Между чем образуется пептидная связь. Каким образом формируются пептидные цепочки и другие элементы аминокислот. Строение пептидной связи

Аминокислоты в полипептидной цепи связаны амидной связью, которая образуется между α-карбоксильной группой одной и α-аминогруппой следующей аминокислоты (рис. 1). Образующаяся между аминокислотами ковалентная связь получила название пептидной связи. Атомы кислорода и водорода пептидной группы при этом занимают трансположение.

Рис. 1. Схема образования пептидной связи. В каждом белке или пептиде можно выделить: N-конец белка или пептида, имеющий свободную а-аминогруппу (-NH 2);

С-конец, имеющий свободную карбоксильную группу (-СООН);

Пептидный остов белков, состоящий из повторяющихся фрагментов: -NH-СН-СО- ; Радикалы аминокислот (боковые цепи) (R 1 и R 2) - вариабельные группы.

Сокращенная запись полипептидной цепи, так же как и синтез белка в клетках, обязательно начинается с N-конца и заканчивается С-концом:

Названия аминокислот, включенных в пептид и образующих пептидную связь, имеют окончания -ил. Например, трипептид, приведенный выше, называется треонил-гистидил-пролин.

Единственной вариабельной частью, отличающей один белок от всех остальных, является сочетание радикалов (боковых цепей) аминокислот, входящих в него. Таким образом, индивидуальные свойства и функции белка обусловлены структурой и порядком чередования аминокислот в полипептидной цепи.

Полипептидные цепи разных белков организма могут включать от нескольких аминокислот до сотен и тысяч аминокислотных остатков. Их молекулярная масса (мол. масса) также колеблется в широких пределах. Так, гормон вазопрессин состоит из 9 аминокислот, мол. масса 1070 кД; инсулин - из 51 аминокислоты (в 2 цепях), мол. масса 5733 кД; лизоцим - из 129 аминокислот (1 цепь), мол. масса 13 930 кД; гемоглобин - из 574 аминокислот (4 цепи), мол. масса 64 500 кД; коллаген (тропоколлаген) - примерно из 1000 аминокислот (3 цепи), мол. масса ~130 000 кД.

Свойства и функция белка зависят от структуры и порядка чередования аминокислот в цепи, изменение аминокислотного состава может их сильно изменить. Так, 2 гормона задней доли гипофиза - окситоцин и вазопрессин - являются нанопептидами и отличаются 2 аминокислотами из 9 (в положении 3 и 8):

Основной биологический эффект окситоцина заключается в стимуляции сокращения гладкой мускулатуры матки при родах, а вазопрессин вызывает реабсорбцию воды в почечных канальцах (антидиуретический гормон) и обладает сосудосуживающим свойством. Таким образом, несмотря на большое структурное сходство, физиологическая активность этих пептидов и ткани-мишени, на которые они действуют, отличаются, т.е. замена всего 2 из 9 аминокислот вызывает существенное изменение функции пептида.

Иногда совсем небольшое изменение структуры крупного белка вызывает подавление его активности. Так, фермент алкогольдегидрогеназа, расщепляющий этанол в печени человека, состоит из 500 аминокислот (в 4 цепях). Активность его у жителей Азиатского региона (Япония, Китай и др.) намного ниже, чем у жителей Европы. Это связано с тем, что в полипептидной цепи фермента происходит замена глутаминовой кислоты на лизин в положении 487.

Взаимодействиями между радикалами аминокислот играют большое значение в стабилизации пространственной структуры белков, можно выделить 4 типа химических связей: гидрофобная, водородная, ионная, дисульфидная.

Гидрофобные связи возникают между неполярными гидрофобными радикалами (рис. 2). Они играют ведущую роль в формировании третичной структуры белковой молекулы.

Рис. 2. Гидрофобные взаимодействия между радикалами

Водородные связи - образуются между полярными (гидрофильными) незаряженными группами радикалов, имеющими подвижный атом водорода, и группами с электроотрицательным атомом (-О или -N-) (рис. 3).

Ионные связи образуются между полярными (гидрофильными) ионогенными радикалами, имеющими противоположно заряженные группы (рис. 4).

Рис. 3. Водородные связи между радикалами аминокислот

Рис. 4. Ионная связь между радикалами лизина и аспарагиновой кислоты (А) и примеры ионных взаимодействий (Б)

Дисульфидная связь - ковалентная, образуется двумя сульфгидрильными (тиольными) группами радикалов цистеина, находящимися в разных местах полипептидной цепи (рис. 5). Встречается в таких белках, как инсулин, инсулиновый рецептор, иммуноглобулины и др.

Дисульфидные связи стабилизируют пространственную структуру одной полипептидной цепи или связывают между собой 2 цепи (например, цепи А и В гормона инсулина) (рис. 6).

Рис. 5. Образование дисульфидной связи.

Рис. 6. Дисульфидные связи в молекуле инсулина. Дисульфидные связи: между остатками цистеина одной цепи А (а), между цепями А и В (б). Цифры - положение аминокислот в полипептидных цепях.

α-Аминокислоты могут ковалентно связы-ваться друг с другом с помощью пептидных свя-зей . Карбоксильная группа одной аминокислоты ковалентно связывается с аминогруппой другой аминокислоты. При этом возникает R-CO-NH -R связь, называемая пептидной связью. При этом происходит отщепление мо-лекулы воды.

При помощи пептидных связей из аминокислот образуются белки и пептиды. Пептиды, содержащие до 10 аминокислот, называют олигопептиды . Час-то в названии таких молекул указывают количе-ство входящих в состав олигопептида аминокис-лот: трипептид, пентапептид, октапептид и т.д. Пептиды, содержащие более 10 аминокислот, называют «полипептиды », а полипептиды, состоя-щие из более чем 50 аминокислотных остатков, обычно называют белками. Мономеры аминокислот, входящих в состав бел-ков, называют «аминокислотные остатки». Амино-кислотный остаток, имеющий свободную амино-группу, называется N-концевым и пишется слева, а имеющий свободную C-карбоксильную груп-пу — С-концевым и пишется справа. Пептиды пи-шутся и читаются с N-конца.

Связь между α-углеродным атомом и α-аминогруппой или α-карбоксильной группой спо-собна к свободным вращениям (хотя ограниче-на размером и характером радикалов), что позволяет полипептидной цепи принимать раз-личные конфигурации.

Пептидные связи обычно расположены в транс-конфигурации, т.е. α-углеродные атомы располагаются по разные стороны от пептид-ной связи. В результате боковые радикалы ами-нокислот находятся на наиболее удалённом рас-стоянии друг от друга в пространстве. Пептидные связи очень прочны и являются ковалентными .

В организме человека вырабатывается мно-жество пептидов, участвующих в регуляции раз-личных биологических процессов и обладающих высокой физиологической активностью. Такими являются целый ряд гормонов - окситоцин (9 аминокислотных остатков), вазопрессин (9), брадикинин (9) регулирующий тонус сосудов, тиреолиберин (3), антибиотики - грамицидин, пептиды, обладающие обезболивающим дей-ствием (энкефалины (5) и эндорфины и другие опиоидные пептиды). Обезболивающий эф-фект этих пептидов в сотни раз превосходит анальгезирующий эффект морфина;

Окситоцин выделяется в кровь во время корм-ления ребёнка, вызывает сокращение миоэпителиальных клеток протоков молочных желёз и стимулирует выделение молока. Кроме того, окситоцин влияет на гладкую мускулатуру мат-ки во время родов, вызывая её сокращение.

В отличие от окситоцина, основное физио-логическое действие вазопрессина — увеличе-ние реабсорбции воды в почках при уменьше-нии АД или объёма крови (поэтому другое название этого гормона — антидиуретический). Кроме того, вазопрессин вызывает сужение сосудов .

Различают 4 уровня структурной организации белков, называемых первичной, вторичной, третичной и четвертич-ной структурами. Существуют общие правила, по которым идёт формирование про-странственных структур белков.

Первичная структура белка - это ковалентная структура остова полипептидной цепи - линейная последовательность аминокислотных остатков, соединенных друг с другом пептидными связями. Первичная структура каждого индивидуально-го белка закодирована в участке ДНК, называе-мом геном. В процессе синтеза белка информа-ция, находящаяся в гене, сначала переписывается на мРНК, а затем, используя мРНК в качестве матрицы, на рибосоме происходит сборка пер-вичной структуры белка. Каждый из 50 000 индивидуальных белков организма человека имеет уникальную для дан-ного белка первичную структуру.

Инсулин является первым белком, первичная структура которого была расшифрована. Инсулин — белковый гормон; содержит 51 аминокислоту, состоит из двух полипептидных цепей (цепь А содержит 21 аминокислоту, цепь В — 30 аминокислот). Инсулин синтезируется в β-клетках поджелудочной железы и секретируется в кровь в ответ на повышение концентра-ции глюкозы в крови. В структуре инсулина имеются 2 дисульфидные связи, соединяющие 2 полипептидные цепи А и В, и 1 дисульфидная связь внутри цепи А

Вторичная структура белков- это конформация полипептидной цепи, т.е. способ скручивания цепи в пространстве за счет водородных связей между группами -NH и -СО. Существует два основных способа укладки цепи — α-спираль и β-структура .

α -Спираль

Вданном типе структуры пептидный остов закручивается в виде спирали за счёт образова-ния водородных связей между атомами кисло-рода карбонильных групп и атомами водорода ами-ногрупп, входящих в состав пептидных групп через 4 аминокислотных остатка. Водородные связи ориентированы вдоль оси спирали. На один виток α-спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка.

В образовании водородных связей участвуют практически все атомы кислорода и водорода пеп-тидных групп. В результате α-спираль «стягива-ется» множеством водородных связей. Несмотря на то, что данные связи относят к разряду сла-бых, их количество обеспечивает максимально возможную стабильность α-спирали. Так как все гидрофильные группы пептидного остова обыч-но участвуют в образовании водородных связей, гидрофильность (т.е. способность образовывать водородные связи с водой) α-спиралей уменьша-ется, а их гидрофобность увеличивается.

α-Спиральная структура — наиболее устой-чивая конформация пептидного остова, отве-чающая минимуму свободной энергии. В резуль-тате образования α-спиралей полипептидная цепь укорачивается, но если создать условия для разрыва водородных связей, полипептидная цепь вновь удлинится.

Радикалы аминокислот находятся на наружной стороне α -спирали и направлены от пептидного остова в стороны. Они не участвуют в образовании водородных связей, характерных для вторич-ной структуры, но некоторые из них могут нару-шать формирование α-спирали.

К ним относятся:

Пролин. Его атом азота входит в состав жёс-ткого кольца, что исключает возможность вращения вокруг -N-CH- связи. Кроме того, у атома азота пролина, образующего пептид-ную связь с другой аминокислотой, нет ато-ма водорода. В результате пролин не спосо-бен образовать водородную связь в данном месте пептидного остова, и α-спиральная структура нарушается. Обычно в этом месте пептидной цепи возникает петля или изгиб;

Участки, где последовательно расположены несколько одинаково заряженных радика-лов, между которыми возникают электро-статические силы отталкивания;

Участки с близко расположенными объём-ными радикалами, механически нарушаю-щими формирование а-спирали, например метионин, триптофан.

β -Структура

β-Структура формируется за счёт образования множества водородных связей между атомами пептидных групп линейных областей одной полипептидной цепи, делающей изгибы, или между раз-ными полипептидными цепями , β-Структура образует фигуру, подобную листу, сложенному «гармошкой», — β-складчатый слой.

Складчатый слой фиброина шелка: зигзагообразные антипараллельные складки.

Когда водородные связи образуются между атомами пептидного остова различных полипеп-тидных цепей, их называют межцепочечными связями. Водородные связи, возникающие меж-ду линейными участками внутри одной полипеп-тидной цепи, называют внутрицепочечными. В β-структурах водородные связи расположены перпендикулярно полипептидной цепи.

Третичная структура белков — трёхмерная про-странственная структура, образующаяся за счёт взаимодействий между радикалами аминокислот, которые могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга в полипептидной цепи.

Третичная структура свернутой полипептиднойцепи стабилизируется рядом взаимодействий между радикалами аминокислот: это гидрофобные взаимодействия, электростатическое притяжение, водородные связи, а также дисульфидные -S-S- связи.

Гидрофильные радикалы аминокислот стре-мятся образовать водородные связи с водой и поэтому в основном располагаются на поверх-ности белковой молекулы.

Все гидрофильные группы радикалов амино-кислот, оказавшиеся внутри гидрофобного ядра, взаимодействуют друг с другом с помощью ион-ных и водородных связей.

Типы связей, возникающих между радикалами аминокислот при формировании третичной структуры белка. 1 — ионные связи; 2 — водородные связи; 3 — гидро-фобные связи; 4 — дисульфидные связи.

Ионные связи (электростатическое притяжение)могут возникать между от-рицательно заряженными (анионными) карбоксильными группами радикалов аспарагиновой и глутаминовой кислот и по-ложительно заряженными (катионными) группами радикалов лизина, аргинина или гистидина.

Водородные связи возникают между гидро-фильными незаряженными группами (таки-ми как -ОН, -CONH 2 , SH-группы) и любы-ми другими гидрофильными группами. Третичную структуру некоторых белков ста-билизируют дисульфидные связи, образующие-ся за счёт взаимодействия SH-групп двух остатков цистеина. Эти два остатка цистеина могут находиться далеко друг от друга в линейной первичной структуре белка, но при формиро-вании третичной структуры они сближаются и образуют прочное ковалентное связывание ра-дикалов.

Большинство внутриклеточных белков лише-но дисульфидных связей. Однако такие связи распространены в белках, секретируемых клет-кой во внеклеточное пространство. Полагают, что эти ковалентные связи стабилизируют кон-формацию белков вне клетки и предотвращают их денатурацию. К таким белкам относят гор-мон инсулин и иммуноглобулины.

Четвертичная структура белков. Многие белки содержат в своём составе толь-ко одну полипептидную цепь. Такие белки на-зывают мономерами. К мономерным относят и белки, состоящие из нескольких цепей, но соединённых ковалентно, например дисульфидными связями (поэтому инсулин следует рассматривать как мономерный белок).

В то же время существуют белки, состоя-щие из двух и более полипептидных цепей. После формирования трёхмерной структуры каждой полипептидной цепи они объединя-ются с помощью тех же слабых взаимодей-ствий, которые участвовали в образовании третичной структуры: гидрофобных, ионных, водородных.

Способ упаковки двух или более отдельных глобулярных белков в молекуле является четвертичной структурой белка.

Отдельные поли-пептидные цепи в таком белке носят название мономеров, или субъединиц. Белок, содержа-щий в своём составе несколько мономеров, называют олигомерным. Олигомерные глобулярные белки обычно имеют крупные размеры и часто выполняют в ферментативных комплексах регуляторные функции.

Поддержание характерной для белка конформации возможно благодаря возникновению множества слабых связей между различными участками полипептидной цепи. Конформация белка может меняться при изменении химических и физических свойств среды, а также при взаи-модействии белка с другими молекулами. При этом происходит изменение пространственной структуры не только участка, контактирующего с другой молекулой, но и конформации белка в целом.

Конформационные изменения играют огромную роль в функционировании белков в живой клетке. Разрыв большого количества слабых связей в молекуле белка под воздействием органических растворителей, ультразвука, температуры, pH ,и т.д. приводит к разрушению её нативной конформации. Развертывание цепей без разрушения их ковалентных связей называется денатурацией . Такой белок биологически неактивен . При денатурации белков не происходит разрыва пептидных связей, т.е. первичная структура белка не нарушается, однако его функция утрачивается.

Пептиды – это природные или синтетические соединения, молекулы которых построены из остатков аминокислот, соединенных между собой пептидными (пептидный мостик), по своей сути, амидными связями.

Молекулы пептидов могут содержать неаминокислотную компоненту. Пептиды, имеющие до 10 аминокислотных остатков, называются олигопептидами (дипептиды, трипептиды и т.д.) Пептиды, содержащие более 10 до 60 аминокислотных остатков, относят к полипептидам . Природные полипептиды с молекуляроной массой более 6000 дальтон называют белками.

Номенклатура

Аминокислотный остаток пептида, который несет -аминогруппу, называют N -концевым , несущий свободную -карбоксильную группу – С-концевым. Название пептида состоит из перечисления тривиальных названий аминокислот, начиная с N-концевой. При этом суффикс «ин» меняется на «ил» для всех аминокислот, кроме С-концевой.

Примеры

Глицилаланин или Gly-Ala

б) аланил-серил-аспаргил-фенилаланил-глицин

или Ala – Ser – Asp – Phe – Gly. Здесь аланин N-концевая аминокислота, а глутамин – С-концевая аминокислота.

Классификация пептидов

1. Гомомерные – при гидролизе образуются только аминокислоты.

2. Гетеромерные – при гидролизе кроме -аминокислот, образуются неаминокислотные компоненты, например:

а) гликопептиды;

б) нуклеопептиды;

в) фосфопептиды.

Пептиды могут быть линейными или циклическими. Пептиды, в которых связи между аминокислотными остатками только амидные (пептидные), называются гомодетными. Если, кроме амидной группы, имеются сложноэфирные, дисульфидные группы пептиды называются гетеродетным. Гетеродетные пептиды, содержащие гидроксиаминокислоты называются пептолидами. Пептиды, состоящие из одной аминокислоты называются гомополиаминокислотами. Те пептиды, которые содержат одинаковые повторяющиеся участки (из одного или нескольких аминокислотных остатков), называют регулярными. Гетеромерные и гетеродетные пептиды называются депсипептидами .

Строение пептидной связи

В амидах связь углерод-азот является частично двоесвязанной вследствие р,-сопряжения НПЭ атома азота и -связи карбонила (длина связи С-N: в амидах - 0,132 нм, в аминах - 0,147 нм), поэтому амидная группа является плоской и имеет транс-конфигурацию. Таким образом, пептидная цепь представляет собой чередование плоских фрагментов амидной группы и фрагментов углеводородных радикалов соответствующих аминокислот. В последних вращение вокруг простых связей незатруднено, следствием этого является образование различных конформеров. Длинные цепи пептидов образуют -спирали и β-структуры (аналогично белкам).

Синтез пептидов

В процессе синтеза пептида должна образоваться пептидная связь между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминной группой другой аминокислоты. Из двух аминокислот возможно образование двух дипептидов:

Приведённые выше схемы являются формальными. Для синтеза, например, глицилаланина, необходимо провести соответствующие модификации исходных аминокислот (в данном пособии этот синтез не рассматривается).

Каждый человек «выстроен» из белков. Независимо от пола, возраста или расы. А структурной единицей всех белков являются аминокислоты, соединенные между собой особым видом связей. Она настолько важна, что даже получила отдельное название — пептидная связь.

Ассоциации аминокислот могут называться по-разному в зависимости от того, сколько «кирпичиков» входит в их состав. Если вместе собрались не более 10 аминокислот, то это пептиды, если от 10 до 40, то речь идет о полипептиде, а если кирпичиков-аминокислот больше сорока, то это белок, структурная единица нашего организма.

Если говорить о теории, то строение пептидной связи — это соединение между собой α-аминогруппы (–NH 2) одной аминокислоты и α-карбоксильной (–СООН) группы другой. Подобные реакции соединения сопровождаются выделением молекул воды. Именно по такому принципу построены все белки, а значит, и каждый человек.

Если говорить о всей природе целиком, то в ней встречается около 300 аминокислот. Однако белки состоят всего из 20 α-аминокислот. И несмотря на такое их небольшое количество, белки есть разные, что обусловлено различным порядком соединения аминокислот в них.

Свойства самих аминокислот обуславливаются радикалом R. Он может быть и остатком жирной кислоты, и включать в себя ароматическое кольцо или гетероциклы. В зависимости от того, аминокислоты с какими радикалами образовали белок, он и будет показывать определенные физические свойства, а также химические свойства и физиологические функции, которые он будет выполнять в теле человека.

Свойства пептидной связи

Свойства пептидной связи и обуславливают ее уникальность. Среди них можно назвать:

Нужно сказать, что из всех аминокислот, нужных нам для жизни, одни вполне успешно синтезируются самим нашим организмом.

По одной из классификаций они называются заменимыми аминокислотами. А есть также 8 других, которые не могут возникнуть в теле человека никаким другим путем, кроме как с пищей. И третья группа совсем небольшая, всего 3 наименования: аргинин, гистидин и тирозин. Они в принципе образуются у нас, но количество настолько мало, что без помощи извне не обойтись никак. Их прозвали частично незаменимыми. Интересным является тот факт, что растения все эти аминокислоты вырабатывают сами.

Роль белков в организме

Какой бы орган или ткань в своем теле вы не назвали, он будет образован из белка. Они входят и в состав сердца, и крови, и мышц, и почек. У людей их около пяти миллионов различных видов, а по массе это будет выражаться в 15-20%.

Ни один из процессов у человека не проходит без участия протеинов. Это и обменные процессы, и переваривание пищи, и энергетические процессы. При помощи самых разнообразных белков также сможет должным образом защищать организм иммунитет, а также углеводы, жиры, витамины и микроэлементы будут усваиваться у человека так, как нужно.

Белки в нашем теле постоянно находятся «в движении». Одни из них распадаются на кирпичики-аминокислоты, другие из этих же кирпичиков образуются, формируя структуру органов и тканей. При употреблении пищи стоит учитывать, что важен не только сам факт употребления, а качественная характеристика продуктов. Большая часть аминокислот, главным образом поступившая с «неправильной» едой, попросту выведется из нас, не задерживаясь. А если будет таким образом утеряно много особо важных белков, таких как, к примеру, инсулин или гемоглобин, то потери со стороны здоровья могут быть непоправимыми.

Некоторые выбирают модные диеты, основанные на недостаточном потреблении белковой пищи. Прежде всего при этом начинает плохо усваиваться кальций. А это значит, что кости приобретают хрупкость, начнется процесс атрофии мышечной ткани. Затем, что особенно неприятно для девушек, начинает шелушиться кожа, ногти постоянно обламываются, а волосы выпадают клоками.

Аминокислоты способны соединяться между собой связями, которые называются пептидными , при этом образуется полимерная молекула. Если количество аминокислот не превышает 10, то новое соединение называется пептид ; если от 10 до 40 аминокислот – полипептид , если более 40 аминокислот – белок .

Пептидная связь – это связь между α-карбоксильной группой одной аминокислоты и α-аминогруппой другой аминокислоты.

Образование пептидной связи

При необходимости назвать пептид ко всем названиям аминокислот добавляют суффикс "-ил", только последняя аминокислота сохраняет свое название неизменным. Например, аланил -серил -триптофан или γ-глутаминил -цистеинил -глици н (по-другому называемый глутатион ).

К свойствам пептидной связи относятся:

1. Копланарность

Все атомы, входящие в пептидную группу находятся в одной плоскости, при этом атомы "Н" и "О" расположены по разные стороны от пептидной связи.

2.Транс-положение заместителей

Радикалы аминокислот по отношению к оси пептидной C-N -связи находятся по "разные" стороны, в транс-положении.

3. Две равнозначные формы

Пептидная связь находится в кетоформе и енольной форме.

4. Способность к образованию водородных связей.

Атомы кислорода и водорода, входящие в пептидную группу, обладают способностью образовывать водородные связи с атомами кислорода и водорода других пептидных групп.

5. Пептидная связь имеет частично характер двойной связи.

Длина пептидной связи меньше, чем одинарной связи, она является жесткой структурой, и вращение вокруг нее затруднено. Но так как, кроме пептидной, в белке есть и другие связи, цепочка аминокислот способна вращаться вокруг основной оси, что придает белкам различную конформацию (пространственное расположение атомов).