5.5 Пространственное строение полипептидов и белков

Для высокомолекулярных полипептидов и белков наряду с первичной структурой характерны более высокие уровни организации, которые принято называть вторичной, третичной и четвертичной структурами.

Вторичная структура описывается пространственной ориентацией основной полипептидной цепи, третичная — трехмерной архитектурой всей белковой молекулы. Как вторичная, так и третичная структуры связаны с упорядоченным расположением макромолекулярной цепи в пространстве. Вторичная структура закрепляется, как правило, с помощью водородных связей между пептидными группами, довольно близко расположенными в цепи α-аминокислотных остатков. Ее основные виды — α-спираль и β-структура. Третичная структура (глобулярная или фибриллярная) стабилизируется не только водородными связями, но и другими видами взаимодействий, например ионным, гидрофобным, а также «сульфидными» связями.

Первые три уровня характерны для структурной организации всех белковых молекул. Четвертый уровень встречается при образовании единых белковых комплексов, состоящих из нескольких полипептидных цепей.

Рисунок 7 – Структуры белка

Определяющее значение в формировании более высоких уровней организации белковых молекул имеет их первичная структура. Природа α-аминокислотных остатков и порядок их соединения обусловливают характер стабилизации более высокоорганизованных структур.

Типовые задачи и их решение

Задача ХVIII. Приведите структурную формулу валина. Назовите эту аминокислоту по правилам международной номенклатуры. Для этого соединения приведите по одному изомеру положения функциональной группы, строения углеродного скелета и изомер функциональной группы. Является ли валин оптически активным? Если да, изобразите и назовите энантиомеры. Какую среду покажет раствор этой аминокислоты в дистиллированной воде? В какой ионной форме существует эта аминокислота в желудочном соке (рН = 1)? При каком значении рН раствор этой кислоты не проводит электрический ток?

Решение. Чтобы назвать валин по Международной номенклатуре, находим самую длинную углеродную цепь, нумеруем, начиная со старшей функциональной группы (карбоксильной). В цепи 4 атома углерода, это бутановая кислота, имеющая в положении 2 амино-, в положении 3 — метильную группы. Углеродная цепь разветвлена, для построения изомера по строению цепи достаточно расположить атомы углерода в одну цепь и получим изомер — 2-аминопентановую кислоту. Для построения изомера по положению функциональной группы можно перенести аминогруппу в положение 3, а метильную — в положение 2, получим 3-амино-2-метилбутановую кислоту. Для получения третьего изомера необходимо изменить какую-либо из функциональных групп, например при замене группы –ОН на аминогруппу получим амид 2-гидрокси-3-метилбутановой кислоты.

Валин является оптически активным соединением, т.к. в составе его молекулы есть асимметрический атом углерода (С₂) и отсутствуют элементы симметрии, следовательно, эту кислоту можно представить как в виде двух энантиомеров (L- и D-изомеры).

В составе молекулы присутствует одна карбоксильная и одна аминогруппа, валин является амфотерным соединением, поэтому его раствор в дистиллированной воде имеет нейтральную среду. В сильнокислой среде (рН = 1) валин протонируется по аминогруппе и представляет собой катион. Значение рН, при котором раствор аминокислоты не проводит электрический ток, называется изоэлектрической точкой; для валина это 6,0.

Задача ХIХ. Можно ли с помощью ксантопротеиновой реакции (с азотной кислотой) отличить фенилаланин от тирозина? Если да, то в чем будет состоять различие? Если нет, объясните, почему.

Решение. Ксантопротеиновая реакция – цветная реакция, с помощью которой можно обнаружить аминокислоты с ароматическим углеводородным радикалом, поэтому с её помощью качественно нельзя отличить фенилаланин и тирозин, в радикалах которых присутствует бензольное кольцо, т.к. при действии азотной кислоты в обоих случаях будет образовываться нитросоединение, окрашенное в жёлтый цвет.

Задачи для самостоятельного решения:

5.1. Приведите структурную формулу лизина. Назовите ллизин по правилам международной номенклатуры. Приведите (если это возможно) изомер положения функциональной группы, изомер функциональной группы и изомер по строению углеродного скелета. Является ли лизин оптически активным? Если да, изобразите и назовите энантиомеры. Какую среду покажет раствор лизина в дистиллированной воде? При каком значении рН раствор этой кислоты не проводит электрический ток?

5.2. В моче больного фенилкетонурией обнаружены фенилаланин — 6 ммоль/л (норма 0,01 ммоль/л) и его метаболит — фенилпировиноградная кислота — 4,9 ммоль/л (в норме отсутствует). Приведите уравнение реакции превращения фенилаланина в фенилпировиноградную кислоту, если известно, что в реакции принимает участие 2-оксопентандиовая кислота.

5.3. Во многих организмах непосредственным предшественником в биосинтезе лизина является ,- диаминопимелиновая (2,6- диаминогептандиовая) кислота. В результате какого процесса и при участии какого фермента образуется из неё лизин?

5.4. Будут ли идентичны продукты дезаминирования аспарагиновой кислоты in vivo и in vitro? Приведите схемы превращений.

5.5. Нейропептид головного мозга Met-энкефалин имеет аминокислотную последовательность: Tyr–Gly–Gly–Phe–Met. Приведите его строение, название и схему кислотного гидролиза.

5.6. Можно ли с помощью реакции Фоля (с ацетатом свинца) отличить цистеин от серина? Ответ поясните. С помощью какого реагента можно превратить серин в этиловый эфир 3-гидрокси-2-аминопропановой кислоты?