Пептидная связь определение. Свойства пептидной связи. Способность к образованию водородных связей

Cодержание:

Польза аминокислот при силовых тренировках. Четыре группы, отражающие формирование структуры молекулы белка.

Белок представляет собой полимерную молекулу, в которой есть группа мономеров (то есть мелких элементов) – аминокислот. От того, какие аминокислоты формируют состав белка, а также от их чередования, зависят свойства и действие последнего. Всего в организме человека можно найти двадцать аминокислот, которые в различных сочетаниях встречаются в различном по своей конструкции белке. Условно все компоненты белковой молекулы можно рассматривать в качестве букв алфавита, на которых зафиксирован определенный объем информации. Только слово может свидетельствовать о каком-либо предмете или действии, а набор аминокислот – о функции конкретного белка, его возможностях и эффективности работы.

О пользе

Об особенностях и преимуществах столь полезных элементов написано сотни статей и книг. Почему бы и нет, ведь они действительно формируют наш организм, являются составляющими элементами белка и помогают развиваться во всех отношениях. К основным свойствам можно отнести:

• ускорение синтеза белка. Наличие в организме полного комплекса аминокислот способствует стимуляции выработки инсулина и активации mTor. Вместе эти механизмы способствуют запуску роста мышечной массы;
• источник энергии. Такие компоненты проходят по другому пути метаболизма и по своей функции отличаются от углеводов. В итоге организм получает большие объемы энергии и заполняется аминокислотным пулом. Итог – мышцы растут намного быстрее;
• подавление катаболических процессов. С их помощью можно навсегда забыть, что такое разрушение собственных мышц, ведь в организме всегда будет материал для построения новых белковых молекул;
• снижение жира. Полезная функция – помощь в образовании лептина, который способствует максимально быстрому сжиганию жировых отложений. Все это позволяет добиться максимального эффекта.

К полезным действиям аминокислотных групп можно также отнести участие в обмене азота в организме, восстановление поврежденных тканевых участков, обеспечение метаболических процессов, полноценное восстановление мышц, снижение уровня сахара в крови. Кроме этого, к полезным действиям можно отнести стимуляцию гормона роста, повышение выносливости, обеспечение организма необходимым объемом энергии, нормализацию обменных процессов, стимуляцию иммунной системы, нормализацию пищеварительного процесса, защиту от радиации и так далее.

Структура

Химики выделяют четыре основные группы, которые отображают суть структурного формирования молекулы столь необходимого и важного для человеческого организма компонента. Таких группы всего четыре и у каждой из них есть свои особенности формирования – первичная, вторичная, третичная и четвертичная. Рассмотрим эти нюансы более подробно:

Вывод

Вот мы вкратце и рассмотрели, как аминокислоты формируют столь необходимый человеку элемент.

Пептидная связь по своей химической природе является ковалентной и придает высокую прочность первичной структуре белковой молекулы. Являясь повторяющимся элементом полипептидной цепи и имея специфические особенности структуры, пептидная связь влияет не только на форму первичной структуры, но и на высшие уровни организации полипептидной цепи.

Для пептидной (амидной) группы свойственна оригинальная структура.

Все четыре атома – N,C,OиCрасполагаются в одной плоскости, что отвечаетsp 2 -гибридизации атомов углерода и кислорода карбонильной группы. Неподеленная пара электронов атома азота вступает в сопряжение с-электронами двойной связи карбонильной группы. В результате этого связь С–Nв пептидах и белках сильно укорачивается, а двойная связь С=О удлиняется. С позиций электронного строения пептидная группа представляет собой трехцентровую р––сопряженную систему, электронная плотность в которой смещена в сторону более электроотрицательного атома кислорода. При этом возникают высокие электронодонорные (атом =О) и электроноакцепторные свойства (атом Н при азоте), которые резко увеличивают способность этих атомов к образованию водородной связи, за счет которой возникает важнейшее свойство белков – образовывать структуры бесконечно разнообразных форм:

Каждая пептидная группа может образовывать по две водородные связи с другими группами, в том числе и пептидными. Исключением являются пептидные группы, образованные с участием аминокислот пролина или гидроксипролина, которые способны образовывать только одну водородную связь. Пептидная цепь на участке, где находятся пролин или гидроксипролин, легко изгибается, так как не удерживается, как обычно, второй водородной связью.

В результате того, что пептидная связь может существовать в кето-енольной форме (наличие плоской сопряженной системы),

вращение вокруг С–N-связи является запретным и все атомы, входящие в пептидную группу, имеют транс-конфигурацию. Цис-конфигурация является энергетически менее выгодной и встречается лишь в некоторых циклических пептидах.

В составе полипептидной цепи жесткие структурные элементы (плоские пептидные группы) чередуются с относительно подвижными участками (–СНR), которые способны вращаться вокруг связей, хотя такое вращение может быть весьма ограничено вследствие затруднений в пространственном размещении боковых радикалов (R) аминокислотных остатков. Таким образом, электронное и пространственное строение пептидной группы влияет на укладку полипептидной цепи в пространстве и, прежде всего, предопределяет формирование вторичной структуры белка.

1. Вторичная структура

Вторичная структура белков представляет собой способ укладки полипептидной цепи в упорядоченную форму за счет системы водородных связей, т.е. определяет пространственную ориентацию полипептидной цепи. Различают две формы вторичной структуры: спиральную ( -спираль), возникающую в пределах одной полипептидной цепи, ислоисто-складчатую ( -структура) – между смежными полипептидными цепями.

Хотя спиральная структура в полипептидных цепях белков обнаружена в виде отдельных участков, она придает молекуле белка достаточно высокую прочность, обуславливает в ней как ближний, так и дальний порядок сил, участвующих в создании водородных связей.

-Спираль учитывает все свойства пептидной связи, ее конфигурация имеет винтовую симметрию. Витки спирали регулярны; все аминокислотные остатки в остове спирали равнозначны независимо от строения их боковых радикалов, причем последние не участвуют в образовании -спирали. В одном витке-спирали находится 3,6 аминокислотных остатка. Спираль может быть описана последовательностью

с 13-ю атомами в кольце (R-остатки аминокислот), где О…Н – водородная связь.

Каждая пептидная группа образует водородную связь с четвертой от нее по счету пептидной группой.

-Спираль обеспечивает наименьшее напряжение связей, минимальные размеры незанятого пространства вблизи оси и минимальные размеры витка спирали. -Спираль впервые была обнаружена в кристаллическом гемоглобине, а позднее – почти во всех глобулярных белках.

Слоисто-складчатая структура (-структура) имеет слегка изогнутую конфигурацию у-углеродного атома полипептидной цепи и формируется с помощью межцепочечных водородных связей.

-Складчатые листы могут быть образованы параллельными (N-концы направлены в одну сторону) и антипараллельными (N-концы направлены в разные стороны) полипептидными цепями. Складчатые структуры были обнаружены во многих структурных белках (коллагене, кератине, фиброине шелка).

Совокупность -спиралей и-структур является важным критерием, по которому можно судить о степени упорядоченности структуры белковой молекулы, стабильности белков при действии физико-химических факторов сред.

На основании последних исследований глобулярных белков были установлены еще два уровня: сверхвторичная структура, характеризующая энергетически предпочтительные агрегаты вторичной структуры, идомены – части белковой глобулы, представляющие собой достаточно обособленные глобулярные области.

Сверхвторичная структура (суперспираль) – это ансамбли взаимодействующих между собой вторичных структур. Возникновение этих ансамблей указывает на то, что они предпочтительны с точки зрения либо кинетики процесса свертывания, либо выигрыша свободной энергии в уже свернутом белке. Суперспирализованная-спираль встречается в фибриллярных белках.

Под доменами принято понимать компактные автономные субобласти в составе белка, характеризующиеся минимальным отношением поверхности к объему, а также тем, что число функциональных связей в составе домена значительно превышает таковое по сравнению с соседними доменами. Как правило, домены выполняют определенные функции и поэтому их называютфункциональными доменами.

Пептидная связь — это прочное соединение между фрагментами двух аминокислот, которое лежит в основе образования линейных структур белков и пептидов. В таких молекулах каждая аминокислота (за исключением концевых) соединяется с предыдущей и последующей.

В зависимости от количества звеньев пептидные связи могут создавать дипептиды (состоят из двух аминокислот), трипептиды (из трех), тетрапептиды, пентапептиды и т. д. Короткие цепочки (от 10 до 50 мономеров) называют олигопептидами, а длинные — полипептидами и белками (мол. масса более 10 тыс. Да).

Характеристика пептидной связи

Пептидная связь — это ковалентное химическое соединение между первым атомом углерода одной аминокислоты и атомом азота другой, возникающее в результате взаимодействия альфа-карбоксильной группы (COOH) с альфа-аминогруппой (NH 2). При этом происходит нуклеофильное замещение OH-гидроксила на аминогруппу, от которой отделяется водород. В итоге образуется одинарная C-N связь и молекула воды.

Так как во время реакции происходит потеря некоторых компонентов (ОН-группы и атома водорода), звенья пептида называют уже не аминокислотами, а аминокислотными остатками. Из-за того, что последние содержат по 2 атома углерода, в пептидной цепи происходит чередование С-С и C-N-связей, которые формируют пептидный остов. По бокам от него располагаются аминокислотные радикалы. Расстояние между атомами углерода и азота варьирует от 0,132 до 0,127 нм, что свидетельствует о неопределенной связи.

Пептидная связь — это очень прочный вид химического взаимодействия. При стандартных биохимических условиях, соответствующих клеточной среде, она не подвергается самостоятельному разрушению.

Для пептидной связи белков и пептидов характерно свойство копланарности, поскольку все атомы, участвующие в ее образовании (C, N, O и H), располагаются в одной плоскости. Это явление объясняется жесткостью (т. е. невозможностью вращения элементов вокруг связи), возникающей в результате резонансной стабилизации. В пределах аминокислотной цепи между плоскостями пептидных групп находятся α-углеродные атомы, связанные с радикалами.

Типы конфигурации

В зависимости от положения альфа-углеродных атомов относительно пептидной связи последняя может иметь 2 конфигурации:

• "цис" (расположены с одной стороны);
• "транс" (находятся с разных сторон).

Транс-форма характеризуется большей устойчивостью. Иногда конфигурации характеризуют по расположению радикалов, что не меняет сути, поскольку они связаны с альфа-углеродными атомами.

Явление резонанса

Особенность пептидной связи заключается в том, что она на 40% двойная и может находится в трех формах:

• Кетольной (0,132 нм) — C-N-связь стабилизирована и полностью одинарна.
• Переходной или мезомерной - промежуточная форма, имеет частично неопределенный характер.
• Енольной (0,127 нм) — пептидная связь становится полностью двойной, а соединение С-О — полностью одинарным. При этом кислород приобретает частично отрицательный заряд, а атом водорода — частично положительный.

Такая особенность называется эффектом резонанса и объясняется делокализованностью ковалентной связи между атомом углерода и азота. При этом гибридные sp 2 -орбитали формируют электронное облако, распространяющееся на атом кислорода.

Формирование пептидной связи

Формирование пептидной связи — это типичная реакция поликонденсации, которая термодинамически невыгодна. В естественных условиях равновесие смещается в сторону свободных аминокислот, поэтому для осуществления синтеза требуется катализатор, активирующий или модифицирующий карбоксильную группу для более легкого ухода гидроксильной.

В живой клетке образование пептидной связи происходит в белоксинтезирующем центре, где в роли катализатора выступают специфические ферменты, работающие с затратой энергии макроэргических связей.

Пептидная связь образуется при реакции аминогруппы одной аминокислоты и карбоксильной группы другой с выделением молекулы воды:

СН 3 -СН(NH 2)-COOH + CH 3 - СН(NH 2)-COOH → СН 3 -СН(NH 2)-CO-NH-(CH 3) СН-COOH + H 2 O

Связанные пептидной связью аминокислоты образуют полипептидную цепь. Пептидная связь имеет плоскостную структуру: атомы С, О и N находятся в sp 2 -гибридизации; у атома N имеется р-орбиталь с неподеленной парой электронов; образуется р-p-сопряженная система, приводящая к укорочению связи С-N (0,132 нм) и ограничению вращения (барьер вращения составляет ~63 кДж/моль). Пептидная связь имеет преимущественно транс -конфигурацию относительно плоскости пептидной связи. Подобное строение пептидной связи сказывается на формировании вторичной и третичной структуры белка. Пептидная связь ‒ жесткая, ковалентная, генетически детерминированная. В структурных формулах изображается в виде одинарной связи, однако на самом деле эта связь между углеродом и азотом носит характер частично двойной связи:

Это вызвано различной электроотрицательностью атомов С, N и O. Вокруг пептидной связи вращение невозможно, все четыре атома лежат в одной плоскости, т.е. компланарны. Вращение же других связей вокруг полипептидного остова достаточно свободно.

Первичная структура была открыта профессором Казанского университета А.Я. Данилевским в 1989 г. В 1913 году Э. Фишером были синтезированы первые пептиды. Последовательность аминокислот для каждого белка уникальна и закреплена генетически.

Трипептид: глицилаланиллизин

Для определения первичной структуры отдельной, химически гомогенной полипептидной цепи методом гидролиза выясняют аминокислотный состав: соотношение каждой из двадцати аминокислот в образце гомогенного полипептида. Затем приступают к определению химической природы концевых аминокислот полипептидной цепи, содержащей одну свободную NH 2 -группу и одну свободную СООН-группу.

Для определения природы N-концевой аминокислоты предложен ряд методов, в частности, метод Сэнжера (за его разработку Ф. Сэнжер был удостоен Нобелевской премии в 1958 г.). Этот метод основан на реакции арилирования полипептида 2,4-динитрофторбензолом. Раствор полипептида обрабатывают 2,4-динитрофторбензолом, который взаимодействует со свободной α-аминогруппой пептида. После кислотного гидролиза продукта реакции только одна аминокислота оказывается связанной с реактивом в виде 2,4-динитрофениламинокислоты. В отличие от других аминокислот она имеет желтый цвет. Ее выделяют из гидролизата и идентифицируют методом хроматографии.

Для определения С-концевой аминокислоты часто используют ферментативные методы. Обработка полипептида карбоксипептидазой, которая разрывает пептидную связь с того конца пептида, где содержится свободная СООН-группа, приводит к освобождению С-концевой аминокислоты, природа которой может быть идентифицирована методом хроматографии. Существуют и другие методы определения С-концевой аминокислоты, в частности, химический метод Акабори, основанный на гидразинолизе полипептида.

Следующий этап работы связан с определением последовательности аминокислот в полипептиде. Для этого вначале проводят частичный (химический и ферментативный) гидролиз полипептидной цепи на короткие пептидные фрагменты, последовательность которых может быть точно определена. После гидролиза с помощью электрофореза и хроматографии составляют пептидные карты. Затем устанавливают последовательность аминокислот в выделенных пептидах и первичную структуру всей молекулы.

Способны соединяться между собой пептидными св. (образуется полимерная молекула).

Пептидная связь - между α-карбоксильной группой одной аминок. и α-аминогр.другой аминок..

При наименовании добавляют суффикс "-ил", последняя аминок. не изм. свое название.

(аланил-серил-триптофан)

Свойства пептидной связи

1. Трансположение радикалов аминокислот по отношению к С-N связи

2. Копланарность - все атомы, входящие в пептидную группу находятся в одной плоскости, при этом "Н" и "О" расположены по разные стороны от пептидной связи.

3. Наличие кетоформы(о-с=n) и енольной(о=с-т-н) формы

4. Способность к образованию двух водородных связей с другими пептидами

5. Пептидная связь имеет частично характер двойной связи, длина меньше чем одинарной связи, является жесткой структурой, вращение вокруг нее затруднено.

Для обнаружения белков и пептидов- биуретовая реакции(из голубого в фиолетовый)

4)ФУНКЦИИ БЕЛКОВ:

Структурные белки (коллаген, кератин),

Ферментативные (пепсин, амилаза),

Транспортные (трансферрин, альбумин, гемоглобин),

Пищевые (белки яйца, злаков),

Сократительные и двигательные (актин, миозин, тубулин),

Защитные (иммуноглобулины, тромбин, фибриноген),

Регуляторные (соматотропный гормон, адренокортикотропный гормон, инсулин).

УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ БЕЛКОВОЙ СТРУКТУРЫ

Белок – последовательность аминок., связанных друг с другом пептидными связями.

Пептид - аминок. не больше 10

Полипептид- от 10 до

Белок- более 40 аминок.

ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА -линейная молекула белка , образ. при соединении аминок. в цепь.

полиморфизм белков- может передаться по наследству и остаться в популяции

Последовательность и соотношение аминокислот в первичной структуре определяет формирование вторичной, третичной и четвертичной структур.

ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА- взаимод. пепт. групп с обр. водор. связей. Раз-ют 2 вида структур- укладка в виде каната и гормошки.

Два варианта вторичной структуры: α-спираль (α-структура или паралеьн.) и β-складчатый слой (β-структура или антипарал.).

В одном белке, как правило, присутствуют обе структуры, но в разном долевом соотношении.

В глобулярных белках преобладает α-спираль, в фибриллярных – β-структура.

Вторичная структура образуется только при участии водородных связей между пептидными группами: атом кислорода одной группы реагирует с атомом водорода второй, одновременно кислород второй пептидной группы связывается с водородом третьей и т.д.