Строение полипептидной цепи и пептидной связи.

Мономеры аминокислот, входящие в состав полипептидов, называют аминокислотными остатками. Аминокислотный остаток, имеющий свободную аминогруппу, называют N-концевым и записывают слева пептидной цепи, а имеющий свободную α-карбоксильную группу – С-концевым, и записывают справа. Цепь повторяющихся атомов –СН – СО – NH– в полипетидной цепи называется пептидным остовом.

Полипептидная цепь имеет следующий общий вид:

 

 

где R₁, R₂, R₃, … R_n – радикалы аминокислот, образующие боковую цепь.

В проявлении биологических функций пептидов и белков большую роль играет электронное и пространственное строение пептидной группы:

 

Наличие р-π-сопряжения в пептидной группе приводит к частичной двоесвязанности связи С – N. Длина пептидной связи
С – N равна 0,132 нм, а длина связи N – С_α составляет 0,147 нм. Одинарная связь С – N в пептидах примерно на 40% имеет характер двойной связи, а двойная связь С = О приблизительно на 40% является одинарной. Это обстоятельство приводит к двум важным последствиям:

1) иминогруппа (– NH –) пептидной связи не обладает заметно выраженной способностью отщеплять или присоединять протон;

2) свободное вращение вокруг связи C – N отсутствует.

Частичая двоесвязанность связи С – N означает, что пептидная группа представляет собой плоский участок пептидной цепи. Плоскости пептидных групп расположены под углом друг к другу:

 

 

С_αС_α

 

Схема пептидной цепи

Вокруг связей С – С_α и N – С_α возможно вращение, хотя и ограниченное размерами и характером радикалов, что позволяет полипептидной цепи принимать различные конфигурации.

Пептидная связь является единственной ковалентной связью, при помощи которой аминокислотные остатки соединяются друг с другом, образуя остов белковой молекулы.

Пептидные связи обычно расположены в транс-конфигурации, т.е. α-углеродные(схема) атомы располагаются по разные стороны от пептидной связи. В результате боковые радикалы аминокислот находятся в пространстве на наиболее удаленном расстоянии друг от друга.

Hоменклатура пептидов

При названии полипептида к названию всех аминокислотных остатков, кроме последнего, добавляют суффикс -ил, концевая аминокислота имеет окончание -ин. Например, пептид мет-асп-вал-про имеет полное название метиониласпарагилвалилпролин.

ГЛАВА 9.БЕЛКИ

Классификация белков

Как уже было отмечено ранее, трудно провести четкую границу между пептидами и белками. Обычно к белкам относят, как правило, высокомолекулярные пептиды, выполняющие основные биологические функции.

По мере развития химии белковых тел число различных белков, выделенных из растений, микробов, низших и высших животных, чрезвычайно возросло и в настоящее время достигло более двух тысяч. Возникла необходимость дать рациональную классификацию белков.

Молекулы белков представляют собой линейные полимеры, состоящие из α--аминокислот (которые являются мономерами). На первый взгляд может показаться, что использование в большинстве белков всего 20 видов аминокислот ограничивает разнообразие белковых структур, на самом деле количество вариантов трудно переоценить: цепочка из 100 аминокислот (небольшой белок) может быть представлена более чем в 10130 вариантах. При образовании белка в результате взаимодействия α-аминогруппы (-NH2) одной аминокислоты с α-карбоксильной группой (-COOH) другой аминокислоты образуются пептидные связи.Концы белка называют C- и N-концом (в зависимости от того, какая из групп концевой аминокислоты свободна:-COOH или –NH₂, соответственно). При синтезе белка на рибосоме новые аминокислоты присоединяются к C-концу, поэтому название пептида или белка даётся путём перечисления аминокислотных остатков начиная с N-конца. Последовательность аминокислот в белке соответствует информации,содержащейся в гене данного белка.

В зависимости от укладки пептидных цепей в молекулах различают белки глобулярные, имеющие округлую или эллипсоидную форму и фибриллярные, имеющие форму тончайших нитей. К группе фибриллярных белков принадлежат, например, фиброин шелка, кератин, коллаген. К группе глобулярных белков относятся альбумины, глобулины, большинство ферментов. Глобулярные белки встречаются в физиологических жидкостях и в тканях организма. Фибриллярные белки встречаются в сухожилиях, коже, мышцах, волосах. В большинстве случаев они не растворимы в воде.

Белки делят на две большие группы: простые и сложные.

1. Простые белки (протеины):

2. Сложные белки (протеиды).

Это системы, состоящие из простого белка и небелкового соединения, называемого простетической группой. Функцию этой группы могут выполнять различные углеводы, липиды, витамины, гормоны. В настоящее время группу сложных белков принято разделять на две большие подгруппы: стабильные с прочными химическими связями между белком и простетической группой и лабильные, имеющие непрочные связи белка с простетической группой (водородные связи, адсорбционные и др).

Структура белков

Первичная структура

Строго определенная последовательность аминокислот, связанных пептидными связями, образует первичную структуру белка.

Первичная структура каждого индивидуального белка матрицы закодирована в участке ДНК, называемом геном. В процессе синтеза белка информация, находящаяся в гене, сначала переписывается на м-РНК, а затем, используя м-РНК в качестве матрицы, на рибосоме происходит сборка первичной структуры белка. Каждый белок организма человека имеет уникальную для него первичную структуру. При нарушении аминокислотной последовательности белков возникают многие генетические болезни. Информация о первичной структуре нормального и мутантного белка может быть полезна для диагностики и прогнозирования развития заболевания.

Вторичная структура

Вторичная структура белков это пространственная структура, образующаяся в результате взаимодействий между функциональ-ными группами, входящими в состав пептидного остова. При этом пептидные цепи могут приобретать регулярные структуры двух типов: α-спираль и β-складчатая структура.

1. α-Спираль.

Спираль определяется пространственным расположением следующих атомов аминокислот:

а) атомом углерода карбонильной группы;

б) α-углеродным атомом;

в) атомом азота α-аминогруппы.

Наиболее устойчивой из различных типов спиралей является правовращающая α-спираль, которая была впервые предложена в 1950 году Полингом и Кори на основании теоретических расчетов.

2. В β-структурах водородные связи расположены перпендикулярно полипептидной цепи. Если N- и С-концы полипептидных цепей совпадают (т.е. цепи направлены параллельно друг другу) в этом случае образовавшуюся структуру называют параллельным
β-складчатым листком. Если же С-концы полипептидной цепи не совпадают с N-концами возникает антипараллельная β-структура.

В отличие от α-спиралей, разрыв водородных связей, формирующих β-структуры, не вызывает удлинения полипептидных цепей. Как α-спираль, так и β-складчатый листок встречаются и в глобулярных, и в фибриллярных белках.

Третичная структура

Это трехмерная пространственная структура, образующаяся за счет взаимодействий между радикалами аминокислот, которые могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга в полипептидной цепи.

При укладке полипептидная цепь белка стремится принять энергетически выгодную конформацию.

В формировании третичной структуры белка участвуют связи:

1) Ионные возникают между отрицательно заряженными карбоксильными группами радикалов аспарагиновой и глутаминовой кислот и положительно заряженными группами радикалов лизина, аргинина и гистидина.

2) Водородные возникают между гидрофильными незаряженными группами (такими как ОН, СОNH₂, SH.)

3) Дисульфидные связи образуются за счет взаимодействия
SH-групп двух остатков цистеина, которые могут находиться далеко друг от друга в линейной первичной структуре белка. Но при формировании третичной структуры они сближаются и образуют прочное связывание радикалов ковалентной S S связью. Большинство внутриклеточных белков не имеют дисульфидных связей. Однако в белках, секретируемых клеткой во внеклеточное пространство, эти связи распространены и, возможно, именно они стабилизируют конформацию белков вне клетки, и предотвращают их денатурацию. К таким белкам относят инсулин и иммуноглобу-лины.

4) Слабые гидрофобные взаимодействия. Одна из причин гидро- фобных взаимодействий заключается в проявлении слабых сил притяжения Ван-дер-Ваальса, которые действуют между неполяр-ными боковыми цепями аминокислотных остатков.