3.4.5. Полипептидные цепи

При конденсации двух, трех и нескольких молекул аминокислот получаются дипептиды, трипептиды и т.д. Полипептиды, полученные конденсацией 100 и более аминокислот называются белками, а то, что остается от аминокислоты после встраивания ее в белковую цепь называется аминокислотным остатком. Белок может состоять из одного полипептида или нескольких полипептидов, образующих в результате нековалентных взаимодействий единый комплекс. Пептидная цепь имеет два разных конца – N-конец, несущей свободную аминную группу и С-конец, несущий карбоксильную группу. В пептидах аминокислотные остатки соединены последовательно в цепочку. Чтобы назвать конкретный пептид, достаточно перечислить последовательность входящих в его состав аминокислотных остатков, начиная с N-конца и заканчивая С-концом.

Общий вид полипептидной цепи изображен на рис. 3–41. В полипептидной цепи чередуются жесткая пептидная связь и две одинарные (N–C–C). Принципиально важно, что плоскости, в которых расположены пептидные связи, обозначенные на рисунке штриховыми линиями, могут свободно вращаться вокруг одинарных связей. Однако, наличие взаимодействий между атомами и молекулярными группами в самой цепи и взаимодействие цепи с окружающей средой, накладывает ряд ограничений на свободное вращение.

К взаимодействиям внутри цепи (рис. 3–42) относятся: ограничения, связанные с пространственной конструкцией и размерами боковых групп R, диполь-дипольные взаимодействия плоскостей с пептидными связями, наличие водородных связей между ними, электростатические и гидрофобные взаимодействия между боковыми группами, а также дополнительные ковалентные дисульфидные связи (сшивки) (рис. 3–43).

Рис. 3–41. Чередование «жестких» пептидных связей в плоскостях, границы которых обозначены на рисунке штриховыми линиями, и одинарных связей, вращение вокруг которых задается углами  и 

Рис. 3–42. Связи, стабилизирующие вторичную и третичную структуры белков. В водородных связях С=О группа участвует, как донор неподеленной пары, а N–H и О–Н группы – как доноры протонов

С помощью водородных связей между карбонильным (связанным с атомом С) атомом кислорода i–го пептидного фрагмента и амидным атомом водорода (i+4)-го пептидного фрагмента полипептиды могут образовывать спиральную структуру.

Электростатическое ионное взаимодействие между H₃N⁺ и СОО^– определяется величиной эффективного заряда этих групп, и поэтому зависит от рН среды. Оно максимально в определенной области рН, а при отклонениях в обе стороны от этого интервала может отсутствовать (см., например, рис. 3–31).

Р еакция окисления с образованием дисульфидных сшивок между пространственно сближенными SН–группами цистеинов (серосодержащих моноаминомонокарбоновых аминокислот) полипептидных цепей показана на рис. 3–43.

Рис. 3–43. Образование дисульфидных сшивок в полипептидных цепях

Те же типы связей (водородные, гидрофобные, ионные) могут присутствовать при взаимодействии полипептидных цепей с окружающей средой. В табл. III–4 приведены Ван-дер-ваальсовая энергия взаимодействия u₀ между некоторыми атомами белков, равновесное расстояние между ними r₀, соответствующее минимуму энергии их взаимодействия, и минимальное расстояние a, характерное для белковых кристаллов и равное приблизительно сумме эффективных радиусов атомов (т.1, с.155).

Таблица III–4

Взаимодействие между атомами	u0, кДж/моль	r0, Å	a, Å	Ван-дер-Ваальсовский радиус, Å
H - - H	0,50	2,4	2,0	H: 1,0
H - - C	0,46	2,9	2,4	C: 1,5
C - - C	0,50	3,4	3,0
O - - O	0,96	3,0	2,7	O: 1,35
N - - N	0,84	3,1	2,7	N: 1,35
CH2 - - CH2		≈4,0	≈3,0	CH2: ≈1,5

Очень важное значение имеет гидрофобное взаимодействие, когда белок, составленный из полипептидных цепей, свертывается в водной среде таким образом, чтобы его гидрофобные боковые цепи были скрыты внутри молекулы, то есть – защищены от соприкосновения с водой, а гидрофильные боковые цепи – находились с внешней стороны структуры молекулы.

В результате этих ограничений полипептидная цепь принимает только одну нативную (естественную для данных условий) конформацию.

Сравнительный вклад в энергию макромолекулы основных видов взаимодействий, участвующих в формировании нативной структуры, приведен на рис. 3–44. Наибольшее понижение энергии соответствует образованию ковалентной связи, наименьшее – взаимодействию Ван-дер-Ваальса.

Рис. 3–44. Сравнительный вклад в энергию макромолекулы основных видов взаимодействий, участвующих в формировании нативной структуры белка. Шкала изменения свободной энергии ∆G (кДж/моль) дана без соблюдения масштаба

Следует подчеркнуть огромное влияние среды на структуру и функционирование белковой молекулы. В щелочной среде с низкой концентрацией Н₃О⁺ пептидная гидрофильная группа —HN—CO— может депротонироваться (отдать протон Н⁺ молекуле воды), становясь высокоэлектрофильной. При этом молекулы воды атакуют пептидную группу, что приводит к разрушению пептидной связи и деструкции белка. Таким образом, высокие значения рН являются смертельно опасными для живых организмов.

Белки плазмы крови вместе с гемоглобином и солями (бикарбонатами, фосфатами) поддерживают строгое постоянство концентрации водородных ионов в крови человека на слабощелочном уровне (рН = 7,39) (см. рис. 3–30), что жизненно важно для обеспечения нормального протекания большинства биохимических реакций в организме.