Пептиды, белки

Пояснительная записка

Курс биологической химии является теоретической основой любой пищевой технологии. Методическая разработка предназначена в помощь студентам заочной формы обучения для подготовки к экзамену и выполнения контрольной работы, а также студентам очного отделения для контроля самостоятельной работы.

На современной этапе развития биологической химии достигнуты значительные успехи в области понимания молекулярных механизмов генетических процессов, изучения синтеза, структуры и функций белков и нуклеиновых кислот – главных молекул всего живого. В методической разработке рассматриваются биологически важные соединения - пептиды, белки, нуклеиновые кислоты, их строение, свойства, основные процессы с их участием и их механизмы.

Разработка включает теоретический материал и методические рекомендации по решению упражнений и задач по следующим разделам программы дисциплины «Биологическая химия»:

1. Пептиды (строение, номенклатура, изомерия), белки.

2. Международная классификация ферментов.

3. Нуклеиновые кислоты (химические состав, строение).

4. Генетические процессы с участием нуклеиновых кислот и их закономерности (репликация ДНК, транскрипция ДНК, трансляция наследственной информации (биосинтез белка)).

5. Идентификация биологически важных соединений.

ПЕПТИДЫ, БЕЛКИ

Пептиды управляют жизненными функциями любого организма. Роль пептидов в процессах жизнедеятельности крайне многообразна. Многие из них служат гормонами (окситоцин, вазопрессин, гастрин, глюкагон, инсулин и др.), некоторые представлены сильнейшими ядами (яды змей, жаб, улиток, пауков, насекомых, высших грибов, микроорганизмов), мощными антибиотиками (пептиды микробов), ризилинг-факторами (способствуют синтезу и высвобождению гормонов), регуляторами клеточного деления, переносчиками молекул и ионов через биологические мембраны, регуляторами психической деятельности (способны вызывать радость и страх, гнев и удовольствие, могут ослаблять или усиливать боль, улучшать или ухудшать память), регуляторами физиологического состояния (могут влиять на чувство голода, работу сердца, сосудов и др.).

В настоящее время насчитывается более 50 классов пептидов. Пептиды образуются в самых различных тканях человека. Интерес к ним объясним, так как их избыток или недостаток лежит в основе многих заболеваний. У здорового человека баланс пептидов поддерживается с высокой точностью.

Значительное число природных пептидов синтезировано; кроме того, получены сотни аналогов, некоторые из которых обладают более сильным биологическим действием, нежели их природные предшественники. И те, и другие находят широкое практическое применение в медицинской практике, широко используются в пищевых технологиях в качестве вкусовых добавок – заменителей сахара (например, аспартам).

Структурными элементами пептидов и белков являются остатки α-аминокислот. Пептидами называют соединения, построенные из небольшого числа молекул α-аминокислот, а системы, состоящие из множества соединенных между собой пептидных звеньев, называют полипептидами. Условно принято, что пептиды содержат от двух до 50 аминокислотных остатков, полипептиды – не более 100; если же их число превышает 100, то это белки. Остатки α-аминокислот во все перечисленных соединениях связаны между собой ковалентными пептидными связями (– CO – NH –).

В состав белков входит 20 протеиногенных α-аминокислот (табл. 1). Протеиногенными называют α-аминокислоты, которые постоянно встречаются в природных белках, кодируются генетическим кодом и включаются белки в процессе их биосинтеза – трансляции.

Таблица 1

Протеиногенные α-аминокислоты

Алифатические

Серосодержащие

глицин (гли)

аланин (ала)

валин* (вал)

лейцин* (лей)

изолейцин* (иле)

цистеин (цис)

метионин* (мет)

│ H

│ CH3

│ H3C – CH │ CH3

│ CH2 │ H3C – CH │ CH3

│ CH – CH3 │ CH2 │ CH3

│ CH2 │ SH

│ (CH2)2 │ S │ CH3

Ароматические

Иминокислоты

Нейтральные

фениналанин* (фен)

тирозин (тир)

триптофан* (три)

пролин (про)

серин (сер)

треонин* (тре)

│ CH2 │

│ CH2 │ │ OH

│ CH2 │ │ H

COOH │ CH / \ HN CH2 \ / H2C – CH2

│ CH2 │ OH

│ CH – OH │ CH3

* незаменимые кислоты

Нейтральные

Кислые

Основные

аспарагин (асн)

глутамин (глн)

аспараги-новая к-та (асп)

глутаминовая к-та (глу)

гистидин (гис)

лизин* (лиз)

аргинин (арг)

│ CH2 │ CONH2

│ CH2 │ CH2 │ CONH2

│ CH2 │ COO -

│ (CH2)2 │ COO -

│ CH2 │ N ║ ║ N │ H

│ (CH2)4 │ NH3 +

│ (CH2)3 │ NH │ C / \\ H3N NH2 + +

Все протеиногенные аминокислоты характеризуются общей структурной особенностью – наличием карбоксильной группы (– COOH) и аминогруппы (– NH₂), которые связанны с одним и тем же атомом углерода, находящимся в α-положении по отношению к карбоксильной группе:

α

H₂N – CH – COOH

│

R

Различаются же аминокислоты только боковыми цепями (R-группами), которые у разных аминокислот неодинаковы по структуре.

Образование пептидов можно условно показать на примере межмолекулярного взаимодействия двух любых аминокислот друг с другом. При этом из двух молекул аминокислот образуется дипептид, из трех – трипептид и т.д. (для того, чтобы понять закономерность связывания остатков аминокислот в пептидах и белках, необходимо записать общий структурный блок аминокислот, а боковые цепи, связанные с α-углеродным атомом, убрать вниз).

Межмолекулярное взаимодействие α-аминокислот осуществляется по типу реакции поликонденсации (образование пептидных связей (– CONH –) сопровождается выделением низкомолекулярного вещества – воды):

α α α α

H₂N–CH₂–COOH+H NH–CH–COOH → H₂N–CH₂ –CO –NH –CH –COOH→

│ -H₂O │

CH₃ дипептид CH₃

H₂N–CH₂–COOH

H₂N–CH₂ –CO–NH–CH–CO –NH–CH₂ – COOH и т.д.

-H₂O │

CH₃

трипептид

Исключение: в образовании пептидной связи у пролина (иминокислота) принимает участие α-иминогруппа, в этом случае пептидная связь будет – CO – N –:

α α

H₂N –CH–CO OH + H N –CH–COOH H₂N–CH – CO – N – CH – COOH

| / \ -H₂O | / \

CH₃ H₂C CH₂ CH₃ H₂C CH₂

\ / \ /

CH₂ CH₂

Таким образом, характерной особенностью строения полипептидной цепи является наличие монотонно повторяющихся –NH–CH–CO– фрагмен-

|

тов, которые образую скелет, или остов молекулы. Полипептидная цепь является структурной основой белков.

В действительности синтез пептидов и полипептидов из аминокислот – очень сложный процесс (в клетках они синтезируются в процессе трансляции на рибосомах).

Протеиногенные аминокислоты способны включаться в пептиды, полипептиды и белки в процессе их биосинтеза в различных комбинациях и последовательностях (в соответствии с генетической информацией), в результате образуются пептиды, полипептиды и белки, обладающие совершенно разными свойствами и биологической активностью. Подсчитано, что из 20 аминокислот можно получить 2,4·10¹⁸ различных комбинаций, т.е. изомеров, но ведь это очень короткий полипептид! Сколько же может существовать аминокислотных последовательностей?

Дипептид, состоящий их двух разных аминокислот – А и В, в зависимости от порядка их расположения, может иметь две изомерные формы: АВ и ВА. Трипептид, состоящий из трех различных аминокислот – А, В и С, может существовать в шести, отличающихся по последовательности, вариантах: АВС, АСВ, ВАС, ВСА, САВ, и СВА. Число возможных изомеров по последовательностям аминокислот, при условии отсутствия повторов, можно рассчитать по формуле «эн факториала»: n! = n (n–1)(n–2) и т.д., где n – число аминокислот. Например, трипептид из трех разных аминокислот может иметь 3! = 3 (3–1)(3–2) = 6 различных изомеров. Для полипептида из 10 различных аминокислот, ни одна из которых не повторяется в нем дважды, число изомеров составит 10! = 10 · 9 · 8 · 7 · 6 · 5 · 4 · 3 · 2 ·1, что дает в результате цифру равную 3628800.

Сколько различных дипептидов может существовать при условии, что любая из двух аминокислот (А и В) может занимать любое из двух возможных положений, причем каждую аминокислоту можно использовать более одного раза?

Дипептид может иметь следующие изомерные формы: АВ, ВА, АА, ВВ. Отсюда следует, что число возможных изомеров в этом случае можно рассчитать по формуле: Аⁿ: где n – число возможных повторов, А – общее количество аминокислот, т.е. в приведенном примере число возможных изомеров дипептида будет: 2² = 4.

Следовательно, 20 протеиногенных аминокислот при условии их повторов дают достаточное количество разнообразных белков, которое обеспечивает существование на нашей планете не только известных ныне биологических видов (более 10 млн.), но и предусматривает возможность возникновения в ходе биологической эволюции новых видов организмов.