2. Пептиды

ключевые Пептидная связь * Конформация • Биологически

слова активные вещества

Строение пептидов

Важная химическая особенность всех аминокислот — это их спо­собность соединяться друг с другом с образованием пептидной свя­зи. Эта ковалентная азот-углеродная связь образуется при взаимо­действии аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой. Такая реакция, идущая с выделением воды, назы­вается реакцией конденсации. От числа соединившихся амино­кислот зависит название пептида: двух — дипептид, трех — три- пептид и т. д.

ИНТЕРЕСНО, ЧТО

Многие гормоны человеческого организма являются полипепти­дами. Например, известный гормон инсулин состоит из остатков 51 аминокислоты, соединенных в цепочку.

Пример образования дипептида в общем виде, где R и R* — уг­леводородные радикалы, выглядит следующим образом:

R—СН-СООН + Н¹—NH—СН—СООН

nh₂

R—С Н—СО—N Н—С Н—СО О Н + Н₂0

R*

Аминокислота 2

NH₂

Дипептид

Аминокислота 1

R*

Вода

СН₃—СН-СООН + Н;—NH—СН₂—СООН —

NH₂

а-Аланин

Глицин

NH₂

Дипептид (Ala-Gly)

Вода

Реакция образования дипептида из двух аминокислот — аланина и глицина

О

Пептиды различаются между собой не только числом и ха­рактером аминокислотных остатков, но и порядком их располо­жения в цепи. Это создает почти неисчерпаемые возможности вариаций строения молекул. Расчеты показывают, что только из 10 различных аминокислот можно построить 9 10⁹ разных пеп­тидов. Число возможных вариантов еще более возрастет, если учесть, что пептидные цепи молекул способны замыкаться в цик­лы, а также в состав пептидов могут входить не чистые аминокис­лоты, а их производные. Считается, что если число звеньев в такой цепи аминокислот менее ста, то эта структура называется поли пеп­тидом.

О пространственном строении молекул пептидов известно не­много. Их исследование осложняется тем, что пространственная структура пептида (конформация) изменяется в зависимости от среды, в которой он находится. В природе часто встречаются две конформации полипептидов: а-спираль и более жесткий, склад­чатый слой пептидных цепей. Белки и пептиды с а-спиралью со­ставляют основу коллагена кожи, а складчатые участки, череду­ющиеся подлине молекулы с более гибкими участками а-спирали, обнаружены в молекулах эластина. «' ^ ^ ^ -о~

5~о-^;л ,%/- гг

Функции пептидов

Большинство пептидов являются биологически активными веще­ствами (БАВ). Таковы, например, антибиотики, мышечные регу­ляторы, токсины, гормоны и т. д., являющиеся по своей химиче­ской природе пептидами. Некоторые природные биологически активные пептиды удалось получить синтетическим путем (окси- тоцин, вазопрессин. грамицидин и др. Грамицидин — это природ­ный пептид циклического строения, построенный из остатков 9 аминокислот, антибиотик, эффективный по отношению к грам- положительным бактериям).

Пептиды выполняют в организме разные функции. Напри­мер, открытый в 1921 г. трипептид глутатион принимает участие в окислительно-восстановительных процессах в клетках, обез­вреживает яды, поддерживает транспорт кислорода через мем­брану и защищает мембраны от окисления, способствуя их це­лостности.

Карнозин — другой природный пептид, молекула которого со­стоит всего из двух аминокислот: аланина и гистидина. Свое название карнозин получил от латинского слова carnis (мясо), поскольку впервые был обнаружен в мясе млекопитающих.

косметическая химия 1

fk К 1

Содержание 3

От авторов 5

Краткая история пииш косметики 7

Строение и функции кожи 25

выводы 46

Химия кожи 47

С. > ■' 49

СЫРЬЕ KOCMETk 64

„„„ГИГИЕНЫ 113

ACUDYNE™ SCP 113

GX^ (3=] G=Q 0=3 130

NH

Карнозин

Карнозин принимает участие в самых разных биохимических про­цессах в организме. Он участвует в заживлении ран, в регуляции клеточного иммунитета, в окислительных защитных механизмах и т. д. Основная проблема состоит в том, что карнозин хорошо растворим в воде и практически нерастворим в масле. А это зна­чит, что шанс проникнуть через неповрежденный липидный барь­ер кожи невысок. Было установлено, что такой пептид, модифи­цированный жирно-кислотной цепью (пальмитиновая кислота), способен проникать глубоко в кожу (в нижние слои эпидерми­са и в дерму) и оставаться в ней, оказывая физиологическое действие локально Эта концепция использования биологически активных синтетических пептидов после их химической моди­фикации весьма перспективна с точки зрения косметического результата.

Применение пептидов в косметике

Пептиды часто включают в состав косметических препаратов. Они оказывают увлажняющее действие на кожу, благоприятно воздей­ствуют на волосы, восстанавливая их естественный блеск и элас­тичность. В косметических препаратах пептиды используются в виде растворов. Их добавляют в кремы, шампуни, Средства для бритья, препараты для ухода за телом после душа и ванны.

3. Белки

Структурные белки • Фибриллярные белки • Пер- ключевые вичная, вторичная и третичная структуры белка •

слова Нативная конфигурация • Денатурация • Коллаген •

Эластин • Кератин

Классификация белков (протеинов)

Деление на белки и пептиды по числу аминокислот весьма услов­но. Считают, что белки содержат в молекуле от 100 до 10 ООО ами­нокислот. Существует несколько классификаций белков: по хими­ческому составу, структуре, функциям в организме, по строению молекул.

По химическому составу белки делят на простые и сложные. Простые белки состоят только из остатков аминокислот. Сложные белки помимо аминокислот могут содержать какие-либо еще со­единения. Если это металлы, то такие белки называют металло- протеиды, если это углеводы, то белки называют гликопротеиды, если жиры, то — липопротеиды, если нуклеиновые кислоты, то — нуклеопротеиды.

П

Рис. 7. Молеку­лярное строение фибриллярных (1) и глобулярных (2) белков

о функциям белки делят на:

• структурные, которые образуют ткани и органы человека;

• каталитические, которые обеспечивают протекание необходимых биохимиче­ских реакций,

• транспортные, осуществляющие пере­нос различных веществ в клетки и из клеток;

• защитные, связанные с иммунной сис­темой человека,

• гормоны, обеспечивающие регуляцию многих жизненно важных процессов (например, рост, половое созревание и т. д.).

По строению молекул белки делят на фибриллярные, имеющие линейные молеку­лы и образующие волокна (например, мы­шечные); и глобулярные, молекулы которых свернуты в клубок, или глобулу.

Фибриллярные белки представляю! собой волокнистые веще­ства, большей частью нерастворимые в воде и солевых растворах. Их пептидные цепи ориентируются в волокне параллельно друг другу и образуют пучки Рентгенографические исследования по­казали, что полипептидные цепи фибриллярных белков закручены внутри пучка в спираль благодаря наличию водородных связей. Многие структурные белки относятся к фибриллярным.

Глобулярные белки частично растворимы в воде или в солевых растворах. Их полипептидные цепи плотно свернуты в компакт­ные сферические структуры (шар, эллипсиод вращения и т. п.). Выводы о форме макромолекул глобулярных белков сделаны на основании рентгенографических, электронно-микроскопиче- ских, осмометрических и вискозиметрических измерений. Эти белки обычно выполняют в клетках динамические функции. К гло­булярным белкам относятся почти все известные ферменты, анти­тела, некоторые гормоны и транспортные белки.

Структура белка

Строение белка определяется несколькими уровнями его структу­ры. Первичная структура — это последовательность аминокислот в молекуле белка. Это непосредственно химическая структура, и определяют ее химическими методами.

Вторичная структура белка формируется водородными связя­ми между отдельными участками молекулы белка, благодаря кото­рым молекулы белка или закручиваются в спираль, или образуют структуру складчатого типа.

Третичная структура определяет пространственную форму молекулы белка. Если это длинные цепочки, связанные вместе и образующие фибриллу (волокно), то белок называют фибрилляр­ным. Если молекула белка свернута в клубок, то белок будет глобу­лярным.

Четвертичная структура образуется, если несколько белко­вых молекул объединяются вместе. Так, белок гемоглобин, пере­носчик кислорода в крови, состоит из четырех полипептидных це­пей, объединенных вокруг иона железа Fe.

Для каждого белка характерна по крайней мере одна трехмер­ная структура, в которой он стабилен и проявляет свою биологи­ческую активность при физиологических условиях (температура и pH). Эту структуру называют нативной конформацией белка.

Большая масть белковых молекул сохраняет свою биологиче­скую активность в узкой области температуры и pH. При повыше­нии температуры или при смешении pH в кислую или щелочную области наблюдается денатурация белков. Они утрачивают свою биологическую активность, ферменты теряют способность катали ­зировать соответствующие химические реакции. Причиной дена­турации является развертываение полипептидной цепи. Чем выше температура, тем более беспорядочной оказывается конфигурация развернувшейся цепи. При температурах, превышающих 50 °С, почти все белки денатурируют.

Структурные белки кожи

По своему строению белки кожи — это структурные фибрилляр­ные белки.

Типичный структурный белок кожи — это колхаген (см. раз­дел 2.1.). Коллаген составляет 30—40% всех белков в организме, это важнейший белок соединительной ткани, сухожилий, кожи, хрящей и костей, а также строительный белок всех животных кле­ток, обеспечивающий их прочность. Молекулярная масса коллаге­на колеблется от 300до 500 тысяч (300—500 кДа). Поданным рент­геноструктурного анализа у высших млекопитающих и человека молекула коллагена состоит из трех перекрученных в тройную спираль и тесно связанных друг с другом полипептидных цепей. Она достаточно прочна, и выдерживает нагрузку до 600 кг/см². Длина молекулы примерно 3000 А (1 ангстрем = 10^¹⁰ м), что составляет 0,003 мм Каждая полипептидная цепь коллагена содер­жит около 1000 аминокислотных остатков. Одну треть всех ами­нокислотных остатков коллагена составляет глицин, а одну чет­верть - пролин или оксипролин.

Коллаген синтезируется в клетках — фибробластах. Образова­ние коллагена в клетках возможно лишь при наличии коротких аминокислот, таких как глицин (его в коллагене около 35%), ала­нин (21%), валин и цистеин. Увеличение физических нагрузок так­же способствует синтезу коллагена. Поэтому у людей, занимаю­щихся бодибилдингом, должна быть диета, насыщенная этими аминокислотами.

При старении организма постепенно увеличивается число связей между полипептидными цепочками в молекуле коллагена, и упругость молекулы уменьшается.

Другой белок кожи — эластин. В молекуле эластина чередуют­ся участки с фибриллярной и складчатой структурами. Эластин входит в состав кожи и волос. Этот белок может изменять длину своей молекулы, т. е. сокращаться. Поэтому эластин входит также в состав связок, сухожилий, кровеносных сосудов, находится в волосяной сумке. Окончательно структура эластина еще не вы­яснена.

В состав кожи и волос входит еще один белок — кератин. Существуют две его конфигурации: а- и p-кератин. Волосы, ко­жа, ногти состоят из параллельно расположенных полипептидных цепей кератина, имеющих правую а-спиральную конфигурацию. В волосах три или семь спиралей могут быть скручены вместе. Та­кая структура напоминает трех- или семижильный кабель. В а-ке- ратине содержится много остатков цистеина, расположенных таким образом, что между соседними пептидными цепочками об­разуются дисульфидные «мостики». Эти дисульфидные связи при­дают а-кератинам прочность и стабильность.

Параллельные цепи в вытянутой зигзагообразной конфор­мации p-кератина связаны между собой поперечными водород­ными связями и образуют структуры типа складчатого слоя. В по­перечном связывании принимают участие все пептидные связи, что придает структуре высокую стабильность. Волосы и ногти человека на 5—8% состоят из p-кератина. Он нерастворим в воде, но обладает способностью набухать и размягчаться под действием воды. Это заметно, когда ногти слегка размягчаются в воде, а по­том снова затвердевают после испарения воды. То же происходит с кератинами кожи и волос.

Применение белков в косметике

В составе современных косметических средств используются гид­ролизованные белки растительного и животного происхождения. Благодаря особенностям своего строения гидролизованные белки взаимодействуют с клеточными структурами рогового слоя кожи и удерживают в нем влагу. Белки также могут связываться со струк­турными белками кожи, укрепляя роговой слой эпидермиса.

Со всей определенностью можно сказать, что негидролизован­ные белки не проникают в глубокие слои кожи с тем, «чтобы чу­десным образом омолодить ее и повернуть вспять ход времени», как порой обещают рекламные тексты на косметических препа­ратах.

вспомним, что

Гидролиз — обменная реакция между веществом и водой (для неорганических солей) или реакция разложения сложного веще­ства на более простые под действием воды или водных растворов кислот или щелочей (для органических веществ)

При полном гидролизе белков и пептидов образуются аминокис­лоты. При неполном гидролизе белков продуктами реакции будут пептиды и аминокислоты.

При гидролизе полисахаридов (входящих в состав растительных материалов) под действием водных растворов кислот происходит расщепление их до моносахаридов.

При гидролизе жиров образуются высшие карбоновые кислоты и глицерин. Гидролиз сложных эфиров приводит к образованию кислот и спиртов, из которых эфир был построен.