РОССИЙСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МЕДИЦИНСКИЙ

РОССИЙСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Вариативный курс
«Химия биомолекул и наносистем»
для студентов лечебного, педиатрического
и стоматологического факультетов
и студентов-лечебников
медико-биологического факультета
Подготовлено соответствии с ФГОС-3
в рамках реализации
Программы развития РНИМУ
Общая редакция — зав. кафедрой химии,
проф. В.В. Негребецкий
1
Часть 1. Биорганическая химия
проф. Ю.И. Бауков, проф. И.Ю. Белавин,
проф. В.В. Негребецкий
Тема В-04
α-Аминокислоты, пептиды
Общая редакция — зав. кафедрой химии,
проф. В.В. Негребецкий
2
α-Аминокислоты, пептиды
● α -Аминокислоты
○ Классификация
○ Синтез и химические свойства.
○ Биологически важные реакции α -аминокислот
● Пептиды
○ Строение пептидов и белков
○ Принцип пептидного синтеза
○ Нестандартные пептиды
3
α-Аминокислоты
α-аминокислоты
белки
источник энергии
биорегуляторы
α -Аминокислоты – гетерофункциональные соединения,
молекулы которых содержат одновременно аминогруппу и
карбоксильную группу у одного атома углерода.
Природных − около 100, наиболее важных − 20.
α
основная функция
общая
формула
кислотная функция
*
H2N—CH—COOH
R
радикал
O
O
исключения
H2N CH2 C
глицин
(Gly)
OH
C
OH
N
H пролин
(Pro)
α -Аминокислоты – кристаллические, растворимые в воде
вещества, многие имеют сладкий вкус.
4
Классификация α-аминокислот
• По химической природе радикала
алифатические
O
СН3 CH C
OH
NH
ароматические
O
СН2 CH C
OH
NH2
2
аланин
(Ala)
гетероциклические
CH2 СН COOH
NH2
N
H
триптофан
(Trp)
фенилаланин
(Phe)
• По полярности радикала
с неполярным радикалом
O
СН3
СН CH C
СН3
NH2 OH
валин
(Val)
с полярным радикалом
неионогенные
O
СН2 CH C
OH
ОН NH
ионогенные
O
O
2
C СН2 CH C
НO
NH2 OH
серин
(Ser)
аспарагиновая кислота
(Asp)
5
• По кислотно-основным свойствам
нейтральные
кислые
O
СН3
O
О
СН СН2 CH C
СН3
NH2 OH
С СН2 СН2 CH C
НО
NH2 OH
лейцин
(Leu)
глутаминовая кислота
(Glu)
основные
O
NН2 СН2 СН2 СН2 СН2 CH C
NH2 OH
лизин
(Lys)
• По возможности биосинтеза в организме человека
заменимые
O
СН2 CH C
SН NH2
цистеин
(Cys)
OH
незаменимые
O
СН3 СН2
СН CH C
СН3
NH2 OH
изолейцин
(Ile)
6
Стереоизомерия α-аминокислот
O
R CH
O
CH2 C
OH
NH2
C
NH2
OH
COOH
H2N
глицин
(Gly)
H
R
L-аминокислоты
Примеры α -аминокислот с двумя центрами хиральности
COOH
H2N
H
CH3
H
C2H5
L-изолейцин
COOH
H2N
H
H
OH
CH3
L-треонин
7
Получение L-α
α-аминокислот
• Выделение природных аминокислот из белковых гидролизатов.
(кислотный, щелочной, ферментативный гидролиз)
– Высокие концентрации отдельных аминокислот (глутаминовая
— из концентрированного гидролизата, насыщенного HCl;
цистин и тирозин — за счет их плохой растворимости в воде).
• Микробиологический метод (ферментация)
– Аэробное выращивание микроорганизмов в питательных растворах, содержащих усвояемые источники С и N — углеводороды, углеводы, органические и неорганические соединения азота.
O
HOOCCH2CH2CCOOH
α-оксоглутаровая кислота
corynebacterium
glutamicum
NH2
HOOCCH2CH2CHCOOH
L-глутаминовая кислота
– Ферментация глутаминовой кислоты
глюкоза или гидролизат corynebacterium
L-глутаминовая кислота
крахмала;
glutamicum
аммиак, мочевина
(50 кг кислоты на 100 кг глюкозы)
8
• Ферментативные методы
(использование изолированных ферментов)
– Ферментативный гидролиз
(CH3CO) 2O
Ацилаза
*
*
D,L-R–CH–COOH
D,L-R–CH–COOH
– CH3COOH
– CH3COOH
NH2
NHC(O)CH3
*
L-R–CH–COOH
NH2
*
L-R–CH–COOH
разделение
смеси
*
D-R–CH–COOH
NHC(O)CH3
NH2
*
D-R–CH–COOH
NHC(O)CH3
– Получение L-аспарагиновой кислоты
HOOC
H
H
C
C
COOH
+ NH3
L-аспартаза
фумаровая кислота
NH2
HOOCCH2–CH–COOH
L-аспарагиновая кислота
– Получение L-аланина из D,L-аспарагиновой кислоты
NH2
NH2
L-аспартат-β
β-декарбоксилазаза
CH3–CH–COOH
HOOCCH2CHCOOH
D,L-аспарагиновая кислота
– CO2
L-аланин
9
• Разделение рацематов
– Механический отбор зеркальных форм кристаллов
(Л.Пастер, 1848; винограднаяй кислота – D- и L-винные кислоты).
– Спонтанная (самопроизвольная) кристаллизация
(путем внесения "затравки").
– Хроматографические методы разделения
(хиральные сорбенты − крахмал, целлюлоза; синтетические
со специально введенными хиральными молекулам).
– Химическое расщепление рацематов
(хиральные реагенты – D-винная кислота, алкалоиды).
принципиальная схема
2
(+)-A
(–)-A
рацемат
+ *X
1
(+)-A • * X
(–)-A • * X
пара
диастереомеров
(+)-A • * X
3
(–)-A • * X
разделенные
диастереомеры
(+)-A + * X
(–)-A + * X
разделенные
энантиомеры
10
Химический синтез
(D,L-Аминокислоты)
• Аммонолиз α -галогенокислот
(Э.Фишер, конец XIX в; 60–70%)
Br
R–CH–COOH + 3 NH3
NH2
R–CH–COONH4
40–50 °C
– NH4Br
соль α-аминокислоты
(первый синтез глицина из хлороуксусной кислоты, 1858)
• Восстановительное аминирование α -оксокислот
H , Pd
R–C–COOH + NH3 2
– H2O
O
α-оксокислота
R–C–COOH
NH
α-иминокислота
R–CH–COOH
NH2
α-аминокислота
11
Химические свойства α-аминокислот
Реакции, затрагивающие обе функциональные группы
• Кислотно-основные свойства
– типичные амфотерные электролиты, амфолиты
O
R CH C
NH2
O
R CH C
+ NH
OH
3
катион
- H+
OH
O
+
-H
R CH C
K2
+
O
K1
NH3
диполярный ион
рКа1 + рКа2
pI = ИЭТ =
2
O
R CH C
NH2
анион
O
Изоэлектрическая точка (ИЭТ) – значение рН (pI), при
котором амфолит находится в изоэлектрическом состоянии.
Переход нейтральной молекулы в диполярный ион дает существенный выигрыш энергии (около 50 кДж/моль); для аланина в Н2О
соотношение форм − 1 : 260 000.
12
• Образование хелатных комплексов
(см. лекцию 16_01)
O
C
2R
CH
COOH
+
Cu(OH)2
HC
R
α-аминокислота
нейтральный комплекс
без внешней сферы
H2N
CH
R
Cu
– 2 H2O
NH2
O
NH2
O
C
O
внутрикомплексная соль
меди (II) с α- аминокислотой
• Образование дикетопиперазинов
O
C
R
OH
HC
H
H
α-аминокислота
H
HO
O
N
CH
+
N
H
C
O
α-аминокислота
R
C
t
– 2 H2O
H
R
N
HC
CH
N
H
R
C
O
дикетопиперазин
Дикетопиперазины – шестичленные циклические диамиды,
состоящие из двух остатков аминоксикислот.
13
Реакции α -аминокислот по карбоксильной группе
• Образование сложных эфиров
++++
R CH COOH
CH3OH
HCl (сухой)
NH2
– H2O
α-аминокислота
NH3
R CH COOCH3
R CH COOH
– NH4Cl
NH2
NH3+Cl
гидрохлорид метилового
эфира α-аминокислоты
метиловый эфир
α-аминокислоты
• Образование смешанных ангидридов
(способ активации СООН-группы)
CH3
O
C NH
O
SOCl2 или PCl3
R CH COOH
N-ацетил-α
α-аминокислота
хлорангидрид N-ацетил-α
α-аминокислоты
O
R–CH–COOH + Cl C OC2H5
– HCl
NHX
N-защищенная
α-аминокислота
CH3 C NH
O
R CH C
Cl
этилхлорформиат
O
O
R–CH–C O C OC2H5
NHX
смешанный ангидрид
14
Реакции α-аминокислот по аминогруппе
++++
• Образование N-ацильных производных (защита NH2-группы)
R'C(O)Cl
R CH COOH
NH2
– HCl
R CH COOH
NHC(O)R'
++++
– Введение легко удаляемой (каталитическим гидрогенолизом)
бензилоксикарбонильной (Z) группы.
R CH COOH
NH2
α-аминокислота
PhCH2 O C Cl
– HCl
O
R CH COOH
NH C OCH2Ph
O
бензилхлороформиат
N-бензилоксикарбонил(бензилоксикарбонилхлорид)
α-аминокислота
– Введение трет-бутоксикарбонильной группы (Boc)
++++
R CH COOH
NH2
α-аминокислота
(CH3)3C O C N3
O
OH
– N3
трет-бутоксикарбоксазид
R CH COOH
NH C OC(CH3)3
O
Boc- α-аминокислота
15
++++
• Образование иминов (оснований Шиффа)
R CH COOH
R'
C
NH2
O
H
α-аминокислота
R CH COOH – H O R CH COOH
2
N CHR'
NHCH(OH)R'
"карбиноламин"
замещенный имин
(основание Шиффа)
– Количественное определение аминокислот титрованием их
щелочью после обработки формалином
(метод Сёренсена, формольное титрование).
++++
R CH COOH
NH2
O
H C
H
историческое
значение
R CH COOH
NHCH2OH
N-г идроксиметильное
производное аминокислоты
α-аминокислота
α -аминокислота
HNO2
R CH COOH
++++
R CH COOH
NH2
++++
++++
• Реакция с азотистой кислотой (гидролитическое дезаминирование)
N2
H2O
OH
α -гидроксикислота
– Количественный анализ аминокислот по объему
выделившегося азота (метод Ван Слайка, 1910)
историческое
значение
16
Биологически важные реакции α-аминокислот
Дезаминирование
(отщепление аминогруппы в виде NH3)
• Неокислительное (элиминирующее) дезаминирование
O
O
C
НO
СН2 CH C
NH2 OH
O
_ NH
3
C СН CH C
НO
аспарагиновая кислота
Asp
N
O
N
H
CH2 CH C
NH2
OH
O
OH
фумаровая кислота
фермент
_ NH
3
N
O
CH CH C
N
OH
H
гистидин
His
уроканиновая кислота
17
• Гидролитическое дезаминирование
(отщепление NH3 от амидной группы аспарагина и глутамина)
O
H2N
NH2
CCH2CHCOOH
+ H2O
O
фермент
HO
L-аспарагин
(Asn)
NH2
CCH2CHCOOH + NH3
L-аспарагиновая
кислота
(Asp)
характерна только для низших организмов
O
H2N
NH2
CCH2CH2CHCOOH + H2 O
L-глутамин
(Gln)
фермент
O
HO
NH2
CCH2CH2CHCOOH + NH3
L-глутаминовая
кислота
(Glu)
реакции гидролитического дезаминирования обратимы;
обратная реакция – связывание токсичного аммиака
При физиологических значениях рН аммиак присутствует в
организме исключительно в виде иона NH4+.
18
O
R CH C
NH2
O
in vitro
+ HNO2
+ N2 + H2O
R CH C
OH
ОН
OH
• Окислительное дезаминирование
– с участием кофермента НАД+
O
R CH C
NH2 OH
α-аминокислота
O
НАД +
+
R C C
Н2О
O
R C C
NH3
OH
О
NH OH
α-оксокислота
α-иминокислота
(нестабильный интермедиат)
НАДН, Н
Окислительное дезаминирование α -аминокислот
– на примере L-глутаминовой кислоты
NH2
HOOCCH2CH2CHCOOH
L-глутаминовая
кислота
NH
НАД+
НАДН, Н
+
HOOCCH2CH2CCOOH
α-иминокислота
Н2О
NH3
O
HOOCCH2CH2CCOOH
α-оксоглутаровая
кислота
Восстановительное аминирование α -оксокислот
19
О
С
НО
Трансаминирование (переаминирование)
O
O
СН2 СН2 CH C
+
СН3 C C
NH2 OH
OH
О
пировиноградная
кислота
глутаминовая кислота
витамин В6
O
O
О
С СН2 СН2 C C
OH
НО
О
α-кетоглутаровая
кислота
+
СН3 CH C
NH2
OH
аланин
20
Схема действия витамина В6
(пиридоксальфосфата)
H
O
C
NH2
R CH C
O
+
CH3
R
O
CH2 O P O
O
HO
OH
O
H
+
N
_H O
2
C
OH
N
C H
CH2
HO
O
O P O
O
H
пиридоксальфосфат
(протонированная форма)
C
CH3
+
N
H
имин аминокислоты
21
Декарбоксилирование
– с участием кофермента пиридоксальфосфата
++++
R
OOC CH NH3+
фермент
α -аминокислота
R CH2 NH2
CO2
биогенный амин
O
CH2 CH C
OH
OH NH2
- СО2
коламин
серин
(Ser)
О
HO CH2 CH2 NH2
O
С СН2 CH C
NH2 OH
НО
L-аспарагиновая кислота
(Asp)
O
- СО2
СН2 СН2
NH2
C
OH
β-аланин
22
Декарбоксилирование
(продолжение)
O
О
С СН2 СН2 CH C
НО
NH2 OH
O
- СО2
CH2 CH C
NH2
OH
NH2
N
O
N
H
C
γ-аминомасляная кислота
(ГАМК)
L-глутаминовая кислота
(Glu)
N
СН2 СН2 СН2
OH
- СО2
CH2 CH2 NH2
N
H
гистамин
L-гистидин
O
CH2 CH C
N
H
NH2
L-триптофан
(Trp)
OH
CH2 CH2 NH2
- СО2
N
H
триптамин
23
Реакции элиминирования–гидратации
– с участием кофермента пиридоксальфосфата
енаминый фрагмент
R CH CH COOH
X
NH2
– HX
R CH C COOH
NH2
β -замещенная α -аминокислота α -иминокислота
H2O
– NH3
R CH2 C COOH
O
α -оксокислота
(X = OH, SH; R = H, CH3)
Реакции характерны для α -аминокислот, у которых в боковом
радикале в β -положении к карбоксильной группе содержится
гидроксильная или тиольная группа
– серина, треонина и цистеина.
24
Схема механизма реакций элиминирования−
−гидратации
нннн
ииии
рррр
ееее
сссс
OOOO
2222
HHHH
----
""""
нннн
ииии
мммм
аааа
лллл
оооо
нннн
ииии
бббб
рррр
аааа
кккк
""""
OH
3333
HHHH
NNNN
----
нннн
ииии
мммм
ииии
OH
аааа
тттт
оооо
лллл
сссс
ииии
кккк
яяяя
аааа
нннн
дддд
аааа
рррр
гггг
оооо
нннн
ииии
вввв
оооо
рррр
ииии
пппп
OH
CH3 C C
O
O
OH
CH3 C C
CH3 C C
O
нннн
ииии
мммм
аааа
нннн
ееее
яяяя
ииии
рррр
ееее
мммм
оооо
тттт
уууу
аааа
тттт
NH2
O
Н2О
NH
OH
CH2 C C
O
NH2
OH
HO CH2 CH C
O
NH2
(Ser)
Н2О
25
Реакции альдольного расщепления
O
CH2
OH
витамин В6
CH C
NH 2
O
О
CH2 C
+
Н С
NH2
Н
OH
OH
формальдегид
серин
глицин
O
СН3
OH NH2
треонин
+ CH2 C
СН3 С
CH CH C
OH
O
О
витамин В6
Н
NH2
OH
ацетальдегид
26
Ароматическое гидроксилирование
Гидроксилирование фенилаланина
O
СН2 CH C
NH2
O
[O]
НО
СН2 CH C
OH
NH2
фенилаланин
тирозин
Tyr
[O]
НО
СН2 CH2 NH2
O
- CO2
НО
декарбоксилирование
дофамин
НО
[O]
НО
СН CH2 NH2
HO
OH
норадреналин
SAM
метилирование
OH
НО
HO
СН2 CH C
OH
NH2
НО
дигидроксифенилаланин
ДОФА
СН CH2 NH CH3
OH
адреналин
27
Гидроксилирование триптофана
O
CH 2 CH C
N
NH 2
O
[O] HO
CH2 CH C
OH
N
H
NH2
OH
H
5-гидрокситриптофан
триптофан
- CO2
HO
CH2 CH2 NH2
N
H
серотонин
28
Реакции гидролиза
O
О
НО
С СН2 СН2 CH C
NH 2
О
+ NH 3
С СН2 СН2 CH C
АТФ
OH
O
H 2N
+ H2O
глутаминовая кислота
Glu
NH2
глутамин
Gln
гидролиз
О
O
С СН2 СН2 CH C
НО
NH2
OH
+ NH3
глутаминовая кислота
О
H2N
O
С СН2 CH C
NH2
аспарагин
Asn
+ H2O
О
O
С СН2 CH C
OH
НО
NH2
OH
+ NH3
аспарагиновая кислота
Asp
29
OH
Гидролиз аргинина
NH
O
H2N C NH СH2 СН2 СН2 CH C
NH2
OH
аргинин
Arg
+ H2 O
+ СО2 + 2 NH3 + 2 АТФ
гидролиз
O
O
NH2 СH2 СН2 СН2 CH C
орнитин
NH2
+
OH
H2N C NH2
мочевина
30
Метилирование
– синтез бетаинов
H2NCH2COOH
3 CH3Cl
+
[(CH3)3NCH2COOH]Cl
BaCO3
глицин
бетаин
содержится в
сахарной свекле
– in vivo с использованием метионина
CH3
+
(CH3) 3NCH2COO
NH2
S CH2CH2CH COOH
метионин
(Met)
АТФ
трифосфат
CH3 S
A
NH2
CH2 CH2CHCOOH
S-аденозилметионин
(SAM)
(А − остаток нуклеозида аденозина)
NH2
SAM + H2NCH2CH2OH
2-аминоэтанол
(коламин)
CH3NH2CH2CH2OH + A S CH2CH2CHCOOH
2-метиламиноэтанол
S-аденозилгомоцистеин
31
Реакции, приводящие к образованию
модифицированных α-аминокислот
Окисление тиольных групп
[O]
in vitro
2 RSH
R S S R
2 [H] диалкилдисульфид
тиол
NH2
CH COOH
++++
in vivo
HS CH2
+
HS CH2 CH COOH
NH2
цистеин
(Cys)
окисление
востановление
H 2O
S CH2
NH2
CH COOH
S CH2 CH COOH
NH2
цистин
Cys-S-S-Cys)
o Цистеин (вследствие способности тиольной группы к легкому
окислению) выполняет защитную функцию при воздействии на
организм веществ с высокой окислительной способностью;
– первое лекарственное средство противолучевого действия;
– стабилизатор лекарственных препаратов в фармацевтике;
– ответствен за образование в белках дисульфидных связей.
32
Алифатическое гидроксилирование
НО
O
О2; витамин С
C
N
O
C
N
OH
OH
H
H
4-гидроксипролин
4-HO-Pro
пролин
O
NН2 СН2
СН2 СН2 СН2 CH C
NH2
лизин
O2
OH
витамин С
O
NН2
СН2 СН СН2 СН2 CH C
OH
ОН
NH2
5-гидроксилизин
33
Пептиды
Пептиды – соединения, в которых остатки аминокислот связаны друг с другом амидной (пептидной) связью за счет карбоксильной группы одной и аминогруппы другой аминокислоты.
пептидная группировка
N-конец
пептидная
(амидная) связь
R1 O
R
O
R2
H2N—CH—C—N—CH—C—N—CH—COOH
H
H
С-конец
n
N-концевая
α-аминокислота
С-концевая
α-аминокислота
Пептиды и белки
— пептиды – до 100 аминокислотных остатков
(олигопептиды – до 10);
— белки – свыше 100 аминокислотных остатков
34
Строение пептидов и белков
— уровни структурной организации полипептидной цепи
• Первичная структура – число и последовательность аминокислотных остатков, связанных между собой пептидными связями.
• Вторичная структура – конформация полипептидной цепи,
возникающая за счет водородных связей (С)=О…
…Н—(N) между
близкими пептидными группами в составе скелета молекулы
(α
α -спираль и β -структура).
• Третичная структура – трехмерная укладка полипептидной
цепи за счет внутримолекулярного взаимодействия боковых цепей
(ионное и гидрофобное взаимодействие, дисульфидные связи).
• Четвертичная структура – встречается при образовании
единых белковых комплексов, включающих несколько
полипептидных цепей.
В сумме вторичная, третичная и (если она есть) четвертичная
структуры определяют конформацию белка.
35
Строение пептидной группы
O
C ..
N
H
O δ−
или
C
δ+
N
H
+М- и − М-эффекты групп NH и C=O
O
O−
C ..
N
C
H
+
N
H
мезомерная структура
− выравнивание длин связей (удлиннение С=О и укорочение C−
− N);
− существование барьера вращения вокруг связи C−
− N;
жесткая плоская структура пептидной группы
R
H
H R
H
O
C
C
N
α
C
N
α
C
C
C
H
C
O
O
R' H
плоскостное расположение
пептидной группы и α -С-атомов
и транс-расположение
радикалов R и R’
H
N
C
взаимное положение
плоскостей пептидных групп
36
Строение полипептидной цепи
– вторичная структура
C
пептидная (амидная) связь
..
..
..
O
.
...
..
H R
O
H
C
C
O
ϕ
Cψ
R' H
N
N
H
C
C
R
H
H
C
N
R
C
N
O.
...
..
.
O
. H
...
..
.
возможные углы поворота
(ϕ
ϕ и ψ)
в полипептидной цепи
H
N
C
H
0,54 нм
R H
H
R
C
C
O.
..
.
N
C
C
O.
H
...
α -Спираль
O
H
O
H
-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-C-N-CH-Cна один виток – 3.6
1
3
5
2
4
R
R
H R O
R
H
R
H
O
O аминокислотных остатка,
..
Н-связи С=O···H−
− N (1→
→ 5)
закрепляют конформацию
37
• β -Структура (складчатый лист)
0,72 нм
к C-концу
O
C
N
H
.
...
.
C
H
R
H
C N
H
H
O.
N
H
.
O
C
C N
C
O
H
к N-концу
...
.
...
.
H
C
O
C
R
C
C
R
O
к N-концу
H
N
к C-концу
N
H
R
Н-Связи между пептидными группами различных цепей
38
Состав и аминокислотная последовательность
• Аминокислотный состав пептидов и белков – природа и количественное соотношение входящих в их состав аминокислот.
– аминокислотные анализаторы;
– ферментативный гидролиз;
– химические методы селективного расщепления
пептидных связей.
• Аминокислотная последовательность (порядок чередования
α -аминокислотных остатков) – первичная структура
пептидов и белков.
– последовательное отщепление аминокислот с С- или N-конца
цепи и их идентификация;
– использование автоматических приборов (секвенаторов).
39
Строение и номенклатура пептидов
Трипептид
глицил
N-конец
аспартил
серин
O
O
H2N—CH2—C—NH—CH—C—NH—CH—COOH
CH2COOH
CH2OH
C-конец
глициласпартилсерин
(Gly-Asp-Ser или H-Gly-Asp-Ser-OH)
40
Пример составления формулы пептида (Tyr-Lys-Glu-Pro)
– как продукта поликонденсации соответствующих аминокислот
CH2
H
O H
OH
тирозин
N-конец
пептида
CH2
CH2
CH2
CH2
NH2
N CH C
H
CH
CH2
OH
C
CH 2
CH2
O
O H
H N CH C
O H
C
O
глутаминовая
кислота
O
O
N
CH
H
CH2
CH2
CH2
CH2
NH2
C
пролин
OH
-3H O H
O
N
H
O H
лизин
H
O
H
N CH C
N CH C
H
O
H
O
H
N
CH
H
CH2
CH2
C
O
N CH C
С-конец
пептида
O H
C
O
OH
тирозиллизилглутамилпролин
41
– с использованием «заготовки» в виде пептидной цепи
Тетрапептид
O
O
O
H2N–CH–C–NH–CH–C–NH–CH–C–NH–CH–COOH
O
O
O
H2N–CH–C–N––CH–C–NH–CH–C–NH–CH–COOH
(CH2)4
(CH2)2C(O)NH2
CH3
NH2
аланилпролиллизилглутамин
(Ala-Pro-Lys-Gln)
42
Принцип пептидного синтеза
HHHH
OOOO OOOO
CCCC
2222
HHHH
CCCC
NNNN HHHH 3333
HHHH
CCCC
OOOO CCCC
SSSS
2222 2222
HHHH HHHH HHHH
CCCC CCCC CCCC
NNNN
2222
HHHH
HHHH
OOOO OOOO
CCCC
2222
HHHH
CCCC
NNNN
2222
HHHH
++++
HHHH
3333
OOOO OOOO
HHHH
CCCC
CCCC
SSSS
2222 2222
HHHH HHHH HHHH
CCCC CCCC CCCC
NNNN
2222
HHHH
Met-Gly + Gly-Met + Gly-Gly + Met-Met
Met + Gly
метионилглицин
(Met-Gly)
глицин
(Gly)
метионин
(Met)
(не считая дикетопиперазинов)
43
Основные этапы пептидного синтеза
1. Защита «ненужных» функциональных групп
HHHH
3333
OOOO OOOO
HHHH
CCCC
CCCC
SSSS
2222 2222
HHHH HHHH HHHH
CCCC CCCC CCCC
NNNN HHHH
OOOO CCCC
XXXX
HHHH
OOOO2222
HHHH
NNNN
2222
HHHH
HHHH
CCCC
2222
CCCC
RRRR
OOOO OOOO
– защита СООН-группы
NNNN
2222
HHHH
HHHH
CCCC
2222
CCCC
HHHH
OOOO OOOO
HHHH
OOOO
RRRR
++++
этерификация
HHHH
XXXX
HHHH
++++
HHHH
3333
OOOO OOOO
HHHH
CCCC
CCCC
SSSS
2222 2222
HHHH HHHH HHHH
CCCC CCCC CCCC
NNNN
2222
HHHH
N-формилметионин
метионин
сложный эфир глицина
(Gly-OR)
глицин
ацилирование
OOOO CCCC
– защита NH2-группы
44
2. Активация карбоксильной группы
AAAA
OOOO
HHHH
OOOO PPPP OOOO
3333
OOOO OOOO
HHHH
CCCC
CCCC
SSSS
2222 2222
HHHH HHHH HHHH
CCCC CCCC CCCC
NNNN HHHH
OOOO CCCC
HHHH
7777
смешанный ангидрид
(аминоациладенилат)
N-формилметионин
OOOO
ФФФФ 2222
ТТТТ PPPP
АААА HHHH4444
HHHH
3333
OOOO OOOO
HHHH
CCCC
CCCC
SSSS
2222 2222
HHHH HHHH HHHH
CCCC CCCC CCCC
NNNN HHHH
OOOO CCCC
HHHH
– метод смешанных ангидридов
(А − остаток нуклеозида аденозина)
45
3. Образование пептидной связи
RRRR
OOOO OOOO
CCCC
3333
AAAA
OOOO
OOOO
HHHH
HHHH
OOOO PPPP OOOO
пептидная группа
NNNN HHHH
OOOO CCCC
HHHH
HHHH
OOOO NNNN
3333
HHHH
CCCC
CCCC
SSSS
2222 2222
HHHH HHHH HHHH
CCCC CCCC CCCC
HHHH
CCCC
2222
RRRR
OOOO OOOO
CCCC
+
АМФ
защищенный с С- и N-конца дипептид
2222
HHHH
CCCC
NNNN
2222
HHHH
++++
AAAA
OOOO
HHHH
OOOO PPPP OOOO
OOOO
OOOO HHHH
CCCC
CCCC
SSSS
2222 2222
HHHH HHHH HHHH
CCCC CCCC CCCC
NNNN HHHH
OOOO CCCC
HHHH
Gly-OR
аминоациладенилат
46
4. Снятие защитных групп
RRRR
OOOO OOOO
CCCC
2222
HHHH
CCCC
HHHH
OOOO NNNN
3333
HHHH
CCCC
CCCC
SSSS
2222 2222
HHHH HHHH HHHH
CCCC CCCC CCCC
NNNN HHHH
OOOO CCCC
HHHH
защищенный с С- и
N-конца дипептид
HHHH
OOOO
RRRR
OOOO2222
HHHH
2222
OOOO
CCCC
]]]]
OOOO
[[[[
HHHH
OOOO OOOO
CCCC
2222
HHHH
CCCC
HHHH
OOOO NNNN
3333
HHHH
CCCC
CCCC
SSSS
2222 2222
HHHH HHHH HHHH
CCCC CCCC CCCC
NNNN
2222
HHHH
дипептид метионилглицин
(Met-Gly или H-Met-Gly-OH)
– первые примеры синтеза биологически активных пептидов
— синтез гормонов окситоцина и вазопрессина (1953–1955);
– синтез инсулина (1963–1965), 223 реакции, выход 0.02–0.07%;
– твердофазный синтез, Б.Мэррифилд, 1962, использование
«якорных» ClCH2-групп (фиксирование С-конца), синтезаторы.
47
Качественные реакции
• Биуретовая реакция
H2N
H2N
C O
+ Cu(OH)2
HN
C O
H2N
биурет
- 2H2O
Cu
N
H2N
:O C
C O
C O:
NH2
N
O C
NH2
хелатный комплекс
(красно-фиолетовый цвет)
Общая реакция для соединений, содержащих не менее двух
амидных группировок
(применяется для обнаружения пептидов и белков).
48
Нестандартные пептиды
Дипептиды
• Аспартам
остаток метилового эфира
остаток
L-аспарагиновой кислоты
L-фенилаланина
O
HOOC-CH2CH-C-NHCH-COOCH3
NH2
CH2C6H5
в 200 раз
слаще
сахарозы
аспартам
(Asp-Phe-OCH3)
49
• Карнозин и ансерин
O
NH2 CH2 CH2 C NH CH COOH
H N
дипептид карнозин
β-аланилгистидин
(β
β-Ala-His)
N содержится в мышцах животных и человека
O
O
NH2 CH CH2 CH2 C NH CH C NH CH2 COOH
COOH
CH2SH
трипептид глутатион (γγ -глутамилцистеинилглицин
(γγ-Glu-Cys-Gly)
Принимает участие во многих окислительно-восстановительных
биохимических процессах
50
• Карнозин и ансерин
остаток гистидина
H2NCH2CH2CO- NHCHCOOH
oстаток β-аланина CH2
N
остаток
1-метилгистидина
H 2NCH2CH2CO- NHCHCOOH
oстаток β-аланина CH 2
N
NH
карнозин
N-CH3
ансерин
Карнозин (β
β -аланил-L-гистидин) и ансерин (β
β -аланил-1-метил-Lгистидин) содержатся в мышцах животных и человека;
в их состав входит остаток необычной аминокислоты –
β -аланина (структурный изомер α -аланина).
51
Трипептиды
Глутатион – один из наиболее распространенных представителей трипептидов (содержится во всех животных, растениях
и бактериях).
O
O
α
β
γ
H2N-CH-CH2-CH2-C-NH-CH-C-NH-CH2-COOH
COOH
CH2SH
γ -глутамилцистеинилглицин
(γγ -Glu-Cys-Gly)
Глутатион выполняет функцию протектора белков – вещества,
предохраняющего белки со свободными тиольными группами
SH от окисления с образованием дисульфидных связей − S−
− S−
−.
γ-Glu-Cys-Gly
2 γ-Glu-Cys-Gly
– 2 [H]
+ 2 [H]
S
S
глутатион
γ-Glu-Cys-Gly
(G-SH)
окисленный глутатион
(G-S-S-G)
52
Нейропептиды
– пептиды, содержащиеся в головном мозге и влияющие на функции ЦНС
• Энкефалины (пентапептиды, 1975)
Tyr–Gly–Gly–Phe–Met
Met-энкефалин
Tyr–Gly–Gly–Phe–Leu
Leu-энкефалин
(обезболивающее действие, лекарственные средства)
• Эндорфины (эндогенные морфины, 1975–1976)
Tyr–Gly–Gly–Phe–Met–Thr–Ser–Glu–Lys–Ser–Gln–Thr–Pro–Leu–Val–Thr
α -эндорфин
– энкефалины и эндорфины — представители опиоидных пептидов,
действующих на опиатные рецепторы головного мозга;
– регуляция болевых ощущений, эмоционального поведения,
памяти, обучаемости;
– механизм действия, возможно, основан на их участии в секреции ряда
медиаторов мозга (дофамина, ацетилхолина, норадреналина и др.);
– минусы: привыкание, физическая зависимость, угнетение дыхания и
сердечной деятельности
53