Структурная биохимия - Учебное пособие - Е. А. Бессолицына 2015

Аминокислоты и белки

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 рКа α -карбоксильной группы заметно выше, чем в аминокислотах, и составляет, например, для аланил-аланина 3,12 (ср. с рКа 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: рКа 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.