25.1. Первичная структура

Определения и обозначения

Первичная структура белка — строго определённая последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Она показывает, в каком порядке соединены части аминокислот. Этот порядок служит исходной схемой, по которой белок формирует свою пространственную форму.

Аминокислотный остаток — фрагмент аминокислоты, вошедший в полипептид после образования пептидной связи. Он отличается от свободной аминокислоты тем, что часть её атомов участвует в соединении с соседним остатком. Понятие остатка помогает описывать состав уже собранной цепи.

Пептидная связь — связь между карбоксильной группой одного аминокислотного остатка и аминогруппой другого, образующаяся с выделением воды. Её характерный фрагмент записывают как –CO–NH–. Именно такими связями остатки удерживаются вместе в цепи.

Полипептидная цепь — последовательность аминокислотных остатков, соединённых пептидными связями. У неё есть направление: от N-конца со свободной аминогруппой к C-концу со свободной карбоксильной группой. Это направление необходимо учитывать при чтении и записи структуры.

Как это устроено

Первичная структура формируется, когда аминокислоты соединяются в реакции конденсации. Карбоксильная группа одной аминокислоты взаимодействует с аминогруппой другой, а их части образуют молекулу воды. Оставшиеся фрагменты соединяются связью –CO–NH–, поэтому продукт содержит аминокислотные остатки, а не отдельные свободные аминокислоты.

Последовательность принято читать от N-конца к C-концу, потому что у цепи есть два химически разных края. На N-конце сохраняется свободная аминогруппа, а на C-конце — свободная карбоксильная группа. Если поменять направление записи, порядок остатков изменится, поэтому получится не та же структура, а другая.

Фрагмент –CO–NH– повторяется вдоль полипептида и образует его остов — основную непрерывную часть цепи. Боковые части остатков отличаются у разных аминокислот и придают цепи её химические особенности. Поэтому запись только названий остатков описывает порядок, но не означает, что все участки молекулы одинаковы.

В линейной цепи каждое соединение связывает соседнюю пару остатков. Если остатков n, то пар соседей и пептидных связей будет n − 1: один остаток находится в начале, а каждый следующий добавляет одну связь. На концах остаются свободные аминогруппа и карбоксильная группа, если они не участвовали в дополнительных превращениях.

Последовательность остатков задаётся генетической информацией клетки. Она определяет, какие боковые группы будут находиться рядом и как участки цепи смогут взаимодействовать при сворачивании. Поэтому первичная структура служит основой для формирования более высоких уровней организации белка и влияет на его свойства.

Элементы первичной структуры полипептида

Пользуйся таблицей как ключом к условным записям: сначала найди направление, затем прочитай обозначения остатков и связей. Если известны только названия аминокислот, число связей в линейной цепи можно проверить по правилу n − 1. Концевые группы помогают убедиться, что последовательность прочитана в правильном направлении.

Разбор задач

Задача 1. По записи H₂N–Gly–Ala–COOH определите N-концевой и C-концевой остатки, число аминокислотных остатков и пептидных связей. Сначала проследите направление от свободной аминогруппы к свободной карбоксильной группе. Затем примените правило для линейной цепи.

1. Слева стоит H₂N–, значит, запись начинается с N-конца. Первым остатком является Gly, а последним, у группы –COOH, — Ala.
2. В последовательности перечислены Gly и Ala, то есть два аминокислотных остатка. Число пептидных связей равно 2 − 1 = 1.

Ответ: N-концевой остаток — Gly, C-концевой — Ala; два остатка и одна пептидная связь. Порядок нельзя менять местами, поскольку он является частью структуры. Свободные группы на концах помогают проверить ответ.

Задача 2. Запишите образование дипептида из глицина и аланина, укажите выделяющуюся молекулу воды и изобразите пептидную связь. Глицин имеет строение H₂N–CH₂–COOH, аланин — H₂N–CH(CH₃)–COOH. Считайте, что карбоксильная группа глицина соединяется с аминогруппой аланина.

1. Выделите у глицина фрагмент –COOH, а у аланина — фрагмент –NH₂. При конденсации OH из карбоксильной группы и H из аминогруппы образуют H₂O.
2. Соедините оставшийся карбонильный углерод глицина с азотом аланина. Получается запись H₂N–CH₂–CO–NH–CH(CH₃)–COOH, где –CO–NH– — пептидная связь.
3. Поставьте воду среди продуктов реакции: H₂N–CH₂–COOH + H₂N–CH(CH₃)–COOH → H₂N–CH₂–CO–NH–CH(CH₃)–COOH + H₂O.

Ответ: образуется дипептид Gly–Ala и одна молекула воды. В продукте сохраняются свободные группы на концах цепи. Если поменять порядок аминокислот, образуется дипептид с другой последовательностью.

Задача 3. Для пептида H₂N–Gly–Ala–Ser–COOH определите число пептидных связей и свободных функциональных групп, затем составьте молекулярную формулу. Используйте формулы глицина C₂H₅NO₂, аланина C₃H₇NO₂ и серина C₃H₇NO₃. Учитывайте, что каждая пептидная связь образуется с отщеплением воды.

1. В цепи три остатка, поэтому связей между ними 3 − 1 = 2. На концах находятся свободные аминогруппа и карбоксильная группа; у боковой цепи серина также есть гидроксильная группа.
2. Сложите формулы аминокислот: C₂H₅NO₂ + C₃H₇NO₂ + C₃H₇NO₃ = C₈H₁₉N₃O₇. На две связи отщепляются 2H₂O, то есть всего H₄O₂.
3. Вычтите эти атомы из суммы: C₈H₁₉N₃O₇ − H₄O₂ = C₈H₁₅N₃O₅. Проверьте баланс: на каждую из двух пептидных связей приходится одна потерянная молекула воды.

Ответ: две пептидные связи; на концах свободны одна аминогруппа и одна карбоксильная группа, а в боковой цепи серина — гидроксильная группа. Молекулярная формула пептида — C₈H₁₅N₃O₅. Отдельно считать боковую OH-группу важно, если в задаче спрашивают все функциональные группы.

Типичные ошибки

Число пептидных связей иногда принимают равным числу остатков. Так происходит, если считают звенья, не проверяя соединения между ними. Для линейной цепи проверь правило n − 1: например, три остатка должны давать две связи.

Ещё одна ошибка — записать последовательность от C-конца к N-концу и считать её той же самой. Путают направление, потому что остатки иногда перечисляют без обозначения концевых групп. Проверь, что запись начинается со свободной аминогруппы и заканчивается свободной карбоксильной группой.

Пептидную связь могут ошибочно изображать как простую связь между атомами углерода или между двумя атомами азота. Причина — внимание только к факту соединения, а не к группам, которые взаимодействуют. Сверь фрагмент с правильной записью –CO–NH–: в нём есть карбонильная группа и азот.

При расчёте состава пептида иногда складывают формулы аминокислот, но не вычитают воду. Ошибка возникает, если забыть, что конденсация меняет состав исходных молекул. Для самопроверки умножь число пептидных связей на H₂O и вычти это количество атомов из общей суммы.

Связь с другими темами

Для понимания первичной структуры нужны знания о строении аминокислот, группах –NH₂ и –COOH и реакции конденсации. Навык составления формул помогает учитывать потерю воды и находить состав пептида. Позже первичную структуру сопоставляют со вторичной, третичной и четвертичной структурами белка: последовательность остатков связана со сворачиванием цепи. Та же химия пептидных связей понадобится при изучении гидролиза, когда цепь распадается, и при обсуждении связи строения белка с его функциями.

Что запомнить

• Первичная структура белка — последовательность аминокислотных остатков.
• Остатки соединены пептидными связями.
• Пептидная связь имеет фрагмент –CO–NH–.
• Последовательность записывают от N-конца к C-концу.
• В линейной цепи число пептидных связей на единицу меньше числа остатков.
• При образовании каждой пептидной связи выделяется одна молекула воды.
• Первичная структура задаётся генетически и определяет возможность последующего сворачивания белка.