19. Полипептиды и белки

Определения и обозначения

Аминокислотный остаток — часть молекулы аминокислоты, входящая в цепь после отщепления воды. В готовом полипептиде это уже не свободная аминокислота, а звено общей цепи. Понятие нужно, чтобы правильно считать состав и массу пептида.

Пептидная связь — связь −CO−NH−, возникающая между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой. В её образовании участвуют карбонильный фрагмент −CO− и атом азота. По таким фрагментам в формуле находят места соединения остатков.

Полипептид — цепь из большого числа аминокислотных остатков, соединённых пептидными связями. У цепи есть порядок звеньев и два разных конца. Это понятие описывает химическое строение молекулы, даже если её биологическая функция ещё не установлена.

Белок — природный полипептид или комплекс полипептидных цепей со специфической структурой и биологическими функциями. Для белка важны не только состав и длина цепи, но и её пространственная форма. Именно поэтому белки могут быть ферментами, транспортными веществами или строительными компонентами клеток.

Как это устроено

Аминокислоты соединяются реакцией конденсации: карбоксильная группа одной частицы взаимодействует с аминогруппой другой. Гидроксильная группа −OH берётся от карбоксильной группы, а атом водорода — от аминогруппы, поэтому образуется H₂O. Оставшиеся фрагменты соединяются связью −CO−NH−, которую и называют пептидной.

Порядок аминокислотных остатков образует первичную структуру полипептида. Его записывают от N-конца со свободной аминогруппой к C-концу со свободной карбоксильной группой. Изменение порядка даже одинаковых остатков даёт другую молекулу, потому что меняются её участки взаимодействия и последующее сворачивание.

Одна цепь не остаётся вытянутой: между её участками возникают взаимодействия, и молекула принимает более устойчивую форму. Выделяют вторичную структуру, например спираль или складчатый слой, третичную структуру всей цепи и четвертичную структуру комплекса нескольких цепей. Пространственная организация возникает из-за водородных, ионных, дисульфидных и других взаимодействий между фрагментами молекулы.

Строение определяет свойства белка: участки с полярными группами влияют на растворимость, а точная форма обеспечивает специфичность действия. Белки обычно имеют очень большую относительную молекулярную массу и сложный состав. При нагревании, изменении кислотности или действии солей они могут денатурировать, то есть терять пространственную организацию.

При обратимой денатурации первичная структура сохраняется, а после устранения воздействия цепь иногда возвращается к исходной форме. Необратимое разрушение сопровождается стойкой потерей правильной структуры и свойств, например при сильном нагревании. Гидролиз идёт с участием воды и разрывает пептидные связи, поэтому длинная цепь последовательно превращается в более короткие пептиды и аминокислоты.

Сравнение полипептидов и белков

Таблица помогает отделить химическое описание цепи от описания природной функциональной молекулы. В отдельных случаях один и тот же объект можно рассматривать и как полипептид, и как белок, если он имеет биологическую функцию и устойчивую пространственную организацию.

Сравнивать нужно сразу несколько признаков: состава недостаточно, поскольку одинаковое число остатков ещё не показывает, будет ли молекула белком.

Разбор задач

Задача 1. Пептидная связь и число остатков

Условие: по структурной формуле пептида нужно указать пептидные связи и определить число аминокислотных остатков. Пусть в формуле видны фрагменты −CO−NH−, соединяющие три звена цепи. Решение строится по повторяющемуся фрагменту, а не по числу всех атомов.

1. Находим в цепи каждый фрагмент −CO−NH−.
2. Обводим его как одну пептидную связь, не принимая за неё обычную связь C−N вне карбонильной группы.
3. Для линейной цепи считаем остатки: три остатка соединены двумя связями.

Ответ: пептидные связи — фрагменты −CO−NH−; в рассмотренной цепи три аминокислотных остатка. Для замкнутой или разветвлённой структуры правило нужно применять с учётом её строения.

Задача 2. Образование дипептида

Условие: составить уравнение образования дипептида из глицина NH₂−CH₂−COOH и аланина NH₂−CH(CH₃)−COOH. Название продукта зависит от того, какая аминокислота записана слева и чья аминогруппа остаётся свободной. Поэтому сначала выбираем направление цепи.

1. Берём карбоксильную группу глицина и аминогруппу аланина.
2. Удаляем OH от карбоксильной группы и H от аминогруппы, получая H₂O.
3. Записываем цепь от свободной аминогруппы: NH₂−CH(CH₃)−CO−NH−CH₂−COOH.

Уравнение: NH₂−CH₂−COOH + NH₂−CH(CH₃)−COOH → NH₂−CH(CH₃)−CO−NH−CH₂−COOH + H₂O. Продукт — аланилглицин, потому что аланиновый остаток расположен со стороны N-конца.

Задача 3. Состав и относительная молекулярная масса

Условие: в пептиде известны формулы или относительные массы аминокислотных остатков, требуется найти состав и Mr. Сначала устанавливаем, какие остатки входят в цепь и сколько их, а затем учитываем воду, выделившуюся при соединении.

1. Перечисляем все остатки и складываем их относительные массы.
2. Для n остатков определяем число связей: n − 1.
3. Вычитаем 18(n − 1), если складывались массы свободных аминокислот: Mr(пептида) = ΣMr(аминокислот) − 18(n − 1).

Ответ: состав получают подсчётом остатков, а молекулярную массу — вычитанием массы образовавшейся воды. Если в условии уже даны массы остатков, воду повторно вычитать нельзя: тогда достаточно сложить указанные массы.

Типичные ошибки

Пептидную связь путают с обычной C−N-связью. Ошибка возникает, если не смотреть на соседние группы. Проверка: рядом должны быть фрагменты карбонильной группы −CO− и −NH−.

Число молекул воды считают равным числу остатков. При соединении цепи вода выделяется на каждую новую связь, поэтому для n остатков её молекул n − 1. Полезно сначала посчитать пептидные связи.

Последовательность принимают за пространственную форму. Два пептида с одинаковым набором остатков, но разным порядком являются разными молекулами. Нужно отдельно определить первичную структуру и способ сворачивания.

Денатурацией называют разрушение первичной структуры. Обычно при ней нарушаются вторичная, третичная или четвертичная структуры, а пептидный каркас сохраняется. Если разорваны пептидные связи, речь уже идёт о химическом разрушении или гидролизе.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны строение аминокислот, аминогруппа, карбоксильная группа и реакции конденсации. Связь с органической химией проявляется в изучении функциональных групп, образования сложных молекул и гидролиза. Дальше эти знания понадобятся при изучении ферментов, наследственной информации, питания и качественных реакций на белки.

Что запомнить

• Белки построены из аминокислотных остатков.
• Аминокислотные остатки соединяются пептидными связями.
• При образовании одной пептидной связи отщепляется одна молекула воды.
• Последовательность остатков образует первичную структуру белка.
• Пространственная структура определяет свойства и функции белка.
• Денатурация изменяет пространственную структуру белка.
• Гидролиз пептидных связей приводит к образованию пептидов и аминокислот.