|
|
Учебное пособие Часть I самара Самарский государственный технический университет 2007
Гетеромерные линейные пептиды. К гетеромерным пептидам относятся любые линейные пептиды, строение которых отличается от строения гомомерных пептидов. Для иллюстрации этой группы полипептидов рассмотрим важные в биологическом отношении представителей. При написании формул этих полипептидов используются те же трехбуквенные символы протеиногенных аминокислот с указанием тех или иных изменений в их структуре или в строении полипептидной цепи.
Так, например, формула рассмотренного ранее трипептида глутатиона в трехбуквенном коде записывается следующим образом:
γ-Glu-Cys-Gly
Здесь символ γ указывает, что амидная связь образуется между аминогруппой цистеина и γ-карбоксильной группой глутаминовой кислоты.
Приведенные в табл. 1.6 гормоны слизистой оболочки желудка -гастрин I и гастрин II – имеют следующее строение:
Гастрин I
Гастрин II
Использованные здесь символы означают, что N-концевой остаток глутаминовой кислоты замкнут в пирролидоновое кольцо,
С-концевой фенилаланин находится виде амида, тирозин присутствует в виде сернокислого эфира:
P he-NH2
Появление различных аминокислот небелковой природы в составе полипептидов – явление весьма распространенное в живой природе, особенно среди микроорганизмов. Образование гетеромерных пептидов возможно в результате распада белков после посттрансляционной модификации или путем биосинтеза. Приведем еще несколько примеров.
В мышцах обнаружены и выделены в чистом виде В.С. Гулевичем с сотрудниками близкие по структуре дипептиды – карнозин и ансерин:
Карнозин (β-Ala-His)
Ансерин (β-Ala-His-N1-CH3)
Карнозин и ансерин содержатся в различных количественных соотношениях во всех мыщцах млекопитающих и птиц. Карнозин стимулирует синтез АТФ и является предшественником ансерина, который обладает антидиуретическим действием. Недостаток ансерина в организме приводит к развитию несахарного диабета.
Из микроорганизмов выделен эффективный ингибитор трансаминаз – линатин (γ-Glu-1-NH-D-Pro).
В состав линатина входит остаток 1-амино-D-пролина:
Линатин
Следует отметить, что полипептиды – антибиотики часто содержат в своей структуре остатки D-аминокислот. Например, линейные грамицидины А, В, С:
OHC-Val-Gly-Ala-D-Leu-Ala-D-Val-Val-D-Val-
T rp-D-Leu-Trp-D-Leu-Trp-D-Leu-Trp-NHCH2CH2OH – грамицидин А
OHC-Val-Gly-Ala-D-Leu-Ala-D-Val-Val-D-Val-
-Trp-D-Leu-Phe-D-Leu-Trp-D-Leu-Trp-NHCH2CH2OH – грамицидин В
OHC-Val-Gly-Ala-D-Leu-Ala-D-Val-Val-D-Val-
-Trp-D-Leu-Tyr-D-Leu-Trp-D-Leu-Trp-NHCH2CH2OH – грамицидин С
Как видно, в состав этих линейных 15-членных пептидов входят 4 остатка D-лейцина и 2 остатка D-валина наряду с 2 остатками L-валина. Строение грамицидинов отличается лишь природой аминокислоты в положении 11 (помечены цифрой).
1.2.2.2. Циклопептиды
Циклопептидами называют полипептиды, пептидная цепь которых замкнута в кольцо. По количеству аминокислотных остатков, входящих в цикл, циклические пептиды делят на ди-, три, тетра– и т.д.-циклопептиды. Циклодипептиды обычно называют 2,5-дикетопиперазинами, рассматривая их как производные 6-членного гетероцикла пиперазина. Циклотрипептиды пока в организмах не найдены. Циклотетрапептиды очень редки в природе. Циклопептиды, содержашие. в цикле 5 и более остатков аминокислот, широко распространены в различных организмах.
В зависимости от типов связей, участвующих в образовании кольца, циклические пептиды делятся на гомодетные и гетеродетные. Гомодетные пептиды содержат в цикле лишь пептидые (CO-NH) группы и >СHR структурные фрагменты. Гетеродетные пептиды, наряду с этими структурными элементами, содержат дисульфидные мостики, амидные связи небелковой природы, сложноэфирные связи и т.д. Гетеродетные пептиды, содержащие пептидные и сложноэфирные связи, называются депсипептидами. В состав циклопептидов часто входят не только остатки протеиногенных аминокислот, но модифицированных α-L-аминокислот и α-D-аминокислот. Циклопептиды весьма разнообразны по биологической активности – это гормоны, ингибиторы ферментов, антибиотики, токсины, ионофоры – каналообразующие соединения.
Авторы считают целесообразным рассмотреть отдельно дикетопиперазины, а остальные циклопептиды, как гомодетные, так и гетеродетные, классифицировать и рассмотреть в зависимости от их биологической активности.
2,5-Дикетопиперазины. 2,5-Дикетопиперазины весьма широко распространены в природе. Достаточно много таких соединений выделено из различных микроорганизмов и морских организмов. Интересно, что среди этих циклопептидов имеется значительное количество производных L-пролина. Среди дикетопиперазинов немало примеров включения в цикл небелковых аминокислот, в том числе и D-конфигурации. Открыты 2,5-дикетопиперазины с дисульфидным мостиком. В организмах животных дикетопиперазины встречаются редко. Строение дикетопиперазинов изображают обычными структурными формулами и называют их как обычные гетероциклические соединения (трехбуквенный код обычно не используется).
Некоторые представители дисульфидных 2,5-дикетопиперазинов обладают разнообразной биологической активностью: антибактериальной, противовирусной, фунгицидной и противоопухолевой.
2,5-Дикетопиперазины R Источник
на основе L-пролина:
 Н Морская звезда
  Aspergillus ochzaceus
Rosellima necatrix
Дрожжи
Аранотин Arachniotus aureus
Пептидные гормоны. В табл. 1.6 приведены три гетеродетных циклопептидных гормона – окситоцин, вазопрессин и инсулин, формулы которых приведены ниже (стрелка указывает направление от
N-конца к С-концу):
Окситоцин
Вазопрессин
Как видно из сравнения формул, окситоцин и вазопрессин имеют весьма близкое строение. Отличие заключается лишь в различии двух аминокислотных остатков. Однако биологическая активность этих гормонов резко различается. Вазопрессин оказывает антидиуретическое действие и как следствие вызывает повышение кровяного давления.
Окситоцин вызывает сокращение матки, выделение молока из молочных желез млекопитающих, а также понижение кровяного давления. Общим у этих гипофизарных гормонов является то, что в присутствии восстановителей активность исчезает. Это указывает на то, что восстановление дисульфидного мостика и как следствие разрушение кольца приводит к утрате биологической активности.
Как уже отмечалось выше, строение инсулина было установлено Ф.Сенгером. Затем независимо в трех лабораториях строение его было подтверждено синтезом.
В настоящее время инсулин для медицинской практики получают методами генной инженерии, а также методом твердофазного синтеза.
П ервичная структура инсулина в однобуквенном коде записывается следующим образом:
В – цепь
А – цепь
Д исульфидные мостики
Инсулин обеспечивает проникновение глюкозы из крови через клеточные мембраны. В клетках глюкоза в результате аэробного гликолиза метаболизируется до углекислого газа и воды, обеспечивая их энергетические потребности. Особенно в глюкозе нуждаются клетки центральной нервной системы (ЦНС) и печени. При недостатке инсулина глюкоза накапливается в крови, так как она не может свободно диффундировать внутрь клеток (инсулинозависимый сахарный диабет).
Пептидные антибиотики и токсины. Антибиотики – вещества, продуцируемые микроорганизмами, и продукты химической модификации этих веществ, избирательно подавляющие рост патогенных микроорганизмов, низших грибов, а также некоторых вирусов и клеток злокачественных новообразований. Первым открытым и внедренным в медицинскую практику был антибиотик пенициллин.
Антибиотики составляют весьма обширную группу биологически активных веществ разнообразного строения. Рассмотрим лишь циклопептидные антибиотики. К настоящему времени известны следующие группы циклопептидных антибиотиков: β-лактамные антибиотики, актиномицины, аманитины, грамицидин S, полимиксины. тироцидины
β -Лактамные антибиотики. Все антибиотики этой группы содержат в молекуле β-лактамный цикл. Кроме упомянутых пенициллинов в эту группу входят цефалоспорины, карбапенамы, оксапенамы, нокардицины и монобактамы. Необходимым элементом структуры всех этих антибиотиков, обуславливающим антибактериальное действие и его общность у всех представителей группы, является фрагмент молекулы, имеющий стерическое подобие концевому D-Ala-D-Ala– фрагменту бактериального линейного пептидогликана.
Как установлено, механизм действия
β-лактамных антибиотиков состоит в блокировании фермента транспептидазы, осуществляющего «сшивку» линейных пептидогликанов в трехмерную структуру в процессе формирования бактериальной стенки. D-Ala-D-Ala-концевой фрагмент пептидогликана связывается в процессе формирования бактериальной стенки с активным центром транспептидазы. Указанный фрагмент β-лактамных антибиотиков стерически подобен D-Ala-D-Ala-фрагменту и обеспечивает необратимое связывание антибиотика с транспептидазой, вследствие чего блокируется процесс формирования бактериальной стенки.
Актиномицины. Актиномицины являются хромопептидами (окрашенными пептидами). Они, кроме циклопептидных фрагментов, содержат хромофорную группировку – остаток 1,8-диметил-3-аминофенаксазон-2-дикарбоновой-4,5-кислоты. Пептидная часть представлена двумя одинаковыми циклопентапептидными группировками.
В состав циклопентапептидной группы входят треонин, D-валин, пролин, саркозин (N-метилглицин– Sar) и N-метилвалин (N-CH3-Val). В цикл входит сложноэфирная связь между гидроксильной группой треонина и карбоксильной группой N-метилвалина. Различные актиномицины различаются природой D-аминокислоты. Здесь приведена формула актиномицина D – наиболее широко используемого препарата из семейства актиномицинов. Актиномицин D ингибирует ДНК-зависимую РНК-полимеразу. Оказывает мощное противоопухолевое действие.
Грамицидин S. В группу грамицидинов входят линейные грамицидины А, В и С, рассмотренные ранее, а также циклодекапептид – грамицидин S, в молекулу, которого входят непротеиногенные аминокислоты – 2 остатка D-фенилаланина и 2 остатка L-орнитина (2,5-диаминопентановая кислота – L-Orn):
 
По механизму антимикробного действия грамицидин S резко отличается от линейных грамицидинов, которые являются каналообразующими антибиотиками, т.е.делают мембраны проницаемыми для протонов и катионов щелочных металлов. В отличие от этого грамицидин S разобщает окислительное фосфорилирование в митохондриях. По структуре и механизму действия сходен с антибиотиком тироцидином.
Полимиксины и октапептины. Семейство полимиксинов включает в себя 7 декапептидов. Все они характеризуются присутствием в молекуле нескольких остатков 2,4-L-диаминомасляной кислоты
(L-Dab) и наличием на конце трипептидной цепочки L-Dab, ацилированной по α-аминогруппе 6-метилоктановой кислотой (6-Me-Oct). Близкое строение и аналогичные биологические свойства имеют октапептины. Боковая цепочка октапептинов содержит только одну аминокислоту 2,4-D-диаминомасляную (D-Dab), которая ацилирована по α-аминогруппе 3-гидрокси-8-метилдекановой кислотой (OHMD):
 
Как видно из структуры этих антибиотиков, они обладают выраженными основными свойствами (полимиксины содержат 5 свободных аминогрупп в молекуле, октапептины – 4). Такая химическая структура придает этим антибиотикам свойства поверхностно-активных веществ и обуславливает их взаимодействие с фосфолипидами мембран бактерий. Вследствие этого нарушается нормальная проницаемость мембран для малых молекул, и таким образом ингибируется рост микроорганизмов. Причем октапептины в 3-10 раз более эффективны против грамположительных бактерий, чем полимиксины.
Аманитины. Эта группа токсинов продуцируется грибом Amanitaphalloides. Чрезвычайно ядовитое вещество – работа требует особых мер предосторожности. Токсичен при попадании на кожу и при вдых ании. Ингибирует РНК-полимеразу. В медицинской практике не применяется, используется в биохимических исследованиях.
Ионофоры. Ионофоры – органические вещества, осуществляющие перенос катионов щелочных и щелочно-земельных металлов, а также ионов аммония через биологические мембраны. К ионофорам относятся многие антибиотики, в том числе и циклопептидные, например депсипептиды энниатин и валиномицин. В основе действия лежит их способность образовывать комплексы с транспортируемыми катионами.
Ионофор формирует молекулярную полость, в которой катион удерживается координационными связями с участием атомов кислорода полярных групп, выстилающих поверхность полости. Комплекс формируется так, что полость занимает катион и полярные группировки ионофора, а периферийная часть становится заполненной преимущественно гидрофобными радикалами. Это обеспечивает растворимость комплекса ионофора с катионом в липидах.
Валиномицин представляет собой додекадепсипептид. В состав 12-членного цикла валиномицина входят остатки 3 молекул α-гидрокси-изовалериановой кислоты, 6 молекул валина и 3 молекул молочной кислоты.
В
алиномицин является нейтральным ионофором, полость которого сформирована 12 атомами кислорода карбонильных групп. Размер полости оптимален для размещения в ней К+. Устойчивость комплекса с К+ в 104 раз выше, чем комплекса с Na+. Валиномицин индуцирует К+-проводимость в клеточных мембранах. Энниатин имеет
6-членный цикл, полость которого гораздо меньше, чем у валиномицина, поэтому крупный ион К+ в неё не входит, а ионы аммония и натрия образуют устойчивые комплексы.
В связи с высокой токсичностью ионофорные антибиотики в медицине не применяются. Их применяют в биохимических исследованиях для регуляции ионного транспорта через мембраны, в химии – для экстракции ионов и мембранного катализа, в технике – для создания ионселективных электродов.
1.2.2.3. Белки
Первые работы по выделению и изучению белков были проделаны еще в XVIII в. Это были работы описательного характера. В начале XIX в. были выполнены первые анализы элементного состава белков (Ж. Гей-Люссак, Л. Тенар, 1810 г.), положившие начало систематическим аналитическим исследованиям, в результате которых былоустановлено, что все белки близки не только по внешним признакам и свойствам, но и по элементному составу. Важное следствие этих работ – создание первой теории строения белков (Г.Я. Мульдер, 1836 г.), согласно которой все белки содержат общий радикал – протеин.
Создание теории протеина совпало по времени с формированием представлений о функциях белков в организме. Вскоре были открыты первые протеолитические ферменты – пепсин (Т. Шванн, 1836 г.) и трипсин (Л. Корвизар, 1856г.). К середине XIX в. было доказано, что под действием протеолитических ферментов белки распадаются на близкие по свойствам фрагменты, получившие название пептоны (К. Леман, 1850 г.). К концу XIX в. было изучено большинство аминокислот, входящих в состав белков
В начале XX в. значительный вклад в изучение белков внес Э. Фишер, доказавший, что белки построены из остатков α-аминокислот, связанных амидной (пептидной) связью. Он также выполнил первые аминокислотные анализы белков.
В 20-е – 40-е гг. прошлого века седиментационными и диффузионными методами были определены молекулярные массы многих белков, получены данные о сферической. форме молекул глобулярных белков (Т. Сведберг, 1926 г.), выполнены первые рентгеноструктурные анализы аминокислот и пептидов (Дж. Бернал, 1931 г.), разработаны хроматографические методы анализа (А. Мартин, Р. Синг, 1944 г.).
Существенно расширились представления о функциональной роли белков: был выделен первый белковый гормон – инсулин (Ф. Бантинг, 1922 г.); антитела были идентифицированы как фракция глобулинов; открыта ферментативная функция мышечного миозина (В. Энгельгардт, М. Любимова, 1939 г.). В кристаллической форме были получены первые ферменты: уреаза (Дж. Самнер, 1926 г.), пепсин (Дж. Нортроп, 1929 г.), лизоцим (Э. Абрахам, Р. Робинсон, 1937 г.).
В середине прошлого века была выдвинута идея о трех уровнях организации молекул белка (К. Линдерстрём-Ланг, 1952 г.); определены первичные структуры инсулина (Ф. Сенгер, 1953 г.) и рибонуклеазы (К. Анфинсен, С. Мур, К. Хёрс, У. Стайн, 1960 г.). По данным рентгеноструктурного анализа были построены трехмерные модели миоглобина (Дж. Кендрю, 1958 г.) и гемоглобина (М. Перуц, 1958 г.).
В последние 50 лет интенсивно развивались синтетическое и аналитическое направления в химии белка. Были синтезированы инсулин (Х. Цан, 1963 г.; П. Кацоянис, 1964 г.; Ю. Ван и др., 1965 г.), рибонуклеаза А (Б. Меррифилд, 1969 г.) и многие простые полипептиды.
В области анализа стал широко использоваться автоматический аминокислотный анализатор, созданный С. Муром и У. Стайном в 1958 г.; до высокой степени совершенства доведен рентгеноструктурный анализ; сконструирован автоматический прибор для определения последовательности аминокислотных остатков в белках – секвенатор (П. Эдман, Г. Бэгг, 1967 г.). За эти годы была определена структура нескольких сотен белков.
В последние годы значительные успехи достигнуты в изучении сложных белков: сократительных, транспортных, защитных, мембранных, рецепторных и регуляторов матричного синтеза биополимеров.
Широкое применение нашли новые методы разделения белков и пептидов (жидкостная хроматография высокого давления, биоспецифическая. хроматография). В связи с разработкой эффективных методов анализа нуклеотидной последовательности ДНК (А. Максам, У. Гилберт, Ф. Сенгер) стало возможным использовать полученную при таком анализе информацию и при определении первичной структуры белков.
В результате установлена структура ряда труднодоступных белков: интерферона, ацетилхолинового рецептора и многих других, содержащих около или более тысячи аминокислотных остатков.
1.2.2.3.1. Уровни структурной организации белков
Рассмотрим уровни структурной организации белков как наиболее сложных по строению полипептидов. Чрезвычайная сложность структуры белков определяется уже самими размерами их молекул. Различают несколько уровней структурной организации белков, а именно первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры. Эти уровни отличаются друг от друга природой взаимодействий, необходимых для поддержания структуры.
|
|
|
Скачать 1.81 Mb.