Пептидная связь. Строение и биологические свойства пептидов

α-Аминокислоты могут ковалентно связы­ваться друг с другом с помощью пептидных свя­зей. Карбоксильная группа одной аминокислоты ковалентно связывается с аминогруппой другой аминокислоты. При этом возникает R-CO-NH-R связь, называемая пептидной связью. При этом происходит отщепление мо­лекулы воды .

При помощи пептидных связей из аминокислот образуются белки и пептиды. Пептиды, содержащие до 10 аминокислот, называют олигопептиды. Час­то в названии таких молекул указывают количе­ство входящих в состав олигопептида аминокис­лот: трипептид, пентапептид, октапептид и т.д. Полипептиды, состоя­щие из более чем 50 аминокислотных остатков, обычно называют белками. Мономеры аминокислот, входящих в состав бел­ков, называют «аминокислотные остатки». Амино­кислотный остаток, имеющий свободную амино­группу, называется N-концевым и пишется слева, а имеющий свободную C-карбоксильную груп­пу — С-концевым и пишется справа. Пептиды пи­шутся и читаются с N-конца.

Связь между α-углеродным атомом и α-аминогруппой или α-карбоксильной группой спо­собна к свободным вращениям (хотя ограниче­на размером и характером радикалов), что позволяет полипептидной цепи принимать раз­личные конфигурации.

Пептидные связи обычно расположены в транс-конфигурации, т.е. α-углеродные атомы располагаются по разные стороны от пептид­ной связи. В результате боковые радикалы ами­нокислот находятся на наиболее удалённом рас­стоянии друг от друга в пространстве. Пептидные связи очень прочны и являются ковалентными.

В организме человека вырабатывается мно­жество пептидов, участвующих в регуляции раз­личных биологических процессов и обладающих высокой физиологической активностью. Такими являются целый ряд гормонов – окситоцин (9 аминокислотных остатков), вазопрессин (9), брадикинин (9) регулирующий тонус сосудов, тиреолиберин (3), антибиотики – грамицидин, пептиды, обладающие обезболивающим дей­ствием (энкефалины(5) и эндорфины и другие опиоидные пептиды). Обезболивающий эф­фект этих пептидов в сотни раз превосходит анальгезирующий эффект морфина;

Окситоцин выделяется в кровь во время корм­ления ребёнка, вызывает сокращение миоэпителиальных клеток протоков молочных желёз и стимулирует выделение молока. Кроме того, окситоцин влияет на гладкую мускулатуру мат­ки во время родов, вызывая её сокращение.

В отличие от окситоцина, основное физио­логическое действие вазопрессина — увеличе­ние реабсорбции воды в почках при уменьше­нии АД или объёма крови (поэтому другое название этого гормона — антидиуретический). Кроме того, вазопрессин вызывает сужение сосудов.

Гипоталамический нейропептид Y(36) является мощным стимулятором пищевой активности, усиливает потребление пищи, т. к. вызывает чувство голода.

Различают 4 уровня структурной организации белков, называемых первичной, вторичной, третичной и четвертич­ной структурами. Существуют общие правила, по которым идёт формирование про­странственных структур белков.

Первичная структура белка – это ковалентная структура остова полипептидной цепи – линейная последовательность аминокислотных остатков, соединенных друг с другом пептидными связями. Первичная структура каждого индивидуально­го белка закодирована в участке ДНК, называе­мом геном. В процессе синтеза белка информа­ция, находящаяся в гене, сначала переписывается на мРНК, а затем, используя мРНК в качестве матрицы, на рибосоме происходит сборка пер­вичной структуры белка. Каждый из 50 000 индивидуальных белков организма человека имеет уникальную для дан­ного белка первичную структуру.

Инсулин является первым белком, первичная структура которого была расшифрована. Инсулин — белковый гормон; содержит 51 аминокислоту, состоит из двух полипептидных цепей (цепь А содержит 21 аминокислоту, цепь В — 30 аминокислот). Инсулин синтезируется в β-клетках поджелудочной железы и секретируется в кровь в ответ на повышение концентра­ции глюкозы в крови. В структуре инсулина имеются 2 дисульфидные связи, соединяющие 2 полипептидные цепи А и В, и 1 дисульфидная связь внутри цепи А

Вторичная структура белков – 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.

α –Спираль

В данном типе структуры пептидный остов закручивается в виде спирали за счёт образова­ния водородных связей между атомами кисло­рода карбонильных групп и атомами водорода ами­ногрупп, входящих в состав пептидных групп через 4 аминокислотных остатка. Водородные связи ориентированы вдоль оси спирали. На один виток α-спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка.

В образовании водородных связей участвуют практически все атомы кислорода и водорода пеп­тидных групп. В результате α-спираль «стягива­ется» множеством водородных связей. Несмотря на то, что данные связи относят к разряду сла­бых, их количество обеспечивает максимально возможную стабильность α-спирали. Так как все гидрофильные группы пептидного остова обыч­но участвуют в образовании водородных связей, гидрофильность (т.е. способность образовывать водородные связи с водой) α-спиралей уменьша­ется, а их гидрофобность увеличивается.

α-Спиральная структура — наиболее устой­чивая конформация пептидного остова, отве­чающая минимуму свободной энергии. В резуль­тате образования α-спиралей полипептидная цепь укорачивается, но если создать условия для разрыва водородных связей, полипептидная цепь вновь удлинится.

Радикалы аминокислот находятся на наружной стороне α -спирали и направлены от пептидного остова в стороны. Они не участвуют в образовании водородных связей, характерных для вторич­ной структуры, но некоторые из них могут нару­шать формирование α-спирали. К ним относятся:

• пролин. Его атом азота входит в состав жёс­ткого кольца, что исключает возможность вращения вокруг -N-CH- связи. Кроме того, у атома азота пролина, образующего пептид­ную связь с другой аминокислотой, нет ато­ма водорода. В результате пролин не спосо­бен образовать водородную связь в данном месте пептидного остова, и α-спиральная структура нарушается. Обычно в этом месте пептидной цепи возникает петля или изгиб;

• участки, где последовательно расположены несколько одинаково заряженных радика­лов, между которыми возникают электро­статические силы отталкивания;

• участки с близко расположенными объём­ными радикалами, механически нарушаю­щими формирование а-спирали, например метионин, триптофан.

β -Структура

β-Структура формируется за счёт образования множества водородных связей между атомами пептидных групп линейных областей одной полипептидной цепи, делающей изгибы, или между раз­ными полипептидными цепями, β-Структура образует фигуру, подобную листу, сложенному «гармошкой», — β-складчатый слой.

Складчатый слой фиброина

шелка: зигзагообразные

антипараллельные складки.

Содержат много остатков

Глицина и Аланина

Когда водородные связи образуются между атомами пептидного остова различных полипеп­тидных цепей, их называют межцепочечными связями. Водородные связи, возникающие меж­ду линейными участками внутри одной полипеп­тидной цепи, называют внутрицепочечными. В β-структурах водородные связи расположены перпендикулярно полипептидной цепи.

Третичная структура белков — трёхмерная про­странственная структура, образующаяся за счёт взаимодействий между радикалами аминокислот, которые могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга в полипептидной цепи.

Третичная структура свернутой полипептидной цепи стабилизируется рядом взаимодействий между радикалами аминокислот: это гидрофобные

взаимодействия, электростатическое притяжение, водородные связи, а также

дисульфидные -S-S- связи.

Гидрофильные радикалы аминокислот стре­мятся образовать водородные связи с водой и поэтому в основном располагаются на поверх­ности белковой молекулы.

Все гидрофильные группы радикалов амино­кислот, оказавшиеся внутри гидрофобного ядра, взаимодействуют друг с другом с помощью ион­ных и водородных связей.

Типы связей, возникающих между радикалами аминокислот при формировании третичной структуры белка. 1 — ионные связи; 2 — водородные связи; 3 — гидро­фобные связи; 4 — дисульфидные связи.

Ионные связи (электростатическое притяжение) могут возникать между от­рицательно заряженными (анионными) карбоксильными группами радикалов аспарагиновой и глутаминовой кислот и по­ложительно заряженными (катионными) группами радикалов лизина, аргинина или гистидина. Водородные связи возникают между гидро­фильными незаряженными группами (таки­ми как -ОН, -CONH₂, SH-группы) и любы­ми другими гидрофильными группами. Третичную структуру некоторых белков ста­билизируют дисульфидные связи, образующие­ся за счёт взаимодействия SH-групп двух остатков цистеина. Эти два остатка цистеина могут находиться далеко друг от друга в линейной первичной структуре белка, но при формиро­вании третичной структуры они сближаются и образуют прочное ковалентное связывание ра­дикалов.

Большинство внутриклеточных белков лише­но дисульфидных связей. Однако такие связи распространены в белках, секретируемых клет­кой во внеклеточное пространство. Полагают, что эти ковалентные связи стабилизируют кон-формацию белков вне клетки и предотвращают их денатурацию. К таким белкам относят гор­мон инсулин и иммуноглобулины.

Четвертичная структура белков. Многие белки содержат в своём составе толь­ко одну полипептидную цепь. Такие белки на­зывают мономерами. К мономерным относят и белки, состоящие из нескольких цепей, но соединённых ковалентно, например дисульфидными связями (поэтому инсулин следует рассматривать как мономерный белок).

В то же время существуют белки, состоя­щие из двух и более полипептидных цепей. После формирования трёхмерной структуры каждой полипептидной цепи они объединя­ются с помощью тех же слабых взаимодей­ствий, которые участвовали в образовании третичной структуры: гидрофобных, ионных, водородных.

Способ упаковки двух или более отдельных глобулярных белков в молекуле является четвертичной структурой белка.

Отдельные поли­пептидные цепи в таком белке носят название мономеров, или субъединиц. Белок, содержа­щий в своём составе несколько мономеров, называют олигомерным. Олигомерные глобулярные белки обычно имеют крупные размеры и часто выполняют в ферментативных комплексах регуляторные функции.

Поддержание характерной для белка конформации возможно благодаря возникновению множества слабых связей между различными участками полипептидной цепи. Конформация белка может меняться при изменении химических и физических свойств среды, а также при взаи­модействии белка с другими молекулами. При этом происходит изменение пространственной структуры не только участка, контактирующего с другой молекулой, но и конформации белка в целом.

Конформационные изменения играют огромную роль в функционировании белков в живой клетке. Разрыв большого количества слабых связей в молекуле белка под воздействием органических растворителей, ультразвука, температуры, pH, и т.д. приводит к разрушению её нативной конформации. Развертывание цепей без разрушения их ковалентных связей называется денатурацией. Денатурированный белок биологически неактивен. При денатурации белков не происходит разрыва пептидных связей, т.е. первичная структура белка не нарушается, однако его функция утрачивается.

функции белков

Белки выполняют в клетках множество биоло­гических функций. По признаку сходства выполняемых белками функций их можно разде­лить на следующие большие группы.

Ферменты

Ферменты — специализированные белки, ус­коряющие течение химических реакций. Благо­даря ферментам в клетке скорости химических реакций возрастают в миллионы раз. Так как ферменты, как и любые белки, имеют активный центр, они специфически связывают определён­ный лиганд (или группу похожих лигандов) и катализируют определённый тип химического превращения данной молекулы. В настоящее вре­мя известно около 2000 различных ферментов, ускоряющих различные химические реакции. Например, протеолитический фермент трипсин разрушает в белках пептидные связи, образован­ные карбоксильной группой основных амино­кислот — аргинина или лизина. Фермент рибонуклеаза расщепляет фосфоэфирную связь между нуклеотидами в полинуклеотидной цепи.

Благодаря набору ферментов в клетках пре­вращения поступающих в них веществ проте­кают не хаотично, а в строго определённых на­правлениях.