающие тканеспецифическим действием, способные восстанавливать на оптимальном уровне метаболизм в клетках тех тканей, из которых они выделены. Важным отличием этих пептидов является их регулирующее действие: при подавлении функции клетки они её стимулируют, а при повышенной функции - снижают до нормального уровня. Это позволило создать новый класс лекарственных препаратов - пептидные биорегуляторы.

Первый из них - иммуномодулятор тималин - уже более 28 лет находится на фармацевтическом рынке и применяется для восстановления функции иммунной системы при заболеваниях различного генеза, включая онкологические заболевания. За ним последовали эпиталамин (биорегулятор нейроэндокринной системы), сампрост (препарат для лечения заболеваний предстательной железы), кортексин (препарат для лечения широкого спектра неврологических заболеваний), ретиналамин (препарат для лечения дегенеративно-дистрофических заболеваний сетчатки). За 25 лет широкого применения пептидных биорегуляторов их получили более 15 млн человек. При этом не было выявлено противопоказаний к их применению и побочного действия.

В настоящее время обнаружено, что тималин и ему подобные противопоказаны при аутоиммунных заболеваниях, так как тималин стимулирует, в том числе, область перевозбужденного иммунитета. По всей видимости, в тималине полностью отсутствует супрессорная функция, которая чрезвычайно важна при борьбе с аутоиммунными заболеваниями.

Белки составляют материальную основу химической деятельности клетки. Функции белков в природе универсальны. Названию белки, наиболее принятому в отечественной литературе, соответствует термин протеины (от греч. proteios - первый). К настоящему времени достигнуты большие успехи в установлении соотношения структуры и функций белков, механизма их участия в важнейших процессах жизнедеятельности организма и в понимании молекулярных основ патогенеза многих болезней.

В зависимости от молекулярной массы различают пептиды и белки. Пептиды имеют меньшую молекулярную массу, чем белки. Для пептидов более свойственна регуляторная функция (гормоны, ингибиторы и активаторы ферментов, переносчики ионов через мембраны, антибиотики, токсины и др.).

12.1. α -Аминокислоты

12.1.1. Классификация

Пептиды и белки построены из остатков α-аминокислот. Общее число встречающихся в природе аминокислот превышает 100, но некоторые из них обнаружены лишь в определенном сообществе орга- низмов, 20 наиболее важных α-аминокислот постоянно встречаются во всех белках (схема 12.1).

α-Аминокислоты - гетерофункциональные соединения, молекулы которых содержат одновременно аминогруппу и карбоксильную группу у одного и того же атома углерода.

Схема 12.1. Важнейшие α-аминокислоты*

* Сокращенные обозначения применяются только для записи аминокислотных остатков в молекулах пептидов и белков. ** Незаменимые аминокислоты.

Названия α-аминокислот могут быть построены по заместительной номенклатуре, но чаще используются их тривиальные названия.

Тривиальные названия α-аминокислот обычно связаны с источниками выделения. Серин входит в состав фиброина шелка (от лат. serieus - шелковистый); тирозин впервые выделен из сыра (от греч. tyros - сыр); глутамин - из злаковой клейковины (от нем. Gluten - клей); аспарагиновая кислота - из ростков спаржи (от лат. asparagus - спаржа).

Многие α-аминокислоты синтезируются в организме. Некоторые аминокислоты, необходимые для синтеза белков, в организме не образуются и должны поступать извне. Такие аминокислоты называют незаменимыми (см. схему 12.1).

К незаменимым α-аминокислотам относятся:

валин изолейцин метионин триптофан

лейцин лизин треонин фенилаланин

α-Аминокислоты классифицируют несколькими способами в зависимости от признака, положенного в основу их деления на группы.

Одним из классификационных признаков служит химическая природа радикала R. По этому признаку аминокислоты делятся на алифатические, ароматические и гетероциклические (см. схему 12.1).

Алифатические α-аминокислоты. Это наиболее многочисленная группа. Внутри нее аминокислоты подразделяют с привлечением дополнительных классификационных признаков.

В зависимости от числа карбоксильных групп и аминогрупп в молекуле выделяют:

Нейтральные аминокислоты - по одной группе NH 2 и СООН;

Основные аминокислоты - две группы NH 2 и одна группа

СООН;

Кислые аминокислоты - одна группа NH 2 и две группы СООН.

Можно отметить, что в группе алифатических нейтральных аминокислот число атомов углерода в цепи не бывает больше шести. При этом не существует аминокислоты с четырьмя атомами углерода в цепи, а аминокисоты с пятью и шестью атомами углерода имеют только разветвленное строение (валин, лейцин, изолейцин).

В алифатическом радикале могут содержаться «дополнительные» функциональные группы:

Гидроксильная - серин, треонин;

Карбоксильная - аспарагиновая и глутаминовая кислоты;

Тиольная - цистеин;

Амидная - аспарагин, глутамин.

Ароматические α-аминокислоты. К этой группе относятся фенилаланин и тирозин, построенные таким образом, что бензольные кольца в них отделены от общего α-аминокислотного фрагмента метиленовой группой -СН 2-.

Гетероциклические α-аминокислоты. Относящиеся к этой группе гистидин и триптофан содержат гетероциклы - имидазол и индол соответственно. Строение и свойства этих гетероциклов рассмотрены ниже (см. 13.3.1; 13.3.2). Общий принцип построения гетероциклических аминокислот такой же, как и ароматических.

Гетероциклические и ароматические α-аминокислоты можно рассматривать как β-замещенные производные аланина.

К героциклическим относится также аминокислота пролин, в которой вторичная аминогруппа включена в состав пирролидинового

В химии α-аминокислот большое внимание уделяется строению и свойствам «боковых» радикалов R, которые играют важную роль в формировании структуры белков и выполнении ими биологических функций. Большое значение имеют такие характеристики, как полярность «боковых» радикалов, наличие в радикалах функциональных групп и способность этих функциональных групп к ионизации.

В зависимости от бокового радикала выделяют аминокислоты с неполярными (гидрофобными) радикалами и аминокислоты c поляр- ными (гидрофильными) радикалами.

К первой группе относятся аминокислоты с алифатическими боковыми радикалами - аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин - и ароматическими боковыми радикалами - фенилаланин, триптофан.

Ко второй группе принадлежат аминокислоты, у которых в радикале имеются полярные функциональные группы, способные к иони- зации (ионогенные) или не способные переходить в ионное состояние (неионогенные) в условиях организма. Например, в тирозине гидроксильная группа ионогенная (имеет фенольный характер), в серине - неионогенная (имеет спиртовую природу).

Полярные аминокислоты с ионогенными группами в радикалах в определенных условиях могут находиться в ионном (анионном или катионном) состоянии.

12.1.2. Стереоизомерия

Основной тип построения α-аминокислот, т. е. связь одного и того же атома углерода с двумя разными функциональными группами, радикалом и атомом водорода, уже сам по себе предопределяет хираль- ность α-атома углерода. Исключение составляет простейшая аминокислота глицин H 2 NCH 2 COOH, не имеющая центра хиральности.

Конфигурация α-аминокислот определяется по конфигурационному стандарту - глицериновому альдегиду. Расположение в стандартной проекционной формуле Фишера аминогруппы слева (подобно группе ОН в l-глицериновом альдегиде) соответствует l-конфи- гурации, справа - d-конфигурации хирального атома углерода. По R, S-системе α-атом углерода у всех α-аминокислот l-ряда имеет S-, а у d-ряда - R-конфигурацию (исключение составляет цистеин, см. 7.1.2).

Большинство α-аминокислот содержит в молекуле один асимметрический атом углерода и существует в виде двух оптически активных энантиомеров и одного оптически неактивного рацемата. Почти все природные α-аминокислоты принадлежат к l-ряду.

Аминокислоты изолейцин, треонин и 4-гидроксипролин содержат в молекуле по два центра хиральности.

Такие аминокислоты могут существовать в виде четырех стереоизомеров, представляющих собой две пары энантиомеров, каждая из которых образует рацемат. Для построения белков животных организмов используется только один из энантиомеров.

Стереоизомерия изолейцина аналогична рассмотренной ранее стереоизомерии треонина (см. 7.1.3). Из четырех стереоизомеров в состав белков входит l-изолейцин с S-конфигурацией обоих асимметрических атомов углерода С-α и С-β. В названиях другой пары энантиомеров, являющихся диастереомерами по отношению к лейцину, используется приставка алло-.

Расщепление рацематов. Источником получения α-аминокислот l-ряда служат белки, которые подвергают для этого гидролитическому расщеплению. В связи с большой потребностью в отдельных энантиомерах (для синтеза белков, лекарственных веществ и т. п.) разработаны химические методы расщепления синтетических рацемических аминокислот. Предпочтителен ферментативный способ расщепления с использованием ферментов. В настоящее время для разделения рацемических смесей используют хроматографию на хиральных сорбентах.

12.1.3. Кислотно-основные свойства

Амфотерность аминокислот обусловлена кислотными (СООН) и основными (NH 2) функциональными группами в их молекулах. Аминокислоты образуют соли как со щелочами, так и с кислотами.

В кристаллическом состоянии α-аминокислоты существуют как диполярные ионы H3N+ - CHR-COO- (обычно используемая запись

строения аминокислоты в неионизированной форме служит лишь для удобства).

В водном растворе аминокислоты существуют в виде равновесной смеси диполярного иона, катионной и анионной форм.

Положение равновесия зависит от рН среды. У всех аминокислот преобладают катионные формы в сильнокислых (рН 1-2) и анион- ные - в сильнощелочных (рН >11) средах.

Ионное строение обусловливает ряд специфических свойств аминокислот: высокую температуру плавления (выше 200 ?С), растворимость в воде и нерастворимость в неполярных органических растворителях. Способность большинства аминокислот хорошо растворяться в воде является важным фактором обеспечения их биологического функционирования, с нею связаны всасывание аминокислот, их транспорт в организме и т. п.

Полностью протонированная аминокислота (катионная форма) с позиций теории Брёнстеда является двухосновной кислотой,

Отдавая один протон, такая двухосновная кислота превращается в слабую одноосновную кислоту - диполярный ион с одной кислотной группой NH 3 + . Депротонирование диполярного иона приводит к получению анионной формы аминокислоты - карбоксилат-иона, являющегося основанием Брёнстеда. Значения характеризую-

щие кислотные свойства карбоксильной группы аминокислот, обычно лежат в интервале от 1 до 3; значения рK а2 характеризующие кислотность аммониевой группы, - от 9 до 10 (табл. 12.1).

Таблица 12.1. Кислотно-основные свойства важнейших α-аминокислот

Положение равновесия, т. е. соотношение различных форм аминокислоты, в водном растворе при определенных значениях рН существенно зависит от строения радикала, главным образом от присутствия в нем ионогенных групп, играющих роль дополнительных кислотных и основных центров.

Значение рН, при котором концентрация диполярных ионов максимальна, а минимальные концентрации катионных и анионных форм аминокислоты равны, называется изоэлектрической точкой (p/).

Нейтральные α-аминокислоты. Эти аминокислоты имеют значения рI несколько ниже 7 (5,5-6,3) вследствие большей способности к ионизации карбоксильной группы под влиянием -/-эффекта группы NH 2 . Например, у аланина изоэлектрическая точка находится при рН 6,0.

Кислые α-аминокислоты. Эти аминокислоты имеют в радикале дополнительную карбоксильную группу и в сильнокислой среде находятся в полностью протонированной форме. Кислые аминокислоты являются трехосновными (по Брёндстеду) с тремя значениями рК а, как это видно на примере аспарагиновой кислоты (р/ 3,0).

У кислых аминокислот (аспарагиновой и глутаминовой) изоэлектрическая точка находится при рН много ниже 7 (см. табл. 12.1). В организме при физиологических значениях рН (например, рН крови 7,3-7,5) эти кислоты находятся в анионной форме, так как у них ионизированы обе карбоксильные группы.

Основные α-аминокислоты. В случае основных аминокислот изоэлектрические точки находятся в области рН выше 7. В сильно- кислой среде эти соединения также представляют собой трехосновные кислоты, этапы ионизации которых показаны на примере лизина (р/ 9,8).

В организме основные аминокислоты находятся в виде катионов, т. е. у них протонированы обе аминогруппы.

В целом ни одна α -аминокислота in vivo не находится в своей изоэлектрической точке и не попадает в состояние, отвечающее наименьшей растворимости в воде. Все аминокислоты в организме находятся в ионной форме.

12.1.4. Аналитически важные реакции α -аминокислот

α-Аминокислоты как гетерофункциональные соединения вступают в реакции, характерные как для карбоксильной, так и для аминогруппы. Некоторые химические свойства аминокислот обусловлены функциональными группами в радикале. В настоящем разделе рассматриваются реакции, имеющие практическое значение для идентификации и анализа аминокислот.

Этерификация. При взаимодействии аминокислот со спиртами в присутствии кислотного катализатора (например, газообразный хлороводород) с хорошим выходом получаются сложные эфиры в виде гидрохлоридов. Для выделения свободных эфиров реакционную смесь обрабатывают газообразным аммиаком.

Сложные эфиры аминокислот не имеют диполярного строения, поэтому, в отличие от исходных кислот, они растворяются в органических растворителях и обладают летучестью. Так, глицин - крис- таллическое вещество с высокой температурой плавления (292 ?С), а его метиловый эфир - жидкость с температурой кипения 130 ?С. Анализ эфиров аминокислот можно проводить с помощью газожидкостной хроматографии.

Реакция с формальдегидом. Практическое значение имеет реакция с формальдегидом, которая лежит в основе количественного определения аминокислот методом формольного титрования (метод Сёренсена).

Амфотерность аминокислот не позволяет проводить непосредственно титрование их щелочью в аналитических целях. При взаимодействии аминокислот с формальдегидом получаются относительно устойчивые аминоспирты (см. 5.3) - N-гидроксиметильные производные, свободную карбоксильную группу которых затем титруют щелочью.

Качественные реакции. Особенность химии аминокислот и белков заключается в использовании многочисленных качественных (цветных) реакций, составлявших ранее основу химического анализа. В настоящее время, когда исследования проводятся с помощью физико-химических методов, многие качественные реакции продолжают применять для обнаружения α-аминокислот, например, в хроматографическом анализе.

Хелатообразование. С катионами тяжелых металлов α-аминокислоты как бифункциональные соединения образуют внутрикомплексные соли, например, со свежеприготовленным гидроксидом меди(11) в мягких условиях получаются хорошо кристаллизующиеся хелатные

соли меди(11) синего цвета (один из неспецифических способов обнаружения α-аминокислот).

Нингидринная реакция. Общая качественная реакция α-аминокислот - реакция с нингидрином. Продукт реакции имеет синефиолетовый цвет, что используется для визуального обнаружения аминокислот на хроматограммах (на бумаге, в тонком слое), а также для спектрофотометрического определения на аминокислотных анализаторах (продукт поглощает свет в области 550-570 нм).

Дезаминирование. В лабораторных условиях эта реакция осуществляется при действии азотистой кислоты на α-аминокислоты (см. 4.3). При этом образуется соответствующая α-гидроксикислота и выделяется газообразный азот, по объему которого судят о количестве вступившей в реакцию аминокислоты (метод Ван-Слайка).

Ксантопротеиновая реакция. Эта реакция используется для обнаружения ароматических и гетероциклических аминокислот - фенилаланина, тирозина, гистидина, триптофана. Например, при действии концентрированной азотной кислоты на тирозин образуется нитропроизводное, окрашенное в желтый цвет. В щелочной среде окраска становится оранжевой в связи с ионизацией фенольной гидроксильной группы и увеличением вклада аниона в сопряжение.

Существует также ряд частных реакций, позволяющих обнаруживать отдельные аминокислоты.

Триптофан обнаруживают при помощи реакции с п-(диметиламино)бензальдегидом в среде серной кислоты по появляющемуся красно-фиолетовому окрашиванию (реакция Эрлиха). Эта реакция используется для количественного анализа триптофана в продуктах расщепления белков.

Цистеин обнаруживают с помощью нескольких качественных реакций, основанных на реакционной способности содержащейся в нем меркаптогруппы. Например, при нагревании раствора белка с ацетатом свинца (СНзСОО)2РЬ в щелочной среде образуется черный осадок сульфида свинца PbS, что указывает на присутствие в белках цистеина.

12.1.5. Биологически важные химические реакции

В организме под действием различных ферментов осуществляется ряд важных химических превращений аминокислот. К таким пре- вращениям относятся трансаминирование, декарбоксилирование, элиминирование, альдольное расщепление, окислительное дезаминирование, окисление тиольных групп.

Трансаминирование является основным путем биосинтеза α-ами- нокислот из α-оксокислот. Донором аминогруппы служит аминокислота, имеющаяся в клетках в достаточном количестве или избытке, а ее акцептором - α-оксокислота. Аминокислота при этом превращается в оксокислоту, а оксокислота - в аминокислоту с соответствующим строением радикалов. В итоге трансаминирование представляет обратимый процесс взаимообмена амино- и оксо- групп. Пример такой реакции - получение l-глутаминовой кислоты из 2-оксоглутаровой кислоты. Донорной аминокислотой может служить, например, l-аспарагиновая кислота.

α-Аминокислоты содержат в α-положении к карбоксильной группе электроноакцепторную аминогруппу (точнее, протонированную аминогруппу NH 3 +), в связи с чем способны к декарбоксилированию.

Элиминирование свойственно аминокислотам, у которых в боковом радикале в β-положении к карбоксильной группе содержится электроноакцепторная функциональная группа, например гидроксильная или тиольная. Их отщепление приводит к промежуточным реакционноспособным α-енаминокислотам, легко переходящим в таутомерные иминокислоты (аналогия с кето-енольной таутомерией). α-Иминокислоты в результате гидратации по связи C=N и последующего отщепления молекулы аммиака превращаются в α-оксокислоты.

Такой тип превращений имеет название элиминирование-гидратация. Примером служит получение пировиноградной кислоты из серина.

Альдольное расщепление происходит в случае α-аминокислот, у которых в β-положении содержится гидроксильная группа. Например, серин расщепляется с образованием глицина и формальдегида (последний не выделяется в свободном виде, а сразу связывается с коферментом).

Окислительное дезаминирование может осуществляться с участием ферментов и кофермента НАД+ или НАДФ+ (см. 14.3). α-Аминокислоты могут превращаться в α-оксокислоты не только через трансаминирование, но и путем окислительного дезаминирования. Например, из l-глутаминовой кислоты образуется α-оксоглутаровая кислота. На первой стадии реакции осуществляется дегид- рирование (окисление) глутаминовой кислоты до α-иминоглутаровой

кислоты. На второй стадии происходит гидролиз, в результате которого получаются α-оксоглутаровая кислота и аммиак. Стадия гидролиза протекает без участия фермента.

В обратном направлении протекает реакция восстановительного аминирования α-оксокислот. Всегда содержащаяся в клетках α-оксоглутаровая кислота (как продукт метаболизма углеводов) превращается этим путем в L-глутаминовую кислоту.

Окисление тиольных групп лежит в основе взаимопревращений цистеиновых и цистиновых остатков, обеспечивающих ряд окислительно-восстановительных процессов в клетке. Цистеин, как и все тиолы (см. 4.1.2), легко окисляется с образованием дисульфида - цистина. Дисульфидная связь в цистине легко восстанавливается с образованием цистеина.

Благодаря способности тиольной группы к легкому окислению цистеин выполняет защитную функцию при воздействии на орга- низм веществ с высокой окислительной способностью. Кроме того, он был первым лекарственным средством, проявившим противолучевое действие. Цистеин используется в фармацевтической практике в качестве стабилизатора лекарственных препаратов.

Превращение цистеина в цистин приводит к образованию дисульфидных связей, например, в восстановленном глутатионе

(см. 12.2.3).

12.2. Первичная структура пептидов и белков

Условно считают, что пептиды содержат в молекуле до 100 (что соответствует молекулярной массе до 10 тыс.), а белки - более 100 аминокислотных остатков (молекулярная масса от 10 тыс. до нескольких миллионов).

В свою очередь, в группе пептидов принято различать олигопептиды (низкомолекулярные пептиды), содержащие в цепи не более 10 аминокислотных остатков, и полипептиды, в состав цепи которых входит до 100 аминокислотных остатков. Макромолекулы с числом аминокислотных остатков, приближающимся или немного превышающим 100, не разграничивают по понятиям полипептиды и белки, эти термины часто используют как синонимы.

Пептидную и белковую молекулу формально можно представить как продукт поликонденсации α-аминокислот, протекающей с обра- зованием пептидной (амидной) связи между мономерными звеньями (схема 12.2).

Конструкция полиамидной цепи одинакова для всего многообразия пептидов и белков. Эта цепь имеет неразветвленное строение и состоит из чередующихся пептидных (амидных) групп -СО-NH- и фрагментов -CH(R)-.

Один конец цепи, на котором находится аминокислота со свободной группой NH 2, называют N-концом, другой - С-концом,

Схема 12.2. Принцип построения пептидной цепи

на котором находится аминокислота со свободной группой СООН. Пептидные и белковые цепи записывают с N-конца.

12.2.1. Строение пептидной группы

В пептидной (амидной) группе -СО-NH- атом углерода находится в состоянии sp2-гибридизации. Неподеленная пара электронов атома азота вступает в сопряжение с π-электронами двойной связи С=О. С позиций электронного строения пептидная группа представляет собой трехцентровую p,π-сопряженную систему (см. 2.3.1), электронная плотность в которой смещена в сторону более электроотрицательного атома кислорода. Атомы С, Ои N, образующие сопряженную систему, находятся в одной плоскости. Распределение электронной плотности в амидной группе можно представить с по- мощью граничных структур (I) и (II) или смещения электронной плотности в результате +M- и - M-эффектов групп NH и C=O соответственно (III).

В результате сопряжения происходит некоторое выравнивание длин связей. Двойная связь С=О удлиняется до 0,124 нм против обычной длины 0,121 нм, а связь С-N становится короче - 0,132 нм по сравнению с 0,147 нм в обычном случае (рис. 12.1). Плоская сопряженная система в пептидной группе служит причиной затруднения вращения вокруг связи С-N (барьер вращения составляет 63-84 кДж/моль). Таким образом, электронное строение предопре- деляет достаточно жесткую плоскую структуру пептидной группы.

Как видно из рис. 12.1, α-атомы углерода аминокислотных остатков располагаются в плоскости пептидной группы по разные стороны от связи С-N, т. е. в более выгодном тpанс-положении: боковые радикалы R аминокислотных остатков в этом случае будут наиболее удалены друг от друга в пространстве.

Полипептидная цепь имеет удивительно однотипное строение и может быть представлена в виде ряда расположенных под углом друг

Рис. 12.1. Плоскостное расположение пептидной группы -CO-NH- и α-атомов углерода аминокислотных остатков

к другу плоскостей пептидных групп, соединенных между собой через α-атомы углерода связями Сα-N и Сα-Сsp 2 (рис. 12.2). Вращение вокруг этих одинарных связей весьма ограничено вследствие затруднений в пространственном размещении боковых радикалов аминокислотных остатков. Таким образом, электронное и пространственное строение пептидной группы во многом предопределяет структуру полипептидной цепи в целом.

Рис. 12.2. Взаимное положение плоскостей пептидных групп в полипептидной цепи

12.2.2. Состав и аминокислотная последовательность

При единообразно построенной полиамидной цепи специфичность пептидов и белков определяется двумя важнейшими характе- ристиками - аминокислотным составом и аминокислотной последовательностью.

Аминокислотный состав пептидов и белков - это природа и количественное соотношение входящих в них α-аминокислот.

Аминокислотный состав устанавливается путем анализа пептидных и белковых гидролизатов в основном хроматографическими методами. В настоящее время такой анализ осуществляется с помощью аминокислотных анализаторов.

Амидные связи способны гидролизоваться как в кислой, так и щелочной среде (см. 8.3.3). Пептиды и белки гидролизуются с образованием либо более коротких цепей - это так называемый частичный гидролиз, либо смеси аминокислот (в ионной форме) - полный гидролиз. Обычно гидролиз осуществляют в кислой среде, так как в условиях щелочного гидролиза многие аминокислоты неустойчивы. Следует отметить, что гидролизу подвергаются также амидные группы аспарагина и глутамина.

Первичная структура пептидов и белков - это аминокислотная последовательность, т. е. порядок чередования α-аминокислотных остатков.

Первичную структуру определяют путем последовательного отщепления аминокислот с какого-либо конца цепи и их идентификации.

12.2.3. Строение и номенклатура пептидов

Названия пептидов строят путем последовательного перечисления аминокислотных остатков, начиная с N-конца, с добавлением суффикса -ил, кроме последней С-концевой аминокислоты, для которой сохраняется ее полное название. Другими словами, названия

аминокислот, вступивших в образование пептидной связи за счет «своей» группы СООН, оканчиваются в названии пептида на -ил: аланил, валил и т. п. (для остатков аспарагиновой и глутаминовой кислот используют названия «аспартил» и «глутамил» соответствен- но). Названия и символы аминокислот означают их принадлежность к l -ряду, если не указано иное (d или dl ).

Иногда в сокращенной записи символами Н (как часть аминогруппы) и ОН (как часть карбоксильной группы) уточняется незамещенность функциональных групп концевых аминокислот. Этим способом удобно изображать функциональные производные пептидов; например, амид приведенного выше пептида по С-концевой аминокислоте записывается Н-Asn-Gly-Phe-NH2.

Пептиды содержатся во всех организмах. В отличие от белков они имеют более разнородный аминокислотный состав, в частнос- ти, довольно часто включают аминокислоты d -ряда. В структурном отношении они также более разнообразны: содержат циклические фрагменты, разветвленные цепи и т. д.

Один из наиболее распространенных представителей трипептидов - глутатион - содержится в организме всех животных, в растениях и бактериях.

Цистеин в составе глутатиона обусловливает возможность существования глутатиона как в восстановленной, так и окисленной форме.

Глутатион участвует в ряде окислительно-восстановительных процессов. Он выполняет функцию протектора белков, т. е. вещества, предохраняющего белки со свободными тиольными группами SH от окисления с образованием дисульфидных связей -S-S-. Это касается тех белков, для которых такой процесс нежелателен. Глутатион в этих случаях принимает на себя действие окислителя и таким образом «защищает» белок. При окислении глутатиона происходит межмолекулярное сшивание двух трипептидных фрагментов за счет дисульфидной связи. Процесс обратим.

12.3. Вторичная структура полипептидов и белков

Для высокомолекулярных полипептидов и белков наряду с первичной структурой характерны и более высокие уровни организа- ции, которые называют вторичной, третичной и четвертичной струк- турами.

Вторичная структура описывается пространственной ориентацией основной полипептидной цепи, третичная - трехмерной архитектурой всей белковой молекулы. Как вторичная, так и третичная структура связана с упорядоченным расположением макромолекулярной цепи в пространстве. Третичная и четвертичная структура белков рассматривается в курсе биохимии.

Расчетным путем было показано, что для полипептидной цепи одной из наиболее выгодных конформаций является расположение в пространстве в виде правозакрученной спирали, названной α-спиралью (рис. 12.3, а).

Пространственное расположение α-спирализованной полипептидной цепи можно представить, вообразив, что она обвивает некий

Рис. 12.3. α-Спиральная конформация полипептидной цепи

цилиндр (см. рис. 12.3, б). На один виток спирали в среднем приходится 3,6 аминокислотного остатка, шаг спирали составляет 0,54 нм, диаметр - 0,5 нм. Плоскости двух соседних пептидных групп располагаются при этом под углом 108?, а боковые радикалы аминокислот находятся на наружной стороне спирали, т. е. направлены как бы от поверхности цилиндра.

Основную роль в закреплении такой конформации цепи играют водородные связи, которые в α-спирали образуются между кар- бонильным атомом кислорода каждого первого и атомом водорода NН-группы каждого пятого аминокислотного остатка.

Водородные связи направлены почти параллельно оси α-спирали. Они удерживают цепь в закрученном состоянии.

Обычно белковые цепи спирализованы не полностью, а лишь частично. В таких белках, как миоглобин и гемоглобин, содержатся довольно длинные α-спиральные участки, например цепь миоглобина

спирализована на 75%. Во многих других белках доля спиральных участков в цепи может быть небольшой.

Другим видом вторичной структуры полипептидов и белков является β-структура, называемая также складчатым листом, или складчатым слоем. В складчатые листы укладываются вытянутые полипептидные цепи, связываемые множеством водородных связей между пептидными группами этих цепей (рис. 12.4). Во многих белках одновременно содержатся α-спиральные и β-складчатые структуры.

Рис. 12.4. Вторичная структура полипептидной цепи в виде складчатого листа (β-структура)