Белки, аминокислоты, пептиды (свойства и строение)

 Синтез  пептидов

Синтез пептида с заданной аминокислотной последовательностью  – чрезвычайно сложная задача. В простейшем случае синтеза дипептида  из 2-х разных аминокислот возможно образование 4-х разных продуктов.

 В настоящее время разработана стратегия синтеза пептидов, основанная на использовании методов активации и защиты функциональных групп на соответствующих этапах синтеза. Процесс синтеза дипептида включает следующие стадии:

1.защита аминогруппы N-концевой аминокислоты;

2.активация карбоксильной группы N-концевой аминокислоты;

3.конденсация модифицированных аминокислот

4.снятие защитных групп                                       

Таким образом, последовательно  присоединяя аминокислоты, шаг за шагом наращивают цепь полипептида. Такой синтез очень длителен, трудоемок  и дает низкий выход конечного  продукта. Основные потери связаны  с необходимостью выделения и  очистки продуктов на каждой стадии.

Этих недостатков лишен  используемый в настоящее время  твердофазный синтез пептидов. На первой стадии защищенная по аминогруппе С-концевая аминокислота закрепляется на твердом полимерном носителе (полистироле, модифицированном введением групп –CH2Cl). После снятия защиты проводят ацилирование аминогруппы закрепленной на носителе аминокислоты другой аминокислотой, которая содержит активированную карбоксильную и защищенную аминогруппу. После снятия защиты проводят следующую стадию ацилирования. Отмывание продукта от примесей проводят прямо на носителе и лишь после окончания синтеза полипептид снимают с носителя действием бромистоводородной кислоты. Твердофазный синтез автоматизирован и проводится с помощью приборов – автоматических синтезаторов.

Методом твердофазного синтеза  получено большое количество пептидов, содержащих 50 и более аминокислотных остатков, в том числе инсулин (51 аминокислотный остаток) и рибонуклеаза (124 аминокислотных остатка).   

 

3. Строение и свойства белков

«Жизнь есть способ существования  белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ  с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка. И у неорганических тел может происходить подобный обмен веществ, который и происходит с течением времени повсюду, так как повсюду происходят, хотя бы и очень медленно, химические действия. Но разница заключается в том, что в случае неорганических тел обмен веществ разрушает их, в случае же органических тел он является необходимым условием их существования». (Диалектика природы. Ф.Энгельс.)

 

 

Белки - это полимеры, т.е. молекулы, построенные, как цепи, из повторяющихся мономерных звеньев или субъединиц, роль которых играют у них a-аминокислоты.

Основные  различия в строении белковых молекул

1.По количеству аминокислот

2.По соотношению количества  различных аминокислот. Например, в белке соединительной ткани  коллагене 33% от общего количества  аминокислот составляет глицин, а в молекуле белкового гормона  инсулина, вырабатываемого в поджелудочной  железе, содержание глицина гораздо  меньше – всего 8%.

3. Различная последовательность  чередования аминокислот. Это  означает, что даже при одинаковом  соотношении разных аминокислот  в каких-нибудь двух белках  порядок их расположения этих  аминокислот различен, то это  будут разные белки.

4.Количество полипептидных  цепей в различных белках может  варьировать от 1 до 12, но если  больше единицы, то обычно четное (2, 4, 6 и т.п.)

5. По наличию небелкового  компонента, который называется  «ПРОСТЕТИЧЕСКАЯ ГРУППА». Если  ее нет, то это – простой  белок, если есть – сложный  белок.

 

Образование линейных молекул  белков происходит в результате соединения аминокислот друг с другом. Карбоксильная  группа одной аминокислоты сближается с аминогруппой другой, и при отщеплении молекулы воды между аминокислотными  остатками возникает прочная  ковалентная связь, называемая пептидной (рис. 5).

Рис. 5. Соединение аминокислот  в полипептидную цепь.

Соединение, состоящее из большого числа аминокислот, называется полипептидом. Каждый белок по своему химическому строению является полипептидом. Некоторые белки состоят из нескольких полипептидных цепей. В составе  большинства белков находится в  среднем 300-500 остатков аминокислот. Известно несколько очень коротких природных  белков, длиной в 3-8 аминокислот, и очень  длинных биополимеров, длиной более  чем в 1500 аминокислот.

Типы  связей между аминокислотами в молекуле белка

1. КОВАЛЕНТНЫЕ  СВЯЗИ - обычные прочные химические связи.

а) пептидная связь

б) дисульфидная связь

2. НЕКОВАЛЕНТНЫЕ (СЛАБЫЕ) ТИПЫ СВЯЗЕЙ - физико-химические взаимодействия родственных структур. В десятки раз слабее обычной химической связи. Очень чувствительны к физико-химическим условиям среды. Они неспецифичны, то есть соединяются друг с другом не строго определенные химические группировки, а самые разнообразные химические группы, но отвечающие определенным требованиям.

а) Водородная связь

б) Ионная связь

в) Гидрофобное взаимодействие

ПЕПТИДНАЯ СВЯЗЬ.

 Формируется за счет COOH-группы одной аминокислоты  и NH2-группы соседней аминокислоты. В названии пептида окончания  названий всех аминокислот, кроме  последней, находящейся на «С»-конце молекулы меняются на «ил»

 Тетрапептид: валил-аспарагил-лизил-серин

 ПЕПТИДНАЯ СВЯЗЬ формируется  ТОЛЬКО ЗА СЧЕТ АЛЬФА-АМИНОГРУППЫ И СОСЕДНЕЙ COOH-ГРУППЫ ОБЩЕГО ДЛЯ ВСЕХ АМИНОКИСЛОТ ФРАГМЕНТА МОЛЕКУЛЫ. Если карбоксильные и аминогруппы входят в состав радикала, то они никогда не участвуют в формировании пептидной связи в молекуле белка.

Любой белок - это длинная  неразветвленная полипептидная  цепь, содержащая десятки, сотни, а иногда более тысячи аминокислотных остатков. Но какой бы длины ни была полипептидная цепь, всегда в основе ее - стержень молекулы, абсолютно одинаковый у всех белков. Каждая полипептидная цепь имеет N-конец, на котором находится свободная концевая аминогруппа и С-конец, образованный концевой свободной карбоксильной группой. На этом стержне сидят как боковые веточки радикалы аминокислот. Числом, соотношением и чередованием этих радикалов один белок отличается от другого. Сама пептидная связь является частично двойной в силу лактим-лактамной таутомерии. Поэтому вокруг нее невозможно вращение, а сама она по прочности в полтора раза превосходит обычную ковалентную связь. На рисунке видно, что из каждых трех ковалентных связей в стержне молекулы пептида или белка две являются простыми и допускают вращение, поэтому стержень (вся полипептидная цепь) может изгибаться в пространстве.

Хотя пептидная связь  довольно прочная, ее сравнительно легко  можно разрушить химическим путем  – кипячением белка в крепком  растворе кислоты или щелочи в  течении 1-3 суток.

 К ковалентным связям  в молекуле белка помимо пептидной, относится также ДИСУЛЬФИДНАЯ СВЯЗЬ.

Цистеин - аминокислота, которая  в радикале имеет SH-группу, за счет которой  и образуются дисульфидные связи.

 Дисульфидная связь - это ковалентная связь. Однако биологически она гораздо менее устойчива, чем пептидная связь. Это объясняется тем, что в организме интенсивно протекают окислительно-восстановительные процессы. Дисульфидная связь может возникать между разными участками одной и той же полипептидной цепи, тогда она удерживает эту цепь в изогнутом состоянии. Если дисульфидная связь возникает между двумя полипептидами, то она объединяет их в одну молекулу.

Слабые  типы связей

В десятки раз слабее ковалентных  связей. Это не определенные типы связей, а неспецифическое взаимодействие, которое возникает между разными  химическими группировками, имеющими высокое сродство друг к другу (сродство – это способность к взаимодействию). Например: противоположно заряженные радикалы.

 

 Таким образом, слабые  типы связей - это физико-химические  взаимодействия. Поэтому они очень  чувствительны к изменениям условий  среды (температуры, pH среды, ионной силы раствора и так далее).

ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ - это связь, возникающая между двумя электроотрицательными атомами за счет атома водорода, который соединен с одним из электроотрицательных атомов ковалентно (см. рисунок).                        

Водородная связь примерно в 10 раз слабее, чем ковалентная. Если водородные связи повторяются  многократно, то они удерживают полипептидные  цепочки с высокой прочностью. Водородные связи очень чувствительны  к условиям внешней среды и  присутствию в ней веществ, которые  сами способны образовывать такие связи (например, мочевина).

ИОННАЯ СВЯЗЬ - возникает между положительно и отрицательно заряженными группировками (дополнительные карбоксильные и аминогруппы), которые встречаются в радикалах лизина, аргинина, гистидина, аспарагиновой и глутаминовой кислот.            

ГИДРОФОБНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ - неспецифическое притяжение, возникающее в молекуле белка между радикалами гидрофобных аминокислот - вызывается силами Ван-дер-Ваальса и дополняется выталкивающей силой воды. Гидрофобное взаимодействие ослабевает или разрывается в присутствии различных органических растворителей и некоторых детергентов. Например, некоторые последствия действия этилового спирта при проникновении его внутрь организма обусловлены тем, что под его влиянием ослабляются гидрофобные взаимодействия в молекулах белков.

Пространственная  организация белковой молекулы

В основе каждого белка  лежит полипептидная цепь. Она  не просто вытянута в пространстве, а организована в трехмерную структуру. Поэтому существует понятие о 4-х  уровнях пространственной организации  белка, а именно - первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурах белковых молекул.

ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА

Первичная структура белка - последовательность аминокислотных фрагментов, прочно (и в течение  всего периода существования  белка) соединенных пептидными связями. Существует период полужизни белковых молекул - для большинства белков около 2-х недель. Если произошел разрыв хотя бы одной пептидной связи, то образуется уже другой белок.

ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА

Вторичная структура - это  пространственная организация стержня  полипептидной цепи. Существуют 3 главнейших типа вторичной структуры:

1) Альфа-спираль - имеет  определенные характеристики: ширину, расстояние между двумя витками  спирали. Для белков характерна  правозакрученная спираль. В этой  спирали на 10 витков приходится 36 аминокислотных остатков. У всех  пептидов, уложенных в такую спираль,  эта спираль абсолютно одинакова.  Фиксируется альфа-спираль с помощью  водородных связей между NH-группами  одного витка спирали и С=О группами соседнего витка. Эти водородные связи расположены параллельно оси спирали и многократно повторяются, поэтому прочно удерживают спиралеобразную структуру. Более того, удерживают в несколько напряженном состоянии (как сжатую пружину).

2)Бета-складчатая структура - или структура складчатого листа. Фиксируется также водородными связями между С=О и NH-группами. Фиксирует два участка полипептидной цепи. Эти цепи могут быть параллельны или антипараллельны. Если такие связи образуются в пределах одного пептида, то они всегда антипараллельны, а если между разными полипептидами, то параллельны.

3) Нерегулярная структура  - тип вторичной структуры, в  котором расположение различных  участков полипептидной цепи  относительно друг друга не  имеет регулярного (постоянного)  характера, поэтому нерегулярные  структуры могут иметь различную конформацию.

ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА

Это трехмерная архитектура  полипептидной цепи – особое взаимное расположение в пространстве спиралеобразных, складчатых и нерегулярных участков полипептидной цепи. У разных белков третичной структуры различна. В формировании третичной структуры участвуют дисульфидные связи и все слабые типы связей.

 Выделяют два общих  типа третичной структуры:

1) В фибриллярных белках (например, коллаген, эластин) молекулы  которых имеют вытянутую форму  и обычно формируют волокнистые  структуры тканей, третичная структура представлена либо тройной альфа-спиралью (например, в коллагене), либо бета-складчатыми структурами.

2) В глобулярных белках, молекулы которых имеют форму  шара или эллипса (латинское  название: GLOBULA - шар), встречается сочетание всех трех типов структур: всегда есть нерегулярные участки, есть бета-складчатые структуры и альфа-спирали.

 Обычно в глобулярных  белках гидрофобные участки молекулы  находятся в глубине молекулы. Соединяясь между собой, гидрофобные  радикалы образуют гидрофобные  кластеры (центры). Формирование гидрофобного  кластера вынуждает молекулу  соответствующим образом изгибаться  в пространстве. Обычно в молекуле  глобулярного белка бывает несколько  гидрофобных кластеров в глубине  молекулы. Это является проявлением  двойственности свойств белковой  молекулы: на поверхности молекулы - гидрофильные группировки, поэтому  молекула в целом - гидрофильная, а в глубине молекулы - спрятаны  гидрофобные радикалы.

ЧЕТВЕРТИЧНАЯ  СТРУКТУРА

 Встречается не у  всех белков, а только у тех,  которые состоят из двух или  более полипептидных цепей. Каждая  такая цепь называется СУБЪЕДИНИЦЕЙ  данной молекулы (или ПРОТОМЕРОМ). Поэтому белки, обладающие четвертичной  структурой, называют ОЛИГОМЕРНЫМИ  белками. В состав белковой  молекулы могут входить одинаковые  или разные субъединицы. Например, молекула гемоглобина «А» состоит  из двух субъединиц одного  типа и двух субъединиц другого  типа, то есть является тетрамером. Фиксируются четвертичные структуры белков всеми типами слабых связей, а иногда еще и дисульфидными связями.                        Примеры: