Тема 3. Аминокислоты: строение, стереохимия, биологически важные реакции -аминокислот. Пептиды, особенности пептидной связи. Классификация и строение белков

Строение и свойства аминокислот и белков

a -Аминокислоты – гетерофункциональные соединения, молекулы которых содержат две функциональные группы: карбоксильную группу (–СООН) и аминогруппу (–NH₂), причём обе группы связаны с одним и тем же атомом углерода. Называют a-аминокислоты по Международной номенклатуре, при этом атом углерода, с которым связана аминогруппа имеет второй порядковый номер. Для многих a- аминокислот, особенно тех, которые входят в состав белков, чаще используются названия по тривиальной номенклатуре.

Различают аминокислоты, содержащие следующие радикалы: неполярные (гидрофобные); полярные (гидрофильные) заряженные и незаряженные; ароматические.

Основным источником a-аминокислот для живого организма служат пищевые белки. Некоторые a-аминокислоты могут синтезироваться в необходимых количествах в организме (из других аминокислот или иных продуктов метаболизма). Такие аминокислоты называют заменимыми: ала, асп, асн, глу, глн, про, гли, сер.

Частично заменимые аминокислоты - гис, арг – синтезируются очень медленно, в количествах, не покрывающих потребности организма, особенно в детском возрасте.

Часть a-аминокислот в организме человека не синтезируются и могут поступать только с пищей, такие a-аминокислоты называют незаменимыми: валин, лейцин, изолейцин, лизин, треонин, метионин, фенилаланин, триптофан. Поэтому так важно сбалансированное белковое питание человека.

Условно заменимые аминокислоты – цис, тир – синтезируются из незаменимых аминокислот мет и фен соответственно.

При некоторых заболеваниях заменимые аминокислоты могут перейти в разряд незаменимых. Так, при фенилкетонурии организм перестаёт синтезировать аминокислоту тирозин.

Многие a-аминокислоты используются в медицине. Глицин улучшает обменные процессы в тканях мозга и мышц. Глутаминовая кислота применяется при лечении заболеваний центральной нервной системы, метионин и гистидин для лечения заболеваний печени и т.д.

Свойства аминокислот.

Аминокислоты представляют собой бесцветные кристаллические вещества с довольно высокими температурами плавления (более 230 °С). Большинство кислот хорошо растворимы в воде и практически не растворимы в спирте и диэтиловом эфире, что указывает на солеобразный характер этих веществ. Специфическая растворимость аминокислот обусловлена наличием в молекуле одновременно аминогруппы (основный характер) и карбоксильной группы (кислотные свойства), благодаря чему аминокислоты принадлежат к амфотерным электролитам (амфолитам).

В водных растворах и твердом состоянии аминокислоты существуют только в виде внутренних солей — цвиттер-ионов.

Кислотно-основное равновесие для аминокислоты может быть описано:

Если к раствору аминокислоты приложено электрическое поле, то в зависимости от показателя рН раствора ионы аминокислоты будут перемещаться по-разному: в кислой среде при рН < 7 катионы аминокислот перемещаются к отрицательному полюсу (катоду), а в щелочной среде при рН > 7 карбоксилат-анионы — к положительному полюсу (аноду). Значение рН, при котором молекула аминокислоты электронейтральна, называют изоэлектрической точкой и обозначают рI. При значении рН, равном показателю рI, молекула аминокислоты в электрическом поле не перемещается.

Наличие в молекуле одновременно амино- и карбоксильной группы отражается и на поведении аминокислот в тех реакциях, в которых участвует только одна из двух функциональных групп.

С участием карбоксильной группы могут протекать все реакции, характерные для карбоновых кислот с образованием соответствующих производных карбоновых кислот (сложных эфиров, ангидридов, амидов и т.п.).

При этом надо помнить о том, что аминогруппа легко окисляется, поэтому, например, для получения галогенангидридов аминокислот требуется предварительное ацилирование аминогруппы. После получения галогенангидрида ацильная защита гидролизуется.

Одна из важнейших реакций в организме — декарбоксилирование аминокислот. Отщепление СО₂ происходит под действием особых ферментов — декарбоксилаз:

Дезаминирование аминокислот, как и всякого первичного амина, протекает при действии на аминокислоты азотистой кислоты. Эта реакция лежит в основе метода определения содержания азота и количества аминогрупп в аминокислотах (метод Ван-Слайка).

В организме могут протекать 4 вида реакций дезаминирования:

– окислительное дезаминирование, в результате которого аминогруппа замещается на оксогруппу: R–CH(NH₂)–COOH + [O] ® R–СО–CООН + NH₃;

– гидролитическое дезаминирование, в результате которого аминогруппа замещается на гидроксигруппу: R–CH(NH₂)–COOH + H₂O ® R–СН(ОН)–CООН + NH₃;

– внутримолекулярной дезаминирование, в результате которого образуется непредельное соединение: R–CH₂–CH(NH₂)–COOH ® R–CH=CH–CООН + NH₃;

– восстановительное дезаминирование, в результате которого аминогруппа замещается на атом водорода: R–CH(NH₂)–COOH + [Н] ® R–CH₂–CООН + NH₃;

Во всех случаях NH₂-rpyппa аминокислоты освобождается в виде аммиака.

С наибольшей скоростью дезаминируется глутаминовая кислота с образованием α-кетоглутарата и аммиака.

Трансаминирование аминокислот – реакции межмолекулярного переноса аминогруппы (–NH₂) от аминокислоты на α-кетокислоту. Большинство L-аминокислот дезаминируется в организме путем трансаминирования (переаминирования) с α-кетоглутаровой кислотой:

Амино- и карбоксильные группы аминокислот могут реагировать друг с другом, даже если они находятся в одной молекуле. Еще более реальным является образование межмолекулярной амидной связи. Амиды, образовавшиеся в результате взаимодействия некоторого числа аминокислот, называют пептидами. В зависимости от числа аминокислотных остатков различают ди-, три-, тетра-, пентапептиды и т.д. При этом пептиды молекулярной массой не более 10 000 называют олигопептидами, молекулярной массой более 10 000 — полипептидами, или белками. Амидные связи (–СО–NH–) в составе пептидов называют пептидными.

Мономеры аминокислот, входящих в состав полипептидов, называются аминокислотными остатками. Цепь повторяющихся групп -NH-CH-CO– образует пептидный остов. Аминокислотный остаток, имеющий свободную α-аминогруппу, называется N-концевым, а имеющий свободную α-карбоксильную группу - С-концевым.

Называют пептид, последовательно перечисляя, начиная с N-конца, названия аминокислот, входящих в пептид; при этом суффикс «-ин» заменяют на суффикс «-ил» для всех аминокислот, кроме С-концевой. Для описания строения пептидов применяют не традиционные структурные формулы, а сокращенные обозначения, позволяющие сделать запись более компактной.

Пептидная связь, образуемая иминогруппой пролина, отличается от других пептидных связей: у атома азота пептидной группы отсутствует водород, вместо него имеется связь с радикалом, в результате одна сторона цикла включается в пептидный остов:

Пептиды различаются аминокислотным составом, количеством аминокислот и порядком соединения аминокислот, например, Сер-Ала-Глу-Гис и Гис-Глу-Ала-Сер – два разных пептида.

Белки – это высокомолекулярные азотсодержащие органические вещества, молекулы которых построены из остатков аминокислот, соединенных пептидными связями. Для высокомолекулярных полипептидов и белков наряду с первичной структурой (последовательность аминокислот) характерны более высокие уровни организации, которые принято называть вторичной (спиралевидная и складчатая), третичной (глобулярная и фибриллярная) и четвертичной структурами.

Аминокислотные остатки в пептидных цепях разных белков чередуются не случайным образом, а расположены в определенном порядке. Линейная последовательность или порядок чередования аминокислотных остатков в полипептидной цепи называется первичной структурой белка.

Первичная структура каждого индивидуального белка закодирована в молекуле ДНК (в участке, называемом геном) и реализуется в ходе транскрипции (переписывания информации на мРНК) и трансляции (синтез первичной структуры белка). Следовательно, первичная структура белков индивидуального человека - наследственно передаваемая от родителей детям информация, определяющая особенности строения белков данного организма, от которых зависит функция имеющихся белков 

Каждый из примерно 100 000 индивидуальных белков в организме человека имеет уникальную первичную структуру. В молекулах одного типа белка (например, альбумина) присутствует одинаковое чередование аминокислотных остатков, что отличает альбумин от любого другого индивидуального белка.

Последовательность аминокислотных остатков в пептидной цепи можно рассматривать как форму записи информации. Эта информация определяет пространственную укладку линейной пептидной цепи в более компактную трехмерную структуру, называемую конформацией белка. Процесс формирования функционально активной конформации белка носит название фолдинг.

Свободное вращение в пептидном остове возможно между атомом азота пептидной группы и соседним α-углеродным атомом, а также между α-углеродным атомом и углеродом карбонильной группы. Вследствие взаимодействия функциональных групп аминокислотных остатков первичная структура белков может приобретать более сложные пространственные структуры. В глобулярных белках различают два основных уровня укладки конформации пептидных цепей: вторичную и третичную структуры.

Вторичная структура белков – это пространственная структура, формирующаяся в результате образования водородных связей между функциональными группами -С=О и - NH- пептидного остова. При этом пептидная цепь может приобретать регулярные структуры двух типов: α-спирали и β-структуры.

В α-спирали водородные связи образуются между атомом кислорода карбонильной группы и водородом амидного азота 4-й от него аминокислоты; боковые цепи аминокислотных остатков располагаются по периферии спирали, не участвуя в образовании вторичной структуры (рис. 8.).

Объемные радикалы или радикалы, несущие одинаковые заряды, препятствуют формированию α-спирали. Остаток пролина, имеющий кольцевую структуру, прерывает α-спираль, так как из-за отсутствия водорода у атома азота в пептидной цепи невозможно образовать водородную связь. Связь между азотом и α-углеродным атомом входит в состав цикла пролина, поэтому пептидный остов в этом месте приобретает изгиб.

β -Структура формируется между линейными областями пептидного остова одной полипептидной цепи, образуя при этом складчатые структуры. Полипептидные цепи или их части могут формировать параллельные или антипараллельные β-структуры. В первом случае N- и С-концы взаимодействующих пептидных цепей совпадают, а во втором - имеют противоположное направление (рис. 8).

Рисунок 8. Вторичные и третичные структуры белков.

В белках также встречаются области с нерегулярной вторичной структурой, к которым относят изгибы, петли, повороты полипептидного остова. Они часто располагаются в местах, где меняется направление пептидной цепи, например, при формировании параллельной β-складчатой структуры.

По наличию α-спиралей и β-структур глобулярные белки могут быть разделены на четыре категории.

В первую категорию включены белки, в которых имеются только α-спирали, например, миоглобин (рис. 9А). Во вторую категорию входят белки, в которых имеются и α- спирали, и β-структуры, например триозофосфатизомераза или похожий по структуре домен пируваткиназы (рис. 9Б).

В третью категорию включены белки, имеющие только вторичную β-структуру. Такие структуры обнаружены в иммуноглобулинах, ферменте супероксиддисмутазе (рис. 9В).

В четвертую категорию включены белки, имеющие в своем составе незначительное количество регулярных вторичных структур. К таким белкам можно отнести небольшие, богатые цистеином белки или металлопротеины.

Третичная структура белка – тип конформации, образующийся за счет взаимодействий между радикалами аминокислот, которые могут находиться на значительном расстоянии друг от друга в пептидной цепи. Белки при этом формируют пространственные структуры, напоминающие глобулу (глобулярные белки) или вытянутую нить –фибриллу (рис. 8).

Так как гидрофобные радикалы аминокислот имеют тенденцию к объединению с помощью так называемых гидрофобных взаимодействий и межмолекулярных ван-дер-ваальсовых сил, внутри белковой глобулы образуется плотное гидрофобное ядро. Гидрофильные ионизированные и неионизированные радикалы в основном располагаются на поверхности белка и определяют его растворимость в воде.

Рис. 10. Типы связей, возникающих между радикалами аминокислот при формировании третичной структуры белка

1 – ионная связь - возникает между положительно и отрицательно заряженными функциональными группами;

2 – водородная связь - возникает между гидрофильной незаряженной и любой другой гидрофильной группой;

3 – гидрофобные взаимодействия - возникают между гидрофобными радикалами;

4 – дисульфидная связь - формируется за счет окисления SH-групп остатков цистеина и их взаимодействия друг с другом

Гидрофильные аминокислотные остатки, оказавшиеся внутри гидрофобного ядра, могут взаимодействовать друг с другом с помощью ионных и водородных связей(рис. 10).

Ионные и водородные связи, а также гидрофобные взаимодействия относятся к числу слабых: их энергия ненамного превышает энергию теплового движения молекул при комнатной температуре. Конформация белка поддерживается за счет возникновения множества таких слабых связей. Так как атомы, из которых состоит белок, находятся в постоянном движении, то возможен разрыв одних слабых связей и образование других, что приводит к небольшим перемещениям отдельных участков полипептидной цепи. Это свойство белков изменять конформацию в результате разрыва одних и образования других слабых связей называется конформационной лабильностью.

В организме человека функционируют системы, поддерживающие гомеостаз – постоянство внутренней среды в определенных допустимых для здорового организма пределах. В условиях гомеостаза небольшие изменения конформации не нарушают общую структуру и функцию белков. Функционально активная конформация белка называется нативной конформацией. Изменение внутренней среды (например, рН, концентрации глюкозы, ионов Са²⁺ и т.д.) приводит к изменению конформации и нарушению функций белков.

Третичная структура некоторых белков стабилизирована дисульфидными связями, образующимися за счет взаимодействия -SH групп двух остатков цистеина (рис. 10). Большинство внутриклеточных белков не имеет в третичной структуре ковалентных дисульфидных связей. Их наличие характерно для секретируемых клеткой белков, что обеспечивает их большую стабильность во внеклеточных условиях. Так, дисульфидные связи имеются в молекулах инсулина и иммуноглобулинов.

Инсулин – белковый гормон, синтезирующийся в β-клетках поджелудочной железы и секретируемый в кровь в ответ на повышение концентрации глюкозы в крови. В структуре инсулина имеются две дисульфидные связи, соединяющие полипептидные А- и В-цепи, и одна дисульфидная связь внутри А-цепи (рис. 11).

Рисунок 11. Дисульфидные связи в структуре инсулина

Супервторичная структура белков. В разных по первичной структуре и функциям белках иногда выявляются сходные сочетания и взаиморасположение вторичных структур, которые называются супервторичной структурой. Она занимает промежуточное положение между вторичной и третичной структурами, поскольку это специфическое сочетание элементов вторичной структуры при формировании третичной структуры белка. Супервторичные структуры имеют специфические названия, такие как «α-спираль-поворот-а-спираль», «лейциновая застежка молния», «цинковые пальцы» и др. Такие супервторичные структуры характерны для ДНК-связывающих белков.

«Лейциновая застежка-молния». Этот вид супервторичной структуры используется для соединения двух белков. На поверхности взаимодействующих белков имеются α-спиральные участки, содержащие не менее четырех остатков лейцина. Лейциновые остатки в α-спирали располагаются через шесть аминокислот один от другого. Так как каждый виток α-спирали содержит 3,6 аминокислотных остатка, радикалы лейцина находятся на поверхности каждого второго витка. Лейциновые остатки α-спирали одного белка могут взаимодействовать с лейциновыми остатками другого белка (гидрофобные взаимодействия), соединяя их вместе (рис. 12.). Многие ДНК-связывающие белки функционируют в составе олигомерных комплексов, где отдельные субъединицы связаны друг с другом «лейциновыми застежками».

Рисунок 12. «Лейциновая застежка-молния» между α-спиральными участками двух белков

Примером таких белков могут служить гистоны. Гистоны- ядерные белки, в состав которых входит большое количество положительно заряженных аминокислот – аргинина и лизина (до 80%). Молекулы гистонов объединяются в олигомерные комплексы, содержащие восемь мономеров с помощью «лейциновых застежек», несмотря на значительный одноименный заряд этих молекул.

«Цинковый палец» – вариант супервторичной структуры, характерный для ДНК-связывающих белков, имеет вид вытянутого фрагмента на поверхности белка и содержит около 20 аминокислотных остатков (рис. 13). Форму «вытянутого пальца» поддерживает атом цинка, связанный с радикалами четыре аминокислот - двух остатков цистеина и двух - гистидина. В некоторых случаях вместо остатков гистидина находятся остатки цистеина. Два близко лежащих остатка цистеина отделены от двух других остатков Гис или Цис последовательностью, состоящей примерно из 12 аминокислотных остатков. Этот участок белка образует α-спираль, радикалы которой могут специфично связываться с регуляторными участками большой бороздки ДНК.

Рисунок 13. Первичная структура участка ДНК-связывающих белков, формирующих структуру «цинкового пальца» (буквами обозначены аминокислоты, входящие в состав этой структуры)

Специфичность связывания индивидуального регуляторного ДНК-связывающего белка зависит от последовательности аминокислотных остатков, расположенных в области «цинкового пальца». Такие структуры содержат, в частности, рецепторы стероидных гормонов, участвующих в регуляции транскрипции (считывание информации с ДНК на РНК).

Белки можно классифицировать:

– по форме молекул (глобулярные и фибриллярные);

– по молекулярной массе (низко- и высокомолекулярные);

– по составу или химическому строению (простые и сложные);

– по выполняемым функциям;

– по локализации в клетке (ядерные, цитоплазматические и др.);

– по локализации в организме (белки крови, печени и др.);

– по возможности адаптивно регулировать количество данных белков: белки, синтезирующиеся с постоянной скоростью (конститутивные), и белки, синтез которых может усиливаться при воздействии факторов среды (индуцибельные);

– по продолжительности жизни в клетке (от очень быстро обновляющихся белков, с периодом полупревращения менее 1 ч, до очень медленно обновляющихся белков, период полупревращения которых исчисляют неделями и месяцами);

– по схожим участкам первичной структуры и родственным функциям (семейства белков).

Таблица 3. Функции белков

Функция белка	Сущность действия	Примеры
Каталитическая (ферментативная)	Ускорение химических реакций в организме	Пепсин, трипсин, каталаза, цитохромоксидаза, амилаза, липаза
Транспортная	Транспорт (перенос) химических соединений в организме	Гемоглобин, альбумин, трансферрин
Структурная (пластическая)	Обеспечение прочности и эластичности тканей	Коллаген, эластин, кератин, гистоны
Сократительная	Укорочение саркомеров мышцы (сокращение)	Актин, миозин
Регуляторная (гормональная)	Регуляция обмена веществ в клетках и тканях	инсулин, соматотропин, глюкагон, кортикотропин
Защитная	Защита организма от повреждающих факторов	Интерфероны, иммуноглобулины, фибриноген, тромбин
Энергетическая	Высвобождение энергии за счёт распада аминокислот	Белки пищи и тканей

Классификация простых белков

Альбумины. Примерно 75-80% онкотического давления белков сыворотки крови приходится на альбумины; еще одна функция – транспорт жирных кислот.

Глобулины. a-Глобулины содержатся в крови в комплексе с билирубином и с липопротеинами высокой плотности. Фракция β-глобулинов включает протромбин, являющийся предшественником тромбина – белка, ответственного за превращение фибриногена крови в фибрин при свертывании крови. g-Глобулины выполняют защитную функцию.

Протамины – низкомолекулярные белки, обладающие выраженными основными свойствами, обусловленными наличием в их составе от 60 до 85% аргинина. В ядрах клеток ассоциируются с ДНК.

Гистоны также являются небольшими белками основного характера. В их состав входят лизин и аргинин (20…30%). Гистоны играют важную роль в регуляции экспрессии генов.

Проламины – белки растительного происхождения, содержатся в основном в семенах злаков. Все белки этой группы при гидролизе дают значительное количество пролина. Проламины содержат 20…25% глутаминовой кислоты и 10…15% пролина. Наиболее изучены оризенин (из риса), глютенин (из пшеницы), зеин (из кукурузы) и др.

Глютелины – простые белки, содержатся в семенах злаков, в зелёных частях растений. Для глютелинов характерно сравнительно высокое содержание глутаминовой кислоты и наличие лизина. Глютелины – запасные белки.

Таблица 4. Классификация сложных белков

Название класса	Простетическая группа	Представители класса
Хромопротеины	Окрашенные соединения (гемопротеины, флавопротеины)	Гемоглобин, миоглобин, цитохромы, каталаза, пероксидаза
Нуклеопротеины	Нуклеиновые кислоты	Вирусы, рибосомы, хроматин
Фосфопротеины	Фосфорная кислота	Казеин молока, овальбумин, вителлин, ихтулин
Металлопротеины	Ионы металлов	Ферритин, трансферрин, церулоплазмин, гемосидерин
Гликопротеины	Углеводы и их производные	Гликофорин, интерферон, иммуноглобулины, муцин
Липопротеины	Липиды и их производные	Хиломикроны, липопротеины плазмы крови, липовителин

Для определения состава белка его подвергают гидролизу в горячей соляной кислоте с С(HCl) = 6 моль/л. Полученную смесь аминокислот анализируют и устанавливают качественный и количественный состав белка. Для определения последовательности, в которой связаны аминокислотные остатки используют комбинацию двух методов: определение концевых групп и частичный гидролиз.

Для идентификации N-концевого остатка используют метод Ф. Сенджера, основанный на реакции свободной аминогруппы с динитрофторбензолом. После гидролиза N-концевой остаток, связанный с динитрофенильной группой, выделяют и идентифицируют. Можно также удалить N-концевую аминокислоту с помощью фенилизотиоцианата (метод Эдмана). Избирательное удаление С-концевой аминокислоты осуществляется при помощи фермента карбоксипептидазы.

Денатурация белков – нарушение структуры нативной молекулы белка, приводящее к потере характерных для белка свойств (растворимость, биологическая активность и т.д.). Денатурация может происходить под влиянием как физических (нагревание), так и химических факторов (добавление кислот и щелочей, солей тяжёлых металлов, спирта, фенола). Внешне она проявляется как потеря растворимости, особенно в изоэлектрической точке.

Качественные реакции. Для идентификации некоторых пептидов и белков используют так называемые «цветные реакции».

Универсальная реакция на пептидную группу – появление красно-фиолетовой окраски при добавлении к раствору белка ионов меди (II) в щелочной среде (биуретовая реакция).

Реакция на остатки ароматических аминокислот – тирозина и фенилаланина — появление желтой окраски при обработке раствора белка концентрированной азотной кислотой (ксантопротеиновая реакция).

Серасодержащие белки дают черное окрашивание при нагревании с раствором ацетата свинца(II) в щелочной среде (реакция Фоля).