3.4.3. Хиральность

Аналогично углеводам (см. предыдущий параграф), все -аминокислоты (кроме глицина) содержат асимметричный (хиральный) атом углерода (на рис.3-36 обозначен С*), вокруг которого располагаются четыре разных группы: H, COO^–, NH₃⁺ и R. L и D формы аминокислот зеркально симметричны. L и D форм не может быть только у глицина.

Тетраэдр, образованный линиями, соединяющими четыре разные группы, располагается таким образом, чтобы карбоксильная группа была ориентирована вверх, а линия, соединяющая СОО^– и радикал R (темная сплошная линия на рис. 3–36), находилась в плоскости чертежа. Если при этом NH₃⁺ группа находится слева, то аминокислота относится к L-ряду. В противном случае – к D-ряду. Протеионогенные аминокислоты являются L-аминокислотами.

Рис. 3–36. L- и D-изомеры –аминокислот. Отрезок прямой, соединяющий СОО^– и R, находится в плоскости чертежа, причем карбоксильная группа СОО^– сверху. Одна из выступающих граней тетраэдра заштрихована. Если NH₃⁺ оказывается левее Н, то это L-изомер, если правее, то D-изомер

Хиральность (отсутствие центра симметрии) играет очень важную роль при формировании структуры белка. Белковые цепи сложены только из остатков L-аминокислот. Только они кодируются генами. D-аминокислотные остатки в белках встречаются, но они синтезируются специальными ферментами, а не кодируются при матричном синтезе белка. Самопроизвольный переход из одной формы в другую (L↔D) в белках и при биосинтезе в молодом здоровом организме не происходит. Такие переходы (L D) наблюдаются при химическом синтезе белковых структур, а также в процессе старения в различных тканях человека и животных (в костной ткани зубов, в роговице глаз и хрусталике, в клетках артериальных сосудов и др.).

3.4.4. Пептидная связь

Образование макромолекул протеинов (белков, состоящих только из аминокислот), то есть связывание молекул аминокислот в длинные цепи, происходит путем отщепления гидроксила ОН от карбоксильной группы СООН одной молекулы аминокислоты и атома Н аминогруппы NH₂ другой молекулы. Образуется пептидная связь С–N и выделяется молекула Н₂О, что характерно для реакции конденсации (рис. 3–37).

Образующиеся соединения называются пептидами. В образовании пептидной связи участвуют атом О(1s²2s²2p⁴), С(1s²2s²2p²) и атом N(1s²2s²2p³). В пептиде гибридные sp²-орбитали у атома С образуют три –связи, расположенные в одной плоскости (XY) под углом 120°друг к другу (см. рис. 3–40), с соседними атомами С⁽¹⁾, О и N (на рис. 3–37 и 3–38 атом С⁽¹⁾ не показан). Атом азота N также предоставляет для связи с соседними атомами С, С⁽²⁾ и Н sp²-орбитали, расположенные практически в той же плоскости XY. Орбиталь р_z у атома азота с неподеленной парой электронов ориентирована перпендикулярно плоскости чертежа (кружок с двумя точками на рис. 3–37).

Рис. 3–37. Образование пептидной связи. Кружочком (с двумя точками внутри) обозначена p_z-орбиталь с неподеленной парой электронов, расположенная перпендикулярно плоскости рисунка XY

Рис. 3–38. Пограничные структуры I (неполярная) и II (полярная) и III – резонансно стабилизированная структура пептидных связей (пунктир – половинная π-связь – связь с одним электроном)

При образовании π-связей в цепочке атомов O–C–N возможно образование двух резонансных (см. т.1, с.136) структур (рис. 3–38)

I. p_z-орбитали у атомов О и С перекрываются и образуется π-связь с полностью заполненной связывающей π-орбиталью. При этом неподеленная пара электронов на p_z-орбитали у атома N остается локализованной. Возникает неполярная структура О=С–N (рис. 2–37 I).

II. Перекрываются р_z() орбиталь атома С и неподеленная пара электронов p_z() атома азота. В этом случае образуются -орбитали, одна из которых – связывающая заполнена полностью, а вторая π* – разрыхляющая – наполовину. р_z()-орбиталь атома О остается локализованной. Но, благодаря πр-сопряжению и большей электроотрицательности кислорода О (3,5), чем углерода С (2,5), происходит сдвиг плотности коллективизированных электронов в сторону кислорода. На кислороде и азоте возникают заряды и структура становится биполярной О^––С=N⁺ (рис. 3–38 II)

Истинная структура III является промежуточной между I и II и может рассматриваться как результат сочетания (резонанса) этих схем, то есть резонансно стабилизированной структурой.

Рис. 3–39. Зависимость энергии связи между атомами С↔О и С↔N от кратности связи

С другой стороны, образование резонансно стабилизированной структуры можно объяснить перекрытием всех p_z-орбиталей: р_z() у О, р_z() у С и неподеленной пары р_z(↑↓) у N. Перекрытие трех орбиталей приводит к образованию трех трехцентровых π-орбиталей: связывающей (заполненной 2 электронами), несвязывающей (заполненной 2 электронами) и разрыхляющей (свободной от электронов). Поскольку электроны, находящиеся на несвязывающей орбитали, не дают вклада в энергию связи, то на каждую π-связь О–С и С–N, если считать их эквивалентными, приходится один электрон, так что все связи в цепочке становятся полуторными О^{- - - -}С^{- - - -}N (рис. 3–38 III).

При возможности существования альтернативных типов связей реализуется конфигурация, отвечающая требованию минимума энергии, то есть максимуму суммарной энергии связей. Используя значения энергий одинарных Е₁ и двойных Е₂ связей атомов С↔О (Е₁=351,1 и Е₂=610,6) и С↔N (Е₁=292,6 и Е₂=661,5) (т.1, стр122) и оценивая энергию полуторных связей как , получаем для связи атомов С↔N и для связи атомов С↔О (рис. 3–39). При оценке энергии двойной связи C=N следует учитывать, что вторая π-связь образуется двумя электронами на p_z-орбитали атома азота и одним электроном на p_z-орбитали углерода, которые полностью заполоняют π-связывающую орбиталь и наполовину π*-разрыхляющую орбиталь. Будем считать, что наполовину заполненная π*-разрыхляющая орбиталь ослабляет энергию π-связи атомов C и N, равную 661,5-292,6=368,9 кДж/моль, в два раза. Тогда энергия образующейся двойной связи будет равна 292,6+368,9/2≈477 кДж/моль. Оценочные значения энергии связи цепочки О↔С↔N для выше рассмотренных вариантов, без учета перетекания электронной плотности в конфигурации II, подтверждают стабильность резонансной структуры III:

I 610,6+292,6=903,2 кДж/моль,

II 351+477=828 кДж/моль,

III 477+481=958 кДж/моль.

В результате образования полуторных связей между атомами О^{- - - -}С^{- - - -}N исходная двойная связь между С и О (0,123нм) в конфигурации I удлиняется, а исходная одинарная между С и N (0,147нм) – укорачивается. Длины обеих связей становятся одинаковыми и равными 0,132 нм.

Рис. 3–40. Пространственное расположение атомов в пептидной цепи

Т ак как вращение вокруг С-N связи является затрудненным, то есть требует больших затрат энергии из-за полуторного характера пептидной связи С^{- - - -}N, то резонансно стабилизированная структура является почти плоской (рис. 3–40): атомы в полипептидной цепи расположены почти в одной плоскости. Атомы, связанные с N, образуют пирамиду с тупым углом при вершине.