Блистающий мир белков и пептидо

 

 

Блистающий мир  белков и пептидов

 Содержание

1. Философия
2. Химия
3. Понятие о пептидах и белках
4. Номенклатура пептидов
5. Элементарная математика и информатика
6. Физика
7. Основной принцип пептидного синтеза
8. Биология
9. Здоровье
10. Искусство
11. Спорт

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Среди множества веществ, содержащихся в живом организме, особое место занимают белки. Их доля от сухой массы клеток млекопитающих  составляет 60% – больше, чем для  всех остальных вместе взятых химических соединений, и почти пятую часть  от общей массы этих клеток. Каждый из сотен тысяч разных белков обладает уникальной химической и пространственной структурой, которые определяют его  специфические функции.

Систематическое исследование структуры и функций многочисленных белков и их природных фрагментов – олигопептидов – началось во второй половине XX в. и продолжает стремительно развиваться. Каждый год публикуется несколько десятков тысяч научных работ, посвященных белковым веществам, многие тысячи ученых из более чем 50 стран ежедневно работают над этой проблемой. В последние годы сформировалась даже специальная наука протеомика, посвященная именно белкам. Не перестаешь восхищаться многообразию все новых и новых химических, структурных и функциональных форм белков, их взаимосвязи в осуществлении жизненно важных процессов, сложности и одновременно простоте всего этого, а также красоте как отдельных молекул, так и процессов с их участием. Белки и пептиды представляют собой удивительный и уникальный мир, для изучения которого необходимо привлечение знаний всех естественных, и не только естественных, наук. Именно с позиций разных наук и профессий мы и попытаемся заглянуть в этот блистающий мир человеческого знания.

 

1. Философия

На белки философы обратили внимание сразу же после того, как  была выяснена их распространенность в живой природе и многообразие функций. И это неудивительно, поскольку  по одному из определений философия  – это наука о всеобщих законах  развития природы, общества и мышления.

Широкое распространение  получило определение жизни, данное Ф.Энгельсом в его труде «Анти-Дюринг», впервые полностью опубликованном в 1878 г. Обычно цитируют только первую часть этого определения. Приведем его полностью: «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел». В наши дни, когда о жизненно важных веществах и процессах известно неизмеримо больше, такое определение не может не вызывать ощущение

 

неполноты и ограниченности. Однако и сам автор определения  осознавал его уязвимость, написав  в той же книге двумя страницами ниже: «Наше определение жизни, разумеется, весьма недостаточно, поскольку оно  далеко от того, чтобы охватить все  явления жизни, а, напротив, ограничивается самыми общими и самыми простыми среди  них...»

По-видимому, Ф.Энгельс был первым из крупных философов, отметивших важность белков в жизнедеятельности организмов. По мере накопления новых биологических знаний эта тема постоянно остается предметом обсуждения и острых споров. Например, в 1969 г. автору этих строк довелось быть свидетелем дискуссии между двумя почтенными академиками – В.А. Энгельгардтом (1894–1984) и М.Н. Ливановым (1907–1986) о том, какие вещества – белки или нуклеиновые кислоты – являются определяющими в процессах памяти. Биохимик и физиолог затронули не только биологическую, но и философскую тему, поскольку память является неотъемлемой частью человеческого мышления, а мышление, как отмечено выше, – одна из философских проблем, составляющих ее определение как науки.

Очевидно, что все более  глубокое философское осознание  сущности живого и роли белков в  жизнедеятельности будет происходить  и в дальнейшем, но для этого  необходимо исчерпывающе представлять себе всю проблему белков и пептидов, начиная с ее основ, которые мы и намереваемся обсудить.

 

1. Химия

Часто говорят, что белки  состоят (образованы) из аминокислот. Несмотря на то что смысл этого утверждения прост и многим понятен, химик может отметить, что оно некорректно. Почему? Да, действительно, в образовании белков участвуют аминокислоты. Однако при соединении друг с другом они перестают быть таковыми с химической точки зрения. Рассмотрим этот процесс более детально.

В живых организмах открыто  несколько сотен различных аминокислотных структур, и все они могут быть охарактеризованы одной общей химической формулой в двух вариантах:

 

 

 

 

Во всех аминокислотах  имеются аминная –NH3+ (N-конец) и карбоксильная –COO– (С-конец) группы, которые определяют соответственно основные и кислотные проявления этих веществ, в результате чего они обладают амфотерными (как щелочными, так и кислотными) свойствами.

Из приведенных формул также видно, что все эти вещества различаются лишь радикалами R. В  образовании белков участвует 20 так  называемых стандартных аминокислот, т.е. 20 различных радикалов R (табл. 1). Не обсуждая подробно химические особенности  каждого радикала, отметив их лишь разными числовыми индексами i (R i), посмотрим, что произойдет с аминокислотами после соединения друг с другом.

Следующая формула характеризует  вещество (трипептид) – результат соединения трех аминокислот (в растворе):

 

Присоединение 1-й аминокислоты ко 2-й и 2-й к 3-й сопровождается суммарным отщеплением двух молекул  воды с образованием связей CO–NH, выделенных в формуле жирным шрифтом. Эта  связь является ковалентной (сильной), называется пептидной, и ее название послужило основой для того, чтобы  все вещества, устроенные подобным образом, называть пептидами (белки  тоже являются пептидами) вне зависимости  от того, сколько аминокислот участвовало  в их образовании. Таким образом, от второй аминокислоты, характеризующейся радикалом R2, остался лишь фрагмент:

Он называется аминокислотным остатком. Все аминокислотные остатки, расположенные не на концах большой  пептидной цепи, характеризуются  данной формулой, а концевые, очевидно, тоже не совсем аминокислоты, а 

 

остатки, хотя и несколько  иные. С точки зрения химика корректно  говорить, что белки состоят не из аминокислот, а из аминокислотных остатков. Поэтому общая химическая формула любого белка (пептида), состоящего из n аминокислотных остатков, должна быть записана как:

 

Приведенная формула свидетельствует  о том, что в простейшей записи любой белок представляет собой  линейную последовательность аминокислотных остатков, в которой есть остов (как  бы скелет) с регулярно повторяющейся  последовательностью радикалов  –NH–CH–CO– и выступающие из этого  остова боковые радикалы. Такая запись характеризует первичную структуру  белка.

Последовательность аминокислотных остатков принято рассматривать  в одном определенном направлении  – от N- к С-концу. В связи с  расшифровкой огромного количества природных аминокислотных последовательностей, а также в целях экономии места  и ресурсов вычислительной техники  в настоящее время принято  пользоваться однобуквенной (латинской) записью аминокислотных остатков (однобуквенный  аминокислотный код). В табл. 1 приведены  не только общепринятые обозначения  аминокислотных остатков, но также  показано, какие существенные физико-химические особенности их отличают.

Многообразие этих свойств  лежит в основе способности каждой индивидуальной аминокислотной последовательности принимать свою, уникальную пространственную конфигурацию, и так же, как и  аминокислоты, практически всегда быть амфотерным веществом.

Рассмотрение белков и  пептидов с позиций химии будет  неполным, если не отметить то, что иногда после синтеза белка на рибосоме (трансляции) происходит химическая модификация  некоторых аминокислотных остатков (посттрансляционная модификация). В результате, например, остатки пролина и лизина могут превращаться в остатки оксипролина и оксилизина, к тирозильному остатку порой присоединяется сульфатная группа и т.д. Этот процесс приводит к тому, что в организме одновременно сосуществуют белки или пептиды с модифицированными и немодифицированными остатками. Так, пептид гастрин может быть сульфатирован и несульфатирован по одному из остатков тирозина, и, что очень важно в проявлении физиологических функций, сульфатированный гастрин существенно более активен.

 

2. Понятие о пептидах и белках

Слово белок появилось  в русском языке задолго до того, как была выяснена химическая природа этого вещества. Этот термин представляет собой производное  от прилагательного «белый» и  служит характеристикой различий двух разных по цвету основных компонентов  куриного яйца (белка и желтка). Синонимом  белка является слово «протеин» (англ. protein), которое используется во всей научной (и не только научной) литературе и происходит от греческого слова prwto – прото (первый, главный, важнейший), чем с давних времен подчеркивалась его исключительная роль. А латинское слово белок – albumen (или albuminis), альбумин используется для целой группы уже давно известных белков.

Другое ключевое слово  – пептид – происходит от греческого пепто (варить, переваривать) и отражает процесс расщепления длинных белковых молекул, в результате чего образуются короткие фрагменты. Однако, как уже было отмечено, с позиций химии, пептидами являются все белки. Поэтому для разделения коротких и длинных пептидных цепей в качестве приставок используются два других греческих слова: Хligoj –олигос (немногий, малый) и приставка polЪ – поли- (много, многое). В результате олигопептидами (или часто для краткости – пептидами) называют сравнительно короткие аминокислотные последовательности, а полипептидами (белками) – длинные. В дальнейшем мы часто будем пользоваться терминами белок и пептид, учитывая указанное различие.

 

 

Рис.1 Строение пептида

 

Термин «пептиды» был  предложен известным химиком  Эмилем Фишером (1852—1919 гг.). Слово образовано из первых четырех букв названия пептоны (продукты расщепления белков пепсином) и конечных букв названия углеводов  полисахариды.

По размеру молекулы и  своим свойствам пептиды стоят  между высокомолекулярными белками  и аминокислотами. Наиболее распространены линейные пептиды, однако известны также  циклические пептиды, молекулы которых  могут иметь различные размеры. Циклические пептиды образуются из линейных, когда пептидная связь  связывает амино- и карбоксильную функцию N- и С-концевых аминокислот.

 

Полинг и Кори в 1951 г. показали с помощью рентгеноструктурного анализа аминокислот, амидов аминокислот и простых линейных пептидов, что пептидная связь С—N укорочена по сравнению с нормальной простой связью (рис. 2).

 

 

 

 

Рис. 2. Средние расстояния между атомами (CN), образующими пептидную связь и углы между связями.

Вследствие мезомерии получаются две устойчивые плоские конформации, транс (1) и цис (2), при затрудненном свободном вращении около связи С—N:

 

Рис.3 транс (1) и цис (2) пептиды

В 2,5-дикетопиперазинах, простейших циклических  пептидах, построенных из двух аминокислот, имеются цис-пептидные связи. Циклические трипептиды могут существовать без напряжения также только с тремя цис-пептидными связями. Поскольку пролин и саркозин не обладают возможностью стабилизации транс-пептидиой связи, то можно легко синтезировать циклический трипептид — циклотрипролил. В нативных пептидах и белках преобладает транс-пептидная связь. В некоторых белках были найдены также и цис-пептидные связи, при этом в образовании пептидной связи всегда участвовал пролин [1].

 

Названия белков и пептидов очень разнообразны. Первоначально  они давались в то время, когда  их химическая (первичная) структура  была еще неизвестна. Целым группам  белков присваивались названия на основании  того, как они растворяются в воде, в растворах нейтральных солей, щелочах, кислотах и органических растворителях (например, протамины). Однако затем  наибольшее число названий конкретных веществ пептидной природы стало  даваться по названию органа, ткани  или целого животного, из которого они  были выделены, и по функциям, которые  они осуществляют.

 

 

 

 

Первый олигопептид был получен из мясного фарша и поэтому назван карнозином (от лат. carnis – мясо), название одного из основных белков мяса – миозин – произошло от соответствующего греческого слова мышца (mаj – миос), а целая группа белков гистонов получила название от греческого слова (istТ – хистос), характеризующего понятие ткань. Примером использования названия животного служит ксенопсин, выделенный из африканской гладкой шпорцевой лягушки Xenopus laevis. Функциональные свойства олигопептидов отражены, например, в названиях брадикининов и тахикининов, вызывающих, в частности, ослабление (брадикардию) и усиление (тахикардия) сердечной деятельности. Некоторые названия хранят в себе название места, где они были открыты: ригин – в г. Рига (Латвия), а тафтцин – в Тафтском университете (США). Можно долго рассказывать об этой стороне предмета, поскольку число подобных примеров исчисляется тысячами. Однако предоставим это занятие профессиональным историкам науки для всестороннего и полного исследования, тем более что такие работы уже ведутся. Приведем только один пример.

В 30-е гг. прошлого века в  Германии из сыворотки крови лошади было выделено вещество, которому присвоили  название субстанция P (P – латинское). В то время еще не умели определять химическую структуру достаточно больших  пептидов, однако было ясно, что соединение относится к этому классу веществ. Через многие годы, когда автора работы уже не было в живых, встал  вопрос: а почему вещество названо  именно так? В результате появилось  три гипотезы, ни одна из которых  до сих пор однозначно не обоснована. Первая из них очевидна – получен  белок, и в названии использована первая буква от английского слова  protein. Вторая основана на том, что вещество было получено в виде порошка, а это английское слово (pouder) также начинается с буквы «P». И, наконец, третья обращена к родному языку автора, на этом языке (немецком) животное, из которого выделено вещество (лошадь), пишется как das Pferd.