Пространственное строение белков и пептидов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пространственное строение белков и пептидов

Стереохимия аминокислот

белок пептид аминокислота

Все встречающиеся в белках аминокислоты (кроме пролина) могут быть изображены формулой NH2CHRCOOH, где R -- радикалы различной природы. В общем случае это соединения с асимметрическим атомом углерода, и, следовательно, каждая аминокислота может существовать в пространстве в виде двух форм -- с L- и D-конфигурацией асимметрического центра.

Принадлежность аминокислот к L- или D-ряду в случае простейших представителей (аланин, серин) доказывается прямым сведением их к соответствующему глицериновому альдегиду с помощью стереоспецифических превращений.

В состав всех белков входят только L-аминокислоты (исключение составляет оптически неактивный глицин), которые могут быть представлены в виде проекционных формул Фишера:

Принадлежность к L-ряду не обязательно связана с определенным направлением вращения плоскости поляризованного света: L-аминокислоты имеют как положительное, так и отрицательное вращение в зависимости от радикала R и условий исследования.

Противоположную конфигурацию имеют D-аминокислоты:

Остатки D-аминокислот входят в состав многих природных пептидов, прежде всего антибиотиков. В частности, в грамицидин 8 входит Б-фенилаланин, в грамицидин А -- D-валин, D-лейцин, D-триптофан, в актиномицин D -- D-изолейцин, в полимиксин -- D-серин, D-Пролин встречается в эргоалкалоидах.

Некоторые аминокислоты имеют два асимметрических углеродных атома, что обусловливает возможность существования четырех оптически активных стереомерных форм (2n, где n -- число асимметрических атомов). Эти формы проиллюстрированы на схеме для треонина и изолейцина.

Появление заместителя в пирролидиновом кольце пролина также приводит к образованию алло-форм, в которых заместитель (гидроксигруппа) и карбоксильная группа находятся в цис-положении.

При кислотном гидролизе белков получается смесь L-аминокислот, которые с помощью дробной кристаллизации или хроматографии могут быть выделены в чистом виде. Аналогично при гидролизе ряда природных пептидов (грамицидины А и S, актиномицин и т. п.) можно получить и соответствующие чистые D-аминокислоты.

Часто аминокислоты для исследовательских целей и практических нужд получают с помощью микробиологического синтеза (лизин и др.) -- тогда продуктами являются L-изомеры. Если же пользуются химическим синтезом, то обычно образуются смеси L- и D-изомеров аминокислот, т. е. рацематы. Для их разделения используются различные приемы. Одним из наиболее распространенных является избирательный гидролиз ферментами (ацилазами, эстеразами и т. п.) N-ацетил-D,L-аминокислот или соответствующих сложных эфиров D,L-аминокислот; в этом случае расщеплению подвергается лишь L-форма и, таким образом, в растворе образуются свободные L-аминокислоты, которые легко отделяются от стабильных по отношению к ферментативному гидролизу производных D-аминокислот.

Другим приемом является образование солей D, L-аминокислот с оптически активными агентами, например алкалоидами бруцином и стрихнином, а также другими оптически активными аминами, производящимися в промышленных масштабах (амфетамин и др.). В силу различной растворимости соответствующих диастереомерных солей (D,L и L,L) они разделяются путем кристаллизации или дробного осаждения и при последующем разложении кислотами образуют оптически чистые L- и D-аминокислоты. Эти методы, ранее широко применявшиеся в лаборатории, постепенно утрачивают свое значение. В производственных условиях для разделения рацемических аминокислот все шире используются хроматография на оптически активных адсорбентах и иммобилизованные ферменты.

Пептидная связь

Главной структурной единицей белков и пептидов является пептидная (амидная) связь --СО--NH--. Согласно современным представлениям, пептидная связь в белках является практически плоской, ее основные параметры приведены на рисунке. В обычных условиях наблюдаются лишь небольшие отклонения от плоской системы (до 5 -- 10°); большие деформации возможны в напряженных циклических системах. Пептидная связь примерно на 10% короче обычной, простой С--N и имеет характер «частично двойной» связи --С=N--. При изучении этой проблемы Л. Полинг и Р. Кори, анализировавшие методом рентгеноструктурного анализа ряд модельных ди- и трипептидов, предложили в 1948 -- 1955 гг. объяснять особую природу связи С--N «резонансом» между двумя формами пептидной связи а и б.

Другими словами, в белках и пептидах связь С--N является частично кратной (как это показано структурой в) из-за взаимодействия неподеленной пары электронов атома азота с р-электронной системой карбонильной группы, что приводит к затрудненному вращению вокруг связи С--N (барьер вращения составляет 63 -- 84 кДж/моль).

Обычно пептидная связь имеет транс-конфигурацию, т. е. является транспланарной (рис. 33, а). В напряженных циклических системах (некоторые циклопептиды, производные пролина и т. п.), а также при большом размере заместителей у атома азота в N-алкилированных производных пептидная связь может существовать в плоской цис-форме (рис. 33,б). Цис- и транс-пептидные связи можно различить с помощью физических методов (ИК-, ЯМР- спектроскопии и др.). В белках пептидная связь практически всегда имеет транс-конфигурацию.

Валентные углы и длины связей (в нм) в транс- и цис-пептидных связях (а и б соответственно)

Рассмотрим теперь фрагмент пептидной цепи, включающий две плоские пептидные связи с подвижным (своего рода шарнирным) сочленением в точке, где находится асимметрический углеродный атом (рис. 34).

Определение двугранных углов в полипептидной цепи

В этом звене пептидной цепи повороты возможны вокруг двух простых связей N--Сб и Сб--С', примыкающих к асимметрическому атому. Согласно принятой номенклатуре, такие повороты измеряются двугранными углами ц(N--Сб) и ш(Сб--С'); нередко используются также углы щ (вращение вокруг пептидных связей С'--N), а также ч1 и ч2 др. (вращение вокруг связей Сб--Св, Св--Сг и т. д.). В качестве нулевой точки отсчета принимается конформация (рис. 35), в которой ц = ш = щ = 0° (заслоненное расположение остатков основной пептидной цепи). Направление отсчета углов -- положительных (до + 180°) и отрицательных (до -- 180°) -- на рисунке 35 показано стрелками.

Легко понять, что любые конформации пептидной цепи могут быть описаны набором значений углов ц и ш у каждого из Сб-атомов (обычно щ = 180°); другими словами, знание таких значений для всех пептидных звеньев эквивалентно полной информации о пространственном строении основной цепи белка и пептида.

Графически конформационные параметры полипептидной цепи удобно изображать с помощью карт, предложенных Г. Рамачандраном в 1963 г. («карты Рамачандрана») и отражающих зависимость энергии остатка от параметров ц и ш (рис. 36). Значения углов ц и ш откладываются по осям координат от -180° до +180°. В силу взаимодействия между заместителями в пептидной цепи углы ц и ш не могут принимать любые значения -- для них разрешенными оказываются лишь некоторые дискретные области (выделенные на карте темным цветом), которые соответствуют энергетически выгодным конформациям пептидной цепи, т. е., по существу, являются областями минимума энергии. Их достаточно компактная локализация свидетельствует о том, что углы ц и ш взаимосвязаны, изменение одного из них влечет изменение второго. Например, если угол ш приобретает значение в интервале 60 -- 120°, то для угла ц энергетически выгодным оказывается значение, не превышающее -- 60°.

Конформации пептидной цепи, отвечающие нулевым значениям углов ц, ш и щ (черные стрелки указывают направление взгляда наблюдателя)

Невалентные взаимодействия в пептидной цепи

Пространственная структура белков и пептидов в основном определяется невалентными взаимодействиями между различными атомами. К их числу относятся ван-дер-ваальсовые, электростатические, или ионные, ион-дипольные и диполь-дипольные, гидрофобные, торсионные взаимодействия и водородные связи.

Разрешенные области для двугранных углов основной цепи.

Водородные связи, как правило, образуются между подвижным атомом водорода (--ОН,--NН,--SН) и гетероатомом, чаще всего атомом кислорода. Водородная связь имеет донорно-акцепторную природу, т. е. она образуется с участием неподеленной электронной пары гетероатома (донор электронов); акцептором электронов является атом водорода. Наибольшее значение для формирования пространственной структуры белков имеют водородные связи между СО- и NН-группами пептидного остова.

В неполярном окружении энергия водородной связи СО...НN составляет около 16,7 кДж/моль, а повышение полярности среды снижает эту энергию.

Помимо указанных, возможны и водородные связи с участием функциональных групп боковых цепей, например:

Труднее объяснить гидрофобные взаимодействия. По существу, такие взаимодействия, имеющие энтропийную природу, связаны с тем, что неполярные заместители выталкиваются из воды и стремятся ограничить свой контакт с водой; напротив, вода стремится восстановить свое структурированное состояние и как бы принудительно группирует заместители в кластеры, обладающие минимумом энергии. В такого рода «взаимодействия» вступают в основном неполярные боковые группы аминокислотных остатков.

Ван-дер-ваальсовые взаимодействия, описываемые потенциалом Ленард-Джонса, складываются из дисперсионных сил притяжения атомов и сил взаимного отталкивания их электронных оболочек. Как видно из рисунка, наиболее выгодным является расстояние Rm, равное или близкое сумме эффективных радиусов взаимодействующих атомов.

Потенциал Ленард-Джонса (минимуму потенциала отвечает расстоянию Rm и энергия притяжения Еm)

Энергетический вклад каждого контакта невелик (<0,42 кДж/моль), но ввиду их большого числа ван-дер-ваальсовые взаимодействия дают основной вклад в суммарную энергию внутримолекулярных невалентных взаимодействий.

Ионные, или электростатические, взаимодействия представляют собой взаимодействия заряженных групп. При этом, как известно, одноименно заряженные группы отталкиваются, а разноименно заряженные притягиваются. К ним относятся, в частности, взаимодействия ионогенных групп, образующих солевые связи.

Энергия солевых связей в гидрофобном окружении может достигать 41,9 кДж/моль, но их число в белках сравнительно невелико. Повышение диэлектрической постоянной среды понижает энергию солевых связей. Во многом аналогичны электростатическим ион-дипольные и диполь-дипольные взаимодействия.

Наконец, торсионные взаимодействия характеризуют «скрученность» ординарной связи. В частности, поворот какой-либо группировки вокруг ординарной связи может нарушать электронную структуру этой связи и вызывать своего рода «тормозную» реакцию. Торсионные силы относительно слабы, но при анализе поворотов вокруг связей С--С, С--N в боковых цепях аминокислотных остатков их нельзя не учитывать.

Реализуемая в данных условиях конформация белка и пептида определяется суммой всех перечисленных взаимодействий и является энергетически наиболее выгодной, что и отражается «попаданием» соответствующих углов в разрешенные области конформационных «карт Рамачандрана».

Размещено на Allbest.ru