[ Pobierz całość w formacie PDF ]
3. Aminokwasy, peptydy i białka
3.1. Aminokwasy
Wszystkie aminokwasy wchodzące w skład białek mają konfigurację
L
i należą do grupy
aminokwasów, to znaczy mają grupę aminową przy węglu sąsiadującym z grupą karboksylową.
Ogólny ich wzór jest następujący:
COO
-
COO
-
+
H
3
N
C H
lub
+
H
3
N
C
H
R
R
W organizmach żywych występują również aminokwasy nie będącymi składnikami białek.
Poniżej podano wzory najwazniejszych aminokwasów spotykanych w przyrodzie ożywionej.
COOH
COOH
COOH
COOH
H
C NH
2
H
C NH
2
H
C NH
2
COOH
CH
2
COOH
NH
2
H
C NH
2
CH
2
CH
COOH
H
2
C
CH
3
N
H
H
C NH
2
CH
2
CH
CH
H
3
C CH
3
CH
3
H
3
C CH
3
H
3
C
glicyna
alanina
walina
leucyna
izoleucyna
prolina
fenyloalanina
COOH
COOH
H
C NH
2
H
C NH
2
COOH
COOH
CH
2
CH
2
COOH
COOH
COOH
H
C NH
2
H
C NH
2
H
C NH
2
H
C NH
2
H
C NH
2
CH
2
CH
OH
CH
2
S S
CH
2
CH
2
OH
N
H
CH
2
S CH
3
CH
3
OH
tryptofan
tyrozyna
cystyna
seryna
metionina
treonina
COOH
COOH
COOH
COOH
H
C NH
2
H
C NH
2
H
C NH
2
H
C NH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
HO
COOH
N
CH
2
CH
2
CH
2
NH
2
CH
2
CH
2
NH C NH
2
NH
CH OH
COOH
H
C NH
2
N
H
N
H
CH
2
CH
2
CH
2
SH
NH
2
histydyna
lizyna
arginina
hydroksylizyna
hydroksyprolina
cysteina
COOH
COOH
COOH
COOH
H
C NH
2
H
C NH
2
H
C NH
2
H
C NH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CO NH
2
CH
2
COOH
kwas
glutaminowy
CO NH
2
COOH
kwas
asparaginowy
asparagina
glutamina
Aminokwasy spotykane w białkach
11
COOH
COOH
COOH
COOH
H
C NH
2
H
C NH
2
COOH
COOH
H
C NH
2
H
C NH
2
H
C NH
2
H
C NH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
CH
2
NH C NH
2
O
NH
2
CH
2
SH
CH
2
OH
J
J
J
J
ornityna
cytrulina
homocysteina
homoseryna
O
O
COOH
COOH
CH
2
CH
2
J
J
J
*
H
2
N
CH
CH
3
CH
2
NH
2
OH
OH
trijodotyronina
tyroksyna
kwas
-aminomaslowy
-alanina
tyreoglobulina
Aminokwasy niebiałkowe
Tyroksyna i trijodotyronina pochodne nie występującej w przyrodzie tyroniny, występują jedynie
w tyreoglobulinie, hormonalnym białku tarczycy. β-alanina, karnityna oraz N-metylohistydyna są
aminokwasami biologicznie czynnymi lub też są składnikami biologicznie czynnych substancji
niskocząsteczkowych. Homocysteina i homoseryna są metabolitami pośrednimi przemian metioniny i
cysteiny. Kwas β-aminomasłowy jest produktem końcowym rozkładu nukleotydów pirymidynowych.
Z kolei ornityna i cytrulina biorą udział w syntezie mocznika.
Aminokwasy o konfiguracji D występują w przyrodzie rzadko i to wyłącznie w związkach
względnie prostych, nie będącymi białkami (np. w niektórych antybiotykach pochodzenia
bakteryjnego o budowie peptydowej).
W laboratoriach sztucznie otrzymuje się całą gamę aminokwasów nie spotykanych w przyrodzie
ożywionej. Z ich wykorzystaniem np. do produkcji leków wiąże się duże nadzieje.
Podział α-aminokwasów
Poszczególne α-aminokwasy różnią się strukturą rodnika. Stosuje się różne kryteria ich podziału
Rozróżnia się aminokwasy alifatyczne i aromatyczne, a w zależności od ilości grup aminowych i
karboksylowych aminokwasy mono- lub di- aminowe lub karboksylowe. Rodniki aminokwasów
cysteiny i metioniny w swojej budowie zawierają atom siarki (są to aminokwasy siarkowe). Rodniki
waliny, leucyny i izoleucyny posiadają rozgałęziony łańcuch alifatyczny (aminokwasy rozgałęzione).
Prolina jest z kolei iminokwasem (kwasem pirolidyno-karboksylowym).
Często aminokwasy dzieli się biorąc pod uwagę hydrofobowość lub hydrofilowość łańcucha
bocznego. Aminokwasy z niepolarnymi rodnikami węglowodorowymi (glicyna, alanina, walina,
leucyna i izoleucyna) lub zawierające grupę funkcyjną o znikomej polarności (prolina, fenyloalanina,
tryptofan, metionina i cystyna) zalicza się do aminokwasów hydrofobowych.
Z punktu widzenia wartości pokarmowych (dietetycznych) aminokwasy dzieli się na egzogenne
(niezbędne) i endogenne (nie niezbędne). Aminokwasy egzogenne muszą być dostarczone
organizmowi zwierzęcemu z zewnątrz (np. z pokarmem), z uwagi na zanik zdolności do ich
syntetyzowania. Dla człowieka niezbędnymi aminokwasami są w a l i n a , l e u c y n a , i z o l e u c y n a ,
f e n y l o a l a n i n a , t r y p t o f a n , t r e o n i n a , m e t i o n i n a i l i z y n a .
12
3.2. Peptydy
Grupa aminowa jednego α-aminokwasu może reagować z grupą karboksylową innego
α-aminokwasu tworząc wiązanie peptydowe
–CO–NH–
, które z chemicznego punktu widzenia
jest szczególnym przypadkiem wiązania amidowego (co ma pewne znaczenie, z uwagi na
specyficzność działania niektórych enzymów). Związki powstałe z takiego połączenia nazwano
p e p t y d a m i .
R
1
R
2
R
1
R
2
H
2
N
CH
COOH
+
H
2
N
CH
COOH
H
2
N
CH
CO NH CH COOH
aminokwas 1
aminokwas 2
H
2
O
dipeptyd
Podane wyżej równanie przedstawia jedynie schemat syntezy peptydu i jego uproszczony wzór, nie
uwzględniający budowy przestrzennej.
3.2.1. Budowa peptydów - wiązanie peptydowe
Badania krystalograficzne wykazały, że wiązanie C–N w wiązaniu peptydowym jest znacznie
krótsze niż zwyczajne pojedyncze wiązanie tego typu. Jest to spowodowane, mezomerycznym
charakterem wiązania peptydowego (hybrydyzazja typu sp
2
). Wynikiem tej mezomerii jest brak
swobodnego obrotu wokół wiązania C – N i stąd istnienie tylko dwóch stabilnych konformacji cis i
trans. Ogólnie w natywnych peptydach i białkach występuje głównie forma trans.
Zgodnie z tym właściwsze jest przedstawianie wiązania peptydowego za pomocą dwu wzorów
granicznych lub wzorem, na którym symbolicznie zaznaczono delokalizację elektronów.
-
..
C
-
O
C
+
C
N
C
N
+
C
H
C
H
delokalizacja elektronow w wiazaniu peptydowym
Z badań rentgenograficznych wynika, że konfiguracja wiązania peptydowego nie zależy od rodzaju
i właściwości łańcuchów bocznych aminokwasów tworzących wiązanie. Wyjątek pod tym względem
stanowi prolina i hydroksyprolina, których grupy iminowe związane są z łańcuchami bocznymi.
Delokalizacja elektronów w wiązaniu peptydowym sprawia, że wszystkie cztery jego atomy:
CONH a również i oba atomy C
α
łańcuchów bocznych, leżą w jednej płaszczyźnie (mówi się o
planarności wiązania peptydowego). W konsekwencji wiązanie łączące atom węgla i azotu wykazuje
znaczną sztywność właściwą wiązaniu podwójnemu, a swobodny obrót wokół niego wymaga
przezwyciężenia oporu około 88 kJ/mol. Na poniższym rysunku przedstawiono perspektywicznie
strukturę wiązania peptydowego w hipotetycznym dipeptydzie.
R
2
H
N
O
C
C
H
H
C
C
COOH
N
H
2
N
R
1
C
O
R
2
H
H
Drugim ważnym wiązaniem kowalencyjnym, spotykanym w cząsteczkach peptydów, jest wiązanie
disulfidowe (disiarczkowe), tworzone przez sąsiadujące ze sobą grupy tiolowe – SH pochodzące z reszt
cysteiny. Rozróżnia się wewnątrzłańcuchowe wiązania disulfidowe, które występują w tym samym
13
O
łańcuchu peptydowym, oraz międzyłańcuchowe wiązania disulfidowe występujące między dwoma
różnymi łańcuchami peptydowymi:
NH
HN
O
C
C
O
CH
CH
2
S
S
H
2
C
HC
HN
NH
C
O
O
C
mostek disiarczkowy
Wewnątrzcząsteczkowe wiązania S – S występują np. w oksytocynie, wazopresynie, w łańcuchu A
insuliny i w rybonukleazie. Wiązania te mogą spowodować, że części cząsteczki o zupełnie różnych
sekwencjach znajdują się w bezpośrednim zbliżeniu, jak np. w rybonukleazie. W utlenionej formie
glutationu dwa identyczne łańcuchy peptydowe połączone są przez kowalencyjne wiązanie disulfidowe.
W insulinie w ten sam sposób połączone są dwa różne łańcuchy.
Sąsiadujące ze sobą wiązania peptydowe, np. w dwu równoległych peptydach, mogą tworzyć
wiązania wodorowe >CO...HN<, w których odległość atomu tlenu od atomu azotu wynosi nieco mniej
niż 0,3 nm.
Oprócz tych wiązań, czynnikami mającymi wpływ na przyjęcie przez cząsteczkę peptydu
określonej konformacji są oddziaływania kwasowych, zasadowych, aromatycznych i alifatycznych
łańcuchów bocznych różnych aminokwasów ze sobą lub z łańcuchem głównym peptydu. Te
oddziaływania, zwykle stabilizujące, staja się w pełni efektywne dopiero w białkach, niemniej mają one
także znaczenie dla utrzymania odpowiednich efektywnych konformacji wielu polipeptydów
biologicznie aktywnych.
3.2.2. Nazwy i wzory peptydów
Nazwy peptydów są tworzone w zależności od liczby rodników aminoacylowych tworzących
cząsteczkę peptydu. Peptyd zbudowany z dwu aminokwasów nazywa się dipeptydem, z trzech —
tripeptydem, z dziesięciu — dekapeptydem, itp. Peptydy zawierające w cząsteczce do 10 rodników
aminoacylowych nazywa się o l i g o p e p t y d a m i, zawierające zaś większą liczbę —
p o l i p e p t y d a m i. Te ostatnie stanowią przejście do białek (zaliczanych do makropeptydów), których
cząsteczki są zbudowane ze 100 i więcej rodników aminoacylowych.
Tabela 1.2. Nazwy i symbole najpospolitszych
-aminokwasów
Rodnik
aminoacylowy
Symbol
Rodnik
aminoacylowy
Symbol
Alanyl
Arginyl
Aspargil
Asparginyl
Cysteil
Cysteinyl
Fenyloalanyl
Glicyl
Glutamil
Glutaminyl
Histydyl
Hydroksylizyl
Ala
Arg
Asp
Asn
lub
Asp(NH
2
)
Cys
CysCys
1
Fen (Phe)
Gli (Gly)
Glu
Gln
lub
Glu(NH
2
)
His
Hyl
lub
Liz(OH)
Hydroksyprolil
Izoleucyl
Leucyl
Lizyl
Metionyl
Ornityl
Prolina
Seryl
Treonyl
Tryptofanyl
Tyrozyl
Walil
Hyp
lub
Pro(OH)
Ileu (Ile)
Leu
Liz (Lys)
Met
Orn
Pro
Ser
Tre (Thr)
Try (Trp)
Tyr
Wal (Val)
W nawiasach podano symbole zalecane przez Unię Biochemiczną.
1
również Cys Cys
14
Szczegółowe nazwy peptydów są albo zwyczajowe, albo mają charakter systematycznych nazw
chemicznych określających je jako aminoacyloaminokwasy. Na przykład tripeptyd zbudowany z
glicyny, alaniny i cysteiny nosi nazwę glicyloalanylocysteiny. Nazwa ta podaje skład aminokwasowy
peptydu i jednocześnie kolejność łączenia się aminokwasów. I tak tripeptyd wspomniany wyżej jest
zupełnie różnym od alanyloglicylocysteiny, peptydu zbudowanego z identycznych aminokwasów, ale
połączonych w innej kolejności.
W celu uproszczenia zapisywania wzorów peptydów i uniknięcia długich nazw, ustalono, by
rodniki aminoacylowe oznaczać pierwszymi trzema literami nazwy aminokwasu. W tabeli 1.2 podano
nazwy i symbole rodników najpospolitszych -aminokwasów.
Przy pisaniu wzorów peptydów symbole łączy się krótką kreską, przy czym lewa strona symbolu
odpowiada grupie aminowej, a jego prawa strona - grupie karboksylowej. Wzory przytoczonych wyżej
tripeptydów można więc zapisać symbolicznie: Gli-Ala-Cys oraz Ala-Gli-Cys. Jeżeli zachodzi
specjalna potrzeba wyraźnego wskazania kierunku, w jakim połączone są ze sobą cząsteczki
aminokwasów w peptydzie (np. przy przedstawianiu struktury peptydów pierścieniowych) wówczas
zaznacza się strzałką kierunek powstawania wiązań od grupy karboksylowej do aminowej:
GliAlaCys. Jeżeli kolejność łączenia się aminokwasów nie jest znana dla jakiegoś fragmentu
łańcucha polipeptydowego, to fragment ten ujmuje się w nawiasy, wewnątrz których symbole oddziela
się przecinkami, np. Gli-Ala-Cys-(Arg, Tyr, Leu)-Pro-Ala-Fen. Końcowy aminokwas z wolną grupą
aminową, tzw. N-terminalny aminokwas, symbolizuje się dopisaniem litery H- lub H
2
N-, zaś końcowy
aminokwas z wolną grupą karboksylową, czyli C-terminalny aminokwas, dodaniem liter -OH lub -
COOH: H-Gli-Ala-Cys-OH lub H
2
N-Gli-Ala-Cys-COOH.
3.2.3. Ważniejsze peptydy naturalne
W ciągu ostatnich 20 lat liczba peptydów znalezionych w materiale zwierzęcym, roślinnym i
bakteryjnym ogromnie wzrosła. Większość znajdowanych w przyrodzie peptydów składa się
wyłącznie z aminokwasów, które zwykle spotykamy w białkach. Jednak w naturalnych peptydach
często występują inne proste aminokwasy, takie jak β-alanina i kwas γ-aminomasłowy.
Najprostszym i jednocześnie najwcześniej poznanym dipeptydem wyodrębnionym z tkanek była
k a r n o z y n a , czyli -alanylohistydyna. Obok niej w mięśniach kręgowców spotyka się także
anserynę: -alanylo–N-metylohistydynę. Rola obydwu dipeptydów jest do dzisiaj nie poznana.
Glutation (GSH) jest tripeptydem, który szeroko rozpowszechniony jest w zarówno w tkankach
zwierzęcych jak i roślinnych. Zawiera on kwas glutaminowy, cysteinę i glicynę. Był pierwszym
znanym peptydem zawierającym wiązanie inne niż α-peptydowe.
COOH
CH-NH
2
CH
2
CH
2
Glu
Cys Gli
S
S
Cys Gli
H
O
2
Glu
-2H
+
C N
O
CH
CH
2
SH
C
N
H
CH
2
COOH
Cys
SH
Gli
Glu
glutation
utlenianie i redukcja glutationu
Związek ten łatwo ulega odwracalnym przemianom oksydacyjno-redukcyjnym. Reakcja
utlenienia jest katalizowana solami Cu i Fe. Redukcja disulfidu i przekształcenie do GSH
katalizowane jest przez reduktazę glutationową.
Funkcje biochemiczne glutationu są bardzo różne. Jest to koenzym hydrolazy
hydroksyacyloglutationowej, dehydrogenazy formaldehydowej, tautomerazy indolilopirogronianowej,
izomerazy maleiloacetooctanowej i innych enzymów. Stanowi on również grupę prostetyczną
dehydrogenazy fosfogliceroaldehydowej oraz odgrywa pewną rolę w działaniu dehydrochlorynazy
DDT, którą odkryto w odpornych na DDT muchach domowych. Glutation jest także bardzo ważnym
związkiem w wielu biologicznych reakcjach redox, ponieważ może stabilizować wolne grupy – SH.
15
[ Pobierz całość w formacie PDF ]