Будова пептидів і білків

Внаслідок взаємодії аміно- та карбоксильних груп α-амінокислоти здатні до поліконденсації. Поліаміди, котрі утворюються при цьо­му, називають пептидами:

Амідний зв'язок (— CONH—) між двома а-амінокислотними фрагментами називається пептидним зв'язком. Атом вуглецю пептидної групи знаходиться в sp²-гібридизованому стані. Неподілена пара електронів атома азоту вступає в спряження з π-електронами карбонільної групи, в результаті чого подвійний зв'язок С=О дещо подовжується (124 нм замість 121 нм у звичайного зв'язку), а зв'язок С —N дещо вкорочується (132 нм замість 147 нм), і, відповідно, набу­ває в значній мірі характеру подвійного зв'язку, обертання навколо котрого утруднене. Таким чином, електронна будова зумовлює жорстку площинну структуру пептидної групи.

Наявність пептидного зв'язку в молекулах пептидів і білків під­тверджується біуретовою реакцією: при взаємодії з лужним розчином сульфату міді утворюється фіолетове забарвлення (див. кн. 2, с 459).

У залежності від кількості амінокислотних залишків у ланцюзі пеп­тиди поділяють на ди-, три-, тетрапептиди і т.д. Пептиди з молеку­лярною масою меншою ніж 10000 умовно відносять до поліпептидів, а з більшою ніж 10000—до білків. Тому між білками та пептидами важко провести чітку межу, проте білки мають складнішу структуру.

Незважаючи на величезне різноманіття білків і пептидів у природі будова їх поліпептидного (поліамідного) ланцюга однакова. Він скла­дається з пептидних (CONH) і метинових (СН) груп, які чергуються. На одному кінці ланцюга знаходиться амінокислота з вільною аміно­групою (N-кінцева амінокислота), а на іншому — амінокислота з вільною карбоксильною групою (С-кінцева амінокислота). Пептидні та білкові ланцюги прийнято записувати так, щоб N-кінцева аміно­кислота знаходилася ліворуч, а С-кінцева амінокислота праворуч:

Назви пептидів утворюються шляхом послідовного перелічування всіх амінокислот, починаючи з N-кінцевої амінокислоти, причому назви амінокислот, крім останньої, набувають суфікса -ил (-іл). За цією ж послідовністю пишуть також скорочені позначення:

Визначену послідовність α-амінокислот, які входять у певний поліпептидний ланцюг, називають первинною структурою пептиду або білка. Зміна амінокислотної послідовності призводить до порушення або зникнення біологічної активності білка. Білки відрізняють­ся від пептидів складнішим рівнем структури. В структурній організації білків, крім пер­винної, розрізняють вторин­ну, третинну та четвертинну структури.

Вторинною структурою білків називають просторове розташування (просторове укладання)атомів основного поліпептидного, ланцюга. Розрізняють два типи вто­ринної структури білків α-спіраль і складчасту β-структуру.

α-Спіраль має просто­рову форму, подібну до правозакручених гвинтових східців (рис. 6.2). Оскільки вона побудована зі фраг­ментів, які повторюються (-NH-C^α-CO), то розміри її доволі постійні. На один виток спіралі припадає при­близно 3,6 амінокислотного залишку, що відповідає лінійній відстані вздовж вісі спіралі 0,54 нм. Діаметр спі­ралі дорівнює 0,5 нм. Крок спіралі (відстань між одна­ковими атомами) становить 0,15 нм.

У формуванні спіральної структури основну роль виконують вод­неві зв'язки, котрі утворюються між групами С=О та NH, розділени­ми трьома амінокислотними залишками. Водневі зв'язки майже пара­лельні вісі спіралі, а оскільки в утворенні водневого зв'язку бере участь кожна група С=О та NH α-спіралі, то це робить конформацію вельми стійкою.

Найчастіше поліпептидні ланцюги в білках спіралізуються не пов­ністю. Наприклад, залишки проліну та оксипроліну не містять атомів водню в пептидній групі, та, відповідно, не беруть участі в утворенні водневих зв'язків: поліпептидний ланцюг на цих ділянках просто зіг­нутий. Ізопропільна група валіну також створює стеричні перешкоди для спіралізації.

Іншим типом вторинної структури є так звана складчаста β-структура, в якій окремі поліпептидні ланцюги в зигзагоподібній конформації укладені паралельно один одному та зв'язані між собою численними водневими зв'язками. Якщо поліпептидні ланцюги мають однаковий напрямок від N- до С-кінця, то утворюється паралельна складчаста β-структура, а якщо протилежний антипаралельна (рис. 6.3). У β-структурі бокові групи амінокислотних залишків знахо­дяться вище та нижче умовної площини, проведеної крізь структуру.

Поліпептидний ланцюг, що має той або інший тип вторинної структури, здатний певним чином скручуватись у просторі, що і виз­начає третинну структуру білка, тобто загальну форму поліпептидного ланцюга. Третинна структура, крім водневих зв'язків, стабілізуєть­ся іонними (між додатковими карбоксильними і аміногрупами) та ковалентними (дисульфідні містки в цистині) зв'язками, а також гідрофобною взаємодією (ван-дер-ваальсові сили притягання між неполярними боковими групами амінокислотних залишків).

Третинна структура білків формується також під впливом водно­го середовища клітини, що пов'язане зі здатністю води гідрату вати деякі гідрофільні бокові групи амінокислотних залишків і зміщувати всередину білкової молекули гідрофобні групи.

Четвертинна структура білка властива макромолекулам, до складу яких входять декілька поліпептидних ланцюгів (субодиниць), сполучених між собою нековалентними зв'язками.

Для виявлення пептидом специфічних функцій в організмі не­обхідно відтворити лише його первинну структуру, а у випадку білка відтворити всі його конформаційні особливості.

Окреме місце у розвитку хімії білків займає визначення поліпептидної структури гормонів вазопресину, окситоцину та інсуліну. В 1953 р. американський біохімік В. дю Віньо розшифрував будову гормонів гіпофізу окситоцину та вазопресину. Ним установлено, що спільним структурним елементом цих гормонів є пептид з дев'яти амінокислотних залишків з дисульфідним зв'язком між четвертим і дев'ятим з них. Ці гормони відрізняються лише двома амінокислот­ними фрагментами: замість лейцину та ізолейцину в окситоцині (а) вазопресин (б) містить аргінін і фенілаланін:

При цьому окситоцин викликає скорочення гладкої мускулатури, зокрема матки, а вазопресин підтримує баланс рідини в організмі.

Десять років (1943-1953 pp.) знадобилося англійському біохіміку Ф.Сенгеру для розшифрування структури гормону підшлункової за­лози інсуліну. Ним установлено, що молекула інсуліну складається з двох поліпептидних ланцюгів, сполучених між собою дисульфідними містками: А-ланцюг містить 21 амінокислотний залишок і додат­ковий дисульфідний зв'язок, завдяки котрому інсулін у просторі утво­рює петлю, а Б-ланцюг – 30 залишків (рис. 6.4).

У 1963-1964 pp. було синтезовано обидва поліпептидні ланцюги інсуліну. Інсулін різних видів тварин і людини відрізняється за будо­вою. Ці структурні розбіжності припадають на ділянку 8-10 ланцюга А. Інсулін регулює вміст глюкози в крові, нестача його в організмі викликає цукровий діабет.

До поліпептидів відносяться деякі широко застосовувані антибіо­тики, наприклад, граміцидин С— циклічний декапептид, використо­вуваний для лікування захворювань, викликаних стрептококами, пневмококами та ін. До складу граміцидину С, крім амінокислотних залишків L -ряду, входять два залишки D -фенілаланіну: