Белки: история исследования, химсостав, свойства, биологические функции

полимеров позволяют получить сополи-меры, состоящие из двух (или более) сходных типов мономеров со статистическим рас-пределением их по цепи, в том числе белков. В частности, возможно получение гомопо-лимеров или статистических сополимеров, состоящих из аминокислотных остатков, свя-занных пептидными связями (полиаминокислот).

В качестве примера можно привести процесс получения полиаминокислот, основан-ный на конденсации N-карбоксиангидридов аминокислот, образуемых из соответствую-щих аминокислот обработкой фосгеном:

Эти соединения содержат электрофильную ангидридную группу, которая может ата-ковать алифатическую аминогруппу аминокислоты, используемой в качестве затравки, с выделением СО2 и одновременном освобождением новой аминогруппы из атакующей молекулы N-карбоксиангидрида, таким образом открывая возможность поликонденсации:

Нетрудно заметить, что каждая стадия поликонденсации (с учетом реакции образо-вания N-карбоксиангидридов аминокислот) сопровождается превращением молекулы COCl2 в CO2 и 2HCl, что термодинамически выгодно и является источником свободной энергии для образования пептидной связи.

При синтезе нерегулярных полипептидов базируются также на активации карбок-сильных групп. Большинство из них базируется на использовании N,N-дициклогексилкарбодиимида (ДЦК). Он способен в присутствии RCOO и амина NH2R’ осуществить активацию карбоксильных групп:

Промежуточнам соединением является O-ацил-N,N’-дициклогексилмочевину (ДЦМ):

Обычно ДЦК в пептидном синтезе используется не непосредственно, а для синтеза стабильных реакционноспособных производных аминокислот, ангидридов или активиро-ванных эфиров путем реакции с соответствующими гидроксисоединениями:

Вследствие нуклеофильного характера, должны содержать сильный электронный акцептор Х.

Тем не менее эти соединения нельзя непосредственно использовать для синтеза пеп-тидов определенной структуры. Смешивая две аминокислоты с активированными кар-боксильными группами, можно получить четыре разных дипептида:

Более того из-за наличия активных групп процесс может идти дальше. Но в результате получается только статистический полимер.

Для предотвращения образования лишних полипептидов необходимо исключить участие в процессе аминогруппы первой аминокислоты и активированной аминогруппы второй (в результате получается пептид ). Это достигается использованием защитных групп Z на тех функциональных группах, которые не должны вступать во взаимодействие. Реакция

Должна приводить к одному определенному дипипептиду. Этот пептид нереакцион-носпособен и для продолжения процесса необходимо удалить одну из защитных групп Z1,Z2, для того чтобы открыть либо NH2, либо СООНгруппу для следующей стадии уд-линения пептидной цепи. Поэтому главным требованием к защитным группам является возможность их мягкого селективного удаления, не повреждающего пептидную связь. Наиболее широко для защиты -аминогрупп используется трет-бутилоксикарбонильная группа (Вос), которую легко ввести в аминогруппу обработкой аминокислоты соответст-вующим N-гидроксисукциниимидным эфиром:

Эту группу легко удалить слабой кислотной обработкой пептида, при которой эта связь не разрушается:

В качестве группы Z2 используют эфирные группы, которые стабильны в кислой среде в условиях проведения синтеза и могут быть селективно удалены мягкой щелочной обра-боткой.

Специфической особенностью полипептидного синтеза является огромное число идентичных стадий, которые необходимо проводить на каждом этапе: образование новой пептидной связи, удаление защитной группы для подготовки к следующей стадии элон-гации (удлинения) цепи и промежуточные отмывки от избытка реагентов и побочных продуктов после каждого химического превращения. метод, разработанный Р.Меррифилдом, дал возможность автоматизировать этот процесс и снизить механические потери. Согласно этому методу, первый мономер во вновь строящейся цепи синтезируе-мого полипептида ковалентно связывается с нерастворимым носителем (смолой  сопо-лимер стиролдивинилбензола) и все последующие стадии проводятся с полипептидом, растущим на этой смоле. Этот метод известен как твердофазный синтез полипептидов. К смоле попеременно добавляют очередной синтон (мономер, содержащий набор защитных групп и в ряде случаев активированные остатки) и реагент для удаления концевой защит-ной группы (обычно в остаток). Химические стадии сопровождаются соответствующими промывками. В течение всего процесса пептид остается связанным со смолой. Поместив в колонку смолу, с которой связан синтезируемый полипептид, можно легко автоматизиро-вать процесс, запрограммировав смену потоков через колонку: синтон (мономер)  рас-творитель  смесь для удаления защиты  растворитель и т.д. разработаны специальные приборы для автоматизированного полипептидного синтеза. Применение такого прибора позволяет получить такие сложные полипептиды, как 99-членный полипептид  протеазу, кодированную ВИЧ-1. Эта протеаза нужна для протеолитического разрезания больших полипептидов, образовавшихся при трансляции (белковом синтезе) вирусных и-РНК. Ог-ромный интерес к этой протеазе обусловлен надеждой найти специфические ингибиторы замедляющие работу этого фермента и следовательно предотвратить образование вирус-ных частиц. Для синтеза приведенной выше протеазы на автоматическом пептидном син-тезаторе “Applied Biosystem” потребовалось около 200 химических процедур, не считая промывок, предшествующих каждой смене реагента. На завершающей стадии защищен-ный полипептид, ковалентно связанный со смолой, снимается с нее и защитные группы удаляются соответствующими обработками.

Глава 9. Биологические функции белков

Функции белков чрезвычайно многообразны. Каждый данный белок как вещество с определенным химическим строением выполняет одну узкоспециализированную функцию и лишь в нескольких отдельных случаях – несколько взаимосвязанных. Например, гормон мозгового слоя надпочечников адреналин, поступая в кровь, повышает потребление ки-слорода и артериальное давление, содержание сахара в крови, стимулирует обмен веществ, а также является медиатором нервной системы у холоднокровных животных.

1) Каталитическая (ферментативная) функция:

Многочисленные биохимические реакции в живых ганизмах протекают в мягких условиях при температурах, близких к 40С, и значениях рН близких к нейтральным. В этих усло-виях скорости протекания большинства реакций ничтожно малы, поэтому для их прием-лемого осуществления необходимы специальные биологические катализаторы – фер-менты. Даже такая простая реакция, как дегидратация угольной к-ты:

CO2 + H2O HCO3-+ H+

катализируется ферментом карбоангидразой. Вообще все реакции, за исключением реак-ции фотолиза воды 2H2O4H+ + 4e- + O2, в живых организмах катализируются фермен-тами. Как правило, ферменты – это либо белки, либо комплексы белков с каким-либо ко-фактором – ионом металла или специальной органической молекулой. Ферменты обла-дают высокой, иногда уникальной, избирательностью действия. Например, ферменты, катализирующие присоединение -аминокислот к соответствующим т-РНК в процессе биосинтеза белка, катализируют присоединение только L-аминокислот и не катализируют присоединение D-аминокислот.

2) Транспортная функция белков:

Внутрь клетки должны поступать многочисленные вещества, обеспечивающие ее строи-тельным материалом и энергией. В то же время все биологические мембраны построены по единому принципу – двойной слой липидов, в который погружены различные белки, причем гидрофильные участки макромолекул сосредоточены на поверхности мембран, а гидрофобные “хвосты” – в толще мембраны. Такая структура непроницаема для таких важных компонентов, как сахара, аминокислоты, ионы щелочных металлов. Их проник-новение внутрь клетки осуществляется с помощью специальных транспортных белков, вмонтированных в мембрану клеток. Например, у бактерий имеется специальный белок, обеспечивающий перенос через наружную мембрану молочного сахара – лактозы. Лактоза по международной номенклатуре обозначается -галаткозид, поэтому транспортный белок называют -галактозидпермеазой.

Важным примером транспорта веществ через биологические мембраны против градиента концентрации является Na-K-ый насос. В ходе его работы происходит перенос трех по-ложительных ионов Na+ из клетки на каждые два положительных иона K+ в клетку. Эта работа сопровождается накоплением электрической разности потенциалов на мембране клетки. При этом расщепляется АТФ, давая энергию. Молекулярная основа на-трий-калиевого насоса была открыта недавно, это оказался фермент, расщепляющий АТФ, – натрий-калийзависимая АТФ-аза. Насос действует по принципу открывающихся и за-крывающихся каналов. Связывание молекул “канального” белка с ионом натрия приводит к нарушению системы водородных связей, в результате чего меняется его конформация. Обычная -спираль, в которой на каждый виток приходится по 3,6 аминокислотного ос-татка, переходит в более “рыхлую” -спираль (4,4 аминокислотного остатка). В результате образуется внутренняя полость, достаточная для прохождения