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 білківназивають просторове розташування (просторове укладання)атомів основного поліпептидного, ланцюга. Розрізняють два типи вто­ринної структури білків α-спіральі 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 білкавластива 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, окситоцинута 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: