Структура и свойства пептидов

Пептиды представляют собой биосубстраты, построенные из а-аминокислотных остатков. Принято различать низкомолекуляр­ные пептиды (олигопептиды), содержащие не более 10 амино­кислотных остатков, и полипептиды, в состав которых входит до 100 аминокислотных остатков. Пептиды являются продуктом поликонденсации а-аминокислот, в котором они соединены меж­ду собой пептидными (амидными) группами —СО—NH—. Реак­цию получения полипептида схематично можно представить так:

В пептидной группе связь между карбонильным углеродным атомом и атомом азота, находящимся в sр²-состоянии, называется пептидной (амидной) связью. Вследствие сильного взаимо­действия неподеленной электронной пары, локализованной на р-орбитали атома азота, с π-электронами связи С=0 для пеп­тидной группы характерна трехцентровая р, π-сопряженная делокализованная система. Следовательно, пептидная связь имеет частично двойной характер - меньшую длину (0,132 нм вместо 0,147 нм) и сильно заторможенное вращение вокруг данной свя­зи. Поэтому для пептидной группы в целом характерна пла­нарная транс-структура с трансоидной конформацией в распо­ложении заместителей R аминокислотных остатков:

Таким образом, при образовании пептидной связи атом азо­та а-аминокислот из sP³-coctohия переходит в sр²-состояние, а его заместители R и R' в пептидах наиболее удалены друг от друга, что важно для стабилизации структуры молекул пепти­дов и белков.

Пептиды представляют собой цепь, на одном конце которой находится аминокислота со свободной аминогруппой, называе­мой N-концом, а на другом - аминокислота со свободной карбок­сильной группой, называемой С-концом. Формулы пептидов при­нято записывать, начиная с N-конца. Названия пептидов скла­дываются из последовательного перечисления аминокислотных остатков с N-конца с добавлением суффикса -ил, а для послед­ней С-концевой аминокислоты сохраняется ее полное название. Для сокращенной записи состава пептида используются трех­буквенные обозначения его аминокислот:

Для пептидов принято записывать концевые группы неио-низованными, хотя в действительности в водных растворах они, конечно, ионизованы и на N-конце находится аммонийная группа, проявляющая кислотные свойства, а на С-конце - иони­зованная карбоксильная группа, проявляющая основные свой­ства. Это особенно принципиально при рассмотрении кислотно-основных свойств пептидов, аналогичных кислотно-основным свойствам аминокислот и белков (разд. 8.3; 21.2.1).

В отличие от белков, природные пептиды довольно часто включают а-аминокислоты D-ряда или аминокислоты, не входящие в 20 важнейших, или даже а-гидроксикарбоновые кисло­ты. Пептиды содержатся во всех живых организмах, проявляя и выполняя различные биологические и физиологические функ­ции. Пептидами являются многие антибиотики, гормоны, токси­ны. В то же время с химических позиций они могут проявлять свойства кислотно-основных буферных систем, ионофоров, анти­оксидантов.

Кислотно-основные свойства. Пептиды, подобно аминокис­лотам, являются амфолитами и в водных растворах могут на­ходиться в зависимости от рН преимущественно в виде катио­нов (рН < рI), молекул (рН = рI) и анионов (рН > pI). При этом в организме кислотно-основные превращения пептидов проис­ходят главным образом за счет заместителя (—RH), который может проявлять или основные, или кислотные свойства. По­этому наиболее вероятные кислотно-основные превращения пеп­тидов можно представить обобщенной схемой:

На основе этих кислотно-основных превращений в организ­ме действуют пептидные буферные системы. Они состоят из катионной сопряженной кислотно-основной пары, где донором протона является катион, а акцептором протона - молекула пептида. В качестве буферной системы наиболее эффективен пептид, для которого рН данной биологической системы нахо­дится между значениями его рI и рК_а(R), т. е. рI < рН < рК_а(R). В этих случаях в растворе концентрации донора протона и ак­цептора протона не будут сильно отличаться друг от друга и, следовательно, буферная емкость данной системы и по кислоте, и по основанию будет значительна. Именно поэтому считают, что в мышцах животных и человека дипептиды карнозин и ансе-рин, состоящие из Р-аланина и гистидина или его N-метилпро-изводного соответственно, проявляют буферные свойства. По­скольку у имидазольного заместителя, проявляющего основные свойства, рК_а = 6,0, что близко физиологическому значению рН =7 многих клеток и тканей, то в этом случае рН поддержи­вает катионная сопряженная кислотно-основная пара, состоя­щая из катиона и молекулы этих пептидов.

Комплексообразующие свойства. Многие пептиды, высту­пая как полидентатные лиганды, являются эффективными комплексонами (разд. 10.1), образующими комплексы различной устойчивости. Особое внимание обратим на пептиды валиномицин и грамицидин S: они не только антибиотики, но одновременно ионофоры, с помощью которых транспортируются через клеточные мембраны катионы К⁺ и Na⁺ (разд. 10.4).

Циклическая молекула валиномицина напоминает "бублик", у которого внутренняя поверхность полярная, а полость соответству­ет по размеру катиону К⁺. Внешняя поверхность этого "бублика" гидрофобна. Поэтому валиномицин, взаимодействуя с катионом К⁺ и забирая его во внутреннюю полость, легко переносит катион че­рез гидрофобный слой мембраны благодаря гидрофобности своей внешней оболочки. С катионами Na⁺, размеры которых меньше, чем у К⁺, валиномицин практически не взаимодействует.

Другой циклический пептид грамицидин S, состоящий из 10 аминокислотных остатков, имеет форму трубки, которая пе­ресекает мембрану. Наружная поверхность этой трубки гидро­фобна, а внутренняя - полярна, по ней происходит перенос од­нозарядных катионов: Na⁺, К⁺ и других, - но предпочтительно катионов Na⁺.

Окислительно-восстановительные свойства. В клетках жи­вотных, растений и бактериях содержится трипептид-глутатион GSH. Глутатион за счет наличия цистеина активно участвует в окислительно-восстановительных реакциях, обратимо переходя из восстановленной формы GSH в окисленную GS-SG и наобо­рот (разд. 9.3.9), представляя собой, подобно цистеину, сопряженную восстановительно-окислительную систему.

Восстановленная форма глутатиона GSH выполняет роль антиоксиданта, нейтрализуя в клетке активные формы кислорода и защищая от них другие белки. В то же время его окисленная фор­ма GS—SG защищает биосубстраты клетки от радикальных частиц восстановителей. Таким образом, обе формы глутатиона образуют важную равновесную тиол-дисульфидную систему, поддерживаю­щую окислительно-восстановительный гомеостаз в клетке.

Биологические и физиологические функции. Многие пепти­ды являются гормонами и регулируют протекание определенных процессов в организме. Наиболее простые гормоны, состоящие из 9 аминокислотных остатков, - окситоцин и вазопрессин. Окситоцин встречается только у женских особей, вызывая сокраще­ние мышечных волокон молочных желез и мускулатуры матки. Вазопрессин содержится и в женском, и в мужском организме, регулируя минеральный обмен и водный баланс. Кроме того, вазопрессин является мощным стимулятором запоминания. Большую роль в поддержании уровня сахара в крови выполняет гормон инсулин, вырабатываемый поджелудочной железой. Он содержит 51 аминокислотный остаток и состоит из двух пептидных цепей, соединенных между собой двумя дисульфидными мостиками.

Около 150 пептидов, называемых нейропептидами, содер­жатся в головном мозге, где они выполняют различные биоло­гические и физиологические функции. В то же время многие нейротоксины ядовитых грибов, пчел, змей, скорпионов и мор­ских рыб имеют пептидно-белковую природу. Химические свой­ства пептидов и особенно их биологические и физиологические функции зависят не только от числа и последовательности ами­нокислотных остатков в цепи, но и от конформации цепи в растворе, что сближает по свойствам полипептиды и белки.