Глава 33. Аминокислоты, пептиды и белки

 

Многие биологически активные молекулы включают несколько химически различных функциональных групп, способных к взаимо­действию между собой или с функциональными группами других молекул. Один из примеров – моносахариды, в состав ко­торых входят несколько гидроксильных групп и одна карбонильная группа. Другой важный пример бифункциональных природных со­единений – аминокислоты.

Аминокислоты

Номенклатура и изомерия

Аминокислоты – это органические бифункциональные соедине­ния, в состав которых входят карбоксильная группа –СООН и ами­ногруппа –NH₂. В зависимости от взаимного расположения обеих функциональных групп различают α-, β-аминокислоты и т.д.

Греческая буква при атоме углерода обозначает его удаленность от карбоксильной группы. Рассматрим только α- аминокислоты, поскольку другие аминокислоты в природе встре­чаются значительно реже.

В состав белков входят 19 основных аминокислот и одна иминокислота. Все природные ами­нокислоты имеют тривиальные названия.

Иминокислота пролин (молекулярная формула C₅H₉NO₂) имеет структуру

Простейшая аминокислота – глицин (аминоуксусная кислота). Остальные природные аминокислоты можно разделить на следую­щие основные группы:

1) гомологи глицина – аланин, валин, лейцин, изолейцин;

2) серосодержащие аминокислоты – цистеин, метионин;

3) аминокислоты с алифатической гидроксильной группой – се­рии, треонин;

4) ароматические аминокислоты – фенилаланин, тирозин, триптофан;

5) аминокислоты с кислотным радикалом – аспарагиновая и глутаминовая кислоты;

6) аминокислоты с амидной группой – аспарагин, глутамин;

7) аминокислоты с основным радикалом – гистидин, лизин, ар­гинин.

Изомерия. Во всех α-аминокислотах, кроме глицина, α-углеродный атом связан с четырьмя разными заместителями, по­этому все эти аминокислоты могут существовать в виде двух изоме­ров (энантиомеров), являющихся зеркальными отражениями друг друга (оптическая изомерия). Каждый изомер относят к D- или L-ряду в зависимости от того, совпадает его конфигурация с конфи­гурацией D-глицеринового альдегида или нет:

В состав белков животных организмов входят только α-аминокислоты L-ряда.

Физические свойства

Аминокислоты представляют собой кристаллические вещества, растворимые в воде, плавятся при высокой тем­пературе с разложением. Эти свойства указывают на солеобразное ионное строение аминокислот. Многие аминокислоты имеют сладкий вкус.

Получение

Основной способ получения аминокислот – замеще­ние атома галогена на аминогруппу в галогензамещенных кислотах. Этот способ аналогичен получению аминов из алкилгалогенидов и аммиака. Выделяющийся при замещении галогеноводород связыва­ют избытком аммиака:

Химические свойства

Аминокислоты – это органические амфотерные соединения. Они содержат в составе молекулы две функцио­нальные группы противоположного характера: аминогруппу с основ­ными свойствами и карбоксильную группу с кислотными свойствами. Аминокислоты реагируют как с кислотами, так и с основаниями:

В твердом состоянии и в водных растворах аминокислоты суще­ствуют в виде биполярных ионов (внутренних солей), которые обра­зуются при переносе протона от карбоксильной группы к амино­группе:

В твердом состоянии аминокислоты имеют структу­ру цвиттер-иона (биполярного иона), который в кислом растворе превращается в катион, а в щелочном растворе – в анион:

Водные растворы аминокислот имеют нейтральную, щелочную или кислую среду в зависимости от количества функциональных групп. Так, глутаминовая кислота образует кислый раствор (две группы –СООН, одна –NH₂), лизин – щелочной (одна группа –СООН, две –NН₂).

Подобно первичным аминам, аминокислоты реагируют с азоти­стой кислотой, при этом аминогруппа превращается в гидроксогруппу, а аминокислота – в гидроксикислоту:

Измерение объема выделившегося азота позволяет определить ко­личество аминокислоты (метод Ван-Слайка).

Аминокислоты могут реагировать со спиртами в присутствии га­зообразного хлороводорода, превращаясь в сложный эфир (точнее, в хлороводородную соль эфира):

Сложные эфиры аминокислот не имеют биполярной структуры и являются летучими соединениями.

Качественные реакции:

1) Все аминокислоты окисляются нин­гидрином с образованием продуктов, окрашенных в сине-фиолетовый цвет.

Иминокислота пролин дает с нингидрином желтое окрашивание. Эта реакция может быть использована для количественного опреде­ления аминокислот спектрофотометрическим методом.

2) При нагревании ароматических аминокислот с концентриро­ванной азотной кислотой происходит нитрование бензольного кольца, и образуются соединения, окрашенные в желтый цвет. Эту реак­цию называют ксантопротеиновой (от греч. ксантос – желтый).

Пептиды

Пептиды можно рассматривать как продукты конденсации двух или более молекул аминокислот. Две молекулы аминокислоты могут реагировать друг с другом с отщеплением молекулы воды и образо­ванием продукта, в котором фрагменты связаны пептидной связью –CO–NH–.

Полученное соединение называют дипептидом. Молекула дипептида, подобно аминокислотам, содержит аминогруппу и карбоксильную группу и может реагировать еще с одной молекулой аминокислоты:

Продукт реакции называется трипептидом. Процесс наращивания пептидной цепи может продолжаться, в принципе, неограниченно и приводить к веществам с очень высокой молекулярной массой (бел­кам).

Число пептидов, которые могут быть построены из 20 природ­ных аминокислот, огромно. Теоретически можно получить 20ⁿ пеп­тидов, содержащих п остатков. Таким образом, может существовать 400 дипептидов, 8000 трипептидов и т.д. При п = 62 число возмож­ных пептидов превосходит число атомов во Вселенной (10⁸⁰).

Формулы пептидов обычно записывают так, что свободная ами­ногруппа находится слева (на N-конце цепи), а свободная карбок­сильная группа – справа (на С-конце). Основная часть пептидной цепи построена из повторяющихся участков -CH-CO-NH- и боко­вых групп R, R' и т.д.

Структуру пептидов, содержащих большое число остатков ами­нокислот, записывают в сокращенном виде с использованием обо­значений. Например, строение молекулы вазопрессина – пептида, построенного из 9 аминокислотных остат­ков, можно изобразить в сокращенном виде следующим образом:

Обратите внимание на то, что в этом пептиде остатки цистеина связаны дисульфидным мостиком. С-конец цепи содержит амидную группу –CO–NH₂ вместо карбоксильной.

Основное свойство пептидов – способ­ность к гидролизу. При гидролизе происходит полное или частичное расщепление пептидной цепи, и образуются более короткие пептиды с меньшей молекулярной массой или α-аминокислоты, составляю­щие цепь. Анализ продуктов полного гидролиза позволяет устано­вить аминокислотный состав пептида. Полный гидролиз происходит при длительном нагревании пептида с концентрированной соляной кислотой.

Последовательность аминокислот в цепи может быть установле­на путем частичного гидролиза пептида. Для этого необходимо по­следовательно, одну за другой, отщеплять аминокислоты от одного из концов цепи и устанавливать их структуру.

Гидролиз пептидов может происходить в кислой или щелочной среде, а также под действием ферментов. В кислой и щелочной сре­дах образуются соли аминокислот. Ферментативный гидролиз важен тем, что протекает селективно, т.е. позволяет расщеплять строго определенные участки пептидной цепи. Интересно, что селективный гидролиз может про­текать и под действием неорганических реагентов. Так, бромистый циан (BrCN) расщепляет полипептидную цепь только по пептидной связи, образованной карбоксильной группой метионина.

Биологическое значение. Многие пептиды проявляют биологиче­скую активность. Простейший из них – трипептид глутатион, ко­торый относится к классу гормонов – веществ, регулирующих про­цессы жизнедеятельности. Этот гормон построен из остатков глицина, цистеина и глутаминовой кислоты. Известны гормоны, со­держащие 9 аминокислотных остатков, – вазопрессин и окситоцин. Вазопрессин повышает кровяное давление, а окситоцин стимулиру­ет выделение молока молочными железами.

Белки

Белки – это природные полипептиды с высокими значениями молекулярной массы (от 10 000 до десятков миллионов). Они входят в состав всех живых организмов и выполняют разнообразные биоло­гические функции.

Можно выделить четыре уровня в строении полипеп­тидной цепи. Первичная структура белка – это конкретная после­довательность аминокислот в полипептидной цепи.

Пептидная цепь имеет линейную структуру только у небольшого числа белков. В большинстве белков пептидная цепь определенным образом свернута в пространстве.

Вторичная структура – это конформация полипептидной цепи, т.е. способ скручивания цепи в пространстве за счет водородных связей между группами NH и СО. Существует два основных спосо­ба укладки цепи – α-спираль и β-структура.

В α-спирали на одном витке укладываются четыре аминокислот­ных остатка. Все радикалы аминокислот находятся снаружи спира­ли. Между группами NH и СО, находящимися на соседних витках, образуются водородные связи, которые стабилизируют спираль.

В β-структуре (складчатом слое) полипептидная цепь растянута, ее участки располагаются параллельно друг другу и удерживаются водородными связями.

Третичная структура образуется за счет дисульфидных мостиков -S-S- между цистеиновыми остатками, находящимися в разных местах полипептидной цепи. В образовании третичной структуры участвуют также ионные взаимодействия противоположно заряженных групп NH₃⁺ и COO^- и гидрофобные взаимодействия, т.е. стрем­ление молекулы белка свернуться так, чтобы гидрофобные углево­дородные остатки оказались внутри структуры.

Третичная структура – высшая форма пространственной орга­низации белков. Однако, некоторые белки (например, гемоглобин) имеют четвертичную структуру, которая образуется за счет взаи­модействия между разными полипептидными цепями:

Ключевой этап определения структуры белка – расшифровка последовательности аминокислот в первичной структуре. Для этого белок сначала разделяют на полипептидные цепи (если их несколь­ко), а затем анализируют аминокислотный состав цепей путем по­следовательного отщепления аминокислот. Это – чрез­вычайно трудоемкая процедура, поэтому первичная структура надежно установлена только для достаточно простых белков.

Первый белок, у которого была расшифрована первичная струк­тура, – гормон инсулин (1955г.). Это – простой белок, состоящий из двух полипептидных цепей (одна цепь содержит 21 аминокислот­ный остаток, другая – 30 остатков), соединенных двумя дисульфидными мостиками. На установление его структуры английскому биохимику Ф. Сангеру потребовалось 10 лет.

Пространственную структуру белков анализируют, изучая дан­ные рассеяния рентгеновского излучения (рентгеноструктурный анализ) или нейтронов (нейтронография). Часто применяют спектроскопические методы, особенно для исследования структуры белков в водных растворах.

Принципиальная возможность синтеза белков была доказана на примере двух гормонов – вазопрессина и окситоцина. Впоследст­вии были синтезированы более сложные белки – инсулин и рибонуклеаза (124 аминокислотных остатка).

Для синтеза белков широко используют твердофазный метод, разработанный в начале 1960-х гг. американским химиком Б. Меррифилдом. В этом методе первая аминокислота закрепляется на по­лимерном носителе, и к ней последовательно подшиваются новые аминокислоты. По окончании синтеза готовая полипептидная цепь отрывается от носителя. В настоящее время искусственное получение белков осуществля­ется не с помощью химического, а с помощью микробиологическо­го синтеза, путем использования микроорганизмов.

В живой природе синтез белков происходит чрезвычайно быст­ро, всего за несколько секунд. Живые клетки – это хорошо органи­зованные «фабрики», в которых четко налажена система поставки сырья (аминокислот) и технология сборки. Информация о первич­ной структуре всех белков организма содержится в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК).

Физические свойства

Физические свойствабелков весьма разнообразны и определя­ются их строением. По физическим свойствам белки делят на два класса: глобулярные белки растворяются в воде или образуют колло­идные растворы, фибриллярные белки в воде нерастворимы.

Химические свойства

1. Разрушение вторичной и третичной структуры белка с сохранением первичной структуры называется денатурацией. Она происходит при нагревании, изменении кислот­ности среды, действии излучения. Пример денатурации – сверты­вание яичных белков при варке яиц. Денатурация бывает обратимой и необратимой.

Необратимая денатурация может быть вызвана образованием не­растворимых веществ при действии на белки солей тяжелых метал­лов – свинца или ртути.

2. Гидролиз белков – это необратимое разрушение первичной структуры в кислом или щелочном растворе с образованием амино­кислот. Анализируя продукты гидролиза, можно установить количе­ственный состав белков.

3. Для белков известны несколько качественных реакций. Все соединения, содержащие пептидную связь, дают фиолетовое окра­шивание при действии на них солей меди (II) в щелочном растворе. Эту реакцию называют биуретовой. Белки, содержащие остатки ароматических аминокислот (фенилаланина, тирозина), дают желтое окрашивание при действии концентрированной азотной кислоты (ксантопротеиновая реакция).