ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Особенности строения аминокислот и олигопептидов из "Пептидная саморегуляция живых систем Факты и гипотезы" Как известно, белки состоят из а-аминокарбоновых кислот, обычно называемых аминокислотами. Их структуры представлены в любом учебнике биохимии или справочнике. В растительном и животном мире к настоящему времени обнаружено более 100 аминокислот различного строения, но только 20 из них кодируются генетическим кодом, т. е. для каждой из этих 20 аминокислот имеется определенное сочетание нуклеотидных звеньев (кодонов), которое определяет место аминокислоты в полипептидной цепи при рибо-сомальном синтезе. В настоящей монографии мы рассмотрим только кодируемые аминокислоты, которые составляют основу биологических процессов на Земле. Их строение имеет определенные пространственные и электрохимические особенности. [c.17] Измерение гидрофобности органических соединений имеет давнюю традицию, так как фармакологи еще в начале XX в. отмечали корреляцию между гидрофобностью и физиологической активностью токсинов, нейролептиков и наркотических веществ. Предполагалось, что липидные структуры клеточных мембран и миелиновые структуры нервных волокон представляют собой неполярную фазу, куда с высокой селективностью распределяются гидрофобные молекулы. Только позднее Л. Полинг предположил, что в осуществлении физиологических межмолекулярных взаимодействий определяющую роль играет структура гидратационной воды (Pauling, 1961). [c.22] В настоящее время экспериментально установлено, что вода — неотъемлемый участник всех биологических процессов на Земле. Структура и подвижность воды составляют основу подвижности всех других компонентов живых систем. Среднее весовое содержание воды в кпетках млекопитающих составляет 70 % на долю белков и фосфолипидов приходится 18 и 3 % соответственно. На все остальные компоненты живой клетки приходится только 9 % ее веса. [c.22] Молекула воды имеет геометрию практически равнобедренного треугольника. Расстояния между ядром атома кислорода и протонами равно 0.96 А. Кристаллографический диаметр молекулы воды равен 2.8 А. В жидкой воде каждая молекула воды связана с двумя соседними, как это представлено на рис. 1, В—Д. Центральный атом кислорода участвует в четырех водородных связях в двух из них он донор электронов, в двух других — акцептор. Угол в системе О- -Н—О близок к 180°. Такая структура определяет высокую полярность молекулы воды ее собственный дипольный момент равен 1.84 Д. [c.22] Для каждого типа таких клатратных соединений имеется критическая температура, выше которой они разрушаются, как бы плавятся, и этот фазовый переход наблюдается как эндогенный термический эффект при дифференциальном термическом анализе. [c.23] В конце 50-х годов Полинг показал, что вода может формировать комплексные соединения с углеводородами (например, СН4 6Н2О) и с углеводородными частями биологически активных молекул, в частности с анальгетиками. Ему принадлежит гипотеза о том, что сочетание полярной (или электрически заряженной) группы с гидрофобными частями молекулы лежит в основе взаимодействия анальгетиков и нейротоксинов с клеточными мембранами (Pauling, 1961). [c.23] Изучение динамики гидратационной воды около участков молекулы с разной полярностью позволяет определить фаницы областей гидратной оболочки, различающихся ориентацией и плотностью упаковки молекул воды (ОкоисН е1 а ., 2002). [c.24] Однако экспериментально можно определить только две константы ионизации А , = А , + Д я карбоксильных групп К2 = 3 4 / 3 + 4 — для аминогрупп. [c.25] Расчеты, выполненные на основе данных потенциометрического титрования глицина, показывают, что в зависимости от пути ионизации молекулы (изменение pH от кислых значений к щелочным или наоборот) микроскопические константы диссоциации аминогруппы к2 и к ) различаются на два порядка. Изменение ионизации той или иной группы влияет на взаимодействие этой группы с ближайшим окружением, меняя соотношение клатратной и гидратной структур в связанной воде. [c.25] Физико-химические свойства аминокислот и их полифункциональность важны для осуществления многочисленных регуляторных функций этих веществ в живых организмах. Индивидуальные аминокислоты, их производные (пептиды) и продукты метаболизма (аммиак, мочевина, ароматические амины) служат, в частности, медиаторами нервных окончаний, сигналами связи с внешней средой, ингибиторами отдельных биохимических реакций, являются адаптогенами и основой для синтеза нейропептидов и гормонов (Кричев-ская и др., 1983). Плазма крови представляет собой их депо и обеспечивает транспорт аминокислот к определенным органам. [c.25] Фонд свободных аминокислот в клетках живых организмов имеет эволюционную, органную и тканевую специфичность. Например, аминокислотный состав мозга существенно отличается от состава других органов и тканей присутствием избыточного количества дикарбоновых кислот и их амидов они составляют две трети от общего количества аминокислот в мозге всех видов животных. Глутамин, аспарагин и их остатки в составе пептидов в организме неферментативно гидролизуются до соответствующих дикарбоновых кислот. В связи с этим важно отметить, что белки молодых клеток характеризуются более высокой степенью амидированности, чем белки стареющих клеток (Пушкина, 1977). [c.25] Четыре ароматические аминокислоты — гистидин, тирозин, фенилаланин и триптофан обладают повышенной химической активностью боковых групп. Она определяется системой сопряженных связей и делокализованных электронов и способностью этих групп участвовать в реакциях нуклеофильных и электрофильных замещений. Ароматические аминокислоты составляют основу многих биологически активных производных гормонов, медиаторов, коферментов. [c.25] А — преобразование триптофана серотонин — нейромедиатор, возбуждающий пост-ганглионарные нервные волокна мелатонин — гормон эпифиза мексамин — радиопротектор. Б — преобразование гистидина в гистамин — биологически активный амин, обладающий гормональным действием и медиаториыми функциями. [c.26] На рис. 2 представлены примеры таких превращений триптофана и гистидина. [c.26] Гистидин также является незаменимой аминокислотой. Его регуляторные функции определяются химическими свойствами боковой группы — имидазола. В частности, эта группа участвует в окислительно-восстановительных реакциях и способна устанавливать координационные связи с переходными металлами. В свободном состоянии гистидин содержится в тканях в очень низкой концентрации. В то же время он входит в каталитические (активные) центры многих ферментов (рибонуклеаза, химотрипсин, конвертаза) и регуляторных пептидов (карнозин, гистатин, нейрокинины) благодаря донорно-акцепторным свойствам своей имидазоль-ной группы. Декарбоксилирование гистидина приводит к образованию гистамина — медиатора, который регулирует сосудистое давление, проницаемость капилляров и аллергические реакции. Как медиатор гистамин имеет три вида клеточных рецепторов, в том числе в клетках головного мозга. [c.27] Иначе говоря, диапазон регуляторных функций аминокислот и их производных обеспечивается их физико-хими-ческой полифункциональностью и участием в обратимых биохимических реакциях. [c.27] Как уже указывалось, аминокислоты в водной среде являются биполярными ионами, и образование между ними пептидной связи в водных растворах оказывается термодинамически невыгодным процессом. Синтез пептидов традиционно проводят в органических растворителях после предварительной защиты тех групп, которые не участвуют в образовании пептидной связи. В зависимости от длины и компонентного состава полипептида выбирается оптимальная стратегия его синтеза жидкофазный, твердофазный или рекомбинантный (Andersson et al., 2000). [c.27] Однако при объединении аминокислот в молекулу пептида для каждой частной аминокислотной последовательности складывается индивидуальное соотношение гидро-фильности и гидрофобности боковых групп пептида (Albeits et al., 1994). [c.28] Пространственное распределение разноименных электрических зарядов и дипольный момент пептидной связи, равный 3.5 Д, определяют постоянный дипольный момент и высокую поляризуемость пептида. Благодаря этим приобретенным свойствам дипептиды имеют более широкий спектр энергетических состояний, чем индивидуальные аминокислоты, что, однако, компенсируется уменьшением пространственных степеней свободы системы. Каждая из простых молекул имеет в растворе 6 степеней свободы движения 3 вращательные и 3 поступательные. Две не взаимодействующие друг с другом аминокислоты имеют 12 степеней свободы при их объединении в один дипептид число степеней свободы уменьшается до 6. С точки зрения статистической термодинамики, это равнозначно увеличению порядка в системе и соответствующему уменьшению энтропии. [c.28] Следует отдельно остановиться на принципиально новом качестве, которое приобретают аминокислоты, объединяясь в полипептидную цепь. Это качество — комплементарность подвижных конформаций. [c.29] Вернуться к основной статье