пам), окисления и восстановления (по HS- и SS-группировкам), алкилиро-

вания, ацилирования и этерификации (по NH2-, ОН-, НО —^_и СООН-

группам), амидирования (по СООН-группам), нитрования и галогенирования (по ароматическим ядрам), дезаминирования посредством азотистой кислоты (по NH2-rpynnaM), фосфорилирования и сульфатирования (по ОН-группам), сочетания с диазосоединениями (по ароматическим и гетероциклическим

Рис. 20. Водородные связи в структуре а-глигоша

Каждая водородная связь показана пунктирной линией, атом кислорода О, в верхней группе молекул глицина экранирован атомом азота. Расстояния между атомами даны

в нанометрах

Рис. 19. Строение молекулы глицина в структуре а-глицина

Эта модификация глицина возникает в процессе его кристаллизации из воды при медленном испарении последней; расстояния между атомами даны в нанометрах

43

ядрам) и т. п. Все эти химические процессы являются основой для химической изменчивости белковых препаратов, при обработке их соответствующими реагентами. Некоторые из указанных реакций протекают в живых организмах (солеобразование, окисление, восстановление, ацилирование, этерификация, амидирование, фосфорилирование).

Физические свойства радикалов аминокислот также весьма разнообразны. Это касается прежде всего длины радикалов и их объема (табл. 5).

Таблица S

Характеристика радикалов аминокислот

Аминокислота Длина, нм Объем, нм3 Аминокислота Длина, нм Объем, нм3

Глицин 0,15 0,0051 Треонин 0,40 0,0631

Алании 0,28 0,0322 Цистеин 0,43 0,0579

Валин 0,40 0,0863 Метионин 0,69 0,1121

Лейцин 0,53 0,1134 Аргинин 0,88 0,1257

Изолейцин 0,53 0,1134 , Лизин 0,77 0,1210

Аспаргиновая кислота 0,50 0,0584 Гистидин 0,65 0,0890

Пгутаминовая кислота 0,63 0,0855 Тирозин ' 0,77 0,1388

Серии 0,38 0,0360 Фенил ал анин 0,69 0,1366

Триптофан 0,81 0,1755

От длины, объема и взаиморасположения радикалов аминокислот, составляющих белковую молекулу, зависят объем, форма и рельеф поверхности белковой частицы. Радикалы гли, ала, вал, лей, иле, фен итри неполярны, а остальных аминокислот—полярны в той или иной мере. Это определяет степень растворимости белков в различных растворителях. Таким образом, разнообразие радикалов аминокислот по химической природе и физическим свойствам тесно связано с полифункциональностью и специфическими особенностями белковых тел. Именно эти свойства выделяют белки из ряда других природных биополимеров и наряду с другими особыми их качествами (биокаталитическая активность, образование сложных комплексов с другими биополимерами, способность образовывать надмолекулярные структуры, денатурация и ренатурация, динамические переходы между глобулярным и фибриллярным состоянием, неисчерпаемое разнообразие и вместе с тем высокая специфичность структуры молекул и т. п.) обеспечивают им роль материальной основы жизненных процессов.

Если по качественному составу все разнообразие структурных элементов белковой молекулы укладывается в основном в 18 перечисленных выше ос-аминокислот, то общее количество аминокислотных остатков в белковой молекуле изменяется в широких пределах. Принимая среднюю молекулярную массу аминокислотного остатка равной 115, легко подсчитать коэффициент поликонденсации аминокислот при образовании белковой молекулы. Так, для белка с М= 17000 он будет равен (17000:115) примерно 148, для белка с М=44000—примерно 380 и т. п.

Таким образом, одни и те же 18 аминокислот и два амида—аспарагин и глутамин—многократно повторяются в белковой молекуле, причем каждая в разной пропорции (табл. 6).

Длительное время считали, что максимальная длина полипептидной цепи ограничена примерно тысячью аминокислотных остатков, как, например, у ДНК-полимераз и аминоацил-тРНК-синтетаз, обладающих молекулярной массой около 100 тыс. Да. Однако в течение последнего десятилетия ситуация резко изменилась: была расшифрована первичная структура Р- и Р'-субъединиц ДНК-зависимой и РНК-полимеразы из 1342 и 1407 (Ю. А. Овчинников и др.,

44

., 1981), фактора VIII свертывания крови из 2332 (Г. Вехар и др., 1984) и субъединицы тиреоглобулина из 2750 (М. Люк, 1985) аминокислотных остатков в единой полипептидной цепи. Но и это не предел: недавно выяснена (М. Koenig et al., 1988) последовательность 3685 аминокислотных остатков в дистрофине—палочковидном мембранном белке цитоскелета мышечных клеток человека. Таким образом, некоторые белки оказались поистине гигантскими полипептидами. Вместе с тем длина непрерывной полипептидной цепи у подавляющего большинства белков колеблется от нескольких десятков до нескольких сотен аминокислотных звеньев, даже если их М намного превышает 100 тыс. Да: они составлены из полипептидных цепей (субъединиц) сравнительно небольших размеров.

В настоящее время детально изучены качественный состав и количественное содержание аминокислот у многих сотен белков. Сопоставление этих данных позволило установить некоторые закономерности. Как правило, такие аминокислоты, как лей, лиз, асп и глу, содержатся в белках в значительных (10—15%) количествах. Наоборот, доля три, цис и гис редко превышает 1,5—2%. Содержание остальных аминокислот колеблется обычно между приведенными выше крайними величинами. Иле в белках почти всегда меньше, чем лей; в таких же соотношениях находится содержание в белках гис и арг, тре и сер, а также асп и глу.

Таблица 6

Аминокислотный состав некоторых белков (А—процентное содержание аминокислоты, Б—число аминокислотных остатков в молекуле)

Аминокислота Миоглобин человека Пепсин Альбумин яичный Гемоглобин человека А Б А Б А Б А Б

Алании 5,7 12 4,5 18 6,7 35 9,0 72

Глицин 6,3 15 8,1 38 3,1 19 4,2 40

алия 5,3 7 7,1 21 7,1 28 10,3 62

Лейцин 12,2 17 10,4 27 9,2 32 14,0 72

Изолейцин 5,0 8 10,0 28 7,0 25 0 0

Пролин 4,0 5 4,9 15 3,6 14 4,8 28

Фенилаланин 6,2 7 6,7 14 7,7 21 7,3 30

Тирозин 2,4 2 9,4 18 3,7 9 2,9 12

Триптофан 3,6 2 3,5 6 1,2 3 1,9 6

Серия 4,6 7 13,2 44 8,2 36 4,4 32

Треонин 2,9 4 9,5 28 4,0 16 5,2 32

Цистин . 0 0 — — 0,5 2 0 0

Цистеин 0 0 1,5 4 . 1,4 5 1,0 6

Метионин 2,5 3 2,1 5 5,2 16 1,2 6

Аргинин 2,7 2 1,0- 2 5,7 15 3,3 12

Гйстидин 8,2 9 0,5 1 2,4 7 8,8 38

Лизин 16,1 20 0,4 1 6,3 20 9,6 44

Аспарагиновая кислота 9,2 8 16,6 44 9,3 , 32 9,6 30

Глутаминовая кислота 17,3 14 11,3 27 16,5 52 6,6 24

Аспарагин — 3 ' — — — — — 20

Глутамин — 7 — — — — — 8

Итого: 115,3 153 120,7 341 108,8 387 105,0 574

Примечание. Цистив, отмеченный в таблице, возникает в белке при взаимодействии двух остатков цистеина с образованием дисульфидного мостика (см. ниже) и не рассматривается как самостоятельная белковая аминокислота.

45

Приведенные выше закономерности касаются белков с полным набором аминокислот. Необходимо иметь в виду, что некоторые белки характеризуются совершенно специфическим аминокислотным составом. Так, например, сальмин—протамин из молок семги, на 85,2% состоит из арг, на 9,1%—из сер и в небольших количествах содержит ала, гли, вал, им и про. Фиброин шелка тутового шелкопряда содержит (в %) 29,7 ала, 43,6 гли, 12,8 тир, 16,2 сер, тогда как процентное содержание 11 других аминокислот незначительно.

Свойства того или иного белка в значительной мере определяются набором и соотношением в нем аминокислот. Некоторые из таких зависимостей известны. Так, изоэлектрическая точка белка (см. табл. 3), т. е. рН среды, при котором отсутствует перенос белка в электрическом поле, зависит от соотношения катионных и анионных групп. Сравнительная оценка изоэлектриче-ских точек 300 белков показала, что их распределение подчиняется почти симметричной одновершинной кривой с пиком при рН 4,5. Это свидетельствует о том, что у большинства природных белков дикарбоновые аминокислоты преобладают над диаминокислотами, сообщая белкам суммарный отрицательный заряд. Высокое содержание про, гли и асп в белке способствует его хорошей растворимости в спирте; большое число полярных групп в молекуле белка приводит к появлению эластичности и т. п.

ПЕПТИДЫ

Одним из важных химических свойств ос-аминокислот, зависящим от одновременного присутствия в молекуле аминной и карбоксильной групп, является их способность в определенных условиях образовывать пептиды. Схема этого процесса, протекающего по типу реакции поликонденсации, такова:

H2N—СН—COOH+H2N—СН—COOH-*H2N—СН—СО—NH—СН—COOH+H20

I I II

СНз CHj СНз СН2

I I

SH SH

Алании Цистеин АланилЦистеин

(аинептид)

В действительности в организме процесс идет много сложнее. При изучении обмена белков эта реакция будет рассмотрена детально. Указанная реакция образования пептидов из аминокислот имеет большое значение для понимания химического строения белковых тел.

В результате реакции поликонденсации аминокислот можно получить соединения, составленные из многих аминокислотных остатков с очень высокими молекулярными массами. Такие соединения называют полипептидами, а —СО—NH-группировки в них—пептидными группами или пептидными связями. Пептиды могут быть получены также при неполном гидролизе белков.

Так как аминокислоты в составе пептидов находятся в форме ацилов, то в названии пептида им придается характерное для ацилов окончание -ил. Название концевой аминокислоты со свободной карбоксильной группой оставляют без изменений. Наименование пептида начинают с аминокислоты, сохранившей свободную ос-аминогрутшу.

Термин пептиды сейчас утратил свое первоначальное значение, так как когда-то под пептидами понимали конечные продукты переваривания белков,

46

¦CHj—t—О—СО—NH-CH—соон + ci-сн,—

| I-----

СН3 R X

БОК-аминокислота \f X лорметилированный

V полимер

сн, 1 _

^-о-со-кн-сн-со-о-сн.-О-МИ

сн3-

I i

СН3 R

БОК-аминоацилполимер

СН VI

¦I 2 Снятие зашиты С HjN-группы

СНз-С +С02. I аминокислоты

-А

снз н2к-сн-со-о-сн2нОЬ^Я

Изобутилен

СНз Аминоацилполимер

СН3—С—"С

CF Б( СН3

СН3

БОК-аминокислота

I

Присоединение БОК-аминОкислоты по освободившейся аминогруппе

СНз—С—О—СО—NH—СН—СО—NH—СН-СО—О—СН2-^^^ОЛИМЕР?

СН3

СН

R' R

БОК -пептидил-полимер

НВг

. сн3—с + С02 „ ы

* I ¦^^^ Снятие защиты с HjN-группы,

?н3

Изобутилен H2N—СН—СО—NH—СН—СООН

отщепление пептида

R' R Дипептид

Рис. 21. Схема твердофазного синтеза пептидов и белков

т. е. по существу—аминокислоты. Поэтому логично было продукты переваривания, составленные из двух аминокислотных остатков (пептидов), называть дипептидами, а из многих—полипептидами. Гораздо точнее пептиды именовать гетерополиаминокислотами, т. е. соединениями, составленными из того или иного числа различных аминокислот. Однако термин пептиды прочно вошел в химию белков, но в новом значении.

В лабораторных условиях пептиды могут быть получены разнообразными методами, общей чертой которых является обязательная защита в одной из реагирующих аминокислот аминной, а в другой—карбоксильной группы, с тем чтобы они могли вступить в реакцию конденсации только лишь по оставшейся свободной (или активированной в результате присоединения химического реагента) карбоксильной (СООН-) или аминной (NH2-) группе. Наибольшую известность приобрел метод твердофазного синтеза пептидов, предложенный Р. Меррифилдом (рис. 21). СООН-группу исходной аминокислоты здесь защищают присоединением к полимеру, а NHj-группу присоединяемой

47

аминокислоты—трет-изобутилоксикарбонильным (БОК) радикалом. Метод поддается автоматизации, и на его основе создан автоматический синтезатор, при посредстве которого синтезируют не только пептиды, но и белки.

Из природных источников выделено несколько сотен индивидуальных пептидов и во многих случаях детально изучены их строение, свойства и биологическая активность. Приведем несколько примеров.

Глутатион (у-глутамилцистеинилглицин, у-глу-цис-гли)—один из наиболее широко распространенных внутриклеточных Пептидов, принимающий участие в окислительно-восстановительных процессах в клетках и переносе аминокислот через биологические мембраны:

НООС—СН—СН2—СН2—СО—NH—СН—СО—NH—сн2—соон

1 I ^—•-'

NH2 СН2_SH Остаток глицина

Остаток глутаминовой Остаток цистеина

кислоты

Глутатион открыт Ф. Гопкинсом в 1921 г. Он представляет собой кристаллический порошок с = 190—192° С. Из раствора в 0,5 н. H2S04 выпадает в виде нерастворимого меркаптида меди при добавлении Cu20.

Приведенная выше формула соответствует так называемому восстановленному глутатиону (HS-глутатиону). В клетке наряду с восстановленной формой глутатиона всегда присутствует окисленная форма (SS-глутатион), переходящая в восстановленную при посредстве фермента-глутатионредуктазы:

НООС—СН2—NH

I

со

I -2H

2 СН—CH2SH *±

+ 2H

NH2 NH

I I

СН—(CH2)2— со

I

соон

HS-Глутатион (восстановленная, сулъфгидрильвая форма)

НООС—CH2—NH NH—CH2—COOH

I I

СО со

I I

сн—сн2—S—S—сн2—сн

I I

NH2 NH NH NH2

II II

CH— (CH2)2—CO СО—(СН2)2—сн

I I

СООН соон

SS-Глутатион (окисленная, дисульфщдаая форма)

Офтальмовая кислота (у-глутамил-а-аминобутирилглицин)—антагонист глутатиона, столь же широко распространена в природе, как и сам глутатион:

4S

НООС—СН—(CH2)2—CO—NH—СН—CO—NH—сн2—соон

I I ^-*-'

j^jjl qu Остаток глицина

1---К-;-' I 2

Остаток глутаминовои ^Apj

кислоты "i--'

Остаток а-амино-

масляной кислоты

Офтальмовая кислота

Присутствуя в клетках в ничтожных количествах, составляющих от 0,1 до 0,001 концентрации глутатиона, офтальмовая кислота действует как ингибитор в процессах, идущих с участием глутатиона.

Карнозин (Р-аланилгистидин; ^-ала-гис)—пептид, содержащийся в мышцах животных:

H,N—СН,—СНг—CO-NH—СН—СООН

Остаток р-»мнмн«

СН,

I

С-N

II П

НС сн

\ /

N I

Н

Остаток гктидннд

. Кариомн

Он препятствует накоплению и устраняет продукты перекисного окисления липидов, участвует в поддержании буферной емкости мышечного сока, ускоряет процесс распада углеводов в мышцах и в виде фосфата вовлекается в энергетический обмен в мышце. Впервые выделил карнозин из мышечной ткани и выяснил его строение В. С. Гулевич.

Роль пептидов в процессах жизнедеятельности крайне многообразна. Многие из них служат гормонами (см. гл. XII), некоторые представлены сильнейшими ядами (яды змей, жаб, улиток, пауков, насекомых, высших грибов, микробов), мощными антибиотиками, рилизинг-факторами (способствуют синтезу и высвобождению гормонов), регуляторами клеточного деления, переносчиками молекул и ионов через биологические мембраны, регуляторами психической деятельности. Значительное число природных пептидов синтезировано; кроме того, искусственным путем получены сотни их аналогов, некоторые из которых обладают более сильным биологическим действием, нежели их натуральные предшест