Обучающие задачи и эталоны их решения. Задача № 1. Напишите строение дипептида Гли-Ала и определите область рН среды, в которой находится его изоэлектрическая точка.

Задача № 1. Напишите строение дипептида Гли-Ала и определите область рН среды, в которой находится его изоэлектрическая точка.

Эталон решения. При изучении аминокислот указывалось, что конденсация двух или нескольких молекул α -аминокислот приводит к образованию пептидов:

Еще в 1891 году А. В. Данилевский высказал предположение, что аминокислоты в пептидах и белках соединяются с помощью пептидных связей, образованных карбоксильной группой одной кислоты и аминогруппой другой. Амидные связи этого типа называются пептидными связями:

Поскольку атом углерода в этой группе находится в состоянии sp²-гибридизации, все атомы, образующие пептидную связь, расположены в одной плоскости.

По числу аминокислотных остатков, участвующих в построении пептидов, различают олигопептиды и полипептиды. Названия пептидов образуют из названий соответствующих аминокислот, причем аминокислоты, участвующие в образовании пептидной цепи своей карбоксильной группой, получают суффикс -ил:

глицилаланин

Обычно при названии пептидов используют трехбуквенные обозначения (Гли-Ала).

Аминокислоты, расположенные по концам пептида, имеют свободные функциональные группы. Аминокислота со свободной аминогруппой на одном конце пептида называется " N-концевой аминокислотой", а со свободной карбоксильной группой на другом – " С-концевой аминокислотой".

Поскольку в нашем случае в составе пептида одна аминогруппа и одна карбоксильная группа, то изоэлектрическая точка, суммарный заряд белков которой равен нулю, будет находиться в рН 6. Ориентировочно значение рІ = (рК_COOН + рК_NH2) является характерной константой белков. Изоэлектрическая точка большинства белков животных тканей лежит в пределах 5, 5-7, 0, что свидетельствует о частичном преобладании кислых аминокислот. Однако в природе имеются белки, у которых рІ лежит при крайних значениях рН среды. В частности, рI пепсина (фермента желудочного сока) равна 1, а сальмина (основного белка из молока семги) – около 12. Из приведенных аминокислот могут быть получены еще три пептида: Гли-Гли, Ала-Гли, Ала-Ала. Аминокислотный состав пептидов можно установить, проведя их полный гидролиз, и идентифицировать образовавшиеся аминокислоты хроматографическими методами. Белок полностью гидролизуется при кипячении 1 %-й соляной кислотой в тече­ние 24 чаcов.

Для получения пептида заданного состава аминогруппу одной аминокислоты и карбоксильную группу другой необходимо временно блокировать защитными группами. Кроме того, требуется активация карбоксильной группы, которая должна составить пептидную связь, так как карбоновые кислоты обычно реагируют с аминами, образуя соли.

Для защиты карбоксильной группы ее превращают а сложноэфирную:

Защита аминогруппы обычно проводится ацилированием:

Карбоксильную группу аминокислоты активируют, превращая в хлорангидрид:

Образование пептидной связи:

Снятие защиты производят гидролизом в кислой среде.

Как видно, синтез дипептида по приведенной схеме состоит из нескольких стадий, а для синтеза полипептидов необходимо огромное число стадий.

Для проверки правильности аминокислотной последовательности необходимо поочередно отщеплять с " N – конца" или " С-конца". Известно несколько методов определения последовательности аминокислотных остатков. В одном из них (метод Сенджера или метод ДНФ) пептид взаимодействует с 2, 4-динитрофторбензолом в слабощелочной среде:

При гидролизе N - концевая аминокислота остается с остатком ДНФ; ее выделяют и идентифицирует. Эту аминокислоту можно связать фенилизотиоционатом – С₆Н₅ – N = С = S (ступенчатая деструкция по Эдману). Для определения аминокислотной последовательности используют также частичный кислотный или ферментативный гидролиз.

Задача №2. Приведите схему твердофазного синтеза полипептида.

Эталон решения. Перспективный метод синтеза пептидов предложил в 1963 году Мерифилд. Позже этот метод получил название твердофазного синтеза пептидов. Он проводится на ионно-обманной смоле, содержащей группы СН₂Cl. На первой стадии соль аминокислоты защищенной группой присоединяется к твердому носителю с образованием так называемой " якорной связи".

Если снять защиту, синтез можно вести дальше. После наращивания пептидной связи нужной величины гидролизуют «якорную» связь в присутствии бромисто-водородной и уксусной кислот:

В настоящее время трехфазный синтез проводится в автоматическом синтезаторе. Все реакции проходят в запрограммированной последовательности в одной реакционной камере, в которую дозирующими микронасосами подаются в определенной последовательности необходимые реактивы. В таком синтезаторе можно присоединять шесть аминокислотных остатков к растущей полипептидной цепи за 24 часа.

Полипептиды являются структурными компонентами белковых молекул.

Задача № 3. Опишите типы взаимодействия, которые могут возникнуть на участке полипептидной цепи со следующей аминокислотной последовательностью: Цис-Глу-Гли-Ала-Вал-Сер-Лиз-Фен-Цис.

Эталон решения. Типы взаимодействий, стабилизирующих пространственное строение, т.е. вторичную, третичную и четвертичную структуры пептидов и белков, определяются прежде всего их первичной структурой.

Любая полипептидная цепь построена из чередующихся мономерных звеньев α -аминокислот, связанных пептидными группами (первичная структура), между которыми образуются водородные связи. Такие связи образуются между атомом водорода, связанным с атомом азота, и атомом кислорода карбонильной группы: .

Такие водородные связи стабилизируют вторичную структуру белковой молекулы в виде спирали (спираль Поллинга). Такие воздействия могли бы возникнуть между Глу (1) и Сер (5), Гли (1) и Лиз (5), Ала (1) и Фен (5) рассматриваемой полипептидной цепи. Поскольку α -спираль образуется из одного типа звеньев,

ее размеры довольно постоянны, один виток включает 3, 7 аминокислотных остатков, расстояние между отдельными витками 5, 44 А. Если бы α -спираль была единственным типом вторичной структуры белков, то они были бы жесткими, палочкообразными образованиями. Но так как полипептидные цепи обладают достаточной гибкостью, следует заключить, что α -спираль составляет лишь отдельные участки полипептидной цепи. Отклонение от α -спиральной формы может вызываться различными факторами, в частности, наличием пролина, оксипролина и валина в пептидной цепи. После образования пептидной связи в остатках пролина и оксипролина отсутствует амидный водород, и они не могут участвовать в образовании водородных связей.

Кроме внутрицепочечных существуют водородные связи, возникающие между различными цепями (межцепочечные водородные связи). Они стабилизируют другой вид вторичной структуры, так называемую структуру складчатого листа или β -конформацию. Она возникает между антипараллельными цепями, которые создают наиболее благоприятные условия для образования водородных связей между ними.

β -конформация найдена в β -кератине и в фибрионе желтка. Под третичной структурой белков понимают суммарную конформацию или пространственную упорядоченность отдельных участков полипептидных цепей в целом.

В то время как вторичная структура белка определяется водородными связями, многочисленные изгибы полипептидной цепи, придающие белкам третичную структуру, зависят не только от пептидных и водородных связей, но и от других типов взаимодействия, а именно электростатических взаимодействий между карбоксильными группами и аминогруппами, не участвующими в образовании пептидных связей: дисульфидных связей в цистине, гидрофобных взаимодействий.

Основные виды взаимодействий, фиксирующие вторичную и третичную структуры пептидов и белков в свободном виде, представлены ниже.

Для проявления биологической активности некоторые белки должны образовывать четвертичные структуры – макрокомплекс, состоящий из нескольких белковых молекул. При этом каждый белок является как бы мономером, а четвертичная структура определяет степень ассоциации таких мономеров в биологически активном материале.

Задача № 4. Приведите схему строения биологически активных нуклеопротеидов.

Эталон решения. До сих пор рассматривались белки, состоящие только из аминокислот. Такие белки называются простыми или протеинами. В состав сложных белков – протеидов, кроме аминокислот, входят вещества небелковой природы, так называемые простатические группы – углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и т.д.

К наиболее важным в биологическом отношении белковым веществам относятся нуклеопротеиды – с ними связаны процессы деления клеток, хранение и передача наследственных свойств.

В животных организмах встречаются два типа нуклеопротеидов: рибонуклеопротеиды (РНП) и дезоксирибонуклеопротеиды (ДНП). Около 50% массы нуклеопротеида составляет белок. При взаимодействии молекул ДНК и РНК с белковыми молекулами связывающую роль играют фосфорная кислота и аминогруппы диаминокислот.

Примером сложных белков (хромопротеидов) является гемоглобин. В его состав в качестве небелковой части входит гем. Белковая часть – глобин – содержит четыре полипептгидные цепи. Связь гема с пептидной цепью осуществляется ионом железа, который координационно связан с остатком гистидина пептидной цепи:

Хромопротеидами являются также миоглобин – белок мышечной ткани, ферменты: каталаза, пероксидаза и т.д. Большинство хромопротеидов содержат в своем составе какой-либо металл (железо, медь, молибден и др.). Металлопротеиды играют важную роль в процессах биологического окисления в тканях.

В гликопротеидах в качестве простетических групп содержатся различные производные углеводов: Д-глюкозамин, Д-глюкуроновая кислота; в липотропеидах – жиры, фосфатиды, стерины. Образование комплекса белков с липидами способствует растворимости последних и обусловливает транспортировку их в тканях.

Вопросы и упражнения

№ 1

1. Покажите образование водородной связи между Ала и соответствующими аминокислотными остатками (с написанием их формул) в фрагменте спирали белковой молекулы Гли-Ала-Вал-Иле-Тир-Вал.

2. Напишите строение трипептида Гис-Три-Лиз и определите область рН среды, в которой находится его изоэлектрическая точка.

3. Приведите пример образования дисульфидного мостика, стабилизирующего третичную структуру белковой молекулы.

№ 2

1. Чем обусловлена первичная структура белка?

2. Напишите строение трипептида Гли-Вал-Фен и определите область рН среды, в которой находится его изоэлектрическая точка.

3. Приведите строение пептидной связи.

№ 3

1. Представьте схематично вид α -спирального участка в белковой молекуле.

2. Напишите строение трипептида γ -Глу-Цис-Гли. В какой области рН среды находится его изоэлектрическая точка?

3. Чем обусловлено гидрофобное взаимодействие в белках?

№ 4

1. Представьте схематично вид β -структурного участка белковой цепи.

2. Напишите схему синтеза дипептида Вал-Ала.

3. Приведите схему взаимодействия гема с гистидиновым остатком.

№ 5

1. Какой вид взаимодействия фиксирует вторичную структуру белковой цепи?

2. Напишите схему синтеза дипептида Вал-Тир.

3. Приведите наиболее выгодную конформацию полипептидной цепи.

№ 6

1. Какое число аминокислотных остатков приходится на один шаг спирали? Между какими из них по счету образуются водородные связи?

2. Приведите строение трипептида Гли-Фен-Мет.

3. Какова природа связей обусловливающих третичную структуру белка?

№ 7

1. Дайте определение третичной структуры белков.

2. Напишите схему синтеза дипептида Ала-Вал.

3. Дайте характеристику глобулярных и фибриллярных белков.

№ 8

1. Представьте схематично вид α -спирального и β -структурного участков полипептидной цепи. Какими видами взаимодействия определяется их стабилизация?

2. Напишите строение трипептида Вал-Ала-Гли. Укажите рН среды в изоэлектрической точке.

3. Чем обусловлена четвертичная структура белков?

№ 9

1. Разберите образование водородных связей в полипептидных цепях с участием Вал, Гли, Тир.

2. Напишите строение трипептида Лей-Глу-Цис.

3. Объясните механизм денатурации белка.

№ 10

1. К какому типу взаимодействия могут приводить пространственно сближенные аминокислотные остатки двух молекул цистеина?

2. Напишите строение трипептида Арг-Сер-Гли. В какой области рН среды находится ИЭТ трипептида?

3. Схематично представьте водородные связи, определяющие α -спираль.

№ 11

1. Представьте пример нарушения третичной структуры белковой молекулы, стабилизированной дисульфидными мостиками.

2. Приведите схему образования дипептида Вал-Сер.

3. Какое число аминокислотных остатков приходится на один шаг спирали, между какими из них по счету образуются водородные связи?

№ 12

1. К какому виду взаимодействия могут приводить пространственно сближенные аминокислотные остатки двух молекул аланина?

2. Напишите строение трипептида Тре-Асп-Вал.

3. Объясните механизм денатурации белка.

№ 13

1. К какому виду взаимодействия могут приводить пространственно сближенные аминокислотные остатки лизина и аспарагиновой кислоты?

2. Приведите схему образования дипептида Гли-Тир.

3. Схематично представьте водородные связи, определяющие α -конформацию белков.

№ 14

1. Дайте определение вторичной структуры белка. Схематично представьте вид α -спирального и β -структурного участков цепи.

2. Напишите строение трипептида Тре-Гли-Ала.

3. Напишите схему взаимодействия АТФ с тирозином. С каким концом мРНК будет взаимодействовать полученный аминоациладенилотный комплекс (в схеме реакции используйте структуру концевого нуклеотида)?

№ 15

1. К какому виду взаимодействия могут приводить пространственно сближенные молекулы лизина и глутаминовой кислоты?

2. Приведите схему образования дипептида Гли-Тир.

3. Приведите схему окислительно-восстановительных реакций между пространственно сближенными остатками цистеина в полипептидной цепи.