Биологическая роль пептидов.

1. Пептидами являются многие важнейшие гормоны человека, например, глюкагон, окситоцин, вазопрессин.

2. Пептиды, регулирующие процессы пищеварения, например, гастрин, холецистокинин.

3. Пептиды, регулирующие тонус сосудов и артериальное давление, например, ангиотензин II, брадикинин.

4. Пептиды, регулирующие аппетит, например, лептин, b -эндорфины.

5. Пептиды, обладающие обезболивающим действием, например, опиоидные пептиды (энкефалины и эндорфины).

6. Пептиды, участвующие в регуляции высшей нервной деятельности, в биохимических процессах, связанных с механизмами сна, памяти, обучения и т.д.

7. Трипептид глутатион выполняет функцию защиты клетки от окислительных повреждений свободными радикалами.

Медицинское значение.

Пептиды используются в качестве лекарственных препаратов, например, пептидами являются некоторые антибиотики, противоопухолевые препараты.

В процессе распада эндогенных белков образуются среднемолекулярные пептиды (СМП). Основная частьСМП представлена полипептидами с молекулярной массой 300—5000 Д. СМП обладают разнообразной биологической активностью. В физиологических условиях 95% среднемолекулярных пептидов удаляются главным образом путем гломерулярной фильтрации.

Ослабление экскреторной функции почек и неполный распад белков (протеолиз) приводят к увеличению концентрации СМП в плазме (сыворотке) крови. Причем концентрация средних молекул в сыворотке больного может в 8—10 раз превышать норму.

Накопление СМП приводит к нарушению микроциркуляции, а также транспорта ионов натрия и калия через мембраны, подавлению иммунного ответа организма, угнетению активности ряда ферментов. В клинической практике СМП определяют как критерий интоксикации.

Уровни организации белка

Последовательность аминокислотных остатков, соединенных между собой пептидной связью называют первичной структурой белковой молекулы. Она кодируется структурным геном каждого белка.

Вторичная структура - это упорядоченное строение полипептидных цепей, обусловленное водородными связями между группами С=О и N-H разных аминокислот.

Наиболее рапространенные способы укладки вторичной структуры:

1) Альфа-спираль - имеет определенные характеристики: ширину, расстояние между двумя витками спирали. Для белков характерна правозакрученная спираль. В этой спирали на 10 витков приходится 36 аминокислотных остатков. У всех пептидов, уложенных в такую спираль, эта спираль абсолютно одинакова. Фиксируется альфа-спираль с помощью водородных связей между NH-группами одного витка спирали и С=О группами соседнего витка. Эти водородные связи расположены параллельно оси спирали и многократно повторяются, поэтому прочно удерживают спиралеобразную структуру.

Бета-складчатая структура - или структура складчатого листа. Фиксируется также водородными связями между С=О и NH-группами. Фиксирует два участка полипептидной цепи. Эти цепи могут быть параллельны или антипараллельны. Если такие связи образуются в пределах одного пептида, то они всегда антипараллельны, а если между разными полипептидами, то параллельны.

3) Нерегулярная структура (синонимы: беспорядочный клубок, аморфные области) – тип вторичной структуры, в котором расположение различных участков полипептидной цепи относительно друг друга не имеет регулярного (постоянного) характера, поэтому нерегулярные структуры могут иметь различную конформацию.

Содержание a -спиралей и b -структур в разных белках различно: у фибриллярных белков - только a -спираль или только b -складчатый лист; а у глобулярных белков - отдельные фрагменты полипептидной цепи: либо a -спираль, либо b -складчатый лист, либо беспорядочный клубок. В одном и том же белке могут присутствовать все три способа укладки полипептидной цепи.

Третичная структура белка - это пространственная конформация полипептида, имеющего вторичную структуру, и обусловленная взаимодействиями между радикалами. Третичная структура полностью задается первичной.

Выделяют два общих типа третичной структуры:

1) В фибриллярных белках (например, коллаген, эластин) молекулы которых имеют вытянутую форму и обычно формируют волокнистые структуры тканей, третичная структура представлена либо тройной альфа-спиралью (например, в коллагене), либо бета-складчатыми структурами.

2) В глобулярных белках, молекулы которых имеют форму шара или эллипса (латинское название: GLOBULA - шар), встречается сочетание всех трех типов структур: всегда есть нерегулярные участки, есть бета-складчатые структуры и альфа-спирали. Третичная структура глобулярных белков представляет ориентацию в пространстве полипептидной цепи, содержащей a -спирали, b -структуры и участки без периодической структуры (беспорядочный клубок). Дополнительное складывание скрученной полипептидной цепи образует компактную структуру. Это происходит, прежде всего, в результате взаимодействия между боковыми цепями аминокислотных остатков.

Связи, стабилизирующие третичную структуру (рис.1):

1. электростатические силы притяжения между R-группами, несущими противоположно заряженные ионогенные группы (ионные связи);
2. водородные связи между полярными (гидрофильными) R-группами;
3. гидрофобные взаимодействия между неполярными (гидрофобными) R-группами.Гидрофобное ядро существует у большинства белков.
4. дисульфидные связи между радикалами двух молекул цистеина. Эти связи ковалентные. Они повышают стабильность третичной структуры, но не всегда являются обязательными для правильного скручивания молекулы. В ряде белков они могут вообще отсутствовать.

 

Рис. 1

Примеры фибриллярных белков (рис.2).

Структурным белком, построенным преимущественно в виде α-спирали, является α-кератин. Волосы (шерсть), перья, иглы, когти и копыта животных состоят главным образом из кератина. Кератин (цитокератин) является важнейшей составной частью цитоскелета. В кератинах большая часть пептидной цепи свернута в правую α-спираль. Две пептидные цепи образуют единую левую суперспираль (или димер). Димеры кератина объединяются в тетрамеры, которые агрегируют с образованием протофибрилл диаметром 3 нм. Наконец, восемь протофибрилл образуют микрофибриллы диаметром 10 нм.

Волосы построены из таких же фибрилл. Так, в отдельном волокне шерсти диаметром 20 мкм переплетены миллионы фибрилл. Отдельные цепи кератина скреплены поперечно многочисленными дисульфидными связями, что придает им дополнительную прочность.

Коллаген

В организме млекопитающих коллаген — преобладающий в количественном отношении белок: он составляет 25% общего белка. Коллаген присутствует в различных формах прежде всего в соединительной ткани. Этот белок имеет необычный аминокислотный состав: 1/З составляв глицин (Gly). примерно 10% пролин (Рrо), а также гидроксипролин (Hyp) и гидроксилизин (Hyl). Последние две аминокислоты образуются после биосинтеза коллагена путем посттрансляционной модификации. В структуре коллагена постоянно повторяется триплет Gly-X-Y, причем положение X часто занимает пролин, а Y — гидроксилизин. Коллаген повсеместно присутствует в виде правой тройной спирали, скрученной из трех первичных левых спиралей. В тройной спирали каждый третий остаток оказывается в центре, где помещается только глицин. Вся молекула коллагена имеет длину около 300 нм.

Фиброин шелка

Шелк получают из коконов гусениц тутового шелкопряда (Воmbух mori) и родственных видов. Ocновной белок шелка, фиброин, обладает структурой антипараллельного складчатого листа, причем сами листы располагаются параллельно друг другу, образуя многочисленные пласты. Так как в складчатых структурах боковые цепи аминокислотных остатков ориентированы вертикально вверх и вниз, в промежутках между отдельными слоями могут поместиться лишь компактные группировки. Фактически фиброин состоит на 80% из глицина, аланина и серина, т.е. из трех аминокислот, характеризующихся минимальными размерами боковых цепей. Молекула фиброина содержит типичный повторяющийся фрагмент (Gly-Ala-GIy-AIa-GIy-Ser)_n . Установлено, что в фиброине промежуток между складчатыми слоями составляет 0,35 и 0,57 нм. В первом случае в промежуток ориентирован глицин (R = H). Промежуток 0,57 нм создается за счет отталкивания боковых цепей серина и аланина.

 

Рис. 2

В отличие от нерастворимых фибриллярных белков растворимые белки имеют почти сферическую (глобулярную) форму. Глобулярным белкам свойственна высокоупорядоченная пространственная структура (конформация), которая способствует выполнению специфических биологических функций. Рассмотрим особенности строения глобулярных белков на примере небольшого белка инсулина (рис.3).

Молекула функционально активного инсулина состоит их двух полипептидных цепей (А- и В-цепи), соединенных дисульфидными мостиками. В молекуле инсулина участки, имеющие форму α-спирали, составляют 57%, 6% приходится на β-складчатую структуру, 10% построено в виде β-петли, оставшиеся 27% не имеют упорядоченной структуры.

 

Рис. 3

Понятие о доменах

Длинные полипептидные цепи часто склады­ваются в несколько компактных, относительно не­зависимых областей. Они имеют самостоятельную третичную структуру, напоминающую таковую глобулярных белков, и называются доменами. Благодаря доменной структуре белков легче фор­мируется их трехмерная структура (рис.4). Центры связывания белка с лигандом часто рас­полагаются между доменами. Разные домены в белке могут перемещаться отно­сительно друг друга при взаимодействии с лиган­дом. В некоторых белках домены выполняют само­стоятельные функции, связываясь с различными лигандами. Такие белки называются многофунк­циональными.