Читать книгу "Структурная биохимия"

Функции аминокислот

Функции белковых аминокислот:

Входят в состав белков, белковые аминокислоты встраиваются в полипептидную цепь на рибосоме. Они закодированы в геноме.

Входят в состав пептидных антибиотиков, гормонов

Участвуют в обменных процессах

Входят в состав пептидных антибиотиков, гормонов

Функции небелковых аминокислот:

Целый ряд «небелковых» аминокислот участвует в процессах обмена. Таковы, в частности, гомосерин, аргинин янтарная кислота, полуальдегид аспарагиновой кислоты – промежуточные продукты биосинтеза белковых аминокислот, азетидинкарбоновая кислота – обычный компонент клеточного сока растений, таурин находится в желчи в составе конъюгатов желчных кислот.

γ-аминомасляная кислота (ГАМК) – нейромедиатор.

Масса модифицированных аминокислот входит в состав белков, изменяя их свойства

Небелковые аминокислоты входят в состав антибиотиков, токсинов и муреина, образующего клеточные стенки бактерий.

Пептиды

Если карбоксильная группа одной α-аминокислоты ацилирует аминогруппу другой аминокислоты, то образующуюся амидную связь называют пептидной, а само соединение – пептидом: Таким образом, пептиды представляют собой, соединения, которые построены из остатков α -аминокислот, соединенных между собой пептидными связями. Иногда для достаточно длинных пептидов применяют термин полипептиды. Заметим, что с участием аминокислот могут образовываться и другие амидные связи, например между γ-карбоксильной группой остатка глутаминовой кислоты и ε-аминогруппой лизина при сшивании цепей фибрина в ходе старения тромба. Такие связи, химически близкие пептидным, к последним не причисляют, иногда называют их изопептидными. Образование пептидных связей в воде термодинамически невыгодно, этим обусловлена необходимость предварительной активации взаимодействующих групп (чаще – карбоксильной группы) при химическом синтезе пептидной связи, а также при ее биосинтезе. Однако кинетически пептидная связь достаточно стабильна и ее гидролитическое расщепление происходит лишь при использовании химических катализаторов (кислот или щелочей) либо при катализе специфическими ферментами (пептидазами). Понятно, что в дипептиде, полученном конденсацией двух аминокислотных остатков, сохраняются как карбоксильная, так и аминная группы, поэтому присоединение к нему аминокислотных остатков может быть продолжено с обеих сторон, что открывает возможность образования очень длинных – в несколько сотен и даже тысяч аминокислотных остатков – пептидных цепей. В пептидной цепи различают N-концевой (или аминоконцевой) остаток, содержащий свободную аминогруппу, и С-концевой остаток, который несет свободную α-карбоксильную группу.

Физико-химические свойства пептидов

Физические свойства пептидов зависят от входящих в их состав аминокислот. Если в состав пептида входят фенилаланин, тирозин и триптофан, то пептид будет поглощать УФ излучение, максимум поглощения при длине волны 280 нм. Их растворимость в воде различается и определяется как длиной пептида, так и природой образующих его аминокислот. Чем больше в составе пептида гидрофобных аминокислот, тем менее пептид будет растворим в воде.

Подобно аминокислотам, пептиды, содержащие свободные аминную и карбоксильную группы, являются биполярными ионами и имеют изоэлектрическую точку. Но при определении изоэлектрической точки, большее влияние приобретают группировки радикалов аминокислотных остатков. Кислотно-основные свойства пептидов несколько отличаются от свойств аминокислот, поскольку взаимное влияние аминной и карбоксильной групп в них значительно слабее, чем в α -аминокислотах, а в длинных пептидах им вообще можно пренебречь. В пептидах рК_а α -карбоксильной группы заметно выше, чем в аминокислотах, и составляет, например, для аланил-аланина 3,12 (ср. с рК_а 2,34 для карбоксила аланина и 4,7 для уксусной кислоты). Для карбоксильной группы аланил-аланил-аланина рКа – 3,39; с дальнейшим ростом цепи сохраняется значение, близкое к 3,4.

Некоторое повышение кислотности по сравнению с карбоксилом уксусной кислоты следует приписать влиянию соседней пептидной связи. Аналогично альфа-аминогруппа в пептидах становится менее основной, чем в α-аминокислотах: рК_а α -аммонийной группы составляет 9,69 для аланина, 8,30 для аланил-аланина, 8,03 для аланил-аланил-аланина и с дальнейшим удлинением цепи не меняется.

В остальном химические свойства α-аминной и карбоксильной групп пептидов качественно близки свойствам аминокислот. В частности, они вступают в те же реакции, которые были описаны для аминокислот, кроме протекающих с одновременным участием обеих функциональных групп. Такие реакции для пептидов не характерны. Исключением является довольно легкая циклизация эфиров и некоторых других производных дипептидов, в которых активирована карбоксильная группа, приводящая к дикетопипераэинам: В сильнощелочных растворах пептиды дают окрашенные комплексы с ионами меди, построенные весьма сложно. На этом основана так называемая биуретовая реакция. Разумеется, пептиды могут также вступать в реакции за счет функциональных групп, содержащихся в боковых цепях аминокислот.

Синтез пептидов

В клетках прокариот пептиды синтезируются специальными транспептидазами нематричным путем. У эукариот структура пептида закодирована в геноме, в виде более крупной полипептидной молекулы белка предшественника, происходит сначала транскрипция, затем на матрице мРНК рибосома осуществляет биосинтез белка предшественника, который затем подвергается ограниченному протеолизу специфическими ферментами, которые, в свою очередь, действуя на строго определенные связи, высвобождают активные пептиды.

Функции пептидов

Пептиды являются промежуточными продуктами деградации белка.

Пептидные антибиотики в большинстве своем синтезируются микроорганизмами по особому нематричному механизму и содержат в своем составе ряд небелковых аминокислот, а также D-изомеров. Многие из них являются циклопептидами. Среди таких антибиотиков отметим циклодекапептид грамицидин S – антимикробный агент широкого спектра действия. Следует обратить внимание на присутствие в молекуле небелковой аминокислоты – орнитина – и D-изомера фенилаланина.

Эффективным иммунодепрессантом служит другой циклопептидный антибиотик – циклоспорин, содержащий N-метилированные и другие небелковые аминокислоты (непредельную оксиаминокислоту, аминомасляную кислоту, остаток D-аланина). В последнее время обнаружены пептидные антибиотики, продуцируемые клетками животных, в особенности лимфоцитами. Они образуются по обычному пути биосинтеза белковых структур.

Пептидные гормоны, в более широком смысле – регуляторные пептиды, играют важнейшую роль в управлении метаболическими процессами в развитии организма, передаче сигналов. К их числу принадлежат некоторые короткие пептиды, например, окситоцин, стимулирующий сокращение матки и лактацию. Сходно построен нонапептид вазопрессин, подавляющий диурез и повышающий давление крови. Адренокортикотропный гормон (АКТГ), пептидная цепь которого состоит из 39 аминокислотных остатков, регулирует функцию надпочечников и может затрагивать целый ряд процессов, в том числе мотивацию, обучаемость, поведение. Меланоцитостимулирующий гормон контролирует образование меланина в пигментных клетках позвоночных, но влияет и на функционирование нервной системы, поведенческие реакции, а также развитие плода. Следует отметить, что функции пептидных гормонов, как правило, многозначны, причем нередко в них удается выделить участки последовательности, ответственные за отдельные типы биологической активности. Для пептидных гормонов характерны процессы посттрансляционной модификации: в случае а-меланоцитостимулирующего гормона – ацетилирование α-NH₂-группы и амидирование α-карбоксила.

Энкефалины – пептиды, взаимодействующие с теми же рецепторами, что и морфин, и представляющие собой природные анальгетики, – синтезируются в виде предшественника, в пептидной цепи которого последовательности энкефалина Туг – Gly – Gly – Phe – Leu или Туг – Gly – Gly – Phe – Met повторяются несколько раз. Им предшествуют и за ними следуют пары Arg – Arg, которые служат сигналом для действия специфической протеиназы, расщепляющей пептидную связь после такой пары остатков аргинина. Оба остатка аргинина затем отщепляются специфической карбоксипептидазой, высвобождающей энкефалин. Нередко оказывается, что пептиды могут имитировать поведение соответствующих пептидных фрагментов белка в его взаимодействии с другими биологическими молекулами, в частности с иными белками, например с рецепторами или структурообразующими молекулами. Так, пентапептидный фрагмент белка соединительной ткани ламинина, имеющий последовательность Туг – Ile – Gly – Ser – Arg, ответственен за присоединение к этому белку клеток. Пентапептид такой же структуры способен препятствовать этому, по-видимому, блокируя рецепторы на поверхности клеток, вовлеченные во взаимодействие с ламинином.

Пептиды-регуляторы иммунитета. К таким пептидам относят гормоны тимуса, тетрапептид тафтсин Thr – Lys – Pro – Arg, являющийся фрагментом домена СН2 иммуноглобулина G.

Среди пептидов известны вещества, обладающие высокой токсичностью – токсины из яда пчел и ос, пептиды из бледной поганки (фаллоидин, аманитины и др.), нейротоксины из яда змей, ботулинический токсин (блокирует нервно-мышечную передачу, нервного импульса), дифтерийный токсин (подавляет биосинтез белка).

К биологически активным пептидам принадлежат анзерин, глутатион и карнозин, участвующие в биохимических реакциях в тканях животных. Биологические функции глутатиона: защищает SH-группы ферментов и др. белков от окисления; восстанавливает Н₂О₂ и др. пероксиды; связывает свободные радикалы; участвует в тиол-дисульфидном обмене и в обезвреживании многих чужеродных для организма соединений; восстанавливает рибонуклеотиды в дезоксирибонуклеотиды; переносит аминокислоты через мембрану клеток; является кофактором ряда ферментов, например, глиоксалазы и формальдегиддегидрогеназы.

Пептидные алкалоиды содержат в молекуле остаток пептида, обычно циклический (поэтому часто их называют циклопептидными алкалоидами). К ним также относят алкалоиды, содержащие в молекуле гидроксистириламиновый фрагмент. Пептидные алкалоиды наиболее распространены в растениях семейства крушиновых (Rhamnaceae). Содержатся в листьях, коре, корнях и др. частях растений в количестве от 0,02 до 1%. Некоторые виды растений, содержащие пептидные алкалоиды, используются в народной медицине для лечения диареи и дизентерии. Ряд пептидных алкалоидов проявляет активность против низших грибков и бактерий.

Белки

К белкам относят полипептиды, способные самопроизвольно формировать и удерживать определенную пространственную структуру. Нельзя указать такого порога, границы, которые резко отделяли бы белки от пептидов. Действительно, известная способность к образованию предпочтительных конформаций в растворах замечается уже у сравнительно коротких пептидов, более того, эта способность существенна для функции некоторых пептидов (например, гормонов), облегчая их взаимодействие с клеточными рецепторами. И всё же это только прообраз четкого соотношения между последовательностью аминокислот и пространственной структурой, которое составляет важнейшую отличительную особенность белка.

Стабилизация пространственной структуры требует хорошо развитой системы нековалентных взаимодействий, что может быть достигнута лишь, начиная с некоторой длины полипептидной цепи. Известны белки, полипептидная цепь которых содержит всего лишь около пятидесяти аминокислотных остатков. К ним относятся, например, панкреатический ингибитор трипсина, фактор роста эпителия, некоторые белки оболочек бактериофагов. Однако такие случаи относительно редки и белки чаще всего содержат 100 – 400 аминокислотных остатков, в одной полипептидной цепи, образующей глобулярную структуру.

Впрочем, длина полипептидной цепи может быть и гораздо большей, достигая тысячи остатков и более. Известны и так называемые полибелки. Они представляют собой еще более длинную полипептидную цепь, формирующую последовательно несколько вполне автономных как в структурном, так и в функциональном отношении глобул, которые после разрезания полибелка по местам «перетяжек» протеиназами существуют как независимые друг от друга ферменты. Видимо, сам по себе механизм биосинтеза не накладывает существенных ограничений на длину полипептидной цепи белка.

Следует подчеркнуть, что переход от пептида к пространственно структурированной, компактной белковой глобуле определяется не механическим удлинением полипептидной цепи, а специфической последовательностью аминокислотных остатков. Иными словами, вовсе не обязательно случайно построенная полипептидная цепь самопроизвольно образует компактную пространственную структуру. Весьма вероятно, что способность к самосборке свойственна ограниченному кругу последовательностей, среди которых и те, что соответствуют природным белкам и отобраны в ходе эволюции. Во всяком случае, известны последовательности аминокислот, не свертывающиеся в компактную структуру.

Столь большое значение, которое придают самосборке пространственной структуры как отличительному признаку белка, объясняется тем, что именно она служит основой всех свойств белка, прежде всего его биологической функции. Физические характеристики белка как полимера полностью определяются его способностью формировать компактную глобулу, от особенностей которой зависит и олигомеризация многих белков. Химические и функциональные свойства белков зависят от специфических взаимодействий функциональных групп, сближенных, в его пространственной структуре. Вследствие этого поведение этих трупп в белках коренным образом отличается от их реакционной способности в аминокислотах и небольших пептидах. Соответственно белок может функционировать, т. е. выступать в качестве фермента, структурного или транспортного белка, регулятора, токсина, ингибитора только потому, что он обладает вполне определенным пространственным строением.

В белке также, как и в пептиде аминокислоты соединены в полипептид пептидными связями, и имеется N-конец (начало) и С-конец (хвост).

Физико-химические свойства белков

Физико-химические химические свойства белков и пептидов сходны и зависят от аминокислот, входящих в их состав. Единственное отличие связано с изоэлектрическая точка определяется прежде всего группировками радикалов аминокислот, причем тех которые экспонированы на поверхность. N– и С-концевыми группировками можно пренебречь. Таким образом, свойства белка определяются радикалами аминокислот, экспонированными на поверхность.

Классификация белков

По составу белки разделяют на:

Простые. Состоят только из полипептида.

Сложные. Содержат компонент непептидной природы, называемый простетической группой. В качестве простетической группы могут выступать липиды (в липопротеидах), углеводы (в гликопротеинах), фосфаты (в фосфопротеинах), гемы (в гемопротеинах), флавиновые нуклеотиды (в флавопротеинах), ионы металлов (в металлопротеинах) и др.

По форме молекулы белки разделяют на:

1. Глобулярные – представляют собой плотную компактную структуру по форме близкую к сфере. Обычно хорошо растворимы в воде, легко диффундируют.

2. Фибриллярные – вытянутые длинные молекулы, обычно нерастворимы (кератин, миозин, коллаген). К фибриллярным белкам относятся сократительные белки мышц актин и миозин, белки микротрубочек в составе ресничек и жгутиков эукариот и т. д.

Как можно видеть, данные виды классификаций не являются удовлетворительными, так как в одном классе слишком много разнообразных белков. Более точной и наиболее используемой является классификация по функции.

По функции белки разделяют на:

Ферменты. Практически все реакции в организме – ферментативные. К настоящему времени известно более 2000 ферментов.

Транспортные белки делятся на две группы: транспортеры через мембрану и «растворимые транспортеры». К транспортерам через мембрану относят пермеазы и порины, осуществляющие пассивный транспорт, и транспортные АТФ-азы, осуществляющие активный транспорт. Система транспорта через мембрану характерна как для одноклеточных, так и у многоклеточных организмов (в основе все равно клетка). У многоклеточных организмов кроме мембранных транспортных белков, осуществляющих обмен между клеткой и окружающей средой, есть и специализированные белки, которые осуществляют транспорт веществ по кровеносной системе. Функция гемоглобина – транспорт кислорода, сывороточного альбумина – транспорт жирных кислот, гидрофобных аминокислот, стероидных гормонов и т. д.

Пищевые и запасные. Использование белков в качестве резервных невыгодно с энергетической точки зрения. Однако это необходимо для обеспечения роста потомства: белки семян, яичный белок (овальбумин), казеин молока и т. д. Эти белки являются источником аминокислот и/или других молекул, или энергии для построения собственного организма. Именно поэтому в семенах и яйцах имеется достаточный запас однородного белка, дающего как запас аминокислот для роста и развития организма, так и энергию для этого организма, но в значительно меньшей степени.

Сократительные и двигательные. Актин и миозин обеспечивают сокращения мышц высших животных. Миозин также является АТФ-азой, то есть для обеспечения работы мышц расходуется энергия гидролиза АТФ. Тубулин – белок, из которого построены микротрубочки, деин, входящий с в состав микротрубочек, обеспечивает движение ресничек, жгутиков.

Структурные. Придают прочность ткани. Коллаген, эластин – основные белки соединительной ткани, обеспечивают прочность сухожилий, связок и т. д. Волосы, ногти, когти состоят почти исключительно из белка кератина. Шелк и паутина – из белка фиброина.

Защитные. Очень разнообразная группа белков. К ним можно отнести антитела, обеспечивающие узнавание чужеродных белков и полисахаридов и запуск защитных реакций. Фибриноген и тромбин обеспечивают свертывание крови, защищая организм от кровопотери при механических повреждениях. Змеиные яды, микробные токсины – защищают от других организмов. В эту же группу можно отнести ферменты, обеспечивающие трансформацию чужеродных веществ.

Регуляторные. Репрессоры (регулируют биосинтез). Сюда же можно отнести белки-рецепторы, вмонтированные в плазматическую мембрану и служащие для преобразования различных сигналов от других клеток и органов.

Прочие. Функции белков настолько разнообразны, что некоторые из них трудно отнести к какой-то группе. Например, плазма некоторых арктических рыб содержит белки со свойствами антифриза, что позволяет им переносить отрицательные температуры.

Еще на заре современной химии белка датский биохимик К. Линдерштрем-Ланг предложил рассматривать четыре уровня организации белковой молекулы: первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры. Эта классификация закрепилась в литературе, поскольку в ней отразились реальные ступени формирования пространственного строения белковых молекул.

Первичная структура белка

Первичной структурой называют последовательность аминокислотных остатков в молекуле белка. Она кодируется структурным геном данного белка и содержит в себе все необходимое для самоорганизации его пространственной структуры. Последовательность аминокислот образуется в результате трансляции мРНК. Однако первичная структура зрелой белковой молекулы далеко не всегда полностью совпадает с непосредственным продуктом трансляции, который, как правило, подвергается более или менее существенной ко– и посттрансляционной модификации, процессингу, причем могут изменяться аминокислотные остатки, длина полипептидной цепи и т. п.

Аминокислоты в полипептиде соединены пептидной связью. Таким образом первичная структура белка образована пептидными связями. Традиционное изображение пептидной связи не вполне правильно передает ее электронную структуру. Двойная связь С=0 карбонильной группы поляризована и в определенном смысле может быть представлена как одинарная связь с разделением зарядов, причем отрицательный заряд локализуется на атоме кислорода. Изучение кристаллических структур соединений, содержащих амидную связь, показало, что расстояние С—0 в них примерно на 10% больше свойственного карбонильной группе в альдегидах и кетонах. Напротив, связь С – N за счет смещения свободной электронной пары азота к углероду приобретает в определенной мере характер двойной и укорочена опять-таки примерно на 10%. По Л. Полингу, электронная структура пептидной связи передается двумя резонансными структурами, причем на долю структуры II с двойной связью углерод – азот в гибриде приходится около 40%. В результате азот пептидной связи практически полностью утрачивает основность. Таким образом, пространственное строение полипептидной цепи может быть представлено как последовательность плоских элементов – пептидных группировок, соединяющихся между собой через С -α-атомы, которые служат своего рода шарнирами. Вращение плоских пептидных группировок может происходить вокруг двух простых связей, которые соединяют атом азота с С α -атомом (N – Со) и С– α -атом с углеродом карбонильной группы (С α – С (0)). Жестких запретов для вращения вокруг этих связей нет, однако есть некоторые предпочтительные конформации.

Рисунок 68. Первичная структура белка. Прямоугольниками отмечена пептидная связь

Последовательность аминокислот в полипептиде определяет их дальнейшее взаимодействие между собой, а, следовательно, более высокие уровни организации белка. То есть, структура и функции белковой молекулы определяются ее аминокислотной последовательностью. Следовательно, это очень важно – определять первичную структуру белка.