СТРОЕНИЕ ПЕПТИДОВ И БЕЛКОВ. ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ПЕПТИДОВ

СТРОЕНИЕ ПЕПТИДОВ И БЕЛКОВ. ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ПЕПТИДОВ
До середины XX в. считалось, что пептиды не являются самостоятельным классом
органических соединений, а представляют собой продукты неполного гидролиза белков, которые
образуются в ходе переваривания пищи, в технологическом процессе или при хранении пищевых
продуктов. И только после того как В. Дю Виньо (1953) определил последовательность остатков
аминокислот двух гормонов задней доли гипофиза — окситоцина и вазопрессина — и воспроизвел
их синтез химическим путем, появилась новая точка зрения на физиологическую роль и значение
данной группы соединений. Сегодня обнаружено большое количество пептидов, которые
обладают индивидуальной последовательностью аминокислот и даже не встречаются в
гидролизатах природных белков.
Пептиды имеют невысокую молекулярную массу, широкий набор аминокислотных остатков (в
их состав входят, например, D-аминокислоты) и структурные особенности (циклические,
разветвленные). Названия пептидов образуются из названий аминокислотных остатков путем
последовательного их перечисления, начиная с ЫН2-концевого остатка, с добавлением суффикса ил, кроме С-концевой аминокислоты, название которой остается без изменений. Например:
В природе существует два вида пептидов, один из которых синтезируется и выполняет
физиологическую роль в процессе жизнедеятельности организма, другой образуется за счет
химического или ферментативного гидролиза белков в организме или вне его. Пептиды,
образующиеся в процессе гидролиза вне организма (in vitro), широко используются для анализа
аминокислотной последовательности белков. С помощью пептидов расшифрована
аминокислотная последовательность фермента лизоцима, гормона поджелудочной железы
инсулина (Сэнджер), нейротоксина яда кобры (Ю. Овчинников и др.), аспартатаминотрансферазы
(А. Браунштейн и др.), пепсиногена и пепсина (В. Степанов и др.), лактогенного гормона быка (Н.
Юдаев) и других биологически активных соединений организма.
Ферментативное образование пептидов происходит в желудочно-кишечном тракте человека в
процессе переваривания белков пищи. Оно начинается в желудке под действием пепсина,
гастриксина и заканчивается в кишечнике при участии трипсина, химотрипсина, амино- и карбоксипептидаз. Распад коротких пептидов завершается ди- и трипепти-дазами с образованием
свободных аминокислот, которые расходуются на синтез белков и других активных соединений.
Гидролиз белка в желудочно-кишечном тракте обеспечивает структуру радикалов концевых аминокислот, зависящую от места приложения фермента (свойство специфичности). Так, при разрыве
белка пепсином пептиды в качестве N-KOH-цевых аминокислот содержат фенилаланин и тирозин,
а в качестве С-концевых — глутаминовую кислоту, метионин, цистин и глицин. Пептиды,
образующиеся из белка при участии трипсина, в качестве С-конце-вых аминокислот содержат
аргинин и лизин, а при действии химотрипсина — ароматические аминокислоты и метионин.
Для многих природных пептидов установлена структура, разработаны методы синтеза и
установлена их роль. На рис. 2.8 отображены физиологическое значение и функциональная роль
наиболее распространенных групп пептидов, от которых зависят здоровье человека и
органолептичес-кие и санитарно-гигиенические свойства пищевых продуктов.
Пептиды-буферы. В мышцах различных животных и человека обнаружены дипептиды —
карнозин и ансерин, выполняющие буферные функции за счет входящего в их состав
имидазольного кольца гисти-дина. Отличительной особенностью пептидов является присутствие в
них остатка р-аланина:
Синтез ди пептидов-буферов осуществляется по схеме без участия рибосом:
Карнозин и ансерин являются составной частью экстрактивных веществ мяса. Содержание их в
последнем достигает 0,2-0,3% от сырой массы продукта.
Пептиды-гормоны. Гормоны — вещества органической природы, вырабатываемые клетками
желез внутренней секреции и поступающие в кровь для регуляции деятельности отдельных
органов и организма в целом. Гормоны окситоцин и вазопрессин выделяются задней долей
гипофиза (придаток мозга). Они содержат по 9 аминокислотных остатков, одну дисульфидную
связь и на С-конце — амидную группу —CONH2:
Регуляторная функция обоих гормонов заключается в стимуляции сокращения гладкой
мускулатуры организма и секреции молока молочными железами. Различия в природе остатков
аминокислот в положении 3 и 8 дополнительно наделяют вазопрессин способностью регулировать
водный баланс, осмотическое давление в крови и стимулировать процессы запоминания.
Гормоны гипоталамуса, в котором эндокринный аппарат взаимодействует с высшими отделами
ЦНС, являются низкомолекулярными пептидами. Так, тиролиберин представлен трипептидом,
состоящим из пи-роглутаминовой (циклической) кислоты, гистидина и пролинамида (Пи-роглу —
Гис — Про —1 NH2), люлиберин является декапептидом (Пиро-глу — Гис — Три — Сер — Тир
— Гли — Лей — Apr — Про — Гли — NH2), а соматостатин — циклическим тетрадекапептидом:
Гипоталамические гормоны участвуют в процессе высвобождения гормонов передней доли
гипофиза. Тиролиберин, например, контролирует освобождение тиротропина — гормона,
принимающего участие в регуляции деятельности щитовидной железы, соматостатин регулирует
активность гормона роста (соматропина), а люлиберин участвует в регуляции выделения
лютропина — гормона, влияющего на деятельность половых органов. Многие из гормонов
(окситоцин, тиролиберин, пролак-тин — гормон передней доли гипофиза и гонадолиберин —
гормон гипоталамуса) присутствуют в молоке жвачных животных и кормящих матерей.
Известен пептидный гормон меланотропин (МСГ), выделяемый в кровь промежуточной долей
гипофиза. Одноцепочный пептид стимулирует образование пигмента, обуславливающего цвет
глаз, кожи, волос. Различают две разновидности МСГ: а-МСГ, состоящий из 13 остатков
аминокислот, и |3-МСГ, в состав которого у человека входит 22 аминокислотных остатка.
Панкреатический глюкагон, выделенный в 1948 г. в кристаллическом состоянии из
поджелудочной железы человека, состоит из 29 остатков аминокислот. Он обладает двойным
действием: ускоряет распад гликогена (гликогенолиз) и ингибирует синтез его из УДФ-глюкозы.
Гормон активирует липазу, стимулируя процесс образования жирных кислот в печени.
Нейропептиды. В последние годы в отдельную группу выделяют более 50 пептидов,
содержащихся в мозге человека и животных. Эти вещества определяют реакции поведения
(боязнь, страх), влияют на процессы запоминания, обучения, регулируют сон, снимают боль.
Нейропептиды, называемые эндорфинами и энкефалинами, являются производными (3липотропного гормона гипофиза, состоящего из 91 остатка аминокислот, р-Эндорфин
представляет фрагмент гормона с 61-го по 91-й, у-эндорфин — с 61-го по77-й,а ос-эндорфин — с
61-го по 76-й остаток аминокислот. Энкефалины являются пентапептидами следующего строения:
Во всем мире сегодня интенсивно проводятся работы по выделению и изучению
нейропептидов, целью которых является получение искусственным путем биологически активных
соединений для использования их в качестве лекарств.
Вазоактивные пептиды. К группе пептидов, оказывающих влияние на тонус сосудов
(вазоактивные), относятся брадикинин, кал-лидин и ангиотензин. Первый пептид содержит 9
остатков аминокислот, второй — 10, а третий — 8. Все они синтезируются из неактивных белковых предшественников в результате процесса посттрансляционной модификации. Например,
ангиотензин, обладающий сосудосуживающими свойствами, образуется из белка сыворотки
ангиотензиногена при последовательном действии протеолитических ферментов:
Пептидные токсины. Пептидную природу имеет ряд токсинов, вырабатываемых
микроорганизмами, ядовитыми грибами, пчелами, змеями, морскими моллюсками и скорпионами.
Идентифицировано 5 энтеротоксинов, продуцируемых бактериями Staphylococcus aureus (А, В, С,
D и Е) и 7 нейротоксинов (от А до G), вырабатываемых Clostridium botulinum. Стафилококковые
токсины, имея в своем составе 239—296 остатков аминокислот, отличаются по значению
изоэлектри-ческой точки, коэффициентам диффузии и седиментации. Токсины могут стать
причиной пищевого отравления при употреблении молочных, мясных, рыбных, жидких яичных
продуктов, а также салатов и кремовых начинок мучных кондитерских изделий при условии
несоблюдения правил санитарно-гигиенической обработки и хранения последних. Ботулинические токсины относятся к наиболее сильнодействующим ядам и часто вызывают
смертельные пищевые отравления при использовании овощей, рыбы, фруктов и приправ, не
обработанных в соответствии с нормами. Молекулярная масса, например, токсина Е — 350 кД,
токсина А — несколько больше. Эти токсины инактивируются при температуре выше 80"С и в
кислой среде.
Энтеротоксины могут вырабатываться и бактериями Salmonella и Clostridium perfringens,
являясь при этом причиной расстройства работы кишечника, обморочных состояний и лихорадки
(брюшного тифа). Продуцируются энтеротоксины чаще в продуктах животного происхождения
(говядина, птица, сыр, рыба), чем растительного (фасоль, оливы). Наиболее хорошо изучен
энтерогоксин С. perfringens с молекулярной массой 36 кД и изоэлектрической точкой 4,3. Токсин
содержит 19 остатков аминокислот, среди которых преобладают аспарагиновая кислота, лейцин и
глутаминовая кислота. Ухудшая транспорт электролитов и глюкозы, данный токсин вызывает
гибель клеток кишечника.
Ядовитый гриб бледная поганка содержит около 10 циклических пептидов с молекулярной
массой около 1000. Типичным представителем их является особо ядовитый токсин а-аманитин. К
токсичным компонентам яда пчел, оказывающим сильное влияние на ЦНС, относится апамин,
состоящий из 18 аминокислотных остатков, а морских моллюсков — конотоксин, содержащий 13
остатков:
Пептиды- антибиотики. Представителями данной группы пептидов являются грамицидин S —
циклический антибиотик, синтезируемый бактериями Bacillus brevis, и сурфактин —
поверхностно-активный (содержащий сложноэфирную связь) антибиотик, синтезируемый
бактериями Bacillus subtilius. Оба антибиотика эффективны при борьбе с инфекционными
заболеваниями, вызываемыми стрептококками и пневмококками:
Грамицидин способен быть ионофором, то есть переносчиком ионов К+ и Na+ через мембраны
клеток.
Структурной основой антибиотиков, выделяемых плесневыми грибами Penicillium, является
дипептид, построенный из остатков D-валина и цистина:
Антибиотики группы пенициллина эффективны при борьбе с инфекциями, вызываемыми
стафилококками, стрептококками и другими микроорганизмами.
Вкусовые пептиды. Наиболее важными соединениями этой группы являются сладкие и горькие
пептиды. В производстве мороженого, кремов в качестве подсластителей или усилителей вкуса
используется аспартам, представляющий собой метиловый эфир L-a-аспартил-L-фенилаланина:
Аспартам слаще сахарозы в 180 раз, однако при длительном хранении и тепловой обработке
сладость уменьшается. Подсластитель противопоказан больным фенилкетонурией. Пептиды
горького вкуса образуются при распаде белков в сырах и молоке при участии протеаз молочнокислых бактерий. Они представляют собой низкомолекулярные гидрофобные соединения,
содержащие от 2 до 8 остатков аминокислот полипептидных цепей а5-казеина и р-казеина. Многие
из горьких пептидов содержат N-концевую циклизованную глутаминовую кислоту. По мере гидролиза пептидов горький вкус таких соединений обычно исчезает.
Протекторные пептиды. Одним из наиболее распространенных соединений с протекторными
свойствами является трипептид глу-татион (у-глутамилцистеинилглицин). Глутатион содержится
во всех животных, растениях, бактериях, однако наибольшее его количество встречается в
дрожжах и зародыше пшеницы. Вступая в окислительно-восстановительные реакции, глутатион
выполняет функцию протектора, предохраняющего свободные —SH группы от окисления.
Он принимает на себя действие окислителя, «защищая» тем самым белки или, например,
аскорбиновую кислоту. При окислении глутатиона образуется межмолекулярная дисульфидная
связь:
Глутатион принимает участие в транспорте аминокислот через мембраны клеток,
обезвреживает соединения ртути, ароматические углеводороды, перекисные соединения,
предотвращает заболевание костного мозга и развитие катаракты глаз.
Восстановленная форма глутатиона, входящая в состав хлебопекарных дрожжей, особенно
долго хранившихся, или муки из проросшего зерна, понижает упругие свойства клейковины и
ухудшает качество пшеничного хлеба. Дезагрегирующее действие восстановленного глутатиона
на белки клейковины может осуществляться как без разрыва пептидных связей, так и с их
разрывом. Дезагрегация белков без разрыва пептидных связей происходит при участии НАДФН2содержащего фермента глутатионредуктазы:
а с разрывом — в присутствии тиоловых протеиназ, активный центр которых содержит
сульфгидрильные группы:
Разрыв пептидных связей в белках под действием активированных протеиназ приводит к
ухудшению реологических свойств теста и качества хлеба в целом.
Пептиды, имеющие достаточно высокую молекулярную массу (более 5000 Да) и выполняющие
ту или иную биологическую функцию, называются белками. Под первичной структурой белков
понимают последовательность аминокислот в полипептидной цепи и положение дисуль-фидных
связей, если они имеются. Последовательность аминокислотных остатков в цепи реализуется за
счет пептидной связи. Пептидная связь имеет частично двойной характер, так как расстояние
между —N Н и —СО группами в ней занимает промежуточное (1,32А) положение между расстояниями одинарной (1,49А) и двойной (1,21 к) связей. Кроме того, группы R чередуются по обе
стороны пептидной связи, следовательно, наблюдается транс изомерия. Расстояния между
другими атомами и углы в структуре полипептидных цепей представлены на рис. 2.9.
Многие белки состоят из нескольких полипептидных цепей, соединенных между собой дисульфидными связями. Образование дисульфид-ных мостиков —S—S— возможно и между двумя
остатками цистеина, находящимися в одной полипептидной цепи. Примером могут служить основные белковые фракции клейковины: глиадин и глютенин пшеницы (см. Белки злаков).
Определение последовательности аминокислот в белках представляет интерес по двум причинам. Во-первых, эти данные необходимы для выяснения молекулярной основы биологической
активности и, во-вторых, для установления тех принципов, на основе которых формируются те
пространственные структуры, от которых зависят физико-химические, питательные и
функциональные свойства белков, определяющие их усвояемость, переваривание, качество
пищевых продуктов, поведение в ходе технологических потоков и хранения. Для определения
первичной структуры белка сначала разрывают
дисульфидные связи, затем определяют аминокислотный состав, N-KOH-цевую и С-концевую
аминокислоты и порядок соединения аминокислот друг с другом. Разрыв дисульфидных —S—S—
связей осуществляют сильным окислителем (надмуравьиной кислотой) или восстановителем, а
аминокислотный состав определяют после гидролиза пептидных связей 6 н раствором НС1 при
110°С в течение 24 ч в вакууме. Для анализа триптофана проводят щелочной гидролиз, так как в
кислой среде данная аминокислота разрушается. Смеси аминокислот, полученные в результате
гидролиза, фракционируют хроматографией на катионообменной смоле и идентифицируют (см.
Качественное и количественное определение белка).
Порядок соединения аминокислотных остатков друг с другом определяют химическими (метод
Эдмана) и ферментативными методами. Ферментативные методы основаны на свойстве
специфичности ферментов. Так, трипсин разрывает молекулу на уровне карбоксильных групп
лизина и аргинина, химотрипсин — карбоксильных групп ароматических аминокислот:
Для анализа последовательности аминокислотных остатков исходный материал делят на три
части, одну из которых обрабатывают холодной НС1, другую — трипсином, третью —
химотрипсином. Полученные смеси пептидов анализируют по аминокислотному составу и
обрабатывают, наконец, экзопептидазами (амино- и карбоксипептидазами). Результаты
суммируют с учетом того, что разрыв пептидов происходит в определенных местах цепи. Ниже
иллюстрируется аминокислотная последовательность пептида из 25 первых аминокислот а2- и у,глиадинов пшеницы, расшифрованная таким образом для американского сорта Понка:
Полипептидная цепь белковой молекулы не лежит в одной плоскости. Полинг и Кори показали,
что многие белки имеют конфигурацию о>спирали, которую легко можно представить в виде
спирали, идущей по поверхности воображаемого цилиндра. Такая структура устойчива благодаря
большому количеству водородных связей между —СО и —NH груп-
пами пептидных связей. Водородные связи возникают между ковалентно связанным атомом
водорода, несущим небольшой положительный заряд, и соседним атомом, обладающим незначительным отрицательным зарядом (кислородом, азотом). Некоторые фибриллярные белки (ркеротин, фиброин шелка) образуют р*-конформацию, представляющую как бы ряд листков,
расположенных под углом друг к другу (рис. 2.10).
Наряду с большим количеством водородных связей в стабилизации вторичной структуры белка
принимают участие другие относительно слабые связи: электростатические и гидрофобные.
Энергия этих связей мала по сравнению с энергией ковалентных пептидных и ди-сульфидных
связей, однако благодаря своей многочисленности они обеспечивают устойчивость макромолекул
и позволяют образовывать активные комплексы (фермент—субстрат, антиген—антитело,
репрессор—ДНК). Природа таких связей приведена на рис. 2.11.
Между двумя противоположно заряженными полярными группами, например, боковыми
цепями аспарагиновой и глутаминовой кислот и положительно заряженным протони-рованным
основанием (остатки аргинина, лизина, гистидина), осуществляются электростатические
притяжения. Они более прочные, чем водородные связи. Гидрофобные связи возникают при
участии групп —СН2, —СН3 ва-лина, лейцина или ароматического кольца фенил-аланина. Они
представляют собой скопление заряда, обусловленного выталкиванием воды из пространства при
близком взаимном расположении неполярных групп.
Регулярную вторичную структуру пептидных связей обеспечивают водородные связи, тогда
как другие слабые силы участвуют в ней в меньшей степени. Слабые силы имеют большее
значение в формировании третичной структуры белка. Впервые третичная структура уста-
Рис. 2.11. Слабые связи:
Водородные: 1 — между пептидными группами; 2 — между кислотами и спиртами (серии); 3 — между фенолом и имидазолом.
Электростатические: 4 — между основаниями (аргинин, лизин) и кислотами (глутаминовая, аспарагиновая). Гидрофобные: 5 — при участии лейцина,
изолейцина, валина, аланина;
6 — с участием фенилаланина
новлена для миоглобина, затем для гемоглобина крови. В данной структуре белка важную роль
играют изгибы, обусловленные присутствием аминокислоты пролин. В изгибах отсутствует
спирализованная структура. Общим признаком пространственного расположения остатков аминокислот в третичной структуре белков является локализация гидрофобных групп внутри
молекулы, гидрофильных — на ее поверхности.
Многие белки обладают четвертичной структурой. Она представляет собой комбинацию
субъединиц с одинаковой или разной первичной, вторичной и третичной структурой.
Субъединицы соединены друг с другом с помощью слабых нековалентных связей. Действия
мочевины, кислых и солевых растворов, детергентов часто приводят к диссоциации белка на
субъединицы и потере их биологической активности. Диссоциация может быть обратимой.
Примером белков с четвертичной структурой могут служить ферменты лактатдегидрогеназа и
глютаматде гид роге наза, содержащие, соответственно, четыре и восемь субъединиц.
Особенности химического строения боковых цепей аминокислотных остатков и расположение
их в пространстве определенным образом обеспечивают, при выполнении белками биологических
функций, компле-ментарность (соответствие) контактируемых поверхностей или поверхностей
белка с небелковыми соединениями по принципу «ключ к замку». Имеется ряд
экспериментальных доказательств относительно механизма формирования структуры молекулы
белка путем ассоциации а-спиралей и складчатых р-слоев (рис. 2.12). Этапы скручивания белка
включают формирование двух временно создающихся коротких а- или р-спиралей, которые затем
стабилизируются с образованием комплекса. Сформировавшиеся комплексы аа, рр, ар,
называемые единицами скручивания, далее выступают в роли самостоятельных центров,
способных к взаимодействию с другими элементами вторичной структуры. Задача заключается в
том, чтобы как можно полнее расшифровать тот путь, который приводит к формированию
функционально активной структуры белка в каждом конкретном случае.