IX. Ами­но­кис­лот­ный со­став бел­ков

При ис­сле­до­ва­нии бел­ков ока­за­лось, что они в ос­нов­ном со­сто­ят из ами­но­кис­лот, со­еди­нен­ных друг с дру­гом пеп­тид­ны­ми свя­зя­ми –C(O)–NH–. Бел­ки спо­соб­ны под­вер­гать­ся гид­ро­ли­зу при на­гре­ва­нии в ки­слой сре­де (20%-ный рас­твор HCl). Все бел­ки при на­гре­ва­нии в этом рас­тво­ре раз­ру­ша­ют­ся с об­ра­зо­ва­ни­ем ами­но­кис­лот прак­ти­че­ски без по­вре­ж­де­ния по­след­них.

Пер­вая ами­но­кис­ло­та бы­ла по­лу­че­на из со­ка ас­па­ра­гу­са (спар­жи) в 1806 г. С то­го вре­ме­ни из бел­ков рас­те­ний, жи­вот­ных и мик­ро­ор­га­низ­мов бы­ло вы­де­ле­но око­ло 30 ами­но­кис­лот, хо­тя все­го в жи­вых ор­га­низ­мах их су­ще­ст­ву­ет не­сколь­ко со­тен (в по­дав­ляю­щем боль­шин­ст­ве – в сво­бод­ном ви­де). Ами­но­кис­ло­ты, вхо­дя­щие в со­став бел­ков, под­раз­де­ля­ют­ся на по­сто­ян­но встре­чаю­щие­ся в бел­ках и ино­гда встре­чаю­щие­ся. По­сто­ян­но встре­ча­ют­ся 18 ами­но­кис­лот и 2 ами­да – амид ас­па­ра­ги­но­вой ки­сло­ты – ас­па­ра­гин и амид глу­та­ми­но­вой ки­сло­ты – глу­та­мин.

IX.1. Строе­ние ами­но­кис­лот

Ами­но­кис­ло­ты пред­став­ля­ют со­бой кар­бо­но­вые ки­сло­ты как ми­ни­мум с од­ной ами­но­груп­пой в a-по­ло­же­нии по от­но­ше­нию к кар­бок­силь­ной груп­пе. В их со­став вхо­дят так­же раз­но­об­раз­ные ра­ди­ка­лы: али­фа­ти­че­ские, се­ро­со­дер­жа­щие, спир­то­вые, аро­ма­ти­че­ские, ге­те­ро­цик­ли­че­ские, а так­же до­пол­ни­тель­ные кар­бок­силь­ные и ами­но­груп­пы.

Вы­де­ля­ют не­сколь­ко групп ами­но­кис­лот:

1) Мо­но­ами­но­мо­но­кар­бо­но­вые:

Гли­цин (гли­ко­кол) – ами­но­ук­сус­ная ки­сло­та (гли)

NH₂–CH₂–COOH

L-Ала­нин – a-ами­но­про­пио­но­вая ки­сло­та (ала)

L-Ва­лин – a-ами­нои­зо­ва­ле­риа­но­вая ки­сло­та (вал)

L-Лей­цин – a-ами­нои­зо­ка­про­но­вая ки­сло­та (лей)

L-Изо­лей­цин – a-ами­но-b-ме­тил­ва­ле­риа­но­вая ки­сло­та (иле)

2) Мо­но­ами­но­ди­кар­бо­но­вые и их ами­ды:

L-Ас­па­ра­ги­но­вая ки­сло­та – ами­но­ян­тар­ная ки­сло­та (асп)

L-Ас­па­ра­гин – амид ас­па­ра­ги­но­вой ки­сло­ты (асн)

L-Глу­та­ми­но­вая ки­сло­та – a-ами­ног­лу­та­ро­вая ки­сло­та (глу)

L-Глу­та­мин – амид глу­та­ми­но­вой ки­сло­ты (глн)

3) Диа­ми­но­мо­но­кар­бо­но­вые:

L-Ар­ги­нин – a-ами­но-d-гуа­ни­дин­ва­ле­риа­но­вая ки­сло­та (арг)

L-Ли­зин – a,e-диа­ми­но­ка­про­но­вая ки­сло­та (лиз)

4) Ок­сиа­ми­но­кис­ло­ты:

L-Се­рин – a-ами­но-b-ок­си­про­пио­но­вая ки­сло­та (сер)

L-Тре­о­нин – a-ами­но-b-ок­си­мас­ля­ная ки­сло­та (тре)

5) Се­ро­со­дер­жа­щие ами­но­кис­ло­ты:

L-Цис­те­ин – a-ами­но-b-ти­ол­про­пио­но­вая ки­сло­та (цис)

L-Ме­тио­нин – a-ами­но-g-ме­тил­тио­мас­ля­ная ки­сло­та (мет)

6) Аро­ма­ти­че­ские ами­но­кис­ло­ты:

L-Фе­ни­ла­ла­нин – a-ами­но-b-фе­нил­про­пио­но­вая ки­сло­та (фен)

L-Ти­ро­зин – a-ами­но-b-па­ра­ок­си­фе­нил­про­пио­но­вая ки­сло­та (тир)

7) Ге­те­ро­цик­ли­че­ские ами­но­кис­ло­ты:

L-Про­лин – пир­ро­ли­дин-a-кар­бо­но­вая ки­сло­та (про)

L-Гис­ти­дин – a-ами­но-b-ими­да­зо­лил­про­пио­но­вая ки­сло­та (гис)

L-Трип­то­фан – a-ами­но-b-ин­до­лил­про­пио­но­вая ки­сло­та (три)

IX.2. Про­ис­хо­ж­де­ние ами­но­кис­лот

Су­ще­ст­ву­ет 2 вер­сии об­ра­зо­ва­ния ами­но­кис­лот. Пер­вая из них го­во­рит о том, что ами­но­кис­ло­ты воз­ник­ли на Зем­ле в Ар­хей­ский пе­ри­од. Ат­мо­сфе­ра на на­шей пла­не­те то­гда бы­ла вос­ста­но­ви­тель­ной. Под дей­ст­ви­ем вы­со­ких тем­пе­ра­тур, вул­ка­ни­че­ской дея­тель­но­сти, гро­зо­вых раз­ря­дов и ульт­ра­фио­ле­то­во­го из­лу­че­ния Солн­ца мог­ли про­ис­хо­дить сле­дую­щие ре­ак­ции:

C + 2H₂ ® CH₄

N₂ + 3H₂ ® 2NH₃

CH₄ + NH₃ H–CºN + 6H ^×

2H₂ + O₂ ® 2H₂O

Дру­гая тео­рия го­во­рит о том, что ами­но­кис­ло­ты мо­гут об­ра­зо­вы­вать­ся в га­зо­фаз­ных ре­ак­ци­ях да­же в кос­ми­че­ском про­стран­ст­ве, по­сколь­ку ами­но­кис­ло­ты с по­мо­щью спек­траль­но­го ме­то­да мо­гут об­на­ру­жи­вать­ся да­же в кос­мо­се, в со­ста­ве ту­ман­но­стей.

IX.3. Свой­ст­ва ами­но­кис­лот

Лю­бые свой­ст­ва ами­но­кис­лот, а, зна­чит, и свой­ст­ва бел­ков, за­ви­сят от строе­ния ра­ди­ка­лов ами­но­кис­лот. Ра­ди­ка­лом ами­но­кис­ло­ты на­зы­ва­ют груп­пи­ров­ку ато­мов в её мо­ле­ку­ле, свя­зан­ную с a-ато­мом уг­ле­ро­да и не при­ни­маю­щую уча­стия в по­строе­нии по­ли­пеп­тид­ной це­пи. Сре­ди ами­но­кис­лот­ных ра­ди­ка­лов, как уже от­ме­ча­лось, встре­ча­ют­ся ал­киль­ные; со­дер­жа­щие ами­но- и кар­бок­силь­ные груп­пы; гид­ро­ксил и ти­ол­со­дер­жа­щие ра­ди­ка­лы; аро­ма­ти­че­ские и ге­те­ро­цик­ли­че­ские ра­ди­ка­лы. Ра­ди­ка­лы ами­но­кис­лот обу­слав­ли­ва­ют оп­ре­де­лен­ные фи­зи­че­ские и хи­ми­че­ские свой­ст­ва как са­мих ами­но­кис­лот, так и со­стоя­щих из них бел­ков.

IX.3.1. Фи­зи­че­ские свой­ст­ва

Ра­ди­ка­лы ами­но­кис­лот раз­лич­ны по дли­не и объ­е­му. Не­ма­ло­важ­ную роль иг­ра­ет так­же их вза­им­ное рас­по­ло­же­ние. От этих па­ра­мет­ров за­ви­сят объ­ем, фор­ма и рель­еф бел­ко­вой мо­ле­ку­лы. Часть ра­ди­ка­лов ами­но­кис­лот, та­ких как гли­ци­на, ала­ни­на, ва­ли­на, лей­ци­на, изо­лей­ци­на, фе­ни­ла­ла­ни­на и ти­ро­зи­на не­по­ляр­ны, ос­таль­ные име­ют боль­шую или мень­шую по­ляр­ность. Это оп­ре­де­ля­ет рас­тво­ри­мость бел­ков в раз­лич­ных рас­тво­ри­те­лях.

Фи­зи­че­ские свой­ст­ва ра­ди­ка­лов ами­но­кис­лот в бел­ках оп­ре­де­ля­ют их био­ка­та­ли­ти­че­скую ак­тив­ность (в пла­не удер­жа­ния суб­стра­та), спо­соб­ность к об­ра­зо­ва­нию над­мо­ле­ку­ляр­ных струк­тур, свой­ст­ва де­на­ту­ра­ции и ре­на­ту­ра­ции, ди­на­ми­че­ские пе­ре­хо­ды ме­ж­ду гло­бу­ляр­ны­ми и фиб­рил­ляр­ны­ми фор­ма­ми и др. фак­то­ры.

К фи­зи­че­ским ами­но­кис­лот, как уже от­ме­ча­лось, от­но­сит­ся их оп­ти­че­ская ак­тив­ность. Все ами­но­кис­ло­ты, за ис­клю­че­ни­ем гли­ци­на, име­ют в сво­ем со­ста­ве асим­мет­ри­че­ский атом уг­ле­ро­да и су­ще­ст­ву­ют в фор­ме двух оп­ти­че­ских изо­ме­ров:

Ус­лов­но в про­ек­ци­он­ной фор­му­ле Фи­ше­ра ес­ли ами­но­груп­па в оп­ти­че­ском изо­ме­ре ами­но­кис­ло­ты рас­по­ло­же­на спра­ва, то этот изо­мер от­но­сит­ся к D-ря­ду, а ес­ли спра­ва – к L-ря­ду. На­по­ми­наю, что все при­род­ные ами­но­кис­ло­ты от­но­сят­ся к L-ря­ду. Ес­ли же ами­но­кис­ло­ты син­те­зи­ру­ют­ся про­мыш­лен­но, как пра­ви­ло по­лу­ча­ет­ся смесь D- и L-изо­ме­ров в от­но­ше­ние 1: 1, на­зы­вае­мая ра­це­ми­че­ской сме­сью или ра­це­ма­том.

IX.3.2. Хи­ми­че­ские свой­ст­ва

Хи­ми­че­ские свой­ст­ва ами­но­кис­лот свя­за­ны с воз­мож­но­стью их ра­ди­ка­лов всту­пать в раз­но­об­раз­ные хи­ми­че­ские ре­ак­ции.

Та­кое раз­но­об­ра­зие по­зво­ля­ет им всту­пать в мно­го­чис­лен­ные ре­ак­ции при об­ра­бот­ке со­от­вет­ст­вую­щи­ми реа­ген­та­ми:

1) со­ле­об­ра­зо­ва­ние (по ами­но­груп­пам и кар­бок­силь­ным груп­пам);

2) окис­ле­ние и вос­ста­нов­ле­ние (по ти­оль­ным и ди­суль­фид­ным груп­пи­ров­кам – в цис­теи­не и цис­ти­не);

3) ал­ки­ли­ро­ва­ние, аци­ли­ро­ва­ние и эте­ри­фи­ка­ция (по ами­но­груп­пам, гид­ро­ксиль­ным груп­пам и кар­бок­силь­ным груп­пам);

4) ами­ди­ро­ва­ние (по кра­бок­силь­ным груп­пам);

5) нит­ро­ва­ние и га­ло­ге­ни­ро­ва­ние (по аро­ма­ти­че­ским ра­ди­ка­лам);

6) де­за­ми­ни­ро­ва­ние с об­ра­зо­ва­ни­ем гид­ро­ксил­про­из­вод­ных и сво­бод­но­го азо­та (по ами­но­груп­пам);

7) фос­фо­ри­ли­ро­ва­ние и суль­фа­ти­ро­ва­ние (по гид­ро­ксиль­ным груп­пам);

8) азо­со­че­та­ния с диа­зо­сое­ди­не­ния­ми (по аро­ма­ти­че­ским и ге­те­ро­цик­ли­че­ским ра­ди­ка­лам).

Не все опи­сан­ные ре­ак­ции воз­мож­ны в жи­вых ор­га­низ­мах. В клет­ках, как пра­ви­ло, про­те­ка­ют сле­дую­щие хи­ми­че­ские про­цес­сы с уча­сти­ем ра­ди­ка­лов ами­но­кис­лот: со­ле­об­ра­зо­ва­ние, окис­ле­ние, вос­ста­нов­ле­ние, аци­ли­ро­ва­ние, эте­ри­фи­ка­ция, ами­ди­ро­ва­ние, фос­фо­ри­ли­ро­ва­ние.

Хи­ми­че­ские свой­ст­ва ами­но­кис­лот­ных ра­ди­ка­лов обу­слав­ли­ва­ют хи­ми­че­ские свой­ст­ва бел­ков, их ка­та­ли­ти­че­ские свой­ст­ва (ак­тив­ный центр, спо­соб­ный к хи­ми­че­ско­му пре­об­ра­зо­ва­нию суб­стра­та), фор­ми­ро­ва­ние тре­тич­ной и чет­вер­тич­ной струк­ту­ры, спо­соб­ность об­ра­зо­вы­вать со­еди­не­ния с уг­ле­во­да­ми, ли­пи­да­ми, нук­леи­но­вы­ми ки­сло­та­ми и дру­ги­ми ве­ще­ст­ва­ми жи­вых ор­га­низ­мов и мно­гие дру­гие.

Од­на­ко глав­ней­шим хи­ми­че­ским свой­ст­вом ами­но­кис­лот, обу­слав­ли­ваю­щим ма­те­ри­аль­ную ос­но­ву всех жиз­нен­ных про­цес­сов, яв­ля­ет­ся их спо­соб­ность всту­пать в хи­ми­че­ские ре­ак­ции ме­ж­ду со­бой. В этой хи­ми­че­ской ре­ак­ции за­дей­ст­во­ва­ны не ра­ди­ка­лы, а кар­бок­силь­ные и ами­но­груп­пы ами­но­кис­лот. По­доб­но­го ро­да ре­ак­ции – био­ка­та­ли­ти­че­ские и про­хо­дят по слож­но­му ри­бо­со­маль­но­му ме­ха­низ­му био­син­те­за бел­ка, ко­то­рый мы рас­смот­рим позд­нее. Схе­ма­ти­че­ски их мож­но изо­бра­зить так:

В ре­зуль­та­те ка­ж­до­го эле­мен­тар­но­го ак­та ре­ак­ции об­ра­зу­ет­ся од­на пеп­тид­ная связь. Об­ра­зо­вав­ший­ся ди­мер на­зы­ва­ет­ся ди­пеп­ти­дом, за­тем об­ра­зу­ет­ся три­пеп­тид, тет­ра­пеп­тид и т.д. Ко­неч­ным про­дук­том син­те­за бел­ка яв­ля­ет­ся по­ли­пеп­тид.

X. Пеп­ти­ды. Ме­то­ды их син­те­за и био­ло­ги­че­ская ак­тив­ность (на са­мо­стоя­тель­ное изу­че­ние)